5、流體輸送過程的安全分析

1、,5、流體輸送過程的安全分析,2,,流體輸送過程中的危險性：流動的物性；流動過程中工藝參數(shù)及壓縮流動狀態(tài)下的我變化與裝備技術(shù)。流體的輸送動力來自于流體的壓縮能、相變能或位能，在流動過程中，具有一定的流速、壓力、壓頭等工藝條件；,3,5..1 流體輸送在化工中的應用,流體：氣體（可壓縮）、液體（不可壓縮）聲速以下，氣體有液體相同的性質(zhì)應用：生產(chǎn)工藝要求，物料在設(shè)備間，車間間傳輸傳熱、傳質(zhì)、反應等單元操作在液體環(huán)境下進行

2、流體的安全輸送對于保證工藝任務的完成及提高化工過程的速率都是十分重要的。,4,5.2　常見流體的輸送方式及危險性分析,5.2.1　高位槽送料原理：流體由高位向低位流動使用場合：工藝要求，由高位向低位設(shè)備輸送要求特別穩(wěn)定的場合，設(shè)置高位槽，避免機械的波動例：甲醇回收方案流程,5,,危險分析：液體向高位槽提升時，因流體摩擦易在高位槽產(chǎn)生靜電火花而引燃物系解決方法：控制流速流體入口管插入液下接地,6,,5.2.2 真空抽

3、料原理：通過真空系統(tǒng)的負壓來實現(xiàn)流體輸送特點：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，沒有動件，流量調(diào)節(jié)不方便。使用場合：主要用于間歇送料不適用于輸送易揮發(fā)的液體例：真空抽送燒堿,7,,危險分析：靜電積累，引燃物系空氣混入，遇明火爆炸解決方法：接地，輸送管線采用金屬物料如是易燃液體，注意過程的密閉性,8,,負壓操作，主要出于安全考慮。防止易燃易爆氣體或粉塵大量抽入真空泵，真空泵前應有洗滌或過濾裝置；恢復常壓時應小心，一般應待溫度降

4、低后再緩慢放進空氣，以防氧化燃燒；設(shè)備不得漏氣，以免爆炸；強度符合要求，以防抽癟。,9,,5.2.3 壓縮空氣送料壓縮空氣送料結(jié)構(gòu)簡單無動件，可間歇輸送腐蝕性大不易燃易爆的流體，流量小且不易調(diào)節(jié)，只能間歇輸送流體?？諝獾膲毫Ρ仨殱M足輸送任務對揚程的要求。危險性分析：爆炸靜電,10,,5.2.4 流體輸送機械送料流體輸送機械送料是指借助流體輸送機械對流體做功，實現(xiàn)流體輸送的操作。該方法是化工生產(chǎn)中最常見的流體輸送方法。

5、例：酸貯槽送酸,11,,流體輸送中幾方面的問題流體的性質(zhì)流體流動的特征流體流動的基本規(guī)律流體阻力化工管路輸送機械,12,5.3 流體的物理性質(zhì),流體輸送過程，流體的狀態(tài)與規(guī)律都與物理性質(zhì)有關(guān)。流體的物理性質(zhì)：密度、壓力、黏度、揮發(fā)性、燃燒爆炸極限、閃點、最小引燃能量、燃燒值等。,13,,在研究流體流動時，常將流體視為由無數(shù)流體微團組成的連續(xù)介質(zhì)。所謂流體微團或流體質(zhì)點是指這樣的小塊流體：它的大小與容器或管道相比是微不足

6、道的，但是比起分子自由程長度卻要大得多，它包含足夠多的分子，能夠用統(tǒng)計平均的方法來求出宏觀的參數(shù)（如壓力、溫度），從而可以觀察這些參數(shù)的變化情況。連續(xù)性的假設(shè)首先意味著流體介質(zhì)是由連續(xù)的液體質(zhì)點組成的；其次還意味著質(zhì)點運動過程的連續(xù)性。例如，高度真空下的氣體，就不再視為連續(xù)性介質(zhì)了。,14,,流體的體積如果不隨壓力及溫度變化，這種流體稱為不可壓縮流體；如果隨壓力及溫度變化，則稱為可壓縮流體。實際流體都是可壓縮的，當流體的體積隨壓力及

7、溫度變化很小時，一般把它看作不可壓縮流體；氣體比液體有較大的壓縮性，當壓力及溫度改變時，氣體的體積會有很大的變化，應當屬于可壓縮流體。但是，如果壓力或溫度變化很小時，氣體通常也可以當作不可壓縮流體處理。,15,,5.3.1 密度與相對密度單位體積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度，用?表示，屬于物性影響因素：氣體-----種類、壓力、溫度、濃度液體-----種類、溫度、濃度獲得方法：（1）查物性數(shù)據(jù)手冊（2）公式計算,16,,,

8、液體：,Ｐ影響小,T 影響大,可看作是溫度的函數(shù),理想氣體：,可看作是溫度和壓力的函數(shù),17,,,液體：,純,混合,,氣體：,純,混合,------理想氣體狀態(tài)方程,質(zhì)量分數(shù),體積分數(shù),18,,相對密度：是一種流體的密度相對于另一種標準流體的密度的大小，是一個無因次的量。對于液體來說，常先277K的純水作為標準液體，此時水的密度為1000千克/立方米。,19,,5.3.2 壓力定義：流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的壓強，簡稱

9、壓強，習慣上稱為壓力。在靜止流體中，從各方向作用于某一點的壓力大小均相等。流體壓力具有以下兩個重要特性：（１）流體壓力處處與它的作用面垂直，并總是指向流體的作用面；（２）流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關(guān)。例如，當測定流體內(nèi)某點的壓力時，不論將測壓管按水平、垂直還是其他方向插入，只要管的管端正好與該點接觸，則壓力表上所顯示的讀數(shù)都是相同的。,20,,壓力的單位和單位換算在國際單位制中，壓力的單位是 N/ｍ２，

10、稱為帕斯卡，以 Pa表示。但長期以來采用的單位為 atm(標準大氣壓）、某流體柱高度或 kgf/cm2等。壓力的基準壓力可以有不同的計量基準，如果以絕對真空（即零大氣壓）為基準，稱為絕對壓力，若以當?shù)卮髿鈮簽榛鶞剩瑒t稱為表壓。,21,,,22,,5.3.3 黏度流體具有黏性，表征流體粘性的物理性質(zhì)稱為粘滯系數(shù)，簡稱黏度。流體的黏度影響流體的流動狀況和狀態(tài)，決定在一定動力或流速狀態(tài)下，流體與管壁之間的摩擦，黏度大的流體容易粘壁，結(jié)垢

11、而導致堵塞或結(jié)焦，影響安全生產(chǎn)。,23,,流體的黏度是流體種類及狀態(tài)的函數(shù)，氣體的黏度比液體小得多。液體的黏度隨溫度升高而減小，氣體的黏度則隨溫度升高而增大。壓強變化時，液體的黏度基本不變；氣體的黏度隨壓強增加而增加得很少，在一般工程計算中可忽略不計，只有在極高或極低的壓強下，才需考慮壓強對氣體粘度的影響。,24,,國際單位制中粘度的單位為 Pa.s，厘米克秒制中粘度的單位為 P（泊）和 cP（厘泊），它們的換算關(guān)系如下：１ Pa

12、.s=10P=1000cP黏度與密度之比稱為運動粘度，即：,25,5.4 流體流動安全技術(shù)分析,化工生產(chǎn)中流體大多是沿密閉的管道流動，因此研究管內(nèi)流體流動的規(guī)律是十分必要的。反映管內(nèi)流體流動規(guī)律的基本方程式有連續(xù)性方程式和伯努利方程式，本節(jié)主要圍繞這兩個方程式進行討論。,26,,5.4.1 流量方程式5.4.1.1　流量單位時間內(nèi)流過管道某一截面的物質(zhì)量稱為流量。一般有體積流量和質(zhì)量流量兩種表示方法。體積流量 qv:由于氣體的體

13、積與其狀態(tài)有關(guān)，因此對氣體的體積流量，須說明它的溫度t和壓強p；質(zhì)量流量qm: （Kg/s或Kg/h）。 qm = ? qv,,27,,5.4.1.2平均流速（簡稱流速）u 單位時間內(nèi)流體在流動方向上所流過的距離稱為流速u（m/s）。流體在管截面上的速度分布規(guī)律較為復雜，如在工程上為計算方便起見，流體的流速通常指整個管截面上的平均流速,,28,,5.4.1.3流量方程式描述流體

14、流量、流速、流通面積三者之間的關(guān)系式。流量一定的情況下，面積越小，流速越大。流量方程式主要用來確定管子規(guī)格和設(shè)備直徑。,29,,通常流量由輸送任務決定的，因此，管子的規(guī)格取決于流速的大小。流速越大，管徑越小，管路投入（設(shè)備費用）越小，但同時，流體輸送的動力消耗（操作費用）也越大。流速越小，管徑越大，管路投入（設(shè)備費用）越大，但同時，流體輸送的動力消耗（操作費用）也越小。確定流速時還要考慮靜電積累問題。,30,,,31,,5.4

15、.2 穩(wěn)定流動與不穩(wěn)定流動流體在 管道 中 流 動時，在任一點上的流速、壓力等有關(guān)物理參數(shù)都不隨時間而改變，這種流動稱為穩(wěn)定流動。若流動的流體中，任一點上的物理參數(shù)，有部分或全部隨時間而改變，這種流動稱為不穩(wěn)定流動。,32,,根據(jù)流體流動過程中流動參數(shù)的變化情況，可以將流體的流動分為穩(wěn)定流動和非穩(wěn)定流動?；どa(chǎn)中的連續(xù)操作過程，多屬于穩(wěn)定流動，連續(xù)操作的開車、停車及間歇操作過程屬于不穩(wěn)定流動。,33,,,34,,5.4.3 穩(wěn)定流

16、動系統(tǒng)的物料衡算――連續(xù)性方程單位時間內(nèi)，通過任一截面的液體質(zhì)量相等。,35,,,36,,5.4.4 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量衡算――柏努利方程（一）能量衡算,37,,,38,,,39,,,40,,,,,,柏努利方程:,41,機械能衡算方程（柏努利方程）討論：,（1）適用條件：不可壓縮、連續(xù)、均質(zhì)流體、等溫流動,--------靜力學方程,,這說明流體能自動從高（機械能）能位流向低（機械能）能位,,42,習題:,使用機械能衡算方程時，應注

17、意以下幾點：,控制體的選?。?控制體內(nèi)的流體必須連續(xù)、均質(zhì)；有流體進出的那些控制面（流通截面）應與流動方向相垂直，且已知條件最多；包含待求變量。,基準水平面的選取,壓力,用絕壓或表壓均可，但兩邊必須統(tǒng)一。,43,1,,44,hf,hf =,45,,由本題可知，應用伯努利方程式解題時，需要注意下列事項：① 選取截面選取截面時應考慮到流體輸送系統(tǒng)應在連續(xù)、穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在本例中，截面 2-2’一定要選在管內(nèi)側(cè)，這樣才可以求出流速，并與

18、阻力損失的大小相對應。需要說明的是，只要在連續(xù)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，任意兩個截面均可選用。不過，為了計算方便，截面常取在輸送系統(tǒng)的起點和終點的相應截面，因為起點和終點的已知條件多。另外，兩截面均應與流動方向垂直，如圖所示的輸送系統(tǒng)，下游截面應選截面 2-2’ ，而不能選截面 3-3’ 。② 確定基準面基準面是用以衡量位能大小的基準。為了簡化計算，通常取相應于所選定的截面之中較低的一個水平面為基準，如上圖的截面 2-2’為基準面比較合適。③

19、壓力壓力的概念已在前面說明了。這里需要強調(diào)的是，伯努利方程式中的壓力 p1、p2只能同時使用表壓或絕對壓力，不能混合使用。,46,,,,,,,,例 軸功的計算,管道尺寸為?114?4mm，流量為85m3/h，水在管路中流動時的總摩擦損失為10J/kg（不包括出口阻力損失），噴頭處壓力較塔內(nèi)壓力高20kPa，水從塔中流入下水道的摩擦損失可忽略不計。 求泵的有效軸功率。,解：在1-1面和2-2面間,47,,48,,5.4

20、.5流體阻力流體阻力成為化工生產(chǎn)管路堵塞、管系和罐壁結(jié)垢沉淀、甚至影響傳熱系數(shù)的主要原因之一。實際流體流動時，會因為流體自身不同質(zhì)點之間以及流體與管壁之間的相互摩擦而產(chǎn)生阻力，造成能量損失，這種在流體流動過程中因為克服阻力而消耗的能量叫阻力損失。阻力的大小與流體輸送的安全性有很大的關(guān)系。,49,,5.4.5.1流體阻力產(chǎn)生的原因理想流體無阻力損失，實際流體才會有。黏性是流體阻力產(chǎn)生的根本原因，其值越大，阻力越大。不同流體在同

21、一條管路中流動時，流體阻力大小不同；同一種流體在同一條管路中流動時，也能產(chǎn)生大小不同的阻力損失。決定阻力大小的因素：內(nèi)因（黏性），外因（邊界條件），流體的流動形態(tài)（層流與湍流）。,50,雷諾數(shù),(1)雷諾實驗,,51,直管內(nèi)流動時，Re?2000 層流 Re=2000?4000 過渡區(qū) Re>40

22、00 湍流,(2)流動形態(tài)的判斷,,,52,(2)層流內(nèi)層與流動主體,化工生產(chǎn)中液體的流動多為湍流，但無論流體的湍動程度有多高，由于流體與壁面間的摩擦作用，在靠近壁面的地方，總有一層流體在做層流流動，湍流流動的液體中，做層流流動的流體層稱為層流內(nèi)層或?qū)恿鞯讓踊驅(qū)恿鬟吔鐚?，而層流邊界層處的流體稱為流動主體或湍動主體。,53,,,機械能衡算方程,摩擦損失的計算目前主要靠經(jīng)驗式,摩擦損失分為兩類：,5.4.5.3流體阻

23、力的計算原則,54,,-----直管摩擦損失計算通式,主要依靠實驗研究,關(guān)于摩擦損失的計算,1、直管摩擦損失計算通式,55,使用時注意經(jīng)驗式的適用范圍,幾個光滑管內(nèi)湍流經(jīng)驗公式：,56,,,幾個粗糙管內(nèi)湍流經(jīng)驗公式：,57,2、非圓形管摩擦損失的計算式,58,由于流體的流速或流動方向突然發(fā)生變化而產(chǎn)生渦流，從而導致形體阻力。,,,,,3、局部摩擦損失的計算式,59,,,3、局部摩擦損失的計算式,60,61,,,,,,,,,,,,,,,,

24、,,,總結(jié)： 管路系統(tǒng)的總阻力損失為,二、關(guān)于摩擦損失的計算,62,,5.4.5.4減少流體阻力的措施流體阻力的危害：流體阻力越大，輸送流體的動力消耗也越大，介質(zhì)有可能在高壓的危險狀況下輸送流體；流體阻力的增加還可能造成系統(tǒng)壓力的下降，嚴重時將影響工藝的過程的正常進行，破壞系統(tǒng)的壓力平衡。,63,,減少流體阻力的措施在滿足工藝要求的前提下，應盡可能減短管路；在管路長度確定的前提下，應盡可能減少管件、閥件，盡量避免管路直徑的改

25、變；在可能的情況下，適當放大管徑；改善固壁對流動的影響：減小管壁粗糙度，防止或推遲流體與壁面的分離加極少量的添加劑，影響流體運動的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。,64,65,,常見閥門的結(jié)構(gòu)截止閥止回閥閘閥旋閥球閥,常見流量計皮托管孔板流量計文丘里管流量計轉(zhuǎn)子流量計,66,,,什么是不可壓縮流體和可壓縮流體？影響流體密度的因素有哪些？氣體的密度如何計算？簡述壓強（壓力）的定義。壓力的常用單位有哪些？它們之間如何換算？什么是絕

26、對壓力、表壓和真空度？它們之間有何關(guān)系？ 何謂穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動？說明流體的體積流量、質(zhì)量流量、流速（平均流速）及質(zhì)量流速的定義及相互關(guān)系。,67,,寫出連續(xù)性方程式的各種形式，說明各自的物理意義及應用條件。分別寫出理想流體和實際流體的伯努利方程式，說明各項單位及物理意義。應用伯努利方程式時，應注意哪些問題？如何選取基準面和截面？應用伯努利方程式可以解決哪些問題？流體的流動類型有哪幾種？如何判斷？雷諾數(shù)（Re）的物理意義