化工单元操作

三、化工流体输送机械分类
一般可分为四类：即离心式、往复式、旋转式和 流体动力作用式。这四种类型机械均有国产产品，且 大多数已成为系列化产品。
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2-1-1 离心泵的工作原理
在液体受迫由叶轮中心流 向外缘的同时，在叶轮中 心处形成真空。泵的吸入 管路一端与叶轮中心处相 通，另一端则浸没在输送 的液体内，在液面压力 （常为大气压）与泵内压 力（负压）的压差作用下， 液体经吸入管路进入泵内， 只要叶轮的转动不停，离 心泵便不断地吸入和排出 液体。由此可见离心泵主 要是依靠高速旋转的叶轮 所产生的离心力来输送液 体，故名离心泵。
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二、为什么要用不同结构和特性的输送机械？ 为什么要用不同结构和特性的输送机械？
这是因为化工厂中输送的流体种类繁多： 1、流体种类有强腐蚀性的、高粘度的、含有固体悬 浮物的、易挥发的、 易燃易爆的以及有毒的等等； 2、温度和压强又有高低之分； 3、不同生产过程所需提供的流量和压头又各异。 所以需要有各种结构和特性的输送机械。
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离心泵
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2-1-2 离心泵的工作原理
离心泵若在启动前未充满液体，则泵内存在空 气，由于空气密度很小，所产生的离心力也很 小。吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入 泵内，虽启动离心泵，但不能输送液体，这种 现象就称为“气缚”。所以离心泵启动前必须 向壳体内灌满液体，在吸入管底部安装带滤网 的底阀。底阀为止逆阀，防止启动前灌入的液 体从泵内漏失。滤网防止固体物质进入泵内。 靠近泵出口处的压出管道上装有调节阀，供调 节流量时使用。
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1.1.2 流体的静压强
一. 静压强 流体垂直作用于单位面积上的力，称为压强， 或称为静压强。其表达式为
式中 N；
p -------- 流体的静压强，Pa； FV------- 垂直作用于流体表面上的力， A -------- 作用面的面积，m2。
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1.1.2 流体的静压强
二. 静压强的单位 1． 按压强的定义，压强是单位面积上的压力，其单 位应为Pa，也称为帕斯卡。 其105倍称为巴（bar）， 即1bar = 105 Pa。常用单位有：Pa、 KPa、 Mpa。 2． 直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。 3. 以大气压强表示：atm（物理大气压）、at（工程 大气压） 1atm=1.013×105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg 1at=9.81×104 Pa=10 mH2O=735mmHg
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离心泵的工作点与流量调节
一、工作点 离心泵的特性曲线是泵本身固有的特性，它 与外界使用情况无关。但是，一旦泵被安排在 一定的管路系统中工作时，其实际工作情况就 不仅与离心泵本身的特性有关，而且还取决于 管路的工作特性。所以，要选好和用好离心泵， 就还要同时考虑到管路的特性。 在特定管路中输送液体时，管路所需压头 He随着流量Qe的平方而变化。将此关系绘在 坐标纸上即为相应管路特性曲线。
式中G -------- 质量流速，亦称质量通量； kg/m2 s 。
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1.2.3 管路直径的估算及选择
一般管路的截面均为圆形，若以d表示管路内径，则 于是 。 所以流体输送管路的直径可根据流量及流速进行计算，所以选择 的u越小，则d越大，那么对于相同的流量，所用的材料就越多， 所以材料费、检修费等基建费也会相应增加。相反，选择的u越 大，则d就越小，材料费等费用会减少，但由于流体在管路中流 动的阻力与u 成正比，所以阻力损失会增大，即操作费用就会增 加。所以应综合考虑，使两项费用之和最小。 通常流体流动允许压强降：水24.5kpa/100m管 空气 5.1kpa/100m管 可以此来衡量所选择的管径是否合适。对于长距离与大流量输送 流体，d应按前述的经济核算原则进行选择；而对于车间内部， 通常管道较短，也不太粗，这时可根据经验来选择d。 一般液体流速为0.5—3m/s，气体为10—30m/s，蒸汽为20— 50m/s。
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某些流体在管路中常用流速范围
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第四章 流体输送机械
一、为什么要流体输送机械？ 为什么要流体输送机械？
化工生产中大都是连续流动的各种物料或产品。 由于工艺需要常需将流体由低处送至高处；由 低压设备送至高压设备；或者克服管道阻力由 一车间（某地）水平地送至另一车间（另一 地）。为了达到这些目的，必须对流体作功以 提高流体能量，完成输送任务。这就需要流体 输送机械。
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1.1.1 重要概念
二. 气体密度 一般来说气体是可压缩的，称为可压缩流体。但是，在压力和 温度变化率很小的情况下，也可将气体当作不可压缩流体来处理。 当气体的压力不太高，温度又不太低时，可近似按理想气体状 态方程来计算密度。由 计算 p -------- 气体的绝对压强，kPa或kN/m2； M -------- 气体的摩尔质量，kg/kmol； T -------- 气体的绝对温度，K； R -------- 气体常数，8.314 kJ/(kmol K)。
离心泵的安装高度
一、汽蚀现象 在如图所示的管路中，在液 面0—0与泵进口附近截面1— 1之间无外加能量，液体靠压 强差流动。因此，提高泵的 安装位置，叶轮进口处的压 强可能降至被输送液体的饱 和蒸汽压，引起液体部分汽 化。
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汽蚀现象
实际上，泵中压强最低处位于叶轮内缘叶片的背面， 当泵的安装位置高至一定距离，首先在该处发生汽化 并产生汽泡。含汽泡的液体进入叶轮后，因压强升高， 汽泡立即凝聚，汽泡的消失产生局部真空，周围液体 以高速涌向汽泡中心，造成冲击和振动。尤其是当汽 泡的凝聚发生在叶片表面附近时，众多液体质点犹如 细小的高频水锤撞击着叶片；另外汽泡中还可能带有 氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用。泵在这种状态 下长期运转，将会导致叶片的过早损坏，这种现象称 为泵的汽蚀。 离心泵在产生汽蚀条件下运转，泵体振动并发出噪音， 流量、扬程和效率都明显下降，严重时甚至吸不上液 体。为了避免汽蚀现象，泵的安装位置不能太高，以 保证叶轮中各处的压强高于液体的饱和蒸汽压。
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2.化工生产的基本任务 化工生产的基本任务 研究化工生产的基本过程和反应原理 确认化工生产的工艺流程和最佳工艺条件。 生产中运用的主要设备的构造、工作原理及强 化生产的方法。
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第二章 化工生产与单元操作
1、化工单元操作 、 一个化工产品的生产是通过若干个物理操作与若干 个化学反应实现的。尽管化工产品千差万别，生产工 艺多种多样，但这些产品的生产过程所包含的物理过 程并不是很多，而且是相似的。比如，流涕输送不论 用来输送何种物料，其目的都是将流体从一个设备输 送至另一个设备；加热与冷却的目的都是得到需要的 操作温度；分离提纯的目的都是得到指定浓度的混合 物等。因此把这些包含在不同化工产品生产过程中， 因此把这些包含在不同化工产品生产过程中， 因此把这些包含在不同化工产品生产过程中 发生同样物理变化，遵循共同的物理学规律， 发生同样物理变化，遵循共同的物理学规律，使用相 似设备，具有相同功能的基本物理操作， 似设备，具有相同功能的基本物理操作，称为单元操 作。
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1.1.2 流体的静压强
三. 静压强的表示方法 绝对压强（ata）：以绝对真空为 绝对压强 基准量得的压强； 表压强（atg）：以大气压强为基 表压强 准量得的压强。 真空度 表压强以大气压为起点计 算，所以有正负，负表压强就称 为真空度，其相互关系如下图所 示。
注意符号: atm -------- 物理大气压；
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离心泵的工作点与流量调节
若将离心泵的特性曲线 与其所在管路特性曲线 绘于同一坐标纸上，如 上图所示，此两线交点M 上图 称为泵的工作点 工作点。选泵 工作点 时，要求工作点所对应 的流量和压头既能满足 管路系统的要求，又正 好是离心泵所提供的， 即Q = Qe，H = He。
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离心泵的工作点与流量调节
式中
A -------- 与流动方向相垂直的管路截面积，m2 。 流量与流速的关系为：ws = Vsρ= uAρ
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1.2.2 流速
由于气体的体积流量随温度和压强而变化，因 而气体的流速亦随之而变。因此采用质量流速 就较为方便。 质量流速即单位时间内流体流过管路截面积的 质量，以G表示，其表达式为：
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化工生产与单元操作
3 单元操作的内容与方向： 单元操作的内容与方向：
单元操作的基本原理； 内容 单元操作典型设备的结构； 单元操作设备选型设计计算。 高效率、低能耗、环保； 方向 开发新的单元操作 单元操作集成工艺与技术。
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第三章 流体流动
流体流动规律是化工原理课程的重要基础， 主要原因有以下三个方面：
离心泵的工作点与流量调节
2）改变泵的转速 改变泵的转速实质上是改变 泵的特性曲线。泵原来转速 为n，工作点为M，如下图所 图 示，若把泵的转速提高到n1， 泵的特性曲线 H–Q往上移， 工作点由M移至M1，流量由 QM加大到QM1。若把泵的转 速降至n2，工作点移至M2， 流量降至QM2。 这种调节方法需要变速装置 或价格昂贵的变速原动机， 且难以做到连续调节流量， 故化工生产中很少采用。 方埠化工厂
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化工生产与单元操作
2 . 单元操作（Unit Operation） 单元操作（ ） 单元操作按其遵循的基本规律分类： （1）遵循流体动力学基本规律的单元操作：包括流体输送、 沉降、过滤、固体流态化等； （2）遵循热量传递基本规律的单元操作：包括加热、冷却、 冷凝、蒸发等； （3）遵循质量传递基本规律的单元操作：包括蒸馏、吸收、 萃取、结晶、干燥、膜分离等；
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液体物理性质对离心泵特性的影响
（1）密度的影响 由离心泵的基本方程式可知，离心泵的压 头、流量均与液体的密度无关，所以效率也不 随液体的密度而改变，但轴功率会随着液体密 度而变化。 （2）粘度的影响 所输送的液体粘度越大，泵内能量损失越 多，泵的压头、流量都要减小，效率下降，而 轴功率则要增大。