5、流體輸送過(guò)程的安全分析

1、,5、流體輸送過(guò)程的安全分析,2,,流體輸送過(guò)程中的危險(xiǎn)性：流動(dòng)的物性；流動(dòng)過(guò)程中工藝參數(shù)及壓縮流動(dòng)狀態(tài)下的我變化與裝備技術(shù)。流體的輸送動(dòng)力來(lái)自于流體的壓縮能、相變能或位能，在流動(dòng)過(guò)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(yīng)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(yīng)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(yīng)等單元操作在液體環(huán)境下進(jìn)行

2、流體的安全輸送對(duì)于保證工藝任務(wù)的完成及提高化工過(guò)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(xiǎn)性分析,5.2.1　高位槽送料原理：流體由高位向低位流動(dòng)使用場(chǎng)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(chǎng)合，設(shè)置高位槽，避免機(jī)械的波動(dòng)例：甲醇回收方案流程,5,,危險(xiǎn)分析：液體向高位槽提升時(shí)，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(guò)真空系統(tǒng)的負(fù)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)流體輸送特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，沒(méi)有動(dòng)件，流量調(diào)節(jié)不方便。使用場(chǎng)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(xiǎn)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(guò)程的密閉性,8,,負(fù)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(yīng)有洗滌或過(guò)濾裝置；恢復(fù)常壓時(shí)應(yīng)小心，一般應(yīng)待溫度降

4、低后再緩慢放進(jìn)空氣，以防氧化燃燒；設(shè)備不得漏氣，以免爆炸；強(qiáng)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(jiǎn)單無(wú)動(dòng)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(wù)對(duì)揚(yáng)程的要求。危險(xiǎn)性分析：爆炸靜電,10,,5.2.4 流體輸送機(jī)械送料流體輸送機(jī)械送料是指借助流體輸送機(jī)械對(duì)流體做功，實(shí)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(wèn)題流體的性質(zhì)流體流動(dòng)的特征流體流動(dòng)的基本規(guī)律流體阻力化工管路輸送機(jī)械,12,5.3 流體的物理性質(zhì),流體輸送過(guò)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(diǎn)、最小引燃能量、燃燒值等。,13,,在研究流體流動(dòng)時(shí)，常將流體視為由無(wú)數(shù)流體微團(tuán)組成的連續(xù)介質(zhì)。所謂流體微團(tuán)或流體質(zhì)點(diǎn)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(zhǎng)度卻要大得多，它包含足夠多的分子，能夠用統(tǒng)計(jì)平均的方法來(lái)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(diǎn)組成的；其次還意味著質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)際流體都是可壓縮的，當(dāng)流體的體積隨壓力及

7、溫度變化很小時(shí)，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(dāng)壓力及溫度改變時(shí)，氣體的體積會(huì)有很大的變化，應(yīng)當(dāng)屬于可壓縮流體。但是，如果壓力或溫度變化很小時(shí)，氣體通常也可以當(dāng)作不可壓縮流體處理。,15,,5.3.1 密度與相對(duì)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(cè)（2）公式計(jì)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?jǐn)?shù),體積分?jǐn)?shù),18,,相對(duì)密度：是一種流體的密度相對(duì)于另一種標(biāo)準(zhǔn)流體的密度的大小，是一個(gè)無(wú)因次的量。對(duì)于液體來(lái)說(shuō)，常先277K的純水作為標(biāo)準(zhǔn)液體，此時(shí)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(qiáng)，簡(jiǎn)稱

9、壓強(qiáng)，習(xí)慣上稱為壓力。在靜止流體中，從各方向作用于某一點(diǎn)的壓力大小均相等。流體壓力具有以下兩個(gè)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(diǎn)壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無(wú)關(guān)。例如，當(dāng)測(cè)定流體內(nèi)某點(diǎn)的壓力時(shí)，不論將測(cè)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(diǎn)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(guó)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(zhǎng)期以來(lái)采用的單位為 atm(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、某流體柱高度或 kgf/cm2等。壓力的基準(zhǔn)壓力可以有不同的計(jì)量基準(zhǔn)，如果以絕對(duì)真空（即零大氣壓）為基準(zhǔn)，稱為絕對(duì)壓力，若以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽榛鶞?zhǔn)，則稱為表壓。,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(jiǎn)稱黏度。流體的黏度影響流體的流動(dòng)狀況和狀態(tài)，決定在一定動(dòng)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(dǎo)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(qiáng)變化時(shí)，液體的黏度基本不變；氣體的黏度隨壓強(qiáng)增加而增加得很少，在一般工程計(jì)算中可忽略不計(jì)，只有在極高或極低的壓強(qiáng)下，才需考慮壓強(qiáng)對(duì)氣體粘度的影響。,24,,國(guó)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(yùn)動(dòng)粘度，即：,25,5.4 流體流動(dòng)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(dòng)，因此研究管內(nèi)流體流動(dòng)的規(guī)律是十分必要的。反映管內(nèi)流體流動(dòng)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(gè)方程式進(jìn)行討論。,26,,5.4.1 流量方程式5.4.1.1　流量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)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?jī)煞N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(duì)氣體的體積流量，須說(shuō)明它的溫度t和壓強(qiáng)p；質(zhì)量流量qm: （Kg/s或Kg/h）。 qm = ? qv,,27,,5.4.1.2平均流速（簡(jiǎn)稱流速）u 單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流過(guò)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(fù)雜，如在工程上為計(jì)算方便起見，流體的流速通常指整個(gè)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(lái)確定管子規(guī)格和設(shè)備直徑。,29,,通常流量由輸送任務(wù)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(fèi)用）越小，但同時(shí)，流體輸送的動(dòng)力消耗（操作費(fèi)用）也越大。流速越小，管徑越大，管路投入（設(shè)備費(fèi)用）越大，但同時(shí)，流體輸送的動(dòng)力消耗（操作費(fèi)用）也越小。確定流速時(shí)還要考慮靜電積累問(wèn)題。,30,,,31,,5.4

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

16、動(dòng)系統(tǒng)的物料衡算――連續(xù)性方程單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)任一截面的液體質(zhì)量相等。,35,,,36,,5.4.4 穩(wěn)定流動(dòng)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(jī)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(dòng),--------靜力學(xué)方程,,這說(shuō)明流體能自動(dòng)從高（機(jī)械能）能位流向低（機(jī)械能）能位,,42,習(xí)題:,使用機(jī)械能衡算方程時(shí)，應(yīng)注

17、意以下幾點(diǎn)：,控制體的選取：,控制體內(nèi)的流體必須連續(xù)、均質(zhì)；有流體進(jìn)出的那些控制面（流通截面）應(yīng)與流動(dòng)方向相垂直，且已知條件最多；包含待求變量。,基準(zhǔn)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(yīng)用伯努利方程式解題時(shí)，需要注意下列事項(xiàng)：① 選取截面選取截面時(shí)應(yīng)考慮到流體輸送系統(tǒng)應(yīng)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(duì)應(yīng)。需要說(shuō)明的是，只要在連續(xù)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，任意兩個(gè)截面均可選用。不過(guò)，為了計(jì)算方便，截面常取在輸送系統(tǒng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)的相應(yīng)截面，因?yàn)槠瘘c(diǎn)和終點(diǎn)的已知條件多。另外，兩截面均應(yīng)與流動(dòng)方向垂直，如圖所示的輸送系統(tǒng)，下游截面應(yīng)選截面 2-2’ ，而不能選截面 3-3’ 。② 確定基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面是用以衡量位能大小的基準(zhǔn)。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常取相應(yīng)于所選定的截面之中較低的一個(gè)水平面為基準(zhǔn)，如上圖的截面 2-2’為基準(zhǔn)面比較合適。③

19、壓力壓力的概念已在前面說(shuō)明了。這里需要強(qiáng)調(diào)的是，伯努利方程式中的壓力 p1、p2只能同時(shí)使用表壓或絕對(duì)壓力，不能混合使用。,46,,,,,,,,例 軸功的計(jì)算,管道尺寸為?114?4mm，流量為85m3/h，水在管路中流動(dòng)時(shí)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(jì)。 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(shí)際流體流動(dòng)時(shí)，會(huì)因?yàn)榱黧w自身不同質(zhì)點(diǎn)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(dòng)過(guò)程中因?yàn)榭朔枇Χ牡哪芰拷凶枇p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(wú)阻力損失，實(shí)際流體才會(huì)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(dòng)時(shí)，流體阻力大小不同；同一種流體在同一條管路中流動(dòng)時(shí)，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(dòng)形態(tài)（層流與湍流）。,50,雷諾數(shù),(1)雷諾實(shí)驗(yàn),,51,直管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，Re?2000 層流 Re=2000?4000 過(guò)渡區(qū) Re>40

22、00 湍流,(2)流動(dòng)形態(tài)的判斷,,,52,(2)層流內(nèi)層與流動(dòng)主體,化工生產(chǎn)中液體的流動(dòng)多為湍流，但無(wú)論流體的湍動(dòng)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(dòng)，湍流流動(dòng)的液體中，做層流流動(dòng)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(dòng)主體或湍動(dòng)主體。,53,,,機(jī)械能衡算方程,摩擦損失的計(jì)算目前主要靠經(jīng)驗(yàn)式,摩擦損失分為兩類：,5.4.5.3流體阻

23、力的計(jì)算原則,54,,-----直管摩擦損失計(jì)算通式,主要依靠實(shí)驗(yàn)研究,關(guān)于摩擦損失的計(jì)算,1、直管摩擦損失計(jì)算通式,55,使用時(shí)注意經(jīng)驗(yàn)式的適用范圍,幾個(gè)光滑管內(nèi)湍流經(jīng)驗(yàn)公式：,56,,,幾個(gè)粗糙管內(nèi)湍流經(jīng)驗(yàn)公式：,57,2、非圓形管摩擦損失的計(jì)算式,58,由于流體的流速或流動(dòng)方向突然發(fā)生變化而產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致形體阻力。,,,,,3、局部摩擦損失的計(jì)算式,59,,,3、局部摩擦損失的計(jì)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(jì)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(dòng)力消耗也越大，介質(zhì)有可能在高壓的危險(xiǎn)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(yán)重時(shí)將影響工藝的過(guò)程的正常進(jìn)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(yīng)盡可能減短管路；在管路長(zhǎng)度確定的前提下，應(yīng)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(dāng)放大管徑；改善固壁對(duì)流動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jì)皮托管孔板流量計(jì)文丘里管流量計(jì)轉(zhuǎn)子流量計(jì),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(jì)算？簡(jiǎn)述壓強(qiáng)（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(duì)壓力、表壓和真空度？它們之間有何關(guān)系？ 何謂穩(wěn)定流動(dòng)和不穩(wěn)定流動(dòng)？說(shuō)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(shuō)明各自的物理意義及應(yīng)用條件。分別寫出理想流體和實(shí)際流體的伯努利方程式，說(shuō)明各項(xiàng)單位及物理意義。應(yīng)用伯努利方程式時(shí)，應(yīng)注意哪些問(wèn)題？如何選取基準(zhǔn)面和截面？應(yīng)用伯努利方程式可以解決哪些問(wèn)題？流體的流動(dòng)類型有哪幾種？如何判斷？雷諾數(shù)（Re）的物理意義