化 工 基 础 河南化工职业学院 制作人：张传梅.

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1 化 工 基 础 河南化工职业学院 制作人：张传梅

2 项目一：流体流动与输送 任务1 ：了解流体输送在化工生产中的应用
想一想：液体可以自然地从高处向低处流动，如果用泵来驱动，就可以实现从地处向低处向高处流动，也可以克服阻力向远距离输送，这些过程如何实现的呢？

3 【案例1】 ：高位槽送料 高层住宅的用水是通过顶层的水箱来实现的，我们称之为高位槽。高位槽送料是一种由高处向低处送料的情况，是利用容器、设备之间的位差，将处在高位设备内的液体输送到低位设备内的操作。输送时，只要在两个设备之间用一根管道连接即可。另外，对于要求流体稳定流动的场合，为避免输送机械带来的波动，也常常设置高位槽。如图1-1，是用液体泵将甲醇送到高位储槽。 图1-1 甲醇汽化流程

4 【案例2】 ：输送机械送料 我国南水北调、西气东输工程，就是实现把我国南方长江的的水，通过机械设备做功送到我国北方需要的地方；把新疆塔里木轮油田的天然气通过管道送到千家万户等等，都是通过机械设备（泵或风机）加压被输送到所需要的地方。这种通过输送机械来实现流体输送的操作称为输送机械送料。

5 【案例3】 ：压缩气体送料 化工生产过程中如果需要远距离输送腐蚀性物料，一般采用压缩空气或惰性气体代替输送机械来输送物料，这种通过压缩空气实现物料输送的操作称为压缩空气送料。压缩气体送料是一种由低处向高处送料的情况。通过给上游流体施加一定的压力来完成物料的输送过程。但此操作流量小且不易调节，只能间歇输送物料。压缩空气送料时，空气的压力必须能够保证完成输送任务。如图1-2 是压缩空气输送硫酸的输送流程。 图1-2压缩空气硫酸的输送流程

6 【案例4】 ：真空抽料 通过真空系统造成的负压来实现流体输送的操作称为真空抽料。真空抽料是一种由低处向高处送料的情况。通过给下游设备抽真空造成上下游设备之间的压力差来完成流体的输送过程。真空抽料以其结构简单，操作方便、没有动件的优点适用于化工生产中的很多场合；但由于流量调节不方便，需要真空系统，所以不适用于输送挥发性的液体。如图1-3所示，是用真空泵将设备3抽真空，来实现输送碱液的过程。 图1-3真空抽料输送流程

7 双边交流： 通过上面的学习，仔细观察图1-1，图1-2，图1-3，然后回答下面问题： 1. 图1-1中，甲醇是通过 方式被送入高位槽，要使高位槽中的液体被送入蒸发器中，要求高位槽的高度必须 蒸发器的高度。该流程中采用了 送料和 送料的方式。 2.图1-2中，酸液贮槽中的酸是通过 的方式被送入酸高位槽的，这种送料方式称为 送料。 3. 图1-3中，烧碱中间槽中的烧碱是通过 的方式被送入烧碱高位槽的，真空汽包的作用是 ，该输送方式称为 送料。

8 任务2 ：学习流体的密度 想一想：同样大小的气球，氢气球比空气球轻；相同体积的棉花要比铁块轻得多。为什么相同体积的物体，重量是不同呢？

9 1.密度的定义 流体的密度是指单位体积流体的质量，用ρ符号来表示： 国际单位是kg/m3。

10 ⑴ 液体的密度 ①液体密度的获得方法一：实验测取； 方法二：查资料。 ② 影响液体密度的因素
影响液体密度的因素有压力和温度。但压力的变化对液体密度的影响很小（压力极高时除外），故液体常被称作为不可压缩性流体，工程上常忽略压力对液体密度的影响。温度变化时，绝大多数液体的密度会有所变化，温度升高时，液体密度略有下降，例如，277K时，纯水的密度是1000kg/m3，373K时为958.4kg/m3。

11 双边交流: 1.水池内装有1m3的水，它的质量是1000kg，你知道它的密度吗？
2.通过附录查取下列液体的密度： 20℃时：水的密度是 ，苯的密度是 。

12 （2）气体的密度 （1）气体密度的获得 当温度不太高，压力不太大时，气体可以看作为理想气体，由理想气体状态方程可以得到气体密度的计算式：

13 混合气体的密度 对于混合气体， 其密度的计算公式为：

14 【案例5】 ：氮气的体积分数为79%，氧气的体积分数为21%的某混合气，当其压力为100kPa，温度为300K时，该混合气的密度是多少？

15 2.影响气体密度的因素 影响气体密度的因素有温度和压力，通过以上学习可以知道，气体密度随压力的增大而增大，随温度的增大而减小。

16 任务3：学习流体的压力 回答上述问题，并结合实际举出因压力过高而引起爆炸的实例
想一想：我们都听说锅炉内温度过高会爆炸，是因为锅炉内压力太高而材料承受不了而引起爆炸。什么是压力？ 回答上述问题，并结合实际举出因压力过高而引起爆炸的实例

17 1.压力的定义 压力是指流体垂直作用于单位面积上的力，也称压强，其定义式为：

18 2.压力的测量 ①压力测量仪表分类：压力表、真空表、压力真空表。
②表压的读数的意义：所反映的是设备内部实际压力比大气压力所高出的数值，而真空度所反映的是设备内部实际压力比大气压力所低的数值。在表示压力大小时，必须注明其表示方法，否则默认为绝对压力。

19 绝对压强、表压强、真空度之间的关系

20 几种常见的测压仪表 （a）压力表 （b）真空表 （c）压力真空表

21 双边交流： 要想测量一个设备内部的压力，什么情况下安装压力表，什么情况下安装真空表？ 回答上述问题并结合实际举出生活或生产中压力测量的应用

22 任务4：学习流体的黏度 想一想：把一桶水倒出来花费的时间，与倒出一桶油的花费的时间相比，时间一样吗？是不是倒出油花费的时间长一些？为什么？

23 1. 流体黏度的定义 实际流体流动时流体内部分子之间都会有内摩擦力，衡量内摩擦力的特性称为流体的黏性。黏性大的流体，分子间的内摩擦力大，流动性差，流动阻力大；反之则小。衡量流体黏性大小的物理量称之为黏度，用符号来表示，黏度是流体本身的一种属性，只有实际流体才具有黏性，理想流体是没有黏性的。

24 2. 流体黏度的获得 流体的黏度通过图表查取或通过实验测定，其国际单位为，它与其物理制单位泊（P）或厘泊（CP）之间的换算关系为：

25 双边交流： 通过附录查取下列液体的黏度： 20℃时：水的黏度是 ；50℃时，水的黏度是 。
20℃时：水的黏度是 ；50℃时，水的黏度是 。 20℃时：空气的黏度是 ；50℃时，空气的黏度是 。

26 液体黏度共线图

27 气体黏度共线图

28 3. 影响流体黏度的因素 由以上练习我们可以发现：温度变化时，流体黏度变化很大，温度升高，液体黏度减小，而气体黏度增大。反之，当温度降低时，液体黏度增大，而气体黏度减小。但压力对液体黏度的影响可以忽略，当压力极高或极低时，气体的黏度才有变化，一般情况下不予考虑。

29 任务5：学习流体的流量和流速 想一想：生活用水管里的水，在水压高的时候流得快，水压低的时候，流得很慢，甚至于呈滴状，所以水流有快有慢。那么，怎样衡量流体快慢？ 回答上述问题，并结合实际举出因压力过高而引起爆炸的实例。

30 1.流量 流量的定义:流量是指单位时间内所流过的流体的量，分为体积流量和质量流量。二者之间的关系式为：

31 流体流量的测量 常用测量流体流量的仪表： ①转子流量计 ②孔板流量计 ③文丘里流量计

32 ①转子流量计 ①结构：转子流量计是由一支上粗下细的倒微锥形玻璃管及直径略小于玻璃管直径的转子（浮子）构成，转子材料的密度应大于被测流体的密度。 ②安装状态：必须垂直安装在管路上，而且流体必须下进上出，操作时应该缓慢开启阀门，以免转子突然升降击碎玻璃管。 图 转子流量计

33 转子流量计照片

34 ②孔板流量计 孔板流量计是在管道中装有一块中央开有圆孔的金属板，要求孔板中心线与管道中心线重合。
孔板流量计具有结构简单、更换方便，价格低廉的优点；其缺点是阻力损失大，不适用于流量变化较大的场合。 孔板流量计安装时，要注意孔板的中心线必须与被测管路的中心线重合，而且孔板的前后都必须有稳定段，即一段大于50倍管路直径的直管。

35 孔板流量计照片

36 ③文丘里流量计 文丘里流量计用文丘里管代替了孔板，其它与孔板相同，但克服了孔板流量计阻力大的缺点。

37 双边交流： 目前工业上所用到的流量计有很多，通过网络或其它相关资料查一下，然后同学们之间相互交流，了解流量计的不同种类、技术及各种应用情况。

38 2.流速 流速的定义：流体在单位时间内流过的距离，用u表示。 u= qv /A
当流体在内径为d的圆形直管内以速度u流过时，其流量可以表示为：

39 双边交流： 生活观察：当我们站在河边观察水的流动时，发现河中间水的流速与靠近岸边水的流速有什么不同吗？

40 任务6 ：如何实现流体的输送过程 想一想：我们前面谈到的从高位槽送料、压缩空气送料、真空抽料和输送机械送料等。那么，对于不同的送料方式，如何才能保证完成输送任务呢？ 要解决这个问题，我们先来学习流体输送的能量衡算——柏努利方程。

41 1.柏努利方程 流体在流动过程中总是伴随着能量的变化，例如流体在一定高度处具有的位能，在一定流速下具有的动能，在一定压力下具有的静压能。当流体的位置、流速、压力发生变化时，它的这三种能量也会随之而变，并且它们三者之间是相互转化的。根据能量守恒，得到柏努利方程式：

42 双边交流: 如图1-9所示，某流体在一变径管内由1-1截面向2-2截面稳定流过，若不计阻力损失，则两截面的压力（P1和P2）之间有什么关系？请将你们分析的原因和讨论的结果写下来。 图1-9异径管

43 2.学习流体输送问题的解决办法 （1）高位槽送料
高位槽送料是利用容器、设备之间的位差，将处在高位设备内的液体输送到低位设备内的操作。另外，对于要求流体稳定流动的场合，为避免输送机械带来的波动，也常常设置高位槽。那么，高位槽的高度就可以保证输送任务所要求的流量。

44 【案例7】：如图1-10所示，高位槽内的水经内径114mm、壁厚为4mm的钢管被输送到某一设备，若水在输送过程中的能量损失为20J/kg。当高位槽内水的液面距离管出口的高度为多少吗时，能保证水的流量为90m3/h？

45 （2）输送机械送料 通过输送机械来实现流体输送的操作称为输送机械送料。此种操作方式具有输送机械类型多、选择范围大、调节方便而广泛适用于化工生产中。采用输送机械输送物料时，输送机械的型号及规格必须满足流体的性质及输送任务的要求。

46 【案例8】：如图1-11所示，用泵将贮槽中的水送到二氧化碳水洗塔，已知贮槽水面的压力为300KPa，水洗塔内的压力为2100KPa，水管与喷头连接处的压力为2250KPa，输水管的内径为0.052m，输水管与喷头连接处比贮槽水面高20m，输送系统的能量损失为49J/kg，若要完成15m3/h的输送任务，应安装泵的功率为多少？取水的密度为1000kg/m3。

47 开眼界： 在生产过程中，我们见到过很多伯努利方程的应用。如U型管压差计，液封等。下面我们通过案例来了解一下这方面的问题。 1．U形管压差计

48 2．液位测量 化工生产中，为了了解某容器中的液体储存量，或者控制其液位的高低，必须进行液位的测量。
【案例11】：直径为2mm的圆柱形贮槽内存放着密度为860kg/m3的液体，为测量液位的高低，在槽底部有一测压孔与U形管压差计相连，U形管压差计内指示液为汞，密度为13600kg/m3，读数为150mm。贮槽液面上方为常压，求贮槽内液面高度为多少？槽内液体的质量为多少？

49 3．液封高度的测量 化工生产过程中，为了操作安全可靠，在某些场合要采用液封装置。
【案例12】 ：如图1-14所示，为了控制乙炔发生炉内的操作压力不超过80mmHg（表压），需要在外面安装水封装置，当炉内压力超过规定值时，乙炔气体从水封管中溢出，经水槽放入大气，求水封管插入水槽的深度？

50 任务7 ：了解流体阻力 实际流体在流动过程中因为有阻力存在而导致能量损失，流体阻力的产生有两方面的原因，一是流体的黏性，二是流体的流动状态。
黏性是流体阻力产生的根本原因，因为理想流体没有黏性，所以在流动过程中是没有阻力的。黏度做为衡量实际流体黏性大小的物理量，其值越大，表示在同样的流动情况下，流体在流动过程中的阻力就越大。研究发现，同一种流体在同一个管路中流过时，由于流速不同，也会产生不同的阻力，1883年，雷诺通过实验找到了原因：流体在流动过程中，当流速不同时，流体中质点的运动是不同的，从而导致阻力的不同。由于流体有阻力，使得在管内流体形成不同的点速度。

51 流体在圆管内分层流动示意图

52 1.流体的流动型态 （1）雷诺实验 雷诺实验装置如图1-15所示，水槽的液位因为溢流而保持恒定，出口管路的流量由阀门来调节。高位槽内为红色液体，有一旋塞用以调节其流量大小，其出口与水平管的中心重合。流体流动型态有两种：层流和湍流。

53 （1）雷诺实验仿真图 层流 湍流

54 （2） 流动型态的判定 上面的实验只能说明流速的变化对流动型态的影响，为了找到其它影响因素，雷诺做了大量的实验，如在其它条件不变的情况下，分别改变管子的直径，流体的密度、黏度等，得到影响流动型态的几个因素，并对实验结果进行归纳总结，得到一个准数Re，称为雷诺准数，根据雷诺准数的大小，可以判断其流动型态：

55 2.流体的阻力 流体阻力的产生是因为流体具有黏性（内因）和流体的流动形态（外因），我们把流体阻力分为两种，即直管阻力和局部阻力。
（1） 直管阻力 流体在直径不变的直管内流过时所产生的阻力。

56 （2） 局部阻力 流体流过管件、阀件、变径、出入口等局部元件时，因为流通截面积突然变化而产生的阻力。局部阻力的计算有阻力系数法和当量长度法两种计算其大小的方法。 ①当量长度法 把流体流经元件所产生的阻力看作是流体流经相同管径的一定长度的直管时所产生的阻力。 ②阻力系数法 将流体的阻力看作是流体动能的某一倍数。 ③总阻力

57 （3）减少流体阻力的措施 流体在流动过程中，阻力越大，动力消耗越大，操作费用就越大；另一方面，阻力的增加还会导致系统压力的降低，严重时会影响生产的正常进行。因此，应尽量减少流体的阻力。从以上的讨论可知，要想减少流体阻力，应采取以下几方面的措施： ①减短管路：以减少直管阻力损失； ②减少管件、阀件：尽量减少管道直径的突变等引起的局部阻力损失； ③放大管径：减小流速，可以有效地降低流体的总阻力； ④抗腐蚀：在被输送介质中加入某些药物（如丙烯酰胺、聚氧乙烯氧化物等），以减少介质对管壁的腐蚀和杂质沉淀，从而减少流体的总阻力。

58 工厂中的化工管路

59 任务8： 认识化工管路 1．化工管路的构成与标准化 （1） 化工管路的构成
化工管路是化工生产中所涉及的各种管路形式的总称，是化工生产中不可缺少的部分。在化工生产中，将化工设备与机器连接在一起，从而保证流体从一个设备输送到另一个设备，或者从一个车间输送到另一个车间。在生产过程中，只有管路畅通，阀门调节得当，才能保证各车间及整个工厂生产的正常运行，因此，了解化工管路的构成与作用非常重要。

60 （2） 化工管路的标准化 为了便于大量生产、安装、维护和检修，使管路制品具有互换性，有利于管路的设计，化工管路实行了标准化。
化工管路的标准化中规定了管子、管件及管路附件的公称直径、连接尺寸、结构尺寸以及压力的标准。其中直径标准和压力标准是其它标准的依据，我们由此可以确定所选管子和所有管路附件的种类和规格等，为化工管路的设计、安装、维修提供了方便。使用时可以参阅有关资料。

61 ①公称压力 又称通称压力，是为了设计制造和安装维修的方便而规定的一种标准压力。公称压力一般大于或等于实际工作的最大压力，其数值通常是指管内工作介质的温度在273～293K范围内的最高允许工作压力。

62 ②公称直径 我们通常所说的公称直径既不是管子内径，也不是管子外径，而是与管子内径相接近的整数值。例如DN300表示该管子的公称直径是300mm。我国的公称直径在1～4000mm之间分为53个等级，在1～100mm之间分得较细，而在1000mm以上，每200mm分一级 . 公称直径有公制和英制两种表示方法。公制的表示方法如上所述，单位用mm表示，英制是以英寸（in）为单位，其换算关系为：1in≈25.4mm。对于螺纹连接的管子，习惯上用英制管螺纹尺寸表示

63 2.管子与管件 （1）管子 管路最基本的组成：管子与管件 管子的规格表示形式：Ф外径×壁厚
如：Ф25×2.5mm，外径是25mm，壁厚是2.5mm。但是，并非所有的管子都用这种形式表示其规格，有些管子是用其内径来表示它们的规格（如铸铁管）

64 （2）管件 管件的作用： 是管路的连接件。它是用来连接管子、改变管路方向和直径、接出支路和封闭管路等的管路附件的总称。 三通 四通

65 45º弯头 º弯头 º回弯头 异径管 法兰 螺纹管箍

66 螺纹管帽 方头管塞 六角头管塞 管板 盲板 管帽

67 （3）阀门 阀门（也称阀件）的作用：开启、关闭和调节流量及控制安全的机械装置。 旋塞 阀闸阀 截止阀

68 安全阀 止回阀 减压阀

69 截止阀照片 截止阀结构示意图

70 隔膜阀照片 隔膜阀结构示意图

71 3． 管路的连接 化工管路的连接是指管子与管子、管子与管件、管子与阀件、管子与设备之间的连接，连接方式主要有四种，即螺纹连接、法兰连接、承插式连接和焊接。

72 （1）螺纹连接 螺纹连接是依靠螺纹把管子与管路附件连接在一起，螺纹连接的管子，两端都加工有螺纹，通过带内螺纹的管件或阀门，将管子连接成管路。

73 （2）法兰连接 法兰连接是一种最常用的连接方法，主要特点是已经标准化，拆卸方便，密封可靠，强度高，应用范围广，但费用较高。连接时，为了确保其密封性，需要在两法兰间加垫片，然后用螺丝拧紧。

74 （3）承插式连接 承插式连接是将管子的一端插入另一管子的钟形插套内，并在形成的空隙内装填料（如丝麻、油绳、水泥、胶粘剂、熔铅等）加以密封的一种连接方法。 承插管件 （1） 承插管件 （2）

75 （4） 焊接 焊接连接是一种方便、价廉且不漏但却难以拆卸的连接方法，广泛应用于钢管、有色金属管等的连接。其优点是连接强度高，气密性好，维修工作量少。但当管路需要经常拆卸时，或在不允许动火的车间，不易采用焊接法连接管路。 焊接管件 焊接容器

76 （5）化工管路的安装 ①管路的热补偿 管路一般都是在常温下安装的，在工作中由于受到介质的影响，会产生热胀冷缩现象，当温度变化较大时，管路因管材的热胀冷缩而承受较大的热应力，严重时将造成管子弯曲、断裂或接头松脱，因此必须采取热补偿来消除这种应力。热补偿的主要方法有两种，即利用弯管进行的自然补偿和利用补偿器进行的热补偿。 ②管路的试压与吹扫 化工管路在安装完毕后，必须保证其强度与严密性符合设计要求，因此必须进行压力试验。试压时主要采用液压试验，不能用水做介质的，可用气压试验代替。水压试验合格后，以空气或惰性气体为介质进行气密性试验，气密性试验压力为设计压力。用涂涮肥皂水的方法，重点检查管道的连接处有无渗漏现象，若无渗漏，稳压30分钟，压力保持不降为试验合格。 管道系统强度试验合格后，或气密性试验前，应分段进行吹扫与清洗。吹洗前应将仪表、孔板、滤网、阀门拆除，对不宜吹洗的系统进行隔离和保护，待吹洗后再复位。工作介质为液体的管道，一般用水吹洗。不宜用水冲洗的管道可用空气进行吹扫。蒸汽管线应用蒸汽吹扫。忌油管道（如氧气管道）在吹扫合格后，应用有机溶剂进行脱脂。

77 ③管路的绝热与涂色 工业生产中，由于工艺条件的需要，很多管道和设备都要加以保温、加热保护和保冷，其目的在于减少管内介质与外界的热传导，从而达到节能、防冻以及满足生产工艺要求等。我国相关部门规定：凡是表面温度在50℃以上的设备或管道以及制冷系统的设备或管道，都必须进行保温或保冷，具体方法是在设备或管道的表面覆以导热系数小的材料，达到降低传热速率的目的。

78 化工企业常用管道涂色 （1） 轻油线:银白色（2） 瓦斯线:银白色 （3） 蒸汽线:浅灰色（7） 重油线:深灰色
 按照国家规定 （GB140 —59），输送液体和气体的管道分为23 大类。 为了区别各种类型的管道，通常用不同颜色的颜料涂在管道的保护层表面。有的涂单色，也有的在底色上添加色圈，色圈宽度为50 ～100m m 。化工厂常用的涂色如下 （物料管线的颜色可根据各工厂情况酌定）：      （1） 轻油线:银白色（2） 瓦斯线:银白色 （3） 蒸汽线:浅灰色（7） 重油线:深灰色 （4） 酸碱线:正黄色 （5） 氨线:橘黄色 （6）消防线紧急放空线:中红色 （8） 水线:深绿色(地下线涂沥青色） (9) 氢气线：深蓝色 （10） 压缩空气、氧气线:天蓝色

79 开眼界：认识不同材质的管子 1.金属管 ① 铸铁管: 铸铁管分为普通铸铁管和硅铁管两种。由于铸铁管在每一种公称直径下只有一个内径，故其规格常用“Ф内径”来表示，如Ф1000mm表示该管子的内径是1000mm。铸铁管除了Ф75mm和Ф100mm的长度是3m外，其余都是4m长 图1-20 各种铸铁管

80 ② 钢管 分为有缝钢管和无缝钢管两类。 a.有缝钢管
用低碳钢焊接而成的钢管，包括水、煤气钢管和电焊钢管两种，各种有缝钢管如图1-21所示。一般用于输送水、煤气、压缩空气等介质。也常用采暖系统的管路 图1-21 各种有缝钢管

81 b.无缝钢管 用棒料钢材经穿孔热轧（热轧管）和冷拔（冷拔管）制成，因为没有接缝，故称无缝钢管。无缝钢管的规格用Ф外径×壁厚表示

82 ③ 有色金属管 化工生产中常用的有色金属管有铜管、铝管和铅管三种。主要用于一些特殊用途的场合。 紫铜管 黄铜管

83 铝管 铅管

84 2 .非金属管 非金属管是用非金属材料制作的各种管子的总称。随着科学技术的发展，非金属管的强度在不断提高，同时由于非金属管具有质轻、价廉、耐蚀的特点，故在化工生产中的使用范围越来越广。常用的非金属管如下： ①塑料管: 塑料管是以树脂为原料加工而制成的管子，能承受稀酸、碱液等介质腐蚀，机械加工性能好，质量轻，所以在化工生产中应用极为广泛。但是都具有强度低、不耐压和耐热性差等缺点。由于塑料管种类较多，有的专项性能优于金属管，因此用途越来越广泛，在很多原来使用金属管的场合均被塑料管所代替

85 各种形式的塑料管

86 ②尼龙1010管 尼龙1010管对大多数化学物质具有良好的稳定性，但不宜与强酸类、强碱类、酚类等介质直接接触，

87 ③玻璃管 化工生产中所使用的玻璃管主要由硼玻璃和石英玻璃制成。具有透明、耐腐蚀、易清洗、阻力小、价格低等优点和性脆、热稳定性差和不耐压力的缺点。玻璃管的性脆限制了它的用途，广泛使用于化工实验室中。

88 ④陶瓷管 陶瓷管具有很好的耐腐蚀性。可作为输送具有腐蚀性介质的管路。但性脆、机械强度低、不耐高压和温度的剧变。

89 ⑤水泥管 水泥管主要用于下水道的排污水管。水泥管的内径范围在100～1500mm，其规格用Ф内径×壁厚表示

90 3 .复合管 复合管是由金属和非金属两种材料复合而得到的管子，最常见的是衬里管。它一方面是为了强度和防腐的需要，同时又能节约成本，具有强度高、耐腐蚀性好的优点 。

91 任务9：认识流体输送机械 下面我们学习这些输送流体的机械。输送液体的机械常称为泵，输送气体的机械常称为风机或压缩机。根据其工作原理不同，也可以分为离心式、往复式、旋转式和流体作用式。

92 1.认识离心泵 离心泵是化工生产中应用最为广泛的液体输送机械。据统计，化工生产中使用的泵80%左右为离心泵。

93 离心泵安装示意图

94 叶轮 叶轮是离心泵的核心部件，由4-8片的叶片组成，有开式、闭式和半开式三种。

95 ②离心泵的工作原理 离心泵是依靠高速旋转的叶轮产生的离心力来进行输送液体。离心泵在工作前，应先灌满被输送液体，当离心泵启动后，泵轴带动叶轮高速旋转，泵内的液体与叶轮一起旋转，在离心力的作用下，液体从叶轮中心向边沿运动，动能与静压能增加，当进入逐渐变宽的泵壳后，部分动能又转化为静压能，液体以较高的压力经排出管路被输送出去。此时，叶轮中心处因液体排出而呈现负压状态，在吸入液面与泵吸入口之间就形成一个压力差，当这一压力差足够大时，液体就会被吸入泵内，完成离心泵的吸液过程。

96 （2)离心泵工作时两种不正常的现象 ①气缚现象
如果离心泵在启动前没有灌满被输送液体，由于气体密度比液体密度小的多，叶轮旋转过程中产生的离心力就很小，从而不能在泵的吸入口产生需要的真空度，在吸入液面与泵吸入口之间不能形成足够大的压力差，于是就不能将液体吸入泵内，此时，泵内液体被排出后由于不能吸入液体，叶轮只能空转，这种现象称为气缚现象。所以，离心泵在启动前为了保证能正常运转，必须先灌满被输送液体。

97 气缚现象仿真图

98 ②汽蚀现象 离心泵的安装高度即吸入水槽液面至泵入口中心的垂直距离。在一定流量下，泵的安装高度越高，泵吸入口的压力就越低。当泵的安装高度达到一定高度，使得泵吸入口的压力低到等于或小于泵送液体的饱和蒸汽压时，液体会汽化产生气泡，含气泡的液体进入泵内，被泵内的高压液体压破形成局部真空，周围的液体以极大的冲击力冲向原气泡所占据的空间，不可避免可能会冲击到叶轮表面、泵壳表面，造成撞击和振动，并发出很大的噪音，严重时会使叶轮表面形成蜂窝状，时间长了表面的金属粒子会成块脱落，泵不能正常运转，这种现象称为离心泵的汽蚀现象。

99 汽蚀现象仿真图

100 泵壳的结构 泵壳是泵体的外壳，它包围叶轮，在叶轮四周开成一个截面积逐渐扩大的蜗牛壳形通道。此外，泵壳还设有与叶轮所在平面垂直的入口和切线出口。泵轴是位于叶轮中心且与叶轮所在平面垂直的一根轴。它由电机带动旋转，以带动叶轮旋转。 泵壳 1.蜗道 2.叶轮 3.出水口

101 （3）离心泵的主要性能 离心泵的主要性能包括泵的送液能力、泵的扬程、功率和效率等，这些性能参数在泵出厂时会标在泵的铭牌上或写在产品说明书上，供使用者参考。 ①送液能力（流量） 指离心泵在单位时间内所排出的液体量，用Q表示，单位m3/s。离心泵的流量与泵的结构、叶轮的尺寸和转速均有关系，在操作过程中可以调节。 ②扬程（压头） 指离心泵对1N液体所做的功，用H表示，单位m。离心泵的扬程与泵的结构、叶轮的尺寸和转速均有关系，与离心泵的流量也有关系，流量增大，其扬程减小。离心泵的扬程由实验测定。 ③功率和效率 离心泵的功率包括有效功率和实际功率（轴功率），有效功率是指液体经过离心泵后所获得的功率，用w表示，J/s；轴功率是指离心泵从原动机上所获得的功率，用w表示，单位J/s。 离心泵的有效功率与轴功率之比，称为效率。

102 ④离心泵的特性曲线 离心泵的特性曲线是指离心泵的主要性能之间的关系，是由实验测定得到的。曲线有三条，即泵H—Q （扬程-流量）曲线、 H—Q （轴功率-流量）曲线和—Q （效率-流量）曲线。 图1-32离心泵特性曲线图

103 离心泵曲线的启示 （1）H—Q扬程—流量曲线表明： 扬程随流量的增大而减小，所以希望其扬程大，就要减少流量；
（2）N—Q轴功率—流量曲线表明： 离心泵的轴功率随流量的增大而增大，流量为零时轴功率最小（但不是零），所以，为了减少泵的启动功率，应该启动前先关闭出口阀，使泵在流量等于零的状态下启动。 （3）—Q效率—流量曲线表明： 离心泵的流量为零时，效率为零，之后随流量增大，效率逐渐增大到最大效率点，流量再增大时，效率开始下降。说明离心泵在工作时有个最高效率点，离心泵应该在最高效率点附近工作，流量太大和太小都不合适。一般要求高效区为最高效率的90%的范围内。

104 （4） 离心泵的类型 离心泵的种类很多，相应的分类方法也多种多样。按照所输送流体的性质，可分为清水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵等；按照叶轮的数目，可分为单级泵（只有一个叶轮）和多级泵（有两个或两个以上叶轮）；按照吸液方式不同，可分为单吸泵（只有一个吸入口）和双吸泵（有两个吸入口）；按照安装形式可分为卧式泵和立式泵等。这些泵已经按照其结构特点的不同，自成系列并标准化，使用时可在相关手册中进行查取。

105 双边交流： 1.由曲线讨论在：使用一台离心泵时，要想达到较高的扬程流量能开到很大吗？分组交流，看看你的结论与别人有什么不同。
2.曲线讨论：启动离心泵时，为了保护电机，启动离心泵前先关闭泵的出口阀然后再启动离心泵，为什么？请同学讲一讲。（提示：在流量为零时启动离心泵，轴功率最小，启动电流最小，保护电机）

106 （5） 离心泵的选用 ①首先应根据输送液体的性质和操作条件确定泵的类型。
②按已确定的流量Qe和压头He从泵的样本或产品目录中选出合适的型号。泵的流量和压头可稍大一点，但在该条件下对应泵的效率应比较高。 ③核算泵的轴功率：若输送液体的密度大于水的密度时，可核算泵的轴功率 。 泵轴功率的核算公式为：

107 双边交流： 在泵的规格表中，查出代号为80Y-100×2A ，IS ，80FS24，这样三个规格的泵每个数字和符号代表什么，请每个人查一查，将结果互相对照。

108 【案例13】：现有一生产任务，要求送水量为15m3/h，扬程为46m，请你选择一台合适的离心泵。
1.解决案例之向导： ①根据所输送流体的性质，确定泵的类型。该案例所输送的流体为水，所以选择 泵。 ②该案例的输送任务为：流量 ，扬程 。选择离心泵时，要求所选的离心泵的流量与扬程均大于任务所要求的数值。 ③从附录中我们可以得到，有以下几种离心清水泵均可满足要求，其型号分别为 。请你想一想，选择哪一个更为合适，为什么？ 2.解决案例： ①选泵：根据要求所选的离心泵的流量与扬程均大于任务所要求的数值，所选的离心泵的型号是 。该泵所提供的流量为 ，扬程为 ，电机功率 为 ，转速为 。 ②校核：看一看泵的轴功率是否满足条件。

109 双边交流 ： 对于一定的输送任务，是不是只有一种型号的泵能够满足条件，你在选择过程中是如何考虑的，请将你们交流的结果写在下面。

110 （6）离心泵的工作点与调节 当泵安装在指定管路时，流量与压头之间的关系既要满足泵的特性，也要满足管路的特性。如果这两种关系均用方程来表示，则流量与压头要同时满足这两个方程，在性能曲线图上，应为泵的特性曲线和管路特性曲线的交点。这个交点称为离心泵在指定管路上的工作点，显然，交点只有一个，也就是说，泵只能在工作点下工作。 当工作点的流量及压头与输送任务的要求不一致时，或生产任务改变时，必须进行适当的调节，调节的实质就是改变离心泵的工作点。

111 调节离心泵的工作点主要方法: ①改变阀门开度　 主要是改变泵出口阀门的开度。因为即使吸入管路上有阀门，也不能进行调节，在工作中，吸入管路上的阀门应保持全开，否则易引起气蚀现象。由于用阀门调节简单方便，因此工业生产中主要采用此方法。 ②改变叶轮的转速　 当叶轮的转速改变时，离心泵的性能也会跟着改变，工作点也随之改变。由于改变转速需要变速装置，使设备投入增加，故生产中很少采用。 ③改变叶轮的直径　 通过车削的办法改变叶轮的直径，来改变泵的性能，从而达到改变工作点的目的。由于车削叶轮不方便，需要车床，而且一旦车削便不能复原，因此工业上很少采用。

112 (7)离心泵的操作 离心泵的操作主要有以下几个步骤： ①灌泵： 为避免发生气缚现象，离心泵启动前，必须先灌满被输送液体。
②预热： 当输送温度较高的液体时，为避免由于热胀冷缩而引起的泵内各部件发生变形，必须先进行预热，通常，一边预热一边盘车。 ③关闭出口阀门：启动离心泵 为使离心泵启动电流最小，应在关闭出口阀门的状态下启动离心泵，当泵启动起来后，打开出口阀门，调节至指定的流量。 ④正常运转： 离心泵正常运转过程中，要定期检查泵的润滑情况，发现问题应及时处理。 ⑤停车： 离心泵停车时，要先关闭出口阀门，再关电机，主要是防止出口管路上的高压液体倒流入泵内打坏叶轮。 离心泵长时间不用时，要将泵内和管路内的液体排净。

113 双边交流： 1.离心泵的调节方式有 、 和 三种，工业生产中最常用的是 。原因是 。 2.离心泵在开车前要 ，目的是为了防止发生 。操作过程中，无论是开车还是停车，出口阀门都要 ，但其原因不同，开车时是为了 ，停车时是为了 。

114 2．认识其他类型泵 ⑴往复泵 往复泵也是化工生产中较常用的泵，主要由泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀和排出阀构成，它是依靠活塞的往复运动来吸入和排出液体的。活塞自左向右移动时，泵缸内形成负压，则贮槽内液体经吸入阀进入泵缸内。当活塞自右向左移动时，缸内液体受挤压，压力增大，由排出阀排出。 单动往复泵

115 双动往复泵结构示意图

116 往复泵的旁路调节

117 齿轮泵

118 螺杆泵 双螺杆泵 单螺杆泵

119 开眼界：认识气体压缩和输送机械 气体压缩和输送机械广泛应用于化工生产中，由于气体具有明显的可压缩性，使其在设备结构上有着自身的特点。通常，按照终压或压缩比（出口压力与进口压力之比）的不同，气体压缩和输送机械。

120 通风机

121 1. 离心式气体压送机械 离心式的气体压送机械有离心式的通风机、离心式的鼓风机和离心式的压缩机，它们都是依靠叶轮的高速旋转来完成气体的压缩和输送过程。 （1）离心式通风机 离心式通风机结构如图1-37所示，由机壳、叶轮、气体吸入口和排出口构成，按出口压力可分为以下几类： 图 离心式通风机 低压通风机：出口表压1kPa以下； 中压通风机：出口表压1～3kPa； 高压通风机：出口表压3～15kPa。

122 （2）离心式鼓风机 离心式通风机的主要性能有风量（体积流量）、风压（单位体积气体所获得的能量）、轴功率和效率。
离心式鼓风机又称涡轮鼓风机或透平鼓风机，常采用多级叶轮，各级叶轮大小相同。送风量较大，但出口压力不高。图1-38为多级离心式鼓风机结构图。

123 （3）离心式压缩机 离心式压缩机又称透平压缩机，它的主要结构与工作原理与离心式鼓风机相似。离心式压缩机的特点是叶轮级数较多，通常在10级以上，叶轮转速高，一般在5000r/min以上，这样可以产生很高的气体压强。由于压缩比高，可以将压缩机分为几段，每段若干级。较大的压缩比可以导致气体体积缩小，因而叶轮的直径和宽度逐级减小；同时出口气体温度较高，故可在级间设置冷却器。

124 2. 往复式气体压缩机 往复式压缩机与往复泵的结构相似，由气缸、活塞、活门构成，是通过活塞的往复运动来吸入和排出气体的。但是由于气体的可压缩性，往复压缩机的工作过程分为四个阶段，即膨胀过程、吸气过程、压缩过程和排气过程（见图1-39）

125 3. 旋转式风机 旋转式风机的特点是机壳内有一个或两个转子，转子在旋转过程中直接加压于气体，使气体的静压能提高，从而完成气体的输送过程。常见的旋转式风机有罗茨鼓风机。 罗茨鼓风机的结构如图1-40，机壳内有两个腰形转子，两转子与机壳间的缝隙很小，使转子能自由旋转而无缝隙。其工作原理与齿轮泵类似，当两转子以相反方向旋转时，气体从一侧吸入，另一侧排出，若改变转子旋转方向，则吸入口与排出口互换。 罗茨鼓风机的出口应安装稳压气罐，流量采用支路调节法，且出口阀不能完全关闭

126 罗茨鼓风机 图 罗茨鼓风机

127 4. 真空泵 （1）水环真空泵 水环真空泵的外型呈圆形，如图1-41所示，外壳内有一个偏心安装的叶轮，壳内注有一定量的水，在离心力的作用下，将水甩至壳壁形成水环。水环具有密封作用，使叶片间的空隙形成大小不同的密封室，当小室增大时，气体从吸入口吸入，当小室变小时，气体从排出口排出。 图1-41 水环真空泵

128 （2）喷射泵 喷射泵是利用流体流动时，在一定条件下静压能与动能的相互转化原理来吸入和排出流体的，工作流体可以是气体、蒸汽或液体，被吸入流体可以是气体或液体。 单级喷射泵喷射泵