化工生产技术基础培训教材Word文档下载推荐.doc
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反应生成新的物质
化学或生物化学变化过程
精制、分离、干燥等
中间
生产过程的前、后处理的物理操作过程称为化工单元操作，简称单元操作。
单元操作特点如下：
1、物理过程；
2、同一单元操作在不同的化工生产中遵循相同的过程规律，但在操作条件及设备类型（或结构）方面会有很大差别；
3、对同样的工程目的，可采用不同的单元操作来实现。
二、物料衡算
根据物质守恒定律，在一个稳定的化工生产过程中向系统或设备所投入的物料量必等于所得产品量及过程损失量之和，即：
W原=W产+W损
式中W原—投入物料量
W产—所得的产品量；
W损—损失物料量。
按照这一规律对总物料或其中某一组分进行的计算，称为物料衡算。
通过物料衡算可以了解化工生产的原料量、产量、损耗量、确定设备的生产能力及其主要尺寸；
判定物料生产过程进行的好坏和经济效益的评价等等。
三、热量衡算
根据能量守恒定律，对于一个稳定的化工生产过程，向系统和设备内输入的热量应等于输出的热量加上损失的热量即：
Q入=Q出+Q损
式中Q入—投入的热量；
Q出—输出的热量；
Q损—损失的热量。
按照这一规律对系统或设备热量进行的计算，称为热量衡算。
通过热量衡算，可以检查热量消耗的程度，确定经济合理的热量消耗方案、热能综合利用途径和选择最适宜的生产资料等。
四、过程的平衡关系
在化工生产中，固体的溶解、气体的吸收、溶液的蒸馏等操作过程都是在一定条件下由不平衡向平衡状态转化，以达到过程进行的最大限度。
过程的平衡是在一定条件下建立的，当条件发生变化，则平衡就被破坏。
直到在新的条件下建立新的平衡关系为止。
五、过程的速率
过程的速率是指单位时间里过程进行的变化量。
它与过程的推动力成正比，与过程的阻力成反比。
例如：
液体的推动力是位差，传热过程中的推动力是温度差，吸收过程的推动力是浓度差或分压差。
提高过程的推动力是提高过程速率的基本方法。
六、单位制度
1、绝对单位制和重力单位制（工程单位）
绝对单位制以长度、质量、时间为基本量；
重力单位制以长度、时间和力为基本量。
两者的主要区别在于绝对单位制以质量为基本量，其单位为基本单位，力（或重量）的单位为导出单位；
重力单位制以力（或重量）为基本量，其单位为基本单位，质量的单位为导出单位。
力和质量的关系用牛顿第二运动定律相关联，即
F=ma
式中F—作用于物体上的力；
m—物体的质量；
a—物体在作用力方向上的加速度。
上述两种单位制度中又有米制单位与英制单位之分。
两种单位制度中米制与英制的基本单位列于下表。
两种单位制度中的米制与英制的基本单位
基本物理量
单位制度
长度（L）
时间（T）
力或重力（F）
质量（M）
绝对单位制度
cgs制
cm
s
g
--
mks制
m
kg
英制
ft
lb
重力单位制度
（工程单位制）
米制
kgf
lb（f）
2、国际单位制度（SI制）
1960年10月第十一届国际计量大会通过了一种优越性较大的新单位制度，称为国际单位制度，其代号为SI，它是mks制的引伸。
由于SI制的"
统用性"
和"
一贯性"
的优点，在国际上迅速得到推广。
SI中任何一物理量只有一个单位，但重力单位制就有所不同，例如在重力单位制中，热量单位为kcal（千卡）。
功的单位为kgf·
m，而热量和功是本质相同的物理量，计算时必须采用“热当量：
（即1kcal=427kgf·
m）来换算使之统一，但在SI中热量与功都采用同一单位，即J（焦耳）。
SI基本单位为7种，化工常用5种分别是：
长度：
米（m）质量：
千克（Kg）时间：
秒（s）
温度：
开尔文（K）物质量：
摩尔（mol）
七、单位换算
常用物理量的单位换算关系如下:
1、重力加速度：
g=9.81m/s2（SI制）=981cm/s2（cgs制）
2、质量：
1kg=0.001t（吨）=2.20462ib（磅）
2、长度：
1in（英寸）=0.0254m（米）=0.073333ft（英尺）=0.02778yd（码）
3、力：
1N（牛顿）=1kg·
m/s2=0.102kgf（千克力）
4、压强：
1Pa（帕）=1N/m2=1×
10-5bar=1.02×
10-5kgf/cm2=0.99×
10-5atm=0.102mmH2O=0.0075mmHg
5、功、能和热：
1J=1N·
m=2.778×
10-7kw·
h=0.102kgf·
m=2.39×
10-4kcal
6、功率：
1W（瓦特）=1J/s=0.10197kgf·
m/s=0.2389×
10-3kcal/s
7、温度：
K（开尔文）=273.3°
+℃
第二章流体流动常识
第一节流体的密度
1、定义：
单位体积流体所具有的质量称为流体的密度，
其表达式为：
2、某状态下理想气体的密度：
M—气体的分子量
R—气体常数，其值为8.315J/（mol·
K）
如为混合气体则M为混合气体的平均分子量Mm
Mi---气体混合物中各组分的分子量
yi---气体混合物中各组分的摩尔分率
对于一定质量的理想气体。
其体积、压强和温度之间的变化关系为：
p—气体的绝对压强，Pa；
T—气体的绝对温度，K；
V—气体的体积，m3；
第二节流体的静压强
在静止的流体内，单位面积上所受的压力，称为静压强，简称压强，定态流动的流体在管路中同一位置的压强也可视为静压强，其表达式为：
p=ΔP/ΔA（Pa或N/㎡）
p—流体的静压强，Pa；
P—垂直作用于流体表面上的压力，N；
A—作用面的面积，m2。
2、常用压强单位之间的换算关系：
1atm（标准大气压）=10.33mH2O=760mmHg=1.0133bar（巴）=1.033kgf/cm2=1.0133×
105Pa
工程上为了使用和换算方便，常将1kgf/cm2近似地作为1个大气压，称为1工程大气压。
于是
1at=1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=0.9807bar=9.807×
104Pa
3．压强的不同表示方法
（1）绝对压强：
以绝对零压作起点计算的压强,称为绝对压强，是流体的真实压强。
（2）表压强：
流体的压强可用测压仪表来测量。
当被测流体的绝对压强大于外界大气压强时，所用的测压仪表称为压强表。
压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，称为表压强，即：
表压强=绝对压强－大气压强（压力表的度量）
（3）真空度：
当被测流体的绝对压强小于外界大气压强时，所用测压仪表称为真空表。
真空表上的读数表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值，称为真空度，即：
真空度=大气压强－绝对压强（真空表的度量）
显然，设备内的流体的绝对压强愈低，则它的真空度就愈高。
真空度又是表压强的负值。
绝对压强，表压强，真空度之间的关系可用下图表示。
注：
外界大气压强随大气的温度、湿度和所在地区的海拔高度而变。
第三节流体的流量与流速
一、流量：
单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。
若流量用体积来计量，则称为体积流量，以Vs表示，单位为m3/s。
若流量用质量来计量，则称为质量流量，以ωs表示，单位为㎏/s。
体积流量与质量流量的关系为：
ωs=Vs·
ρ
二、流速：
单位时间内流体在流动方向上所流过的距离，称为流速，以u表示，单位为m/s。
流体在管道任一截面上各点的流速沿管径而变化，所以在工程计算上通常用整个管截面上的平均流速来表示流体的流速，其表达式为：
三、流体输送管路直径的选择：
流量一般为生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。
若流速太大，管径虽然可以减小，但流体流过管道的阻力增大，水泵的动力就大，操作费随之增加。
反之，流速选得太小，操作费可以相应减小，但管径增大，管路的基建费用随之增加。
所以当流体以大流量在长距离的管路输送时，需根据具体情况在操作费用与基建费用之间通过经济权衡来确定适宜的流速。
车间内部的工艺管线，通常较短，管内流速可选用经验数据。
一般管道的截面均为圆形，若以d表示管道内径，则内径、流量、流速之间的关系如下：
某些流体在管道中的常用流速范围
流体的类别及情况
流速范围，m/s
自来水（3×
105Pa左右）
1～1.5
水及低粘度液体（1×
105～1×
106Pa）
1.5～3.0
高粘度液体
0.5～1.0
工业供水（8×
105Pa以下）
锅炉供水（8×
＞3.0
饱和蒸汽
20～40
过热蒸汽
30～50
蛇管、螺旋管内的冷却水
＜1.0
低压空气
12～15
高压空气
15～25
一般气体（常压）
10～20
鼓风机吸入管
10～15
鼓风机排出管
15～20
离心泵吸入管（水一类液体）
1.5～2.0
离心泵排出管（水一类液体）
2.5～3.0
往复泵吸入管（水一类液体）
0.75～1.0
往复泵排出管（水一类液体）
1.0～2.0
液体自流速度（冷凝水等）
0.5
真空操作下气体流速
＜10
第四节流体基本方程式
一、静力学基本方程式：
，以此方程式为依据可设计制造液柱压差计，来测量流体的压强或压强差，较典型的有U管压差计和微差压差计；
也可用来测量静止液体的液位高度；
还可以用来计算液封的高度。
二、流体流动连续性方程式：
1、对于定态流动系统：
2、对于不可压缩流体：
三、柏努利方程
柏努利方程反映了流体在流动过程中，各种形式机械能的相互转换关系。
1、不可压缩实际流体的柏努利方程式
因实际流体具有粘性，在流动过程中必消耗一定的能量。
根据能量守恒原则，能量不可能消失，只能从一种形式转变为另一种形式，这些消耗的机械能转变成热能，此热能不能再转变为用于流体输送的机械能，只能使流体的温度升高。
从流体输送角度来看，这些能量是“损失”掉了。
将流体损失的能量用ΣWf表示。
则柏努利方程式可表示为
2、理想流体的机械能衡算
理想流体是指没有粘性（即流动中没有摩擦阻力）的不可压缩流体。
这种流体实际上并不存在，是一种假想的流体，但这种假想对解决工程实际问题具有重要意义。
对于理想流体又无外功加入时，柏努利方程式可简化为
3、柏努利方程的应用
柏努利方程与连续性方程是解决流体流动问题的基础，应用柏努利方程，可以解决流体输送与流量测量等实际问题。
在用柏努利方程解决问题时，一般应先根据实际画出流动系统的示意图，标明流体的流动方向，定出上、下游截面，明确流动系统的衡算范围。
解题时需注意以下几个问题：
（1）截面的选取：
①与流体的流动方向相垂直；
②两截面间流体应是定态连续流动；
③截面宜选在已知量多、计算方便处。
（2）基准水平面的选取：
位能基准面必须与地面平行。
为计算方便，宜于选取两截面中位置较低的截面为基准水平面。
若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选管中心线的水平面。
（3）单位保持一致，尤其在计算截面上的静压能时，p1、p2不仅单位要一致，同时表示方法也应一致，即同为绝压或同为表压。
第五节流体在管路内的流动阻力
流动阻力的大小与流体本身的物理性质、流动状况及壁面的形状等因素有关。
化工管路系统主要由两部分组成，一部分是直管，另一部分是管件、阀门等。
相应流体流动阻力也分为两种：
1、直管阻力：
流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力；
2、局部阻力：
流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力。
第三章化工用泵
泵是液体的一种”增能”机械，是将机械能转换成被输送液体的静压能和动能的设备，使被输送液体获得能量后，输送到一定压力、高度或距离的场合，这就是泵的主要作用。
第一节泵的分类
按其作用原理可分为以下三大类：
1）容积式泵：
依靠连续或间歇地改变工作室容积来压送液体。
一般使工作室容积改变的方式有往复运动和旋转运动。
如往复式活塞泵、柱塞泵、隔膜泵属于前一种；
齿轮泵、滑片泵、螺杆泵属于后一种。
2）叶片式泵：
依靠工作叶轮的旋转运动将能量传递给被输送液体。
如离心泵、混流泵、轴流泵、漩涡泵等。
3）其它类型泵：
如喷射泵、水锤泵、电磁泵等。
喷射泵是依靠调整流体的动能转变为静压能的作用，达到输送流体的目的；
水锤泵是利用水流本身的位差能输送液体，而不需其它外界能量；
电磁泵则是利用电磁力的作用来输送液体的。
第二节离心泵
离心泵结构简单，操作容易，流量易于调节和自控；
流量均匀效率高；
流量和压头的适用范围较广，且能适用于多种特殊性质物料，因此在工业生产中普遍被采用。
一、离心泵的主要部件和工作原理
1．离心泵的主要部件
离心泵由两个主要部分构成：
一是包括轴和轴承的旋转部件，它们安装在机座上，前端安装叶轮，后端用联轴器与电机相联，电机带动泵轴旋转；
另一是由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件。
但其中主要的部件是叶轮和泵壳。
离心泵的叶轮
（1）叶轮：
叶轮是离心泵的核心部件，由6～12片的后弯叶片组成。
a、按其机械结构可分为闭式、半闭式和开式三种。
闭式叶轮适用于输送清洁液体；
半闭式和开式叶轮适用于输送含有固体颗粒的悬浮液，这类泵的效率低。
b、按吸液方式不同可将叶轮分为单吸式与双吸式两种，单吸式叶轮结构简单，液体只能从一侧吸入。
双吸式叶轮可同时从叶轮两侧对称地吸入液体，它不仅具有较大的吸液能力，而且基本上消除了轴向推力。
c、根据叶轮上叶片的几何形状，可将叶片分为后弯、径向和前弯三种，由于后弯叶片有利于液体的动能转换为静压能，故而被广泛采用。
（2）泵壳：
通常制成蜗牛形，故称为蜗壳。
叶轮在泵壳内沿着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转，愈接近液体的出口，流道截面积愈大。
液体从叶轮外周高速流出后，流过泵壳蜗形通道时流速将逐渐降低，因此减少了流动能量损失，且使部分动能转换为静压能。
所以泵壳不仅是汇集由叶轮流出的液体的部件，而且又是一个转能装置。
为了减少液体直接进入泵壳时因碰撞引起的能量损失，在叶轮与泵壳之间有时还装有一个固定不动而带有叶片的导轮，由于导轮具有若干逐渐转向和扩大的流道，使部分动能可转换为静压能，且可减少能量损失。
（3）泵轴：
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。
由于泵轴转动而泵壳固定不动，在轴和泵壳的接触处必然有一定间隙。
为避免泵内高压液体沿间隙漏出，或防止外界空气从相反方向进入泵内，必须设置轴封装置。
离心泵的轴封装置有填料函或机械（端面）密封。
填料函是将泵轴穿过泵壳的环隙作成密封圈，于其中装入软填料（如纤维、塑料、浸油或涂石墨的石棉绳等）。
机械密封是由一个装在转轴上的动环和另一固定在泵壳上的静环所构成。
两环的端面借弹簧力互相贴紧而作相对转动，起到了密封的作用。
机械密封适用于密封较高的场合，如输送易燃、易爆、易腐蚀及有毒的液体。
2．离心泵的工作原理
离心泵在启动前需先向壳内充满被输送的液体，启动后泵轴带动叶轮一起旋转，迫使叶片间的液体旋转，液体在离心力作用下自叶轮中心被甩向外周并获得了能量，使流向叶轮外周的液体的静压强增高，流速增大，可高达15-25m/s。
液体离开叶轮进入泵壳后，因壳内流道逐渐扩大而使液体减速，部分动能转换成静压能。
于是，具有较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需的场所。
当液体自叶轮中心甩向外周时，在叶轮中心产生低压区。
由于贮槽液面上方的压强大于泵吸入口的压强，致使液体被吸进叶轮中心。
因此只要叶轮不断地旋转，液体便连续地被吸入和排出。
由此可见，离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转的叶轮，液体在离心力的作用下获得了能量以提高压强。
二、离心泵的性能参数
各类泵在出厂前都钉有一个铭牌。
铭牌上刻着该台泵的型号、流量、扬程、转数、轴功率和效率等有关泵性能的指标。
这些指标称为泵的性能参数，它表示泵在这些规定条件下运转时最经济合理。
1、泵的流量：
它是指单位时间内泵向管路输送的液体体积，它表明了泵输送液体量的能力。
泵的流量取决于叶轮的大小、转速，叶轮越大、转速越快，则泵的流量越大，常用单位m3/h或l/s。
2、泵的扬程：
又称泵压头，它是指泵对单位重量（1N）液体所能提供的有效能量，其单位为[m液柱]。
泵的扬程与叶轮的结构、大小和转速有关。
应当注意，离心泵的扬程与升扬高度（举升高度）不同，泵的升扬高度是指泵将液体从低处送到高处的垂直高度。
只有泵的进出口容器都处于0.1MPa，进出口管径相同及管路阻力可忽略不计，泵的扬程才与举升高度相等。
3、泵的功率和效率
泵的功率又称为泵的轴功率，它是指泵在单位时间内从电机处获得的能量。
泵本身不会产生能量，它之所以能使液体增加能量，是靠电动机带动泵轴旋转，从电动机处获得了能量。
其大部分传递给了液体，提高液体的能量；
另一部分则在运转过程中被损耗。
液体真正获得的功率称为有效功率。
泵的效率（η）即是指泵的有效功率和轴功率的比值。
即
泵在运转过程中损失的能量越多，液体得到的能量就越少，其效率就越差。
4、泵的特性曲线图讨论:
①从H~Q特性曲线中可以看出，随着流量的增加，泵的压头是下降的，即流量越大，泵向单位重量流体提供的机械能越小。
但是，这一规律对流量很小的情况可能不适用。
②轴功率随着流量的增加而上升，所以大流量输送一定对应着大功率的配套电机。
另外，这一规律还提示我们，离心泵应在关闭出口阀的情况下启动，这样可以使电机的启动电流最小。
③泵的效率先随着流量的增加而上升，达到一最大值后便下降，根据生产任务选泵时，应使泵在最高效率点附近工作，其范围内的效率一般不低于最高效率点的92%。
④离心泵的铭牌上标有一组性能参数，它们都是与最高效率点对应的性能参数。
泵的铭牌和特性曲线上的参数是用20℃清水进行试验时测定的数据，如果输送的液体不是水，则应作适当的修正。
三、离心泵常用概念：
1、气蚀：
离心泵运转时，叶轮中心附近形成低压区，当叶片入口附近的最低压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽压时，液体将在该处气化并产生气泡，它随同液体从低压区流向高压区；
在高压作用下迅速凝结或破裂，此时周围的液体以极高的速度冲向原气泡所占据的空间，在冲击点处产生几万kpa的压强，冲击频率可高达几万次之多；
由于冲击作用使泵体震动并产生噪音，长期震动损坏泵体。
这种现象称为气蚀现象。
气蚀现象发生时泵的流量、压头及效率下降，严重时，则泵不能正常工作。
一个原先操作正常的泵也可能由于操作条件的变化而产生汽蚀，如被输送物料的温度升高，或吸入管线部分堵塞。
2、气缚：
离心泵在启动时，若泵内存有空气，由于空气密度很低，旋转后产生的离心力小，因而叶轮中心区所形成的低压不足以将贮槽内的液体吸入泵内，虽启动离心泵也不能输送液体。
此种现象称为气缚，表示离心泵无自吸能力，所以在启动前必须向壳内灌满液体。
3、允许吸上高度：
又称允许安装高度，是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可允许达到的最大垂直距离，
4、离心泵的串联：
两台型号相同的泵串联操作，两台泵的总压头低于单台泵压头的两倍
5、离心泵的并联：
两台型号相同的泵并联操作，两台泵的总流量低于单台泵流量的两倍。
四、离心泵的分类
1、国产离心泵按照输送液体的性质可分为以下四种：
（1）清水泵：
适用于输送清水或物性与水相近、无腐蚀性且杂质较少的液体。
结构简单，操作容易。
（2）耐腐蚀泵：
用于输送具有腐蚀性的液体，接触液体的部件用耐腐蚀的材料制成，要求密封可靠。
（3）油泵：
输送石油产品的泵，要求有良好的密封性。
（4）杂质泵：
输送含固体颗粒的液体、粘稠的浆液，叶轮流道宽，叶片数少。
2、按照泵的吸入方式可将离心泵分为单吸泵和双吸泵两类。
3、按照泵的叶轮数来分，可分为单级泵和多级泵两类。
五、离心泵的运行与维护
1、离心泵的试车
离心泵安装完毕之后，在正式投产前，必须进行试车；
其目的是检查和消除在安装过程中没有发现的问题，使泵在正式投产以后能正常运转。
试车前要与有关部门（调度、电气、供水）取得联系，会同安装人员一起进行，以便相互配合；
并且准备好维修工具和必要的零件，以便发生问题能及时处理。
试车前必须首先检查安装质量，并作好记录。
检查项目和试车步骤如下：
①检查地脚螺栓及泵体与机座的联接螺栓是否紧固；
②向轴承箱内加入适量润滑油，检查是否漏油；
③由检修人员解开联轴器螺栓，启动电机看是否与泵的工作叶轮转向一致，并空转4小时，如无异常联上螺栓（严防电机带动泵空转，否则零件之间干摩擦会造成损坏；
④用手转动泵轴进行盘车，应无轻重不均的感觉，同时要检查两半联轴器的联接情况，泵轴和电机轴是否“同轴”，填料压盖要压正无歪斜；
⑤检查冷却水系统应无堵塞，无泄漏；
⑥热油泵起动前一定要暖泵，一般预热速度不超过每小时50℃；
⑦关闭出口阀，打开排气阀和入口阀，向泵内注满输送液体，打开真空表或压力表阀门，启动电机，过2-3秒后慢慢打开出口阀；
观察压力表和真空表的数值；
达到要求后，要检查轴承温度。
一般滑动轴承温度不大于65℃；
滚动轴承温度不大于70℃。
运转要平稳，无杂音。
流量和扬程均达到标牌上的要求；
⑧机械密封泄漏不超过10滴/分钟；
软填料密封不超过20滴/分钟；
⑨耐酸泵试车启动时不要关闭出口阀，使出口阀全开，避免因酸液在泵壳内搅动升温而加强对泵的腐蚀；
⑩离心泵试车合格后，填写合格证，办
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