制药工程专业化工原理课件

1、第二章 流体输送机械8/9/20221制药工程专业化工原理流体输送机械在化工生产中的应用为流体提供动力，以满足输送要求； 为工艺过程创造必要的压强条件； 8/9/20222制药工程专业化工原理流体输送机械的分类流体输送机械按工作原理分类：离心式（叶轮式）往复式旋转式流体动力作用式8/9/20223制药工程专业化工原理流体输送机械的分类根据流体性质的不同分成：输送液体用的泵输送气体用的压缩机（或风机）8/9/20224制药工程专业化工原理 第一节 离心泵8/9/20225制药工程专业化工原理一、构造和原理1、离心泵的构造： 吸入口排出管泵轴轴封泵壳叶轮8/9/20226制药工程专业化工原理2、离

2、心泵的工作原理： 流体在泵内都获得了什么能量？其中那种能量占主导地位？思考：常压流体被甩出高速流体机械旋转的离心力逐渐扩大的泵壳通道高压流体灌满液体叶轮旋转离心力甩出液体蜗壳内进行能量的转换流体被压出叶轮中心形成真空在压力差的作用下流体被压入泵内8/9/20227制药工程专业化工原理泵启动前为什么要灌满液体？思考：液体未灌满气液离心力甩不出气体叶轮中心的真空度不够吸不上液体泵无法正常工作未灌满底阀漏液其它地方泄漏8/9/20228制药工程专业化工原理二 主要部件（1）叶轮叶片（+盖板）8/9/20229制药工程专业化工原理A 按叶轮数目 多级泵 单级泵B 按吸液方式 双吸式 单吸式C 按所产生

3、的压头大小 中压泵2050mH2O低压泵50mH2OD 按泵轴的位置 立式泵 卧式泵离心泵分类：8/9/202211制药工程专业化工原理8/9/202212制药工程专业化工原理三离心泵的主要性能参数（一）离心泵的流量 指离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积，一般用Q表示，单位为m3/h。又称为泵的送液能力 。（二）离心泵的扬程（压头） 泵对单位重量的液体所提供的有效能量，以H表示，单位为m。又称为泵的扬程。8/9/202213制药工程专业化工原理12h0真空表压力表图2-5 压头测定（2-1）由于两截面间的管长很短，其阻力损失通常可以忽略，两截面间的动压头差一般也可以略去，则可得（2-1a

4、）由1、2两截面间的柏努利方程：8/9/202214制药工程专业化工原理4）轴功率及有效功率电机输入离心泵的功率,用P表示，单位为J/S,W或kW有效功率：排送到管道的液体从叶轮获得的功率，用Ne表示轴功率和有效功率之间的关系为 ：有效功率可表达为: 轴功率可直接利用效率计算:轴功率：一般约为0.60.858/9/202215制药工程专业化工原理泵运转过程中存在以下三种损失： 容积损失 该损失是指叶轮出口处高压液体因机械泄漏返回叶轮入口所造成的能量损失。在三种叶轮中，开式叶轮的容积损失较大，但在泵送含固体颗粒的悬浮液时，叶片通道不易堵塞；闭式叶轮的渗漏量较小，但在磨损后渗漏便严重。 水力损失

5、该损失是由于实际流体在泵内有限叶片作用下各种摩擦损失（环流损失、摩擦损失、冲击损失）。 机械损失 该损失包括旋转叶轮盖板外表面与液体间的摩擦以及轴承机械摩擦所造成的能量损失。8/9/202216制药工程专业化工原理离心泵的轴功率N可直接用效率来计算：一般小型离心泵的效率5070%，大型离心泵效率可达90%。泵的轴功率，W泵的压头，m泵的流量，m3/s流体密度，kg/ m3泵的效率8/9/202217制药工程专业化工原理四、离心泵特性曲线 由于离心泵的各种损失难以定量计算，使得离心泵的特性曲线Hqv、P qv 、 qv 的关系只能靠实验测定，在泵出厂时列于产品样本中以供参考。右图所示为4B20型

6、离心泵在转速n2900r/min时的特性曲线。若泵的型号或转速不同，则特性曲线将不同。借助离心泵的特性曲线可以较完整地了解一台离心泵的性能，供合理选用和指导操作。 4B20离心泵n2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0H/mNkWqv/(m3/h)图26 4B型离心泵的特性曲线PH8/9/202218制药工程专业化工原理由图26可知： （1）Hqv曲线： qv，H(Q很小时 可能例外)。当qv0时，H也只能达到一定值，这是离心泵的一个重要特性。 （2）P qv曲线： qv ，P 。当qv 0时，P最小

7、。这要求离心泵在启动时，应关闭泵的出口阀门，以减小启动功率，保护电动机免因超载而受损。 （3） qv曲线：有最大值，于此点下操作效率最高，能量损失最小。在此点对应的流量称为额定流量。泵的铭牌上即标注额定值，泵在管路上操作时，应在此点附近操作，一般不应低于92max 。 4B20离心泵n2900r/min3026221814100204060801001201401284080%70%60%50%40%30%20%0H/mNkWqv/(m3/h)图26 4B型离心泵的特性曲线PH8/9/202219制药工程专业化工原理（2）转速 比例定律 n 20%以内(1)粘度： ，（H， qV ，）; P

8、工作流体20水差别大 参数和曲线变化 20106m2/s, 校正影响离心泵性能的因素：8/9/202220制药工程专业化工原理 泵的特性曲线是针对某一型号的泵(D2一定)而言的。一个过大的泵，若将其叶轮略加切削而使D2变小，可以降低qv和H而节省P。离心泵的切割定律：（3）叶轮直径D8/9/202221制药工程专业化工原理（4）密度的影响 离心泵的流量、压头、效率均与液体密度无关。因而当被输送液体密度发生变化时，H-qv与-qv曲线基本不变，但泵的轴功率与液体密度成正比。8/9/202222制药工程专业化工原理五、离心泵的工作点与流量调节 （一）、管路特性曲线与特性方程管路特性曲线： 流体通过

9、某特定管路时所需的压头与液体流量的关系曲线。 在截面1-1与 2-2 间列柏努利方程式，并以1-1截面为基准水平面，则液体流过管路所需的压头为：8/9/202223制药工程专业化工原理上式简化为： 而：压头损失为：对特定管路，令：（定值，与流量无关）8/9/202224制药工程专业化工原理对特定管路 ，令：有：管路特性方程为：8/9/202225制药工程专业化工原理意义：在特定管路中输送液体时，管路所需的压头随所输送液体流量qv的平方而变 管路特性方程：8/9/202226制药工程专业化工原理（二）工作点 将泵的Hqv线和管路的he qv线画在一张图上，得到交点A如图2-13所示，该点称为泵在

10、管路上的工作点， 此时H= he。在工作点处泵的输液量即为管路的流量qv，泵提供的压头（扬程）H必恰等于管路所要求的压头he。当工作点是在高效区（不低于92max ），则该工作点是适宜工作点，说明泵选择的较好。OqvqvHH1管路heqv图2-8 离心泵的工作点泵Hqv泵 qvA8/9/202227制药工程专业化工原理管路特性曲线he=H0+kqv2为开口向上的抛物线，它在纵轴截距H0反映了管路上下游总势能差；k反映了管路阻力的大小；k，同样流量下管路的阻力越大，k较大的管路称为高阻管路，反之则称为低阻管路； 流量单位：可能是m3/s或m3/h ；求工作点时，管路特性曲线的整理应注意保持单位一

11、致；注意：8/9/202228制药工程专业化工原理离心泵工作点的求法：解析法:即当泵的特性曲线方程已知，可与管路特性曲线联立求工作点；图解法:适用于泵特性曲线未知，只有特性曲线图的情况。将管路特性曲线画在泵特性曲线图上，两线的交点即为工作点。8/9/202229制药工程专业化工原理 流量调节就是设法改变工作点的位置，有以下两种方法： 改变管路特性曲线 在离心泵出口处的管路上安装调节阀。改变出口阀门的开度即改变管路阻力系数（K亦变）可改变管路特性曲线的位置，达到调节流量的目的。 OQ2Q1Qhe2H221低阻高阻H1 优点：操作简便、灵活，应用范围广。对于调节幅度不大而经常需要改变流量的场合，此

12、法尤为适用。 缺点：不仅增加了管路阻力损失（在阀门关小时），且使泵在低效率点工作，在经济上很不合理。（三）流量调节8/9/202230制药工程专业化工原理改变泵的特性曲线 由前述比例定律、切削定律可知，改变泵的转速、切削叶轮都可以达到改变泵的特性曲线的目的。如图214所示，泵的转速由n1减小至n2时，泵的Hqv线下移，工作点由点A1移至点A2，流量由qv1减小至qv2。 优点：不额外增加管路阻力，在一定范围内可保持泵在高效率区工作（n改变 n2图2-14 改变泵的特性曲线A2qv28/9/202231制药工程专业化工原理 【例】由水库将水打入一水池，水池水面比水库水面高50m，两水面上的压力均

13、为常压，要求的流量90m3/h，输送管径为156mm，在阀门全开时，管长和各种局部阻力的当量长度的总和为1000m，对所使用的泵在qv=65135m3/h范围内属于高效区，在高效区中，泵的性能曲线可以近似地用直线H=124.5-0.392qv表示，此处H为泵的扬程单位是m，qv为泵的流量单位是m3/h，泵的转速为2900r/min，摩擦系数=0.025，水的密度=1000kg/m3。试确定：（1）此泵能否满足要求？（2）如泵的效率在qv=90m3/h时可取为68%，求泵的轴功率，如用阀门进行调节，由于阀门关小而损失的功率为多少？（3）如将泵的转速调为2600r/min，并辅以阀门调节使流量达到

14、要求的90m3/h，比第（2）问的情况节约能量百分之多少？ 8/9/202232制药工程专业化工原理Oqv2=90qvH2H(m)A2关小阀门改变泵的工作点A1he2qv(m3/h)Oqv2 =90qv1H2H(m)减小转速并辅以阀门调节流量A1he2=64A1qv(m3/h)qv1A28/9/202233制药工程专业化工原理 【例】需将30m3/h、20oC的水由敞口水池送至塔顶，塔顶压力为0.5kgf/cm2（表压），与取水池水面的高差为10m。输水管管径为89mm4mm，长18m，管线局部阻力系数=13（阀全开时），摩擦系数=0.001227+0.7543/Re0.38。试求：(1) 输

15、送所需的理论功率(kw) ；(2) 若有台泵在转速n=2900r/min时的特性可近似用下式表示： 扬程 H=22.4 + 5qv - 20qv2 (a) 效率 =2.5qv - 2.1qv2 (b)式中H的单位为m，qv的单位为m3/min。求最高效率点的效率并评价此泵的适用性；(3) 若此泵适用，用阀门调节流量，求调节阀消耗的功率；(4) 若不用改变阀门的开度而改变转速调节流量，试求转速应调到多少? 8/9/202234制药工程专业化工原理Oqv2qv1H2H(m)A2A1he2qv(m3/min)ab关小阀门后管路heqv等效率曲线原管路heqvn1时泵Hqvn2时泵Hqv8/9/202

16、235制药工程专业化工原理qvHaCbqv并qv1H并AB将两台型号相同的泵并联工作，而且各自的吸入管路相同，则两泵的流量和压头必相同。因此，在同样的压头下，并联泵的流量为单台泵的两倍。如图所示。并联泵的特性曲线为： 并联泵的流量qv并和压头H并由合成特性曲线与管路特性曲线的交点a决定，由于并联组合中的两台泵的压头相等且均等于H并，而H并为单泵在b点的压头，故并联泵的总效率与每台泵的效率（图中b点的单泵效率）相同。由图可知： qv H。离心泵的并联操作8/9/202236制药工程专业化工原理12HCAqvabqv 串BH串H1HQO若单泵的特性曲线为： 两台型号相同的泵串联工作时，每台泵的压头

17、和流量下，串联泵的压头为单台泵的两倍。如图所示，串联泵的特性曲线在横坐标不变，纵坐标加倍的方法合成。故其特性曲线为： 离心泵的串联操作8/9/202237制药工程专业化工原理在实际操作中，串联操作所提供的扬程并非是单泵的两倍，而是H串 2H单，流量则有所提高 qv串 qv串， H并 H串，所以并联优于串联；对于高阻管路b， qv串 qv并， H串 H并，所以串联优于并联。所以串联操作适用于压头大、流量小的管路；并联操作适用于压头小、流量大的管路。 02468101214161820051015202530354045H / mQ / m3/hba不论是串联还是并联操作，均能一定程度上提高管路的

18、流量和扬程；但是哪种操作方式更为有效、合理，就要看管路的特性。8/9/202239制药工程专业化工原理六、离心泵的汽蚀现象与安装高度 如图2-15所示，液面较低的液体能被吸入泵的进口，是由于叶轮将液体从其中央甩向外周，在叶轮中心进口处形成负压（真空），从而在液面与叶轮进口之间形成一定的压差，液体籍此压差被吸入泵内。现在的问题是离心泵的安装高度Hg（即叶轮进口与液面间的垂直距离）是否可以取任意值？Hgp01100（一）汽蚀现象8/9/202240制药工程专业化工原理 取截面0-0，1-1，并以截面0-0为基准面，在两截面间柏努利方程，可得：（2-9）Hgp011008/9/202241制药工程专

19、业化工原理p1hminh=hmin +0.3 m8/9/202249制药工程专业化工原理 h是表示泵的吸上性能的两个参数之一，该参数由泵制造厂通过实验测定后附于产品样本中，于是泵的允许安装高度可根据h按下式计算 8/9/202250制药工程专业化工原理讨论： （1） h由厂家出厂前由实验测定； （2）当进口管路阻力增大时，允许安装高度降低，故应尽可能减小吸入管路的阻力；如： * 吸入管路尽量短，少走弯路； * 进口管路直径一般大于出口管路直径； * 进口管路上避免不必要的管件，如泵装于液面下可免装止逆阀（并且启动前不用灌泵），流量调节阀装于出口管路； 8/9/202251制药工程专业化工原理【

20、例】 封闭容器内贮有密度为1060kg/m3的热盐水溶液，溶液的饱和蒸汽压为0.48 kgf/cm2，溶液上方的绝对压力为0.6 kgf/cm2。要用一水泵从容器中抽出此溶液。所选用泵的允许汽蚀余量为2.0m，吸入管路的压头损失估计为0.5m，求泵的最大安装高度。 Hgp0008/9/202252制药工程专业化工原理【例】如图所示，要将某减压精馏塔塔釜中的液体产品用离心泵输送至高位槽，釜中真空度为550mmHg，釜中液体处于沸腾状态。泵位于地面上，吸入管路阻力损失为0.87 m液柱，液体的密度为986kg/m3，已知该泵的允许汽蚀余量h= 4.2m，试问该泵的安装位置是否适宜？如不适宜应如何重

21、新安排？ 3.5m8/9/202253制药工程专业化工原理 离心泵类型的划分 按输送流体的性质：清水泵、耐腐蚀泵、油泵、杂质泵等； 按叶轮的吸入方式：单吸泵、双吸泵； 按叶论数目：单级泵、多级泵；（1）清水泵（Clean water pumps） 输送清水或物性与水相近且无腐蚀、杂质少的液体。 单级单吸泵：IS（或B）型，中小型水泵，结构简单操作容易；扬程898m，流量45360m3/h 多级泵：D型，扬程高，14351m，10.8850m3/h 双吸泵：SH型，流量大，9140m，12012500m3/h 型 号： IS100-65-250 （或2B31 2B31A 2B31B） 七、离心泵

22、的类型8/9/202254制药工程专业化工原理意义：为泵吸入口直径，英寸基本型号在最高效率下的扬程，m；泵类型叶轮直径在基本型号基础上切削一圈2B31AIS100-65-250为泵排出直径，mm叶轮公称直径，mm为泵吸入口直径，mm8/9/202255制药工程专业化工原理第二节 其它类型液体输送机械往复泵是一种典型的容积式输送机械。1.主要部件：泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀和排出阀(均为单向阀)。活塞杆与传动机械相连，带动活塞在泵缸内作往复运动。活塞与阀门间的空间称为工作室。2.工作原理单动泵：活塞一侧装有吸入阀和排出阀qv一、 往复泵8/9/202256制药工程专业化工原理 活塞自左向右移动时

23、，排出阀关闭，吸入阀打开，液体进入泵缸，直至活塞移至最右端。 活塞由右向左移动，吸入阀关闭而排出阀开启，将液体以高压排出。活塞移至左端，则排液完毕，完成了一个工作循环，周而复始实现了送液目的。因此往复泵是依靠其工作容积改变对液体进行做功。在一次工作循环中，吸液和排液各交替进行一次，其液体的输送是不连续的。活塞往复非等速，故流量有起伏。 8/9/202257制药工程专业化工原理二、双动泵活塞两侧的泵缸内均装有吸入阀和排出阀的往复泵。活塞自左向右移动时，工作室左侧吸入液体，右侧排除液体。活塞自右向左移动时，工作室右侧吸入液体，左侧排除液体。即活塞无论向那一方向移动，都能同时进行吸液和排液，流量连续

24、，但仍有起伏。QQ为此采用三台双动泵并联工作，其送液量较均匀。每个泵连接曲柄角度相差120O。8/9/202258制药工程专业化工原理(2)往复泵的压头与泵的几何尺寸、流量无关，而由泵缸的机械强度和原动机的功率所决定。只要泵缸强度许可，理论上压头可达无限大。 (3)由于往复泵的低压是靠工作室容积扩张造成的，因此启动时无需灌液，即往复泵具有自吸能力。往复泵的吸上真空度亦随外界大气压、液体输送条件而异，故其安装高度有一定限制。(4)流量调节不能用排出管路上的阀门，而应采用旁路调节或改变活塞的冲程和往复次数实现。(5)因往复泵的排液能力只与活塞位移有关，与管路无关，这种泵称为正位移泵。因此在启动泵时

25、必须打开阀门，以防泵或管路损坏。主要用于小流量，高压强的场合，输送高粘度液体时效果比离心泵好。8/9/202259制药工程专业化工原理三、 计量泵计量泵是往复泵的一种形式，它的传动装置是通过偏心轮把电机的旋转运动变成柱塞的往复运动。偏心轮的偏心距是可调的，用来改变柱塞的冲程，这样就可以达到严格地控制和调节流量的目的。计量泵通常用于要求精确而且便于调整的场合，特别适用于几种液体以一定配比的输送场合。 8/9/202260制药工程专业化工原理四、齿轮泵 齿轮泵也是正位移泵的一种，如图。齿轮旋转时，液体封闭于齿穴和泵壳体之间，被强行压至排出端。在排出端两齿轮的齿相互合拢，形成高压将液体排出。齿轮泵压

26、头较高但流量小，用于输送粘稠液体及膏状物，但不能输送含固体颗粒的悬浮液。 8/9/202261制药工程专业化工原理第三节 气体输送机械输送和压缩气体的设备统称气体压送机械。用途：气体输送产生高压气体产生真空液体输送机械的结构和工作原理大致相同。但是由于气体具有可压缩性和密度较小，对输送机械的结构和形状都有一定影响，其特点是：由于气体的密度小，体积流量就大，因而气体输送机械的体积大。8/9/202262制药工程专业化工原理气体在管路中的流速要比液体流速大得多，同样质量流量的气体时，其产生的流动阻力要多，因而需要提高的压头也大。由于气体具有可压缩性，压强变化时其体积和温度同时发生变化，因而气体输送

27、和压缩设备的结构、形状有一定特殊要求。8/9/202263制药工程专业化工原理分类：按结构与工作原理分：离心式往复式选择式流体力学作用式8/9/202264制药工程专业化工原理按终压(气体出口表压p2)和压缩比(气体出口与进口绝压之比x)分：通风机：p215kPa，x11.15，主要结构有离心式、轴流式，用于通风换气和送气。鼓风机：p215294kPa,x4，主要结构为多级离心式、旋转式，用于输送气体。压缩机：p2294kPa，x4，主要为往复式结构，用于产生高压气体。真空泵：p2为大气压，x由真空度而定，结构为旋转式，用于将设备中气体抽出而减压。 8/9/202265制药工程专业化工原理1

28、离心通风机因终压小(15kPa)，故常用于通风换气和送气。工业上常用的通风机为离心通风机，按其产生风压大小分为：低压离心通风机：出口风压低于1kPa(表压)中压离心通风机：出口风压在13kPa(表压)高压离心通风机：出口风压在315kPa(表压)工作原理：同离心泵8/9/202266制药工程专业化工原理结构：机壳为蜗牛壳形，断面有方形和圆形；叶轮直径大，叶片数目多而且短。叶片有平直，前弯和后弯等形状，前弯叶片送风量大，但往往效率低，因此高效通风机的叶片通常是后弯的。低压离心通风机：断面方形，叶片平直，与中心成辐射状中压离心通风机：断面方形，叶片弯曲高压离心通风机：断面圆形，叶片弯曲2、离心通风

29、机的结构和工作原理8/9/202267制药工程专业化工原理2 离心通风机的性能参数1.风量 单位时间内从风机出口排出的气体体积，并以风机进口处气体的状态计，以qv表示，单位m3/h。风量大小取决于风机的结构、叶轮尺寸(叶轮直径与叶片宽度)和转速。2.风压 单位体积的气体通过风机时所获得的有效能量，HT，Pa。8/9/202268制药工程专业化工原理风压的大小取决于风机的结构尺寸、转速和气体密度，其值目前只能通过实验测定。取1m3气体为基准，在风机进出口截面1-1与2-2间列柏努利方程，得：8/9/202269制药工程专业化工原理其中： (ps2ps1)称为静风压，以ps表示， pd=u2/2称

30、为动风压，二者之和称为全风压。由于和(Z2Z1)值较小，(Z2Z1)g一项可忽略；风机进出口管段很短，hf 0 ；因而上式简化为：8/9/202270制药工程专业化工原理风机性能表上所列风压，一般是在20，101.3kPa条件下用空气测得的，此时空气密度为1.2kg/m3，在选用通风机时，若输送介质的条件与上述实验条件不同时，应将实际风压pT换算为实验条件下风压pt0 (实际风压pt由柏氏方程导出)： HT、操作条件 HT、实验条件 8/9/202271制药工程专业化工原理3.轴功率和效率轴功率和效率的定义同离心泵，其计算式为：8/9/202272制药工程专业化工原理计算时qv与pt必须为同一状态下的值。风机性能表上给出的轴功率，也是指在20，101.3kPa条件下用空气测定值，当输送介质密度大于1.2kg/m3，