流体流动安全技术分析

流体流动安全技术分析

一、流量方程式

流体流淌的规律是通过一些参数描述的，流量与流速就是最根本

的参数，而珂者间的关系就是流量方程式。

二、流量

流体在流淌时，每单位时间内通过管道任i截面的流体量，称为流

体的流量。假如流体量用流体的质量来度量，则称为质量流量，用Qm

表示，单位是kg/s或kg/h；假如流体量用流体的体积来度量，则称

为体积流量，用Qv表示，单位是m3/s或m3/h。两者的关系

qm=Pqv式中p一相同条件下流体的密度，kg/m3。

需要留意的是，由于在不同的状态（T、P）下，相同质量气体的体

积是不同的，因此，在用体积流量来表示气体的流量时，必需注明气体

的状态。

三、流速

单位时间内，流体在流淌方向上经过的距离叫流体的流速。由于流

体具有黏性，流体管内流淌时，同一流通截面上各点的流速是不同的，

越靠近管壁，流速越小，中心的流速最大。在流体输送中所说的流速，

通常指整个流通截面上流速的平均值，用u表示，单位是m/s。平均

流速可以用下式计算：

1

u=Qv/A(5—12)

式中A——垂直于流向的管道截面积，称为流通截面积，m2。对

于圆形管路，A就是截面圆的面积，即：

式中d-管道的内径，mo

由于气体的体积是伴着状态的改变而改变的，工业生产中也有用

质量流速来表示气体的流速的。在化工生产中，流体流速不仅关系着流

体流淌的动量、扬程等与安全有关的问题，而且关系着流体静电的产生

和静电火花问题。

四、流量方程式

描述流体流量、流速和流通截面积三者之间的关系式称为流量方

程式，主要有方程（5—12）。它告知我们，在流量肯定的情况下，流通

截面积越小，流速越大。在工程上，流量方程式主要用来指导选择管子

规格和确定塔装备的直径。将方程式（5-13）代入式（5—12）得

通常，流量是由输送任务确定的，因此，管子的规格取决于流速的

大小。由式可以看出，流速越大，管径越小，管路投入（装备费用）越

小，但同时，流速越大，流体输送的动力消耗（操作费用）也越大（流

体阻力）；反之，结果相反。通常，水及低黏度液体的适合流速为1.5〜

3.Om/s,常压气体的适合流速为1（）—2（）m/s,饱和蒸汽的适合流速

2

为2()〜4()m/s等。确定流速时还应考虑流体流淌过程中的静电积累问

题保持在安全流速范围。

［例5—5］需要将密度为960kg/m3的料液送人某精帽塔精储别离。

已知进料量是XXXOOkg/h,进料速度是I.42m/s。问进料管的直径

应当是多少

解进料管的直径为

五、稳定流淌与不稳定流淌

依据流体流淌过程中流淌参数的改变情况，可以将流体的流淌分

为稳定流淌与不稳定流淌。

如图5—4(a)所示，由于进入恒位槽的流体的流量大于流出的流

体的流量，多余的流体就会从溢流管流出，从而保证了恒位槽内液位的

恒定。在液体流淌过程中，流体的压力、流量、流速等流淌参数只与位

置有关，而不随时间的延续而改变，像这种流淌参数只与空间位置有关

而与时间无关的流淌，叫稳定流淌。

图5—4(b)由于没有流体的补充，贮槽内的液位将伴着流淌的进

行而不断下降，从而导致流体的压力、流量、流速等流淌参数不仅与位

置有关，而且与时间有关，像这种流淌参数既与空间位置有关又与时间

有关的流淌，叫不稳定流淌。

3

化工生产中的连续操作过程，多属于稳定流淌，连续操作的开车、

停车过程及间歇操作过程属于不稳定流淌。

六、稳定流淌系统的物料衡算——连续性方程

当流体在密闭管路中稳定流淌时，假如流通截面积发生了改变，则

流体的流速也将发生改变。但是，在单位时间内，通过任一截面的流体

质量均相等，这是由质量守恒定律确定的，见图5-5。即

式（5—15）和式（5—16）都是对输送过程物料衡算的结果，称为

连续性方程，是研讨分析流体流淌的重要方程之一。它反映了不同截面

间的流量、流速及流通截面积之间的关系，规律与管路的布置形式及管

路上是否有管件、阀门或输送装备无关。此式说明，在稳定流淌系统中,

流通截面积最小的地方，液体的流速最快。

［例5―6）某流体从内径lOOnim的钢管流人内径80mm的钢管,

流量为60m3/h,试求在稳定流淌条件下，两管内的流速。

解大管内的流速

从本例可以看出，在稳定流淌系统中，流体的流速与管径的平方成

反比。

七、稳定流淌系统的能量衡算——柏努利方程

（一）流淌流体所具有的能量

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能量是物质运动的量度，当物质的各种流淌形式发生改变时，与之

对应的能量形式也将发生改变。很多流体流淌过程中显现事故都与能

量的积聚和传递相关。流体流淌时主要有3种能量可能发生改变。

(I)位能是流体质量中心处在肯定的空间位置而具有的能量。位

能是相对值，与所选定的基准水平面有关，其值等于把流体从基准水平

面提升到当前位置所做的功。质量为m(kg),距基准水平面的垂直距

离为Z(m)的流体的位能是mZ(J)o

(2)动能是流体具有肯定的运动速度而具有的能量。质量为n2

(kg),流速为u(m/s)的流体所具有的动能为1/2muz(J)。

(3)静压能静压力不仅存在于静止流体中，而且也存在于流淌流

体中，流体由于具有肯定的静压力而具有的能量称为流体的静压能。这

种能量的宏观表现可以通过图5—6表示。流体从某管路中流过，假如

在管路侧壁上开一小孔并装上一竖直玻璃管，能够发现流体沿小管上

升肯定高度并停止。静压能就是这种推动流体上升的能量，经推导知，

质量为m(kg),在压力为户(Pa)的流体的静压能为，mP/p(J)。

位能、动能、静压能都是机械能，在流体流淌时，三种能量可以互

相转换。

八、稳定流淌系统的能量衡算

5

流体在图5—7所示的系统中稳定流淌，由于截面1—1与截面2—

2境况不同，因此这两个截面上的流体的能量是不一样的。但依据能量

守恒定律，稳定流淌系统中的能量是守恒的，即

进人流淌系统的能量=离开流淌系统的能量+系统内的能量积累

对于稳定流淌，系统内的能量积累为零。在图5—7中，流体从1—

1截面经泵输送到2-2截面，设流体中心距基准水平面的距离分别为

Zl、Z2,两截面处的流速、压强分别为ul、pl和U2、p2：,流体在两

截面处的密度均为p,1kg流体从泵获得的外加功为W,1kg流体从截

面1—1流到截面2-2的全部能量损失为ZE1,则根据能量守恒定律

得到

式中w——1kg流体在1—1截面与2—2截面间获得的外加功，J

/kg；

gEf—1kg流体从1—1截面流到2—2截面的能量损失，J/kg；

其他符号的意义及单位与前面相同。

在工程上，经常以1N流体为基准，计量流体的各种能量，并把相

应的能量称为压头，单位为m,即IN流体的位能、动能、静压能分别

称为位压头、动压头、静压头，1N流体获得的外加功叫外加压头，1N

流体的能量损失叫损失压头等。用压头表示的能量守恒定律

式中H1N流体在1—1截面与2—2截面间获得的外加功，m：

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ZHflN流体从1—1截面流到2—2截面的能量损失，m；

其他符号的意义及单位与前面相同。

式(5-17)和式(5-18)是实际流体的机械能衡算式，习惯上称

为柏努利方程，它反映了流体流淌过程中，各种能量的转化与守恒规律,

这一规律在流体输送中具有重要意义。理想流体(没有黏性，流淌时没

有内摩擦力)流淌时没有能量损失，在没有外加功时，式(5—18)可

写为

式(5—18a)式(5—18b)称为理想流体的柏努利方程。

九、柏努利方程的分析与应用

(I)能量守恒与转化规律柏努利方程提示了流体流淌过程中，各

种能量形式可以互相转化，但总能量是守恒的。为了分析便利，以理想

流体的柏努利方程式来分析能量的改变规律。设Z1=Z2,则可以看出，

动能与静压能是可以互相转化的。由此可以推出，在流淌最快的地方，

压力最小。在工程上，利用这一规律，制造设计了流体动力式真空泵，

也正是这一规律，使飞机上了天，制造了球类竞赛中的旋转球。想一想，

为什么高速航行的两艘船不能靠得太近，为什么人不能离运行的火车

太近等。

必需指出，实际流体流淌时，由于流体阻力的存在，不同能量形式

的转化是不完全的，其差额就是能量损失。

7

［例5-7)密度为9()()kg/m3的某流体从图5—8管路中流过。已知

大、小管的内径分别为106mm和68mm；1一1截面处流体的流速为1m

/s,压力为求解截面2—2处流体的压力。

解在截面1—1与截面2—2间的列柏努利方程，可得

(2)流体自然流淌的方向在式(5—17)中，假如外加功为零，即

流体的流淌为自然流淌，由于流体阻力一直大于零，则流体在1—1截

面所具有的能量必定会大于流体在2—2截面所具有的能量。所以，流

体自然流淌只能从高能位向低能位进行。

在化工生产中，常常需要将流体从低能位输送到高能位的地方。为

了完成任务，人们必需实行措施，以保证上游截面处流体的能量能大于

下游截面处流体的能量。从柏努利方程可以看出，这些措施包括增加上

游截面的能量、削减下游截面的能量、在上下游加压(酸贮槽)，在下

游抽真空(真空抽料)和运用流体输送机械等。

如图5—9所示，拟用高位水槽输送水至某一地点，已知输送任务

为25L/S,水管规格为①114X4mm,若水槽及水管出口均为常压，流

体的全部阻力损失为62J/kg,问高位水槽液面至少要比水管出口高多

少米

解在高位水槽液面1—1和水管出口截面2—2之间列柏努利方程,

得

8

即高位水槽的液面至少要比水管出口截面高6.8m,才能保证完

成输送任务。

可以看出，通过设置高位槽，可以提高上游截面的能量，从而可以

保证流体按规定的方向和流量流淌。

（例5—9）如图5—10所示，用酸贮槽输送293K,98%的硫酸至

酸高位槽，要求的输送量是18m3/L。已知管子的规格为①38X3mm,

管子出口比酸贮槽内液面高15m,全部流体阻力为10J/kg。求开头时

压缩空气的表压力。

又查，273K下，98%的硫酸的密度p=1836k8/m3,代人上式得

开头时压缩空气的压力Pl=2.89X10（5）Pa（表压）。

可以看出，通过加压来提高上游截面的静压能，可以保证流体按规

定的方向和流量流淌。

如图5—11所示，用泵将水从水槽送入二氧化碳水洗塔。已知，贮

槽水面的压力300kPa,塔内压力为2XXXkPa,塔内水管与喷头联结处

的压力为2250kPa；钢管规格为①57X2.5m