《化工单元操作技术》课件-项目一：化工单元操作安全与基础准备

1.化工安全生产的重要性事故案例3.21江苏响水天嘉宜特大爆炸事故2019年3月21日，位于江苏省盐城市响水县生态化工园区的天嘉宜化工有限公司发生特别重大爆炸事故，造成78人死亡、76人重伤，640人住院，直接经济损失19.86亿元。事故直接原因是由于天嘉宜公司旧固废库内长期违法贮存的硝化废料持续积热升温导致自燃，燃烧引发硝化废料爆炸。事故案例辽宁盘锦浩业化工有限公司“1·15”重大爆炸着火事故2023年1月15日，辽宁盘锦浩业化工有限公司发生重大爆炸着火事故，造成13人死亡、35人受伤，直接经济损失8799万元。经过：在烷基化装置水洗罐入口管道带压密封作业过程中发生爆炸着火事故。原因：事故管道发生泄漏，在带压密封作业过程中发生断裂，水洗罐内反应流出物大量喷出，与空气混合形成爆炸性蒸气云团，遇点火源爆炸并着火事故案例2010年至2021年全国发生的化工和危险化学品较大及以上典型事故案例统计《生产安全事故报告和调查处理条例》危险化学品爆炸品毒害品易燃液体易燃气体腐蚀品

易燃固体氧化剂

有机过氧化物化工反应的危险性分类原料、中间产物、成品、副产品、添加物中含有不稳定物质的化工反应；0102化工放热反应；03易燃物料且在高温、高压下运行的化工反应；在爆炸极限内或接近爆炸极限的化工反应；04有高毒物料存在的化工反应；05化工安全生产的重要性针对这些风险，那么如何预防呢？化工安全生产的重要性化工安全生产的重要性一提升安全生产意识加强安全教育培训，深入理解并遵守相关法律法规、企业规章制度以及操作规程。化工安全生产的重要性二强化安全生产管理实施日常安全检查，加大风险隐患排查治理力度，确保及时发现并整改安全隐患。2.流体的物理性质目录Contents01流体的密度02流体的黏度03流体的压力Part.1流体的密度流体的密度什么是密度？单位体积流体的质量，称为流体的密度，表达式为

流体的密度什么是相对密度？某液体密度ρ和标准大气压下4℃时纯水密度ρ水的比值，无量纲，以s表示，即为液体的相对密度值可用比重计测定，也可查有关手册。流体的密度什么是比容？

流体的密度流体密度受哪些因素影响？液体：气体温度压力P：压力对液体密度的影响很小（极高压力除外），一般可以忽略，因此通常将液体可视为不可压缩流体。T：温度↑，密度↓。气体具有明显的可压缩性和热膨胀性，称为可压缩性流体。气体压力升高、温度降低，密度随之升高在选用密度数据时，应注明该液体所处的温度。气体的密度必须标明其状态。流体的密度流体的密度如何求算？（1）液体纯液体查表（查表时注意温度）；对于液体混合物，其组成通常用质量分率表示。假设各组分在混合前后体积不变，则有

流体的密度

解：流体的密度（2）气体纯气体：查表（查表时注意温度和压强）或利用气态方程式。式中：p——气体的绝对压力，Pa；

M——气体的摩尔质量，kg/mol；

T——绝对温度，K；

R——气体常数，其值为8.314

J/（mol·K）。理想气体在标准状态下的密度：由标准状态下的密度求出其他状态下的密度：流体的密度（2）气体混合气体：对于气体混合物，其组成通常用体积分率表示。各组分在混合前后质量不变，则有气体混合物的平均密度也可利用气体状态方程计算，但式中的摩尔质量M应用混合气体的平均摩尔质量Mm代替，即式中：

——气体混合物中各组分的体积分率。式中：——各纯组分的摩尔质量，kg/mol；——气体混合物中各组分的摩尔分率。对于理想气体，其摩尔分率y与体积分率φ相同。流体的密度例1-2：干空气的组成近似为21%的氧气和79%的氮气（均为体积分数）。试求压力为294kPa、温度为80℃时空气的密度。解：Part.2流体的黏度流体的黏度1.定义：衡量流体黏性大小的物理量，用μ表示。2.单位：黏性是指实际流体流动时流体分子之间产生内摩擦力的特性。是流体的固有属性。

黏性越大，流动性越差，流动阻力越大。流体的黏度3.影响黏度的因素：流体的种类及状态（温度、压力）。2.单位：某些常用流体的黏度，可以从有关手册和本书附录中查得。液体的黏度随温度升高而减小，气体的黏度随温度升高而增大。压力变化，液体黏度基本不变，气体黏度随压力增加而增加得很少。Part.3流体的压力流体的压力1.定义：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，简称压强，习惯上又称为压力。

标准大气压有如下换算关系：1atm=1.013×105Pa=760mmHg=10.33mH2O

流体的压力3.压力的表示方法01绝对压力以绝对零压（绝对真空）为基准测得的压力，是流体的真实压力。02表压、真空度（需注明）以大气压为基准测得的压力，比大气压高的部分称表压，比大气压低的部分称真空度。流体的压力绝对压力与表压、真空度的关系表压=绝对压力

-

大气压力真空度=大气压力

-

绝对压力一般为避免混淆，通常对表压、真空度等加以标注，如2000Pa（表压），10mmHg（真空度）等，还应指明当地大气压力。真空度为表压的负值流体的压力

流体的压力例1-3：甲乙两地的平均大气压强分别为85.3×103Pa和101.33×103Pa，在甲地操作的真空精馏塔塔顶的真空表读数为80×103Pa，在乙地操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表读数应为多少?解：在甲地

绝对压强=大气压—真空度

=85.3×103

—80×103

=5.3×103Pa

在乙地

真空度=大气压—

绝对压强

=101.33×103

—5.3×103

=96.03×103

Pa3.建立能量衡算式建立能量衡算式通过对流体本身所具有的能量认识，在稳定的流动状态下的不可压缩流体根据能量守恒定律，推导出柏努利方程。掌握与运用柏努利方程，解决流体在输送过程中的各种问题。位差（或高度）静压能（或压力）动能（或流量、流速）外加能量（或机械功率）建立能量衡算式流动系统的能量流动系统中涉及的能量有多种形式，包括内能、机械能、功、热、损失能量，若系统不涉及温度变化及热量交换，内能为常数，则系统中所涉及的能量只有机械能、功、损失能量。能量根据其属性分为流体自身所具有的能量及系统与外部交换的能量。一、流体具有的能量建立能量衡算式

物质内部能量的总和(分子平动能，转动能，振动能)以U1，U2表示：内能是一个状态函数，取决于流体本身的状态。内能建立能量衡算式如流体因受重力作用，在不同高度处则具有不同的位能。位能相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所做的功。单位质量流体的位能为mgZ/m，也就是gZ，单位是J/kg。机械能建立能量衡算式

单位质量(1kg)流体的位能mgZ/m=gZ，J/kg；则：

流体因受重力作用，在不同的高度处具有不同的位能，相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所做的功能：位能建立能量衡算式

流体以一定的速度运动时，便具有一定的动能，质量为m，流速为u的流体具有的动能为：动能建立能量衡算式流动着的流体内部任何位置具有一定的静压强，如果在一内部有液体流动的管壁面上开一小孔，并在小孔处装一根垂直的细玻璃管，液体便会在玻璃管内上升，上升的液柱高度即是管内该截面处液体静压力的表现流体通过1—1`截面时，由于截面处流体具有一定的压力，因此通过截面1—1`的流体必定要带有与所需的功相当的能量才能进入系统，流体所具有的这种能量就称为静压能或流动功静压强(压强能)建立能量衡算式设质量为m体积为V1的流体通过截面1—1`，把流体推进到此截面所需的作用力为p1A1，且位移为V1/A1，则：流体带入系统的静压能为：p1A1·V1/A1=p1V1，J1㎏流体带入系统的静压能为：p1V1/m=p1v1，J/㎏1㎏流体带出系统的静压能为：p2V2/m=p2v2，J/㎏流体的总机械能=位能+动能+静压能建立能量衡算式若管路中有加热器、冷却器等，流体通过时必与之换热。Qe为1㎏流体接受或放出的能量，J/㎏

（Qe可为正可为负）吸热，Qe则为正值。放热，Qe则为负值热建立能量衡算式如图的流动系统中，还有流体输送机械（泵或风机）向流体作功，1kg流体从流体输送机械所获得的能量称为外功或有效功，用We表示，其单位为J/kg。（We可为正可为负）对外做功为负对内做功为正外功(净功)建立能量衡算式在以上能量形式中，可分为两类：机械能输送即位能、动能、静压能及外功，可用于输送流体；内能与热不能直接转变为输送流体的机械能。建立能量衡算式二、柏努利方程衡算范围：1-1′、2-2′截面以及管内壁所围成的系统。衡算基准：1kg流体基准水平面：0-0′水平面根据能量守恒原则，对于划定的流动范围，其输入的总能量必等于输出的总能量。建立能量衡算式

建立能量衡算式对于不可压缩流体，ρ为常数，没有热量的交换。

建立能量衡算式三、柏努利方程的分析与讨论

（1）以单位质量流体为基准建立能量衡算式（2）以单位重量流体为基准各项同除重力加速度g

建立能量衡算式（3）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。

建立能量衡算式

柏努利方程的一般表达式归纳与总结1.流体的各种能量基本概念与表达方法2.流体的各种能量计算方法与量纲3.柏努利方程的各种表示方式4.测定流体流速与流量测量流体的流速与流量流速或流量是工艺过程中进行调节与控制的参数，掌握测量流速的方法、原理和设备，掌握测速管、孔板流量计、文丘里管流量计、转子流量计、涡流流量计、电磁流量计以及超声波流量计等流量计的工作原理、适用范围以及优缺点，根据实际生产工艺要求，选择适合的测定流速与流量的设备。目录Contents01测速管02孔板流量计03文丘里流量计04转子流量计05涡轮流量计06电磁流量计07超声波流量计Part.1测速管测速管（1）测速管工作原理测速管又称皮托管（Pitottube），由两根弯成直角的同心套管组成，内管管口正对着管道中流体流动方向，外管的管口是封闭的，在外管前端壁面四周开有若干测压小孔。为了减小误差，测速管的前端经常做成半球形以减少涡流。测速管的内管与外管分别与U形压差计相连。内管所测的是流体在A处的局部动能和静压能之和，称为冲压能。测速管

即可算出管口处的点速度：Part.2孔板流量计孔板流量计（1）孔板流量计的结构孔板流量计是将一块孔板用法兰固定在管路上，使孔板垂直于管内流体流动的方向，同时使孔的中心位于管道的中心线上。孔板两侧的测压孔与U形管压差计相连，由压力计上的读数R即可算出管路中流体的流速和流量。孔板流量计（2）孔板流量计的工作原理借助孔板使流体流速增加，静压力降低，于是在孔板前后产生了压力差，而且流体的流量越大，在孔板前后产生的压力差越大。所以，可以利用测量压力差的方法来测定流体的流量。孔板流量计（3）孔板流量计的特点孔板流量计的结构简单，制造、安装和使用均较方便，在工程上被广泛使用。当流量有较大变化时，调换孔板也较方便。主要缺点是能量损失较大，安装时孔板前后必须有一定的直管段作为稳定段，通常要求上游直管长为15～40倍管径，下游为5倍管径。特点：恒截面、变压差，为差压式流量计。Part.3文丘里流量计文丘里流量计（1）文丘里流量计的结构孔板流量计的主要缺点是能量损失较大，其原因在于孔板前后的突然缩小与突然扩大。若用一段渐缩、渐扩管代替孔板，所构成的流量计称为文丘里流量计或文氏流量计，如图所示。当流体经过文丘里管时，由于均匀收缩和逐渐扩大，流速变化平缓，涡流较少，故能量损失比孔板大大减少。文丘里流量计（2）文丘里流量计的原理文丘里流量计的测量原理与孔板流量计相同，也属于差压式流量计。其流量公式也与孔板流量计相似，即

文丘里流量计（3）文丘里流量计的特点文丘里流量计的能量损失较小，更适用于低压气体输送管道中的流量测量。且其流量系数较孔板大，因此相同压差计读数R时流量比孔板大。文丘里流量计的缺点是加工较难、精度要求高，因而造价高。且流量计安装时需占去一定管长位置，前后也必须保证足够的稳定段。Part.4转子流量计转子流量计（1）转子流量计的结构转子流量计是由一个自下而上其截面积逐渐扩大的垂直的锥形玻璃管和一个比被测流体重的转子组成。转子一般用金属或塑料制成，其上部平面略大并刻有斜槽，操作时可发生旋转，故称为转子。转子流量计在使用时，流体自底端进入，向上流至顶端流出。转子流量计（2）转子流量计的测量原理管中无流体通过时，转子沉在管底部。当被测流体以一定的流量流经转子与管壁之间的环隙时，由于流道截面减小，流速增大，压力随之降低，于是在转子上、下端面形成一个压差，将转子托起，使转子上浮。随转子的上浮，环隙面积逐渐增大，流速减小，压力增加，从而使转子两端的压差降低。当转子上浮至某一定高度时，转子两端面压差造成的升力恰好等于转子的重力时，转子不再上升，而悬浮在该高度。转子流量计（3）转子流量计的特点转子流量计必须垂直安装在管路上，为便于检修。转子流量计读数方便，流动阻力很小，测量范围宽，测量精度较高，对不同流体的适应性也较强，流量计前后不需要很长的稳定段，玻璃管的化学稳定性也较好，因此，在实验室和工业生产上应用很广泛。缺点是玻璃管不能经受高温和高压，在安装使用过程中玻璃容易破碎。Part.5涡轮流量计涡轮流量计（1）涡轮流量计的工作原理涡轮流量计是一种速度式流量仪表，在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速