流體流動安全技術(shù)分析

流體流動安全技術(shù)分析

一、流量方程式

流體流淌的規(guī)律是通過一些參數(shù)描述的，流量與流速就是最根本

的參數(shù)，而珂者間的關(guān)系就是流量方程式。

二、流量

流體在流淌時，每單位時間內(nèi)通過管道任i截面的流體量，稱為流

體的流量。假如流體量用流體的質(zhì)量來度量，則稱為質(zhì)量流量，用Qm

表示，單位是kg/s或kg/h；假如流體量用流體的體積來度量，則稱

為體積流量，用Qv表示，單位是m3/s或m3/h。兩者的關(guān)系

qm=Pqv式中p一相同條件下流體的密度，kg/m3。

需要留意的是，由于在不同的狀態(tài)（T、P）下，相同質(zhì)量氣體的體

積是不同的，因此，在用體積流量來表示氣體的流量時，必需注明氣體

的狀態(tài)。

三、流速

單位時間內(nèi)，流體在流淌方向上經(jīng)過的距離叫流體的流速。由于流

體具有黏性，流體管內(nèi)流淌時，同一流通截面上各點的流速是不同的，

越靠近管壁，流速越小，中心的流速最大。在流體輸送中所說的流速，

通常指整個流通截面上流速的平均值，用u表示，單位是m/s。平均

流速可以用下式計算：

1

u=Qv/A(5—12)

式中A——垂直于流向的管道截面積，稱為流通截面積，m2。對

于圓形管路，A就是截面圓的面積，即：

式中d-管道的內(nèi)徑，mo

由于氣體的體積是伴著狀態(tài)的改變而改變的，工業(yè)生產(chǎn)中也有用

質(zhì)量流速來表示氣體的流速的。在化工生產(chǎn)中，流體流速不僅關(guān)系著流

體流淌的動量、揚程等與安全有關(guān)的問題，而且關(guān)系著流體靜電的產(chǎn)生

和靜電火花問題。

四、流量方程式

描述流體流量、流速和流通截面積三者之間的關(guān)系式稱為流量方

程式，主要有方程（5—12）。它告知我們，在流量肯定的情況下，流通

截面積越小，流速越大。在工程上，流量方程式主要用來指導(dǎo)選擇管子

規(guī)格和確定塔裝備的直徑。將方程式（5-13）代入式（5—12）得

通常，流量是由輸送任務(wù)確定的，因此，管子的規(guī)格取決于流速的

大小。由式可以看出，流速越大，管徑越小，管路投入（裝備費用）越

小，但同時，流速越大，流體輸送的動力消耗（操作費用）也越大（流

體阻力）；反之，結(jié)果相反。通常，水及低黏度液體的適合流速為1.5?

3.Om/s,常壓氣體的適合流速為1（）—2（）m/s,飽和蒸汽的適合流速

2

為2()?4()m/s等。確定流速時還應(yīng)考慮流體流淌過程中的靜電積累問

題保持在安全流速范圍。

［例5—5］需要將密度為960kg/m3的料液送人某精帽塔精儲別離。

已知進料量是XXXOOkg/h,進料速度是I.42m/s。問進料管的直徑

應(yīng)當(dāng)是多少

解進料管的直徑為

五、穩(wěn)定流淌與不穩(wěn)定流淌

依據(jù)流體流淌過程中流淌參數(shù)的改變情況，可以將流體的流淌分

為穩(wěn)定流淌與不穩(wěn)定流淌。

如圖5—4(a)所示，由于進入恒位槽的流體的流量大于流出的流

體的流量，多余的流體就會從溢流管流出，從而保證了恒位槽內(nèi)液位的

恒定。在液體流淌過程中，流體的壓力、流量、流速等流淌參數(shù)只與位

置有關(guān)，而不隨時間的延續(xù)而改變，像這種流淌參數(shù)只與空間位置有關(guān)

而與時間無關(guān)的流淌，叫穩(wěn)定流淌。

圖5—4(b)由于沒有流體的補充，貯槽內(nèi)的液位將伴著流淌的進

行而不斷下降，從而導(dǎo)致流體的壓力、流量、流速等流淌參數(shù)不僅與位

置有關(guān)，而且與時間有關(guān)，像這種流淌參數(shù)既與空間位置有關(guān)又與時間

有關(guān)的流淌，叫不穩(wěn)定流淌。

3

化工生產(chǎn)中的連續(xù)操作過程，多屬于穩(wěn)定流淌，連續(xù)操作的開車、

停車過程及間歇操作過程屬于不穩(wěn)定流淌。

六、穩(wěn)定流淌系統(tǒng)的物料衡算——連續(xù)性方程

當(dāng)流體在密閉管路中穩(wěn)定流淌時，假如流通截面積發(fā)生了改變，則

流體的流速也將發(fā)生改變。但是，在單位時間內(nèi)，通過任一截面的流體

質(zhì)量均相等，這是由質(zhì)量守恒定律確定的，見圖5-5。即

式（5—15）和式（5—16）都是對輸送過程物料衡算的結(jié)果，稱為

連續(xù)性方程，是研討分析流體流淌的重要方程之一。它反映了不同截面

間的流量、流速及流通截面積之間的關(guān)系，規(guī)律與管路的布置形式及管

路上是否有管件、閥門或輸送裝備無關(guān)。此式說明，在穩(wěn)定流淌系統(tǒng)中,

流通截面積最小的地方，液體的流速最快。

［例5―6）某流體從內(nèi)徑lOOnim的鋼管流人內(nèi)徑80mm的鋼管,

流量為60m3/h,試求在穩(wěn)定流淌條件下，兩管內(nèi)的流速。

解大管內(nèi)的流速

從本例可以看出，在穩(wěn)定流淌系統(tǒng)中，流體的流速與管徑的平方成

反比。

七、穩(wěn)定流淌系統(tǒng)的能量衡算——柏努利方程

（一）流淌流體所具有的能量

4

能量是物質(zhì)運動的量度，當(dāng)物質(zhì)的各種流淌形式發(fā)生改變時，與之

對應(yīng)的能量形式也將發(fā)生改變。很多流體流淌過程中顯現(xiàn)事故都與能

量的積聚和傳遞相關(guān)。流體流淌時主要有3種能量可能發(fā)生改變。

(I)位能是流體質(zhì)量中心處在肯定的空間位置而具有的能量。位

能是相對值，與所選定的基準(zhǔn)水平面有關(guān)，其值等于把流體從基準(zhǔn)水平

面提升到當(dāng)前位置所做的功。質(zhì)量為m(kg),距基準(zhǔn)水平面的垂直距

離為Z(m)的流體的位能是mZ(J)o

(2)動能是流體具有肯定的運動速度而具有的能量。質(zhì)量為n2

(kg),流速為u(m/s)的流體所具有的動能為1/2muz(J)。

(3)靜壓能靜壓力不僅存在于靜止流體中，而且也存在于流淌流

體中，流體由于具有肯定的靜壓力而具有的能量稱為流體的靜壓能。這

種能量的宏觀表現(xiàn)可以通過圖5—6表示。流體從某管路中流過，假如

在管路側(cè)壁上開一小孔并裝上一豎直玻璃管，能夠發(fā)現(xiàn)流體沿小管上

升肯定高度并停止。靜壓能就是這種推動流體上升的能量，經(jīng)推導(dǎo)知，

質(zhì)量為m(kg),在壓力為戶(Pa)的流體的靜壓能為，mP/p(J)。

位能、動能、靜壓能都是機械能，在流體流淌時，三種能量可以互

相轉(zhuǎn)換。

八、穩(wěn)定流淌系統(tǒng)的能量衡算

5

流體在圖5—7所示的系統(tǒng)中穩(wěn)定流淌，由于截面1—1與截面2—

2境況不同，因此這兩個截面上的流體的能量是不一樣的。但依據(jù)能量

守恒定律，穩(wěn)定流淌系統(tǒng)中的能量是守恒的，即

進人流淌系統(tǒng)的能量=離開流淌系統(tǒng)的能量+系統(tǒng)內(nèi)的能量積累

對于穩(wěn)定流淌，系統(tǒng)內(nèi)的能量積累為零。在圖5—7中，流體從1—

1截面經(jīng)泵輸送到2-2截面，設(shè)流體中心距基準(zhǔn)水平面的距離分別為

Zl、Z2,兩截面處的流速、壓強分別為ul、pl和U2、p2：,流體在兩

截面處的密度均為p,1kg流體從泵獲得的外加功為W,1kg流體從截

面1—1流到截面2-2的全部能量損失為ZE1,則根據(jù)能量守恒定律

得到

式中w——1kg流體在1—1截面與2—2截面間獲得的外加功，J

/kg；

gEf—1kg流體從1—1截面流到2—2截面的能量損失，J/kg；

其他符號的意義及單位與前面相同。

在工程上，經(jīng)常以1N流體為基準(zhǔn)，計量流體的各種能量，并把相

應(yīng)的能量稱為壓頭，單位為m,即IN流體的位能、動能、靜壓能分別

稱為位壓頭、動壓頭、靜壓頭，1N流體獲得的外加功叫外加壓頭，1N

流體的能量損失叫損失壓頭等。用壓頭表示的能量守恒定律

式中H1N流體在1—1截面與2—2截面間獲得的外加功，m：

6

ZHflN流體從1—1截面流到2—2截面的能量損失，m；

其他符號的意義及單位與前面相同。

式(5-17)和式(5-18)是實際流體的機械能衡算式，習(xí)慣上稱

為柏努利方程，它反映了流體流淌過程中，各種能量的轉(zhuǎn)化與守恒規(guī)律,

這一規(guī)律在流體輸送中具有重要意義。理想流體(沒有黏性，流淌時沒

有內(nèi)摩擦力)流淌時沒有能量損失，在沒有外加功時，式(5—18)可

寫為

式(5—18a)式(5—18b)稱為理想流體的柏努利方程。

九、柏努利方程的分析與應(yīng)用

(I)能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律柏努利方程提示了流體流淌過程中，各

種能量形式可以互相轉(zhuǎn)化，但總能量是守恒的。為了分析便利，以理想

流體的柏努利方程式來分析能量的改變規(guī)律。設(shè)Z1=Z2,則可以看出，

動能與靜壓能是可以互相轉(zhuǎn)化的。由此可以推出，在流淌最快的地方，

壓力最小。在工程上，利用這一規(guī)律，制造設(shè)計了流體動力式真空泵，

也正是這一規(guī)律，使飛機上了天，制造了球類競賽中的旋轉(zhuǎn)球。想一想，

為什么高速航行的兩艘船不能靠得太近，為什么人不能離運行的火車

太近等。

必需指出，實際流體流淌時，由于流體阻力的存在，不同能量形式

的轉(zhuǎn)化是不完全的，其差額就是能量損失。

7

［例5-7)密度為9()()kg/m3的某流體從圖5—8管路中流過。已知

大、小管的內(nèi)徑分別為106mm和68mm；1一1截面處流體的流速為1m

/s,壓力為求解截面2—2處流體的壓力。

解在截面1—1與截面2—2間的列柏努利方程，可得

(2)流體自然流淌的方向在式(5—17)中，假如外加功為零，即

流體的流淌為自然流淌，由于流體阻力一直大于零，則流體在1—1截

面所具有的能量必定會大于流體在2—2截面所具有的能量。所以，流

體自然流淌只能從高能位向低能位進行。

在化工生產(chǎn)中，常常需要將流體從低能位輸送到高能位的地方。為

了完成任務(wù)，人們必需實行措施，以保證上游截面處流體的能量能大于

下游截面處流體的能量。從柏努利方程可以看出，這些措施包括增加上

游截面的能量、削減下游截面的能量、在上下游加壓(酸貯槽)，在下

游抽真空(真空抽料)和運用流體輸送機械等。

如圖5—9所示，擬用高位水槽輸送水至某一地點，已知輸送任務(wù)

為25L/S,水管規(guī)格為①114X4mm,若水槽及水管出口均為常壓，流

體的全部阻力損失為62J/kg,問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之間列柏努利方程,

得

8

即高位水槽的液面至少要比水管出口截面高6.8m,才能保證完

成輸送任務(wù)。

可以看出，通過設(shè)置高位槽，可以提高上游截面的能量，從而可以

保證流體按規(guī)定的方向和流量流淌。

（例5—9）如圖5—10所示，用酸貯槽輸送293K,98%的硫酸至

酸高位槽，要求的輸送量是18m3/L。已知管子的規(guī)格為①38X3mm,

管子出口比酸貯槽內(nèi)液面高15m,全部流體阻力為10J/kg。求開頭時

壓縮空氣的表壓力。

又查，273K下，98%的硫酸的密度p=1836k8/m3,代人上式得

開頭時壓縮空氣的壓力Pl=2.89X10（5）Pa（表壓）。

可以看出，通過加壓來提高上游截面的靜壓能，可以保證流體按規(guī)

定的方向和流量流淌。

如圖5—11所示，用泵將水從水槽送入二氧化碳水洗塔。已知，貯

槽水面的壓力300kPa,塔內(nèi)壓力為2XXXkPa,塔內(nèi)水管與噴頭聯(lián)結(jié)處

的壓力為2250kPa；鋼管規(guī)格為①57X2.5m