第三章流体输送设备的控制(0)
典型化工单元的控制案例—流体输送设备的控制(工业仪表自动化)
01
01 当干扰作用使被控变量（流量）发生变化偏离给定值时，控制 器发出控制信号，阀门动作，控制结果使流量回到给定值。
图1 改变泵出口阻力调流量
01
在一定转速下，离心泵的排出量Q与泵产生的压头H有一定的对应关系。 A称为泵的流量特性曲线。 1，2，3称为管路特性曲线。
控制阀一般应该安装在泵的出口管线 上，而不应该安装在泵的吸入管线上。
的离心式鼓风机，可在其出口直接用控制阀控制流量。 由于管径较大，执行器可采用蝶阀。 其余情况下，为了防止出口压力过高，通常在入口端控制流量。因
为气体的可压缩性，所以这种方案对于往复式压缩机也是适用的。
图1 分程控制方案
图2 分程阀的特性
01
对于压缩比很高的多段压缩机， 从出口直接旁路回到入口是不适宜 的。这样控制阀前后压差太大，功 率损耗太大。
该方案简单可行，应用最广泛，但是总的机
械效率较低，对于大功率的泵，损耗的功率
就相当大，因此是不经济的。
图2 泵的流量特性曲线与管路特性曲线
02
图3 改变泵的转速调流量
02
该方案不经济，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量，使 总的机械效率降低，故很少采用。
图4 改变旁路阀调流量
思考题
1、如何进行离心泵的流量控制？
可以在中间某段安装控制阀， 使其回到入口端，用一只控制阀可 满足一定工作范围的需要。
图3 控制压缩机旁路方案
02
思考题
1、压缩机的控制方案有哪几种，各有什么特点？
《化工原理》课后习题答案
第一章绪论习题1.热空气与冷水间的总传热系数K值约为42.99k c a l/（m2・h・℃），试从基本单位换算开始，将K值的单位改为W/（m2・℃）。
[答案:K＝50M（m2・C）]。
解：从附录查出：1k c a l＝1.1622×10-3K W·h=1.1622W·h所以：K=42.99K c a l/（m2·h·℃）＝42.99K c a l/（m2·h·℃）×（1.1622W·h/1k c a l）＝50w/（m2·℃）。
2.密度ρ是单位体积物质具有的质量。
在以下两种单位制中，物质密度的单位分别为:S I k g/m2；米制重力单位为：k g f.s2/m4;常温下水的密度为1000k g/m3，试从基本单位换算开始，将该值换算为米制重力单位的数值。
〔答案:p＝101.9k g f/s2/m4〕解：从附录查出：1k g f＝9.80665k g·m/s2，所以1000k g/m3＝1000k g/m3×[1k g f/(9.80665k g·m/s2)]=101.9k g f·s2/m4.3.甲烷的饱和蒸气压与温度的关系符合下列经验公式：今需将式中p的单位改为P a，温度单位改为K，试对该式加以变换。
〔答案:〕从附录查出：1m m H g=133.32P a，1℃＝K－273.3。
则新旧单位的关系为：P＝P’/133.32;t＝T－273.3。
代入原式得：l g（P’/133.32）＝6.421-352/（T－273.3+261）；化简得l g P=8.546－3.52/(T-12.3).4.将A、B、C、D四种组分各为0.25（摩尔分数，下同）的某混合溶液，以1000m o l/h 的流量送入精馏塔内分离，得到塔顶与塔釜两股产品，进料中全部A组分、96％B组分及4％C组分存于塔顶产品中，全部D组分存于塔釜产品中。
流体输送设备控制系统的运行
生产过程 中的各 个生 产设 备 ， 都要 由管道 中的物 料 流将 它们连接 在一起 ， 以进行 各类化学 反应 、 分离 、 吸收等过程 ， 从 而生产 出期望 的产 品。除了开停 机、 的程序控制和信号连锁 泵 动作外 ， 对流体输送设备 的控 制 ， 其实质 是为 了实现物料 平衡 的流量 、 压力控制。在实 际的流量控 制 中， 有大量 的场合用 到 泵 。保证泵具有高效 、 宽广的运行范围成为衡量综合指标的重 要参数之一 ， 对泵的流量输出的合理控制成为 了必然 的要求 。
流体 输 送 设 备 控 制 系统 的运 行
李曼珍
（ 东华大 学 信 息学 院 ， 海 ２ １２ ） 上 ０ ６０
摘要 ： 泵是工业生产 中最广泛使用 的流体输送设备 ， 本文讨论 了流体输 送设备的流 量压 力的基本控制方案 。 针对 系统 中存在着 非线性等 特点 进 行 了分 析 ， 用仿 真 方 法 说 明 了非 线 性 因素 对 系统 品 质 的 影 响 。 出 了 提 稳 定 系统 运 行 相 应 的改 进 措 施 和 方 法 。
１９ ，４）６—７ ９９ （ ： ．
Ｔ ｏＬＪ ｏ
Ｔｏｏ Ｔ
［ ］徐景 昌． ３ 汽车车身 冲压技术 的现 状及 发展趋 势 ［ ］ 汽车工 Ｊ．
程 ，９４，６ １ ：８— ３ １９ １ （ ） ５ ６ ．
Ｔ ｏＩ ｚ ｏ —
Ｔｏｏ ▲
［ ］邱继红 ． ４ 冲压 自 化及机器 人冲压 自动化 生产线 系统研究 ． 动 ［ ． Ｄ］ 中国科学 院子沈 阳自动化研所博士学位论文．
关 键 词 ：泵 ；非线 性 ； 制 器 ；测 量 噪 声 控 中 图分 类 号 ：Ｐ ０ Ｔ ２２ 文 献标 识 码 ：Ｂ
化工原理 流体输送机械
化工原理流体输送机械
流体输送机械，是化工工程中常用的一类设备，其主要功能是将液体或气体从一个地方输送到另一个地方。
常见的流体输送机械有管道、泵、阀门等。
管道是流体输送的基础设施。
管道可以分为直接埋设在地下的地下管道和架空或隧道中的地上管道。
管道的材料可以选择金属、塑料、橡胶等。
泵是常用的流体输送机械之一。
泵的工作原理是利用旋转运动或往复运动产生的压力差，将液体或气体推动到设定的位置。
泵的种类很多，常见的有离心泵、容积泵、螺杆泵等。
阀门在流体输送中起到控制流体流动的作用。
阀门可以分为手动阀、自动阀和电动阀等。
通过控制阀门的开关状态，可以调节流体的流动速度和流量。
除了上述常见的流体输送机械，还有一些其他的设备和工艺可以用于特定的流体输送需求。
例如，喷雾器可以将液体变成雾状或气雾状进行输送；干燥器可以将湿润的固体物料转化为干燥的状态进行输送。
在化工生产中，正确选择和使用流体输送机械是非常重要的。
不同的流体输送机械具有不同的工作原理和适用范围，需要根据具体的流体性质和输送要求进行选择。
同时，合理设计和布置流体输送系统，合理设置管道和阀门，也是确保流体输送稳定和安全的关键。
(825)化工原理考试大纲
（825）化工原理考试大纲一、考察目标该考试的主要目标是考察考生对于化工生产中流体流动、传热和传质过程的基本原理、主要单元操作及设备的计算方法、典型设备的构造及性能等内容的理解和掌握程度，要求考生能够系统地运用化工原理的相关知识来准确分析、解释和处理工程实际问题。
二、考试主要内容第一章绪论1、了解化工过程与单元操作的关系；2、了解化工原理课程的内容和性质、单元操作的研究方法；3、熟悉单位制，掌握变量和公式的单位换算。
第二章绪论1、了解流体质点、连续介质、可压缩流体与不可压缩流体；2、掌握流体静止的基本方程及其应用；3、掌握流体流动的基本方程（连续性方程、伯努利方程）；4、了解流体流动现象（流动型态、湍流、管内流动分析、边界层与边界层分离）；5、掌握流体流动阻力损失的计算；6、理解和掌握简单管路和复杂管路的计算；7、理解压差式流量计（测速管、孔板流量计、文丘里流量计）和体积式流量计（转子流量计）的工作原理和使用方法。
第三章流体输送机械1、了解流体输送机械的分类（泵与机）、化工过程对流体输送机械的要求；2、理解离心泵的工作原理、主要部件及基本方程式（理论压头）；掌握离心泵的主要性能参数与特性曲线（实际压头、功率、效率）；掌握离心泵工作点与流量调节；了解双泵串、并联工作点的变化；掌握离心泵的安装高度（汽蚀现象与吸上高度）和离心泵选用。
3、了解其他类型泵；4、了解气体输送机械。
第四章机械分离与固体流态化1、了解筛分的概念和固体颗粒的性质（粒度分布、平均粒径、当量直径与形状因子）；2、了解固体颗粒对流体的相对运动规律。
掌握颗粒沉降运动（重力沉降、离心沉降）的基本原理，理解重力沉降设备和离心沉降设备的计算。
3、理解过滤过程、过滤设备；掌握过滤基本方程式和过滤计算（间歇过滤与连续过滤）；4、了解固体流态化现象，了解固体流态化水力学特性，包括压力降、起始流化速度、带出速度与气流输送等。
第五章传热1、了解传热的基本方式（热传导、对流传热、辐射传热）和两流体间的热交换方式；2、掌握热传导定律、导热系数、稳定热传导（单层及多层平壁导热、单层及多层圆筒壁导热、串联导热分析与热阻叠加原理）；3、理解对流传热过程分析、牛顿冷却定律、对流传热膜系数；熟悉无相变对流传热（热边界层与对流传热机理、因次分析法与准数方程、强制对流传热膜系数、自然对流传热膜系数）、蒸汽冷凝时对流传热膜系数和液体沸腾时对流传热膜系数；4、掌握两流体间热量传递的总传热速率、总传热系数（串联热阻叠加原理、面积基准、污垢热阻、强化传热的方向）、传热的平均温度差（逆流、并流、错流、折流）和壁温的计算；5、理解辐射传热概念及其规律，掌握两物体之间辐射传热计算；6、掌握换热器工艺计算（设计型计算、操作型计算、传热效率与传热单元数）方法。
化工原理第三版（陈敏恒）上、下册课后思考题答案（精心整理版）
化工原理第三版（陈敏恒）上、下册课后思考题答案（精心整理版）第一章流体流动1、什么是连续性假定?质点的含义是什么?有什么条件?连续性假设：假定流体是由大量质点组成的，彼此间没有间隙，完全充满所占空间的连续介质。
质点指的是一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比分子自由程却要大得多。
2、描述流体运动的拉格朗日法和欧拉法有什么不同点?拉格朗日法描述的是同一质点在不同时刻的状态；欧拉法描述的是空间各点的状态及其与时间的关系。
3、粘性的物理本质是什么?为什么温度上升,气体粘度上升,而液体粘度下降?粘性的物理本质是分子间的引力和分子的运动与碰撞。
通常气体的粘度随温度上升而增大，因为气体分子间距离较大，以分子的热运动为主，温度上升，热运动加剧，粘度上升。
液体的粘度随温度增加而减小，因为液体分子间距离较小，以分子间的引力为主，温度上升，分子间的引力下降，粘度下降。
4、静压强有什么特性?①静止流体中，任意界面上只受到大小相等、方向相反、垂直于作用面的压力；②作用于某一点不同方向上的静压强在数值上是相等的；③压强各向传递。
7、为什么高烟囱比低烟囱拔烟效果好?由静力学方程可以导出，所以H增加，压差增加，拔风量大。
8、什么叫均匀分布?什么叫均匀流段?均匀分布指速度分布大小均匀；均匀流段指速度方向平行、无迁移加速度。
9、伯努利方程的应用条件有哪些?重力场下、不可压缩、理想流体作定态流动，流体微元与其它微元或环境没有能量交换时，同一流线上的流体间能量的关系。
12、层流与湍流的本质区别是什么?区别是否存在流体速度u、压强p的脉动性，即是否存在流体质点的脉动性。
13、雷诺数的物理意义是什么?物理意义是它表征了流动流体惯性力与粘性力之比。
14、何谓泊谡叶方程?其应用条件有哪些?应用条件：不可压缩流体在直圆管中作定态层流流动时的阻力损失计算。
15、何谓水力光滑管?何谓完全湍流粗糙管?当壁面凸出物低于层流内层厚度，体现不出粗糙度过对阻力损失的影响时，称为水力光滑管。
流体输送设备—离心泵的操作与控制
四、 气体输送机械
气体输送机械特性参数 A、风量：是指出口处排出的风的体积（以进口处的状态计算）。 B、风压：是指单位体积的气体流过风机时获得的能量，由于单位与压强单位一
直，故称为风压。 D、轴功率：传动轴所需要的功率。 E、效率：传动轴的功率不是完全用来对气体做功，气体获得的功与轴功率之比。
项目二 流体输送管路
1.典型设备
二、典型设备及仪表说明
V101：离心泵前罐
P101A：离心泵A
P101B：离心泵B （备用泵）
二、典型设备及仪表说明
2.典型仪表
位号
说明
FIC101 离心泵出口流量
LIC101 V101液位控制系统
PIC101 V101压力控制系统
PI101 泵P101A入 启动前，前段机壳须灌满被输送的液体，以防止气缚。 2. 启动后，叶轮旋转，并带动液体旋转。 3. 液体在离心力的作用下，沿叶片向边缘抛出，获得能量，液体以较高的静压能及流速流入
机壳( 沿叶片方向，u, P静 )。由于涡流通道的截面逐渐增大， P动 P静 。液体 以较高的压力排出泵体，流到所需的场地。 4. 由于液体被抛出，在泵的吸扣处形成一定的真空度，泵外流体的压力较高，在压力差的作 用下被吸入泵口，填补抛出液体的空间。
一、流体输送机械的工业应用
在化工生产过程中，流体输送是最常见的，甚至是不可缺少的单 元操作。流体输送机械就是向流体作功以提高流体机械能的装置，因 此流体输送机械后即可获得能量，以用于克服流体输送沿程中的机械 能损失，提高位能以及提高液体压强（或减压等）。
通常，将输送液体的机械称为泵如离心泵、往复泵、旋涡泵等。 将输送气体的机械按其产生的压力高低分别称之为通风机、鼓风机、 压缩机和真空泵。
制药工程原理课后习题答案（可编辑）
制药工程原理课后习题答案习题与思考题第二章液体搅拌第三章流体输送设备【例2-1】离心泵特性曲线的测定附图为测定离心泵特性曲线的实验装置,实验中已测出如下一组数据:泵进口处真空表读数p12.67×104Pa真空度泵出口处压强表读数p22.55×105Pa表压泵的流量Q12.5×10-3m3/s功率表测得电动机所消耗功率为6.2kW吸入管直径d180mm压出管直径d260mm两测压点间垂直距离Z2-Z10.5m泵由电动机直接带动,传动效率可视为1,电动机的效率为0.93实验介质为20℃的清水试计算在此流量下泵的压头H、轴功率N和效率η。
解:(1)泵的压头在真空表及压强表所在截面1-1与2-2间列柏努利方程:式中 Z2-Z10.5mp1-2.67×104Pa(表压)p22.55×105Pa(表压)u1u2两测压口间的管路很短,其间阻力损失可忽略不计,故H0.5+29.88mH2O(2)泵的轴功率功率表测得功率为电动机的输入功率,电动机本身消耗一部分功率,其效率为0.93,于是电动机的输出功率(等于泵的轴功率)为:N6.2×0.935.77kW(3)泵的效率在实验中,如果改变出口阀门的开度,测出不同流量下的有关数据,计算出相应的H、N和η值,并将这些数据绘于坐标纸上,即得该泵在固定转速下的特性曲线。
【例2-2】将20℃的清水从贮水池送至水塔,已知塔内水面高于贮水池水面13m。
水塔及贮水池水面恒定不变,且均与大气相通。
输水管为φ140×4.5mm的钢管,总长为200m(包括局部阻力的当量长度)。
现拟选用4B20型水泵,当转速为2900r/min时,其特性曲线见附图,试分别求泵在运转时的流量、轴功率及效率。
摩擦系数λ可按0.02计算。
解:求泵运转时的流量、轴功率及效率,实际上是求泵的工作点。
即应先根据本题的管路特性在附图上标绘出管路特性曲线。
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如图所示管路系统阻力包括：
①管路两端静压差引起的压头
hp(p2p1) (rg)
②流体提升一定高度所需压头 h L ③克服管路摩擦损失所需压头hf
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n1 n4n 3n2
Q
p2
hL p1
4
④控制阀两端的节流压头hv，阀的开度
一定时，与流量的平方成反比。
HLhphLhf hV
H
H L 和 Q 流量的关系称为管路特性
7
3.2.2 压缩机的控制方案 2、离心式压缩机 优点：① 压缩机的润滑油等不污染被输送的气体
② 调节性能好，调节气量的变化范围广 ③ 运行效率高、维修方便，元器件不易损坏 ④ 流量大，体积小，重量轻，经济性能较高 缺点：喘振、轴向推力大——固有的、难以消除。常有可能因微小
的偏差而造成严重损失，而且事故的出现往往迅速猛烈，单靠人工
② 防喘振控制：
喘振是离心式压缩机的固有特性，为使压缩机安全运行，必须采取
相应的控制。
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8
③压缩机组的油路控制系统 如密封油、控制油、润滑油等通常 也设立相应的油压、油温联锁报警控制系统。
④压缩机主轴的轴向推力、轴向位移及振动的指示与联锁保 护系统
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1、轴 2、轴封 3、工作轮 4、扩压器 5、蜗壳 6、工作轮叶片 7、扩压器叶片
3.2 泵及压缩机的控制
3.2.1 泵和管路系统的特性
{ { 泵的种类 主要可分为两大类：
离心泵——应用较为普遍 往复泵
容积泵 旋转泵
1、离心泵 由叶轮、机壳组成，叶轮在电机带动下高速旋转
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2
离心泵结构
往复泵
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旋转泵
3
压头
旋转叶轮作用在液体上的离心力
转速
离心力
压头
2、喘振 当负荷降低到一定程度时，气体的排出
3.0
量会出现强烈振荡，同时机身也剧烈振动，
P2 P1
喘振 区
n3
这种现象叫离心式压缩机的喘振。
2.0
n2
由特性曲线发现，每一条曲线都对应一个 P2/P1值的最高点，在不同转速下，把这些点连
n1
起来就得到一条曲线
喘振极限曲线。
1.0 0
50 100
曲线左侧 不稳定区，喘振区。
SP
FT FC
HL ~ Q hV
H
c
hf
hL
hp Q
Hhhhh
L
p
L
f
V
H
H
c1
L1
H L2 c2 c3
H L3
通2过020控/7/1制3 器 阀的开度 hV 工作点C
Q
6
(2)改变泵的转速n
(3)通过旁路控制
SP FC
FT
x
r
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HL
H
c1
c3 c2
n1
n 3 n2
Q
xr
H
r/x
Q
当系统平衡时，H HL如图中的C(平衡
工作点)点，即泵的特性曲线与管路特性曲线 的交点。
工作点应满足一定的工艺要求，通过改变
阀的开度(即hV )改变工作点。
H ~Q
hV c HL ~ Q
hf hp
hL Q
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5
H
n1 n4n 3n2
Q Hk1n2k2Q2
离心泵工作点流量控制方案：
(1)直流节流法
P2 P1 喘振区
2.0
nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ n2
n1
3.3.2 引起喘振的原因
1.0
0
50 100
Q ,%
⒈负荷减小到一定程度——最常见原因；
⒉被压缩气体的吸入状态：如分子量、温
度、压力等的变化。
⑴ 吸入气体的分子量变化：同样的吸入
气体流量QA下，分子量增大，压缩机进入 喘振区。
H
叶轮与壳体之间有空隙，关闭泵的出口阀
时，排量为零，压头最高，泵所做的功
热。
泵的特性：压头H 与排量及转速n 之间的关系
nH Q H
经验公式： Hk1n2k2Q2 k1, k2 比例系数
泵与管路联接在一起，它的排量与压头的关 系既与泵的特性有关，也与管路特性有关。 管路特性：指的是管路系统中的流体流量与管路 系统阻力之间的关系
对离心压缩机，其性能曲线大多呈驼峰型，且输送的介质是可压缩 的气体，只要串联管路容积较大，就能起到储能作用，故易发生不稳跳 动的工况。
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连接离心式压缩机不同转速下
的特性曲线的最高点，即可得到喘振
3.0
极限线，其左侧部分称喘振区。
喘振情况与管网特性有关： 管网容量越大，喘振的振幅越大， 而频率越低；管网容量越小，则相反。
Q ,%
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喘振是离心式压缩机的固有特性，事实上少数离心泵也可能 喘振，并较易说明喘振原理。
少数离心泵其H—Q性能曲线呈驼 峰型，其与管路特性可能有两个交点M 和M1，理论上讲都是工作点，但M1是稳 定工作点，M是不稳定工作点。
M1：当干扰发生Q泵的扬程<管路 所需压头 Q 回M1点 M ：当干扰发生Q泵的扬程>管路 所需压头 Q 远离M 点
单级离心式制冷压缩机
9
3.3 离心压缩机的防喘振控制
3.3.1 离心式压缩机的特性曲线及喘振
1、特性曲线
压缩比：出口绝对压力P2和入口绝对压力P1之比P2/P1
特性曲线：压缩比和入口体积流量的关系曲线P2/P1—Q； 效率和流量关系曲线—Q； 功率和流量之间关系曲线N—Q。
对于控制系统设计而言，主要只用到压缩比和入口体积流量的关系。
工作点稳定与不稳定的判别： 当交点处
管路特性的斜率大于泵特性的斜率时，是稳定工作点；否则是不
稳定工作点。
实际上，图中所示的装置特性中，由于泵启动后的关闭扬程
H0小于管路的静扬程HM，管路中的流量建立不起来，根本无法工 作。
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离心泵的实际运行中，可能发生的不稳定情况如图：
离心泵工作中产生不稳定工况需要两个条件： ①泵的H—Q特性曲线呈驼峰状； ②管路装置中要有能自由升降的液面或能储存和放出能量的地方。
第三章流体输送设 备的控制(0)
因此进行控制器参数整定时，应取较大的比例度，为消除余差引 入积分作用。
② 测量信号伴有高频噪声 流量测量常采用节流装置，流体通过节流装置，喘动加大，造成 测量信号常常杂有高频噪声，影响控制品质，因此应对测量信号加以 滤波。
③ 广义对象的静态特性存在着非线性 通过选择阀的特性，使广义对象的静特性近似为线性(原因是管道 阻力变化影响对象的特性)。
处理措手不及。必须认真设置相应的控制系统。
一台大型离心式压缩机通常有下列控制系统：
① 负荷控制系统，即气量或出口压力控制
直接节流法、旁路回流法、调速法
注意：
旁路回流时，若多级压缩，不宜从末段出口至第一段入口直接
旁路，宜采用分段旁路，或增设降压消音装置等措施；
调速时，要求气轮机的转速可调范围能够满足气量调节的需要。