化工原理第三章.ppt

1、第三章第三章 气体的压缩与输送气体的压缩与输送 第一节 概述表3-1气体输送机械按终压和压缩比分类 第二节 往复式压缩机 一、往复式压缩机的主要构造和工作原理 1往复式压缩机的主要构造 往复式压缩机的主要构造与往复泵相似，其主要工作部件为气缸、活塞、吸入阀和排出阀。但由于气体的密度小、可压缩，故往复压缩机的吸入和排出活门必须更加灵巧、精密。通过活塞的往复运动，使气缸的工作容积发生变化而吸气、压缩气体或排出气体。2往复式压缩机的工作原理 往复式压缩机的工作原理与往复泵相似，图3-1为单级往复式压缩机示意图，活塞每往复一次，气缸内具有膨胀、吸气、压缩和排气四个过程，组成活塞的一个工作循环。如图3-

2、2所示，四边形ABCD所包围的面积，为活塞在一个工作循环中对气体所做的功。第二节 往复式压缩机 根据气体和外界的换热情况，压缩过程可分为等温(CD/)、绝热（CD/）和多变(CD)三种情况。由图可见，等温压缩消耗的功最小，因此压缩过程中希望能较好冷却，使其接近等温压缩。实际上，等温和绝热条件都很难做到，所以压缩过程都是介于两者之间的多变过程。图3-1单级往复压缩机示意图第二节 往复式压缩机 由于气体具有可压缩性和气体受压缩后温度升高，往复式压缩机的结构和装置与往复泵相比有显著不同。首先往复式压缩机必须有除热装置，以降低气体的终温；其次必须控制活塞与气缸端盖之间的间隙即余隙容积。往复泵的余隙容积

3、对操作无影响，而往复式压缩机的余隙容积必须严格控制，不能太大，否则吸气量减少，甚至不能吸气。因此，往复式压缩机的余隙容积要尽可能地减小。图3-2往复压缩机的工作过程第二节 往复式压缩机 二、往复式压缩机的生产能力 往复式压缩机的生产能力就是它的送气量。送气量是指单位时间内排出的气体体积折算成吸入状态下的数值。若没有余隙容积，往复式压缩机的理论吸气量与往复泵的类似。1理论生产能力 单缸、单动往复式压缩机 （3-1）单缸、双动往复式压缩机 （3-2）Asnvqa)sn-A2(vq第二节 往复式压缩机式中 往复式压缩机的理论吸气量，m3/min；活塞截面积，m2；活塞的冲程，m；活塞每分钟的往复次数

4、，1/min；a 活塞杆的截面积，m2。2实际生产能力 由于往复式压缩机气缸里有余隙容积，余隙气体膨胀后占据了部分气缸容积；吸入阀有一定的阻力，致使气缸内压强低于吸入管的压强；气缸内的温度又高于吸入气体的温度，使吸入气缸内的气体立即膨胀，占去了一部分有效容积及压缩机的各种泄漏等因素的影响，使实际吸气量比理论吸气量低，实际生产能力为vqAsn第二节 往复式压缩机 （3-3）式中 送气系数，由试验测的或取自经验数据，一般数值为0.70.9。三、压缩比与多级压缩 由于往复式压缩机的气缸中有余隙容积，每压缩一次所允许的压缩比不能太大，在压缩机中每压缩一次其压缩比一般为57，而在生产中，会遇到将某些气体

5、的压力从常压提高到几兆帕，甚至几十兆帕以上的情况。此时，如果采用单级压缩不仅不经济，有时甚至不能实现，因此须采用多级压缩。vvqq实第二节 往复式压缩机 图3-3三级压缩流程示意图1、4、7-气缸；3、6、9-油水分离器；2、5-中间冷却器；8-出口气体冷却器第二节 往复式压缩机 多级压缩就是把两个或两个以上的气缸串联起来，气体在一个气缸被压缩后，又送入另一个气缸再压缩，经过几次压缩才达到要求的最终压力。压缩一次称为一级，连续压缩的次数就是级数。图3-3为三级压缩的工艺流程图。是将气体的压缩过程分在若干级中进行，每一级压缩后，需经中间冷却器冷却降温和气液分离器分离出液体，然后再进行压缩。气体经

6、过多次压缩后，可减小每级的压缩比，当总压缩比为P2/P1时，压缩级数为n，则每一级的压缩比R为（P2/P1）1/n；降低排气温度；减小功耗；提高气缸的容积利用率。但多级压缩结构复杂，辅助设备多，消耗于管路系统的能量比例增大，所以级数不宜过多。第二节 往复式压缩机 四、往复式压缩机的运转和维护 1往复式压缩机操作、运转的注意事项 往复压缩机和往复泵一样，吸气与压气是间歇的，流量不均匀。但压缩机很少采用多动型式，而通常是在出口处连结一个贮气罐(又称缓冲罐)，这样不仅可以使排气管中气体的流速稳定，也能使气体中夹带的水沫和油沫得到沉降与气体分离，罐底的油和水可定期的排放。压缩机气体入口前一般要安装过滤

7、器，以免吸入灰尘、铁销等，而造成对活塞、气缸的磨损。当过滤器不干净时，会使吸入的阻力增加，排出管路的温度升高。第二节 往复式压缩机 往复式压缩机在运行中，气缸中的气体温度较高，气缸和活塞又处在直接摩擦移动状态，因此，必须保证有很好的冷却和润滑。不允许关闭出口阀门，以免压力过高而造成事故。冷却水的终温一般不超过313k，否则应清除气缸水套和中间冷却器里的水垢。在冬季停车时,一定要把冷却水放尽，以防管道等因结冰而堵塞。往复式压缩机气缸内的余隙是必要的，但应尽可能小，否则余隙中高压气体的膨胀，使吸气量减少，动力消耗增加。由于气缸中的余隙很小而液体是不可压缩的，一定要防止液体进到气缸之内，否则，即使是

8、很少的液体进入，也可能造成很高的压强而使设备损坏。第二节 往复式压缩机 应经常检查压缩机的各部分的工作是否正常，如发现有不正常的噪音和碰击声时，应立即停车检查。2往复式压缩机排气量的调节 压缩机排气量调节的常用方式有转速调节和管路调节两类。其中管路调节可采取节流进气调节，即在压缩机进气管路上安装节流阀以得到连续的排气量；还可以 采用旁路调节，即由旁路和阀门将排气管与进气管相连接的调节流量方式。第三节 离心式 一、离心式通风机 离心式通风机是一种广泛应用的低压气体的输送设备。风机对单位体积气体所做的有效功称为风压，以表示，单位为Pa。根据风压的不同，将离心式通风机分为三类：低压离心式通风机 出口

9、风压低于1103Pa(表压)；中压离心式通风机 出口风压低于11033103Pa(表压)；高压离心式通风机 出口风压低于310315103Pa(表压)。第三节 离心式 1离心式通风机的构造和工作 原理 离心式通风机的构造和工作原理与离心泵大致相同。图3-4所示为低压通风机的示意图，主要有机壳、叶轮、集流器等组成。机壳成蜗形，断面有方形和圆形两种，低中压风机多用矩形，高压风机多为圆形流道。叶轮与离心泵的叶轮相比较，直径较大，叶片数目也比较多。中、高压通风机的叶片则是后弯的，所以高压通风机的外形与结构与单级离心泵更相似。图3-4低压离心通风机1-机壳；2-叶轮；3-吸入口；4-排出口第三节 离心式

10、 2离心通风机的性能参数与特性曲线 (1)离心通风机的性能参数 风量 是单位时间内从风机出口排出的气体体积，并以风机进口处的气体状态计，用表示，单位为m3/h。通风机铭牌上的风量是用压力为101.3kPa、温度为20、密度为1.2kg/m3的空气标定。风压 是指单位体积的气体通过风机时所获得的能量，用表示，单位为Pa。风压的大小取决于风机的结构、叶轮直径和转速，并正比于气体的密度。风压一般由试验测定。设风机进口为截面1-1，风机出口为截面2-2，根据柏努利方程，单位体积气体通过通风机所获得的能量为第三节 离心式 （3-4）式中 、分别为通风机进口和出口速度，单位为m/s。假定气体的密度为常数，

11、当通风机直接从大气吸入空气，则 =0。式（3-1）可化简成 （3-5）称为全压头，单位为m。通风机的全风压 和全压头 的关系可表示为 （3-6）guugppHT2)(2122121u2u1ugugPPHT22212THtpTHksTTppuppgHP2)(2212第三节 离心式 式中 称为静风压 ，称为动风压 。通风机性能表上所列出的风压为全风压。通风机铭牌上的风压 是用空气测定的，如果操作条件与标定条件不同，则操作条件下的风压 可用下式换算 （3-7）轴功率和效率 离心通风机的轴功率用下式计算 （3-8）12pp sp22u2/kp0tptp2.10TTpp1000vTqp轴第三节 离心式

12、式中 离心通风机的轴功率，kW；离心通风机的风量，m3/s；离心通风机的全风压，Pa；全压效率。效率反映了风机中能量的损失程度。一般来讲，在设计风量下风机的效率最高。通风机的效率一般在70%90%。轴pvqtp第三节 离心式 (2)离心通风机的特性曲线 一般离心通风机在出厂前需用空气在压力101.3kPa，温度20,密度为1.2kg/m3实验条件下测定特性曲线和性能参数，即离心通风机名牌上的风量、全风压、轴功率和效率等。如图3-5是离心通风机的特性曲线示意图。图中显示了在一定转速下，风量 、全风压 、轴功率 和效率 四者的关系。显然离心通风机的特性曲线中比离心泵的特性曲线多了一条 -曲线。vq

13、tp轴pspvq图3-5离心通风机的特性曲线第三节 离心式 二、离心式鼓风机和压缩机 1离心式鼓风机 离心式鼓风机又称透平鼓风机，其结构类似于多级离心泵。离心式鼓风机一般由35个叶轮串联而成，如图3-6是五级离心鼓风机示意图。各级叶轮的直径大致相同，每级叶轮之间都有导轮，其工作原理和离心通风机相同。气体由吸人口进入后经过第一级的叶轮和导轮，转入第二级叶轮人口，再依次通过其后所有的叶轮和导轮，最后由排出口排出，使其完成连续送风。单级离心鼓风机的出口表压多在30kPa以内，多级离心式鼓风机的出口表压可达300kPa。第三节 离心式 离心式鼓风机特点为：压缩比不高，工作过程产热不多，不需冷却装置；连

14、续送风无振动和气体脉动，不需空气贮槽；风量大且易调节，易自动运转，可处理含尘的空气，机内不需润滑剂，故空气中不含油；效率比其他气体输送设备高。图3-6五级离心鼓风机示意图第三节 离心式 2离心式压缩机 离心式压缩机又称透平压缩机，其主要构造和工作原理都与离心式鼓风机相似。只是叶轮的级数更多，可以在10级以上，转速也高于离心鼓风机的转速，可达到35008000r/m，故能产生较高的压力，其压力范围为0.410MPa。离心压缩机的气体压缩比高，随气体体积逐渐缩小，叶轮直径和宽度逐渐减小。由于气体体积变化大，温度升高较为显著，为避免气体温度升得过高，压缩机需分成几段，每段包括若干级，段与段之间设冷却

15、器。离心压缩机稳定工况区的上、下限存在最小流量点和最大流量点。第三节 离心式 当离心压缩机在最小流量点以下的流量区工作时,其流量和压力都会剧烈地波动，出现气体在压缩机和管道内来回振荡,周而复始地进行气体的倒流与排出，造成压力的大幅度波动，引起整个机器的剧烈振动，从而无法正常工作，这种现象称为“喘振”现象。当离心压缩机在最大流量点以上的流量区工作时，流动损失将增加，使气体的压力得不到提高，又产生了类似于堵塞的现象。为保持吸人和排出气体压力的稳定，离心压缩机必须在稳定工况区内工作。通常采用排气管节流调节、吸气管节流调节等进行流量的调节和控制。第三节 离心式 离心式压缩机与往复式压缩机相比具有排气量

16、大、转速高、结构紧凑以及运转平稳可靠,可以连续运转，维护费少，排出的气体不受润滑油污染等优点。因此，近年来在化工生产中，往复式压缩机已越来越多地为离心式压缩机所代替。例如，在规模为1000t/d以上的大型合成氨厂，离心式压缩机在25-30MPa的范围内使用获得圆满成功。但离心式压缩机也存在着稳定工况区窄，总效率一般仍低于往复式压缩机，制造精度要求高，当流量偏离额定值时效率较低等缺点。第四节 旋转式 一、罗茨鼓风机 罗茨鼓风机属于旋转式鼓风机，其工作原理和旋转泵相似，结构如图3-7所示。长圆形机壳内有两个特殊形状的转子（常用腰型或三角形）。转子之间、转子与机壳之间缝隙很小，使转子能灵活地转动而无

17、过多的泄漏。两转子以相反等速旋转，气体从机壳一侧吸入从另一侧排出。改变转子的旋转方向，吸入口和排出口互换。图3-7罗茨鼓风机1转子；2-机体（气缸）；3-同步齿轮；4-端板第四节 旋转式 罗茨鼓风机的主要性能参数有排出口压力、气量、排气温度和轴功率等。其特点为风量与转速成正比；转子之间和转子与机壳之间的间隙会造成气体泄漏，从而使效率降低，效率一般为0.870.94，在表压为4kPa附近效率最高；该风机的出口应安装稳压罐与安全阀,出口阀门不能关闭，一般用旁路方法调节流量；结构简单无阀门，不用冷却和润滑，可得洁净空气，适用于低压力场合的气体输送和加压，可以多级串联使用；使用时，温度不能超过85，否

18、则会使转子受热膨胀而发生碰、卡现象。图3-8液环压缩机1进口；2-出口；3-吸气口；4-排气口第四节 旋转式 二、液环压缩机 液环压缩机属旋转式压缩机，也可用作真空泵，又称纳氏泵。如图3-8所示，由椭圆形外壳和叶轮组成。壳内装有适量的液体，叶轮旋转产生的离心力使液体甩到壳体形成液环，液环起液封作用，使椭圆长轴两端形成月牙形空室。随着叶轮旋转，空室从小变大，即可吸入气体；叶轮继续旋转，空室从大变小，即可排出气体。叶轮旋转一周空室从小变大和从大变小各二次。液环式压缩机的压缩比可达6-7，但出口表压在150-180kPa的范围内效率最高。液环压缩机中被压缩的气体与外壳之间被液环隔开，而只与叶轮接触，

19、故用于输送腐蚀性气体时，叶轮需用耐腐蚀材料，液体应不与所输送气体发生作用。如压缩空气泵内充水即可，压缩氯气泵内充硫酸。第五节 真空泵 真空是指压力低于大气压的物理环境，根据国家标准规定，真空被化为低真空、中真空、高真空、超高真空四个区域，各区域的真空范围如表3-2所示。表3-2真空区域的划分 第五节 真空泵 低真空获得的压力差可以提升和运输物料、吸尘、过滤；中真空可以排除物料中吸留或溶解的气体或所含水分，如真空除气、真空浸渍、真空浓缩、真空干燥、真空脱水和冷冻干燥等；高真空可以用于热绝缘，如真空保温容器；超高真空可以用作空间模拟研究表面特性，如摩擦和粘附等。生产中，有许多操作过程是在真空设备中

20、进行的，如物料的真空过滤和真空蒸发，物料的真空干燥，物料的输送等。设备中的真空环境是由真空泵提供的，真空泵是用来获得和维持真空的装置，类型很多，下面简单介绍几种常用的真空泵。第五节 真空泵 一、往复式真空泵 往复式真空泵的构造和原理与往复式压缩机大致相同，但往复压缩机的压缩比很高，例如，要得到95%的真空度，其压缩比将达20以上。往复式真空泵有干式和湿式之分。干式真空泵只抽吸气体，可以达到99%以上的真空；湿式真空泵可以同时抽吸气体与液体，也可以带走较多的水蒸气，能达到80%左右的真空。干、湿式往复真空泵在构造上略有区别，由于湿式泵中液体的速度比气体小，所以其吸入和排出阀门均较干式略大，空隙也

21、较大。目前药厂常用的W型往复式真空泵即属干式低真空机械，其抽气速率60770m3/h，真空度1.33kPa(绝对压力)。往复式真空泵不宜抽除腐蚀性气体和含有悬浮颗粒的气体。第五节 真空泵 二、旋转式真空泵 1旋片式真空泵 旋片式真空泵属于旋转式真空泵的一种，如图3-9示，其主要部件是一个旋转的偏心轮（转子）和用弹簧压紧的活板（旋片）。活板将泵壳与转子间的空隙分为吸气工作腔和排气工作腔两部分。转子按箭头方向高速旋转时，活板在弹簧的压力及自身离心力的作用下，紧贴泵体内壁滑动，吸气工作腔容积不断扩大，被抽气体通过吸气口进入吸气工作腔。与此同时，排气工作腔容积逐渐减小，气体逐渐被压缩，压力升高，且升高

22、到一定程度时，排气阀打开，气体穿过油液从泵排气口排出。转子每旋转一周，有两次吸气、排气过程，使封闭于泵腔的气体体积周期性变化而完成吸、排气工作循环。为密封各部件的间隙及使各部件得到润滑，旋片泵的活动部分均浸没于真空泵油内。第五节 真空泵 旋片式真空泵具有使用方便，结构简单、工作压力范围宽，可在大气压下直接启动等优点。适于抽除干燥或含有少量可凝性蒸气的气体。由于该泵抽气量小，通常只用于制剂室、小型制药设备。注意在真空泵和真空系统之间要有气体净化装置，防止腐蚀性气体或蒸汽进入真空系统，同时在运转时要及时检查和更换真空泵油。第五节 真空泵 图3-9旋片式真空泵1-排气口；2-排气阀片；3-吸气口；4

23、-吸器管；5-排气管；6-转子；7-旋片；8-弹簧；9-泵体图3-10水环真空泵1-外壳；2-叶片；3-水环；4-吸入口；5-排出口第五节 真空泵 2水环真空泵 水环真空泵属于旋转式真空泵，如图3-10所示。水环真空泵的外壳为圆形，壳内有一偏心安装的转子，转子上有叶片。泵内装有一定量的水，当转子旋转时形成水环，故称为水环真空泵。由于转子偏心安装而使叶片之间形成许多大小不等的小室。在转子的右半部，这些密封的小室体积扩大，气体便通过右边的进气口被吸入。当旋转到左半部，小室的体积逐渐缩小，气体便由左边的排气口被压出。这种泵的结构简单、紧凑,没有阀门，经久耐用。适于抽吸含液体、固体的气体，属湿式真空泵

24、，尤适抽吸腐蚀性爆炸性气体。真空度可达86kPa，但效率只有30%50%。注意在运转时为了维持泵内液封以及冷却泵体，运转时需不断向泵内充水。所能产生的真空度受泵体内水的温度限制。当被抽吸的气体不宜与水接触时，可以换用其他液体，称为液环真空泵。第五节 真空泵 三、喷射泵 喷射泵是属于流体作用式的输送机械，它是利用流体流动时动能和静压能的相互转换来吸送流体。它既可用来吸送液体，又可用来吸送气体。在化工生产中，喷射泵用于抽真空时，称为喷射式真空泵。喷射泵的工作流体，一般为水蒸气或高压水。前者称为水蒸气喷射泵。后者称为水喷射泵，如图3-11所示，是单级蒸汽喷射泵。水蒸气在高压下以很高的速度从喷嘴喷出，

25、在喷射过程中，水蒸气的静压能转变为动能产生低压将气体吸入。吸入的气体与水蒸气混合后进入扩散管，速度逐渐降低，压力随之升高，而后从压出口排出。单级水蒸气喷射泵仅能达到90%的真空，为了达到更高的真空度，需采用多级水蒸气喷射泵。也可用高压空气及其他流体作为工作流体使用。第五节 真空泵 喷射泵的主要优点是结构简单，制造方便，可用各种耐腐蚀材料制造，抽气量大，工作压力范围广，无活动部件，适用周期长。这种泵很适合处理含有机械杂质、水蒸气、强腐蚀性及易燃易爆气体。主要缺 点 是 效 率 低，一 般 只 有10%25%，工作液体消耗量较大。喷射泵除用于真空脱气、真空蒸发、真空干燥外，还常作为小型锅炉的注水器，这样既能利用锅炉本身的水蒸气来注水，又能回收水蒸气的热能。图3-11单级蒸汽喷射泵