第一章中药制约工程的流体动力过程 [][M[r (11-16) 例如,加速度的因次式为[L][r]2,读者若对式(1-1-15)进行单位运算,会发现Re的因次式 是[L]°[M[r]=1。由不同物理量组成的数(如Re),若因次式=1,称它为无因次数或数。如 果对大地某一地域测量的结果绘制成地图,两者具有几何相似性质;在工程t,某两个事物若具 有某个无因次数相等也构成了一种相似性。Re的大小可用干判断流体流动的类型 Re≤2000 层(滞)流 2000<Re<4000 过渡流 (i-1-17) Re≥4000 湍流 层流流动时管路内流体分层流动互不于扰,垂直于中心轴线的管截面上速度分布如图1-1-1 (a)所示;湍流流动时管路内流体相互干扰,形成漩涡,不再出现分层流动,其速度分布如 图1-1-1(b)所示。过渡流则是一种不稳定流,每一时刻可能为层流,也可能为澈流,因此不是 一种流动类型 Re≤2000 R≥4000 平均=05L/m U均=08Ucma 图1-1-1层流与湍流时的速度分布 【例1-1-3】为了研究某一操作过程的能量损失,待在实验室制作一尺寸为生产设备的110 的实验设备。在生产设备中,操作流体的温度为50℃,含40%的酒精水溶液,其流速为1.8ms。 今在实验设备中,拟用20℃的水来进行实验。何实验设备中的速度应为若干?若d=1m,问两 种情况下的Re为多少? 解为了保持实验设备与生产设备的流体动力相似,实验设备与生产设备中的R值必须相 等, dure d2 up 式中下标1为生产设备的数据,下标2为实验设备的数据。于是: d,A 查手册,20℃时水的黏度和密度分别为1.005×10-Pa·s和998.2kg/m2;50℃含40%酒精水溶 液的黏度和密度分别为12×10Pa·s和930kg/m3,代人上式得 2=1.8×930×.2×103 8.2×1.005×10-3×10=20m/s 计算结果表明:放大后操作条件必须改变,才能保证相同的流体力学性质,放大倍数越大,操作 条件改变越多。两种情况下的Re相等,计算如下; 1.8×930 Re 2×10--=1.4×10°
篇中药制药工业单元过程 Re2=91×14.1×998.2 1.005×10 1.4×10° 2.流动阻力的计算 (1)流体阻力的计算通式 ="(或△A=2 (I-118) 式中h、△p-流体的流动阻力损失,J/kg、Pa -流体的流动阻力系数。 对等径直管 =42·2(或A=4· (I119) 式中λ—流体在管内流动的摩擦系数,无量纲 l—-圆管直管长度,m; d—直管内径,m。 图1-1-2表示λ、Re、Ed的关系。图上依Re数的大小可分为四个区域:①滞流区(R 2000,λ=64/Re),摩擦系数λ与相对粗糙度无关;②过渡区(2000<Re<4000),流动状态不稳 定,进行流动阻力计算时,一般将湍流时曲线延伸以查取摩擦系数λ值;③湍流区(Re≥4000 及虚线以左的区域),λ与Re和e/d均有关(ε为管内绝对粗糙度,m;e/d为相对粗糙度)。在 这个区域内对于不同的E/d标绘出一系列曲线,其中最下面的一条曲线为流体通过光滑管的摩擦 系数λ与Re的关系曲线;④完全揣流区(图中虚线以右的水平线区域),A与Re尢关,仅与Ed 们关。表1-1-3为某些工业管道的绝对粗糙度。 湍流 完全湍流粗糙管 03 司■■■■ 02日a( 00r5 光滑管 00002 下中05 001 0000005 E MMM LIMI N. 000oo1 461052 6【0°2 雷诺数Re 图1-1-2A与Re、e/d的关系
第一章中药制药工程的流体动力过程 表1-1-3某些工业管道的绝对粗糙度E 5道类别 尢缝钢管、铅管 0.01~0 净玻璃管 0).(【5…-0.( 新的尢缝锕管,镀锌铁管 橡皮软管 金属管民有轻度腐的无维钢管02~0.3 非金/木管道 石棉水泥管 其有显著腐蚀的尤缝钢管.5以上 陶土排水管 ,33 旧的铸铁骨 0.R5以上 很好整平的水泥管 U.03~0.b 【例1-1-4】20℃的水以1m/s的流速在40×3.5mm钢管中流动,钢管管面的粗糙度 25mm。已知水的黏度为1×10Pa·s,其密度为l00kg/m。求单位长度流体流动下的压降 若流速增加至2ms,则单位长度下的压降为多少?若管子内径增加1倍,则单位长度下的压降 为多少? Res dup_0.053×1×100=5.3×10>4000,湍流 E0.25×10 由图1-1-2查得λ=0.0316,则 316×1000×12 053 2 8.1Pa/ 当流速增加1倍,则有 Re=Re2=5.3×10×2-1.06×101>1000,湍流 相对粗糙度不变 a·2_0.0316、1000×2=1192.4Pa/m 0.053 当直径增加1倍,则有: Re=Rex=5.3×10×2=1.06×103>4000 相对粗糙度为 e0.25×10 d”5.3×2×107≈2.36×10-3 同样查得A”=0.026 (2)- =0.026×1000× 2×2×0 122.6Pa/m 由本例可知,在湍流和完全湍流区时,摩擦系数主要影响因素是相对粗糙度,而Re影响较 少;流速是该区域中能量损失的主要因素。 2)有局部阻力时的流动阻力计算。局部阻力损失的计算方法有阻力系数()法和当量长 度()法,本书介绍后者。所谓当量长度是将阀门、弯头等产生的各种局部阻力损失折算成等
20 第一篇中药制约工业单元过程 内径的l(m)直管,而两者的阻力损失相等,因此可将式(1-1-19)延伸为: +l.l2 h,=a (1-1-20) l值可在图113中查出。 典 藏止阀全开 角式截止阀全开 标准三通1旁人 方角弯 旋启式止回阀,全开 插入进口 回弯头 然扩大 dD I 标准三邐直入旁出 普通进口 标准弯头或缩12的三通 (直入直出J dID 1/2 dL 3/4 中圆角弯头或缩口1/4的三通 △ 01 (直人直出 15·弯头 圆角弯头或标准三通 (直入直出 图1-1-3管件与阀门的当量长度共线图 第_二节中药厂管路系统的计算与输送机械的选用 管路系统的构成 中药厂管路是一个复杂的系统,犹如人体的心血管系统,它是L丿输送气、液物流的命脉
第 中药制药工程的流体动力过程 除了按管中流动的物料种类(水、蒸汽、盐水、空气、真空等)区分外,还叮从管路的总管与分 支管区分。所以,中药厂臂路系统是一组管内输送不同物料且相互之间无物料联系的子系统。而 每一子管路系统都是从某流体的发送处通过总管输送至各(车间)支管,再由支管分送到各工 序、岗位的设备之中:有时候也可以相反,从各设备、厂房汇聚至各级支管,最后集中流入总管 路之中,例如各岗位污水的汀集至污水处理站。囚此,总能将复杂管路系统分解为相互并联或串 联的管路单元 管路系统的构成除∫管道自身外还包括管件、阀门、连接装置、计量仪表、保温层、支架与 温度补偿装置;许多情况下考虑到冋管路系统内的流体输送能量还可设置泵、压缩机、真空泵等 压送机被 1)管材包括流体输送用不锈钢无缝管(GB/T14976—94)、低中压锅炉用无缝钢件 G迅B3087-82)、低压流体輸送用镀锌焊接锅管(GB/T3091—93)、砂型离心铸铁管规格 (GB3421-82)、连续铸铁直管规格(GB3422-82)等 (2)管件包括各种弯头、二通、短接管、异径接头、异径弯头与三通等。它们的功用足改 变流体的流动方向、连接管道、引出支管或将各支管汇合、改变管子的口径等等 (3)阀门有闸阀、球阀、旋塞(考克)、角阀等,阀门的作用是启閉管路内的流体流动、 调节流体的流量或压力、构成设备间的压力平衡等。 通用阀门标志(GB120·89)规定:公称通径(DN)、公称压力(PN)、受压部作材料代 号、制造厂名或商标等四项是阀门必需使用的标志,对DN≥50mm的阀门应标在阀体上 DN<50mm时则标记在阀体或标牌上。这里列举一些常用阀门的国家标准号,选用阀门时可从这 些标准中查找:《通用阀门法兰连接铁制闸阀》(GB12232-89),《通用阀门法兰和对焊连接 钢制闸阀》((B12234-89),《通用阀门法兰连接钢制截止阀和升降止回阀》(GB12235 89),《通用阀门法兰和对焊连接钢制球阀》(GB12237-89),其中后三个标准允许采用的材料 是碳素钢锻件(GB1222889),碳素锅铸件(GB12229·89)和奥氏体钢铸件((B1223 89),后者具良好的化学耐蚀性能。 4)连接装置管路间的连接大体有承插、管蝶纹、法兰、焊接连接与可拆式连接五种。承 插式连接一般用于上下水与水煤气总管。管螺纹连接时管件、阀门本身就是连接件。法兰连接最 为常用,其装、拆比较方便,在一对法兰间插入盲板并上紧螺栓后可将两侧管路暂时隔断,法兰 连接需靠填料进行密封,因此物料泄漏问题较难解决。法兰的标准有《凹凸面带颈平焊钢制管法 兰》(H(GJ47—91)、《榫槽面带颈平焊钢制管法兰》(HGJ48-91)等。焊接连接最大特点是不可 拆,泄漏问题可根本解决,实际上更换管子、管件或阀门时用气焊切割后再焊接新的并不麻烦, 因此经常采用。可拆式连接的最大优点是机动灵活,中药制剂车间因为GMP的要求,为方便管 路的清洗与灭菌,常采用这种连接方式 (5)计量仪表物料或能量流通过管路由一处输送至另一处,完成了由一方交给另…方(如 仓库一车间、钢炉一蒸汽用户等),双方进行数量的交割可以用计量仪表为根据,因此管路系统 的相应位置一定要设置计量仪表。 (6)保温层高温(如袭汽)或低温(如冷冻盐水)在管路内的输送过程中为避免热量(冷 量)的散失,需要在管道外设置低导热性能的保温层;对于熔点高于室温的固体物料,为能在液 体状态下进行管道输送,则需要设置保温套管,在套管内通入适量加热蒸汽。 (7)支架管道或一组管道的支架起到支承重量,确定管道在空间位置的作用,支架可依托 建筑物的墙上,也可设置管道独立的支柱,上设支架以固定管路 (8)温度补偿装置因气温或物料自身发生的温度变化引起管线长度方向的伸缩,对于长的 昝路系统,这种伸缩不可忽略,有时会导致管路的严重变形与破坏,为此需设置』或∏形温度 补偿装置