化學(xué)工程基礎(chǔ)

1、傳熱過(guò)程第一節(jié) 概述第二節(jié) 傳導(dǎo)傳熱第三節(jié) 對(duì)流傳熱第四節(jié) 熱交換的計(jì)算2022-5-12第一節(jié) 概述一、化工生產(chǎn)中的傳熱過(guò)程1、化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)要控制適宜的溫度范圍：（1）放熱反應(yīng)的熱量要通過(guò)換熱移除。（2）吸熱反應(yīng)需提供足夠的熱量。（3）反應(yīng)原料要預(yù)熱，產(chǎn)物要冷卻。2、很多化工單元操作是在換熱條件下進(jìn)行的：蒸發(fā)、結(jié)晶、干燥、精餾等。3、節(jié)約能源，合理使用能源：（1）熱流體保溫、低溫條件的保持。（2）生產(chǎn)中余熱、廢熱的有效利用。2022-5-13二、傳熱的基本方式1、傳導(dǎo)傳熱：物體溫度較高的分子因熱而振動(dòng)，并與相鄰分子碰撞，而將能量傳遞給相鄰分子，順序地將熱量從高溫向低溫部分傳遞。u 特

2、點(diǎn)：沒(méi)有分子的宏觀相對(duì)位移。2、對(duì)流傳熱：由于流體質(zhì)點(diǎn)變動(dòng)位置并相互碰撞，能量較大的質(zhì)點(diǎn)與能量較低的質(zhì)點(diǎn)相互混合，使熱量從高溫向低溫傳遞。u 自然對(duì)流：溫度差，密度差，自然移動(dòng)。u 強(qiáng)制對(duì)流：外力(攪拌等)使流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移。2022-5-143、輻射傳熱：熱物體以波的形式向四周散發(fā)輻射能，輻射遇到另外的物體時(shí)，被全部或部分地吸收并重新轉(zhuǎn)變成熱能的傳熱方式。u 溫度越高，輻射出去的熱能越大。u 不用任何介質(zhì)作媒介。實(shí)際生產(chǎn)中的傳熱，并非單獨(dú)以某種方式進(jìn)行，往往是多種方式同時(shí)進(jìn)行。2022-5-15三、傳熱中的一些基本物理量和單位1、熱量Q：?jiǎn)挝唬簁gm2s-2，Nm，J，cal，kcal1ca

3、l=4.186 J2、傳熱速率 (熱流量：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳遞的熱量。單位：W，kcal h-11kcal h-1 =1.163WQ3、傳熱強(qiáng)度q：?jiǎn)挝唬篧 m-2 ， kgs-3QqA單位時(shí)間單位面積傳遞的熱量。也叫熱流密度。2022-5-166、潛熱：?jiǎn)挝涣浚ㄙ|(zhì)量或物質(zhì)的量）物質(zhì)在發(fā)生相變時(shí) 伴隨的熱量變化。單位： J kg-1， J moj-1汽化熱、冷凝熱、升華熱、溶解熱、結(jié)晶熱等計(jì)算：Q=H m 或 Q=Hm n4、恒壓比熱容cp、cpm：?jiǎn)挝涣课镔|(zhì)恒壓下升溫1K所需熱量。單位： cp J kg-1 K-1 cpm J mol-1 K-1 5、顯熱：?jiǎn)挝涣浚ㄙ|(zhì)量或物質(zhì)的量）物質(zhì)在等壓時(shí)變溫

4、伴 隨的熱量變化。單位： J計(jì)算：Q=m cp t 或 Q=n cpm t 潛熱和顯熱的區(qū)別：相變，溫變2022-5-17四、定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱1、定態(tài)傳熱：傳熱面上各點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間改變的傳熱。u只考慮傳熱面上某一點(diǎn)的情況，各點(diǎn)溫度可不同。u定態(tài)傳熱時(shí)，單位時(shí)間的傳熱量不變。u連續(xù)穩(wěn)定的操作時(shí)大多是定態(tài)傳熱。2、非定態(tài)傳熱：傳熱面上各點(diǎn)的溫度隨時(shí)間而改變的傳熱。u非定態(tài)傳熱時(shí)，不同的單位時(shí)間的傳熱量不同。u間歇操作時(shí)大多是非定態(tài)傳熱。8第二節(jié) 傳導(dǎo)傳熱一、熱傳導(dǎo)基本方程式-傅立葉定律 1、傅立葉定律 ：tQA dtdQAdd 對(duì)于微元：dtdQAdd 引入比例系數(shù)：u 負(fù)號(hào)是因?yàn)闊崃總鬟f方

5、向與溫度升高方向相反。u 比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)，單位：Wm-1k-1, Jm-1k-1s-1u dt/d：溫度梯度，K/m；9導(dǎo)熱系數(shù):是物質(zhì)導(dǎo)熱性能的標(biāo)志，是物理性質(zhì)之一。一般來(lái)說(shuō)： 金屬非金屬固體液體 氣體.導(dǎo)熱系數(shù)的值越大，表示其導(dǎo)熱性能越好的物理意義為：當(dāng)溫度梯度為1K/m時(shí)，每秒鐘通過(guò)1m2的導(dǎo)熱面積而傳導(dǎo)的熱量，其單位為W/mK或W/m。金屬 2.3420 w/mK 建筑材料 0.253 w/mK 液體 0.090.6 w/mK 氣體 0.0060.4 w/mK 2、導(dǎo)熱系數(shù)：數(shù)值的大小與物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、密度等有關(guān)。數(shù)值的大小也與外界條件溫度、壓力等有關(guān)。2022-5-110質(zhì)地均

6、勻的固體: = 0(1+at)0為00C時(shí)固體的導(dǎo)熱系數(shù),a為溫度系數(shù).液體混和物: =k(1w1+ 2w2+ )w 1, w2,-各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1 ,2,-各組分的導(dǎo)熱系數(shù)K-常數(shù),對(duì)一般混和物或溶液為1.0,對(duì)有機(jī)物的水溶液為0.9氣體混和物:=1x1M11/3+2x2M21/3+.x1M11/3+x2M21/3+.x1 ,x2各組分的摩爾分?jǐn)?shù)M1 ,M2各組分的相對(duì)分子量2022-5-111二、平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)1、單層平面壁的熱傳導(dǎo):在定態(tài)的條件下,傳熱量不變，且兩壁面的溫度不隨時(shí)間而變.dtdQAdd dtQAd QdtAd 移項(xiàng)：ddt 積分：210ttddt 12tt 12tt

7、tRAtq u t：溫差，傳熱推動(dòng)力，Ku R=/(A) ： 傳熱阻力，熱阻，K/W2022-5-112213A厚度t3t2t1t3t1t2t42、多層平面壁的熱傳導(dǎo):對(duì)于定態(tài)傳熱，各層傳熱速率相等，各層傳熱面積相等。第一層：12111()ttA111211tttA第二層：222322tttA第三層：333433tttA2022-5-113對(duì)定態(tài)傳熱：A1=A2=A3=A，1=2=3=上面三式相加：31214123tttA 143121231ttttRAA312123123:tttt 多層平面壁的傳熱速率等于總推動(dòng)力t除總熱阻R。 多層平面壁的總熱阻R為各層熱阻之和（相當(dāng)于串聯(lián)）。 各層的溫度

8、降與該層的熱阻成正比。312123iittq例解：根據(jù)題意若爐灶的爐壁順序地由厚24cm的耐火磚(=0.90W.m-1.k-1)、12cm的絕熱磚(=0.20W.m-1.k-1)和24cm的建筑磚(=0.63W.m-1.k-1)砌成，傳熱穩(wěn)定后，耐火磚的內(nèi)壁溫度為940 ，普通磚的外壁面溫度為50試求每秒鐘每平方米壁面?zhèn)鲗?dǎo)傳熱所散失的熱量，并求各磚層交界面的溫度。1=24cm， 2=12cm，3=24cm，t1=940 t4=50 1=0.90W.m-1.k-1 2=0.20W.m-1.k-1 3=0.63W.m-1.k-1求：q=?，t2，t32022-5-115294050890713.4

9、0.240.120.241.2480.90.20.63iitqW m由1iiiittq 得12110.24940713.4749.80.90ttq 23220.12749.8713.4321.80.20ttq 1940749.8190.2t 2749.8321.8428t 3321.850271.8t 1230.240.120.240.900.200.63tt190.2428271.8 絕熱磚層最薄，溫差最大，導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻最大。2022-5-1161、單層圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱圓筒壁傳熱面積和溫度都隨圓筒壁的半徑而變化.傅立葉定律應(yīng)寫為:移項(xiàng)積分:三、圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱rr1r2lt1.t2dtt

10、drdtAd 2dtrldr 22112rtrtdrldtr 21212lnrlttr 12212lnlttrr 2121lnl trr2121lnl tdd2022-5-1172121lnl trr21221121lnl trrrrrr 2ml t r mt A mtAtR122121lnl ttrr1mtAu =r2-r1為圓筒壁厚度。u rm為圓筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑：2121lnmrrrr r當(dāng)r2/r12時(shí)可用算術(shù)平均半徑代替：rm=(r1+r2)/2u Am為圓筒壁的平均傳熱面積： Am =2rml2022-5-1182、多層圓筒壁的傳導(dǎo)傳熱122121lnl ttrr根據(jù)：第一層21

11、1211ln2rtttlr 322322ln2rtttlr 第二層433433ln2rtttlr 第三層三式相加32414112233111lnlnln2rrrtttlrrr 2022-5-1193241122332111lnlnlnl trrrrrr整理：121lnnnnl trr121lnnnnl tdd同樣令：1nnnrr11lnnnmnnnrrrrr2mnmnAlr1nmnntrAtR傳熱速率與推動(dòng)力成正比，與熱阻成反比。注意各層直徑或半徑的取值。2022-5-120第三節(jié) 對(duì)流傳熱因流體質(zhì)點(diǎn)變動(dòng)而形成的對(duì)流還有兩種:對(duì)流傳熱:是在流體流動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象,它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移

12、動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的,與流體的流動(dòng)情況密切相關(guān).自然對(duì)流:因流體本身各質(zhì)點(diǎn)溫度不同,引起密度差異而形成的流體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng).強(qiáng)制對(duì)流: 借助于機(jī)械攪拌或機(jī)械作用而引起的流體質(zhì)點(diǎn)移動(dòng).2022-5-121一、對(duì)流傳熱的機(jī)理:1、機(jī)理靠近固體壁面附近存在一薄滯流底層，溫度梯度較大。過(guò)渡層中，溫度發(fā)生了緩慢的變化。湍流主體中，各處的溫度基本相同。對(duì)于湍流流體：傳熱邊界層：靠近壁面，有明顯的溫度梯度的流體層，包括滯流內(nèi)層和過(guò)渡層。一般把熱量由湍流主體傳向器壁或相反的傳熱過(guò)程叫做對(duì)流傳熱。2022-5-1222、牛頓傳熱方程當(dāng)湍流主體的溫度為t1的流體向溫度為t2的壁面對(duì)流傳熱時(shí),傳熱速率與流體主體和壁面間的溫差

13、(t1-t2)及壁面面積A成正比,即：傳熱膜系數(shù)，也叫傳熱分系數(shù)、給熱系數(shù)。對(duì)穩(wěn)定傳熱過(guò)程:12dttdA12dttdA12ttAA t的單位：W.m-2.k-1 或 J/(m2.k.s)的物理意義：流體主體與壁面度差為1K時(shí),每秒通 過(guò)1m2壁面所傳給流體(或由流體給 出)的熱量。2022-5-123二、對(duì)流傳熱膜系數(shù):1、影響傳熱膜系數(shù)的因素:(2) 流體的流動(dòng)形態(tài)和對(duì)流情況；(4) 傳熱的溫度和溫度差；(5) 流體傳熱的相變化；(6) 壁面的形狀、排列方式和尺寸。(3) 流體的性質(zhì)：、c、等物理性質(zhì)；(1) 流體的種類：液體、氣體、蒸汽；2022-5-1242、傳熱過(guò)程的幾個(gè)相關(guān)特征數(shù)：

14、格拉曉夫數(shù)：自然對(duì)流對(duì)換熱的影響。Gr普朗特?cái)?shù)：流體的物理性質(zhì)對(duì)換熱的影響。Pr雷諾數(shù)：流體流動(dòng)狀態(tài)對(duì)換熱的影響。Re努塞爾數(shù)：流體的導(dǎo)熱系數(shù)與換熱器壁幾何尺寸對(duì)換熱的影響。Nu特征數(shù)的物理意義特征數(shù)形式特征數(shù)l dvRe c 322glt Nu 、Re 、Pr應(yīng)用于對(duì)流傳熱。 Gr應(yīng)用于受熱引起的自然對(duì)流傳熱。2022-5-1253、傳熱膜系數(shù)的特征關(guān)系式：（1）適用于圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流當(dāng)流體被冷卻時(shí)：當(dāng)流體被加熱時(shí)：通過(guò)量綱分析，可獲得傳熱膜系數(shù)的一些特征數(shù)關(guān)系式：適用于大多數(shù)氣體和粘度小于2倍水粘度的液體。0.80.40.023RePrd0.80.30.023RePrd適用于圓管內(nèi)強(qiáng)制湍流。

15、適用于列管間的流體，計(jì)算時(shí)d 取de：4de 流流體體流流道道橫橫截截面面積積橫橫截截面面上上被被流流體體濕濕潤(rùn)潤(rùn)周周邊邊2022-5-126定性溫度：可用對(duì)數(shù)平均或算術(shù)平均值。液體被加熱時(shí)，t,。氣體被加熱時(shí)，t,。對(duì)于高粘性的流體，加入校正因子c:0.80.330.027cRePrd 加熱時(shí)：c=1.05冷卻時(shí)：c=0.95如：20的有機(jī)液體Pr ：220； 20的水Pr ：7.01Pr1，指數(shù)大，大。2022-5-127（2）自然對(duì)流傳熱(蛇管或器壁)GrPr500(滯流)GrPr 2107(湍流)500GrPr2107(過(guò)渡流)u 計(jì)算時(shí)，定性溫度取壁面與流體溫度的平均值。1 31.1

16、8Gr Prd1 30.135Gr Prd1 40.54Gr Prd（3）帶攪拌的反應(yīng)釜1 320.36RePrDu D為反應(yīng)釜的內(nèi)徑。u 2d nRed：攪拌槳的直徑，n：攪拌轉(zhuǎn)數(shù)。2022-5-1284、沸騰和冷凝時(shí)的傳熱膜系數(shù)：（1）沸騰傳熱 由傳熱面與液體間的溫差不同分為：泡核沸騰強(qiáng)烈的泡核沸騰膜狀沸騰前面討論的是無(wú)相變時(shí)的,沸騰和冷凝是相變過(guò)程。 沸騰傳熱時(shí)，值總是較大。 對(duì)汽泡產(chǎn)生有影響的因素都 對(duì)有影響。 對(duì)值的影響因素很多，難以計(jì)算，一般都有采用 實(shí)驗(yàn)值、經(jīng)驗(yàn)值。 水沸騰傳熱的值：100030000 Wm-2K-12022-5-129（2）冷凝傳熱：滴狀冷凝：冷凝液不潤(rùn)濕壁面，

17、而是在壁面上形成 雜亂無(wú)章的珠滴，并在重力作用下沿壁 面落下，這種過(guò)程稱為滴狀冷凝。 膜狀冷凝：冷凝液潤(rùn)濕壁面而形成平滑的液膜，液 膜在重力作用下聚厚而流下，這種冷凝 稱為膜狀冷凝。 u 冷凝傳熱的傳熱膜系數(shù)比沸騰傳熱還要大。u 發(fā)生相變時(shí)的值很大，熱阻很小，往往可以忽略。u 蒸汽冷凝時(shí)，不凝性氣體的存在會(huì)使值減小。膜狀冷凝值：515 kWm-2K-1滴狀冷凝值：40120 kWm-2K-12022-5-130第四節(jié) 熱交換的計(jì)算一、總傳熱方程：化工生產(chǎn)中最常用到的傳熱操作是熱流體經(jīng)管壁向冷流體傳熱的過(guò)程。管壁是傳導(dǎo)傳熱，兩側(cè)是對(duì)流傳熱。2022-5-1第四章 傳熱過(guò)程31在定態(tài)條件下，1=2

18、=,上面三式相加可得：1212tttAAA 1212tttRAAA熱流體一側(cè)：1、總傳熱方程：1111A tt11111tttA間壁：冷流體一側(cè)：12A tt12tttA 2222A tt22222tttA2022-5-132對(duì)于平面壁，A1= A2 = A2、平面壁的總傳熱方程：1A tttKA tRKA 其中：1KWm-2K-1RKAA對(duì)復(fù)合傳熱壁：A t2022-5-1333、園筒壁的總傳熱方程：若傳熱間壁為園筒壁，則：熱流體111111112A ttrltt11112ttrl間壁：1222112211lnlnl ttl trrrr21211ln2rttlr冷流體222222222A ttrltt22222ttr l三式相加得：2121 112 2111ln2rttlrrr2022-5-1341221 112 22111lnl ttrrrr121 12 2211ml ttrrr 其中21rr2121lnmrrrr r 若12相差較大，可選較小的一側(cè)r作rm。 若園筒壁是復(fù)合壁，則mr為mr或11lniiirr 一般的傳熱壁都較薄，此時(shí)r1r2rm,則1212211mr l tt121211mAttmKA