化工原理上下冊(cè)課件

1、化工原理主講：趙海萍電子課件化工原理教程化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)化工原理課程設(shè)計(jì)化工原理例題與習(xí)題化工原理試題庫(kù)化工原理教程緒論第一章流體流動(dòng)第二章流體輸送機(jī)械第三章非均相物系分離第四章傳熱第五章蒸發(fā)操作第六章氣體吸收第七章液體蒸餾第八章干燥緒論 一、化工生產(chǎn)過(guò)程化工生產(chǎn)是將其原料經(jīng)過(guò)化工手段加工生成產(chǎn)品的加工過(guò)程?；どa(chǎn)過(guò)程，不論其生產(chǎn)規(guī)模大小，其核心是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程及其設(shè)備反應(yīng)器（發(fā)生化學(xué)變化的主要場(chǎng)所）。為了使生產(chǎn)過(guò)程得以有效的進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)必須保持一個(gè)比較適合的反應(yīng)條件，如：一定的溫度、壓力和物料的組成等。因此，原料在進(jìn)入反應(yīng)器之前必須進(jìn)行一定的處理，使其具備一定的溫度、純度和壓力等（統(tǒng)稱為前

2、處理）。化學(xué)反應(yīng)結(jié)束以后，為了得到一定純度的產(chǎn)品，從反應(yīng)器出來(lái)的混合物必須經(jīng)過(guò)一定的處理，如：冷卻、過(guò)濾、精制等（統(tǒng)稱為后處理）。從上述可以看出：化工生產(chǎn)是將原料通過(guò)化學(xué)、物理的加工手段，加工成產(chǎn)品的過(guò)程。1、化學(xué)加工手段：也就是使原料在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，得到產(chǎn)物的加工手段。（化學(xué)工藝課程的范疇）2、物理加工手段：物料輸送、提純、混合、加熱（冷卻）等過(guò)程。（化工原理課程的范疇）。二、化工單元操作的概念上述的前后處理過(guò)程，絕大部分都是進(jìn)行的是純粹物理過(guò)程，但卻是化工生產(chǎn)中所不能缺少的步驟，各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中所涉及的各種物理變化過(guò)程均可歸納為若干個(gè)稱之為化工原理單元操作。 由于化工生產(chǎn)

3、的多樣性（包括產(chǎn)品、原料、過(guò)程的多樣性），但是對(duì)物理加工的過(guò)程進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)，物理加工主要包括三個(gè)大的方面：流體力學(xué)過(guò)程、傳熱過(guò)程和傳質(zhì)（物質(zhì)傳輸過(guò)程）。即三大類單元操作。類別單元操作流體動(dòng)力過(guò)程 流體輸送沉降過(guò)濾流態(tài)化傳熱過(guò)程加熱冷卻傳質(zhì)過(guò)程蒸發(fā)吸收蒸餾萃取干燥具體見下表：舉例：電解食鹽水生產(chǎn)NaOH的過(guò)程（略）?；ぴ砭褪茄芯窟@些實(shí)現(xiàn)物理變化的單元操作的，研究化工單元操作不僅對(duì)化工生產(chǎn)有用，而且對(duì)石油、冶金、食品、制藥等工業(yè)的生產(chǎn)都起到重要作用。三、本課程性質(zhì)、任務(wù)和內(nèi)容1、課程性質(zhì)本課程屬于工程技術(shù)基礎(chǔ)課程。2、課程任務(wù)通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，掌握各單元操作的基本原理和有關(guān)典型設(shè)備的工藝尺

4、寸的設(shè)計(jì)或選型，并熟悉其結(jié)構(gòu)、性能。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生從工程觀點(diǎn)分析和處理有關(guān)化工單元操作中各種問(wèn)題的能力，以使學(xué)生在生產(chǎn)實(shí)踐中能對(duì)生產(chǎn)設(shè)備具備操作、管理和設(shè)計(jì)的能力。 3、課程內(nèi)容 主要討論三大類單元操作： A、流體動(dòng)力過(guò)程 B、傳熱過(guò)程 C、傳質(zhì)過(guò)程 根據(jù)操作方式，單元操作可以分為連續(xù)操作（定態(tài)操作）和間歇操作（非定態(tài)操作）兩大類。 四、四個(gè)基本概念 1、物料衡算 以物質(zhì)守衡定律為基礎(chǔ)，分析和計(jì)算一定衡算范圍內(nèi)進(jìn)、出物料和組成之間的數(shù)量關(guān)系。 進(jìn)行物料衡算，首先定出衡算基準(zhǔn)，一般以一定時(shí)間內(nèi)的物料為基準(zhǔn)（時(shí)間基準(zhǔn)）。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，輸入衡算范圍的各段物 流量必須等于輸出衡算范圍的

5、各段物流量與積累于衡算范圍的物料量之和。 即: G1=G0+GA 式中:G1輸入物料的總和; G0輸出物料的總和; GA累積物料的總和。 2、熱量衡算 以能量守衡定律為基礎(chǔ)，分析和計(jì)算一定衡算范圍內(nèi)進(jìn)、出能量和各項(xiàng)能量之間的數(shù)量關(guān)系。 與物料衡算不同，除時(shí)間基準(zhǔn)外，還要選定物流焓的基準(zhǔn)態(tài)。物流焓的基準(zhǔn)態(tài)包括：基準(zhǔn)壓強(qiáng)p0、基準(zhǔn)溫度t0、基準(zhǔn)相態(tài)。 Q1=Q0+QL Q1隨物料進(jìn)入衡算范圍的總熱量（KJ或KW）; Q0隨物料流出衡算范圍的總熱量（KJ或KW）; QL向衡算范圍以外損失的總熱量（KJ或KW）。 3、平衡關(guān)系 物系在自然發(fā)生變化時(shí)，其變化必然趨向一定方向，如任其發(fā)展，結(jié)果必然達(dá)到一定

6、的平衡狀態(tài)。 在平衡狀態(tài)下，物系的溫度、組成、壓強(qiáng)等均到了宏觀的停止。 在平衡狀態(tài)被人為打破后，物系將從新趨向新的平衡。 平衡狀態(tài)是物系變化的極限，是實(shí)際操作所追求的理想條件。是我們推知單元操作能否進(jìn)行和能進(jìn)行到何中程度的依據(jù)，也是我們進(jìn)行設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。 4、過(guò)程速率 物系處于非平衡狀態(tài)，就必然發(fā)生使物系趨向于平衡的過(guò)程。但是以什么樣的速度趨向于平衡，這并不決定于平衡關(guān)系。而是決定于多種因素。一般我們用過(guò)程速率來(lái)表示： 過(guò)程速率=（過(guò)程推動(dòng)力）/（過(guò)程阻力） 對(duì)上述公式中的各因素對(duì)于不獤的過(guò)程有不同的理解。如：傳熱的過(guò)程推動(dòng)力是溫度差；過(guò)程阻力則主要是物質(zhì)的傳熱能力。 五、量綱一

7、致性、單位一致性 量綱就是物理量通過(guò)幾個(gè)基本物理量的冪次方的乘積來(lái)表示的關(guān)系。根據(jù)物理規(guī)律建立的理論公式，公式中的每一個(gè)符號(hào)都代表一個(gè)物理量，此方程式中各項(xiàng)的量綱必須一致（即量綱一致性）。 單位一致性就是要求公式中使用各個(gè)物理量的單位必須是同一套單位制中的單位（要求使用國(guó)際單位制中的各個(gè)基本單位）。1 流體流動(dòng) 處在液體和氣體狀態(tài)下的物體統(tǒng)稱為流體。具有流動(dòng)性、抗剪性和抗張能力很小，無(wú)固定形狀，變形很容易。 流體是有大量彼此之間有一定間隙的分子組成，是個(gè)進(jìn)行著雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)的體系。 對(duì)一般工程問(wèn)題我們不需要討論單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)。而是將流體看成由無(wú)數(shù)個(gè)質(zhì)點(diǎn)（或微團(tuán)）所組成的一個(gè)連續(xù)介質(zhì)。這就是我們所

8、謂的連續(xù)性假設(shè)。 實(shí)踐證明，在絕大部分情況下是成立的。 1.1 流體的基本性質(zhì) 一、流體的密度 單位體積的流體所具有的質(zhì)量。 表達(dá)式： 式中： m流體的質(zhì)量（kg）流體的體積（m）流體的密度（kgm） 單位質(zhì)量的流體所具有的體積稱為比容。 表達(dá)式： 其單位為mkg，數(shù)值上等于密度的倒數(shù)。 、液體的密度 液體的密度隨體積變化很小，一般忽略不計(jì)。 、氣體的密度 理想氣體的密度醫(yī)科根據(jù)理想氣體方程得出： 、混合物的密度 液體混合物的平均密度： 混合氣體的密度： 二、流體的粘度 在外力的作用下，流體內(nèi)部各層之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。有相對(duì)運(yùn)動(dòng)則就有相互作用力，該作用力起到“抗拒”相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用，此特性就是流體

9、的粘性。 衡量粘性大小的物理量是粘度，粘度越大，則流體的流動(dòng)性就越差。 1）、牛頓粘性定律 如圖所示： 實(shí)驗(yàn)證明：F 引入比例系數(shù) F= 就是流體的粘度。 單位面積上的內(nèi)摩擦力： = 2）、流體的粘度 根據(jù)上式可以看出：流體粘度的物理含義是：使流體產(chǎn)生單位速度梯度所需要的內(nèi)摩擦力（剪應(yīng)力）。單位：PaS（SI制） 1厘泊（CP）=102泊（P）=10-3Pas 運(yùn)動(dòng)粘度的概念 一般使用的是動(dòng)力粘度。 1.2 流體靜力學(xué) 流體靜力學(xué)主要是研究流體在外力（重力和壓力）的作用 下，流 體處于平衡狀態(tài)的規(guī)律。 垂直作用于單位面積上的壓力稱為流體的靜壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱為壓強(qiáng)。 表達(dá)式： 式中：p流體的靜電壓（N

10、m即Pa）； P垂直作用于流體表面的壓力（N）； A作用的面積（m）。 常用的壓強(qiáng)單位一般還有atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）、mmHg（毫米汞柱）、at（工程大氣壓）等。 1atm=760mmHg=10.33mH2O； 1at=735.6mmHg=10mH2O。2、壓強(qiáng)的表達(dá)基準(zhǔn)1）、表壓2）、絕對(duì)壓強(qiáng)3）、真空度三者的關(guān)系如下圖：二、流體靜力學(xué)基本方程1、基本方程的推導(dǎo)如圖所示：平面A的面積為A離液面的深度為Z外壓為P0則A上的壓強(qiáng)PA為：PA= P0+gZ具體推導(dǎo)過(guò)程略。2、基本方程的應(yīng)用P= PA-P0=gZ三、基本方程的應(yīng)用1、測(cè)量壓強(qiáng)與壓強(qiáng)差2、液位的測(cè)量3、液封高度的計(jì)算 1.3 管內(nèi)流動(dòng)的

11、守恒原理 流體流動(dòng)是化工生產(chǎn)的普遍現(xiàn)象，它應(yīng)當(dāng)遵守質(zhì)量守恒、機(jī)械能守恒原理。 一、流量和流速 1、流量 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)管道任一截面的流體的量為流體的流量。按照“量”的單位不同，可分為：體積流量和質(zhì)量流量。 體積流量：VS（m3/S或m3/h） 質(zhì)量流量：ws（kg/s或kg/h） VS=ws 2、流速 單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上通過(guò)的距離，為流速。用u表示。 uA=Vs uA= ws 例題：見課本P29 二、質(zhì)量守恒與連續(xù)性方程 在流動(dòng)系統(tǒng)中，若流體在各個(gè)截面上的流速、密度、壓強(qiáng)等只隨位置改變，而不隨時(shí)間改變，則我們稱為定態(tài)流動(dòng)。 流體在定態(tài)流動(dòng)時(shí)，遵循連續(xù)性方程。 2-2 1-1 Ws1 W

12、s2 如上圖所示： 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，有： Ws1=Ws2 而 Ws1=u1A11 Ws2=u2A22 A1=d12/4 A2=d22/4 代入有： u1/u2= d22/ d12 ， 此式即為連續(xù)性方程。 三、能量守恒與柏努利方程 流體在做定態(tài)流動(dòng)時(shí)，根據(jù)能量守恒定律，對(duì)任意截面進(jìn)行能量衡算。 1、定態(tài)流動(dòng)時(shí)的總能量衡算A、內(nèi)能 物質(zhì)內(nèi)部能量的總和，用U表示。單位是:kJ/kgB、位能 物體因受重力作用，在不同的高度所具有的能量。m.g.z(kJ/kg)C、動(dòng)能 物體因運(yùn)動(dòng)而具有的能量。mu2/2D、靜壓能 流體的靜壓強(qiáng)是推動(dòng)流體流動(dòng)的動(dòng)力，即靜壓強(qiáng)對(duì)流體做功。pVs（kJ/kg）E、熱 流

13、體溫度變化，而帶來(lái)的熱能的變化，被加熱則為為正，被冷卻則為負(fù)。用Q來(lái)表示。（kJ/kg）F、功 流體流動(dòng)獲得機(jī)械能為正（用We來(lái)表示）；流體損失機(jī)械能為負(fù)(用Hf表示)。 2、定態(tài)流動(dòng)時(shí)的機(jī)械能衡算和柏努利方程 如前圖：對(duì)1-1和2-2截面進(jìn)行能量衡算。 上式中：若物質(zhì)的內(nèi)能無(wú)變化，則U1=U2 pVs=pws/ 上式若以1kg流體為衡算對(duì)象，則有：3、關(guān)于柏努利方程的討論 見課本P36（略）4、柏努利方程的應(yīng)用 例1：見課本P37 例2：見課本P38 例3：見課本P391.4流體流動(dòng)現(xiàn)象 一、流體流動(dòng)類型 1、雷諾實(shí)驗(yàn) 1883年雷諾通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示了流體流動(dòng)有兩中不同的流動(dòng)類型：層流和湍流。

14、2、兩種流動(dòng)形態(tài) 層流和湍流 3、雷諾準(zhǔn)數(shù) 在雷諾實(shí)驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)流體以何種流動(dòng)形態(tài)流動(dòng)，與管道直徑d、流體密度、流體粘度和流速u有關(guān)。將四個(gè)參數(shù)構(gòu)成數(shù)群： 式中Re為雷諾準(zhǔn)數(shù)（簡(jiǎn)稱雷諾數(shù)）。 實(shí)驗(yàn)證明：Re2000為層流；2000Re4000為過(guò)渡流態(tài)；Re4000為湍流。 二、層流與湍流 1、流體質(zhì)點(diǎn)的區(qū)別 層流時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)是沿著管軸進(jìn)行規(guī)則平行分層運(yùn)動(dòng)、質(zhì)點(diǎn)之間既不碰撞，也不相互混合。 湍流時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)是作不規(guī)則的雜亂的運(yùn)動(dòng)、質(zhì)點(diǎn)之間有碰撞，也相互混合，從而產(chǎn)生大大小小的旋渦。 2、速度分布A、層流時(shí)的速度分布 式中：u為平均流速 umax為最大流速 流速分布如圖。 2、湍流時(shí)的速度分

15、布 湍流時(shí)的速度分布與Re數(shù)的大小有關(guān)。如圖。的值與Re數(shù)有關(guān)。具體見課本P45頁(yè)關(guān)聯(lián)圖。 三、流體邊界層 板面附近流速變化大（存在較大的速度梯度）的區(qū)域稱為流動(dòng)邊界層。從平板前緣開始一段長(zhǎng)度內(nèi)，邊界層總是處于滯流狀態(tài)，稱為滯流邊界層。 1.5阻力損失 流體在管道中流動(dòng)，由于受到阻力的作用，必然要克服阻力而做功，對(duì)流體而言就是能量損失。根據(jù)阻力產(chǎn)生部位的不同，可以分為直管阻力和局部阻力。直管阻力是流體流經(jīng)一定管徑的直管時(shí)，由于流體的內(nèi)摩擦力（即粘性力）而產(chǎn)生的阻力。局部阻力主要是由于體流經(jīng)管路中管件、閥門及管截面形狀和尺寸突然擴(kuò)大和縮小等局部地方引起流體邊界層分離造成的阻力。 一、化工管路 化

16、工管路設(shè)計(jì)是化工設(shè)計(jì)的重點(diǎn)工作之一，而化工管路由兩部分組成：直管和管件。 1、直管（管子） 直管有以下幾種材料的： A、鋼管（包括無(wú)縫鋼管、有縫鋼管） B、鑄鐵管 C、有色金屬管（包括銅管、鋁管、鉛管等） D、非金屬材料管（包括陶瓷管、玻璃管、橡膠管、塑料管等） 2、管件 要將管子連接成管路，必須使用各種管件，是管路延長(zhǎng)、轉(zhuǎn)向或分（合流）等。 A、改變管路流向的 B、形成支路的 C、改變管路直徑的 D、連接管路的 E、控制流體流量的 3、閥門 A、截止閥 B、閘閥 C、節(jié)流閥 D、止回閥 E、旋塞（考克）二、流體在直管中的阻力損失計(jì)算 流體的阻力損失包含了兩項(xiàng)：hf和hf。 其中：hf為直管阻

17、力損失。 1、直管阻力計(jì)算的通式 如圖：所示為一水平直管內(nèi)流體作定態(tài)流動(dòng)。在1-1和2-2截面間進(jìn)行衡算。 因?yàn)楣苈分袩o(wú)局部阻力產(chǎn)生的管件。同時(shí)Z1=Z2；u1=u2則可以列出柏努利方程如下：可以簡(jiǎn)化成：分析在直徑為d、長(zhǎng)度為l的直管中的阻力大?。和苿?dòng)力P=P1-P2=（p1-p2）A而 阻力由于處于力的平衡狀態(tài)： P=F有： 有： 在式兩邊分別乘以有：令，則：上式為計(jì)算直管阻力的范寧公式。上式中稱為摩擦系數(shù)，摩擦應(yīng)力與流體流動(dòng)類型有關(guān)，因此也因流體不同的流動(dòng)類型而變化。 （1）層流時(shí)： ；只與Re值有關(guān)，和管壁粗糙度無(wú)關(guān)； （2）湍流時(shí)的與Re值和相對(duì)粗糙度（/d）有關(guān)，具體數(shù)據(jù)在關(guān)聯(lián)圖中查

18、?。▓D見P62，粗糙度見P55表格）。2、非圓形管道的當(dāng)量直徑 在化工生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到非圓形管道或者設(shè)備。 當(dāng)量直徑de是水力半徑的4倍。 de=4rH三、流體流動(dòng)的局部阻力損失計(jì)算 流體在管路中流動(dòng)，在管件處由于流速、方向的改變，使流體受到的阻力損失，為局部阻力損失。表示為hf1、阻力系數(shù)法 克服局部阻力所引起的能量損失，可以表示為動(dòng)能的倍數(shù)，即： 或： 式中稱為局部阻力系數(shù)。 關(guān)于的討論：（1）、突然擴(kuò)大或突然縮小，式中的流速u應(yīng)該以小截面處的流速為準(zhǔn)，根據(jù)小管與大管的截面積之比，在圖中查?。▓D見P67）。（2）、進(jìn)口與出口，流體從容器中流出，或流入容器中，可按照大截面積與小截面積之比為1

19、或?yàn)?來(lái)計(jì)算（流速u與前面相同，P67圖）。（3）流體從管子直接排入管外空間時(shí)，管口內(nèi)側(cè)截面上的壓強(qiáng)應(yīng)取與管外壓強(qiáng)相等，同時(shí)此處流體還具有動(dòng)能，故出口阻力損失不應(yīng)該計(jì)算在內(nèi)?。?）其他數(shù)據(jù)可以在P68的表中查取。2、當(dāng)量長(zhǎng)度法 流體流經(jīng)管件或閥門時(shí)造成的阻力損失可以折合成相當(dāng)于流體流過(guò)相同直徑、長(zhǎng)度為le的直管阻力損失，即可以采用直管阻力計(jì)算公式計(jì)算： 式中l(wèi)e為當(dāng)量長(zhǎng)度，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，單位為m。我們?cè)诔Ｒ姷臄?shù)據(jù)手冊(cè)中查到的通常是le/d，表示管道直徑的多少倍，常見管件的數(shù)據(jù)見表（P68）3、總的阻力損失 管路的總能量損失，又稱為總阻力損失，包括所有直管阻力和所有局部阻力。等徑管路的總阻力損失計(jì)

20、算式為：或者： （式中：；） 1.6、管路計(jì)算 一、簡(jiǎn)單管路和復(fù)雜管路 1、簡(jiǎn)單管路 全部流體從入口到出口在一根管道中，并無(wú)分支的連續(xù)流動(dòng)。為簡(jiǎn)單管路。 （1）等徑管路是最簡(jiǎn)單的一種管路，它的阻力損失的計(jì)算也是最簡(jiǎn)單的。 （2）串聯(lián)管路總阻力損失是各直管阻力損失和各局部阻力損失的總和。（如圖） 2、復(fù)雜管路 （1）并聯(lián)管路 如圖所示：為并聯(lián)管路。 Vs=Vs1+Vs2+Vs3 （2）分支管路 如圖所示：為分支管路。 注意：流量關(guān)系、主管的阻力損失關(guān)系 （3）匯總管路 如圖所示為匯總管路。 二、簡(jiǎn)單管路計(jì)算 此類管路計(jì)算機(jī)中常遇到的問(wèn)題歸納起來(lái)，主要有以下三種情況： 1、已經(jīng)規(guī)定出管徑、管長(zhǎng)、管

21、件和流體的流速，求流體流過(guò)此管路的阻力損失。依據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇流體輸送機(jī)械。根據(jù)： 計(jì)算出： 再計(jì)算輸送機(jī)械的功率消耗。（注意：的單位是J/kg，功率消耗的單位是J/s）。 2、已經(jīng)規(guī)定出管徑、管長(zhǎng)、管件和允許的阻力損失，求管路的輸送能力。 3、已經(jīng)管長(zhǎng)、管件、允許的阻力損失和需要的流量，求管徑。 本計(jì)算機(jī)一般采用試差的辦法進(jìn)行計(jì)算！即先假設(shè)一個(gè)，根據(jù)這個(gè)管徑進(jìn)行計(jì)算。 例：管路的總長(zhǎng)度（ ）為100m，要求水在鋼管中的流量為27m3/h，輸送過(guò)程允許的壓頭損失為4mH2O，試確定管路直徑。 及 所以有： 1.7流量測(cè)量 測(cè)量流體的流量和流速，無(wú)論是在化工生產(chǎn)的操作還是在化工實(shí)驗(yàn)中都有很重要的作

22、用。 測(cè)量原理：本節(jié)講述的幾種都是基于流體動(dòng)力學(xué)原理的。 一、畢托管測(cè)速計(jì) 1、結(jié)構(gòu) 如圖所示為畢托管的結(jié)構(gòu)示意圖。畢托管是由內(nèi)外兩層套管組成。其中內(nèi)管和外管在圖示A、B點(diǎn)處開兩個(gè)測(cè)量孔，下接U形壓差計(jì)。 2、原理A、B兩點(diǎn)的沖壓：A、B兩點(diǎn)之間的壓差（沖壓）則：3、畢托管的安裝（1）直管長(zhǎng)度要達(dá)到100d。（2）畢托管與直管的軸線要重合。（3）畢托管的直徑要d/50。 二、孔板流量計(jì) 1、結(jié)構(gòu) 如圖：所示為孔板流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。 主要是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)孔板和一個(gè)U形壓差計(jì)組成。 2、工作原理 通過(guò)孔板將流體的流速改變，不考慮阻力損失，列出動(dòng)力學(xué)方程： 根據(jù)連續(xù)性方程有： 有： 考慮到阻力損失和U形

23、壓差計(jì)測(cè)量點(diǎn)位置的因素，引入校正系數(shù)。C1和C2，有： 令：C0=則有： 三、文丘利管略（原理與孔板相同） 四、轉(zhuǎn)子流量計(jì) 1、結(jié)構(gòu)如圖：所示為轉(zhuǎn)子流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。 2、工作原理主要是靠轉(zhuǎn)子的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的讀數(shù)的。2 流體輸送機(jī)械在化工生產(chǎn)中，為了滿足工藝要求，常需要將流體從一地方輸送到另一個(gè)地方，或從低壓輸送到高壓。流體輸送機(jī)械就是對(duì)流體做功，以完成輸送任務(wù)的機(jī)械。本章主要介紹化工中常用的流體輸送設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特性。2.1流體輸送機(jī)械流體輸送機(jī)械的種類很多，主要有兩大類：離心泵和正位移泵。一、離心泵1、離心泵的工作原理 離心泵是一種葉片式泵。如圖所示。 流體在泵內(nèi)，在葉

24、輪的帶動(dòng)下，高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的流體的離心力的作用下，被高速“甩”出葉輪，從而獲得能量（動(dòng)能）。同時(shí)在葉輪的中心部位，產(chǎn)生負(fù)壓。流體在此負(fù)壓作用下，從吸入口處被吸入泵內(nèi)。2、離心泵的主要部件A、泵殼（蝸殼）采用漸開線形的泵殼。有利于流體在葉輪和泵殼之間的通道流動(dòng)時(shí)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能。 B、葉輪 葉輪是泵對(duì)流體做功的部件，也是泵內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)的部件，葉輪的好壞直接關(guān)系到泵的性能好壞。 葉輪一般有三種類型的：開式、半開式、封閉式葉輪。 C、吸入管 吸入管是離心泵吸入流體的部位，在葉輪的中心和吸入管的入口處的負(fù)壓的大小對(duì)泵的性能的影響要特別注意。 D、密封裝置 密封裝置有：動(dòng)密封和靜密封兩類。此處主要是動(dòng)密

25、封。 離心泵上的密封主要是填料函密封。 E、電機(jī) 電機(jī)是離心泵的動(dòng)力裝置，我們選擇離心泵的動(dòng)力裝置要按照泵的銘牌上的要求選擇。 注意電機(jī)的類型：Y型是異步電機(jī)；B表示防爆電機(jī)。4、離心泵的性能曲線離心泵的生產(chǎn)廠家，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的方法，將泵的H-Q、N-Q、-Q關(guān)系曲線繪制在一張圖上，并附在說(shuō)明書上。一般是在一定轉(zhuǎn)速和常壓下以常溫的清水為實(shí)驗(yàn)流體測(cè)定。A、H-Q表示泵的流量和揚(yáng)程的關(guān)系，一般離心泵的揚(yáng)程隨流量的增加而下降。B、N-Q表示泵的流量與軸功率的關(guān)系，一般離心泵的軸功率隨流量的增加而增加。C、-Q表示泵的效率與流量的關(guān)系，一般情況下，離心泵的效率隨流量的增加而增加到一個(gè)極高值，而后又下降

26、。5、離心泵的類型A、清水泵該類流體主要是針對(duì)輸送清水設(shè)計(jì)的，原型號(hào)用B表示，新的使用SH表示。是一類使用廣泛的泵，既應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，還使用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水利、灌溉。B、耐腐蝕泵原型號(hào)F，新型號(hào)為IH，是一類輸送腐蝕性液體的泵?？梢酝ㄟ^(guò)更換耐腐蝕元件，達(dá)到適應(yīng)不同液體的目的。C、油泵型號(hào)代碼為Y，是一類廣泛使用于輸送有機(jī)液體的泵。D、雜質(zhì)泵主要是輸送含有固體雜質(zhì)的混合液體的泵，型號(hào)代碼：P二、其他類型的泵簡(jiǎn)介（略）2.2 氣體輸送機(jī)械氣體輸送機(jī)械的基本原理及其操作原理，與液體輸送機(jī)械類似，也可以分為離心式、往復(fù)式等幾類。但由于氣體具有可壓縮性，在氣體在被壓送的同時(shí)，氣體的體積、壓強(qiáng)、溫度也隨之變

27、化，這些導(dǎo)致氣體輸送機(jī)械在結(jié)構(gòu)、形狀有很大的不同。 一般根據(jù)氣體壓強(qiáng)的變化將氣體輸送機(jī)械分為以下幾類：1、通風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)在15Kpa以下（表壓，下同）壓縮比11.5。2、鼓風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)在15300Kpa，壓縮比小于4。3、壓縮機(jī)：出口壓強(qiáng)在300Kpa以上，壓縮比在4以上。4、真空泵：出口壓強(qiáng)在當(dāng)?shù)氐拇髿鈮?，但入口壓?qiáng)小于大氣壓。一、離心通風(fēng)機(jī)1、工作原理與離心泵相同（略）2、結(jié)構(gòu)同樣具有：機(jī)殼、葉輪、吸入口和排出口組成。3、特性參數(shù)A、風(fēng)量：是指出口處排出的風(fēng)的體積（以進(jìn)口處的狀態(tài)計(jì)算）。B、風(fēng)壓：是指單位體積的氣體流過(guò)風(fēng)機(jī)時(shí)獲得的能量，由于單位與壓強(qiáng)單位一直，故稱為風(fēng)壓。D、軸功率：傳

28、動(dòng)軸所需要的功率。E、效率：傳動(dòng)軸的功率不是完全用來(lái)對(duì)氣體做功，氣體獲得的功與軸功率之比。 二、離心鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)離心鼓風(fēng)機(jī)與壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作原理與離心通風(fēng)機(jī)相似。有單級(jí)和多級(jí)之分。多級(jí)鼓風(fēng)機(jī)其實(shí)就是下一級(jí)以上一級(jí)的出口為入口，進(jìn)行進(jìn)一步加壓。三、往復(fù)壓縮機(jī)和真空泵1、往復(fù)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖：由于氣體是可以被壓縮的，故行程與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，與往復(fù)泵的曲線有點(diǎn)不同。特點(diǎn)：具有很高的壓縮比，輸出壓強(qiáng)可以達(dá)到很高的值。 3.0 非均相物系的分離 非均相物系的概念：是指物系中含有兩個(gè)或以上的相。例如：氣-液混合物系，液-固混合物系，液-液混合物系等。對(duì)非均相物系而言，被分散的為分散相（或分散內(nèi)相，是不連

29、續(xù)的），另一相則為分散外相（是連續(xù)的，又稱為連續(xù)相）。 非均相物系的分離，就是將混合物系分離開。 分離的目的有：1、凈化分散介質(zhì)以獲得純凈的氣體或液體。2、收取分散物質(zhì)，以獲得成品。3、保護(hù)環(huán)境。 3.1過(guò)濾操作一、過(guò)濾操作的基本概念1、過(guò)濾過(guò)濾操作是利用外力是懸浮液通過(guò)多孔性介質(zhì)，固體顆粒被截留，濾液通過(guò)介質(zhì)，而實(shí)現(xiàn)固體顆粒與液體分離的操作。2、濾液通過(guò)多孔性介質(zhì)后的液體。3、濾餅被截留在多孔性介質(zhì)上的固體顆粒。4、濾漿過(guò)濾之前的固體與液體的混合物。5、過(guò)濾介質(zhì)過(guò)濾操作中使用的多孔性介質(zhì)。有：A、織物介質(zhì)（濾布）；B、堆積性介質(zhì)；C、多孔性固體介質(zhì)二、過(guò)濾操作的原理1、過(guò)濾壓強(qiáng)差如圖所示：過(guò)

30、濾壓強(qiáng)差就是濾液和濾漿之間的靜壓強(qiáng)差。該壓強(qiáng)差是過(guò)濾得以進(jìn)行的推動(dòng)力，要提高過(guò)濾速度就要提高這個(gè)靜壓強(qiáng)差。提高靜壓強(qiáng)差的方法；加大濾漿側(cè)的靜壓強(qiáng)或者降低濾液側(cè)的靜壓強(qiáng)。由此而得到兩類過(guò)濾操作：壓濾和抽濾。 三、典型過(guò)濾設(shè)備（一）、葉濾機(jī)1、結(jié)構(gòu)如圖所示：由一個(gè)一端封閉側(cè)面開小孔的管外罩濾布，組成濾葉。若干個(gè)濾葉連接在一個(gè)總管上，并封閉于密閉容器內(nèi)形成葉濾機(jī)。2、工作原理濾漿在密閉容器內(nèi)壓強(qiáng)的作用下，濾液通過(guò)濾布流入總管。濾餅附著與濾葉的外表面。 （二）、板框式壓濾機(jī)1、結(jié)構(gòu)如圖所示；由濾板和濾框交替疊合構(gòu)成，在板和框之間壓濾布。板和框在相同位置打孔，形成濾漿的入口和濾液的出口。2、原理（略）上

31、述兩種壓濾機(jī)，存在的缺點(diǎn)：濾餅的卸除比較麻煩。適用于固體顆粒含量比較低的濾漿的過(guò)濾。（三）、滾筒式真空抽濾機(jī)1、結(jié)構(gòu)如圖所示：由滾筒、濾漿槽、洗滌噴頭、刮刀和分配板組成。2、工作原理滾筒上任意一個(gè)單元，在滾筒滾動(dòng)一周，要經(jīng)歷：抽濾、洗滌、吹松和刮除幾個(gè)階段。 3.2 沉降沉降操作是利用將懸浮在流體中的固形物和流體的密度不同，在外力的作用下，實(shí)現(xiàn)分離的目的操作。根據(jù)外力的不同，可以分為：沉降和離心分離兩類。一、降塵室1、結(jié)構(gòu)是在流體通道上增加一個(gè)截面很大的容器。如下圖。2、原理由于降低了流體的流速，使流動(dòng)的Re數(shù)變小，固體顆粒在重力的作用下，發(fā)生沉降分離。固體顆粒大的沉降速度快，顆粒小的沉降速度

32、慢。因此固體顆粒在沉降室內(nèi)的分布是先大后小。實(shí)踐證明：沉降室對(duì)氣固混合物的分離效果與沉降室的底板面積大小有關(guān)，而與沉降室的高度無(wú)關(guān)。 二、沉降槽（增稠器）1、結(jié)構(gòu)如圖所示：由圓桶和錐形容器構(gòu)成，其中混合物的入口在中間位置，清液由四周的溢流槽溢出，泥漿從底部由泥漿泵抽出。2、原理（略）該設(shè)備只能對(duì)混合物中的固體顆粒進(jìn)行增稠，而不能實(shí)現(xiàn)完全的分離。 三、旋風(fēng)分離器1、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖所示：2、工作原理氣體在入口管的導(dǎo)引下，在圓桶內(nèi)形成旋風(fēng)，離心力是固體顆粒和氣體分離，氣體從中心的管道流出分離器。該分離裝置，不需要?jiǎng)恿Γ瑹o(wú)運(yùn)動(dòng)部件，工作可靠。提高分離效果的關(guān)鍵是各部分的尺寸比例關(guān)系。因此國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有“標(biāo)

33、準(zhǔn)”分離器一說(shuō)。 4.0 傳熱4.1概述一、傳熱的目的及應(yīng)用1、傳熱的概念無(wú)論是固體、液體、氣體，凡是存在溫度差，就必然導(dǎo)致熱自發(fā)的從高溫處向低溫處傳遞，這一過(guò)程就是熱量傳遞過(guò)程，簡(jiǎn)稱傳熱。2、傳熱的目的傳熱過(guò)程廣泛的存在于化工生產(chǎn)過(guò)程，且在其中具有極其重要的地位和作用。3、研究傳熱的目的A、強(qiáng)化傳熱過(guò)程；B、弱化傳熱過(guò)程； 二、熱量傳遞的基本方式1、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱，它是物質(zhì)各部分之間不發(fā)生宏觀的相對(duì)位移的情況下，物質(zhì)分子熱運(yùn)動(dòng)的傳遞。2、對(duì)流傳熱由于流體的流動(dòng)，將熱量由一個(gè)地方帶到另一個(gè)地方。A、自然對(duì)流：流體溫度發(fā)生變化時(shí)，密度也相應(yīng)發(fā)生變化，密度小的流體向上流動(dòng)，密度大的向下流動(dòng)。

34、B、強(qiáng)制對(duì)流：由于外力的作用使流體發(fā)生流動(dòng)的對(duì)流傳熱。3、輻射傳熱凡是溫度高于絕對(duì)0度的物質(zhì)，都有向外發(fā)射電磁波的能力，波所具有的能量為輻射能。熱量以輻射能的形式向外傳遞的傳熱方式稱為輻射傳熱。 三、工業(yè)生產(chǎn)中流體常用換熱方式1、間壁式換熱冷、熱流體之間隔著一個(gè)固體的間壁，在換熱的過(guò)程中相互不接觸。如圖：為單管程列管式換熱器2、混合式換熱器冷、熱流體直接接觸完成熱量的傳遞；如圖：為機(jī)械通風(fēng)式?jīng)鏊擃悡Q熱器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)；但是也具有顯著的缺點(diǎn)：適用范圍很狹窄。3、蓄熱式換熱器冷、熱流體周期性的通過(guò)換熱器，輪流對(duì)蓄熱體進(jìn)行加熱、冷卻，從而完成換熱。如圖：為蓄熱式換熱器。四、定態(tài)傳熱和

35、非定態(tài)傳熱連續(xù)進(jìn)行的傳熱過(guò)程為定態(tài)傳熱；間歇性進(jìn)行的傳熱為非定態(tài)傳熱。定態(tài)傳熱的特點(diǎn)：輸入系統(tǒng)的熱量等于輸出系統(tǒng)的熱量；對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)任意一點(diǎn)，溫度不隨時(shí)間而變化，溫度僅僅是位置的函數(shù)，而與時(shí)間無(wú)關(guān)。五、傳熱速度與熱通量1、傳熱速度單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)傳熱面所傳遞的熱量，用Q表示，其單位為W（瓦）。2、熱通量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位傳熱面面積的熱量，用q表示，其單位為W/m2。上述兩者的關(guān)系是： （W/m2）4.2熱傳導(dǎo)一、熱傳導(dǎo)的基本概念1、溫度場(chǎng)某一瞬間物體內(nèi)溫度的分布稱為溫度場(chǎng)。一般情況下溫度場(chǎng)是空間和時(shí)間的函數(shù)：若溫度隨時(shí)間變化，則為非定態(tài)傳熱。2、等溫面和溫度梯度A、等溫面溫度場(chǎng)內(nèi)溫度相等各點(diǎn)組成的

36、曲面，稱為等溫面?？赡苁瞧矫嬉部赡苁乔?。B、溫度梯度等溫面的各點(diǎn)溫度都是相等的，因此在等溫面上沒(méi)有熱量傳遞的，熱量傳遞只發(fā)生在溫度不同的等溫面之間。若兩個(gè)等溫面之間的溫度差為t，在法線上的距離為n，則溫度梯度表示為：2、傅立葉定律傅立葉定律表明：傳熱速率Q與溫度梯度gradt、垂直于導(dǎo)熱方向的傳熱面積S成正比。對(duì)一維定態(tài)傳熱可以寫成： 或 3、導(dǎo)熱系數(shù)上述各式中的作為比例系數(shù)為導(dǎo)熱系數(shù)。的大小表示物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小。它的物理意義可以表述為：?jiǎn)挝粶囟忍荻认碌臒嵬俊?shù)學(xué)式可以表示為：二、平壁定態(tài)熱傳導(dǎo)1、單層平壁熱傳導(dǎo)如圖：所示單層平壁，建立坐標(biāo)系，并在其中取厚度為dx的微元。傳熱速率有：由于

37、x=0時(shí)，t=tw1；x=時(shí)，t=tw2；對(duì)上式進(jìn)行積分有：或者寫成：式中： （熱阻）2、多層平壁熱傳導(dǎo)如圖：所示為三層平壁定態(tài)熱傳導(dǎo)示意圖。因?yàn)槭嵌☉B(tài)熱傳導(dǎo)，因此有：而： （1） （2） （3）將上述三式相加，且 ，有： =t或者寫成：三、圓筒壁定態(tài)熱傳導(dǎo)1、單層圓筒壁定態(tài)熱傳導(dǎo)如圖：在內(nèi)直徑和外直徑之間，取半徑為r的微層，厚度為dr，溫差為dt，則有：對(duì)上式進(jìn)行積分有：令： 有：式中： （熱阻） 2、多層圓筒壁定態(tài)熱傳導(dǎo)如圖：定態(tài)傳熱時(shí)： 將相加，有：4.3對(duì)流傳熱一、牛頓冷卻定律1、對(duì)流傳熱過(guò)程如圖：為間壁對(duì)流傳熱熱流體將熱量傳遞給間壁，熱量在間壁內(nèi)做熱傳導(dǎo)，再傳遞給冷流體。冷、熱流體與

38、間壁接觸處，均存在層流內(nèi)層，層流內(nèi)層的存在是對(duì)流傳熱的熱阻主要集中處。2、牛頓冷卻定律流體被壁面加熱時(shí)：流體被壁面冷卻時(shí)：對(duì)于整個(gè)對(duì)流傳熱過(guò)程來(lái)說(shuō)，由于流體溫度是變化的，因此值也是在變化的，引入平均對(duì)流給熱系數(shù)的概念后有：二、影響對(duì)流給熱系數(shù)的因素1、流體流動(dòng)產(chǎn)生的原因流體流動(dòng)產(chǎn)生的原因有：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。強(qiáng)制對(duì)流的給熱系數(shù)要比自然對(duì)流的給熱系數(shù)大。2、流動(dòng)型態(tài)及流速的影響由于流動(dòng)型態(tài)的不同，影響層流內(nèi)層的厚度，Re數(shù)大則，層流內(nèi)層薄，對(duì)流給熱系數(shù)就大。3、流體物理性質(zhì)的影響影響流體對(duì)流給熱系數(shù)的物理性質(zhì)有：粘度、比熱、體積膨脹系數(shù)等。4、流體溫度的影響5、流體相變6、換熱面的幾何形狀4.

39、4 傳熱計(jì)算工業(yè)生產(chǎn)中的換熱大多數(shù)是通過(guò)間壁式換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在所傳熱量中輻射傳熱所占比例很小，故在傳熱計(jì)算中輻射傳熱部分忽略。一、熱量衡算1、熱負(fù)荷的計(jì)算換熱器中冷熱流體單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量，稱為換熱器的熱負(fù)荷表示為Q。一個(gè)能滿足要求的換熱器必須使其傳熱速率等于（或略大于）熱負(fù)荷。熱流體放出的熱量Qh，冷流體吸收的熱量Qc，熱量損失Qf。若熱量損失能忽略時(shí)：Q=Qh=Qc若熱量損失不能忽略時(shí)：Qh=Qc+Qf如圖中所示。其中：Qh =Q1-Q2; Qc =Q4-Q3。2、載熱體換熱量計(jì)算A、顯熱法適用于流體沒(méi)有發(fā)生相變化的。B、潛熱法此適用于有相變。C、焓差法此法在有無(wú)相變均可采用。二、傳熱

40、基本方程改寫成：三、傳熱系數(shù)1、傳熱系數(shù)K值的計(jì)算在定態(tài)傳熱時(shí)： 總傳熱量 熱流體對(duì)間壁的給熱 間壁的熱傳導(dǎo) 間壁對(duì)冷流體的給熱而：有：或： 或：上述K1；Ki；Km分別表示對(duì)應(yīng)于內(nèi)表面積、管的平均表面積、外表面積的傳熱系數(shù)。四、傳熱計(jì)算的兩類問(wèn)題1、設(shè)計(jì)性計(jì)算根據(jù)工藝要求（熱負(fù)荷）計(jì)算換熱器的傳熱面積，從而設(shè)計(jì)換熱器的結(jié)構(gòu)。2、驗(yàn)證性計(jì)算已知換熱器的換熱面積和換熱器的結(jié)構(gòu)，計(jì)算它所能達(dá)到的換熱量。驗(yàn)證是否符合工藝要求。 5.0蒸發(fā) 5.1蒸發(fā)操作概述一、蒸發(fā)操作的概念1、概念是將含有不揮發(fā)溶質(zhì)的溶液加熱，使溶劑不斷揮發(fā)并移去以提高溶液濃度的操作。2、蒸發(fā)操作的特點(diǎn)A、溶質(zhì)不揮發(fā)B、伴隨傳熱過(guò)

41、程C、溶液性質(zhì)對(duì)蒸發(fā)操作的影響D、溶液費(fèi)點(diǎn)的改變3、溶液濃度的表示質(zhì)量百分比：二、蒸發(fā)設(shè)備1、自然循環(huán)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)如右圖：為典型自然循環(huán)蒸發(fā)器。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：流體在加熱器的列管內(nèi)被加熱、汽化，同時(shí)進(jìn)行如圖中箭頭所示的自然循環(huán)（由于密度差，形成的自然流動(dòng)）。由于溶液在加熱器內(nèi)就開始汽化，溶液夾帶著大量汽泡，影響溶液和列管之間的傳熱，同時(shí)溶質(zhì)也可能在管內(nèi)結(jié)晶，形成垢層。 2、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)如右圖：為典型強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)示意圖通過(guò)外加循環(huán)泵和除沫器的方式，來(lái)提高溶液在蒸發(fā)器中的循環(huán)，同時(shí)由于外加了一個(gè)除沫器，提高了列管內(nèi)的靜壓強(qiáng)，使溶液在管內(nèi)不沸騰（或少沸騰），提高管壁與溶液的傳熱

42、效率。三、蒸發(fā)操作流程（一）、間歇性蒸發(fā)操作如圖為間歇性蒸發(fā)操作流程。特點(diǎn)：稀溶液一次性加入，加熱蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽，由于溶液濃度的逐步提高，蒸發(fā)操作體系的溫度是逐步提高的。等一個(gè)周期完成以后，再次加料進(jìn)行下一批次的蒸發(fā)操作。 （二）、連續(xù)性蒸發(fā)操作1、單級(jí)蒸發(fā)操作如圖所示：?jiǎn)渭?jí)蒸發(fā)是原料液連續(xù)不斷加入蒸發(fā)器，經(jīng)加熱蒸發(fā)形成二次蒸汽和完成液，二次蒸汽和完成液也是連續(xù)不斷的產(chǎn)生。主要適用于蒸發(fā)溶劑量（或蒸發(fā)量）不大的溶液。缺點(diǎn)：二次蒸汽所含熱量沒(méi)充分利用。2、多級(jí)蒸發(fā)操作為充分利用二次蒸汽所含熱量，可以將上級(jí)蒸發(fā)操作產(chǎn)生的二次蒸汽作為下一級(jí)的加熱蒸汽。如圖所示： 多級(jí)蒸發(fā)操作的特點(diǎn)：溶液的流向和熱

43、量的流向逆向。對(duì)熱量能充分利用。 四、物質(zhì)和能量衡算1、物質(zhì)計(jì)算如圖所示：對(duì)溶液而言，有：對(duì)加熱蒸汽而言，有：物質(zhì)的總量不變。2、熱量衡算或者：當(dāng)溶液濃縮熱忽略不計(jì)，且： 及則有：從上述，可以看出，對(duì)蒸發(fā)操作進(jìn)行熱量衡算的根本目的是為計(jì)算加熱蒸汽的用量。 6.0氣體吸收6.1 概述一、吸收：氣體吸收是用液體吸收劑吸收氣體的單元操作。二、吸收基本原理 利用氣體混合物中各組分在某一液體吸收劑中溶解度的不同，從而將其中溶解度最大的組分分離出來(lái)。三、吸收的特點(diǎn) 吸收是一種組分從氣相傳入夜相的單向擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程。四、傳質(zhì)過(guò)程 借擴(kuò)散進(jìn)行物質(zhì)傳遞的過(guò)程稱為傳質(zhì)過(guò)程。除吸收外，蒸餾.萃取.吸收.干燥等過(guò)程，也

44、都屬于傳質(zhì)過(guò)程。五、吸收劑的選擇 1 吸收劑應(yīng)對(duì)被分離組分有較大的溶解度，以減少吸收劑用量，從而降低回收吸收劑的能量消耗； 2 吸收劑應(yīng)有較高的選擇性，即對(duì)于溶質(zhì)能選擇性溶解，而對(duì)其余組分則基本不吸收或吸收較少； 3 吸收劑應(yīng)易于再生，以減少“解吸”的設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用； 4 吸收劑的蒸汽壓要低，以減少吸收過(guò)程中的揮發(fā)損失； 5 吸收劑應(yīng)有較低的粘度、較高的化學(xué)穩(wěn)定性； 6 吸收劑應(yīng)盡可能價(jià)廉易得、無(wú)毒、不易燃、腐蝕性小。 6.2吸收過(guò)程中的相平衡關(guān)系6.2.1相組成的表示方法1 質(zhì)量分率2 摩爾分率3 比質(zhì)量分率4 比摩爾分率5 質(zhì)量濃度6 摩爾濃度7 氣體混合物的組成 6.2.2 氣體在液

45、體中的溶解度 1 氣體的溶解度：正逆擴(kuò)散速率達(dá)到相等，于是就出現(xiàn)了平衡。相平衡時(shí)，氣體吸收質(zhì)在溶液中的濃度，就是吸收質(zhì)在該條件下的溶解度。氣體的溶解度是在一定條件下吸收可能達(dá)到的最高限度，它與氣體和溶劑的性質(zhì)有關(guān)，并受溫度和壓力的影響。此時(shí)的溶液已被吸收質(zhì)所飽和，被稱為飽和溶液，溶液的濃度被稱為平衡濃度或飽和濃度。相平衡時(shí)，氣相和液相中吸收質(zhì)的組成不再變化，此時(shí)溶液上方溶解氣體的分壓，成為平衡分壓。 2 溶解度曲線 a在同一種溶劑中，不同氣體的溶解度有很大差異； b同一溶質(zhì)在相同的溫度下，隨著溶質(zhì)氣體分壓的提高，在液相中的溶解度加大； c同一溶質(zhì)在相同的分壓下，溶解度隨溫度降低而增大。6.2.

46、3亨利定律 亨利定律是描述互成平衡的氣、液兩相間組成關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它適用于溶解度曲線中低濃度的直線部分。由于相組成有多種表達(dá)方式，致使亨利定律有多種形式。 1. 式中： 液相中吸收質(zhì)的濃度 ； 與液相平衡的氣相吸收質(zhì)的分壓 或 ； H溶解度系數(shù) 或 。 2. 式中： 液相中吸收質(zhì)的摩爾分率； 亨利系數(shù) 。 3. 即 式中： 與液相平衡的氣相中吸收質(zhì)的摩爾分率； x 與液相平衡的氣相中吸收質(zhì)的摩爾分率； 相平衡常數(shù)（無(wú)量綱）； 混合氣體總壓 。 4. 式中：Y*溶質(zhì)在氣相中的比摩爾分率； X溶質(zhì)在液相中的比摩爾分率； 相平衡常數(shù)（無(wú)量綱）。 6.3吸收機(jī)理和吸收速率6.3.1傳質(zhì)的基本方式

47、吸收過(guò)程是溶劑從氣相轉(zhuǎn)移到液相的過(guò)程。由于溶劑從氣相轉(zhuǎn)移到液相是通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)行的，因此傳質(zhì)過(guò)程也稱為擴(kuò)散過(guò)程。擴(kuò)散有兩種基本方式： （1）分子擴(kuò)散：由于分子受熱運(yùn)動(dòng)造成質(zhì)量遷移的現(xiàn)象。在靜止或滯流的流體中，某一組分由濃度高的部位向濃度低的部位的移動(dòng)、是通過(guò)分子擴(kuò)散進(jìn)行的，（如一滴墨水滴入水中的擴(kuò)散就是分子擴(kuò)散）；當(dāng)組分垂直于層流流動(dòng)的薄層時(shí)，由于組分的移動(dòng)方向垂直于流體的流動(dòng)方向。因此可以斷定，在這種情況下物質(zhì)垂直穿過(guò)層流薄膜也只有分子擴(kuò)散才可完成。 根據(jù)費(fèi)克（Fick）定律即單位時(shí)間傳遞的物質(zhì)量與傳質(zhì)面積和沿傳質(zhì)方向的濃度梯度成正比，在穩(wěn)定條件下 式中 擴(kuò)散速率 ； 式中 分子擴(kuò)散通量 ； 傳

48、質(zhì)面積 ； 濃度梯度 ； 濃度差 ； 擴(kuò)散系數(shù) 。 擴(kuò)散距離 。 當(dāng)式中 ；（2）渦流擴(kuò)散 由于流體質(zhì)點(diǎn)湍流、脈動(dòng)、造成大量漩渦將物質(zhì)從高濃度傳遞到低濃度的擴(kuò)散。與給熱相似。 質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)與混合 共同點(diǎn) 方向從高到低 阻力小 分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散總稱對(duì)流擴(kuò)散吸收同時(shí)存在分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散即真正的層流膜內(nèi)是分子擴(kuò)散，膜外是渦流擴(kuò)散，而渦流擴(kuò)散比較復(fù)雜，不能定量計(jì)算，故把膜外（氣相主體與氣膜外緣與液相主體與液膜外緣）的渦流擴(kuò)散阻力折合成相當(dāng)分子擴(kuò)散的一定厚度虛擬膜加在真正的層流膜上，形成氣液相界面兩側(cè)的雙膜，通過(guò)費(fèi)克定律表示出來(lái)。 6.3.2吸收過(guò)程的機(jī)理 1雙膜理論雙膜理論的基本點(diǎn)：（1）當(dāng)氣液兩相作

49、相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在兩相接觸面（界面）的兩側(cè)存在著作層流流動(dòng)的穩(wěn)定的氣膜和液膜。吸收質(zhì)通過(guò)雙膜由氣相傳入液相。（2）界面上氣液兩相平衡。（3）吸收過(guò)程的阻力主要集中在界面兩側(cè)的氣膜和液膜上，吸收速率主要決定于通過(guò)此雙膜的擴(kuò)散速率。因此提高氣液兩流體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，可以減少氣膜和液膜的厚度，增大吸收速率。 6.3.3 吸收速率方程一、在吸收操作中，單位時(shí)間內(nèi)單位相際傳質(zhì)面積上吸收的溶質(zhì)量為吸收速率。表示吸收速率與吸收推動(dòng)力之間的關(guān)系式即為吸收速率方程式。1.氣膜吸收速率方程式 亦即 (1)式中： 吸收質(zhì)A的分子擴(kuò)散速率 ； 氣膜吸收系數(shù) ； Y、Yi吸收質(zhì)A在氣相主體與相界面處的比摩爾分率。 式中1/

50、kY為吸收質(zhì)通過(guò)氣膜的擴(kuò)散阻力，這個(gè)阻力的表達(dá)形式是與氣膜推動(dòng)力(Y-Yi)相對(duì)應(yīng)的。2.液膜吸收速率方程式 亦即 (2)式中： 吸收質(zhì)A的分子擴(kuò)散速率 ； 液膜吸收系數(shù) ； Y、Yi吸收質(zhì)A在相界面與液相主體處的比摩爾分率。 式中1/kX為吸收質(zhì)通過(guò)液膜的擴(kuò)散阻力，這個(gè)阻力的表達(dá)形式是與液膜推動(dòng)力(Xi-X)相對(duì)應(yīng)的。3.吸收速率總方程 界面上氣液兩相處于平衡狀態(tài)，故在亨利定律適用的范圍內(nèi) 即 另外，設(shè)與濃度 （摩爾分率）溶液平衡的氣相中吸收質(zhì)的摩爾分率 為 則： 將 、 代入（2）式 （3） 令 則： （4） 總阻力=氣膜阻力+液膜阻力 （4）式是用氣相濃度差 表示的總推動(dòng)力的吸收速率方程

51、，簡(jiǎn)稱為氣相總吸收速率方程式， 是以氣相濃度差 表示總推動(dòng)力時(shí)的吸收傳質(zhì)系數(shù)，簡(jiǎn)稱為氣相吸收傳質(zhì)總系數(shù)。單位 用同樣的方法也可以推導(dǎo)得 令 則 （6） 式（6）是用液相總濃度差 表示推動(dòng)力的吸收速率方程式，簡(jiǎn)稱液相總吸收速率方程。 是以總濃度差 表示推動(dòng)力時(shí)的吸收傳質(zhì)系數(shù)，稱為液相吸收傳質(zhì)總系數(shù)。單位6.3.4吸收總系數(shù)1 吸收系數(shù)的確定 吸收系數(shù)往往是通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得的，也可以用經(jīng)驗(yàn)公式或用準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的方法求算。2 吸收總系數(shù)與吸收膜系數(shù)的關(guān)系 式中：m相平衡常數(shù)，由求 出； 1/KY、1/KX與推動(dòng)力（Y、X）對(duì)應(yīng)的總阻力。式中：P氣相總壓（kPa）； C液相總濃度（kmol(溶液+吸收劑

52、)/m3）； kG以分壓差（p）為推動(dòng)力的氣膜吸收系數(shù)（kmol吸收質(zhì)/m2skPa）； KG以分壓差（p）為推動(dòng)力的氣相吸收系數(shù)（kmol吸收質(zhì)/m2skPa）； kL以濃度差（C）為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)（kmol吸收質(zhì)/（m2skmol吸收質(zhì)/m3） KL以濃度差（C）為推動(dòng)力的液相吸收系數(shù)（kmol吸收質(zhì)/（m2skmol吸收質(zhì)/m3）6.4吸收過(guò)程的計(jì)算6.4.1物料衡算與操作線方程一、吸收塔的物料衡算 根據(jù)質(zhì)量守恒原則：入方物料=出方物料 將上式整理可得：式中： 單位時(shí)間通過(guò)吸收塔的惰氣量 ； 單位時(shí)間通過(guò)吸收塔的吸收劑量 ； 、 、 、 分別表示進(jìn)塔、出塔氣相中和出塔、進(jìn)塔液相中吸

53、收質(zhì)的比摩爾分率 ；二 .吸收塔的操作線方程 將（1）可整理為： （2） 全塔操作線方程 溶質(zhì)吸收率或回收率 用（2）式可求得塔底吸收液濃度 。 我們可以在塔截面任意高度取一截面 與塔底端面之間作吸收質(zhì)的物料衡算，如前圖： 整理得： 上式稱為逆流吸收塔的操作線方程。 、 、 是工藝上確定的， 與精餾操作線方程一樣是斜截式方程直線的斜率。 逆流吸收塔的操作線方程 表示在吸收塔任一截面上，氣 液兩相中吸收質(zhì)的濃度關(guān)系， 它在坐標(biāo)圖上為一條直線AT， 直線端點(diǎn)A表示塔頂?shù)囊合酀舛?和氣相濃度（稀端），端點(diǎn)B表 示塔底的液相濃度和氣相濃度 （濃端）。直線上的任一點(diǎn)（X、Y）則表示塔中任一截面 液相氣相

54、的濃度。AT線為任一塔截面的操作線，AB線為全塔操作線。 6.4.2 吸收劑用量的確定 1 液氣比 由全塔操作線方程改寫，得： L/V稱為吸收劑單位耗用量或液氣比。即處理單位惰性氣體所需要的吸收劑量。而也就是操作線的斜率。 2 最小液氣比 吸收劑的單位耗用量L/V，在理論上其值不能低于一定的最小值(L/V)min。(L/V)min稱為最小液氣比。相應(yīng)的吸收劑用量成為最小的吸收劑用量。若平衡關(guān)系服從亨利定律，即 ，則最小液氣比亦可按下式計(jì)算： 當(dāng)操作線端點(diǎn)B與平衡線相交或相切時(shí)的液氣比為最小液氣比，此時(shí)塔底的推動(dòng)力等于零，所需要的接觸面積和吸收塔的尺寸為無(wú)限大。 3.操作液氣比的確定 吸收操作時(shí)

55、選用的液氣比必須較上述的理論最小值大。但是如果L/V過(guò)大，則吸收劑單位耗氧量太大，操作費(fèi)用增加；而若L/V過(guò)小，則為達(dá)一定的吸收效果，吸收塔必須增高，設(shè)備費(fèi)用就增大。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般選擇實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.22倍。 6.5 填料塔的工藝設(shè)計(jì) 一、塔徑的計(jì)算 式中 塔徑 ； u空塔速度 ； 操作條件下混合氣、體積流量 有波動(dòng)時(shí)取最大值。 一般以進(jìn)塔底流量為準(zhǔn)而其它的也相應(yīng)取塔底下的值。 二、填料層高度的計(jì)算 1 .填料層高度的基本計(jì)算式： 式中：Z填料層的高度(m)； VP填料層的體積(m3)； F吸收所需的傳質(zhì)界面(m2)； a單位體積填料的有效吸收面積(1/m)； 塔的截面積(

56、m2)，等于D2/4，其中D為塔徑(m)。 在吸收操作中，填料塔不同橫截面上的傳質(zhì)推動(dòng)力是變化的。因此，對(duì)于全塔吸收速率方程而言，應(yīng)該用全塔的平均推動(dòng)力作為Ym（或Xm）吸收速率方程式中的推動(dòng)力。這樣，以比摩爾分率差為推動(dòng)力的吸收速率方程式可以寫成： 則 或 式中：GA單位時(shí)間內(nèi)吸收的物質(zhì)量（kmol/s）； F吸收所需傳質(zhì)面積（m2）； Ym、Xm全塔范圍內(nèi)以比摩爾分率表示的平均推動(dòng)力。 吸收的物質(zhì)量GA可由全塔物料衡算式， 即 求出。 2 用對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法計(jì)算填料層的高度。 由填料層高度的基本計(jì)算式、吸收速率方程和全塔總物料衡算式，可得填料吸收塔所需填料層高度的具體計(jì)算式如下： 或 當(dāng)吸

57、收操作達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，式中a、V、L均為定值，若吸收總系數(shù)KY或KX也可取為定值或取全塔平均值，則填料層高度的計(jì)算便取決于吸收過(guò)程平均推動(dòng)力Ym或Xm的計(jì)算。對(duì)于氣相：當(dāng) 同理,對(duì)于液相：當(dāng) 3理論板層數(shù)的計(jì)算 理論板：離開該板的氣液兩相互相成平衡，而且塔板上的液相組成是均勻的。 梯級(jí)圖解法求理論板層數(shù)示意圖表示一個(gè)逆流操作的板式吸收塔實(shí)際工作狀況，為簡(jiǎn)化推導(dǎo)，假定每層塔板都為理論板。 一、梯級(jí)圖解法求理論板層數(shù) 以X為橫坐標(biāo)，Y為縱坐標(biāo)，在 相圖上畫出平衡線OE，操作線BT。由T點(diǎn)開始畫梯級(jí)直到B為止，梯級(jí)數(shù)即為理論板層數(shù)。上下兩層板氣液關(guān)系在操作線上，同一層理論板氣液關(guān)系在平衡線上；即實(shí)際板上

58、XY操作關(guān)系都在操作線上，理論板上XY平衡關(guān)系都在平衡線上， 適用范圍：氣液相任意濃度（高濃度、低濃度）、任意表示方法（摩爾分率、比摩爾分率）的氣體吸收或脫吸過(guò)程。 二、解析法求理論板層數(shù) （略）6.6 脫吸及其它條件下的吸收一 .脫吸：使溶解于液相中的氣體釋放出來(lái)的操作稱為脫吸（解吸）。二.脫吸的方法：使溶液與惰性氣體或蒸汽逆流接觸。三. 其它條件下的吸收 高濃度氣體吸收/低濃度吸收 非等溫吸收 多組分吸收 化學(xué)吸收 7.0液體的蒸餾7.1 概述一、蒸餾操作的應(yīng)用蒸發(fā)操作主要應(yīng)用于分離（或濃縮）溶質(zhì)不揮發(fā)的溶液，而對(duì)于溶質(zhì)和溶劑均揮發(fā)的溶液要用蒸餾操作來(lái)完成。我們通常將容易揮發(fā)的組分稱為輕組

59、分；不太容易揮發(fā)的組分稱為重組分。二、蒸餾操作的分類按照操作是否連續(xù)可以分為：1、間歇性蒸餾2、連續(xù)性蒸餾按照操作壓強(qiáng)可以分為：1、常壓蒸餾2、減壓蒸餾3、加壓蒸餾 按照蒸餾操作的級(jí)數(shù)可分為1、單級(jí)蒸餾2、多級(jí)蒸餾3、精餾（含一般精餾和特殊精餾） 7.2雙組分溶液的氣液相平衡一、拉烏爾定律蒸餾操作的物系各組分之間均存在揮發(fā)性的差異，對(duì)理想物系而言，將混合物（A、B雙組分混合物系）放置到一個(gè)密閉容器中去（如圖），經(jīng)足夠的時(shí)間，氣相組成和液相組成達(dá)到平衡，氣相總壓強(qiáng)為P，有： ( 道爾頓分壓定律）而式中PA、PB與該溫度下的飽和蒸汽壓的關(guān)系是： 和 而： 蒸汽若為理想氣體，則氣相組成： 二、揮發(fā)度

60、和相對(duì)揮發(fā)度1、揮發(fā)度對(duì)與純物質(zhì)而言，揮發(fā)度是它的飽和蒸汽壓，但當(dāng)它與其它物質(zhì)相稱均相溶液后，揮發(fā)度i=Pi/xi對(duì)于雙組分混合物系： 2、相對(duì)揮發(fā)度即兩組分揮發(fā)度的相對(duì)值。因?yàn)閷?duì)于雙組分混合物系達(dá)到氣液相平衡時(shí)：引入相對(duì)揮發(fā)度后，有：由于：則有： 上式為氣液相平衡方程。三、氣液相平衡相圖1、相圖（t-x-y）的繪制將組成為x的混合溶液逐步提高溫度，當(dāng)溶液中出現(xiàn)第一個(gè)氣泡時(shí)，記下溫度t1（泡點(diǎn)溫度），繼續(xù)加熱，直到溶液只剩最后一滴液體時(shí)記下溫度t2（露點(diǎn)溫度）。將不同組成的溶液分別測(cè)定泡點(diǎn)溫度和露點(diǎn)溫度，并繪制圖形，得到如圖所示的相圖。圖中兩條曲線分別是露點(diǎn)線和泡點(diǎn)線。當(dāng)x=0時(shí)，實(shí)際是純凈的