化工單元操作-課件

化工單元操作化工單元操作在生產(chǎn)中的應(yīng)用化工單元操作化工單元操作1.化工生產(chǎn)過程原料預(yù)處理化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物后處理物理過程單元操作化學(xué)反應(yīng)過程反應(yīng)器物理過程單元操作化工單元操作2.單元操作（UnitOperation）

單元操作按其遵循的基本規(guī)律分類：（1）遵循流體動力學(xué)基本規(guī)律的單元操作：包括流體輸送、沉降、過濾、固體流態(tài)化等；（2）遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作：包括加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)等；（3）遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作：包括蒸餾、吸收、萃取、結(jié)晶、干燥、膜分離等；0.1化工（制藥）生產(chǎn)與單元操作單元操作的基本原理；單元操作典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)；單元操作設(shè)備選型設(shè)計計算。研究內(nèi)容高效率、低能耗、環(huán)保；開發(fā)新的單元操作單元操作集成工藝與技術(shù)。研究方向3單元操作的研究內(nèi)容與方向：化工單元操作一、基本單位與導(dǎo)出單位基本單位：選擇幾個獨立的物理量，根據(jù)方便原則規(guī)定單位；導(dǎo)出單位：由有關(guān)基本單位組合而成。單位制度的不同，在于所規(guī)定的基本單位及單位大小不同。0.2單位制與單位換算基本單位：7個，化工中常用有5個，即長度（米），質(zhì)量（千克），時間（秒），溫度（K），物質(zhì)的量（摩爾）國際單位制SI制基本單位：長度（厘米cm），質(zhì)量（克g），時間（秒s）物理單位制

CGS制基本單位：長度（米），重量或力（千克力kgf），時間（秒）工程單位制我國法定單位制為國際單位制（即SI制）二、常用單位制三、單位換算物理量的單位換算換算因數(shù)：同一物理量，若單位不同其數(shù)值就不同，二者包括單位在內(nèi)的比值稱為換算因數(shù)（見附錄二中）經(jīng)驗公式的單位換算經(jīng)驗公式是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理而成的，式中各符號只代表物理量的數(shù)字部分，其單位必須采用指定單位?；卧僮?/p>

0.3物料衡算與能量衡算

一、物料衡算

1、畫出流程示意圖，標(biāo)出物料流向與流量、組成等；物料衡算的步驟2、用虛線劃出衡算范圍；3、定出衡算基準(zhǔn)；4、列出衡算式并求解。二、能量衡算

機械能、熱量、電能、磁能、化學(xué)能、原子能等統(tǒng)稱能量，化工生產(chǎn)中常以熱量為主，下面以熱量衡算為例說明能量衡算過程。注意：作熱量衡算時，由于焓是相對值，與溫度基準(zhǔn)有關(guān)，故應(yīng)說明基準(zhǔn)溫度。習(xí)慣上選0℃為基溫，并規(guī)定0℃時液態(tài)的焓為零。0.3物料衡算與能量衡算

化工單元操作

1、傳遞過程（從物理本質(zhì)上說又下列三種）(1)動量傳遞過程（單相或多相流動）；(2)熱量傳遞過程——傳熱(3)質(zhì)量傳遞過程——傳質(zhì)上表所列各單元操作皆歸屬傳遞過程，于是，傳遞過程成為統(tǒng)一的研究對象，也是聯(lián)系各單元操作的一條主線。三傳一反構(gòu)成各種工藝制造過程，三傳又有彼此類似的規(guī)律可以合在一起研究，形成傳遞過程這門學(xué)科，是單元操作在理論方面的深入發(fā)展化工單元操作2、研究方法論必要性化工原理是一門工程學(xué)科，對一些過程作出如實的、逼真的數(shù)學(xué)描述幾乎是不可能的。采用直接的數(shù)學(xué)描述和方程求解的方法將是十分困難的。因此，探求合理的研究方法是發(fā)展這門工程學(xué)科的重要方面。(1)試驗研究方法（經(jīng)驗方法）優(yōu)點、不足(2)數(shù)學(xué)模型方法（半理論半經(jīng)驗方法）必要性、廣泛被應(yīng)用化工單元操作（1）如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟上的特點，進行“過程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng)濟而有效地滿足工藝要求（2）如何進行過程的計算和設(shè)備的設(shè)計。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實驗以取得必要的設(shè)計數(shù)據(jù)。（3）如何進行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求。在操作發(fā)生故障時如何尋找故障的緣由。當(dāng)然，當(dāng)生產(chǎn)提出新的要求而需要工程技術(shù)人員發(fā)展新的單元操作時，已有的單元操作發(fā)展的歷史將對如何根據(jù)一個物理或物理化學(xué)的原理發(fā)展一個有效的過程，如何調(diào)動有利的并克服不利的工程因素發(fā)展一種新設(shè)備，提供有用的借鑒。

化工單元操作化工單元操作化工單元操作化工單元操作化工單元操作化工單元操作流體流動規(guī)律是化工原理課程的重要基礎(chǔ)，主要原因有以下三個方面：（1）流動阻力及流量計算（2）流動對傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響（3）流體的混合效果化工單元操作一.密度定義:單位體積流體的質(zhì)量稱為密度.公式:

式中ρ--------流體的密度，kg/m3；

m--------流體的質(zhì)量，kg；

V--------流體的體積，m3。在研究流體流動時，若壓力與溫度變化不大時，則可認(rèn)為液體的密度為常數(shù)。密度為常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。

嚴(yán)格說來，真實流體都是可壓縮流體,不可壓縮流體只是在研究流體流動時，對于密度變化較小的真實流體的一種簡化。本章中如不加說明均指不可壓縮流體?；卧僮鞫?氣體密度一般來說氣體是可壓縮的，稱為可壓縮流體。但是，在壓力和溫度變化率很小的情況下，也可將氣體當(dāng)作不可壓縮流體來處理。當(dāng)氣體的壓力不太高，溫度又不太低時，可近似按理想氣體狀態(tài)方程來計算密度。由

計算

p--------氣體的絕對壓強，kPa或kN/m2；

M--------氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol；

T--------氣體的絕對溫度，K；

R--------氣體常數(shù)，8.314kJ/(kmolK)。化工單元操作一.靜壓強流體垂直作用于單位面積上的力，稱為壓強，或稱為靜壓強。其表達式為

式中p--------流體的靜壓強，Pa；

FV-------垂直作用于流體表面上的力，N；

A--------作用面的面積，m2?；卧僮鞫?靜壓強的單位1．

按壓強的定義，壓強是單位面積上的壓力，其單位應(yīng)為Pa，也稱為帕斯卡。其105倍稱為巴（bar），

即1bar=105Pa。常用單位有：Pa、KPa、Mpa。2．

直接以液柱高表示：mH2O、cmCCl4、mmHg等。3.以大氣壓強表示：atm（物理大氣壓）、at（工程大氣壓）

1atm=1.013105Pa=10.33mH2O=760mmHg

1at=9.81104Pa=10mH2O=735mmHg化工單元操作三.靜壓強的表示方法絕對壓強（ata）：以絕對真空為基準(zhǔn)量得的壓強；表壓強（atg）：以大氣壓強為基準(zhǔn)量得的壓強。

真空度表壓強以大氣壓為起點計算，所以有正負(fù)，負(fù)表壓強就稱為真空度，其相互關(guān)系如下圖所示。注意符號:atm--------物理大氣壓；

at--------工程大氣壓；

ata--------絕對壓強；

atg--------表壓強。化工單元操作流體靜力學(xué)基本方程是描述靜止流體內(nèi)部，流體在壓力和重力作用下的平衡規(guī)律。當(dāng)流體質(zhì)量一定時，其重力可認(rèn)為不變，而壓力會隨高度變化而變化。所以實質(zhì)上是描述靜止流體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律。

p2=p1+ρg(Z1-Z2)

(2)p=p0+ρgh (3)

化工單元操作重點討論：1.方程應(yīng)用條件：靜止，連續(xù)，同一流體。靜止------受力平衡連續(xù)------能夠積分同一流體------密度一定2.

當(dāng)p0一定時，靜止流體中任一點的壓力與流體密度ρ和所處高度h有關(guān)。所以同一高度處靜壓力相等。3.當(dāng)表面壓強p0變化時，內(nèi)部壓強p也發(fā)生同樣大小的變化。4.

由p=p0+ρgh可得：h=P表/ρg這就是用流體高度表示壓強單位的計量依據(jù)。從公式可知，密度ρ會有影響，因此必須注明流體的名稱。靜力學(xué)基本方程主要應(yīng)用于壓強，壓強差，液面等方面的測量。U型測壓管、U型壓差計、微差壓差計、玻璃管液面計和液封高度的確定均可以此計算。化工單元操作化工生產(chǎn)中的流體極大多數(shù)在密閉的管道或設(shè)備中流動，本節(jié)主要討論流體在管內(nèi)流動的規(guī)律，即討論流體在流動過程中，流體所具有的位能、靜壓能和動能是如何變化的規(guī)律。從而為解決流體流動這一單元操作中出現(xiàn)的工程問題打下基礎(chǔ)。流體流動應(yīng)服從一般的守恒原理：質(zhì)量守恒和能量守恒。從這些守恒原理可得到反映流體流動規(guī)律的基本方程式連續(xù)性方程式（質(zhì)量守恒）柏努利方程式（能量守恒）這是兩個非常重要的方程式，請大家注意?；卧僮?/p>

單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量稱為流量。若流體量用體積來計算，稱為體積流量，以Vs表示，其單位為m3/s；若流體量用質(zhì)量來計算，則稱為質(zhì)量流量，以ws表示，其單位為kg/s。體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為：ws=Vsρ式中ρ--------流體的密度，kg/m3。注意，流量是一種瞬時的特性，不是一段時間的累計量。化工單元操作單位時間內(nèi)流體在流動方向上所流經(jīng)的距離稱為流速。以u表示，其單位為m/s。

流體流過管路時，在管路任一截面上各點的流速沿管徑而變化，即在管截面中心處流速最大，越靠近管壁流速就越小，在管壁處的流速為零。流體在管截面上各點的流速分布規(guī)律較為復(fù)雜，在工程中為簡便起見，流速通常采用整個管截面上的平均流速，即用流量相等的原則來計算平均流速。其表達式為：

式中A--------與流動方向相垂直的管路截面積，m2

。流量與流速的關(guān)系為：ws=Vsρ=uAρ

化工單元操作由于氣體的體積流量隨溫度和壓強而變化，因而氣體的流速亦隨之而變。因此采用質(zhì)量流速就較為方便。質(zhì)量流速即單位時間內(nèi)流體流過管路截面積的質(zhì)量，以G表示，其表達式為：

式中G--------質(zhì)量流速，亦稱質(zhì)量通量；kg/m2s?；卧僮饕话愎苈返慕孛婢鶠閳A形，若以d表示管路內(nèi)徑，則

于是。所以流體輸送管路的直徑可根據(jù)流量及流速進行計算，所以選擇的u越小，則d越大，那么對于相同的流量，所用的材料就越多，所以材料費、檢修費等基建費也會相應(yīng)增加。相反，選擇的u越大，則d就越小，材料費等費用會減少，但由于流體在管路中流動的阻力與u成正比，所以阻力損失會增大，即操作費用就會增加。所以應(yīng)綜合考慮，使兩項費用之和最小。通常流體流動允許壓強降：水24.5kpa/100m管空氣5.1kpa/100m管可以此來衡量所選擇的管徑是否合適。對于長距離與大流量輸送流體，d應(yīng)按前述的經(jīng)濟核算原則進行選擇；而對于車間內(nèi)部，通常管道較短，也不太粗，這時可根據(jù)經(jīng)驗來選擇d。一般液體流速為0.5—3m/s，氣體為10—30m/s，蒸汽為20—50m/s。化工單元操作化工單元操作

設(shè)流體在管道中作連續(xù)穩(wěn)定流動，從截面2--2流出，若在管道兩截面之間流體無漏損，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，從截面1--1進入的流體質(zhì)量流量ws1應(yīng)等于從2--2截面流出的流體質(zhì)量流量ws2，即ws1=ws2

因為ws=uAρ，所以u1A1ρ1=u2A2ρ2

此關(guān)系可推廣到管道的任一截面，即

ws=u1A1ρ1=u2A2ρ2=uAρ=常數(shù)上式稱為連續(xù)性方程。若流體不可壓縮，ρ=常數(shù)，則上式可簡化為

Vs=u1A1=u2A2=uA=常數(shù)

化工單元操作由此可知，在連續(xù)穩(wěn)定的不可壓縮流體的流動中，流體流速與管道的截面積成反比，截面積越大流速越小，反之亦然。管道截面大多為圓形，故連續(xù)性方程又可改寫為:

由上式可知，管內(nèi)不同截面流速之比與其相應(yīng)管徑的平方成反比?；卧僮髟谏蠄D所示的穩(wěn)定流動系統(tǒng)中，流體從1--1截面流入，從2--2截面流出。流體本身所具有的能量有以下幾種形式：1.

位能相當(dāng)于質(zhì)量為m的流體自基準(zhǔn)水平面升舉到某高度Z所作的功，即位能=mgZ位能的單位[mgZ]=kgm=Nm=J

2．動能質(zhì)量為m、流速為u的流體所具有的動能為動能=動能的單位

化工單元操作3．靜壓能設(shè)質(zhì)量為m、體積為V1的流體通過如圖所示的1-1截面時，把該流體推進此截面所流經(jīng)的距離為V1/A1，則流體帶進系統(tǒng)的靜壓能為：輸入靜壓能=p1A1V1/A1=p1V1

靜壓能的單位

4．內(nèi)能單位質(zhì)量流體的內(nèi)能以U表示，質(zhì)量為m的流體所具有的內(nèi)能為：內(nèi)能=mU

內(nèi)能的單位除此之外，能量也可以其它途徑進入流體，它們是：（1）熱單位質(zhì)量流體通過時吸熱或放熱，以Qe表示，質(zhì)量為m的流體吸收或放出的熱量為：熱量=mQe

熱量的單位（2）功單位質(zhì)量流體獲得的能量以We表示，質(zhì)量為m的流體接受的功為：功=mWe

功的單位流體接受外功為正，向外界作功則為負(fù)?；卧僮髁黧w通過截面1--1輸入的總能量用下標(biāo)1標(biāo)明，經(jīng)過截面2--2輸出的總能量用下標(biāo)2標(biāo)明，則對此流動系統(tǒng)的總能量衡算為：設(shè)單位質(zhì)量流體在流動時因克服流動阻力而損失的能量為∑hf，其單位為J/kg。于是上式成為化工單元操作若流體流動時不產(chǎn)生流動阻力，則流體的能量損失∑hf=0，這種流體稱為理想流體。實際上這種流體并不存在。但這種設(shè)想可以使流體流動問題的處理變得簡單，對于理想流體流動，又沒有外功加入，即∑hf=0，We=0時，上式可簡化為：此式即為柏努利方程?；卧僮髁黧w流動中的作用力（1）體積力（質(zhì)量力）與流體的質(zhì)量成正比，對于均質(zhì)的流體也與流體的體積成正比。如流體在重力場中運動時受到的重力就是一種體積力，F(xiàn)＝mg。（2）表面力與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作用于其上的表面力可分為：

①垂直與表面的力P，稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱為壓強p。②平行于表面的力F，稱為剪力（切力）。單位面積上所受的剪力稱為應(yīng)力τ?；卧僮魇街校害獭黧w的粘度，Pa.s（N.s/m2）;

——法向速度梯度，1/s。根據(jù)牛頓粘性定律，對一定τ，μ↑，↓;μ↓，↑流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性。流體粘性越大，其流動性就越小。化工單元操作流動的流體內(nèi)部相鄰的速度不同的兩流體層間存在相互作用力，即速度快的流體層有著拖動與之相鄰的速度慢的流體層向前運動的力，而同時速度慢的流體層有著阻礙與之相鄰的速度快的流體層向前運動的力流體內(nèi)部速度不同的相鄰兩流體層之間的這種相互作用力就稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘性力F，單位面積上的F即為τSI制：Pa.sCGS制：cP（厘泊）1Pa.S=10P=1000cP運動粘度SI制的單位為m2/s粘度μ又稱為動力粘度?；卧僮饕后w：μ＝f（t），與壓強p無關(guān)，溫度t↑，μ↓氣體：p<40atm時μ＝f（t）與p無關(guān)，溫度t↑，μ↑μ＝0，流體無粘性（理想流體，圖1-5，實際不存在）化工單元操作服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數(shù)如水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動規(guī)律，化工單元操作雷諾實驗流體流動存在著兩種截然不同的流型。在前一種流型中，流體質(zhì)點作直線運動，即流體分層運動，層次分明，彼此互不混雜，故才能使著色線流保持著線形。這種流型被稱為層流或滯流。在后一種流型中流體在總體上沿管道向前運動，同時還在各個方向作隨機的脈動，正是這種混亂運動使著色線抖動、彎曲以至斷裂沖散。這種流型稱為湍流或紊流。不同的流型對流體中的質(zhì)量、熱量傳遞將產(chǎn)生不同的影響。為此，工程設(shè)計上需事先判定流型。對管內(nèi)流動而言，實驗表明流動的幾何尺寸（管徑d）、流動的平均速度u以及流體性質(zhì)（密度和粘度）對流型的轉(zhuǎn)變有影響。雷諾發(fā)現(xiàn)，可以將這些影響因素綜合成一個無因次數(shù)群duρ/μ作為流型的判據(jù)，此數(shù)群被稱為雷諾數(shù)，以符號Re表示?；卧僮骼字Z指出：（1）當(dāng)Re≤2000時，必定出現(xiàn)層流，此為層流區(qū)；（2）當(dāng)2000<Re<4000時，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流，依賴于環(huán)境。此為過渡區(qū)；（3）當(dāng)Re≥4000時，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流區(qū)。當(dāng)Re<2000時，任何擾動只能暫時地使之偏離層流，一旦擾動消失，層流狀態(tài)必將恢復(fù)。當(dāng)Re數(shù)超過2000時，層流不再是穩(wěn)定的，但是否出現(xiàn)湍流，決定于外界的擾動。如果擾動很小，不足以使流型轉(zhuǎn)變，則層流仍然能夠存在。當(dāng)Re>4000時，則微小的擾動就可以觸發(fā)流型的轉(zhuǎn)變，因而一般情況下總出現(xiàn)湍流。根據(jù)Re的數(shù)值將流動劃為三個區(qū)：層流區(qū)、過渡區(qū)及湍流區(qū)，但只有兩種流型。過渡區(qū)不是一種過渡的流型，它只表示在此區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)層流也可能出現(xiàn)湍流，需視外界擾動而定。化工單元操作理論分析和實驗都已證明，層流時的速度沿管徑按拋物線規(guī)律分布，如圖所示，截面上各點速度的平均值u等于管中心處最大速度umax的0.5倍?；卧僮?/p>

湍流時的速度分布目前還不能完全利用理論推導(dǎo)求得。經(jīng)實驗方法得出湍流時圓管內(nèi)速度分布曲線如圖所示。此時速度分布曲線不再是嚴(yán)格的拋物線，曲線頂部區(qū)域比較平坦，Re數(shù)值越大，曲線頂部的區(qū)域就越廣闊平坦，但靠管壁處的速度驟然下降，曲線較陡。截面上各點速度的平均值u近似等于0.82umax。即使湍流時，管壁處的流體速度也等于零，而靠近管壁的流體仍作層流流動，這一流體薄層稱層流底層。管內(nèi)流速越大，層流底層就越薄，流體粘度越大，層流底層就越厚。湍流主體與層流底層之間存在著過渡層?；卧僮鞴苈废到y(tǒng)主要由直管和管件組成，無論直管或管件都對流動有一定的阻力，消耗一定的機械能。直管造成的機械能損失稱為直管阻力損失，管件造成的機械能損失稱為局部阻力損失。在運用柏努利方程時，先分別計算直管阻力與局部阻力損失的數(shù)值，然后進行加和?；卧僮髁黧w在均勻直管中作穩(wěn)定流動時，由柏努利方程可知，流體的能量損失為：

對于均勻直管u1=u2，水平管路Z1=Z2，故只要測出兩截面上的靜壓能，就可以知道兩截面間的能量損失。而層流時的能量損失可從理論推導(dǎo)得出：化工單元操作哈根—泊謖葉公式則能量損失為：將上式改寫為直管能量損失計算的一般方程式：上式即為層流直管阻力損失計算的公式。其中λ稱為摩擦系數(shù)，層流時λ=64/Re。令則化工單元操作而湍流時，引起阻力的原因不只是內(nèi)摩擦力，所以不再服從牛頓粘性定律。因而湍流時直管阻力損失計算公式不能用理論推導(dǎo)得到，要用實驗方法得到。對均勻直管：上式即為層流時直管阻力損失計算公式，對于湍流其中ε/d稱為相對粗糙度。實驗結(jié)果可表示為λ與Re和ε/d的關(guān)系如下圖所示。對光滑管及無嚴(yán)重腐蝕的工業(yè)管道，該圖誤差范圍約在±10%?；卧僮骰卧僮髟趫D上有四個不同的區(qū)域：（1）層流區(qū)

Re≤2000,λ與管壁粗糙度無關(guān),和Re準(zhǔn)數(shù)呈直線下降關(guān)系。其表達式為λ=64/Re。（2）過渡區(qū)

2000<Re<4000，在此區(qū)域內(nèi)層流和湍流的λ-Re曲線都可應(yīng)用，但為安全計，一般將湍流時的曲線延伸來查取λ。（3）湍流區(qū)

Re≥4000及虛線以上的區(qū)域。這個區(qū)的特點是λ與Re及ε/d都有關(guān)。當(dāng)ε/d一定時，λ隨Re的增大而減小，Re增至某一數(shù)值后λ值下降緩慢，當(dāng)Re一定時，λ隨ε/d增大而增大。（4）完全湍流區(qū)圖中虛線以上區(qū)域。此區(qū)內(nèi)各λ-Re曲線趨于水平，即λ只與ε/d有關(guān)，而與Re無關(guān)。在一定的管路中，由于λ、ε/d均為常數(shù)，當(dāng)l/d一定時，hf與u2成正比，所以此區(qū)又稱阻力平方區(qū)?；卧僮鞴鼙诖植诿嫱钩霾糠值钠骄叨龋Q絕對粗糙度，以ε表示。絕對粗糙度與管內(nèi)徑d之比值ε/d稱相對粗糙度。層流時，流體層平行于管道軸線，流速較慢，對管壁凸出部分沒有什么碰撞作用，所以粗糙度對λ值無影響。湍流時，若層流底層的厚度大于壁面的絕對粗糙度，則管壁粗糙度對λ值的影響與層流相近。隨著Re值增加，層流底層的厚度變薄，當(dāng)管壁凸出處部分地暴露在層流底層之外的湍流區(qū)域時，流動的流體沖過凸起處時會引起旋渦，使能量損失增大。在Re數(shù)一定時，管壁粗糙度越大，能量損失也越大?；卧僮骰す苈分惺褂玫墓芗N類繁多，各種管件都會產(chǎn)生阻力損失。和直管阻力的沿程均勻分布不同，這種阻力損失集中在管件所在處，因而稱為局部阻力損失。其它管件，如各種閥門都會由于流道的急劇改變而發(fā)生類似的現(xiàn)象，造成局部阻力損失。局部阻力損失的計算有兩種近似的方法：阻力系數(shù)法及當(dāng)量長度法。

化工單元操作一、阻力系數(shù)法近似認(rèn)為局部阻力損失服從平方定律，即：式中常用管件的ξ值可從一些資料中查得。二、當(dāng)量長度法近似認(rèn)為局部阻力損失可以相當(dāng)于某個長度的直管的損失，即：式中l(wèi)e為管件及閥件的當(dāng)量長度，由實驗測得。

必須注意，對于擴大和縮小，以上兩式中的u是用小管截面的平均速度。實際應(yīng)用時，長距離輸送以直管阻力損失為主，車間管路則往往以局部阻力為主。

化工單元操作一、制藥生產(chǎn)過程中為什么要流體輸送機械？

化工生產(chǎn)中大都是連續(xù)流動的各種物料或產(chǎn)品。由于工藝需要常需將流體由低處送至高處；由低壓設(shè)備送至高壓設(shè)備；或者克服管道阻力由一車間（某地）水平地送至另一車間（另一地）。為了達到這些目的，必須對流體作功以提高流體能量，完成輸送任務(wù)。這就需要流體輸送機械?；卧僮鬟@是因為化工廠中輸送的流體種類繁多：

1、流體種類有強腐蝕性的、高粘度的、含有固體懸浮物的、易揮發(fā)的、易燃易爆的以及有毒的等等；

2、溫度和壓強又有高低之分；

3、不同生產(chǎn)過程所需提供的流量和壓頭又各異。所以需要有各種結(jié)構(gòu)和特性的輸送機械。三、化工流體輸送機械分類

一般可分為四類：即離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和流體動力作用式。這四種類型機械均有國產(chǎn)產(chǎn)品，且大多數(shù)已成為系列化產(chǎn)品?；卧僮麟x心泵的種類很多，但工作原理相同，構(gòu)造大同小異。其主要工作部件是旋轉(zhuǎn)葉輪和固定的泵殼（如圖所示）。葉輪是離心泵直接對液體作功的部件，其上通常有6到12片后彎葉片（即葉片彎曲方向與旋轉(zhuǎn)方向相反）。離心泵工作時，葉輪由電機驅(qū)動作高速旋轉(zhuǎn)運動，迫使葉片間的液體也隨之作旋轉(zhuǎn)運動。同時因離心力的作用，使液體由葉輪中心向外緣作徑向運動。液體在流經(jīng)葉輪的運動過程中獲得能量，并以高速離開葉輪外緣進入蝸形泵殼。在泵殼內(nèi)，由于流道的逐漸擴大而減速，又將部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，達到較高的壓強，最后沿切向流入壓出管道。

化工單元操作在液體受迫由葉輪中心流向外緣的同時，在葉輪中心處形成真空。泵的吸入管路一端與葉輪中心處相通，另一端則浸沒在輸送的液體內(nèi)，在液面壓力（常為大氣壓）與泵內(nèi)壓力（負(fù)壓）的壓差作用下，液體經(jīng)吸入管路進入泵內(nèi)，只要葉輪的轉(zhuǎn)動不停，離心泵便不斷地吸入和排出液體。由此可見離心泵主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪所產(chǎn)生的離心力來輸送液體，故名離心泵。化工單元操作離心泵若在啟動前未充滿液體，則泵內(nèi)存在空氣，由于空氣密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很小。吸入口處所形成的真空不足以將液體吸入泵內(nèi)，雖啟動離心泵，但不能輸送液體，這種現(xiàn)象就稱為“氣縛”。所以離心泵啟動前必須向殼體內(nèi)灌滿液體，在吸入管底部安裝帶濾網(wǎng)的底閥。底閥為止逆閥，防止啟動前灌入的液體從泵內(nèi)漏失。濾網(wǎng)防止固體物質(zhì)進入泵內(nèi)?？拷贸隹谔幍膲撼龉艿郎涎b有調(diào)節(jié)閥，供調(diào)節(jié)流量時使用。化工單元操作1.

離心泵的理論壓頭此式即為離心泵基本方程式。表示離心泵的理論壓頭與流量、葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑、葉片的幾何形狀之間的關(guān)系。由式（2-11）可看出，當(dāng)葉片幾何尺寸（b，β）與流量一定時，離心泵的理論壓頭隨葉輪的轉(zhuǎn)速或直徑的增加而加大。化工單元操作2.離心泵的功率與效率2.1泵的有效功率與效率泵在運轉(zhuǎn)過程中由于存在種種損失，使泵的實際（有效）壓頭和流量均較理論值為低，而輸入泵的功率較理論值為高，設(shè)H─泵的有效壓頭，即單位量液體在重力場中從泵獲得的能量，m；Q─泵的實際流量，m3/s；ρ─液體密度，kg/m3；Ne─泵的有效功率，即單位時間內(nèi)液體從泵處獲得的機械能，W。有效功率可寫成Ne=QHρg由電機輸入離心泵的功率稱為泵的軸功率，以N表示。有效功率與軸功率之比定義為泵的總效率η，即

2.2泵內(nèi)損失

（1）容積損失ηv

（2）水力損失ηh

（3）機械損失ηM

離心泵的總效率即包括上述三部分：η=ηvηhηM

化工單元操作離心泵的性能參數(shù)H、Q、η及N之間并非孤立的，而是相互聯(lián)系相互制約的。其具體定量關(guān)系由實驗測定，并將測定結(jié)果用曲線形式表示，即為特性曲線。

左圖即為4B20型清水泵在轉(zhuǎn)速n=2900轉(zhuǎn)/分鐘條件下測得的特性曲線?；卧僮麝P(guān)于特性曲線，由此圖可見：（1）離心泵的壓頭H隨流量Q的增加而降低；（2）離心泵的軸功率N隨著流量Q的增大而上升，流量為零時軸功率最小。所以離心泵啟動時，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門，使啟動電流減小，保護電機；（3）隨著流量Q的增大，泵的效率η也隨之上升，并達到一最大值。以后流量再增大，效率就下降。這說明離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點，稱為設(shè)計點。與最高效率點對應(yīng)的Q、H、P值稱為最佳工況參數(shù)。根據(jù)輸送條件的要求，離心泵往往不可能正好在最佳工況點運轉(zhuǎn)，因此一般只能規(guī)定一個工作范圍，稱為泵的高效率區(qū)，通常為最高效率的92%左右?；卧僮麟x心泵的特性曲線是在一定轉(zhuǎn)速下測定的，當(dāng)轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時，與流量、壓頭及功率的近似關(guān)系為：當(dāng)轉(zhuǎn)速變化小于20%時，可認(rèn)為效率不變，用上式計算誤差不大。當(dāng)葉輪直徑變化不大，轉(zhuǎn)速不變時，葉輪直徑與流量、壓頭及功率之間的近似關(guān)系為化工單元操作（1）密度的影響由離心泵的基本方程式可知，離心泵的壓頭、流量均與液體的密度無關(guān)，所以效率也不隨液體的密度而改變，但軸功率會隨著液體密度而變化。（2）粘度的影響所輸送的液體粘度越大，泵內(nèi)能量損失越多，泵的壓頭、流量都要減小，效率下降，而軸功率則要增大。化工單元操作一、工作點離心泵的特性曲線是泵本身固有的特性，它與外界使用情況無關(guān)。但是，一旦泵被安排在一定的管路系統(tǒng)中工作時，其實際工作情況就不僅與離心泵本身的特性有關(guān)，而且還取決于管路的工作特性。所以，要選好和用好離心泵，就還要同時考慮到管路的特性。在特定管路中輸送液體時，管路所需壓頭He隨著流量Qe的平方而變化。將此關(guān)系繪在坐標(biāo)紙上即為相應(yīng)管路特性曲線?；卧僮魅魧㈦x心泵的特性曲線與其所在管路特性曲線繪于同一坐標(biāo)紙上，如上圖所示，此兩線交點M稱為泵的工作點。選泵時，要求工作點所對應(yīng)的流量和壓頭既能滿足管路系統(tǒng)的要求，又正好是離心泵所提供的，即Q=Qe，H=He。

化工單元操作二、流量調(diào)節(jié)1）改變閥門的開度改變離心泵出口管線上的閥門開關(guān)，其實質(zhì)是改變管路特性曲線。如圖所示，當(dāng)閥門關(guān)小時，管路的局部阻力加大，管路特性曲線變陡，工作點由M移至M1，流量由QM減小到QM1。當(dāng)閥門開大時，管路阻力減小，管路特性曲線變得平坦一些，工作點移至M2，流量加大到QM2。用閥門調(diào)節(jié)流量迅速方便，且流量可以連續(xù)變化，適合化工連續(xù)生產(chǎn)的特點。所以應(yīng)用十分廣泛。缺點是閥門關(guān)小時，阻力損失加大，能量消耗增多，不很經(jīng)濟?；卧僮?）改變泵的轉(zhuǎn)速改變泵的轉(zhuǎn)速實質(zhì)上是改變泵的特性曲線。泵原來轉(zhuǎn)速為n，工作點為M，如下圖所示，若把泵的轉(zhuǎn)速提高到n1，泵的特性曲線H–Q往上移，工作點由M移至M1，流量由QM加大到QM1。若把泵的轉(zhuǎn)速降至n2，工作點移至M2，流量降至QM2。這種調(diào)節(jié)方法需要變速裝置或價格昂貴的變速原動機，且難以做到連續(xù)調(diào)節(jié)流量，故化工生產(chǎn)中很少采用?；卧僮饕?、汽蝕現(xiàn)象

在如圖所示的管路中，在液面0—0與泵進口附近截面1—1之間無外加能量，液體靠壓強差流動。因此，提高泵的安裝位置，葉輪進口處的壓強可能降至被輸送液體的飽和蒸汽壓，引起液體部分汽化?；卧僮鲗嶋H上，泵中壓強最低處位于葉輪內(nèi)緣葉片的背面，當(dāng)泵的安裝位置高至一定距離，首先在該處發(fā)生汽化并產(chǎn)生汽泡。含汽泡的液體進入葉輪后，因壓強升高，汽泡立即凝聚，汽泡的消失產(chǎn)生局部真空，周圍液體以高速涌向汽泡中心，造成沖擊和振動。尤其是當(dāng)汽泡的凝聚發(fā)生在葉片表面附近時，眾多液體質(zhì)點猶如細(xì)小的高頻水錘撞擊著葉片；另外汽泡中還可能帶有氧氣等對金屬材料發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。泵在這種狀態(tài)下長期運轉(zhuǎn)，將會導(dǎo)致葉片的過早損壞，這種現(xiàn)象稱為泵的汽蝕。離心泵在產(chǎn)生汽蝕條件下運轉(zhuǎn)，泵體振動并發(fā)出噪音，流量、揚程和效率都明顯下降，嚴(yán)重時甚至吸不上液體。為了避免汽蝕現(xiàn)象，泵的安裝位置不能太高，以保證葉輪中各處的壓強高于液體的飽和蒸汽壓。化工單元操作一般采用兩種指標(biāo)對泵的安裝高度加以限制，以免發(fā)生汽蝕，現(xiàn)將這兩種指標(biāo)介紹如下：（1）允許吸上真空高度允許吸上真空高度Hs是指泵入口出壓力p1可允許達到的最高真空度，其表達式為：式中Hs—離心泵的允許吸上真空高度，m液柱；

pa—大氣壓強，Pa；

ρ—被輸送液體的密度，kg/m3。化工單元操作在前圖所示的截面0—0與泵進口附近截面1—1間列柏努利方程：式中Hg——離心泵的允許安裝高度，m；∑Hf0-1——液體從截面0—0到1—1的壓頭損失，m。由于貯槽是敞口的，p0為大氣壓pa，上式可寫為

所以

此式可用于計算泵的安裝高度?；卧僮饔缮鲜娇芍?，為了提高泵的允許安裝高度，應(yīng)該盡量減小u12/2g和∑Hf0-1。為了減小u12/2g，在同一流量下應(yīng)選用直徑稍大的吸入管路；為了減小∑Hf0-1，應(yīng)盡量減少阻力元件如彎頭、截止閥等，吸入管路也盡可能地短。注意，工廠在泵出廠時給出的Hs是在介質(zhì)為清水，20℃，大氣壓為10mH2O時的值。若使用介質(zhì)條件變化，要對Hs作適當(dāng)修正?；卧僮鳎?）汽蝕余量汽蝕余量⊿h是指離心泵入口處，液體的靜壓頭p1/ρg與動壓頭u12/2g之和大于液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭pv/ρg的某一最小指定值，即因為將以上兩式合并，可得出汽蝕余量與允許安裝高度之間的關(guān)系

式中p0——液面上方的壓強，若液位槽為敞口，則p0=pa。應(yīng)當(dāng)注意，泵產(chǎn)品樣本上的⊿h值也是按輸送20℃水而規(guī)定的。當(dāng)輸送其他液體時，需進行校正?；卧僮饕?、類型

離心泵的種類很多，化工生產(chǎn)中常用的離心泵有清水泵、耐腐蝕泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、雜質(zhì)泵、管道泵和低溫用泵等。在化工生產(chǎn)中除了離心泵之外，還會用到其它一些種類的泵，包括往復(fù)泵、計量泵、旋轉(zhuǎn)泵以及旋渦泵等等。二、選用離心泵的選用原則上可分為兩步：（1）根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和操作條件，確定泵的類型；（2）根據(jù)具體管路布置情況對泵提出的流量、壓頭要求，確定泵的型號?；卧僮髟诒脴颖局?，各種類型的離心泵都附有系列特性曲線，以便于泵的選用。每一種型號的泵都有其最佳的工作范圍，有時會有幾種型號的泵同時在最佳工作范圍內(nèi)滿足流量Q及壓頭H的要求，這時可分別確定各泵的工作點，比較各泵在工作點的效率。一般總是選擇其中效率最高的一種，但同時也應(yīng)考慮泵的價格?；卧僮魍鶑?fù)泵裝置如圖所示。往復(fù)泵是利用活塞的往復(fù)運動，將能量傳遞給液體，以完成液體輸送任務(wù)，往復(fù)泵輸送液體的流量只與活塞的位移有關(guān)，而與管路情況無關(guān)，但往復(fù)泵的壓頭只與管路情況有關(guān)。這種特性稱為正位移特性，具有這種特性的泵稱為正位移泵?；卧僮魍鶑?fù)泵的構(gòu)造、操作原理與離心泵一樣，往復(fù)泵也是借助泵體內(nèi)減壓而吸入液體，所以吸入高度也有一定的限制。往復(fù)泵的低壓是靠泵體內(nèi)活塞移動使空間擴大而形成的。往復(fù)泵在開動之前，沒有充滿液體也能吸液，故具有自吸能力。往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理離心泵可以用出口閥門來調(diào)節(jié)流量，但對往復(fù)泵此法卻不能采用。因為往復(fù)泵屬正位移泵，其流量只與泵的幾何尺寸和泵的往復(fù)次數(shù)有關(guān)，而與管路特性無關(guān)。安裝調(diào)節(jié)閥非但不能改變流量，而且還會造成危險。一旦出口閥完全關(guān)閉，泵缸內(nèi)的壓強將會急劇上升，導(dǎo)致機件破損或電機燒毀，根據(jù)往復(fù)泵的特點，其流量調(diào)節(jié)的方法是：化工單元操作（1）旁路調(diào)節(jié)如上圖所示，在往復(fù)泵出口處裝上旁路，使一部分液體返回進口處。在旁路上裝調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)旁路流量，可以達到調(diào)節(jié)主管流量的目的。這種方法簡單方便，但很不經(jīng)濟，只適用于變化幅度較小的經(jīng)常性調(diào)節(jié)。（2）改變原動機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)活塞往復(fù)次數(shù)改變原動機的轉(zhuǎn)速和活塞的行程，可以改變泵的流量。因電動機是通過減速裝置與往復(fù)泵相連接的，改變減速裝置的傳動比可以方便地改變轉(zhuǎn)速，達到流量調(diào)節(jié)的目的。因此改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法是最常用的經(jīng)濟方法。此外，對輸送易燃、易爆液體的蒸汽推動往復(fù)泵，可改變蒸汽進入量使活塞往復(fù)次數(shù)改變，從而實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。化工單元操作氣體輸送機械的結(jié)構(gòu)和原理與液體輸送機械大體相同。但是氣體具有可壓縮性和比液體小得多的密度（約為液體密度的千分之一左右），從而使氣體輸送具有某些不同于液體輸送的特點。氣體輸送機械根據(jù)它所能產(chǎn)生的進、出口壓強差或壓強比（稱為壓縮比）進行如下分類：1）通風(fēng)機：出口壓強不大于1.47104Pa（表壓），壓縮比為1~1.15；2）鼓風(fēng)機：出口壓強為（1.47~29.4）104Pa（表壓），壓縮比小于4；（3）壓縮機：出口壓強為29.4104Pa（表壓）以上，壓縮比大于4；（4）真空泵：用于減壓，出口壓力為1大氣壓，其壓縮比由真空度決定。此外，氣體輸送機械按其機構(gòu)與工作原理又可分為離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和流體作用式?；卧僮鞯谌?/p>

機械分離和固體流態(tài)化

化工單元操作混合物可以分為兩大類。凡物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均勻，且不存在相界面者，稱為均相混合物。凡物系內(nèi)部有隔開兩相的界面存在，且界面兩側(cè)物料性質(zhì)截然不同者，稱為非均相混合物或非均相物系。非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)，如懸浮液中的固體顆粒、乳濁液中的液滴、泡沫液中的氣泡，稱為分散相或分散物質(zhì)；包圍著分散物質(zhì)的流體，則稱為連續(xù)相或分散介質(zhì)。由于非均相物系中分散相和連續(xù)相具有不同的物理性質(zhì)，工業(yè)上一般采用機械方法將兩相進行分離。工業(yè)上分離非均相混合物的目的是：化工單元操作1）回收有價值的分散物質(zhì)例如從某些類型干燥器出來的氣體及從結(jié)晶機出來的晶漿中都帶有一定量的固體顆粒，必須回收這些懸浮的顆粒作為產(chǎn)品。2）凈化分散介質(zhì)以滿足后繼生產(chǎn)工藝的要求例如某些催化反應(yīng)的原料氣中夾帶有會影響催化劑活性的雜質(zhì)，因此，在氣體進入反應(yīng)器之前，必須除去其中塵粒狀的雜質(zhì)。3）環(huán)境保護和安全生產(chǎn)為了保護人類生態(tài)環(huán)境，要求排放的廢氣或廢液濃度達到排放標(biāo)準(zhǔn)；很多含碳物質(zhì)及金屬細(xì)粉與空氣形成爆炸物，必須除去這些物質(zhì)以消除隱患?；卧僮髦亓Τ两邓俣萿t離心沉降速度ur依靠慣性離心力的作用而實現(xiàn)的沉降過程叫作離心沉降。流體帶著密度大于流體的顆粒旋轉(zhuǎn)時，受到慣性離心力、向心力和阻力的作用，當(dāng)三力達到平衡時，顆粒在徑向相對于流體的速度ur即為顆粒在此位置的離心沉降速度。式中：d–粒徑，mmμ–流體粘度，PaS

ρS

–顆粒密度，Kg/m3ρ

–顆粒密度，Kg/m3

ζ–曳力系數(shù)化工單元操作離心沉降與重力沉降的比較：1）離心沉降速度ur計算公式中將重力沉降速度計算公式中的加速度g改為離心加速度；2）離心沉降方向不是向下而是向外；3）離心力隨旋轉(zhuǎn)半徑而變，離心沉降速度ur也隨顆粒的位置而變。同一顆粒在同種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速度的比值比值Kc稱為分離因數(shù)：

（3-15）Kc是顆粒所在位置上的慣性離心力場強度與重力場強度之比。分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)?；卧僮骰卧僮?.3.1顆粒床層的特性一、床層空隙率ε

影響空隙率ε值的因素有顆粒的大小、形狀、粒度分布與充填方式等。一般亂堆床層的空隙率大致在0.47~0.70之間。二、床層的比表面積ab單位床層體積具有的顆粒表面積稱為床層的比表面積ab。若忽略顆粒之間接觸面積的影響，則

ab=（1－ε）a

（3-16）式中

ab─床層比表面積，m2/m3；

a─顆粒的比表面積，m2/m3；

ε─床層空隙率?；卧僮?.3.2過濾及過濾基本方程一、概述過濾操作如圖所示。實現(xiàn)過濾操作的外力可以是重力、壓強差或慣性離心力。1．過濾方式工業(yè)上過濾基本方式有兩種：深層過濾和濾餅過濾。在深層過濾操作中，顆粒尺寸比過濾介質(zhì)孔徑小，顆粒附著在孔道壁面上，過濾在過濾介質(zhì)內(nèi)部進行。濾餅過濾中，固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面上，形成一顆粒層，稱為濾餅?；卧僮?．濾餅的壓縮性當(dāng)濾餅兩側(cè)的壓強差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙都不發(fā)生明顯變化，單位厚度床層的流動阻力可視作恒定，這類濾餅稱為不可壓縮濾餅，反之稱為可壓縮濾餅。二、過濾基本方程

1．過濾速度與過濾速率單位時間獲得的濾液體積稱為過濾速率，單位為m3/s。單位過濾面積上的過濾速率稱為過濾速度，單位為m/s。任一瞬間的過濾速度u、過濾速率分別為：

（3-21b）（3-21c）式中V——濾液量，m3；

θ——過濾時間，s；

A——過濾面積，m2?；卧僮?．板框壓濾機

化工單元操作2．葉濾機

化工單元操作3．回轉(zhuǎn)真空過濾機

化工單元操作過濾機的生產(chǎn)能力通常是指單位時間獲得的濾液體積。1．間歇過濾機的生產(chǎn)能力間歇過濾機的整個操作周期T為T=θ+θW+θD式中θ─一個操作循環(huán)內(nèi)的過濾時間，s；

θW─一個操作循環(huán)內(nèi)的洗滌時間，s；

θD─一個操作循環(huán)內(nèi)輔助操作所需時間，s。生產(chǎn)能力Q的計算式為（3-42）化工單元操作2.連續(xù)過濾機的生產(chǎn)能力以轉(zhuǎn)筒真空過濾機為例。轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)為浸沒度ψ：

（3-43）轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時間T，在此周期內(nèi)過濾時間為

（3-44）N─轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速，r/minK

─過濾常數(shù)轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得的濾液體積為

（3-45）化工單元操作生產(chǎn)能力為（3-46）

當(dāng)濾布阻力可以忽略時，θe=0、Ve=0，則上式簡化為（3-46a）化工單元操作化工單元操作傳熱是由于溫度差引起的能量的轉(zhuǎn)移，又稱熱量傳遞過程。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫度差就必然導(dǎo)致熱量自發(fā)的從高溫處向低溫處傳遞，因此傳熱是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的一種傳遞現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中，傳遞過程的應(yīng)用更是十分廣泛。在化學(xué)工業(yè)中幾乎所有的化工生產(chǎn)過程均伴有傳熱操作?；どa(chǎn)中對傳熱的要求通常有以下兩種情況：一種是強化傳熱，比如各種換熱設(shè)備中的傳熱；另一種是削弱傳熱過程，如設(shè)備和管道的保溫。學(xué)習(xí)傳熱的目的主要是能夠分析影響傳熱速率的因素，掌握控制熱量傳遞速率的一般規(guī)律，以便根據(jù)生產(chǎn)要求來強化或削弱熱量的傳遞，正確地計算和選擇適宜的傳熱設(shè)備和保溫措施?；卧僮鳠岬膫鬟f是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分間有溫度差存在而引起的，凈的熱流是由高溫處流向低溫處,顯然傳遞的推動力是溫度差，其極限是溫度平衡.根據(jù)傳熱機理的不同，熱的傳遞有三種基本方式：導(dǎo)熱、對流傳熱和輻射傳熱。1.導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）：因為分子的微觀振動，熱量從高溫物體流向與之接觸的低溫物體，或同物體內(nèi)高溫部分向低溫部分進行的熱量傳遞過程稱為導(dǎo)熱，也稱為熱傳導(dǎo)。2.對流傳熱（熱對流）:對流傳熱是指流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅僅發(fā)生在流體中。但要注意，在對流傳熱時，必然伴隨著流體質(zhì)點間的熱傳導(dǎo)。若將兩者合并處理時，一般也稱為對流傳熱，也可稱為熱對流或給熱?；卧僮?.輻射傳熱(熱輻射):高溫物體因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間傳遞而被低溫物體所吸收并轉(zhuǎn)化為熱能的過程稱為輻射傳熱.輻射傳熱不僅有熱量的轉(zhuǎn)移,而且還伴有能量的轉(zhuǎn)換.4.1.2傳熱速率傳熱速率有兩種表示方法:1.熱流量Q:單位時間內(nèi)在整個傳熱面積上由熱流體傳給冷流體的熱量。2.熱通量q:單位傳熱面積上通過的熱流量?；卧僮饕?傅立葉定律

Q＝-λ·S·(dt/dn)

q＝Q/S＝-λ·(dt/dn)

λ－導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·k)

dt/dn－溫度梯度k/m（指向溫度增加的方向）傅立葉定律表明:在熱傳導(dǎo)時,其傳熱速率與溫度梯度及傳熱面積成正比。必須注意，λ作為導(dǎo)熱系數(shù)是表示材料導(dǎo)熱性能的一個參數(shù)，λ越大，表明該材料導(dǎo)熱越快。和粘度μ一樣，導(dǎo)熱系數(shù)λ也是分子微觀運動的一種宏觀表現(xiàn)。化工單元操作二.導(dǎo)熱系數(shù)１.物理意義:當(dāng)導(dǎo)熱面積S=1m2,溫度梯度為1k/m時,單位時間內(nèi)以熱傳遞方式傳遞的熱量。２.導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍金屬的最大，非金屬的次之，液體的較小，而氣體的最小。（1）固體的導(dǎo)熱系數(shù)固體的導(dǎo)熱系數(shù)大多與溫度有關(guān)，對于大多數(shù)均質(zhì)固體，其λ值與溫度大致呈線性關(guān)系：λ＝λ0（1＋a't）同種金屬材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)可在化工手冊中查到，當(dāng)溫度變化范圍不大時，一般采用該溫度范圍內(nèi)的平均值?；卧僮鳎?）液體的導(dǎo)熱系數(shù)液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體要高，而且大多數(shù)液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小。在非金屬液體中，水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而略有減小。一般說來純液體的導(dǎo)熱系數(shù)比其溶液的要大。（3）氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。在相當(dāng)大壓強范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與壓強幾乎無關(guān)。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)太小，因而不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫和絕熱。工業(yè)上的保溫材料，例如玻璃棉等，就是因為其空隙中有氣體，所以導(dǎo)熱系數(shù)低，適用于保溫隔熱。化工單元操作三.傅立葉定律的應(yīng)用１.單層平壁熱傳導(dǎo)(1)單層如圖4-6所示Q＝(t1-t2)/(b/λS)=△t/R化工單元操作(2)三層如圖4-7所示Q＝λ1S(t1-t2)/b1=λ2S(t2-t3)/b2=λ3S(t3-t4)/b3＝(t1-t4)/[(b1/λ1S+b2/λ2S+b3/λ3S)](3)N層Q＝總推動力／總熱阻化工單元操作２.圓筒壁熱傳導(dǎo)單層如圖4-8所示

Q＝-λS·(dt/dr)=-λ·2πrL·(dt/dr)Q＝2πLλ(t1-t2)/ln(r2/r1)或Q＝(t1-t2)λSm/b其中b＝r2-r1,Sm＝2πrmL,rm＝(r2-r1)/ln(r2/r1)

當(dāng)r2/r1<2時,rm＝(r2＋r1)/2化工單元操作一.對流傳熱的概念和傳熱速率方程１.對流傳熱假設(shè)對流傳熱過程是在厚度為δt的有效膜內(nèi)進行的，而且膜內(nèi)只有熱傳導(dǎo)，δt是集中了全部傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜厚。

Q＝λ·S·△t/δt

Q＝α1S（T1-Tw）或Q＝α２S（tｗ-t）

α－對流傳熱膜系數(shù)△t－流體和壁的溫差化工單元操作2.對流傳熱系數(shù)αα的物理意義:單位時間內(nèi)當(dāng)壁面與流體主體的溫度差為1K時,每一平方米固體壁面與流體之間傳遞的熱量。二.影響α的因素１.流體的種類及相變化情況２.流體的物理性質(zhì)ρ、μ、Cp、λ３.流體運動狀態(tài)依Re劃分４.對流狀況自然對流、強制對流５.傳熱壁的形狀、大小及安裝位置化工單元操作三.無相變流體α的確定(因次分析法)關(guān)聯(lián)式f(Nu，Re，Pr，Gr)=0或Nu=CRem·Prn·Gri

c、m、n、i由實驗測得四.對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式１.管內(nèi)的強制對流1)流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流2)流體在圓形直管內(nèi)作強制層流一般在換熱器等設(shè)備中，為了提高α，多呈湍流流動２.管外強制對流1)流體垂直于管束流動;2)流體在換熱器管間流動化工單元操作化工單元操作化工單元操作4.4.1能量衡算若Q損=0,單位時間內(nèi)，熱流體放出的熱量應(yīng)等于冷流體吸收的熱量。即Q＝Qh＝Qc無相變 Qh＝Wh·Cph(T1-T2)Qc＝Wc·Cpc(t2-t1)有相變 Qh＝Wh·rn

Qc＝Wc·rc化工單元操作4.4.2.總傳熱速率方程１.微分式dQ＝KdS(T-t)1/（KdS）=1/（αidSi）+b/（λdSm）+1/（α0dS0）２.總傳熱系數(shù)K(1)傳熱面為平壁1/K=1/α1+b/λ+1/α2(2)傳熱面為圓筒壁1/K0=1/α2+bd0/λdm+do/α1di(3)污垢熱阻1/K0=do/α1di+Rsid0/dibd0/λdm+Rs0+1/α2化工單元操作３.提高總傳熱系數(shù)的途徑傳熱過程的總熱阻1/K是由各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻疊加而成，原則上減小任何環(huán)節(jié)的熱阻都可以提高傳熱系數(shù)。但是，當(dāng)各個環(huán)節(jié)的熱阻相差較大時，總熱阻的數(shù)值將主要由其中的最大熱阻所決定。此時強化傳熱的關(guān)鍵在于提高該環(huán)節(jié)的傳熱系數(shù)。例如：當(dāng)管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時，污垢熱阻式可簡化為1/k=1/α1+1/α2若α1》α2，則1/k≈1/α2，欲要提高K值，關(guān)鍵在于提高對流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的α2。若污垢熱阻為控制因素，則必須設(shè)法減慢污垢形成的速率或及時清除污垢?；卧僮?.5.1.間壁式換熱器１.管式換熱器(1)蛇管換熱器

a.沉浸式蛇管換熱器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕性材料制作缺點：管內(nèi)液體湍動程度低，管外對流系數(shù)小。

b.噴淋式蛇管換熱器和沉浸式蛇管換熱器相比噴淋式蛇管換熱器的傳熱效果大為改善。(2)套管式換熱器能夠承受高壓強、總傳熱系數(shù)大、傳熱推動力大?；卧僮?3)列管式換熱器a.固定管板式結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉但由于殼程不易清洗和檢修，因此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易起垢的b.U型管換熱器結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，適用于高溫和高壓的場合。其主要缺點是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須潔凈。管板的利用率較差。c.浮頭式換熱器優(yōu)點：可以補償熱膨脹，便于清洗和檢修。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、金屬耗量較多、造價較高。化工單元操作２.板式換熱器(1)夾套式換熱器廣泛應(yīng)用于反應(yīng)過程的加熱和冷卻。結(jié)構(gòu)簡單，但其加熱面受容器壁面限制，總傳熱系數(shù)也不高。可在釜內(nèi)安裝攪拌器以提高總傳熱系數(shù)，也可在釜內(nèi)部安裝蛇管以補充傳熱面的不足。板式換熱器優(yōu)點：由于流體在板片間流動湍動程度高，而且板片又薄，故總傳熱系數(shù)K大。板片間隙小(一般為4-6mm)，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量可減少一半以上。具有可拆結(jié)構(gòu)，可根據(jù)需要調(diào)整板片數(shù)目以增減傳熱面積。操作靈活性大，檢修清洗也很方便。缺點：允許操作的壓強和溫度比較低。通常操作壓強不超過2MPa，壓強過高易滲漏。操作溫度受墊片材料的耐熱性限制，一般不超過250℃化工單元操作螺旋板式換熱器優(yōu)點：總傳熱系數(shù)高、不易堵塞、能利用低溫?zé)嵩春途芸刂茰囟群徒Y(jié)構(gòu)緊湊。缺點：操作壓強和溫度不宜太高、不易檢修?；卧僮髁泄苁綋Q熱器選用時應(yīng)注意的問題：1.冷、熱流體流動通道的選擇在列管式換熱器內(nèi)，冷、熱流體流動通道可根據(jù)以下原則進行選擇。

(1)不潔凈和易結(jié)垢的液體宜走管程，因為管內(nèi)清洗方便；

(2)腐蝕性的流體宜走管程，以免管束和殼體同時受腐蝕；

(3)壓強高的流體宜走管內(nèi)，以免殼體承受壓力；化工單元操作(4)飽和蒸汽宜走殼程，因為飽和蒸汽比較清凈，對流傳熱系數(shù)與流速無關(guān)且冷凝液易排出；(5)被冷卻的液體宜走殼程，便于散熱；(6)若兩流體溫差較大，對于剛性結(jié)構(gòu)的換熱器，宜將對流傳熱系數(shù)大的流體通入殼程，可減少熱應(yīng)力；

(7)流量小而粘度大的液體一般宜走殼程，因在殼程Re〉100即可達到湍流，但這不是絕對，如流動阻力損失允許，將這種流體通入管內(nèi)并采用多管程結(jié)構(gòu)，反而能得到更多的對流傳熱系數(shù)。化工單元操作化工單元操作化工生產(chǎn)中所處理的原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品等幾乎都是混合物，而且大部分是均相物系。為進一步加工和使用，常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態(tài)的物質(zhì)。對于均相物系必須要造成一個兩相物系，利用原物系中各組份間某種物性的差異，而使其中某個組分（或某些組分）從一相轉(zhuǎn)移到另一相，以達到分離的目的。物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過程稱為質(zhì)量傳遞過程或分離操作?；瘜W(xué)工業(yè)中常見的傳質(zhì)過程由整流、吸收、干燥和吸附等單元操作。化工單元操作蒸餾時分離液體混合物的典型單元操作。這種操作是利用液體混合物中各組份揮發(fā)度不同的特性實現(xiàn)分離的目的。例如，加熱乙醇水溶液，使之部分汽化，由于乙醇的沸點較水低，即其揮發(fā)度較水高，故汽化出來的蒸汽中，乙醇的組成（即濃度），必然比原來溶液的要高。若將汽化的蒸汽全部冷凝，則可得到乙醇含量較高的冷凝液，從而使乙醇和水得到初步分離。通常，將沸點低的組分稱為易揮發(fā)組分，沸點高的組分稱為難揮發(fā)組分。多次進行部分氣化或部分冷凝以后，最終可以在氣相中得到較純的易揮發(fā)組分，而在液相中得到較純的難揮發(fā)組分。這就叫精餾?；卧僮饕弧⒒旌衔锏姆蛛x：

化工單元操作例1.氣態(tài)混合物-吸收（溶解度差異）如圖所示

例2.液態(tài)混合物-蒸餾(揮發(fā)度差異)如圖所示在1atm下，水的沸點（bp）：100oC乙醇沸點（bp）：78.4oC

（揮發(fā)度大）料液氣化后，冷凝液中乙醇量高于原料液初步分離手段----簡單蒸餾化工單元操作二、蒸餾的分類1、間歇蒸餾和連續(xù)蒸餾。2、簡單蒸餾，平衡蒸餾，精餾和特殊精餾。3、常壓蒸餾，加壓蒸餾，減壓蒸餾。4、雙組份蒸餾，多組份蒸餾?；卧僮?)飽和蒸汽壓定義：一定溫度下，與同種物質(zhì)的液態(tài)（或固態(tài)）處于平衡狀態(tài)時的蒸氣所產(chǎn)生的壓強，稱為飽和蒸汽壓。

a)純組分A

Antoine方程：

po--純組分的飽和蒸汽壓mmHg

T--K化工單元操作b)混合液體（A+B）

根據(jù)拉烏爾定律，理想溶液上方的平衡分壓為pA=pA°xA

(5-2a)pB=pB°xB=pB°(1－xA)

(5-2b)式中

p----溶液上方組分的平衡分壓(Pa)；

p----在溶液溫度下純組成的飽和蒸汽壓(Pa)；

x----溶液中組成的摩爾分率。下標(biāo)A表示易揮發(fā)組分，B表示難揮發(fā)組分?；卧僮?.2.1理想溶液的汽液相平衡所謂理想物系是指液相和氣相應(yīng)符合以下條件。

(1)液相為理想溶液，遵循拉烏爾定律。根據(jù)溶液中同分子間與異分子間作用力的差異，可將溶液分為理想溶液和非理想溶液。嚴(yán)格地說，理想溶液是不存在的，但對于性質(zhì)及相近、分子結(jié)構(gòu)相似的組分所組成的溶液，例如苯-甲苯、甲醇-乙醇、烴類同系物等都可視為理想溶液。

(2)氣相為理想氣體，遵循道爾頓分壓定律。當(dāng)總壓不太高（一般不高于104kPa)時氣相可視為理想氣體。化工單元操作1)平衡組成的計算

設(shè)恒壓Pt下進行蒸餾，液相--理想溶液，氣相--理想氣體

Pt=pA+pB=pAoxA+pBoxB即

Pt=pAoxA+pBo(1-xA)

化工單元操作2）相平衡圖a）t-x-y圖化工單元操作b）x-y圖

由t-x-y圖中，每一ti下對應(yīng)x,y即得化工單元操作3)揮發(fā)度和相對揮發(fā)度a)揮發(fā)度（V）2.相對揮發(fā)度（α）

化工單元操作共同：料液經(jīng)一次汽化冷凝，只能是液體混合物得到初步分離不同：簡單蒸餾是間歇不穩(wěn)定操作

平衡蒸餾是連續(xù)穩(wěn)定操作

若汽化率相同，簡單蒸餾較平衡蒸餾可獲得更好的分離效果，及流出液組成更高?；卧僮?.3.1平衡蒸餾（閃蒸）

平衡蒸餾（閃蒸）是一種單級蒸餾操作，既可以間歇又可以連續(xù)進行上圖所示為連續(xù)操作的平衡蒸餾裝置。

平衡蒸餾計算所應(yīng)用的基本關(guān)系是物料衡算、熱量衡算和汽液平衡關(guān)系。

物料衡算：

F=D+W

FxF=DxD+Wxw

令(液化率)化工單元操作5.3.2簡單蒸餾（微分蒸餾）化工單元操作多次部分氣化多次部分冷凝示意圖1)多次部分氣化和多次部分冷凝流程的不足：a）需多個冷卻器及加熱器，設(shè)備費高，流程復(fù)雜b）需大量冷卻劑及加熱劑，能耗高，操作費高c）中間餾分多，最終產(chǎn)品極少?；卧僮?)工程上解決辦法：有回流的多次部分氣化、冷凝示意圖化工單元操作采用設(shè)備：篩板塔化工單元操作板式精餾塔

化工單元操作5.5.1理論板的概念和恒摩爾流假定1)理論板：指離開這塊板的氣液兩相達到平衡即

2)恒摩爾流假設(shè)精餾段：L1=L2=...=Ln=L

V1=V2=...=Vn=V提餾段：L1'=L2'=...=Ln'=L'

V1'=V2'=...=Vn'=V'化工單元操作恒摩爾流假設(shè)內(nèi)容：①恒摩爾氣流

精餾操作時，在精餾塔的精餾段內(nèi)，每層板的上升蒸汽摩爾流量都是相等的，在提餾段內(nèi)也是如此，但兩段的上升蒸汽摩爾流量卻不一定相等，即：

V1=V2=...=Vn=V

V1'=V2'=...=Vm'=V'

式中

V----精餾段中上升蒸汽摩爾流量（kmol/h)；

V'---提餾段中上升蒸汽摩爾流量（kmol/h)。②恒摩爾液流

精餾操作時，在塔的精餾段內(nèi)，每層板下降的液體摩爾流量都是相等，在提餾段內(nèi)也是如此，但兩段液體的摩爾流量卻不一定相等，即：

L1=L2=...=Ln=L

L1'=L2'=...=Ln'=L'

式中

L----精餾段中下降液體摩爾流量（kmol/h)；

L'---提餾段中下降液體摩爾流量（kmol/h)?；卧僮骱隳柫骷僭O(shè)成立的條件:

若在精餾塔塔板上氣、液兩相接觸時有nkmol的蒸汽冷凝，相應(yīng)就有nkmol的液體汽化，這樣恒摩爾流的假定才能成立。為此，必須滿足的條件是：①各組分的摩爾汽化潛熱相等；②氣液接觸時因溫度不同而交換的顯熱可以忽略；③塔設(shè)備保溫良好，熱損失可也忽略?；卧僮?.5.2全塔物料衡算化工單元操作總物料

F=D+W易揮發(fā)組分

FxF=DxD+Wxw

F----原料液流量(kmol/h)；

D----塔頂產(chǎn)品（餾出液）流量(kmol/h)；

W----塔頂產(chǎn)品（釜殘液）流量(kmol/h)；

xF---原料液中易揮發(fā)組分的摩爾分率；

xD---餾出液中易揮發(fā)組分的摩爾分率；

xw---釜殘液中易揮發(fā)組分的摩爾分率。回收率1）塔頂易揮發(fā)組分

2）塔底難揮發(fā)組分

化工單元操作精餾操作線方程1)精餾段操作線方程

R=L/D（回流比）上式表示；在一定操作條件下，精餾段內(nèi)自任意第n層塔板下降的液相組成xn與其相鄰的下一層板（如第n+1層板）上升蒸汽汽相組成yn+1之間的關(guān)系。該式在x-y直角坐標(biāo)圖上為直線，其斜率為R/（R+1），截距為xD/(R+1)?；卧僮?)提餾段操作線方程上式表示；在一定操作條件下，提餾段內(nèi)自任意第m