1、化工總控工基礎(chǔ)課件

2016年文山鋁業(yè)化工總控職業(yè)技能培訓(xùn)化工生產(chǎn)準備講課人：楊帆第一課:化工基礎(chǔ)知識第一章緒論基本要求1.了解本課程的性質(zhì).內(nèi)容和目的;2.初步理解四個基本規(guī)律在化工中的應(yīng)用;3.熟悉并掌握國際單位制;4.了解化工過程開發(fā)(從實驗室研究到工廠生產(chǎn))的一般步驟。1－1.1化工學(xué)科的內(nèi)容化學(xué)工程研究化工生產(chǎn)中的共同性操作的規(guī)律及其工程性質(zhì)的問題化學(xué)工藝也稱為化工生產(chǎn)技術(shù)。指將原料物質(zhì)主要經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的方法和過程,包括實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)變的全部化學(xué)的和物理的措施§1－1本課程的內(nèi)容和學(xué)習(xí)目的一、化學(xué)工程

化學(xué)工程的發(fā)展階段:

在20世紀前的幾百年時間里,出現(xiàn)了不少化學(xué)工業(yè),如制糖工業(yè)、制堿工業(yè)、造紙工業(yè)等。介紹每一種工業(yè)從原料到成品的生產(chǎn)過程,作為一種特殊的知識講解,這是最早的化學(xué)工程學(xué)。單一化學(xué)工藝學(xué)階段2.單元操作階段20世紀初，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，許多門化學(xué)工業(yè)中存在共同的操作原理。例如，無論是制糖業(yè)還是制堿業(yè)，從溶液蒸發(fā)得到固體糖和固體堿的原理是相同的，于是，蒸發(fā)成為最早提出的單元操作之一。經(jīng)不斷總結(jié)，被稱為單元操作的有:流體流動與輸送、沉降與過濾、固體流態(tài)化、傳熱、蒸發(fā)、蒸餾、吸收、吸附、萃取、干燥、結(jié)晶、膜分離等。3.傳遞過程階段到20世紀50年代,人們又發(fā)現(xiàn),各單元操作之間還存在著共性。例如,傳熱和蒸發(fā)都是熱量傳遞的形式,蒸餾、吸附、吸收、萃取都是質(zhì)量傳遞的形式。于是,把單元操作歸納為動量傳遞、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞。20世紀50年代中期,化學(xué)工程中出現(xiàn)了“化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)”這一新的分支。對化學(xué)反應(yīng)器的研究,不僅要運用化學(xué)動力學(xué)和熱力學(xué)原理,而且要運用動量、熱量和質(zhì)量傳遞原理。于是“傳遞過程”與“反應(yīng)工程”成為當今化學(xué)工程學(xué)的兩大支柱。簡稱“三傳一反”階段。4.“三傳一反”階段硫酸生產(chǎn):礦石粉碎→焙燒制SO2→除塵→精制→轉(zhuǎn)化→吸收→H2SO4。合成氨:以煤（石油或天然氣）→造氣→精制→合成→分離→氨?！?/p>

原料→前處理→化學(xué)處理（核心）→后處理→產(chǎn)品（或中間產(chǎn)品）單元操作:指在各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，具有共同的物理變化，遵循共同的物理學(xué)定律和具有共同作用的基本操作。二、化學(xué)工藝化學(xué)工藝具有個別生產(chǎn)的特殊性,即生產(chǎn)不同的化學(xué)產(chǎn)品要采用不同的工藝,即使生產(chǎn)相同產(chǎn)品,但原料路線不同時,也要采用不同的化學(xué)工藝。盡管如此,化學(xué)工藝所涉及的范疇是相同的,一般包括原料的選擇和預(yù)處理,生產(chǎn)方法的選擇及方法原理；設(shè)備的作用、結(jié)構(gòu)和操作；催化劑的選擇和使用；其他物料的影響；操作條件的影響；生產(chǎn)控制；產(chǎn)品的分離；能量的利用于回收等。1－1.2學(xué)習(xí)本課程的目的1.熟悉化工生產(chǎn)中所涉及的基本原理和典型設(shè)備，以及它們在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用2.認識化工生產(chǎn)中分析問題解決問題的途徑3.有助于指導(dǎo)化學(xué)科研工作目的:學(xué)習(xí)方法:原料、生產(chǎn)方法和產(chǎn)品的多樣性與復(fù)雜性向大型化、綜合化發(fā)展,精細化率也在不斷提高是多學(xué)科合作、生產(chǎn)技術(shù)密集型的生產(chǎn)部門重視能量合理利用,積極采用節(jié)能工藝和方法易燃、易爆、有毒仍然是現(xiàn)代化工企業(yè)首要解決的問題§1－2化工生產(chǎn)的特點§1－3化工中的一些基本規(guī)律質(zhì)量守恒（物料衡算）

能量守恒（能量衡算）平衡關(guān)系過程速率1-3.1質(zhì)量守恒（物料衡算）:質(zhì)量守恒表現(xiàn)為物料衡算,其依據(jù)是質(zhì)量守恒定律。它反映一個過程中原料、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等之間的關(guān)系,即進入的物料量必等于排出的物料量和過程中的積累量。進入的物料量＝輸出的物料量＋系統(tǒng)內(nèi)的積累量積累M∑M入∑M出系統(tǒng)圖1-1物料衡算示意圖物料衡算式:∑M入＝∑M出＋M連續(xù)穩(wěn)定流動:∑M入＝∑M出進行物料衡算時，必須明確下面幾點:1.首先要確定衡算的系統(tǒng),即衡算對象包括的范圍。2.其次要確定衡算的基準。3.然后確定衡算的對象。4.最后還要確定衡算對象的物理量及單位。例1-1每小時有10噸5％的乙醇水溶液進入精餾塔，塔頂餾出的產(chǎn)品中含乙醇95％，塔底排出的廢水中含乙醇0.1％。求每小時可得產(chǎn)品多少噸？若廢水全部排放，每年（按操作7200小時計）損失的乙醇多少噸？精餾塔原料液含乙醇5％10噸/時乙醇產(chǎn)品含乙醇95％含乙醇0.1％

廢水例1-1附圖解:已知:原料液流量及其中乙醇含量產(chǎn)品和廢水中乙醇含量確定:衡算范圍:衡算對象:衡算基準:設(shè):產(chǎn)品流量為X噸/時、廢水流量為Y噸/時。由物料衡算式:∑M入＝∑M出對物流的量進行衡算:10＝X+Y(1)對乙醇的量進行衡算:10×5％＝X×95％+Y×0.1％(2)X＝0.516噸/時Y＝9.484噸/時每年損失乙醇:9.484×0.1％×7200＝68.28

噸/年1-3.2能量守恒（能量衡算）:

能量衡算的依據(jù)是能量守恒定律。

能量衡算的目的是:計算單位產(chǎn)品的能耗了解過程中能量的利用和損失情況確定生產(chǎn)過程中需要輸入、輸出的熱量設(shè)計換熱設(shè)備積累Q∑Q入∑Q出系統(tǒng)圖1-2能量衡算示意圖熱量衡算式:∑Q入＝∑Q出＋Q穩(wěn)定的連續(xù)性操作:∑Q入＝∑Q出1-3.3平衡關(guān)系有關(guān)平衡的規(guī)律可以預(yù)測過程能夠達到的極限可以確定當時條件下物料或能量能夠利用的極限可以考察外界參數(shù)對平衡的影響和體系中物料狀態(tài)對平衡轉(zhuǎn)化率的影響,從而優(yōu)化條件衡量過程的效率,從而找出改進的方法1-3.4過程速率過程速率決定設(shè)備的生產(chǎn)能力,過程速率越高,設(shè)備生產(chǎn)能力越大,或設(shè)備的尺寸越小?！?/p>

過程速率（r）在實際工作中,一個過程以多快的速率由不平衡向平衡移動是極為重要的問題。§1－4從實驗室研究到工廠生產(chǎn)

將實驗室研究擴大為生產(chǎn)規(guī)模,使新產(chǎn)品、新工藝或新技術(shù)在工業(yè)裝置中運轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)的全過程稱為化工過程開發(fā)。實驗室研究（小試）可行性研究中間試驗（中試）工業(yè)裝置的設(shè)計和投產(chǎn)國際單位SI（共7種）1960年,電流安培（A）長度單位（m）時間單位（s）質(zhì)量單位（kg）熱力學(xué)溫度（k）發(fā)光強度（cd）1971年,物質(zhì)的量（mol）第二章流體的流動與輸送基本要求１.理解本章的基本概念，流體靜止和流動時的基本規(guī)律.基本原理，掌握基本方程的計算及應(yīng)用。２.了解流體輸送機械.流體

氣體

液體流體的概念:流動的物質(zhì)，沒有固定的形狀，氣體、液體的統(tǒng)稱。流程分析:

流體（水和煤氣）在泵（或鼓風(fēng)機）、流量計以及管道中流動等，是流體動力學(xué)問題。

流體在壓差計，水封箱中的水處于靜止狀態(tài)，則是流體靜力學(xué)問題。

為了確定流體輸送管路的直徑，計算流動過程產(chǎn)生的阻力和輸送流體所需的動力。

據(jù)阻力與流量等參數(shù)選擇輸送設(shè)備的類型和型號，以及測定流體的流量和壓強等。

流體流動將影響過程系統(tǒng)中的傳熱、傳質(zhì)過程等，是其他單元操作的主要基礎(chǔ)。§2－1一些基本概念2－1.1理想流體和實際流體

理想流體:不具有粘性，在流動過程中不產(chǎn)生摩擦阻力；實際流體:具有粘性，流動時產(chǎn)生摩擦阻力。理想流體是一種假設(shè)的概念,是對實際流體在某些條件下的簡化處理。理想氣體狀態(tài)方程以當時條件與標準條件對比時:2－1.2流體的密度、相對密度和比容1.流體的密度流體的密度—單位體積流體的質(zhì)量。用

表示，屬于物性。國際單位用kg/m3對于液體,壓強的變化對密度的影響很小,可以忽略,稱為不可壓縮性流體。此時,密度隨溫度而改變,在使用液體的密度時,要注意溫度條件。對于氣體,密度隨T、P改變很大,稱為可壓縮性流體,此時,氣體的密度必須標明其狀態(tài)。獲得方法:（1）查物性數(shù)據(jù)手冊 （2）公式計算:

由理想氣體方程求得操作條件（T,P）下的密度2.相對密度：是指在共同的特定條件下，一個物質(zhì)的密度與另一個物質(zhì)的密度之比值，用

d

表示。在一般情況下是以水作參照物,其值相當于比重比容

是指單位質(zhì)量的物料所具有的體積,是密度的倒數(shù)。單位為m3/kg。2－1.3流體的壓力及其測量

⑴壓強的定義

流體垂直作用于單位面積上的力,稱為流體的壓強,簡稱壓強。用p表示,工程上習(xí)慣稱之為壓力。數(shù)學(xué)表達式為:SI制單位:N/m2，即Pa。表壓強=絕對壓強-大氣壓強

2）表壓強（表壓）:1）絕對壓強（絕壓）:以當時當?shù)氐拇髿鈮簽槠瘘c的壓力稱為表壓。即絕對壓強與大氣壓強之差。流體體系的真實壓強稱為絕對壓強。它是以真空為起點的壓力①用不同密度的兩種液體表示同一壓強:AhA=BhB②用同一液體表示不同種壓強:PAhA=PAhA⑶壓強的基準

3）真空度:真空表的讀數(shù),當絕對壓強小于大氣壓強時,真空度=大氣壓強-絕對壓強絕對壓強、真空度、表壓強的關(guān)系為

絕對零壓線大氣壓強線A絕對壓強表壓強B絕對壓強真空度當用表壓或真空度來表示壓強時，應(yīng)分別注明。如:4×103Pa（真空度）、200KPa（表壓）。例：在蘭州操作的苯乙烯真空蒸餾塔頂?shù)恼婵毡碜x數(shù)為80×103pa，在天津操作時，若要求塔內(nèi)維持相同的絕對壓強，真空表的讀數(shù)應(yīng)為多少？（蘭州地區(qū)的平均大氣壓強為85.3×103pa,天津地區(qū)的平均大氣壓強為101.33×103pa,）⑷、流體靜力學(xué)基本方程方程的推導(dǎo)在1-1’截面受到垂直向下的壓力

在2-2’截面受到垂直向上的壓力:液柱本身所受的重力:因為小液柱處于靜止狀態(tài),

——流體的靜力學(xué)方程

表明在重力作用下,靜止液體內(nèi)部壓強的變化規(guī)律方程的討論2）當液面上方的壓強P0有改變時,液體內(nèi)部各點的壓強P也發(fā)生同樣的改變。即:液面上所受的壓強能以同樣大小傳遞到液體內(nèi)部的任一點。3）靜止流體內(nèi)部任一點的壓強是液面深度的函數(shù)，距液面越深，則壓強越大。

1）在連續(xù).靜止的同一液體內(nèi),處于同一水平面上各點的壓強相等。

4）可以改寫成

壓強差的大小可利用一定高度的液體柱來表示,這就是液體壓強計的根據(jù),在使用液柱高度來表示壓強或壓強差時,需指明何種液體。⑸、流體壓力的測量

——U形管常用指示液:水（著色水），油，四氯化炭等，它必須滿足:①與被測的液體互不相溶且不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)②它的密度必須大于被測流體的密度。

根據(jù)流體靜力學(xué)方程

若被測流體是氣體,通常上式可解化為:得：

例如附圖所示,水在管道中流動。為測得A-A′、B-B′截面的壓力差,在管路上方安裝一U形壓差計,指示液為水銀。已知壓差計的讀數(shù)R＝150mm,試計算A-A′、B-B′截面的壓力差。已知水與水銀的密度分別為1000kg/m3和13600kg/m3。解:圖中，1-1′面與2-2′面間為靜止、連續(xù)的同種流體，且處于同一水平面，因此為等壓面，即又⑴、流量單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量，稱為流量。若流量用體積來計量，稱為體積流量，用qv表示；單位為m3/s。若流量用質(zhì)量來計量，稱為質(zhì)量流量，用qm表示；單位kg/s。體積流量和質(zhì)量流量的關(guān)系是:⑵、流速單位時間內(nèi)流體在流動方向上流過的距離,稱為流速以u表示，單位為m/s。數(shù)學(xué)表達式為:2－1.4流量和流速流量與流速的關(guān)系為:流體輸送管道通常是圓管，若管道直徑為d，則:——管道直徑的計算式⑶管徑的初選在管路設(shè)計中,適宜的流速的選擇十分重要。若流速選得太大,流體流過管路時的阻力增大,操作費用增加；若流速選得太小,管徑增大,管路的基建費增加。應(yīng)在操作費與基建費之間通過經(jīng)濟權(quán)衡來確定適宜的流速一般來說,液體的流速取0.5～3.0m/s,氣體則為10～30m/s管材有一定的規(guī)格,用公稱直徑Dg表示,P29表2—32非定態(tài)流動

在流動過程中,流體在任一截面上的物理量既隨位置變化又隨時間而變化的流動?！?－2流體定態(tài)流動時的衡算2－2.1流體定態(tài)流動時的物料衡算流體流動過程中涉及三大守恒定律:質(zhì)量守恒動量守恒能量守恒

質(zhì)量衡算連續(xù)性方程是質(zhì)量守恒定律的一種表現(xiàn)形式,本節(jié)通過物料衡算進行推導(dǎo)。2－2.1流體定態(tài)流動時的物料衡算

1.物料衡算的結(jié)果--連續(xù)性方程在穩(wěn)定流動系統(tǒng)中,對直徑不同的管段做物料衡算衡算范圍:取管內(nèi)壁截面1-1’與截面2-2’間的管段。衡算基準:1s對于連續(xù)穩(wěn)定系統(tǒng):m1=m2qm1=qm2

如果把這一關(guān)系推廣到管路系統(tǒng)的任一截面，有:

若流體為不可壓縮流體

——穩(wěn)定流動的連續(xù)性方程

對于圓形管道

表明不可壓縮流體在圓形管道中,任意截面的流速與管內(nèi)徑的平方成反比。

1

流體流動時具有的機械能形式①內(nèi)能:物質(zhì)內(nèi)部能量的總和稱為內(nèi)能。單位質(zhì)量流體的內(nèi)能以U表示，單位J/kg。②位能:流體因距某基準高度而具有的能量。質(zhì)量為m流體的位能=mgH

單位質(zhì)量流體的位能=gH2－2.2流體定態(tài)流動時的能量衡算—柏努力方程③動能:流體以一定的流速流動而具有的能量。質(zhì)量為m,流速為u的流體所具有的動能單位質(zhì)量流體所具有的動能

④靜壓能:是流體處于當時壓力p下所具有的能量，即指流體因被壓縮而能向外膨脹作功的能力，其值等于pV()通常,將位能.動能.靜壓能稱為機械能。對于理想流體,它的密度不隨壓強而改變,粘度為0,溫度及內(nèi)能均不變,所以只有機械能的變化。2.流體流動的能量衡算－－伯努利方程式（1）理想流體伯努利方程式:設(shè)在1.2截面間沒有外界能量輸入，液體也沒有向外界作功，則m[kg]理想液體所具有的機械能為定值。衡算范圍:截面1-1’和截面2-2’間的管道和設(shè)備。衡算基準:mkg流體。設(shè)1-1’截面的流體流速為u1，壓強為P1，截面積為A1;截面2-2’的流體流速為u2，壓強為P2，截面積為A2。取o-o’為基準水平面，截面1-1’和截面2-2’中心與基準水平面的距離為H1，H2根據(jù)穩(wěn)定流動系統(tǒng)的能量衡算式有:∑輸入能量=∑輸出能量Σ輸入能量=mgH1+mu21/2+p1v

Σ輸出能量=mgH2+mu22/2+p2v

位能:=mgH2—mgH1動能:靜壓能:——柏努利方程

物理意義:對于理想流體，在沒有外加能量的情況下流動時，在管道任意截面處的三種形式的機械能總和保持不變。式中每一項表示一牛頓的流體所具有的能量，稱為壓頭H項，位壓頭，u2/2g，動壓頭，P/g，靜壓頭、Hf，損失壓頭，He:輸送設(shè)備對流體所提供的外加壓頭。在實際流體的流動中,有阻力產(chǎn)生,為了達到生產(chǎn)要求,有額外的附加功。因為是mkg的液體,同時除以mg,得到:（2）實際流體伯努利方程式:(1N)（3）功率的計算功率是指單位時間耗用的能量，可按下式求算:Pa,Pe-----分別為實際功率和理論功率（有效功率）,單位為kW;η------輸送的效率。運動著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間的作用力,稱為流體的內(nèi)摩擦力,是流體粘性的表現(xiàn),又稱為粘滯力或粘性摩擦力。流體流動時的內(nèi)摩擦是流體阻力產(chǎn)生的依據(jù)?！?－3實際流體的流動2-3.1粘度實驗證明,對于一定的液體,內(nèi)摩擦力F與兩流體層的速度差du成正比,與兩層之間的垂直距離dy成反比,兩層間的接觸面積A成比。單位面積上的內(nèi)摩擦力稱為內(nèi)摩擦應(yīng)力或剪應(yīng)力,以τ表示。F=

AF∝A——牛頓粘性定律式中:速度梯度,即在流體流動方向相垂直的y方向上流體速度的變化率粘度系數(shù),簡稱為粘度它的值隨流體的不同而不同,流體的粘性愈大,其值愈大,①單位由牛頓粘性定律得②粘度與溫度、壓強的關(guān)系液體的粘度隨溫度升高而減小,壓強變化時,液體的粘度基本不變。氣體的粘度隨溫度升高而增大,隨壓強增加而增加的很少,在一般的工程計算中可以予以忽略,只有在極低的壓強下,才需考慮壓強對氣體粘度的影響。1）、雷諾實驗

滯流或?qū)恿魍牧骰蛭闪?-3.2流體流動的形態(tài)2）、雷諾數(shù)ReRe是一個沒有單位,沒有因次的純數(shù)。在計算Re時,一定要注意各個物理量的單位必須統(tǒng)一。雷諾準數(shù)可以判斷流型,它的物理意義是表征慣性力與粘性力之比

層流區(qū)2000<Re<4000由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^渡區(qū)Re≥4000湍流區(qū)對于非圓形管道，計算Re時，應(yīng)以當量直徑de代替特征數(shù)中的直徑d。當量直徑的定義為:3）、滯流與湍流的比較流體在管內(nèi)做層流流動時,其質(zhì)點沿管軸作有規(guī)則的平行運動,各質(zhì)點互不碰撞,互不混合;流體在管內(nèi)做湍流流動時,其質(zhì)點作不規(guī)則的雜亂運動,并互相碰撞,產(chǎn)生大大小小的旋渦.（4）

、邊界層的概念

流速低于未受影響流速的99%以內(nèi)的區(qū)域

。

邊界層:邊界層的形成

邊界層區(qū)主流區(qū)主流區(qū):在邊界層以外，速度梯度接近為零的區(qū)域§2－5流體輸送機械在化工生產(chǎn)過程中,流體輸送是主要的單元操作之一它遵循流體流動的基本原理。流體輸送機械是一種向流體作功以提高流體機械能的裝置。通常,將輸送液體的機械稱為泵,將壓送氣體的機械按不同的工況分別稱為通風(fēng)機、鼓風(fēng)機、壓縮機和真空泵。2－5.1離心泵1.離心泵的主要部件：1.葉輪2.泵殼3.軸封裝置

由若干個彎曲的葉片組成的葉輪置于具有蝸殼通道的泵殼之內(nèi)。

葉輪緊固于泵軸上泵軸與電機相連,可由電機帶動旋轉(zhuǎn)。吸入口位于泵殼中央與吸入管路相連，并在吸入管底部裝一止逆閥。泵殼的側(cè)邊為排出口，與排出管路相連，其上裝有調(diào)節(jié)閥。2.離心泵的操作原理開泵前，先在泵內(nèi)灌滿要輸送的液體。開動后，泵軸帶動葉輪一起高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力。液體在此作用下，從葉輪中心被拋向葉輪外周，壓力增高，并以很高的速度（15-25m/s）流入泵殼。在蝸形泵殼中由于流道的不斷擴大，液體的流速減慢，使大部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能。最后以較高的靜壓強從排出口流入排出管道。泵內(nèi)的液體被拋出后，葉輪的中心形成了真空，由于泵的吸入管路一端浸沒于輸送液體內(nèi)，另一端與葉輪中心處相通

。在液體壓強（大氣壓）與泵內(nèi)壓力（負壓）的壓差作用下，液體便經(jīng)吸入管路進入泵內(nèi)，填補了被排除液體的位置。離心泵之所以能輸送液體，主要是依靠高速旋轉(zhuǎn)葉輪所產(chǎn)生的離心力。因此稱為離心泵。問：若沒有灌滿輸送液體，會發(fā)生什么現(xiàn)象？

氣縛現(xiàn)象氣縛現(xiàn)象:當啟動離心泵時，若泵內(nèi)未能灌滿液體而存在大量氣體，則由于空氣的密度遠小于液體的密度，葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性離心力很小，因而葉輪中心處不能形成吸入液體所需的真空度，這種可以啟動離心泵，使葉輪空轉(zhuǎn)，但不能輸送液體的現(xiàn)象稱為“氣縛現(xiàn)象”。離心泵是一種沒有自吸能力的液體輸送機械。若泵的吸入口位于貯槽液面的上方，在吸入管路應(yīng)安裝單向底閥和濾網(wǎng)。單向底閥可防止啟動前灌入的液體從泵內(nèi)漏出，濾網(wǎng)可阻擋液體中的固體雜質(zhì)被吸入而堵塞泵殼和管路。若泵的位置低于槽內(nèi)液面，則啟動時就無需灌泵。本章主要內(nèi)容:1.主要討論流體傳導(dǎo)傳熱、對流傳熱的機理和傳熱方程式及其應(yīng)用；2.冷熱流體通過固體間壁進行換熱的過程和計算；3.強化或削弱傳熱的途徑；4.換熱器的基本類型及列管式換熱器的基本結(jié)構(gòu)和性能；5.列管式換熱器的設(shè)計與選型；第四章傳熱過程§4－1概述4－1.1化工生產(chǎn)中的傳熱過程一.傳熱過程在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用傳熱:就是由于溫度的不同,熱量從溫度高的一處傳到溫度低的一處,這個過程就是熱量的傳遞，是自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域中極普遍的一種傳遞過程。絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過程都要求在一定的溫度下進行，為了使物料達到并保持指定的溫度，就要預(yù)先對物料進行加熱或冷卻，并在過程中及時取出放出的熱量或補充需要吸收的熱量?；どa(chǎn)中傳熱主要運用于:①應(yīng)用于生產(chǎn)中原料的加熱、成品的冷卻或冷凝。②應(yīng)用于控制化學(xué)反應(yīng)所需要的一定溫度范圍而采取的加熱、冷卻或保溫。③應(yīng)用于某些稀溶液的加熱、蒸發(fā)結(jié)晶、干燥等操作或某些濃溶液的冷卻。④應(yīng)用于生產(chǎn)中熱量的合理利用和廢熱回收，以節(jié)省熱能。二、傳熱的基本方式根據(jù)機理的不同，傳熱有三種基本方式:傳導(dǎo)、對流和輻射。傳熱過程可依靠其中的一種或幾種方式同時進行。傳導(dǎo)傳熱熱傳導(dǎo)又稱導(dǎo)熱，是借助物質(zhì)的分子或原子振動以及自由電子的熱運動來傳遞熱量的過程。在同一物體內(nèi)或緊密相連的不同物體之間，只要存在溫度差，熱量就會從溫度高的部分傳至溫度低的部位?？梢姛醾鲗?dǎo)不僅發(fā)生在固體中，同時也是流體內(nèi)的一種傳熱方式。在靜止流體內(nèi)部以及在作層流運動的流體層中垂直于流動方向上的傳熱，是憑借流體分子的振動碰撞來實現(xiàn)的，換言之，這兩類傳熱過程也應(yīng)屬于傳導(dǎo)的范疇。所以說:固體和靜止流體中的傳熱以及作層流運動的流體層中垂直于流動方向上的傳熱均屬于傳導(dǎo)傳熱。很顯然，傳導(dǎo)過程的特點是:在傳熱過程中傳熱方向上無質(zhì)點的宏觀遷移。對流傳熱流體中質(zhì)點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞,稱為對流傳熱對流只能發(fā)生在流體中。強制對流

自然對流

用機械能（泵、風(fēng)機等）使流體發(fā)生對流而傳熱。由于流體各部分溫度的不均勻分布,形成密度的差異,在浮升力的作用下,流體發(fā)生對流而傳熱熱輻射熱輻射是一種通過電磁波來傳遞熱量的方式。具體地說，物體先將熱能轉(zhuǎn)變成輻射能，以電磁波的形式在空中進行傳送，當遇到另一個能吸收輻射能的物體時，即被其部分或全部吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩鴮崿F(xiàn)傳熱。根據(jù)赫爾－波爾茲曼定律:凡溫度高于絕對零度的物體均具有將其本身的能量以電磁波的方式輻射出去，同時有接受電磁波的能力，且物體的輻射能力大致與物體的絕對溫度的4次方成正比。換熱方式

三、兩流體換熱的基本方式

1直接接觸式傳熱在這類傳熱中，冷、熱流體在傳熱設(shè)備中通過直接混合的方式進行熱量交換，又稱為混合式傳熱。優(yōu)點:方便和有效，而且設(shè)備結(jié)構(gòu)較簡單，常用于熱氣體的水冷或熱水的空氣冷卻。缺點:在工藝上必須允許兩種流體能夠相互混合。這種傳熱方式是冷、熱兩種流體交替通過同一蓄熱室時，即可通過填料將從熱流體來的熱量，傳遞給冷流體，達到換熱的目的。優(yōu)點:結(jié)構(gòu)較簡單，可耐高溫，常用于氣體的余熱或冷量的利用。缺點:由于填料需要蓄熱，所以設(shè)備的體積較大，且兩種流體交替時難免會有一定程度的混合。2蓄熱式傳熱在多數(shù)情況下,化工工藝上不允許冷熱流體直接接觸,故直接接觸式傳熱和蓄熱式傳熱在工業(yè)上并不很多,工業(yè)上應(yīng)用最多的是間壁式傳熱過程。這類換熱器的特點是在冷、熱兩種流體之間用一金屬壁(或石墨等導(dǎo)熱性能好的非金屬壁)隔開,以便使兩種流體在不相混合的情況下進行熱量傳遞。這類換熱器中以套管式換熱器和列管式換熱器為典型設(shè)備。3間壁式傳熱4－1.2傳熱中的一些基本物理量和單位熱量Q:是能量的一種形式，J傳熱速率

是指單位時間傳遞的熱量，W傳熱速率也稱為熱流量，或熱負荷熱流密度q:單位面積上的傳熱速率，W·m-2潛熱:單位質(zhì)量的物質(zhì)在發(fā)生相變化時伴隨的熱量變化J/kg比定壓熱容cp:壓力恒定時，單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1K時所需的熱量，J·K-1·kg-1顯熱：4－1.3定態(tài)傳熱和非定態(tài)傳熱定態(tài)傳熱:在傳熱體系中各點的溫度只隨換熱器的位置的變化而變，不隨時間而變．特點:通過傳熱表面的傳熱速率為常量，熱通量不一定為常數(shù)。非定態(tài)傳熱:若傳熱體系中各點的溫度，既隨位置的變化，又隨時間變化。特點:傳熱速率、熱通量均為變量。

通常連續(xù)生產(chǎn)多為穩(wěn)定傳熱，間歇操作多為不穩(wěn)定傳熱。化工過程中連續(xù)生產(chǎn)是主要的，因而我們主要討論定態(tài)傳熱。1）傅立葉定律t1>t2取熱流方向微分厚度d＆進行考察,則在dt的瞬間內(nèi)傳遞的熱量為dQ＆§4－2傳導(dǎo)傳熱4－2.1熱傳導(dǎo)基本方程－－傅立葉定律λ——比例系數(shù),稱為導(dǎo)熱系數(shù)。w/m·k——付立葉定律

在穩(wěn)定導(dǎo)熱時,導(dǎo)熱量不隨時間而改變,即單位時間內(nèi)的導(dǎo)熱量為定值。引入一個比例系數(shù),將上式變?yōu)橐粋€等式溫度梯度,單位為℃.m-1,表示熱流方向溫度變化的強度,溫度梯度越大,說明在熱流方向單位長度上的溫度差就越大。負號表示傳熱的方向與溫度升高的方向相反2）導(dǎo)熱系數(shù)

一般,金屬的導(dǎo)熱系數(shù)最大,非金屬的固體次之,液體的較小,氣體的最小。（金屬）﹥（非金屬）（固體）﹥（液體）﹥（氣體）

（緊密）﹥（疏松）

物性之一:是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的標志,與物質(zhì)種類、熱力學(xué)狀態(tài)（T、P）有關(guān)。物理含義:代表單位溫度梯度下的熱通量大小，即:當物體兩個面（等溫面）間溫差為1K，厚度為1m時，每經(jīng)過1m2傳熱面積所能傳導(dǎo)的熱量。故物質(zhì)的越大，導(dǎo)熱性能越好。在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的傳熱強度，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一。固體的導(dǎo)熱系數(shù)純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度的升高而降低,金屬的導(dǎo)熱系數(shù)大都隨純度的增加而增大。非金屬的建筑材料或絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨密度增加而增大,也隨溫度升高而增大。液體的導(dǎo)熱系數(shù)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,氣體的導(dǎo)熱系數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)很小，不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫。氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而加大。在相當大的壓強范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨壓強變化極小注意:在傳熱過程中，物質(zhì)內(nèi)不同位置的溫度可能不相同，因而導(dǎo)熱系數(shù)也不同，在工程計算中常取導(dǎo)熱系數(shù)的算術(shù)平均值。1）、單層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

邊界條件為:n=0時，t=t1n=＆時，t=t24－2.2平面壁的定態(tài)熱傳導(dǎo)R——導(dǎo)熱熱阻,傳導(dǎo)距離＆越大,傳熱面積和導(dǎo)熱系數(shù)越小,傳導(dǎo)熱阻越大。:壁面兩側(cè)的溫度差。2）、多層平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)

推廣到n層平壁有:多層平壁導(dǎo)熱是一種串聯(lián)的導(dǎo)熱過程,串聯(lián)導(dǎo)熱過程的推動力為各分過程溫度差之和,即總溫度差,總熱阻為各分過程熱阻之和,也就是串聯(lián)電阻疊加原則。例:有一鍋爐墻,有下列三種材料組成,耐火磚λ1=1.4w.m-1.c-1,＆1=225mm,保溫磚λ2=0.15w.m-1.c-1,＆2=115mm,建筑磚λ3=0.8w.m-1.c-1＆3=225mm,今測得其內(nèi)壁溫度為930℃,外壁溫度為55℃,求每秒鐘每平方米壁面損失的熱量,并求出各層接觸面上的溫度?！?－3對流傳熱傳熱方式熱輻射熱對流熱傳導(dǎo)

4－3.1對流傳熱機理一、對流傳熱機理

對流傳熱是集對流和熱傳導(dǎo)于一體的綜合現(xiàn)象。

對流傳熱的熱阻主要集中在滯流內(nèi)層。減薄滯流內(nèi)層的厚度是強化對流傳熱的主要途徑。

流體沿固體壁面的流動

流體分層運動,相鄰層間沒有流體的宏觀運動。在垂直于流動方向上不存在熱對流,該方向上的熱傳遞僅為流體的熱傳導(dǎo)。該層中溫度差較大,即溫度梯度較大。滯流內(nèi)層緩沖層熱對流和熱傳導(dǎo)作用大致相同,在該層內(nèi)溫度發(fā)生較緩慢的變化。湍流主體溫度梯度很小,各處的溫度基本相同。2.牛頓傳熱方程據(jù)傳遞過程速率的普遍關(guān)系，壁面和流體間的對流傳熱速率:——牛頓冷卻定律

工程上推動力:壁面和流體間的溫度差阻力:影響因素很多，但與壁面的表面積成反比。對流傳熱速率方程可以表示為:Q=⊿t/RR=1/aA對流傳熱系數(shù)a定義式:a,對流傳熱的傳熱膜系數(shù),也稱為給熱系數(shù),其物理意義是指當流體主體與壁面間溫度差為1k時,每秒通過1m2壁面所傳給流體的熱量為1J。單位W/m2.k。反映了對流傳熱的快慢,對流傳熱系數(shù)大,則傳熱快。①、流體的流動形態(tài)和對流情況②、流體的物理性質(zhì):密度р、比熱cp、導(dǎo)熱系數(shù)λ、粘度μ等；③、傳熱溫度④、流體傳熱時的相變化⑤、傳熱表面的形狀、位置及大小:如管、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。1.影響因素

4－3.2對流傳熱膜系數(shù)2.傳熱過程的特征數(shù)對流給熱系數(shù)的因素非常多,工程上采用因次分析和實驗的方法確定不同影響因素之間的具體關(guān)系,所有這些關(guān)系式統(tǒng)稱為對流給熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。準數(shù)名稱符

號意

義努塞爾特準數(shù)（Nusselt）Nu=αd/λ

表示對流傳熱系數(shù)的準數(shù)雷諾準數(shù)（Reynolds）Re=duρ/μ

確定流動狀態(tài)的準數(shù)普蘭特準數(shù)（Prandtl）Pr=cpμ/λ

表示物性影響的準數(shù)格拉斯霍夫準數(shù)（Grashof）Gr=βgΔtdi3ρ2/μ2

表示自然對流影響的準數(shù)§4－4熱交換的計算在實際生產(chǎn)中,需要冷熱兩種流體進行熱交換,但不允許它們混合,為此需要采用間壁式的換熱器。此時,冷、熱兩流體分別處在間壁兩側(cè),兩流體間的熱交換包括了固體壁面的傳導(dǎo)傳熱和流體與固體壁面間的對流傳熱。關(guān)于傳導(dǎo)傳熱和對流傳熱在前面已介紹過,本節(jié)主要在此基礎(chǔ)上進一步討論間壁式換熱器的傳熱計算。4－4.1總傳熱速率方程化工生產(chǎn)中的冷熱流體的熱交換,其熱量通過壁面?zhèn)鹘o冷流體,實際上包括對流---傳導(dǎo)----對流的傳熱過程,

間壁兩側(cè)流體的熱交換過程包括三個串聯(lián)的傳熱過程。流體在換熱器中的溫度分布如圖所示.熱流體的對流傳熱:管壁熱傳導(dǎo):冷流體的對流傳熱對于穩(wěn)定傳熱:1．當傳熱面為平面時，A=A1=A2=Am，則:K——換熱器的傳熱系數(shù)，物理意義:在數(shù)值上等于單位傳熱面積、單位溫度差下的傳熱速率。K值越大，則單位傳熱面積所傳遞的熱量就越多。若間壁為平面壁或近似平面壁則:A1=A2=A3其中式中K——總傳熱系數(shù),w·m-2·K-1?？倐鳠岱匠淌轿覀冞€可以改寫為:=R，R就相當于系統(tǒng)的總熱阻。Q

2．當傳熱面為圓筒壁時，兩側(cè)的傳熱面積不等，則:rm——對數(shù)平均半徑,Am——對數(shù)平均面積例:有一列管式換熱器，被加熱的原油流經(jīng)列管內(nèi)，給熱系數(shù)a1=100W/m2.k，列管外用飽和水蒸氣加熱，蒸汽的給熱系數(shù)a2=10000W/m2.k，列管有?53mm×1.5mm的鋼管組成，鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為50W/m2.k，管壁有一垢層，其熱阻為R=0.0005m2.k.w-1,試計算該換熱器的總傳熱數(shù)值,若其它條件不變,管內(nèi)外給熱系數(shù)分別提高一倍,試分別計算其總傳熱系數(shù)。4－4.2傳熱系數(shù)的大致范圍4－4.3傳熱溫差1.定態(tài)恒溫傳熱的傳熱溫差:兩種流體進行熱交換時,在沿傳熱壁面的不同位置上,在任何時間兩種流體的溫度皆不變化,這種傳熱稱為穩(wěn)定的恒溫傳熱。如蒸發(fā)器中,間壁的一側(cè)是飽和水蒸汽在一定溫度下冷凝,另一側(cè)是液體在一定溫度下沸騰,兩側(cè)流體溫度沿傳熱面無變化,兩流體的溫度差亦處處相等,可表示為Δtm=T-t式中T—熱流體的溫度℃；t---冷流體的溫度℃。2）變溫傳熱溫度差:傳熱溫度差隨位置而改變的傳熱。在傳熱過程中,間壁一側(cè)或兩側(cè)的流體沿著傳熱壁面,在不同位置時溫度不同,但各點的溫度皆不隨時間而變化,即為穩(wěn)定的變溫傳熱過程。流動形式

并流:逆流:錯流:折流:兩流體平行而同向的流動

兩流體平行而反向的流動

兩流體垂直交叉的流動

一流體只沿一個方向流動,而另一流體反復(fù)折流變溫時逆流和并流時的傳熱溫差

假定:換熱器（1）在穩(wěn)定情況下操作,內(nèi)管走冷流體,溫度由t1升到t2,套管環(huán)隙走熱流體,溫度由T1降到T2,兩流體以相反方向流動。以以兩個套管式換熱器為例,來看一下Δt的變化,（1）換熱器（2）內(nèi)管走的冷流體溫度由t1升到t2,環(huán)隙熱流體溫度由T1降到T2,只是兩流體的流向相同。------并流（2）我們分別求它們的平均溫度差:⑴算術(shù)平均值:△t=(△t1+△t2)/2逆流時:△t1=T1—t2;△t2=T2—t1;并流時:△t1=T1—t1;△t2=T2—t2;算術(shù)平均值只有當△t1/△t2≦2時才能適用,這時誤差小于4%(2)對數(shù)平均溫度差;當△t1/△t2>2時,要才用對數(shù)平均溫度差,才能比較確切地反映溫度變化的實際情況。其計算式為:我們這樣來推導(dǎo):假設(shè)熱交換器沒有熱損失，在穩(wěn)定傳熱時，傳熱速率不隨溫度而變化，也就是:Q=常數(shù)——進口處的溫差?！隹谔幍臏夭?。Ｑ＝mc△t＝常數(shù),由于在流動中，流體的質(zhì)量m，和熱容c均不發(fā)生改變，所以對熱流體:＝－m’c’（Ｔ２－Ｔ１）對于冷流體:＝m”c”（t２－t１）上式說明傳熱速率與熱流體及冷流體溫度之間的關(guān)系是直線關(guān)系,以△t＝Ｔ－t代表一截面上冷熱流體的溫度差,則與△t之間也成線性關(guān)系由于

代入上式:整理得到:將上式積分得到:——對數(shù)平均溫度差

逆流T1t1T2t2Δt1Δt2并流T1t2T2t1Δt1Δt2注意:在應(yīng)用對數(shù)平均溫度差計算式時，通常將換熱器兩端溫度差△t中數(shù)值小的寫成△t2，大的寫成△t1，可以計算較為方便。當時，可用算術(shù)平均溫度差代替對數(shù)平均溫度差。

例:已知某臺鍋爐的省煤器進口煙氣溫度是T1=462℃，出口煙氣溫度是T2=262，給水進口溫度t1=104℃，出口水溫t2=183℃。求順流操作和逆流操作時的平均溫度。例:在一單殼單管程無折流擋板的列管式換熱器中，用冷卻水將熱流體由100℃冷卻至40℃，冷卻水進口溫度15℃，出口溫度30℃，試求在這種溫度條件下，逆流和并流的平均溫度差。解:熱流體:冷流體:逆流時:7025并流時:熱流體:冷流體:8510結(jié)論:在相同條件下，在并流和逆流時,雖然兩流體的進、出口溫度不變,但逆流時的Δtm比并流的大。因此在換熱器的傳熱量Q及總傳熱系數(shù)K值相同的條件下,采用逆流操作,可以節(jié)省傳熱面積。

逆流的另一優(yōu)點是節(jié)省加熱介質(zhì)或冷卻介質(zhì)的用量。例如,將一定流量的冷流體從20℃加熱到60℃,而熱流體的進口溫度為90℃,出口溫度不作規(guī)定。此時,采用逆流時,熱流體的出口溫度可以降至接近20℃,而采用并流時,則只能降至接近于60℃。這樣,逆流時加熱介質(zhì)用量就較并流時的為少。

由以上分析可知,逆流優(yōu)于并流,因而工業(yè)生產(chǎn)中換熱器多采用逆流操作。但是在某些生產(chǎn)工藝的要求下,若對流體的溫度有所限制,例如規(guī)定冷流體被加熱時不得超過某一溫度,或熱流體被冷卻時不得低于某一溫度,則宜采用并流操作。強化傳熱的目的是以最小的傳熱設(shè)備獲得最大的生產(chǎn)能力。1）增大傳熱面積A實踐中換熱管可加裝翅片或改用螺旋翅片管2）增大傳熱推動力Δtm當工藝條件確定后,Δtm只能通過采用逆流操作方式來加以提高。3）提高總傳熱系數(shù)K——減少傳熱阻力減少壁厚或使用導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料；防止污垢形成或經(jīng)常清除污垢；加大流速,提高湍動程度,減少層流底層的厚度均有利于提高對流傳熱系數(shù)。強化傳熱途徑有:4－4.3強化傳熱的途徑不難看出,提高方程式右邊任何一項,均可達到提高換熱器傳熱能力的目的,但究竟哪一個環(huán)節(jié)是傳熱的控制步驟,則需要具體問題作具體分析,只有針對傳熱過程的薄弱環(huán)節(jié)采取強化措施,才能收到預(yù)期的效果。§4－5熱交換器熱交換器也稱換熱器,是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備,在生產(chǎn)中占有重要地位。化工生產(chǎn)中,換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器、再沸器等,應(yīng)用甚為廣泛。換熱器種類很多,但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分為三類,即間壁式、混合式、蓄熱式。在三類換熱器中,間壁式換熱器應(yīng)用最多,以下主要討論此類換熱器。4－5.1列管式換熱器（管殼式換熱器）

列管式換熱器又稱為管殼式換熱器,是最典型的間壁式換熱器,歷史悠久,占據(jù)主導(dǎo)作用。主要由殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在管內(nèi)流動,其行程稱為管程；另一種流體在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。優(yōu)點:單位體積設(shè)備所能提供的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，大型裝置中普遍采用。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍動程度大為增加。（1）固定管板式殼體與傳熱管壁溫度之差大于50C，加補償圈，也稱膨脹節(jié)，當殼體和管束之間有溫差時，依靠補償圈的彈性變形來適應(yīng)它們之間的不同的熱膨脹。特點:結(jié)構(gòu)簡單，成本低，殼程檢修和清洗困難，殼程必須是清潔、不易產(chǎn)生垢層和腐蝕的介質(zhì)。根據(jù)所采取的溫差補償措施,列管式換熱器可分為以下幾個型式（2）浮頭式兩端的管板，一端不與殼體相連，可自由沿管長方向浮動。當殼體與管束因溫度不同而引起熱膨脹時，管束連同浮頭可在殼體內(nèi)沿軸向自由伸縮，可完全消除熱應(yīng)力。特點:結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本高，消除了溫差應(yīng)力，是應(yīng)用較多的一種結(jié)構(gòu)形式。（3）U型管式把每根管子都彎成U形，兩端固定在同一管板上，每根管子可自由伸縮，來解決熱補償問題。特點:結(jié)構(gòu)較簡單，管程不易清洗，常為潔凈流體，適用于高壓氣體的換熱換熱器的分類根據(jù)傳熱原理和實現(xiàn)熱交換的方法間壁式混合式蓄熱式換熱面的型式

管式板式翅片式1、夾套式換熱器2、蛇管式換熱器3、螺旋板式換熱器4、板式換熱器5.熱管4－5.2其它熱交換器

第五章

吸收

§5－1概述一、什么是吸收？利用混合氣體中各組分在液體中溶解度的差異而分離氣體混合物的單元操作稱為吸收。吸收操作時某些易溶組分進入液相形成溶液,不溶或難溶組分仍留在氣相,從而實現(xiàn)混合氣體的分離。氣體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內(nèi)由濃度差推動的傳質(zhì)過程。吸收質(zhì)或溶質(zhì):混合氣體中的溶解組分，以A表示。惰性氣體或載體:不溶或難溶組分，以B表示。吸收劑:吸收操作中所用的溶劑，以S表示。吸收液:吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質(zhì)A。吸收尾氣:吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質(zhì)A。吸收過程在吸收塔中進行，逆流操作吸收塔示意圖如右所示。吸收塔混合尾氣(A+B)吸收液(A+S)吸收劑(S)吸收尾氣(A+B)二、吸收目的（氣體吸收在工業(yè)及環(huán)保中的應(yīng)用）1.制取產(chǎn)品例如，用98%的硫酸吸收SO3氣體制取發(fā)煙硫酸，用水吸收氯化氫制取31%的工業(yè)鹽酸，用氨水吸收CO2生產(chǎn)碳酸氫銨等。2.從氣體中回收有用的組分例如，用硫酸從煤氣中回收氨生成硫胺；用洗油從煤氣中回收粗苯等。3.除去有害組分以凈化氣體主要包括原料氣凈化和尾氣、廢氣的凈化以保護環(huán)境。例如用水或堿液脫除合成氨原料氣中的二氧化碳，燃煤鍋爐煙氣、冶煉廢氣等脫SO2等。4、作為生產(chǎn)的輔助環(huán)節(jié)。5.作為環(huán)境保護和職業(yè)保健的重要手段。三、吸收分類1.物理吸收定義：溶質(zhì)氣體溶于液相中不發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)的吸收過程，稱之為物理吸收。例如：CO2＋H2O＝H2CO3物理吸收時,由于吸收質(zhì)只是單純的溶解于吸收劑中,因而很不穩(wěn)定,條件稍有有改變,被吸收的吸收質(zhì)很容易從液相重新轉(zhuǎn)入到氣相中。2.化學(xué)吸收定義：在吸收過程中，吸收質(zhì)與吸收劑之間發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，比如用堿吸收二氧化碳生成碳酸鹽。吸收是氣體溶質(zhì)在吸收劑中溶解的過程。因此,吸收性能的優(yōu)劣往往是決定吸收效果的關(guān)鍵。選擇吸收應(yīng)注四、吸收劑的選擇(1)溶解度吸收劑對溶質(zhì)組分的溶解度越大,則傳質(zhì)推動力越大,吸收速率越快,且吸收劑的耗用量越少。(2)選擇性吸收劑應(yīng)對溶質(zhì)組分有較大的溶解度,而對混合氣體中的其它組分溶解度甚微,否則不能實現(xiàn)有效的分離。意以下幾點:(3)揮發(fā)度在吸收過程中,吸收尾氣往往為吸收劑蒸汽所飽和。故在操作溫度下,吸收劑的蒸汽壓要低,即揮發(fā)度要小,以減少吸收劑的損失量。(4)粘度吸收劑在操作溫度下的粘度越低,其在塔內(nèi)的流動阻力越小,擴散系數(shù)越大,這有助于傳質(zhì)速率的提高。(5)其它所選用的吸收劑應(yīng)盡可能無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得,且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。在恒定的溫度與壓強下,使一定量的吸收劑與混合氣體接觸,溶質(zhì)便向液相轉(zhuǎn)移,同時正在被吸收的吸收質(zhì)也可由液相擴散到氣相中,發(fā)生解吸過程。當吸收和解吸兩個過程的速率相等時,氣液兩相中吸收支質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化。這種狀態(tài)稱為相際動平衡,簡稱相平衡或平衡。平衡狀態(tài)下氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓或飽和分壓,液相中的溶質(zhì)濃度稱為平衡濃度或飽和濃度,所謂氣體在液體中的溶解度,就是指吸收質(zhì)在吸收劑中的最大溶解量,習(xí)慣上常以單位質(zhì)量（或體積）的液體中所含溶質(zhì)的質(zhì)量來表示?！?－2吸收的相平衡在溫度和壓力一定的條件下,平衡時的氣、液相組成具有一一對應(yīng)關(guān)系。平衡狀態(tài)下氣相中溶質(zhì)的分壓稱為平衡分壓或飽和分壓,與之對應(yīng)的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解度。這時溶液已經(jīng)飽和,即達到了它在一定條件下的溶解度,也就是指氣體在液相中的飽和濃度,習(xí)慣上以單位質(zhì)量（或體積）的液體中所含溶質(zhì)的質(zhì)量來表示,也表明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。在一定溫度下達到平衡時,溶液的濃度隨氣體壓力的增加而增加。如果要使一種氣體在溶液中達到某一特定的濃度,必須在溶液上方維持較高的平衡壓力。氣體的溶解度與溫度有關(guān),一般來說,溫度下降則氣體的溶解度增高。吸收劑、溫度T、P一定時,不同物質(zhì)的溶解度不同。溫度、溶液的濃度一定時,溶液上方分壓越大的物質(zhì)越難溶。對于同一種氣體,分壓一定時,溫度T越高,溶解度越小。對于同一種氣體,溫度T一定時,分壓P越大,溶解度越大。加壓和降溫對吸收操作有利。5－2.1亨利定律當總壓不太高時,一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線,即溶質(zhì)在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。(1)用吸收質(zhì)在溶液中的摩爾分數(shù)x表示式中:p*——溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa；x——溶質(zhì)在液相中的摩爾分數(shù)；E——亨利常數(shù)，單位與壓強單位一致kPa。亨利系數(shù)的值隨物系的特性及溫度而異；物系一定，E值一般隨溫度的上升而增大；E值的大小代表了氣體在該溶劑中溶解的難易程度；在同一溶劑中，難溶氣體E值很大，易溶氣體E值很??；E的單位與氣相分壓的壓強單位一致。此式稱為亨利（Henry）定律基本式。此式表明稀溶液上方的溶質(zhì)分區(qū)與該溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比,其比例常數(shù)即為亨利系數(shù)。摩爾分數(shù),又稱為摩爾分率。指某相中一種組分在全部組分中所占的比例，通常以y代表氣相摩爾分率、x代表液相摩爾分率。如：氣相中有A.B兩種組分，A為吸收質(zhì)，B為惰性組分，則它們的摩爾分率為：ya=na/n，yb=nb/n比摩爾分率：氣液兩相中惰性組分的量不變,指每摩爾惰性組分中所帶有吸收質(zhì)的摩爾數(shù).通常以Y代表氣相比摩爾分率,以X代表液相比摩爾分率。例：已知氨水中含氨15%（質(zhì)量分率），求氨水中氨的比摩爾分率？(2)用溶液中吸收質(zhì)的物質(zhì)的量濃度c氣相中的分壓表示c——溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；H——溶解度系數(shù)，單位:kmol/m3·Pa或kmol/m3·atm。H是溫度的函數(shù)，H值隨溫度升高而減小。易溶氣體H值大，難溶氣體H值小。H與E的關(guān)系溶液中吸收質(zhì)濃度設(shè)溶液的密度為

以1m3溶液為基準,則溶液中含吸收質(zhì)Cmol,M,MS分別為吸收質(zhì)和溶劑的摩爾質(zhì)量，kg.mol-1，含吸收劑？Mol，溶液中含吸收質(zhì)Cmol,若為稀溶液，則有:

（3）氣液相中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)表示的亨利定律m與E的關(guān)系:由道爾頓分壓定律:p=P總×ym——相平衡常數(shù),是通過實驗求得。由m值的大小可以判別氣體吸收質(zhì)的溶解度的大小,溫度升高、總壓下降則m值變大,m值越大,表明氣體的溶解度越小。因此,加壓、降溫對吸收有利。由亨利定律：

即：例:在總壓為101.3kp，溫度為30℃時，CO2的亨利系數(shù)E=1.86×103atm，設(shè)CO2稀水溶液的密度為1000kg/m3，試求:1）m、H值，2）若空氣中CO2的分壓為80mmHg，求與其平衡的水溶液濃度，分別用x和C來表示。5－2.2用摩爾比表示的相平衡關(guān)系由

當溶液濃度很低時，X≈0，上式簡化為:亨利定律的幾種表達形式也可改寫為§5－3吸收速率平衡關(guān)系只能回答混合氣體中溶質(zhì)氣體能否進入液相這個問題,至于進入液相速率大小,卻無法解決,后者屬于傳質(zhì)的機理問題。本節(jié)的內(nèi)容是結(jié)合吸收操作來說明傳質(zhì)的基本原理,作為分析吸收操作與計算吸收設(shè)備的依據(jù)。氣體吸收是溶質(zhì)先從氣相主體擴散到氣液界面,再從氣液界面擴散到液相主體的傳質(zhì)過程。5－3.1雙膜理論

吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個步驟:溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞；溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生的溶解過程；溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。

在上世紀二十年代提出，出現(xiàn)了最早的傳質(zhì)理論雙膜理論，它的基本論點是：(1)相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面,界面兩側(cè)各存在著一個很?。ǖ刃Ш穸确謩e為1和2）的流體膜層。溶質(zhì)以分子擴散方式通過此兩膜層。(2)相界面沒有傳質(zhì)阻力,即溶質(zhì)在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。氣相主體液相主體相界面pi=ci/Hp

1

2pi

ci

c氣膜液膜(3)在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動劇烈,傳質(zhì)速率高,傳質(zhì)阻力可以忽略不計,相際的傳質(zhì)阻力集中在兩個膜層內(nèi)。（4）若氣相主體中吸收質(zhì)的分壓為P,界面氣膜的吸收質(zhì)分壓為Pi,P—Pi即為吸收過程的推動力,同理,若液相主體中吸收質(zhì)的濃度為c,兩相界面的液膜中的濃度為ci,ci—c也是吸收過程的推動力。一相內(nèi)部有濃度差異的條件下,由于分子的無規(guī)則熱運動而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。ABN:傳質(zhì)速率，也稱為擴散速率。即單位時間擴散傳遞物質(zhì)量與傳質(zhì)面積和傳質(zhì)方向的濃度梯度成正比。單位:kmol/s5－3.2分子擴散定律-----菲克定律

2.菲克定律1.分子擴散：物質(zhì)A的濃度梯度,即物質(zhì)A的濃度在Z方向上的變化率.D:物質(zhì)擴散系數(shù),mol.s-1。它是物質(zhì)的特性常數(shù)之一,代表物質(zhì)在介質(zhì)中的擴散能力,一般由實驗測定,常用的擴散系數(shù)可以在手冊中查到。負號:是指該擴散沿著A濃度降低的方向進行

盡管分子熱運動的速度很大，但由于分子間的頻繁碰撞使分子不斷改變其熱運動方向，所以物質(zhì)沿某一特定的方向的擴散速度卻很小。3渦流擴散是憑借質(zhì)點的湍動和旋渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象5－3.3吸收速率方程式1吸收傳質(zhì)理論

吸收過程是溶質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移的相際傳質(zhì)過程，可分為三個步驟:溶質(zhì)由氣相主體擴散至兩相界面氣相側(cè)(氣相內(nèi)傳質(zhì))；(2)溶質(zhì)在界面上溶解(通過界面的傳質(zhì))；(3)溶質(zhì)由相界面液相側(cè)擴散至液相主體(液相內(nèi)傳質(zhì))。溶解氣相主體液相主體氣相擴散液相擴散相界面吸收速率:單位面積,單位時間內(nèi)吸收的溶質(zhì)A的摩爾數(shù),用NA表示,單位通常用kmol/m2.s。吸收傳質(zhì)速率方程:吸收速率與吸收推動力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式

吸收速率=吸收系數(shù)×推動力×傳熱面積

1）、氣膜吸收速率方程式

2膜層分吸收速率方程式

雙膜理論將兩流體相際傳質(zhì)過程簡化為經(jīng)兩膜層的穩(wěn)定分子擴散的串聯(lián)過程。對吸收過程則為溶質(zhì)通過氣膜和液膜的分子擴散過程。2）、液膜吸收速率方程式

——液膜分吸收速率方程Kl為推動力的液膜吸收系數(shù),m/s；3）、總吸收速率方程——氣相總吸收速率方程式——氣膜分吸收速率方程式kg——氣膜分吸收系數(shù),kmol/(m2.s.kPa)。根據(jù)雙膜理論，兩膜內(nèi)的傳質(zhì)為穩(wěn)態(tài)過程，則有:IpcAcipi1)傳質(zhì)過程的推動力未達平衡的兩相接觸會發(fā)生相際間傳質(zhì)(吸收或解吸)，離平衡濃度越遠，過程傳質(zhì)推動力越大，傳質(zhì)過程進行越快。方法:用氣相或液相濃度遠離平衡的程度來表征氣液相際傳質(zhì)過程的推動力。對吸收過程:(y-y*):以氣相摩爾分數(shù)差表示的傳質(zhì)推動力；(x*-x):以液相摩爾分數(shù)差表示的傳質(zhì)推動力。傳質(zhì)推動力的表示方法可以不同,但效果一樣。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）2)氣相總吸收速率方程式——氣相(氣膜)傳質(zhì)速率方程——液相(液膜)傳質(zhì)速率方程對于穩(wěn)定吸收過程,可根據(jù)雙膜理論建立相際傳質(zhì)速率方程(總傳質(zhì)速率方程)。類似于間壁式對流傳熱速率方程。由于混合物的組成可用多種方式表示,對應(yīng)于每一種表達法都有與之相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程。由亨利定律知液膜分吸收速率方程為:氣膜分吸收速率方程為:合并兩式氣相總吸收速率方程所以3)液相總吸收速率方程式由亨利定律知液膜分吸收速率方程為:氣膜分吸收速率方程為:合并兩式液相總吸收速率方程所以 1.吸收塔的類型工業(yè)生產(chǎn)中，吸收操作多采用塔式設(shè)備，設(shè)備主要有兩類:（1）板式塔:在板式塔內(nèi)氣、液接觸逐級進行。（2）填料塔:在填料塔內(nèi)氣、