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2019/3/13,第四章 传热,一、传热在化工中的应用 二、热源和冷源 三、传热的三种基本方式 四、两种流体热交换的基本方式 五、典型的间壁式换热器及其传热过程 六、传热速率与热通量,第一节 概述,2019/3/13,一、传热在化工生产中的应用,传热：就是热的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的 一种传递过程 。 1、化工与传热 1）绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。,2019/3/13,2）一些单元操作过程，例如蒸发、蒸馏、干燥等，需要按一定的速率向设备输入或输出热量。 3）在高温或低温下操作的设备，要求保温，以减少它们和外界传热。 4）对于废热也需合理的利用与回收。 2、化工生产中传热过程的两种情况 1）强化传热：各种换热设备中的传热。 2）削弱传热：如对设备和管道的保温，以减少热损失,2019/3/13,二、热源和冷源,1、热源 1）电热：特点是加热能达到的温度范围广，而且便于控制，使用方便，比较清洁。但费用比较高 。 2）饱和水蒸气： 优点：饱和水蒸气的冷凝温度和压强有一一对应的关系，调节饱和水蒸汽的压强就可以控制加热温度，使用方便，而且饱和蒸汽冷凝过程的传热速率快。 缺点：饱和水蒸气冷凝传热能达到的温度受压强的限制。,2019/3/13,3）烟道气 烟道气的温度可达700以上，可以将物料加热到比较高的温度 。 缺点：传热速度慢，温度不易控制。 4）高温载热体： 优点：沸点高（饱和蒸汽压低），化学性质稳定。 2、冷源 一般采用水、空气和冷冻盐水等作为冷源。,2019/3/13,三、传热的三种基本方式,1、热传导 热量从物体内部温度较高的部分传递到温度较低的部分或者传递到与之相接触的温度、较低的另一物体的过程称为热传导，简称导热。 特点：物质间没有宏观位移，只发生在静止物质内的一种传热方式。 微观机理因物态而异,2019/3/13,2、热对流 流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为热对流 对流只能发生在流体中。,强制对流,自然对流,用机械能（泵、风机、搅拌等）使流体发生对流而传热。,由于流体各部分温度的不均匀分布，形成密度的差异，在浮升力的作用下，流体发生对流而传热,2019/3/13,3、辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。物体由于热的原因而发出辐射能的过程，称为热辐射。 辐射传热，不仅是能量的传递，还伴随着能量形式的转化。 辐射传热不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。,2019/3/13,四、两种流体热交换的基本方式,1、直接接触式传热 直接接触式传热的特点是冷、热两流体在传热器中以直接混合的方式进行热量交换，也称混合式换热。 2、蓄热式换热 蓄热式换热器是由热容量较大的蓄热室构成。室中充填耐火砖作为填料，当冷、热流体交替的通过同一室时，就可以通过蓄热室的填料将热流体的热量传递给冷流体，达到两流体换热的目的。,2019/3/13,2019/3/13,2019/3/13,2019/3/13,2019/3/13,3、间壁式换热 间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。 传热过程可分为三步： 热流体将热量传给固体壁面（对流传热） 热量从壁的热侧传到冷侧（热传导） 热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热） 壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。,2019/3/13,五、典型的间壁式换热器及其传热过程,1、套管式换热器 套管式换热器是由两种直径大小不同的直管组成的同心管，一种流体在内管中流动，另一种流体在内、外两壁间的环隙中流动，通过内管管壁进行热量交换。内管壁的表面积即为传热面积。 2、列管式换热器 列管式换热器由壳体、管束、管板和封头等部件组成。,2019/3/13,2019/3/13,2019/3/13,一种流体由封头的进口管进入器内，流经封头与管板的空间分配至各管内（称为管程）。通过管束后，从另一端封头的出口流出换热器。另一种流体则由壳体的接管流入，在壳体与管束间的空隙流过（称为壳程），从壳体的另一端接管流出。壳体内往往安装若干块与管束相垂直的折流挡板。 流体在管束内只通过一次，称为单程列管式换热器。 若在换热器封头内设置隔板，将管束的全部管子平均分隔成若干组，流体每次只通过一组管子，然后折回进入另一组管子，如此往复多次，最后从封头接管流出换热器。这种换热器称为多管程列管式换热器。,2019/3/13,2019/3/13,2019/3/13,列管式换热器的换热面积为管束管壁的全部表面积。,d管径可分别用管内径di,管外径d0或平均直径dm来表示。则对应的传热面积分别为管内侧面积Si，外侧面积S0或平均面积Sm,2019/3/13,六、传热速率与热通量,传热速率（热流量 ）Q 单位时间内通过传热面的热量，单位为w。 热通量（又称为热流密度或传热速度）q 单位传热面积的传热速率。单位为w/m2 传热速率与热通量的关系为,传热温差以T表示，热阻通常以R或r表示,2019/8/11,第四章 传热,一、基本概念和傅立叶定 律 二、导热系数 三、平壁的稳定热传导 四、圆筒壁的稳定热传导,第二节 热传导,2019/8/11,一、基本概念和傅立叶定律,1、温度场和等温面 温度场,物体或系统内部的各点温度分布的总和,温度场的数学表达式为,稳定温度场,不稳定温度场,温度场中各点的温度随时间而改变,温度场中各点的温度不随时间而改变,等温面：,温度场中温度相同的点组成的面,2019/8/11,2、温度梯度 温度梯度 ：,等温面法线方向上的温度变化率，用gradt表示 。,温度梯度是向量，正方向指向温度增加的方向。 对于一维稳定的温度场，温度梯度可表示为 ：,3、付立叶定律,2019/8/11,比例系数， 称为导热系数。w/mk 负号表示热流方向与 温度梯度方向相反。,付立叶定律,2019/8/11,二、导热系数,1、导热系数的定义,在数值上等于单位温度梯度下的热通量 ， 是物质的物理性质之一 。 一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。,2019/8/11,2、固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低， 金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增大，也随温度升高而增大。,3、液体的导热系数 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外， 绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小，,2019/8/11,纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。,3、气体的导热系数 气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。 气体的导热系数随温度升高而加大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。,2019/8/11,三、通过平壁的稳定热传导,1、单层平壁的稳定热传导,边界条件为： x=0时，t=t1 x=b时，t=t2,2019/8/11,R导热热阻，K/W ； r单位面积的导热热阻 。 传导距离b越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大,2019/8/11,2、多层平壁的稳定热传导,2019/8/11,推广到n层平壁有：,多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。,2019/8/11,3、接触热阻,若以r0表示单位传热面的接触热阻， 通过两层平壁的热通量变为 ：,接触热阻与接触面的材料，表面粗糙度及接触面上压强等因素有关。,2019/8/11,四、圆筒壁的稳定热传导,1、单层圆筒壁的热传导,仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：,2019/8/11,分离变量积分：,圆筒壁的导热热阻,这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式,2019/8/11,圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2,当r2/r12时可用算术平均值代替对数平均值,2019/8/11,2、多层圆筒壁的热传导,与多层平壁的稳定热传导计算类似，可导出：,2019/3/13,第四章 传热,一、基本概念和定律 二、两固体间的辐射传热 三、对流和辐射的联合传热,第六节 辐射传热,2019/3/13,一、基本概念和定律,1、热辐射 热辐射 ：,物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射,辐射传热 ：,不同物体间相互辐射和吸收能量的综合过程,2、热射线 热射线 ：,可见光线和红外光线统称为热射线 服从反射定律和折射定律 能在均一介质中作直线传播,在真空和大多数的气体（惰性气体和对称的双原子气体）中热射线可以完全透过,2019/3/13,3、热辐射对物体的作用,A=QA/Q,物体的吸收率,R=QR/Q,物体的反射率,D=QD/Q,物体的透过率,2019/3/13,4、黑体、镜体、透热体和灰体,黑体（绝对黑体）：,能全部吸收辐射能的物体，即A=1的物体,镜体（绝对白体）：,能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体,透热体 ：,能透过全部辐射能的物体，即D=1的物体,灰体 ：,能够以相等的吸收率吸收所有波长辐射能的物体,灰体的特点： 它的吸收率A不随辐射线的波长而变。 它不是透热体，即A+R=1,D=0。,2019/3/13,5、物体的发射能力-斯帝芬-波尔茨曼定律,物体发射能力：,物体在一定的温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量。用E表示，单位：W/m2。,单色辐射能力：,单位表面积、单位时间内的发射某一特定波长的能力。,2019/3/13,绝对黑体的单色发射能力E0随波长的变化的规律 ：,2019/3/13,当=0时，单色发射能力E0均等于零； 波长增加时，单色发射能力也随之增加，达到一最高值后 ，E0又随的增加而减小； =时，又回到零。,黑体的发射能力,斯蒂芬-波尔茨曼定律,2019/3/13,黑体的发射常数或斯蒂芬-波尔茨曼常数,黑体的发射系数,绝对黑体的发射能力和绝对温度的四次方成正比。 灰体的发射能力E ：,C：灰体的发射系数，取决于物体性质、表面情况和温度。,2019/3/13,黑度（发射率）：,同一温度下，灰体的发射能力与黑体发射能力的比值,6、克希霍夫定律,2019/3/13,克希霍夫定律,一切物体的发射能力与其吸收率得比值均相等，且等于同温度下的绝对黑体的发射能力，其值只与温度有关。,由,和,在同一温度下，物体的吸收率和黑度在数值上相等。 表示灰体发射能力占黑体发射能力的分数 A为外界投射来的辐射能被物体吸收的分数,2019/3/13,二、两固体间的相互辐射,1、 两无限大平行灰体壁面之间的相互辐射 从壁面1辐射和反射的能量之和E1,2019/3/13,2019/3/13,同理，从壁面2辐射和反射的能量之和E2,2019/3/13,2019/3/13,C1-2总发射系数,2019/3/13,在面积均为A相距很小的平行面间的辐射传热速率为：,当两平行壁面间距离与表面积相比不是很小时 ，辐射传热速率应写为：,2019/3/13,C1-2：物体1对物体2的总发射系数，取决于壁面的性质和两个壁面的几何因素。 例：车间内有一高和宽各为3m的铸铁炉门，其温度为227，室内温度为27。为了减少热损失，在炉门前50mm处设置一块尺寸和炉门相同的而黑度为0.11的铝板，试求放置铝板前、后因辐射而损失的热量。,：几何因子或角度系数，表示从辐射面积A所发射出的能量为另一物体表面所拦截的分数。数值与两表面的形状、大小、相互位置以及距离有关。,2019/3/13,解：(1)放置铝板前因辐射损失的热量,取铸铁的黑度为,2019/3/13,（2）放置铝板后因辐射损失的热量 用下标1、2和i分别表示炉门、房间和铝板。假定铝板的温度为TiK，则铝板向房间辐射的热量为：,2019/3/13,式中：,炉门对铝板的辐射传热可视为两无限大平板之间的传热，故放置铝板后因辐射损失的热量为：,2019/3/13,式中：,当传热达到稳定时，,2019/3/13,放置铝板后因辐射的热损失减少百分率为：,结论：设置隔热挡板是减少辐射散热的有效方法，而且挡板材料的黑度愈低，挡板的层数愈多，则热损失愈少。,2019/3/13,三、辐射、对流联合传热,设备的热损失等于对流传热和辐射传热之和 。 由于对流散失的热量 ：,由于辐射而散失的热量 ：,设备向大气辐射传热，,2019/3/13,改成对流传热系数的形式,辐射传热系数,2019/3/13,总热损失量为：,对流辐射联合传热系数,对于有保温层的设备、管道等，外面对周围环境的对流、辐射联合传热系数可用近似公式估算。,2019/3/13,第六章 吸收,一、气体的溶解度 二、亨利定律 三、用气液平衡关系分析吸收过程,第二节 气液相平衡,2019/3/13,一、气体的溶解度,1、气体在液体中溶解度的概念 气体在液相中的溶解度 ：,表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。,2、溶解度曲线,气体在液体中的饱和浓度,对于单组分物理吸收，由相律知,2019/3/13,在总压不高，P5atm时,一定温度下液相组成是气相组成的单值函数,同理，,2019/3/13,2019/3/13,2019/3/13,2019/3/13,吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。 温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。 对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。 对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。 加压和降温对吸收操作有利。,2019/3/13,二、亨利定律,1、亨利定律,E亨利常数，单位与压强单位一致 。 E值取决于物系的特性及温度；温度T上升，E值增大； 在同一溶剂中，E值越大的气体越难溶。 2、亨利定律的其他表示形式 1）用溶质A在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的亨利定律,2019/3/13,H溶解度系数 ，单位：kmol/m3Pa或kmol/m3atm。 H是温度的函数，H值随温度升高而减小。 易溶气体H值大，难溶气体H值小。 H与E的关系,设溶液的密度为,，浓度为,，则,2019/3/13,对于稀溶液，,2) 气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律,m相平衡常数 ，是温度和压强的函数。 温度升高、总压下降则m值变大， m值越大，表明气体的溶解度越小。,2019/3/13,m与E的关系：,由分压定律知 ：,由亨利定律：,即：,2019/3/13,3）用摩尔比Y和X分别表示气液两相组成的亨利定律 a) 摩尔比定义：,由,2019/3/13,当溶液浓度很低时，X0， 上式简化为：,亨利定律的几种表达形式也可改写为,2019/3/13,例：在常压及20下，测得氨在水中的平衡数据为：0.5gNH3/100gH2O浓度为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3） 解：,由亨利定律表达式知：,2019/3/13,亨利系数为,又,，而,相平衡常数,2019/3/13,溶解度系数为：,或由各系数间的关系求出其它系数,2019/3/13,三、用气液平衡关系分析吸收过程,1、判断过程的方向,例：在101.3kPa，20下,稀氨水的气液相平衡关系为 ：,，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成,的氨水接触,确定过程的方向。 解：,2019/3/13,将其与实际组成比较 ：,气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。 或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成,将其与实际组成比较：,氨从气相转入液相，发生吸收过程。,若含氨0.02摩尔分数的混合气和 x=0.05的氨水接触，则,2019/3/13,气液相接触时，氨由液相转入气相，发生解吸过程。 此外，用气液相平衡曲线图也可判断两相接触时的传质方向 具体方法： 已知相互接触的气液相的 实际组成y和x，在x-y坐标 图中确定状态点，若点在 平衡曲线上方，则发生吸 收过程；若点在平衡曲线 下方，则发生解吸过程。,2019/3/13,2、计算过程的推动力,当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的推动力可表示为：,以气相组成差表示的吸收推动力；,以液相组成差表示的吸收推动力。,3、确定过程的极限,所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的最大可能性。,2019/3/13,组成为y1的混合气,塔底 x1增加,组成为：,组成为y1的混合气,塔顶y2降低,组成为：,2019/8/11,第六章 吸收,第五节 吸收系数,2019/8/11,经验公式 注意适用条件,如何测？,涉及到哪些准数、表达式、意义。,获取吸收系数的途径,实验测定,准数关联式,2019/8/11,施伍德准数（Sherwood） 包含代求得吸收膜系数（Nu）,施密特准数（Schmidt） 反映物性的影响 （Pr）,雷诺准数 （Renold） 流动状况的影响,伽利略准数 （Gallilio） 重力对流动的影响,2019/3/31,第六章 吸收,一、吸收的有关概念 二、吸收在工业上的应用 三、吸收的分类 四、吸收剂选择的原则,第六节 脱吸及其它条件下的吸收,2019/3/31,一、脱吸,1、流程,吸收的逆过程,2、计算 1）操作线,与吸收的区别与联系 位置平衡线下方 最小蒸汽用量,2019/3/31,2）传质单元数的计算,例：由石蜡系碳氢化合物（分子量113）与另一不挥发的有机溶剂（分子量135）组成的溶液，其中碳氢化合物的质量百分数为4%，要在100及101.33下用过热水蒸汽进行脱吸，使脱吸后溶液中残存的浓度在0.2%以内，若溶液通过塔内的摩尔流率为50kmol/(m2.h)（以纯有机剂计）。水蒸气用量为最小用量的2倍，所以填料在操作条件下吸收系数,2019/3/31,，试求所需填料层高度。,已知物系的平衡关系为：,解：,进塔溶液浓度,脱吸后溶液浓度,以单位塔截面积为基准，在最小蒸汽用量下对全塔的溶质作物料衡算：,2019/3/31,其中：,将各已知数值代入，得：,2019/3/31,用对数平均推动力求NOG,2019/3/31,2019/3/13,第六章 吸收,一、物料衡算与操作线方程 二、吸收剂用量的确定 三、塔径的计算 四、填料层高度的计算 五、理论板层数的计算 六、吸收的操作型计算,第四节 吸收塔的计算,2019/3/13,吸收塔的设计计算，一般的已知条件是： 1）气体混合物中溶质A的组成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s) 2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系； 3）出塔的气体组成 需要计算： 1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)； 2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度,2019/3/13,一、吸收塔的物料衡算与操作线方程,1、物料衡算,目的 ：,确定各物流之间的量的关系 以及设备中任意位置两物料 组成之间的关系。,对单位时间内进出吸收塔的A的物 质量作衡算,2019/3/13,吸收率,混合气中溶质A 被吸收的百分率,2、吸收塔的操作线方程式与操作线,在 mn截面与塔底截面之间作组分A的衡算,2019/3/13,逆流吸收塔操作线方程,在mn截面与塔顶截面之间作组分A的衡算,逆流吸收塔操作线方程,表明 ：,塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。,2019/3/13,2019/3/13,并流吸收塔的操作线：,吸收操作线总是位于平衡线的上方， 操作线位于平衡线下方，则应进行脱吸过程。,2019/3/13,二、吸收剂用量的确定,液气比,最小 液气比,2019/3/13,最小液气比的求法 图解法 正常的平衡线,2019/3/13,平衡线为上凸形时,2019/3/13,计算法 适用条件：,例：空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其中氨的分压为1333Pa，用20的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为99%，每小时的处理量为1000kg空气。物系的平衡关系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量的2倍，试,2019/3/13,求每小时送入塔内的水量。 溶液浓度(gNH3/100gH2O) 2 2.5 3 分压Pa 1600 2000 2427,分析：,求水量,求Lmin,平衡常数,解：,1）平衡关系,2019/3/13,2）最小吸收剂用量：,2019/3/13,其中：,2019/3/13,3）每小时用水量,三、塔径的计算,空塔气速,2019/3/13,四、填料层高度的计算,1、填料层高度的基本计算式,对组分A作物料衡算 单位时间内由气相转入液相的A的物质量为：,2019/3/13,微元填料层内的吸收速率方程式为：,2019/3/13,低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为,气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数,物理意义 ：,在推动力为一个单位的情况下，单位时间单 位体积填料层内吸收的溶质量。,2、传质单元高度与传质单元数 1）传质单元高度与传质单元数的概念,2019/3/13,的单位,气相总传质单元数,2019/3/13,液相总传质单元高度，m ；,液相总传质单元数，无因次 ；,依此类推，可以写出通式：,试写出用膜系数及相应的推动力表示的填料层高度的计算式。,填料层高度=传质单元高度传质单元数,2019/3/13,气膜传质单元高度，m,气膜传质单元数,液膜传质单元高度，m,液膜传质单元数,2019/3/13,2）传质单元高度的物理意义,2019/3/13,气体流经一段填料层前后的浓度变化恰等于此段填料层内以气相浓度差表示的总推动力的的平均值时，那么，这段填料层的高度就是一个气相总传质单元高度。,2019/3/13,吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积越小，每个传质单元所相当的填料层高度越大。 传质单元数反映吸收过程的难度，任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越大，此时所需的传质单元数越大。,3、传质单元数的求法,平衡线为直线时,对数平均推动力法,脱吸因数法,平衡线为曲线时,图解积分法,近似梯级法,2019/3/13,1）平衡线为直线时 a）脱吸因数法,2019/3/13,令,2019/3/13,脱吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值 无因次。S愈大，脱吸愈易进行。,吸收因数,2019/3/13,2019/3/13,分析 ：,在气液进出口浓度一定的情况下，吸收率愈高，Y2愈小，横坐标的数值愈大，对应于同一S值的NOG愈大。,S反映吸收推动力的大小,在气液进出口浓度及溶质吸收率已知的条件下，若增大S值，也就是减小液气比L/V，则溶液出口浓度提高，塔内吸收推动力变小， NOG值增大。,2019/3/13,对于一固定的吸收塔来说，当NOG已确定时，S值越小，,愈大，愈能提高吸收的程度。,减小S,增大液气比,吸收剂用量增大，能耗加大，吸收液浓度降低,适宜的S值：,2019/3/13,b）对数平均推动力法,吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时,直线函数,2019/3/13,2019/3/13,其中：,塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均，称为对数平均推动力。,写出NOL、NG、NL的表达式。,2019/3/13,2019/3/13,例：某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气中有害组分A，已知操作条件下，气相总传质单元高度为1.5m，进料混合气组成为0.04（组分的Amol分率，下同），出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下的平衡关系为Y=2.5X（X、Y均为摩尔比），试求： 1）L/V为(L/V)min的多少倍？ 2）所需填料层高度。 3）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？,2019/3/13,解：,1）L/V为(L/V)min的倍数,2019/3/13,2）所需填料层高度 脱吸因数法,2019/3/13,对数平均推动力法,2019/3/13,2019/3/13,3）尾气浓度下降后所需的填料层高度,尾气浓度,2019/3/13,2）平衡线不为直线 a）图解积分法,Y,2019/3/13,b）近似梯级法,M1,F1,2019/3/13,分析梯级TF1F,在梯级 T*A*FT中，,平均推动力,2019/3/13,五、理论板层数的计算,1、图解法,2019/3/13,2、解析法求理论板层数,1）理论板数的解析表达式,2019/3/13,2019/3/13,2019/3/13,同理，可以推到第N与N+1板与塔顶，即塔顶与塔底间组分A的物料衡算式：,两端同减,2019/3/13,克列姆塞尔方程,2019/3/13,相对吸收率,溶质的吸收率与理论最大吸收率的比值,分析相对吸收率与吸收率的区别与联系,2019/3/13,2019/3/13,2）理论板数与NOG的关系,2019/3/13,2019/3/13,六、吸收的操作型计算,例：某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空气混合物中的丙酮，操作液气比为2.1时，丙酮回收率可达95%。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为y=1.18x，吸收过程为气膜控制，总传质系数Kya与气体流率的0.8次方成正比， 1）今气体流率增加20%，而流体及气液进出口组成不变，试求： a）丙酮的回收率有何变化？,2019/3/13,b）单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？ 2）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和压强皆不变，欲将丙酮回收率由原来95%的提高至98%，吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？,思路：,1）已知L/V、m、吸收率,2）V不变,2019/3/13,解：,求原有条件下的传质单元数 NOG,其中：,2019/3/13,1）气体流量增加20%时的操作效果,2019/3/13,2019/3/13,在单位时间内，气量提高后的丙酮回收量之比为：,2）当吸收率由95%提高至98%，由于气体流率没变，因此对于气膜控制的吸收过程HOG不变，塔高是一定的，故NOG仍为5.097,2019/3/13,用试差法求解,故液气比应提高到：,吸收剂用量应增至：,2019/3/13,第九章 干燥 Drying,一、物料中所含水分的性质 二、干燥曲线和干燥速率曲线 三、干燥时间的计算,第四节 干燥速度和干燥时间,2019/3/13,一、物料中所含水分的性质,1、平衡水分与自由水分 1）平衡水分 用某种空气无法再去除的水分。 与物料的种类、温度及空气的相对湿度有关 物料中的平衡水分随温度升高而减小 随湿度的增加而增加。 2）自由水分 在干燥过程中所能除去的超出平衡水分的那一部分水分。,2019/3/13,2019/3/13,2、结合水分和非结合水分 结合水分：与物料之间有物理化学作用，因而产生的蒸汽压 低于同温度下纯水的饱和蒸汽压。 包括溶涨水分和小毛细管中的水分 。难于除去 非结合水分 ：机械地附着在物料表面， 产生的蒸汽压与纯 水无异。 包括物料中的吸附水分和大孔隙中的水分。 容易除去。 平衡水分一定是结合水分； 自由水分包括了全部非结合水分和一部分结合水分。,2019/3/13,2019/3/13,二、干燥曲线和干燥速率曲线,1、干燥实验和干燥曲线,干燥曲线 ：,恒定干燥条件下，物料的含水率X与时间的关系,2、干燥速率曲线 1）干燥速率曲线,干燥速率 ：,单位时间内，单位干燥面积上汽化的水分量,2019/3/13,2019/3/13,ABC段表示干燥第一阶段，BC段为恒速干燥阶段，AB段为物料的预热阶段，但此段所需的时间很短，一般并入BC段内考虑 。 CDE段为第二阶段，在此阶段内干燥速率随物料含水量的减小而降低，称为降速干燥阶段。 两个干燥阶段之间的交点称为临界点。与该点对应的物料含水量称为临界含水XC。,2019/3/13,2019/3/13,2）干燥机理 a）恒速干燥阶段 干燥速度由水的表面汽化速度所控制 b）降速干燥阶段 过程速度由水分从物料内部移动到表面的速度所控制。 c）临界含水量 临界水分随物料本身性质、厚度和干燥速率的不同而异，通常临界水分随恒速阶段的干燥速度和物料厚度的增加而增大。,2019/3/13,三、干燥时间的计算,1、恒定干燥条件下干燥时间的计算 1）利用干燥速度曲线进行计算,分离变量积分,2019/3/13,2）用对流传热系数或传质系数进行计算,水分由表面汽化的速率,2019/3/13,汽化所需热量,3）影响恒速干燥的因素,空气流速的影响 空气湿度的影响 空气温度的影响,2019/3/13,2、降速干燥时间的计算,不论干燥曲线如何，都可用图解积分法,当干燥曲线为直线或近似直线时,2019/3/13,2019/3/13,3、干燥总时间,2019/8/11,第七章 气液传质设备,一、板式塔的构造 二、板式塔的流体力学性质 三、板式塔的操作特性 四、塔板效率,第一节 板式塔,2019/8/11,逐级接触式,微分接触式,板式塔,填料塔,2019/8/11,一、板式塔的构造,1、板式塔的结构,1）塔板的构造,筛孔 降液管 溢流堰,（剖面图）,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,降液管,受液区,俯视图,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,2）塔板类型 a）泡罩塔板,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,b）筛孔塔板,2019/8/11,2019/8/11,c）浮阀塔板,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,d）舌型塔板,2019/8/11,2019/8/11,e）斜孔塔板,2019/8/11,3）塔板的比较,塔板性能比较,成本,泡罩板,1.0,1.0,10100,高,复杂,筛板,1.21.4,1.1,35100,低,简单,浮阀板,1.21.3,1.11.2,10100,中,一般,舌型塔板,1.31.5,01.1,50100,低,最简单,斜孔板,1.51.8,1.1,30100,低,简单,2019/8/11,各种塔板的优点及适用范围,适用范围,泡罩板,较成熟，操 作范围宽,结构复杂，阻力大，生产能力低,浮阀板,效率高，操 作范围宽,采用不锈钢，浮阀易脱落,筛板,效率较高， 成本低,安装要求水平,易堵,操作范围窄,舌型板,结构简单,生产能力大,操作范围窄，效率较低,斜孔板,生产能力大,效率高,操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄,2019/8/11,二、板式塔的流体力学性质,1、塔板上气液两相的接触状态,两相接触面积为气泡表面,1）鼓泡接触状态,2019/8/11,2）泡沫接触状态,传质表面面积很大的液膜,2019/8/11,3）喷射接触状态,两相传质面积是液滴的外表面,2019/8/11,2、气体通过塔板的压降,塔板压降,干板压降,液层阻力,压降增大,接触时间,板效率,板数,设备费,塔釜温度,能耗,操作费,保证较高效率的前提下，力求减小塔板压降，以降低能耗和改善塔的操作。,克服板上泡沫层的静压 形成气液界面的能量消耗 通过液层的摩擦阻力损失,2019/8/11,3、塔板上的液面落差,液面落差：,塔板进、出口侧的清液高度差,液面落差,气流的不均匀分布,漏液,板效率下降,与塔板结构、塔径、流量有关。,2019/8/11,三、板式塔的操作特性,1、塔板上的异常操作现象,1）漏液,漏液,两相在塔板上的接触时间,板效率,控制：漏液量不大于液体流量的10%。,漏液气速：,漏液量达到10%的气体速度。,板式塔操作的气速下限,原因：,气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀,安定区,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,2）液沫夹带,影响因素 空塔气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小 塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小,现象：,液滴随气体进入上层塔板。,后果：,过量液沫夹带，造成液相在板间的返混，板效率下降,控制：,液沫夹带量eV0.1kg(液)/kg(气)。,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,3）液泛,夹带液泛,降液管液泛,原因：,气液两相流速过大,影响因素：,流量、塔板结构,板间距大,液泛速度高,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,2、塔板的负荷性能图,V,2019/8/11,雾沫夹带线（气体流量上限线）线1 液泛线（线2） 液相负荷上限线（线3） 漏液线（气体流量下限线，线4） 液相负荷下限线（线5）,1）负荷性能图中各线的意义,1，2，3，4，5五条线所包围的区域，既是一定物系在一定的结构尺寸塔板上正常操作区。,2019/8/11,2019/8/11,2019/8/11,2）负荷性能图的分析,V,2019/8/11,操作弹性:,两极限的气体流量之比,操作点位于操作区内的适中位置,可获得稳定良好的操作效果,同一层塔板，操作情况不同，控制负荷上下限的因素也不同,物系一定时，负荷性能图中各线的相对位置随塔板尺寸而变 例：加大板间距或增大塔径可使液泛线上移， 增加降液管截面积可使液相上限线右移， 减少塔板开孔率可使漏液线下移。,2019/8/11,四、塔板效率,1、塔板效率的表示法,1）总板效率ET( 全塔效率）,达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。,简单地反映了整个塔内的平均传质效果。,2）单板效率EM(默弗里效率 ),直接反映该层塔板的传质效果,2019/8/11,分析：单板效率的数值有可能大于100%吗？,3）点效率EO,试比较点效率与单板效率、全塔效率,2019/8/11,2、塔板效率的估算,1）影响塔板效率的因素,a）物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。 b）塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。 c）操作条件：温度、压强、气体上升速度及气液流量比。,2）板效率的估算,注意公式适用条件,2019/3/13,2019/3/13,第 一 章 流 体 流 动,一、流体在直管中的流动阻力 二、管路上的局部阻力 三、管路系统中的总能量损失,第 四 节 流体在管内的流动阻力,2019/3/13,流动阻力产生的根源,流体具有粘性，流动时存在内部摩擦力.,流动阻力产生的条件,固定的管壁或其他形状的固体壁面,管路中的阻力,直管阻力 ：,局部阻力：,流体流经一定管径的直管时由于流体的内摩擦而产生的阻力,流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大及缩小等局部地方所引起的阻力。,2019/3/13,单位质量流体流动时所损失的机械能，J/kg。,单位重量流体流动时所损失的机械能 ，m。,单位体积的流体流动时所损失的机械能 ，Pa 。,是流动阻力引起的压强降。,2019/3/13,表示的不是增量，而P中的表示增量；,2、一般情况下，P与Pf在数值上不相等；,注意：,3、只有当流体在一段既无外功加入、直径又相同的水平管 内 流动时， P与压强降Pf在绝对数值上才相等。,2019/3/13,一、流体在直管中的流动阻力,1、计算圆形直管阻力的通式,2019/3/13,垂直作用于截面1-1上的压力 ：,垂直作用于截面2-2上的压力 ：,平行作用于流体表面上的摩擦力为 ：,2019/3/13,圆形直管内能量损失与摩擦应力关系式,2、公式的变换,2019/3/13, 圆形直管阻力所引起能量损失的通式 称为范宁公式。,（ 对于滞流或湍流都适用）,为无因次的系数，称为摩擦因数 。,2019/3/13,3、管壁粗糙度对摩擦系数的影响,化工管路,光滑管,粗糙管,玻璃管、黄铜管、塑料管,钢管、铸铁管,管壁粗糙度,绝对粗糙度,相对粗糙度,壁面凸出部分的平均高度， 以表示 。,绝对粗糙度与管道直径的比值 即 /d 。,2019/3/13,2019/3/13,4. 滞流时的摩擦损失,哈根-泊谡叶公式,滞流流动时与Re的关系,2019/3/13,思考：滞流流动时，当体积流量为Vs的流体通过直径不同的管路时；Pf与管径d的关系如何？,可见：,2019/3/13,5、湍流时的摩擦系数与因次分析法,求 Pf,实验研究建立经验关系式的方法,基本步骤：,通过初步的实验结果和较系统的分析，找出影响过程的主要因素，也就是找出影响过程的各种变量。 利用因次分析，将过程的影响因素组合成几个无因次数群，以期减少实验工作中需要变化的变量数目。,2019/3/13,建立过程的无因次数群，一般常采用幂函数形式，通过大量实验，回归求取关联式中的待定系数。 因次分析法 特点：通过因次分析法得到数目较少的无因次变量，按无因 次变量组织实验，从而大大减少了实验次数，使实验简便易行。 依据：因次一致性原则和白金汉(Buckinghan)所提出的定理。,2019/3/13,因次一致原则 ：,凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程 式中各项的因次必然相同，也就是说，物理 量方程式左边的因次应与右边的因次相同。,定理：,i=n-m,湍流时影响阻力损失的主要因素有： 管径 d 管长 l 平均速度 u 流体密度 粘度 管壁粗糙度,湍流摩擦系数的无因次数群：,2019/3/13,用幂函数表示为：,以基本因次质量（M）、长度(L)、 时间(t) 表示各物理量：