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1 第七章流体流动 山东化工职业学院化学工程系 一 化工过程与单元操作 化工过程原料预处理过程反应过程产物后处理过程1 单元操作的定义指在原料预处理和反应产物后处理过程中进行的一系列物理变化过程 以及为了维持反应条件一定 反应器中所涉及的一系列物理过程 2 2 单元操作的分类 1 动量传递 流体输送 搅拌 物料的混合或分散 沉降 过滤 非均相混合物的分离 2 热量传递 传热 物料的加热或冷却 蒸发 3 质量传递 吸收 精馏 萃取 干燥 结晶 吸附 膜分离等 3 二 化工原理的计算基础 设计型计算和操作型计算1 物料衡算 以质量守恒为基础 2 能量衡算 以能量守恒为基础 3 传递速率 决定传递过程进行的快慢 4 过程极限 平衡状态是过程进行的热力学极限 5 物性计算 6 经济效益 评价工程合理性的最终判据 4 7 1概述 一 流体及其流动流体 液体 不可压缩 和气体 可压缩 流体的特点 流动性 无定形性 在外力作用下内部发生相对运动 具有连续性 化工过程倾向于处理流体物料 原因是 流体易于输送 流动性 贮存方便 无定形性 容易混合均匀 外力作用下内部发生相对运动 5 7 2流体的密度与比容 一 密度 定义 单位体积流体的质量称为密度 公式 kg m3 一定的流体 液体密度 作为常数 为不可压缩流体常见液体密度可查 相对密度 比重 6 7 2流体的密度与比容 气体密度 可压缩流体 和 变化率很小时作不可压缩流体处理一般气体密度按理想气体计算 气体在标准状态下密度可查 应用时需换算 7 7 2流体的密度与比容 液体混合物密度气体混合物的密度或其中对于理想气体 其摩尔分率与体积分率相同 8 7 2流体的密度与比容 二 比容即单位质量流体具有的体积 比容是密度的倒数 单位为m3 kg 9 1 牛顿粘性定律 或 F u u du dy 式中 F 内摩擦力 N 剪应力 Pa 法向速度梯度 1 s 比例系数 称为流体的粘度 Pa s 三 流体的黏性 只有在流体流动时才能显现出来 10 粘度的物理本质 分子间的引力和分子的运动与碰撞 2 粘度的单位 SI制 Pa s或kg m s 物理制 cP 厘泊 11 3 运动粘度粘度 与密度 的之比 物理单位制中运动粘度的单位为沲 st 换算关系 1st 10 4m2 s m2 s 12 7 3流体的压力 一 压力 压强 的概念流体垂直作用于单位面积上的力 即压强 习惯称压力P F A特点 1 说明大小数值即可 不用表示方向 2 空间不同点 压强的大小数值不相同 13 7 3流体的压力 二 压力的单位SI单位制 压力单位N m2 即Pa或帕斯卡 常用Kpa 千帕 Mpa 兆帕 1Kpa 103Pa 1Mpa 106Pa 1Mpa 103Kpa习惯单位 atm 标准大气压 at 工程大气压 mmHg 毫米汞柱 mH2O 米水柱 bar 巴 换算参见附录规定使用国际单位制 SI 14 7 3流体的压力 三 压力的基准 绝对真空和大气压力绝对压强以绝对零压作起点计算的压强 是流体的真实压强 表压强压强表上的读数 表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值 即 表压强 绝对压强 大气压强真空度真空表上的读数 表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值 即 真空度 大气压强 绝对压强特别注意 大气压强指的是当地大气压力 15 7 3流体的压力 16 17 18 19 7 2流体输送机械 离心泵 山东化工职业学院化学工程系 19 7 1概述 流体从低处 高处 低压处 高压处 所在地 较远处 需要对流体做功 增加流体的机械能 流体输送设备 通用机械 液体输送设备 泵 气体输送设备 通风机 鼓风机 压缩机或真空泵 作用 向系统输入能量 补充所需机械能 用于流体的输送或加压 20 根据泵的工作原理和结构分类 泵 21 离心泵外形 22 蜗壳 外壳 叶轮 敞式 半蔽式 蔽式单吸式 双吸式 附属装置 底阀 滤网 调节阀 平衡孔 平衡管 排气孔 轴封 1 离心泵的结构主要结构 23 2 工作原理 a 排出阶段叶轮旋转 产生离心力 使液体获得能量 流体流入涡壳 动能 静压能 流向输出管路 b 吸入阶段液体自叶轮中心甩向外缘 叶轮中心形成低压区 贮槽液面与泵入口形成压差 液体吸入泵内 气缚现象 泵内未充满液体 气体密度低 产生离心力小 在叶轮中心形成的低压不足以将液体吸上 说明 离心泵无自吸能力 启动前必须将泵体内充满液体 离心泵结构示意图 24 1 流量 离心泵在单位时间里排到管路系统的液体体积 常用Q表示 单位为l s或m3 h 2 压头 又称为泵的扬程 是指泵对单位重量 1N 的液体所提供的有效能量 用H表示 单位为m 2 1 1 3离心泵的主要性能参数 2 1 1离心泵 CentrifugalPumps 25 3 效率 容积损失 由于泵的泄漏造成的损失 密封环 平衡孔及密封压盖等处液体损失 机械损失 由轴与轴承之间 泵轴与填料函之间 叶轮盖板外表面与液体之间均产生摩擦而引起的能量损失 水力损失 液体通过叶轮通道和蜗壳时的摩擦阻力 泵局部处因流速和方向改变引起的环流和冲击而产生的局部阻力 2 1 1离心泵 CentrifugalPumps 26 4 功率 有效功率Ne 单位时间内泵对所输送的液体所做的功 电动机功率 电动机 原动机 所需功率 轴功率 传动效率 2 1 1离心泵 CentrifugalPumps 27 改变阀门开度 操作简单 调节流量迅速方便 且流量可以连续变化 适合化工连续生产的特点 但管路上阻力损失大且可能使泵的工作点位于低效率区 因此多在调节幅度不大但需经常调节的场合下使用 改变叶轮转速 不额外增加管路阻力损失 仍在高效区工作 能量利用率更高 但需要变速装置或价格昂贵的变速原动机 且难以做到流量连续调节 故很少采用 随着电机变频调速技术的推广 在大功率流体输送系统中应用越来越多 方法比较 离心泵的工作点和流量调节 离心泵 CentrifugalPumps 28 离心泵的操作 离心泵 CentrifugalPumps 29 气体输送机械 气体输送机械在工业生产中的应用1 气体输送2 产生高压气体3 生产真空 30 气体输送机械的分类 按工作原理及其结构分 离心式 旋转式 往复式以及喷射式离心式通风机 鼓风机和压缩机和真空泵 31 32 第八章传热 山东化工职业学院化学工程系 32 8 1热量传递的基本方式 1传导 热传导 导热 机理 分子运动 固体 相邻分子的碰撞液体 弹性波的作用气体 分子不规则的热运动 特点 发生在物体内部或相互接触的物体之间 物体不发生宏观的相对位移 33 2对流 对流传热 热对流 机理 流体质点发生相对的位移和混合 特点 分类 自然对流 流体内部各处冷 热流体的密度差异所致强制对流 借助外加机械能 仅发生在流体中 有相对的宏观位移 34 3辐射 热辐射 特点 任何物体 只要T 0K 均存在辐射传热 不需要任何中介 传热过程中伴随能量形式的转换 35 对流传热分类 对流传热 有相变传热 无相变传热 冷凝传热 沸腾传热 自然对流 强制对流 管外对流 管内对流 圆形直管 非圆管道 弯管 湍流 过渡流 滞流 36 传热过程的强化 37 换热器 38 换热器的分类 按用途它可分为加热器 冷却器 冷凝器 蒸发器和再沸器等根据冷 热流体热量交换的原理和方式可分为三大类 混合式 蓄热式 间壁式 39 40 8 2干燥 山东化工职业学院化学工程系 40 在化工生产中 一些固体产品或半成品可能混有大量的湿分 将湿分从物料中去除的过程 称为去湿 去湿的方法可分为以下三类 机诫去湿 用于去除固体物料中大部分湿分 吸附去湿 用于去除少量湿分 热能去湿 干燥 向物料供热以汽化其中的湿分的单元操作 41 干燥过程的分类 常压干燥真空干燥 连续式间歇式 传导干燥 间接加热干燥 对流干燥 直接加热干燥 辐射干燥介电加热干燥 42 根据供热方式不同 干燥可分为以下四种情况 传导干燥 间接加热干燥 热能通过壁面以传导方式加热物料 对流干燥 直接加热干燥 干燥介质与湿物料直接接触 并以对流方式加热湿物料 辐射干燥 热能以电磁波的形式射到湿物料表面 介电加热干燥 将湿物料置于高频电场内 使其被加热 43 干燥过程进行的必要条件 物料表面水汽压力大于干燥介质中水汽分压 干燥介质要将汽化的水分及时带走 44 8 3吸附 45 吸附过程 吸附是指流体 气体或液体 与固体多孔物质接触时 流体中的一种或多种组分传递到多孔物质外表面和微孔内表面并附着在这些表面上形成单分子层或多分子层的过程 被吸附的流体称为吸附质 多孔固体颗粒称为吸附剂 吸附达到平衡时 吸附剂内的流体称为吸附相 剩余的流体本体相称为吸余相 46 47 48 吸附类型 根据吸附质和吸附剂表面之间相互作用力的不同 吸附可分为物理吸附 范德华吸附 和化学吸附 活化吸附 一般而言 较低温度下有利于物理吸附 较高温度 有时可超过200 下有利于化学吸附 49 吸附类型的判断 1 物理吸附热与冷凝热在一个数量级上 而化学吸附热与其反应热在一个数量级上 2 适宜温度和压力条件下 所有的气体 固体体系中都将发生物理吸附 而化学吸附只有当气体分子与吸附剂表面能形成化学键时才发生 3 物理吸附的吸附质分子可通过减小压力的方法较容易地解吸 而化学吸附的吸附质分子的解吸要困难得多 且容易发生变化 4 物理吸附可以是单分子层吸附也可以是多分子层吸附 而化学吸附通常只是单分子层吸附 某些情况下 化学吸附单分子层上还可能发生物理吸附 5 物理吸附瞬时发生 而化学吸附一般需要达到一定的活化能后才发生 50 物理吸附与化学吸附的比较 51 对吸附剂的基本要求 1 较高的选择性以达到一定的分离要求 2 较大的吸附容量以减小用量 3 较好的动力学及传递性质以实现快速吸附 4 较高的化学及热稳定性 不溶或极难溶于待处理流体以保证吸附剂的数量和性质 5 较高的硬度及机械强度以减小磨损和侵蚀 6 较好的流动性以便于装卸 7 较高的抗污染能力以延长使用寿命 8 较好的惰性以避免发生不期望的化学反应 9 易再生 10 价格便宜 52 几种常用的吸附剂 吸附剂按其化学结构可分为有机吸附剂和无机吸附剂 常用的有机吸附剂有活性炭 球性炭化树脂 聚酰胺 纤维素 大孔树脂等 常用的无机吸附剂有硅胶 活性氧化铝 硅藻土 分子筛等 53 吸附操作 目前已经开发出三类吸附过程流程 1 变温吸附 2 变压吸附 3 变浓度吸附 54 55 第九章分离方法 山东化工职业学院化学工程系 55 56 9 1气体吸收 山东化工职业学院化学工程系 56 1 吸收过程 吸收定义 利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异 使某些易溶组分进入液相形成溶液 不溶或难溶组分留在气相 从而实现混合气体分离 吸收剂 气体 y x 界面 气相主体 液相主体 相界面 气相扩散 液相扩散 yi xi 9 1概述 57 吸收操作实例 乙醇胺水溶液吸收二氧化碳气体 58 溶解热 气体溶解于液体释放的热量 化学吸收还有反应热 吸收过程的分类 59 吸收过程在石油化工中的应用 制取液体产品用吸收剂吸收气体组分获得产品 硫酸吸收SO3制浓硫酸 水吸收甲醛制福尔马林液 氨水吸收CO2制碳酸氢氨等 2 有用组分回收用吸收剂吸收气体中有用组分 如用洗油从焦炉气或煤气中回收苯 用汽油从催化裂解气中回收丁二烯等 3 气体净化除去混合气中杂质 如用水或碱液脱除合成氨原料气中的H2S CO2等 用水脱除工业废气中的SO2 NO2等 60 吸收过程的基本概念 吸收质或溶质 混合气体中的溶解组分 以A表示 惰性气体或载体 不溶或难溶组分 以B表示 吸收剂 吸收操作中所用的溶剂 以S表示 吸收液 吸收操作得到的溶液 主要成分溶剂S和溶质A 尾气 吸收后排出的气体 主要成分为惰性气体B和少量的溶质A 61 气液两相的接触方式 连续接触 微分接触 气 液两相的浓度呈连续变化 如填料塔 级式接触 气 液两相逐级接触传质 两相的组成呈阶跃变化 如板式塔 62 吸收剂的选择 吸收剂应对混合气体中被吸收组分具有良好的选择性 吸收剂应对被分离组分有尽可能大的溶解度 以减少吸收剂用量 减小设备尺寸 吸收剂容易再生 化学吸收 化学反应可逆 物理吸收 吸收剂对溶质溶解度随操作条件变化大 吸收剂饱和蒸气压低 以减少挥发损失 避免吸收液成分进入气相 造成浪费和新的污染 吸收剂粘度低 能改善吸收塔内的流动状况 提高吸收速率 降低泵的功耗 减小阻力腐蚀性小 无毒性 不易燃 化学稳定性高 价廉易得 不易起泡 63 填料塔的结构及填料特性 一 填料塔结构及作用 1 填料层 提供气液接触的场所 64 拉西环 鲍尔环 阶梯环 环 65 板波纹 丝网波纹 鞍形环 槽式液体分布器 66 67 9 2液体精馏 山东化工职业学院化学工程系 67 蒸馏分离的原理利用液体混合物中各组分挥发性差异 以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液相富集重组分而分离的方法 易挥发组分或轻组分A难挥发组分或重组分B蒸馏操作在化工生产中的应用用于均相液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的 68 蒸馏操作的分类按蒸馏方式可分为简单蒸馏 平衡蒸馏 精馏及特殊精馏等多种方式 物系的组分数可分为双组分精馏和多组分精馏 按操作压力可分为常压蒸馏 加压蒸馏和减压 真空 蒸馏 按操作方式又分为间歇精馏和连续精馏 69 板式塔内的汽 液两相的流动方式 液相 塔顶 塔底 自身重力气相 塔底 塔顶 克服液相阻力压力 塔底 塔顶 对塔板的要求 气液两相接触充分气液两相分离完全 板式塔 70 塔板的结构及类型 塔板类型 无溢流塔板 穿流型塔板 气液相有共同的通道 气液两相逆流 传质推动力最大 但由于这种塔板不稳定 目前在现场很少使用 有溢流塔板 溢流型塔板 气液相有各自的通道 相对比较稳定 便于操作 技术上也比较成熟 目前的塔设备多采用这种方式 71 溢流型塔板的主要型式 泡罩塔板 出现于19世纪初 是最早具有溢流型塔板的板式塔 20世纪20年代开始用于炼油工业 72 气相鼓泡元件 泡罩 优点 操作弹性大 操作稳定 不易堵塞缺点 生产能力小 结构复杂 造价高 压降大 效率低 73 筛孔塔板 出现较早 1830年 是结构最简单的一种板型 气相鼓泡元件 筛孔 优点 处理能力大 压降小 结构简单 造价低 缺点 操作弹性小 稳定性较差 74 浮阀塔板 二十世纪五十年代问世 为应用最广的一种塔板 F1型浮阀 9 2板式塔 75 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 各种板式塔比较 76 77 9 3非均相物系的分离 山东化工职业学院化学工程系 77 78 概述 78 79 二 非均相物系 由具有不同物理性质的分散物质和连续介质所组成的物系 有多个相界面 79 80 80 81 分离目的 得到合格的产品 原油脱盐脱水 净化分散介质 催化反应原料气中粒状杂质的去除 回收分散的颗粒物料 回收催化剂颗粒 回收结晶器晶浆中的固体颗粒 冶金行业烟道气中金属烟尘的回收 环境保护和安全生产 废气 废液中有毒物质的处理等 81 82 9 4液 液萃