2传热、蒸馏、气体.ppt

传热 蒸馏 气体吸收 2 3传热 2 3 1概述传热 即热量传递 凡有温差的地方就有热量传递加热或冷却 蒸发 蒸馏 干燥等2 3 1 1传热过程的分类强化 削弱连续 稳态 间歇 非稳态 2 3 1 2传热的基本方式 无输入时 净的热流方向总是由高温处向低温处流动 热传导 高温粒子与相邻粒子碰撞将热量传递 粒子只在平衡位置振动而不发生宏观位移对流传热 粒子发生宏观位移和混合 将热量传递 流体经固体壁面与该表面发生热量交换 又称给热辐射传热 热量以电磁波的方式传热 不需要任何介质 2 3 1 3传热过程中冷热流体的接触方式 直接接触和混合换热器 允许两种流体相互混合 传热面积大 设备简单 传热效率高 蓄热式 热容较大的固体蓄热体 蓄热器或回流式换热器 间壁式 冷热流体被固体壁面割开 壁式换热器 2 3 1 4典型的间壁式换热器 1 套管式换热器 内管壁的表面积即为传热面积 2 管壳式 列管式 换热器 3 板式换热器 2 3 1 5载热体及其选择 载热体 换热操作中专门用以运载热量的工作介质 温度高于被加热流体物料的载热体用以提供热量 称为加热剂 温度低于被冷却流体物料的载热体用以吸收热量 称为载冷剂或冷却剂 载热体的选择 主要取决于加热或冷却所要达到的温度 同时还要考虑温度调节的方便 以及载热体的热容 蒸气压 冰点 热稳定性 毒性 腐蚀性和价格等因素 饱和蒸汽 水和空气是最常用的载热体 饱和蒸汽在冷凝时能够放出大量潜热 无毒 能准确调节加热温度而不易使被加热物料发生局部过热 是应用最广的加热剂 但加热温度不够高 通常不超过250 C 否则蒸气压过高 水和空气 方便易得 是应用最广的冷却剂 但其冷却效果随季节而变 水作为冷却剂的使用温度 不能低于0 C 工业上常用的高温载热体有 矿物油 如重油 汽缸油 润滑油等 最高使用温度在敞开系统约为250 C 在封闭系统约为320 C 过热水 最高使用温度可达水的临界温度374 C 但此时压力高达22 5MPa 有机载热体 常用的是26 5 联苯和73 5 二苯醚的混合物 最高使用温度可达380 C 熔盐混合物 常用的熔盐是亚硝酸盐和硝酸盐的混合物 使用温度可达540 C 液态金属 如汞 铅或钠钾合金等 主要用于核工业中 这些载热体视使用场合的不同 既可用于加热 也可用于冷却 2 3 2热传导 一 温度场和等温面1 温度场 某一时刻 物体 或空间 各点的温度分布 式中 T 某点的温度 x y z 某点的坐标 时间 不稳定温度场 各点的温度随时间而改变的温度场 稳定温度场 任一点的温度均不随时间而改变的温度场 2 等温面 在同一时刻 温度场中所有温度相同的点组成的面 不同温度的等温面不相交 3 温度梯度 两等温面的温度差 t与其间的垂直距离 n之比 在 n趋于零时的极限 即表示温度场内某一点等温面法线方向的温度变化率 傅立叶定律 傅立叶定律 某一微元的热传导速率 单位时间内传导的热量 与该微元等温面的法向温度梯度及该微元的导热面积成正比 式中dQ 热传导速率 W或J s dA 导热面积 m2 t n 温度梯度 m或K m 热导率 表征材料导热性能的物性参数 越大 导热性能越好 W m 或W m K 用热通量来表示 一维稳态热传导 2 3 2 2热导率定义由傅立叶定律给出 物理意义 温度梯度为1时 单位时间内通过单位传热面积的热通量 导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量 导热性能越好 从强化传热来看 选用 大的材料 相反要削弱传热 选用 小的材料 热导率 与 相似 是分子微观运动的宏观表现 与分子运动和分子间相互作用力有关 数值大小取决于物质的结构及组成 温度和压力等因素 各种物质的导热系数可用实验测定 常见物质可查手册 各种物质的热导率通常用实验方法测定 热导率数值的变化范围很大 一般来说 金属的热导率很大 非金属的固体次之 液体的较小 而气体最小 对大多数匀值的固体 值与温度大致成线性关系 即式中 固体在温度为t 时的热导率 W m 0 固体在曲 时的热导率 W m2 常数 又称温度系数 对大多数的金属材料为负值 而大多数非金属材料为正值 1 t 温度 热传导过程中 物体内不同位置的温度各不相同 因而各热导率也随之而异 在工程计算中 对于各处温度不同的固体 其热导率可以取固体两侧面温度下之 值的算术平均值 或取两侧面温度的算术平均值下的 值 液态金属的热导率比一般液体要高 在液态金属中 纯钠具有较高的热导率 大多数的液态金属的热导率随温度的升高而降低 在非金属液体中 水的热导率最大 除水和甘油外 绝大多数液体的热导率随温度的升高略有减小 一般说来 纯液体的热导率比其溶液的要大 溶液的热导率在缺乏实验数据时 可按纯液体的 值进行估算 气体的热导率随温度升高而增大 在相当大的压强范围之内 气体的热导率随压强变化甚微 气体的热导率很小 对导热不利 但有利于保温 2 3 3 2对流传热 流体流过固体壁面 流体温度与壁面温度不同 时的传热过程称为对流传热 它在化工传热过程 如间壁式换热器 中占有重要的地位 对流传热过程机理较复杂 其传热速率与很多因素有关 根据流体在传热过程中的状态对流传热可分为两类 根据传递过程速率的普遍关系 壁面与流体间 或反之 的对流传热速率 也应该等于推动力和阻力之比 即对流传热速率 对流传热推动力 对流传热阻力 系数X推动力 对流传热指运动流体与固体壁面间的传热过程 其传热速率与流体性质及边界层的状况密切相关 对流传热的分类 一 无相变化传热 1 强制对流 流体在外加能量作用下处于流动状态 2 自然对流 流体由于内部密度差而流动 二 有相变传热 1 蒸汽冷凝2 液体沸腾 2 3 3 2对流传热速率方程和对流传热系数 对流传热速率方程可以表示为式中Q 局部对流传热速率 W T 换热器的任一截面上热流体的平均温度 Tw 换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温度 平均对流传热系数 W m2 对流传热系数 在数值上等于在单位温差下 单位传热面积的对流传热速率 它反应对流传热的快慢 对流传热系数越大 表示传热越快 影响对流传热的主要因素有哪些 2 3 4传热过程计算 化工原理中所涉及的传热过程计算主要有两类 一类是设计计算 即根据生产要求的热负荷 确定换热器的传热面积 另一类是校核计算 即计算给定换热器的传热量 流体的流量或温度等 两者都是以换热器的热量衡算和传热速率方程为计算的基础 应用前述的热传导速率方程和对流传热速率方程时 需要知道壁面的温度 而实际上壁温常常是未知的 为了避开壁温 故引出间壁两侧流体间的总传热速率方程 2 3 4 1热量衡算对于间壁式换热器做能量衡算 以小时为基准 因系统中无外功加入 且一般位能和动能项均可忽略 故实质上为焓衡算 1 若换热器中两流体均无相变 且流体的比热容不随温度变化或可取流体平均温度下的比热容时 热流体Q1 G1Cp1 T1 T2 冷流体Q2 G2Cp2 T2 T1 2 热焓法 假设换热器绝热良好 热损失可以忽略时 则在单位时间内换热器中热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量 热流体 Q1 G1 I1 I2 冷流体 Q1 G1 I2 I1 2 3 4 2传热速率方程式 传热速率Q又称热流量 是指单位时间内通过传热面积的热量 单位为W 传热速率与传热面积及两流体的温差 tm成正比 表示为Q KA tmQ 传热速率 J S或WK 比例系数 称为总传热系数A 传热面积 tm 两流体的平均温差 第二节传热过程计算 一 总传热速率 第二节传热过程计算 二 平均温度差 一 总传热速率 第二节传热过程计算 二 平均温度差流体的流向 逆流并流错流折流 第二节传热过程计算 二 平均温度差逆流和并流 第二节传热过程计算 二 平均温度差错流和折流 第二节传热过程计算 三 传热计算的题型 1 设计型2 校核型例 拟用41 5m3 h的水以逆流方式将348K的饱和蒸气全部冷凝 现有成品换热器 已知 K 550W m2 K A 19m2 若每小时处理蒸气2815kg 气化热为540kJ kg 求进出口水温 热量衡算若Q损 0 单位时间内 热流体放出的热量应等于冷流体吸收的热量 即Q Qh Qc无相变Qh Wh Cph T1 T2 Qc Wc Cpc t2 t1 有相变Qh Wh rnQc Wc rc 2 4蒸馏 指利用液体混合物中各组分挥发性的差异而将组分分离的传质过程 将液体沸腾产生的蒸气导入冷凝管 使之冷却凝结成液体的一种蒸发 冷凝的过程 蒸馏是分离混合物的一种重要的操作技术 尤其是对于液体混合物的分离有重要的实用意义 分类 1 按方式分 简单蒸馏 平衡蒸馏 精馏 特殊精馏2 按操作压强分 常压 加压 减压3 按混合物中组分 双组分蒸馏 多组分蒸馏4 按操作方式分 间歇蒸馏 连续蒸馏 闪急蒸馏 将液体混合物加热后经受一次部分汽化的分离操作 简单蒸馏 使混合液逐渐汽化并使蒸气及时冷凝以分段收集的分离操作 精馏 借助回流来实现高纯度和高回收率的分离操作 应用最广泛 对于各组分挥发度相等或相近的混合液 为了增加各组分间的相对挥发度 可以在精馏分离时添加溶剂或盐类 这类分离操作称为特殊蒸馏 其中包括恒沸精馏 萃取精馏和加盐精馏 还有在精馏时混合液各组分之间发生化学反应的 称为反应精馏 平衡蒸馏与简单蒸馏中都存在着汽液两相共存的物系 在平衡蒸馏中汽液两相充分接触后再进行分离 可以近似认为两相已达到平衡状态 在简单蒸馏中汽体自沸腾液体中产生 也可近似认为两相处于平衡状态 气液相平衡是指溶液与其上方蒸汽达到平衡时气液两相间各组分组成关系 饱和蒸汽压是液体的一个重要性质 2 4 1 2双组分溶液的气液相平衡 一 理想物系的汽液相平衡 1拉乌尔定律 1 拉乌尔定律拉乌尔定律 指在一定温度下 气液两相达到平衡时 溶液上方气相中任意组分所具有的分压值 等于该组分在纯态时相同温度下的饱和蒸汽压与该组分在液相中的摩尔分数之乘积 即 溶液 理想溶液 双组分 A B 分子间作用力相等 非理想溶液 可由Antoine方程计算或从手册中查 2 温度组成图 t y x图 蒸馏操作通常在一定的外压下进行 溶液的温度则随组成而变 温度组成图表示在一定总压下 温度与气液组成之间的对应关系 pA pA0 xApB pB0 xBp pA pB pA0 xA pB0 xB PA0 xA PB0 1 xA 泡点方程 露点方程在总压一定的条件下 将T X T Y关系标绘在同一直角坐标系中 即得到T X Y图 T为纵坐标 以液相组成或气相组成为横坐标 确定露点温度或气相组成 分析温度 组成图两端点 纯组分A B的沸点两条线 泡点线 露点线 三个相区 液相区 气相区 气液两相区 两个温度 泡点温度 露点温度杠杆定律 表示混合液的平衡温度和液相组成之间关系 t x线 露点线 两条线 过热蒸汽区 两相区 液相区 三个区 x越大 易挥发组分的含量越高 泡点温度越低 y越大 易挥发组分含量越高 露点温度越低 汽液两相处于平衡时 两相温度相同此时 气相组成大于液相组成 当气液两相组成相同时 气相露点温度总是高于液相的泡点温度 t x y图与蒸馏原理 3 汽液相相平衡图 y x 把p一定 不同温度下互成平衡的汽液两相组成y和x绘制在y x坐标中 得到的图称为y x图 对于理想物系 y恒 x 故平衡线必位于对角线上方 四 挥发度和相对挥发度 1 挥发度对纯液体 挥发度指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压 对混合液 挥发度为组分在蒸气中分压和与之平衡的液相中的摩尔分率之比 对于理想溶液 对于非理想溶液 2 相对挥发度溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比 用 表示 相对挥发度的数值可由实验测得对理想溶液 理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两组分的泡和蒸汽压之比 当t变化时 两者的变化不大 一般可将 视为常数 计算时可取操作温度范围内的平均值 若操作压强不高 气相遵循道尔顿分压定律 气液平衡方程 时 组分A较B易挥发 可以用蒸馏方法分离 时 挥发度差异愈大 愈有利于蒸馏操作 时 不能用普通蒸馏的方法分离混合液 可作为混合液能否用蒸馏方法分离以及分离难易程度的判据 五 总压对汽液相平衡的影响同一物系 混合物的泡点愈高 各组分间挥发度的差异愈小 因此 蒸馏操作的压强增高 泡点也随之升高 相对挥发度减小 分离较为困难 当P低于两纯组分的临界压强时 蒸馏可在全浓度范围内操作 当P 汽液两相共存区缩小 蒸馏分离只能在一定浓度范围内进行 即不可能得到轻组分的高纯度产物 2 4 2 1平衡蒸馏 2 4 2平衡蒸馏和简单蒸馏 平衡蒸馏又称为闪蒸 FLASHDISTILLATION 是一连续稳定过程 原料连续进入加热器中 加热至一定温度经节流阀骤然减压到规定压力 部分料液迅速汽化 汽液两相在分离器中分开 得到易挥发组分浓度较高的顶部产品与易挥发组分浓度甚低的底部产品 平衡蒸馏为稳定连续过程 生产能力大 不能得到高纯产物 常用于只需粗略分离的物料 在石油炼制及石油裂解分离的过程中常使用多组分溶液的平衡蒸馏 2 4 2 2简单蒸馏简单蒸馏是一种间歇 单级蒸馏操作 混合液在蒸馏釜中逐渐受热气化 并不断将生成的蒸气引入冷凝器内冷凝 以达混合液中各组分得以部分分离的方法 操作流程 原理 2 4 3精馏2 4 3 1精馏原理精馏是利用混合物中各组分间挥发度的差异以实现高纯度分离的单元操作 一 多次部分汽化和多次部分冷凝 1 多次部分冷凝如图 将组成为XF 温度为TA的混合液加热到气液共存区 使其部分气化 并将气液两相分开 气相组成为Y1 液相组成为X1 且Y1 XF X1 部分分离 将产生的组成为Y1的饱和蒸汽部分冷凝到T1出现新的气液平衡 气相组成为Y2 液相组成为X2且Y2 Y1 再将温度为T1组成为Y2的饱和蒸汽冷凝到P点T2出现新平衡 气相组成为Y3 Y3 Y1 如此类推 最终可得难挥发组分浓度低 易挥发组分接近于纯组分的气相 2 多次部分汽化将组成为X1的饱和液体加热T2 J点 使其部分气化 这时又出现新的气液平衡 将气液两相分开 液相组成为X2 再将组成为X2 的饱和液体部分气化 如此类推 最终可得易挥发组分浓度很低 接近于纯净的难挥发组分的液相 3 精馏操作A 设想将单级分离器加以组合成多级分离流程 B 存在的两个问题 1 中间产品多 收率低 2 设备复杂 能耗大 操作不便 C 简化流程由图可知 X1 XF Y1 X1 X2 Y1 X2与XF比较接近 X3于Y1比较接近 若将第二级产生的中间产品X2于第一级的原料XF混合 X3与Y1混合这样消除了中间产品 由于温度较高的蒸汽与温度低的X3确接触 使液体部分气化 蒸汽自身被冷凝 省去了中间加热器与冷凝器 将每一中间产品返回到下一级中 不仅可以提高产品的收率 而且是过程必不可少的条件 回流是保证精馏过程能连续稳定操作的必不可少的条件 再沸器是保证精馏过程连续稳定操作的必不可少的条件 原料经预热器预热 从精馏塔的加料板进入 与塔上部下降的液体汇合 然后逐级下流 最后流入塔底部的再沸器 再沸器取出塔底产品 另一部分再加热 塔顶冷却器取出塔顶产品 另一部分用作回流 反复进行多次部分汽化 部分冷凝可以实现高纯度的分离 加料板把精馏塔分为二段 加料板以上的塔 即塔上半部完成了上升蒸汽的精馏 即除去其中的难挥发组分 因而称为精馏段 加料板以下 包括加料板 的塔的下半部完成了下降液体中难挥发组分的提浓 即除去了易挥发组分 因而称为提馏段 一个完整的精馏塔应包括精馏段和提馏段 精馏的实质是气液两组分间的质量传递和热量传递过程 塔板上两相的充分接触提供了高效率的传递效果 而回流 回流包括塔顶的液相回流与塔釜部分汽化造成的气相回流 是保证精馏操作过程连续稳定进行的必要条件 2 4 4双组分精馏塔的物料衡算 1 全塔物料衡算 对总物料 进料流量 出料流量 对于易挥发组分 塔顶易挥发组分回收率 易挥发组分从塔顶采出的量占全部进料量中轻组分的百分数 塔底难挥发组分回收率 当塔顶 塔底产品组成xD xW及产品质量已规定 产品的采出率D F和W F也随之确定 不能再自由选择 当规定塔顶产品的产率和质量xD 则塔底产品的质量xW及产率也随之确定而不能自由选择 在规定分离要求时 应使 塔顶产品的组成应满足 2 5气体吸收简介 2 5 1基本概念吸收操作的分离依据是混合物各组分在某种溶剂 吸收剂 中溶解度的差异 从而达到的目的 一般地 混合气体中能溶解的组份称为溶质或吸收质 用A表示 混合气体