化工单元操作ppt课件

化工单元操作在生产中的应用 绪论 0 1化工生产与单元操作 1 化工生产过程 0 1化工 制药 生产与单元操作 2 单元操作 UnitOperation 单元操作按其遵循的基本规律分类 1 遵循流体动力学基本规律的单元操作 包括流体输送 沉降 过滤 固体流态化等 2 遵循热量传递基本规律的单元操作 包括加热 冷却 冷凝 蒸发等 3 遵循质量传递基本规律的单元操作 包括蒸馏 吸收 萃取 结晶 干燥 膜分离等 0 1化工 制药 生产与单元操作 研究内容 研究方向 3单元操作的研究内容与方向 0 2单位制与单位换算 一 基本单位与导出单位基本单位 选择几个独立的物理量 根据方便原则规定单位 导出单位 由有关基本单位组合而成 单位制度的不同 在于所规定的基本单位及单位大小不同 0 2单位制与单位换算 基本单位 长度 厘米cm 质量 克g 时间 秒s 物理单位制CGS制 基本单位 长度 米 重量或力 千克力kgf 时间 秒 工程单位制 我国法定单位制为国际单位制 即SI制 二 常用单位制 三 单位换算 物理量的单位换算 换算因数 同一物理量 若单位不同其数值就不同 二者包括单位在内的比值称为换算因数 见附录二中 经验公式的单位换算 经验公式是根据实验数据整理而成的 式中各符号只代表物理量的数字部分 其单位必须采用指定单位 0 2单位制与单位换算 0 3物料衡算与能量衡算 一 物料衡算 1 画出流程示意图 标出物料流向与流量 组成等 物料衡算的步骤 2 用虚线划出衡算范围 3 定出衡算基准 4 列出衡算式并求解 二 能量衡算 机械能 热量 电能 磁能 化学能 原子能等统称能量 化工生产中常以热量为主 下面以热量衡算为例说明能量衡算过程 注意 作热量衡算时 由于焓是相对值 与温度基准有关 故应说明基准温度 习惯上选0 为基温 并规定0 时液态的焓为零 0 3物料衡算与能量衡算 0 4化工原理课程的两条主线 1 传递过程 从物理本质上说又下列三种 1 动量传递过程 单相或多相流动 2 热量传递过程 传热 3 质量传递过程 传质上表所列各单元操作皆归属传递过程 于是 传递过程成为统一的研究对象 也是联系各单元操作的一条主线 三传一反构成各种工艺制造过程 三传又有彼此类似的规律可以合在一起研究 形成传递过程这门学科 是单元操作在理论方面的深入发展 0 4化工原理课程的两条主线 2 研究方法论必要性化工原理是一门工程学科 对一些过程作出如实的 逼真的数学描述几乎是不可能的 采用直接的数学描述和方程求解的方法将是十分困难的 因此 探求合理的研究方法是发展这门工程学科的重要方面 1 试验研究方法 经验方法 优点 不足 2 数学模型方法 半理论半经验方法 必要性 广泛被应用 0 5化工原理课程所回答的问题 1 如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点 进行 过程和设备 的选择 以适应指定物系的特征 经济而有效地满足工艺要求 2 如何进行过程的计算和设备的设计 在缺乏数据的情况下 如何组织实验以取得必要的设计数据 3 如何进行操作和调节以适应生产的不同要求 在操作发生故障时如何寻找故障的缘由 当然 当生产提出新的要求而需要工程技术人员发展新的单元操作时 已有的单元操作发展的历史将对如何根据一个物理或物理化学的原理发展一个有效的过程 如何调动有利的并克服不利的工程因素发展一种新设备 提供有用的借鉴 离心泵 换热器 旋风分离器 填料塔 板式塔 第一章流体流动 流体流动规律是化工原理课程的重要基础 主要原因有以下三个方面 1 流动阻力及流量计算 2 流动对传热 传质及化学反应的影响 3 流体的混合效果 1 1 1重要概念 一 密度定义 单位体积流体的质量称为密度 公式 式中 流体的密度 kg m3 m 流体的质量 kg V 流体的体积 m3 在研究流体流动时 若压力与温度变化不大时 则可认为液体的密度为常数 密度为常数的流体称为不可压缩流体 严格说来 真实流体都是可压缩流体 不可压缩流体只是在研究流体流动时 对于密度变化较小的真实流体的一种简化 本章中如不加说明均指不可压缩流体 1 1 1重要概念 二 气体密度一般来说气体是可压缩的 称为可压缩流体 但是 在压力和温度变化率很小的情况下 也可将气体当作不可压缩流体来处理 当气体的压力不太高 温度又不太低时 可近似按理想气体状态方程来计算密度 由计算p 气体的绝对压强 kPa或kN m2 M 气体的摩尔质量 kg kmol T 气体的绝对温度 K R 气体常数 8 314kJ kmolK 1 1 2流体的静压强 一 静压强流体垂直作用于单位面积上的力 称为压强 或称为静压强 其表达式为式中p 流体的静压强 Pa FV 垂直作用于流体表面上的力 N A 作用面的面积 m2 1 1 2流体的静压强 二 静压强的单位1 按压强的定义 压强是单位面积上的压力 其单位应为Pa 也称为帕斯卡 其105倍称为巴 bar 即1bar 105Pa 常用单位有 Pa KPa Mpa 2 直接以液柱高表示 mH2O cmCCl4 mmHg等 3 以大气压强表示 atm 物理大气压 at 工程大气压 1atm 1 013 105Pa 10 33mH2O 760mmHg1at 9 81 104Pa 10mH2O 735mmHg 1 1 2流体的静压强 三 静压强的表示方法绝对压强 ata 以绝对真空为基准量得的压强 表压强 atg 以大气压强为基准量得的压强 真空度表压强以大气压为起点计算 所以有正负 负表压强就称为真空度 其相互关系如下图所示 注意符号 atm 物理大气压 at 工程大气压 ata 绝对压强 atg 表压强 1 1 3流体静力学基本方程 流体静力学基本方程是描述静止流体内部 流体在压力和重力作用下的平衡规律 当流体质量一定时 其重力可认为不变 而压力会随高度变化而变化 所以实质上是描述静止流体内部压强的变化规律 p2 p1 g Z1 Z2 2 p p0 gh 3 1 1 3流体静力学基本方程 重点讨论 1 方程应用条件 静止 连续 同一流体 静止 受力平衡连续 能够积分同一流体 密度一定2 当p0一定时 静止流体中任一点的压力与流体密度 和所处高度h有关 所以同一高度处静压力相等 3 当表面压强p0变化时 内部压强p也发生同样大小的变化 4 由p p0 gh可得 h P表 g这就是用流体高度表示压强单位的计量依据 从公式可知 密度 会有影响 因此必须注明流体的名称 静力学基本方程主要应用于压强 压强差 液面等方面的测量 U型测压管 U型压差计 微差压差计 玻璃管液面计和液封高度的确定均可以此计算 1 2流体在管内的流动 化工生产中的流体极大多数在密闭的管道或设备中流动 本节主要讨论流体在管内流动的规律 即讨论流体在流动过程中 流体所具有的位能 静压能和动能是如何变化的规律 从而为解决流体流动这一单元操作中出现的工程问题打下基础 流体流动应服从一般的守恒原理 质量守恒和能量守恒 从这些守恒原理可得到反映流体流动规律的基本方程式连续性方程式 质量守恒 柏努利方程式 能量守恒 这是两个非常重要的方程式 请大家注意 1 2 1流量 单位时间内流过管道任一截面的流体量称为流量 若流体量用体积来计算 称为体积流量 以Vs表示 其单位为m3 s 若流体量用质量来计算 则称为质量流量 以ws表示 其单位为kg s 体积流量与质量流量的关系为 ws Vs 式中 流体的密度 kg m3 注意 流量是一种瞬时的特性 不是一段时间的累计量 1 2 2流速 单位时间内流体在流动方向上所流经的距离称为流速 以u表示 其单位为m s 流体流过管路时 在管路任一截面上各点的流速沿管径而变化 即在管截面中心处流速最大 越靠近管壁流速就越小 在管壁处的流速为零 流体在管截面上各点的流速分布规律较为复杂 在工程中为简便起见 流速通常采用整个管截面上的平均流速 即用流量相等的原则来计算平均流速 其表达式为 式中A 与流动方向相垂直的管路截面积 m2 流量与流速的关系为 ws Vs uA 1 2 2流速 由于气体的体积流量随温度和压强而变化 因而气体的流速亦随之而变 因此采用质量流速就较为方便 质量流速即单位时间内流体流过管路截面积的质量 以G表示 其表达式为 式中G 质量流速 亦称质量通量 kg m2s 1 2 3管路直径的估算及选择 一般管路的截面均为圆形 若以d表示管路内径 则于是 所以流体输送管路的直径可根据流量及流速进行计算 所以选择的u越小 则d越大 那么对于相同的流量 所用的材料就越多 所以材料费 检修费等基建费也会相应增加 相反 选择的u越大 则d就越小 材料费等费用会减少 但由于流体在管路中流动的阻力与u成正比 所以阻力损失会增大 即操作费用就会增加 所以应综合考虑 使两项费用之和最小 通常流体流动允许压强降 水24 5kpa 100m管空气5 1kpa 100m管可以此来衡量所选择的管径是否合适 对于长距离与大流量输送流体 d应按前述的经济核算原则进行选择 而对于车间内部 通常管道较短 也不太粗 这时可根据经验来选择d 一般液体流速为0 5 3m s 气体为10 30m s 蒸汽为20 50m s 某些流体在管路中常用流速范围 1 2 4连续性方程 设流体在管道中作连续稳定流动 从截面2 2流出 若在管道两截面之间流体无漏损 根据质量守恒定律 从截面1 1进入的流体质量流量ws1应等于从2 2截面流出的流体质量流量ws2 即ws1 ws2因为ws uA 所以u1A1 1 u2A2 2此关系可推广到管道的任一截面 即ws u1A1 1 u2A2 2 uA 常数上式称为连续性方程 若流体不可压缩 常数 则上式可简化为Vs u1A1 u2A2 uA 常数 1 2 4连续性方程 由此可知 在连续稳定的不可压缩流体的流动中 流体流速与管道的截面积成反比 截面积越大流速越小 反之亦然 管道截面大多为圆形 故连续性方程又可改写为 由上式可知 管内不同截面流速之比与其相应管径的平方成反比 1 2 5柏努利方程 在上图所示的稳定流动系统中 流体从1 1截面流入 从2 2截面流出 流体本身所具有的能量有以下几种形式 1 位能相当于质量为m的流体自基准水平面升举到某高度Z所作的功 即位能 mgZ位能的单位 mgZ kgm Nm J2 动能质量为m 流速为u的流体所具有的动能为动能 动能的单位 1 2 5柏努利方程 3 静压能设质量为m 体积为V1的流体通过如图所示的1 1截面时 把该流体推进此截面所流经的距离为V1 A1 则流体带进系统的静压能为 输入静压能 p1A1V1 A1 p1V1静压能的单位4 内能单位质量流体的内能以U表示 质量为m的流体所具有的内能为 内能 mU内能的单位除此之外 能量也可以其它途径进入流体 它们是 1 热单位质量流体通过时吸热或放热 以Qe表示 质量为m的流体吸收或放出的热量为 热量 mQe热量的单位 2 功单位质量流体获得的能量以We表示 质量为m的流体接受的功为 功 mWe功的单位流体接受外功为正 向外界作功则为负 1 2 5柏努利方程 流体通过截面1 1输入的总能量用下标1标明 经过截面2 2输出的总能量用下标2标明 则对此流动系统的总能量衡算为 设单位质量流体在流动时因克服流动阻力而损失的能量为 hf 其单位为J kg 于是上式成为 1 2 5柏努利方程 若流体流动时不产生流动阻力 则流体的能量损失 hf 0 这种流体称为理想流体 实际上这种流体并不存在 但这种设想可以使流体流动问题的处理变得简单 对于理想流体流动 又没有外功加入 即 hf 0 We 0时 上式可简化为 此式即为柏努利方程 1 3流体在管内的流动阻力 流体流动中的作用力 1 体积力 质量力 与流体的质量成正比 对于均质的流体也与流体的体积成正比 如流体在重力场中运动时受到的重力就是一种体积力 F mg 2 表面力与流体的表面积成正比 若取流体中任一微小的平面 作用于其上的表面力可分为 垂直与表面的力P 称为压力 单位面积上所受的压力称为压强p 平行于表面的力F 称为剪力 切力 单位面积上所受的剪力称为应力 1 3 1牛顿粘性定律 式中 流体的粘度 Pa s N s m2 法向速度梯度 1 s 根据牛顿粘性定律 对一定 流体流动时产生内摩擦力的性质 称为粘性 流体粘性越大 其流动性就越小 1 3 1牛顿粘性定律 流动的流体内部相邻的速度不同的两流体层间存在相互作用力 即速度快的流体层有着拖动与之相邻的速度慢的流体层向前运动的力 而同时速度慢的流体层有着阻碍与之相邻的速度快的流体层向前运动的力流体内部速度不同的相邻两流体层之间的这种相互作用力就称为流体的内摩擦力或粘性力F 单位面积上的F即为 SI制 Pa sCGS制 cP 厘泊 1Pa S 10P 1000cP运动粘度SI制的单位为m2 s粘度 又称为动力粘度 的变化规律 液体 f t 与压强p无关 温度t 气体 p 40atm时 f t 与p无关 温度t 0 流体无粘性 理想流体 图1 5 实际不存在 的变化规律 服从牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体 大多数如水 空气 本章主要研究牛顿型流体的流动规律 1 3 2流动类型与雷诺数 雷诺实验流体流动存在着两种截然不同的流型 在前一种流型中 流体质点作直线运动 即流体分层运动 层次分明 彼此互不混杂 故才能使着色线流保持着线形 这种流型被称为层流或滞流 在后一种流型中流体在总体上沿管道向前运动 同时还在各个方向作随机的脉动 正是这种混乱运动使着色线抖动 弯曲以至断裂冲散 这种流型称为湍流或紊流 不同的流型对流体中的质量 热量传递将产生不同的影响 为此 工程设计上需事先判定流型 对管内流动而言 实验表明流动的几何尺寸 管径d 流动的平均速度u以及流体性质 密度和粘度 对流型的转变有影响 雷诺发现 可以将这些影响因素综合成一个无因次数群du 作为流型的判据 此数群被称为雷诺数 以符号Re表示 1 3 2流动类型与雷诺数 雷诺指出 1 当Re 2000时 必定出现层流 此为层流区 2 当20004000时 则微小的扰动就可以触发流型的转变 因而一般情况下总出现湍流 根据Re的数值将流动划为三个区 层流区 过渡区及湍流区 但只有两种流型 过渡区不是一种过渡的流型 它只表示在此区内可能出现层流也可能出现湍流 需视外界扰动而定 流体在圆管内的速度分布 理论分析和实验都已证明 层流时的速度沿管径按抛物线规律分布 如图所示 截面上各点速度的平均值u等于管中心处最大速度umax的0 5倍 流体在圆管内的速度分布 湍流时的速度分布目前还不能完全利用理论推导求得 经实验方法得出湍流时圆管内速度分布曲线如图所示 此时速度分布曲线不再是严格的抛物线 曲线顶部区域比较平坦 Re数值越大 曲线顶部的区域就越广阔平坦 但靠管壁处的速度骤然下降 曲线较陡 截面上各点速度的平均值u近似等于0 82umax 即使湍流时 管壁处的流体速度也等于零 而靠近管壁的流体仍作层流流动 这一流体薄层称层流底层 管内流速越大 层流底层就越薄 流体粘度越大 层流底层就越厚 湍流主体与层流底层之间存在着过渡层 1 3 3流体流动的阻力损失 管路系统主要由直管和管件组成 无论直管或管件都对流动有一定的阻力 消耗一定的机械能 直管造成的机械能损失称为直管阻力损失 管件造成的机械能损失称为局部阻力损失 在运用柏努利方程时 先分别计算直管阻力与局部阻力损失的数值 然后进行加和 层流时直管阻力损失计算 流体在均匀直管中作稳定流动时 由柏努利方程可知 流体的能量损失为 对于均匀直管u1 u2 水平管路Z1 Z2 故只要测出两截面上的静压能 就可以知道两截面间的能量损失 而层流时的能量损失可从理论推导得出 层流时直管阻力损失计算 哈根 泊谡叶公式则能量损失为 将上式改写为直管能量损失计算的一般方程式 上式即为层流直管阻力损失计算的公式 其中 称为摩擦系数 层流时 64 Re 令 则 湍流时直管阻力计算 而湍流时 引起阻力的原因不只是内摩擦力 所以不再服从牛顿粘性定律 因而湍流时直管阻力损失计算公式不能用理论推导得到 要用实验方法得到 对均匀直管 上式即为层流时直管阻力损失计算公式 对于湍流其中 d称为相对粗糙度 实验结果可表示为 与Re和 d的关系如下图所示 对光滑管及无严重腐蚀的工业管道 该图误差范围约在 10 摩擦系数 与Re及相对粗糙度的关系 1 摩擦系数 与Re的关系 在图上有四个不同的区域 1 层流区Re 2000 与管壁粗糙度无关 和Re准数呈直线下降关系 其表达式为 64 Re 2 过渡区2000 Re 4000 在此区域内层流和湍流的 Re曲线都可应用 但为安全计 一般将湍流时的曲线延伸来查取 3 湍流区Re 4000及虚线以上的区域 这个区的特点是 与Re及 d都有关 当 d一定时 随Re的增大而减小 Re增至某一数值后 值下降缓慢 当Re一定时 随 d增大而增大 4 完全湍流区图中虚线以上区域 此区内各 Re曲线趋于水平 即 只与 d有关 而与Re无关 在一定的管路中 由于 d均为常数 当l d一定时 hf与u2成正比 所以此区又称阻力平方区 2 管壁粗糙度对 的影响 管壁粗糙面凸出部分的平均高度 称绝对粗糙度 以 表示 绝对粗糙度与管内径d之比值 d称相对粗糙度 层流时 流体层平行于管道轴线 流速较慢 对管壁凸出部分没有什么碰撞作用 所以粗糙度对 值无影响 湍流时 若层流底层的厚度大于壁面的绝对粗糙度 则管壁粗糙度对 值的影响与层流相近 随着Re值增加 层流底层的厚度变薄 当管壁凸出处部分地暴露在层流底层之外的湍流区域时 流动的流体冲过凸起处时会引起旋涡 使能量损失增大 在Re数一定时 管壁粗糙度越大 能量损失也越大 1 3 4局部阻力损失 化工管路中使用的管件种类繁多 各种管件都会产生阻力损失 和直管阻力的沿程均匀分布不同 这种阻力损失集中在管件所在处 因而称为局部阻力损失 其它管件 如各种阀门都会由于流道的急剧改变而发生类似的现象 造成局部阻力损失 局部阻力损失的计算有两种近似的方法 阻力系数法及当量长度法 局部阻力损失的计算 一 阻力系数法近似认为局部阻力损失服从平方定律 即 式中常用管件的 值可从一些资料中查得 二 当量长度法近似认为局部阻力损失可以相当于某个长度的直管的损失 即 式中le为管件及阀件的当量长度 由实验测得 必须注意 对于扩大和缩小 以上两式中的u是用小管截面的平均速度 实际应用时 长距离输送以直管阻力损失为主 车间管路则往往以局部阻力为主 第二章流体输送机械 一 制药生产过程中为什么要流体输送机械 化工生产中大都是连续流动的各种物料或产品 由于工艺需要常需将流体由低处送至高处 由低压设备送至高压设备 或者克服管道阻力由一车间 某地 水平地送至另一车间 另一地 为了达到这些目的 必须对流体作功以提高流体能量 完成输送任务 这就需要流体输送机械 二 为什么要用不同结构和特性的输送机械 这是因为化工厂中输送的流体种类繁多 1 流体种类有强腐蚀性的 高粘度的 含有固体悬浮物的 易挥发的 易燃易爆的以及有毒的等等 2 温度和压强又有高低之分 3 不同生产过程所需提供的流量和压头又各异 所以需要有各种结构和特性的输送机械 三 化工流体输送机械分类一般可分为四类 即离心式 往复式 旋转式和流体动力作用式 这四种类型机械均有国产产品 且大多数已成为系列化产品 2 1 1离心泵的工作原理 离心泵的种类很多 但工作原理相同 构造大同小异 其主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳 如图所示 叶轮是离心泵直接对液体作功的部件 其上通常有6到12片后弯叶片 即叶片弯曲方向与旋转方向相反 离心泵工作时 叶轮由电机驱动作高速旋转运动 迫使叶片间的液体也随之作旋转运动 同时因离心力的作用 使液体由叶轮中心向外缘作径向运动 液体在流经叶轮的运动过程中获得能量 并以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳 在泵壳内 由于流道的逐渐扩大而减速 又将部分动能转化为静压能 达到较高的压强 最后沿切向流入压出管道 2 1 1离心泵的工作原理 在液体受迫由叶轮中心流向外缘的同时 在叶轮中心处形成真空 泵的吸入管路一端与叶轮中心处相通 另一端则浸没在输送的液体内 在液面压力 常为大气压 与泵内压力 负压 的压差作用下 液体经吸入管路进入泵内 只要叶轮的转动不停 离心泵便不断地吸入和排出液体 由此可见离心泵主要是依靠高速旋转的叶轮所产生的离心力来输送液体 故名离心泵 2 1 1离心泵的工作原理 离心泵若在启动前未充满液体 则泵内存在空气 由于空气密度很小 所产生的离心力也很小 吸入口处所形成的真空不足以将液体吸入泵内 虽启动离心泵 但不能输送液体 这种现象就称为 气缚 所以离心泵启动前必须向壳体内灌满液体 在吸入管底部安装带滤网的底阀 底阀为止逆阀 防止启动前灌入的液体从泵内漏失 滤网防止固体物质进入泵内 靠近泵出口处的压出管道上装有调节阀 供调节流量时使用 离心泵的主要性能参数 1 离心泵的理论压头此式即为离心泵基本方程式 表示离心泵的理论压头与流量 叶轮的转速和直径 叶片的几何形状之间的关系 由式 2 11 可看出 当叶片几何尺寸 b 与流量一定时 离心泵的理论压头随叶轮的转速或直径的增加而加大 离心泵的主要性能参数 2 离心泵的功率与效率2 1泵的有效功率与效率泵在运转过程中由于存在种种损失 使泵的实际 有效 压头和流量均较理论值为低 而输入泵的功率较理论值为高 设H 泵的有效压头 即单位量液体在重力场中从泵获得的能量 m Q 泵的实际流量 m3 s 液体密度 kg m3 Ne 泵的有效功率 即单位时间内液体从泵处获得的机械能 W 有效功率可写成Ne QH g由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率 以N表示 有效功率与轴功率之比定义为泵的总效率 即2 2泵内损失 1 容积损失 v 2 水力损失 h 3 机械损失 M离心泵的总效率即包括上述三部分 v h M 离心泵的特性曲线 离心泵的性能参数H Q 及N之间并非孤立的 而是相互联系相互制约的 其具体定量关系由实验测定 并将测定结果用曲线形式表示 即为特性曲线 左图即为4B20型清水泵在转速n 2900转 分钟条件下测得的特性曲线 离心泵的特性曲线 关于特性曲线 由此图可见 1 离心泵的压头H随流量Q的增加而降低 2 离心泵的轴功率N随着流量Q的增大而上升 流量为零时轴功率最小 所以离心泵启动时 应关闭泵的出口阀门 使启动电流减小 保护电机 3 随着流量Q的增大 泵的效率 也随之上升 并达到一最大值 以后流量再增大 效率就下降 这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点 称为设计点 与最高效率点对应的Q H P值称为最佳工况参数 根据输送条件的要求 离心泵往往不可能正好在最佳工况点运转 因此一般只能规定一个工作范围 称为泵的高效率区 通常为最高效率的92 左右 离心泵的转数和叶轮直径对特性曲线的影响 离心泵的特性曲线是在一定转速下测定的 当转速由n1改变为n2时 与流量 压头及功率的近似关系为 当转速变化小于20 时 可认为效率不变 用上式计算误差不大 当叶轮直径变化不大 转速不变时 叶轮直径与流量 压头及功率之间的近似关系为 液体物理性质对离心泵特性的影响 1 密度的影响由离心泵的基本方程式可知 离心泵的压头 流量均与液体的密度无关 所以效率也不随液体的密度而改变 但轴功率会随着液体密度而变化 2 粘度的影响所输送的液体粘度越大 泵内能量损失越多 泵的压头 流量都要减小 效率下降 而轴功率则要增大 离心泵的工作点与流量调节 一 工作点离心泵的特性曲线是泵本身固有的特性 它与外界使用情况无关 但是 一旦泵被安排在一定的管路系统中工作时 其实际工作情况就不仅与离心泵本身的特性有关 而且还取决于管路的工作特性 所以 要选好和用好离心泵 就还要同时考虑到管路的特性 在特定管路中输送液体时 管路所需压头He随着流量Qe的平方而变化 将此关系绘在坐标纸上即为相应管路特性曲线 离心泵的工作点与流量调节 若将离心泵的特性曲线与其所在管路特性曲线绘于同一坐标纸上 如上图所示 此两线交点M称为泵的工作点 选泵时 要求工作点所对应的流量和压头既能满足管路系统的要求 又正好是离心泵所提供的 即Q Qe H He 离心泵的工作点与流量调节 二 流量调节1 改变阀门的开度改变离心泵出口管线上的阀门开关 其实质是改变管路特性曲线 如图所示 当阀门关小时 管路的局部阻力加大 管路特性曲线变陡 工作点由M移至M1 流量由QM减小到QM1 当阀门开大时 管路阻力减小 管路特性曲线变得平坦一些 工作点移至M2 流量加大到QM2 用阀门调节流量迅速方便 且流量可以连续变化 适合化工连续生产的特点 所以应用十分广泛 缺点是阀门关小时 阻力损失加大 能量消耗增多 不很经济 离心泵的工作点与流量调节 2 改变泵的转速改变泵的转速实质上是改变泵的特性曲线 泵原来转速为n 工作点为M 如下图所示 若把泵的转速提高到n1 泵的特性曲线H Q往上移 工作点由M移至M1 流量由QM加大到QM1 若把泵的转速降至n2 工作点移至M2 流量降至QM2 这种调节方法需要变速装置或价格昂贵的变速原动机 且难以做到连续调节流量 故化工生产中很少采用 离心泵的安装高度 一 汽蚀现象在如图所示的管路中 在液面0 0与泵进口附近截面1 1之间无外加能量 液体靠压强差流动 因此 提高泵的安装位置 叶轮进口处的压强可能降至被输送液体的饱和蒸汽压 引起液体部分汽化 汽蚀现象 实际上 泵中压强最低处位于叶轮内缘叶片的背面 当泵的安装位置高至一定距离 首先在该处发生汽化并产生汽泡 含汽泡的液体进入叶轮后 因压强升高 汽泡立即凝聚 汽泡的消失产生局部真空 周围液体以高速涌向汽泡中心 造成冲击和振动 尤其是当汽泡的凝聚发生在叶片表面附近时 众多液体质点犹如细小的高频水锤撞击着叶片 另外汽泡中还可能带有氧气等对金属材料发生化学腐蚀作用 泵在这种状态下长期运转 将会导致叶片的过早损坏 这种现象称为泵的汽蚀 离心泵在产生汽蚀条件下运转 泵体振动并发出噪音 流量 扬程和效率都明显下降 严重时甚至吸不上液体 为了避免汽蚀现象 泵的安装位置不能太高 以保证叶轮中各处的压强高于液体的饱和蒸汽压 离心泵的安装高度 一般采用两种指标对泵的安装高度加以限制 以免发生汽蚀 现将这两种指标介绍如下 1 允许吸上真空高度允许吸上真空高度Hs是指泵入口出压力p1可允许达到的最高真空度 其表达式为 式中Hs 离心泵的允许吸上真空高度 m液柱 pa 大气压强 Pa 被输送液体的密度 kg m3 离心泵的安装高度 在前图所示的截面0 0与泵进口附近截面1 1间列柏努利方程 式中Hg 离心泵的允许安装高度 m Hf0 1 液体从截面0 0到1 1的压头损失 m 由于贮槽是敞口的 p0为大气压pa 上式可写为所以此式可用于计算泵的安装高度 离心泵的安装高度 由上式可知 为了提高泵的允许安装高度 应该尽量减小u12 2g和 Hf0 1 为了减小u12 2g 在同一流量下应选用直径稍大的吸入管路 为了减小 Hf0 1 应尽量减少阻力元件如弯头 截止阀等 吸入管路也尽可能地短 注意 工厂在泵出厂时给出的Hs是在介质为清水 20 大气压为10mH2O时的值 若使用介质条件变化 要对Hs作适当修正 离心泵的安装高度 2 汽蚀余量汽蚀余量 h是指离心泵入口处 液体的静压头p1 g与动压头u12 2g之和大于液体在操作温度下的饱和蒸汽压头pv g的某一最小指定值 即因为将以上两式合并 可得出汽蚀余量与允许安装高度之间的关系式中p0 液面上方的压强 若液位槽为敞口 则p0 pa 应当注意 泵产品样本上的 h值也是按输送20 水而规定的 当输送其他液体时 需进行校正 离心泵的类型与选用 一 类型离心泵的种类很多 化工生产中常用的离心泵有清水泵 耐腐蚀泵 油泵 液下泵 屏蔽泵 杂质泵 管道泵和低温用泵等 在化工生产中除了离心泵之外 还会用到其它一些种类的泵 包括往复泵 计量泵 旋转泵以及旋涡泵等等 二 选用离心泵的选用原则上可分为两步 1 根据被输送液体的性质和操作条件 确定泵的类型 2 根据具体管路布置情况对泵提出的流量 压头要求 确定泵的型号 离心泵的类型与选用 在泵样本中 各种类型的离心泵都附有系列特性曲线 以便于泵的选用 每一种型号的泵都有其最佳的工作范围 有时会有几种型号的泵同时在最佳工作范围内满足流量Q及压头H的要求 这时可分别确定各泵的工作点 比较各泵在工作点的效率 一般总是选择其中效率最高的一种 但同时也应考虑泵的价格 2 2 1往复泵的构造及操作原理 往复泵装置如图所示 往复泵是利用活塞的往复运动 将能量传递给液体 以完成液体输送任务 往复泵输送液体的流量只与活塞的位移有关 而与管路情况无关 但往复泵的压头只与管路情况有关 这种特性称为正位移特性 具有这种特性的泵称为正位移泵 2 2 1往复泵的构造及操作原理 往复泵的构造 操作原理与离心泵一样 往复泵也是借助泵体内减压而吸入液体 所以吸入高度也有一定的限制 往复泵的低压是靠泵体内活塞移动使空间扩大而形成的 往复泵在开动之前 没有充满液体也能吸液 故具有自吸能力 往复泵的构造 操作原理离心泵可以用出口阀门来调节流量 但对往复泵此法却不能采用 因为往复泵属正位移泵 其流量只与泵的几何尺寸和泵的往复次数有关 而与管路特性无关 安装调节阀非但不能改变流量 而且还会造成危险 一旦出口阀完全关闭 泵缸内的压强将会急剧上升 导致机件破损或电机烧毁 根据往复泵的特点 其流量调节的方法是 2 2 2往复泵的流量调节 1 旁路调节如上图所示 在往复泵出口处装上旁路 使一部分液体返回进口处 在旁路上装调节阀 通过阀门调节旁路流量 可以达到调节主管流量的目的 这种方法简单方便 但很不经济 只适用于变化幅度较小的经常性调节 2 改变原动机的转速 调节活塞往复次数改变原动机的转速和活塞的行程 可以改变泵的流量 因电动机是通过减速装置与往复泵相连接的 改变减速装置的传动比可以方便地改变转速 达到流量调节的目的 因此改变转速调节法是最常用的经济方法 此外 对输送易燃 易爆液体的蒸汽推动往复泵 可改变蒸汽进入量使活塞往复次数改变 从而实现流量的调节 2 3气体输送机械 气体输送机械的结构和原理与液体输送机械大体相同 但是气体具有可压缩性和比液体小得多的密度 约为液体密度的千分之一左右 从而使气体输送具有某些不同于液体输送的特点 气体输送机械根据它所能产生的进 出口压强差或压强比 称为压缩比 进行如下分类 1 通风机 出口压强不大于1 47 104Pa 表压 压缩比为1 1 15 2 鼓风机 出口压强为 1 47 29 4 104Pa 表压 压缩比小于4 3 压缩机 出口压强为29 4 104Pa 表压 以上 压缩比大于4 4 真空泵 用于减压 出口压力为1大气压 其压缩比由真空度决定 此外 气体输送机械按其机构与工作原理又可分为离心式 往复式 旋转式和流体作用式 第三章机械分离和固体流态化 3 1概述 混合物可以分为两大类 凡物系内部各处物料性质均匀 且不存在相界面者 称为均相混合物 凡物系内部有隔开两相的界面存在 且界面两侧物料性质截然不同者 称为非均相混合物或非均相物系 非均相物系中 处于分散状态的物质 如悬浮液中的固体颗粒 乳浊液中的液滴 泡沫液中的气泡 称为分散相或分散物质 包围着分散物质的流体 则称为连续相或分散介质 由于非均相物系中分散相和连续相具有不同的物理性质 工业上一般采用机械方法将两相进行分离 工业上分离非均相混合物的目的是 3 1概述 1 回收有价值的分散物质例如从某些类型干燥器出来的气体及从结晶机出来的晶浆中都带有一定量的固体颗粒 必须回收这些悬浮的颗粒作为产品 2 净化分散介质以满足后继生产工艺的要求例如某些催化反应的原料气中夹带有会影响催化剂活性的杂质 因此 在气体进入反应器之前 必须除去其中尘粒状的杂质 3 环境保护和安全生产为了保护人类生态环境 要求排放的废气或废液浓度达到排放标准 很多含碳物质及金属细粉与空气形成爆炸物 必须除去这些物质以消除隐患 3 2离心沉降 重力沉降速度ut离心沉降速度ur依靠惯性离心力的作用而实现的沉降过程叫作离心沉降 流体带着密度大于流体的颗粒旋转时 受到惯性离心力 向心力和阻力的作用 当三力达到平衡时 颗粒在径向相对于流体的速度ur即为颗粒在此位置的离心沉降速度 式中 d 粒径 mm 流体粘度 PaS S 颗粒密度 Kg m3 颗粒密度 Kg m3 曳力系数 3 2离心沉降 离心沉降与重力沉降的比较 1 离心沉降速度ur计算公式中将重力沉降速度计算公式中的加速度g改为离心加速度 2 离心沉降方向不是向下而是向外 3 离心力随旋转半径而变 离心沉降速度ur也随颗粒的位置而变 同一颗粒在同种介质中的离心沉降速度与重力沉降速度的比值比值Kc称为分离因数 3 15 Kc是颗粒所在位置上的惯性离心力场强度与重力场强度之比 分离因数是离心分离设备的重要性能指标 3 2 1离心分离设备 3 3流体通过颗粒床层的流动 3 3 1颗粒床层的特性一 床层空隙率 影响空隙率 值的因素有颗粒的大小 形状 粒度分布与充填方式等 一般乱堆床层的空隙率大致在0 47 0 70之间 二 床层的比表面积ab单位床层体积具有的颗粒表面积称为床层的比表面积ab 若忽略颗粒之间接触面积的影响 则ab 1 a 3 16 式中ab 床层比表面积 m2 m3 a 颗粒的比表面积 m2 m3 床层空隙率 3 3流体通过颗粒床层的流动 3 3 2过滤及过滤基本方程一 概述过滤操作如图所示 实现过滤操作的外力可以是重力 压强差或惯性离心力 1 过滤方式工业上过滤基本方式有两种 深层过滤和滤饼过滤 在深层过滤操作中 颗粒尺寸比过滤介质孔径小 颗粒附着在孔道壁面上 过滤在过滤介质内部进行 滤饼过滤中 固体颗粒被截留在过滤介质表面上 形成一颗粒层 称为滤饼 3 3 2过滤及过滤基本方程 2 滤饼的压缩性当滤饼两侧的压强差增大时 颗粒的形状和颗粒间的空隙都不发生明显变化 单位厚度床层的流动阻力可视作恒定 这类滤饼称为不可压缩滤饼 反之称为可压缩滤饼 二 过滤基本方程1 过滤速度与过滤速率单位时间获得的滤液体积称为过滤速率 单位为m3 s 单位过滤面积上的过滤速率称为过滤速度 单位为m s 任一瞬间的过滤速度u 过滤速率分别为 3 21b 3 21c 式中V 滤液量 m3 过滤时间 s A 过滤面积 m2 3 3 3过滤设备 1 板框压滤机 3 3 3过滤设备 2 叶滤机 3 3 3过滤设备 3 回转真空过滤机 3 3 4过滤机的生产能力 过滤机的生产能力通常是指单位时间获得的滤液体积 1 间歇过滤机的生产能力间歇过滤机的整个操作周期T为T W D式中 一个操作循环内的过滤时间 s W 一个操作循环内的洗涤时间 s D 一个操作循环内辅助操作所需时间 s 生产能力Q的计算式为 3 42 3 3 4过滤机的生产能力 2 连续过滤机的生产能力以转筒真空过滤机为例 转筒表面浸入滤浆中的分数为浸没度 3 43 转筒回转一周所用时间T 在此周期内过滤时间为 3 44 N 转筒转速 r minK 过滤常数转筒每转一周所得的滤液体积为 3 45 3 3 4过滤机的生产能力 生产能力为 3 46 当滤布阻力可以忽略时 e 0 Ve 0 则上式简化为 3 46a 第四章传热 4 1概述 传热是由于温度差引起的能量的转移 又称热量传递过程 根据热力学第二定律 凡是存在温度差就必然导致热量自发的从高温处向低温处传递 因此传热是自然界和工程技术领域中普遍存在的一种传递现象 在化工生产中 传递过程的应用更是十分广泛 在化学工业中几乎所有的化工生产过程均伴有传热操作 化工生产中对传热的要求通常有以下两种情况 一种是强化传热 比如各种换热设备中的传热 另一种是削弱传热过程 如设备和管道的保温 学习传热的目的主要是能够分析影响传热速率的因素 掌握控制热量传递速率的一般规律 以便根据生产要求来强化或削弱热量的传递 正确地计算和选择适宜的传热设备和保温措施 4 1 1传热过程及其基本方式 热的传递是由于物体内或系统内的两部分间有温度差存在而引起的 净的热流是由高温处流向低温处 显然传递的推动力是温度差 其极限是温度平衡 根据传热机理的不同 热的传递有三种基本方式 导热 对流传热和辐射传热 1 导热 热传导 因为分子的微观振动 热量从高温物体流向与之接触的低温物体 或同物体内高温部分向低温部分进行的热量传递过程称为导热 也称为热传导 2 对流传热 热对流 对流传热是指流体中质点发生相对位移而引起的热交换 对流传热仅仅发生在流体中 但要注意 在对流传热时 必然伴随着流体质点间的热传导 若将两者合并处理时 一般也称为对流传热 也可称为热对流或给热 4 1 1传热过程及其基本方式 3 辐射传热 热辐射 高温物体因热的原因而产生的电磁波在空间传递而被低温物体所吸收并转化为热能的过程称为辐射传热 辐射传热不仅有热量的转移 而且还伴有能量的转换 4 1 2传热速率传热速率有两种表示方法 1 热流量Q 单位时间内在整个传热面积上由热流体传给冷流体的热量 2 热通量q 单位传热面积上通过的热流量 4 2热传导 一 傅立叶定律Q S dt dn q Q S dt dn 导热系数W m k dt dn 温度梯度k m 指向温度增加的方向 傅立叶定律表明 在热传导时 其传热速率与温度梯度及传热面积成正比 必须注意 作为导热系数是表示材料导热性能的一个参数 越大 表明该材料导热越快 和粘度 一样 导热系数 也是分子微观运动的一种宏观表现 4 2热传导 二 导热系数 物理意义 当导热面积S 1m2 温度梯度为1k m时 单位时间内以热传递方式传递的热量 导热系数的大致范围金属的最大 非金属的次之 液体的较小 而气体的最小 1 固体的导热系数固体的导热系数大多与温度有关 对于大多数均质固体 其 值与温度大致呈线性关系 0 1 a t 同种金属材料在不同温度下的导热系数可在化工手册中查到 当温度变化范围不大时 一般采用该温度范围内的平均值 4 2热传导 2 液体的导热系数液态金属的导热系数比一般液体要高 而且大多数液态金属的导热系数随温度的升高而减小 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 一般说来纯液体的导热系数比其溶液的要大 3 气体的导热系数气体的导热系数随温度的升高而增大 在相当大压强范围内 气体的导热系数与压强几乎无关 由于气体的导热系数太小 因而不利于导热 但有利于保温和绝热 工业上的保温材料 例如玻璃棉等 就是因为其空隙中有气体 所以导热系数低 适用于保温隔热 4 2热传导 三 傅立叶定律的应用 单层平壁热传导 1 单层如图4 6所示Q t1 t2 b S t R 4 2热传导 2 三层如图4 7所示Q 1S t1 t2 b1 2S t2 t3 b2 3S t3 t4 b3 t1 t4 b1 1S b2 2S b3 3S 3 N层Q 总推动力 总热阻 4 2热传导 圆筒壁热传导单层如图4 8所示 Q S dt dr 2 rL dt dr Q 2 L t1 t2 ln r2 r1 或Q t1 t2 Sm b其中b r2 r1 Sm 2 rmL rm r2 r1 ln r2 r1 当r2 r1 2时 rm r2 r1 2 4 3对流传热 一 对流传热的概念和传热速率方程 对流传热假设对流传热过程是在厚度为 t的有效膜内进行的 而且膜内只有热传导 t是集中了全部传热温差并以导热方式传热的虚拟膜厚 Q S t tQ 1S T1 Tw 或Q S t t 对流传热膜系数 t 流体和壁的温差 4 3对流传热 2 对流传热系数 的物理意义 单位时间内当壁面与流体主体的温度差为1K时 每一平方米固体壁面与流体之间传递的热量 二 影响 的因素 流体的种类及相变化情况 流体的物理性质 Cp 流体运动状态依Re划分 对流状况自然对流 强制对流 传热壁的形状 大小及安装位置 4 3对流传热 三 无相变流体 的确定 因次分析法 关联式f Nu Re Pr Gr 0或Nu CRem Prn Gric m n i由实验测得四 对流传热系数的经验关联式 管内的强制对流1 流体在圆形直管内作强制湍流2 流体在圆形直管内作强制层流一般在换热器等设备中 为了提高 多呈湍流流动 管外强制对流1 流体垂直于管束流动 2 流体在换热器管间流动 4 3对流传热 4 3对流传热 4 4传热计算 4 4 1能量衡算若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 4 4传热计算 4 4 2 总传热速率方程 微分式dQ KdS T t 1 KdS 1 idSi b dSm 1 0dS0 总传热系数K 1 传热面为平壁1 K 1 1 b 1 2 2 传热面为圆筒壁1 K0 1 2 bd0 dm do 1di 3 污垢热阻1 K0 do 1di Rsid0 dibd0 dm Rs0 1 2 4 4传热计算 提高总传热系数的途径传热过程的总热阻1 K是由各串联环节的热阻叠加而成 原则上减小任何环节的热阻都可以提高传热系数 但是 当各个环节的热阻相差较大时 总热阻的数值将主要由其中的最大热阻所决定 此时强化传热的关键在于提高该环节的传热系数 例如 当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时 污垢热阻式可简化为1 k 1 1 1 2若 1 2 则1 k 1 2 欲要提高K值 关键在于提高对流传热系数较小一侧的 2 若污垢热阻为控制因素 则必须设法减慢污垢形成的速率或及时清除污垢 4 5 换热器的类型 4 5 1 间壁式换热器 管式换热器 1 蛇管换热器a 沉浸式蛇管换热器优点 结构简单 能承受高压 可用耐腐蚀性材料制作缺点 管内液体湍动程度低 管外对流系数小 b 喷淋式蛇管换热器和沉浸式蛇管换热器相比喷淋式蛇管换热器的传热效果大为改善 2 套管式换热器能够承受高压强 总传热系数大 传热推动力大 4 5 换热器的类型 3 列管式换热器a 固定管板式结构简单 造价低廉但由于壳程不易清洗和检修 因此壳方流体应是较洁净且不易起垢的b U型管换热器结构简单 重量轻 适用于高温和高压的场合 其主要缺点是管内清洗比较困难 因此管内流体必须洁净 管板的利用率较差 c 浮头式换热器优点 可以补偿热膨胀 便于清洗和检修 缺点 结构复杂 金属耗量较多 造价较高 4 5 换热器的类型 板式换热器 1 夹套式换热器广泛应用于反应过程的加热和冷却 结构简单 但其加热面受容器壁面限制 总传热系数也不高 可在釜内安装搅拌器以提高总传热系数 也可在釜内部安装蛇管以补充传热面的不足 板式换热器优点 由于流体在板片间流动湍动程度高 而且板片又薄 故总传热系数K大 板片间隙小 一般为4 6mm 结构紧凑 金属耗量可减少一半以上 具有可拆结构 可根据需要调整板片数目以增减传热面积 操作灵活性大 检修清洗也很方便 缺点 允许操作的压强和温度比较低 通常操作压强不超过2MPa 压强过高易渗漏 操作温度受垫片材料的耐热性限制 一般不超过250 4 5 换热器的类型 螺旋板式换热器优点 总传热系数高 不易堵塞 能利用低温热源和精密控制温度和结构紧凑 缺点 操作压强和温