化工基础-流体输送及机械、分析和吸收

化工基础(上)Fundamentals of Chemical Engineering,吴卫生 博士、副教授上海交通大学化工系（化学楼218室）Tel:-mail: ,科学和化工、化学,科学的十二大类： 哲学、经济学、历史学、农学、医学、管理学、理学、工学、军事学、法学、文学、教育学。化学工程与技术为隶属工学的一级学科，包含五个二级学科： 化学工程、化学工艺、应用化学、生物化工和工业催化化学为隶属理学的一级学科，包含五个二级学科： 有机化学、无机化学、分析化学、物理（理论）化学和高分 子化学与物理,化学工程与技术,研究以化学工业为代表的各类过程工业中有关化学过程与物理过程的基本规律和应用技术的工程技术学科。本学科以过程工业为背景和研究对象，学科内容体现基础和应用并重，包括基础理论、基本方法和基本实验技术，产品研制、工艺开发、过程设计、系统模拟与优化和操作控制等。,过程工业与加工工业的区别,化学工程与技术的五个二级学科,化学工程：研究各类化学过程和物理过程的一般原理、共性规律、工程基础和应用技术；化学工艺：研究化学品的精化原理、生产原理、产品开发、工艺实施、过程设计和优化；生物化工：研究有生物体或生物活性物质参与的过程的基本原理和工程技术问题；应用化学：研究精细化学品、专用化学品、功能材料及器件等的制备原理和工艺技术；工业催化：研究催化剂和催化反应过程的理论基础及其设计、开发和工业应用。,化学工业的发展简史,化学工业的特点,化学工业与人类的生存与发展息息相关原料、工艺和产品的多样性技术密集型能源密集型资金密集型,化学工业的发展趋势,产品精细化化学工业和生物技术结合煤化工的兴起新材料的研究与开发,化学工业的分类（中国）,化工生产过程将原料（Raw Materials） 通过物理或化学方法 转变成 产品(Products),化学反应：使物质的结构、组成或性质发生变化单元操作（Unit Operation)：只有物理性质的变化，不涉及化学反应常见的单元操作：流体输送；物料的加热和冷却；蒸发；蒸馏；吸收；萃取；干燥、结晶等单元操作的理论基础： “三传”：动量(Momentum)、热量(Heat)和质量(Mass)传递(Transfer) 相平衡：Phase Equilibrium,物料衡算、能量衡算和过程速率,物料衡算(Mass Balance)： 输入物料量 = 输出物料量 + 累积物料量 稳态过程：输入物料量 = 输出物料量 能量衡算(Energy Balance)： 输入能量 = 输出能量 + 系统累积能量 稳态过程：输入能量 = 输出能量 过程速率 = 过程推动力/过程阻力,本课程的教学内容,单元操作 54学时化学反应工程基础 18学时化工热力学基础 18学时,第一章 流体流动(Fluid Flow),流体输送： 化工过程中最普遍的单元操作之一本章的研究内容（对象）： 压力、功率、流量等流体流动：内部存在相对运动；质点运动的总和 质点：大量分子的聚集体刚体运动：内部不存在相对运动,第一节 流体静止的基本方程 （流体静力学）,流体的密度（density)、比重(specific gravity)和比容(specific volume) 密度：单位体积流体的质量， 比重：某物质的密度对水的密度之比 比容：单位质量物质的体积，,压力（压强）,表压绝对压力大气压真空度大气压绝对压力,流体静力学基本方程式,描述静止流体内部压强随位置高低变化的规律（数学表达式）在静止的连续的同一流体内等高处压强相等,流体静力学基本方程式的应用液柱压差计,U型压差计双液体U型压差计倾斜U型压差计串联U型压差计,第二节 流体流动的基本方程,流量与流速稳定流动与非稳定流动总质量衡算连续性方程总能量衡算机械能衡算柏努利方程柏努利方程的应用,流量与流速（Flux & Velocity）,体积流量（Volume Flux）： Vs= V/ （单位时间流过管路任一截面的流体体积）质量流量(Mass Flux)：ms=m/ (单位时间流过管路任一截面的流体质量） 流速(Velocity)：u = Vs/A (体积流量除以管截面所得的平均速度） 质量流速(Mass Velocity) ：G=ms/A (质量流量与管截面的比值）,稳定流动（Steady Flow） p、z等物理量不随时间变化不稳定流动（Unsteady Flow） p、z等物理量随时间变化,总质量衡算(Mass Balance)连续性方程(Equation of Continuity),ms1=ms2u1A11=u2A22或uA常数若为常数，则u1A1 u2A2=常数,总能量衡算(Energy Balance),H1 + gz1 + u12/2 + qe + we = H2 + gz2 + u22/2H+ g z+ (u2)/2= qe + we,机械能衡算（Mechanical Energy Balance）柏努利方程(Bernoulli Equation),三个假定： 1.流体不可压缩 v1=v2=v=1/； 2.无热交换 qe=0； 3.流体温度不变 U1=U2gz1+u12/2+p1/ + we = gz2+u22/2+p2/ + wf z1+u12/2g+p1/ g + he = z2+u22/2g+p2/ g + hfh= he hf (h=z+u2/2g+p/ g) z+ (u2)/2 + p/ g = 0 或 h= 0 (we = 0 ; wf=0) 理想流体,Bernoulli Eq.的应用,流体流动中，各种形式的机械能可以相互转化，流体接受外功(he) 可以转变为机械能，而部分机械能因克服阻力而被消耗（hf）；机械能可以用压头m表示；h=h2-h1=he-hf静止流体，u1=u2=0 he=0 hf=0 则 z1+p1/ g = z2+p2/ g (流体静力学方程),第三节 流体流动现象,粘度流动型态管内流动的速度分布边界层简介,第四节 管内流动的阻力损失,阻力损失的直观表现压力降因次分析法流体流动阻力损失中的无因次数群（准数）范宁公式摩擦因数非圆形管的摩擦损失局部阻力损失,阻力损失的直观表现压力降,满足以下条件： z1=z2(水平）；u1=u2（等径）；we=0（无外功）pf=p1-p2=wf=ghf (p1p2) pf： 压力损失； hf：压头损失； wf：单位质量流体的机械能损失,因次分析法,因次一致性原则： 凡是根据基本物理规律导出的物理量方程，其中各项的因次必然相同。定理（Buckingham定理）： 某一物理现象中存在n个物理量，这些物理量涉及有m个基本单位，那么，这一物理现象可由n-m个无因次数群1, 2, ., n-m所组成的函数关系式表示，即 F(1, 2, ., n-m)=0,流体流动阻力损失中的无因次数群（准数）,阻力损失pf与以下物理量有关： d、l、u、e（粗糙度）共有7个物理量：pf 、 d、l、u、e基本单位有3个：kg、m、s根据定理，存在7-3=4个无因次数群: Eu= pf /( u2) 表征压力与惯性力之比 l/d 反映管子的几何特性 Re= d u / 反映流体的湍动程度 e/d 相对粗糙度， 反映管壁的几何特性,范宁（Fanning）公式,摩擦因数,层流：湍流：,非圆形管的摩擦损失,当量直径：,局部阻力损失,局部阻力损失计算式：,局部阻力系数：,总阻力（直管损失+局部损失）,第五节 管路计算,依据： 连续性方程： ms1=ms2 i.e. u1A11=u2A22 Bernoulli Eq.: gz1+u12/2+p1/ + we = gz2+u22/2+p2/ + wf i.e. z1+u12/2g+p1/ g+ he = z2+u22/2g+p2/ g+ hf 阻力计算式： 直管：wf=(l/d)(u2/2) i.e. hf=(l/d)(u2/2g) 局部：wf=(u2/2) i.e. hf=(u2/2g) 总： wf= (l/d)+)(u2/2) = (l+le)/d(u2/2) i.e. hf=(l/d)(u2/2g) = (l+le)/d(u2/2g),简单管路,没有分支或汇合特点： 质量流量保持不变； 总阻力损失为各段损失之和。,复杂管路,存在分支或汇合 分支管路 汇合管路 并联管路特点： 总管流量等于各分支管流量之和； 对任一支管而言，分支前及汇合后的总压头皆相等。,可压缩流体的管路计算（简单了解）,简化计算法,第六节 流量测定（Flux Measurement),流量计：差压流量计、截面流量计差压流量计：皮托管、孔板、文丘里 截面流量计：转子流量计差压流量计：等截面、变压差 节流口面积不变，流体流经节流口所产生的p随V而变，通过测定p间接测定流量V 。转子流量计：变截面、等压差 流体流经节流口（环隙）的p恒定，而节流口的面积不断变化。,皮托管（Pitot Tube),测定管道截面上某一点的速度,孔板(Orifice Plate),测定平均速度和流量,文丘里(Venturi Tube),孔板的改进型,转子流量计(Rotameter),收缩口面积可变的孔板,第二章 流体输送机械,流体输送机械： 向流体作功，提高机械能 能量转换装置 主要是流体静压头的增加，还有动压头的增加等流体输送机械（分类）： 泵：输送液体 风机、压缩机：输送气体本章的研究内容： 各种流体输送机械（主要是离心泵）的操作原理、基本构造与性能、选型等,第一节 离心泵,操作原理、构造和类型理论压头与实际压头有效功率、轴功率和效率特性曲线工作点和流量调节安装高度选用、安装与调节,操作原理、构造和类型,基本工作原理：利用高速旋转的叶轮产生离心力，不断吸入和排出液体气缚：泵壳内存在气体，真空度不够，吸不上液吸入管路安装止逆阀，保证启动前泵内充满液体离心泵的主要构件：叶轮和泵壳叶轮：产生离心力，将机械能传递给液体，增加液体的静压头泵壳：汇集液体，将一部分动能转变为静压能,操作原理、构造和类型（续）,离心泵的类型按叶轮数目划分： 单级泵：叶轮只有一个 多级泵：叶轮有n个按输送液体的不同划分： 水泵 油泵 耐腐蚀泵 杂质泵,离心泵的理论压头与实际压头,理想状况： 叶轮内叶片数目无穷多，液体沿叶片弯曲表面流动，且无倒流 液体粘度为零，即没有阻力损失离心泵基本方程：离心泵的理论压头与流量、转速间的关系式：,离心泵的理论压头与实际压头(续）,压头损失(Hl)： 涡流损失 阻力损失 冲击损失实际压头(H)=理论压头(H) 压头损失(Hl),离心泵的有效功率、轴功率和效率,有效功率：轴功率：,离心泵的特性曲线,固定转速、清水条件下，H、N、与Q的关系共同特点： 压头随流量的增大而下降 功率随流量增大而上升（离心泵启动时应关闭出口阀） 效率随流量的增大而上升，达到最大值后下降（离心泵铭牌上标明的是最大效率下的值）,离心泵的工作点与流量调节,离心泵的工作点由离心泵的特性与管路的特性共同决定离心泵的特性曲线：HQ管路的特性曲线：he = z+ p/g+f(Q)流量调节措施之一：阀门调节流量调节措施之二：改变转速,离心泵的安装高度,汽蚀汽蚀余量允许吸上真空度允许安装高度,离心泵的选用、安装与操作,气体输送与压缩机械,主要作用： 气体输送通风机、鼓风机 产生高压气体压缩机 产生真空真空泵要求简单了解各种气体输送与压缩机械的工作原理、基本结构及特点,气体输送与压缩机械(续）,机械分离非均相混合物的分离,吴卫生 博士、副教授上海交通大学化工系（化学楼218室）Tel.:-mail: ,本章内容,筛分不同大小的固体颗粒的分离沉降气固、固液混合物的分离过滤固液混合物的分离,第一节 筛分（Screening）（1）,1.颗粒大小,球形颗粒：直径d、半径r,非球形颗粒：当量直径de,体积当量直径表面积当量直径投影面积当量直径,#球的体积 =,#球的表面积 =,#球的投影面积 =,#球形度：,第一节 筛分（Screening）（2）,2.标准筛,Tyler（泰勒）筛制（表3-1）,筛号（目）：筛网上每英寸的孔数,目数越大，则筛孔越小。,第一节 筛分（Screening）（3）,3.颗粒的大小分布与平均直径,颗粒的大小分布：,颗粒的平均直径：,长度平均直径,表面积平均直径,体积平均直径,体积表面积（比表面积）平均直径,第一节 筛分（Screening）（4）,4.筛分与筛,筛分：根据颗粒大小用筛进行分离的单元操作,筛：进行筛分的设备或装置,第二节 沉降（ 1 ）,重力沉降(Gravitational Sedimentation),离心沉降(Centrifugal Sedimentation),1.重力沉降速度：,第二节 沉降（2）,2.分级沉降,利用沉降速度不同达到分离效果,第二节 沉降（3）,3.除尘室,颗粒能沉降从而分离的条件：,含尘气体的最大处理量：,第二节 沉降（4）,4.离心沉降速度：,第三节 过滤（Filtration）,过滤的基本概念过滤基本方程式过滤计算,过滤的基本概念（1）,过滤：利用过滤介质，将悬浮液中的固、液进行分离的单元操作。,滤浆：被过滤的悬浮液,滤液：透过过滤介质的液体,滤渣（饼）：被截留的固体,过滤的推动力：重力、压力（差）、离心力,过滤的基本概念（2）,过滤的种类：,#深层过滤,#滤饼过滤,过滤介质,在滤饼过滤中，真正发挥分离作用的是滤饼层，而不是过滤介质。,滤饼：,#不可压缩,#可压缩,助滤剂,过滤基本方程式（1）,1.滤液的流动状况,瞬时过滤速率：单位时间内通过单位过滤面积的滤液体积,恒压过滤：p恒定，u逐渐下降,恒速过滤： u 恒定， p逐渐升高,过滤是不稳定流动过程,过滤基本方程式（2）,2.滤饼的结构描述,#空隙率,#颗粒比表面积S0,#滤饼层通道的当量直径de,过滤基本方程式（3）,3.Kozeny公式：,#基本假设：滤液通过滤饼呈层流流动,过滤基本方程式（4）,4.过滤速率公式,过滤基本方程式（5）,5.恒压过滤方程式,令,过滤基本方程式（6）,6.过滤常数,过滤计算,间歇过滤机的计算,洗涤速率：,#置换洗法：洗涤速率等于最终的过滤速率,#横穿洗法：洗涤速率等于最终过滤速率的1/4,#生产能力：单位时间的滤液体积或滤渣体积,最佳操作周期：,过滤计算（续）,连续过滤机的计算：,吸收（Absorption）气体混合物的分离,吴卫生 博士上海交通大学化工系（化学楼218室）Tel.:-mail: ,第一节 概述,吸收的操作依据吸收操作的目的（用途）吸收的分类吸收剂的选择吸收率（净化率）,吸收的操作依据,各组分在溶剂中的溶解度差异组分在溶剂中的选择性溶解,吸收操作的目的（用途）,净化原料气回收有用组分制取某些产品治理废气,吸收的分类,物理吸收、化学吸收单组分吸收、多组分吸收等温吸收、非等温吸收低浓度吸收、高浓度吸收本章重点：低浓度单组分等温物理吸收的 原理及计算,吸收剂的选择,溶解度选择性其它,吸收程度的表征吸收率,第二节 吸收的基本理论,溶解度气液平衡（GLE）亨利定律（Henrys Law）双膜模型（Double-Film Model)传质速率方程式,溶解度气液平衡（GLE）,气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量（或物质的量）来表示。气相与液相之间的动态平衡,溶解度（续）,同一温度和pA一定，cA有差异；同一温度和cA一定， pA有差异；同一种溶质的溶解度随温度升高而降低。加压、降温，提高气体的溶解度，对吸收有利；减压、升温，降低气体的溶解度，对脱吸有利。,亨利定律（Henrys Law）,表达式一：,表达式二：,表达式三：,表达式四：,双膜模型（Double-Film Model),气液相界面两侧存在停滞的气膜和液膜；每一相的传质阻力集中于膜内；相界面传质阻力可忽略，即气液两相在相界面处达到平衡。,传质速率方程式,传质速率=传质系数传质推动力单相（气相或液相）的传质速率方程式总的传质速率方程式,第三节 吸收塔的计算,计算内容： 吸收剂的用量 填料塔的填料层高度或板式塔的塔板数目 塔径,第三节 内容,物料衡算和操作性方程填料层高度的计算操作型问题塔板数脱吸,物料衡算(Mass Balance)和操作线(Operation Line)方程,全塔