化工原理总结 (课堂PPT)

第1章流体流动,本章主要内容：(1)静力学方程及其应用；(2)柏努力方程及其应用；(3)流动阻力及管路的计算；(4)流速及流量的测量。本章重点：流体流动中的连续性方程及柏努力方程。并运用这些基本理论去分析和解决流体的输送问题。,1,.,混合液体的密度：公式应用条件：混合前后体积不变，则1kg混合液的体积等于各组分单独存在时的体积之和。（3）气体密度的计算气体的密度随温度和压强而变化,液体混合物中各组分的质量分数,2,.,当气体的压强不太高、温度不太低时，气体密度可按理想气体状态方程来计算。上式中的0为标准状态下气体的密度，T0、p0分别为标准状态下气体的绝对温度和绝对压强。混合气体的密度：,3,.,（2）流体的粘度液体的粘度随温度升高而减小，气体的粘度则随温度升高而增大。压强变化时，液体的粘度基本不变；气体的粘度随压强增加而增加的很少，在一般工程计算中可忽略不计。国际单位制中粘度的单位为Pas物理单位制的粘度单位为P（泊）和cP（厘泊），它们的换算关系如下：1Pas=10P=1000cP（重点）粘度与密度之比称为运动粘度，以表示混合气体和液体的黏度用P141-8、1-9计算,4,.,（1）压力的单位在SI制中，压力的单位是N/m2，称为帕斯卡，以Pa表示。也可用其它单位表示：atm（标准大气压）、at（工程大气压），某流体柱高度或kgf/cm2等。（2）单位换算1at=9.81104Pa=1.0kgf/cm2=10.0mH2O=735.6mmHg1atm=1.013105Pa=1.033kgf/cm2=10.33mH2O=760mmHg（3）压力的基准压力可以有不同的计量基准绝对压力:以绝对真空(即零大气压）为基准。表压：以当地大气压为基准。,5,.,表压绝对压力大气压力真空度大气压力绝对压力,6,.,（1）U形压差计在正U形管中要求指示剂密度大于工作介质密度,一、压强与压强差的测量,7,.,1.3流体流动的基本方程,1.3.1流量与流速(一)流量（1）体积流量：单位时间内流体流经管道任一截面的流体的体积，称为体积流量，以表示，其单位为m3/s或m3/h。（2）质量流量:单位时间内流体流经管道任一截面的流体的质量，称为质量流量，以表示，其单位为kg/s或kg/h。体积流量与质量流量之间的关系为,8,.,（二）流速(1)平均流速：流速是指单位时间内液体质点在流动方向上所流经的距离。流量与流速关系为：uVs/A（重点）(2)质量流速：单位时间内流体流经管道单位截面的质量称为质量流速（massvelocity），以G表示，单位为kg/m2s。GWs/A=Au/A=u（重点）例1-3用内径105mm的钢管输送压力为2atm、温度为120的空气。已知空气在标准状态下的体积流量为630m3/h，试求此空气在管内的流速和质量流速（取空气的平均分子量为Mm=28.9）。,9,.,1.3.3连续性方程式根据质量守恒定律，从截面1-1进入的流体质量流量应等于从截面2-2流出的流体质量流量，即Ws1Ws21A1u12A2u2此关系可推广到管道的任一截面，即Au常数。若液体不可压缩，常数，则上式可简化为Au常数。对于圆形管道，可得,（重点）,10,.,H称为压头或扬程，其物理意义为单位重量流体流经泵所获得的能量，单位为m。,We为单位质量流体流经泵所获得的能量，也称为有效功，单位为J/kg。,（非常重要）,实际流体的柏努利方程式（单位质量）,有效功率：单位时间输送设备所作的有效功。以Ne表示：,11,.,（重点）,离心泵的轴功率用N表示：,实际流体的柏努利方程式（单位体积）,单位为Pa1.3.5柏努力方程式的应用（1）流量、流速；（2）容器的相对位置；（3）管路中的流体压强；（4）管路中所需的外加能量。,Ws的单位必须是kg/s,12,.,层流特点：质点始终沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点之间互不混合。圆管中的流体就如一层一层的同心圆筒在平行地流动。（滞流）湍流特点：流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点还作剧烈的径向脉动。（紊流）层流与湍流的区别：层流只有轴向运动，而湍流不仅有轴向运动，而且还有径向运动。,Re2000时，流动类型为层流；Re4000时，流动类型为湍流；2000Re4000，过渡区，流动类型不稳定。,13,.,1.4.2流体在圆管内流动时的速度分布,层流流动时的速度分布为抛物线形状。管中心的流速最大，向管壁的方向渐减，靠管壁的流速为零。平均速度为最大速度的一半。,14,.,湍流速度分布：类似抛物线，顶部宽阔而平坦，管壁较陡。Re，顶部越平坦，管壁越陡。（近似）u=0.82umax层流底层：，在靠近管壁的区域，仍有一极薄的流体作层流流动，称为层流内层或层流底层。流体的湍流程度越大，层流底层越薄。层流底层的存在，对传质、传热有重要影响。u,湍动程度，。,15,.,1.5流体在管内的流动阻力流动阻力产生的内因是流体的粘性，外因是流动。流体在管内流动的总阻力=直管阻力+局部阻力直管阻力：指流体流经直管时，由于流体流动产生的内摩擦力而产生的阻力。局部阻力：指流体流经管件、阀门等由于改变方向产生旋涡而产生的阻力。,16,.,1.5.1流体在直管中的流动阻力（1）计算圆形直管阻力的通式（范宁公式）摩擦系数，与流体流动状况、管路粗糙度有关,或,（2）管壁粗糙度对摩擦系数的影响化工所用管道分为光滑管和粗糙管。管径常以A*B表示，其中A指管外径，B指管壁厚度,17,.,（3）层流时的摩擦系数,层流时的哈根-波谡叶方程,（重点）,（4）湍流时的摩擦系数湍流时摩擦系数是通过因次分析（量纲分析）和实验得到与Re和相对粗糙度的关系。并绘在图上，P44，该图可分为四个区域：,18,.,层流区：Re2000，与Re为直线关系，而与/d无关。阻力损失与速度的一次方成正比。可计算，也可以查图。=64/Re=f(Re)过渡区：20001（2）饱和液体（温度等于泡点）；q=1（3）气液混合物（温度在泡点和露点之间）；0q1（4）饱和蒸气（温度等于露点）；q=0（5）过热蒸气（温度高于露点）。q1,q=1,q=01,q=0,q0,过冷液体进料,饱和液体进料,气液混合物进料,饱和蒸气进料,过热蒸气进料,75,.,1.5.4理论板层数的求法,相平衡关系精馏操作方程提馏段操作线方程,1、逐板计算法,逐板计算法是利用相平衡方程和操作线方程，根据塔顶馏出液或塔釜液的组成，从塔顶或塔底开始向塔的进料板方向计算。计算精馏段理论板数，利用精馏段操作线方程和相平衡方程；计算提馏段理论板数，利用提馏段操作线方程和相平衡方程。精馏段理论板数与提馏段理论板数之和，即为全塔理论板数。,76,.,2、q线方程在进料板上，同时满足精馏段和提馏段的物料衡算，故两操作线的交点落在进料板上。当q为定值，改变塔操作的回流比时，两操作线交点轨迹即q线。,当一定操作回流比条件下，不同热状态对提馏段存在显著的影响,（重点）,77,.,3图解法（1）在直角坐标系中绘出物系的相平衡曲线和对角线。（2）绘出精馏段操作线（精馏段操作线通过D、C两点）。,（3）绘出q线（q线与精馏段操作线相交于Q点）,（4）连接W点与q线与精馏段操作线的交点Q，得到提馏段操作线。,（5）在平衡线与精馏段操作线之间作梯级，当梯级跨过两操作线的交点时，应改在提馏段操作线与平衡线之间作梯级，直至梯级达到或跨过点w为止。此时，梯级数N（含再沸器）为所求的理论塔板数N，跨过两操作线交点的板为进料板。,78,.,（重点）,3、适宜回流比以获得精馏总成本最低的回流比为最优回流比。总成本为投资费用和操作费用之和。操作费用和投资费用之和最小的回流比为最适宜的回流比。这一回流比R通常选最小回流比倍数经验范围：大多数文献建议R=（1.12.0）Rmin,79,.,1.7恒沸精馏和萃取精馏恒沸精馏和萃取精馏方法的应用条件：（1）一些具有恒沸点的非理想溶液；（2）有些相对挥发度接近1的体系。1.7.1恒沸精馏在双组分混合液中加入第三组分（称为夹带剂），该组分能与原溶液中的一个或两个组分形成一新的最低恒沸物，恒沸物从塔顶蒸出，塔底引出较纯产品，这种精馏称之为恒沸精馏。乙醇-水常压下恒沸点为78.15，其恒沸点组成是，乙醇0.894，水0.006（摩尔分数）。当加入夹带剂苯时，即可形成更低沸点的三元恒沸物。其组成是：苯0.544，乙醇0.23，水0.226，沸点为64.6。在较低温度下，苯与乙醇、水不互溶而分层，从而苯被分离出来。,80,.,对夹带剂的要求是：夹带剂应能与被分离组分形成新的恒沸物，且该恒沸物易于和塔底组分分离；新恒沸物中夹带剂的含量要少；新恒沸物最好为非均相混合物；价格低廉、安全可靠。1.7.2萃取精馏萃取精馏是向原料液中加入第三组分（称为萃取剂或溶剂），以改变原组分间的相对挥发度而达到分离要求的特殊精馏方法。萃取剂本身挥发性很小，不与混合物形成共沸物，却能显著地增大原混合物组分间的相对挥发度，以便采用精馏方法加以分离。常压下环己烷与苯相对挥发度接近，若以糠醛作为萃取剂，则苯由易挥发组分变为难挥发组分，且相对挥发度发生显著改变。苯的沸点80.1，环己烷的沸点80.73,81,.,选择萃取剂的原则：萃取剂应使原组分间相对挥发度发生显著的变化；萃取剂本身的挥发性小，且不与原组分形成恒沸物；无毒、无腐蚀性，热稳定性高；来源方便，价格低廉。与恒沸精馏相比，萃取精馏具有以下特点：可以作为萃取剂的物质较多，故萃取剂比夹带剂易于选择；萃取剂以液态从塔顶加入，从塔底流出，不像夹带剂以气态形式夹带组分从塔顶流出，故萃取精馏的能耗较少；萃取剂的加入量可以在较大范围内变动，而适宜夹带剂的量多为一定，故萃取精馏的操作方式灵活，易控制；萃取精馏不宜采用间歇操作，而恒沸精馏则可采用间歇操作方式。,82,.,本章重点：填料吸收塔的工艺计算,第2章吸收,83,.,2-1-1气体的溶解度在一定温度和压力下，气液两相接触时将发生溶质气体向液相转移，使其在液相中的浓度增加，当长期充分接触后，液相中溶质浓度不再增加达到饱和，这时两相达到相平衡。此时，溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度。简称为溶解度。溶解度随温度和溶质气体的分压不同而不同，平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压。溶质组分在两相中的组成服从相平衡关系。加压和降温有利于吸收操作，反之，升温和减压对解吸有利。但加压、减压费用太高一般不采用。,2.1气体吸收的相平衡关系,84,.,2-1-2亨利定律（适用于稀溶液）当总压不高（一般小于500KPa）时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：式中:Pi*-溶质A在气相中的平衡分压,kPaxi-溶质在液相中的摩尔分率,E亨利系数，kPa说明：同一溶剂中，易溶气体的E值很小，难溶的很大。亨利定律其它几种表达形式:,85,.,亨利定律各系数之间的关系:,（重点）,H值随温度升高而减小，易溶气体H值大，难溶则小,86,.,2.1.3吸收剂的选择：P48（）对被吸收的组分要有较大的溶解度，且有较好的选择性。（）要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。（）要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。（）腐蚀性要小,以减小设备费用和维修费。（5）吸收后的溶剂应易于再生。,87,.,2.1.4相平衡关系在吸收过程中的应用P531判断传质进行的方向不平衡的气液两相接触后所发生的传质过程是吸收还是解吸，取决于相平衡关系。,吸收过程,平衡过程,解吸过程,88,.,2确定传质的推动力在吸收过程中，通常以实际的气、液相组成与其平衡组成的偏离程度来表示吸收过程推动力。实际组成偏离平衡组成越远，过程推动力越大，过程速率也越快。,以气相表示的吸收过程推动力,以液相表示的吸收过程推动力,89,.,2.3吸收塔的计算（本章重点）,已知：V-惰性气体的摩尔流量,kmol/hY1-进塔气体中溶质摩尔比Y2-离塔气体中溶质摩尔比X2-进塔吸收液中溶质的摩尔比,求：(1)完成分离任务所需吸收剂的用量L(2)出塔液体中溶质的摩尔比X1(3)所需的填料层高度Z(4)填料塔塔径D,90,.,2.3.1吸收塔的物料衡算与操作线方程,出塔气体摩尔比Y2的给出形式:（1）如果溶质是有害气体，一般直接规定Y2的值。（2）如果吸收的目的是回收有用物质，则以回收率的形式给出。,（重要）,91,.,2.3.2吸收剂的用量的决定,（重要）,若平衡关系可用,（重点）,92,.,吸收剂用量的大小从设备费和操作费两方面影响生产过程的经济效益，应权衡利弊，选择适宜液气比，使总费用为最小。一般情况下P74例2-8,93,.,2-3-3塔径的计算,Vs-在操作条件下混合气体的体积流量，m3/su-混合气体的空塔速度，m/s在吸收过程中，由于溶质不断进入液相，故混合气体流量由塔底至塔顶逐渐渐小。在计算塔径时，一般应以塔底的气体流量为依据。,94,.,2.3.4填料层高度的计算,1、填料层高度的基本计算式,95,.,2）脱吸因数(S)法（吸收因数法A)应用前提是：在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程Y*=mX+b(注：b可以0或0)表示的情况。,吸收因数,脱吸因数,96,.,X=X2+V/L（Y-Y2）,（重点）,P118,97,.,3）对数平均推动力法应用前提：在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程Y*=mX+b(注：b可以0或0)表示的情况。,（重点）,（重点）,98,.,气相对数平均推动力。,同理，液相总传质单元数为：,或,可用算术平均值代替对数平均值。,液相对数平均推动力,99,.,第3章蒸馏和吸收塔设备3.1概述1、塔设备基本功能（1）是为混合物的气、液两相提供多级的充分、有效的接触与及时、完全分离的条件；（2）在塔内使气、液两相最大限度接近逆流，以提供最大的传质推动力。2、塔设备性能评价指标生产能力、分离效率、操作弹性。3、塔设备的分类板式塔和填料塔,100,.,3.2板式塔板式塔性能要求：生产能力大；塔板效率高；具有适当的操作弹性；塔板阻力小；塔结构简单，易于加工制造，维修保养。,液相总流向重力，顶底，板上横向流过；气相总流向压差，底顶，穿过每层板。总体上气液两相逆流接触；塔板上气液两相错流接触。,101,.,六、负荷性能图,102,.,第4章液-液萃取,4.1概述液-液萃取（抽提）：利用液体混合物中各组分对溶剂溶解度的差异来分离或提纯物质的传质过程。目的:分离液-液混合物。依据:利用混合物中各组分在某一溶剂中的溶解度之间的差异。（1）几个基本概念萃取剂(溶剂)S：所用的溶剂；原料液F：所处理的混合液；溶质A：原料液中易溶于溶剂的组分；原溶剂B：原料液中较难溶于溶剂的组分。,103,.,两相,萃取相E,y溶剂S相中出现AB：(S+A+B),萃余相R,x原溶剂B相中出现S：(B+S+A),萃余相R脱除溶剂得萃余液R,x,脱溶剂后,萃取相E脱除溶剂得萃取液E,y,（3）实现萃取操作的基本要求选择适宜的溶剂。溶剂能选择性地溶解各组分：对溶质有显著的溶解能力，对其他组分和原溶剂完全不溶或部分互溶。原料液与溶剂充分混合、分相，形成的液-液两相较易分层。脱溶剂得到溶质，回收溶剂。溶剂易于回收且价格低廉。,104,.,(4)萃取后组成之间的变化萃取后:,使组分A、B得到一定程度的分离。,萃取操作的应用范围混合物中各组分的相对挥发度接近1，用精馏办法不经济；混合物蒸馏时形成恒沸物；欲回收的物质为热敏性物料；混合物中含有较多的轻组分，利用精馏的方法能耗较大；提取稀溶液中有价值的物质。,脱除溶剂后：,105,.,A点：xA=1.0K点：xA=0.6xB=0.4P点：xA=0.3xB=0.3xS=0.4,注意：组成的归一性，即,1.0,S,106,.,单相区,两相区,Rn,B、S部分互溶物系的三角形相图,En,联结线,溶解度曲线,S,A,B,M,K,Mn,107,.,（2）数据标绘及各区的状态溶解度曲线:各平衡组成点连成一条曲线；联结线:各对共轭相组成点之间的联线；混溶点:曲线内为两相区，曲线外为单相区，曲线上的点称为混溶点；临界混溶点:共轭相的组成相同，其位置和物系有关；萃取相和萃余相:以原溶剂为主的相称为萃余相，以溶剂为主的相称为萃取相。,108,.,109,.,3、分配系数和分配曲线（1）分配系数,说明：kA和温度有关：温度升高，kA下降；kA与浓度有关：溶质浓度升高，kA下降。但浓