化工原理重点内容纲要

目录第一章流体流动与输送机械（3）第一节流体静力学（3）第二节流体动力学（5）第三节管内流体流动现象（7）第四节流体流动阻力（8）第五节管路计算（11）第六节流速与流量的测量（11）第七节流体输送机械（13）第二章非均相物系分离（20）第一节概述（20）第二节颗粒沉降（21）第三节过滤（24）第四节过程强化与展望（26）第三章传热（27）第一节概述（27）第二节热传导（28）第三节对流传热（29）第四节传热计算（33）第五节辐射传热（35）第六节换热器（37）第四章蒸发（39）第一节概述（39）第二节单效蒸发与真空蒸发（39）第三节多效蒸发（42）第四节蒸发设备（43）第五章气体吸收（44）第一节概述（44）第二节气液相平衡关系（47）第三节单相传质（48）第四节相际对流传质及总传质速率方程（51）第五节吸收塔的计算（53）第六节填料塔（60）第六章蒸馏（62）第一节概述（62）第二节双组分物系的气液相平衡（62）第三节简单蒸馏和平衡蒸馏（64）第四节精馏（66）第五节双组分连续精馏的计算（66）第六节间歇精馏（70）第七节恒沸精馏与萃取精馏（70）第八节板式塔（70）第九节过程的强化与展望（72）第七章干燥（74）第一节概述（74）第二节湿空气的性质及湿度图（74）第三节干燥过程的物料衡算与热量衡算（76）第四节干燥速率和干燥时间（79）第五节干燥器（81）第六节过程强化与展望（82）第八章液液萃取（83）第一节概述（83）第二节液液相平衡（83）第三节萃取过程计算（85）第四节萃取设备（89）第五节过程和设备的强化与展望（91）第一章流体流动与输送机械第一节流体静力学流体静力学主要研究流体处于静止时各种物理量的变化规律。111密度单位体积流体的质量，称为流体的密度。,TPF液体密度一般液体可视为不可压缩性流体，其密度基本上不随压力变化，但随温度变化，变化关系可从手册中查得。液体混合物的密度由下式计算NMAA21式中，为液体混合物中I组分的质量分率；IA气体密度气体为可压缩性流体，当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算RTPM一般在手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的数值，若条件不同，则此值需进行换算。气体混合物的密度由下式计算NM21式中，为气体混合物中I组分的体积分率。I或RTPMM其中NMYY21式中，为气体混合物中各组分的摩尔分率。对于理想气体，其摩尔分率Y与体积分率IY相同。112压力流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，又称为压力。在静止流体中，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。压力的单位（1）按压力的定义，其单位为N/M2，或PA；（2）以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。标准大气压的换算关系1ATM1013105PA760MMHG1033MH2O压力的表示方法表压绝对压力大气压力真空度大气压力绝对压力113流体静力学基本方程静力学基本方程压力形式2112ZGP能量形式Z21适用条件在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体。（1）在重力场中，静止流体内部任一点的静压力与该点所在的垂直位置及流体的密度有关，而与该点所在的水平位置及容器的形状无关。（2）在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。（3）物理意义静力学基本方程反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系，在同一静止流体中，处在不同位置的位能和静压能各不相同二者可以相互转换，但两项能量总和恒为常量。应用1压力及压差的测量（1）U形压差计GRP021若被测流体是气体，可简化为021U形压差计也可测量流体的压力，测量时将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通，此时测得的是流体的表压或真空度。（2）倒U形压差计RGGP021（3）双液体U管压差计21CA2液位测量3液封高度的计算第二节流体动力学121流体的流量与流速一、流量体积流量VS单位时间内流经管道任意截面的流体体积，M3/S或M3/H。质量流量MS单位时间内流经管道任意截面的流体质量，KG/S或KG/H。二、流速平均流速U单位时间内流体在流动方向上所流经的距离，M/S。质量流速G单位时间内流经管道单位截面积的流体质量，KG/（M2S）。相互关系质量流量MSKG/SMSVS体积流量VSM3/S质量流速GKG/M2S平均流速UM/SGU122定态流动与非定态流动流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称之为定态流动；若流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化，则称为非定态流动。123定态流动系统的质量守恒连续性方程MSGA/4D2GVSUA/4D2U圆管常数（不可压缩流体）常数常数21AUVS常数221D124定态流动系统的机械能守恒柏努利方程一、实际流体的柏努利方程以单位质量流体为基准J/KGFEWPUGZWPUGZ221211以单位重量流体为基准J/NMFEHGZHGZ22121适用条件（1）两截面间流体连续稳定流动；（2）适于不可压缩流体，如液体；对于气体，当，可用两截面的平均密度M计算。201P二、理想流体的柏努利方程理想流体是指没有粘性（即流动中没有摩擦阻力）的不可压缩流体。22121PUGZPUGZ22121表明理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数，三、柏努利方程的讨论（1）当系统中的流体处于静止时，柏努利方程变为21PGZZ上式即为流体静力学基本方程式。（2）在柏努利方程式中，ZG、分别表示单位质量流体在某截面上所具有的位21UP能、动能和静压能；而WE、WF是指单位质量流体在两截面间获得或消耗的能量。输送机械的有效功率ESEWMN输送机械的轴功率四、柏努利方程的应用应用柏努利方程时需注意的问题（1）截面的选取所选取的截面应与流体的流动方向相垂直，并且两截面间流体应是定态连续流动。截面宜选在已知量多、计算方便处。截面的物理量均取该截面上的平均值。（2）基准水平面的选取基准水平面可以任意选取，但必须与地面平行。为计算方便，宜于选取两截面中位置较低的截面为基准水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，则基准面应选管中心线的水平面。（3）计算中要注意各物理量的单位保持一致，对于压力还应注意表示方法一致。第三节管内流体流动现象131流体的粘度一、牛顿粘性定律牛顿粘性定律表明流体在流动中流体层间的内摩擦力或剪应力与法向速度梯度之间的关系，其表达式为或DYUAFDYU牛顿粘性定律适用于层流。粘度是度量流体粘性大小的物理量，一般由实验测定。物理意义促使流体在与流动相垂直方向上产生单位速度梯度时的剪应力。单位PAS，CP1CP103PAS影响因素温度与压力液体T，；不考虑P的影响。气体T，；一般在工程计算中也不考虑P的影响。剪应力与速度梯度的关系符合牛顿粘性定律的流体，称为牛顿型流体；不符合牛顿粘性定律的流体称为非牛顿型流体。运动粘度为粘度与密度的比值，单位为M2/S，也是流体的物理性质。132流体的流动型态一、流体流动类型层流（或滞流）流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，流体分为若干层平行向前流动，质点之间互不混合；湍流（或紊流）流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时发生变化，质点互相碰撞和混合。二、流型判据雷诺准数（128）UDRERE为无因次准数，是流体流动类型的判据。（1）当RE2000时，流动为层流，此区称为层流区；（2）当RE4000时，一般出现湍流，此区称为湍流区；（3）当20004000F（RE，/D）WF,HFU12（4）完全湍流区RERECF（/D）与RE无关WF,HFU2阻力平方区虚线以上四、非圆形管内的流动阻力此时仍可用圆管内流动阻力的计算式，但需用非圆形管道的当量直径代替圆管直径。当量直径ADE44润湿周边流通截面积142局部阻力一、阻力系数法将局部阻力表示为动能的某一倍数，或2UWFGUHF2式中称为局部阻力系数，一般由实验测定。注意，计算突然扩大与突然缩小局部阻力时，U为小管中的大速度。进口阻力系数，出口阻力系数。50进口1出口二、当量长度法将流体流过管件或阀门的局部阻力，折合成直径相同、长度为的直管所产生的阻力即EL或2UDLWEFGUDHF2式中称为管件或阀门的当量长度，也是由实验测定。EL143流体在管路中的总阻力当管路直径相同时，总阻力2UDLWFFF或LEFFF注意计算局部阻力时，可用局部阻力系数法，亦可用当量长度法，但不能用两种方法重复计算。第五节管路计算151简单管路在定态流动时,其基本特点为（1）流体通过各管段的质量流量不变，对于不可压缩流体，则体积流量也不变，即321SSV2整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和，即321FFFFW计算可分为两类设计型和操作型。计算中注意试差法的应用。152复杂管路一、并联管路特点（1）主管中的流量为并联的各支管流量之和，对于不可压缩性流体，则有321SSVV（2）并联管路中各支管的能量损失均相等，即FABFFFWW321注意计算并联管路阻力时，可任选一根支管计算，而绝不能将各支管阻力加和在一起作为并联管路的阻力。二、分支管路与汇合管路特点（1）总管流量等于各支管流量之和，对于不可压缩性流体，有21SSV（2）虽然各支管的流量不等，但在分支处O点的总机械能为一定值，表明流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和必相等。FOCCFOBBWUGZPWUGZP2211第六节流速与流量的测量161测速管测速管测得的是流体在管截面某点处的速度，点速度与压力差的关系为PU2用U形压差计测量压差时20RGU注意测速管安装时的若干问题。162孔板流量计孔板流量计是利用流体流经孔板前后产生的压力差来实现流量测量。孔速200RGCU体积流量000AVS质量流量200RGCMS式中C0为流量系数或孔流系数，常用值为C00607。E,10AF孔板流量计的特点恒截面、变压差，为差压式流量计。163文丘里（VENTURI）流量计文丘里流量计也属差压式流量计，其流量方程也与孔板流量计相似，即200RGACVS式中CV为文丘里流量计的流量系数（约为098099）。文丘里流量计的能量损失远小于孔板流量计。164转子流量计转子流量计是通过转子悬浮位置处环隙面积不同来反映流量的大小。环隙流速FRAGVCU20体积流量FRVS式中CR为流量系数，AR为转子上端面处环隙面积。转子流量计的特点恒压差、恒环隙流速而变流通面积，属截面式流量计。转子流量计的刻度，是用20的水（密度为1000KG/M3）或20和1013KPA下的空气（密度为12KG/M3）进行标定。当被测流体与上述条件不符时，应进行刻度换算。在同一刻度下，两种流体的流量为1221FSV式中下标1表示标定流体的参数，下标2表示实际被测流体的参数。注意转子流量计必须垂直安装；为便于检修，转子流量计应安装支路。第七节流体输送机械171离心泵一、离心泵的工作原理与构造1工作原理离心泵启动前，应先将泵壳和吸入管路充满被输送液体。启动后，泵轴带动叶轮高速旋转，在离心力的作用下，液体从叶轮中心甩向外缘。流体在此过程中获得能量，使静压能和动能均有所提高。液体离开叶轮进入泵壳后，由于泵壳中流道逐渐加宽，液体流速逐渐降低，又将一部分动能转变为静压能，使泵出口处液体的静压能进一步提高，最后以高压沿切线方向排出。液体从叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成低压，在贮槽液面和泵吸入口之间压力差的作用下，将液体吸入叶轮。可见，只要叶轮不停地转动，液体便会连续不断地吸入和排出，达到输送的目的。气缚现象离心泵启动前泵壳和吸入管路中没有充满液体，则泵壳内存有空气，而空气的密度又远小于液体的密度，故产生的离心力很小，因而叶轮中心处所形成的低压不足以将贮槽内液体吸入泵内，此时虽启动离心泵，也不能输送液体，此种现象称为气缚现象，表明离心泵无自吸能力。因此，离心泵在启动前必须灌泵。2离心泵的主要部件叶轮其作用为将原动机的能量直接传给液体，以提高液体的静压能与动能（主要为静压能）。泵壳具有汇集液体和能量转化双重功能。轴封装置其作用是防止泵壳内高压液体沿轴漏出或外界空气吸入泵的低压区。常用的轴封装置有填料密封和机械密封两种。二、离心泵的性能参数与特性曲线1性能参数流量Q离心泵单位时间内输送到管路系统的液体体积，M3/S或M3/H。压头（扬程）H单位重量的液体经离心泵后所获得的有效能量，J/N或M液柱。效率反映泵内能量损失，主要有容积损失、水力损失、机械损失。轴功率N离心泵的轴功率是指由电机输入离心泵泵轴的功率，W或KW。离心泵的有效功率NE是指液体实际上从离心泵所获得的功率。10泵的有效功率或GQHE102QHNE泵的轴功率为或N2特性曲线离心泵特性曲线是在一定转速下，用20水测定，由HQ、NQ、Q三条曲线组成。（1）HQ曲线离心泵的压头在较大流量范围内随流量的增大而减小。不同型号的离心泵，HQ曲线的形状有所不同。（2）NQ曲线离心泵的轴功率随流量的增大而增大，当流量Q0时，泵轴消耗的功率最小。因此离心泵启动时应关闭出口阀门，使启动功率最小，以保护电机。（3）Q曲线开始泵的效率随流量的增大而增大，达到一最大值后，又随流量的增加而下降。这说明离心泵在一定转速下有一最高效率点，该点称为离心泵的设计点。一般离心泵出厂时铭牌上标注的性能参数均为最高效率点下之值。高效率区通常为最高效率的92左右的区域。3影响离心泵性能的主要因素密度Q不变，H不变，基本不变，N；粘度Q，H，N；转速比例定律32121212NNNQ叶轮直径切割定律3212121DHD三、离心泵的工作点与流量调节1管路特性曲线管路特性曲线表示在特定的管路系统中，输液量与所需压头的关系，反映了被输送液体对输送机械的能量要求。管路特性方程2BQAHE其中，GPZA528DLGE管路特性曲线仅与管路的布局及操作条件有关，而与泵的性能无关。曲线的截距A与两贮槽间液位差及操作Z压力差有关，曲线的陡度B与管路的阻力状况有关。高阻力管路系统的特性曲线较陡峭，P低阻力管路系统的特性曲线较平坦。2工作点泵安装在特定的管路中，其特性曲线与管路特性曲线的交点称为离心泵QHQHE的工作点。若该点所对应的效率在离心泵的高效率区，则该工作点是适宜的。工作点所对应的流量与压头，可利用图解法求取，也可由管路特性方程FE泵特性方程QH联立求解。3流量调节（1）改变管路特性曲线最简单的调节方法是在离心泵排出管线上安装调节阀。改变阀门的开度，就是改变管路的阻力状况，从而使管路特性曲线发生变化。这种改变出口阀门开度调节流量的方法，操作简便、灵活，流量可以连续变化，故应用较广，尤其适用于调节幅度不大，而经常需要改变流量的场合。但当阀门关小时，不仅增加了管路的阻力，使增大的压头用于消耗阀门的附加阻力上，且使泵在低效率下工作，经济上不合理。（2）改变泵特性曲线通过改变泵的转速或直径改变泵的性能。由于切削叶轮为一次性调节，因而通常采用改变泵的转速来实现流量调节。这种调节方法，不额外增加阻力，且在一定范围内可保持泵在高效率下工作，能量利用HEQHQHMHQMQM泵特性曲线管路特性曲线率高。四、离心泵的汽蚀现象与安装高度1汽蚀现象汽蚀现象是指当泵入口处压力等于或小于同温度下液体的饱和蒸汽压时，液体发生汽化，气泡在高压作用下，迅速凝聚或破裂产生压力极大、频率极高的冲击，泵体强烈振动并发出噪音，液体流量、压头（出口压力）及效率明显下降。这种现象称为离心泵的汽蚀。2汽蚀余量实际汽蚀余量GPUNPSHV21允许汽蚀余量1允允一般由泵制造厂通过汽蚀实验测定。泵正常操作时，实际汽蚀余量必允NPSNPSH须大于允许汽蚀余量，标准中规定应大于05M以上。允SH3离心泵的允许安装高度离心泵的允许安装高度是指贮槽液面与泵的吸入口之间所允许的垂直距离。10210FGHGUP允允100FVGNPSHH允允）（根据离心泵样本中提供的允许汽蚀余量，即可确定离心泵的允许安装高度。允实际安装时，为安全计，应再降低051M。判断安装是否合适若低于，则说明安装合适，不会发生汽蚀现象，否则，实GH允G需调整安装高度。欲提高泵的允许安装高度，必须设法减小吸入管路的阻力。泵在安装时，应选用较大的吸入管路，管路尽可能地短，减少吸入管路的弯头、阀门等管件，而将调节阀安装在排出管线上。五、离心泵的类型与选用1离心泵的类型按输送液体性质和使用条件，离心泵可分为以下几种类型（1）清水泵适用于输送各种工业用水以及物理、化学性质类似于水的其它液体。（2）耐腐蚀泵）用于输送酸、碱、浓氨水等腐蚀性液体。（3）油泵用于输送石油产品。（4）液下泵通常安装在液体贮槽内，可用于输送化工过程中各种腐蚀性液体。（5）屏蔽泵用于输送易燃易爆或剧毒的液体。2离心泵的选用基本步骤（1）确定输送系统的流量和压头一般液体的输送量由生产任务决定。如果流量在一定范围内变化，应根据最大流量选泵，并根据情况，计算最大流量下的管路所需的压头。（2）选择离心泵的类型与型号根据被输送液体的性质及操作条件，确定泵的类型；再按已确定的流量和压头从泵样本中选出合适的型号。若没有完全合适的型号，则应选择压头和流量都稍大的型号；若同时有几个型号的泵均能满足要求，则应选择其中效率最高的泵。（3）核算泵的轴功率若输送液体的密度大于水的密度，则要核算泵的轴功率，以选择合适的电机。172其它类型化工用泵一、往复式泵1往复泵（1）往复泵的构造及工作原理主要部件泵缸、活塞、活塞杆、吸入阀和排出阀。工作原理依靠活塞的往复运动，吸入并排出液体。（2）往复泵的流量与压头单动泵流量ASNQT当活塞直径、冲程及往复次数一定时，往复泵的理论流量为一定值。往复泵的压头与泵的几何尺寸无关，与流量也无关。往复泵具有正位移特性，即流量仅与泵特性有关，而提供的压头只取决于管路状况。（3）往复泵的流量调节多采用旁路调节或改变活塞冲程或往复次数。往复泵适用于输送小流量、高压头、高粘度的液体，但不适于输送腐蚀性液体及有固体颗粒的悬浮液。2计量泵计量泵也为往复式泵，适用于要求输送量十分准确的液体或几种液体按比例输送的场合。3隔膜泵为输送腐蚀性液体或悬浮液的往复式泵。二、旋转泵旋转泵包括齿轮泵和螺杆泵，其工作原理是依靠泵内一个或多个转子的旋转来吸液和排出液体。旋转泵与往复泵一样，也具有正位移特性，因此也采用旁路调节或改变旋转泵的转速，以达调节流量的目的。173气体输送机械一、离心式通风机1工作原理与结构离心式通风机的结构和单级离心泵相似，工作原理也与离心泵完全相同，藉蜗壳中叶轮旋转所产生的离心力将气体压力提高而排出。2性能参数与特性曲线流量（风量）Q是指单位时间内通风机输送的气体体积，以通风机进口处气体的状态计，M3/S或M3/H。风压是指单位体积的气体流经通风机后获得的能量，J/M3或PA。TP212UP静风压S12动风压K全风压KSTP轴功率与效率10QNT特性曲线一定型号的离心式通风机的特性曲线以20、1013KPA的空气作为工作介质进行测定，包括全风压与流量、静风压与流量、轴功率与流量和效率与流量QPTQPSQN四条线。3离心式通风机的选用离心式通风机的选用与离心泵相仿，即根据输送气体的风量与风压，由通风机的产品样本来选择合适的型号。但应注意，通风机的风压与密度成正比，当使用条件与通风机标定条件（20、1013KPA，空气的密度12KG/M3）不符时，需将使用条件下的风压换算为0标定条件下的风压，才能选择风机。换算关系为2100TTPP二、往复式压缩机压缩机的一个工作过程是由膨胀、吸气、压缩和排出四个阶段组成的。余隙系数余隙体积VA与一个行程活塞扫过的体积（VCVA）之比C容积系数0在一个压缩循环中，气体吸入的体积（VCVB）与活塞扫过的体积（VCVA）之比ACBV0对于多变压缩过程，二者关系1120KP容积系数0与压缩机的余隙系数及压缩比（）有关。12P余隙系数一定时，压缩比越大，容积系数越小；压缩比一定时，余隙系数越大，容积系数越小。三、真空泵真空泵用于从设备内或系统中抽出气体，使其处于低于大气压下的状态。第二章非均相物系分离第一节概述混合物可以分为均相混合物和非均相混合物。非均相混合物的特点是在物系内部存在两种以上的相态，如悬浮液、乳浊液、含尘气体等。其中固体颗粒、微滴称为分散相或分散物质；而气体、液体称为连续相或分散介质。非均相物系分离的依据是连续相与分散相具有不同的物理性质，因此可以用机械的方法将两相分离。操作方式分为两种（1）沉降分离颗粒相对于流体（静止或运动）运动的过程称沉降分离。分为重力沉降、离心沉降。（2）过滤流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程称过滤。分为重力过滤、离心过滤、加压过滤和真空过滤，也可分为恒压过滤、先恒速后恒压过滤。211非均相分离在工业中的应用一、回收分散相二、净化连续相三、环境保护和安全生产212颗粒与颗粒群的特性颗粒的特性1、球形颗粒体积VD3表面积SD2比表面积S/V6/D2、非球形颗粒工业上遇到的固体颗粒大多是非球形颗粒体积当量直径DEDE3P6V表面积当量直径DESDESPS球形度（形状系数）SP颗粒群的特性由大小不同的颗粒组成的集合体称为颗粒群。1、颗粒群粒径分布颗粒群的粒度组成情况即粒径分布。可用筛分分析法测定各种尺寸颗粒所占的分率。2、颗粒的平均粒径XINIDX1AGI3、颗粒的密度颗粒的真密度当不包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，KG/M3。堆积密度（表观密度）当包括颗粒之间的空隙时，单位颗粒群体积内颗粒的质量，KG/M3。4、颗粒的粘附性和散粒性第二节颗粒沉降221颗粒在流体中的沉降过程颗粒与流体在力场中作相对运动时，受到三个力的作用质量力F、浮力FB、曳力FD。对于一定的颗粒和流体，重力FG、浮力FB一定，但曳力FD却随着颗粒运动速度而变化。当颗粒运动速度U等于某一数值后达到匀速运动，这时颗粒所受的诸力之和为零0DB222重力沉降及设备球形颗粒的自由沉降颗粒在重力沉降过程中不受周围颗粒和器壁的影响，称为自由沉降。固体颗粒在重力沉降过程中，因颗粒之间的相互影响而使颗粒不能正常沉降的过程称为干扰沉降。球形颗粒在静止流体中沉降时，颗粒受到的作用力有重力、浮力和阻力。当合力为零时，颗粒相对于流体的运动速度UUT，UT称为沉降速度，又称为“终端速度”。UT34SGD其中是颗粒沉降时的阻力系数。并且是颗粒对流体作相对运动时的雷诺数RET的函数FRETFTDU与RET的关系可由实验测定，如图22所示。图中将球形颗粒（S1）的曲线分为三个区域，即（1）滞流区（10402时，干扰沉降不容忽视。（3）器壁效应当容器较小时，容器的壁面和底面均能增加颗粒沉降时的曳力，使颗粒的实际沉降速度较自由沉降速度低。重力沉降设备1、降尘室籍重力沉降从气流中除去尘粒的设备称为降尘室。气体的停留时间为UL颗粒沉降所需沉降时间为TTH沉降分离满足的基本条件为T或TUHL降尘室的生产能力为TSBLV多层降尘室的生产能力为TS1N2、沉降槽籍重力沉降从悬浮液中分离出固体颗粒的设备称为沉降槽。如用于低浓度悬浮液分离时亦称为澄清器；用于中等浓度悬浮液的浓缩时，常称为浓缩器或增稠器。沉降槽适于处理颗粒不太小、浓度不太高，但处理量较大的悬浮液的分离。这种设备具有结构简单，可连续操作且增稠物浓度较均匀的优点，缺点是设备庞大，占地面积大、分离效率较低。223离心沉降及设备离心沉降速度与颗粒在重力场中相似，颗粒在离心力场中也受到三个力的作用，即惯性离心力、向心力和阻力。当三力平衡时，颗粒在径向上相对于流体的速度极为颗粒在此位置上的离心沉降速度URRUDU342TSR重力沉降速度计算式及所对应的流动区域仍可用于离心沉降，仅需将重力加速度G改为离心加速度UT2/R即可。如颗粒沉降过程属于层流UTRUD2TS218应注意离心沉降速度UR随旋转半径R的变化而变化。离心分离因数KC是离心分离设备的重要性能指标GUK2TTRCKC值愈高，离心沉降效果愈好。离心沉降设备1、旋风分离器构造及工作原理主体的上部为圆柱形筒体，下部为圆锥形。含尘气体切向进入旋风分离器，旋转过程中，颗粒在离心力的作用下被抛向器壁，与器壁撞击失去能量而落入锥底后，由排灰口排出。净化后的气体由顶部排气管排出。性能指标（1）临界粒径DC旋风分离器能够分离出的最小颗粒直径称为临界粒径。IUNBDSC9标准旋风分离器，可取N5。（2）分离效率总效率120C粒级效率II12IX0（3）压降PF气体流经旋风分离器的压降是由气体流经器内时的膨胀、压缩、旋转、转向及对器壁的摩擦而消耗的能量。2FIUP对标准旋风分离器，80。2、旋液分离器旋液分离器是分离悬浮液的离心沉降设备，其构造及工作原理与旋风分离器类似。与后者不同的是直径小而圆锥部分长，这样的构造既可以增大离心力，又可以延长停留时间。由于液体的进口速度大，所以流动阻力也大，对器壁的磨损较严重。第三节过滤231概述过滤方式深层过滤与饼层过滤过滤介质作用是使滤液通过，截留固体颗粒并支撑滤饼。要求其具有多孔性、耐腐蚀性及足够的机械强度。工业常用的过滤介质有织物介质、多孔性固体介质及堆积的粒状介质等。滤饼与助滤剂滤饼可分为可压缩滤饼和不可压缩滤饼两种。对于不可压缩滤饼，为了减少过滤阻力可加入一些助滤剂。助滤剂是能形成多孔饼层的刚性颗粒，具有良好的物理、化学性质。使用的方法多用预涂法和掺滤法。232过滤基本方程式过滤速率是指单位时间内通过的滤液体积。过滤基本方程式表示过滤过程中某一瞬间的过滤速率与各有关因素的关系。DE2VVRPAT恒压过滤基本方程式恒压过滤的特点是过滤操作的总压差恒定，随着过滤时间的延长，滤饼厚度增大，过滤阻力增加，过滤速率降低。TKAV2E2Q过滤常数K、QE测定过滤常数一般在恒压条件下测定。在已知过滤面积的过滤设备上，用待测悬浮液在恒压条件下实验测定。KQTE21233过滤设备一、板框压滤机生产能力为TVQ360二、转鼓真空过滤机生产能力为E260VNKAQ三、过滤离心机第四节过程强化与展望241沉降过程的强化选择合适的分离设备是达到较高分离效率的关键。对气固混合物系根据颗粒的粒径分布选择合适的分离设备。对液固混合物系考虑颗粒粒径分布及其含固量大小。若颗粒粒径很小，则需加入混凝剂或絮凝剂加速沉降。242过滤过程的强化利用助滤剂改变滤饼结构；利用混凝剂、絮凝剂改变悬浮液中颗粒聚集状态；利用动态过滤等新型过滤方法。动态过滤的典型设备为旋叶压滤机。第三章传热第一节概述311传热在化工生产中的应用（1）加热或冷却，使物料达到指定的温度；（2）（两种不同温度物流之间的）换热，以回收热能。（3）保温或隔热，以减小设备的热能损失；312工业生产中的加热剂和冷却剂加热剂热水、饱和水蒸气、矿物油、联苯混合物、熔盐、烟道气。冷却剂冷水（河水、井水、水厂给水、循环水）、空气、冷冻盐水、液氨、液态烃。313传热设备中冷、热流体的接触方式直接接触式换热器蓄热式换热间壁式换热314传热学中一些基本概念温度场是指物体或系统内各点温度分布的总和。定态温度场温度场中任一点的温度不随时间而改变。非定态温度场各点温度随时间而变的温度场称为。等温面在温度场中，同一时刻所有温度相同的点组成的面。温度梯度两等温面的温度差T与其间的法向距离N之比，在N趋于零时的极限，即（3NTN0LIM1）定态传热所研究的传热过程是在定态温度场中进行的。与非定态传热所研究的传热过程是在非定态温度场中进行的。传热速率（Q）在传热设备中单位时间内通过传热面传递的热量。热通量（Q）单位时间内通过单位传热面积传递的热量。两者之间的关系为（32）DAQQ第二节热传导321热传导机理简介322热传导速率的表达傅立叶定律傅立叶定律导热速率与微元所在处的温度梯度成正比。传热速率形式（33）NTAQD热通量的形式（34）TQ导热系数单位温度梯度下的导热热通量。一般来说，金属的导热系数最大，固体非金属次之，液体较小，气体最小。对绝大多数的均质固体而言，导热系数与温度近似成线性关系，可用下式表示3510AT323单层平壁的定态热传导导热速率（37）BTAQ21推动力与阻力之比的形式（38）力RT324单层圆筒壁的定态热传导导热速率（39）1212LNLNRTRTQ推动力和阻力之比的形式（310）力RTABTBTLRRTLQMLN2N2112112（311）2/LAMAM也可以用计算，其中LRM2（312）12/LNRRM称为圆筒壁的对数平均半径。当R2/R150；流体是低粘度的（不大于水的粘度的2倍）。特征尺寸为管子的内径D，定性温度取流体在换热管进、出口温度的算术平均值。在使用式（330）时，如以上四个条件之一不能满足，则需要对计算结果进行修正。（1）L/D60，0625104时，忽略自然对流的影响，会造成很大的误差，应将式（335）的计算结果乘以系数来加以修正。01583/GRF流体在管外作强制对流流体在管外垂直流过管束时的对流传热系数一般用下列经验公式计算（340PRRENCNU36）式中C，N取决于管子排列方式、管列数以及行距，一般由实验测定。具体数值如教材中表33所示。式（336）的适用范围为50001800时，膜内流体为湍流。在此，雷诺数定义为（345）MSQBUDME4R当液膜为层流时，平均对流传热系数的计算式为（34/1321TLGR46）当液膜为湍流时，平均对流传热系数的计算式为（3403/12RE07G47）使用式（346）和（347）时，定性温度及物性的取法与使用式（345）时相同，特征尺寸L为管长或板高。336液体沸腾传热管内沸腾，大容积沸腾。沸腾曲线大容积内的沸腾过程随着温度差T的不同，会出现不同类型的沸腾状态。（1）自然对流区。（2）核状沸腾区。（3）不稳定膜状沸腾。（4）稳定膜状沸腾。工业上的沸腾装置，一般应维持在核状沸腾区工作，此阶段沸腾传热系数较大且TW不高。第四节传热计算341换热器的热量平衡方程（1）若换热器中冷、热流体均无相变化，则（351）1221TCQTCQQPMPM（2）若换热器中进行的是饱和蒸气冷凝，将冷流体加热，且蒸气冷凝为同温度下的饱和液体后排出，则（352）121TCQRQPM式中，R蒸气冷凝相变焓，KJ/KG。（3）若在第（2）种过程中蒸气冷凝液继续被冷却，以过冷液体的状态排出，则（353）1221TCQTCRQQPMSPM式中TS为饱和液体或饱和蒸气的温度。342总传热系数总传热系数的定义对于换热管为圆管的情形，（359）2111DBKM（360）21LN/D总传热系数的大致范围教材中表35列出了工业中最常用的列管换热器的总传热系数经验值。有关手册中也列有不同情况下经验值，可供设计计算时参考。污垢热阻污垢的存在相当于在壁面两侧各增加了一层热阻，因而总传热系数表达式变为（以换热管外表面为基准）363212111DRSDBSKM343总传热速率方程（374）TKAQ344总传热速率方程与热量平衡方程的联用（375）MPMPMTKATCQTCQ1221（376）TTRQ（377）MPMSPMTTCQCQ1221这两类方程的联立求解是处理间壁式换热过程计算问题的核心和出发点，对设计型和操作型问题都能很好地解决。345平均传热温差TM的计算逆流TM等于换热器两端流体温差的对数平均值，记；，则21TTT12TT（378）21LNTTM并流两种流体分别在壁面两侧平行而同向的流动。并流时TM的计算式（379）211LNTTTM记；，则并流时TM的表达式也具有与式（378）完全相同的形式。1TTT22T折流先按逆流计算对数平均温度差TM逆，然后再乘以温差校正系数（380）力各种情况下的温差校正系数均可从图322中读取，图中横坐标P及参变数R的计算方法如下（381）12TTP（382）12TTR错流其温差校正系数也可按类似于折流的方法从该图中读出。一侧流体恒温若换热器中进行的是用饱和蒸气冷凝加热冷流体，且蒸气冷凝为同温度下饱和液体后排出（383）21LNTTTM两侧流体恒温（384）TTM346传热过程的设计型计算主要计算步骤介绍如下首先由传热任务计算换热器的热负荷21TCQQPM作出适当的选择并计算传热平均温差；T计算冷、热流体对管壁的对流传热系数及总传热系数；K由传热速率方程计算传热面积。MTKAQ347传热过程的操作型计算（1）两流体在换热器中逆流流动且都不发生相变时（386）P2M1P112LNCQCKATT该式可以方便地与热平衡方程联立求解得到T2和T2。（2）当两流体在换热器中并流流动且都不发生相变时（387）P2M1P121LNCQCKATT该式也可方便地与热平衡方程联立求解从而得到T2和T2。（3）若换热器中进行的是用饱和蒸气冷凝加热冷流体，则（389）P2M21LNCQKAT已知冷流体流量和总传热系数时，由该式可直接求加热蒸气温度T或冷流体的出口温度T2。348设备壁温的计算（32AQTW91）（392）MWABQTT（393）1T第五节辐射传热351有关热辐射基本概念热辐射物体对热辐射线的作用吸收；反射；透过QDRA（395）1其中吸收率；反射率；透过率。QAQR的物体为绝对黑体或黑体；的这种物体称为绝对白体或镜体，的透11D热体。352物体的辐射能力辐射能力物体的辐射能力是指物体在一定温度下、单位时间内、单位表面积上所发射的全部波长范围的辐射能，以E表示，单位为W/M2。黑体的发射能力斯蒂芬波尔兹曼（STEFANBOLTZMANN）定律（340T97）（3401CE98）式中黑体的辐射系数，0CKW/M695420C实际物体的辐射能力实际物体的辐射能力与黑体的辐射能力之比称为物体的黑度（30E99）（3100）401TC灰体的辐射能力和吸收能力克希荷夫定律（3101）AE0（3102）A353两固体间的辐射传热考虑温度较高的物体1与温度较低的物体2之间的辐射传热过程，其传热速率用下式计算31034241210TACQ式中总辐射系数，；角系数；辐射面积，M221C42/KMW教材中表38列出了工业上常见的5种固体间辐射传热，及相应的辐射面积A、及总辐射系数C12、角系数12的确定方法，其中两平行平面的角系数具体数值可查教材图327确定。354对流辐射联合传热（3108）TAQWRCR或写为（3109）TT，称为对流辐射联合传热系数。CRT第六节换热器361间壁式换热器夹套式换热器沉浸式蛇管换热器套管式换热器列管式换热器固定管板式，浮头式，U形管式板式换热器螺旋板式换热器板翅式换热器翅片管362列管式换热器的设计与选型中相关条件的选择流动空间的选择流体流速的选择流体出口温度的确定换热管规格和排列方式的选择折流挡板363列管式换热器的选型计算1试算并初选设备型号选定流体在换热器两端的温度（如果可选），计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性；计算逆流时的平均传热温差TM逆；根据传热任务计算热负荷Q；确定两种流体的流动空间（哪种在管程流动，哪种在壳程流动）；初选列管换热器的型式（如单壳程、偶管程）；确定温度差校正系数，并计算平均温度差TMTM逆。注意，值不能小于08，否则需要改变换热器的型式（如采用双壳程）；根据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，初估总传热系数K估值；选择适当的流速，并根据已知的管程流量确定换热管根数N，由总传热速率方程，计算出所需要传热面积初值A0，MTKAQ由A0及N计算换热管长度L及管程数NP，根据A0、L、NP在换热器系列标准中初步选定换热器的具体型号，其传热面积为A；2计算管程、壳程压强降根据初选定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压力降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压力降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一型号的换热器，重新计算压力降，直至满足要求为止。计算压强降的经验公式可参阅有关资料。（3）计算总传热系数，校核传热面积由选定换热器的结构信息，分别计算管程和壳程的对流传热系数；选定垢阻热阻，求出总传热系数K计；由总传热速率方程计算需要的传热面积A计MTAQ力如果初选换热器的传热面积，则原则上说该换热器可以完成换热任务，但考虑到力所用计算公式准确度及其它不可知因素的影响，为保险计，一般要求所选换热器的传热面积有1525的裕量，即应使。否则，应重估一个K估，重新试算、选择。251/力A第四章蒸发第一节概述一、蒸发操作及其在工业中的应用蒸发操作主要用于提高溶质的浓度；浓缩溶液和回收溶剂；获得纯净的溶剂等。二、蒸发操作的特点蒸发操作是将溶液加热至沸点，使其中挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。蒸发操作进行的条件是供给溶剂汽化所需的热量，并将产生的蒸气及时排除。蒸发器的加热室通常采用间壁式换热器，其两侧为恒温。蒸发过程的特点是（与传热相比较）1因溶液沸点升高等因素会引起温度差损失；2因蒸发过程耗热量很大，所以应充分考虑热能利用；3因处理物料性质不同，故需充分考虑物料的特性及工艺条件，再选择或设计适宜的蒸发器。三、蒸发操作的分类可按蒸发模式、按操作条件（压力）及效数等进行分类。第二节单效蒸发与真空蒸发一、单效蒸发流程蒸发器由加热器和蒸发室组成，此外还需除沫器、冷凝器等。二、单效蒸发的设计计算1蒸发水量的计算蒸发操作中，由于溶质是不挥发物质，因此，蒸发前后其质量不变，对它作物料衡算，可得蒸发量，即10XFW完成液的浓度为2加热蒸气消耗量的计算加热蒸气用量由热量衡算确定。若只利用加热蒸气的冷凝潜热，则冷凝液在饱和温度下排出，其用量为RQWTFCDL01若溶液为沸点加热，且不计热损失，则为RWD式中D/W称为单位蒸气消耗量，R为加热蒸气的冷凝潜热；R为二次蒸气的冷凝潜热。3蒸发器传热面积的计算1MTTKTQA（1）传热平均温度差TM的确定在蒸发操作中传热的平均温度差应为，称为有效温度差，式中T为加热蒸1TT气的温度；T1为溶液的沸点，此值需通过计算获得。若蒸发操作的热源为饱和水蒸气，则T可由水蒸气表查得。溶液的沸点T1，通常是根据冷凝器的压力P，查饱和水蒸气表得二次蒸气得冷凝温度T，再计算出各种温度差损失后，用下式计算TT1温度差损失包括A溶液的沸点升高常F常为溶液在常压下因溶质存在而较纯溶剂（水）的沸点升高值，即，其1TTA常中TA为常压下溶液的沸点，可由手册查取。若蒸发操作在加压或真空条件下进行，则常需乘以校正系数273016RTF式中T和R均指操作压力下二次蒸气的饱和温度和汽化潜热。B液柱静压头引起的溶液沸点升高蒸发器加热室中有一定液位，因液面下的压力比液面表面压力高，则液面下的沸点比液面上的高，二者之差称为液柱静压头引起的溶液沸点升高，以表示，其值用料液高度一半处的压力，并用进行近似计算，2AVAVHGPBAVT式中TAV、TB分别为PAV、P压力水蒸气的饱和温度。C管道阻力产生压降引起的温度差损失该损失是二次蒸气由分离室出口到冷凝器之间的压降所造成的温度差损失，通常取1。因此，蒸发过程中的总温度差损失为溶液的沸点T1CC1TT（2）总传热系数K的确定蒸发器的总传热系数可按下式计算011RBII上式影响K值各因素中，往往是RI和I成为其设计和操作中的主要问题。由于蒸发过程中，加热面处溶液中的水分汽化，浓度上升,因此溶液很易超过饱和状态，溶质析出并包裹固体杂质，附着于表面，形成污垢，所以RI往往是蒸发器总热阻的主要部分。为降低污垢热阻，工程中常采用的措施有加快溶液循环速度，在溶液中加入晶种和微量的阻垢剂等。影响I的因素很多，如溶液的性质，沸腾传热的状况，操作条件和蒸发器的结构等。提高I的有效办法是增加溶液的循环速度和湍动程度等。通常总传热系数K仍主要靠现场实测确定，设计时也可查表取值估计。三、蒸发器的生产能力与生产强度1、蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来表示。由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其生产能力也可表示为DRTTKAQ12、蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度U简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，KG/M2HAWU若为沸点进料，且不计热损失，根据，MRDTKQ则RU由上式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热R也可视为常数，因此，欲提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高总传热系数K和传热温度差TM（TT1）。前者，上面已述。提高传热温度差的方法采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热油、熔盐或用电加热等。第三节多效蒸发采用多效蒸发的目的是为了减少新鲜蒸气用量，具体方法是将前一效的二次蒸气作为后一效的加热蒸气。一、多效蒸发流程1并流流程即加热蒸气和原料液均顺次流经各效。这种加料的特点是前一效到后一效可自动加料，后一效中的物料会产生自蒸发，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度会随效数的增加而增大，使传热系数逐效下降，所以并流加料不适宜处理随浓度增加而增加较高的物料。2逆流流程即加热蒸气走向与并流相同，而物料走向则与并流相反。这种加料的特点是各效中的传热系数较均匀，适于处理黏度随温度变化较大的物料。3平流流程即加热蒸气走向与并流相同，但原料液和完成液则分别从各效中加入和排出。这种流程适用于处理易结晶物料。二、多效蒸发设计计算多效蒸发需要计算的内容有各效蒸发水量、加热蒸气消耗量及传热面积。由于其效数多，未知数也多，所以计算远较单效蒸发复杂。因此目前已采用电子计算机进行计算。但基本依据和原理仍然是物料衡算，热量衡算及传热速率方程。鉴于计算中出现未知参数，因此常采用试差法，其步骤如下1根据物料衡算求出总蒸发量；2根据经验设定各效蒸发量，再估算各效溶液浓度。通常各效蒸发量可按各效蒸发量相等的原则设定，即NW21并流加料的蒸发过程，由于有自蒸发现象，则可按如下比例设定若为两效121若为三效23根据设定得到各效蒸发量后，即可通过物料衡算求出各完成液的浓度；3设定各效操作压力以求各效溶液的沸点。通常按各效等压降原则设定，即相邻两效间的压差为