气液传质设备

1、气液传质设备绪论绪论2第一章第一章流体输送流体输送24第二章第二章流体输送机械流体输送机械8第三章第三章非均相物系分离非均相物系分离6第四章第四章液体搅拌（选学）液体搅拌（选学）0第五章第五章传热传热20学学时时安安排排第六章第六章蒸发蒸发4第七章第七章传质与分离过程概论传质与分离过程概论6第八章第八章气体吸收气体吸收20第九章第九章蒸馏蒸馏22第十第十章章 液液- -液萃取和液液萃取和液- -固浸取固浸取6第十一章第十一章 固体物料的干燥固体物料的干燥6总学时 124教教 材材 柴诚敬主编 普通高等教育“十五”国家级规划教材 化工原理（上册、下册） 北京: 高等教育出版社 2006年1月(1

2、)贾绍义,柴诚敬.化工传质与分离过程.第二版北京:化学工业出版社,2007(2)夏清，陈常贵.化工原理，下册.天津:天津大学出版社,2005(3)W.L.McCabe,J.C.Smith.UnitOperationsofChemicalEngineering,6thed.NewYork:McGraw.HillInc.,2001参考教材第一章 流体流动Flow of Fluid具有流动性；无固定形状，随容器形状而变化；受外力作用时内部产生相对运动。不可压缩流体不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化， 如液体；可压缩性流体：可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。0TVP0TVP流体

3、是气体与液体的总称。流体是气体与液体的总称。1.研究流体流动问题的重要性研究流体流动问题的重要性煤气煤气水孔板流量计泵水封填料塔水池煤煤 气气 洗洗 涤涤 塔塔两类问题：研究流体在流动和静止时的规律。流体静力学问题流体动力学问题流体流动是最普遍的化工单元操作之一；研究流体流动问题也是研究其它化工单元操作的重要基础。2.连续介质假定连续介质假定假定流体是由无数内部紧密相连、彼此间没有间隙的流体质点（或微团）所组成的连续介质连续介质。质点质点：由大量分子构成的微团，其尺寸远小于设备尺寸、远大于分子自由程。工程意义工程意义：利用连续函数的数学工具，从宏观研究流体。1.1流体的物理性质流体的物理性质1

4、.1.1密度密度1.1.2黏度黏度1.1.3流体的压缩性和膨胀性流体的压缩性和膨胀性1.1 流体的物理性质流体的物理性质1.1.1密度密度一、定义单位体积流体的质量，称为流体的密度。Vmkg/m3二、单组分密度),(Tpf液体液体密度仅随温度变化（极高压力除外），其变化关系可从手册中查得。( )f T气体气体当压力不太高、温度不太低时，可按理想 气体状态方程计算：RTpM注意：注意：手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下之值，若条件不同，则密度需进行换算。000TpTp三、混合物的密度三、混合物的密度混合气体混合气体各组分在混合前后质量不变，则有1122.mnnyyy或RTpMmmmM混合

5、气体的平均摩尔质量1122.mnnMM yM yM y12,.ny yy气体混合物中各组分的摩尔(体积)分率。混合液体混合液体假设各组分在混合前后体积不变，则有12121.nmnwww12,.nw ww液体混合物中各组分的质量分率。四四.与与密度相关的几个物理量密度相关的几个物理量1）比容：单位质量的流体所具有的体积，用表示，单位 为m3/kg。2）比重(相对密度)：某物质的密度与4下的水的密度的比 值，用 d 表示。1,4水Cd34/1000mkgC 水在数值上:1.1.2 流体的黏性速度分布（速度侧形）：速度分布（速度侧形）：速度沿距离的变化关系。uF0 xu=0yYdudy 平板间的流体

6、剪应力与速度梯度一、牛顿黏性定律一、牛顿黏性定律平板间的流体剪应力与速度梯度平板间的流体剪应力与速度梯度只有流动的流体才体现黏性：黏性内摩擦力保持一定的速度梯度克服摩擦力做功消耗能量能量损失FduAdy牛顿黏性定律：牛顿黏性定律：实测发现：duFAdy意义：意义：剪应力的大小与速度梯度成正比。 描述了任意两层流体间剪应力大小的关系。二、二、 流体的黏度流体的黏度物理意义物理意义dudy动力黏度，简称黏度动力黏度，简称黏度单位SI单位制 ： Pas(Ns/m2)物理单位制：P(泊)，达因秒/厘米2，cP(厘泊)换算关系：1cp=0.01P=10-3Pas=1mPas粘度的表示方法m2/s动力黏度

7、Pas运动黏度1St=1cm2/s=100cSt=10-4m2/sE水恩氏黏度三、三、影响因素影响因素液体粘度随温度升高而降低，压力影响很小。 气体粘度随温度升高而增大，压力影响很小。但在极高压力下，随压力增加有所增加；而在压力极低情况下也要考虑压力的影响。 四、四、数据来源数据来源各种流体的粘度数据，主要由实验测得。在缺少粘度实验数据时，可按理论公式或经验公式估算粘度。对于压力不太高的气体，估算结果较准，对于液体则较差。五、五、混合物的粘度混合物的粘度按一定混合规则进行加和对于分子不聚合的混合液混合液可用下式计算loglogmiix常压下气体混合物气体混合物的粘度，可用下式计算0.50.5i

8、imiyMy M说明：说明：不同流体的粘度差别很大。例如：在压强为101.325kPa、温度为20的条件下，空气、水和甘油的动力粘度和运动粘度分别为：空气17.910-6Pas，14.810-6m2/s水1.0110-3Pas，1.0110-6m2/s甘油1.499Pas，1.1910-3m2/sdudy六、流体类型六、流体类型牛顿型流体：符合牛顿粘性定律的流体。气体及大多数低分子量液体是牛顿型流体。非牛顿型流体油墨、泥浆七、剪应力的计算七、剪应力的计算例：油在直径为100mm的管内流动，在管截面上的速度分布大致用下式表示： 式中： y为截面上的任一点距管壁的径向距离，m； u为该点上的流速，

9、m/s。求：1.求管中心的流速、管半径中点处的流速。 2.求管壁处的剪应力，又求长100m的管内壁面所作用的全部阻力。油的黏度为50cP。220200uyy解：（1）求流速 管中心 代入 得 管半径中点处 代入 得u=0.375 m/s （2）求管壁处的剪应力及管壁阻力 由牛顿粘性定律可算出任一位置上的剪应力，计算时所需的速度梯度可对给出的速度分布式求导而得。500.05ymmm220200uyy250.025ymmm220200uyy 管壁处，y=0，故10()2 0yd usd y20400duydy油的粘度故壁面上的剪应力为 100m管壁面上的总阻力为： 31.4wwFAdlN 500.

10、05cPPa s20()0.05 201/wyduN mdy1.1.3流体的压缩性与膨胀性流体的压缩性与膨胀性2.膨胀性：流体的热膨胀性可由体积热膨胀系数来衡量对于理想气体：1T00001()1()VVtttt0TVP当温度变化不太大时：1.压缩性：可压缩：不可压缩：0TVP1.2流体静力学流体静力学1.2.1流体的压强流体的压强1.2.2流体静力学方程流体静力学方程1.2.1压力压力 流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，习惯上又称为压力。压力。二、二、压力的单位压力的单位SI制：N/m2或Pa；一、压力的定义一、压力的定义或以流体柱高度表示：ghp注意注意：用液柱高度表示压力时，

11、必须指明流体的种类，如600mmHg，10mH2O等。标准大气压的换算关系：1atm=1.013105=760mmHg=10.33mH22三、三、压力的表示方法压力的表示方法 绝对压力绝对压力 以绝对真空为基准测得的压力。表压或真空度表压或真空度以大气压为基准测得的压力。表压=绝对压力大气压力真空度=大气压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对压力绝对真空绝对真空表压表压真空度真空度1p2p大气压大气压 当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。 如：4103Pa（真空度）、200KPa（表压）。 压力表真空表四、压力的特性四、压力的特性（1）流体压力与作用面垂直，并指向该作用面；（2）任意界

12、面两侧所受压力，大小相等、方向相反；（3）作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同1.2.2流体静力学平衡方程流体静力学平衡方程一、静力学基本方程一、静力学基本方程重力场中对液柱进行受力分析：ApP11（1）上端面所受总压力ApP22（2）下端面所受总压力（3）液柱的重力12()GmgA zzg设流体不可压缩，.Constp0p2p1z1z2G方向向下方向向上方向向下液柱处于静止时，上述三项力的合力为零:211221121()0()p Ap AgA zzppg zzpgh静力学基本方程静力学基本方程设液面上方的压强为P0ghpp0讨论：讨论：（1）适用于重力场中静止、连续的同种不可压缩性流体

13、；（2）液体内部压强P是随P0和h的改变而改变的，即：hPfP,0（3）当容器液面上方压强P0一定时，静止液体内部的压强P仅与垂直距离h有关，即：Ph在静止的、连续的同种流体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。压力相等的面称为等压面等压面。等压面概念等压面的选取例：如图所示的测压管分别与三个设备A、B、C相连通，连通管的下部是水银，上部是水，三个设备内的水面在同一水平面上。问：1、2、3三处压力是否相等。 4、5、6处压力是否相等。 若h1=100mm， h2=200mm且设备A直接通大气，求B、C两设备内水面上方的压力。 （4）当液面上方的压强改变时，液体内部的压强也随之改变，即：液面上

14、所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。（5）ghPP0可以改写成 hgPP0 压强差的大小可利用一定高度的液体柱来表示，这就是液体压强计的根据，在使用液柱高度来表示压强或压强差时，需指明何种液体。)(2112zzgppgzpgzp2211静力学基本方程静力学基本方程压力形式Pa能量形式2211zgpzgpkgJ /位能形式mNJ /静力学方程的几种不同形式讨论：讨论：zg单位质量流体所具有的位能，J/kg；p单位质量流体所具有的静压能，J/kg。 在同一静止流体中，处在不同位置流体的位能和静压能各不相同，但二者可以转换，其总和保持不变。二、二、静力学基本方程的应用静力学基本方程的应用1

15、.压力及压力差的测量压力及压力差的测量（1）U形压差计形压差计设指示液的密度为 ，被测流体的密度为 。baA与A面为等压面，即AApp1()Abppg mR2baAppgmgR而p1p2mRAA普通的普通的起放大作用起放大作用复式压差计复式压差计所以12()bbapg mRpgmgR整理得12()abppgR若被测流体是气体， ，则有ba12appRg讨论：讨论：（1）U形压差计可测系统内两点的压力差，当将U形管一端与被测点连接、另一端与大气相通时，也可测得流体的表压或真空度；表压真空度p1pap1pa（2）指示液的选取：指示液与被测流体不互溶，不发生化学反应；其密度要大于被测流体密度。 应根

16、据被测流体的种类及压差的大小选择指示液。（2）双液体双液体U管压差计管压差计 扩大室内径与U管内径之比应大于10。)(CA 密度接近但不互溶的两种指示 液A和C；适用于压差较小的场合。)(21CARgpp（3）倒倒U形压差计形压差计12()babppRgRg指示剂密度小于被测流体密度，如空气作为指示剂（5）复式压差计复式压差计（4）倾斜式倾斜式压差计压差计适用于压差较小的情况。适用于压差较大的情况。注意：等压面如何选取？R4.倾斜液柱压差计倾斜液柱压差计1R R1=R/sin R=R1sin 2、液位的测定、液位的测定 液位计的原理静力学基本方程的应用。 液柱压差计测量液位的方法： 由压差计指

17、示液的读数R可以计算出容器内液面的高度。当R0时，容器内的液面高度将达到允许的最大高度，容器内液面愈低，压差计读数R越大。液位的测量液位的测量3.液封高度的计算液封高度的计算液封作用： 确保设备安全：当设备内压力超过规定值时，气体从液封管排出； 防止气柜内气体泄漏。gph)(表液封高度：液封液封 气体气体R真空表真空表气气气气水水RRp pp p例 题观察瓶压缩空气HRh为测量腐蚀性液体贮槽中的存液量，采用图示的装置。测量时通入压缩空气，控制调节阀使空气缓慢地鼓泡通过观察瓶。今测得U形压差计读数为R=130mm，通气管距贮槽底面h=20cm，贮槽直径为2m，液体密度为980kg/m3。试求贮槽

18、内液体的贮存量为多少吨？2、附图为一气柜，其内径9m，钟罩及其附件共重10t，忽略其浸在水中部分所受浮力，进入气柜的气速很低，动能及阻力可忽略。求：1.气柜内压强多大时，才能将钟罩顶起来？2.气柜内储气量增加时（钟罩升高）压强是否变化？3.钟罩内外的水位差h（即“水封高”)为多少？p00水气体 h 气柜p0p03、附图所示的气液直接接触混合式冷凝器，蒸汽被水冷凝后，凝液与水沿大气腿流到地沟排出，现已知器内真空度为82kPa，当地大气压为100kPa，问器内绝对压强为多少？并估计大气腿内的水柱高度H为多少米？4、为了控制乙炔发生器内的压力不超过80mmHg（表压），在炉外装有安全液封装置，其作用

19、是当炉内压力超过规定值时，气体从液封管排出，试求此炉的安全水封管应插入槽内水面以下的深度。1.3流体在管内的流动流体在管内的流动1.3.1流体的流量与流速流体的流量与流速1.3.2定态流动与非定态流动定态流动与非定态流动1.3.3定态流动系统的质量守恒定态流动系统的质量守恒 连续性方程连续性方程1.3.4定态流动系统的能量守恒定态流动系统的能量守恒 柏努利方程柏努利方程1.3 流体动力学流体动力学1.体积流量体积流量 单位时间内流经管道任意截面的流体体积。 VSm3/s或m3/h 单位时间内流经管道任意截面的流体质量。 WSkg/s或kg/h。 二者关系：一、流量一、流量1.3.1流体的流量与

20、流速流体的流量与流速WS=VS二、流速二、流速2. 2. 质量流速质量流速单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。 流速流速（平均平均流速）流速）单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。AVuskg/（m2s）流量与流速的关系：m/sssWVGuAAssSWVuAG AuVds4对于圆形管道：流量VS一般由生产任务决定。流速选择：三、管径的估算管径的估算d设备费用u流动阻力动力消耗 操作费均衡考虑uu适宜适宜费费用用总费用总费用设备费设备费操作费操作费常用流体适宜流速范围：常用流体适宜流速范围：水及一般液体13m/s粘度较大的液体0.51m/s低压气体815m/s压力较高的气体1525m/

21、s生产实际中，管道直径应如何确定？生产实际中，管道直径应如何确定？选管径程序：取经验u圆整d校验u40.785ssVVduu1.3.2定常流动与非定常流动定常流动与非定常流动定常流动定常流动：各截面上的密度、压强、流速、温度等物理量仅随位置变化，而不随时间变化；非定常流动非定常流动：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。, , ,( , , )T p uf x y z, , ,( , , , )T p uf x y z1.3.3定常流动系统的质量守恒定常流动系统的质量守恒连续性方程连续性方程 对于定常流动系统，在管路中流体没有增加和漏失的情况下：222111AuAu推广至任意截

22、面连续性方程连续性方程11 2 21 11222sWu Au AuA常数常数uAAuAuVs2211不可压缩性流体，.Const圆形管道：2211222122211u du duAduAd 即不可压缩流体在圆形管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比。例例1-31-3如附图所示，管路由一段894mm的管1、一段1084mm的管2和两段的分支管3a及3b连接而成。若水以9103m/s的体积流量流动，且在两段分支管内的流量相等，试求水在各段管内的速度。3a123b管1的内径为mm8142891dm/s75. 1081. 0785. 0109423211dVuSmm100421082dm/s15.

23、1)10081(75. 1)(222112dduu则水在管1中的流速为管2的内径为水在管2中的流速为mm505 . 32573d33222AuAum/s30. 2)50100(215. 1)(2223223dduu1.3.4定态流动系统的能量守恒定态流动系统的能量守恒柏努利方程柏努利方程一、总能量衡算一、总能量衡算qeWep2,u2,2p1,u1,1221100z2z1（1）内能贮存于物质内部的能量。mkg流体具有的内能为U（J）。衡算范围：1-1、2-2截面以及管内壁所围成的空间衡算基准：mkg流体基准面：0-0水平面（2）位能流体受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流体所具有的位能为

24、1zg（J/kg）。（4）静压能静压能=pVAVpAFl1kg的流体所具有的静压能为ppVm(J/kg)（5）热 设换热器向1kg流体提供的热量为 (J/kg)。eqlAV（3）动能 1kg的流体所具有的动能为 (J/kg)212u（6）外功(有效功)1kg流体从流体输送机械所获得的能量为We(J/kg)。2222221121112121pugzUqWpugzUeepuzgUqWee221以上能量形式可分为两类：机械能：位能、动能、静压能及外功，可用于输送流体； 内能与热：不能直接转变为输送流体的能量。2实际流体的机械能衡算实际流体的机械能衡算假设 流体不可压缩， 则 流动系统无热交换，则 流

25、体温度不变， 则21 0eq21UU (1)以单位质量流体为基准设1kg流体损失的能量为hf（J/kg），有：(1)式中各项单位为J/kg。并且实际流体流动时有能量损失。221211221122efppz guWz guh（2）以单位重量流体为基准将(1)式各项同除重力加速度g:式中各项单位为mNJkgNkgJ/221211221122fehWppzuzuggggggz位压头gu22动压头He外加压头或有效压头。gp静压头总压头Hf压头损失（3）以单位体积流体为基准将(1)式各项同乘以:式中各项单位为PamJmkgkgJ33（3）feppugzWpugz222212112121fp压力损失22111222