化工原理重點(diǎn)內(nèi)容綱要

目錄

第一章流體流動(dòng)與輸送設(shè)備（3）

第一節(jié)流體靜力學(xué)（3）第二節(jié)流體動(dòng)力學(xué)（5）第三節(jié)管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象（7）第四節(jié)流體流動(dòng)阻力（8）第五節(jié)管路計(jì)算（11）第六節(jié)流速與流量的測(cè)量（11）第七節(jié)流體輸送設(shè)備（13）第二章非均相物系分離（21）

第一節(jié)概述（21）第二節(jié)顆粒沉降（22）第三節(jié)過濾（25）第四節(jié)過程強(qiáng)化與展望（27）第三章傳熱（28）第一節(jié)概述（28）第二節(jié)熱傳導(dǎo)（28）第三節(jié)對(duì)流傳熱（30）第四節(jié)傳熱計(jì)算（30）第五節(jié)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式（31）第六節(jié)輻射傳熱（34）第七節(jié)換熱器（35）第四章蒸發(fā)（37）第一節(jié)概述（37）第二節(jié)單效蒸發(fā)與真空蒸發(fā)（37）第三節(jié)多效蒸發(fā)（40）第四節(jié)蒸發(fā)設(shè)備（41）第五章氣體吸收（42）第一節(jié)概述（42）第二節(jié)氣液相平衡關(guān)系（45）

第三節(jié)單相傳質(zhì)（46）第四節(jié)相際對(duì)流傳質(zhì)及總傳質(zhì)速率方程（49）第五節(jié)吸收塔的計(jì)算（51）第六節(jié)填料塔（58）第六章蒸餾（60）第一節(jié)概述（60）第二節(jié)雙組分物系的氣液相平衡（60）第三節(jié)簡(jiǎn)單蒸餾和平衡蒸餾（62）第四節(jié)精餾（63）第五節(jié)雙組分連續(xù)精餾的計(jì)算（63）第六節(jié)間歇精餾（67）第七節(jié)恒沸精餾與萃取精餾（67）第八節(jié)板式塔（67）第九節(jié)過程的強(qiáng)化與展望（69）第七章干燥（71）第一節(jié)概述（71）第二節(jié)濕空氣的性質(zhì)及濕度圖（71）第三節(jié)干燥過程的物料衡算與熱量衡算（73）第四節(jié)干燥速率和干燥時(shí)間（75）第五節(jié)干燥器（76）第六節(jié)過程強(qiáng)化與展望（78）

第一章流體流動(dòng)與輸送設(shè)備

第一節(jié)流體靜力學(xué)

流體靜力學(xué)主要研究流體處于靜止時(shí)各種物理量的變化規(guī)律。1-1-1密度

單位體積流體的質(zhì)量，稱為流體的密度。f(p,T)

液體密度一般液體可視為不可壓縮性流體，其密度基本上不隨壓力變化，但隨溫度變化，變化關(guān)系可從手冊(cè)中查得。

液體混合物的密度由下式計(jì)算：

1a1a2anm12n

式中，ai為液體混合物中i組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

氣體密度氣體為可壓縮性流體，當(dāng)壓力不太高、溫度不太低時(shí)，可按理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算

pMRT

一般在手冊(cè)中查得的氣體密度都是在一定壓力與溫度下的數(shù)值，若條件不同，則此值需進(jìn)行換算。

氣體混合物的密度由下式計(jì)算：

m1112nn

式中，i為氣體混合物中i組分的體積分?jǐn)?shù)。

pMRT

或m其中Mm

mM1y1M2y2Mnyn

式中，yi為氣體混合物中各組分的摩爾分率。對(duì)于理想氣體，其摩爾分率y與體積分?jǐn)?shù)φ相同。

1-1-2壓力

流體垂直作用于單位面積上的力，稱為流體的靜壓強(qiáng)，又稱為壓力。在靜止流體中，作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均相同。

壓力的單位

（1）按壓力的定義，其單位為N/m2，或Pa；（2）以流體柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的換算關(guān)系：

1atm=1.013×10Pa=760mmHg=10.33mH2O壓力的表示方法

表壓=絕對(duì)壓力－大氣壓力真空度=大氣壓力－絕對(duì)壓力1-1-3流體靜力學(xué)基本方程靜力學(xué)基本方程：

壓力形式p2p1g(z1z2)能量形式

p1z1gp2z2g

5

適用條件：在重力場(chǎng)中靜止、連續(xù)的同種不可壓縮流體。

（1）在重力場(chǎng)中，靜止流體內(nèi)部任一點(diǎn)的靜壓力與該點(diǎn)所在的垂直位置及流體的密度有關(guān)，而與該點(diǎn)所在的水平位置及容器的形狀無關(guān)。

（2）在靜止的、連續(xù)的同種液體內(nèi)，處于同一水平面上各點(diǎn)的壓力處處相等。液面上方壓力變化時(shí)，液體內(nèi)部各點(diǎn)的壓力也將發(fā)生相應(yīng)的變化。

（3）物理意義：靜力學(xué)基本方程反映了靜止流體內(nèi)部能量守恒與轉(zhuǎn)換的關(guān)系，在同一靜止流體中，處在不同位置的位能和靜壓能各不相同二者可以相互轉(zhuǎn)換，但兩項(xiàng)能量總和恒為常量。

應(yīng)用：

1.壓力及壓差的測(cè)量（1）U形壓差計(jì)

p1p2(0)gR

若被測(cè)流體是氣體，可簡(jiǎn)化為

p1p2Rg0U形壓差計(jì)也可測(cè)量流體的壓力，測(cè)量時(shí)將U形管一端與被測(cè)點(diǎn)連接，另一端與大氣相通，此時(shí)測(cè)得的是流體的表壓或真空度。（2）倒U形壓差計(jì)

p1p2Rg(0)Rg

（3）雙液體U管壓差計(jì)

p1p2Rg(AC)2.液位測(cè)量3.液封高度的計(jì)算

第二節(jié)流體動(dòng)力學(xué)

1-2-1流體的流量與流速一、流量

體積流量VS單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體體積，m/s或m/h。質(zhì)量流量mS單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道任意截面的流體質(zhì)量，kg/s或kg/h。二、流速

平均流速u單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離，m/s。質(zhì)量流速G單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量，kg/（m2s）。相互關(guān)系：

質(zhì)量流量mSkg/smS=VSρ體積流量VSm/s

333

mS=GA=πd2G/4VS=uA=πd2u/4質(zhì)量流速Gkg/（m2s）(平均)流速um/sG=uρ1-2-2定態(tài)流動(dòng)與非定態(tài)流動(dòng)

流體流動(dòng)系統(tǒng)中，若各截面上的溫度、壓力、流速等物理量?jī)H隨位置變化，而不隨時(shí)間變化，這種流動(dòng)稱之為定態(tài)流動(dòng)；若流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化，則稱為非定態(tài)流動(dòng)。

1-2-3定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量守恒連續(xù)性方程

mS1mS2常數(shù)u22A2u11A1常數(shù)

ρ=常數(shù)（不可壓縮流體）VS1VS2常數(shù)u1A1u2A2常數(shù)

22u1d1u2d2常數(shù)

圓管1-2-4定態(tài)流動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒柏努利方程一、實(shí)際流體的柏努利方程以單位質(zhì)量流體為基準(zhǔn)：z1g以單位重量流體為基準(zhǔn)：

z112gu1212u12p1Wez2g12u22p2WfJ/kg

p1gHez212gu22p2ghfJ/N=m

適用條件：（1）兩截面間流體連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)；（2）適于不可壓縮流體，如液體；

對(duì)于氣體，當(dāng)p1p220%，可用兩截面的平均密度ρ

p1m計(jì)算。

二、理想流體的柏努利方程

理想流體是指沒有黏性（即流動(dòng)中沒有摩擦阻力）的不可壓縮流體。

z1g1212gu12p1p1z2g121u22p2p2

z1u12gz22gu22g

表明理想流體在流動(dòng)過程中任意截面上總機(jī)械能、總壓頭為常數(shù)，三、柏努利方程的討論

（1）當(dāng)系統(tǒng)中的流體處于靜止時(shí)，柏努利方程變?yōu)?/p>

z1gp1z2gp2

上式即為流體靜力學(xué)基本方程式。

2（2）在柏努利方程式中，zg、u、

1p2分別表示單位質(zhì)量流體在某截面上所具有的位

能、動(dòng)能和靜壓能；而We、ΣWf是指單位質(zhì)量流體在兩截面間獲得或消耗的能量。

輸送機(jī)械的有效功率：PemsWe輸送機(jī)械的軸功率：P四、柏努利方程的應(yīng)用

應(yīng)用柏努利方程時(shí)需注意的問題：（1）截面的選取

所選取的截面應(yīng)與流體的流動(dòng)方向相垂直，并且兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)流動(dòng)。截面宜選在已知量多、計(jì)算方便處。截面的物理量均取該截面上的平均值。

（2）基準(zhǔn)水平面的選取

基準(zhǔn)水平面可以任意選取，但必須與地面平行。為計(jì)算方便，宜于選取兩截面中位置較低的截面為基準(zhǔn)水平面。若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選管中心線的水平面。

（3）計(jì)算中要注意各物理量的單位保持一致，對(duì)于壓力還應(yīng)注意表示方法一致。

Pe

第三節(jié)管內(nèi)流體流動(dòng)現(xiàn)象

1-3-1流體的黏度一、牛頓黏性定律

牛頓黏性定律表明流體在流動(dòng)中流體層間的內(nèi)摩擦力或剪應(yīng)力與法向速度梯度之間的關(guān)系，其表達(dá)式為

..FAdudy或dudy

牛頓黏性定律適用于層流。

黏度是度量流體黏性大小的物理量，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

物理意義：促使流體在與流動(dòng)相垂直方向上產(chǎn)生單位速度梯度時(shí)的剪應(yīng)力。單位：Pas，cP1cP=10-3Pas影響因素：溫度與壓力

液體：T↑，μ↓；不考慮p的影響。

氣體：T↑，μ↑；一般在工程計(jì)算中也不考慮p的影響。

剪應(yīng)力與速度梯度的關(guān)系符合牛頓黏性定律的流體，稱為牛頓型流體；不符合牛頓黏性定律的流體稱為非牛頓型流體。

運(yùn)動(dòng)黏度為黏度μ與密度ρ的比值，單位為m/s，也是流體的物理性質(zhì)。

1-3-2流體的流動(dòng)型態(tài)

一、流體流動(dòng)類型

層流（或滯流）流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，流體分為若干層平行向前流動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；

湍流（或紊流）流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)發(fā)生變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。

二、流型判據(jù)雷諾準(zhǔn)數(shù)

Redu2

（1-28）

Re為無因次準(zhǔn)數(shù)，是流體流動(dòng)類型的判據(jù)。

（1）當(dāng)Re≤201*時(shí)，流動(dòng)為層流，此區(qū)稱為層流區(qū)；（2）當(dāng)Re≥4000時(shí)，一般出現(xiàn)湍流，此區(qū)稱為湍流區(qū)；

（3）當(dāng)201*

薄層流體作層流流動(dòng)，該薄層稱為層流內(nèi)層（或?qū)恿鞯讓樱��?/p>

層流內(nèi)層為傳遞過程的主要阻力。其厚度與流體的湍動(dòng)程度有關(guān)，流體的湍動(dòng)程度越高，層流內(nèi)層越薄。層流內(nèi)層只能減薄，但不能消失。

第四節(jié)流體流動(dòng)阻力

1-4-1流體在直管中的流動(dòng)阻力一、直管阻力的通式

范寧公式的幾種形式：能量損失Wflu2d2

壓頭損失

壓力損失pfWf二、層流時(shí)的摩擦系數(shù)

層流時(shí)摩擦系數(shù)λ是雷諾數(shù)Re的函數(shù)

64Re

lud22

流體在直管內(nèi)層流流動(dòng)時(shí)能量損失的計(jì)算式為

Wf32lud2

或pf32lud2哈根-泊謖葉方程

表明層流時(shí)阻力與速度的一次方成正比。

三、湍流時(shí)的摩擦系數(shù)因次分析法主要步驟

（1）通過初步的實(shí)驗(yàn)和較系統(tǒng)的分析，找出影響過程的主要因素；

（2）通過無因次化處理，將影響因素組合成幾個(gè)無因次數(shù)群，減少變量數(shù)和實(shí)驗(yàn)工作量；（3）建立過程的無因次數(shù)群關(guān)聯(lián)式（通常采用冪函數(shù)形式），通過實(shí)驗(yàn)確定出關(guān)聯(lián)式中各待定系數(shù)。

因次分析法的基礎(chǔ)：因次一致性，即每一個(gè)物理方程式的兩邊不僅數(shù)值相等，而且每一項(xiàng)都應(yīng)具有相同的因次。

因次分析法的基本定理：設(shè)影響某一物理現(xiàn)象的獨(dú)立變量數(shù)為n個(gè)，這些變量的基本因次數(shù)為m個(gè)，則該物理現(xiàn)象可用N＝（n－m）個(gè)獨(dú)立的無因次數(shù)群表示。

湍流時(shí)摩擦系數(shù)λ是Re和相對(duì)粗糙度

(Re,dd的函數(shù)：

)

λ-Re-

d圖：

d（1）層流區(qū)ReRecλ=f（(阻力平方區(qū))(虛線以上)

四、非圓形管內(nèi)的流動(dòng)阻力

d無關(guān)Wf,hf∝u1

d）

）Wf,hf∝u1~2

d）與Re無關(guān)Wf,hf∝u2

此時(shí)仍可用圓管內(nèi)流動(dòng)阻力的計(jì)算式，但需用非圓形管道的當(dāng)量直徑代替圓管直徑。當(dāng)量直徑de41-4-2局部阻力一、阻力系數(shù)法

將局部阻力表示為動(dòng)能的某一倍數(shù)，

Wf"流通截面積潤濕周邊＝4A

u22或h"fu22g

式中，ζ稱為局部阻力系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。注意，計(jì)算突然擴(kuò)大與突然縮小局部阻力時(shí)，u為小管中的大速度。

進(jìn)口阻力系數(shù)進(jìn)口0.5，出口阻力系數(shù)出口1。二、當(dāng)量長度法

將流體流過管件或閥門的局部阻力，折合成直徑相同、長度為le的直管所產(chǎn)生的阻力即

"Wfleu2d2或h"fleu2d2g

式中l(wèi)e稱為管件或閥門的當(dāng)量長度，也是由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

1-4-3流體在管路中的總阻力當(dāng)管路直徑相同時(shí)，總阻力：

WfWfWf"lud2"2或WfWfWflleu2d2

注意：計(jì)算局部阻力時(shí)，可用局部阻力系數(shù)法，亦可用當(dāng)量長度法，但不能用兩種方法重復(fù)計(jì)算。

第五節(jié)管路計(jì)算

1-5-1簡(jiǎn)單管路

在定態(tài)流動(dòng)時(shí),其基本特點(diǎn)為：

（1）流體通過各管段的質(zhì)量流量不變，對(duì)于不可壓縮流體，則體積流量也不變，即VS1VS2VS3(2)整個(gè)管路的總能量損失等于各段能量損失之和，即

WfWf1Wf2Wf3計(jì)算可分為兩類：設(shè)計(jì)型和操作型。計(jì)算中注意試差法的應(yīng)用。1-5-2復(fù)雜管路一、并聯(lián)管路特點(diǎn)：

（1）主管中的流量為并聯(lián)的各支管流量之和，對(duì)于不可壓縮性流體，則有

VSVS1VS2VS3

（2）并聯(lián)管路中各支管的能量損失均相等，即

Wf1Wf2Wf3WfAB

注意：計(jì)算并聯(lián)管路阻力時(shí)，可任選一根支管計(jì)算，而絕不能將各支管阻力加和在一起作為并聯(lián)管路的阻力。

二、分支管路與匯合管路特點(diǎn)：

（1）總管流量等于各支管流量之和，對(duì)于不可壓縮性流體，有

VSVS1VS2（2）雖然各支管的流量不等，但在分支處O點(diǎn)的總機(jī)械能為一定值，表明流體在各支管流動(dòng)終了時(shí)的總機(jī)械能與能量損失之和必相等。

pBzBg12uBWfOB2pCzCg122uCWfOC

第六節(jié)流速與流量的測(cè)量

1-6-1測(cè)速管

測(cè)速管測(cè)得的是流體在管截面某點(diǎn)處的速度，點(diǎn)速度與壓力差的關(guān)系為：

.u用U形壓差計(jì)測(cè)量壓差時(shí)

.2p

u2Rg(0)

注意測(cè)速管安裝時(shí)的若干問題。1-6-2孔板流量計(jì)

孔板流量計(jì)是利用流體流經(jīng)孔板前后產(chǎn)生的壓力差來實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量�？姿賣0C02Rg(0)

體積流量VSu0A0C0A02Rg(0)

質(zhì)量流量mSC0A02Rg(0)式中C0為流量系數(shù)或孔流系數(shù)，C0f(Re,A0A1)，常用值為C0＝0.6～0.7。

孔板流量計(jì)的特點(diǎn)：恒截面、變壓差，為差壓式流量計(jì)。1-6-3文丘里（Venturi）流量計(jì)

文丘里流量計(jì)也屬差壓式流量計(jì)，其流量方程也與孔板流量計(jì)相似，即VSCVA02Rg(0)

式中CV為文丘里流量計(jì)的流量系數(shù)（約為0.98～0.99）。

文丘里流量計(jì)的能量損失遠(yuǎn)小于孔板流量計(jì)。

1-6-4轉(zhuǎn)子流量計(jì)

轉(zhuǎn)子流量計(jì)是通過轉(zhuǎn)子懸浮位置處環(huán)隙面積不同來反映流量的大小。環(huán)隙流速u0CR2(f)VfgAf

體積流量VsCRAR2(f)VfgAf

式中CR為流量系數(shù)，AR為轉(zhuǎn)子上端面處環(huán)隙面積。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)的特點(diǎn)：恒壓差、恒環(huán)隙流速而變流通面積，屬截面式流量計(jì)。

轉(zhuǎn)子流量計(jì)的刻度，是用20℃的水（密度為1000kg/m3）或20℃和101.3kPa下的空氣

（密度為1.2kg/m）進(jìn)行標(biāo)定。當(dāng)被測(cè)流體與上述條件不符時(shí)，應(yīng)進(jìn)行刻度換算。

在同一刻度下，兩種流體的流量為

VS2VS13

1(f2)2(f1)

式中下標(biāo)1表示標(biāo)定流體的參數(shù)，下標(biāo)2表示實(shí)際被測(cè)流體的參數(shù)。注意：轉(zhuǎn)子流量計(jì)必須垂直安裝；為便于檢修，轉(zhuǎn)子流量計(jì)應(yīng)安裝支路。

第七節(jié)流體輸送設(shè)備

1-7-1離心泵

一、離心泵的工作原理與構(gòu)造

1.工作原理離心泵啟動(dòng)前，應(yīng)先將泵殼和吸入管路充滿被輸送液體。啟動(dòng)后，泵軸帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，液體從葉輪中心甩向外緣。流體在此過程中獲得能量，使靜壓能和動(dòng)能均有所提高。液體離開葉輪進(jìn)入泵殼后，由于泵殼中流道逐漸加寬，液體流速逐漸降低，又將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，使泵出口處液體的靜壓能進(jìn)一步提高，最后以高壓沿切線方向排出。液體從葉輪中心流向外緣時(shí)，在葉輪中心形成低壓，在貯槽液面和泵吸入口之間壓力差的作用下，將液體吸入葉輪�？梢�，只要葉輪不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，液體便會(huì)連續(xù)不斷地吸入和排出，達(dá)到輸送的目的。

氣縛現(xiàn)象：離心泵啟動(dòng)前泵殼和吸入管路中沒有充滿液體，則泵殼內(nèi)存有空氣，而空氣的密度又遠(yuǎn)小于液體的密度，故產(chǎn)生的離心力很小，因而葉輪中心處所形成的低壓不足以將貯槽內(nèi)液體吸入泵內(nèi)，此時(shí)雖啟動(dòng)離心泵，也不能輸送液體，此種現(xiàn)象稱為氣縛現(xiàn)象，表明

離心泵無自吸能力。因此，離心泵在啟動(dòng)前必須灌泵。

2.離心泵的主要部件

葉輪其作用為將原動(dòng)機(jī)的能量直接傳給液體，以提高液體的靜壓能與動(dòng)能（主要為靜壓能）。

泵殼具有匯集液體和能量轉(zhuǎn)化雙重功能。

軸封裝置其作用是防止泵殼內(nèi)高壓液體沿軸漏出或外界空氣吸入泵的低壓區(qū)。常用的軸封裝置有填料密封和機(jī)械密封兩種。

二、離心泵的性能參數(shù)與特性曲線1.性能參數(shù)

流量Q離心泵單位時(shí)間內(nèi)輸送到管路系統(tǒng)的液體體積，m3/s或m3/h。

壓頭（揚(yáng)程）H單位重量的液體經(jīng)離心泵后所獲得的有效能量，J/N或m液柱。效率η反映泵內(nèi)能量損失，主要有容積損失、水力損失、機(jī)械損失。軸功率P離心泵的軸功率是指由電機(jī)輸入離心泵泵軸的功率，W或kW。離心泵的有效功率Pe是指液體實(shí)際上從離心泵所獲得的功率。

PeP100%

QH102泵的有效功率：PeQHg或Pe泵的軸功率為P2.特性曲線

QHg（1kw=102kgm/s）

或PQH102

離心泵特性曲線是在一定轉(zhuǎn)速下，用20℃水測(cè)定，由H-Q、P-Q、η-Q三條曲線組成。（1）H-Q曲線：離心泵的壓頭在較大流量范圍內(nèi)隨流量的增大而減小。不同型號(hào)的離心泵，H-Q曲線的形狀有所不同。

（2）P-Q曲線：離心泵的軸功率隨流量的增大而增大，當(dāng)流量Q＝0時(shí)，泵軸消耗的功率最小。因此離心泵啟動(dòng)時(shí)應(yīng)關(guān)閉出口閥門，使啟動(dòng)功率最小，以保護(hù)電機(jī)。

（3）-Q曲線：開始泵的效率隨流量的增大而增大，達(dá)到一最大值后，又隨流量的增加而

14P

P/kW

下降。這說明離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點(diǎn)，該點(diǎn)稱為離心泵的設(shè)計(jì)點(diǎn)。一般離心泵出廠時(shí)銘牌上標(biāo)注的性能參數(shù)均為最高效率點(diǎn)下之值。高效率區(qū)通常為最高效率的92％左右的區(qū)域。

3.影響離心泵性能的主要因素

密度：ρ↑→Q不變，H不變，η基本不變，P↑；黏度：μ↑→Q↓，H↓，η↓，P↑；轉(zhuǎn)速：比例定律

Q1Q2n1n2;H1H2(n1n2);2P1P2(n1n23)

葉輪直徑：切割定律

Q1Q2D1D2;H1H2(D1D2);2P1P2(D1D23)

三、離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié)1.管路特性曲線

管路特性曲線表示在特定的管路系統(tǒng)中，輸液量與所需壓頭的關(guān)系，反映了被輸送液體對(duì)輸送機(jī)械的能量要求。

2管路特性方程HeABQ

H管路特性曲線其中Azpg，B8πg(shù)2lled5

HMH~QMH管路特性曲線僅與管路的布局及操作條件有關(guān)，而與泵的性能無關(guān)。曲線的截距A與兩貯槽間液位差z及操作壓

e~Q泵特性曲線QMQ力差p有關(guān)，曲線的陡度B與管路的阻力狀況有關(guān)。高阻力管路系統(tǒng)的特性曲線較陡峭，低阻力管路系統(tǒng)的特性曲線較平坦。

2.工作點(diǎn)

泵安裝在特定的管路中，其特性曲線H-Q與管路特性曲線He-Q的交點(diǎn)稱為離心泵的工作點(diǎn)。若該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的效率在離心泵的高效率區(qū)，則該工作點(diǎn)是適宜的。

工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量與壓頭，可利用圖解法求取，也可由

管路特性方程：Hef(Q)泵特性方程：H(Q)聯(lián)立求解。

3.流量調(diào)節(jié)

（1）改變管路特性曲線

最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)方法是在離心泵排出管線上安裝調(diào)節(jié)閥。改變閥門的開度，就是改變管路的阻力狀況，從而使管路特性曲線發(fā)生變化。

這種改變出口閥門開度調(diào)節(jié)流量的方法，操作簡(jiǎn)便、靈活，流量可以連續(xù)變化，故應(yīng)用較廣，尤其適用于調(diào)節(jié)幅度不大，而經(jīng)常需要改變流量的場(chǎng)合。但當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，不僅增加了管路的阻力，使增大的壓頭用于消耗閥門的附加阻力上，且使泵在低效率下工作，經(jīng)濟(jì)上不合理。

（2）改變泵特性曲線

通過改變泵的轉(zhuǎn)速或直徑改變泵的性能。由于切削葉輪為一次性調(diào)節(jié)，因而通常采用改變泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。

這種調(diào)節(jié)方法，不額外增加阻力，且在一定范圍內(nèi)可保持泵在高效率下工作，能量利用率高。

4.離心泵的組合操作（1）并聯(lián)操作

兩泵并聯(lián)后，流量與壓頭均有所提高，但由于受管路特性曲線制約，管路阻力增大，兩臺(tái)泵并聯(lián)的總輸送量小于原單泵輸送量的兩倍。

（2）串聯(lián)操作

兩泵串聯(lián)后，壓頭與流量也會(huì)提高，但兩臺(tái)泵串聯(lián)的總壓頭仍小于原單泵壓頭的兩倍。（3）組合方式的選擇

如果單臺(tái)泵所提供的最大壓頭小于管路兩端(zp)，則只能采用串聯(lián)操作。

g對(duì)于低阻輸送管路，并聯(lián)組合優(yōu)于串聯(lián)；而對(duì)于高阻輸送管路，串聯(lián)組合優(yōu)于并聯(lián)。四、離心泵的汽蝕現(xiàn)象與安裝高度1.汽蝕現(xiàn)象

汽蝕現(xiàn)象是指當(dāng)泵入口處壓力等于或小于同溫度下液體的飽和蒸氣壓時(shí)，液體發(fā)生汽化，氣泡在高壓作用下，迅速凝聚或破裂產(chǎn)生壓力極大、頻率極高的沖擊，泵體強(qiáng)烈振動(dòng)并發(fā)出噪聲，液體流量、壓頭（出口壓力）及效率明顯下降。這種現(xiàn)象稱為離心泵的汽蝕。

2.汽蝕余量

實(shí)際汽蝕余量NPSH

p1gu122gpVg16

允許汽蝕余量(NPSH)允p1允gu122gpVg

(NPSH)允一般由泵制造廠通過汽蝕實(shí)驗(yàn)測(cè)定。泵正常操作時(shí)，實(shí)際汽蝕余量NPSH必

須大于允許汽蝕余量(NPSH)允，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定應(yīng)大于0.5m以上。

3.離心泵的允許安裝高度

離心泵的允許安裝高度是指貯槽液面與泵的吸入口之間所允許的垂直距離。Hg允p0pVp0p1允gu122ghf01

Hg允g（NPSH）hf01允根據(jù)離心泵樣本中提供的允許汽蝕余量(NPSH)允，即可確定離心泵的允許安裝高度。實(shí)際安裝時(shí)，為安全計(jì)，應(yīng)再降低0.5～1m。

判斷安裝是否合適：若Hg實(shí)低于Hg允，則說明安裝合適，不會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，否則，需調(diào)整安裝高度。

欲提高泵的允許安裝高度，必須設(shè)法減小吸入管路的阻力。泵在安裝時(shí)，應(yīng)選用較大的吸入管路，管路盡可能地短，減少吸入管路的彎頭、閥門等管件，而將調(diào)節(jié)閥安裝在排出管線上。

五、離心泵的類型與選用1.離心泵的類型

按輸送液體性質(zhì)和使用條件，離心泵可分為以下幾種類型：

（1）清水泵：適用于輸送各種工業(yè)用水以及物理、化學(xué)性質(zhì)類似于水的其它液體。（2）耐腐蝕泵：用于輸送酸、堿、濃氨水等腐蝕性液體。（3）油泵：用于輸送石油產(chǎn)品。

（4）液下泵：通常安裝在液體貯槽內(nèi)，可用于輸送化工過程中各種腐蝕性液體。（5）屏蔽泵：用于輸送易燃易爆或劇毒的液體。2.離心泵的選用基本步驟：

（1）確定輸送系統(tǒng)的流量和壓頭

一般液體的輸送量由生產(chǎn)任務(wù)決定。如果流量在一定范圍內(nèi)變化，應(yīng)根據(jù)最大流量選泵，

并根據(jù)情況，計(jì)算最大流量下的管路所需的壓頭。

（2）選擇離心泵的類型與型號(hào)

根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)及操作條件，確定泵的類型；再按已確定的流量和壓頭從泵樣本中選出合適的型號(hào)。若沒有完全合適的型號(hào)，則應(yīng)選擇壓頭和流量都稍大的型號(hào)；若同時(shí)有幾個(gè)型號(hào)的泵均能滿足要求，則應(yīng)選擇其中效率最高的泵。

（3）核算泵的軸功率

若輸送液體的密度大于水的密度，則要核算泵的軸功率，以選擇合適的電機(jī)。1-7-2其它類型化工用泵一、往復(fù)式泵1.往復(fù)泵

（1）往復(fù)泵的構(gòu)造及工作原理

主要部件：泵缸、活塞、活塞桿、吸入閥和排出閥。工作原理：依靠活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，吸入并排出液體。（2）往復(fù)泵的流量與壓頭

單動(dòng)泵流量QTASn

當(dāng)活塞直徑、沖程及往復(fù)次數(shù)一定時(shí)，往復(fù)泵的理論流量為一定值。往復(fù)泵的壓頭與泵的幾何尺寸無關(guān)，與流量也無關(guān)。

往復(fù)泵具有正位移特性，即流量?jī)H與泵特性有關(guān)，而提供的壓頭只取決于管路狀況。（3）往復(fù)泵的流量調(diào)節(jié)

多采用旁路調(diào)節(jié)或改變活塞沖程或往復(fù)次數(shù)。

往復(fù)泵適用于輸送小流量、高壓頭、高黏度的液體，但不適于輸送腐蝕性液體及有固體顆粒的懸浮液。

2．計(jì)量泵

計(jì)量泵也為往復(fù)式泵，適用于要求輸送量十分準(zhǔn)確的液體或幾種液體按比例輸送的場(chǎng)合。3．隔膜泵

為輸送腐蝕性液體或懸浮液的往復(fù)式泵。二、旋轉(zhuǎn)泵

旋轉(zhuǎn)泵包括齒輪泵和螺桿泵，其工作原理是依靠泵內(nèi)一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)來吸液和排出液體。

旋轉(zhuǎn)泵與往復(fù)泵一樣，也具有正位移特性，因此也采用旁路調(diào)節(jié)或改變旋轉(zhuǎn)泵的轉(zhuǎn)速，

以達(dá)調(diào)節(jié)流量的目的。

1-7-3氣體輸送設(shè)備一、離心式通風(fēng)機(jī)1.工作原理與結(jié)構(gòu)

離心式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和單級(jí)離心泵相似，工作原理也與離心泵完全相同，藉蝸殼中葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力將氣體壓力提高而排出。

2.性能參數(shù)與特性曲線

流量（風(fēng)量）Q是指單位時(shí)間內(nèi)通風(fēng)機(jī)輸送的氣體體積，以通風(fēng)機(jī)進(jìn)口處氣體的狀態(tài)計(jì)，m3/s或m3/h。

風(fēng)壓pT是指單位體積的氣體流經(jīng)通風(fēng)機(jī)后獲得的能量，J/m3或Pa。

pT(p2p1)2u2

2靜風(fēng)壓ps＝(p2p1)動(dòng)風(fēng)壓pk＝

2u2

2全風(fēng)壓pTpspk

軸功率與效率

PpTQ1000

特性曲線

一定型號(hào)的離心式通風(fēng)機(jī)的特性曲線以20℃、101.3kPa的空氣作為工作介質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，包括全風(fēng)壓與流量pT-Q靜風(fēng)壓與流量ps-Q軸功率與流量P-Q和效率與流量-Q四條線。

3.離心式通風(fēng)機(jī)的選用

離心式通風(fēng)機(jī)的選用與離心泵相仿，即根據(jù)輸送氣體的風(fēng)量與風(fēng)壓，由通風(fēng)機(jī)的產(chǎn)品樣本來選擇合適的型號(hào)。但應(yīng)注意，通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與密度成正比，當(dāng)使用條件與通風(fēng)機(jī)標(biāo)定條件（20℃、101.3kPa，空氣的密度0＝1.2kg/m3）不符時(shí)，需將使用條件下的風(fēng)壓換算為標(biāo)定條件下的風(fēng)壓，才能選擇風(fēng)機(jī)。換算關(guān)系為

pT0pT0pT1.2

二、往復(fù)式壓縮機(jī)

1.往復(fù)壓縮機(jī)的工作過程

壓縮機(jī)的一個(gè)工作過程是由膨脹、吸氣、壓縮和排出四個(gè)階段組成的。余隙系數(shù)：余隙體積VA與一個(gè)行程活塞掃過的體積（VCVA）之比

VAVCVA

容積系數(shù)λ0：在一個(gè)壓縮循環(huán)中，氣體吸入的體積（VCVB）與活塞掃過的體積（VCVA）之比

0VCVBVCVA

對(duì)于多變壓縮過程，二者關(guān)系

1kp2101p1容積系數(shù)λ

0與壓縮機(jī)的余隙系數(shù)

及壓縮比（p2p1）有關(guān)。

余隙系數(shù)一定時(shí)，壓縮比越大，容積系數(shù)越小；壓縮比一定時(shí)，余隙系數(shù)越大，容積系數(shù)越小。

2．多級(jí)壓縮

壓縮比大于8時(shí)，宜采用多級(jí)壓縮多級(jí)壓縮，每級(jí)適宜壓縮比為3～5。三、真空泵

真空泵用于從設(shè)備內(nèi)或系統(tǒng)中抽出氣體，使其處于低于大氣壓下的狀態(tài)。

第二章非均相物系分離

第一節(jié)概述

混合物可以分為均相混合物和非均相混合物。

非均相混合物的特點(diǎn)是在物系內(nèi)部存在兩種以上的相態(tài)，如懸浮液、乳濁液、含塵氣體等。其中固體顆粒、微滴稱為分散相或分散物質(zhì)；而氣體、液體稱為連續(xù)相或分散介質(zhì)。

非均相物系分離的依據(jù)是連續(xù)相與分散相具有不同的物理性質(zhì)，因此可以用機(jī)械的方法將兩相分離。操作方式分為兩種：

（1）沉降分離顆粒相對(duì)于流體（靜止或運(yùn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)的過程稱沉降分離。分為重力沉降、離心沉降。

（2）過濾流體相對(duì)于固體顆粒床層運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)固液分離的過程稱過濾。

分為重力過濾、離心過濾、加壓過濾和真空過濾，也可分為恒壓過濾、先恒速后恒壓過濾。2-1-1非均相分離在工業(yè)中的應(yīng)用一、回收分散相二、凈化連續(xù)相

三、環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)2-1-2顆粒與顆粒群的特性顆粒的特性1、球形顆粒

體積V=

πd3

表面積S=πd2

比表面積S/V=6/d

2、非球形顆粒

工業(yè)上遇到的固體顆粒大多是非球形顆粒

體積當(dāng)量直徑dede=36VPSP

表面積當(dāng)量直徑desdes=

S

球形度（形狀系數(shù)）φs＝

顆粒群的特性

SP

由大小不同的顆粒組成的集合體稱為顆粒群。1、顆粒群粒徑分布

顆粒群的粒度組成情況即粒徑分布�？捎煤Y分分析法測(cè)定各種尺寸顆粒所占的分率。2、顆粒的平均粒徑

da1ni1xidixi＝

GiG

3、顆粒的密度

顆粒的真密度：當(dāng)不包括顆粒之間的空隙時(shí)，單位顆粒群體積內(nèi)顆粒的質(zhì)量，kg/m。堆積密度（表觀密度）：當(dāng)包括顆粒之間的空隙時(shí)，單位顆粒群體積內(nèi)顆粒的質(zhì)量，kg/m3。4、顆粒的粘附性和散粒性

3

第二節(jié)顆粒沉降

2-2-1顆粒在流體中的沉降過程

顆粒與流體在力場(chǎng)中作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到三個(gè)力的作用：質(zhì)量力F、浮力Fb、、曳力Fd。對(duì)于一定的顆粒和流體，重力Fg、浮力Fb一定，但曳力Fd卻隨著顆粒運(yùn)動(dòng)速度而變化。當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)速度u等于某一數(shù)值后達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)顆粒所受的諸力之和為零

F球形顆粒的自由沉降

FFbFd0

2-2-2重力沉降及設(shè)備

顆粒在重力沉降過程中不受周圍顆粒和器壁的影響，稱為自由沉降。

固體顆粒在重力沉降過程中，因顆粒之間的相互影響而使顆粒不能正常沉降的過程稱為干擾沉降。

球形顆粒在靜止流體中沉降時(shí)，顆粒受到的作用力有重力、浮力和阻力。

當(dāng)合力為零時(shí)，顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度u=ut，ut稱為沉降速度，又稱為“終端速度”。

ut=

4gd(s)3

其中是顆粒沉降時(shí)的阻力系數(shù)。并且是顆粒對(duì)流體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)Ret的函數(shù)

=f(Ret)=f(

dut)

與Ret的關(guān)系可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，如圖2-2所示。圖中將球形顆粒（φs=1）的曲線分為三個(gè)

區(qū)域，即

（1）滯流區(qū)（10-4

24Ret

（2）過渡區(qū)（2

沉降分離滿足的基本條件為θ≥θ

t或

luhut

降塵室的生產(chǎn)能力為Vsblut多層降塵室的生產(chǎn)能力為Vs(n1)blut2、沉降槽

籍重力沉降從懸浮液中分離出固體顆粒的設(shè)備稱為沉降槽。如用于低濃度懸浮液分離時(shí)亦稱為澄清器；用于中等濃度懸浮液的濃縮時(shí)，常稱為濃縮器或增稠器。

沉降槽適于處理顆粒不太小、濃度不太高，但處理量較大的懸浮液的分離。這種設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可連續(xù)操作且增稠物濃度較均勻的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是設(shè)備龐大，占地面積大、分離效率較低。

2-2-3離心沉降及設(shè)備離心沉降速度

與顆粒在重力場(chǎng)中相似，顆粒在離心力場(chǎng)中也受到三個(gè)力的作用，即慣性離心力、向心力和阻力。當(dāng)三力平衡時(shí)，顆粒在徑向上相對(duì)于流體的速度極為顆粒在此位置上的離心沉降速度ur

ur4d(s)uT3R2

重力沉降速度計(jì)算式及所對(duì)應(yīng)的流動(dòng)區(qū)域仍可用于離心沉降，僅需將重力加速度g改為離心加速度uT2/R即可。

d(s)uT如顆粒沉降過程屬于層流ut=

18R22應(yīng)注意離心沉降速度ur隨旋轉(zhuǎn)半徑R的變化而變化。離心分離因數(shù)Kc是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)

KcurutuT2Rg

Kc值愈高，離心沉降效果愈好。離心沉降設(shè)備1、旋風(fēng)分離器構(gòu)造及工作原理

主體的上部為圓柱形筒體，下部為圓錐形。

含塵氣體切向進(jìn)入旋風(fēng)分離器，旋轉(zhuǎn)過程中，顆粒在離心力的作用下被拋向器壁，與

器壁撞擊失去能量而落入錐底后，由排灰口排出。凈化后的氣體由頂部排氣管排出。

性能指標(biāo)（1）臨界粒徑dc

旋風(fēng)分離器能夠分離出的最小顆粒直徑稱為臨界粒徑。

dc9BπNsui

標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，可取N=5。（2）分離效率η

總效率0C1C2C1

粒級(jí)效率iC1iC2iC1i

0（3）壓降Δpf

ixi

氣體流經(jīng)旋風(fēng)分離器的壓降是由氣體流經(jīng)器內(nèi)時(shí)的膨脹、壓縮、旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向及對(duì)器壁

的摩擦而消耗的能量。

pf對(duì)標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分離器，＝8.0。2、旋液分離器

旋液分離器是分離懸浮液的離心沉降設(shè)備，其構(gòu)造及工作原理與旋風(fēng)分離器類似。與

后者不同的是直徑小而圓錐部分長，這樣的構(gòu)造既可以增大離心力，又可以延長停留時(shí)間。由于液體的進(jìn)口速度大，所以流動(dòng)阻力也大，對(duì)器壁的磨損較嚴(yán)重。

ui22

第三節(jié)過濾

2-3-1概述

過濾方式

深層過濾與餅層過濾過濾介質(zhì)

作用是使濾液通過，截留固體顆粒并支撐濾餅。要求其具有多孔性、耐腐蝕性及足夠

的機(jī)械強(qiáng)度。

工業(yè)常用的過濾介質(zhì)有織物介質(zhì)、多孔性固體介質(zhì)及堆積的粒狀介質(zhì)等。濾餅與助濾劑

濾餅可分為可壓縮濾餅和不可壓縮濾餅兩種。

對(duì)于不可壓縮濾餅，為了減少過濾阻力可加入一些助濾劑。助濾劑是能形成多孔餅層

的剛性顆粒，具有良好的物理、化學(xué)性質(zhì)。

使用的方法多用預(yù)涂法和摻濾法。2-3-2過濾基本方程式

過濾速率是指單位時(shí)間內(nèi)通過的濾液體積。

過濾基本方程式表示過濾過程中某一瞬間的過濾速率與各有關(guān)因素的關(guān)系。

dVdtAprv(VVe)2

恒壓過濾基本方程式

恒壓過濾的特點(diǎn)是過濾操作的總壓差恒定，隨著過濾時(shí)間的延長，濾餅厚度增大，過濾阻力增加，過濾速率降低。

V22VeVKAt

22q2qeqKt

過濾常數(shù)K、qe測(cè)定

過濾常數(shù)一般在恒壓條件下測(cè)定。在已知過濾面積的過濾設(shè)備上，用待測(cè)懸浮液在恒壓條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

tq1Kq2qeK

2-3-3過濾設(shè)備一、板框壓濾機(jī)

生產(chǎn)能力為Q二、轉(zhuǎn)鼓真空過濾機(jī)

生產(chǎn)能力為Q60n三、過濾離心機(jī)

26

3600VT

60ΨKAn2Ve2Ve

第四節(jié)過程強(qiáng)化與展望

2-4-1沉降過程的強(qiáng)化

選擇合適的分離設(shè)備是達(dá)到較高分離效率的關(guān)鍵。

對(duì)氣-固混合物系根據(jù)顆粒的粒徑分布選擇合適的分離設(shè)備。

對(duì)液-固混合物系考慮顆粒粒徑分布及其含固量大小。若顆粒粒徑很小，則需加入混凝劑或絮凝劑加速沉降。

2-4-2過濾過程的強(qiáng)化

利用助濾劑改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu)；利用混凝劑、絮凝劑改變懸浮液中顆粒聚集狀態(tài)；利用動(dòng)態(tài)過濾等新型過濾方法。

動(dòng)態(tài)過濾的典型設(shè)備為旋葉壓濾機(jī)。

第三章傳熱

第一節(jié)概述

1－1傳熱的基本方式

熱傳遞三種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

傳導(dǎo)是物體中溫度較高部分分子，通過碰撞或振動(dòng)將熱能以動(dòng)能形式傳給相鄰溫度較低部分的分子，這種物體內(nèi)分子不發(fā)生宏觀位移的傳熱方式。

對(duì)流是流體之間的宏觀相對(duì)位移所產(chǎn)生的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，將熱量由空間中一處傳到他處的現(xiàn)象。

輻射是一種以電磁波傳遞熱量的方式。

工業(yè)的換熱方法：間壁式換熱、混合式換熱和蓄熱式換熱。1－2穩(wěn)定傳熱與不穩(wěn)定傳熱

穩(wěn)定傳熱若傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度僅隨位置變而不隨時(shí)間變，則此傳熱過程為穩(wěn)定傳熱。

不穩(wěn)定傳熱若傳熱系統(tǒng)中各點(diǎn)的溫度既隨位置變又隨時(shí)間而變，則此傳熱過程為不穩(wěn)定傳熱。

第二節(jié)熱傳導(dǎo)

2－1熱傳導(dǎo)的基本概念和付立葉定律付立葉定律∶

dQdStn

式中負(fù)號(hào)表示熱流體方向與溫度梯度方向相反，即熱量從高溫傳向低溫。2－2導(dǎo)熱系數(shù)

付立葉定律中的比例系數(shù)ddStn，其值等于溫度梯度下的熱通量。因此，λ值表示

了物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是表征物質(zhì)導(dǎo)熱性能的參數(shù)，稱為導(dǎo)熱系數(shù)。2－3平壁的熱傳導(dǎo)

1．僅限于討論以下條件的熱傳導(dǎo)⑴穩(wěn)定導(dǎo)熱；

⑵平壁面積與平壁厚度相比很大，熱量只沿垂直壁面的Ｘ方向作一維傳導(dǎo)；

⑶單層或多層平壁中每層都為均質(zhì)材料，各層導(dǎo)熱系數(shù)均為不隨溫度而變化的常數(shù)。

2．通過單層平壁的導(dǎo)熱速率方程式為：Qt1t2btR

S導(dǎo)熱通量表達(dá)式為：qQStbtR

3．通過多層平壁的導(dǎo)熱速度方程，根據(jù)串聯(lián)過程的概念，利用速率與推動(dòng)力和阻力之間的關(guān)系可以表示為：

Qt1tn1ni1biiStR導(dǎo)熱通量可表示為：

2－4圓筒壁的導(dǎo)熱

1．討論僅限于如下條件：穩(wěn)定導(dǎo)熱、熱量只沿徑向傳遞的一維導(dǎo)熱、無內(nèi)熱源、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)。

2．單層圓筒壁的導(dǎo)熱速率方程：QSm(t1t2)r2r1

圓筒內(nèi)外壁面的平均值

Sm2πL(r2r1)lnr2r1r2r12πrmL

其中rmr2r1lnr2r1對(duì)于工程計(jì)算，當(dāng)

≤2時(shí)，可取rmr2r12或SmS2S12

3．多層圓筒壁導(dǎo)熱速率方程

Qt1tn1ni1bi

iSmi29

應(yīng)該注意，對(duì)于多層圓筒壁傳導(dǎo)，通過各層的導(dǎo)熱速率都相同，但熱通量則由于各層平均傳熱面積不等而各不相同。

4．導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱溫差及熱阻的關(guān)系導(dǎo)熱速率導(dǎo)熱溫度差導(dǎo)熱阻力tR

對(duì)于定態(tài)傳熱過程，通過各層的導(dǎo)熱速率均相等。

第三節(jié)對(duì)流傳熱

1.對(duì)流傳熱速率方程

流體與壁面間的對(duì)流傳熱速率由牛頓冷卻定律表達(dá)式：

dQTTw1(TTw)dS

dS對(duì)流傳熱系數(shù)和傳熱面積以及溫度差相對(duì)應(yīng)。

Q(TTw)Si

Q(twt)S0

2.對(duì)流傳熱系數(shù)的物理意義

稱為對(duì)流傳熱系數(shù)，表示流體與壁面間溫差為１℃時(shí)，單位時(shí)間通過單位面積以對(duì)流傳熱方式傳遞的熱量。表示了對(duì)流傳熱的強(qiáng)度。

第四節(jié)傳熱計(jì)算

4－1熱負(fù)荷Ｑ的確定

根據(jù)能量衡算，單位時(shí)間內(nèi)熱流體放出之熱量等于冷流體吸收的熱量，即

QWk(Hk1Hk2)Wc(Hc2Hc1)

兩流體均無相變化，則

QWkcpk(T1T2)Wccpc(t2t1)

若熱流體只有相變化而無溫度的變化，例如飽和蒸氣冷凝時(shí)，

QWkrWccpc(t2t1)

4－2總傳熱速率方程

冷、熱流體通過間壁的傳熱過程是熱流體與壁面的對(duì)流傳熱，壁內(nèi)的導(dǎo)熱和另一側(cè)壁面與冷流體的對(duì)流傳熱三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)過程。對(duì)于穩(wěn)定傳熱過程，冷、熱流體間的傳熱速率：

4－3平均溫度差1．恒溫傳熱：

tmTt

2．變溫傳熱：逆流或并流

tmt2t1lnt2t1

當(dāng)≤2時(shí)t2t12tm

3．錯(cuò)流和折流時(shí)的tm按逆流計(jì)算，加以校正，即

"tmttm

"式中tm－按逆流計(jì)算的對(duì)數(shù)平均溫差，

t－溫差校正系數(shù)，t=f(P，R)，P4－4總傳熱系數(shù)

1.外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)計(jì)算式為：

1K0d0bd01Rsid0diRs0

t2t1T1t1;RT1T2t2t1

ididm02.熱面積

傳熱面積S0πd0Ln式中：So－換熱器傳熱的外表面積，

L－換熱器管長，n－換熱器的管子根數(shù)。

第五節(jié)對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

5－1影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因數(shù)

⑴流體物性，主要是比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度和黏度；⑵流體的流動(dòng)狀態(tài)；

⑶流動(dòng)的原因是強(qiáng)制對(duì)流還是流體自然對(duì)流；⑷傳熱面的形狀、位置和大��；⑸傳熱過程中有無相態(tài)變化。5－2無相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的關(guān)聯(lián)式

由對(duì)流傳熱過程的因次分析知，與對(duì)流傳熱有關(guān)的準(zhǔn)數(shù)有：努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu=

l；雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=

lu；

gtl232普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr=

cp；格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)Gr=。

對(duì)不同的傳熱情況，需選用不同的對(duì)流傳熱的關(guān)聯(lián)式，注意關(guān)聯(lián)式的使用條件：適用范圍、定性溫度、特征尺寸。1．流體在管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流

（1）流體在圓管內(nèi)作強(qiáng)制湍流①低黏度流體(2常溫水)

Nu=0.023Re0.8Prn

流體被加熱時(shí)，n=0.4；流體被冷卻時(shí)，n=0.3。應(yīng)用范圍Re＞10000，0.7＜Pr＜120

0.7d0.8ni60,0.023RePr1若didiLRetL特征尺寸管內(nèi)徑di。

定性溫度流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。②高黏度流體(2常溫水)

0.83Nu0.023RePrw10.14

應(yīng)用范圍Re＞10000，0.7＜Pr＜16700，

Ldi＞60

特征尺寸管內(nèi)徑di。

定性溫度除w取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。

令

＝w0.14，為了避免試差，u項(xiàng)可取近似值，液體被加熱時(shí)取1.05；液體被

冷卻時(shí)取0.95；氣體被加熱和冷卻時(shí)均用1.0。

（2）流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制滯流

1/31/3dNu1.86RePriL1/3w0.14

應(yīng)用范圍Re＜2300，0.6＜Pr＜6700，RePrdi＞100。L特征尺寸管內(nèi)徑di。

定性溫度除w取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。（3）流體在彎管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流

式中′－彎管中的對(duì)流傳熱系數(shù)；

－直管中的對(duì)流傳熱系數(shù)；

d－管內(nèi)徑；

R－彎管的彎曲半徑。

（4）流體在非圓形管中作強(qiáng)制對(duì)流

仍可采用圓形直管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流關(guān)聯(lián)式，管內(nèi)徑改為當(dāng)量直徑：流體力學(xué)當(dāng)量直徑de4流通截面積潤濕周邊

傳熱當(dāng)量直徑de4流通截面積傳熱周邊

在傳熱計(jì)算中，采用流體力學(xué)當(dāng)量直徑還是傳熱當(dāng)量直徑，由具體的關(guān)聯(lián)式?jīng)Q定。2．流體在管外作強(qiáng)制對(duì)流

列管式換熱器殼方流體在管間流動(dòng)時(shí)，對(duì)流傳熱系數(shù)：

當(dāng)列管式換熱器裝有圓缺型擋板時(shí)（缺口面積為25%的橋題解面積）

deu00.36de0.551/3Prw0.14

應(yīng)用范圍Re=2×～1×

特征尺寸管內(nèi)徑de。

定性溫度除w取壁溫外，均取流體進(jìn)、出口溫度的算數(shù)平均值。當(dāng)量直徑的計(jì)算

24(tπ4d0)2管子為正方形排列deπd0

4(32tπd02π4d0)2管子為正三角形排列de

式中t－相鄰兩管之中心距；

do－管外徑。

雷諾準(zhǔn)數(shù)中的速度需根據(jù)流過管間的最大截面積A計(jì)算，即

式中h－兩擋板間的距離；

D－換熱器外殼直徑。

5－3流體有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)1．蒸氣在管外膜狀冷凝的傳熱系數(shù)（1）飽和蒸氣在垂直管或垂直板上膜狀冷凝Re＜18001.13(rg23Lt2)1/4

Re＞18000.0077(g23)1/3Re0.4

特征尺寸取垂直管長或板的高度

定性溫度蒸氣冷凝潛熱r取飽和溫度ts下的值，其余物性取液膜平均溫度

tm(twts)/2下的值。

（2）蒸氣在水平管外冷凝

第六節(jié)輻射傳熱

6－1黑體、鏡體、透熱體和灰體的概念

１．黑體：能全部吸收輻射能的物體，其吸收率Ａ＝１。黑體又稱為絕對(duì)黑體。２．鏡體：又稱絕對(duì)白體，是指能全部反射輻射能，即反射率Ｒ＝１的物體。３．透熱體：能透過全部輻射能，即透過全部輻射能，即透過率Ｄ＝１的物體。４．灰體：能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞所有波長范圍的輻射能物體。6－2斯蒂芬－波爾茨曼定律

１.物體的輻射能力指物體在一定溫度下，單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量Ｅ（Ｗ／m2）。

２．黑體的輻射能力的表達(dá)式－斯蒂芬－波爾茨曼定律：

6－3灰體的輻射能力及黑度

１．黑度：ε灰體的輻射能力E與同溫度下黑體輻射能力之比。即

２．灰體的輻射能力E可由下式表達(dá)

第七節(jié)換熱器

1．各種類型的換熱器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)套管式換熱器

套管式換熱器是由兩種大小不同的標(biāo)準(zhǔn)管連接或焊接而成的同心圓套筒，根據(jù)換熱要求，可將幾段套筒連接起來組成換熱器。

夾套式換熱器

夾套式換熱器主要用于反應(yīng)器的加熱或冷卻。夾套安裝在容器外部，通常用鋼或鑄鐵制成，可以焊在器壁上或者用螺釘固定在反應(yīng)器的法蘭盤或者器蓋上。在用蒸氣進(jìn)行加熱時(shí)，蒸氣由上部連接管進(jìn)入夾壁，冷凝水由下部連接管流出。在進(jìn)行冷卻時(shí)，則冷卻水由下部進(jìn)入，而由上部流出。

板式換熱器

主要由一組長方形的薄金屬板平行排列、夾緊組裝于支架上而構(gòu)成。兩相鄰板片的邊緣襯有墊片，壓緊后可達(dá)到密封的目的，且可用墊片的厚度調(diào)節(jié)兩板間流體通道的大小。每塊板的四個(gè)角上，各開一個(gè)圓孔，其中有兩個(gè)圓孔和板面上的流道相通，另外兩個(gè)圓孔則不相通，它們的位置在相鄰板上是錯(cuò)開的，以分別形成兩流體的通道。冷、熱流體交替地在板片兩側(cè)流過，通過金屬板片進(jìn)行換熱。

翅片式換熱器

翅片換熱器的構(gòu)造特點(diǎn)是在管子表面上有徑向或軸向翅片。管外裝置翅片，既可擴(kuò)大傳熱面積，又可增加流體的湍動(dòng)，從而提高換熱器的傳熱效果。

板翅式換熱器

板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)型式很多，但其基本結(jié)構(gòu)元件相同，即在兩塊平行的薄金屬板(平隔板)間，夾入波紋狀的金屬翅片，兩邊以側(cè)條密封，組成一個(gè)單元體。將各單元體進(jìn)行不同的疊積和適當(dāng)?shù)嘏帕�，再用釬焊給予固定，即可得到常用的逆、并流和錯(cuò)流的板翅式換熱器

板翅式換熱器的主要優(yōu)點(diǎn)有：

(1)總傳熱系數(shù)高，傳熱效果好。(2)結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧牢固。(3)適應(yīng)性強(qiáng)、操作范圍廣。

板翅式換熱器的缺點(diǎn)有：

(1)設(shè)備流道小，易堵塞，壓力降大；清洗和檢修很困難。

(2)隔板和翅片由薄鋁片制成，故要求介質(zhì)對(duì)鋁不發(fā)生腐蝕。2．列管式換熱器傳熱計(jì)算的主要內(nèi)容及方法；選適當(dāng)?shù)膿Q熱器。

試算并初選設(shè)備規(guī)格

(1)確定流體在換熱器中的流動(dòng)途徑；(2)根據(jù)傳熱任務(wù)計(jì)算熱負(fù)荷Q；

(3)確定流體在換熱器兩端的溫度，選擇列管換熱器的型式；計(jì)算定性溫度，并確定在定性溫度下的流體物性；

(4)計(jì)算平均溫度差，并根據(jù)溫度差校正系數(shù)不應(yīng)小于0.8的原則，決定殼程數(shù)；(5)依據(jù)總傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值范圍，或按生產(chǎn)實(shí)際情況，選定總傳熱系數(shù)K值；(6)由總傳熱速率方程QKStm，初步算出傳熱面積S，并確定換熱器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)備規(guī)格。計(jì)算管程、殼程壓強(qiáng)降

根據(jù)初定的設(shè)備規(guī)格，計(jì)算管程、殼程流體的流速和壓力降，檢查計(jì)算結(jié)果是否合理或滿足工藝要求。若壓力降不符合要求，要調(diào)整流速，再確定管程數(shù)或折流板間距，或選擇另一規(guī)格的換熱器，重新計(jì)算壓力降直至滿足要求為止。核算總傳熱系數(shù)

計(jì)算管程、殼程對(duì)流傳熱系數(shù)，確定污垢熱阻Rsi和Rso，再計(jì)算總傳熱系數(shù)K’比較K的初設(shè)值和計(jì)算值，若K’／K＝1.15～1.25，則初選的換熱器合適，否則需另設(shè)K值，重復(fù)以上計(jì)算步驟。

上述計(jì)算步驟僅為一般原則，設(shè)計(jì)換熱器時(shí)，視具體情況可以靈活變動(dòng)。3．傳熱過程的強(qiáng)化途徑

(１)增大傳熱面積；增大換熱器單位體積的傳熱面積。

(２)增大平均傳熱溫差。平均溫差的大小取決于兩流體的溫度和流動(dòng)方式，采用逆流操作可獲得較大的傳熱溫差。

(３)增大總傳熱系數(shù)。提高Ｋ值必須減少各項(xiàng)熱阻。減少熱阻的方法有：提高對(duì)流傳熱系數(shù)（加大流速）；防止結(jié)垢或及時(shí)清除垢層等。

由于各項(xiàng)熱阻在總熱阻中所占的比重不同，只有設(shè)法大幅度減少對(duì)Ｋ值影響較大的熱阻才能有效地增加總傳熱系數(shù)。

第四章蒸發(fā)

第一節(jié)概述

一、蒸發(fā)操作及其在工業(yè)中的應(yīng)用

蒸發(fā)操作主要用于提高溶質(zhì)的濃度；濃縮溶液和回收溶劑；獲得純凈的溶劑等。二、蒸發(fā)操作的特點(diǎn)

蒸發(fā)操作是將溶液加熱至沸點(diǎn)，使其中揮發(fā)性溶劑與不揮發(fā)性溶質(zhì)的分離過程。蒸發(fā)操作進(jìn)行的條件是供給溶劑汽化所需的熱量，并將產(chǎn)生的蒸氣及時(shí)排除。蒸發(fā)器的加熱室通常采用間壁式換熱器，其兩側(cè)為恒溫。蒸發(fā)過程的特點(diǎn)是（與傳熱相比較）：

1．因溶液沸點(diǎn)升高等因素會(huì)引起溫度差損失；

2．因蒸發(fā)過程耗熱量很大，所以應(yīng)充分考慮熱能利用；

3．因處理物料性質(zhì)不同，故需充分考慮物料的特性及工藝條件，再選擇或設(shè)計(jì)適宜的蒸

發(fā)器。

三、蒸發(fā)操作的分類

可按蒸發(fā)模式、按操作條件（壓力）及效數(shù)等進(jìn)行分類。

第二節(jié)單效蒸發(fā)與真空蒸發(fā)

一、單效蒸發(fā)流程

蒸發(fā)器由加熱器和蒸發(fā)室組成，此外還需除沫器、冷凝器等。二、單效蒸發(fā)的設(shè)計(jì)計(jì)算1.蒸發(fā)水量的計(jì)算

蒸發(fā)操作中，由于溶質(zhì)是不揮發(fā)物質(zhì)，因此，蒸發(fā)前后其質(zhì)量不變，對(duì)它作物料衡算，可得蒸發(fā)量，即

WF(1完成液的濃度為x12.加熱蒸氣消耗量的計(jì)算加熱蒸氣用量由熱量衡算確定。

若只利用加熱蒸氣的冷凝潛熱，則冷凝液在飽和溫度下排出，其用量為

D

x0x1)

Fx0FW

FC0(t1t0)Wr"QLr38

若溶液為沸點(diǎn)加熱，且不計(jì)熱損失，則為

DWr"r

式中：D/W稱為單位蒸氣消耗量，r為加熱蒸氣的冷凝潛熱；r為二次蒸氣的冷凝潛熱。

3.蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算AQKtmDrK(Tt1)

（1）傳熱平均溫度差Δtm的確定

在蒸發(fā)操作中傳熱的平均溫度差應(yīng)為tmTt1，稱為有效溫度差，式中T為加熱蒸氣的溫度；t1為溶液的沸點(diǎn)，此值需通過計(jì)算獲得。

若蒸發(fā)操作的熱源為飽和水蒸氣，則T可由水蒸氣表查得。

溶液的沸點(diǎn)t1，通常是根據(jù)冷凝器的壓力p，查飽和水蒸氣表得二次蒸氣得冷凝溫度T’，再計(jì)算出各種溫度差損失Δ后，用下式計(jì)算：

t1TΔ

"溫度差損失包括：a.溶液的沸點(diǎn)升高Δ"

Δ"fΔ"常

Δ’

常

為溶液在常壓下因溶質(zhì)存在而較純?nèi)軇�（水）的沸點(diǎn)升高值，即Δ常tAT"，其

1中tA為常壓下溶液的沸點(diǎn)，可由手冊(cè)查取。

若蒸發(fā)操作在加壓或真空條件下進(jìn)行，則Δ’常需乘以校正系數(shù)f0.0162(T"273)r"2

式中T’和r’均指操作壓力下二次蒸氣的飽和溫度和汽化潛熱。

b.液柱靜壓頭引起的溶液沸點(diǎn)升高Δ""

蒸發(fā)器加熱室中有一定液位，因液面下的壓力比液面表面壓力高，則液面下的沸點(diǎn)比液面上的高，二者之差稱為液柱靜壓頭引起的溶液沸點(diǎn)升高，以Δ""表示，其值用料液高度一半處的壓力pavp"avgh2，并用Δ""tavtb進(jìn)行近似計(jì)算，

式中tav、tb分別為pav、p＇壓力水蒸氣的飽和溫度。

c.管道阻力產(chǎn)生壓降引起的溫度差損失Δ"""

該損失是二次蒸氣由分離室出口到冷凝器之間的壓降所造成的溫度差損失，通常取

Δ"""=1℃。

因此，蒸發(fā)過程中的總溫度差損失Δ為

Δ＝Δ"＋Δ""＋Δ"""

溶液的沸點(diǎn)t1t1tc"Δtc"Δ"Δ""Δ"""

（2）總傳熱系數(shù)K的確定蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)可按下式計(jì)算

K11iRibR01

0上式影響K值各因素中，往往是Ri和i成為其設(shè)計(jì)和操作中的主要問題。由于蒸發(fā)過程中，加熱面處溶液中的水分汽化，濃度上升,因此溶液很易超過飽和狀態(tài)，溶質(zhì)析出并包裹固體雜質(zhì)，附著于表面，形成污垢，所以Ri往往是蒸發(fā)器總熱阻的主要部分。為降低污垢熱阻，工程中常采用的措施有：加快溶液循環(huán)速度，在溶液中加入晶種和微量的阻垢劑等。影響i的因素很多，如溶液的性質(zhì)，沸騰傳熱的狀況，操作條件和蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)等。提高i的有效辦法是增加溶液的循環(huán)速度和湍動(dòng)程度等。

通�？倐鳠嵯禂�(shù)K仍主要靠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)確定，設(shè)計(jì)時(shí)也可查表取值估計(jì)。三、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力與生產(chǎn)強(qiáng)度1、蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力

蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力可用單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分量來表示。由于蒸發(fā)水分量取決于傳熱量的大小，因此其生產(chǎn)能力也可表示為

QKA(Tt1)Dr

2、蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度

蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度u簡(jiǎn)稱蒸發(fā)強(qiáng)度，是指單位時(shí)間單位傳熱面積上所蒸發(fā)的水量，kg/(m2h)

uWA

"若為沸點(diǎn)進(jìn)料，且不計(jì)熱損失，根據(jù)QKAtmDrWr，則uWAKtmr"

‘由上式可知，若蒸發(fā)操作的壓力一定，則二次蒸氣的汽化熱r也可視為常數(shù)，因此，欲

提高蒸發(fā)器的生產(chǎn)強(qiáng)度，主要途徑是提高總傳熱系數(shù)K和傳熱溫度差Δtm（T－t1）。前者，上面已述。提高傳熱溫度差的方法:采用真空蒸發(fā)或選用高溫?zé)嵩�，如高溫�?dǎo)熱油、熔鹽或用電加熱等。

第三節(jié)多效蒸發(fā)

采用多效蒸發(fā)的目的是為了減少新鮮蒸氣用量，具體方法是將前一效的二次蒸氣作為后一效的加熱蒸氣。

一、多效蒸發(fā)流程

1．并流流程即加熱蒸氣和原料液均順次流經(jīng)各效。這種加料的特點(diǎn)是前一效到后一效可自動(dòng)加料，后一效中的物料會(huì)產(chǎn)生自蒸發(fā)，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度會(huì)隨效數(shù)的增加而增大，使傳熱系數(shù)逐效下降，所以并流加料不適宜處理隨濃度增加而增加較高的物料。

2．逆流流程即加熱蒸氣走向與并流相同，而物料走向則與并流相反。這種加料的特點(diǎn)是各效中的傳熱系數(shù)較均勻，適于處理黏度隨溫度變化較大的物料。

3．平流流程即加熱蒸氣走向與并流相同，但原料液和完成液則分別從各效中加入和排出。這種流程適用于處理易結(jié)晶物料。

二、多效蒸發(fā)設(shè)計(jì)計(jì)算

多效蒸發(fā)需要計(jì)算的內(nèi)容有：各效蒸發(fā)水量、加熱蒸氣消耗量及傳熱面積。由于其效數(shù)多，未知數(shù)也多，所以計(jì)算遠(yuǎn)較單效蒸發(fā)復(fù)雜。因此目前已采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算。但基本依據(jù)和原理仍然是物料衡算，熱量衡算及傳熱速率方程。鑒于計(jì)算中出現(xiàn)未知參數(shù)，因此常采用試差法，其步驟如下：

1.根據(jù)物料衡算求出總蒸發(fā)量；

2.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定各效蒸發(fā)量，再估算各效溶液濃度。通常各效蒸發(fā)量可按各效蒸發(fā)量相等的原則設(shè)定，即

W1W2Wn

并流加料的蒸發(fā)過程，由于有自蒸發(fā)現(xiàn)象，則可按如下比例設(shè)定：

若為兩效W1:W21:1.1若為三效W1:W2:W31:1.1:1.2根據(jù)設(shè)定得到各效蒸發(fā)量后，即可通過物料衡算求出各完成液的濃度；

3.設(shè)定各效操作壓力以求各效溶液的沸點(diǎn)。通常按各效等壓降原則設(shè)定，即相鄰兩效間的

壓差為:

PP1Pcn

4.應(yīng)用熱量衡算求出各效的加熱蒸氣用量和蒸發(fā)水量；

5.按照各效傳熱面積相等的原則分配各效的有效溫度差，并根據(jù)傳熱效率方程求出各效的傳熱面積；

6.校驗(yàn)各效傳熱面積是否相等，若不等，則還需重新分配各效的有效溫度差，重新計(jì)算，直到相等或相近時(shí)為止。

三、多效蒸發(fā)效數(shù)的限制

單效和多效蒸發(fā)過程中均存在溫度差損失。若二者的操作條件相同，即加熱蒸氣壓力和冷凝器壓力相同時(shí)，多效蒸發(fā)的溫度差損失較單效時(shí)的大，而且效數(shù)越多，溫度差損失將越大。不難理解，隨著效數(shù)的增加，分配到各效的有效溫度差就越小，這將導(dǎo)致設(shè)備的生產(chǎn)強(qiáng)度下降。若欲完成一定的生產(chǎn)強(qiáng)度，則設(shè)備加熱面積必須增大，使投資增加。通常，工程上以三效為多。

四、蒸發(fā)過程的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能

蒸發(fā)過程是一個(gè)能耗較大的單元操作，通常把能耗也作為評(píng)價(jià)其優(yōu)劣的另一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，或稱為加熱蒸氣的經(jīng)濟(jì)性，其定義為1kg蒸氣可蒸發(fā)的水分量，即

EWD

額外蒸氣的引出，供其它設(shè)備使用，可大大提高其經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還降低了冷凝器的負(fù)荷，減少冷卻水量。

采用熱泵蒸發(fā)也是提高經(jīng)濟(jì)性、減少能耗的有效措施。

此外，充分利用冷凝水和冷凝水顯熱也是工程上采用的方法，不過它不適用于蒸氣直接冷凝的場(chǎng)合。

第四節(jié)蒸發(fā)設(shè)備

一、了解各種蒸發(fā)器的工作原理、結(jié)構(gòu)、操作特點(diǎn)和應(yīng)用范圍二、了解蒸發(fā)器的選型原則

三、了解蒸發(fā)器附屬設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用場(chǎng)合

四、熟悉蒸發(fā)過程與設(shè)備的強(qiáng)化途徑及開發(fā)新型設(shè)備的創(chuàng)新思路。

第五章吸收

5．1概述

5．1．1化工生產(chǎn)中的傳質(zhì)過程

傳質(zhì)分離過程:利用物系中不同組分的物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的差異來造成一個(gè)兩相物系，使其中某一組分或某些組分從一相轉(zhuǎn)移到另一相，即進(jìn)行相際傳質(zhì)，并由于混合物中各組分在兩相間平衡分配不同，則可達(dá)到分離的目的。

以傳質(zhì)分離過程為特征的基本單元操作：氣體吸收,液體蒸餾,固體干燥,液-液萃取,結(jié)晶,吸附,膜分離等。本章介紹氣體吸收。5．1．2相組成表示法

1．質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)）

質(zhì)量分?jǐn)?shù)：是指在混合物中某組分的質(zhì)量占混合物總質(zhì)量的分率。

wAmAm

摩爾分率：摩爾分率是指在混合物中某組分的摩爾數(shù)nA占混合物總摩爾數(shù)n的分率。

氣相：yAnAnnAn

液相：xA質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分率的關(guān)系為：

xA＝

wA/MwA/MAAwB/MBwN/M

N2．質(zhì)量比與摩爾比

質(zhì)量比：是指混合物中某組分A的質(zhì)量與惰性組分B（不參加傳質(zhì)的組分）的質(zhì)量之比。

aAmAmB

摩爾比：是指混合物中某組分A的摩爾數(shù)與惰性組分B（不參加傳質(zhì)的組分）的摩爾數(shù)之比。

YAnAnBnAnB

XA

質(zhì)量分?jǐn)?shù)與質(zhì)量比的關(guān)系為

wAaA1aAwA1-wA

aA摩爾分率與摩爾比的關(guān)系為

x

X1XY1Yx1-x

yX

Y3．質(zhì)量濃度與摩爾濃度

y1-y

質(zhì)量濃度定義為單位體積混合物中某組分的質(zhì)量。

GAmAV

摩爾濃度是指單位體積混合物中某組分的摩爾數(shù)。

cAnAV

質(zhì)量濃度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系為

GAwA

摩爾濃度與摩爾分率的關(guān)系為

cAxAc

4．氣體的總壓與理想氣體混合物中組分的分壓

壓力不太高（通常小于500kPa），溫度不太低時(shí)，總壓與某組分的分壓之間的關(guān)系為

pApyA

摩爾比與分壓之間的關(guān)系為

YApAppA

摩爾濃度與分壓之間的關(guān)系為

cAnAVpART

5．1．3氣體吸收過程

吸收操作的依據(jù)：是混合物各組分在某種溶劑（吸收劑）中溶解度（或化學(xué)反應(yīng)活性）的差異。

一個(gè)完整的吸收分離流程包括吸收和解吸兩部分。能耗主要在解吸過程。5．1．4氣體吸收過程的應(yīng)用

（1）分離混合氣體以獲得一定的組分或產(chǎn)物；（2）除去有害組分以凈化或精制氣體；（3）制備某種氣體的溶液；（4）工業(yè)廢氣的治理；

實(shí)際吸收過程往往同時(shí)兼有凈化和回收等多重目的。5．1．5吸收劑的選用

在選擇吸收劑時(shí)，應(yīng)從以下幾方面考慮：

（1）溶解度；（2）選擇性；（3）溶解度對(duì)操作條件的敏感性；（4）揮發(fā)度；（5）黏性；（6）化學(xué)穩(wěn)定性；（7）腐蝕性；（8）其它等要求。5．1．6吸收過程的分類1．物理吸收和化學(xué)吸收

在吸收過程中溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)，稱為物理吸收。如果在吸收過程中，溶質(zhì)與溶劑發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)，則此吸收操作稱為化學(xué)吸收。2．單組分吸收與多組分吸收

在吸收過程中，若混合氣體中只有一個(gè)組分被吸收，其余組分可認(rèn)為不溶于吸收劑，則稱之為單組分吸收；如果混合氣體中有兩個(gè)或多個(gè)組分進(jìn)入液相，則稱為多組分吸收。3．等溫吸收與非等溫吸收

若熱效應(yīng)很小，或被吸收的組分在氣相中的濃度很低，而吸收劑用量很大，液相的溫度變化不顯著，則可認(rèn)為是等溫吸收。若吸收過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)熱很大，液相的溫度明顯變化，則該吸收過程為非等溫吸收過程。4．低濃度吸收與高濃度吸收

被吸收的數(shù)量多時(shí)，稱為高濃度吸收；反之，吸收稱為低濃度吸收。對(duì)于低濃度吸收，可認(rèn)為氣液兩相流經(jīng)吸收塔的流率為常數(shù)，因溶解而產(chǎn)生的熱效應(yīng)很小，引起的液相溫度變化不顯著，故低濃度的吸收可視為等溫吸收。

本章重點(diǎn)研究低濃度、單組分、等溫的物理吸收過程。5．2氣液相平衡關(guān)系

5．2．1氣體在液體中的溶解度1．亨利定律

總壓不高（譬如不超過5×10Pa）時(shí)，在一定溫度下，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比，其比例系數(shù)為亨利系數(shù)。

5

pAEx*

當(dāng)氣體混合物和溶劑一定時(shí)，亨利系數(shù)僅隨溫度而改變，對(duì)于大多數(shù)物系，溫度上升，E值增大，氣體溶解度減少。在同一種溶劑中，難溶氣體的E值很大，溶解度很��；而易溶氣體的E值則很小，溶解度很大。

亨利定律不同的表達(dá)形式：

*（1）pAcAH

溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)系為：

1HEMSS

溶解度系數(shù)H也是溫度、溶質(zhì)和溶劑的函數(shù)，但H隨溫度的升高而降低，易溶氣體H值較大，難溶氣體H值較小。（2）y*mx

相平衡常數(shù)m與亨利系數(shù)E的關(guān)系為：mEp

相平衡常數(shù)m隨溫度、壓力和物系而變化。當(dāng)物系一定時(shí)，若溫度降低或總壓升高，則m值變小，液相溶質(zhì)的濃度x增加，有利于吸收操作。（3）Y*mX

5．2．2相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用1．判斷過程進(jìn)行的方向

吸收過程的充分必要條件是

yy或x

反之，解吸過程。2．指明過程進(jìn)行的極限

平衡狀態(tài)是吸收過程的極限。3．確定過程的推動(dòng)力

（yy*）為以氣相中溶質(zhì)摩爾分率差表示吸收過程的推動(dòng)力；（x*x）為以液相中溶質(zhì)的摩爾分率差表示吸收過程的推動(dòng)力；(pA－p*A)為以氣相分壓差表示的吸收過程推動(dòng)力，(cA－cA)為以液相摩爾濃度差表示的吸收過程推動(dòng)力。5．3單相傳質(zhì)

5．3．1定態(tài)的一維分子擴(kuò)散1．分子擴(kuò)散與菲克定律

分子擴(kuò)散：在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。

擴(kuò)散通量；單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積擴(kuò)散的物質(zhì)量，稱為擴(kuò)散通量（擴(kuò)散速率），以符號(hào)J表示，單位為kmol/(m2s)。

菲克定律數(shù)學(xué)表達(dá)式為JADABdcAdz*

**

在雙組分混合物中，組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)等于組分B在組分A中的擴(kuò)散系數(shù)。即DAB=DBA=D2．等分子反向擴(kuò)散

傳質(zhì)速率定義為：在任一固定的空間位置上，單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳遞方向的單位面積傳遞的物質(zhì)量，記作N。

單純等分子反向擴(kuò)散速率方程積分式：

氣相：NA

Dz(cA1cA2)

液相：NA3．單向擴(kuò)散及速率方程液相：NADczcBmDRTz(pA1pA2)

(cA1cA2)

式中cBmcB2cB1lncB2cB1

氣相：NADpRTzpBm(pA1pA2)

式中pBmpB2pB1lnpB2pB1。

ppBm、

ccSm稱為“漂流因子”或“移動(dòng)因子”，無因次。

漂流因子的意義：漂流因子的大小反映了總體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響程度，溶質(zhì)的濃度愈大，其影響愈大。其值為總體流動(dòng)使傳質(zhì)速率較單純分子擴(kuò)散增大的倍數(shù)。

漂流因子特點(diǎn)：

ppBm1或

ccSm1；當(dāng)混合物中溶質(zhì)A的濃度較低時(shí)

ppBm1，

ccSm1。

5．3．2分子擴(kuò)散系數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)的物理意義為：?jiǎn)挝粷舛忍荻认碌臄U(kuò)散通量，單位為m2/s。即：

DJAdcAdz

擴(kuò)散系數(shù)反映了某組分在一定介質(zhì)（氣相或液相）中的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)特性常數(shù)之一。其值隨物系種類、溫度、濃度或總壓的不同而變化。1．氣體中的擴(kuò)散系數(shù)

通常氣體中的擴(kuò)散系數(shù)在壓力不太高的條件下，僅與溫度、壓力有關(guān)。在常壓下，氣體擴(kuò)散系數(shù)的范圍約為10-5～10-4m2/s。通常氣體中的擴(kuò)散系數(shù)與溫度T的1.5次方成正比，與p

成反比。2．液體中的擴(kuò)散系數(shù)

溶質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)與物質(zhì)的種類、溫度有關(guān)，同時(shí)與溶液的濃度密切相關(guān)，溶液濃度增加，其黏度發(fā)生較大變化，溶液偏離理性溶液的程度也將發(fā)生變化。其值一般在1×10～1×10m/s范圍內(nèi)，液體中的擴(kuò)散系數(shù)通常與溫度T成正比，與液體的黏度成反比。5．3．3單相對(duì)流傳質(zhì)機(jī)理

對(duì)流傳質(zhì)：流動(dòng)著的流體與壁面之間或兩個(gè)有限互溶的流動(dòng)流體之間發(fā)生的傳質(zhì)，通常稱為對(duì)流傳質(zhì)。

渦流擴(kuò)散：由于質(zhì)點(diǎn)的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，相互碰撞和混合，組分會(huì)從高濃度向低濃度方向傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴(kuò)散。

有效膜：把對(duì)流傳質(zhì)的阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴(kuò)散。

5．3．4單相對(duì)流傳質(zhì)速率方程1．氣相對(duì)流傳質(zhì)速率方程

NAkG(pApAi)，NAkG(pApAi)，NAky(yyi)，NAkY(YYi)

-10

-92

式中kG以氣相分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2skPa）；

ky以氣相摩爾分率差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；kY以氣相摩爾比差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（ms）。氣相傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系：kypkG

kYpkG

2

2．液相對(duì)流傳質(zhì)速率方程

NAkL(cAicA)

NAkx(xix)

NAkX(XiX)

式中kL以液相摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；

kx以液相摩爾分率差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；

。kX以液相摩爾比差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（ms）液相傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系：kxckL

kXckL

2

5．4相際對(duì)流傳質(zhì)及總傳質(zhì)速率方程5．4．1雙膜理論雙膜模型的基本假設(shè)：

（1）相互接觸的氣液兩相存在一個(gè)穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)分別存在著穩(wěn)定的氣膜和液膜。膜內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)為層流，溶質(zhì)A以分子擴(kuò)散方式通過氣膜和液膜，由氣相主體傳遞到液相主體。

（2）相界面處，氣液兩相達(dá)到相平衡，界面處無擴(kuò)散阻力。

（3）在氣膜和液膜以外的氣液主體中，由于流體的充分湍動(dòng)，溶質(zhì)A的濃度均勻，溶質(zhì)主要以渦流擴(kuò)散的形式傳質(zhì)。

5．4。2吸收過程的總傳質(zhì)速率方程1．氣相總傳質(zhì)速率方程：

NAKG(pApA)

*NAKy(yy)

NAKY(YY)

*式中KG以氣相分壓差（pApA）表示推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2skPa）；

***2

Ky以氣相摩爾分率差（yy）表示推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（ms）；

KY以氣相摩爾比差（YY*）表示推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）。2．液相總傳質(zhì)速率方程：

NAKL(cAcA)NAKx(xx)

**NAKX(X*X)

*式中KL以液相濃度差（cAcA）表示推動(dòng)力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，m/s；

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