《化工原理》课程总结及先进应用

一、       纲要

1、   概述

2、   历史沿革（历史事件）

3、   地位和作用

4、   单元操作

5、   工程观点

6、   单元操作计算

7、   知识总结

8、   先进应用例子

二、       概述

  这门课程是承前启后、有理及工得桥梁。又是个化工专业课程的基础。本课程注重实际和理论的结合，加强实践环节的训练。整个化工基础课程是以化工原理为核心，以化工热力学和化学反应工程为基础，以分离工程和传递工程作为化工原理的进一步拓展为框架的体系。因而对化学工程与工艺本科教育，应在学习物理化学的基础上，学习化工热力学和化学反应工程，以适应专业的调整，加强化工基础教育。并有针对性地进行典型的化工单元操作课程实习，开拓了学生的视野，提高了创新能力。

三、       历史沿革（历史事件、标志事件）

  在19世纪末英国学者G.E.戴维斯便提出了这种观点，但当时未引起足够重视。1915年美国学者A.D.利特尔首先提出单元操作这一概念,明确指出:“任何化工生产过程不论规模如何，皆可分解为一系列名为单元操作的过程，例如粉碎、混合、加热、吸收、冷凝、浸取、沉降、结晶、过滤、……等。”1923年W.H.华克尔，W.K.刘易斯和W.H.麦克亚当斯等合著的《Principles of Chemical Engineering》一书出版，成为第一本全面阐述单元操作的著作。从此单元操作得到了广泛重视，成为化学工程中的奠基学科，常称为化工原理。

1952年由华东理工大学(原华东化工学院)苏元复、张震旦、王承明编译，龙门联合书局印行出版发行的《化工原理》上下册是我国最早的化工原理教材。1956年7月由张洪源、丁绪淮、顾毓珍(本校)编写、高等教育出版社出版的《化工过程与设备》上下册是我国早期的化工原理课程统编教材。1956年7月由张洪源、丁绪淮、顾毓珍(本校)编写、高等教育出版社出版的《化工过程与设备》上下册是我国早期的化工原理课程统编教材。

历史事件

1915年：Little A. D提出“单元操作”概念，美国的化学工程进入单元操作研究阶段；

    1922年：Robinson C. S.出版《精馏原理》

    1923年：Walker W. H, Lewis W. K.和Mcadams W. H.合著《Principles of Chemical Engineering》

    1923年：Mcadams W. H.出版《热量传递》

    1926年：Lewis W. K.出版《化工计算》；Robinson C. S.出版《蒸发》

    1950年：Brown G. G.出版《单元操作》，总结40年单元操作的研究成果

   1952年：华东化工学院苏元复、张震旦、王承明编译，龙门联合书局印行出版发行的《化工原

               理》上下册是我国最早的化工原理教材。

   1956年：华东化工学院张洪源、丁绪淮、顾毓珍编写、高等教育出版社出版的《化工过程与设

               备》上下册是我国早期的化工原理课程统编教材。

    1958年：Knudsen J. G.和Katz D. L.合编《流体动力学和热量传递》

    1959年：Eckert E. R. G.编著《热量传递和质量传递》

    1960年：Bird R. B，Sterwart W. E.和Lightfoot E.N.合编《传递现象》

    1974年：Bennet C. O.和Myers J. E.合著《动量、热量和质量传递》

1976年：Welty J. R，Wicks C. E.和Wilson R.E.编著《动量、热量和质量传递基础》

四、       地位和作用

是各种化工专业课程的基础。起着承前启后，由理及工得作用。它具有显著的工程性，解决的问题是多因素、多变量的综合性的工业实际问题。同时它又是一门技术性较强的课程。它来源于化工生产实践，又面向化工生产实践。

五、       单元操作

六、       工程观点

（1）    过程影响因素多

1、物性因素。同一类单元设备可用于不同的物系，物料的物理性质（如密度、黏度、表面张力、热导率等）和化学性质必对过程发生影响。

2、操作因素。设备的各种操作条件，如温度、压强、流量、流速、物料组成等，在工业实际过程中，它们经常会发生变化并影响过程的结果。

3、结构因素。它对物料在设备的流动状况发生影响，并直接或间接的影响传热和传质过程的进行。

（2）    过程制约条件多 如原料来源、冷却水的来源与温度课供的设备的结构材料的质量和规格，当地的气温和气压变化范围等。还有一些其他的外界条件的制约。

（3）    效益是评价工程合理性的最终判断 

（4）    理论分析、工业性试验与经验数据并重

七、       单元操作计算

（1）    物料衡算  是以质量守恒定律为基础的计算。

（2）    能量衡算  是以热力学第一定律即能量守恒定律为基础的计算。

（3）    传热过程速率的计算  在各种单元操作过程中进行的基本过程主要是动量传递过程、热量传递过程和质量传递过程，俗称为三传。

传递过程速率=传递过程的推动力/传递过程的阻力

（4）    过程的热力学极限与临界点的计算 当设备或系统内过程达到热力学平衡时，过程就停止了平衡状态是过程进行的热力学极限

（5）    物性计算

八、       知识总结

一、              流体力学及其输送
1.单元操作：物理化学变化的单个操作过程，如过滤、蒸馏、萃取。
2.四个基本概念：物料衡算、能量衡算、平衡关系、过程速率。
3.牛顿粘性定律：F=±τA=±μAdu/dy，(F：剪应力；A：面积；μ：粘度；du/dy：速度梯度)。
4.两种流动形态：层流和湍流。流动形态的判据雷诺数Re=duρ/μ；层流—20##—过渡—4000—湍流。
5.连续性方程：A1u1=A2u2；伯努力方程：gz+p/ρ+1/2u2=C。
6.流体阻力=沿程阻力+局部阻力；范宁公式：沿程压降：Δpf=λlρu2/2d，沿程阻力：Hf=Δpf/ρg=λl u2/2dg(λ：摩擦系数)；层流时λ=64/Re，湍流时λ=F(Re，ε/d)，(ε：管壁粗糙度)；局部阻力hf=ξu2/2g，(ξ：局部阻力系数，情况不同计算方法不同)
7.流量计：变压头流量计(测速管、孔板流量计、文丘里流量计)；变截面流量计

二、              非均相机械分离
1.颗粒的沉降：层流沉降速度Vt=(ρp-ρ)gdp2/18μ，(ρp-ρ：颗粒与流体密度差，μ：流体粘度)；重力沉降(沉降室，H/v=L/u，多层；增稠器，以得到稠浆为目的的沉淀)；离心沉降(旋风分离器)。
2.过滤：深层过滤和滤饼过滤(常用，助滤剂增加滤饼刚性和空隙率)；分类：压滤、离心过滤，间歇、连续

三、              传热
1.传热方式：热传导(傅立叶定律)、对流传热(牛顿冷却定律)、辐射传热(四次方定律)；热交换方式：间壁式传热、混合式传热、蓄热体传热(对蓄热体的周期性加热、冷却)。
2.傅立叶定律：dQ= -λdA ，(Q：热传导速率；A：等温面积；λ：比例系数； ：温度梯度)；
λ与温度的关系：λ=λ0(1+at)，(a：温度系数)。
3.不同情况下的热传导：单层平壁：Q=(t1-t2)/[b/(CmA)]=温差/热阻，(b：壁厚；Cm=(λ1-λ2)/2)；
多层平壁：Q=(t1-tn+1)/ [bi /(λiA)]；单层圆筒：Q=(t1-t2)/[b/(λAm)]，(A：圆筒侧面积，C= (A2-A1)/ln(A2/A1))；
多层圆筒：Q=2πL(t1-t n+1)/ [1/λi [ln(ri+1/ri) ]。
4.对流传热类型：强制对流传热(外加机械能)、自然对流传热、(温差导致)、蒸汽冷凝传热(冷壁)、液体沸腾传热(热壁)，前两者无相变，后两者有相变；牛顿冷却定律：dQ=hdAΔt，(Δt＞0；h：传热系数)。.换热器：夹套换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器

九、先进应用例子

高效冷却技术节能节水显奇效-高效冷却技术,节能节水-化工行业
  由洛阳隆华传热科技股份有限公司自主研发的SYL系列高效复合型冷凝（却）器设备在国家“十一五”重点工程——中石化岳阳1000万吨/年炼化一体化项目成功运行。截至目前，经过近一个月的运行表明，与传统的空冷器串联水冷器的换热方案比较，设备节省投资200余万元，年节电316.8万千瓦时，各项工艺指标达到设计要求。    

    该技术换热效果明显优于传统换热工艺，能使工艺流体直接冷却到设计温度，节能、节水效果显著，可广泛应用于炼油、化工生产工艺过程中与冷凝、冷却相关的其他工段。据洛阳隆华总工程师董晓强介绍，为进一步拓展该技术的应用范围，他们针对石油化工行业各种换热工位不同的换热工艺，研发出石化用SYL系列高效复合型冷却设备。目前这项新技术正在石油和化工业大显身手，中国石化齐鲁分公司氯碱厂、中国石化沧州炼油厂、山东恒源石油化工有限公司、鹤壁宝马化肥厂等一批石油和化工企业均采用了这项新技术。    

    该技术现已通过了中国石油化工股份有限公司科技部组织的专家科技成果鉴定，专家评价这一成果达到国内领先水平，比传统换热工艺节能30%以上，节水超过40%，实现了高效、节能、节水的换热目的。    

据介绍，我国石化行业现有换热工艺主要采用空冷器串联水冷器工艺及湿式空冷器串联水冷器工艺。这些传统的换热工艺消耗大量的电能和水资源。针对国内石化行业换热方式的落后现状，洛阳隆华投入巨资，组织技术攻关，研发出以潜热换热为主体的高效复合型冷却器设备。这一新技术采用潜热换热原理，利用水的相态变化特性，实现高效换热，其换热效率是传统工艺的117倍；水的消耗量与传统的显热换热工艺相比不足百分之一；驱动水流的动力消耗大幅度降低。  

传热的工程应用

㈠在传统工业和农业领域中的应用

现代化大型火力发电站的锅炉部件一般要经受近20 MPa和上千摄氏度的火焰高温，蒸汽轮机也要经受大致相同的压力和540℃左右的温度。近十年来，由于耐高温的铁素体钢的研制成功，所谓超级超临界档次的火力发电机组已经陆续投入运行，其蒸汽参数甚至达到了31—34MPa和600℃左右，并且还具有快速起停和参与电网调峰的能力。核电站的反应堆及主蒸发器除了经受一定的温度、压力以外，还要受到高通量的中子辐射。为了提高能源利用水平，必须不断强化炉内各传热表面与燃气、烟气间的换热。核反应堆中则要强化燃料体元件与载热剂之间的换热。在需要隔热的地方必须尽量减少热泄漏。要做到这些都必须正确运用传热学的基本原理。
在稠油的“热采”，原油的炼制和油品的远距离输送以及化纤、化肥的生产工艺中，传热都是非常关键的因素。因为油自身物理性质的关系，它的对流换热表面传热系数往往比较低，所以强化油侧的对流换热具有非常大的经济效益。化工传热过程往往具有如下一些基本特点：(1)参与换热的介质成分多而复杂，一般都在三四种以上；(2)常常与传质过程结合在一起；(3)经常涉及多相流(汽液、气固、液固，甚至汽液固三相)和非牛顿流体

 其他行业如机械、电子电器、交通运输、纺织、食品轻工、医药等也都在不同程度上和传热有着相当密切的联系

㈡在高新技术领域中的应用

  传热学科在很多高技术领域里同样发挥着重要的和无法替代的作用。

人类征服天空和宇宙空间的不懈努力以及所取得的巨大成果，是当今世界上各领域高技术、新材料研究最集中的体现。其中传热学所起的作用功不可没。据美国航空和宇宙航行局(NASA)所作的技术分析，美国航天飞机的技术关键只有一个半，这半个是大推力的液氢—液氧火箭发动机(其中自然与传热有密切的关系)，而那一个关键则是所谓“热防护系统”(TPS)，即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构。它被视为可反复使用的航天飞机成败的最大关键。之所以把热防护系统提到如此重要的地位，是由于航天飞机极端复杂的气动热环境以及要求该防热系统必须能够重复使用造成的。

现代的机械加工工艺已经不限于传统的车、钳、铣、刨，像激光钻孔、激光切割这类高热流、超短时间的新型加工手段已经用于石油钻井管等一些有特殊要求的场合，并取得了良好的技术和经济效益。这类特殊加工方式所涉及的热量传递问题己不能再用传统的导热理论来分析，而必须加入对热量传输速度的考虑，这类问题被称为“非博里叶导热”。

第二篇：化工原理总结与复习

湘南学院教师备课纸

三、总结与复习

第一章 流体力学与应用

一、 流体静力学基本方程式p2?p1??g(z1?z2)或 p?p0??gh 注意：1、应用条件：静止的连通着的同一种连续的流体。

2、压强的表示方法：绝压—大气压=表压 表压常由压强表来测量； 大气压—绝压= 真空度常由真空表来测量。

3、压强单位的换算：

1atm=760mmHg=10.33mH2O=101.33kPa=1.033kgf/cm2=1.033at

4、应用：水平管路上两点间压强差与U型管压差计读数R的关系：

p1?p2?(?A??)gR 处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须时静止、连续和同一种液体。

二、定态流动系统的连续性方程式––––物料衡算式

?A?常数,ws?u1A1?1?u2A2?2????uA??常数 ?A?常数,Vs?u1A1?u2A2????uA?常数?A?常数,圆形管中流动u/u2

12?A2/A1?d2/d2

1

三、定态流动的柏努利方程式––––能量衡算式

P

gZ1??u?We?gZ?P?22??u2??wf

讨论点：1、流体的流动满足连续性假设。

gZP1

??u22

1

2?gZP2u2

1?2???2

2、理想流体，无外功输入时，机械能守恒式：

3、可压缩流体,当Δp/p1<20%,仍可用上式，且ρ=ρm。

4、注意运用柏努利方程式解题时的一般步骤，截面与基准面选取的原则。

5、流体密度ρ的计算：

理想气体ρ=PM/RT 混合气体 ?m??1xv1??2xv2????nxvn

203

湘南学院教师备课纸

混合液体 1?m?xw1?m?xw2?2???xwn?n

上式中：xvi––––体积分率；xwi––––质量分率。

6、gz，u2/2，p/ρ三项表示流体本身具有的能量，即位能、动能和静压能。∑wf为流经系统的能量损失。We为流体在两截面间所获得的有效功，是决定流体输送设备重要参数。输送设备有效功率Ne=We·qm，轴功率N=Ne/η（W）

7、 ?p?u2He??Z???Hf?g2g （压头） 3?u2????hf流体 We???gh??p?2?pa?而?pf???hf,

四、 柏努利式中的∑hf

I． 流动类型：

1、雷诺准数Re及流型 Re=duρ/μ=du/ν，μ为动力粘度，单位为[Pa·S]；ν=μ/ρ为运动粘度，单位[m2/s]。 层流：Re≤2000，湍流：Re≥4000；2000<Re<4000为不稳定过渡区。

2、牛顿粘性定律 τ=μ(du/dy) 气体的粘度随温度升高而增加，液体的粘度随温度升高而降低。

3、流型的比较：①质点的运动方式；

②速度分布，层流：抛物线型，平均速度为最大速度的0.5倍；

湍流：碰撞和混和使速度平均化。

③阻力，层流：粘度内摩擦力，

湍流：粘度内摩擦力+湍流切应力。

II． 流体在管内流动时的阻力损失

?hf?hf?h'

f [J/kg]

1、直管阻力损失hf lu2?pfhf???d2?

即??64

Re 范宁公式(层流、湍流均适用). 层流：??f(Re)或hf?32?lu 哈根—泊稷叶公式。 ?d2

湍流区（非阻力平方区）：? ?f(Re,)；高度湍流区（阻力平方区）：??f()，具体的定性dd204 ??

湘南学院教师备课纸

关系参见摩擦因数图，并定量分析hf与u之间的关系。 推广到非圆型管d

注：不能用de来计算截面积、流速等物理量。 ?de?4rH?4?流通截面积 润湿周边长

u2

2、局部阻力损失hf ` ①阻力系数法，h??2'

f?e?1.0

?c?0.5 leu2

②当量长度法，h??d2'

f

注意：截面取管出口内外侧，对动能项及出口阻力损失项的计算有所不同。 ?(l?le)u2

???)当管径不变时，?hf?(?d2

流体在变径管中作稳定流动，在管径缩小的地方其静压能减小。流体在等径管中作稳定流动流体由于流动而有摩擦阻力损失，流体的流速沿管长不变。流体流动时的摩擦阻力损失hf所损失的是机械能中的静压能项。完全湍流（阻力平方区）时，粗糙管的摩擦系数数值只取决于相对粗糙度。

水由敞口恒液位的高位槽通过一管道流向压力恒定的反应器，当管道上的阀门开度减小时，水流量将减小，摩擦系数增大，管道总阻力不变。

五、 管路计算

I． 并联管路：1、V

2、?hf?V1?V2?V3 ??hf1??hf2??hf3 各支路阻力损失相等。

即并联管路的特点是：（1）并联管段的压强降相等；（2）主管流量等于并联的各管段流量之和；（3）并联各管段中管子长、直径小的管段通过的流量小。

II．分支管路：1、V?V1?V2?V3

2、分支点处至各支管终了时的总机械能和能量损失之和相等。

六、柏式在流量测量中的运用

1

2、孔板流量计为定截面变压差流量计，用来测量管道中流体的流量。随着Re增大其孔流系数C0先减小，后保持为定值。

3

测流体流量时，随流量增加孔板流量计两侧压差值将增加，若改用转子流量计，随流量增加转子两侧 205

湘南学院教师备课纸 压差值将不变。

206

湘南学院教师备课纸

第二章 流体输送机械---离心泵

一、工作原理 基本部件：叶轮（6~12片后弯叶片）；泵壳（蜗壳）（集液和能量转换装置）；轴封装置（填料函、机械端面密封）。

原理：借助高速旋转的叶轮不断吸入、排出液体。 注意：离心泵无自吸能力，因此在启动前必须先灌泵，且吸入管路必须有底阀，否则将发生“气缚”现象。 某离心泵运行一年后如发现有气缚现象，则应检查进口管路是否有泄漏现象。

二、性能参数及特性曲线

1、压头H，又称扬程 H??Z??p?Hf ?g

轴功率N?HQ?

102?(kw) 2、有效功率 Ne?We?s?HgQ?

3、离心泵的特性曲线通常包括H

特定的液体时泵的性能。由N

泵的出口阀。 ?Q,N?Q,??Q曲线，这些曲线表示在一定转速下输送某种?Q线上可看出：Q?0时，N?Nmin，所以启动泵和停泵都应关闭离心泵特性曲线测定实验，泵启动后出水管不出水，而泵进口处真空表指示真空度很高，可能出现的故障原因是吸入管路堵塞。 若被输送的流体粘度增高，则离心泵的压头减小，流量减小，效率减小，轴功率增大。

三、离心泵的工作点

1、泵在管路中的工作点为离心泵特性曲线（H

特性曲线为：He?Q）与管路特性曲线（He?Qe）的交点。管路?K?BQe2。

?Q来实现，又可通过改变He?Qe来实现。具体措施有改变阀门2、工作点的调节：既可改变H

的开度，改变泵的转速，叶轮的直径及泵的串、并联操作。 离心泵的流量调节阀安装在离心泵的出口管路上，开大该阀门后，真空表读数增大，压力表读数减小，泵的扬程将减小，轴功率将增大。 两台同样的离心泵并联压头不变而流量加倍，串联则流量不变压头加倍。

207

湘南学院教师备课纸

四、离心泵的安装高度Hg 为避免气蚀现象的发生，离心泵的安装高度≤Hg，注意气蚀现象产生的原因。

u121．Hg?H??Hf0?1 Hs'为操作条件下的允许吸上真空度，m 2g'

s

Hf0?1为吸入管路的压头损失，m。

2． Hg?pa?pv??h?Hf0?1 ?h 允许气蚀余量，m ?g

pa液面上方压强，Pa； pv操作温度下的液体饱和蒸汽压，Pa。 离心泵的安装高度超过允许安装高度时会发生气蚀现象。

第四章 传热及传热设备 传热是由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。

根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导（导热）、热对流（对流）和热辐射。热传导是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运动而引起的热量传递；热对流是流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程（包括由流体中各处的温度不同引起的自然对流和由外力所致的质点的强制运动引起的强制对流），流体流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为对流传热（给热）；热辐射是因热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，只是在高温时，热辐射才能成为主要的传热方式。传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进行。

传热速率Q是指单位时间通过传热面的热量（W）；热通量q是指每单位面积的传热速率（W/m2）。

一、 热传导

1． 导热基本方程––––傅立叶定律

dQ???dS?t ?n

λ––––导热系数，表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单位为W/（m·℃）。纯金属的导热系数一般随温度升高而降低，气体的导热系数随温度升高而增大。

208

湘南学院教师备课纸

式中负号表示热流方向总是和温度剃度的方向相反。

2．平壁的稳定热传导

单层平壁：

Q?t1?t2?t ?R

?S

多层（n层）平壁：

Q?t1?tn?1?nbi?i?1?iS?t ?Rn

i?1

公式表明导热速率与导热推动力（温度差）成正比，与导热热阻（R）成反比。 由多层等厚平壁构成的导热壁面中所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈小，其两侧的温差愈小，但导热速率相同。

2． 圆筒壁的稳定热传导

单层圆筒壁：

Q?t1?t2?t?bR

?Sm 或 Q?2?l?(t1?t2) r2lnr1

当S2/S1?2时，用对数平均值，即：

Sm?S2?S1

Sln2

S1

当S2/S1?2时，用算术平均值，即：

Sm=（S1+S2）/2

多层（n层）圆筒壁：

Q?t1?tn?1

nbi?i?1?iSmi

209

湘南学院教师备课纸

或

Q?2?l(t1?tn?1) 1ri?1??lnrii

一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果应降低，主要原因是因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。

在包有两层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导热系数小的材料包在内层，其原因是为了减少热损失，降低壁面温度。

二、对流传热

1． 对流传热基本方程––––牛顿冷却定律

Q??S?t

α––––对流传热系数，单位为：W/（m2·℃），在换热器中与传热面积和温度差相对应。

2． 与对流传热有关的无因次数群（或准数）

表1 准数的符号和意义

准数名称

努塞尔特准数

雷诺准数

普兰特准数

格拉斯霍夫准数

3． 流体在圆形直管中作强制湍流流动时的传热膜系数

对气体或低粘度的液体

0.8n

210 符 号 意 义 含有特定的传热膜系数α，表示对流传热的强度 反映流体的流动状态 反映流体物性对传热的影响 反映因密度差而引起自然对流状态

湘南学院教师备课纸

流体被加热时，n=0.4；液体被冷却时，n=0.3。

定型几何尺寸为管子内径di。

定性温度取流体进、出口温度的算术平均值。

应用范围为Re?10000，Pr=0.7~160，(l/d)?60。 对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度是指确定准数中各物性参数的温度。 沸腾传热可分为三个区域，它们是自然对流区、泡状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾传热过程应维持在泡壮沸腾区操作。

无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在传热边界层或滞流层内，减少热阻的最有效的措施是提高流体湍动程度。

引起自然对流传热的原因是系统内部的温度差，使各部分流体密度不同而引起上升、下降的流动。 用无因次准数方程形式表示下列各种传热情况下诸有关参数的关系：

（1） 无相变对流传热 Nu=f（Re，Pr，Gr）

（2） 自然对流传热 Nu=f（Gr，Pr）

（3） 强制对流传热 Nu=f（Re，Pr）

在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KSΔt，式中Δt表示为两流体温度差的平均值；S表示为泛指传热面，与K相对应。

在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=?SΔtS表示为一侧的传热壁面。 滴状冷凝的膜系数大于膜状冷凝膜系数。

水在管内作湍流流动时，若使流速提高至原来的2倍，则其对流传热系数约为原来的 20.8倍。若管径改为原来的1/2而流量相同，则其对流传热系数约为原来的40.8×20.2倍。（设条件改变后，仍在湍流范围）

三、间壁两侧流体的热交换

间壁两侧流体热交换的传热速率方程式

Q=KSΔtm

211

湘南学院教师备课纸

式中K为总传热系数，单位为：W/（m2·℃）；Δtm为两流体的平均温度差，对两流体作并流或逆流时的换热器而言，

?tm??t1??t2 ln(?t1/?t2)

当Δt1/Δt2< 2时，Δtm可取算术平均值，即：Δtm=（Δt1+Δt2）/2

基于管外表面积So的总传热系数Ko

bSoSS11??Ro??Rio?o

Ko?o?wSmSi?iSi

四、换热器

间壁式换热器有夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。提高间壁式换热器传热系数的主要途径是提高流体流速、增强人工扰动；防止结垢，及时清除污垢。消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加膨胀节，采用浮头式结构或采用U型管式结构。翅片式换热器安装翅片的目的是增加传热面积；增强流体的湍动程度以提高α。为提高冷凝器的冷凝效果，操作时要及时排除不凝气和冷凝水。

间壁换热器管壁温度t接近α大的一侧的流体温度；总传热系数K的数值接近热阻大的一侧的α值。如在传热实验中用饱和水蒸气加热空气，总传热系数接近于空气侧的对流传热膜系数，而壁温接近于水蒸气侧的温度。

对于间壁换热器m1Cp1(T1-T2)=m2Cp2(t1-t2)=KSΔtm等式成立的条件是稳定传热、无热损失、无相变化。 列管换热器，在壳程设置折流挡板的目的是增大壳程流体的湍动程度，强化对流传热，提高α值，支撑管子。

在确定列管换热器冷热流体的流径时，一般来说，蒸汽走管外；易结垢的流体走管内；高压流体走管内；有腐蚀性的流体走管内；粘度大或流量小的流体走管外。

第五章 蒸馏 利用各组分挥发度不同将液体混合物部分汽化而使混合物得到分离的单元操作称为蒸馏。这种分离操作是通过液相和气相之间的质量传递过程来实现的。

212

湘南学院教师备课纸

对于均相物系，必须造成一个两相物系才能将均相混合物分离。蒸馏操作采用改变状态参数的办法（如加热和冷却）使混合物系内部产生出第二个物相（气相）；吸收操作中则采用从外界引入另一相物质（吸收剂）的办法形成两相系统。

一、 两组分溶液的气液平衡

1． 拉乌尔定律 理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律：

pA=pA0xA pB=pB0xB=pB0（1—xA）

根据道尔顿分压定律：pA=PyA 而P=pA+pB

则两组分理想物系的气液相平衡关系：

xA=（P—pB0）/（pA0—pB0）———泡点方程

yA=pA0xA/P———露点方程

对于任一理想溶液，利用一定温度下纯组分饱和蒸汽压数据可求得平衡的气液相组成；反之，已知一相组成，可求得与之平衡的另一相组成和温度（试差法）。

2． 用相对挥发度表示气液平衡关系 溶液中各组分的挥发度v可用它在蒸汽中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率来表示，即 vA=pA/xA vB=pB/xB 溶液中易挥发组分的挥发度对难挥发组分的挥发度之比为相对挥发度。其表达式有： α=vA/vB=（pA/xA）/（pB/xB）=yAxB/yBxA 对于理想溶液： α=pA0/pB0

气液平衡方程：y=αx/[1+（α—1）x]

Α值的大小可用来判断蒸馏分离的难易程度。α愈大，挥发度差异愈大，分离愈易；α=1时不能用普通精馏方法分离。

3． 气液平衡相图

（1） 温度—组成（t-x-y）图

213

湘南学院教师备课纸

该图由饱和蒸汽线（露点线）、饱和液体线（泡点线）组成，饱和液体线以下区域为液相区，饱和蒸汽线上方区域为过热蒸汽区，两曲线之间区域为气液共存区。 气液两相呈平衡状态时，气液两相温度相同，但气相组成大于液相组成；若气液两相组成相同，则气相露点温度大于液相泡点温度。

（2）x-y图

x-y图表示液相组成x与之平衡的气相组成y之间的关系曲线图，平衡线位于对角线的上方。平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。总压对平衡曲线影响不大。

二、 精馏原理 精馏过程是利用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理进行的，精馏操作的依据是混合物中各组分挥发度的差异，实现精馏操作的必要条件包括塔顶液相回流和塔底产生上升蒸汽。精馏塔中各级易挥发组分浓度由上至下逐级降低；精馏塔的塔顶温度总是低于塔底温度，原因之一是：塔顶易挥发组分浓度高于塔底，相应沸点较低；原因之二是：存在压降使塔底压力高于塔顶，塔底沸点较高。 当塔板中离开的气相与液相之间达到相平衡时，该塔板称为理论板。

精馏过程中，再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及保证由适宜的液相回流。

三、 两组分连续精馏的计算

1． 全塔物料衡算

总物料衡算： F=D+W

易挥发组分： FxF=DxD+WxW

塔顶易挥发组分回收率： ηD=（DxD/FxF）x100%

塔底难挥发组分回收率： ηW=[W（1-xW）/F（1-xF）]x100%

2． 精馏段物料衡算和操作线方程

总物料衡算： V=L+D

易挥发组分： Vyn+1=Lxn+DxD

操作线方程： yn+1=（L/V）xn+（D/V）xD=[R/（R+1）]xn+[1/（R+1）]xD

214

湘南学院教师备课纸

其中：R=L/D——回流比

上式表示在一定操作条件下，精馏段内自任意第n层板下降的液相组成x与其相邻的下一层板（第n+1层板）上升蒸汽相组成y之间的关系。在x—y坐标上为直线，斜率为R/R+1

3． 提馏段物料衡算和操作线方程

总物料衡算： L`=V`+W

易挥发组分： L`xm` =V`ym+1`+WxW

操作线方程： ym+1`=（L`/V`）xm`—（W/V`）xW

上式表示在一定操作条件下，提馏段内自任意第m层板下降的液相组成xm+1`之间的关系。L`除与L有关外，还受进料量和进料热状况的影响。

四、 进料热状况参数

实际操作中，加入精馏塔的原料液可能有五种热状况：（1）温度低于泡点的冷液体；（2）泡点下的饱和液体；（3）温度介于泡点和露点的气液混合物；（4）露点下的饱和蒸汽；（5）温度高于露点的过热蒸汽。 q?IV?IF将1kmol进料变为饱和蒸汽所需的热量 ?IV?IL原料液的千摩尔汽化潜热

不同进料热状况下的q值

对于饱和液体、气液混合物和饱和蒸汽进料而言，q值等于进料中的液相分率。 L`=L+qF

V=V`—（q—1）F

q线方程（进料方程）为： y=[q/（q—1）]x—xF/（q—1）

上式表示两操作线交点的轨迹方程。

塔底再沸器相当于一层理论板（气液两相平衡），塔顶采用分凝器时，分凝器相当于一层理论板。由于冷液进料时提馏段内循环量增大，分离程度提高，冷液进料较气液混合物进料所需理论板数为少。

五、 回流比及其选择

（1） 全回流

215

湘南学院教师备课纸

达到给定分离程度所需理论板层数最少为Nmin。 （2） 最小回流比

当回流比逐渐减小时，精馏段操作线截距随之逐渐增大，两操作线位置将向平衡线靠近，为达到相同分离程度所需理论板层数亦逐渐增多。达到恒浓区（夹紧区）回流比最小，所需理论板无穷多。 I． 正常平衡线

Rmin=（xD—yq）/（yq—xq）

饱和液体进料时：xq=xF

饱和蒸汽进料时：yq=yF

II． 不正常平衡线

由a（xD，yD）或c（xW，yW）点向平衡线作切线，由切线斜率或截距求Rmin。

（3） 适宜回流比

R=（1.1~2）Rmin

精馏设计中，当回流比增大时所需理论板数减少，同时蒸馏釜中所需加热蒸汽消耗量增加，塔顶冷凝器中冷却介质消耗量增加，操作费用相应增加，所需塔径增大。

精馏操作时，若F、D、xF、q、R、加料板位置都不变，将塔顶泡点回流改为冷回流，则塔顶产品组成xD变大。

精馏设计中，回流比愈大，操作能耗愈大，随着回流比逐渐增大，操作费和设备费的总和将呈现先减小后增大的过程。

六、 板效率和实际塔板数

1． 单板效率（默弗里效率）

EmV=（yn—yn+1）/（yn*—yn+1）

EmL=（xn-1—xn）/（xn-1—xn*）

2． 全塔效率

E=（NT/NP）x100%

精馏塔中第n-1,n,n+1块理论板，yn+1<yn，tn-1<tn，yn>xn-1。

216

湘南学院教师备课纸

精馏塔中第n-1,n,n+1块实际板，xn*<xn，yn*>yn。 如板式塔设计不合理或操作不当，可能产生液泛、漏液、及雾沫夹带等不正常现象，使塔无法正常工作。 负荷性能图有五条线，分别是雾沫夹带、液泛、漏液、液相负荷上限和液相负荷下限。

第六章 吸收 利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的单元操作称为吸收。混合气体中能够溶解的组分称为吸收质或溶质（A）；不被吸收的组分称为惰性组分或载体（B）；吸收操作所用的溶剂称为吸收剂（S）；吸收所得溶液为吸收液（S+A）；吸收塔排出的气体为吸收尾气。 当气相中溶质的的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时，溶质从气相向液相转移，发生吸收过程；反之当气相中溶质的的实际分压低于与液相成平衡的溶质分压时，溶质从液相向气相转移，发生脱吸（解吸）过程。

一、 气–液相平衡–––––––传质方向与传质极限

平衡状态下气相中溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度––––––溶解度。 对于同一种溶质，溶解度随温度的升高而减小，加压和降温对吸收操作有利，升温和减压有利于脱吸操作。

亨利定律： p*=Ex––––E为亨利系数，单位为压强单位，随温度升高而增大，难溶气体（稀溶液）E很大，易溶气体E很小。对理想溶液E为吸收质的饱和蒸气压。

p*=c/H–––H为溶解度系数，单位：kmol/(kN·m)，H=ρ/(EMs)小，难溶气体H很小，易溶气体H很大。

y*=mx––––m相平衡常数，无因次，温度升高而增加，随压力增加而减小。

Y*=mX–––当溶液浓度很低时大多采用该式计算。

X=x/(1-x); Y=y/(1-y); x,y––––摩尔分率， X,Y––––摩尔比浓度

217

湘南学院教师备课纸

二、 传质理论––––传质速率

分子扩散–––凭借流体分子无规则热运动传递物质的现象。推动力为浓度差，由菲克定律描述：JA= – DAB(dCA)/(dz) JA––扩散通量，kmol/(m2·s) DAB––扩散系数

涡流扩散–––凭借流体质点的湍动和旋涡传递物质的现象。

等分子反向扩散传质速率：气相内 NA = D(pA1–pA2)/RTz

液相内 NA = D’(cA1–cA2)/z

单相扩散传质速率： 气相内 NA = JA+NcA/C=D (pA–pAi)/ RTz·(P/pBm)=kG(pA–pAi) 液相内 NA = D’(cAi–cA)/z·(C/cSm)=kL(cAi–cA) 其中 P/pBm >1为漂流因数，反映总体流动对传质速率的影响。

pBm=(pB2–pB1)/ln(pB2/pB1)

一般而言，双组分等分子反向扩散体现在精馏单元操作中，而一组分通过另一组分的单相扩散体现在吸收单元操作中。 气相中，温度升高物质的扩散系数增大，压强升高则扩散系数降低；液相中粘度增加扩散系数降低。 在传质理论中有代表性的三个模型分别为双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论。 传质速率方程––––传质速率=传质推动力/传质阻力

N=kG(p–pi)=kL(ci–c)=ky(y-yi)=kx(xi–x)

N=KG(p–p*)=KL(c*–c)=KY(Y-Y*)=KX(X*–X)

注意传质系数与推动力相对应，即传质系数与推动力的范围一致，传质系数的单位与推动力的单位一致。

吸收系数之间的关系：

1/KG=1/kG+1/HkL 1/KL=1/kL+H/kG 1/KY=1/ky+m/kx 1/KX=1/kx+1/mky ky=PkG kx=CkL KY≈PKG KX≈CKL

气膜控制与液膜控制的概念 对于易溶气体，H很大，传质阻力绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略，此时种情况称为“气膜控制”；反之，对于难溶气体，H很小，传质阻力绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可 218

湘南学院教师备课纸

以忽略，此时。

三、 物料衡算––––操作线方程与液气比

全塔物料衡算： V(Y1–Y2)=L(X1–X2) 逆流操作

吸收操作线方程： Y=LX/V+(Y1–LX1/V) 1––塔底，2––塔顶

吸收操作时塔内任一截面上溶质在气相中的实际分压总是高于与其接触的液相平衡分压，所以吸收操作线总是位于平衡线的上方。

最小液气比： （L/V）min=(Y1–Y2)/(X1*–X2) 液气比即操作线的斜率 若平衡关系符合亨利定律，则 （L/V）min=(Y1–Y2)/(Y1/m–X2)

提高压力 提高吸收效率的途径 改变操作条件

增加吸收剂用量，操作线斜率增大，操作线向远离平衡线的方向偏移，吸收过程推动力增大，设备费用减少。

四、 填料层高度计算

气液相平衡、传质速率和物料衡算相结合取微元物料衡算求得填料层高度。 填料层高度=传质单元高度×传质单元数

即 z=HOG×NOG=HOL×NOL=HG×NG=HL×NL

NOG–––气相总传质单元数（气体流经一段填料后其组成变化等于该段填料的总的平均推动力则为一个传质单元）

HOG–––气相总传质单元高度（一个传质单元所对应的填料高度）

1．平均推动力法（适合平衡线为直线）：

z=HOG×NOG=(V/KyaΩ)·(Y1–Y2)/ΔYm=(L/KxaΩ)·(X1–X2)/ΔXm

219

湘南学院教师备课纸

对数平均推动力ΔYm=(ΔY1–ΔY2)/ln(ΔY1/ΔY2)

当ΔY1/ΔY2<2时，可用算术平均推动力ΔYm=(ΔY1+ΔY2)/2

2．脱吸因数法（平衡线为直线）：

NOG=(1/S)·ln[(1–S)·(Y1–Y2*)/(Y2–Y2*)+S]

S––––脱吸因数，平衡线与操作线斜率之比（mV/L），反映吸收推动力的大小。S增大，液气比减小，吸收推动力变小，NOG增大 气体吸收中，表示设备（填料）效能高低的一个量是传质单元高度，表示传质任务难易程度的一个量是传质单元数。

干 燥 同一物料，如恒速段的干燥速率增加，则临界含水量增大，物料平衡水分随温度升高而减小。 不饱和湿空气当温度升高时，湿球温度升高，绝对湿度不变，相对湿度降低，露点不变，比容增大，焓增大。 区除可除水分与不可除水分的分界点是平衡湿含量。 恒定干燥条件下的干燥速率曲线一般包括恒速干燥阶段（包括预热段）和降速干燥阶段，其中两干燥阶段的交点对应的物料含水量称为临界含水量。恒速干燥阶段也称为表面汽化控制阶段，降速阶段也称为内部迁移控制阶段。

不饱和空气：t>tas(或tw)>td.

饱和空气：t=tas=td.

物料中总水分可分为非结合水分与结合水分，也可分为自由水分和平衡水分。物料中水分超过平衡水分的部分水分为自由水分，可用干燥方法除去；水分大于xB*（与φ=100%湿空气接触时的平衡水分）部分为非结合水，小于xB*水分为结合水。

220