化工基础新.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化工基础,第一章 绪论,学习化工基础的重要性,1.,改善专业知识结构,2.,科技发展和经济建设的需要,3.,中等教育结构改革的需要,基本要求,1.,了解本课程的性质,.,内容和目的,;,2.,初步理解四个基本规律在化工中的应用,;,3.,熟悉并掌握国际单位制,;,4.,了解化工过程开发,(,从实验室研究到工厂生产,),的一般步骤。,1,1.1,化工学科的内容,化学工程 研究化工生产中的共同性操作的规律及其工程性质的问题,化学工艺 也称为化工生产技术。指将原料物质主要经过化学反应转变为产品的方法和过程，包括实现这种转变的全部化学的和物理的措施,1,1,本,课程的内容和学习目的,一、化学工程化学工程的发展阶段,：,在,20,世纪前的几百年时间里，出现了不少化学工业，如制糖工业、制碱工业、造纸工业等。介绍每一种工业从原料到成品的生产过程，作为一种特殊的知识讲解，这是最早的化学工程学,。,单一化学工艺学阶段,2.,单元操作阶段,20,世纪初，人们逐渐发现，许多门化学工业中存在共同的操作原理。例如，无论是制糖业还是制碱业，从溶液蒸发得到固体糖和固体碱的原理是相同的，于是，蒸发成为最早提出的单元操作之一。经不断总结，被称为单元操作的有：流体流动与输送、沉降与过滤、固体流态化、传热、蒸发、蒸馏、吸收、吸附、萃取、干燥、结晶、膜分离等。,3,.,传递过程阶段,到,20,世纪,50,年代，人们又发现，各单元操作之间还存在着共性。例如，传热和蒸发都是热量传递的形式，蒸馏、吸附、吸收、萃取都是质量传递的形式。于是，把单元操作归纳为动量传递、热量传递和质量传递。,20,世纪,50,年代中期，化学工程中出现了“化学反应工程学”这一新的分支。对化学反应器的研究，不仅要运用化学动力学和热力学原理，而且要运用动量、热量和质量传递原理。于是“传递过程”与“反应工程”成为当今化学工程学的两大支柱。简称“三传一反”阶段。,4.“,三传一反”阶段,硫酸生产,：,矿石粉碎焙烧制,SO,2,除尘精制转化吸收,H,2,SO,4,。,合成氨,：,以煤（石油或天然气）造气精制合成分离氨。,原料前处理化学处理（核心）后处理产品 （或中间产品）,单元操作：指在各种化工产品的生产过程中，具有共同的物理变化，遵循共同的物理学定律和具有共同作用的基本操作。,二、化学工艺,化学工艺具有个别生产的特殊性，即生产不同的化学产品要采用不同的工艺，即使生产相同产品，但原料路线不同时，也要采用不同的化学工艺。尽管如此，化学工艺所涉及的范畴是相同的，一般包括原料的选择和预处理，生产方法的选择及方法原理；设备的作用、结构和操作；催化剂的选择和使用；其他物料的影响；操作条件的影响；生产控制；产品的分离；能量的利用于回收等。,1,1.2,学习本课程的目的,1,、熟悉化工生产中所涉及的基本原理和典型设备，以及它们在化工生产中的应用,2,、认识化工生产中分析问题解决问题的途径,3,、有助于指导化学科研工作,目的,：,学习方法：,原料、生产方法和产品的多样性与复杂性,向大型化、综合化发展，精细化率也在不断提高,是多学科合作、生产技术密集型的生产部门,重视能量合理利用，积极采用节能工艺和方法,易燃、易爆、有毒仍然是现代化工企业首要解决的问题,1,2,化工生产的特点,1,3,化工中的一些基本规律,质量守恒（物料衡算）,能量,守恒（能量,衡算,）,平衡关系,过程速率,1-3.1,质量守恒（物料衡算）：,质量守恒表现为物料衡算，其依据是质量守恒定律。它反映一个过程中原料、产物、副产物等之间的关系，即进入的物料量必等于排出的物料量和过程中的积累量。,进入的物料量输出的物料量系统内的积累量,积累,M,M,入,M,出,系 统,图,1-1,物料衡算示意图,物料衡算式,：,M,入,M,出,M,连续稳定流动,：,M,入,M,出,进行物料衡算时，必须明确下面几点：,1.,首先要确定衡算的系统，即衡算对象包括的范围。,2.,其次要确定衡算的基准。,3.,然后确定衡算的对象。,4.,最后还要确定衡算对象的物理量及单位。,例,1-1,每小时有,10,吨,5,的乙醇水溶液进入精馏塔，塔顶馏出的产品中含乙醇,95,，塔底排出的废水中含乙醇,0.1,。求每小时可得产品多少吨？若废水全部排放，每年（按操作,7200,小时 计）损失的乙醇多少吨？,精馏塔,原料液,含乙醇,5,10,吨,/,时,乙醇产品,含乙醇,95,含乙醇,0.1,废水,例,1-1,附图,解：,已知,：,原料液流量及其中乙醇含量,产品和废水中乙醇含量,确定：,衡算范围：,衡算对象,：,衡算基准：,设：产品流量为,X,吨,/,时、废水流量为,Y,吨,/,时,。,由物料衡算式,：,M,入,M,出,对物流的量进行衡算：,10,X +Y,(1),对乙醇的量进行衡算：,10,5 X,95+Y,0.1,(2),X,0.516,吨,/,时,Y,9.484,吨,/,时,每年损失乙醇：,9.484,0.1,7200,68.28,吨,/,年,1-3.2,能量守恒（能量衡算）：,能量衡算的依据是能量守恒定律。,能量衡算的目的是：,计算单位产品的能耗,了解过程中能量的利用和损失情况,确定生产过程中需要输入、输出的热量,设计换热设备,积累,Q,Q,入,Q,出,系 统,图,1-2,能量衡算示意图,热量衡算式：,Q,入,Q,出,Q,稳定的连续性操作：,Q,入,Q,出,1-3.3,平衡关系,有关平衡的规律可以预测过程能够达到的极限,可以确定当时条件下物料或能量能够利用的极限,可以考察外界参数对平衡的影响和体系中物料状态对平衡转化率的影响，从而优化条件,衡量过程的效率，从而找出改进的方法,1-3.4,过程速率,过程速率决定设备的生产能力，过程速率越高，设备生产能力越大，或设备的尺寸越小。,过程速率（,r,）,在实际工作中，一个过程以多快的速率由不平衡向平衡移动是极为重要的问题,。,1,4,从实验室研究到工厂生产,将实验室研究扩大为生产规模，使新产品、新工艺或新技术在工业装置中运转或转变为生产的全过程称为化工过程开发。,实验室研究（小试）,可行性研究,中间试验（中试）,工业装置的设计和投产,国际单位,SI,（共,7,种）,1960,年，电流安培（,A,）长度单位（,m,）,时间单位（,s,）质量单位（,kg,）,热力学温度（,k,）发光强度（,cd,）,1971,年，物质的量（,mol,）,第二章流体的流动与输送,基本要求,理解本章的基本概念，流体静止和流动时的基本规律,.,基本原理，掌握基本方程的计算及应用。,了解流体输送机械,流体,气体,液体,流体的概念：,流动的物质，没有固定的形状，气体、液体的统称。,流程分析：流体（水和煤气）在泵（或鼓风机）、流量计以及管道中流动等，是流体动力学问题。流体在压差计，水封箱中的水处于静止状态，则是流体静力学问题。为了确定流体输送管路的直径，计算流动过程产生的阻力和输送流体所需的动力。据阻力与流量等参数选择输送设备的类型和型号，以及测定流体的流量和压强等。流体流动将影响过程系统中的传热、传质过程等，是其他单元操作的主要基础。,2,1,一些基本概念,2,1.1,理想流体和实际流体,理想流体：不具有粘性，在流动过程中不产生摩擦阻力；,实际流体,：,具有粘性，流动时产生摩擦阻力。,理想流体是一种假设的概念,是对实际流体在某些条件下的简化处理。,理想气体状态方程,以当时条件与标准条件对比时：,2,1.2,流体的密度、相对密度和比容,1,流体的密度,流体的密度,单位体积流体的质量。用,表示，属于物,性。国际单位用,kg/m,3,对于液体，压强的变化对密度的影响很小，可以忽略，称为,不可压缩性流体,。此时，密度随温度而改变，,在使用液体的密度时，要注意温度条件。,对于气体，密度随,T,、,P,改变很大，称为,可压缩性流体,，此,时，,气体的密度必须标明其状态。,获得方法：,（,1,）查物性数据手册,（,2,）公式计算：,由理想气体方程求得操作条件（,T,P,）下的密度,2,、,相对密度,：,是指在共同的特定条件下，一个物质的密度 与另一个物质的密度之比值,，用,d,表,示,。,在一般情况下是以水作参照物，其值相当于比重,比容,是指单位质量的物料所具有的体积,是密度的倒数。,单位 为,m3/kg,。,2,1.3,流体的压力及其测量,压强的定义,流体垂直作用于单位面积上的力，称为,流体的压强,，,简称,压强,。,用,p,表示,，,工程上习惯称之为,压力,。,数学表达式为：,SI,制单位：,N/m,2,，即,Pa,。,推论：,换算关系为：,压强的表示方法,1,atm,(,标准大气压,)=,1.013105,Pa,=,760,mmHg,=,10.33,mH2O,=,1.033,公斤,(,力,)/,厘米,2,设容器底面积为,A,液柱高,h,，液体密度,，则液体作用在底面的力为,F,等于液柱重量：,F=mg=,Ah,g,N,作用在单位底面上的压力：,p=F/A=,h,g,N/m,2,当液体一定，,、,g,一定为常数，所以可用高度,h,的大小表示压力,P,的大小：,h=p/,g m,其它常用单位有：,atm,（标准大气压）、工程大气压,kgf/cm,2,、,流体柱高度（,mmH,2,O,，,mmHg,等）。,表压强,=,绝对压强,-,大气压强,2,）,表压,强（表压）：,1,）,绝对压强（绝压）：,以当时当地的大气压为起点的压力称为表压。,即绝对 压强与大气压强之差。,流体体系的真实压强称为绝对压强。,它是以真空为起点的压力,用不同密度的两种液体表示同一压强：,A,h,A,=,B,h,B,用同一液体表示不同种压强：,P,A,h,A,=P,A,h,A,压强的基准,3,）真空度：,真空表的读数，当绝对压强小于大气压强时，,真空度,=,大气压强,-,绝对压强,绝对压强、真空度、表压强的关系为,绝对零压线,大气压强线,A,绝对压强,表压强,B,绝对压强,真空度,当用表压或真空度来表示压强时，应分别注明。,如：,4,10,3,Pa,（真空度）、,200,KP,a,（表压）。,例：在兰州操作的苯乙烯真空蒸馏塔顶的真空表读数为,8010,3,pa,，在天津操作时，若要求塔内维持相同的绝对压强，真空表的读数应为多少？（兰州地区的平均大气压强为,85.310,3,pa,天津地区的平均大气压强为,101.3310,3,pa,）,、,流体静力学基本方程,方程的推导,在,1-1,截面受到垂直向下的压力,在,2-2,截面受到垂直向上的压力：,液柱本身所受的重力：,因为小液柱处于静止状态,，,两边同时除,A,令,则得：,若取液柱的上底面在液面上，并设液面上方的压强为,P,0,，,取下底面在距离液面,h,处，作用在它上面的压强为,P,流体的静力学方程,表明在重力作用下,，,静止液体内部压强的变化规律,方程的讨论,2,）当液面,上方的压强,P,0,有改变时,液体内部各点的压强,P,也发生同样的改变。,即：液面上所受的压强能以同样大小传递到液体内部的任一点。,3,）静止流体内部任一点的压强是液面深度的函数，距液面越深，则压强越大。,1,）在连续,.,静止的同一液体内,处于同一水平面上各点的 压 强相等。,4,）,可以改写成,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。,、流体压力的测量,U,形管,常用指示液：水（着色水），油，四氯化炭等，它必须满足：与被测的液体互不相溶且不发生化学反应,它的密度必须大于被测流体的密度。,根据流体静力学方程,若被测流体是气体,通常,上式可解化为,:,得：,例,如附图所示，水在管道中流动。为测得,A-A,、,B-B,截面的压力差，在管路上方安装一,U,形压差计，指示液为水银。已知压差计的读数,R,150mm,，试计算,A-A,、,B-B,截面的压力差。已知水与水银的密度分别为,1000kg/m,3,和,13600 kg/m,3,。,解：,图中，,1-1,面与,2-2,面间为静止、连续的同种流体，且处于同一水平面，因此为等压面，即,又,所以,整理得,由此可见，,U,形压差计所测压差的大小只与被测流体及指示剂的密度、读数,R,有关，而与,U,形压差计放置的位置无关,、流量,单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。,若流量用体积来计量，称为体积流量，用,q,v,表示；,单位为,m,3,/s,。,若流量用质量来计量，称为质量流量，用,q,m,表示；,单位,kg/s,。,体积流量和质量流量的关系是：,、流速,单位时间内流体在流动方向上流过的距离，称为流速,以,u,表示，单位为,m/s,。数学表达式为：,2,1.4,流量和流速,流量与流速的关系为：,流体输送管道通常是圆管，若管道直径为,d,，则：,管道直径的计算式,管径的初选,在管路设计中，适宜的流速的选择十分重要。,若流速选得太大，流体流过管路时的阻力增大,，操作费用增加,；若流速选得太小，管径增大，管路的基建费增加。,应在操作费与基建费之间通过经济权衡来确定适宜的流速,一般来说，液体的流速取,0.5,3.0m/s,，气体则为,10,30m/s,管材有一定的规格，用公称直径,Dg,表示，,P29,表,23,定态流动,流动系统中若任一截面上流体的流速、压强、密度等有关物理量仅随位置而改变，而不随时间而改变,上述物理量不仅随位置而且随时间,变化的流动。,2,1.5,定态流动和非定态流动,2,非定态流动,在流动过程中，流体在任一截面上的物理量既随位置变化又随时间而变化的流动。,2,2,流体定态流动时的衡算,2,2.1,流体定态流动时的物料衡算,流体流动过程中 涉及三大守恒定律：,质量守恒,动量守恒,能量守恒,质量衡算,连续性方程是,质量守恒定律,的一种表现形式，本节,通过物料衡算,进行推导。,2,2.1,流体定态流动时的物料衡算,1.,物料衡算的结果,-,连续性方程,在稳定流动系统中，对直径不同的管段做物料衡算,衡算范围：取管内壁截面,1-1,与截面,2-2,间的管段。,衡算基准：,1s,对于连续稳定系统：,m,1,=m,2,q,m1,=q,m2,如果把这一关系推广到管路系统的任一截面，有：,若流体为不可压缩流体,稳定流动的连续性方程,对于圆形管道,表明不可压缩流体在圆形管道中，任意截面的流速与管内径的平方成反比。,思考：,如果管道有分支，则稳定流动时的连续性方程又如何？,例,:,如附图所示的输水管道，管内径,d1=2.5cm,d,2,=10cm,；,d,3,=5cm,。,（,1,）当流量为,4L/s,时，各管段的平均流速为若干？（,2,）当流量增至,8L/s,或减至,2L/s,时，平均流速如何变化？,(2),各截面流速比例保持不变，流量增至,8L/s,时，流量增为原来的,2,倍，则各段流速亦增加至,2,倍，即,u,1,16.3m/s,，,u,2,=1.02m/s,，,u,3,=4.08m/s,流量减小至,2L/s,时，即流量减小,1/2,，各段流速亦为原值的,1/2,，即,u,1,4.08m/s,，,u,2,=0.26m/s,，,u,3,=1.02m/s,解,(1),1,流体流动时具有的,机械能形式,内能：,物质内部能量的总和称为内能。单位质量流体的内能以,U,表示，单位,J/kg,。,位能：,流体因距某基准高度而具有的能量。,质量为,m,流体的位能,=,m g H,单位质量流体的位能,=g H,2,2.2,流体定态流动时的能量衡算,柏努力方程,动能：,流体以一定的流速流动而具有的能量。,质量为,m,，流速为,u,的流体所具有的动能,单位质量流体所具有的动能,静压能：是流体处于当时压力,p,下所具有的能量，即指流体因被压缩而能向外膨胀作功的能力，其值等于,pV,(),通常，将位能,.,动能,.,静压能称为机械能。对于理想流体，它的密度不随压强而改变，,粘度为,0,，温度及内能均不变，所以只有机械能的变化。,2.,流体流动的能量衡算伯努利方程式,（,1,）理想流体伯努利方程式：,设在,1,、,2,截面间没有外界能量输入，液体也没有向外界作功，则,mkg,理想液体所具有的机械能为定值。,衡算范围：截面,1-1,和截面,2-2,间的管道和设备。,衡算基准：,mkg,流体。,设,1-1,截面的流体流速为,u,1,，压强为,P,1,，截面积为,A,1,;,截面,2-2,的流体流速为,u,2,，压强为,P,2,，截面积为,A,2,。,取,o-o,为基准水平面，截面,1-1,和截面,2-2,中心与基准水平面的距离为,H,1,，,H,2,根据稳定流动系统的能量衡算式有：,输入能量,=,输出能量,输入能量,=mgH,1,+mu,2,1,/2+p,1,v,输出能量,=mgH,2,+mu,2,2,/2+p,2,v,位能,：,=mgH,2,mgH,1,动能,：,静压能,：,柏努利方程,物理意义：对于理想流体，在没有外加能量的情况下流动时，在管道任意截面处的三种形式的机械能总和保持不变。,式中每一项表示一牛顿的流体所具有的能量，称为压头,H,项，位压头，,u,2,/2g,，,动压头，,P/,g,，,静压头、,Hf,，损失压头，,He,：输送设备对流体所提供的外加压头。,在实际流体的流动中，有阻力产生，为了达到生产要求,有额外的附加功,。,因为是,m kg,的液体,同时除以,mg,得到,:,（,2,）实际流体伯努利方程式：,(1N),（,3,）功率的计算,功率是指单位时间耗用的能量，可按下式求算：,Pa,，,Pe,-,分别为实际功率和理论功率（有效功率），单位为,kW;,-,输送的效率。,3,、柏努利方程式的应用,1,）,应用柏努利方程的注意事项,作图,根据题意作出流动系统的示意图，并指明流体的流动方,向，使问题直观化。,截面的截取,根据题意，在连续流动的系统中选取两个截面。两截面都应与流动方向垂直，并且两截面的流体必须是 连续的，所求得未知量应在两截面或两截面之间，截面的有关物理量,H,、,u,、,p,等除了所求的物理量之外，都必须是已,知的或者可以通过其它关系式计算出来。,基准水平面的选取,选取基准水平面的目的是为了确定流体位能的大小，实,际上在柏努利方程式中所反映的只是位能差的数值。所以基,准水平面的位置可以任意选取，但必须与地面平行，位能中,心的,H,值指截面中心点与基准水平面之间的垂直距离。为了计算方便，通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任意一个截面。如该截面与地面平行，则基准水平面与该截面重合,H=0,，如衡算范围为水平管道，则基准水平面通过管道 中心线，,H=0,。,单位必须一致,在应用柏努利方程之前，应把有关的物理量换算成一,致的单位，然后进行计算。两截面的压强除要求单位一致,外，还要求表示方法一致。,2,）,、柏努利方程的应用,例：,如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为,452,.5mm,的钢管，要求送液量为,3.6m,3,/h,。设料液在管内的压头损失为,1.2m,，（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？,解：,如图所示，,取高位槽液面为,1-1,截面，进料管出口内侧为,2-2,截面，以过,2-2,截面中心线的水平面,0-0,为基准面。,在,1-1,和,2-2,截面间列柏努利方程,（由于题中已知压头损失，以单位重量流体为基准计算比较方便）,其中：,H,1,=h,；因高位槽截面比管道截面大得多，故槽内流速比管内流速小得多，,可以忽略不计,，即,u,1,0,；,p,1,=0,（表压）；,H,e=0,H,2,=0,；,p,2,=0,（表压）；,H,f,=1.2m,将以上各值代入上式中，可确定高位槽液位的高度,计算结果表明，动能项数值很小，流体位能主要用于克服管路阻力。解本题时注意，因题中所给的压头损失不包括出口能量损失，因此,2-2,截面应取管出口内侧。若选,2-2,截面为管出口外侧，计算过程有所不同。,运动着的流体内,部相邻两流体层间,的作用力，称为流,体的内摩擦力，是,流体粘性的表现，又,称为粘滞力或粘性摩擦力。,流体流动时的内摩擦是流体阻力产生的依据。,2,3,实际流体的流动,2-3.1,粘度,实验证明，对于一定的,液体，内摩擦力,F,与两流体,层的速度差,d,u,成正比，与,两层之间的垂直距离,d,y,成,反比，两层间的接触面积,A,成比。,单,位面积上的内摩擦力称为内摩擦应力或,剪应力，以,表示。,F=,A,F A,牛顿粘性定律,式中：,速度梯度,即在流体流动方向相垂直的,y,方向上流体速度的变化率,粘度,系数，简称为粘度它的值随流体的不同而不同，流,体的粘性愈大，其值愈大，,单位,由牛顿粘性定律得,粘度与温度、压强的关系,液体的粘度随温度升高而减小，压强变化时，液体的粘度基本不变。,气体的粘度随温度升高而增大，随压强增加而增加的很少，在一般的工程计算中可以予以忽略，只有在极低的 压强下，才需考虑压强对气体粘度的影响。,1,）,、雷诺实验,滞流或层流,湍流或紊流,2-3.2,流体流动的形态,2,）,、雷诺数,Re,Re,是一个没有单位，没有因次的纯数,。,在计算,Re,时，一定要注意各个物理量的单位必须统一。,雷诺准数可以判断流型,它的物理意义是表征惯性力与粘性力之比,层流区,2000,Re,t,2,取热流方向微分厚度,d,进行考察,则在,dt,的瞬间内传递的热量为,dQ,4,2,传 导 传 热,4,2.1,热传导基本方程傅立叶定律,比例系数，称为导热系数,。,w/m,k,付立叶定律,在稳定导热时,导热量不随时间而改变,即单位时间内的导热量为定值。,引入一个比例系数,将上式变为一个等式,温度梯度,单位为,.m,-1,表示热流方向温度变化的强度,温度梯度越大,说明在热流方向单位长度上的温度差就越大。,负号表示传热的方向与温度升高的方向相反,2,）导热系数,一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。,（金属）,（非金属）,（固体）,（液体）,（气体）,（紧密）,（疏松）,物性之一：,是物质,导热能力,的标志,与物质种类、热力学状态（,T,、,P,）,有关。,物理含义：,代表单位温度梯度下的热通量大小，,即：当物体两个面（等温面）间温差为,1K,，厚度为,1m,时，每经过,1m2,传热面积所能传导的热量。,故物质的,越大，导热性能越好。,在数值上等于单位温度梯度下的传热强度，是物质的物理性质之一。,固体的导热系数,纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，,金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。,非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增,大，也随温度升高而增大。,液体的导热系数,液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外，绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小，,气体的导热系数,气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。,气体的导热系数随温度升高而加大,。,在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小,注意：,在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，,因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平,均值。,1,）,、单层平壁的稳定热传导,边界条件为：,n,=0,时，,t=t,1,n,=,时，,t=t,2,4,2.2,平面壁的定态热传导,R,导热热阻，传导距离,越大，传热面积和导热系数越小，传导热阻越大。,：壁面两侧的温度差。,2,）,、多层平壁的稳定热传导,推广到,n,层平壁有：,多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程,的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为,各分过程热阻之和，也就是串联电阻叠加原则。,例,:,有一锅炉墙,有下列三种材料组成,耐火砖,1=1.4w.m,-1,.c,-1,，,1=225mm,，,保温砖,2=0.15w.m,-1,.c,-1,2=115mm,建筑砖,3=0.8w.m,-1,.c,-1,3=225mm,今测得其内壁温度为,930,外壁温度为,55,求每秒钟每平方米壁面损失的热量,并求出各层接触面上的温度。,4,3,对 流 传 热,传热方式,热辐射,热对流,热传导,4,3.1,对流传热机理,一、对流传热机理,对流传热是集对流和热传导于一体的综合现象。,对流传热的,热阻主要集中在滞流内层,。减薄滞流内层的厚,度是强化对流传热的主要途径。,流体沿固体,壁面的流动,流体分层运动，相邻层间没有流体的,宏观运动。,在垂直于流动方向上不存,在热对流，,该方向上的热传递仅为流,体的热传导。该层中,温度差较大，即,温度梯度较大。,滞流内层,缓冲层,热对流和热传导作用大致相同，在该层 内温度发生较缓慢的变化。,湍流主体,温度梯度很小，,各处的温度基本相同。,2,、牛顿传热方程,据传递过程速率的普遍关系，壁面和流体间的对流传热速率：,牛顿冷却定律,工程上,推动力：壁面和流体间的温度差,阻力：影响因素很多，但与壁面的表面积成反比。,对流传热速率方程可以表示为：,Q=,t/,R R=1/aA,对流传热系数,a,定义式：,a,对流传热的传热膜系数,也称为给热系数，其物理意义是指当流体主体与壁面间温度差为,1k,时，每秒通过,1m,2,壁面所传给流体的热量为,1J,。,单位,W/m,2,.k,。,反映了,对流传热的快慢,，对流传热系数大，则传热快。,、流体的流动形态和对流情况,、流体的物理性质：,密度,、比热,c,p,、导热系数,、粘度,等；,、传热温度,、流体传热时的相变化,、传热表面的形状、位置及大小：,如管、板、管束、排列方式、垂直或水平放置等。,1,、影响因素,4,3.2,对流传热膜系数,2,、,传热过程的特征数,对流给热系数的因素非常多，工程上采用因次分析和实验的方法确定不同影响因素之间的具体关系，所有这些关系式统称为对流给热系数的经验关联式。,准数名称,符,号,意,义,努塞尔特准数,（,Nusselt,）,Nu,=,d/,表示对流传热系数的准数,雷诺准数,（,Reynolds,）,Re=,du/,确定流动状态的准数,普兰特准数,（,Prandtl,）,Pr=,c,p,/,表示物性影响的准数,格拉斯霍夫准数,（,Grashof,）,Gr,=gtd,i,3,2,/,2,表示自然对流影响的准数,4,4,热交换的计算,在实际生产中，需要冷热两种流体进行热交换，但不允许它们混合，为此需要采用间壁式的换热器。此时，冷、热两流体分别处在间壁两侧，两流体间的热交换包括了固体壁面的传导传热和流体与固体壁面间的对流传热。关于传导传热和对流传热在前面已介绍过，本节主要在此基础上进一步讨论间壁式换热器的传热计算。,4,4.1,总传热速率方程,化工生产中的冷热流体的热交换，其热量通过壁面传给冷流体，实际上包括对流,-,传导,-,对流的传热过程，,间壁两侧流体的热交换过程包括,三个串联的传热过程,。流体在换热器中的温度分布如图所示,.,热流体的对流传热：,管壁热传导：,冷流体的对流传热,对于稳定传热：,1,当传热面为平面时，,A=A,1,=A,2,=A,m,，则：,K,换热器的传热系数，,物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传 热速率。,K,值越大，则单位传热面积所传递的热量就越多。,若间壁为平面壁或近似平面壁则：,A1=A2=A3,其中,式中,K,总传热系数,，,wm,-2,K,-1,。,总传热方程式我们还可以改写为：,=R,，,R,就相当于系统的总热阻,。,Q,2,当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不等，则：,r,m,对数平均半径，,A,m,对数平均面积,例：有一列管式换热器，被加热的原油流经列管内，给热系数,a1=100,W/m2.k,，列管外用饱和水蒸气加热，蒸汽的给热系数,a2=10000W/m,2,.k,，列管有,53mm,1.5mm,的钢管组成，钢的导热系数为,50 W/m,2,.k,，管壁有一垢层，其热阻为,R=0.0005m,2,.k.w,-1,试计算该换热器的总传热数值,若其它条件不变,管内外给热系数分别提高一倍,试分别计算其总传热系数。,4,4.2,传热系数的大致范围,4,4.3,传热温差,1.,定态恒温传热的传热温差：,两种流体进行热交换时，在沿传热壁面的不同位置上，在任何时间两种流体的温度皆不变化，这种传热称为稳定的恒温传热。如蒸发器中，间壁的一侧是饱和水蒸汽在一定温度下冷凝，另一侧是液体在一定温度下沸腾，两侧流体温度沿传热面无变化，两流体的温度差亦处处相等，可表示为,t,m,=T-t,式中,T,热流体的温度；,t-,冷流体的温度。,2,）,变温传热温度差,：,传热温度差随位置而改变的传热。,在传热过程中，间壁一侧或两侧的流体沿着传热壁面，在不同位置时温度不同，但各点的温度皆不随时间而变化，即为稳定的变温传热过程。,流动形式,并流,：,逆流,：,错流,：,折流,：,两流体,平行而同向,的流动,两流体,平行而反向,的流动,两流体,垂直交叉,的流动,一流体只,沿一个方向流动,，而,另一流体,反复折流,变温时,逆流和并流时的传热温差,假定：,换热器（,1,）在稳定情,况下操作,内管走冷流体,温度由,t1,升到,t2,套管环隙走热流体,温度由,T1,降到,T2,，两流体以相反方向流动。,以以两个套管式换热器为例，来看一下,t,的变化,（,1,）,换热器（,2,）内管走的冷流体温度由,t,1,升到,t,2,，环隙热流体温度由,T,1,降到,T,2,，只是两流体的流向相同。,-,并流,（,2,）,我们分别求它们的平均温度差,:,算术平均值,:,t=(t,1,+t,2,)/2,逆流时,:t,1,=T,1,t,2,;,t,2,=T,2,t,1,;,并流时,:t,1,=T,1,t,1,;,t,2,=T,2,t,2,;,算术平均值只有当,t,1,/t,2,2,时才能适用,这时误差小于,4%,(2),对数平均温度差,;,当,t,1,/t,2,2,时,要才用对数平均温度差,才能比较确切地反映温度变化的实际情况。其计算式为：,我们这样来推导：,假设热交换器没有热损失，在稳定传热时，传热速率,不随温度而变化，也就是：,Q,=,常数,进口处的温差,。,出口处的温差。,mc,t,常数，,由于在流动中，流体的质量,m,，和热容,c,均不发生改变，,所以对热流体：,m,c,（,）,对于冷流体：,m”,c”,（,t,t,）,上式说明传热速率与热流体及冷流体温度之间的关系是直线关系，以,t,t,代表一截面上冷热流体的温度差，则与,t,之间也成线性关系,由于,代入上式：,整理得到：,将上式积分得到：,对数平均温度差,逆流,T,1,t,1,T,2,t,2,t,1,t,2,并流,T,1,t,2,T,2,t,1,t,1,t,2,注意：,在应用对数平均温度差计算式时，通常将换热器两,端温度差,t,中数值小的写成,t,2,，大的写成,t,1,，可以计算较为方便。,当,时，可用算术平均温度差代替对数平均温度差。,例：,已知某台锅炉的省煤器进口烟气温度是,T,1,=462,，出口烟气温度是,T,2,=262,，给水进口温度,t,1,=104,，出口水温,t,2,=183,。求顺流操作和逆流操作时的平均温度。,例：,在一单壳单管程无折流挡板的列管式换热器中，用冷却水将热流体由,100,冷却至,40,，冷却水进口温度,15,，出口温度,30,，试求在这种温度条件下，逆流和并流的平均温度差。,解：,热流体：,冷流体：,逆流时：,70 25,并流时：,热流体,：,冷流体,：,85 10,结论：在相同条件下，,在并流和逆流时，虽然两流体的进、出口温度不变，但逆流时的,tm,比并流的大。因此在换热器的传热量,Q,及总传热系数,K,值相,同的条件下，采用逆流操作，可以节省传热面积。逆流的另一优点是节省加热介质或冷却介质的用量。例如，,将一定流量的冷流体从,20,加热到,60,，而热流体的进口温度为,90,，出口温度不作规定。此时，采用逆流时，热流体的出口温,度可以降至接近,20,，而采用并流时，则只能降至接近于,60,。,这样，逆流时加热介质用量就较并流时的为少。由以上分析可知，逆流优于并流，因而工业生产中换热器多,采用逆流操作。但是在某些生产工艺的要求下，若对流体的温度,有所限制，例如规定冷流体被加热时不得超过某一温度，或热流体,被冷却时不得低于某一温度，则宜采用并流操作。,强化传热的目的是以最小的传热设备获得最大的生产能力。,1,）增大传热面积,A,实践中换热管可加装翅片或改用螺旋翅片管,2,）增大传热推动力,t,m,当工艺条件确定后，,t,m,只能通过采用逆流操作方式来加以提高。,3,）提高总传热系数,K,减少传热阻力,减少壁厚或使用导热系数较大的材料；,防止污垢形成或经常清除污垢；,加大流速，提高湍动程度，减少层流底层的厚度均有利于提高对流传热系数。,强化传热途径有：,4,4.3,强化传热的途径,不难看出，提高方程式右边任何一项，均可达到提高换热器传热能力的目的，但究竟哪一个环节是传热的控制步骤，则需要具体问题作具体分析，只有,针对传热过程的,薄弱环节,采取强化措施,，才能收到预期的效果。,4,5,热交换器,热交换器也,称换热器,，是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。化工生产中，换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器、再沸器等，应用甚为广泛。换热器种类很多，但根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分为三类，即间壁式、混合式、蓄热式。在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，以下主要讨论此类换热器。,4,5.1,列管式换热器（管壳式换热器）,列管式换热器又称为,管壳式换热器，,是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用。,主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。,一种流体在管内流动，其行程称为,管程,；另一种流体在管外流动，其行程称为,壳程,。,管束的壁面即为传热面。,优点：,单位体积设备所能提供的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，大型装置中普遍采用。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定路径多次错流通过管束，使湍动程度大为增加。,（,1,）固定管板式,壳体与传热管壁温度之差大于,50,C,，加补偿圈，也称膨胀节，当壳体和管束之间有温差时，依靠补偿圈的弹性变形来适应它们之间的不同的热膨胀。,特点：,结构简单，成本低，壳程检修和清洗困难，壳程必须是清洁、不易产生垢层和腐蚀的介质。,根据所采取的温差补偿措施，列管式换热器可分为以下几个型式,（,2,）浮头式,两端的管板，一端不与壳体相连，可自由沿管长方向浮动。当壳体与管束因温度不同而引起热膨胀时，管束连同浮头可在壳体内沿轴向自由伸缩，可完全消除热应力。,特点：,结构较为复杂，成本高，消除了温差应力，是应用较多的一种结构形式。,（,3,）,U,型管式,把每根管子都弯成,U,形，两端固定在同一管板上，每根管子可自由伸缩，来解决热补偿问题。,特点：,结构较简单，管程不易清洗，常为洁净流体，适用于高压气体的换热,换热器的分类,根据传热原理和,实现热交换的方法,间壁式,混合式,蓄热式,换热面的型式,管式,板式,翅片式,1,、夹套式换热器,2,、蛇管式换热器,3,、螺旋板式换热器,4,、板式换热器,5,、热管,4,5.2,其它热交换器,第五章 吸 收,5,1,概 述,一、什么是吸收？,利用混合气体中各组分在液体中,溶解度的差异,而分离气体混合物的单元操作称为,吸收,。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。,气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程,。,吸收质或溶质,：混合气体中的溶解组分，以,A,表示。,惰性气体或载体：,不溶或难溶组分，以,B,表示。,吸收剂：,吸收操作中所用的溶剂，以,S,表示。,吸收液：,吸收操作后得到的溶液，主要成分为,溶剂,S,和溶质,A,。,吸收尾气：,吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体,B,和少量的溶质,A,。,吸收过程在,吸收塔,中进行，逆流操作