化工原理上册复习

第二章 沉降与过滤一、复习要求 1、掌握重力沉降的原理、沉降速度的定义和计算。理解沉降器的计算并了解沉降器的构造。 2、理解过滤的基本概念。掌握恒压过滤基本方程式及应用。了解各种过滤设备的构造和操作。3、握离心沉降速度的定义和计算。了解各类离心机的构造和用途。4、理解固体流态化的基本概念。二、复习提要 1、重力沉降速度是指微粒在介质中所受的阻力和浮力之和等于微粒的重力时，这种不变的速度。圆球形粒子的沉降速度0 ： 0固) 层流区域：e，24e湍流区： e1000210 ，0.44非球形颗粒的大小，可以用当量直径计算。沉降器的生产能力与沉降速度0和沉降面积A成正比，而与沉降器的高度无关。 0 2、恒压过滤基本方程式： 11或 11洗涤操作相当于过滤介质上滤渣厚度恒定时的过滤过程。3、离心沉降： 分离因素切，表明离心设备的操作特性。为了提高离心分离效率，通常是增加转速，而将转鼓直径减少。粒子在沉降方向所受各种力互相平衡时，粒子的沉降速度0 。 0固 切 当 e时，24/e三、基本运算1 计算沉降速度2 求服从斯托克斯定律的最大粒子直径。3 沉降室主要尺寸计算。4 滤液量计算及所需过滤时间的计算。1.基本概念：颗粒特性（体积、表面积、比表面积、形状系数）、颗粒群的性质（筛分分析、分布函数、密度函数、平均直径、密度）、床层特性（空隙率、比表面积、各向同性）、沉降操作（重力沉降、离心沉降；自由沉降、干扰沉降；沉降速度及影响因素）；尘室的特点及生产能力；离心沉降的原理、离心沉降的沉降速度的特点；离心分离因素；旋风分离器的临界直径及影响因素降、分离效率、压降；滤饼、料浆、滤液；饼层过滤与深层过滤；可压缩滤饼、不可压缩滤饼、助滤剂；过滤基本方程、比阻、过滤速度与过滤速率、恒压过滤、恒速过滤、先恒速后恒压过滤；滤饼洗涤、洗涤速率；板框压滤机、叶滤机、转筒真空过滤机的特点；生产能力及影响因素。2.仪器设备降尘室、旋风分离器的结构、特点。3.基本公式重力沉降速度 降尘室的生产能力 过滤基本方程 过滤过程的物料衡算恒压过滤方程 第三章 传 热1.基本概念和基本理论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。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：多层（n层）平壁：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： 或 当S2/S12时，用对数平均值，即：当S2/S12时，用算术平均值，即：Sm=（S1+S2）/2多层（n层）圆筒壁：或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符 号意 义努塞尔特准数 LNu= 含有特定的传热膜系数，表示对流传热的强度雷诺准数LuRe=反映流体的流动状态普兰特准数 CpPr= 反映流体物性对传热的影响格拉斯霍夫准数 g t L32Gr= 反映因密度差而引起自然对流状态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Nu=0.023Re0.8Prn或 Lu Cp =0.023 ( ) 0.8 ( ) n L 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Re10000，Pr=0.7160，(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状沸腾区操作。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=KSt，式中t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=aSt，式中t=tw-tm 或 Tm-Tw；S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40.820.2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=KStm式中K为总传热系数，单位为：W/（m2）；tm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，当t1/t2 2时，tm可取算术平均值，即：tm=（t1+t2）/2基于管外表面积So的总传热系数Ko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。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tw接近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)=KStm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。吸 收1、气体吸附是分离气体混合物系的气液传质操作。其分离的依据是组分在溶剂中的溶解度差异。通常将吸收视为只有溶质组分A由气相进入液相的单向传递，而气体中惰性组分B和液相中容积组分S则处于“停滞状态”。气体吸收分为：物理吸附、化学吸附、单组份吸收、多组分吸收、等温吸收、非等温吸收、低组成吸收、高组分吸收。2、相组成有哪些表示方法，它们之间的相互关系。3、对单组分物理吸收过程，在总压及温度一定的条件下，气液相平衡时气相组成是液相组成的单值函数。3、在恒定的压强和温度下，一定量的溶剂和混合气体接触，溶质便由气相向液相转移，直到溶液中溶质达到饱和，浓度不再增加为止，即溶质在气液两项中组成达到动态平衡，简称相平衡。平衡状态下气相中溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中溶质组成成为平衡浓度或饱和浓度。气体在液体中的溶解度，就是指气体在液相中的饱和浓度。4、对单组分的物理吸收，在总压不太高（低于0.5MPa）时，可认为气体在液体中的溶解度仅取决于该气体的分压及温度，而与总压无关。5、当流体内部存在某组分的浓度差时，由于流体分子无规则运动，导致该组分从高浓度处向低浓度处传递，这种传质方式称为分子扩散。在静止流体或在垂直于流动方向作层流流动的流体中发生分子扩散。 分子扩散现象可用菲克定律描述。6、分子扩散系数简称扩散系数，在数值上等于单位浓度梯度的分子扩散通量。物质的扩散系数有试验确定，可从有关手册中查得。在缺乏数据时，可用经验公式估算。对于气体扩散系数，当温度及压强改变时，可用下式估算：7、亨利定律的数学表达式 亨利系数E， T，E。 溶解度系数H，T，H溶解度系数H与亨利系数E的关系为： 相平衡常数m，当物系一定时，T或P，则m。相平衡常数m与亨利系数E的关系为： 8、当通过连通管内任一截面处两个组分的扩散速率大小相等时，此扩散称为等分子反向扩散。气相主体中的组分A扩散到界面，然后通过界面进入液相，而组分B由界面向气相主体反向扩散，但由于相界面不能提供组分B，造成在界面左侧附近总压降低，使气相主体与界面产生一小压差，促使A、B混合气体由气相主体向界面处流动，此流动称为总体流动。漂流因子的大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，溶质的浓度愈大，其影响愈大。其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。9、流体作湍流运动时，由于质点的无规则运动，相互碰撞和混合，若存在浓度梯度的情况下，组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。10、对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。11、双模理论要点归纳为流动和传质模型两部分：流动部分：相互接触的气液两相存在一固定的相界面。界面两侧分别存在气膜和液膜，膜内流体呈层流流动，膜外流体呈湍流流动。膜层厚度取决于流动状态，湍流程度愈剧烈，膜层厚度愈薄。 传质部分：传质过程伟定态过程，因此沿传质方向上的溶质传递速率为常量。气、液相界面上无船只阻力，即在界面上气、液两相组成呈平衡关系。在界面两侧的膜层内，物质传递以分子扩散方式进行；膜外湍流主体内传质阻力可忽略，气、液两相间的传质阻力取决于界面两侧的膜层传质阻力。12、吸收速率方程与传热方程：相同之处：速率方程式通式相同，推动力分别为浓度差和温度差；阻力分别为吸收系数的倒数和传热系数的倒数。对流传质和对流传热都发生在界面一侧的流体中，传递机理相似。传热方式是热传导和热对流，传质方式是分子扩散和涡流扩散。吸收分系数与对流传热中的对流传热系数相当，分别表示一相内的对流传质和一侧流体中的对流传热情况，都代表影响传递过程的因素，可用经验关联式计算。吸收总系数与对流传热中的总对流传热系数相当，分别表示两相间的对流传质和两侧流体中的对流传热情况。不同之处：传热过程中，推动力是温度差，传热方程表达式少。吸收过程，推动力为浓度差，由于气液相组成由多种表示方法，用不同浓度表示的推动力，就有对应的吸收速率方程，故吸收速率方程表达式数目多。在传热计算中，平均推动力是跟据两流体的始终温度直接计算得到的。在吸收计算中，不仅相组成表示方法很多，而且推动力中的P* 、C* 、Y* 、X* 等不是气液相得实际组成，需通过平衡关系求出的平衡组成，可见吸收速率的计算要复杂得多。13、最小液气比：最小液气比是针对一定的分离任务、操作条件和吸收物系，当塔内某截面吸收推动力为零时，达到分离程度所需塔高为无穷大时的液气比，以表示。14、对于低浓度吸收，在全塔范围内气液相的物性变化都较小，通常可视为常数， 低浓度定态吸收填料层高度计算基本公式。a值与填料的类型、形状、尺寸、填充情况有关，还随流体物性、流动状况而变化。其数值不易直接测定，通常将它与传质系数的乘积作为一个物理量，称为体积传质系数。传质单元高度的物理意义为完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度。传质单元高度的数值反映了吸收设备传质效能的高低，愈小，吸收设备传质效能愈高，完成一定分离任务所需填料层高度愈小。与物系性质、操作条件、及传质设备结构参数有关。为减少填料层高度，应减少传质阻力，降低传质单元高度。15、吸收因数的意义：为吸收操作线的斜率与平衡线斜率的比。为解吸因数，其倒数为吸收因数16、在吸收过程中，若平衡线和操作线均为直线是，根据吸收塔塔顶及塔底两个断面上的吸收推动力来计算全塔的平均推动力传质单元数的计算 17、填料塔为连续接触式的气液传质设备，应用于吸收、蒸馏等分离过程。塔体为圆筒形，两端装有封头，并有气液体进出口接管。塔下部装有支撑板，板上充填一定的填料。18、工业生产中，常将离开吸收塔的吸收液送到解吸塔中，使吸收液中的溶质浓度由X1降至X2，这种从吸收液中分离出被吸收溶质的操作，称为解吸过程。19、解吸过程是吸收的逆过程，是气体溶质从液相向气相转移的过程。解吸过程的必要条件及推动力与吸收过程的相反，解吸的必要条件为气相溶质分压pA或浓度Y小于液相中溶质的平衡分压或平衡浓度。解吸方法：气提解吸、减压解吸、加热解吸20、降低吸收过程传质阻力的具体有效措施：若气相传质阻力大，提高气相的湍动程度，如加大气体的流速，可有效地降低吸收阻力；若液相传质阻力大，提高液相的湍动程度，如加大液体的流速，可有效地降低吸收阻力。因吸收总传质阻力可用表示，所以通过采用新型填料，改善填料性能，提高填料的相际传质面积a，也可降低吸收的总阻力。21、由于吸收过程中气相中溶质分压总是 大于 溶质的平衡分压，因此吸收操作线总是在平衡线上方。22、水吸收氨-空气混合其中的氨，他是属于 气膜 控制的吸收过程。在吸收过程中，若提高吸收剂用量，对气膜控制的物系，体积吸收总系数KYa 几乎不变 ，对液膜控制的物系，体积吸收总系数KYa将 变大 。当吸收剂用量为最小用量是，则所需填料层高度将为 无限高 。23、在填料塔操作时，影响液泛气速的因素为 填料的特性、流体的物性、液气比。 24在填料塔设置中，空塔气速一般取 液泛 气速的50%80%，若填料层较高，为了有效地润湿填料，塔内应设置 液体再分器 装置。吸附1、吸附作用主要是基于固体表面的表面力。当吸附剂表面与被吸附分子之间产生化学反应、通过化学键力而进行的吸附称为化学吸附。同一物质在较低温度下发生物理吸附，在较高温度时发生化学吸附。2、同一温度下，各组分的平衡曲线不同，即固定相和移动相中组分浓度各不相同。称固定相和移动相中组分浓度之比为分配比。3、亨利关系式为经验式，为直线平衡关系。亨利型吸附等温线符合低浓度下的吸附。其中为常数，、分别为平衡时的压力、浓度。4、移动到吸附剂颗粒表面的这一部分吸附质仅有少量吸附在吸附剂颗粒的外表面上，其余大部分一面经过颗粒内的细孔向颗粒深处移动（扩散），一面被吸附在细孔壁上。这种吸附质通过细孔内部溶液进行扩散而移动的现象称为细孔扩散。与此同时，被吸附在细孔壁表面上的吸附质分子，则以细孔壁上的吸附质的浓度梯度为推动力，一点点地挪动吸附位置，并渐渐地向细孔深处移动（扩散），这种现象称为表面扩散。细孔扩散和表面扩散都是在吸附剂颗粒内部发生的扩散，两者和在一起称颗粒内部扩散。5、吸附传质过程受以下三个因素影响：吸附质分子在吸附剂颗粒表面的界膜中的扩散；吸附质分子在吸附剂内的扩散；吸附质分子在吸附剂细孔表面吸附位置上的吸附。6、当毛细管直径比扩散分子的平均自由程大许多时，发生分子扩散；而毛细管直径小于分子自由程时发生努森扩散；而毛细管直径与分子平均自由程接近时，则分子扩散和努森扩散都发生，此时称为过度区扩散。7、颗粒密度即是由吸附剂颗粒的质量及体积所得到的密度，符号。而堆积密度或者视密度是指由一定质量的吸附剂与由此堆积而成的体积所计算出的密度，符号。显然，对于同一吸附剂， 。8、双膜理论假设如下条件：（1）相互接触的流、固体间存在着定态的相界面，界面两侧各有一个有效滞流膜层，吸附质以分子扩散方式通过此二膜层；（2）在膜层以外的区域，吸附质浓度是均匀的，全部组成变化集中在两个有效膜层中；（3）膜内无物质积累，即；（4）在相界面上存在吸附平衡9、变温吸附一般可分为三个过程，即吸附、加热再生、冷却。