1、串讲课件,化工原理,化学工程的三传是什么？举例说明化工生产常用的单元操作各属于什么传递过程？各个传递过程的推动力是什么？,三传指质量传递、动量传递和热量传递。萃取属于传质过程，推动力为浓度差。流体输送属于动量传递，推动力为压力差。换热过程属于热量传递，推动力为温度差。,什么是单元操作？并列举常见的几种单元操作！,单元操作是指化学工业和其他过程工业中进行的物料粉碎、输送、加热、冷却、混合和分离等一系列使物料发生预期的物理变化的基本操作的总称。,第一章,1.输送机械有何作用？流体输送机械是一种对流体做功以提高流体机械能的装置。对一定的管路系统，需要由流体输送机械所提供的机械能可由柏努利方程式求得。
2、 液体输送机械的作用是提高液体的位能、静压能及克服管路的沿程阻力。 气体输送机械的作用是提高气体的压强、速度及克服管路沿程阻力。,2.简述离心泵的基本结构。答：离心泵的基本部件是高速旋转的叶轮和固定的蜗牛形泵壳。泵壳中央的吸入口与吸入管路连接，吸入管路底部装有单向阀和滤网，泵壳侧旁的排出口与装有调节阀的排出管路相连接。,3.何谓轴向推力？用什么方法平衡？ 答：当闭式或半闭式叶轮运转时，离开叶轮的部分高压液体可漏入泵壳和叶轮之间的空腔中，因叶轮前侧吸入口处液体压强低，故液体作用于叶轮后、前侧的压力不等，便产生了指向叶轮吸入口侧的轴向推力。这种轴向推力导致叶轮向吸入口侧窜动，引起叶轮于泵壳间接触磨
3、损，严重时造成泵的振动，破坏泵的正常运转。为了减少轴向推力，可在叶轮后盖板上钻若干小孔，这些小孔称为平衡孔。漏入叶轮后侧的若干高压液体经平衡孔漏回低压区，减小了叶轮两侧的压力差，因此平衡了部分轴向推力。平衡孔是最简单的平衡轴向推力的方法，但是也降低了泵的效率。双吸式叶轮因同时从叶轮两侧吸入液体，故可基本上消除轴向推力。,4.何谓离心泵气蚀现象？有何危害？如何防止发生气蚀？,答：气蚀是离心泵特有的一种现象。当叶轮入口附近液体的静压强等于或低于输送温度下液体饱和蒸气压时，液体将在此部分气化，产生气泡。喊气泡的液体进入叶轮高压区后，气泡就急剧凝结或破裂。因气泡的消失产生局部真空，周围的液体以极高的流
4、速流向原气泡占据的空间，产生了极大的局部冲击压力。在这种巨大的反复作用下，导致泵壳和叶轮被损坏。这种现象称为气蚀。气蚀具有以下危害性。 离心泵的性能下降。泵的流量、压头和效率均降低。若生成大量气泡，则可能出现气缚现象，迫使离心泵停止工作。 产生噪声和振动，影响泵的正常工作环境。 泵壳和叶轮的材料遭受损坏，降低了泵的使用寿命。 气蚀发生的原因是叶轮吸入口附近静压强低于某值所致。而造成该处静压强过低的原因诸多，如泵的安装高度超过允许值、泵送液体温度过高、吸入管路局部阻力过大等。为避免发生气蚀，就应该设法是叶轮入口附近的压强低于输送温度下液体的饱和蒸气压。通常，根据泵的抗气蚀性能，合理地确定泵的安装
5、高度，是防止发生气蚀的有效措施。,5.如何选择离心泵？,答：一般离心泵的选择步骤如下： 根据输送液体的性质和操作条件，确定离心泵的类型。 确定输送系统的流量和压头。液体流量通常由生产任务规定，若流量有一波动范围，应按最大流量计。根据管路布置和条件，利用柏努利方程计算压头。 选择泵的型号。根据管路所要求的流量和压头，从泵样本中选择合适的型号，即该型号泵可提供的流量和压头应稍大于管路要求的流量和压头，且应在泵的高效区下工作。泵的型号选定后，应列出该泵的性能参数 校核离心泵的性能参数。 确定离心泵的安装高度。,6.离心泵流量调节方法,改变出口阀的开度 改变叶轮转速或改变叶轮直径,7.离心泵的工作点及
6、确定方法,一定流量下，当离心泵所提供的能量与管路系统需要的能量相匹配时，此时称为离心泵的工作点,作业：1.某离心泵的特性曲线为H=25-2.0Q2，管路的特性曲线为：H=20+1.86Q2（式中H的单位为m，Q的单位为m3/min） 试求：（1）离心泵运行时的流量和压头；（2）若将调节阀关小，使工作点的流量变至60m3/h，求因关小阀门需多消耗的压头，m；（3）关小阀门后的管路特性方程。,8.离心泵安装高度的确定,安装高度 最大安装高度 最大允许安装高度,作业2：用离心泵从常压储槽向表压强为170kPa的设备内输送油品.已知输送条件下油品的密度为750kg/m3，运动黏度小于23cSt，饱和蒸
7、汽压为80kPa。设备的油品入口管端比储槽液面高5m。输送管的直径为57mm2mm，储槽液面维持恒定。油品的流量为18m3/h，吸入管路和压出管路的压头损失分别为1.5m和4.5m。试选择一台合适的离心泵，并确定安装高度。离心泵性能见下表：,第三章 沉降与过滤,1.沉降发生的前提条件是什么？沉降过程如何分类？ 答：沉降发生的前提条件是：分散相和连续相之间存在浓度差，并在外力场的作用，以造成两相的相对运动。 实现沉降操作的作用力可以是重力或离心力，因此，沉降过程有重力沉降和和离心沉降两种方式。 根据颗粒的沉降是否受到其他颗粒或器壁的影响而将沉降过程分为自由沉降和干扰沉降。 若在沉降系统中，颗粒之
8、间的距离足够大，任一颗粒的沉降不因其他颗粒的 存在而受到干扰，同时又可忽略容器壁面的影响，则称为自由沉降，单个颗粒在大空间中的沉降或气态非均相物系中颗粒的沉降都可视作自由沉降。反之，如果分散相的体积分率高（如大于0.2%），颗粒间有明显的相互作用，容器壁面对沉降的影响不可忽略，则称为干扰沉降或受阻沉降，液态非均相物系中，当分散相浓度较高时，往往发生干扰沉降。,2.颗粒在重力场中沉降时到受到那些力的作用？颗粒在沉降过程中经历哪两个阶段？,答：表面光滑的球形颗粒发生重力沉降时，将受到三个力的作用，即重力、浮力与阻力。重力向下，其余两个力向上。 颗粒开始沉降的瞬间，速度u为零，因此阻力也为零，故加速
9、度a具有最大值。颗粒开始沉降后，阻力随运动速度u的增大而相应加大，直至u达到某一数值后，阻力、浮力与重力达到平衡，即合力为零。质量m不可能为零，故加速度a为零。此时，颗粒便开始作匀加速沉降运动。由上面分析可见，颗粒的沉降经历加速运动和恒速运动两个阶段。但加速运动段往往很短，工程计算中常常将之忽略不记。,3.谓沉降速度？如何计算？,：等速阶段颗粒相对于流体的运动速度称为沉降速度。沉降速度的通式为在给定介质中颗粒沉降速度的计算采用如下方法。 第一，试差法。由于通常被沉降的颗粒粒度都比较小，假设沉降在滞流区，大多是一次视差成功。 第二，直接带入法,4.影响沉降速度的因素有哪些？,答：影响沉降速度的因
10、素包括如下几个方面。 （1）颗粒特性：颗粒密度、形状及运动取向； （2）流体性质：主要指密度和粘度 （3）环境因素：体现为器壁效应。 通常，当固体在液体中沉降时，升温使液体粘度下降，可提高沉降速度。对气体，升高温度，粘度增大，不利于沉降。,5.降尘室分离的依据是什么？,从理论上讲，若要使最小颗粒能够从气流中完全分离出来，则气体在沉降室内的停留时间大于等于颗粒从沉降室的最高点降至室底所要求的时间。,6.多层沉降室设计的理论根据,理论上讲沉降室的生产能力只与其沉降面积BL及颗粒的沉降速度u1有关，而与沉降高度H无关。故沉降室设计成扁平形，或在室内均匀设置多层平隔板，构成多层沉降室。 若沉降室内共设
11、置n层水平隔板，则多层沉降室的生产能力为,7.评价旋风分离器性能的主要指标是什么？,（1）临界粒径 临界粒径是指理论上在旋风分离器中能被完全分离下来的最小颗粒直径，用dc表示。临界粒径是判断分离效率高低的重要参数。 （2）分离效率 （3）旋风分离器的压强降 气体流经旋风分离器时，由于进气管、排气管及主体器壁所引起的摩擦阻力、局部阻力及气体旋转所产生的动能损失等，造成气体的压强降。压强降可表示为进口气体动能的倍数，即,例题1,用一个多层降尘室除去常压炉气中的固体颗粒。已知：固体颗粒为球形，其最小直径为10m，固体密度为4000kg/m3；炉气的温度为427，密度为0.5kg/m3，粘度为3.41
12、0-5Pa.s；降尘室的宽为2m，长为5m，其中用隔板分为40层，间距为6.41mm。试求：（1）最小颗粒的沉降速度；（2）若需要最小颗粒沉降，气体的最大流速不能超过多少m/s？（3）此降尘室每小时能处理多少立方米的气体？,作业,拟采用降尘室回收常压炉气中所含的球形固体颗粒。降尘室底面积为10m2，宽和高均为2m。操作条件下，气体的密度为0.75 kg/m3，粘度为2.610-5Pa.s；固体的密度为3000 kg/m3；降尘室的生产能力为3 m3/s。试求： （1）理论上能完全捕集下来的最小颗粒直径； （2）如欲完全回收直径为10m的尘粒，在原降尘室内需设置多少层水平隔板？,8.过滤的原理及
13、常见工业过滤方式,过滤原理：在外力的作用下，悬浮液中的液体通过多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。 工业过滤方式：深层过滤、滤饼过滤 滤饼过滤中 流体滤饼层(固定床)+过滤介质，阻力主要集中在滤饼层和过滤介质中。,第二章传热,传热的基本方程式有几种？各有何特点？,答:传热的基本方程式有热传导热对流和热辐射三种。 热传导是由于物质的分子、原子或电子的运动，使热量从物体内高温处向低温处的传递。 热传导是静止物体内的一种传热方式，即一切物体，不论其内部有无质点的相对位移，只要存在温度差，就必发生热传导。气体、液体和固体的热传导方式机理各不相同，发生在固体中的为典型的热传导。热传导
14、不能在真空中进行。热对流是指物体中质点发生相对位移而引起的热量传递。由于引起流体质点相对位移原因的不同，对流可分为强制对流和自然对流，相应进行的是强制对流传热和自然对流传热。再流体中发生强制对流传热的同时，往往伴随着自然对流传热。习惯上将流体与固体壁面间的传热，统称为对流传热。它是热对流和热传导的结合。热辐射是指因热的原因发出辐射能的过程。所有的物体（包括固体、液体和气体）都能将热能以电磁波形式发射出去，而不需要任何介质，即可在真空中传播。任何物体在发出辐射能的同时，也不断吸收周围物体发来的辐射能。物体之间相互辐射和吸收能量的总结果称为辐射传热。净热量是从高温物体传向低温物体。辐射传热的特点是
15、不仅有能量的传递，而且还有能量形式的转移。只有在物体温度较高时，热辐射才能成为主要的传递方式。实际上，传热过程往往不是以某种传热方式单独出现的，而是两种或三种传热方式的组合，,2.导热系数的物理意义及影响因素是什么？,答：导热系数表征的热传导能力，是物理的热性质。它在数值上等于单位温度梯度下的热传导通量。导热系数越大，热传导越快。导热系数的大小与物质的组成、结构、温度及压强等诸多因素有关。其值通常由实验测定。各种物质的导热系数差别很大，一般金属的导热系数最大，非金属的次之，液体的较小，气体的最小。,3.对流传热系数的物理意义是什么？如何获得对流传热系数？,牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，
16、：由上式可知，对流传热系数表示在单位温度差下由对流传热引起的热通量，对流传热系数愈大，表示对流传热速率愈快。应注意，对流传热系数不同于导热系数，它不是流体的物性，而是一个受多种因素影响的参数。研究对流传热系数的影响因素和计算方法，成为解决对流传热的关键。通常在传热计算中，对流传热系数来源如下：通过实验测定；选取经验值；由关联式计算得到。,4.影响对流传热系数的因素有哪些？, 流动形态 流体流动原因 流体物理性质 传热面形状、位置和大小 相变化, 流体在圆形直管内强制湍流的对流传热系数,a) 低粘度流体,可应用迪特斯和贝尔特关联式,5。对流传热系数经验公式,流体被加热，n= 0.4 流体被冷却，
17、n= 0.3,定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径d0,保证流体达到传热湍流；,适用条件：,说明：,避开传热进口段，保证稳态传热。,定性温度：tm=(t1+t2)/2 特征尺寸：管内径d0,适用条件：,6.蒸汽冷凝有几种方式？各有何特点？,饱和蒸汽和冷的壁面接触，蒸汽放出气化热，在壁面上冷凝成液体。其冷凝方式有膜状冷凝和滴状冷凝两种。 (1) 膜状冷凝 若壁面能被冷凝液润湿，则在壁面上形成一层液膜，故称为膜状冷凝。在壁面上形成液膜后，蒸汽冷凝时放出的汽化热，必须通过液膜后才能传到壁面上。由于液体导热系数较小，因此冷凝液膜往往成为膜状冷凝的主要热阻。液膜愈厚，则热阻愈大。因此壁面
18、愈高或水平放置的管径愈大，则整个壁面上的平均对流传热系数愈小。 (2)滴状冷凝 若壁面不能被冷凝液润湿，则由于表面张力的作用，在壁面上形成许多液滴，故此种冷凝称为滴状冷凝。此时大部分壁面暴露在蒸汽中，因无液膜存在，故滴状冷凝的传热系数较膜状冷凝的传热系数要高得多。由于生产中滴状冷凝是不稳定的，因此设计冷凝器时按膜状冷凝处理。,7.影响冷凝传热系数的因素有哪些？,单组分饱和蒸汽冷凝，传热热阻集中在冷凝液膜中，液膜厚度及其流动状况是影响冷凝传热的关键。凡有利于减薄液膜厚度及其流动状况的因素，都可以提高冷凝传热系数。这些因素包括以下几点： 温度差。当冷凝液呈层流时，若t加大，则蒸汽冷凝速率增加，因而
19、冷凝液膜层增厚，使冷凝传热系数减小。 流体的物性。冷凝液的密度，粘度及导热系数，汽化热都影响。 蒸汽的流速和流向。整齐运动和液膜间产生摩擦力，若蒸汽和液膜同向流动，则摩擦力使液膜加速，液膜厚度变薄，使增大；若两者逆向流动，则减小。但是若这种力超过液膜重力，液膜会被蒸汽吹离壁面，使金属暴露在蒸汽中，此时随蒸汽流速的增大，则将急剧增大。 蒸汽中不凝气的含量。若蒸汽中不含有不凝气体，则壁面被气体层所遮盖，增加一层附加热阻，使急剧下降。因此在设计和操作中，都需要考虑排除不凝气。 冷凝壁面的布置。若沿冷凝液流动方向积存的液体增多，液膜变厚，使下降，因此在设计和安装冷凝器时，应正确安放冷凝壁面。,8.何谓
20、强化传热？有哪些强化途径？,换热器传热的强化，是指提高冷、热流体的传热速率。由总传热速率方程 ，对换热器而言，提高总传热系数、增加单位传热面积及增加平均温差均可提高传热速率。因此在换热器的设计、操作和开发中，都应从以上三方面考虑强化传热的途径。 （1） 增大总传热系数增大总传热系数是强化传热的重点。从总传热系数的计算式可知，其总热阻是又冷、热流体的对流传热热阻、管壁两侧的污垢热阻及管壁热传导热阻所组成。由于各项热阻所占的比重不同，应设法减小其中较大的热阻。一般情况下，换热器的管壁较薄，其导热系数较大，因此它不会是主要热阻，即对提高K值影响不大。提高总传热系数的主要措施是设法提高对流传热系数和减
21、小污垢热阻。,提高对流传热系数。提高流体的流速。增强流体的湍动程度，减少传热边界中层流内层的厚度，从而减小对流传热热阻，提高对流传热系数。可采取的措施有：对管壁式换热器中受惯性离心力的作用、采用各种异形管或在管内装入麻花铁等添加物，均可增强流体的湍动程度。 防止结垢和及时青垢。在换热器运行初期。污垢热阻很小，但随着运行时间增长，污垢热阻可能成为主要热阻。因此应防止结垢和及时地清除垢层。通常，增加流体的流速可减弱垢层的形成；易结垢的流体宜在管程流动，以便于清洗；采用可拆卸的换热器结构，定期采用机械或化学的方法清除垢层。,（2）增大平均温度差平均温度差的大小取决于两流体的温度条件和两流体的流动方向
22、。一般来说，流体的温度为生产工艺条件规定，可变动的范围较为有限。加热（或冷却）介质的温度，因所选介质的不同，可以有较大的差异。如化工厂常用的饱和水蒸气，提高其压强可提高蒸汽的温度。但同时应考虑经济上合理和技术上的可能性。当两流体均变温时，从换热器结构上采用逆流或接近逆流的形式，可增大平均温度差。（3）增大传热面积增大传热面积应该从改进换热器结构入手，提高其紧凑性，即提高设备单位体积的传热面积。改进传热面积的结构，如用螺纹管、波纹管代替光滑管，采用螺旋板失换热器或平板式换热器等，都可增加单位体积设备的传热面积。应予注意，强化传热时应综合考虑诸多因素，选择适宜的强化措施。例如通过增加流速个增强流体
23、湍动来强化传热，但都伴随着流动阻力的增大；提高设备的紧凑性，可能带来清洗和检修的困难等问题。为此，在采取强化传热措施时，应对设备结构、制造费用、动力消耗、清洗和检修等方面予以考虑，选用经济合理的方案。,9.管壳式换热器主要形式有几种？,：管壳式换热器又称列管式换热器。在该类换热器中，由于管内、外流体温度不同，使管束和壳体的温度也不相同，因此两者的热膨胀度也有差别。若两流体温度差较大，由于热应力而可能引起管子弯曲、设备变形甚至破裂。一般当两流体的温度差超过50摄式度时，就应考虑这种热膨胀的影响。通常按照热补偿方法不同将列管式换热器分为：固定管板式换热器、U形管式换热器及浮头式换热器三种。,画出常
24、压下水的大容器饱和沸腾的沸腾曲线，说明分为几个区域？生产中要保持在哪个区进行操作？,水的沸腾曲线如图（见书），可将沸腾分为三个区域。 自然对流区：当温度差较低时，加热面上液体轻微受热，液体内部自然对流，没有气泡从液体中逸出，此阶段较低，如图中AB段所示，此阶段称为自然对流区。,核状沸腾区：当温度差逐渐升高，在加热面的局部位置上产生气泡，气泡的产生、脱离和上升使液体扰动，因此急剧增大，如图中BC段所示，此阶段称为核状沸腾区。 膜状沸腾区：当温度差再增加，加热面上的气泡大量增多并连成一片，使部分加热面上形成一层气膜。膜的附加热阻使急剧下降。当气膜开始形成时是不稳定的，大气泡可能脱离表面，该部分为部
25、分膜状沸腾，如图CD段所示。当达到D点时，开始形成稳定的气膜，以后随温度差增加，又上升，这是由于壁温很高，辐射传热影响所致（由于核状沸腾的大，故工业上希望控制在核状沸腾区操作。,第四章 吸收,吸收分离的依据是什么？,气体吸收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。,什么是相平衡状态？相平衡在吸收过程中有何应用？,平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，同时液相中的溶质逸出返回气相，长期充分接 触后，溶质在气液两相中的浓度不再发生变化，此时，气液两相达到平衡。 作用： .判断过程进行的方向； 指明过程进行的极限； 确
26、定过程的推动力；,何谓溶解度曲线？该曲线有何规律性？,一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，同时液相中的溶质逸出返回气相，长期充分接 触后，溶质在气液两相中的浓度不再发生变化，此时，气液两相达到平衡。平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线。,该曲线有何规律性如下：在同一种溶剂（水）中，相同的条件下不同气体的溶解度差别很大，如氨易溶于水，氧难溶于水，而二氧化硫居中；对同一种溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度降低而增大；对同一种溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压增高而增大。 由溶解度曲线所
27、显示的共同规律性可知，降温和加压可提高气体在液体中的溶解度，对吸收操作有利。反之，减压和升温对脱吸操作有利。,双膜理论的基本论点，并划出双膜理论的示意图,（1）气液两相接触时，两相之间存在一个稳定的相界面，在界面两侧分别存在着呈层流流动的稳定的气膜和液膜，溶质以分子扩散方式连续通过气膜和液膜。在膜层外的气液两相主体中呈湍流状态。膜层的厚度主要随流体流速而变，流速愈大厚度愈小。 （2）在相界面处气液两相互成平衡，无传质阻力。 （3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质的浓度基本上是均匀的，即认为主体中没有浓度梯度存在。,亨利定律有哪些表达式？并学会应用！,例题：在总压101.3kPa，温度30的条件
28、下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，不同条件下亨利系数值见下表：试问：（1）从液相分析SO2的传质方向； （2）其它条件不变，从气相分析温度降到0时SO2的传质方向； （3）其它条件不变，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。,等摩尔逆向扩散传质速率方程,单向扩散传质速率方程,填料塔有哪些主要附件，各有什么作用？,填料塔的主要附件有填料支撑板、气液分布装置、液体再分布装置和除沫装置。 （1）填料支撑装置的作用是支撑填料及其所持有液体的重量，并保证气液两相顺利通过。 （2）气液分布装置的作用：液体分布装置使液体能够均匀地分布在填料层上，保证有足够数目且分布均匀的喷淋点，以防止塔内的壁流和沟流现象发生。气体分布装置作用是使气体能够均匀分布。 （3）液体再分布装置的作用是将流到塔壁近旁的液体重新汇集并导向塔中央 区域，使液体经重新分布后均匀地喷淋到下层的填料上。 （4）除沫装置的作用是除去出口气体夹带的液沫和雾滴。,
