1、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。,11.1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,11 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
2、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
3、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SO2 除尘精制转化吸收 H2SO4。,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
4、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。,11.2 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：,
5、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,12 化工生产的特点,13 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,图1-1 物料衡算示意图,物料衡算式： M入
6、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？,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
7、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,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
8、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。,14 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
9、（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
10、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。,21 一些基本概念,21.1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：,21.2 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/m3,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，
11、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。,21.3 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/m2，即Pa。,推论：,换算关系为：,压强的表
12、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=Ahg N 作用在单位底面上的压力：p=F/A=hg N/m2 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/cm2、 流体柱高度（mmH2O，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
13、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： Ah A= B h B用同一液体表示不同种压强：P Ah A=PAhA,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,绝对压强,表压强,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：4103Pa（真空度）、200KPa（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80103pa，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
14、应为多少？（兰州地区的平均大气压强为85.3103pa,天津地区的平均大气压强为101.33103pa, ）,、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P0， 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P0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
15、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。,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R1
16、50mm，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/m3和13600 kg/m3。,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qv表示； 单位为m3/s。 若流量用质量来计量，称为质量流量，用qm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,
17、以u表示，单位为m/s。 数学表达式为：,21.4 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0.53.0m/s，气体则为1030m/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
18、置而且随时间 变化的流动。,21.5 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。,22 流体定态流动时的衡算,22.1 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。,22.1 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： m1=m2 qm1=qm2,如果把这一关
19、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=2.5cmd2=10cm；d3=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 u116.3m/s，u2=1.02m/s，u3=4.08m/s 流量减小至2L/s时，即流量减
20、小1/2，各段流速亦为原值的1/2，即 u14.08m/s，u2=0.26m/s，u3=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,22.2 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
21、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u1，压强为P1，截面积为A1; 截面2-2的流体流速为u2，压强为P2，截面积为A2。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H1，H2,根据稳定流动系统的能量衡算式有： 输入能量=输出
22、能量,输入能量=mgH1+mu21/2+p1v,输出能量=mgH2+mu22/2+p2v,位能：=mgH2mgH1,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，u2/2g，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
23、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
24、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3.6m3/h。设料
25、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： H1=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u10； p1=0（表压）； He=0 H2=0； p2=0（表压）； Hf =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
26、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。,23 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du成正比，与 两层之间的垂直距离dy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
27、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 40
28、00 由层流转变为湍流的过渡区 Re 4000 湍流区,对于非圆形管道，计算Re时，应以当量直径de代替特征数中的直径d 。当量直径的定义为：,3）、滞流与湍流的比较,流体在管内做层流流动时,其质点沿管轴作有规则的平行运动,各质点互不碰撞,互不混合;流体在管内做湍流流动时,其质点作不规则的杂乱运动,并互相碰撞,产生大大小小的旋涡.,（4） 、边界层的概念,流速低于未受影响流速的99%以内的区域 。,边界层：,边界层的形成,边界层区,主流区,主流区：在边界层以外，速度梯度接近为零的区域,25 流体输送机械,在化工生产过程中，流体输送是主要的单元操作之一它遵循流体流动的基本原理。流体输送机械是一种
29、向流体作功以提高流体机械能的装置。通常，将输送液体的机械称为泵，将压送气体的机械按不同的工况分别称为通风机、鼓风机、压缩机和真空泵。,25.1 离心泵,1、离心泵的主要部件：,1.叶轮 2.泵壳 3.轴封装置,由若干个弯曲的叶片组成的叶轮置于具有蜗壳通道的泵壳之内。,叶轮紧固于泵轴上 泵轴与电机相连，可由电机带动旋转。,吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装一止逆阀。 泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，其上装有调节阀。 2、离心泵的操作原理 开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。 开动后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以很高
30、的速度（15-25m/s）流入泵壳。,在蜗形泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使 大部分动能转化为静压能。最后以较高的静压强从排出口流入排出管道。 泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，由于泵 的吸入管路一端浸没于输送液体内，另一端与叶轮中心处 相通 。在液体压强（大气压）与泵内压力（负压）的压差 作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体 的位置。 离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所 产生的离心力。因此称为离心泵。 问：若没有灌满输送液体，会发生什么现象？,气缚现象气缚现象：当启动离心泵时，若泵内未能灌满液体而存在大量气体，则由于空气的密度远小于液体的密度，
31、叶轮旋转产生的惯性离心力很小，因而叶轮中心处不能形成吸入液体所需的真空度，这种可以启动离心泵，使叶轮空转，但不能输送液体的现象称为“气缚现象”。离心泵是一种没有自吸能力的液体输送机械。若泵的吸入口位于贮槽液面的上方，在吸入管路应安装单向底阀和滤网。单向底阀可防止启动前灌入的液体从泵内漏出，滤网可阻挡液体中的固体杂质被吸入而堵塞泵壳和管路。若泵的位置低于槽内液面，则启动时就无需灌泵。,本章主要内容：,1. 主要讨论流体传导传热、对流传热的机理和传热方程式及其应用；,2. 冷热流体通过 固体间壁进行换热的过程和计算；,3. 强化或削弱传热的途径；,4. 换热器的基本类型及列管式换热器的基本结构和性
32、能；,5. 列管式换热器的设计与选型；,第四章 传热过程,41 概 述,41.1 化工生产中的传热过程,一. 传热过程在化工生产中的应用,传热：就是由于温度的不同,热量从温度高的一处传到温度低的一处,这个过程就是热量的传递，是自然界和工程技术领域中极普遍的一种传递过程 。绝大多数化学反应过程都要求在一定的温度下进行，为了使物料达到并保持指定的温度，就要预先对物料进行加热或冷却，并在过程中及时取出放出的热量或补充需要吸收的热量。,化工生产中传热主要运用于： 应用于生产中原料的加热、成品的冷却或冷凝。 应用于控制化学反应所需要的一定温度范围而采取的加热、冷却或保温。 应用于某些稀溶液的加热、蒸发结
33、晶、干燥等操作或某些浓溶液的冷却。 应用于生产中热量的合理利用和废热回收，以节省热能。,二、传热的基本方式,根据机理的不同，传热有三种基本方式：传导、对流和辐射。传热过程可依靠其中的一种或几种方式同时进行。,传导传热 热传导又称导热，是借助物质的分子或原子振动以及自由电子的热运动来传递热量的过程。在同一物体内或紧密相连的不同物体之间，只要存在温度差，热量就会从温度高的部分传至温度低的部位。可见热传导不仅发生在固体中，同时也是流体内的一种传热方式。 在静止流体内部以及在作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的传热，是凭借流体分子的振动碰撞来实现的，换言之，这两类传热过程也应属于传导的范畴。 所以说
34、：固体和静止流体中的传热以及作层流运动的流体层中垂直于流动方向上的传热均属于传导传热。 很显然，传导过程的特点是：在传热过程中传热方向上无质点的宏观迁移。,对流传热 流体中质点发生相对位移而引起的热量传递，称为对流传热 对流只能发生在流体中。,强制对流,自然对流,用机械能（泵、风机等）使流体发生 对流而传热。,由于流体各部分温度的不均匀分布，形成 密度的差异，在浮升力的作用下，流体发 生对流而传热,热辐射 热辐射是一种通过电磁波来传递热量的方式。具体地说，物体先将热能转变成辐射能，以电磁波的形式在空中进行传送，当遇到另一个能吸收辐射能的物体时，即被其部分或全部吸收并转变为热能，从而实现传热。
35、根据赫尔波尔兹曼定律：凡温度高于绝对零度的物体均具有将其本身的能量以电磁波的方式辐射出去，同时有接受电磁波的能力，且物体的辐射能力大致与物体的绝对温度的4次方成正比。,换热方式,三、两流体换热的基本方式,1 直接接触式传热,在这类传热中，冷、热流体在传热设备中通过 直接混合的方式进行热量交换，又称为混合式传热。 优点：方便和有效，而且设备结构较简单，常用于热气体的水冷或热水的空气冷却。 缺点：在工艺上必须允许两种流体能够相互混合。,这种传热方式是冷、热两种流体交替通过同一蓄热室时，即可通过填料将从热流体来的热量，传递给冷流体，达到换热的目的。优点：结构较简单，可耐高温，常用于气体的余热或冷量的
36、利用。缺点：由于填料需要蓄热，所以设备的体积较大，且两种流体交替时难免会有一定程度的混合。,2 蓄热式传热,在多数情况下，化工工艺上不允许冷热流体直接接触，故直接接触式传热和蓄热式传热在工业上并不很多，工业上应用最多的是间壁式传热过程。这类换热器的特点是在冷、热两种流体之间用一金属壁(或石墨等导热性能好的非金属壁)隔开，以便使两种流体在不相混合的情况下进行热量传递。这类换热器中以套管式换热器和列管式换热器为典型设备。,3 间壁式传热,41.2 传热中的一些基本物理量和单位,热量Q：是能量的一种形式， J,热流密度q：单位面积上的传热速率，Wm-2,潜热：单位质量的物质在发生相变化时伴随的热量变
37、化J/kg,比定压热容cp：压力恒定时，单位质量的物质温度升高1K时所需的热量，JK-1kg-1,显热：,41.3 定态传热和非定态传热,定态传热：在传热体系中各点的温度只随换热器的位置的变化而变，不随时间而变特点：通过传热表面的传热速率为常量，热通量不一定为常数。,非定态传热：若传热体系中各点的温度，既随位置的变化，又随时间变化。特点：传热速率、热通量均为变量。通常连续生产多为稳定传热，间歇操作多为不稳定传热。化工过程中连续生产是主要的，因而我们主要讨论定态传热。,1）傅立叶定律 t1t2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,42 传 导 传 热,42.1 热传导基
38、本方程傅立叶定律,比例系数， 称为导热系数。w/mk,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。,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
39、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
40、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=t1 n=时，t=t2,42.2 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.
41、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。,43 对 流 传 热,43.1 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
42、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1m2壁面所传给流体的热量为1J。单位W/m2.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cp、导热系数
43、、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,43.2 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。, 44 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
44、论间壁式换热器的传热计算。,44.1 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=A1=A2=Am，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-2K-1。,总传热方程式我们还可以改写为：
45、 =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：,rm 对数平均半径，Am 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/m2.k，列管有53mm1.5mm的钢管组成，钢的导热系数为50 W/m2.k，管壁有一垢层，其热阻为R=0.0005m2.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。,44.2 传热系数的大致范围,44.3 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
46、，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 tm=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
47、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t1升到t2，环隙热流体温度由T1降到T2，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+t2)/2 逆流时: t 1=T1t2; t 2=T2t1; 并流时: t 1=T1t1; t 2=T2t2 ; 算术平均值只有当t 1/t22时才能适用,这时误差
48、小于4%,(2)对数平均温度差; 当t1 /t2 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”（tt ）,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,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t2，大的写成t1 ，可以计算较为方便。,例：已知某台锅炉的省煤器进口烟气温度是T1=462，出口烟气温度是T2=262，给水进口温度t1=104，出口水温t2=183。求顺流操作和逆流操作时的平均温度。,
