化工原理復習小結

PAGE3PAGE10流體流動–––基本概念與基本原理流體靜力學基本方程式或注意：1、應用條件：靜止的連通著的同一種連續(xù)的流體。2、壓強的表示方法：絕壓—大氣壓=表壓表壓常由壓強表來測量；大氣壓—絕壓=真空度真空度常由真空表來測量。3、壓強單位的換算：1atm=760mmHg=10.33mH2O=101.33kPa=1.033kgf/cm2=1.033at4、應用：水平管路上兩點間壓強差與U型管壓差計讀數(shù)R的關系：處于同一水平面的液體，維持等壓面的條件必須時靜止、連續(xù)和同一種液體。二、定態(tài)流動系統(tǒng)的連續(xù)性方程式––––物料衡算式三、定態(tài)流動的柏努利方程式––––能量衡算式1kg流體：[J/kg]討論點：1、流體的流動滿足連續(xù)性假設。2、理想流體，無外功輸入時，機械能守恒式：3、可壓縮流體,當Δp/p1<20%,仍可用上式，且ρ=ρm。4、注意運用柏努利方程式解題時的一般步驟，截面與基準面選取的原則。5、流體密度ρ的計算：理想氣體ρ=pM/RT混合氣體混合液體上式中：––––體積分率；––––質量分率。6、gz，u2/2，p/ρ三項表示流體本身具有的能量，即位能、動能和靜壓能?！苃f為流經(jīng)系統(tǒng)的能量損失。We為流體在兩截面間所獲得的有效功，是決定流體輸送設備重要參數(shù)。輸送設備有效功率Ne=We·ws，軸功率N=Ne/η（W）7、1N流體[m]（壓頭）1m3流體,柏努利式中的∑hf流動類型：1、雷諾準數(shù)Re及流型Re=duρ/μ，μ為動力粘度，單位為[Pa·s]；層流：Re≤2000，湍流：Re≥4000；2000<Re<4000為不穩(wěn)定過渡區(qū)。2、牛頓粘性定律τ=μ(du/dy)氣體的粘度隨溫度升高而增加，液體的粘度隨溫度升高而降低。3、流型的比較：①質點的運動方式；②速度分布，層流：拋物線型，平均速度為最大速度的0.5倍；湍流：碰撞和混和使速度平均化。③阻力，層流：粘度內摩擦力，湍流：粘度內摩擦力+湍流應力。流體在管內流動時的阻力損失[J/kg]1、直管阻力損失hf范寧公式(層流、湍流均適用).層流：哈根—泊稷葉公式。湍流區(qū)（非阻力平方區(qū)）：；高度湍流區(qū)（阻力平方區(qū)）：，具體的定性關系參見摩擦因數(shù)圖，并定量分析hf與u之間的關系。推廣到非圓型管注：不能用de來計算截面積、流速等物理量。2、局部阻力損失h′f①阻力系數(shù)法，②當量長度法，注意：截面取管出口內外側，對動能項及出口阻力損失項的計算有所不同。當管徑不變時，流體在變徑管中作穩(wěn)定流動，在管徑縮小的地方其靜壓能減小。流體在等徑管中作穩(wěn)定流動流體由于流動而有摩擦阻力損失，流體的流速沿管長不變。流體流動時的摩擦阻力損失hf所損失的是機械能中的靜壓能項。完全湍流（阻力平方區(qū)）時，粗糙管的摩擦系數(shù)數(shù)值只取決于相對粗糙度。水由敞口恒液位的高位槽通過一管道流向壓力恒定的反應器，當管道上的閥門開度減小時，水流量將減小，摩擦系數(shù)增大，管道總阻力不變。管路計算并聯(lián)管路：1、2、各支路阻力損失相等。即并聯(lián)管路的特點是：（1）并聯(lián)管段的壓強降相等；（2）主管流量等于并聯(lián)的各管段流量之和；（3）并聯(lián)各管段中管子長、直徑小的管段通過的流量小。II．分支管路：1、2、分支點處至各支管終了時的總機械能和能量損失之和相等。六、柏式在流量測量中的運用1、畢托管用來測量管道中流體的點速度。2、孔板流量計為定截面變壓差流量計，用來測量管道中流體的流量。隨著Re增大其孔流系數(shù)C0先減小，后保持為定值。3、轉子流量計為定壓差變截面流量計。注意：轉子流量計的校正。測流體流量時，隨流量增加孔板流量計兩側壓差值將增加，若改用轉子流量計，隨流量增加轉子兩側壓差值將不變。離心泵–––––基本概念與基本原理一、工作原理基本部件：葉輪（6~12片后彎葉片）；泵殼（蝸殼）（集液和能量轉換裝置）；軸封裝置（填料函、機械端面密封）。原理：借助高速旋轉的葉輪不斷吸入、排出液體。注意：離心泵無自吸能力，因此在啟動前必須先灌泵，且吸入管路必須有底閥，否則將發(fā)生“氣縛”現(xiàn)象。某離心泵運行一年后如發(fā)現(xiàn)有氣縛現(xiàn)象，則應檢查進口管路是否有泄漏現(xiàn)象。二、性能參數(shù)及特性曲線1、壓頭H，又稱揚程2、有效功率3、離心泵的特性曲線通常包括曲線，這些曲線表示在一定轉速下輸送某種特定的液體時泵的性能。由線上可看出：時，，所以啟動泵和停泵都應關閉泵的出口閥。離心泵特性曲線測定實驗，泵啟動后出水管不出水，而泵進口處真空表指示真空度很高，可能出現(xiàn)的故障原因是吸入管路堵塞。若被輸送的流體粘度增高，則離心泵的壓頭減小，流量減小，效率減小，軸功率增大。三、離心泵的工作點1、泵在管路中的工作點為離心泵特性曲線（）與管路特性曲線（）的交點。管路特性曲線為：。2、工作點的調節(jié)：既可改變來實現(xiàn)，又可通過改變來實現(xiàn)。具體措施有改變閥門的開度，改變泵的轉速，葉輪的直徑及泵的串、并聯(lián)操作。離心泵的流量調節(jié)閥安裝在離心泵的出口管路上，開大該閥門后，真空表讀數(shù)增大，壓力表讀數(shù)減小，泵的揚程將減小，軸功率將增大。兩臺同樣的離心泵并聯(lián)壓頭不變而流量加倍，串聯(lián)則流量不變壓頭加倍。四、離心泵的安裝高度為避免氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，離心泵的安裝高度≤，注意氣蝕現(xiàn)象產生的原因。1．為操作條件下的允許吸上真空度，m為吸入管路的壓頭損失，m。允許氣蝕余量，m液面上方壓強，Pa；操作溫度下的液體飽和蒸汽壓，Pa。離心泵的安裝高度超過允許安裝高度時會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。傳熱–––基本概念和基本理論傳熱是由于溫度差引起的能量轉移，又稱熱傳遞。由熱力學第二定律可知，凡是有溫度差存在時，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處。根據(jù)傳熱機理的不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導（導熱）、熱對流（對流）和熱輻射。熱傳導是物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞；熱對流是流體各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱傳遞過程（包括由流體中各處的溫度不同引起的自然對流和由外力所致的質點的強制運動引起的強制對流），流體流過固體表面時發(fā)生的對流和熱傳導聯(lián)合作用的傳熱過程稱為對流傳熱（給熱）；熱輻射是因熱的原因而產生的電磁波在空間的傳遞。任何物體只要在絕對零度以上，都能發(fā)射輻射能，只是在高溫時，熱輻射才能成為主要的傳熱方式。傳熱可依靠其中的一種方式或幾種方式同時進行。傳熱速率Q是指單位時間通過傳熱面的熱量（W）；熱通量q是指每單位面積的傳熱速率（W/m2）。熱傳導導熱基本方程––––傅立葉定律λ–導熱系數(shù)，表征物質導熱能力的大小，是物質的物理性質之一，單位為W/（m·℃）。純金屬的導熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低，氣體的導熱系數(shù)隨溫度升高而增大。式中負號表示熱流方向總是和溫度剃度的方向相反。2．平壁的穩(wěn)定熱傳導單層平壁：多層（n層）平壁：公式表明導熱速率與導熱推動力（溫度差）成正比，與導熱熱阻（R）成反比。由多層等厚平壁構成的導熱壁面中所用材料的導熱系數(shù)愈大，則該壁面的熱阻愈小，其兩側的溫差愈小，但導熱速率相同。圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導單層圓筒壁：或當S2/S12時，用對數(shù)平均值，即：當S2/S12時，用算術平均值，即：Sm=（S1+S2）/2多層（n層）圓筒壁：一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當石棉泥受潮后，其保溫效果應降低，主要原因是因水的導熱系數(shù)大于保溫材料的導熱系數(shù)，受潮后，使保溫層材料導熱系數(shù)增大，保溫效果降低。在包有兩層相同厚度保溫材料的圓形管道上，應該將導熱系數(shù)小的材料包在內層，其原因是為了減少熱損失，降低壁面溫度。二、對流傳熱對流傳熱基本方程––––牛頓冷卻定律α––––對流傳熱系數(shù)，單位為：W/（m2·℃），在換熱器中與傳熱面積和溫度差相對應。與對流傳熱有關的無因次數(shù)群（或準數(shù)）表1準數(shù)的符號和意義準數(shù)名稱符號意義努塞爾特準數(shù)αLNu=λ含有特定的傳熱膜系數(shù)α，表示對流傳熱的強度雷諾準數(shù)LuρRe=μ反映流體的流動狀態(tài)普蘭特準數(shù)CpμPr=λ反映流體物性對傳熱的影響格拉斯霍夫準數(shù)βgΔtL3ρ2Gr=μ反映因密度差而引起自然對流狀態(tài)流體在圓形直管中作強制湍流流動時的傳熱膜系數(shù)對氣體或低粘度的液體流體被加熱時，n=0.4；液體被冷卻時，n=0.3。定型幾何尺寸為管子內徑di。定性溫度取流體進、出口溫度的算術平均值。應用范圍為Re10000，Pr=0.7~160，(l/d)60。對流過程是流體和壁面之間的傳熱過程，定性溫度是指確定準數(shù)中各物性參數(shù)的溫度。沸騰傳熱可分為三個區(qū)域，它們是自然對流區(qū)、泡狀沸騰區(qū)和膜狀沸騰區(qū)，生產中的沸騰傳熱過程應維持在泡狀沸騰區(qū)操作。無相變的對流傳熱過程中，熱阻主要集中在傳熱邊界層或滯流層內，減少熱阻的最有效的措施是提高流體湍動程度。引起自然對流傳熱的原因是系統(tǒng)內部的溫度差，使各部分流體密度不同而引起上升、下降的流動。用無因次準數(shù)方程形式表示下列各種傳熱情況下諸有關參數(shù)的關系：無相變對流傳熱Nu=f（Re，Pr，Gr）自然對流傳熱Nu=f（Gr，Pr）強制對流傳熱Nu=f（Re，Pr）在兩流體的間壁換熱過程中，計算式Q=KSΔt，式中Δt表示為兩流體溫度差的平均值；S表示為泛指傳熱面，與K相對應。在兩流體的間壁換熱過程中，計算式Q=SΔt，式中Δt=tw-tm或Tm-Tw；S表示為一側的傳熱壁面。滴狀冷凝的膜系數(shù)大于膜狀冷凝膜系數(shù)。水在管內作湍流流動時，若使流速提高至原來的2倍，則其對流傳熱系數(shù)約為原來的20.8倍。若管徑改為原來的1/2而流量相同，則其對流傳熱系數(shù)約為原來的40.8×20.2倍。（設條件改變后，仍在湍流范圍）三、間壁兩側流體的熱交換間壁兩側流體熱交換的傳熱速率方程式Q=KSΔtm式中K為總傳熱系數(shù)，單位為：W/（m2·℃）；Δtm為兩流體的平均溫度差，對兩流體作并流或逆流時的換熱器而言，當Δt1/Δt2<2時，Δtm可取算術平均值，即：Δtm=（Δt1+Δt2）/2基于管外表面積So的總傳熱系數(shù)Ko四、換熱器間壁式換熱器有夾套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。提高間壁式換熱器傳熱系數(shù)的主要途徑是提高流體流速、增強人工擾動；防止結垢，及時清除污垢。消除列管換熱器溫差應力常用的方法有三種，即在殼體上加膨脹節(jié)，采用浮頭式結構或采用U型管式結構。翅片式換熱器安裝翅片的目的是增加傳熱面積；增強流體的湍動程度以提高α。為提高冷凝器的冷凝效果，操作時要及時排除不凝氣和冷凝水。間壁換熱器管壁溫度tw接近α大的一側的流體溫度；總傳熱系數(shù)K的數(shù)值接近熱阻大的一側的α值。如在傳熱實驗中用飽和水蒸氣加熱空氣，總傳熱系數(shù)接近于空氣側的對流傳熱膜系數(shù)，而壁溫接近于水蒸氣側的溫度。對于間壁換熱器WhCph(T1-T2)=WcCpc(t2-t1)=KSΔtm等式成立的條件是穩(wěn)定傳熱、無熱損失、無相變化。列管換熱器，在殼程設置折流擋板的目的是增大殼程流體的湍動程度，強化對流傳熱，提高α值，支撐管子。在確定列管換熱器冷熱流體的流徑時，一般來說，蒸汽走管外；易結垢的流體走管內；高壓流體走管內；有腐蝕性的流體走管內；粘度大或流量小的流體走管外。

吸收––––基本概念和基本原理利用各組分溶解度不同而分離氣體混合物的單元操作稱為吸收?；旌蠚怏w中能夠溶解的組分稱為吸收質或溶質（A）；不被吸收的組分稱為惰性組分或載體（B）；吸收操作所用的溶劑稱為吸收劑（S）；吸收所得溶液為吸收液（S+A）；吸收塔排出的氣體為吸收尾氣。當氣相中溶質的的實際分壓高于與液相成平衡的溶質分壓時，溶質從氣相向液相轉移，發(fā)生吸收過程；反之當氣相中溶質的的實際分壓低于與液相成平衡的溶質分壓時，溶質從液相向氣相轉移，發(fā)生脫吸（解吸）過程。氣–液相平衡–––––––傳質方向與傳質極限平衡狀態(tài)下氣相中溶質分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，液相中的溶質濃度稱為平衡濃度或飽和濃度––––––溶解度。對于同一種溶質，溶解度隨溫度的升高而減小，加壓和降溫對吸收操作有利，升溫和減壓有利于脫吸操作。亨利定律：p*=Ex––––E為亨利系數(shù)，單位為壓強單位，隨溫度升高而增大，難溶氣體（稀溶液）E很大，易溶氣體E很小。對理想溶液E為吸收質的飽和蒸氣壓。p*=c/H––H為溶解度系數(shù)，單位：kmol/(kN·m)，H=ρ/(EMs)，隨溫度升高而減小，難溶氣體H很小，易溶氣體H很大。y*=mx––––m相平衡常數(shù)，無因次，m=E/P，m值愈大，氣體溶解度愈??；m隨溫度升高而增加，隨壓力增加而減小。Y*=mX–––當溶液濃度很低時大多采用該式計算。X=x/(1-x);Y=y/(1-y);x,y––––摩爾分率，X,Y––––摩爾比濃度傳質理論––––傳質速率分子擴散–––憑借流體分子無規(guī)則熱運動傳遞物質的現(xiàn)象。推動力為濃度差，由菲克定律描述：JA––擴散通量，kmol/(m2·s)DAB––擴散系數(shù)渦流擴散–––憑借流體質點的湍動和旋渦傳遞物質的現(xiàn)象。等分子反向擴散傳質速率：氣相內液相內單相擴散傳質速率：氣相內液相內其中P/pBm>1為漂流因數(shù)，反映總體流動對傳質速率的影響。一般而言，雙組分等分子反向擴散體現(xiàn)在精餾單元操作中，而一組分通過另一組分的單相擴散體現(xiàn)在吸收單元操作中。氣相中，溫度升高物質的擴散系數(shù)增大，壓強升高則擴散系數(shù)降低；液相中粘度增加擴散系數(shù)降低。在傳質理論中有代表性的三個模型分別為雙膜理論、溶質滲透理論和表面更新理論。傳質速率方程––––傳質速率=傳質推動力/傳質阻力注意傳質系數(shù)與推動力相對應，即傳質系數(shù)與推動力的范圍一致，傳質系數(shù)的單位與推動力的單位一致。吸收系數(shù)之間的關系：氣膜控制與液膜控制的概念對于易溶氣體，H很大，傳質阻力絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略，此時KG≈kG，這種情況稱為“氣膜控制”；反之，對于難溶氣體，H很小，傳質阻力絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略，此時KL≈kL，這種情況稱為“液膜控制”。物料衡算––––操作線方程與液氣比全塔物料衡算：逆流操作吸收操作線方程：1––塔底，2––塔頂吸收操作時塔內任一截面上溶質在氣相中的實際分壓總是高于與其接觸的液相平衡分壓，所以吸收操作線總是位于平衡線的上方。最小液氣比：液氣比即操作線的斜率若平衡關系符合亨利定律，則溶劑改性改變平衡關系降低溫度增加傳質推動力提高壓力提高吸收效率的途徑增加液氣比減小傳質阻力采用新型填料改變操作條件增加吸收劑用量，操作線斜率增大，操作線向遠離平衡線的方