化工單元操作 在生產(chǎn)中的應(yīng)用 緒 論 0.1 化工生產(chǎn)與單元操作 1. 化工生產(chǎn)過程 原料預(yù)處理 化學(xué)反應(yīng) 產(chǎn)物后處理 物理過程 單元操作 化學(xué)反應(yīng)過程 反應(yīng)器 物理過程 單元操作 0.1 化工（制藥）生產(chǎn)與單元操作 2 . 單元操作 （ Unit Operation） 單元操作按其遵循的基本規(guī)律分類： （ 1） 遵循流體動力學(xué)基本規(guī)律的單元操作：包括流體輸送 、 沉降 、 過濾 、 固體流態(tài)化等； （ 2） 遵循熱量傳遞基本規(guī)律的單元操作：包括加熱 、 冷卻 、 冷凝 、 蒸發(fā)等； （ 3） 遵循質(zhì)量傳遞基本規(guī)律的單元操作：包括蒸餾 、 吸收 、 萃取 、 結(jié)晶 、 干燥 、 膜分離等； 0.1 化工（制藥）生產(chǎn)與單元操作 單元操作的基本原理； 單元操作典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)； 單元操作設(shè)備選型設(shè)計計算 。 研究內(nèi)容 高效率 、 低能耗 、 環(huán)保； 開發(fā)新的單元操作 單元操作集成工藝與技術(shù) 。 研究方向 3 單元操作的研究內(nèi)容與方向： 0.2 單位制與單位換算 一、基本單位與導(dǎo)出單位 基本單位：選擇幾個獨立的物理量，根據(jù)方便 原則規(guī)定單位； 導(dǎo)出單位：由有關(guān)基本單位組合而成。 單位制度的不同，在于所規(guī)定的基本單位及單位 大小不同。 0.2 單位制與單位換算 基本單位： 7個 ， 化工中常用有 5個 ， 即長度 （ 米 ） ， 質(zhì)量 （ 千克 ） ， 時間 （ 秒 ） ， 溫度 （ K） ， 物質(zhì)的量 （ 摩爾 ） 國際單位制 SI制 基本單位：長度 （ 厘米 cm） ， 質(zhì)量 （ 克 g） ， 時間 （ 秒 s） 物理單位制 CGS制 基本單位：長度 （ 米 ） ， 重量或力 （ 千克力 kgf） ， 時間 （ 秒 ） 工程單位制 我國法定單位制為國際單位制（即 SI制） 二 、 常用單位制 三 、 單位換算 物理量的單位換算 換算因數(shù) ：同一物理量，若單位不同其數(shù)值就不 同，二者包括單位在內(nèi)的比值稱為換算因數(shù)（見 附錄二中） 經(jīng)驗公式的單位換算 經(jīng)驗公式是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)整理而成的，式中各符 號只代表物理量的數(shù)字部分，其單位必須采用指 定單位。 0.2 單位制與單位換算 0.3 物料衡算與能量衡算 一 、 物料衡算 1、 畫出流程示意圖 ， 標出物料流向與流量 、 組成等； 物料衡算的步驟 2、 用虛線劃出衡算范圍； 3、 定出衡算基準； 4、 列出衡算式并求解 。 二 、 能量衡算 機械能、熱量、電能、磁能、化學(xué)能、原子能 等統(tǒng)稱能量，化工生產(chǎn)中常以熱量為主，下面以 熱量衡算為例說明能量衡算過程。 )10(LOI QQQ 注意：作熱量衡算時，由于焓是相對值，與溫 度基準有關(guān)，故應(yīng)說明基準溫度。習慣上選 0 為基溫，并規(guī)定 0 時液態(tài)的焓為零。 0.3 物料衡算與能量衡算 0.4 化工原理課程的兩條主線 1、傳遞過程（從物理本質(zhì)上說又下列三種） (1)動量傳遞過程（單相或多相流動）； (2)熱量傳遞過程 傳熱 (3)質(zhì)量傳遞過程 傳質(zhì) 上表所列各單元操作皆歸屬傳遞過程，于是，傳 遞過程成為統(tǒng)一的研究對象，也是聯(lián)系各單元操作的 一條主線。三傳一反構(gòu)成各種工藝制造過程，三傳又 有彼此類似的規(guī)律可以合在一起研究，形成傳遞過程 這門學(xué)科，是單元操作在理論方面的深入發(fā)展 0.4 化工原理課程的兩條主線 2、研究方法論 必要性 化工原理是一門工程學(xué)科， 對一些過程作出 如實的、逼真的數(shù)學(xué)描述幾乎是不可能的。采用直接 的數(shù)學(xué)描述和方程求解的方法將是十分困難的。因此， 探求合理的研究方法是發(fā)展這門工程學(xué)科的重要方面。 (1)試驗研究方法（經(jīng)驗方法） 優(yōu)點、不足 (2)數(shù)學(xué)模型方法（半理論半經(jīng)驗方法） 必要性、廣 泛被應(yīng)用 0.5 化工原理課程所回答的問題 （ 1）如何根據(jù)各單元操作在技術(shù)上和經(jīng)濟上的特點，進 行“過程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng) 濟而有效地滿足工藝要求 （ 2）如何進行過程的計算和設(shè)備的設(shè)計。在缺乏數(shù)據(jù)的 情況下，如何組織實驗以取得必要的設(shè)計數(shù)據(jù)。 （ 3）如何進行操作和調(diào)節(jié)以適應(yīng)生產(chǎn)的不同要求。在操 作發(fā)生故障時如何尋找故障的緣由。 當然，當生產(chǎn)提出新的要求而需要工程技術(shù)人員發(fā)展新 的單元操作時，已有的單元操作發(fā)展的歷史將對如何根 據(jù)一個物理或物理化學(xué)的原理發(fā)展一個有效的過程，如 何調(diào)動有利的并克服不利的工程因素發(fā)展一種新設(shè)備， 提供有用的借鑒。 離心泵 換熱器 旋風分離器 填料塔 板式塔 第一章 流體流動 流體流動規(guī)律是化工原理課程的重要基礎(chǔ)， 主要原因有以下三個方面： （ 1）流動阻力及流量計算 （ 2）流動對傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)的影響 （ 3）流體的混合效果 1.1.1 重要概念 一 . 密度 定義 : 單位體積流體的質(zhì)量稱為密度 .公式 : 式中 -流體的密度， kg/m3； m -流體的質(zhì)量， kg； V -流體的體積， m3。在研究流體流動 時，若壓力與溫度變化不大時，則可認為液體的密度 為常數(shù)。密度為常數(shù)的流體稱為不可壓縮流體。 嚴格說來，真實流體都是可壓縮流體 ,不可壓縮流 體只是在研究流體流動時，對于密度變化較小的真實 流體的一種簡化。本章中如不加說明均指不可壓縮流 體。 1.1.1 重要概念 二 . 氣體密度 一般來說氣體是可壓縮的，稱為可壓縮流體。但是，在壓力和 溫度變化率很小的情況下，也可將氣體當作不可壓縮流體來處理。 當氣體的壓力不太高，溫度又不太低時，可近似按理想氣體狀 態(tài)方程來計算密度。由 計算 p - 氣體的絕對壓強， kPa或 kN/m2； M - 氣體的摩爾質(zhì)量， kg/kmol； T - 氣體的絕對溫度， K； R - 氣體常數(shù)， 8.314 kJ/(kmol K)。 1.1.2 流體的靜壓強 一 . 靜壓強 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為壓強， 或稱為靜壓強。其表達式為 式中 p - 流體的靜壓強， Pa； FV- 垂直作用于流體表面上的力， N； A - 作用面的面積， m2。 1.1.2 流體的靜壓強 二 . 靜壓強的單位 1 按壓強的定義，壓強是單位面積上的壓力，其單 位應(yīng)為 Pa，也稱為帕斯卡。 其 105倍稱為巴（ bar）， 即 1bar = 105 Pa。常用單位有： Pa、 KPa、 Mpa。 2 直接以液柱高表示： mH2O、 cmCCl4、 mmHg等。 3. 以大氣壓強表示： atm（物理大氣壓）、 at（工程 大氣壓） 1atm=1.013105 Pa=10.33 mH2O=760mmHg 1at=9.81104 Pa=10 mH2O=735mmHg 1.1.2 流體的靜壓強 三 . 靜壓強的表示方法 絕對壓強 （ ata）：以絕對真空為 基準量得的壓強； 表壓強 （ atg）：以大氣壓強為基 準量得的壓強。 真空度 表壓強以大氣壓為起點計 算，所以有正負，負表壓強就稱 為真空度，其相互關(guān)系如下圖所 示。 注意符號 : atm - 物理大氣壓； at - 工程大氣壓； ata - 絕對壓強； atg - 表壓強。 1.1.3 流體靜力學(xué)基本方程 流體靜力學(xué)基本方程是描述靜止流體內(nèi)部，流體在壓力和重 力作用下的平衡規(guī)律。當流體質(zhì)量一定時，其重力可認為不變， 而壓力會隨高度變化而變化。所以實質(zhì)上是描述靜止流體內(nèi)部壓 強的變化規(guī)律。 p2= p1 +g(Z1 - Z2) (2) p = p0 + gh (3) 1.1.3 流體靜力學(xué)基本方程 重點討論： 1. 方程應(yīng)用條件：靜止，連續(xù)，同一流體。 靜止 -受力平衡 連續(xù) -能夠積分 同一流體 -密度一定 2. 當 p0一定時，靜止流體中任一點的壓力與流體密度 和所處高 度 h有關(guān)。所以同一高度處靜壓力相等。 3. 當表面壓強 p0變化時，內(nèi)部壓強 p也發(fā)生同樣大小的變化。 4. 由 p=p0+gh可得： h=P表 /g 這就是用流體高度表示壓強單位的計量依據(jù)。 從公式可知，密度 會有影響，因此必須注明流體的名稱。 靜力學(xué)基本方程主要應(yīng)用于壓強，壓強差，液面等方面的測量。 U型測壓管 、 U型壓差計 、微差壓差計 、玻璃管液面計和液封高 度的確定均可以此計算。 1.2 流體在管內(nèi)的流動 化工生產(chǎn)中的流體極大多數(shù)在密閉的管道或設(shè)備中流 動，本節(jié)主要討論流體在管內(nèi)流動的規(guī)律，即討論流 體在流動過程中，流體所具有的位能、靜壓能和動能 是如何變化的規(guī)律。從而為解決流體流動這一單元操 作中出現(xiàn)的工程問題打下基礎(chǔ)。 流體流動應(yīng)服從一般的守恒原理：質(zhì)量守恒和能量守 恒。從這些守恒原理可得到反映流體流動規(guī)律的基本 方程式 連續(xù)性方程式（質(zhì)量守恒） 柏努利方程式（能量守恒） 這是兩個非常重要的方程式，請大家注意。 1.2.1 流量 單位時間內(nèi)流過管道任一截面的流體量稱為 流量。若流體量用體積來計算，稱為體積流量， 以 Vs表示，其單位為 m3/s；若流體量用質(zhì)量來 計算，則稱為質(zhì)量流量，以 ws表示，其單位為 kg/s。 體積流量與質(zhì)量流量的關(guān)系為： ws = Vs 式中 - 流體的密度， kg/m3。 注意，流量是一種瞬時的特性，不是一段時間 的累計量。 1.2.2 流速 單位時間內(nèi)流體在流動方向上所流經(jīng)的距離稱為流速。以 u表示， 其單位為 m/s。 流體流過管路時，在管路任一截面上各點的流速沿管徑而變 化，即在管截面中心處流速最大，越靠近管壁流速就越小，在管 壁處的流速為零。流體在管截面上各點的流速分布規(guī)律較為復(fù) 雜，在工程中為簡便起見，流速通常采用整個管截面上的平均流 速，即用流量相等的原則來計算平均流速。其表達式為： 式中 A - 與流動方向相垂直的管路截面積， m2 。 流量與流速的關(guān)系為： ws = Vs= uA 1.2.2 流速 由于氣體的體積流量隨溫度和壓強而變化，因 而氣體的流速亦隨之而變。因此采用質(zhì)量流速 就較為方便。 質(zhì)量流速即單位時間內(nèi)流體流過管路截面積的 質(zhì)量，以 G表示，其表達式為： 式中 G - 質(zhì)量流速，亦稱質(zhì)量通量； kg/m2 s 。 1.2.3 管路直徑的估算及選擇 一般管路的截面均為圓形，若以 d表示管路內(nèi)徑，則 于是 。 所以流體輸送管路的直徑可根據(jù)流量及流速進行計算，所以選擇 的 u越小，則 d越大，那么對于相同的流量，所用的材料就越多， 所以材料費、檢修費等基建費也會相應(yīng)增加。相反，選擇的 u越 大，則 d就越小，材料費等費用會減少，但由于流體在管路中流 動的阻力與 u 成正比，所以阻力損失會增大，即操作費用就會增 加。所以應(yīng)綜合考慮，使兩項費用之和最小。 通常流體流動允許壓強降：水 24.5kpa/100m管 空氣 5.1kpa/100m管 可以此來衡量所選擇的管徑是否合適。對于長距離與大流量輸送 流體， d應(yīng)按前述的經(jīng)濟核算原則進行選擇；而對于車間內(nèi)部， 通常管道較短，也不太粗，這時可根據(jù)經(jīng)驗來選擇 d。 一般液體流速為 0.53m/s，氣體為 1030m/s，蒸汽為 20 50m/s。 某些流體在管路中常用流速范圍 1.2.4 連續(xù)性方程 設(shè)流體在管道中作連續(xù)穩(wěn)定流動，從截面 2 - 2流出，若在管 道兩截面之間流體無漏損，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，從截面 1 - 1進入 的流體質(zhì)量流量 ws1應(yīng)等于從 2 - 2截面流出的流體質(zhì)量流量 ws2， 即 ws1= ws2 因為 ws= uA，所以 u1A11 = u2A22 此關(guān)系可推廣到管道的任一截面，即 ws= u1A11 =u2A22 = uA= 常數(shù) 上式稱為 連續(xù)性方程 。若流體不可壓縮， = 常數(shù)，則上式可 簡化為 Vs = u1A1 = u2A2=uA= 常數(shù) 1.2.4 連續(xù)性方程 由此可知，在連續(xù)穩(wěn)定的不可壓縮流體的流動 中，流體流速與管道的截面積成反比，截面積 越大流速越小，反之亦然。 管道截面大多為圓形，故連續(xù)性方程又可改 寫為 : 由上式可知，管內(nèi)不同截面流速之比與其相應(yīng) 管徑的平方成反比。 1.2.5 柏努利方程 在上 圖 所示的穩(wěn)定流動系統(tǒng)中， 流體從 1 - 1截面流入，從 2 - 2截面流出。 流體本身所具有 的能量有以下幾種形式： 1. 位能 相當于質(zhì)量為 m的流 體自基準水平面升舉到某高度 Z所作的功，即位能 = mgZ 位能的單位 mgZ = kg m = Nm = J 2動能 質(zhì)量為 m、流速為 u 的流體所具有的動能為 動能 = 動能的單位 1.2.5 柏努利方程 3靜壓能 設(shè)質(zhì)量為 m、體積為 V1的流體通過如圖所示的 1-1截面時， 把該流體推進此截面所流經(jīng)的距離為 V1/A1，則流體帶進系統(tǒng)的靜壓能為： 輸入靜壓能 =p1A1V1/A1= p1V1 靜壓能的單位 4內(nèi)能 單位質(zhì)量流體的內(nèi)能以 U表示，質(zhì)量為 m的流體所具有的內(nèi)能 為：內(nèi)能 =mU 內(nèi)能的單位 除此之外，能量也可以其它途徑進入流體，它們是： （ 1）熱 單位質(zhì)量流體通過時吸熱或放熱，以 Qe表示，質(zhì)量為 m的流 體吸收或放出的熱量為： 熱量 =mQe 熱量的單位 （ 2）功 單位質(zhì)量流體獲得的能量以 We表示，質(zhì)量為 m的流體接受的 功為：功 = mWe 功的單位 流體接受外功為正，向外界作功則為負。 1.2.5 柏努利方程 流體通過截面 1 - 1輸入的總能量用下標 1標明， 經(jīng)過截面 2 - 2輸出的總能量用下標 2標明，則 對此流動系統(tǒng)的總能量衡算為： 設(shè)單位質(zhì)量流體在流動時因克服流動阻力而損 失的能量為 hf，其單位為 J/kg。于是上式成為 1.2.5 柏努利方程 若流體流動時不產(chǎn)生流動阻力，則流體的能量 損失 hf = 0，這種流體稱為理想流體。實際上 這種流體并不存在。但這種設(shè)想可以使流體流 動問題的處理變得簡單，對于理想流體流動， 又沒有外功加入，即 hf =0， We = 0時，上式 可簡化為： 此式即為柏努利方程。 1.3 流體在管內(nèi)的流動阻力 流體流動中的作用力 （ 1）體積力（質(zhì)量力） 與流體的質(zhì)量成正比，對于均質(zhì)的流體也與流體的體積成 正比。如流體在重力場中運動時受到的重力就是一種體積 力， F mg。 （ 2）表面力 與流體的表面積成正比。若取流體中任一微小的平面，作 用于其上的表面力可分為： 垂直與表面的力 P，稱為壓力。單位面積上所受的壓力稱 為壓強 p。 平行于表面的力 F，稱為剪力（切力）。單位面積上所受的 剪力稱為應(yīng)力 。 1.3.1 牛頓粘性定律 式中： 流體的粘度， Pa.s（ N.s/m2） ; 法向速度梯度， 1/s。 根據(jù)牛頓粘性定律，對一定 ， ， ; ， 流體流動時產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱為粘性。流體粘性越 大，其流動性就越小。 d d Fu Ay d d u y d d u y d d u y 1.3.1 牛頓粘性定律 流動的流體內(nèi)部相鄰的速度不同的兩流體層間存在相互 作用力，即速度快的流體層有著拖動與之相鄰的速度慢 的流體層向前運動的力，而同時速度慢的流體層有著阻 礙與之相鄰的速度快的流體層向前運動的力 流體內(nèi)部速度不同的相鄰兩流體層之間的這種相互作用 力就稱為流體的內(nèi)摩擦力或粘性力 F，單位面積上的 F即 為 SI制： Pa.s CGS制： cP（厘泊） 1Pa.S=10P=1000cP 運動粘度 SI制的單位為 m2/s 粘度 又稱為動力粘度。 的變化規(guī)律 液體： f（ t），與壓強 p無關(guān)，溫度 t ， 氣體： p40atm時 f（ t）與 p無關(guān)，溫度 t ， 0，流體無粘性（理想流體，圖 1-5，實際不存在） 的變化規(guī)律 服從牛頓粘性定律的流體稱為牛頓型流體（大多數(shù)如 水、空氣），本章主要研究牛頓型流體的流動規(guī)律， 1.3.2 流動類型與雷諾數(shù) 雷諾實驗 流體流動存在著兩種截然不同的流型。在前一種流型中，流體質(zhì) 點作直線運動，即流體分層運動，層次分明，彼此互不混雜，故 才能使著色線流保持著線形。這種流型被稱為層流或滯流。在后 一種流型中流體在總體上沿管道向前運動，同時還在各個方向作 隨機的脈動，正是這種混亂運動使著色線抖動、彎曲以至斷裂沖 散。這種流型稱為湍流或紊流。 不同的流型對流體中的質(zhì)量、熱量傳遞將產(chǎn)生不同的影響。為此， 工程設(shè)計上需事先判定流型。對管內(nèi)流動而言，實驗表明流動的 幾何尺寸（管徑 d）、流動的平均速度 u以及流體性質(zhì)（密度和粘 度）對流型的轉(zhuǎn)變有影響。雷諾發(fā)現(xiàn)，可以將這些影響因素綜合 成一個無因次數(shù)群 du/作為流型的判據(jù)，此數(shù)群被稱為雷諾數(shù)， 以符號 Re表示。 1.3.2 流動類型與雷諾數(shù) 雷諾指出： （ 1）當 Re 2000時，必定出現(xiàn)層流，此為層流區(qū)； （ 2）當 2000 Re 4000時，有時出現(xiàn)層流，有時出現(xiàn)湍流， 依賴于環(huán)境。此為過渡區(qū)； （ 3）當 Re 4000時，一般都出現(xiàn)湍流，此為湍流區(qū)。 當 Re 4000時，則微小的擾動就可以觸發(fā)流型的轉(zhuǎn)變，因而一 般情況下總出現(xiàn)湍流。 根據(jù) Re的數(shù)值將流動劃為三個區(qū)：層流區(qū)、過渡區(qū)及湍流區(qū)，但 只有兩種流型。過渡區(qū)不是一種過渡的流型，它只表示在此區(qū)內(nèi) 可能出現(xiàn)層流也可能出現(xiàn)湍流，需視外界擾動而定。 流體在圓管內(nèi)的速度分布 理論分析和實驗都已證明，層流時的速度沿管徑按拋 物線規(guī)律分布，如 圖 所示，截面上各點速度的平均值 u 等于管中心處最大速度 umax的 0.5倍。 流體在圓管內(nèi)的速度分布 湍流時的速度分布目前還不能完全 利用理論推導(dǎo)求得。經(jīng)實驗方法得出 湍流時圓管內(nèi)速度分布曲線如 圖 所示。 此時速度分布曲線不再是嚴格的拋物 線，曲線頂部區(qū)域比較平坦， Re數(shù) 值越大，曲線頂部的區(qū)域就越廣闊平 坦，但靠管壁處的速度驟然下降，曲 線較陡。截面上各點速度的平均值 u 近似等于 0.82umax。 即使湍流時，管壁處的流體速度也等 于零，而靠近管壁的流體仍作層流流 動，這一流體薄層稱層流底層。管內(nèi) 流速越大，層流底層就越薄，流體粘 度越大，層流底層就越厚。 湍流主體與層流底層之間存在著過 渡層。 1.3.3 流體流動的阻力損失 管路系統(tǒng)主要由直管和管件組成，無論直管或 管件都對流動有一定的阻力，消耗一定的機械 能。直管造成的機械能損失稱為直管阻力損失， 管件造成的機械能損失稱為局部阻力損失。在 運用柏努利方程時，先分別計算直管阻力與局 部阻力損失的數(shù)值，然后進行加和。 層流時直管阻力損失計算 流體在均勻直管中作穩(wěn)定流動時，由柏努利方程可 知，流體的能量損失為： 對于均勻直管 u1 = u2， 水平管路 Z1 = Z2，故只 要測出兩截面上的靜壓 能，就可以知道兩截面 間的能量損失。而層流 時的能量損失可從理論 推導(dǎo)得出： 層流時直管阻力損失計算 哈根 泊謖葉公式 則能量損失為： 將上式改寫為直管能量損失計算的一般方程式： 上式即為層流直管阻力損失計算的公式。其中 稱為摩擦系數(shù)，層 流時 = 64 / Re 。 令 則 湍流時直管阻力計算 而湍流時，引起阻力的原因不只是內(nèi)摩擦力，所以不再服 從牛頓粘性定律。因而湍流時直管阻力損失計算公式不能 用理論推導(dǎo)得到，要用實驗方法得到。對均勻直管： 上式即為層流時直管阻力損失計算公式，對于湍流 其中 /d稱為相對粗糙度。實驗結(jié)果可表示為 與 Re和 /d的關(guān) 系如下圖所示。對光滑管及無嚴重腐蝕的工業(yè)管道，該圖 誤差范圍約在 10%。 摩擦系數(shù) 與 Re及相對粗糙度的關(guān)系 1）摩擦系數(shù) 與 Re的關(guān)系 在圖上有四個不同的區(qū)域： （ 1）層流區(qū) Re2000, 與管壁粗糙度無關(guān) ,和 Re準數(shù)呈直線下降關(guān)系。其表 達式為 =64/Re。 （ 2）過渡區(qū) 2000Re4000，在此區(qū)域內(nèi)層流和湍流的 -Re曲線都可應(yīng)用， 但為安全計，一般將湍流時的曲線延伸來查取 。 （ 3）湍流區(qū) Re4000及虛線以上的區(qū)域。這個區(qū)的特點是 與 Re及 /d都有 關(guān)。當 /d一定時， 隨 Re的增大而減小， Re增至某一數(shù)值后 值 下降緩慢，當 Re一定時， 隨 /d增大而增大。 （ 4）完全湍流區(qū) 圖中虛線以上區(qū)域。此區(qū)內(nèi)各 -Re曲線趨于水平，即 只與 /d 有關(guān)，而與 Re無關(guān)。在一定的管路中，由于 、 /d均為常數(shù)，當 l/d一定時， hf與 u2成正比，所以此區(qū)又稱阻力平方區(qū)。 2）管壁粗糙度對 的影響 管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱絕對粗糙度，以 表示。絕對粗糙度與管內(nèi)徑 d之比值 /d稱相對粗糙度。 層流時，流體層平行于管道軸線，流速較慢，對管壁 凸出部分沒有什么碰撞作用，所以粗糙度對 值無影響。 湍流時，若層流底層的厚度大于壁面的絕對粗糙度， 則管壁粗糙度對 值的影響與層流相近。隨著 Re值增 加，層流底層的厚度變薄，當管壁凸出處部分地暴露 在層流底層之外的湍流區(qū)域時，流動的流體沖過凸起 處時會引起旋渦，使能量損失增大。在 Re數(shù)一定時， 管壁粗糙度越大，能量損失也越大。 1.3.4 局部阻力損失 化工管路中使用的管件種類繁多，各種管件都會產(chǎn)生阻力損失。 和直管阻力的沿程均勻分布不同，這種阻力損失集中在管件所在 處，因而稱為局部阻力損失。 其它管件，如各種閥門都會由于流道的急劇改變而發(fā)生類似的現(xiàn) 象，造成局部阻力損失。 局部阻力損失的計算有兩種近似的方法：阻力系數(shù)法及當量長度 法。 局部阻力損失的計算 一、阻力系數(shù)法 近似認為局部阻力損失服從平方定律，即： 式中常用管件的 值可從一些資料中查得。 二、當量長度法 近似認為局部阻力損失可以相當于某個長度的直管的損失，即 ： 式中 le為管件及閥件的當量長度，由實驗測得。 必須注意，對于擴大和縮小，以上兩式中的 u是用小管截面的平 均速度。 實際應(yīng)用時，長距離輸送以直管阻力損失為主，車間管路則往往 以局部阻力為主。 第二章 流體輸送機械 一、制藥生產(chǎn)過程中為什么要流體輸送機械？ 化工生產(chǎn)中大都是連續(xù)流動的各種物料或產(chǎn)品。 由于工藝需要常需將流體由低處送至高處；由 低壓設(shè)備送至高壓設(shè)備；或者克服管道阻力由 一車間（某地）水平地送至另一車間（另一 地）。為了達到這些目的，必須對流體作功以 提高流體能量，完成輸送任務(wù)。這就需要流體 輸送機械。 二、為什么要用不同結(jié)構(gòu)和特性的輸送機械？ 這是因為化工廠中輸送的流體種類繁多： 1、流體種類有強腐蝕性的、高粘度的、含有固體懸 浮物的、易揮發(fā)的、 易燃易爆的以及有毒的等等； 2、溫度和壓強又有高低之分； 3、不同生產(chǎn)過程所需提供的流量和壓頭又各異。 所以需要有各種結(jié)構(gòu)和特性的輸送機械。 三、化工流體輸送機械分類 一般可分為四類：即離心式、往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和 流體動力作用式。這四種類型機械均有國產(chǎn)產(chǎn)品，且 大多數(shù)已成為系列化產(chǎn)品。 2-1-1 離心泵的工作原理 離心泵的種類很多，但工作原理相同，構(gòu)造大同 小異。其主要工作部件是旋轉(zhuǎn)葉輪和固定的泵殼（如 圖 所示）。葉輪是離心泵直接對液體作功的部件，其 上通常有 6到 12片后彎葉片（即葉片彎曲方向與旋轉(zhuǎn)方 向相反）。離心泵工作時，葉輪由電機驅(qū)動作高速旋 轉(zhuǎn)運動，迫使葉片間的液體也隨之作旋轉(zhuǎn)運動。同時 因離心力的作用，使液體由葉輪中心向外緣作徑向運 動。液體在流經(jīng)葉輪的運動過程中獲得能量，并以高 速離開葉輪外緣進入蝸形泵殼。在泵殼內(nèi)，由于流道 的逐漸擴大而減速，又將部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，達 到較高的壓強，最后沿切向流入壓出管道。 2-1-1 離心泵的工作原理 在液體受迫由葉輪中心流 向外緣的同時，在葉輪中 心處形成真空。泵的吸入 管路一端與葉輪中心處相 通，另一端則浸沒在輸送 的液體內(nèi)，在液面壓力 （常為大氣壓）與泵內(nèi)壓 力（負壓）的壓差作用下， 液體經(jīng)吸入管路進入泵內(nèi)， 只要葉輪的轉(zhuǎn)動不停，離 心泵便不斷地吸入和排出 液體。由此可見離心泵主 要是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉輪 所產(chǎn)生的離心力來輸送液 體，故名離心泵。 2-1-1 離心泵的工作原理 離心泵若在啟動前未充滿液體，則泵內(nèi)存在空 氣，由于空氣密度很小，所產(chǎn)生的離心力也很 小。吸入口處所形成的真空不足以將液體吸入 泵內(nèi)，雖啟動離心泵，但不能輸送液體，這種 現(xiàn)象就稱為“氣縛”。所以離心泵啟動前必須 向殼體內(nèi)灌滿液體，在吸入管底部安裝帶濾網(wǎng) 的底閥。底閥為止逆閥，防止啟動前灌入的液 體從泵內(nèi)漏失。濾網(wǎng)防止固體物質(zhì)進入泵內(nèi)。 靠近泵出口處的壓出管道上裝有調(diào)節(jié)閥，供調(diào) 節(jié)流量時使用。 離心泵的主要性能參數(shù) 1. 離心泵的理論壓頭 此式即為離心泵基本方程式。表示離心泵的理論壓頭 與流量、葉輪的轉(zhuǎn)速和直徑、葉片的幾何形狀之間的 關(guān)系。 由式（ 2-11）可看出，當葉片幾何尺寸（ b， ）與流 量一定時，離心泵的理論壓頭隨葉輪的轉(zhuǎn)速或直徑的 增加而加大。 離心泵的主要性能參數(shù) 2. 離心泵的功率與效率 2.1 泵的有效功率與效率 泵在運轉(zhuǎn)過程中由于存在種種損失，使泵的實際（有效）壓頭和流 量均較理論值為低，而輸入泵的功率較理論值為高，設(shè) H 泵的有效壓頭，即單位量液體在重力場中從泵獲得的能量， m； Q泵的實際流量， m3/s； 液體密度， kg/ m3； Ne泵的有效功率，即單位時間內(nèi)液體從泵處獲得的機械能， W。 有效功率可寫成 Ne = QHg 由電機輸入離心泵的功率稱為泵的軸功率，以 N表示。有效功率 與軸功率之比定義為泵的總效率 ，即 2.2 泵內(nèi)損失 （ 1）容積損失 v （ 2）水力損失 h （ 3）機械損失 M 離心泵的總效率即包括上述三部分： =vhM 離心泵的特性曲線 離心泵的性能參數(shù) H、 Q、 及 N之間并非孤 立的，而是相互聯(lián)系 相互制約的。其具體 定量關(guān)系由實驗測定， 并將測定結(jié)果用曲線 形式表示，即為特性 曲線。 左圖 即為 4B20型清 水泵在轉(zhuǎn)速 n = 2900 轉(zhuǎn) /分鐘條件下測得 的特性曲線。 離心泵的特性曲線 關(guān)于特性曲線 ，由此圖可見： （ 1）離心泵的壓頭 H隨流量 Q的增加而降低 ； （ 2）離心泵的軸功率 N隨著流量 Q的增大而上升，流 量為零時軸功率最小。所以離心泵 啟動時，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門，使啟動電流減小，保 護電機； （ 3）隨著流量 Q的增大，泵的效率 也隨之上升，并 達到一最大值。以后流量再增大，效率就下降。這說 明離心泵在一定轉(zhuǎn)速下有一最高效率點，稱為設(shè)計點。 與最高效率點對應(yīng)的 Q、 H、 P值稱為最佳工況參數(shù)。 根據(jù)輸送條件的要求，離心泵往往不可能正好在最佳 工況點運轉(zhuǎn)，因此一般只能規(guī)定一個工作范圍，稱為 泵的高效率區(qū)，通常為最高效率的 92%左右。 離心泵的轉(zhuǎn)數(shù)和葉輪直徑對特性曲線的影響 離心泵的特性曲線是在一定轉(zhuǎn)速下測定的，當轉(zhuǎn)速由 n1改變?yōu)?n2時，與流量、壓頭及功率的近似關(guān)系為： 當轉(zhuǎn)速變化小于 20%時，可認為效率不變，用上式計 算誤差不大。 當葉輪直徑變化不大，轉(zhuǎn)速不變時，葉輪直徑與流量、 壓頭及功率之間的近似關(guān)系為 液體物理性質(zhì)對離心泵特性的影響 （ 1）密度的影響 由離心泵的基本方程式可知，離心泵的壓 頭、流量均與液體的密度無關(guān)，所以效率也不 隨液體的密度而改變，但軸功率會隨著液體密 度而變化。 （ 2）粘度的影響 所輸送的液體粘度越大，泵內(nèi)能量損失越 多，泵的壓頭、流量都要減小，效率下降，而 軸功率則要增大。 離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié) 一、工作點 離心泵的特性曲線是泵本身固有的特性，它 與外界使用情況無關(guān)。但是，一旦泵被安排在 一定的管路系統(tǒng)中工作時，其實際工作情況就 不僅與離心泵本身的特性有關(guān)，而且還取決于 管路的工作特性。所以，要選好和用好離心泵， 就還要同時考慮到管路的特性。 在特定管路中輸送液體時，管路所需壓頭 He隨著流量 Qe的平方而變化。將此關(guān)系繪在 坐標紙上即為相應(yīng)管路特性曲線。 離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié) 若將離心泵的特性曲線 與其所在管路特性曲線 繪于同一坐標紙上，如 上圖 所示，此兩線交點 M 稱為泵的 工作點 。選泵 時，要求工作點所對應(yīng) 的流量和壓頭既能滿足 管路系統(tǒng)的要求，又正 好是離心泵所提供的， 即 Q = Qe， H = He。 離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié) 二、流量調(diào)節(jié) 1）改變閥門的開度 改變離心泵出口管線上的閥 門開關(guān)，其實質(zhì)是改變管路特性曲 線。如 圖 所示，當閥門關(guān)小時，管 路的局部阻力加大，管路特性曲線 變陡，工作點由 M移至 M1，流量由 QM減小到 QM1。當閥門開大時，管 路阻力減小，管路特性曲線變得平 坦一些，工作點移至 M2，流量加 大到 QM2。 用閥門調(diào)節(jié)流量迅速方便，且流量 可以連續(xù)變化，適合化工連續(xù)生產(chǎn) 的特點。所以應(yīng)用十分廣泛。缺點 是閥門關(guān)小時，阻力損失加大，能 量消耗增多，不很經(jīng)濟。 離心泵的工作點與流量調(diào)節(jié) 2）改變泵的轉(zhuǎn)速 改變泵的轉(zhuǎn)速實質(zhì)上是改變 泵的特性曲線。泵原來轉(zhuǎn)速 為 n，工作點為 M，如下 圖 所 示，若把泵的轉(zhuǎn)速提高到 n1， 泵的特性曲線 H Q往上移， 工作點由 M移至 M1，流量由 QM加大到 QM1。若把泵的轉(zhuǎn) 速降至 n2，工作點移至 M2， 流量降至 QM2。 這種調(diào)節(jié)方法需要變速裝置 或價格昂貴的變速原動機， 且難以做到連續(xù)調(diào)節(jié)流量， 故化工生產(chǎn)中很少采用。 離心泵的安裝高度 一、汽蝕現(xiàn)象 在如圖所示的管路中，在液 面 00與泵進口附近截面 1 1之間無外加能量，液體靠壓 強差流動。因此，提高泵的 安裝位置，葉輪進口處的壓 強可能降至被輸送液體的飽 和蒸汽壓，引起液體部分汽 化。 汽蝕現(xiàn)象 實際上，泵中壓強最低處位于葉輪內(nèi)緣葉片的背面， 當泵的安裝位置高至一定距離，首先在該處發(fā)生汽化 并產(chǎn)生汽泡。含汽泡的液體進入葉輪后，因壓強升高， 汽泡立即凝聚，汽泡的消失產(chǎn)生局部真空，周圍液體 以高速涌向汽泡中心，造成沖擊和振動。尤其是當汽 泡的凝聚發(fā)生在葉片表面附近時，眾多液體質(zhì)點猶如 細小的高頻水錘撞擊著葉片；另外汽泡中還可能帶有 氧氣等對金屬材料發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。泵在這種狀態(tài) 下長期運轉(zhuǎn)，將會導(dǎo)致葉片的過早損壞，這種現(xiàn)象稱 為泵的 汽蝕 。 離心泵在產(chǎn)生汽蝕條件下運轉(zhuǎn)，泵體振動并發(fā)出噪音， 流量、揚程和效率都明顯下降，嚴重時甚至吸不上液 體。為了避免汽蝕現(xiàn)象，泵的安裝位置不能太高，以 保證葉輪中各處的壓強高于液體的飽和蒸汽壓。 離心泵的安裝高度 一般采用兩種指標對泵的安裝高度加以限制，以免發(fā)生 汽蝕，現(xiàn)將這兩種指標介紹如下： （ 1）允許吸上真空高度 允許吸上真空高度 Hs是指泵入口出壓力 p1可允許達到的 最高真空度，其表達式為： 式中 Hs離心泵的允許吸上真空高度， m 液柱； pa大氣壓強， Pa； 被輸送液體的密度， kg/m3。 離心泵的安裝高度 在前圖所示的截面 00與泵進口附近截面 11間列柏 努利方程： 式中 Hg離心泵的允許安裝高度， m； Hf0-1液體從截面 00到 11的壓頭損失， m。 由于貯槽是敞口的， p0為大氣壓 pa，上式可寫為 所以 此式可用于計算泵的安裝高度。 離心泵的安裝高度 由上式可知，為了提高泵的允許安裝高度，應(yīng) 該盡量減小 u12/2g和 Hf0-1。為了減小 u12/2g， 在同一流量下應(yīng)選用直徑稍大的吸入管路；為 了減小 Hf0-1，應(yīng)盡量減少阻力元件如彎頭、 截止閥等，吸入管路也盡可能地短。 注意，工廠在泵出廠時給出的 Hs是在介質(zhì)為清 水， 20 ，大氣壓為 10mH2O時的值。若使用 介質(zhì)條件變化，要對 Hs作適當修正。 離心泵的安裝高度 （ 2）汽蝕余量 汽蝕余量 h是指離心泵入口處，液體的靜壓頭 p1/g與動壓頭 u12/2g之和大于液體在操作溫度下的飽和蒸汽壓頭 pv/g的某一最 小指定值，即 因為 將以上兩式合并，可得出汽蝕余量與允許安裝高度之間的關(guān)系 式中 p0液面上方的壓強，若液位槽為敞口，則 p0 = pa。 應(yīng)當注意，泵產(chǎn)品樣本上的 h值也是按輸送 20 水而規(guī)定的。 當輸送其他液體時，需進行校正。 離心泵的類型與選用 一、類型 離心泵的種類很多，化工生產(chǎn)中常用的離心泵有清水 泵、耐腐蝕泵、油泵、液下泵、屏蔽泵、雜質(zhì)泵、管 道泵和低溫用泵等。 在化工生產(chǎn)中除了離心泵之外，還會用到其它一些種 類的泵，包括往復(fù)泵、計量泵、旋轉(zhuǎn)泵以及旋渦泵等 等。 二、選用 離心泵的選用原則上可分為兩步： （ 1）根據(jù)被輸送液體的性質(zhì)和操作條件，確定泵的類 型； （ 2）根據(jù)具體管路布置情況對泵提出的流量、壓頭要 求，確定泵的型號。 離心泵的類型與選用 在泵樣本中，各種類型的離心泵都附有系列特 性曲線，以便于泵的選用。每一種型號的泵都 有其最佳的工作范圍，有時會有幾種型號的泵 同時在最佳工作范圍內(nèi)滿足流量 Q及壓頭 H的 要求，這時可分別確定各泵的工作點，比較各 泵在工作點的效率。一般總是選擇其中效率最 高的一種，但同時也應(yīng)考慮泵的價格。 2-2-1 往復(fù)泵的構(gòu)造及操作原理 往復(fù)泵裝置如 圖 所示。 往復(fù)泵是利用活塞的往復(fù) 運動，將能量傳遞給液體， 以完成液體輸送任務(wù)，往 復(fù)泵輸送液體的流量只與 活塞的位移有關(guān)，而與管 路情況無關(guān)，但往復(fù)泵的 壓頭只與管路情況有關(guān)。 這種特性稱為正位移特性， 具有這種特性的泵稱為正 位移泵。 2-2-1 往復(fù)泵的構(gòu)造及操作原理 往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理 與離心泵一樣，往復(fù)泵也是借助泵體內(nèi)減壓而吸入液 體，所以吸入高度也有一定的限制。往復(fù)泵的低壓是 靠泵體內(nèi)活塞移動使空間擴大而形成的。往復(fù)泵在開 動之前，沒有充滿液體也能吸液，故具有自吸能力。 往復(fù)泵的構(gòu)造、操作原理 離心泵可以用出口閥門來調(diào)節(jié)流量，但對往復(fù)泵此法 卻不能采用。因為往復(fù)泵屬正位移泵，其流量只與泵 的幾何尺寸和泵的往復(fù)次數(shù)有關(guān)，而與管路特性無關(guān)。 安裝調(diào)節(jié)閥非但不能改變流量，而且還會造成危險。 一旦出口閥完全關(guān)閉，泵缸內(nèi)的壓強將會急劇上升， 導(dǎo)致機件破損或電機燒毀，根據(jù)往復(fù)泵的特點，其流 量調(diào)節(jié)的方法是： 2-2-2 往復(fù)泵的流量調(diào)節(jié) （ 1）旁路調(diào)節(jié) 如 上圖 所示，在往復(fù)泵出口處裝 上旁路，使一部分液體返回進口處。 在旁路上裝調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)旁 路流量，可以達到調(diào)節(jié)主管流量的目 的。這種方法簡單方便，但很不經(jīng)濟， 只適用于變化幅度較小的經(jīng)常性調(diào)節(jié)。 （ 2）改變原動機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)活塞往復(fù)次數(shù) 改變原動機的轉(zhuǎn)速和活塞的行程，可以改變泵的流量。因電動機是通 過減速裝置與往復(fù)泵相連接的，改變減速裝置的傳動比可以方便地改 變轉(zhuǎn)速，達到流量調(diào)節(jié)的目的。因此改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法是最常用的經(jīng)濟 方法。 此外，對輸送易燃、易爆液體的蒸汽推動往復(fù)泵，可改變蒸汽進入量 使活塞往復(fù)次數(shù)改變，從而實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。 2-3 氣體輸送機械 氣體輸送機械的結(jié)構(gòu)和原理與液體輸送機械大體相同。但是氣體具有 可壓縮性和比液體小得多的密度（約為液體密度的千分之一左右），從而 使氣體輸送具有某些不同于液體輸送的特點。 氣體輸送機械根據(jù)它所能產(chǎn)生的進、出口壓強差或壓強比（稱為壓縮 比）進行如下分類： 1）通風機：出口壓強不大于 1.47104Pa（表壓），壓縮比為 11.15； 2）鼓風機：出口壓強為（ 1.4729.4） 104Pa（表壓），壓縮比小于 4； （ 3）壓縮機：出口壓強為 29.4104Pa（表壓）以上，壓縮比大于 4； （ 4）真空泵：用于減壓，出口壓力為 1大氣壓，其壓縮比由真空度決 定。 此外，氣體輸送機械按其機構(gòu)與工作原理又可分為離心式、往復(fù)式、 旋轉(zhuǎn)式和流體作用式。 第三章 機械分離和固體流態(tài)化 3.1概述 混合物可以分為兩大類。凡物系內(nèi)部各處物料性質(zhì)均 勻，且不存在相界面者，稱為均相混合物。凡物系內(nèi) 部有隔開兩相的界面存在，且界面兩側(cè)物料性質(zhì)截然 不同者，稱為非均相混合物或非均相物系。 非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)，如懸浮液中的 固體顆粒、乳濁液中的液滴、泡沫液中的氣泡，稱為 分散相或分散物質(zhì)；包圍著分散物質(zhì)的流體，則稱為 連續(xù)相或分散介質(zhì)。 由于非均相物系中分散相和連續(xù)相具有不同的物理性 質(zhì)，工業(yè)上一般采用機械方法將兩相進行分離。工業(yè) 上分離非均相混合物的目的是： 3.1 概述 1）回收有價值的分散物質(zhì) 例如從某些類型干燥器出來的 氣體及從結(jié)晶機出來的晶漿中都帶有一定量的固體顆粒， 必須回收這些懸浮的顆粒作為產(chǎn)品。 2）凈化分散介質(zhì)以滿足后繼生產(chǎn)工藝的要求 例如某些催 化反應(yīng)的原料氣中夾帶有會影響催化劑活性的雜質(zhì)，因此， 在氣體進入反應(yīng)器之前，必須除去其中塵粒狀的雜質(zhì)。 3）環(huán)境保護和安全生產(chǎn) 為了保護人類生態(tài)環(huán)境，要求排 放的廢氣或廢液濃度達到排放標準；很多含碳物質(zhì)及金屬 細粉與空氣形成爆炸物，必須除去這些物質(zhì)以消除隱患。 3.2 離心沉降 重力沉降速度 ut 離心沉降速度 ur 依靠慣性離心力的作用而實現(xiàn)的沉降過程叫作離心沉降。流體帶 著密度大于流體的顆粒旋轉(zhuǎn)時，受到慣性離心力、向心力和阻力的 作用，當三力達到平衡時，顆粒在徑向相對于流體的速度 ur即為顆粒 在此位置的離心沉降速度。 式中： d 粒徑， mm 流體粘度， PaS S 顆粒密度， Kg/m3 顆粒密度， Kg/m3 曳力系數(shù) 21 3 4 s t gdu 212 3 4 R udu Ts r 3.2 離心沉降 離心沉降與重力沉降的比較： 1） 離心沉降速度 ur計算公式中將重力沉降速度計算公式 中的加速度 g改為離心加速度 ； 2） 離心沉降方向不是向下而是向外； 3）離心力隨旋轉(zhuǎn)半徑而變，離心沉降速度 ur也隨顆粒的 位置而變。 同一顆粒在同種介質(zhì)中的離心沉降速度與重力沉降速 度的比值比值 Kc稱為分離因數(shù)： （ 3-15） Kc是顆粒所在位置上的慣性離心力場強度與重力場強 度之比。分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要性能指標。 RuT /2 c T t r K gR u u u 2 3.2.1 離心分離設(shè)備 3.3 流體通過顆粒床層的流動 3.3.1 顆粒床層的特性 一、床層空隙率 影響空隙率 值的因素有顆粒的大小、形狀、粒度分 布與充填方式等。一般亂堆床層的空隙率大致在 0.470.70之間。 二、床層的比表面積 ab 單位床層體積具有的顆粒表面積稱為床層的比表面積 ab。若忽略顆粒之間接觸面積的影響，則 ab=（ 1 ） a （ 3-16） 式中 ab 床層比表面積， m2/m3； a 顆粒的比表面積， m2/m3； 床層空隙率。 3.3 流體通過顆粒床層的流動 3.3.2 過濾及過濾基本方程 一、概述 過濾操作如圖所示。 實現(xiàn)過濾操作的外力可以是重力、 壓強差或慣性離心力。 1過濾方式 工業(yè)上過濾基本方式有兩種：深層過濾和濾餅過濾。 在深層過濾操作中，顆粒尺寸比過濾介質(zhì)孔徑小，顆粒 附著在孔道壁面上，過濾在過濾介質(zhì)內(nèi)部進行。濾餅過 濾中，固體顆粒被截留在過濾介質(zhì)表面上，形成一顆粒 層，稱為濾餅。 3.3.2 過濾及過濾基本方程 2濾餅的壓縮性 當濾餅兩側(cè)的壓強差增大時，顆粒的形狀和顆粒間的空隙都不發(fā)生 明顯變化，單位厚度床層的流動阻力可視作恒定，這類濾餅稱為不 可壓縮濾餅，反之稱為可壓縮濾餅。 二、過濾基本方程 1過濾速度與過濾速率 單位時間獲得的濾液體積稱為過濾速率，單位為 m3/s。單位過濾面 積上的過濾速率稱為過濾速度，單位為 m/s。任一瞬間的過濾速度 u、 過濾速率分別為： （ 3-21b） （ 3-21c） 式中 V濾液量， m3； 過濾時間， s； A過濾面積， m2。 LpaAddVu c 22 3 15 L pA ad dV c 22 3 15 3.3.3 過濾設(shè)備 1板框壓濾機 3.3.3 過濾設(shè)備 2葉濾機 3.3.3 過濾設(shè)備 3回轉(zhuǎn)真空過濾機 3.3.4 過濾機的生產(chǎn)能力 過濾機的生產(chǎn)能力通常是指單位時間獲得的濾液體積。 1間歇過濾機的生產(chǎn)能力 間歇過濾機的整個操作周期 T為 T=+W+D 式中 一個操作循環(huán)內(nèi)的過濾時間， s； W 一個操作循環(huán)內(nèi)的洗滌時間， s； D 一個操作循環(huán)內(nèi)輔助操作所需時間， s。 生產(chǎn)能力 Q的計算式為 （ 3-42） DW V T VQ 36003600 3.3.4 過濾機的生產(chǎn)能力 2.連續(xù)過濾機的生產(chǎn)能力 以轉(zhuǎn)筒真空過濾機為例。轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分數(shù) 為浸沒度 ： （ 3-43） 轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時間 T，在此周期內(nèi)過濾時間為 （ 3-44） N 轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速， r/min K 過濾常數(shù) 轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一周所得的濾液體積為 （ 3-45） 3 6 0 浸沒角度 nT 60 eeee VnKAVKAV 60)( 22 3.3.4 過濾機的生產(chǎn)能力 生產(chǎn)能力為 （ 3-46） 當濾布阻力可以忽略時， e=0、 Ve=0，則上式簡化為 （ 3-46a） nVnnKAnVQ ee )60(6060 22 KnAnKAnQ 4 6 56060 2 第四章 傳熱 4.1 概述 傳熱是由于溫度差引起的能量的轉(zhuǎn)移，又稱熱量傳遞過 程。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，凡是存在溫度差就必然導(dǎo)致 熱量自發(fā)的從高溫處向低溫處傳遞，因此傳熱是自然界 和工程技術(shù)領(lǐng)域中普遍存在的一種傳遞現(xiàn)象。在化工生 產(chǎn)中，傳遞過程的應(yīng)用更是十分廣泛。在化學(xué)工業(yè)中幾 乎所有的化工生產(chǎn)過程均伴有傳熱操作。 化工生產(chǎn)中對傳熱的要求通常有以下兩種情況：一種是 強化傳熱，比如各種換熱設(shè)備中的傳熱；另一種是削弱 傳熱過程，如設(shè)備和管道的保溫。 學(xué)習傳熱的目的主要是能夠分析影響傳熱速率的因素， 掌握控制熱量傳遞速率的一般規(guī)律，以便根據(jù)生產(chǎn)要求 來強化或削弱熱量的傳遞，正確地計算和選擇適宜的傳 熱設(shè)備和保溫措施。 4.1.1 傳熱過程 及其基本方式 熱的傳遞是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分間有溫度差 存在而引起的，凈的熱流是由高溫處流向低溫處 , 顯然 傳遞的推動力是溫度差，其極限是溫度平衡 . 根據(jù)傳熱機理的不同，熱的傳遞有三種基本方式：導(dǎo) 熱、對流傳熱和輻射傳熱。 1.導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）：因為分子的微觀振動，熱量從高 溫物體流向與之接觸的低溫物體，或同物體內(nèi)高溫部 分向低溫部分進行的熱量傳遞過程稱為導(dǎo)熱，也稱為 熱傳導(dǎo)。 2.對流傳熱（熱對流） : 對流傳熱是指流體中質(zhì)點發(fā)生 相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅僅發(fā)生在流體 中。但要注意，在對流傳熱時，必然伴隨著流體質(zhì)點 間的熱傳導(dǎo)。若將兩者合并處理時，一般也稱為對流 傳熱，也可稱為熱對流或給熱。 4.1.1 傳熱過程 及其基本方式 3.輻射傳熱 (熱輻射 ): 高溫物體因熱的原因而產(chǎn) 生的電磁波在空間傳遞而被低溫物體所吸收并 轉(zhuǎn)化為熱能的過程稱為輻射傳熱 .輻射傳熱不僅 有熱量的轉(zhuǎn)移 ,而且還伴有能量的轉(zhuǎn)換 . 4.1.2 傳熱速率 傳熱速率有兩種表示方法 : 1.熱流量 Q: 單位時間內(nèi)在整個傳熱面積上由熱 流體傳給冷流體的熱量。 2.熱通量 q: 單位傳熱面積上通過的熱流量。 4.2 熱傳導(dǎo) 一 .傅立葉定律 Q -S(dt/dn) q Q/S -(dt/dn) 導(dǎo)熱系數(shù) W/(mk) dt/dn溫度梯度 k/m （指向溫度增加的方向） 傅立葉定律表明 :在熱傳導(dǎo)時 ,其傳熱速率與溫度梯度及 傳熱面積成正比。 必須注意， 作為導(dǎo)熱系數(shù)是表示材料導(dǎo)熱性能的一個 參數(shù)， 越大，表明該材料導(dǎo)熱越快。和粘度 一樣， 導(dǎo)熱系數(shù) 也是分子微觀運動的一種宏觀表現(xiàn)。 4.2 熱傳導(dǎo) 二 .導(dǎo)熱系數(shù) .物理意義 :當導(dǎo)熱面積 S =1m2,溫度梯度為 1k/m時 ,單位 時間內(nèi)以熱傳遞方式傳遞的熱量。 .導(dǎo)熱系數(shù)的大致范圍 金屬的最大，非金屬的次之，液體的較小，而氣體的最小。 （ 1）固體的導(dǎo)熱系數(shù) 固體的導(dǎo)熱系數(shù)大多與溫度有關(guān)，對于大多數(shù)均質(zhì)固體， 其 值與溫度大致呈線性關(guān)系： 0（ 1 at） 同種金屬材料在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)可在化工手冊中查 到，當溫度變化范圍不大時，一般采用該溫度范圍內(nèi)的平 均值。 4.2 熱傳導(dǎo) （ 2）液體的導(dǎo)熱系數(shù) 液態(tài)金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比一般液體要高，而且大多數(shù)液態(tài) 金屬的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而減小。在非金屬液體中， 水的導(dǎo)熱系數(shù)最大。除水和甘油外，絕大多數(shù)液體的導(dǎo) 熱系數(shù)隨溫度的升高而略有減小。一般說來純液體的導(dǎo) 熱系數(shù)比其溶液的要大。 （ 3）氣體的導(dǎo)熱系數(shù) 氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。在相當大壓強范 圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與壓強幾乎無關(guān)。由于氣體的導(dǎo) 熱系數(shù)太小，因而不利于導(dǎo)熱，但有利于保溫和絕熱。 工業(yè)上的保溫材料，例如玻璃棉等，就是因為其空隙中 有氣體，所以導(dǎo)熱系數(shù)低，適用于保溫隔熱。 4.2 熱傳導(dǎo) 三 .傅立葉定律的應(yīng)用 .單層平壁熱傳導(dǎo) (1)單層 如圖 4-6所示 Q (t1-t2)/(b/S)= t/R 4.2 熱傳導(dǎo) (2)三層 如圖 4-7所示 Q 1S(t1-t2)/b1=2S(t2-t3)/b2=3S(t3-t4)/b3 (t1-t4)/(b1/1S+ b2/2S+b3/3S) (3)N層 Q總推動力總熱阻 4.2 熱傳導(dǎo) .圓筒壁熱傳導(dǎo) 單層 如圖 4-8所示 Q -S(dt/dr)=-2rL(dt/dr) Q 2L(t1-t2)/ln(r2/r1) 或 Q (t1-t2)Sm/b 其中 b r2-r1,Sm 2rmL,rm (r2-r1)/ln(r2/r1) 當 r2/r12時 ,rm (r2 r1)/2 4.3 對流傳熱 一 .對流傳熱的概念和傳熱速率方程 .對流傳熱 假設(shè)對流傳熱過程是在厚度為 t的有效膜內(nèi)進 行的，而且膜內(nèi)只有熱傳導(dǎo)， t是集中了全部 傳熱溫差并以導(dǎo)熱方式傳熱的虛擬膜厚。 Q S t/t Q 1S（ T1-Tw）或 Q S（ t -t） 對流傳熱膜系數(shù) t流體和壁的溫差 4.3 對流傳熱 2. 對流傳熱系數(shù) 的物理意義 :單位時間內(nèi)當壁面與流體主體的溫度差 為 1K時 ,每一平方米固體壁面與流體之間傳遞的熱量。 二 .影響 的因素 .流體的種類及相變化情況 .流體的物理性質(zhì) 、 、 Cp、 .流體運動狀態(tài) 依 Re劃分 .對流狀況 自然對流、強制對流 .傳熱壁的形狀、大小及安裝位置 4.3 對流傳熱 三 .無相變流體 的確定 (因次分析法 ) 關(guān)聯(lián)式 f(Nu， Re， Pr， Gr)=0 或 Nu=CRemPrnGri c、 m、 n、 i由實驗測得 四 .對流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式 .管內(nèi)的強制對流 1)流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流 2)流體在圓形直管內(nèi)作強制層流 一般在換熱器等設(shè)備中，為了提高 ，多呈湍流流動 .管外強制對流 1)流體垂直于管束流動 ; 2)流體在換熱器管間流動 4.3 對流傳熱 4.3 對流傳熱 4.4 傳熱計算 4.4.1 能量衡算 若 Q損 =0,單位時間內(nèi)，熱流體放出的熱量應(yīng)等 于冷流體吸收的熱量。 即 Q Qh Qc 無相變 Qh WhCph(T1-T2) Qc WcCpc(t2-t1) 有相變 Qh Whr n Qc Wcr c 4.4 傳熱計算 4.4.2.總傳熱速率方程 .微分式 dQ KdS(T-t) 1/（ KdS） =1/（ idSi） +b/（ dSm） +1/ （ 0dS0） .總傳熱系數(shù) K (1)傳熱面為平壁 1/K=1/1+b/+1/2 (2)傳熱面為圓筒壁 1/K0=1/2+bd0/dm+do/1di (3)污垢熱阻 1/K0=do/1di+Rsid0/dibd0/dm+Rs0+1/2 4.4 傳熱計算 .提高總傳熱系數(shù)的途徑 傳熱過程的總熱阻 1/K是由各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻疊加而成， 原則上減小任何環(huán)節(jié)的熱阻都可以提高傳熱系數(shù)。但 是，當各個環(huán)節(jié)的熱阻相差較大時，總熱阻的數(shù)值將 主要由其中的最大熱阻所決定。此時強化傳熱的關(guān)鍵 在于提高該環(huán)節(jié)的傳熱系數(shù)。 例如：當管壁熱阻和污垢熱阻均可忽略時，污垢熱阻 式可簡化為 1/k=1/1+1/2 若 1 2，則 1/k1/2，欲要提高 K值，關(guān)鍵在于提高 對流傳熱系數(shù)較小一側(cè)的 2。若污垢熱阻為控制因素， 則必須設(shè)法減慢污垢形成的速率或及時清除污垢。 4.5. 換熱器的類型 4.5.1.間壁式換熱器 .管式換熱器 (1)蛇管換熱器 a.沉浸式蛇管換熱器 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，能承受高壓，可用耐腐蝕性材料制 作 缺點：管內(nèi)液體湍動程度低，管外對流系數(shù)小。 b.噴淋式蛇管換熱器 和沉浸式蛇管換熱器相比噴淋式蛇管換熱器的傳熱效 果大為改善。 (2)套管式換熱器 能夠承受高壓強、總傳熱系數(shù)大、傳熱推動力大。 4.5. 換熱器的類型 (3)列管式換熱器 a.固定管板式 結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉但由于殼程不易清洗和檢修，因 此殼方流體應(yīng)是較潔凈且不易起垢的 b.U型管換熱器 結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，適用于高溫和高壓的場合。 其主要缺點是管內(nèi)清洗比較困難，因此管內(nèi)流體必須 潔凈。管板的利用率較差。 c.浮頭式換熱器 優(yōu)點：可以補償熱膨脹，便于清洗和檢修。 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、金屬耗量較多、造價較高。 4.5. 換熱器的類型 .板式換熱器 (1)夾