过程机械原理PPT课件

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1、第2章 过程机械原理入门化工与能源学院化工与能源学院 主要内容流体动力过程流体动力过程1热量传递过程热量传递过程2质量传递过程质量传递过程3ZHENGZHOU UNIVERSITY 动量动力过程动量动力过程4热热 力力 过过 程程5化学反应过程化学反应过程 绪论 一般机械原理一般机械原理研究机械中机构的结构研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动。量和运动。 过程机械原理过程机械原理是研究机械及其系统中是研究机械及其系统中流程型物料的状态变化，以及这些物流程型物料的状态变化，以及这些物料和状态变化对机械及其系统影响的料和状态变化对机械及其系统

2、影响的规律。规律。ZHENGZHOU UNIVERSITY 2.1 流体动力过程流体动力学过程流体静力学过程流体动力过程 ZHENGZHOU UNIVERSITY 流体动力流体动力过程过程（fluid fluid dynamical dynamical processprocess）是指遵循是指遵循流体力学流体力学规律的过规律的过程。程。它涉及泵、它涉及泵、压缩机、压缩机、风机、管风机、管道和阀门道和阀门等过程设等过程设备与元件。备与元件。 2.1.1 流体静力学过程流动性流动性压缩性压缩性膨胀性膨胀性黏性黏性流体流体的性质的性质ZHENGZHOU UNIVERSITY 切应力作用下流体会变形

3、，切应力作用下流体会变形，且无恢复原状的能力。且无恢复原状的能力。温度温度不变时，流体的体积随不变时，流体的体积随压力压力增大而缩小的性质。增大而缩小的性质。压力压力不变时，流体的体积随不变时，流体的体积随温度温度升高而增大的性质。升高而增大的性质。运动的流体，在运动的流体，在相邻的流层接触相邻的流层接触面上，形成阻碍面上，形成阻碍流层相对运动的流层相对运动的等值而反向的摩等值而反向的摩擦力。擦力。液体和气液体和气体的统称体的统称 2.1.1 流体静力学过程Text在重力作用下液体内部的压力随深度按直线变化。在重力作用下液体内部的压力随深度按直线变化。ZHENGZHOU UNIVERSITY

4、深度相同的各点压力相同，形成一个等压水平面。深度相同的各点压力相同，形成一个等压水平面。压力能和位能可以相互转化，但其总和保持不变。压力能和位能可以相互转化，但其总和保持不变。浸没在液体中的物体，浮力等于其排开液体的体积。浸没在液体中的物体，浮力等于其排开液体的体积。（阿基米德定律）（阿基米德定律）密闭容器内的液体，外压力发生变化时，液体内密闭容器内的液体，外压力发生变化时，液体内任一点的压力均发生同样大小的变化。任一点的压力均发生同样大小的变化。（帕斯卡原理、静压传递原理）（帕斯卡原理、静压传递原理）流流体体静静力力学学的的性性质质流体静力学流体静力学是是研究流体在外研究流体在外力作用下达到

5、力作用下达到平衡的规律，平衡的规律，以及这些规律以及这些规律的实际应用的实际应用。P 2.1.1 流体静力学过程应用应用U型管压力计型管压力计压强传递设备压强传递设备倍加器的原理是一倍加器的原理是一个左右截面积不同个左右截面积不同的连通器。在小面的连通器。在小面积油缸上施加很小积油缸上施加很小的压力时，可以在的压力时，可以在大面积油缸上产生大面积油缸上产生很大的压力。很大的压力。U型管压力计是一型管压力计是一个连通器，根据连个连通器，根据连通器左右液面的高通器左右液面的高度差来测量压力。度差来测量压力。ZHENGZHOU UNIVERSITY 1212FFAA2.1.2 流体动力学过程位能流体

6、质量中心在重力作用下，高出某基准面而具有的能量位能位能=mgZ=mgZ流体流动时具有的能量 ZHENGZHOU UNIVERSITY 动能流体流动时所具有的能量。 2.1.2 流体动力学过程Re40002100Re4000Re2100湍流湍流过渡流过渡流层流层流ZHENGZHOU UNIVERSITY 流体流动时，各质点间互相平行，流体流动时，各质点间互相平行，不相干扰不相干扰从层流过渡至湍流的中间状态，从层流过渡至湍流的中间状态，流体行为不稳定。流体行为不稳定。流体除了向前流动外，还造成流体除了向前流动外，还造成许多漩涡，与侧边的流体混合。许多漩涡，与侧边的流体混合。流体流动的特征：流体流动

7、的特征：Redu雷诺数雷诺数（ Reynolds number ）2.1.3 流体输送过程的基本设备 流体输送过程采用泵来实现。 离心泵：依靠高速旋转的叶轮，使液体在惯性离心力作用下获得能量提高压强，实现流体输送。 往复泵：依靠泵缸内的活塞作往复运动来改变工作容积，实现流体输送。 转子泵 旋涡泵 2.1.4 流体输送过程中使用的阀门 截止阀：靠阀芯压紧在阀座上截断 闸阀：靠调节闸板控制阀门的开启 球阀：阀芯为一个开有通孔的球，通过球的旋转实现对流体的控制。 2.2 热量传递过程 热量传递过程（热量传递过程（heat transfer pocess)指指遵循传热学规律的过程。是物质系统内的遵循传

8、热学规律的过程。是物质系统内的热量转移过程。热量转移过程。 热量传递过程涉及热量交换过程，其设备热量传递过程涉及热量交换过程，其设备主要为换热器或热交换器。主要为换热器或热交换器。 2.2 热量传递过程热传导热传导（conduction）对流传热对流传热（ convective heat transfer ）辐射传热辐射传热（ radiation heat transfer ）ZHENGZHOU UNIVERSITY 物体各部分无相对位移，物体各部分无相对位移，仅依靠物质分子、原子及仅依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒子热运自由电子等微观粒子热运动而使热量从高温部分向动而使热量从高温部分向低

9、温部分传递的现象。低温部分传递的现象。依靠流体微团的宏观运动依靠流体微团的宏观运动而进行的热量传递而进行的热量传递两个互不接触且温度不同两个互不接触且温度不同的物体或介质之间通过电的物体或介质之间通过电磁波进行的换热磁波进行的换热2.2 热量传递过程 热量传递过程（热量传递过程（heat transfer pocess)指指遵循传热学规律的过程。是物质系统内的遵循传热学规律的过程。是物质系统内的热量转移过程。热量转移过程。 热量传递过程涉及热量交换过程的设备主热量传递过程涉及热量交换过程的设备主要为换热器或热交换器。要为换热器或热交换器。 2.2 热量传递过程 2.2 热量传递过程 热管（热管

10、（heat tube）封闭的管壳中充以工作）封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。交换的高效换热元件。 热管技术是热管技术是1963年美国年美国LosAlamos国家实国家实验室的验室的G.M.Grover发明的一种称为发明的一种称为“热管热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。热能力超过任何已知金属的导热能

11、力。 2.2 热量传递过程 热管一般由管壳、吸液芯和端盖组成。热管热管一般由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛

12、细力的凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。的，热量可以被源源不断地传导开来。 2.2 热量传递过程热管具有独特的热传导性热管具有独特的热传导性 较大的传热能力，可达紫铜热导率的数倍较大的传热能力，可达紫铜热导率的数倍到数千倍。到数千倍。 优良的等温性。冷热两端的温差只有优良的等温性。冷热两端的温差只有0.5。 结构简单，无运动部件和噪声。结构简单，无运动部件和噪声。2.3 质量传递过程 质量传递过程（质量传递

13、过程（mass transfer process）指遵循传质诸规律的过程。它设计有关干指遵循传质诸规律的过程。它设计有关干燥、蒸馏、浓缩、萃取等传质过程及设备。燥、蒸馏、浓缩、萃取等传质过程及设备。2.3.1 干燥过程 干燥过程的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水干燥过程的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水分或溶剂，以便于加工、使用、运输、储藏等。分或溶剂，以便于加工、使用、运输、储藏等。 物料与水分结合形式物料与水分结合形式： 化学结合水化学结合水 包括水分与物料的离子结合和结晶性分子结包括水分与物料的离子结合和结晶性分子结合，若脱掉结晶水，晶体必遭破坏。合，若脱掉结晶水，晶体必遭破

14、坏。 物理化学结合水物理化学结合水 包括吸附、渗透和结构水分。包括吸附、渗透和结构水分。 机械结合水机械结合水 包括有毛细管水分、润湿水分和空隙水分。包括有毛细管水分、润湿水分和空隙水分。 存在于纤维或存在于纤维或微小颗粒成团微小颗粒成团的湿物料中。的湿物料中。水和物料的机水和物料的机械混合，易用械混合，易用加热和机械方加热和机械方法脱法脱 除。除。当毛细管半径当毛细管半径大于大于10mm以以上时，其中的上时，其中的水分为空隙水水分为空隙水分。分。 2.3.1 干燥过程用途水果蔬菜干燥水果蔬菜干燥谷物干燥谷物干燥生物物料干燥生物物料干燥纤维物料干燥纤维物料干燥食品干燥食品干燥其它干燥其它干燥Z

15、HENGZHOU UNIVERSITY 用吸湿剂如浓硫酸用吸湿剂如浓硫酸、无水氯化钙、分、无水氯化钙、分子筛等除去气体、子筛等除去气体、液体和固体中的少液体和固体中的少量水分。量水分。除湿有限，费用较除湿有限，费用较高。只用于少量物高。只用于少量物料的除湿干燥。料的除湿干燥。用压榨、过滤、离用压榨、过滤、离心分离等机械方法心分离等机械方法除去湿分。除去湿分。该方法脱水快，费该方法脱水快，费用省。用省。去湿程度不高。如去湿程度不高。如离心分离后水分含离心分离后水分含量达量达5%10%。板框压滤后含水。板框压滤后含水量达量达50%60%用热能加热物料用热能加热物料，使物料中的水，使物料中的水分蒸发

16、后干燥。分蒸发后干燥。或者用冷冻法使或者用冷冻法使水分结冰后升华水分结冰后升华而除去湿分，这而除去湿分，这是物料中常用的是物料中常用的干燥方法。干燥方法。2.3.1 干燥过程机械干燥机械干燥化学干燥化学干燥加热（冷加热（冷冻）干燥冻）干燥ZHENGZHOU UNIVERSITY 干燥过程采用的方法干燥过程采用的方法2.3.1 干燥过程类型类型干燥器干燥器类型类型干燥器干燥器对流干燥器对流干燥器厢式干燥器厢式干燥器气流干燥器气流干燥器沸腾干燥器沸腾干燥器转筒干燥器转筒干燥器喷雾干燥器喷雾干燥器传导干燥器传导干燥器滚筒干燥器滚筒干燥器真空盘架干燥器真空盘架干燥器辐射干燥器辐射干燥器红外线干燥器红外

17、线干燥器介电加热干燥器介电加热干燥器微波干燥器微波干燥器 干燥过程采用的设备干燥过程采用的设备 散粒状湿物料从加料口加入，热气体散粒状湿物料从加料口加入，热气体穿过流化床底部的多孔气体分布板，穿过流化床底部的多孔气体分布板，形成许多小气流射入物料层。形成许多小气流射入物料层。将操作气速控制在一定范围内时，颗将操作气速控制在一定范围内时，颗粒物料悬浮在上升的气流中形成沸腾粒物料悬浮在上升的气流中形成沸腾状流化床，料层内颗粒物料的相互碰状流化床，料层内颗粒物料的相互碰撞、混合剧烈，气固两相间的传热传撞、混合剧烈，气固两相间的传热传质过程得到强化，使物料得以干燥。质过程得到强化，使物料得以干燥。干燥

18、产品经床侧出料管卸出，湿废气干燥产品经床侧出料管卸出，湿废气体由引风机从床层顶部抽出排空，用体由引风机从床层顶部抽出排空，用旋风分离器分离所夹带的少量细微粉。旋风分离器分离所夹带的少量细微粉。又称为流化床干燥器，是流态化技术在干燥作业上的应用。又称为流化床干燥器，是流态化技术在干燥作业上的应用。湿物料废气废气热空热空气气干品干品沸腾床干燥器（Fluidized bed dryer） 喷雾干燥器（Spray dryer) 用于干燥溶液、浆液或悬浮液。液状物料由雾化器喷成雾状细滴用于干燥溶液、浆液或悬浮液。液状物料由雾化器喷成雾状细滴并分散于热气流中，使水分迅速汽化而获得微粒状干燥产品。并分散于热

19、气流中，使水分迅速汽化而获得微粒状干燥产品。1234567897雾滴直径通常仅为雾滴直径通常仅为 3060 m，每升料液具有每升料液具有 100600m2 的蒸发面的蒸发面积，故所需干燥时间很短（约为积，故所需干燥时间很短（约为530s）。）。特别适合于干燥热敏性的物料，如牛奶、蛋制品、血浆、洗衣粉、特别适合于干燥热敏性的物料，如牛奶、蛋制品、血浆、洗衣粉、抗菌素、酵母和染料等，已广泛应用于食品、医药、燃料、塑料抗菌素、酵母和染料等，已广泛应用于食品、医药、燃料、塑料及化学肥料等行业。及化学肥料等行业。 厢式 (室式) 干燥器 (Tray dryer) 小型的称为烘箱，大型的称为烘房，可同时处

20、理多种物料。小型的称为烘箱，大型的称为烘房，可同时处理多种物料。通常在常压或真空下间歇操作。厢内设有支架，湿物料放在矩形通常在常压或真空下间歇操作。厢内设有支架，湿物料放在矩形浅盘内，或悬挂在支架上浅盘内，或悬挂在支架上(板状物料板状物料)，空气经加热器预热并均匀，空气经加热器预热并均匀分配后，平行掠过物料表面，离开物料表面的湿废气体，部分排分配后，平行掠过物料表面，离开物料表面的湿废气体，部分排空，部分循环，与新鲜空气混合后用作干燥介质。空，部分循环，与新鲜空气混合后用作干燥介质。进风进风排气排气物料盘物料盘加热器加热器风扇风扇小车小车进风进风排气排气2.3.2 蒸馏过程 蒸馏是利用混合液体

21、中各组分具有不同的蒸馏是利用混合液体中各组分具有不同的挥发度来分离液体混合物的一种方法。在挥发度来分离液体混合物的一种方法。在石油炼制、石油化工机化学工业中占有重石油炼制、石油化工机化学工业中占有重要地位。要地位。 闪闪蒸蒸罐罐塔顶产品塔顶产品yAxA加加热热器器原料液原料液 塔底产品塔底产品 QBABAAAxxyyxy或减减压压阀阀2.3.2 蒸馏过程 2.3.2 蒸馏过程 蒸馏是在塔设备内进行的。塔设备截面一般为圆形，蒸馏是在塔设备内进行的。塔设备截面一般为圆形，长径比很大，用以使气体与液体、气体与固体密切长径比很大，用以使气体与液体、气体与固体密切接触，促进其相互作用。接触，促进其相互作

22、用。2.3.3 吸收过程 气体吸收是气体混合物中一种组分（或多种）从气相转移到气体吸收是气体混合物中一种组分（或多种）从气相转移到液相的过程。液相的过程。 混合气体分离最常用的操作方法之一。混合气体分离最常用的操作方法之一。 依据混合气体各组分在同一种依据混合气体各组分在同一种液体溶剂液体溶剂中物理溶解度（或化中物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。 本质上是混合气体组分从本质上是混合气体组分从气相到液相气相到液相的的相间传质过程相间传质过程 转移方法是物质借扩散作用（分子扩散或对流扩散）而传递。转移方法是物质借扩散

23、作用（分子扩散或对流扩散）而传递。 2.3.3 吸收过程 液体溶剂液体溶剂吸收剂吸收剂 混合气体中能显著溶于液体的组分混合气体中能显著溶于液体的组分溶溶质质 几乎不溶解的组分几乎不溶解的组分惰性组分惰性组分 吸收后得到的溶液吸收后得到的溶液吸收液吸收液 吸收后的气体吸收后的气体净化气净化气 2.3.3 吸收过程(1)按溶质和吸收剂之间发生的反应按溶质和吸收剂之间发生的反应： 物理吸收：气体溶质不与液体溶剂发生明显的化学反应。如水吸收丙物理吸收：气体溶质不与液体溶剂发生明显的化学反应。如水吸收丙 酮蒸汽、酮蒸汽、CO2、 化学吸收：气体溶质进入液相后，与溶剂或其它物质发生化学反应。化学吸收：气体

24、溶质进入液相后，与溶剂或其它物质发生化学反应。 碱液净化含碱液净化含SO2锅炉尾气锅炉尾气(2)按混合气体中被吸收组分数目按混合气体中被吸收组分数目： 单组分吸收：如用水吸收单组分吸收：如用水吸收HCl气体制取盐酸气体制取盐酸 多组分吸收：碱液吸收烟气（含多组分吸收：碱液吸收烟气（含SO2, NOx, CO2, CO等）等）(3)按体系温度是否变化：按体系温度是否变化： 如果液相温度明显升高如果液相温度明显升高称为非等温吸收称为非等温吸收 如果液相温度基本保持不变如果液相温度基本保持不变称为等温吸收称为等温吸收 吸收的类型吸收的类型单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。单组分等温物理吸收是最简

25、单和最基础的。2.3.3 吸收过程 2.3.4 吸附过程 吸附过程是指多孔固体吸附剂与流体（液吸附过程是指多孔固体吸附剂与流体（液体或固体）接触，流体中的单一或多种溶体或固体）接触，流体中的单一或多种溶质向多孔固体表面选择性传递，积累与多质向多孔固体表面选择性传递，积累与多孔固体表面的过程。孔固体表面的过程。 吸附过程的逆向操作称为解吸过程，可以吸附过程的逆向操作称为解吸过程，可以使已吸附于多孔固体吸附剂表面的各类溶使已吸附于多孔固体吸附剂表面的各类溶质有选择性地脱出。质有选择性地脱出。 通过吸附和解吸可以达到分离、精制的目通过吸附和解吸可以达到分离、精制的目的。的。 2.3.4 吸附过程 吸

26、附过程中，吸附剂的选择非常重要。吸附过程中，吸附剂的选择非常重要。吸附剂的吸附容量通常在吸附剂的吸附容量通常在1%40%之间。之间。常见吸附剂常见吸附剂 活性炭活性炭硅胶硅胶氧化铝氧化铝分子筛分子筛合成树脂合成树脂2.3.4 吸附过程 固定床流动床 通常采用的吸附剂解吸再生循环通常采用的吸附剂解吸再生循环操作的方法如下：操作的方法如下： 变温吸附变温吸附 提高温度使吸附剂的吸附容量减少提高温度使吸附剂的吸附容量减少而解吸，利用温度的变化完成循环操作。而解吸，利用温度的变化完成循环操作。 变压吸附变压吸附 降低压力或抽真空使吸附剂解吸，降低压力或抽真空使吸附剂解吸，升高压力使之吸附，利用压力变化

27、完成循环升高压力使之吸附，利用压力变化完成循环操作。操作。 变浓度吸附变浓度吸附 带分离溶质为热敏性物质时刻利带分离溶质为热敏性物质时刻利用溶剂冲洗或萃取剂抽提来完成解吸再生。用溶剂冲洗或萃取剂抽提来完成解吸再生。提高吸附提高吸附作用的处作用的处理量需要理量需要反复进行反复进行吸附和解吸附和解吸操作，吸操作，增加循环增加循环次数。次数。2.3.4 吸附过程吸附过程2.3.5 萃取过程 在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂（萃取剂），形在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂（萃取剂），形成液成液-液两相，利用液体混合物中各组分在两液相中溶解度的差液两相，利用液体混合物中各组分在两液相中

28、溶解度的差异而达到分离的目的。也称溶剂萃取，简称萃取。异而达到分离的目的。也称溶剂萃取，简称萃取。液体溶剂对固体混合物进行的溶质萃取过程称为固液体溶剂对固体混合物进行的溶质萃取过程称为固-液萃取，也液萃取，也称浸出、浸提或浸沥。其原理和洗涤一样，只是目的不同。称浸出、浸提或浸沥。其原理和洗涤一样，只是目的不同。混合液中被分离出的物质，以混合液中被分离出的物质，以A表示；表示；混合液中的其余部分，以混合液中的其余部分，以B表示；表示；萃取过程中加入的溶剂，以萃取过程中加入的溶剂，以S表示。表示。萃取剂对溶质应有较大的溶解能力，对于稀释剂则不互溶或仅部萃取剂对溶质应有较大的溶解能力，对于稀释剂则不

29、互溶或仅部分互溶。分互溶。按性质可分为按性质可分为物理萃取物理萃取（不涉及化学反应的物理传递过程，在石（不涉及化学反应的物理传递过程，在石油化工领域应用广泛）和油化工领域应用广泛）和化学萃取化学萃取（主要应用于金属的提取与分（主要应用于金属的提取与分离）；按萃取对象可分为有机物萃取和无机物萃取。离）；按萃取对象可分为有机物萃取和无机物萃取。 2.3.5 萃取过程实现萃取操作的基本要求如下：实现萃取操作的基本要求如下：选择适宜的溶剂。选择适宜的溶剂。溶剂能选择性地溶解各溶剂能选择性地溶解各组分，即对溶质具有显著地溶解能力，而组分，即对溶质具有显著地溶解能力，而对其他组分和原溶剂完全不溶或部分互溶

30、。对其他组分和原溶剂完全不溶或部分互溶。原料与溶剂充分混合分相，形成的原料与溶剂充分混合分相，形成的液液-液两液两相较易分层相较易分层。脱溶剂得到溶质，回收溶剂。脱溶剂得到溶质，回收溶剂。溶剂易于回溶剂易于回收且价格低廉。收且价格低廉。 2.3.5 萃取过程p 对于液对于液-液系统，为实液系统，为实现两相的密切接触和现两相的密切接触和快速分离比气液系统快速分离比气液系统困难的多。困难的多。p 液液传质设备的类型液液传质设备的类型较多。目前已有较多。目前已有30多多种萃取设备在工业中种萃取设备在工业中应用。应用。p 根据两相接触方式，根据两相接触方式，萃取设备可分为逐级萃取设备可分为逐级接触式和

31、微分接触式。接触式和微分接触式。每一分类又可分为有每一分类又可分为有外加能量和无外加能外加能量和无外加能量两种。量两种。 单级萃取装置，可以多级按逆流、并流或错流方式组合。2.3.6 膜分离过程 膜分离过程是利用天然或人工合成的、具有选择透过能力的薄膜，以膜分离过程是利用天然或人工合成的、具有选择透过能力的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集。级、提纯或富集。 项目 膜类型 操作压力 分离机理 适用范围 技术特点 不足之处 微滤(MF) 对称微孔膜0.0210m 0.01 MPa0.2 M

32、Pa 颗粒大小、形状 含微粒或菌体溶液的分离 操作简便，通水量大，工作压力低，制水率高。 有机污染物的分离效果较差。 超滤(UF) 不对称微孔膜0.0010.1m 0.1 MPa0.5 MPa 颗粒大小、形状 有机物或微生物溶液的分离 与微滤技术相似。 与微滤技术相似。 纳滤(NF) 带皮层不对称复合膜150 nm 0.5 MPa2.5 MPa 优先吸附、表面电位 硬水或有机物溶液的脱盐 可对原水进行部分脱盐和软化，生产优质饮用水。 常需预处理， 工作压力较高。 反渗透(RO) 带皮层不对称复合膜1 nm 1.0 MPa10 MPa 优先吸附、溶解扩散 海水或苦咸水的淡化 几乎可去除水中一切杂

33、质，包括悬浮物、胶体、有机物、盐、微生物等。 工作压力高； 制水率低；能耗大。 膜的种类膜的种类根据根据膜的膜的材质材质固体固体膜液体膜液体膜根据根据材料材料来源来源天然天然膜合成膜合成膜无机材料膜无机材料膜有机高分子膜有机高分子膜根据根据膜的膜的结构结构多孔膜多孔膜致密膜致密膜离子交换膜离子交换膜渗析膜渗析膜微孔过滤膜微孔过滤膜超过滤膜超过滤膜反渗透膜反渗透膜渗透汽化膜渗透汽化膜气体渗透膜气体渗透膜根据根据膜的膜的功能功能2.3.6 膜分离过程 物质通过膜的分离过程是复杂的，膜的传递物质通过膜的分离过程是复杂的，膜的传递过程可以分为以下两大类。过程可以分为以下两大类。 第一类一假定的传递机理

34、为基础，其中包含第一类一假定的传递机理为基础，其中包含了被分离物的物化性质和传递特性。了被分离物的物化性质和传递特性。通过多通过多孔型膜的流动孔型膜的流动：孔模型、微孔扩散模型、优：孔模型、微孔扩散模型、优先吸附先吸附-毛细孔流动模型。毛细孔流动模型。通过非多孔型膜的通过非多孔型膜的渗透渗透：溶解：溶解-扩散模型，不完全溶解扩散模型，不完全溶解-扩散模型。扩散模型。 第二类以不可逆热力学为基础，称为第二类以不可逆热力学为基础，称为不可逆不可逆热力学模型热力学模型。它关联了压力差、浓度差、电。它关联了压力差、浓度差、电位差等对渗透流的关系，以线性方程描述伴位差等对渗透流的关系，以线性方程描述伴生

35、效应的过程。生效应的过程。 2.3.6 膜分离技术的应用 应用应用水的脱盐水的脱盐和净化和净化食品工业食品工业医疗、卫生方面医疗、卫生方面石油、化石油、化工方面工方面环境工程环境工程其他方面其他方面海水与苦海水与苦咸水淡化咸水淡化电厂锅炉电厂锅炉供水脱盐供水脱盐超纯水制备超纯水制备城市家庭饮城市家庭饮用水的净化用水的净化乳品乳品加工加工酒类酒类生产生产果汁果汁加工加工酶制剂酶制剂生产生产医疗、卫医疗、卫生用水生用水药品生产药品生产医疗应用医疗应用中药提炼中药提炼回收有机蒸气回收有机蒸气制取富氧空气制取富氧空气无水乙醇生产无水乙醇生产膜与生膜与生物技术物技术国防上国防上的应用的应用交通、交通、运

36、输方运输方面面脱脱气气膜膜电泳漆电泳漆废水废水电镀废电镀废水水纤维纤维工业工业废水废水造纸造纸工业工业废水废水其他废其他废水水2.3.6 膜分离过程 膜分离与传统分离技术结合，发展了新的膜分离与传统分离技术结合，发展了新的膜过程：膜蒸馏、膜萃取、蒸馏膜过程：膜蒸馏、膜萃取、蒸馏-渗透气化、渗透气化、冷冻过滤、选择沉淀过滤等。冷冻过滤、选择沉淀过滤等。 膜分离与反应过程结合，产生了新的膜反膜分离与反应过程结合，产生了新的膜反应过程，开发了膜反应器、气相膜反应器应过程，开发了膜反应器、气相膜反应器等。等。 2.3.7 离子交换过程 定义定义离子交换分离法是利用离子交换分离法是利用离子交换剂与溶液中

37、的离离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换反应子之间所发生的交换反应进行分离的方法。进行分离的方法。 原理原理离子交换分离法是离子交换分离法是基于物质在固相与液相之间的基于物质在固相与液相之间的分配分配。2.3.7 离子交换过程 分离形式分离形式：柱分离，电渗析隔膜，离子交换纸：柱分离，电渗析隔膜，离子交换纸上色层，离子交换纤维薄层。上色层，离子交换纤维薄层。特点特点：吸附的选择性高，适应性强，处理对象：吸附的选择性高，适应性强，处理对象广，分离容易，使用设备简单。广，分离容易，使用设备简单。应用应用：离子交换法离子交换法分离对象广分离对象广，几乎所有无机，几乎所有无机离子以及许多结构复杂性

38、质相似的有机化合物离子以及许多结构复杂性质相似的有机化合物都适用。适应工业生产大规模分离要求，也适都适用。适应工业生产大规模分离要求，也适合实验室超微量物质的分离。合实验室超微量物质的分离。2.3.7 离子交换过程 离子交换过程基本原理如下：离子交换过程基本原理如下： 离子间成等量交换离子间成等量交换 可为等当量同电荷的离子取代，为保可为等当量同电荷的离子取代，为保持电性中和，游离的离子从溶胀的树脂进入溶液，形成持电性中和，游离的离子从溶胀的树脂进入溶液，形成离子交换。离子交换。 离子交换剂对不同离子具有不同的亲和力和选择性离子交换剂对不同离子具有不同的亲和力和选择性 室温室温下多价离子比单价

39、离子优先交换：下多价离子比单价离子优先交换： 对碱金属和碱土金属离子对碱金属和碱土金属离子，它的亲和力随原子序数的增，它的亲和力随原子序数的增加而增加：加而增加： 离子排斥离子排斥 离子排斥的速度比离子交换慢离子排斥的速度比离子交换慢。对解离的物质。对解离的物质不产生排斥的作用称为不产生排斥的作用称为Donnan效应。效应。 224Na CaLaThLi Na K Rb Cs2222MgCaSr75100m惯性分离器惯性分离器惯性力惯性力5070250500除较大粒子，下除较大粒子，下限限2050m旋风分离器旋风分离器离心力离心力5090501500除一般粒子，除一般粒子，10100m袋式分离

40、器袋式分离器过滤过滤9599251500除细尘，除细尘，1m静电分离器静电分离器高压电场高压电场909850250除细尘，除细尘， 气固分离常用设备2.4 .2 机械分离过程 气体进口气体出口HBLutVuV 重力沉降室重力沉降室静电分离器静电分离器旋风分离器旋风分离器2.4 .2 机械分离过程 液固分离过程液固分离过程液固分离过程分为以下两类：液固分离过程分为以下两类： 1 1）液体受限制，固体颗粒在流动的过程）液体受限制，固体颗粒在流动的过程 对其分离取决对其分离取决于固体颗粒与液体间的密度差，有浮选、重力沉降、离于固体颗粒与液体间的密度差，有浮选、重力沉降、离心沉降等。心沉降等。2 2）

41、固体颗粒受限制，液体在流动的过程）固体颗粒受限制，液体在流动的过程 以具有过滤介以具有过滤介质为前提，有压滤、筛滤等。质为前提，有压滤、筛滤等。2.4 .2 机械分离过程 液固分离常用设备设备类型设备类型原理原理设备类型设备类型原理原理重力沉降室重力沉降室重力重力板框压滤机板框压滤机压滤压滤离心力离心力离心力离心力回转真空过滤机回转真空过滤机吸滤吸滤旋流分离器旋流分离器离心力离心力2.4 .2 机械分离过程 1-2-3-2-1-2-3-2-1板框式压滤机2.4 .2 机械分离过程 旋流式分离器2.4 .3 材料成形加工过程 按成型方法分按成型方法分压制成型压制成型压铸成型压铸成型注射成型注射成

42、型挤出成型挤出成型平板硫化机上模压成型平板硫化机上模压成型注射机中注射成型注射机中注射成型按生产设备不同分按生产设备不同分材料的成形加工过程实际上也都遵循动量传递及固体、流体力学规律。橡胶橡胶制品制品成型成型方法方法分类分类2.4 .3 材料成形加工过程 橡胶挤出机结构 2.5 热力过程 热力过程（热力过程（thermodynamic process)指遵指遵循热力学诸规律的动力过程，它涉及发电、循热力学诸规律的动力过程，它涉及发电、燃烧、冷冻、空气分离等过程及设备。燃烧、冷冻、空气分离等过程及设备。 热力学主要研究热、功和其他形式能量之间热力学主要研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及的相

43、互转换及 其转换过程中所遵循的规律，其转换过程中所遵循的规律，成为自然科学的共性规律。成为自然科学的共性规律。 原来只是物理学的一个分支学科，在原来只是物理学的一个分支学科，在19世纪世纪中叶开始形成。最初只是研究热能与机械能中叶开始形成。最初只是研究热能与机械能之间的转换。之间的转换。 2.5.1 热力学系统与过程 热力学的一些基本概念热力学的一些基本概念系统系统(system)(system)：我们所：我们所研究的那部分物质世界；研究的那部分物质世界；环境环境(surounding)(surounding)：与：与系统相关的部分。系统相关的部分。 系统与环境间有界系统与环境间有界面面( (

44、假想的或真实的假想的或真实的) )分分开，可以有开，可以有物质和能量物质和能量的交换。的交换。封闭系统封闭系统(closed system)： 与环境间有热、功等能量形式与环境间有热、功等能量形式的交换而无物质交换的系统。的交换而无物质交换的系统。隔离系统隔离系统(isolated system)： 与环境间既没有物质交换，又与环境间既没有物质交换，又没有能量交换的系统，又称孤立没有能量交换的系统，又称孤立系统。系统。敞开系统敞开系统(open system)： 与环境间既有物质交换又有与环境间既有物质交换又有能量交换的系统，又称开放系统能量交换的系统，又称开放系统。2.5.1 热力学系统与过

45、程 热力学的一些基本概念热力学的一些基本概念热力学过程热力学过程：指系统在一指系统在一定的环境条定的环境条件下，从一件下，从一个状态到另个状态到另一个状态的一个状态的变化。变化。恒温过程恒温过程 系统与环境温度相等并恒定。系统与环境温度相等并恒定。恒压过程恒压过程 系统与环境压力相等并恒定。系统与环境压力相等并恒定。绝热过程绝热过程 系统与环境间隔绝热的传递。系统与环境间隔绝热的传递。循环过程循环过程 封闭系统经历一定变化后复原。封闭系统经历一定变化后复原。稳流过程稳流过程 敞开系统虽有物质和能量进出，但系统中没敞开系统虽有物质和能量进出，但系统中没有物质和能量积累。有物质和能量积累。可逆过程

46、可逆过程 正逆过程都可能进行，逆向进行时，每一步正逆过程都可能进行，逆向进行时，每一步的状态是原来正向时的重演。可逆循环复原后，不遗留永的状态是原来正向时的重演。可逆循环复原后，不遗留永久性的不可逆变化。久性的不可逆变化。不可逆过程不可逆过程 一切实际过程都是不可逆过程。同样条件一切实际过程都是不可逆过程。同样条件下，逆过程不可能进行。系统经历不可逆循环复原后，将下，逆过程不可能进行。系统经历不可逆循环复原后，将遗留永久性的不可逆变化。遗留永久性的不可逆变化。2.5 .2 热力学第一定律 能量守恒定律（热力学第一定律）能量守恒定律（热力学第一定律） 能量的能量的形式虽可以转换，但其总和既不会增

47、加也不形式虽可以转换，但其总和既不会增加也不会减少会减少。 Q+W=UQ-热，热，由于系统与环由于系统与环境温度有差别而引起境温度有差别而引起的从高温到低温物体的从高温到低温物体的能量传递。吸热为的能量传递。吸热为正，放热为负。正，放热为负。U-内能内能 系统内部所有分子间相互吸引或系统内部所有分子间相互吸引或排斥的分子将位能、分子移动、转动、排斥的分子将位能、分子移动、转动、振动、电子运动、核运动能量的总和。振动、电子运动、核运动能量的总和。但不包括整个系统的动能和位能。但不包括整个系统的动能和位能。W-功功 除热以外系统与环境间的能量传递，得功为正，做功为负。除热以外系统与环境间的能量传递

48、，得功为正，做功为负。2.5 .2 热力学第一定律 2.5 .3 热力学第二定律 永 动 机 的 设 想 图2.5 .3 热力学第二定律 第二定律的提出第二定律的提出1 功热转换的条件第一定律无法说明功热转换的条件第一定律无法说明. 2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第一定律无法说明第一定律无法说明.2.5 .3 热力学第二定律 开尔文开尔文(L.Kelvin)说法：说法：不可能制造出这样一种不可能制造出这样一种循环循环工作的热机，它只工作的热机，它只使使单一单一热源冷却来做功热源冷却来做功，而，而不不放出热量给其他放出热量给其他物体，或者

49、说物体，或者说不不使使外外界界发生任何变化发生任何变化 。( (It is impossible by means of inanimate material agency to derive mechanical effect from any portion of matter by cooling it below the temperature of the c o l d e s t o f t h e surrounding objects.)热力学第二定律的两种表述热力学第二定律的两种表述 2.5 .3 热力学第二定律 克劳修斯克劳修斯(R.Clausius)说法说法：不可能把热

50、量从低温物体不可能把热量从低温物体自动自动传到高温物体而传到高温物体而不不引起引起外界的变化外界的变化 .(No process is possible whose sole effect is to transfer heat from a cold body to a hot body. By sole effect is meant without the rest of the universe changing, or changing in a cycle of operations.)2.5 .2 热力学第一定律 热机热机 ：持续地将热量转变为功的机器：持续地将热量转变为功的机器

51、 工作物质工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质 .2.5 .3 热力学第二定律 虽然卡诺制冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使虽然卡诺制冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化环境发生变化 .高温热源高温热源1T低温热源低温热源2T卡诺制冷机卡诺制冷机1Q2QAVop2TA1TABCD21TT 2Q1Q2.5 .3 热力学第二定律 注注 意意1. 热力学第二定律是大量实验和经验的总结。2. 热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性 。3. 热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都

52、反映了自然界过程进行的方向性 。2.5 .3 热力学第二定律 热机从高温热源所吸的热热机从高温热源所吸的热 Q Q1 1 分成了两部分：对环境做功分成了两部分：对环境做功W W 和向低温热源放热和向低温热源放热 Q Q2 2。对系。对系统来说能量守恒：统来说能量守恒：对于循环热机，其热机效率为：对于循环热机，其热机效率为： 循环热机正向和反向运行时的循环热机正向和反向运行时的效率相同。效率相同。T1T2HQ1Q2W热机的能流图热机的能流图热机工作原理示意图热机工作原理示意图W=QW=Q1 1-Q-Q2 2122111QQQW1QQQ 2.5 .3 热力学第二定律 理想热机与卡诺循环理想热机与卡

53、诺循环Fig. 1 理想热机理想热机1 2，恒温可逆膨胀恒温可逆膨胀。 23c，绝热可逆膨胀绝热可逆膨胀3 4，恒温可逆压缩恒温可逆压缩。 4 1，绝热可逆压缩绝热可逆压缩。pVT1T21234卡诺循环卡诺循环1211211TTTQQQQW 2.6 化学反应过程A=B+C+A+B+=CAB+CD=AC+BDZHENGZHOU UNIVERSITY A+BC=B+AC化学反应过程化学反应过程（chemical process）：）：指遵循化学反指遵循化学反应诸规律的过应诸规律的过程，它涉及化程，它涉及化学反应，如合学反应，如合成、分解等过成、分解等过程和设备程和设备 2.6.1 化学反应器常见化

54、学常见化学反应器反应器连续操作搅拌釜连续操作搅拌釜间歇操作搅拌釜间歇操作搅拌釜连续操作管式反应器连续操作管式反应器固定床反应器固定床反应器鼓泡床反应器鼓泡床反应器流化床反应器流化床反应器ZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.1 化学反应器 2.6.2 电化学反应装置 电化学是指在电极和溶液截面上进行电能电化学是指在电极和溶液截面上进行电能与化学能之间的转变反应。与化学能之间的转变反应。 1化学能转变为电化学能转变为电能的过程能的过程-自发进行自发进行2电能转变为化学电能转变为化学能的过程能的过程-强制过程强制过程如电解合成工业如电解合成工业、电解冶炼工业、电解冶炼工业、加工和电化学

55、、加工和电化学表面处理。表面处理。ZHENGZHOU UNIVERSITY 2.6.2 电化学反应装置 燃料电池是高技术电化学反应装置的燃料电池是高技术电化学反应装置的代表。代表。 纯氢气、甲醇、纯氢气、甲醇、乙醇、天然气，乙醇、天然气，甚至汽油都可以甚至汽油都可以用做燃料电池的用做燃料电池的燃料。燃料。燃料电池的发电燃料电池的发电过程几乎没有造过程几乎没有造成任何污染。成任何污染。2.6.2 电化学反应装置 低温燃料电池低温燃料电池（60120） 中温燃料电池中温燃料电池(160220) 高温燃科电池高温燃科电池(6001000) 类型类型 AFC碱性燃料电池碱性燃料电池 PEMFC或或SP

56、FC质子交换或固质子交换或固体聚合物燃料体聚合物燃料电池电池PAFC磷酸燃料电池磷酸燃料电池 MCFC熔融碳酸燃料熔融碳酸燃料电池电池 SOFC固态氧燃料电固态氧燃料电池池 特性特性 无污染无污染,电效率电效率高制造费用非常高制造费用非常贵贵,不适合于工不适合于工业应用少维护业应用少维护污染排放在很污染排放在很低的水平低的水平,低噪低噪音音,固体电解质固体电解质适合于大规模适合于大规模生产生产,与常规技与常规技术相比很贵术相比很贵低污染低污染, 低噪低噪音音,是热电联产是热电联产电厂的三倍费电厂的三倍费用用, 随着连随着连续运行电效率续运行电效率降低降低有效利用能源有效利用能源, 低噪音低噪音

57、,没有外没有外部气体配置部气体配置, 腐腐蚀性电解液蚀性电解液有效利用能源有效利用能源, 低噪音低噪音, 没有外没有外部气体配置部气体配置,腐腐蚀性电解液对蚀性电解液对材料的要求非材料的要求非常苛刻常苛刻电解体电解体氢氧化钾溶液氢氧化钾溶液 质子可渗透膜质子可渗透膜 磷酸磷酸 锂和碳酸钾锂和碳酸钾 固体院瓷体固体院瓷体 燃料燃料纯氢纯氢 氢，甲醇天然氢，甲醇天然气气 天然气，氢天然气，氢 天然气煤气天然气煤气沼气沼气 天然气煤气天然气煤气沼气沼气 氧化剂氧化剂纯氧纯氧大气中的氧气大气中的氧气 大气中的氧气大气中的氧气 大气中的氧气大气中的氧气 大气中的氧气大气中的氧气 系统的电效率系统的电效率

58、 60-90 43-58 37-42 50% 50-65% 2.6.3 生物反应器 由生物工程所引出的生产过程可统称为生由生物工程所引出的生产过程可统称为生物反应工程。物反应工程。 在生物反应工程中若采用活细胞（包括微在生物反应工程中若采用活细胞（包括微生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为生物、动植物细胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程；采用游离酶或发酵过程或细胞培养过程；采用游离酶或固定化酶，则称为酶反应过程。固定化酶，则称为酶反应过程。 生化反应器生化反应器( (生物反应器生物反应器) )就是为适应生化就是为适应生化反应反应( (生物反应生物反应) )的特点而设计的反应设备。的特

59、点而设计的反应设备。包括酶反应器、微生物反应器（发酵罐）包括酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器。和动植物细胞培养用反应器。 2.6.3 生物反应器 典型的生物反应工程包括四个部分：典型的生物反应工程包括四个部分：I.原材料预处理原材料预处理II.生物催化剂的制备生物催化剂的制备III.生化反应器及反应条件的选择与监控生化反应器及反应条件的选择与监控IV.产物的分离纯化产物的分离纯化2.6.3 生物反应器 生化反应中的颗粒有：单个细胞、细胞群、絮凝细胞团、生化反应中的颗粒有：单个细胞、细胞群、絮凝细胞团、丝状细胞、固定化酶颗粒。它们的形状可能是球形、柱形、丝状细胞、固定化酶

60、颗粒。它们的形状可能是球形、柱形、无定形等，比化工过程复杂。无定形等，比化工过程复杂。 生物颗粒的特点是有生命活力。微生物、动物或植物细胞生物颗粒的特点是有生命活力。微生物、动物或植物细胞是无数个微型反应器，从环境中提取原料，获取能量，自是无数个微型反应器，从环境中提取原料，获取能量，自我繁殖加工，合成能储存在细胞里或分泌至细胞外的产品。我繁殖加工，合成能储存在细胞里或分泌至细胞外的产品。 生物细胞颗粒的结构和形态可随加工过程而变化。细胞可生物细胞颗粒的结构和形态可随加工过程而变化。细胞可从丝状变为圆球状，又从单个细胞到絮凝细胞团。从丝状变为圆球状，又从单个细胞到絮凝细胞团。 生物颗粒的另一个

61、特点是对流动或机械剪切力十分敏感。生物颗粒的另一个特点是对流动或机械剪切力十分敏感。 一般生物反应器有如下特点：2.6.3 生物反应器 生物反应器的分类生物反应器的分类生物反应器生物反应器间歇操作间歇操作半间歇半连续操作半间歇半连续操作连续操作连续操作生物团块反应器生物团块反应器生物膜反应器生物膜反应器全混流型全混流型活塞流型活塞流型全混流型全混流型活塞流型活塞流型搅拌釜式反搅拌釜式反应器应器循环反应器循环反应器环流反应器环流反应器管式反应器管式反应器鼓泡塔鼓泡塔多级串联式多级串联式反应器反应器流化床反应流化床反应器器循环管反应循环管反应器器完全混合膜完全混合膜反应器反应器固定床固定床生物转盘生物转盘渗滤器渗滤器膜反应器膜反应器2.6.3 生物反应器 工业反应器工业反应器实验室反应器实验室反应器 结束语 需要指出的是，在实际生产设备中，大多需要指出的是，在实际生产设备中，大多传热、传质、动量传递和反应过程等兼而传热、传质、动量传递和反应过程等兼而有之，上述六大基本过程常常相互耦合。有之，上述六大基本过程常常相互耦合。 如何从高效节能的目的出发，将不同的过如何从高效节能的目的出发，将不同的过程工艺巧妙地集成于一体，需要过程机械程工艺巧妙地集成于一体，需要过程机械工程师在设计中充分发挥自己的智慧。工程师在设计中充分发挥自己的智慧。 ZHENGZHOU UNIVERSITY