化工原理学习辅导

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1、化工原理学习辅导赵红坤、张淮浩、石国军、姚干兵、王雅琼、孔黎明、张存、常海扬州大学化学化工学院2008年4月前 言化工原理学习辅导(简称学习辅导)是为学习“化工原理”课程的学生而编写的。目的是为了帮助学生在学习各章时掌握其主要内容、计算公式及其应用。 因本科学生使用的教材选用的是化学工业出版社出版的化工流体流动与传热和化工传质与分离过程，故本辅导材料中使用的符号、公式、内容、图表等均与参考书保持一致，以便学生复习、自学，本学习辅导不再予以详细说明，学习时可查阅参考书。 “化工原理”课是一门技术基础课程，也是一门工程技术课程。课程的重点侧重于基本原理和方法，及如何运用这些最基本的原理来解决一些工

2、程实际问题，或为解决这些问题创造一定的条件。基于以上考虑，对一些较深的内容，如边界层概念、因次分析法、多组分精馏、高浓度气体吸收等未予安排；对一些公式，本学习辅导不予推导，而是着重于公式的应用，如柏努利方程式、过滤基本方程式等。 学习辅导中例题部分并不是本章基本掌握内容，而是在学习完本章后为提高能力而编排的内容，且未给出具体解题过程，只是作为综合解决问题的练习。 本学习辅导中第一章、第二章由赵红坤编写，第三章由张淮浩编写，第四章由石国军编写，第五章由张存编写，第六章由孔黎明编写、第七章由王雅琼编写，第八章由姚干兵编写，第九章、第十章由常海编写。 本辅导材料适用于化工工艺、生物工程、制药工程、过

3、程控制等专业的本科生使用，也可作为其它工程技术人员综合掌握化工原理课程的参考资料。 由于编者水平所限，时间仓促，文中难免存有错误及不妥之处，还望读者予以指正，编者深表感谢。编 者2008年4月目 录第一章 流体流动11.1 基本概念11.2 主要公式及分析讨论21.3 典型例题5第二章 流体输送机械72.1 基本概念72.2 主要公式及分析讨论92.2.1 液体输送机械92.2.2 气体输送机械112.3 典型例题11第三章 非均相物系的分离123.1 基本概念123.2 主要内容和计算公式123.2.1 重力沉降123.2.2 离心沉降133.2.3 过滤143.3 例题16第四章 传热17

4、4.1传热过程概述174.2热传导174.2.1基本概念和傅立叶定律174.2.2导热系数184.2.3平壁的定态热传导184.2.4圆筒壁的定态热传导184.3对流传热194.3.1对流传热速率方程和对流传热系数194.3.2对流传热机理194.3.3保温层的临界直径194.4传热过程计算194.4.1能量衡算194.4.2总传热速率微分方程和总传热系数204.4.3对数平均温度差法214.4.4传热单元数法214.5对流传热系数关联式224.5.1影响对流传热系数的因素224.5.2对流传热过程的因次分析224.5.3流体无相变的对流传热系数224.5.4流体有相变的对流传热系数224.6

5、辐射传热234.6.1基本概念和定律234.6.2两固体间的辐射传热244.6.3对流和辐射联合传热244.7间壁换热器244.7.1换热器的的结构形式244.7.2换热器传热过程的强化244.7.3管壳式换热器的设计和选型(略)244.8 例题24第五章 蒸发255.1蒸发过程概述与蒸发设备255.1.1基本概念255.1.2蒸发设备255.2单效蒸发265.2.1物料蘅算265.2.2热量蘅算265.2.3传热速率方程265.2.4蒸发器的总传热系数275.2.5蒸发器的生产能力和蒸发强度275.3多效蒸发285.3.1多效蒸发流程285.3.2多效蒸发与单效蒸发的比较285.3.3多效蒸

6、发中的效数限制及最佳效数285.3.4提高加热蒸汽经济性的其他措施285.4例题29第六章 蒸馏306.1要求306.1.1掌握的内容306.1.2熟悉的内容306.1.3了解的内容306.2 本章内容306.3 重要的公式及概念316.3.1 双组分溶液的汽液相平衡关系中涉及的主要概念及公式316.3.2双组分精馏塔的计算涉及的主要概念及公式316.4 典型例题32第七章 吸收337.1要求337.1.1掌握的内容337.1.2 熟悉的内容337.1.3 了解的内容337.2 本章内容337.3 重要的公式及概念347.3.1 气液相平衡关系中涉及的主要概念及公式342.3.2 吸收过程机理

7、的概念及公式347.4 典型例题36第八章 塔设备378.1 基本概念378.1.1 板式塔378.1.2 填料塔388.2 基本内容和计算公式（见教材）388.3 填料塔与板式塔的比较38第九章 萃取409.1要求409.1.1掌握的内容409.1.2熟悉的内容409.1.3了解的内容409.2 本章内容409.3 重要的公式及概念409.4 典型例题42第十章 干 燥4310.1要求4310.1.1掌握的内容4310.1.2熟悉的内容4310.1.3了解的内容4310.2 本章内容4310.3 重要的公式及概念4310.4 典型例题44参考文献45第一章 流体流动1.1 基本概念化工生产中

8、所处理的物料和产品，大多数是流体，因此，流体的流动是化工生产中十分重要的单元操作，同时也是传热与传质过程的基础。通过本章的学习，可以确定输送流体所需要的能量，从而达到选择流体输送机械的目的；能进行简单管路的计算；进行流体流速与流量的计算。学习要求是熟练掌握流体静力学基本方程、连续性方程、柏努利方程、阻力方程的内容、物理意义、应用范围以及如何利用这些方程来分析和解决流体输送中的有关计算。1.流体的分类和特性气体和液体统称流体。流体有多种分类方法：按状态分为气体、液体、超临界流体等。按可压缩性分为不可压缩流体和可压缩流体。按是否可忽略分子之间作用力分为理想流体与粘性流体(或实际流体)。按流变特性分

9、为牛顿型和非牛顿型流体。 流体的特性为流动性、易变形(随容器形状)、流动时产生内摩擦力，从而构成了流体力学原理研究的复杂内容之一。 2.作用在流体上的力 外界作用在流体上的力分为两种： (1) 体积力 (又称质量力)：作用在流体团整体上的力。流体受力大小与其质量成正比，如重力和离心力。 (2)表面力（又称机械力）：流体团与其周围环境流体（有时可能是固体壁面）在界面上产生的相互作用力。该力与流体表面积成正比。表面力又分为压力(垂直作用于表面上)和剪力(平行作用于表面)两类。静止流体只受到质量力和压力的作用，而流动流体则同时受到质量力、压力和剪力的作用。 3.流体流动的考察方法 (1)流体的连续介

10、质模型 该模型假定，流体是由连续分布的流体质点所组成，流体的物理性质及运动参数在空间上是连续分布，可用连续函数的数学工具加以描述。 (2)流体流动的描述方法 对于流体的流动，有两种描述方法： (1)拉格朗日法：跟踪质点，描述其运动参数(位移、速度等)随时间的变化规律。研究流体质点的运动轨线即采用此法。 (2)欧拉法：在固定空间位置上观察流体质点的运动状况(如空间各点的速度、压强、密度等)。流体的流线即由此法考察而获得。研究化工生产中某一设备内(控制体)流体的流动情况，大都采用欧拉法。 4.定态流动与非定态流动(1) 定态流动：在流动系统中，各截面上流体的有关参数(物性、流速、压强等)仅随位置而

11、变，不随时间而变的流动。(2) 非定态流动：在流动系统中，各截面上流体的有关参数既随位置而变，又随时间而变的流动。本章重点讨论不可压缩牛顿型粘性流体在管内的连续定态流动。5.流体流动中的流型(1)滞流（又称层流）：(2)湍流（又称紊流）：湍流滞流平均流速速度分布物理现象流型1.2 主要公式及分析讨论1.流体静力学基本方程式用于描述静止流体内部压力变化规律。静力学方程式的应用(1)U型管压差计：用于测量某点压力或两点压差。(2)液位计：用于测量容器或设备内的液位。a.直接测量液面连通器b.远距离测量液位(3)液封高度的计算：用于确定封闭气体的一段液体柱即液封的高度。2.水平管路上两点间压强差与压

12、差计读数间的关系3.流体的速度、体积流量、质量流量及质量流速之间关系流量和流速的大小反映管道内流体流动的数量和快慢程度，为操作参数。其值随管径的增大而减小。4.连续性方程描述管路各截面上流速的变化规律。对不可压缩流体：上述规律与管路的安排及管路上是否装有管件、阀门或输送设备等无关；适用于连续介质。5. 柏努利方程(1)柏努利方程式的讨论理想流体的柏努利方程式说明1kg理想流体在各截面上所具有的总机械能相等，而每一种形式的机械能不一定相等，但各种形式的机械能可以相互转换。可压缩流体的柏努利方程式对于可压缩流体，当两截面压力变化小于原来绝对压力的20，即时，仍可使用，但式中密度一项应采用平均密度m

13、代替，即：静止流体的柏努利方程式方程式即为静力学基本方程式。可见，静止为流动的一种特例。 (2)应用柏努利方程式解题要点做图并标明流向及有关数据截面的选取应注意：a.两截面应与流向相垂直；b.两截面间流体应连续；c.两截面应选在已知量多的地方；d.两截面应包括待求解的未知量；e.两截面应与阻力损失hf相一致；f.方程式左端的机械能为起始截面处流体的机械能，右端的机械能为终止截面处流体的机械能。基准水平面的选取应注意：a.两截面应选用同一基准水平面；b.尽量使其中某一截面的位能为零。单位及压力的表示法要一致：a.单位：各物理量采用同一单位制即可；b.压力：表压、绝压均可，但两截面必须一致。对可压

14、缩流动系统，要判断压力变化。(3)柏努利方程式的应用柏努利方程、连续性方程与能量损失方程的结合，可解决流体流动中各种有关问题，如：确定管道中流体的流速或流量；确定容器间的相对位置；确定输送机械的有效功或轴功率；确定管路中流体的压强；进行管路计算；根据流体力学原理设计各种流量计。6.流动阻力总阻力：直管阻力：局部阻力： 其中： 由上式可以看出，影响流体流动阻力的因素有： (1)流体的物性主要是粘度 ，密度。 (2)流通的几何特性如是圆管还是其他几何形状截面的管，是光滑管还是粗糙管，局部障碍，流动方向，流动截面改变等。 (3)流动特性主要是流速ub的影响7.管路计算输送流体的管路分为简单管路和复杂

15、管路两类。在简单管路中有等径管路和串联管路，在复杂管路中有并联管路和分支管路。管路计算分为两种类型，它们是： (1)设计型计算：即给定输送任务，设计合理的输送管路系统，关键是选定管径。 (2)操作型计算：对给定的管路系统求流量或对规定的输送流量计算压强降或有效功。除求压强降外，一般需试差计算。并联管路的特点：总管流量等于各支管流量之和；各支管中的能量损失相同。即： 分支管路的特点：总管流量等于各支管流量之和；各支管终结面处的总机械能与分支点到各支管终结面处能量损失之和相等，等于分支点处总机械能。即： 8流量计几种利用流体流动规律测量流速、流量的测量仪表总结如下：名称型式特点原理测速管动能式常用

16、于气体速度的测量流体阻力小不能直读平均流速不能测含有固体杂质的流体孔板流量计恒截面变压差式可测气体及液体的流量简单方便 阻力较大利用管路或敞开水路的节流作用，孔板截面一定时流量的大小表现为压力降的大小文丘里流量计恒截面变压差式能量损失小造价较高不易更换测量的流量范围小与孔板流量计相同转子流量计恒压差变截面式读数方便能量损失小测量范围宽适于测量腐蚀性流体不能承受高温和高压通过转子的浮升来改变环形流道的截面积，转子悬浮高度即表示流量的大小1.3 典型例题1-1 既然理想流体并不存在，为什么还要引进理想流体的概念? 答：在推导柏努利方程时，我们曾假设种完全没有粘性的流体并称之为理想流体。这种流体在流

17、动时没有摩擦损失，而且内摩擦力为零。这其实是理想化的结果，实际上并不存在这样的流体。之所以采用这种处理方法，是因为粘性的问题十分复杂，影响因素也很多，给研究实际流体的运动规律带来很大困难。为使问题简化，常把真实流体简化为不考虑粘性因素的理想流体，找出规律后再考虑粘性的影响并加以校正，然后再扩展到实际流体。这种校正，常常因为理论分析不能完全解决而借助于实验研究手段。更何况在很多实际问题中，粘性并不起主要作用。此时实际流体就可按理想流体来处理。 此外，我们还可以把真实流体的复杂流动，划分两个区域来处理。例如把流体沿壁面的流动简化成两个区域：主流区与边界层区。在主流区内，dub/dy0，摩擦应力可以

18、忽略不计，在这种粘性并不起主要作用的场合，流体可视为理想流体来处理。这样就可以用理论方法集中解决边界层内的问题(例如利用牛顿粘性定律研究流体的流动阻力)，便问题得到简化。因此说，引进理想流体的概念，对研究和解决工程实际问题具有重要意义。 1-2 用108mm4mm的管线每小时输送原油20t。原油密度为900kgm3，粘度为70mPas。已知管线总长200km，管子最大许用压强为60MPa(表压)，试定量分析输送途中至少需要几个加压站? 解题指导：在管路系统中，若动压头与局部阻力损失两项之相远小于直管阻力损失时，工程上称这种管路为“长管”。此时这两项损失不做专门计算或按直管阻力损失的510估算，

19、或是干脆忽略不计。本例显然是个“长管”问题，因局部阻力与管路摩擦阻力相比所占的比例很小，故忽略不计。 此例应先判定原油流动的类型，然后选用相应的公式求出管路的总压降，再由管子的最大许用压强求出每台泵所能克服的最大压降，或先求得一台泵可克服多少米管长的压降，进而求出所需加压站的个数。 1-3 某并联输水管路由两条光滑管支路组成，管内流体均处于湍流状态。已知总的输水量为70m3/h求两条支管的流量。设两条支管的内径分别为d1100mm，d250mm，管长分别为ll700mm， l2350mm(包括管件的当量长度)。 解题指导：解决两条支管并联的问题，大都是先从两支路流动阻力相等这一规律出发，然后确

20、定两个支管的流量比。多条支管并联的管路亦可仿此处理。对于幂指数比较复杂公式的计算，建议先不要代入数据，待推出最终结果后再代入数据，这样可避免一些繁琐的计算。1-4 某流体在圆形光滑直管内作湍流流动。若管长和管径不变，仅将流速增至原来的2倍，试计算因摩擦阻力而产生的压降为原来的多少倍?设两种情况下，雷诺数Re均在31031105范围内。 解题指导：改变操作条件求其新条件下某些参数的变化情况这类问题很常见，一般采用对比的方法求解。此时需注意：一定要找出最简式，才能准确把握各参数之间的数量关系。例如本例中如果忽略了与ub之间的函数关系，简单得出pub2的结论，则计算结果就会出现错误。 第二章 流体输

21、送机械2.1 基本概念1.流体输送机械在化工生产中的应用流体输送机械是向流体补充机械能的机械。应用于：(1)补充能量：以克服流体在流动过程中的能量损失，将流体从低机械能处输送到高机械能处；(2)提高压强：给流体加压；(3)造成设备真空：给流体减压；2.流体输送机械的分类流体输送机械接工作原理分类：(1)离心式(叶轮式)；(2)往复式；(3)旋转式；(4)流体动力作用式。液体输送机械称为泵，气体输送机械称为风机、压缩机等。注意：流体输送机械提供的能量是以单位重量的流体计。3管路系统对输送机械有何要求?答：生产中流体是多种多样的，如水、油、腐蚀性流体，操作条件是千差万别的，如输送量、效率、轴功率的

22、不同等，因此针对不同的要求采用不同的输送机械。 概括来说，生产中管路系统(体现为管路特性)对输送机械的要求有：(1)应满足工艺上流量及能量(如压头、风压或压缩比)的要求；(2)可适应物料的各种特性(如粘性、腐蚀性、含固体物体)的要求；(3)操作高效；(4)结构简单，操作方便。4.注意问题 (1)流体输送机械可提供能量的高低决定于输送机械本身的类型、结构和操作条件，流体输送系统(管路)所需要的与输送机械可提供的能量，两者必须统一。 (2)流体输送机械种类繁多，学习过程中注意它们的共性和个性及适用的场合。根据生产中被输送流体的种类(如气体或液体)、流体的性质、输送条件(如温度和压强)、输送流量及所

23、需的能量等要求，来选择适宜的输送机械类型及型号。5.离心泵的结构及工作原理（略，参见教材P139）。6.其它泵的结构及工作原理（略，参见教材P173180）7.气缚现象离心泵启动时，由于吸入管或泵内存有空气，产生的离心力很小，使叶轮中心处的低压不足以将液体吸入泵内的现象。8.气蚀现象离心泵工作时，叶片入口处压强最低，当压强等于或小于输送温度下液体的饱和蒸汽压时，液体在此处气化并产生气泡，当液体进入高压区，气泡迅速凝结或破裂，产生高频和高压而损坏叶片的现象。9.离心泵的主要性能参数(1)流量Q泵的流量又称送液能力，是指泵能输送的液体量。常以单位时间内泵能输送多少体积的液体来表示，单位为m3/s。

24、离心泵的流量与其结构、尺寸(叶轮直径和宽度)、转速、管路情况有关。 (2)压头H又称为扬程，指离心泵对单位重量的液体所提供的有效能量，单位为m。泵的压头与泵的结构尺寸、转速、流量等有关。对于一定的泵和转速，压头与流量间有一定的关系。压头的值由实验测定。 (3)效率指泵轴对液体提供的有效功率与泵轴转动时所需功率之比，无因次。它的大小反映泵在工作时能量损失的大小，泵的效率与泵的大小、类型、制造精密程度、工作条件等有关，由实验测定。离心泵的能量损失主要包括水力损失、机械损失、容积损失。(4)功率功率分轴功率N（原动机直接传给泵的功率）和有效功率Ne（液体实际得到的功率）两种。由于能量损失，轴功率必大

25、于有效功率。泵的轴功率与泵的结构、尺寸、流量、压头、转速等有关。 参数的影响因素：(1)密度：被输送液体密度，对H、Q、无影响，N；(2)粘度：被输送液体粘度，则H、Q、N、；(3)泵转速n：泵转速n，则H、Q、N；(4)叶轮直径D：泵叶轮直径D，则H、Q、N。 10.泵的流量调节离心泵往复泵流量调节调节出口阀 改变泵的转速 更换泵的叶轮 泵的并串联用旁路阀调节改变转速 改变冲程启动关出口阀 启动前，泵内应充满液体打开旁路阀 可不充液体，有干吸作用维修较方便较困难11.离心泵组合方式的选择生产中如何选择组合方式，除与泵特性有关外，还与管路特性有关，一般原则是：(1)当单泵压头远达不到要求时，必

26、须采用串联；(2)在某些情况下，并串联都可提高流量和压头，这时与管路特性有关。对低阻型输送管路，并联组合优于串联组合，即并联可获得更高的流量和压头，选并联；对高阻型输送管路，串联组合优于并联组合，即串联可获得更高的流量和压头，选串联。12.离心泵的选择(1)根据输送液体性质以及操作条件来选定泵类型。液体性质包括密度、粘度、腐蚀性等；操作条件主要指压强、温度。(2)计算管路系统所需He、Qe(根据管路条件，利用柏努利方程求He)(3)根据He、Qe查泵样本表或产品目录中性能曲线或性能表，确定规格。注意应使流量和压头比实际需要多1015余裕量；考虑到生产的变动，按最大量选取；应使泵在高效区内工作，

27、选好后列出该泵的性能参数H、Q、N、n、Hs等。 (4)校核轴功率。当输送液体的密度大于水的密度时重新计算轴功率13.离心泵的安装、使用和维护 (1)泵的实际安装高度应小于计算安装高度，以免出现气蚀现象和吸不上液体，并按要求固定在基座上；(2)启动前须向泵内灌满被输送液体，以防止气缚现象的发生，并检查泵轴转动是否灵活； (3)启动时应关闭出口阀门，启动后先打开进口阀，待运行平稳后，缓缓开启出口阀。防止轴功率突然增大，损坏电机；(4)停泵时先关闭出口阀，再关闭进口阀，然后停车；(5)运转过程定时检查密封泄漏，电机发热，润滑注油等问题。 14. 离心通风机的选择(1)根据被输送气体的性质与风压的范

28、围确定风机的类型； (2)计算输送系统所需风量Q和风压HT风量根据生产任务规定值换算为进口状态计的气体流量。所需实际风压HT按柏努利方程进行计算，然后换为实验条件下的HT；(3)根据Q和HT从风机样本中选择合适的型号，所选风机应留有一定余量；(4)核算风机的轴功率，特别当气体密度与实验条件下密度相差大时。15.气体输送机械的流量调节离心通风机往复压缩机流量调节调节出口阀采用并串联蒸汽压缩机常采用改变转速来调节 用旁路阀调节启动关出口阀 开启放空阀或旁路阀 维修较方便较困难2.2 主要公式及分析讨论2.2.1 液体输送机械1.测量离心泵扬程H的公式在离心泵的进口的真空表和出口压力表间以单位重量流

29、体为基准列柏努利方程，可得：2.离心泵扬程H的计算公式对包含泵的管路系统列列柏努利方程，可得：3.用离心泵pf总的计算公式：可见，用离心泵输送输送液体时所产生的总压强降包括液体升扬时所产生的压强降，流体在两截面的静压强差，流体在流动过程中产生的压强降，流体在流动过程中克服直管、局部阻力产生的压强降。4.离心泵的功率的计算公式5.粘性对离心泵性能的影响的计算公式式中：cQ、cH、c分别为离心泵的流量、压头和效率的校正系数，其值从教材P152153图2-13、2-14查得。6.比例定律当液体粘度不大且假设泵的效率不变，泵的转速变化小于20%时，泵的流量、压头、轴功率与转速的近似关系可按比例定律进行

30、计算：7.切割定律当转速不变而减小叶轮直径且叶轮直径变化20%时，泵的流量、压头、轴功率与叶轮直径的关系可按切割定律进行计算：8.离心泵允许吸上真空度Hs的计算公式为防止气蚀现象的发生，在离心泵入口处压力应不低于允许的最低压力，或不高于允许的最高真空度。将此真空度以输送液体的液柱高度（常为水柱）来计量，称之为允许吸上真空度，用Hs表示。即：HS与泵的类型、结构、输送操作条件有关，通过实验测定，由制造厂提供，标示在泵样本或说明书中。实验条件为大气压10mH2O，温度20，以清水为介质。当操作条件和输送液体与实验条件不符时，须按下式换算：9.离心泵允许气蚀余量NSPH的计算公式为防止气蚀发生，要求

31、离心泵入口处静压头与动压头之和必须大于液体在输送温度下的饱和蒸汽压头的最小允许值，即： 10.离心泵安装高度Hg的计算公式离心泵的安装高度又称允许吸上高度，是指泵的吸入口与吸入贮槽液面间可达到的最大垂直距离。(1)用允许吸上真空度表示：(2)用允许气蚀余量表示：11.离心泵管路特性曲线的计算公式对管路系统列柏努利方程：12.往复泵的理论流量和实际流量的计算公式：(1)流量流量：(2)实际流量：2.2.2 气体输送机械1. 离心通风机风压的计算公式风机性能表上所列风压，一般是在20，101.3kPa的实验条件下用空气测得的，在选用通风机时，若输送介质的条件与上述条件不同时，应将实际风压HT换算为

32、实验条件下风压H：2.离心通风机轴功率的计算公式2.3 典型例题2-1一台离心泵启动后吸不上液体，你看是什么原因?怎样才能使泵正常工作?2-2一台离心泵在转速为1450r/min时，送掖能力为18m3/h，扬程为20mH2O。现换一转速为1200r/min的电机带动，问此时流量与压头各为若干?2-3用泵从江中取水送入一贮水池中。池中水面比江面高30m，管路长度(包括局部阻力的当长度)为94m，要求输水量为2040m3/h，若水温为20，e/d0.001。(1)选择适当管径；(2)现有一离心泵，其铭牌上标出流量为45m3/h，扬程为42m，效率为60%，电机功率为7kw，问是否合用?第三章 非均

33、相物系的分离3.1 基本概念非均相物系的分离是应用流体力学原理，采用使分散相和连续相发生相对运动的方法，来实现非均相物系的分离的化工单元操作。非均相物系的分离根据两相运动方式的不同，又分为沉降和过滤。沉降是颗粒相对于流体而运动的操作过程，过滤是流体相对于固体颗粒而运动的操作过程。3.2 主要内容和计算公式3.2.1 重力沉降1、沉降 沉降是指在某种力的作用下，颗粒相对于流体产生定向运动的过程，其依据是两相间密度的差异，受到外力作用时运动速度不同从而发生相对运动。进行沉降操作的作用力可以是重力，称为重力沉降；也可以是离心力，称为离心沉降。衡量沉降进行的快慢程度通常用沉降速度来表示。2、重力沉降速

34、度 通常定义沉降过程达到等速阶段时颗粒相对于流体而运动的相对运动速度为重力沉降速度，即： 其中阻力系数 ，颗粒的形状系数；，颗粒与流体相对运动的雷诺数。对于球形颗粒，当相对运动处于层流区时，0.0001 Ret 1，可用Stokes 公式计算： 当相对运动处于过渡区时，1 Ret 1000，可用Allen 公式计算： 当相对运动处于湍流区时，1000 Ret 200000，=0.44，可用Newton 公式计算： 这些沉降速度计算式可用于颗粒在静止流体中的沉降，也可用于颗粒在运动流体（同向、逆向）中的沉降。3、重力沉降速度的计算（1）试差法：计算ut时需要已知Ret，其方法是先假设一个沉降区域

35、，选择相应的方程式计算出ut；然后根据计算出的ut检验Ret是否在所假设的区域，若与原假设一致则计算结果有效。否则重新进行假设直至相符为止。（2）无因次数群判别法： 令 ， 为与颗粒、流体物性有关的无因次数群。 层流时，=1，因而 Ar18 湍流时，=1000，因而Ar330000 所以，重力沉降速度的计算为：当Ar18时，可直接用Stokes 公式计算；当18Ar330000时，可直接用Allen 公式计算；当Ar330000时，可直接用Newton 公式计算。 （3）摩擦数群法（略） 4、重力沉降设备（1）降尘室 依靠重力沉降从含尘气体中分离固体颗粒的设备，一般为矩形方体，其长、宽、高分别

36、为L、b、H。当气体通过降尘室的时间大于颗粒降至室底所需时间时，颗粒便可从气流中分离出来，对应的生产能力表示为：VsbLut 该式表明，理论上降尘室的生产能力只与降尘室的沉降面积bL和颗粒的沉降速度ut有关，与降尘室的高度无关。所以降尘室通常设计成扁平形，或者在室内均匀设置多层水平隔板（间距40100mm）。降尘室的高度也不应太低，一般要求降尘室内气体的流动处于层流状态，避免由于气速过高干扰颗粒的沉降或者将已经沉降的颗粒重新扬起。 当降尘室内设置n层水平隔板时，相应的生产能力变为：Vs（n+1）bLut 降尘室结构简单，流动阻力小，但体积庞大，分离效率低，适用于分离直径大于50m的粗粒，作为预

37、除尘使用。（2）沉降槽 依靠重力沉降悬浮液中分离固体颗粒的设备，一般为圆筒形，连续沉降槽为大直径浅槽。5、影响重力沉降的因素（1）颗粒直径的影响：由Stokes 公式、Allen 公式和Newton 公式可知，颗粒直径对重力沉降速度有明显的影响。在层流区，重力沉降速度与颗粒直径的平方成正比；在过渡区，重力沉降速度与颗粒直径的1143次方成正比；在湍流区，重力沉降速度与颗粒直径的05次方成正比。随着Ret的增加，其影响减弱，通常在生产中对细小颗粒的沉降采用添加絮凝剂来增加重力沉降速度。（2）流体性质的影响：在层流区阻力主要来自于流体粘性引起的表面摩檫力，因此降低粘度对操作有利，对悬浮液的沉降过程

38、提高操作温度，而对含尘气体的沉降过程降低操作温度均能增加沉降速度；在湍流区流体粘性对沉降速度已无影响。（3）干扰沉降的影响：干扰沉降的结果使沉降速度减小，应通过实验测定。（4）器壁效应的影响：当D/d100时，要考虑器壁效应对沉降速度的影响。（5）颗粒形状的影响：颗粒在流体中沉降时，受到的阻力除与Ret有关外，与其形状也有关系。通常颗粒的形状系数越小，阻力系数越大，沉降速度越小。3.2.2 离心沉降离心沉降是指在离心沉降设备中，当颗粒与流体一起旋转时，由于受到离心力的不同，使颗粒沿径向与流体产生相对运动而实现分离的过程。其特点是颗粒受到的离心力比重力大得多，而且可根据需要进行调节，分离效果好于

39、重力沉降。1、离心沉降速度 离心沉降速度的表达式与重力沉降速度的表达式相似，不同在于：（1）在离心沉降速度的表达式中，只将重力沉降速度表达式中的重力加速度g换为离心加速度即可；（2）相对运动方向不同：离心沉降速度方向向外，而且随时变化，而重力沉降速度方向向下；（3）离心沉降速度ur的大小随切向速度uT和半径R而变化，但重力沉降速度恒定。2、分离因素Kc通常衡量离心沉降设备效能的优劣程度用分离因素Kc来表示，其定义为同一颗粒在同种流体中的离心沉降速度与重力沉降速度（或者离心加速度与重力加速度）之比，即： Kc=3、离心沉降设备（1）旋风分离器 用于除去含尘气体中粉尘的离心沉降设备，一般可分离出直

40、径大于5m的粒子。性能包括：含尘气体处理量、临界粒径、分离效率、压强降等。（2）旋液分离器 用于分离悬浮液中固体颗粒的离心沉降设备，结构类似于旋风分离器，但形状细长、直径小、圆锥部分长，进行悬浮液中固体颗粒和溶液的初步分离。3.2.3 过滤过滤是在一定推动力的作用下，借助一种能将固体颗粒截留而使液体通过的多孔性介质，将固体颗粒从悬浮液中分离出来的操作。在过滤过程中，液体除了穿过过滤介质外，还要穿过被截留下来形成固定床层的颗粒层，因而过滤实质是流体相对于固体颗粒而运动的操作过程。1、恒压过滤方程式 过滤计算的目的是得到一定体积的滤液（或者滤饼）时所需的过滤时间（或者所需的过滤面积）以便确定过滤设

41、备的大小。反之，在已有过滤设备的条件下，计算过滤机的生产能力。恒压过滤是指过滤操作始终是在恒定压强差下进行，特点是随过滤的进行，滤饼层厚度不断增加，过滤阻力逐渐增大，过滤速率不断下降。恒压过滤方程式为： V2 + 2VVe = KA2或者： （V +Ve）2 = KA2（+e）方程式反映了恒压过滤时滤液体积与过滤时间的操作关系，式中Ve表示过滤介质的虚拟滤液体积，e表示与过滤介质的虚拟滤液体积Ve相对应的虚拟过滤时间，K=2kp1-s，k=（r）-1，表示与物料特性及其压强差有关的常数。Ve、 K、e统称为过滤常数，通过实验测定，三者关系为：Ve2 = KA2e。当过滤介质阻力可以忽略不计时，

42、恒压过滤方程式简化为：V2 = KA2；当以单位过滤面积上所得滤液量q=V/A，qe=Ve/A表示时，（q+qe）2=K（+e）。2、过滤常数的实验测定在指定的压强差下进行恒压过滤实验，可得到过滤常数Ve、 K、e和压缩性指数s、以及表征物料特性的常数k。其原理是：将恒压过滤方程式 V2 + 2VVe = KA2改写为： 只要在恒压条件下测定得到一系列不同过滤时间和对应的滤液量q，即可根据上式通过作图法或者最小二乘法，求得K和Ve，计算得到e。如果要测定压缩性指数s和表征物料特性的常数k时，测定一系列不同压强差下的K，然后对KP数据进行处理。其方法是对K=2kp1-s取对数得：lgK=（1s）

43、lg（p）+lg（2k），同样通过作图法或者最小二乘法，求得压缩性指数s和表征物料特性的常数k。3、过滤设备及其滤饼的洗涤过滤设备按照操作方式分为间歇式过滤机和连续式过滤机，典型的为：（1）板框过滤机 板框过滤机为间歇式过滤机，由滤板与滤框交替排列组合而成，每一个操作循环由组装、过滤、洗涤、卸饼、清理五个阶段组成。过滤时滤浆进入滤框中间，滤液穿过滤框两侧的滤布流出，滤渣截留在滤框内形成滤饼；洗涤时洗水从滤框一侧进入，穿过整个滤饼层从滤框的另一侧流出。这种洗涤方法称为横穿洗涤法，其特点是洗水通过路径为过滤终了时滤液的两倍，而洗涤面积为过滤面积的1/2，洗涤速率为过滤终了时过滤速率的1/4。（2）

44、加压叶滤机 加压叶滤机为间歇式过滤机，由若干长方形或者圆形滤叶（内部为网格空间，外罩滤布）组合而成，装在密闭机壳内，每一个操作循环由组装、过滤、洗涤、卸饼、清理五个阶段组成。过滤时滤浆进入机壳内，滤液穿过滤布进入滤叶内，滤渣截留在滤叶外形成滤饼；洗涤时洗水进入机壳内，穿过整个滤饼层从滤内流出。这种洗涤方法称为置换洗涤法，其特点是洗水通过路径与过滤终了时滤液的路径相同，而洗涤面积为过滤面积，因而洗涤速率即为过滤终了时的过滤速率。（3）转筒真空过滤机 转筒真空过滤机为连续式过滤机，主体为一个能转动的水平圆筒，外罩滤布，圆筒沿径向分隔为若干扇形格，每个扇形格均与分配头相通。操作时，圆筒的一部分浸入滤

45、浆槽中，在旋转过程中每个扇形依次进行过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等操作。洗涤过程同过滤也称为置换洗涤法，其特点是洗水通过路径与过滤终了时滤液的路径相同，而洗涤面积为过滤面积，因而洗涤速率即为过滤终了时的过滤速率。（4）滤饼的洗涤 滤饼洗涤的目的是回收残留在滤饼中的滤液，或者净化构成滤饼的颗粒状物料。洗涤时滤饼厚度不变，因而当洗涤推动力恒定时，洗涤速率为常数而且与过滤终了时过滤速率有关。对滤饼的洗涤，主要是计算用一定量的洗液Vw洗涤时，所需洗涤时间w，它与洗涤速率有关： w =Vw/ 过滤机的过滤终了时的过滤速率可表示 ： 对不同的过滤机，洗涤速率与过滤终了时的过滤速率关系不同，见上论述。4、过

46、滤机的生产能力 过滤机的生产能力是指具体的过滤机在单位时间内能够获得的滤液量（或者滤饼量、处理滤浆量），m3/h，为选择过滤机型号及其台数的依据。（1）间歇式过滤机的生产能力 间歇式过滤机的每一个操作循环时间包括过滤时间、洗涤时间和拆装、卸饼、清理等辅助操作时间，所以生产能力的计算（以滤液量表示）为： Q =（2）连续式过滤机的生产能力 以转筒真空过滤机为例，连续式过滤机的特点是过滤、洗涤、卸饼等操作过程在过滤机的不同位置同时进行。转筒每旋转一周实际的过滤时间为 ，对应得到的滤液量为 V=，所以生产能力的计算（以滤液量表示）为：Q=60nV=60nVe5、影响过滤过程的因素根据恒压过滤方程式为

47、（V +Ve）2 = KA2（+e）可知，影响过滤过程的因素为过滤面积A；过滤常数Ve、 K、e，而过滤常数中又包括了滤布的特性、滤饼的特性、过滤压强差、滤液的粘性等，所有影响这些方面的因素都将影响过滤过程的进行程度。间歇式过滤机的生产能力与过滤时间、洗涤时间和拆装、卸饼、清理等辅助操作时间有关，应在完成质量要求的条件下，合理分配各种操作时间。连续式过滤机的生产能力与操作条件（压强差、温度）、转筒尺寸、滤布的特性、滤饼的特性、滤液的粘性、转速、转筒浸没度等有关，应综合考虑确定适当的操作条件和参数，才能提高生产能力。3.3 例题3-1 密度为2650kg/m3、颗粒直径为80m的粒子在20水中进

48、行自由沉降，计算：颗粒的沉降速度；颗粒由静止状态到达99%终端速度时需要的时间。3-2 直径为70m的不挥发油珠（可看作为刚性体）在20常呀空气中进行自由沉降，已知在恒速阶段测定得到20秒钟沉降27m高度，计算：如果将该油珠注入到20水中20秒钟油珠运动的距离。3-3 当滤布阻力可以忽略时，如果规定每一个操作循环中的辅助操作时间为D，洗水体积与滤液体积之比为x，要使恒压过滤的间歇式过滤机取得最大的生产能力，应该如何确定过滤时间？3-4 为了提高转筒真空过滤机的生产能力，拟采取以下措施，假设滤布阻力可以忽略，滤饼为不可压缩滤饼，讨论这些措施的可行性。（1）转筒尺寸按比例增大50%；（2）转筒浸没

49、度增大50%；（3）操作真空度增大50%；（4）转速增大50%；（5）滤浆中固相体积分率由10%增大到15%，已知滤饼中固相体积分率为60%；（6）升高温度使滤液粘度减小50%。3-5 拟处理滤饼与滤液体积比为0.08的悬浮液45m3/h，采用BMY50/810-25型板框过滤机（共有38个框），恒压过滤。已知操作条件下过滤常数K=2.510-5m2/s，qe=0.0036m3/m2,过滤后用10% 滤液量的清水进行洗涤,洗涤时洗水粘度同滤液,洗涤推动力与过滤时相同。卸渣、清洗、组装等辅助操作时间为30分钟，计算该需要过滤机的台数。第四章 传热4.1传热过程概述本章主要讨论定态传热，即传热速率

50、在任何时刻都为常数，并且系统中各点的温度仅随位置变化而与时间无关。1.传热的基本方式根据传热机理的不同，热的传递有三种基本方式，即热传导、对流传热和辐射传热。热量传递可以其中一种方式进行，也可以两种或三种方式同时进行。2.传热过程中冷热流体热交换方式冷热流体的接触方式及换热器某些传热过程可使冷热流体以直接混合接触式进行热交换，所采用的设备称为混合式换热器。蓄热式换热是冷热流体交替流过蓄热器，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。冷热流体在间壁两侧流体实现换热，构成间壁换热器。间壁式换热器是本章讨论的重点。冷、热流体通过间壁两侧传热过程的三个基本步骤热流体以对流方式将热量传递给管壁。热

51、量以热传导方式由管壁的一侧传递给另一侧。传递至另一侧的热量又以对流方式传递给冷流体。3.典型的间壁式换热器套管式换热器是最简单的间壁式换热器，冷热流体分别流经内管和环隙，而进行热的传递。管壳式换热器是应用最广的换热设备。在管壳式换热器中，在管内流动的流体程为管程流体，而另一种在壳与管束之间从管外表面流过的流体称为壳程流体。管（壳）程流体在管束内（壳方）来回流过的次数，称为管（壳）程数。两流体间的传热管壁表面积即为传热面积。对于一定的生产任务，分别用管内径、外径或平均直径计算，则对应的传热面积分别为管内侧、管外侧或平均面积。评价换热器性能的重要指标是传热速率和热通量。传热速率Q是指单位时间内通过

52、传热面的热量，其单位为W，可表示传热的快慢。热通量是指单位时间单位面积的传热速率，其单位为W/m2。由于换热器的传热面积有多种表示方法，因此相应的热通量计算应标明选择的基准面积。4.载热体及其选择物料在换热器中被加热或冷却时，通常需要另一种流体供给或取走热量，此种流体称为载热体，其中起加热作用的载热体称为加热剂（或加热介质）；起冷却（冷凝）作用的称为载热体称为冷却剂（或冷却介质）。4.2热传导热量不依靠宏观混合运动而从物体的高温区向低温区移动的过程称为热传导，简称导热。热传导的必要条件是物体或系统内各点间的温度差。4.2.1基本概念和傅立叶定律温度场和温度梯度（1）温度场 温度场就是任一瞬间物

53、体或系统内各点的温度分布总合。若温度场内各点的温度不随时间日而变化，为稳态（定态）温度场，否则为非稳态温度场。若物体内的温度仅沿一个坐标方向变化，此温度场为定态的一维温度场，即： （2）等温面 温度场中同一时刻下相同温度各点所组成的面为等温面。温度不同的等温面彼此不相交；在等温面上无热量传递，而沿和等温面相交的任何方向都有热量传递。（3）温度梯度 将两相邻等温面的温度差t与其垂直距离n之比的极限成为温度梯度。对于定态的一维温度场，可表示为温度梯度是向量，它的正方向为温度增加的方向。通常，将温度梯度的标量也称为温度梯度。(4)傅立叶定律 数学表达式 - 负号表示热通量的方向与温度梯度的方向相反4

54、.2.2导热系数定义式 该式表明：导热系数在数值上等于单位温度梯度下的热通量。导热系数表征了物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一。一般说，金属的导热系数最大，非金属固体次之，液体较小，气体最小。4.2.3平壁的定态热传导1、单层平壁的热传导假设材料均匀，导热系数不随温度变化，或取平均值；平壁内的温度仅沿与平壁垂直的方向变化；平壁面积与平壁厚度相比很大，可忽略热损失。即为定态、一维、平壁热传导： 上式表明导热速率与导热推动力成正比，与导热热阻成反比；还可以看出，导热距离愈大，传热面积和导热系数愈小，则导热热阻愈大。即：2、多层平壁热传导假设：各表面温度分别为t1、t2、t3、t4.，且t1t

55、2t3t4，则通过各层平壁壁面的传热速率必相等，即Q1=Q2=Q3=Q4=Q4.2.4圆筒壁的定态热传导与平壁热传导不同之处在于圆筒壁的传热面积和热通量不再是常量，而随半径而变；但在稳态传热时传热速率依然是常量。单层圆筒壁热传导 其中 多层圆筒壁热传导 多层圆筒壁热传导的总推动力为总温度差，总热阻为各层热阻之和，只是计算各层热阻所用的传热密集应采用各自的对数平均面积。4.3对流传热4.3.1对流传热速率方程和对流传热系数1、对流传热速率方程根据传递过程普遍关系，以流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以用牛顿冷却定律表示为 2、对流传热系数 对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传

56、热面积的对流传热速率，其单位为W/（m2），反映了对流传热的快慢，h愈大表示对流传热愈快。对流传热系数h不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映了对流传热热阻的大小。4.3.2对流传热机理1、对流传热分析当流体流过固体壁面时，壁面附近的流体会形成边界层。处于层流状态下的流体在与流动方向垂直的方向上进行热量传递时，其传递方式为热传导。当湍流的流体流经固体壁面时形成湍流边界层，固体壁面处的热量首先以热传导方式通过静止的流体层进入层流内层，在层流内层中传热方式为热传导；然后热流经层流内层进入缓冲层，在这层流体中，有热传导和涡流传热两种形式；热流最后由缓冲层进入湍流核心，湍流核心的热量传

57、递以涡流传热为主。就热阻而言，层流内层的热阻占总对流传热热阻的大部分，因此减薄层流内层的厚度是强化对流传热的主要途径。2、热边界层当流体流过固体壁面时，若两者温度不同，则壁面附近的流体受壁面温度的影响将建立一个温度梯度，一般将流体流动中存在温度梯度的区域称为温度边界层。4.3.3保温层的临界直径化工管路外常需要保温，以减少热量或冷量的损失。通常，热损失随保温层厚度的变化存在最大值。Q为最大值时的临界直径为 若保温层的外径小于dc，则增加保温层的厚度反而使热损失增大。只有在dc2/h时，增加保温层的厚度才时热损失减少。4.4传热过程计算换热器的传热计算包括设计型和校核型两类计算。无论那种类型的计

58、算，都是以热量衡算和总传热速率方程为基础。4.4.1能量衡算对于间壁式换热器做能量衡算，以小时为基准，由于系统中无外功加入，且一般的位能和动能相可以忽略，故实质上为焓衡算。假设换热器绝热良好，热损失可以忽略，则在单位时间内换热器中热流体放出的热量等于流体吸收的热量。其热量衡算式为：换热器的热负荷 下标1表示换热器的进口，下标2为换热器的出口若换热器中两流体均无相变，且流体的比热容不随温度变化或可取流体平均温度下的比热容是，热负荷计算为 若换热器中流体有相变，例如饱和蒸汽冷凝，且冷凝液在饱和温度下排出，则 若冷凝液温度低于饱和温度时，则为 4.4.2总传热速率微分方程和总传热系数1、总传热速率微分方程的微分形式 总传热速率微分方程（传热基本方程） K 为局部总传热系数，表示为单位传热面积，单位传热温差下的传热速率，反应了传热过程的强度。总传热系数必须和所选择的传热面积想对应，因此Ki、Km、Ko间的关系为 及 总传热系数K的数值取决于流体的物性、传热过程的操作条件及换热器的类型等当冷热流体通过间壁换热时，其传热是一个“对流传导对流”的串联过程。对于定态传热过程，总传热系数为 换热器在实际操作中，传热表面上常有污垢积存，对传热产生附加热阻，该热阻称为污垢热阻。设管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别用，根据热阻叠加原理有