1、,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,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(dòng)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,研究內(nèi)容,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(gè)

2、獨(dú)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：長度（厘米cm），質(zhì)量（克g），時(shí)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(shí)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(yàn)公式的單位換算,經(jīng)驗(yàn)公式是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理而成的，式中各符 號(hào)只代表物理量的數(shù)字部分，其單位必須采用

3、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(biāo)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(zhǔn)；,4、列出衡算式并求解。,二、能量衡算,機(jī)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。,注意：作熱量衡算時(shí)，由于焓是相對(duì)值，與溫 度基準(zhǔn)有關(guān)，故應(yīng)說明基準(zhǔn)溫度。習(xí)慣上選0 為基溫，并規(guī)定0時(shí)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(dòng)量傳遞過程（單相或多相流

4、動(dòng)）； (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(duì)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(duì)一些過程作出如實(shí)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(yàn)研究方法（經(jīng)驗(yàn)方法） 優(yōu)點(diǎn)、不足 (2)數(shù)學(xué)模型方法（半理論半經(jīng)驗(yàn)方法）

5、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(jì)上的特點(diǎn)，進(jìn)行“過程和設(shè)備”的選擇，以適應(yīng)指定物系的特征，經(jīng)濟(jì)而有效地滿足工藝要求 （2）如何進(jìn)行過程的計(jì)算和設(shè)備的設(shè)計(jì)。在缺乏數(shù)據(jù)的情況下，如何組織實(shí)驗(yàn)以取得必要的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。 （3）如何進(jìn)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(shí)如何尋找故障的緣由。 當(dāng)然，當(dāng)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(shí)，已有的單元操作發(fā)展的歷史將對(duì)如何根據(jù)一個(gè)物理或物理化學(xué)的原理發(fā)展一個(gè)有效的過程，如何調(diào)動(dòng)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(fēng)分離器,填料塔,

6、板式塔,第一章 流體流動(dòng),流體流動(dòng)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(gè)方面： （1）流動(dòng)阻力及流量計(jì)算 （2）流動(dòng)對(duì)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(dòng)時(shí)，若壓力與溫度變化不大時(shí)，則可認(rèn)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(yán)格說來，真實(shí)流體都是可壓縮流體,不可壓縮流體只是在研究流體流動(dòng)時(shí)，對(duì)于密度變化較小的真實(shí)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

7、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(dāng)作不可壓縮流體來處理。 當(dāng)氣體的壓力不太高，溫度又不太低時(shí)，可近似按理想氣體狀態(tài)方程來計(jì)算密度。由 計(jì)算 p - 氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，kPa或kN/m2； M - 氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol； T - 氣體的絕對(duì)溫度，K； R - 氣體常數(shù)，8.314 kJ/(kmol K)。,1.1.2 流體的靜壓強(qiáng),一. 靜壓強(qiáng) 流體垂直作用于單位面積上的力，稱為壓強(qiáng)，或稱為靜壓強(qiáng)。其表達(dá)式為 式中 p - 流體的靜壓強(qiáng)，Pa； FV- 垂直作用于流體表面上的力，N； A - 作用面的面積，

8、m2。,1.1.2 流體的靜壓強(qiáng),二. 靜壓強(qiáng)的單位 1按壓強(qiáng)的定義，壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng),三. 靜壓強(qiáng)的表示方法 絕對(duì)壓強(qiáng)（ata）：以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)； 表壓強(qiáng)（atg）：

9、以大氣壓強(qiáng)為基準(zhǔn)量得的壓強(qiáng)。 真空度 表壓強(qiáng)以大氣壓為起點(diǎn)計(jì)算，所以有正負(fù)，負(fù)表壓強(qiáng)就稱為真空度，其相互關(guān)系如下圖所示。 注意符號(hào): atm - 物理大氣壓； at - 工程大氣壓； ata - 絕對(duì)壓強(qiáng)； atg - 表壓強(qiáng)。,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(dāng)流體質(zhì)量一定時(shí)，其重力可認(rèn)為不變，而壓力會(huì)隨高度變化而變化。所以實(shí)質(zhì)上是描述靜止流體內(nèi)部壓強(qiáng)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(diǎn)討論： 1. 方程應(yīng)用條件：靜止，連續(xù)，同一

10、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(dāng)p0一定時(shí)，靜止流體中任一點(diǎn)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(dāng)表面壓強(qiáng)p0變化時(shí)，內(nèi)部壓強(qiáng)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(qiáng)單位的計(jì)量依據(jù)。 從公式可知，密度會(huì)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(qiáng)，壓強(qiáng)差，液面等方面的測量。 U型測壓管 、U型壓差計(jì) 、微差壓差計(jì) 、玻璃管液面計(jì)和液封高 度的確定均可以此計(jì)算。,1.2 流體在管內(nèi)的流動(dòng),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(dòng)，本節(jié)主要討論流體在管

11、內(nèi)流動(dòng)的規(guī)律，即討論流體在流動(dòng)過程中，流體所具有的位能、靜壓能和動(dòng)能是如何變化的規(guī)律。從而為解決流體流動(dòng)這一單元操作中出現(xiàn)的工程問題打下基礎(chǔ)。 流體流動(dòng)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(dòng)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(gè)非常重要的方程式，請大家注意。,1.2.1 流量,單位時(shí)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(jì)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(jì)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，

12、kg/m3。 注意，流量是一種瞬時(shí)的特性，不是一段時(shí)間的累計(jì)量。,1.2.2 流速,單位時(shí)間內(nèi)流體在流動(dòng)方向上所流經(jīng)的距離稱為流速。以u(píng)表示，其單位為m/s。 流體流過管路時(shí)，在管路任一截面上各點(diǎn)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(diǎn)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(gè)管截面上的平均流 速，即用流量相等的原則來計(jì)算平均流速。其表達(dá)式為： 式中 A - 與流動(dòng)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(qiáng)而變化，因而氣體

13、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(shí)間內(nèi)流體流過管路截面積的質(zhì)量，以G表示，其表達(dá)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(jìn)行計(jì)算，所以選擇的u越小，則d越大，那么對(duì)于相同的流量，所用的材料就越多，所以材料費(fèi)、檢修費(fèi)等基建費(fèi)也會(huì)相應(yīng)增加。相反，選擇的u越大，則d就越小，材料費(fèi)等費(fèi)用會(huì)減少，但由于流體在管路中流動(dòng)的阻力與u 成正比，所以阻力損失會(huì)增大，即操作費(fèi)用就會(huì)增加。所以應(yīng)綜合考慮，使兩項(xiàng)費(fèi)用之和最小。 通常流體

14、流動(dòng)允許壓強(qiáng)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(duì)于長距離與大流量輸送流體，d應(yīng)按前述的經(jīng)濟(jì)核算原則進(jìn)行選擇；而對(duì)于車間內(nèi)部，通常管道較短，也不太粗，這時(shí)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選擇d。 一般液體流速為0.53m/s，氣體為1030m/s，蒸汽為2050m/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(dòng)，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(jìn)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?yàn)閣s= uA，所

15、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(dòng)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(dòng)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

16、式： 1. 位能 相當(dāng)于質(zhì)量為m的流體自基準(zhǔn)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(dòng)能 質(zhì)量為m、流速為u的流體所具有的動(dòng)能為 動(dòng)能= 動(dòng)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(shí)，把該流體推進(jìn)此截面所流經(jīng)的距離為V1/A1，則流體帶進(jìn)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(jìn)入流體，它們是： （1）熱 單位質(zhì)量流體通過時(shí)吸

17、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(fù)。,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(biāo)1標(biāo)明，經(jīng)過截面2 - 2輸出的總能量用下標(biāo)2標(biāo)明，則對(duì)此流動(dòng)系統(tǒng)的總能量衡算為： 設(shè)單位質(zhì)量流體在流動(dòng)時(shí)因克服流動(dòng)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(dòng)時(shí)不產(chǎn)生流動(dòng)阻力，則流體的能量損失hf = 0，這種流體稱為理想流體。實(shí)際上這種流體并不存在。但這種設(shè)想可以使流

18、體流動(dòng)問題的處理變得簡單，對(duì)于理想流體流動(dòng)，又沒有外功加入，即hf =0，We = 0時(shí)，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(dòng)阻力,流體流動(dòng)中的作用力 （1）體積力（質(zhì)量力） 與流體的質(zhì)量成正比，對(duì)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(yùn)動(dòng)時(shí)受到的重力就是一種體積力，F(xiàn)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(qiáng)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/m

19、2）; 法向速度梯度，1/s。 根據(jù)牛頓粘性定律，對(duì)一定， ;， 流體流動(dòng)時(shí)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(dòng)性就越小。,1.3.1 牛頓粘性定律,流動(dòng)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(dòng)與之相鄰的速度慢的流體層向前運(yùn)動(dòng)的力，而同時(shí)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)粘度 SI制的單位為m2/s 粘度又稱為動(dòng)力粘度。,的變化規(guī)律,液體

20、：f（t），與壓強(qiáng)p無關(guān)，溫度t， 氣體：p40atm時(shí)f（t）與p無關(guān)，溫度t， 0，流體無粘性（理想流體，圖1-5，實(shí)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(dòng)規(guī)律，,1.3.2 流動(dòng)類型與雷諾數(shù),雷諾實(shí)驗(yàn) 流體流動(dòng)存在著兩種截然不同的流型。在前一種流型中，流體質(zhì)點(diǎn)作直線運(yùn)動(dòng)，即流體分層運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，同時(shí)還在各個(gè)方向作隨機(jī)的脈動(dòng)，正是這種混亂運(yùn)動(dòng)使著色線抖動(dòng)、彎曲以至斷裂沖散。這種流型稱為湍流或紊流。 不同的流型

21、對(duì)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(jì)上需事先判定流型。對(duì)管內(nèi)流動(dòng)而言，實(shí)驗(yàn)表明流動(dòng)的幾何尺寸（管徑d）、流動(dòng)的平均速度u以及流體性質(zhì)（密度和粘度）對(duì)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(gè)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(hào)Re表示。,1.3.2 流動(dòng)類型與雷諾數(shù),雷諾指出： （1）當(dāng)Re 2000時(shí)，必定出現(xiàn)層流，此為層流區(qū)； （2）當(dāng)2000 4000時(shí)，則微小的擾動(dòng)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(dòng)劃為三個(gè)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

22、能出現(xiàn)層流也可能出現(xiàn)湍流，需視外界擾動(dòng)而定。,流體在圓管內(nèi)的速度分布,理論分析和實(shí)驗(yàn)都已證明，層流時(shí)的速度沿管徑按拋物線規(guī)律分布，如圖所示，截面上各點(diǎn)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(shí)的速度分布目前還不能完全利用理論推導(dǎo)求得。經(jīng)實(shí)驗(yàn)方法得出湍流時(shí)圓管內(nèi)速度分布曲線如圖所示。此時(shí)速度分布曲線不再是嚴(yán)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(diǎn)速度的平均值u近似等于0.82umax。 即使湍流時(shí)，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(dòng)，這一流體薄層稱層流

23、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(dòng)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(duì)流動(dòng)有一定的阻力，消耗一定的機(jī)械能。直管造成的機(jī)械能損失稱為直管阻力損失，管件造成的機(jī)械能損失稱為局部阻力損失。在運(yùn)用柏努利方程時(shí)，先分別計(jì)算直管阻力與局部阻力損失的數(shù)值，然后進(jìn)行加和。,層流時(shí)直管阻力損失計(jì)算,流體在均勻直管中作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由柏努利方程可 知，流體的能量損失為： 對(duì)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(shí)的能

24、量損失可從理論 推導(dǎo)得出：,層流時(shí)直管阻力損失計(jì)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(jì)算的一般方程式： 上式即為層流直管阻力損失計(jì)算的公式。其中稱為摩擦系數(shù)，層流時(shí)= 64 / Re 。,令,則,湍流時(shí)直管阻力計(jì)算,而湍流時(shí)，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(shí)直管阻力損失計(jì)算公式不能用理論推導(dǎo)得到，要用實(shí)驗(yàn)方法得到。對(duì)均勻直管： 上式即為層流時(shí)直管阻力損失計(jì)算公式，對(duì)于湍流 其中/d稱為相對(duì)粗糙度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可表示為與Re和/d的關(guān)系如下圖所示。對(duì)光滑管及無嚴(yán)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(duì)粗糙度的關(guān)系,1

25、）摩擦系數(shù)與Re的關(guān)系,在圖上有四個(gè)不同的區(qū)域： （1）層流區(qū) Re2000, 與管壁粗糙度無關(guān),和Re準(zhǔn)數(shù)呈直線下降關(guān)系。其表達(dá)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(jì)，一般將湍流時(shí)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(gè)區(qū)的特點(diǎn)是與Re及/d都有關(guān)。當(dāng)/d一定時(shí)，隨Re的增大而減小，Re增至某一數(shù)值后值下降緩慢，當(dāng)Re一定時(shí)，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(dāng)l/d一定時(shí)，hf

26、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(duì)的影響,管壁粗糙面凸出部分的平均高度，稱絕對(duì)粗糙度，以表示。絕對(duì)粗糙度與管內(nèi)徑d之比值/d稱相對(duì)粗糙度。 層流時(shí)，流體層平行于管道軸線，流速較慢，對(duì)管壁凸出部分沒有什么碰撞作用，所以粗糙度對(duì)值無影響。 湍流時(shí)，若層流底層的厚度大于壁面的絕對(duì)粗糙度，則管壁粗糙度對(duì)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(dāng)管壁凸出處部分地暴露在層流底層之外的湍流區(qū)域時(shí)，流動(dòng)的流體沖過凸起處時(shí)會(huì)引起旋渦，使能量損失增大。在Re數(shù)一定時(shí)，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(huì)產(chǎn)生阻力

27、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(huì)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(jì)算有兩種近似的方法：阻力系數(shù)法及當(dāng)量長度法。,局部阻力損失的計(jì)算,一、阻力系數(shù)法 近似認(rèn)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(dāng)量長度法 近似認(rèn)為局部阻力損失可以相當(dāng)于某個(gè)長度的直管的損失，即 ： 式中l(wèi)e為管件及閥件的當(dāng)量長度，由實(shí)驗(yàn)測得。 必須注意，對(duì)于擴(kuò)大和縮小，以上兩式中的u是用小管截面的平均速度。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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

28、為主。,第二章 流體輸送機(jī)械,一、制藥生產(chǎn)過程中為什么要流體輸送機(jī)械？ 化工生產(chǎn)中大都是連續(xù)流動(dòng)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(dá)到這些目的，必須對(duì)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(jī)械。,二、為什么要用不同結(jié)構(gòu)和特性的輸送機(jī)械？,這是因?yàn)榛S中輸送的流體種類繁多： 1、流體種類有強(qiáng)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(qiáng)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

29、輸送機(jī)械。 三、化工流體輸送機(jī)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(dòng)力作用式。這四種類型機(jī)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(duì)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(shí)，葉輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，迫使葉片間的液體也隨之作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)因離心力的作用，使液體由葉輪中心向外緣作徑向運(yùn)動(dòng)。液體在流經(jīng)葉輪的運(yùn)動(dòng)過程中獲得能量，并以高速離開葉輪外緣進(jìn)入蝸形泵殼。在泵殼內(nèi)，由于流道的逐

30、漸擴(kuò)大而減速，又將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，達(dá)到較高的壓強(qiáng)，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(shí)，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(fù)壓）的壓差作用下，液體經(jīng)吸入管路進(jìn)入泵內(nèi)，只要葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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

31、動(dòng)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(dòng)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(dòng)前灌入的液體從泵內(nèi)漏失。濾網(wǎng)防止固體物質(zhì)進(jìn)入泵內(nèi)?？拷贸隹谔幍膲撼龉艿郎涎b有調(diào)節(jié)閥，供調(diào)節(jié)流量時(shí)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(dāng)葉片幾何尺寸（b，）與流量一定時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于存在

32、種種損失，使泵的實(shí)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(shí)際流量，m3/s； 液體密度，kg/ m3； Ne泵的有效功率，即單位時(shí)間內(nèi)液體從泵處獲得的機(jī)械能，W。 有效功率可寫成 Ne = QHg 由電機(jī)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(jī)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

33、定量關(guān)系由實(shí)驗(yàn)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(shí)軸功率最小。所以離心泵 啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)關(guān)閉泵的出口閥門，使啟動(dòng)電流減小，保護(hù)電機(jī)； （3）隨著流量Q的增大，泵的效率也隨之上升，并達(dá)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(diǎn)，稱為設(shè)計(jì)點(diǎn)。與最高效率點(diǎn)對(duì)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

34、在最佳工況點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此一般只能規(guī)定一個(gè)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(duì)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(dāng)轉(zhuǎn)速由n1改變?yōu)閚2時(shí)，與流量、壓頭及功率的近似關(guān)系為： 當(dāng)轉(zhuǎn)速變化小于20%時(shí)，可認(rèn)為效率不變，用上式計(jì)算誤差不大。 當(dāng)葉輪直徑變化不大，轉(zhuǎn)速不變時(shí)，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(duì)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(huì)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

35、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(diǎn)與流量調(diào)節(jié),一、工作點(diǎn) 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(shí)，其實(shí)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(shí)考慮到管路的特性。 在特定管路中輸送液體時(shí)，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(biāo)紙上即為相應(yīng)管路特性曲線。,離心泵的工作點(diǎn)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(biāo)紙上，如上圖所示，此兩線交點(diǎn)M稱為泵的工作點(diǎn)。選泵時(shí)，要求工作點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的流量和壓頭

36、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(diǎn)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(shí)質(zhì)是改變管路特性曲線。如圖所示，當(dāng)閥門關(guān)小時(shí)，管路的局部阻力加大，管路特性曲線變陡，工作點(diǎn)由M移至M1，流量由QM減小到QM1。當(dāng)閥門開大時(shí)，管路阻力減小，管路特性曲線變得平坦一些，工作點(diǎn)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(diǎn)。所以應(yīng)用十分廣泛。缺點(diǎn)是閥門關(guān)小時(shí)，阻力損失加大，能量消耗增多，不很經(jīng)濟(jì)。,離心泵的工作點(diǎn)與流量調(diào)節(jié),2）改變泵的轉(zhuǎn)速 改變泵的轉(zhuǎn)速實(shí)質(zhì)上

37、是改變泵的特性曲線。泵原來轉(zhuǎn)速為n，工作點(diǎn)為M，如下圖所示，若把泵的轉(zhuǎn)速提高到n1，泵的特性曲線 HQ往上移，工作點(diǎn)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(diǎn)移至M2，流量降至QM2。 這種調(diào)節(jié)方法需要變速裝置或價(jià)格昂貴的變速原動(dòng)機(jī)，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(jìn)口附近截面11之間無外加能量，液體靠壓強(qiáng)差流動(dòng)。因此，提高泵的安裝位置，葉輪進(jìn)口處的壓強(qiáng)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(shí)際上，泵中壓強(qiáng)最低處位于葉輪內(nèi)緣葉片的背面，當(dāng)泵的安裝位置高至一定距離，首

38、先在該處發(fā)生汽化并產(chǎn)生汽泡。含汽泡的液體進(jìn)入葉輪后，因壓強(qiáng)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(dòng)。尤其是當(dāng)汽泡的凝聚發(fā)生在葉片表面附近時(shí)，眾多液體質(zhì)點(diǎn)猶如細(xì)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(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)，將會(huì)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(yùn)轉(zhuǎn)，泵體振動(dòng)并發(fā)出噪音，流量、揚(yáng)程和效率都明顯下降，嚴(yán)重時(shí)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(qiáng)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(biāo)對(duì)泵的安裝高度加以限制，以免

39、發(fā)生汽蝕，現(xiàn)將這兩種指標(biāo)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(dá)到的最高真空度，其表達(dá)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(qiáng)，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(jìn)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(jì)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，

40、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(shí)給出的Hs是在介質(zhì)為清水，20，大氣壓為10mH2O時(shí)的值。若使用介質(zhì)條件變化，要對(duì)Hs作適當(dāng)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(dòng)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?yàn)?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(qiáng)，若液位槽為敞口，則p0 = pa。 應(yīng)當(dāng)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(dāng)輸送其

41、他液體時(shí)，需進(jìn)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(huì)用到其它一些種類的泵，包括往復(fù)泵、計(jì)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(duì)泵提出的流量、壓頭要求，確定泵的型號(hào)。,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(hào)的泵都有其最佳的工作范圍，有時(shí)會(huì)有幾種型號(hào)的泵同時(shí)在最佳工作范圍內(nèi)滿足流量Q及

42、壓頭H的要求，這時(shí)可分別確定各泵的工作點(diǎn)，比較各泵在工作點(diǎn)的效率。一般總是選擇其中效率最高的一種，但同時(shí)也應(yīng)考慮泵的價(jià)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(yùn)動(dòng)，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(dòng)使空間擴(kuò)大而形成的。往復(fù)泵在開動(dòng)之前，

43、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(duì)往復(fù)泵此法卻不能采用。因?yàn)橥鶑?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(huì)造成危險(xiǎn)。一旦出口閥完全關(guān)閉，泵缸內(nèi)的壓強(qiáng)將會(huì)急劇上升，導(dǎo)致機(jī)件破損或電機(jī)燒毀，根據(jù)往復(fù)泵的特點(diǎn)，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(jìn)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(dá)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(jì)，只適用于變化幅度較小的經(jīng)常性調(diào)節(jié)。,

44、（2）改變原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)活塞往復(fù)次數(shù) 改變原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和活塞的行程，可以改變泵的流量。因電動(dòng)機(jī)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(dòng)比可以方便地改變轉(zhuǎn)速，達(dá)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(jì)方法。 此外，對(duì)輸送易燃、易爆液體的蒸汽推動(dòng)往復(fù)泵，可改變蒸汽進(jìn)入量使活塞往復(fù)次數(shù)改變，從而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)。,2-3 氣體輸送機(jī)械,氣體輸送機(jī)械的結(jié)構(gòu)和原理與液體輸送機(jī)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(diǎn)。 氣體輸送機(jī)械根據(jù)它所能產(chǎn)生的進(jìn)、出口壓強(qiáng)差或壓強(qiáng)比（稱為壓縮比）進(jìn)行如下分類

45、： 1）通風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)不大于1.47104Pa（表壓），壓縮比為 11.15； 2）鼓風(fēng)機(jī)：出口壓強(qiáng)為（1.4729.4）104Pa（表壓），壓縮比小于4； （3）壓縮機(jī)：出口壓強(qiáng)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(jī)械按其機(jī)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(jī)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。

46、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(jī)械方法將兩相進(jìn)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(jià)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(jī)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(huì)影響催化劑活性的雜質(zhì)，因此，在氣體進(jìn)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(hù)和安

47、全生產(chǎn) 為了保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境，要求排放的廢氣或廢液濃度達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)；很多含碳物質(zhì)及金屬細(xì)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(shí)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(shí)，受到慣性離心力、向心力和阻力的 作用，當(dāng)三力達(dá)到平衡時(shí)，顆粒在徑向相對(duì)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),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(jì)算公式中將重力沉降速度計(jì)算公式

48、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(qiáng)度與重力場強(qiáng) 度之比。分離因數(shù)是離心分離設(shè)備的重要性能指標(biāo)。,3.2.1 離心分離設(shè)備,3.3 流體通過顆粒床層的流動(dòng),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

49、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(dòng),3.3.2 過濾及過濾基本方程 一、概述 過濾操作如圖所示。 實(shí)現(xiàn)過濾操作的外力可以是重力、 壓強(qiáng)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(jìn)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(dāng)濾餅兩側(cè)的壓強(qiáng)

50、差增大時(shí)，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(dòng)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(shí)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(shí)間，s； A過濾面積，m2。,3.3.3 過濾設(shè)備,1板框壓濾機(jī),3.3.3 過濾設(shè)備,2葉濾機(jī),3.3.3 過濾設(shè)備,3回轉(zhuǎn)真空過濾機(jī),3.3.4 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力,過濾機(jī)的生產(chǎn)能力通常是指單位時(shí)間獲得的濾液體積。 1

51、間歇過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 間歇過濾機(jī)的整個(gè)操作周期T為 T=+W+D 式中 一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)的過濾時(shí)間，s； W 一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)的洗滌時(shí)間，s； D 一個(gè)操作循環(huán)內(nèi)輔助操作所需時(shí)間，s。 生產(chǎn)能力Q的計(jì)算式為 （3-42）,3.3.4 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力,2.連續(xù)過濾機(jī)的生產(chǎn)能力 以轉(zhuǎn)筒真空過濾機(jī)為例。轉(zhuǎn)筒表面浸入濾漿中的分?jǐn)?shù)為浸沒度： （3-43） 轉(zhuǎn)筒回轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間T，在此周期內(nèi)過濾時(shí)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）,3.3.4 過濾機(jī)的生產(chǎn)能力,生產(chǎn)能力為 （3-46） 當(dāng)濾布阻力可以忽略時(shí)，e=0、Ve=0，則上式簡化為

52、（3-46a）,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(duì)傳熱的要求通常有以下兩種情況：一種是強(qiáng)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(xí)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(qiáng)化或削弱熱量的傳遞，正確地計(jì)算和選擇適宜的傳熱設(shè)備

53、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(dòng)力是溫度差，其極限是溫度平衡. 根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱的傳遞有三種基本方式：導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱。 1.導(dǎo)熱（熱傳導(dǎo)）：因?yàn)榉肿拥奈⒂^振動(dòng)，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(jìn)行的熱量傳遞過程稱為導(dǎo)熱，也稱為熱傳導(dǎo)。 2.對(duì)流傳熱（熱對(duì)流）: 對(duì)流傳熱是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱交換。對(duì)流傳熱僅僅發(fā)生在流體中。但要注意，在對(duì)流傳熱時(shí)，必然伴隨著流體質(zhì)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)。若將兩者合并處理時(shí)，一般也稱為對(duì)流

54、傳熱，也可稱為熱對(duì)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(shí)間內(nèi)在整個(gè)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) qQ/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(shí),其傳熱速率與溫度梯度

55、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(gè)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(yùn)動(dòng)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(dāng)導(dǎo)熱面積S =1m2,溫度梯度為1k/m時(shí),單位時(shí)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(duì)于大多數(shù)均質(zhì)固體，其值與溫度大致呈線性關(guān)系：0（1at） 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(dāng)溫度變化范圍不大時(shí)，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

56、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(dāng)大壓強(qiáng)范圍內(nèi)，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)與壓強(qiáng)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?yàn)槠淇障吨杏袣怏w，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/

57、R,4.2 熱傳導(dǎo),(2)三層 如圖4-7所示 Q1S(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(dòng)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) Q2L(t1-t2)/ln(r2/r1) 或Q(t1-t2)Sm/b 其中br2-r1,Sm2rmL,rm(r2-r1)/ln(r2/r1) 當(dāng)r2/r12時(shí),rm(r2r1)/2,4.3 對(duì)流傳熱,一.對(duì)流傳熱的概念和傳熱速率方程 .對(duì)流傳熱 假設(shè)對(duì)流傳熱過程是在厚度為t的有效膜內(nèi)進(jìn)

58、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。 QSt/t Q1S（T1-Tw）或QS（t-t） 對(duì)流傳熱膜系數(shù) t流體和壁的溫差,4.3 對(duì)流傳熱,2. 對(duì)流傳熱系數(shù) 的物理意義:單位時(shí)間內(nèi)當(dāng)壁面與流體主體的溫度差為1K時(shí),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(yùn)動(dòng)狀態(tài)依Re劃分 .對(duì)流狀況 自然對(duì)流、強(qiáng)制對(duì)流 .傳熱壁的形狀、大小及安裝位置,4.3 對(duì)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(shí)驗(yàn)測得 四.對(duì)流傳熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式 .管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流 1)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流 2)流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制層流 一般在換熱器等設(shè)備中，為了提高，多呈湍流流動(dòng) .管外強(qiáng)制對(duì)流 1)流體垂直于管束流動(dòng); 2)流體在換熱器管間流動(dòng),4.3