化工原理学习辅导

化工原理学习辅导

高智、武朝军、简丽、张前程、高俊

内蒙古工业大学化工学院

2006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、第二章由高智编写，第三章、第八章由高俊编写，第四章、第五章由武朝军编写，第六章、第七章由简丽编写，第九章、第十章由张前程编写。

本《辅导材料》适用于化工工艺、生物工程、制药工程、过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

2006年4月

目 录

第一章 流体流动 .........................................................................................................................1

1.1 基本概念 ........................................................................................................................1

1.2 主要公式及分析讨论 ......................................................................................................2 1.3 典型例题 ........................................................................................................................5 第二章 流体输送机械 ..................................................................................................................7

2.1 基本概念 ........................................................................................................................7

2.2 主要公式及分析讨论 ......................................................................................................9

2.2.1 液体输送机械 .......................................................................................................9 2.2.2 气体输送机械 ..................................................................................................... 11

2.3 典型例题 ...................................................................................................................... 11 第三章 非均相物系的分离 ......................................................................................................... 12

3.1 基本概念 ...................................................................................................................... 12 3.2 主要内容和计算公式 .................................................................................................... 12

3.2.1 重力沉降 ............................................................................................................ 12 3.2.2 离心沉降 ............................................................................................................ 13

3.2.3 过滤 ................................................................................................................... 14 3.3 例题 ............................................................................................................................. 16 第四章 传热 .............................................................................................................................. 17

4.1传热过程概述.................................................................................................................. 17 4.2热传导 ............................................................................................................................ 17

4.2.1基本概念和傅立叶定律 .......................................................................................... 17 4.2.2导热系数 ............................................................................................................... 18 4.2.3平壁的定态热传导 ................................................................................................. 18 4.2.4圆筒壁的定态热传导 ............................................................................................. 18 4.3对流传热......................................................................................................................... 19

4.3.1对流传热速率方程和对流传热系数 ........................................................................ 19 4.3.2对流传热机理 ........................................................................................................ 19 4.3.3保温层的临界直径 ................................................................................................. 19 4.4传热过程计算.................................................................................................................. 19

4.4.1能量衡算 ............................................................................................................... 19 4.4.2总传热速率微分方程和总传热系数 ........................................................................ 20 4.4.3对数平均温度差法 ................................................................................................. 21 4.4.4传热单元数法 ........................................................................................................ 21 4.5对流传热系数关联式 ....................................................................................................... 22

4.5.1影响对流传热系数的因素 ...................................................................................... 22 4.5.2对流传热过程的因次分析 ...................................................................................... 22 4.5.3流体无相变的对流传热系数 ................................................................................... 22 4.5.4流体有相变的对流传热系数 ................................................................................... 22 4.6辐射传热......................................................................................................................... 23

4.6.1基本概念和定律 .................................................................................................... 23

4.6.2两固体间的辐射传热 ............................................................................................. 24

4.6.3对流和辐射联合传热 ............................................................................................. 24 4.7间壁换热器 ..................................................................................................................... 24

4.7.1换热器的的结构形式 ............................................................................................. 24 4.7.2换热器传热过程的强化 .......................................................................................... 24 4.7.3管壳式换热器的设计和选型(略) ............................................................................. 24

4.8 例题 ............................................................................................................................. 24 第五章 蒸发 .............................................................................................................................. 25

5.1蒸发过程概述与蒸发设备 ................................................................................................ 25

5.1.1基本概念 ............................................................................................................... 25

5.1.2蒸发设备 ............................................................................................................... 25 5.2单效蒸发......................................................................................................................... 26

5.2.1物料蘅算 ............................................................................................................... 26

5.2.2热量蘅算 ............................................................................................................... 26 5.2.3传热速率方程 ........................................................................................................ 26 5.2.4蒸发器的总传热系数 ............................................................................................. 27 5.2.5蒸发器的生产能力和蒸发强度 ............................................................................... 27 5.3多效蒸发......................................................................................................................... 28

5.3.1多效蒸发流程 ........................................................................................................ 28

5.3.2多效蒸发与单效蒸发的比较 ................................................................................... 28 5.3.3多效蒸发中的效数限制及最佳效数 ........................................................................ 28

5.3.4提高加热蒸汽经济性的其他措施 ............................................................................ 28 5.4例题................................................................................................................................ 29 第六章 蒸馏 .............................................................................................................................. 30

6.1要求................................................................................................................................ 30

6.1.1掌握的内容 ........................................................................................................... 30

6.1.2熟悉的内容 ........................................................................................................... 30 6.1.3了解的内容 ........................................................................................................... 30 6.2 本章内容........................................................................................................................ 30 6.3 重要的公式及概念.......................................................................................................... 31

6.3.1 双组分溶液的汽液相平衡关系中涉及的主要概念及公式 ........................................ 31 6.3.2双组分精馏塔的计算涉及的主要概念及公式 .......................................................... 31 6.4 典型例题........................................................................................................................ 32 第七章 吸收................................................................................................................................ 33

7.1要求................................................................................................................................ 33

7.1.1掌握的内容 ........................................................................................................... 33 7.1.2 熟悉的内容........................................................................................................... 33 7.1.3 了解的内容........................................................................................................... 33 7.2 本章内容........................................................................................................................ 33 7.3 重要的公式及概念.......................................................................................................... 34

7.3.1 气液相平衡关系中涉及的主要概念及公式 ............................................................. 34

2.3.2 吸收过程机理的概念及公式 .................................................................................. 34 7.4 典型例题........................................................................................................................ 36 第八章 塔设备 .......................................................................................................................... 37

8.1 基本概念 ...................................................................................................................... 37

8.1.1 板式塔 ................................................................................................................ 37 8.1.2 填料塔 ................................................................................................................ 38 8.2 基本内容和计算公式（见教材） ................................................................................... 38 8.3 填料塔与板式塔的比较 ................................................................................................. 38 第九章 萃取 .............................................................................................................................. 40

9.1要求................................................................................................................................ 40

9.1.1掌握的内容 ........................................................................................................... 40

9.1.2熟悉的内容 ........................................................................................................... 40 9.1.3了解的内容 ........................................................................................................... 40 9.2 本章内容........................................................................................................................ 40 9.3 重要的公式及概念.......................................................................................................... 40 9.4 典型例题........................................................................................................................ 42 第十章 干 燥 .......................................................................................................................... 43

10.1要求 .............................................................................................................................. 43

10.1.1掌握的内容.......................................................................................................... 43 10.1.2熟悉的内容.......................................................................................................... 43 10.1.3了解的内容.......................................................................................................... 43 10.2 本章内容 ...................................................................................................................... 43 10.3 重要的公式及概念 ........................................................................................................ 43 10.4 典型例题 ...................................................................................................................... 44 附 录 ........................................................................................................................................ 45

1. 内蒙古工业大学《化工原理A(一)》课程考试大纲 ........................................................... 45 2.内蒙古工业大学《化工原理A(二)》课程考试大纲 ............................................................. 45

3.内蒙古工业大学《化工原理B(一)》课程考试大纲 ............................................................. 46 4.内蒙古工业大学《化工原理B(二)》课程考试大纲 ............................................................. 47 参考文献 ..................................................................................................................................... 48

(1)流量流量：

单动泵：QT?ASnr

双动泵：QT?(2A?a)Snr(2)实际流量：Q??VQT 2.2.2 气体输送机械

1. 离心通风机风压的计算公式

HT?(p2?p1)??ub22

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′换算为实验条件下风压HＴ：

HT?HT'??'?HT'1.2?'

2.离心通风机轴功率的计算公式 N?HTQ1000?kW

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20～40m3/h，若水温为20℃，e/d＝0.001。

(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?

11

第三章 非均相物系的分离

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：

ut?4d(?s??)g3??

其中阻力系数 ??f(?s,Ret)，?—颗粒的形状系数；Ret?诺数。

对于球形颗粒，当相对运动处于层流区时，0.0001＜ Ret ＜1，??dut??，颗粒与流体相对运动的雷

24Ret，可用Stokes 公式计算：

ut?d(?s??)g18?2

当相对运动处于过渡区时，1＜ Ret ＜1000，??18.5Re?0.6t，可用Allen 公式计算：

ut?d(?s??)gRe0.6t?

当相对运动处于湍流区时，1000＜ Ret ＜200000，?=0.44，可用Newton 公式计算：

d(?s??)g ut?1.74?

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，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：

12

令 Ar?d(?s??)?g3?2 ， 为与颗粒、流体物性有关的无因次数群。

层流时，Ret?dut??dut?=Ar?d(?s??)?g18?23＜1，因而 Ar＜18

湍流时，Ret??=1.74Ar?d(?s??)?g3?2＞1000，因而Ar＞330000

所以，重力沉降速度的计算为：当Ar＜18时，可直接用Stokes 公式计算；当18＜Ar＜330000时，可直接用Allen 公式计算；当Ar＞330000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：

Vs≤bLut

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40～100mm）。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50μm的粗粒，作为预除尘使用。

（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1．143次方成正比；在湍流区，重力沉降速度与颗粒直径的0．5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/d＜100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：

13

（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；

uTR2（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=

uruT?u2TgR

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，一般可分离出直径大于5μm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 = KA2θ

或者： （V +Ve）2 = KA2（θ+θe）

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，θe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=2k△p1-s，k=（μr‘υ）-1，表示与物料特性及其压强差有关的常数。Ve、 K、θe统称为过滤常数，通过实验测定，三者关系为：Ve = KAθe。 当过滤介质阻力可以忽略不计时，恒压过滤方程式简化为：V2 = KA2θ；

2

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）=K（θ+θe）。 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、θe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 = KA2θ改写为：

2

2

?q?1Kq?2Kqe

只要在恒压条件下测定得到一系列不同过滤时间θ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θe。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K—△P数据进行处理。其方法是对K=2k△p取对数得：lgK=（1—s）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

14

1-s

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）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θw，它与洗涤速率(关： θw =Vw/ (dVd?)w

dVd?)w有

过滤机的过滤终了时的过滤速率可表示 ：(dVd?)E?KA22(V?Ve)

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 =

3600V???W??D

（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 ??的滤液量为 V=

Q=60nV=60[

KA(???e)?Ve，所以生产能力的计算（以滤液量表示）为： KA(60?n??en)—nVe]

22260n?，对应得到

5、影响过滤过程的因素

根据恒压过滤方程式为（V +Ve）2 = KA2（θ+θe）可知，影响过滤过程的因素为过滤面积A；过滤常数Ve、 K、θe，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。

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?m?E?mR?mM?z??mE?MR?xA?zA?mEyA?mRxA?mMA?mRMEzA?yA同理可推出mEAm?MRMRE?xA?zxA?yA同理可推出mR?MEm?zA?yAMRExA?yA

2 单级萃取过程在相图中的表达及计算

对原料的物料衡算F?S?M?Fx??xFxF?SySF?SyS?MxM?M?F?SB、S部分互溶物系：

?杠杆规则：?MR?E?MRE??R?M?ER?E?M??x对产物的物料衡算：Rx???E?MM?xRyR?EyE?MxM??E?xR??R?M?E A 最小萃取剂用量的计算利用杠杆规则：SminF?GFF?xGGS?xxG?yS利用 物料衡算：F?Smin?G?FxF?SminyS?Gx?G?最大萃取剂用量的计算F G 利用杠杆规则：SmaxF?xHF?HFHS?xxH?yS 或利用物料衡算：F?Smax?H?FxF?SmaxyS?Hx? M HH?B S B、S不互溶物系

单级萃取物料衡算BXF?SYS?BXR?SYE单级萃取操作线方程YBE??S?XR?XF??YSB?F(1?xF)F?B(1?XF)?YB?i?1?SX??YBi??1?XF?

S?41

相平衡关系：YE?f?XR? 9.4 典型例题

[9-1]用纯溶剂Ｓ对Ａ、Ｂ混合液进行单级（理论）萃取，当萃取剂用量增加时（进料量和组成均保持不变）所获得的萃取液中溶质的含量是＿＿＿＿① 增加；② 减少；③ 不变；④ 不一定。 [9-2]单级（理论）萃取中，在维持进料组成和萃取相浓度不变的条件下，若用含有少量溶质的萃取剂代替纯溶剂，则所得萃余相浓度将＿＿＿＿① 增加；② 减少；③ 不变；④ 不一定。

[9-3]单级萃取操作中，在维持相同萃余相浓度条件下，用含有少量溶质的萃取剂Ｓ' 代替纯溶剂Ｓ，则萃取相的量与萃余相的量之比将＿＿＿＿＿① 增加；② 不变；③ 降低，萃取液的浓度（指溶质）将＿＿＿＿① 增加；② 不变；③ 降低。 [9-4]在多级逆流萃取中，欲达到同样的分离程度，溶剂比愈大则所需理论级数愈______，操作点 Δ 愈__________ S点。当溶剂比为最小值时，理论级数为__________，此时必有一条__________线与__________线重合。

[9-5]请简述萃取操作的依据及萃取操作中选择溶剂主要原则。 [9-6]用三氯乙烷从含丙酮35%（质量分率，下同）的丙酮水溶液中萃取丙酮，原料液的流量为1000 kg/h，要求最终萃余相中丙酮的组成不大于5%。操作条件下的平恒关系可写为：Y=1.71X，求：萃取剂的最小用量Smin；若萃取剂用量为最小用量的1.3倍，求萃取操作线的斜率B/S。

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第十章 干 燥

10.1要求

10.1.1掌握的内容

１. ２. ３. ４.

湿空气的性质及计算；

湿空气温度图的构造及应用；

干燥过程的物料衡算及热量衡算；

干燥速率及恒定干燥条件下干燥时间计算；

５. 平衡水分和自由水分，结合水分和非结合水分。 10.1.2熟悉的内容

１. 固体物料的干燥机理；

2. 各种干燥方法的基本原理及特点。 10.1.3了解的内容

１. 工业上常用干燥器的性能和应用； ２. 干燥器的选择原则。 10.2 本章内容 一、概述

二、湿空气的性质及湿度图

湿空气的性质：分压、干球温度、湿含量、相对湿度、露点、湿容积、湿热、湿球温度、绝热饱和温度。

湿空气的湿度图。 湿度图的应用。

三、干燥过程的物料衡算和热量衡算 空气干燥器的物料衡算。 空气干燥器的热量衡算。

干燥器出口空气状态的确定。 四、干燥速率和干燥时间

物料中所含水分的性质。 干燥机理。

恒定干燥条件下的干燥速率。 干燥曲线和干燥速率曲线。 五、干燥器

干燥器的性能要求及选型原则。

常用工业干燥器简介 ：厢式、滚筒、气流流化床、喷雾干燥器。 10.3 重要的公式及概念

M水p水汽p水汽绝对湿度H???0.622M气p?p水汽p?p水汽?0.622?psp??ps相对湿度??p水汽ps?3比容vH?(2.83?10?4.56?10?3H)(t?273)焓I?(1.01?1.88H)t?2490H

43

湿基含水量干基含水量W?X?G?GCGG?GCGC绝干物料量水分蒸发量GC?G1(1?W1)?G2(1?W2)W?GC(X1?X2)?L(H2?H1)绝干空气消耗量原湿空气消耗量预热器热负荷L?WH2?H1L0?L（1?H0）Qp?L(I1?I0)10.4 典型例题

[10-1] 不饱和湿空气，干球温度__________湿球温度，露点_______湿球温度，干燥操作中，干燥介质（湿空气）经预热后湿度_________，温度_______。当物料在恒定干燥条件下用空气进行恒速对流干燥时，物料的表面温度等于_________温度。

[10-2] 物料的平衡水份分必定是____________，而_____________肯定是自由水份，一般来说，恒速干燥阶段汽化的水份为_______________，当物料的含水量降至__________，便转入降速阶段。

[10-3]请简述对流干燥过程中使用废气循环的意义。

[10-4]某湿物料，在气流干燥器内进行干燥，湿物料的处理量为0.5kg/s，湿物料的含水量为5%，干燥后物料的含水量不高于1%（均为湿基）。空气的初始温度为20℃，湿含量为0.005 kg水/kg绝干气，若将气体预热至150℃进入干燥器，在干燥器内经历等焓干燥过程，当气体出口温度为70℃时，求：水份蒸发量 kg/s；离开干燥器时空气的湿含量 kg水/kg绝干气；绝干空气消耗量kg/s；预热器所需提供的热量 kJ/s。

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附 录

1. 内蒙古工业大学《化工原理A(一)》课程考试大纲

一、课程简介

化学工程与工艺、制药工程专业《化工原理》课程考试大纲以教学大纲为依据，着重考察学生掌握化工单元操作过程的基本概念、基本原理的熟练程度和综合运用基本原理进行具体单元操作过程的计算能力。

二、课程考试内容及所占比重

1、流体流动 25％～31%

流体流动的基本概念，流体的物理性质，流体静力学基本方程式、连续性方程式、柏努利方程式、管路阻力计算方程式及其应用，流体流动规律在管路计算、流量测量中的具体应用。

2、流体输送机械 9％～11％

流体输送机械的作用，基本构造，工作原理，主要性能，特点，选型计算及其使用。

3、非均相物系的机械分离 23％～29％

固体颗粒及颗粒床层的特性，重力沉降的计算及设备，过滤的基本概念、恒压过滤过程的计算、过滤设备，离心沉降的基本概念、计算及其离心沉降和离心过滤设备。

4、传热 23％～29%

三种基本传热方式的特点、传热过程的计算、影响传热过程的因素，列管式换热器的类型、结构和选用计算，总传热速率方程式的应用，传热过程的强化途径，传热单元数法。

5、蒸发 9％～11％

蒸发过程的特点，单效蒸发过程的计算，典型蒸发器的结构、特点及其应用，多效蒸发的流程、特点；了解多效蒸发过程的计算，单效蒸发和多效蒸发的比较。

三、试题类型及所占比例

满分100分，其中选择题占15～25%，填空题占15～25%，计算题占50～70%。 四、考试方式 闭卷。

五、成绩评定方式 成绩=aA+bB+cC+dD,

1、其中A为平时成绩；B为实验成绩；C为卷面成绩；a为平时成绩所占比例，10%；b为实验成绩所占比例，10％；c为卷面成绩所占比例，80％。

2、补考成绩评定：卷面成绩即为总成绩。

2.内蒙古工业大学《化工原理A(二)》课程考试大纲

一、课程简介

化学工程与工艺、制药工程专业《化工原理》课程考试大纲以教学大纲为依据，着重考察学生掌握化工单元操作过程的基本概念、基本原理的熟练程度和综合运用基本原理进行具体单元操作过程的计算能力。

二、课程考试内容及所占比重

1、蒸馏 25％～31%

精馏原理、恒摩尔流假设、理论板的概念，物料衡算和操作线方程，进料热状况、回流比的影响及其选择，图解法、逐板计算法求解理论板层数的计算，塔板效率、塔高和塔径的计算，连续精馏装置的热量衡算。进料热状况参数及其影响，最小回流比的概念和计算，精馏过程的操作型计算和调节。

2、吸收 23％～29％

气液平衡关系及应用，总吸收系数，总吸收速率方程式，双膜理论，吸收塔填料层高度的计算，吸收剂用量的计算。物质传递机理，最小吸收剂用量的概念和计算，吸收系数的准数关联式。

3、气液分离设备 9％～11％

45

3.3 例题

[3-1] 密度为2650kg/m、颗粒直径为80μm的粒子在20℃水中进行自由沉降，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70μm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2．7m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θD，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45m/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=2.5×10m/s，qe=0.0036m/m,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。

-5

2

3

2

3

3

16

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： t?f（x）

?t???0

?t?y??t?z?0

（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Δt与其垂直距离Δn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

17

gradt?lim??t?n?n?0?dtdn

?t?n温度梯度

?t?n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 4.2.2导热系数

定义式 ???dQ/dS?t/?n

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： Q??Sb?t1?t2???tR

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：

Q?t1?t2b??tR?热传导推动力热传导热阻?过程传递速率

?S2、多层平壁热传导

假设：各表面温度分别为t1、t2、t3、t4…..，且t1＞t2＞t3＞t4＞……，则通过各层平壁壁面的传热速率必相等，即Q1=Q2=Q3=Q4=……=Q Q?t1?tn?1bi

??iS4.2.4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 Q?2??L?t1?t2?ln?r2/r1???Smt1?t2r2?r1

其中 Sm?2?r2?r1ln?r2/r1?L?2?rmL rm?r2?r1lnr2r1

多层圆筒壁热传导 Q?t1?tn?1n??i?1bii?t1?tn?1nSmi?i?112?L?I

lnri?1ri

18

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

Q?hS?t??t1/hS

2、对流传热系数

h?QS?t2

对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位

为W/（m℃），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 dc?2?/h

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dc＞2λ/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 Q?Wh?Ih1?Ih2??Wc?Ic2?Ic1?

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

19

Q?Whcph?T1?T2??Wccpc?t2?t1?

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 Q?Whr?Wccpc?t2?t1?

若冷凝液温度低于饱和温度时，则为 Q?Wh?r?cpc?Ts?T2???Wccpc?t2?t1? 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） dQ?K?T?t?dS?K?tdS

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

dQ?Ki?T?t?dSi?Ko?T?t?dSo?Km?T?t?dSm

Ki、Km、Ko间的关系为 KoKi?dSidSo?dido 及

KoKm?dSmdSO?dmdo

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

1Ko?dohidi?bdo?1ho?dm

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

1Ko?dohidi?Rsidodi?bdo?Rso?1ho?dm

3、提高总传热系数途径的分析

若传热面为平壁或薄管壁，和相等或相近，则总传热系数式简化为 1Ko1Ko?1hi1hi?Rsi?b??Rso?1ho

??1ho

若 hi??ho，则

1K?1ho ，称为管壁外侧对流传热控制，此时欲提高K值，关键在于提高管壁外侧

20

的对流传热系数；若 ho??hi，则

1K?1hi ，称为管壁内侧对流传热控制，此时欲提高K值，

关键在于提高管壁内侧的对流传热系数。由此可见，K值总是接近与小的流体的对流传热系数值，且永远小于的值。若hi?ho ，称为管壁内、外侧对流传热控制，此时必须同时提高两侧的对流传热系数，才能提高K值。若管壁两侧对流传热系数很大，即两侧的对流污垢热阻很小，而污垢热阻很大，则称为污垢热阻控制，此时欲提高K值，必须设法减慢污垢形成速率或即使清除污垢。 4.4.3对数平均温度差法

总传热速率方程的积分形式 Q?KS?tm 当换热器中是恒温传热时 ?tm??t

变温传热是，两种流体的流向有逆流、并流、错流和折流。逆流和并流时的平均温度差等于换热器两端温度差的对数平均值，即

?tm??t2??t1ln?t2?t1

两流体呈错流和折流时，先按逆流计算平均温度差，然后再乘以考虑流动方向的校正系数。

?tm??m?tm

’通常在换热器的设计中规定值不应小于0.8。 4.4.4传热单元数法

传热单元数法（NTU）又称传热效率—传热单元数（ε—NTU）法，该法在换热器的校核计算，换热器系统最优化计算方面得到广泛的应用。

1、传热效率

换热器传热效率ε的定义

??实际的传热量Q最大可能的传热量Qmax

当换热器的热损失可以忽略，实际传热量等于冷流体吸收的热量或热流体放出的热量，当两流体无相变时

Q?Wccpc?t2?t1??Whcph?T1?T2?

理论上冷、热流体的进口温差（T1-t1）是换热器中可能达到的最大温度差。若忽略热损失时，两流体中热容流率Wcp值较小的流体将有较大的温度变化，称此流体为最小值流体。最大可能传热量可表示为

Qmax??Wcp??Tmin1?t1?

若热流体为最小值流体，则传热速率为

??Whcph?T1?T2?Whcpc?T1?t1??T1?T2T1?t1

若冷流体为最小值流体，则传热速率为

21

??Wccpc?t2?t1?Whcpc?T1?t1??t2?t1T1?t1

若已知传热效率，则可确定换热器的传热量，即 Q??Qmax???Wcp??Tmin1?t1?

2、传热单元数 以冷流体为例，令 Hc?Wccpcn?dKt2 ?NTU?c??Tt1dt?t

则L?Hc?NTU?c

式中Hc为基于冷流体的传热单元长度，m；（NTU）c为基于冷流体的传热单元数。 4.5对流传热系数关联式

根据流体在传热过程中的状态，对流传热可分为两类：

流体无相变的对流传热：包括强制对流（强制层流和强制湍流）、自然对流。 流体有相变的对流传热：包括蒸汽冷凝和液体沸腾等形式的传热过程。 4.5.1影响对流传热系数的因素

影响对流传热系数的因素有：流体的种类和相变化的情况、流体的特性（包括导热系数、粘度、比热容、密度及体积膨胀系数）、流体的温度、流体的流动状态、流体流动原因和传热面的形状、位置和大小。 4.5.2对流传热过程的因次分析

所谓因次分析方法，即根据对问题的分析，找出影响对流传热的因素，然后通过因次分析的方法确定相应的无因次数群（准数），继而通过实验确定求算对流传热系数的关联式。

准数的名称、符号和含义 准数名称 符号 准数式 含义 努塞尔准数 Nu 雷诺准数 Re 数 普兰特准数 Pr 数，反映与传热有关的流体物性 格拉斯霍夫准数 Gr

4.5.3流体无相变的对流传热系数 4.5.4流体有相变的对流传热系数

hl? 表示对流传热系数的准数 lu?? 表示惯性力与粘性力之比，是表示流动状态的准cp?? 表示速度边界层和热边界层相对厚度的一个参l?g??t32?2 表示由温度差引起的浮力与粘性力之比 1、蒸汽冷凝传热

22

蒸汽冷凝传热方式有膜状冷凝和滴状冷凝两种。单组分饱和蒸汽冷凝时，热阻集中在冷凝液膜中，因此对一定的组分，液膜的厚度及流动状况是影响冷凝传热的关键因素。凡是有利于减薄液膜厚度的因素都可提高冷凝传热系数。此外，冷凝壁面的表面情况对传热系数的影响也很大。

2、液体沸腾传热

所谓液体沸腾是指在液体的对流传热过程中，伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程。

（1）液体沸腾的分类

其一是将加热表面浸入液体的自由表面之下，液体在壁面受热沸腾时，液体的运动缘于自然对流和气泡的扰动，称为池内沸腾或大容器沸腾；其耳是液体在管内流动过程中于管内壁发生的沸腾，称为流动沸腾或管内沸腾。

（2）液体沸腾曲线

液体沸腾分三个阶段，即自然对流，泡核沸腾和膜状沸腾。 4.6辐射传热

因热的原因而产生的电磁波在空间的传递称为热辐射。 4.6.1基本概念和定律

假设投射在某一物体上的总辐射能量为Q，其中有一部分能量QA被吸收，一部分能量QR被反射，另一部分能量QD透过物体。根据能量守恒定律，可得A+R+D=1。A=QA/Q、R=QR/Q、D=QD/Q分别为物体的吸收率、反射率、透过率。

1、黑体、镜体、透热体和灰体

能全部吸收辐射能的物体，即A=1的物体，称为黑体或绝对黑体。 能全部反射辐射能的物体，即R=1的物体，称为镜体或绝对白体。 能透过全部辐射能的物体，即D=1的物体，称为透热体。

能够以相等的吸收率吸收所有所有波长辐射能的物体，称为灰体。

黑体、镜体和灰体都是理想物体。但大多数工业上常见的固体材料均可视为灰体，灰体有如下特点： 它的吸收率A与辐射线的波长无关， 它是不透热体，即A+R=1 辐射能力E

物体在一定温度下，单位表面积、单位时间内所发射的全部波长的辐射能，称为该物体在该温度下的辐射能力，以E表示，单位为W/m2。辐射能力可以表征物体发射辐射能的本领。在相同条件下，物体发射特点波长的能力，称为单色辐射能力，用EA表示，若用下标b表示黑体、则黑体辐射能力和单色辐射能力分别用EB和EbΛ表示。

3、普朗特定律、斯蒂芬—玻尔兹曼定律及克希霍夫定律 普朗特定律

斯蒂芬—玻尔兹曼定律 Eb??0T4?T??C??

100?0?4克希霍夫定律 E1/A1?E2/A2?E3/A3?.....?..E/A?Eb?f?T?

物体的辐射能力的影响因素

对于实际物体，因A＜1，因此在任一温度下，黑体的辐射能力最大；对于其它物体而言，物体的吸收率愈大，其辐射能力也愈大。

在同一温度下，灰体的辐射能力与黑体的辐射能力之比称为灰体的黑度或发射率，用ε表示。在同一温度下，灰体的吸收率和黑度在数值上是相等的。

23

4.6.2两固体间的辐射传热

灰体间辐射传热计算式Q1?24.6.3对流和辐射联合传热

Q?Qc?QR??h?hR?Sw?tw?t??hTSw?tw?t?

??T?4?T?4??C1?2?S??1???2??

100??100??????4.7间壁换热器

4.7.1换热器的的结构形式 4.7.2换热器传热过程的强化

所谓换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内，单位传热面积传递的热量尽可能增多。

1、增大传热面积

增大传热面积，可以提高换热器是传热速率。但增大传热面积实际是提高单位体积的传热面积。 2、增大平均温度差

增大平均温度差，可以提高换热器是传热速率。平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动形式。一般说，物料的温度由生产工艺决定，不能随意变动，而加热介质或冷却介质的温度由于所选介质不同，可以有很大的差异。

3、增大总传热系数

总传热系数的计算公式 K?1dohidi?Rsid0di?bdo?dm?Rso?1ho

要提高K值就必须减少各项热阻。但因各项所占比例的不同，故应设法减少对K值影响较大的热阻。 4.7.3管壳式换热器的设计和选型(略)

4.8 例题

[4-1]有一单程列管式换热器、传热面积为4，由φ25mm×2.5mm的管子组成。用初温为25℃的水将机油由200℃冷却到100℃，水走管内，油走管间。已知水和机油的质量流量分别为1200kg/h和1400kg/h，其比热容分别为4.2kJ/（kg℃）和2.0kJ/（kg℃）。水侧和油侧的对流传热系数分别为1800W/（m2℃）和200W/（m2℃）。两流体呈逆流流动，忽略管壁和污垢热阻，忽略热损失。

校核该换热器是否合用？

如不合用，采用什么措施可在原换热器中完成上述传热任务？（假设传热系数及水的比热容不变。） [4-2]用120的饱和水蒸气加热单程列管换热器管内湍流流动的空气。空气流量为2400，从20加热到80。操作条件下空气的密度为1.093，比热容为1.005，根据任务要求的换热器的主要尺寸为：管长3，管径为φ25mm×2.5mm的钢管100根。

现仓库里有一台换热器，其管长为3，管径为φ19mm×2mm的钢管100根。

试验算：现有换热器能否代替所设计的换热器？ 计算时可忽略壁阻、垢阻和换热器的热损失。

[4-3]在并流换热器中，用水冷却油。水的进出口温度分别为25℃和40℃，油的进出口温度分别为150℃和100℃。现因生产任务的要求油的出口温度降至80℃，假设油和水的流量和进出口温度均不变，若原换热器的管长为1.2m，试求将此换热器的管长增至多少米后才能满足要求。换热器的热损失可忽略。 [4-4]在一列管式蒸汽冷凝器中，110℃的饱和水蒸气在壳程冷凝为同温度的水，蒸汽冷凝传热系数为1.1×104W/（m2℃）。水在管内被加热，其进口温度为25℃，比热容为4.18kJ/（kg，流量为12500，管壁对水的对流传热系数为1000℃。列管式换热器由φ25mm×2.5mm、长3m的32根钢管组成。试求冷水的出口温度。计算中忽略管壁及污垢热阻，不计换热器的热损失。

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第五章 蒸发

5.1蒸发过程概述与蒸发设备 5.1.1基本概念

1、蒸发的概念

将含有不挥发物质的溶液加热沸腾，使挥发性溶剂部分汽化从而将溶液浓缩的过程称为蒸发。工业上被蒸发的溶液多为水溶液，故本章的讨论仅限于水溶液的蒸发。

2、蒸发操作的目的

稀溶液的增浓直接制取液体产品，或者将浓缩的溶液再经进一步处理（如冷却结晶）制取固体产品。 纯净溶液的制取，此时蒸出的溶剂是产品。 同时制备浓溶液和回收溶剂。 3、蒸发流程及过程分类

蒸发器由加热室和分离室两部分组成，其中加热室为一垂直排列的加热管束，在管外用加热介质（*通常为饱和水蒸气）加热管内的溶液，使之沸腾汽化。浓缩的溶液（称为完成液）由蒸发器的底部排处。而溶液汽化产生的蒸汽经上部的分离室与溶液分离后由顶部引至冷凝器。为便于区别，将蒸出的蒸汽称为二次蒸汽，而将加热蒸汽称为生蒸汽或新鲜蒸汽。

蒸发过程按蒸发操作不同，可将转发过程分为常压蒸发、加压蒸发和减压（真空）蒸发。根据二次蒸汽是否用作另一蒸发器的加热蒸汽，可将蒸发过程分为单效蒸发和多效蒸发。根据蒸发过程的模式，可将其分为间歇蒸发和连续蒸发。

4、蒸发操作的特点

蒸发是间壁两侧均发生相变化的恒温热量传递过程，其传热速率是蒸发过程的控制因素。蒸发所用设备属于热交换设备。但与一般的传热过程比较，蒸发过程又具有其自身特点，主要表现在：

（1）溶液沸点升高 被蒸发的料液含有非挥发性的溶液，在相同的压强下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。因此，当加热蒸汽温度一定，蒸发溶液时的传热温度差小于蒸发溶剂时的温度差。溶液的组成越高，这种影响也越显著。

（2）物料的工艺特性 其中包括热效性、结垢、析晶、腐蚀性等。

（3）能量利用与回收 包括真空蒸发、多效蒸发、热泵蒸发、额外蒸汽取出等。 5.1.2蒸发设备

1、常用蒸发器的结构与特点

常用蒸发器的多样性在于加热室、分离室的结构及其组合方式的变化。根据溶液在蒸发器中的流动情况，大致可将工业上常用的间接加热蒸发器分为循环型与单程型两类。

循环性蒸发器的特点是溶液在蒸发器内作循环流动。根据造成液体循环的原理不同，又可将其分为自然循环和强制循环两类。目前常用的循环型蒸发器有以下几种，即中央循环管式蒸发器、悬筐式蒸发器、外热式蒸发器、列文蒸发器和强制循环蒸发器。

单程型蒸发器的特点是溶液沿加热管壁成膜状流动，一次通过加热室即达到要求的组成。按物料在蒸发器内的流动方向及成膜原因的不同，单程蒸发器可以分为：升膜蒸发器、降膜蒸发器、升—降膜蒸发器和刮板薄膜蒸发器。

2、蒸发器的改进与发展

近年来、国内外对于蒸发器的研究十分活跃，归结起来主要有以下方面： 通过改进加热管的表面形状来提高传热效果，开发新型蒸发器。

在蒸发器内装入多种形式的湍流构件或填料，改善蒸发器内液体的流动状况，可提高沸腾液膜侧的传热系数。

通过改进溶液性质来改善传热效果。 3、蒸发器性能的比较与选型

蒸发器的结构形式很多，在选择蒸发器的形式或设计蒸发器时，在满足生产任务要求、保证产品质量的前提下，还要兼顾所用蒸发器的结构简单，易于制造、操作和维修方便、传热效果好等等。此外还要对

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被蒸发物料的工艺特性有良好的适应性，包括物料的粘性、热敏性、腐蚀性以及是否结晶或结垢等因素。 5.2单效蒸发

对于单效蒸发通常给定的生产任务和操作条件是：进料量及其温度和组成、完成液的组成、加热蒸汽的压强和冷凝器的操作压强。要求确定：水的蒸发量或完成液的量，加热蒸汽的消耗量、蒸发器的传热面积。这些分别由物料蘅算、热量蘅算和传热速率方程求出。

物料与热量蘅算方程 5.2.1物料蘅算

对单效蒸发器进行溶质的质量蘅算，可得水的蒸发量为

?x0?? W?F?1???x1??5.2.2热量蘅算

设加热蒸汽的冷凝液在饱和温度下排出，则由蒸发器的热量蘅算得

Q?W?H?hw??WH???F?W?h1?Fh0?QL

（1）可忽略溶液稀释热的情况

若以0℃的溶液为基准，假定加热蒸汽的冷凝水在饱和温度下排出，则 D?Wr??Fcp0?t1?t0??QLr

上式表示加热蒸汽放出的热量用于：原料液由t0升温到沸点t1；使水在下汽化成二次蒸汽；弥补热损失。

若原料液在沸点下进入蒸发器并同时忽略热损失，则可得单位蒸汽消耗量为

e?DW?r?r

e值是衡量蒸发装置经济程度的指标。对于单效蒸发，理论上每蒸发1kg水约需1kg加热蒸汽。实际值约为1.1。

（2）不可忽略溶液稀释热的情况

D?WH???F?W?h1?FH0?QLr 这类溶液的焓值由专门的焓浓图查得。

5.2.3传热速率方程

热负荷可通过对加热蒸汽作热量蘅算求得。当忽略热损失，则Q为加热蒸汽冷凝放出的热量。

传热的平均温度差

蒸发器加热室的一侧为蒸汽冷凝，其温度为T；另一侧为溶液沸腾，其温度为溶液的沸点t1，因此传热的平均温度差为：

?tm?T?t1

Δtm亦称为蒸发的有效温度差，是传热过程的推动力。

设进入冷凝器的二次蒸汽的温度为tc，定义蒸发器的总温差为

?tT?T?tc

蒸发计算中，通常将总温度差与有效温差的差值称为温度差损失，即：

???tT??tm

式中Δ亦程溶液的沸点升高。蒸发器内溶液沸点升高（或温度差损失），应由如下三部分组成，即：

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?????????????

（1）由于溶液中溶质存在引起的沸点升高?? 与溶剂相比，在相同的压强下，由于溶液中溶质的存在引起的沸点升高可定义为：

???t?T?

溶液的沸点主要与溶质的种类、溶质含量及压强有关。一般由实验测定，当缺乏实验数据时，可以用下式估算溶液的沸点升高。

???f??a

0.0162?T??273?r?2一般取 f?

溶液的沸点亦可用杜林规则估算。杜林规则表明：一定组成的某种溶液的沸点与相同压强下标准液体的沸点呈线性关系。

（2）由于液柱静压头引起的沸点升高??? 由于液层内部的压强大于液面上的压强，故相应的溶液内部的沸点高于液面上的沸点。一般以液层中部处的压强和沸点代表整个液柱的平均压强和温度tav。tav与t二者之差即为液柱静压头引起的沸点升高。

（3）由于流动阻力引起的沸点升高???? 二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管路阻力，其压强下降，故蒸发器内的压强高于冷凝器内的压强，由此造成的沸点升高以????，一般取经验值1~1.5℃。 5.2.4蒸发器的总传热系数

原则上与普通换热器相同，管外蒸汽冷凝的传热系数可按膜式冷凝的传热系数计算，管内溶液沸腾传热系数受较多因素的影响，非常复杂，现有的关联式准确性较差。

传热面积计算

在蒸发器的热负荷Q、传热的有效温差Δtm及总传热系数K确定以后，蒸发器传热面积的计算与换热器相同，即Q?KS?tm

蒸发强度与加热蒸汽的经济性

蒸发强度与加热蒸汽的经济性是衡量蒸发装置性能的两个重要经济指标。 5.2.5蒸发器的生产能力和蒸发强度

蒸发器的生产能力通常是指单位时间年蒸发的水量，其单位为kg/h。蒸发器生产能力的大小由蒸发器的传热速率Q来决定，

如果忽略蒸发器的热损失且原料液在沸点下进料，则蒸发器的生产能力为

W?Qr?WS?KS?tmr?

蒸发器的生产强度简称蒸发强度，是指单位时间内单位传热面积上所蒸发的水量，即：

U?

蒸发器的生产能力只能笼统地表示一个蒸发器生产量的地下，并未涉及蒸发器本身的传热面积，不能定量地反映一个蒸发器的好坏。蒸发强度是评价蒸发器好坏的重要指标，对于给定的蒸发量而言，蒸发强度越大，则所需的传热面积越小，因而蒸发设备的投资越小。假定沸点进料，并忽略蒸发器的热损失，则可得

U?QSr??K?tmr?

由上式可知，提高蒸发器的蒸发强度的基本途径是提高总传热系数K和传热温度差Δtm。

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（1）提高传热温度差 传热温度差Δtm的的大小取决于加热蒸汽的压强和冷凝器操作压强，但加热蒸汽压强的提高，常常受到工厂供气条件的限制。而冷凝器中真空度的提高，要考虑到造成真空的动力消耗。而且随着真空度的提高，溶液的沸点降低，粘度增加，使总传热系数K下降。由以上分析可知，传热温差的提高是有限制的。

（2）提高蒸发强度的另一个途径是增大总传热系数 蒸汽冷凝的传热系数总比溶液沸腾的传热系数大，即在总传热热阻中，蒸汽冷凝侧的热阻较小 。但在蒸发操作中需要及时排除蒸汽中的不凝气，否则其热阻将大大增加，使总传热系数下降。

管内日夜册的沸腾传热系数是影响总传热系数的主要因素，要了解其影响因素，以便根据实际的蒸发任务，选择适宜的蒸发器形式及其操作条件。

加热蒸汽的经济性

能耗是评价蒸发过程优劣的另一个重要指标，通常以加热蒸汽的经济性来表示。加热蒸汽的经济性E是指1kg生蒸汽可蒸发的水分量，即（W/D）。E越大，蒸发过程经济性越好。为了提高加热蒸汽的利用率或经济性，可有多种途径，采用多效蒸发是其中之一。

5.3多效蒸发

单效蒸发时，单位加热蒸汽的消耗量大于1，即采用单效蒸发是不合理的。

多效蒸发中，各效的操作压强依次降低，相应地，各效的加热蒸汽温度及溶液的沸点亦依次降低。因此，只有当提供的新鲜加热蒸汽的压强较高或末效采用真空的条件下，多效蒸发才可行。 5.3.1多效蒸发流程

按溶液与蒸汽相对流向的不同，多效执法有三种基本的加料流程。

采用并流流程，溶液与蒸汽的流动方向相同，均由第一效顺流至末效。逆流流程时溶液的流向与蒸汽的流向相反，加热蒸汽由第一效进入，而原料液由末效进入，由第一效排出。平流流程的原料液平行加入各效，完成液亦分别自各效排出，蒸汽的流向仍由第一效流向末效。 5.3.2多效蒸发与单效蒸发的比较

1.加热蒸汽的经济性

设单效蒸发与n效蒸发所蒸发的水量相同，则在理想状况下，单效蒸发时单位蒸汽用量为1，而n效蒸发时为1/n（kg蒸汽/kg水）。如果考虑了热损失、各种温度差以及不同压强下汽化热的差别等因素，则多效蒸发时单位蒸汽用量比1/n大。

但无论怎样，多效蒸发的效数越多，单位蒸汽的消耗量越小，相应的操作费用越低。

2.溶液的温度差损失

设多效蒸发与单效蒸发的操作条件相同，即加热蒸汽压强、冷凝器操作压强相同以及原料与完成液组成相同，则多效蒸发的温度差损失较单效蒸发是为大，且效数越多，温度差损失越大。

3.蒸发强度

设多效蒸发与单效蒸发的操作条件相同，即加热蒸汽压强、冷凝器操作压强相同以及原料与完成液组成相同，则多效蒸发的蒸发强度较单效蒸发是为小，且效数越多，蒸发强度越小，蒸发1kg水需要的设备投资增大。

5.3.3多效蒸发中的效数限制及最佳效数

随着多效蒸发效数的增加，温度差损失加大。某些溶液的蒸发很可能出现总温度差损失大于或等于总温度差的极端情况，此时蒸发操作则无法进行。因此多效蒸发的效数是有一定限制的。

随着多效蒸发萧疏的增加，一方面，单位周期的消耗量减小，操作费用降低，但降低的幅度越来越小；而另一方面，效数越多，设备的投资也越大。因此，蒸发的适宜效数应根据设备费与操作费之和为最小的原则权衡确定。

通常，多效蒸发操作的效数还取决于被蒸发溶液的性质和温度差损失的大小等因素。 5.3.4提高加热蒸汽经济性的其他措施

1.抽出额外蒸汽

所谓额外蒸汽是指将蒸发器蒸出的二次蒸汽用于其他加热设备的热源，这样不仅大大降低了能耗，而且使进入冷凝器的二次蒸汽量降低，从而减少了冷凝器的负荷。

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2.冷凝水显热的利用

蒸发器的加热室排出大量冷凝水，可将其用作预热料液、加热其他物料、作为其他工艺用水，或用减压闪蒸的方法使之产生部分蒸汽与二次蒸汽一起作为下一效蒸发器的加热蒸汽。

3.热泵蒸发

热泵蒸发就是将蒸发器蒸出的二次蒸汽用压缩机压缩提高压强，使其饱和温度超过溶液沸点，然后送回蒸发器的加热室作为加热蒸汽。采用热泵蒸发只需在蒸发器开工阶段供应加热蒸汽，当操作达到稳定后，不再需要加热蒸汽，只需提供使二次蒸汽所需要的功，因而节省了大量的生蒸汽，二次蒸汽的潜热不但没有被冷凝水全部带走，而且不消耗冷却水，这是热泵节能的原因。

5.4例题

[5-1]在单效中央循环管蒸发器内，将4000kg/h的NaOH水溶液由10%浓缩至25%，原料液与40℃进入蒸发器。分离室内的绝对压强为15kpa，水溶液在蒸发器加热管内的液层高度为1.6m，操作条件下溶液

3

的密度为1230kg/m。加热蒸汽为120kpa绝压的饱和蒸汽，冷凝水在饱和温度下排出。已测得总传热系数为1300W/（m℃），热损失为总热量的20%。试求：加热蒸汽的消耗量；蒸发器的传热面积。

[5-2]一传热面积为145m的单效蒸发器中将CaCl2水溶液浓缩。蒸发器的传热系数为1000W/（m℃），热损失为100kW。原料液的温度为25℃，流量为18000kg/h。将CaCl2水溶液由15%浓缩到25%时，蒸发室内操作绝对压强为30kPa，因蒸汽压引起的沸点升高为6℃，因液柱静压强引起的沸点升高为8℃，加热蒸汽绝对压强为200kPa，冷凝液在饱和温度下排出。（计算时可忽略浓缩热效应）试求：（1）当原料液组成由15%降至10%，但要求完成液的出口组成仍为25%，而蒸发室的绝对压强不变，求加热蒸汽的压强和蒸汽消耗量各为多少？（2）当原料液组成由15%降至10%，其它条件不变，求完成液的组成和加热蒸汽的消耗量。

[5-3]在一传热面积为65m的单效蒸发器中，将7200kg/h的某水溶液从20%浓缩到40%，原料液的比热容为3.35kJ/（kg℃），预热至90℃进入蒸发器。若因溶液蒸汽压下降及静压强效应引起的温度差损失为35℃，加热蒸汽的绝对压强为270kPa，蒸发室的绝对压强为25kPa。忽略蒸发器的热损失及溶液的浓缩热效应。试求：开始使用时，此蒸发器的传热系数为多少？操作一段时间后，因物料在蒸发器表面结垢，时蒸发量减少了20%，计算污垢热阻。管壁很薄，可按平壁处理；若仍要完成原蒸发任务，问加热蒸汽的压强应提高到多少？

22

2

2

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第六章 蒸馏

6.1要求

6.1.1掌握的内容

１. 质量分率和摩尔分率的定义及相互间的换算；

2. 双组分理想溶液的气液相平衡——拉乌尔定律、道尔顿定律、露点方程、泡点方程、气液相平衡图、挥发度、相对挥发度的定义及物理意义；

３. 精馏原理，并运用此原理分析精馏过程； ４. 精馏段操作线方程、提馏段操作线方程的推导，全塔物料衡算，精馏段、提馏段的物料衡算，加料板物料衡算、热量衡算及ｑ线方程的推导，进料热状态与ｑ值之间的关系；

５. 双组分连续精馏塔的计算——理论板的概念，恒摩尔流假设，逐板计算法和图解法计算理论塔板数，最小回流比Rmin的计算，适宜回流比的选择，回流比的大小对塔板数及操作费用的影响；

6. 板式精馏塔塔高及塔径的计算，全塔效率及单板效率的定义及其计算。 6.1.2熟悉的内容

１. 平衡蒸馏和简单蒸馏的特点及其计算；

２. 精馏装置的热量衡算；‘

３. 直接蒸汽加热精馏塔的计算；

4. 板式塔的简单结构、性能及操作特点。 6.1.3了解的内容

1. 精馏操作的分类；

2. 非理想溶液的气液相平衡；

3. 间歇精馏操作的特点及应用范围；

4. 精馏操作的节能途径；

5. 恒沸精馏、萃取精馏及水蒸汽蒸馏的特点及应用； 6. 多组分精馏的特点及应用； 6.2 本章内容 一、概述

二、双组分溶液的气液相平衡

理想溶液的气液相平衡：拉乌尔定律、泡点及露点、相图、相平衡曲线、相平衡方程、挥发度及相对挥发度。

非理溶液的气液相平衡（简介）。 三、平衡蒸馏和简单蒸馏 平衡蒸馏。 简单蒸馏。 四、精馏

连续精馏装置流程。

精馏原理。 物料衡算和操作线方程式

加料板的物料衡算、热量衡算和ｑ线方程式。

五、双组分精馏塔的计算

理论塔板数的计算：逐板计算法、（ｙ-x）图解法。 最小回流比、适宜回流比及其选择。 加料热状态的影响。 间歇精馏。

塔高和塔径的计算。

六、精馏装置的热量衡算和精馏操作的节能途径

30

7.4 典型例题

[7-1]若传质总系数与分系数之间的关系表示为

1KL?1kL?HkG,则其中的

1kL表示____________，当

____________项可以忽略时表示该吸收过程为液膜控制。

[7-2]传质单元数NOG反映_________________________________,分离任务所要求的浓度变化越______,过程的平均推动力越_______,所需的传质单元数NOG越大。

[7-3]当_________阻力可以忽略时表示该吸收过程为液膜控制。

[7-4]吸收过程的总阻力由_________阻力和_________阻力的和构成，当_________阻力可以忽略时表示该吸收过程为液膜控制过程。

[7-5]请简述双膜理论的要点。

[7-6]在逆流填料吸收塔中，用清水吸收含氨5%（体积）的空气-氨混合气其中的氨，已知混和气量为2826标准m3/h，气体的空塔气速为1m/s（标准状况下）,平衡关系为Y=1.2X（摩尔比），气象总体及吸收系数为180kmol/(m3,h)，吸收剂用量为最小吸收剂用量的1.4倍，要求吸收率为98%。试求：吸收液的出塔浓度X1(摩尔比)；气相总传质单元高度HOG；气相总传质单元数NOG；填料层高度Z。

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第八章 塔设备

8.1 基本概念

蒸馏和吸收虽然属于不同的化工单元操作过程，但是均为气液两相间的传质过程，因而实现蒸馏和吸收过程的设备具有很大的共性。即要求设备能够提供气液两相进行充分的接触，而且在接触后能及时完全地分离。应用最广泛的为塔式设备（高径比很大的设备），主要分为逐级接触式的板式塔和连续微分接触式的填料塔。 8.1.1 板式塔

1、板式塔的结构

板式塔是由一个圆筒形的塔体及其中安装若干层相邻一定距离的水平塔板所构成，操作时，液体借重力作用由塔顶逐板流向塔底；气体则靠压强差由塔底向上依次穿过各层塔板，并且与塔板上的液体接触进行传质后，由顶部排出，两相组成沿塔高呈梯级式变化。塔板类型一般为错流塔板，由气相通道、气液接触元件、溢流堰、降液管组成。

2、板式塔的功能

为了有效地实现两相间的传质，要求塔板具有以下功能：

（1）塔板上气液两相保持充分的接触，造成足够大的、不断更新的接触表面，传质速率高；

（2）在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以便提供最大的传质推动力。但实际过程为形成良好的气液两相接触状态，在每块塔板上只能采用错流接触的方式，即总体上气液两相呈逆流流动，而在塔板上呈错流流动。

3、塔板上的气液两相接触状态

随着气液两相流量的不同，塔板上的气液两相接触状态分为鼓泡接触状态（液体为连续相，气体为分散相，传质在气泡表面进行，传质速率低）、泡沫接触状态（液体为连续相，气体为分散相，传质在不断更新的液膜表面进行，传质速率低高）和喷射接触状态（气体为连续相，液体为分散相，传质在不断更新的液滴表面进行，传质速率高）。工业上通常采用泡沫接触状态和喷射接触状态下操作。 4、板式塔内气液两相的非理想流动

包括与主体流动方向相反的液体或者气体的流动：液沫夹带和气泡夹带；液体或者气体的不均匀流动等。

5、板式塔内的不正常操作现象

当板式塔设计或者操作不当时，塔内会出现一些使塔根本无法操作的不正常操作现象，主要有（1）夹带液泛：由于气体夹带液体量过多而造成的液体充满全塔并且液体倒流的现象，要求控制液沫夹带量小于0。1kg液体/kg气体。（2）溢流液泛：由于降液管通过能力太小而造成的液体充满全塔产生的液泛现象，应防止降液管堵塞并且增大降液管截面积。（3）严重漏液：由于气体速度太小或者气体分布不均匀使液体从塔板开孔处下流的现象，正常操作时控制漏液量小于10%。

6、塔板的型式

按照塔板上气液接触传质元件的不同分为：泡罩塔板、浮阀塔板、筛孔塔板、舌形塔板、浮舌塔板、浮动喷射塔板、斜孔塔板、网孔塔板等。

7、塔板负荷性能图

在实际生产中设计好的塔板操作时，气液负荷往往会发生波动，并非按照规定的任务正常操作，或者由于某种原因而需要改变原规定时，需要进一步了解所设计的塔板对负荷变化的敏感程度，确定其既能正常操作，效率也不致发生明显下降的气液相负荷范围，这时通常以塔板负荷性能图的形式来表示。 塔板负荷性能图以气相负荷为横坐标，液相负荷为纵坐标，图中给出物系一定时，所设计的塔板在各种极限条件下的Vs—Ls关系曲线，各线所包围的区域即为该塔板正常操作的范围。塔板负荷性能图通常由五条曲线所组成：

VS

1 2 3 5 4 0 LS

37

（1）液沫夹带上限线 该线表示液沫夹带量为0。1kg液体/kg气体时的Vs—Ls关系，为一条稍向

下倾斜的直线，作为气相操作的上限，塔板适宜的操作区域应在该线的下方。 （2）液泛线 该线表示降液管内泡沫层高度达到最大允许值发生液返时的Vs—Ls关系，为一条曲线，塔板适宜的操作区域应在该线的下方。

（3）液相负荷上限线 该线反映液体在

降液管内停留时间的最小要求，塔板适宜的操作区域应在该线的左方。

（4）漏液线 又称为气相负荷下限线，表示发生严重漏液（漏液量为10%）时气相的最低流量，塔板适宜的操作区域应在该线的上方。

（5）液相负荷下限线 该线表示操作时液相的最低负荷流量，低于该值时将导致塔板上液体流分布严重不均匀，塔板效率极低，塔板适宜的操作区域应在该线的右方。

上述五条曲线所组成的区域，为塔板的适宜操作区域。在此区域内塔板上的流体力学状况均属于正常，但各点的效率不同。代表塔的气液负荷设计点如果落在区内的中间，表明可以获得良好的操作效果；如果紧靠某一边界，则当气液负荷稍稍发生波动时，便可能引起塔板效率的急剧下降，甚至完全破坏塔的正常操作。因此塔板负荷性能图可以用来评价塔板操作性能的优劣，为改善塔板结构和操作指明方向。

操作时的气相流量Vs，液相流量Ls在塔板负荷性能图上的坐标点称为操作点。连接原点与操作点的直线称为操作线，操作线与负荷性能图上曲线的两个交点分别表示塔的上下操作极限，两极限的气体流量比值称为塔板的操作弹性。操作弹性的大小，反映了塔板操作的稳定性、对负荷变化的适应能力及其生产潜力的大小，也说明了所设计塔板结构的合理与否。当物系、操作负荷一定时，负荷性能图中各条线的相对位置随着塔板结构尺寸而变化。因此在设计塔板时，根据操作点在负荷性能图中的位置，适当调整塔板结构参数，可以改进负荷性能图，获得好的操作弹性。 8、板式塔的设计（略） 8.1.2 填料塔

1、填料塔的结构

填料塔的塔身为一直立式圆筒，底部装有填料支撑板，其上放置乱堆或者有规则的填料，构成填料层。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料层上，在重力作用下自上而下沿填料表面流下；气体从塔底送入，在压强差的推动下自下而上流过填料的空隙，气液两相在填料层中互相接触并且进行传质，气液两相组成沿塔高连续变化。当填料层较高时，常常分成数段，段间设置液体再分布器，使流到塔壁的液体再次均匀分布到填料层中。

2、填料

填料是指具有特定形状的固体填充物，它为填料塔中的气液接触传质元件。根据构造不同其类型有：拉西环、鲍尔环、鞍形填料、网体填料、规整填料等；特性参数有：比表面积、空隙率、填料因子、堆积密度等。

3、填料塔的流体力学性能 由于填料的分散作用，液体借重力作用一般在填料表面作膜状流动，而且此膜随着湍动进行不断更新。正常操作时，应保持液体为分散相，气体为连续相，气体在填料层中的流动为湍流状态。气液两相流动时，随着流量的增加相互之间产生影响。这种影响明显时，填料层中开始积累液体，该点称为载液点；自载液点以后，气液两相间的相互影响作用越来越强烈，当气液两相流量达到一定值时，气液两相交互作用使得液体甚至不能顺畅流下而引起液泛，称为泛点。这时气体为分散相，液体为连续相，塔内充满液体，压强降剧烈增加，液沫夹带现象严重，传质效果极差，使塔无法进行填料塔的。因此填料塔的填料塔的范围应在载液点和泛点之间。通常选取空塔气体流速时为泛点气流的50～80%作为计算的依据。 4、填料塔的设计和附件（略） 8.2 基本内容和计算公式（见教材）

8.3 填料塔与板式塔的比较

填料塔和板式塔各有其特点及适用的场合，时间生产过程对塔设备要求多种多样，所以选择塔设备时应根据实际情况对各种因素进行比较，才能作出合理的选择。两者比较如下：

1、一般填料塔操作范围小，特别是对液体负荷的变化更为敏感。当液体量过小时填料塔表面不能很

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好润湿，过大时又容易液泛。而设计好的板式塔操作范围相对较大。

2、填料塔不适宜于处理容易聚合或者含有固体悬浮物的物料，而某些板式塔（如大孔筛板、泡罩塔板等）则可以有效地处理这种物系。另外填料塔的清洗也不如板式塔方便。

3、当气液接触过程需要冷却以移除反应热或者溶解热时，填料塔因涉及液体均匀分布问题而使结构复杂，而板式塔可以方便地在塔板上安装冷却器或者将液体引出塔外进行冷却。当有侧线出料时，填料塔也不如板式塔方便。

4、当塔径较小时，填料塔因结构简单而造价低，填料塔的压强降比板式塔小，因而更适宜于真空操作。

5、对易起泡物系，因填料对泡沫有限制和破碎作用，因而用填料塔更合适；对于腐蚀性物料，填料塔中的填料易于用耐腐蚀材料制造，而板式塔则造价高。

6、填料塔的滞液量一般比板式塔小，因而物料在塔内停留时间短，对热敏性物料的处理宜采用填料塔。

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第九章 萃取

9.1要求

9.1.1掌握的内容

1. 三角形坐标图中相组成的表示方法及杠杆定律。

2. 萃取原理，部分互溶物系的相平衡，分配系数，选择性系数的定义及物理意义。

3. 萃取过程的计算——理论级的概念，单级萃取过程的计算，多级错流萃取萃取过程的计算，多级逆流萃取过程的计算，两相完全不互溶物系的萃取过程的计算。 9.1.2熟悉的内容

1. 影响萃取操作的主要因素。

2. 溶剂的性质及选择溶剂的原则。 3. 温度对萃取操作的影响。 9.1.3了解的内容

1. 萃取操作在工业中的应用。 2. 萃取操作的特点。

3. 逆流萃取串级模拟实验方法。

4. 各种萃取设备的简单结构、操作原理、特点及应用场合。 9.2 本章内容 一、概述 二、液液相平衡

三角形相图及其性质。

部分互溶物系的相平衡及其与萃取操作的关系。 萃取剂的选择。

三、影响萃取操作的主要因素 四、萃取过程的计算

单级萃取图解法。

多级错流萃取图解法。 多级逆流萃取图解法。

连续接触逆流萃取。

两相不互溶物系的萃取过程的计算。 最小溶剂比与适宜溶剂比。 求取萃取级数的实验方法。 五、萃取设备

萃取设备的类型。

常用工业萃取设备简介： 混合澄清器 、填料塔、筛板塔，振动筛板、脉冲筛板、转盘塔、离心萃取机。

9.3 重要的公式及概念

1 三角形坐标图中杠杆定律的应用

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