化工工艺基础知识

化工工艺基础知识目录第一章流体流动第二章传热学基本知识第三章吸收基本知识第四章蒸馏基本知识第五章去湿/干燥基本知识第一章流体流动一、概述1、流体：气体和液体统称为流体。在化工生产中所处理的物料有很多是流体。根据生产要求，往往需要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备。化工厂中，管路纵横排列，与各种类型的设备连接，完成着流体输送的任务。除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的。流体流动状态对这些单元操作有着很大影响。二、流体动力学：研究流体在外力作用下的平衡规律1、密度：单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为ρ=m/v式中ρ――流体的密度，kg/m3；m――流体的质量，kg；V――流体的体积，m3。液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外），可忽略不计，故常称液体为不可压缩的流体，但其随温度稍有改变。气体的密度随压力和温度的变化较大。2、压力：流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的压强，简称压强。习惯上称为压力。作用于整个面上的力称为总压力。在法定单位制中，压力的单位是N/m2，称为帕斯卡，以Pa表示。还有采用的单位为atm（标准大气压）。它们之间的换算关系为：1标准大气压(atm)=101300Pa=760mmHg3、基准：压力可以有不同的计量基准（1）绝对压力和表压：绝对压力以零压力（绝对真空）为基准，表压则以当地大气压为基准。（2）真空度：真空度也以当地大气压为基准，但真空度与表压的计算方向相反，即低于大气压的数值称为真空度。它与绝对压力的关系，可用下式表示表压＝绝对压力－大气压力当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值称为真空度（vacuum），即真空度＝大气压力－绝对压力绝对压力、表压和真空度的关系，如图所示。三、管内流体流动规律1：流量与流速（一）流量（1）体积流量：单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以V表示，其单位为m3/s。（2）质量流量：单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量以G表示，其单位为kg/s。体积流量与质量流量之间的关系为（二）流速（1）平均流速：流速是指单位时间内液体质点在流动方向上所流经的距离。实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于零。但工程上，一般系以管道截面积除以体积流量所得的值，来表示流体在管道中的速度。此种速度称为平均速度，简称流速，以u表示，单位为m/s。流量与流速关系为u＝V/AG=ρV=ρAu式中A――管道的截面积，m2。（2）质量流速：单位时间内流体流经管道单位截面的质量称为质量流速，以ω表示，单位为kg/m2·s。它与流速及流量的关系为ω＝G/A=ρAu/A=ρu（1-17）由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将之改变，但其质量流量不变。此时，采用质量流速比较方便。流量一般为生产任务所决定，而合理的流速则应根据经济权衡决定，一般液体流速为0.5～3m/s。气体为10～30m/s。四、管内流体流动现象1、粘度：流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性。流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。牛顿粘性定律实验现象：板间液体运动，且形成上大下小的流速分布(速度差)。现象说明：(1)板间流体可看成为许多流体层，且其间存在相对运动(速度差)。（2）相邻流体层之间存在摩擦力，称为内摩擦力或粘滞力。（否则流体静止）2、内摩擦力或粘滞力：这种运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小。3、粘度：物理意义：单位速度梯度时单位面积上所产生的内摩擦力。粘度越大，流体流动时生产的内摩擦力也越大。4、液体中的动量传递：流体流动过程也称为动量传递过程，牛顿粘性定律就是定量描述动量传递的定律。分子动量传递是由于流体层之间速度不等，动量从速度大处向速度小处传递。5、流体流动类型与雷诺准数流体在管道中的流动状态可分为两种类型:层流和湍流雷诺实验装置雷诺实验现象表明：流体在管道中流动存在两种截然不同的流型。流体流动形态示意图根据不同的流体和不同的管径所获得实验结果表明：影响液体类型的因素，除了流体的流速外，还有管径d，流体密度ρ和流体的粘度μ。u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。雷诺得出结论：上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ，是判断流体流动类型的准则。这数群称为雷诺准数或雷诺数，用Re表示。上述结果表明，Re数是一个无因次数群。不管采用何种单位制只要Re中各物理量用同一单位制的单位，那所求得Re的数值相同。根据大量的实验得知Re≤2000时，流动类型为层流；当Re≥4000时，流动类型为湍流；而在2000＜Re＜4000范围内，流动类型不稳定，可能是层流，也可能是湍流，或是两者交替出现，与外界干扰情况有关。例如周围振动及管道入口处等都易出现湍流。这一范围称为过渡区(transitionregion)。在两根不同的管中，当流体流动的Re数相同时，只要流体边界几何条件相似，则流体流动状态也相同。这称为流体流动的相似原理。五、流体流动阻力（一）管、管件及阀门管路系统是由管、管件、阀门以及输送机械等组成的。当流体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗能量。因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及阀门有所了解。1．管管子的种类很多，目前已在化工厂中广泛应用的有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等。钢管又有有缝与无缝之分；有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。有缝钢管多用低碳钢制成；无缝钢管的材料有普通碳钢、优质碳钢以及不锈钢等。不锈钢管价昂贵选用时应慎重，但是在输送强腐蚀性的液体或某些特殊要求的情况下，应用也不少，如稀硝酸用管、混酸用管等。铸铁管常用于埋在地下的给水总管、煤气管及污水管等。输送浓硝酸、稀硫酸则应分别使用铝管及铅管。2.管件管件为管与管的连接部件，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。3.阀门阀门装于管道中用以调节流量。常用的阀门有以下几种。（1）截止阀截止阀(globevalve)，它是依靠阀盘换的上升或下降，以改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的目的。截止阀构造比较复杂，在阀体部分液体流动方向经数次改变，流动阻力较大。但这种阀门严密可靠，而且可较精确地调节流量，所以常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。（2）闸阀闸阀(gatevalve)又称为闸板阀。闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。闸阀构造简单，液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。（3）止逆阀止逆阀(checkvalve)又称为单向阀。其功用在于只允许流体沿单方向流动。当流体自左向右流动时，阀自动开启；如遇到有反向流动时，阀自动关闭。（4）球阀主要用于截断或接通管路中的介质，亦可用于流体的调节与控制，其中硬密封V型球阀其V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，特别适用于含纤维、微小固体颗料等介质。本类阀门在管道中一般应当水平安装。（二）流体在直管中的流动阻力1、阻力的分类直管阻力：流体流经一定直径的直管时，所产生的阻力。局部阻力：流体流经管件、阀门及进出口时，由于受到局部障碍所产生的阻力。流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间的分子动量传递而产生的内摩擦阻力，或由于流体之间的湍流动量传递而引起的摩擦阻力，使一部分机械能转化为热能。我们把这部分机械能称为能量损失。管路一般由直管段和管件、阀门等组成。因此，流体在管路中的流动阻力，可分为直管阻力和局部阻力两类。直管阻力是流体流经一定直径的直管时，所产生的阻力。局部阻力是流体流经管件、阀门及进出口时，由于受到局部障碍所产生的阻力。所以，流体流经管路的总能量损失，应为直管阻力与局部阻力所引起能量损失之总和。第二章传热基本知识一、概述（一）传热过程在化工生产中的应用加热或冷却换热强化传热过程保温削弱传热过程传热过程即热量传递过程。在化工生产过程中，几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行。为了达到和保持所要求的温度，反应物在进入反应器前常需加热或冷却到一定温度。在过程进行中，由于反应物需要吸收或放出一定的热量，故又要不断地导入或移出热量；有些单元操作，如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等，都有一定的温度要求，所以也需要有热能的输入或输出，过程才能进行；此外，许多设备或管道在高温或低温下操作，若要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少热量损失，则需要保温（或隔热）；近十多年来，随着能源价格的不断上涨，回收废热及节省能源已成为降低生产成本的重要措施之一。以上所讲到的情况，都与热量传递有关。可见，在化工生产中，传热过程具有相当重要的地位。化工生产中常遇到的传热问题，通常有以下两类：一类是要求热量传递情况好，亦即要求传热速率高，这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设备费用；另一类是像高温设备及管道的保温，低温设备及管道的隔热等，则要求传热速率越低越好。（二）传热的三种基本方式传热的基本方式热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的。当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分，或是从温度较高的物体传给温度较低的物体。根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射。1、热传导又称导热。当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞，并将能量的一部分传给后者，藉此，热能就从物体的温度较高部分传到温度较低部分。称这种传递热量的方式为热传导。在热传导过程中，没有物质的宏观位移。热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。特点：没有物质的宏观位移气体：分子做不规则热运动时相互碰撞的结果固体：导电体：自由电子在晶格间的运动非导电体：通过晶格结构的振动来实现的液体：机理复杂，主要靠原子、分子在平衡位置上的热运动。2、对流又称热对流、对流传热。在流体中，主要是由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量的方式为对流传热。对流传热过程中往往伴有热传导。工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热；若流体的运动是由于受到外力的作用(如风机、水泵或其它外界压力等)所引起，则称为强制对流；若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的，则称为自然对流。3、辐射辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。任何物体，只要其绝对温度不为零度，都会以电磁波的形式向外界辐射能量。其热能不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播，当被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。这种传递热能的方式称为辐射或热辐射。实际上上述三种传热方式很少单独存在，而往往是同时出现的。如化工生产中广泛应用的间壁式换热器，热量从热流体经间壁(如管壁)传向冷流体的过程，是以导热和对流两种方式进行。（三）冷热流体的接触方式1．直接接触式冷热流体直接混合进行热量交换。2．蓄热式冷热流体交替流过换热器。优点：结构较简单；耐高温。缺点：设备体积大；有一定程度的混合。3．间壁式冷热流体通过换热壁面热交换。（四）热载体及其选择加热剂：热水、饱和水蒸气、矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等。冷却剂：水、空气、冷冻盐水、液氨等冷却温度30°C水；加热温度180°C饱和水蒸气二、间壁式换热器在化工生产中，大多数情况下，冷、热两种流体在换热过程中不允许混合，故间壁式换热器在化工生产中被广泛使用。下面就常用的换热器作一简要介绍。（一）夹套式换热器这种换热器结构简单，主要用于反应器的加热或冷却。夹套要装在容器外部，在夹套和器壁间形成密闭