【应用化工系】化工原理-教案

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课程名称 化工原理
  绪论 课题 概论 课型 理论课
授课班级 13级应用化工班 授课
时间
910
2课时 授课教师 乔曼
学习目标 专业能力 1、掌握化工工程的物料衡算与能量衡算的基本概念与计算步骤
2、掌握化工生产过程的构成与分类特征、单元操作的概念、单  元操作计算的一般内容及其依据的基本规律与基本关系
 
核心能力 1、了解化工原理课程的性质、地位与作用
2、了解单元操作与“三传”过程
 
 
教学对象分    1. 对象是2013级应用化工技术专业的学生,共64人。
2、学生为大二学生,经过大一一学年的学习学生对化工知识有了一定的了解,为化工原理的学习奠定了一定的基础。通过对本门课的学习,学生能够初步掌握流体流动、流体输送机械、非均相混合物的分离及传热的基础知识和基本内容,为后续专业课程的学习打下基础.
教学方法 教学媒体—板书一体化教学、讨论法、讲授法
教学回顾 化工原理是一门基础技术课程和主干课程,理论和实践结合比较强,而由于学校实验室和实验设备的局限性,所以学习过程中只能重理论讲解轻实践操作,所以学生听着就比较枯燥,但是通过给学生放一些动画,学生基本能够区分和理解这些知识。
                 
 
 
教研室主任审签:                                 年   月   日
 
教学环节
 
教学过程(教学内容和教学方法)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
教学过程:
              
一、化工原理的地位、作用与任务。
 专业基础课:化工原理、化工热力学和反应工程
1.教学计划:  自然科学→ 工程技术科学 
2.实践性: 源于生产实践→面向生产实践
3.工程性:工程观点、计算性较强
化工原理是化学工程学的一个分支。
二、化学工程学
1.历史:1880年,英国戴维斯提出
        1908年,美国化学工程学会成立
2.概念:化学、物理化学与工程知识的结合
3.内容:三传一反:动量、热量和质量的传递反应工程
传递过程成为统一的研究对象,也是联系各单元操作的一条主线
4.实质:通过考察各种传递过程的变化来阐明许多未知而复杂的因素之间的关系,从而从理论上解释化工过程,并在技术上付诸实现。
三、化工过程与单元操作
化工过程   原料预处理过程    反应过程      产物后处理过程
1.单元操作的定义
指在原料预处理和反应产物后处理过程中进行的一系列物理变化过程,以及为了维持反应条件一定,反应器中所涉及的一系列物理过程
 2.单元操作的分类
(1)动量传递:流体输送、搅拌(物料的混合或分散)、沉降,过滤(非均相混合物的分离);
(2)  热量传递:传热(物料的加热或冷却)蒸发;
(3)  质量传递:吸收,精馏,萃取、干燥、结晶、吸附,膜分离等
四、化工原理的研究方法
1.解析法(纯理论):
2.实验研究方法(量纲分析法,纯经验):
3.数学模型方法(半理论,半经验):
研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线
五、化工原理的计算基础
 设计型计算和操作型计算
1.物料衡算:
 以质量守恒为基础,用以确定进出各单元操作过程物料量以及各组成之间的相对数量关系。
2.能量衡算:
  以能量守恒为基础,用以确定进出各单元操作过程的各项(热能、机械能等)之间的相对数量关系。
3.传递速率: 其大小决定传递过程进行的快慢。
4.过程极限:平衡状态是过程进行的热力学极限。例如:相平衡,压力、温度相等等。
动力学平衡,即过程的临界点。
5.物性计算:
(1)纯物质:从物性手册上查寻;
(2)混合物:由混合公式或计算方法求得;
6.经济效益:一次性投资(设备)与操作费用(维修、消耗)之间的矛盾,即优化问题,属化工系统工程的范畴。是评价工程合理性的最终判据。
7.有关计算的几个问题:
(1)  单位(附录一):
量纲:物理量通过几个基本物理量的幂次方的乘积来表达的关系;
单位换算:SI国际单位制、工程单位制和英制。
(2)有效数字:
化工原理:3~4位
六、化工原理课程所解决的问题
1.过程和设备的选择;
2.过程的计算和设备的设计;
3.过程的操作和调节。
七、化工原理与其他学科的关系     
 1.生命科学
人体的生命活动:微型化工厂
血液:具有独特流变性的流体;
心脏:起着泵送作用,保证全身的血液循环;
肺:其结构提供了气液之间的密切接触;
肾:其功能基本上属于一种分离过程;
胃:其消化也包含着极其复杂的反应
皮肤:调节体内温度是通过发汗蒸发进行的。
化学工程的应用:
血液的流体动力学特征
  微循环过程的物质交换
  动脉血流的计算机模拟
  药物在人体内的吸收及分布
  调节机体温度的传热机理,等等
2.生物工程
植物细胞原生质:多种多样的物质代谢。
植物细胞从环境中吸人原料,转化为能量:
   环境与植物体之间物质交换及能量交换的
   过程,也是植物体内物质运输的过程。
化学工程的作用:
植物体内的传递过程和规律:
   光合作用机理
   植物体内水分传递
3.生物化学:
生化物质的分离:生物技术的下游加工技术(与化学物质的分离同归一宗)。
包括:传统:过滤、萃取、膜分离、蒸发、结晶、干燥等
新技术:超临界流体萃取、色层分离、纳米膜分离
热点:将分离技术与产物的生成过程结合起来,以解决生物工艺过程中产物抑制和不稳定性而采用的重要方法
4.冶金工业:
包含着许多单元操作过程;如粉碎、筛选直至冶炼;
化学工程原理的应用,可大大降低成本及提高设备利用率。
应用:设计高炉。
5.原子能工业
1942年,第一座原子反应堆建成,人类开始进入原子能时代
反应堆:原子能用于和平事业
化学工程的应用:
   重水蒸馏、铀的精制、反应堆的设计、废燃料的处理
6.空间技术
20世纪后半叶:航天飞船;
宇宙中:极高或极低的温度,微粒陨石及碎片的撞击。
化学工程的应用
   1.喷气发动机和火箭用高能燃料的制取;
   2.放射线尘埃的过滤;
   3.发射航天飞船时所发出的巨大声响、振动、冲击、摩擦、传热等问题的处理;座舱内空气和污水的净化及循环。
其他应用:医药工业、食品工业、能量开发、环境保护、新材料研究。
现代的化学工程:
传统单元操作的优化
达到了不同领域分子级别的工程:比如生物传感器的制备,计算机芯片的化学沉积,以及液晶的生产等等。
总结——课堂小结
     通过本节课的学习,让学生对化工原理概述有了初步的认识,为以后章节的学习和应用打下坚实的基础。
巩固----作业布置
习题:   一、三               
 
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课程名称 化工原理
项  目 第一章 课题 流体流动 课型 理论课
授课班级 13级应用化工班 授课
时间 9月12~30日
17课时 授课教师 乔曼
学习目标 专业能力 1、掌握流体静力学基本方程式的应用;
2、熟练掌握连续性方程、柏努利方程的物理意义、适用条件、解题要点;
3、 理解流体的流动类型、雷诺数及其计算;
核心能力 能够理解并掌握流动在圆形直管内的阻力及其计算、管路计算并会进行流量测量。
教学方法 教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等
教学回顾 通过上次课的学习学生基本理解了化工原理这门课程的性质、地位和作用,并了解了一些简单的化工过程与单元操作、物料衡算与热量衡算的基本知识,为本章节的学习做了铺垫
 
教研室主任审签:                                 年   月   日 
 
教学环节
教学过程(教学内容和教学方法)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
教学过程:
一、  回顾--温故知新
以PPT呈示一些简单的化工过程与单元操作、物料衡算与热量衡算的基本知识,以加深学生对上节课内容的理解和记忆。
二、观察--思考讨论
引出上一章节绪论的基本内容,让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系,提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
 
第一节     概述
一、 流体及其流动
流体(因为能流动) 
流体的特点:流动性、无定形性、在外力作用下内部发生相对运动化工过程倾向于处理流体物料,原因是:
 ①流体易于输送(流动性)
 ②贮存方便(无定形性)
 ③容易混合均匀(外力作用下内部发生相对运动                 
二、连续性假定               
宏观运动(流体的整体运动)与微观运动(流体分子的热运动)
不能以流体分子作为研究对象。原因是
   ①分子之间有间距,分子不连续(数学工具是连续函数);
   ②分子热运动是完全随机的;
   ③研究流动规律,人们感兴趣的是流体的宏观流动,而不是分子随机的微观运动,因为分子太小了。
也不能以流体整体作为研究对象。这是由于流体的无定形性,以流体整体作为研究对象显得太大了。 
流体质点(由大量分子所组成的流体微团):
分子尺寸(10-10m)<< 质点尺寸(10-6m)<<  设备尺寸(10-2m以上)
连续性假定:可以假定质点间没有间隙,流体是连续的
连续性假定不成立的特例:极稀薄的气体,膜的超细孔中流体的流动 
三、可压缩流体和不可压缩流体  
可压缩流体(密度ρ随T,P变化)
不可压缩流体(密度ρ为常数)
液体 :密度ρ变化很小,可认为是不可压缩流体
气体:可压缩流体,但当T和P变化率很小的情况下,也可将气体当作不可压缩流体来处理
四、流体的黏性
1、牛顿粘性定律 
       
式中:F——内摩擦力,N;
       τ ——剪应力,Pa;
          —法向速度梯度,1/s; 
       μ——比例系数,称为流体的粘度,Pa•s
牛顿型流体:剪应力与速度梯度的关系符合牛顿
            粘性定律的流体;
非牛顿型流体:不符合牛顿粘性定律的流体。 
牛顿粘性定律的讨论: 1.粘度的物理意义  
 由牛顿粘性定律 du/dy=1    时     τ=μ 
 该定律物理意义为: 流体流动时在与流动方向垂直的方向上产生单位速度梯度所需的剪应力。 
粘度的物理本质:分子间的引力和分子的运动与碰撞
2. 粘度的单位 
SI制:Pa•s  或 kg/(m•s)
物理制:cP(厘泊)
换算关系1cP=10-3 Pa•s  
3.运动粘度  
粘度μ与密度ρ的之比。
物理单位制中运动粘度的单位为沲(st)。
换算关系: 1st =10-4 m2/s 
 
 
 
 
 
第二节  流体静力学基本方程式
 
本节主要内容:流体的密度和压强的概念;在重力场中的静止流体内部压强的变化规律及其工程应用。 
本节的重点:重点掌握流体静力学基本方程式的适用条件及工程应用实例。
1-1  流体的压力  
一、压力(压强)的概念
   流体垂直作用于单位面积上的力 ,即压强, 习惯称压力 
   特点: (1) 说明大小数值即可,不用表示方向 
        (2)空间不同点,压强的大小数值不相同 
     二、压力的单位 
SI单位制,压力单位N/m2 (即 Pa或帕斯卡) 常用Kpa(千帕), Mpa(兆帕) 1Kpa=103Pa,1Mpa=106Pa, 1Mpa=103Kpa 
习惯单位:atm(标准大气压),at(工程大气压),mmHg(毫米汞柱),mH2O(米水柱),bar(巴).换算参见附录规定使用国际单位制(SI) 
三、压力的基准:   绝对真空和大气压力 
绝对压强:以绝对零压作起点计算的压强,是流体的真实压强。
表压强:压强表上的读数,表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值,即: 表压强=绝对压强-大气压强 
真空度:真空表上的读数,表示被测流体的绝对压强低于大气压强的数值,即:真空度=大气压强-绝对压强  
特别注意:大气压强指的是当地大气压力
例1-1 某台离心泵进、出口压力表读数分别为30kPa(真空度)及170kPa(表压)。若当地大气压力为101kPa,试求它们的绝对压力各为若干(以法定单位表示)? 
解: 泵进口绝对压力P1=101-30 = 71kPa
  泵出口绝对压力P2=170 +101 = 271kPa
           
 
 
1-2  流体的密度与比容   
   一. 密度 
定义: 单位体积流体的质量称为密度.
公式:          (kg/m3)
液体密度: 作为常数,为不可压缩流体 
相对密度(比重),气体密度:可压缩流体,p和T变化率很小时作不可压缩流体处理。一般气体密度按理想气体计算,气体在标准状态下密度可查,应用时需换算
液体混合物密度 
气体混合物的密度  
其中 
对于理想气体,其摩尔分率与体积分率相同。 
二、比容  
即单位质量流体具有的体积:  
   
     比容是密度的倒数,单位为m3/kg 
 
1-3  流体静力学基本方程式
 
某一点不同方向上的压强在数值上相等,为什么? 
流体的静压强是位置的函数:
 流体静力学方程式就是静压强与位置关系的具体函数形式
重力场中垂直方向液柱受力分析: 
(1)上端面所受总压力                
                           方向向下
(2)下端面所受总压力
                         方向向上
   (3) 液柱的重力  
                                 方向向下 
 
液柱处于静止时,上述三项力的合力应为零,即 
整理并消去A,得 (1) 
        
变形得     (2)  
  若将液柱的上端面取在容器内的液面上,设
   液面上方的压力为p0,液柱高度为h,则结果还可改写为  
 (3)
(1)(2)(3)三式就是流体静力学基本方程式(三个式子完全等价),反映了在重力场作用下流体压强随位置变化的规律 
静力学基本方程适用条件: 在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体 
重要结论:  p仅与z有关,而与x和y无关 
液体:  不可压缩流体, 方程适用 
气体:  ρ随压强p改变, 可压缩流体, 方程不适用。如果压强改变不大, ρ取变化范围内的平均值ρm ,可近似认为是常数,则上面的方程也可以适用。 
结论(讨论): 
(1)等压面:同一种流体、连通和同一水平面三个条件缺一不可 
(2) 液体具有传递压强变化的能力  
 
 
(3)在同一静止流体中,处在不同位置流体的位能和静压能各不相同,但总和恒为常量  
(4)结果可改写为  
  可用液柱高度表征压强的大小,但必须指明液体种类,以确定ρ。 
例如mmHg,mH2O,mmH2O就可以来表示压强的大小 
 
医学上血压也常用mmHg表示。 
1-4 流体静力学基本方程式的应用
利用静力学基本原理可以测量:
流体压力与压差
容器中的液位
液封高度计算 
一、压力测量 
1. U形压差计 
 a,b在同一等压面上
 
 
 
 
 
被测流体是气体一端与被测点连接,另一端与大气相通,则测得的是表压或真空度
U形压差计安装在倾斜管路中 
 
 
 
实际上,不论两测压点
位置如何,U形压差计的读数所反映的实际上是两测压点之间的总势
能差。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
近距离液位测量装置
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
远距离液位测量装置
 
三、确定液封高度 
安全液封(或称水封)
当设备内气体压力超过规定值时,气体则从水封管排出,以确保设备操作的安全
若要求设备内的压力不超过p(表压), 则水封管的插入深度h为
 
当由于某种不正常原因,系统内气体压强突然升高时,气体可由此处冲破液封泄出并卸压,以保证设备的安全。这种水封还有排除气体管中凝液的作用。 
静力学问题解题步骤:
 (1)选择等压面(三个条件:同一种流体,连通,同一水平面)
 (2)利用静力学原理求等压面不同点处的压强,使其中一个包含的全是已知条件或已求出的量,另一个包含有未知量, 
 (3)计算时,方程中各项物理量的单位必须一致。 
第三节  流体动力学 
 
* 本节内容提要 
主要是研究和学习流体流动的宏观规律及不同形式的能量的如何转化等问题,其中包括:    
 (1)质量守恒定律——连续性方程式
 (2)能量守恒守恒定律——柏努利方程式
注意推导思路,适用条件,物理意义,工程应用
* 本节学习要求
学会用两个方程解决流体流动的有关计算问题
管内流动
明渠流动
本课程仅介绍
管内流动
1-5 流量与流速
一、流量
    1.  体积流量
     单位时间内流经管道任意截面的流体体积。
     Vs——m3/s或m3/h
  2.质量流量  
     单位时间内流经管道任意截面的流体质量。
      WS——kg/s或kg/h。 
二者关系    WS=ρVS
二、流速
1. 单位时间内流体质点在流动方向上所流经的距离。
m/s 
由上式得      
2. 质量流速  
单位时间内流经管道单位截面积的流体质量。 
    kg/(m2•s) 
3.管道直径的估算 
管道为圆形 
 
                 
流量V一般由生产任务决定  
流速选择:
    
常用流体适宜流速范围: 
水及一般液体                  1~3    m/s
粘度较大的液体             0.5~1  m/s 
低压气体                         8~15   m/s 
压力较高的气体          15~25  m/s 
 
选定适宜的流速u后可用上式估算出管径,再圆整到标准规格。 
 
[例]某厂要求安装一根输水量为30m3/h的管道,试选择一合适的管子。 
解:取自来水在管内的流速为1.5m/s,则
 
 
参考教材附录十七,本题用φ89×4mm热轧无缝钢管合适。 
 
核定流速 
 
在适宜流速范围内,所以该管子合适。 
 
1-6  连续性方程式 
对于定态流动系统,在管路中流体没有增加和漏失的情况下:
 
 
 
推广至任意截面 
 
 
——连续性方程
不可压缩性流体,  
 
圆形管道 :
 
即不可压缩流体在管路中任意截面的流速与管内径的平方成反比
 
1-7 柏努利方程式 
(一)流动流体具有的能量
1.内能:贮存于物质内部的能量, U, J/kg 
2.位能:流体受重力作用在不同高度所具有的能量。
   mgz/m=gz, J/kg, 其大小与所取基准有关 
3.动能:流体以一定速度流动,便具有动能 
        J/kg
4.静压能 
静压能=  
      
5.热
  设换热器向1kg流体提供的热量为   (J/kg)。 
6.外功(有效功)
     1kg流体从流体输送机械所获得的能量为W (J/kg)。 
以上能量形式可分为两类:
   机械能:位能、动能、静压能及外功,可用于输
                    送流体;
  内能与热:不能直接转变为输送流体的能量。
(二)理想流体管流时机械能衡算 
*理想流体: 没有粘性(即流动中没有摩擦阻力)的流体,假想流体,但对解决实际问题有重要意义
*假设流动过程中流体与外界无热量和功的交换,流体温度不变,即内能无变化,则根据能量守恒定律,流体在流动过程中总机械能保持不变,即:
 
 
 
理想流体的柏努利方程式 
二、柏努利方程的物理意义 
             各项单位为m                                                           
z ——位压头
 ——动压头   总压头
 ——静压头
不可压缩理想流体作定态流动时管道中各截面(上总机械能,或者说总压头为常数 。
* 柏努利方程的讨论 
(1)若流体处于静止,u=0,Σhf=0,W=0,则柏努利方程变为
 
说明柏努利方程即表示流体的运动规律,也表示流体静止状态的规律 。
(2)理想流体在流动过程中任意截面上总机械能、总压头为常数,即
      
(3)柏努利方程式适用于不可压缩性流体。
        对于可压缩性流体,当  时,仍可用该方程计算,但式中的密度ρ应以两截面的平均密度ρm代替。
(4)方程中等式两端的压强能项中的压强p可以同时使用绝压或同时使用表压,视计算要求而定。 
 
三、实际流体机械能衡算式 
实际流体:具有粘性的流体流动时有能量损失。
J/N,即m
 
     J/kg
其中         We = gHe ,  
实际流体机械能衡算式,一个以单位重量流体为基准,一个以单位质量流体为基准,二式完全等价.习惯上又称它们为柏努利方程. 
二、柏努利方程式的应用 
 
*利用柏努利方程与连续性方程,可以确定:
   管内流体的流量(u);
   输送设备的功率(W);
   管路中流体的压力(p);
   容器间的相对位置等(z)。
*应注意的问题:
(1)根据题意画出流动系统的示意图,标明流体的流动方向,定出上、下游截面,明确流动系统的衡算范围 ;
(2)截面的选取
   与流体的流动方向相垂直;
   两截面间流体应是定态连续流动;
  截面宜选在已知量多、计算方便处。 
(3)位能基准面的选取:  
     a.必须与地面平行;
     b. 宜于选取两截面中位置较低的截面;
     c. 若截面不是水平面,而是垂直于地面,则基准面应选过管中心线的水平面。 
(4)各物理量的单位应保持一致,压力表示方法也应一致,即同为绝压或同为表压。 
[例]用泵将敞口贮槽中的稀碱液送到蒸发器中进行浓缩,附图所示。泵换进口管为Φ89×3.5mm的钢管,碱液在进口管的流速为1.5m/s,泵的出口管为Φ76×3mm的钢管。贮槽中碱液的液面距蒸发器入口处的垂直距离为7m,碱液经管路系统的能量损失为40J/kg,蒸发器内碱液蒸发压力保持在20kPa(表压),碱液的密度为1100kg/m3。试计算所需的外加能量。 
 
解: 取1-1, 2-2截面如图,并取1-1为位能基准面,在1-1与2-2截面间列柏努利方程式:
 
 
 
 
 
[例题] 从高位槽向塔内加料。高位槽和塔内的压力均为大气压。要求料液在管内以0.5m/s的速度流动。设料液在管内压头损失为1.2m(不包括出口压头损失),试求高位槽的液面应该比塔入口处高出多少米?
解:取截面1-1及2-2如图,并以0-0截面为基准面
 
 
Z2=0, z1=x, p1=p2=0(表压),A1>>A2 u1≈0,u2=0.5m/s ,Σhf=g ΣHf, ΣHf=1.2m
 
结果表明,动能项数值很小,位能主要用于克服管路阻力. 
* 本节内容提要 
主要是研究和学习流体流动的宏观规律及不同形式的能量的如何转化等问题,其中包括:    
 (1)质量守恒定律——连续性方程式
 (2)能量守恒守恒定律——柏努利方程式
注意推导思路,适用条件,物理意义,工程应用
* 本节学习要求
学会用两个方程解决流体流动的有关计算问题
*应注意的问题:
(1)根据题意画出流动系统的示意图,标明流体的流动方向,定出上、下游截面,明确流动系统的衡算范围 ;
(2)截面的选取
 与流体的流动方向相垂直;
 两截面间流体应是定态连续流动;
截面宜选在已知量多、计算方便处。 
(3)位能基准面的选取:  
必须与地面平行;
宜于选取两截面中位置较低的截面;
若截面不是水平面,而是垂直于地面,则基准面应选过管中心线的水平面。 
(4)各物理量的单位应保持一致,压力表示方法也应一致,即同为绝压或同为表压。 
 
第四节   管内流体流动现象
   本节内容提要 
       简要分析在微观尺度上流体流动的内部结构,为流动阻力的计算奠定理论基础.以滞流和湍流两种基本流型的本质区别为主线展开讨论, 
   本节重点 
   (1) 两种流型的判据及本质区别;Re的意义及特点。 
   (2) 流动边界层概念
1-8  流体的流动型态 
一、两种流型——层流和湍流 
雷诺实验
 
 
 
 
两种流动形态:
  层流(或滞流):流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动,质点无径向脉动,质点之间互不混合;
  湍流(或紊流) :流体质点除了沿管轴方向向前流动外,还有径向脉动,各质点的速度在大小和方向上都随时变化,质点互相碰撞和混合。
二、流型判据——雷诺准数 
             无因次数群
*判断流型
  Re≤2000时,流动为层流,此区称为层流区;
  Re≥4000时,一般出现湍流,此区称为湍流区;
  2000< Re <4000 时,流动可能是层流,也可能是湍流,该区称为不稳定的过渡区。
三、Re的物理意义 
           Re反映了流体流动中惯性力与粘性力的对比关系,标志着流体流动的湍动程度。  
四、层流和湍流的比较
  内部质点运动方式不同。层流流体质点作直线运动,即流体分层运动;湍流流体在总体上沿管道向前运动,同时还在各个方向作随机的脉动 
从输送流体的角度考虑:湍流增加了能量消耗,输送流体时不宜采用太高的流速;但从传质和传热的角度考虑,湍流时质点运动速度加大使层流内层厚度减小,有利于加大传质和传热的传递速率,所以在传质和传热过程中,往往在输送条件的允许下尽可能提高流体的流速。
例 有一内径为25mm的水管,如管中流速为1.0m/s,水温为20℃。求:(1)管道中水的流动类型; (2)管道内水保持层流状态的最大流速。 
解 (1)20℃水μ=1cP,ρ=998.2kg/m3
 故管中为湍流
 
(2)保持层流需
 
 
1-9    流体在圆管内的速度分布
速度分布:流体在圆管内流动时,管截面上质点的
           速度随半径的变化关系。
理想流体速度分布:柱塞流
实际流体速度分布    
一、层流时的速度分布 
                                                                              
 
 
 
 
 
由压力差产生的推力  
流体层间内摩擦力  
            
  
管壁处r=R时, =0,可得速度分布方程  
管中心流速为最大,即r=0时,  =umax 
       
即流体在圆形直管内层流流动时,其速度呈抛物线分布
管截面上的平均速度 :
 
即层流流动时的平均速度为管中心最大速度的1/2。 
*哈根-泊谡叶(Hagen-Poiseuille)方程 
速度分布方程 
又    
 
——哈根-泊谡叶
 (Hagen-Poiseuille)方程 
二、流体在圆管中湍流时的速度分布 
 
 
 
 
 
 
湍流速度分布的经验式: 
n与Re有关,取值如下: 
       1/7次方定律
当     时,流体的平均速度 :
 
   湍流主体:速度脉动较大,以湍流粘度为主,径向传递因速度的脉动而大大强化;
   过渡层:分子粘度与湍流粘度相当;
   层流内层:速度脉动较小,以分子粘度为主,径向传递只能依赖分子运动。
——层流内层为传递过程的主要阻力
Re越大,湍动程度越高,层流内层厚度越薄。
流动边界层的基本概念
 
 
 
 
 
 
① 板面附近流速变化较大(存在速度梯度)的区域,称为流动边界层(或简称边界层),流体阻力集中在此区域内。
② 边界层以外流速基本不变(等于u∞)的区域称为主流区,此区内速度梯度为零。
一般以主流流速的99%处作为两个区域的分界线,上图所示的虚线与平板间的区域即为边界层区域。因此,边界层的内侧速度为零,而外侧速度为0.99u∞。 
如右图 在湍流边界层中,
离壁较远的区域为湍流,
但靠近板面的一薄层流体
的流速仍很小并保持层流,
也就是层流内层。
 
如上图所示,在湍流边界层中,离壁较远的区域为湍流,但靠近板面的一薄层流体的流速仍很小并保持层流,也就是层流内层。 
流体流动现象小结
▲  牛顿粘性定律是牛顿流体在作层流流动时的过程特征方程。它虽然是一个简单的实验定律,但在流体流动尤其是层流解析中具有重要作用。
 ▲  流体按其流动状态有层流与湍流两种流型,这是有本质区别的流动现象。在流体流动、传热及传质过程等工程计算中,往往必须先确定之。流型判断依据是Re的数值。
▲  层流速度分布的描述采用一般物理定律十过程特征定则的方法,得到完全解析的结果。湍流时,由于过程特征规律不确定,而使问题无法解析,只有采用实验测定的方法。 
 
第五节    流体流动的阻力
*  本节内容提要
         解决流体在管截面上的速度分布及柏努利方程式中流动阻力Σhf的计算问题。
*  本节重点 
 (1)流体在管路中的流动阻力的计算问题。管路阻力又包括包括直管阻力hf和局部阻力hf’ 
(2)流体在直管中的流动阻力因流型不同而采用不同的工程处理方法。对于层流,通过牛顿粘性定律可用解析方法求解管截面上的速度分布及流动阻力;而对于湍流,需借助量纲分析方法来规划试验,采用实验研究方法。
(3)建立“当量”概念(包括当量直径和当量长度)。“当量”要具有和原物量在某方面的等效性,并依赖于经验。
1-10    管、管件及阀门 
化工管路系统:主要由两部分组成,一部分是直管,另一部分是管件、阀门。
一、管: 各种材料;管子规格 
二、管件:用来改变管道流向、连接支管、改变管径及堵塞管道等 
三、阀门:用作开
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
相应流体流动阻力也分为两种: 
*直管阻力:流体流经一定直径的直管时由于内摩擦而产生的阻力,又称沿程阻力,以hf表示。 
*局部阻力:流体流经管件、阀门等局部地方由于流速大小及方向的改变而引起的阻力,又称形体阻力,以hf’表示。 
所以流体在圆管内流动时的总阻力为: 
 
 
1-11  流体在直管中的流动阻力
下面来看看流体在直管中流动时阻力的表现形式 
 
 
 
 
流体在水平等径直管中作定态流动。
 
     
 
若管道为倾斜管,则 
 
  流体的流动阻力表现为总势能的减少;
  水平安装时,流动阻力恰好等于两截面的静压能之差。 
  问题:附图中所示的高位槽液面
  维持恒定,管路中ab和cd两
  段的长度、直径及粗糙度均相
  同。某液体以一定流量流过管
  路,液体在流动过程中温度可
  视为不变。问:(1)液体通过
  ab和cd两管段的能量损失是
  否相等?(2)此两管段的压
  强差是否相等?(3)两U管
  压差计的指示液相同,压差计的读数是否相等? 
二、直管阻力的通式 
由于压力差而产生的推动力: 
流体的摩擦力:  
定态流动时   
 
 
令            
 
则 J/kg
     ——直管阻力通式(范宁Fanning公式) 
 ——摩擦系数(摩擦因数
其它形式:
压头损失       m
 
压力损失      Pa
  该公式层流与湍流均适用;
  注意不同场合Δp的区别。(可用Δpf表示压力损失)
1-12    层流的摩擦阻力 
层流时速度分布式的推导当流体在圆形直管内作定常等速层流流动,即Re≤2000时,流体图133层流时管内
速度分布式的推导各同心圆薄层间都存在内摩擦力。 
层流速度分布方程 
又       
           ——哈根-泊谡叶(Hagen-Poiseuille)方程
能量损失  J/kg
  层流时阻力与速度的一次方成正比 。
变形: 
比较得    
1-13    湍流的摩擦阻力
一、管壁粗糙度的影响 
光滑管:玻璃管、铜管、铅管及塑料管等;
粗糙管:钢管、铸铁管等。
绝对粗糙度  :管道壁面凸出部分的平均高度。
相对粗糙度    : 绝对粗糙度与管内径的比值。
 层流流动时:
流速较慢,与管壁无碰撞,阻力与  无关,只与Re有关。
二、量纲分析法
目的:(1)减少实验工作量;
     (2)结果具有普遍性,便于推广。 
基础:因次一致性
      即每一个物理方程式的两边不仅数值相等,
      而且每一项都应具有相同的因次。 
基本定理:白金汉(Buckinghan)π定理
    设影响某一物理现象的独立变量数为n个,这些变量的基本因次数为m个,则该物理现象可用N=(n-m)个独立的无因次数群表示。 
湍流时压力损失的影响因素:
(1)流体性质:r,m 
(2)流动的几何尺寸:d,l,e(管壁粗糙度) 
(3)流动条件:u
   
物理变量  n= 7 
基本因次   m=3 
无因次数群 N=n-m=4 
即该过程可用4个无因次数群表示。
无因次化处理 
式中:   ——欧拉(Euler)准数
 ——雷诺数
 ——管道的几何尺寸
 ——相对粗糙度
根据实验可知,流体流动阻力与管长成正比,即 
 
  
或   
 
莫狄(Moody)摩擦因数图:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(1)层流区(Re≤ 2000) λ与ε/d 无关,
    与Re为直线关系, 即
则             ,即 hf 与u的一次方成正比。 
 
(2)过渡区(2000<Re<4000) 
将湍流时的曲线延伸查取λ值 。
(3)湍流区(Re≥4000以及虚线以下的区域) 
 
应注意:只有两种流型,没有一种过渡流型 
(4)完全湍流区 (虚线以上的区域) 
λ与Re无关,只与    有关 。 ,λ一定
 ,hf    u2, 该区又称为阻力平方区。
经验公式(使用时应注意各自的适用范围) :
柏拉修斯(Blasius)式: 
    适用光滑管
Re=5×103~105 
1-14  管壁粗糙度对摩擦系数λ的影响
各种化工用管的管壁粗糙度并不相同,从几何意义上可分为以下两类。 
 
① 几何光滑管:如玻璃管、铜管、铝管、塑料管等。
② 粗糙管:如钢管、铸铁管、水泥管等。 
实际上,即使是同一材质制成的管子,随着使用时间长短、腐蚀、结垢等情况的不同,管壁的粗糙度也会有变化
在层流时,因为管壁上凹凸不平的地方都被层流流体所掩盖,λ与管壁粗糙度无关,只与Re数有关。
流体流过管壁面的情况 
 
 
 
 
 
湍流时,管壁上的凸出部分将对λ及阻力损失产生影响,它又可分为两种情况:当Re数较小,层流内层厚度δL较厚时,如图 a,管壁的凸起高度将埋在层流内层中,它对流动阻力的影响如Moody图上湍流区的光滑管曲线所示,与相对粗糙度无关。由于δL随Re的增加而减小,一旦管壁凸出部分暴露在层流内层以外, 如图b,较高流速的流体质点将冲击这些暴露的凸出部分产生额外的旋涡,必然增大流体阻力损失。在相同粗糙度下,Re数愈大;或在同一Re数下,粗糙度愈大,暴露部分将愈多且愈高,阻力损失也将随之增加。当Re数增至阻力平方区时,流动阻力将主要由于流体质点对管壁凸出高度的撞出和湍动,壁面的黏性摩擦力退居非常次要的地位,于是,λ只与ε/d有关而与Re数无关。当绝对粗糙度相同时,小直径管比大直径管受到的影响要大,所以在Moody图上采用相对粗糙度ε/d作为参数。 
[例] 水在内径为100mm,长度为10m的水平滑管中流动,水的密度取1000Kg/m3,粘度取1.0×10-3Pa•S, 其流速分别控制在2m/s、4 m/s、8m/s时,试比较因直管摩擦阻力所造成的压头损失。
解:(1)u1=2m/s时,Re1= 
 
查莫狄图可得: 
 
 
(2)u2=4m/s时,Re2=
 
2 =0.0136
查图得: 
 
(3)u3=8m/s时,Re3=
 查图得:
 
(4)比较:  
 
 
*分析:管路选用过高流速,将消耗更多的能量,经济上不合算。但也并不是流速选的越小越好,有一个最适宜流速范围 
1-15     非圆形管内的流动阻力 
当量直径: 
套管环隙,内管的外径为d1,外管的内径为d2 :
 
  边长分别为a、b的矩形管 :
 
说明:
(1)Re与hf中的直径用de计算;
(2)层流时:
       C=57
套正方形管环隙   C=96 
等边三角形C=53
(3)从能量损失角度考虑,圆形管道最佳 。
1-16     局部阻力 
一、阻力系数法 
将局部阻力表示为动能的某一倍数。 
    J/kg
或    J/N=m
ζ——局部阻力系数 
 
1. 突然扩大
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3. 管进口及出口
进口:流体自容器进入管内。
                      进口 = 0.5   进口阻力系数
出口:流体自管子进入容器或从管子排放到管外
             空间。
               出口 = 1      出口阻力系数
4 . 管件与阀门
      阻力系数值需实测。手册可查。
二、当量长度法
将流体流过管件或阀门的局部阻力,折合成直径相同、长度为le的直管所产生的阻力 。
 
le  —— 管件或阀门的当量长度,m。
              需实测。手册可查。
上述两种方法在计算局部阻力时,由于与定义不同,从而使两种计算方法所得的结果不一定会一致,它们都是工程计算中的近似估算值。
 
 
 
 
 
 
管件与阀门的当量长度共线图 
 
 
 
 
 
 
 
管件与阀门的当量长度共线图 
1-17   流体在管内流动的总阻力损失计算
管路的总阻力损失为直管阻力与局部阻力之和,即:
 
或 
有时,由于  或  的数据不全,也可混合应用,即
 
减少流动阻力的途径
  管路尽可能短,尽量走直线,少拐弯;
  尽量不安装不必要的管件和阀门等;
   管径适当大些。
若管路由若干直径不同的管段组成时,各段应分别计算,再加和。 
实际应用时,长距离输送以直管阻力损失为主,车间管路则往往以局部阻力为主。 
*阻力对流动的影响 
如图管路,初始阀门全开,
现把阀门关小:
 1、  阀门关小,阀门的阻力系数ξ增大,hfA-B增大,管内各处的流速 u 随之减小。 
2、  流速u降低,使直管阻力hf1-A变小,因A点高度未变,从柏努利方程可知压强pA会升高。
 3、流速降低使hfB-2变小,同理,pB会降低。 
*现象: 
(1)任何局部阻力的增加都会使各处流速下降; 
(2)下游阻力增大将使上游压强上升; 
(3)上游阻力增大将使下游压强下降。 
*结论: 
管路应视作一个整体,任一管段或局部条件的变化都会使整个管路原有的能量平衡遭到破坏,须根据新的条件建立新的能量平衡关系。 
 
例  如图所示,料液由常压高位槽流入精馏塔中。进料处塔中的压力为30kPa(表压),送液管道为φ45×2.5mm、长10m的钢管。管路中装有180°回弯头一个,全开标准截止阀一个,90°标准弯头一个。塔的进料量要维持在6m3/h,试计算高位槽中的液面要高出塔的进料口多少米?操作条件下料液的物性:         ,                             Pa•s 
解:取1-1和2-2截面如图,取过2-2面中
心线的水平面为基准面。在1-1与2-2
列柏努利方程:
 
z1=h,u1≈0,p1=0(表压),z2=0;p2=30kPa(表压)
                            m/s
 
 ,
 
取管壁绝对粗糙度        mm,则 
 
从莫狄图中查得摩擦系数  
阻力系数:进口突然缩小 x =0.5 , 回弯头x =1.5,90º标准弯头x =0.75  ,标准截止阀(全开)  x =6.9
x=0.5+1.5+0.75+6.9=9.65
J/kg
 
分析说明:本题也可将截面2-2′取在管出口外侧,此时流体流入塔内,2-2′截面速度为零,无动能项,但应计入出口突然扩大阻力,又     ,所以两种方法的结果相同。 
流动阻力小结
流体在管中的流动阻力损失包括直管摩擦阻力损失和局部阻力损失,这是两种有本质区别的阻力损失。前者主要是表面摩擦,而后者主要是涡流造成的形体阻力损失。
直管中摩擦阻力损失公式可以用基本物理定律十辅助定则的方法获得,其最终表达形式取决于辅助定则,即与过程持征有关。层流可以解析,湍流时不得不借助实验。
因次分析法是一种化工中常用的实验规划方法,它可以减少实验工作量,做到“由小见大,由此及被”。其依据是因次一致性原则。应注意的是,此法必须与经验(或初步实验)相结合,在确定过程影响因素时,不能遗漏必要的变量。
局部阻力是—种极复杂的流动现象,一般只能以实验测得某些参数(如阻力系数)来进行估算。
▲  工程上常采用“当量”的方法去处理一些目前尚不清楚或无法测定的量。即用一个量去代替原有量,而该量容易测得,见其效果与原有量在某方面等效。在非圆形管阻力计算中采用定义“当量直径”的方法以及局部阻力计算中的“当量长度法”就是实例。它依赖于经验,并无可靠的理论根据。
 
第六节    管路计算
本本节的学习目的 
        掌握不同结构管路(简单管路,并联管路及分支管路)的特点,设计型和操作型管路计算方法和步骤,以达到合理确定流量、管径和能量之间的关系。
本节重点 
        重点为不同结构管路的特点,如简单管路能量损失具有加和性;并联管路中各支管中的压强降(或能量损失)相等;分支管路中单位质量流体流动终了时的总机械能和沿程能量损失之和相等,并且在数值上等于在分叉点每kg流体具有的总机械能。
1-18     简单管路 
一、简单管路计算 
简单管路如图。其特点为:
1)流体通过各管段的质量流量不变,对于不可压缩流体,则体积流量也不变。  
不可压缩流体 
(2) 整个管路的总能量损失等于各段能量损失之和 。
 
简单管路计算基本关系式和内容
*基本关系式
连续性方程式 
柏努利方程式 
能量损失计算式
 
摩擦系数 
雷诺准数  
*计 算内 容
(1)对于已有管路系统,规定流量,求能量损失或We;
(2)对于已有管路系统,   规定允许的能量损失或推动力,求流体的输送量;
(3)规定输送任务和推动力,选择适宜的管径。
*计算类型
(一)设计型计算 
  设计要求:规定输液量V,确定一经济的管径及供液点提供的位能z1(或静压能p1)。
给定条件
(1)供液与需液点的距离,即管长l; 
(2)管道材料与管件的配置,即e及Σξ,  
(3)需液点的位置z2及压力p2;
(4)输送机械 We。 
选择适宜流速 确定经济管径
(二)操作型计算 
  已知:管子d 、e、l,管件和阀门Σξ,供液点z1、p1,
         需液点的z2、p2,输送机械 W;
     求:流体的流速u及供液量V。 
  已知:管子d、 e、 l、管件和阀门Σξ、流量V等,
    求:供液点的位置z1 ; 或供液点的压力p1;或输送机械有效功W 。
       即求所需的输送动力。
试差法计算流速的步骤:
(1)根据柏努利方程列出试差等式;
(2)试差:           可初设阻力平方区之值
 
符合?
 
注意:若已知流动处于阻力平方区或层流,则无需
            试差,可直接解析求解。
 
例  已知输水管路的尺寸为ф89×3.5mm,管长为138m(包括管件的当量长度),管子相对粗糙度为0.0001.若该管路能量损失为50J/kg.求水的流量为若干?水的密度及粘度分别为1000kg/m3及1mPa•s .
解:                                   
    
 
 
 
 
 
 
三、阻力对管内流动的影响
 
 
 
 
 
 
 
 
 
阀门F开度减小时:
(1)阀关小,阀门局部阻力系数ξ↑ → hf,A-B ↑
     →流速u↓ →即流量↓; 
(2)在1-A之间,由于流速u↓→ hf,1-A ↓ →pA ↑ ; 
(3)在B-2之间,由于流速u↓→ hf,B-2 ↓ →pB ↓ 。 
结论:
(1)当阀门关小时,其局部阻力增大,将使管路中流量下降;
(2)下游阻力的增大使上游压力上升;
(3)上游阻力的增大使下游压力下降。
        可见,管路中任一处的变化,必将带来总体的变化,因此必须将管路系统当作整体考虑。
1-19   复杂管路 
一、并联管路 
 
 
 
1、特点:
(1)主管中的质量流量为并联的各支路质量流量之和; 
对于不可压缩流体: VS =VS1 + VS2 + VS3 
(2)并联管路中各支路的能量损失均相等。 
 
注意:计算并联管路阻力时,仅取其中一支路即
            可,不能重复计算。
2. 并联管路的流量分配
  而 
 
 
支管越长、管径越小、阻力系数越大——流量越小;反之                                                      ——流量越大。
二、分支管路与汇合管路 
 
 
 
 
 
 
1、特点:
(1)主管中的流量为各支路流量之和; 
 
不可压缩流体 
(2)流体在各支管流动终了时的总机械能与能量损失之和相等。 
 
例  常温水流过一根水平钢管,管长为80m,要求达到的流量为40m3/h,有4m的压头可供克服流动的摩擦损失,试求管径。取水的密度为1000kg/m3,粘度为1×10-3 Pa•s (设钢管的绝对粗糙度为0.2mm). 
解:简单管路的设计型计算问题, 待求量为d。由于d未知,即使V已知,u也无法求,无法计算Re,不能确定λ,故须用试差法计算。 
 
 
 
 
 
 
 
湍流时λ值多在0.02~0.03之间,可先假设λ=0.023 ,由试差方程解得d=0.086m。然后再校核: 
 
 
 
 
查莫狄图,得λ  =0.025,与原假设不符,以此值重新试算,得:d=0.0874 m, u=1.85m/s,Re=1.62×105
查图得  =0.025,与假设相符,试差结束 .
由管内径d=0.0874m,查附录表,选用ф114×4mm的热轧无缝钢管合适,其内径为106mm,比所需略大,则实际流速会更小,压头损失不会超过4m,可满足要求。
   或者可用式子算,如              ,试差步骤相似. 
 或者可用式子算,如  ,试差步骤相似. 
例  粘度为30cP、密度为900kg/m3的某油品自容器A流过内径40mm的管路进入容器B,两容器均为敞口,液面视为不变,管路中有一阀门,阀前管长50m,阀后管长20m(均包括所有局部阻力的当量长度)。当阀门全关时,阀前后的压力表读数分别为0.09MPa和0.045MPa。现将阀门打开至1/4开度,阀门阻力的当量长度为30m,试求:
(1)管路中油品流量;
(2)开大阀门,定性分析阀前、阀后的压力表的读数有何变化?
解: (1)取阀的高度z=0
阀关闭时流体静止,由静力学基本方程:
     
    
阀门1/4开时,在两液面间列柏努利方程: 
 
       
 油品粘度较大,现设管内为层流 
  
 
 
 
 
(2)阀门开大时,流速u增大 
 
可得p1变小; 
 
可得p2变大. 
管路计算小结
    ▲  管路计算的依据是:连续性方程、机械能街算方程和摩擦因数关联式(或关联图)。
    ▲  据上述方程组中众多变量的不同组合,把管路计算问题分成设计型计算(根据工艺要求,设计经济上合理的管路)和操作型计算(对已有的管路,据某些已知条件去核算其他有关参数)。
    ▲  设计型计算为非定解问题,设计者面临最佳参数的选择,即存在参数最优化问题操作型计算为定解问题,但由于某些变量间的较复杂的非线性关系,使得这类问题常需要通过试差或迭代方法求解。
    ▲  简单管路阻力损失具有相加性;并联管路各支路阻力损失(或压降)为一常数。
    ▲  管路系统为一有机整体(通过该系统的方程组联系),任一处参数的变化,都将引起其他处的参数变化及流量的重新分配。
 
 
第七节     流量的测定
 
测量流量的仪表是多种多样的: 
流体力学原理: (1)差压型(毕托管,孔板流量计,
 文丘里流量计等) (2)截面型(转子流量计);
机械学原理(齿轮流量计,蜗轮流量计);
热量学原理(热膜测速计);
光电原理(激光浊速计).
  下面仅介绍几种根据流体力学原理,即流体流动时各种机械能相互转换关系而设计的流速计与流量计。
1-20  测速管(皮托管)
一、结构
二、原理 
内管A处
 
外管B处
  
 
点速度: 
即     ρo——指示液的密度,kg/m3 
ρ ——被测流体的密度,kg/m3 
讨论:
(1)皮托管测量流体的点速度,可测速度分布曲线;
(2)流量的求取:
  由速度分布曲线积分 
测管中心最大流速,由u/umax-Remax求平均流速,再计算流量。
三、安装 
(1)测量点位于均匀流段,上、下游各有50d直管距离;
(2)皮托管管口截面严格垂直于流动方向;
(3)皮托管外径d0不应超过管内径d的1/50,即   d0<d/50 。
1-21  孔板流量计
一、结构与原理 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
二、流量方程 
    在1-1′截面和2-2′截面间列柏努利方程,暂不计能量损失 
 
 
变形得 
 
问题:(1)实际有能量损失;
      (2)缩脉处A2未知。 
解决方法:用孔口速度u0替代缩脉处速度u2,引入
          校正系数 C。 
 
由连续性方程
 
令     
则      
 
体积流量  
质量流量
C0——流量系数(孔流系数) 
A0——孔面积。
讨论:
(1)特点:
    恒截面、变压差——差压式流量计 
(2)流量系数C0
      对于取压方式、结构尺寸、加工状况均已规定的标准孔板 
 
Red是以管道的内径d1计算的雷诺数
  
当Re >Re临界时, 
一般   C0=0.6~0.7
(3) 测量范围 
    
孔板流量计的测量范围受U形压差计量程决定。 
三、安装及优缺点 
(1)安装在稳定流段,上游l >10d,下游l >5d;
(2)结构简单,制造与安装方便 ;
(3)能量损失较大 。
文丘里(Venturi)流量计 
 
 
 
 
 
  属差压式流量计;
  能量损失小,造价高。
文氏流量计的测量原理与孔板流量计相同,流体经渐缩管至喉颈处,一部分压强能逐渐转化为动能。在喉颈处,压强值最小,与入口截面间的压强差最大。然后经渐扩管,其中大部分动能又可转化为压强能,故机械能损失比孔板流量计要小得多,这是由于流体在文氏流量计中流速变化平缓、涡流较少的缘故。 
 
CV——流量系数(0.98~0.99) 
A0——喉管处截面积
转子流量计
一、结构与原理 
从转子的悬浮高度直接读取流量数值。
 
二、流量方程 
转子受力平衡  
在1-1′和0-0′截面间列柏努利方程 
    
  
 
 
 
 
由连续性方程    
 
CR——流量系数 
体积流量 
讨论:
(1)特点:
    恒压差、恒流速、变截面——截面式流量计。 
 
(2)刻度换算
标定流体:20℃水(r=1000kg/m3 )
           20℃、101.3kPa下空气(r =1.2kg/m3) 
CR相同,同刻度时
 
式中:1——标定流体;
            2——被测流体。
气体转子流量计  
三、安装及优缺点 
(1)永远垂直安装,且下进、上出,
     安装支路,以便于检修。
(2)读数方便,流动阻力很小,
测量范围宽,测量精度较高; 
(3) 玻璃管不能经受高温和高压,
在安装使用过程中玻璃容易破碎。
 
 
 
 
教案首页
课程名称 化工原理
项  目 第三章 课题 沉降与过滤 课型 理论课
授课班级 13级应用化工班 授课
时间
10月28~11月12日
15课时 授课教师 乔曼
学习目标 专业能力 重点掌握沉降和过滤这两种机械分离操作的原理、过程计算、典型设备的结构与特性,能够根据生产工艺要求,合理选择设备类型和尺寸。
核心能力 1.沉降分离(包括重力沉降和离心沉降)的原理和基本公式。
2.过滤操作的原理、恒压过滤基本方程式,恒压过滤的计算、过滤常数的测定。
 
教学方法 教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等
教学回顾 通过上一章课的学习学生基本掌握了流体输送机械的作用、分类、结构、工作原理,为本章节的学习做了铺垫
                 
 
 
教研室主任审签:                                 年   月   日
 
教学环节
 
教学过程(教学内容和教学方法)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
教学过程:
一、  回顾--温故知新
以PPT呈示一些非均相混合物的基本知识,以提高学生对本节课的学习兴趣。
二、观察--思考讨论
引出上一章节流体输送机械的基本内容,让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系,提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
 
概述
图片1.png
非均相混合物的组成
§   分散相或分散物质
§   连续相或分散介质
非均相混合物的分离方法
§   沉降
§   过滤
非均相混合物的目的
1.回收有价值的分散物质
2.净化分散介质以满足后继生产工艺的要求
3.环境保护和安全生产 
固体颗粒与流体间的相对运动
1.固体颗粒静止,流体对颗粒绕流;
2.流体静止,颗粒作沉降运动;
3.流体与固体颗粒都运动,但运动速度不一样,二者间有一相对速度。
 
第一节  沉降
(一)重力沉降
一、球形颗粒的自由沉降
1.沉降颗粒的受力分析
ds,rp的球形颗粒
重力图片1.png         浮力 图片2.png
阻力 图片3.png
图片4.png
重力-浮力-阻力=颗粒质量×加速度
图片5.png
2.颗粒运动的两个阶段
加速段  重、浮一定,u­,阻力­ ,加速度¯
匀速段
一般对小颗粒而言,加速时间很短,所经过的距离也很短,通常忽略,可认为沉降过程是匀速的。
3.沉降速度
重、浮一定,u­,阻力­ ,加速度¯
加速度a=0时,u=ut——沉降速度(终端速度)
图片6.png图片7.png图片8.png
图片9.png——自由沉降速度计算式
  • 层流区图片10.png
②过渡区图片12.png
③湍流区图片13.png
二、沉降速度的计算
①事前能够确认流动区域,直接用对应公式
②流动区域不能确定,采用试差法
三、影响沉降速度的其它因素
前面结果的应用条件
  • 颗粒为球形;
  • 颗粒沉降时彼此相距较远,互不干扰
③容器壁对沉降的阻滞作用可以忽略
④ 颗粒直径不能小到受流体分子运动的影响
大空间低浓度沉降基本适用。
实际沉降过程还需考虑以下因素的影响:
(1)颗粒形状   非球形颗粒,形状与球形相差越大,其沉降速度越小。
(2)绝对速度  器壁和底面使阻力增加,使得实际沉降速度比计算值小,有时需对ut进行校正。
(3)干扰沉降(浓悬浮物系)    
§ 大颗相对于小颗粒的沉降
§ 液体置换上升
§ 小颗粒受到周围影响
总之,干扰沉降的结果使大颗粒的沉降速度下降,同时使得小颗粒的沉降速度上升,特别对于浓悬浮液的沉降过程,大小颗粒几乎以相同的速度沉降
3-4   沉降分离设备(沉降室)
(1)工作原理
气体入室®减速
颗粒的沉降运动&随气体运动
沉降运动时间<气体停留时间®分离
说明① dp­,容易除去
②气量Vs¯,容易除去
(2)能(100%)被除去的最小颗粒直径
100%去除——室顶到室底
所在室内停留时间=L/u
需沉降时间=H/ut
分离满足的条件:图片14.png
分离所需最胝沉降速度图片15.png
 
最低沉降速度~能被分离的最小颗径
图片16.png
图片17.png
 
①dpc~颗粒、气体性质,气体处理量,底面积
②考虑是dpc ,一般认为处在层流区
(3)最大处理量图片18.png
①Vmax~某一粒径能100%被去除
②Vmax~ (100%去除的) dpc, A,与H无关(多层)
(4)补充说明
①气体均布重要性——入口锥形
②横截面大——操作气速低®不被卷起
    底面积大——分离效率高
3-5  悬浮液的沉聚
一、增稠器
适用于处理量大而固相含量不高,颗粒不太细微的悬浮料浆。
二、絮凝剂
 
(二)离心沉降
 
3-6  离心分离因数
惯性离心力场  离心力 图片1.png
离心分离因数: 图片2.png
KC是表示离心力大小的指标
3-7    离心沉降速度
图片3.png
Ur和ut区别:
(1)ur绝对速度在径向上的分量,方向沿半径向外。而重力沉降速度方向向下。
(2)ur不是定值,随r而改变。而重力沉降速度ut则是恒定的。
斯托克斯定律区,离心沉降速度可表示为:
图片4.png
图片5.png
可见, KC就等于相同条件下离心沉降速度和重力沉降速度的比值。
3-8    旋风分离器
  • 构造与操作
圆筒、圆锥、矩形切线入口
气流获得旋转:向下®锥口  向上,气芯®顶部中央排气口
颗粒®器壁®滑落  各部分尺寸——按比例
二、临界直径dc
能被分离出的最小颗粒直径
三、压力损失
能量损失——进气管、排气管、器壁、各各局部,气旋
ΔP=图片6.wmf标准型  ξ=8
旋风分离器压强降一般为 1000Pa-2000Pa
四、分离效率
粒级效率h : 混合物经旋风分离器后某一(范围的)粒径被分离出来的质量分数
粒径越大,沉降越快沉降时间越短,当级粒达100℅时,称为临界直径。
混合物的处理量越大,在同一设备内的停留时间越短,临界直径越大,此时称为分离设备的做大的生产能力
3-9 旋液分离器
结构简单,操作可靠,设备费用低,常用语悬浮液的曾浓或颗粒的水里分级
3-10 管式离心机
管式分离机是分离效率最高 的沉降离心机,但处理能力较低用于分离乳浊液时可以连续操作,用来分离悬浮液时称为澄清型,可除去粒径在1μm以下的极细颗粒,由于需要定期停机除去壁面上沉降的颗粒层,要求悬浮液固相浓度小于1%(体积分数)。
3-11螺旋卸料沉降离心机
操作方便,生产能力大,适应性强,劳动强度小,在工业上应用日益普遍。但排渣中含液量较高。
第二节  过  滤
  1.  悬浮液的过滤
过滤基本原理:固液混合物,外力驱动,多孔介质,颗粒截留,液体通过
j名词:过滤介质;滤浆;滤渣(饼);滤液
k过程推动力:重力;压力(差);离心力
l操作目的:固体或清净的液体
4.洗涤——回收滤饼中残存的滤液或除去其杂质
一、两种过滤方式——滤饼过滤与深层过滤
二、过滤介质——支撑滤饼,截留颗粒,通过滤液
—要求流动阻力小,机械强度高,化学稳定性,热稳定性
①织物介质 — 滤布(织物、网),5-65mm,工业应用广泛
②堆积介质—固体颗粒或纤维等堆积,—深层过滤
③多孔固体介质:具有微细孔道的固体,1-3mm
④多孔膜:有机膜、无机膜。1 mm以下
三、助滤剂
滤饼受压­,e¯,流动阻力­
助滤剂——加入,使滤饼疏松而坚硬(预涂和预混)
3-13  过滤过程基本方程式
一、过滤过程速率和速度的定义  
过滤速率指单位时间内得到的滤液体积,即图片1.png 
过滤速度指单位时间内通过单位过滤面积的滤液
体积,用u表示,即图片2.png
①随着过滤过程的进行,滤饼逐渐加厚。 对于最常见的ΔP恒定的过滤过程确,τ↗时,滤饼↗,过滤阻力↗,所以过滤速度dV/Adτ↘,即V增加的越来越慢。
②过滤过程中,若要维持过滤速度不变,即维持恒速过滤,则必须逐渐增加过滤压力或压差。
结论:过滤是一个不稳定过程
图片3.png
二、过滤过程的推动力
图片4.png
图片5.png为滤液通过滤饼层时的压力降,也是通过该层的推动力
图片6.png为滤液通过介质层时的压力降,也是通过该层的推动力
三、过滤过程的阻力
滤液滤饼中流动,层流:
d应为定值,但无法确定,可将其并入常数(比阻)内
过滤速度的表达式:
图片7.png
r为滤饼的比阻,其值完全取决于滤饼的性质。
即滤饼阻力可能表示为: 图片8.png
说明:过滤阻力由两方面的因素决定,一是滤饼层的性质及其厚度,二是滤液的粘度。
介质阻力:相当于得到一定量的滤液(   )所形成的滤饼层的阻力,于是介质阻力可以表达为:
图片9.png
图片10.png
图片11.png过滤速率方程式
过程中过滤速率与各参数间的关系,微分式,需积分
3-13  恒压过滤
一、滤液体积与过滤时间的关系
对过滤速率方程式分离变量:图片12.png
图片13.png图片14.png
K称为过滤常数,m2/s。上式还可以写成如下形式:
图片15.png
图片1.png为单位过滤面积得到的滤液体积
相应有图片16.png
以上积分结果称恒压过滤方程式 ,反映了恒压条件
下过滤时滤液量V(或q)与时间τ的关系(抛物线).
二、过滤常数的实验测定
图片17.png
过滤常数与诸多因素有关,只有当实际生产条件
与实验条件完全相同时,实验测定的过滤常数才
可用于生产设备的计算。
3-14  过滤设备
一. 板框过滤机
图片18.png
1-非洗涤板;2-框 3-洗涤板  四角均开孔
组装: 1-2-3-2-1-2-3-2-1-2-3-2-1
滤布—框的两侧过滤
滤浆由总管入框®框内形成滤饼®滤液穿过饼和布®经每板上旋塞排出(明流) ®从板流出的滤液汇集于某总管排出(暗流)
横穿洗涤:洗涤液由总管入板®滤布®滤饼®滤布®非洗涤板®排出
洗涤面=(1/2)过滤面积
说明
①间歇操作——过滤、洗涤、卸渣、整理、装合
②主要优缺点——构造简单,过滤面积大而占地省,过滤压力高,便于用耐腐蚀材料制造,操作灵活,过滤面积可根据产生任务调节。主要缺点是间歇操作,劳动强度大,产生效率低。
二.转筒真空过滤机
(1)结构与工作原理
水平转筒分为若干段,滤布蒙于侧壁
段—管—分配头转动盘(多孔)——分配头固定盘
(凹槽2、凹槽1、凹槽3)   —三个通道的入口
工作过程—跟综一段
① 当浸入滤浆中时,对应滤布—对应管—转动盘孔—凹槽2 —滤液真空管  —滤液通道—过滤
②当位于水喷头下,对应滤饼、滤布—对应管—转动盘孔—凹槽1 —洗水真空管  —洗水通道—洗涤
③吹气管—凹槽3—转动盘孔— 对应管—滤布—滤饼 —压缩空气通道—吹松
④ 遇到刮刀  —卸渣
⑤两凹槽之间的空白处:没有通道 ——停工—两区不致串通
主要优缺点:突出优点是操作自动,其缺点是转筒体积庞大而过滤面积相形之下嫌小;过滤推动力不大,悬浮液温度不能高
三.过滤离心机
旋转液体产生的径向压差作为过滤的推动力。
 
第三节  分离设备的选择
 
气——固分离
1.利用重力沉降除去50μm以上的粗大颗粒。重力沉降设备投资及操作费用低,颗粒浓度越大,除尘效率越高。
2、 利用旋风分离器除去5μm以上的颗粒。
3、 5μm以下颗粒的分离可选用电除尘器、袋滤器或湿式除尘器。
液——固分离
1、获得固体产品可以通过增浓、过滤。
2、澄清液体可采用连续沉降槽、过滤机、过滤离心机或沉降离心机分离不同大小的颗粒,还可加入絮凝剂或助滤剂。澄清要求非常高时,可在最后采用深层过滤。
 
四、作业布置
 思考题3-2  3-3
 
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课程名称 化工原理
项  目 第五章 课题 蒸发 课型 理论课
授课班级 13级应用化工班 授课
时间
 
20课时 授课教师 乔曼
学习目标 专业能力 单效蒸发过程及其计算(包括水分蒸发量、加热蒸汽消耗量、有效温度差及传热面积的计算);蒸发器的生产能力、生产强度和单位蒸汽消耗量。
核心能力 1)蒸发操作的特点;多效蒸发操作的流程及最佳效数。
2)蒸发过程的工业应用与分类;常用蒸发器的结构、特点和应用场合;蒸发器的选用。
 
教学方法 教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等
教学回顾 通过上一章课的学习学生基本掌握了掌握传热的基本原理、传热的规律,并运用这些原理和规律去分析和计算传热过程的有关问题.,为本章的学习奠定了基础。
                 
 
 
教研室主任审签:                                 年   月   日
 
教学环节
 
教学过程(教学内容和教学方法)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
教学过程:
一、  回顾--温故知新
以PPT呈示一些基本的蒸发现象,以提高学生对本节课的学习兴趣。
二、观察--思考讨论
引出上一章节传热的基本内容,让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系,提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
 
第一节  概述
 
一、蒸发过程及其特点
1、蒸发目的
   浓缩溶液 、制取或回收纯溶剂
2、特点
① 蒸发是一种分离过程,可使溶液中的溶质与溶剂得到部分分离,但溶剂与溶质分离是靠热源传递热量使溶剂沸腾汽化。
② 被蒸发的物料是由挥发性溶剂和不挥发的溶质组成的溶液。在相同温度下,溶液的蒸汽压比纯溶剂的蒸汽压要小。
③ 溶剂的汽化要吸收能量,热源耗量很大。如何充分利用能量和降低能耗,是蒸发操作的一个十分重要的课题
④ 由于被蒸发溶液的种类和性质的不同,蒸发过程所需的设备和操作方式也随之有很大的差异  
二、蒸发过程的分类
(一)按加热方式 
直接加热 、间接加热
(二)按操作压强
真空蒸发 、常压蒸发 、加压蒸发
(三)按蒸发器的效数
单效蒸发 、多效蒸发
(四)按操作方式
间歇蒸发 、连续蒸发
 
第二节  单效蒸发过程
一、蒸发流程
蒸发器内备有足够的加热面,使溶液受热沸腾。溶液在蒸发器内因各处密度的差异而形成某种循环流动,被浓缩到规定浓度后排出蒸发器外。
两个必要的组成部分:
(1)加热溶液使溶剂沸腾汽化——蒸发器;
(2)不断除去气化的溶剂——冷凝器。

1、蒸发器:实质上为换热器
加热室:用饱和水蒸汽加热(或高温载热体、熔盐、烟道气或电加热)
分离室:蒸发出来的水蒸汽(二次蒸汽)与溶液分离后引出。
浓缩液——完成液(产品)
  (蒸发器顶部有气液分离用的除沫装置)
2、冷凝器:二次蒸汽进入直接冷凝
冷却水(从冷凝器顶部加入),与上升的蒸汽进行逆流直接接触,冷凝水从下部排出,二次蒸汽中含有的不凝性气体(a、料液中溶解的空气;b、减压操作时从外界漏入的空气)从冷凝器顶部排出。
二、蒸发器的生产能力和生产强度
(1)蒸发器的生产能力蒸发器的生产能力是指单位时间内蒸发的溶剂(水)量,kg/s或kg/h,由生产要求确定。
(2)蒸发器的生产强度蒸发器的生产强度是指单位加热室传热面积上单位时间内所蒸发的溶剂(水)量,可用下式表示:
     U=W/A[kg/(m2·s)]
式中:
 W——蒸发器的生产能力,kg/s;
 A——蒸发器加热室的传热面积,m2。
对于一定的蒸发任务,要求蒸发量W一定,若蒸发器的U愈大,所需的传热面积则愈小。
第三节  多效蒸发过程
 
优点:
① 溶液从压强和温度高的蒸发器流向压强和温度低的蒸发器,溶液可依靠效间的压差流动而不需泵送。
② 溶液进入温度和压强较低的下一效时处于过热状态,因而会产生额外的汽化(也称为自蒸发),得到较多的二次蒸汽。
③ 完成液在末效排出,其温度最低,故总的热量消耗较低。
一、多效蒸发操作方式
1、并流加料流程
优点:
a、溶液从压强和温度高的蒸发器流向压强和温度低的蒸发器,溶液可以依靠效间的压差流动,不需要泵送,操作方便;
b、溶液进入温度压强较低的下一效时自蒸发,可产生较多的二次蒸汽,完成液的温度较低,耗能少;
缺点:
各效间随着溶液浓度的提高,其温度反而降低,过溶液粘度增加很快,K下降很厉害,使生产能力降低
2、逆流加料
优点:随着溶液浓度的提高,温度也提高,故浓度增高时粘度增大的趋势正好被温度上升时粘度降低的影响大致抵消,则各效的K差别不大。适用于粘度随温度和浓度变化较大的溶液。
缺点:须用泵送;且冷加料,无自蒸发,产生的二次蒸汽少,耗能多。
3、平流加料
加料液平行加入各效,各效同时产出完成液
特点:溶液不在效间流动,适用于有结晶析出的过程
二、多效蒸发过程的计算
计算项目是:水分总蒸发量、各效水分蒸发量、生蒸汽消耗量以及各效的传热面积。
计算依据的基本关系仍然是物料衡算、热量衡算和传热速率方程。只是由于效数的增多,未知量也随之增加,计算过程要比单效复杂得多。
 
 
 
 
第四节  蒸发装置及选型
 
一、 蒸发器
蒸发器有多种结构型式,它们均由加热室、流动(或循环)通道、汽液分离空间这三部分。
(1)循环型蒸发器
①中央循环管式蒸发器
优点是:结构简单、制造方便、操作可靠、投资费用较少。
其缺点是:溶液的循环速度较低(一般在0.5m/s以下),传热系数较低,清洗和维修不够方便。因此,一般适用于黏度适中、结垢不严重或有少量结晶析出的场合。
②外热式蒸发器
优点 :热式蒸发器清洗和更换;既可降低蒸发器的总高,又可采用较长的加热管束;循环管不受蒸汽加热,两侧管中流体密度差增加,使溶液的循环速度加大,有利于提高传热系数。
缺点是:单位传热面积的金属耗量大,热损失也较大。
③列文式蒸发器
进一步提高循环速度,提高传热系数并使蒸发器更适于处理易结晶、结垢及黏度大的物料 。列文式蒸发器在加热室的上方增设了一段沸腾室,这样加热室中的溶液受到这一段附加的静压强的作用,使溶液的沸点升高而不在加热管中沸腾,待溶液上升到沸腾室时压强降低,溶液才开始沸腾汽化,这就避免了结晶在加热室析出,垢层也不易形成。沸腾室的上部装有挡板以防止气泡合并增大,因而汽液混合物可达较大的上升流速。
缺点是,设备较庞大,单位传热面积的金属耗量大,需要较高的厂房;加热管较长,由液柱静压强引起的温差损失大,必须保持较高的温差才能保证较高的循环速度。故加热蒸汽的压强也要相应提高。
④升膜式蒸发器
料液经预热后由蒸发器底部进入,在加热管内迅速强烈汽化,生成的蒸汽带动料液沿管壁成膜上升,在上升过程中继续蒸发,进入分离室后,完成液与二次蒸汽进行分离。
由于液体在膜状流动下进行加热,故传热与蒸发速度快,高速的二次蒸汽还有破沫作用,因此,这种蒸发器还适用于稀溶液(蒸发量较大)和易起泡的溶液。但不适用于高黏度、有结晶析出或易结垢的浓度较大的溶液。
⑤降膜式蒸发器
溶液由加热室顶部加入,在重力作用下沿加热管内壁成膜状向下流动,液膜在下降过程中持续蒸发增浓,完成液由底部分离室排出。由于二次蒸汽与蒸浓液并流而下,故有利于液膜的维持和黏度较高液体的流动。为使溶液沿管壁均布,在加热室顶部每根加热管上须设置液体分布器,能否均匀成膜是这种蒸发器设计和操作成功的关键。这种蒸发器仍不适用易结垢、有结晶析出的溶液。
⑥刮板式蒸发器
料液由蒸发器上部的进料口沿切线方向进入器内,被刮片带动旋转,在加热管内壁上形成旋转下降的液膜,在此过程中溶液被蒸发浓缩,完成液由底部排出,二次蒸汽上升至顶部经分离后进入冷凝器。
优点是,依靠外力强制溶液成膜下流,溶液停留时间短,适合于处理高黏度、易结晶或易结垢的物料;如设计得当,有时可直接获得固体产物。其缺点是,结构较复杂,制造安装要求高,动力消耗大,但传热面积却不大(一般为3~4m2,最大约20m2),因而处理量较小。
二、蒸发装置的附属设备
除沫器   
蒸发器上部要有足够大的气液分离空间,可使液滴藉重力的作用沉降下来。此外,常需要安装除沫器。
冷凝器
(原则上按传热章处理)如果二次蒸汽为水蒸气,多采用混合式冷凝器(直接接触式)
设计要点:大气腿的高度要足够。
疏水器
用于排除冷凝水,同时防止蒸汽外泄。疏水器由机械式、热膨胀式、热动力式等。热动力式应用较多。
 
四、作业布置
 思考题4-2  4-3
 
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课程名称 化工原理
项  目 第七章 课题 蒸馏 课型 理论课
授课班级 13级应用化工班 授课
时间
 
28课时 授课教师 乔曼
学习目标 专业能力 1)双组分理想物系的汽液平衡,拉乌尔定律、泡点方程、露点方程、汽液相平衡图、挥发度与相对挥发度定义及应用、相平衡方程及应用;
2)精馏分离的过程原理及分析;
3)精馏塔物料衡算、操作线方程及q线方程,图示及应用;
4)理论塔板数的确定;进料热状况参数q的计算及其对理论塔板数的影响;
5)全回流时的最小理论塔板数,最小回流比及其计算,回流比的选择及其对精馏操作及设计的影响。
 
核心能力 (1)平衡蒸馏和简单蒸馏的特点及计算;
(2) 全回流与最少理论板数;
(3)理论板数捷算法(Fenske方程和Gilliand关联图)
(4) 精馏装置的热量衡算;
 
 
教学方法 教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等
教学回顾 通过上一章课的学习学生基本掌握了掌握吸收的基本原理,并运用这些原理去分析和计算吸收过程的有关问题.,为本章的学习奠定了基础。
                 
 
 
教研室主任审签:                                 年   月   日
 
教学环节
 
教学过程(教学内容和教学方法)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
教学过程:
一、  回顾--温故知新
以PPT呈示一些基本的蒸馏现象,以提高学生对本节课的学习兴趣。
二、观察--思考讨论
引出上一章节吸收的基本内容,让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系,提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
 
第一节  概述
 
一、蒸馏分离的原理
利用液体混合物中各组分挥发性差异,以热能为媒介使其部分汽化从而在汽相富集轻组分液相富集重组分而分离的方法。
蒸馏操作在化工生产中的应用
用于均相液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的。
二、蒸馏操作的分类
按蒸馏方式可分为简单蒸馏,平衡蒸馏、精馏及特殊精馏等多种方式;
物系的组分数可分为双组分精馏和多组分精馏;
按操作压力可分为常压蒸馏、加压蒸馏和减压(真空)蒸馏;
按操作方式又分为间歇精馏和连续精馏。
本章着重讨论常压下双组分连续精馏
 
第二节 双组分溶液的气液相平衡
蒸馏分离的物系由加热至沸腾的液相和产生的蒸汽相构成。相平衡关系是蒸馏过程分析的重要基础。
自由度2个。一般蒸馏在恒压下操作(一定),物系只剩下1个自由度。如指定温度,则气液组成、均为的函数被确定。
1、溶液的蒸气压及拉乌尔(Raoult)定律
理想物系:液相为理想溶液、汽相为理想气体的物系。理想溶液服从拉乌尔(Raoult)定律,理想气体服从理想气体定律或道尔顿分压定律。
2、 温度组成图(t-y-x图)
此图的特点:
(1)两端点. 端点A代表纯易挥发组分A ,端点B代表纯难挥发组分B
(2)两线:泡点线,泡点与组成有关;露点线,露点与组成有关。

第三节  蒸馏与精馏原理
 
一、 简单蒸馏
1. 定义
简单蒸馏也称微分蒸馏,间歇非稳态操作,在蒸馏过程中系统的温度和汽液相组成均随时间改变。
分批加入蒸馏釜的原料液持续加热沸腾汽化,产生的蒸汽由釜顶连续引入冷凝器得馏出液产品。釜内任一时刻的汽液两相组成互成平衡。
简单蒸馏的特点
简单蒸馏是一个间歇操作的非定常过程。
简单蒸馏对混合液只能进行有限程度的分离,不能达到高纯度分离的要求;适用于混合物的粗分离,特别是在沸点相差较大(即相对挥发度较大)而分离要求不高的场合。如乙醇含量<10%的乙醇——水溶液,经一次简单蒸馏可得500的烧酒;再一次蒸馏,就可以得60~650的烧酒,足以满足生活中饮用的要求;但工业上要求乙醇含量>95%,这是简单蒸馏不能达到的纯度,还需精馏。
二、平衡蒸馏
平衡蒸馏的过程及特点:
过程:原料被连续地加入间接加热器,加热至一定温度T,经节流阀(减压阀)急剧减压至规定压力后进入分离器,由于压强的突然降低,过热液体高于沸点的显热随即变为潜热——使部分液体气化,此过程称为闪蒸,故分离器也称为闪蒸塔。气液两相因此在分离器中分开,气相上升由顶部产出,经冷凝器冷凝至液体,其中易挥发组分含量较高;另一部分未气化的液体由底部馏出,其中难挥发组分含量高。
过程分析:将组成为xF的原料液经一次部分气化,得到相互平衡的y和液相x 。
特点:平衡蒸馏为定常连续操作;适用于大批量生产且物料只需粗分的场合。
三、 精馏原理 (Principle of Rectify)
简单蒸馏和平衡蒸馏只将液体混合物进行一次部分气化(单级)的过程,只能起到部分分离的作用,只适用于要求粗分或初步加工的场合。而要使混合物中的组分得到高纯度(几乎完全)的分离,只有进行精馏。
1、 多次部分气化和多次部分冷凝
气-液相浓度变化情况可以从图中清晰地看到.因此,同时多次地进行部分气化是使混合物得以完全分离地必要条件
前面的流程在工业上是不能采用的, 原因如下:
(1)纯产品的收率很低
(2)设备庞杂,能量消耗大。
精馏:将由挥发度不同的组分所组成的混合液,在精馏塔中同时多次进行部分气化和部分冷凝,使其分离成几乎纯态组分的过程。
四、精馏流程
典型的连续精馏流程如图所示.预热到一定温度的原料液送入精馏塔的进料板,在每层塔板上, 回流液体与上升蒸气互相接触, 进行热和质的传递.
塔顶冷凝器的作用: 获得塔顶产品及保证有适宜的液相回流.再沸器的作用: 提供一定量的上升蒸气流.
精馏段:加料板以上的塔段.上升汽相中重组分向液相传递,液相中轻组分向汽相传递,完成上升蒸气轻组分精制。
提馏段:加料板及其以下的塔段.下降液体中轻组分向汽相传递,汽相中重组分向液相传递,完成下降液体重组分提浓。     
     对于间歇精馏: 原料液一次加入塔底, 只有精馏段.
五、塔板的作用
塔板的作用是提供气液分离的场所;每一块塔板是一个混合分离器,并且足够多的板数可使各组分较完全分离。因此每一块塔板是一个混合分离器,经过若干块塔板上的传质后(塔板数足够多),即可达到对溶液中各组分进行较完全分离的目的。
精馏操作在直立圆形的精馏塔内进行. 塔内装有若干层塔板或充填一定高度的填料, 汽液两相传质可以是微分接触式或逐级接触式. 传质设备对吸收和蒸馏过程通用. 本章以逐级接触的板式塔为重点.
图中所示的为泡罩塔中任意第n层板上的操作情况. 进入第n板的气相浓度和温度分别为yn+1和tn+1,液相的浓度和温度分别为xn-1和tn-1,二者互不平衡, yn+1<xn-1, tn+1>tn-1 ---存在温度差和浓度差---传质和传热. 其结果:
 1) 气相部分冷凝, 使其中难挥发组分转入到液相中;
2) 气相冷凝放出潜热传给液相, 使其部分气化, 其中的部分易挥发组分转入到气相,  结果: xn<xn-1,yn>yn+1。
六、精馏过程的回流
1、塔顶液相回流
(1)泡点回流  塔顶冷凝器采用全凝器,从塔顶第一块塔板上升的组成为y1的蒸气在全凝器中全部冷凝成组成为xD的饱和液体,即有y1=xD,其中部分作为塔顶产品,另外一部分引回塔顶作为回流液,这种回流称为泡点回流 .
(2)冷液回流将  全凝器得到的组成为xD的饱和液体进一步冷却后再部分引回塔内作为塔顶回流液。由于回流液体温度较低,使上升气相冷凝量增加,下降液体量增加,板上蒸气提浓程度增加,热能损耗也增加。
(3)塔顶采用分凝器产生液相回流   塔顶第一块板上升的组成为y1的蒸气在分凝器中部分冷凝,得到平衡的气液两相组成为y0和x0,其中液相组成为x0的液体回入塔顶作为液相回流,气相组成为y0的蒸气经全凝器全部冷凝得到组成为xD的塔顶产品,且xD=y0 。
2、塔釜气相回流
为了使每一块塔板上都有上升气流,还必须从塔底连续不断地提供富含重组分的上升蒸气,成为塔釜回流。最简单的方法是在精馏塔塔底设置一个蒸馏釜,用水蒸气间接加热釜中的液体,使从最后一块板下降的液体部分汽化,产生组成为yW的蒸气作为气相回流,组成为xW的液体作为塔底产品 。
讨论
1、生产规模较大时,通常使用设置在塔外的称作再沸器(或重沸器)的换热器代替塔釜加热器 。
2、挥发度的差异只是精馏过程的物理化学基础,它并不能直接导致高纯度的分离,只有在精馏过程中采取回流这一措施,才能使这一物理化学原理达到工程应用之目的。
 
第四节    双组份连续精馏的计算
 
双组分连续精馏塔的工艺计算主要包括以下内容:
1.确定产品的流量和组成.
2.确定精馏塔的类型, 如选择板式塔或填料塔. 根据塔型, 求算理论板层数或填料层高度.
3.确定塔高和塔径.
4.对板式塔, 进行塔板结构尺寸的计算及塔板流体力学验算; 对填料塔, 需确定填料类型及尺寸, 并计算填料塔的流体阻力.
5.热量衡算.
一、理论板的概念
所谓理论板是指离开该板的汽液两相互成平衡,塔板上各处的液相组成均匀一致的理想化塔板。其前提条件是汽液两相皆充分混合、各自组成均匀、塔板上不存在传热、传质过程的阻力。实际上,由于塔板上汽液间的接触面积和接触时间是有限的,在任何形式的塔板上,汽液两相都难以达到平衡状态,除非接触时间无限长,因而理论板是不存在的。理论板作为一种假定,可用作衡量实际板分离效率的依据和标准。通常,在工程设计中,先求得理论板层数,用塔板效率予以校正,即可求得实际塔板层数。总之,引入理论板的概念,可用泡点方程和相平衡方程描述塔板上的传递过程,对精馏过程的分析和计算是十分有用的。理论板是指离开塔板的蒸汽和液体呈平衡的塔板。理论板是人为的理想化的塔板。它可以作为衡量实际塔板分离效果的一个标准。
二、恒摩尔流假设
1.恒摩尔汽化      
在精馏段内,精馏段内每层塔板上升的蒸汽摩尔流量都相等,即:V1=V2=∙∙∙∙∙∙=V=常数   
同理,提馏段内每层塔板上升的蒸汽摩尔流量亦相等,即:V1’=V2’=∙∙∙∙∙∙=V’=常数 
2.恒摩尔溢流   
精馏段内,精馏段内每层塔板下降的液体摩尔流量都相等,即:L1=L2=∙∙∙∙∙∙=L=常数
同理,提馏段内每层塔板下降的液体摩尔流量亦相等,即:L1’=L2’=∙∙∙∙∙∙=L’=常数
恒摩尔汽化与恒摩尔溢流总称为恒摩尔流假设。
恒摩尔流假设成立的前提条件:
(1)两组分的摩尔汽化潜热相等;
(2)汽液两相接触因两相温度不同而交换的显热可忽略不计;
(3)设备热损失可忽略。
三、进料热状况的影响和q线方程
进料 5 种热状况
①低于泡点的冷液体;
②泡点下的饱和液体;
③气液混合物;
④饱和蒸气;
⑤过热蒸气。
进料热状况不同, 将直接影响其上.下两段上升蒸气和下降液体的流量.
四、q线方程(进料方程)
在进料板上, 同时满足精馏段和提馏段的物料衡算, 故两操作线的交点落在进料板上。当q为定值,改变塔操作为回流比时,两操作线交点轨迹即q线。联立两操作线方程式
进料热状况不同, q值就不同, 因此直接影响精馏塔内两段上升蒸汽和下降液体量之间的关系
①冷液体进料, q>1;
②饱和液体进料, q=1;
③气液混合物进料,q=0~1;
④饱和蒸汽进料, q=0;
⑤过热蒸汽进料, q<0.
在实际生产中,以接近泡点的冷液进料和泡点进料居多。
q 线的图形表示
(1) 在对角线上作 e 点 (y=x=xF);
(2) 过 e 点作斜率 q/(q-1) 为的直线。
随进料焓值增加(温度高), q 值减小,  则 q 线与精馏操作线的交点沿着精馏操作线朝 x. y 减小的方向移动. 这意味着加料板位置下移(塔从上往下,温度逐步升高).
五、进料热状况的影响
R一定的情况下,q值减小,即进料前原料经过预热和部分汽化,精馏段操作线不变,但提馏段操作线斜率变大越靠近平衡线,所需的理论板数越多。为理解此点,应明确比较的标准。精馏的核心是回流,精馏操作的实质是塔底供热产生部分汽化的蒸汽回流,塔顶冷凝造成部分液体回流。由全塔的热量衡算可知,塔底加热量、进料带入热量与塔顶冷凝量三者之间有一定的关系。而以上对不同q值进料所作的比较是以固定回流比R为基准的,即固定塔顶冷凝量V=(R+1)D为基准。这样,进料带入热量越多(即q值减小),塔底供热量必越少,才能保证塔顶冷凝量不变,这意味着塔釜上升的蒸汽量V’相应地减小,使提馏段操作线斜率L’;/V’增大,提馏段操作线向平衡线靠近,所需理论板数增加。   
当然,如果塔釜供热量不变(V’不变),进料带入热量增加(q值减小),则V变大,塔顶冷凝量必定增大,回流比R相应变大,精馏段操作线斜率将随变大,该线往对角线靠远离平衡线,所需的理论板数将减小。但须注意,这是以增加热耗为代价的。
所以一般而言,在热耗不变的情况下,热量应尽可能在塔底输入,使所产生的汽相回流能在全塔中发挥作用;而冷量应尽可能施加于塔顶,使所产生的液体回流能经过全塔而发挥最大的效能。
根据以上观点,原料不应经预热或部分汽化,前道工序的来料状态就是进料状态。那么为什么工业上有时采用热态甚至汽态进料呢?其目的不是为了减少塔板数,而是为了减少塔釜的加热量。尤其当塔釜温度过高,物料易产生聚合或结焦时,这样做更为有利。
 
第五节   间歇精馏
 
当混合液的分离要求较高而料液品种或组成经常变化时,采用间歇精馏的操作方式比较灵活机动。从精馏装置看,间歇精馏与连续精馏大致相同。作间歇精馏时,料液成批投入精馏釜,逐步加热气化,待釜液组成降至规定值后将其一次排出。
间歇精馏过程具有如下特点:
① 间歇精馏为非定态过程。在精馏过程中,釜液组成不断降低。若在操作时保持回流比不变,则馏出液组成将随之下降;反之,为使馏出液组成保持不变,则在精馏过程中应不断加大回流比。为达到预定的要求,实际操作可以灵活多样。例如,在操作初期可逐步加大回流比以维持馏出液组成大致恒定;但回流比过大,在经济上并不合理。故在操作后期可保持回流比不变,若所得的馏出液不符合要求,可将此部分产物并入下一批原料再次精馏。
此外,由于过程的非定态性,塔身积存的液体量(持液量)的多少将对精馏过程及产品的数量有影响。为尽量减少持液量,间歇精馏往往采用填料塔。
② 间歇精馏时全塔均为精馏段,没有提馏段。因此,获得同样的塔顶、塔底组成的产品,间歇精馏的能耗必大于连续精馏。
③塔顶产品组成随着操作方式不同而异。
间歇精馏的设计计算方法,首先是选择基准状态(一般以操作的始态或终态)作设计计算,求出塔板数。然后按给定的塔板数,用操作型计算的方法,求取精馏中途其他状态下的回流比或产品组成。
为简化起见,在以下计算中均不计塔板上液体的持液量对过程的影响,即取持液量为零。
 
四、作业布置
 思考题7-3  7-5
 
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课程名称 化工原理
项  目 第八章 课题 气液传质设备 课型 理论课
授课班级 13级应用化工班 授课
时间
 
22课时 授课教师 乔曼
学习目标 专业能力 1)板式塔内气液流动方式;
2)板式塔的不正常操作;
3)填料塔内流体力学特性;
核心能力 (1)板式塔的主要类型与结构特点;
(2) 板式塔塔板上气液两相接触状态;
(3)填料塔的结构、填料及特性;
教学方法 教学媒体—板书一体化教学、分析讨论法、讲授法、演示法、比较法等
教学回顾 通过上一章课的学习学生基本掌握了掌握蒸馏的基本原理,并运用这些原理去分析和计算蒸馏过程的有关问题.,为本章的学习奠定了基础。
                 
 
 
教研室主任审签:                                 年   月   日
 
教学环节
 
教学过程(教学内容和教学方法)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
教学过程:
一、  回顾--温故知新
以PPT呈示一些基本的气液传质设备,以提高学生对本节课的学习兴趣。
二、观察--思考讨论
引出上一章节蒸馏的基本内容,让学生结合之前所学知识联想到与本节课的联系,提高学生的学习讨论积极性。
三、探索--接收新知
 
第一节  概述
塔设备的类型
1.连续接触式
2.逐级接触式
3.实现:  塔板和填料
工业生产对塔设备的要求
1.生产能力大2.传质效率高3.流动阻力小4.操作弹性大
大工业追求高生产能力(传质效率不太低);精密分离追求高效率;真空操作要求低压降。
一、板式塔的设计意图
气液两相在塔板上保持密切而充分的接触,提供足够大的不断更新的传质面积,减小流动阻力。
整体上的逆流流动,在塔板上的错流流动。
筛孔塔板的主要构造包括以下三个
部分:筛孔、溢流堰、降液管
1、筛孔 
保证气液两相在塔板上能够充分接触并在总体上实现两相逆流,在塔板上均匀开有一定的数量的供气体自下而上流动的通道。板上筛孔的总面积与筛孔所在的塔板面积之比称为开孔率 。开孔率是影响塔板性能的重要参数 。
2、溢流堰   
为保证气液两相在塔板上有足够的接触表面,塔板上必须贮有一定量的液体。为此在塔板的出口端设有溢流堰.塔板的液层高度或滞液量在很大程度上由堰高决定,堰高用hw表示,堰长以lw表示。
3、降液管 
每块板设置一个降液管,作为液体由上层到下层的通道。板塔内为使液体能从降液管底部流出而气体不能窜入降液管,降液管的下端必须保持液封。因此,降液管下端出口高度ho应小于堰高hw。
4、塔板上液流的安排
液体在上下降液管间横流经过塔板的路径称为液体流径,流径愈长,液体在板上的停留时间以及气液接触时间增长,传质效果愈好
塔板入口处的液面高度必须高于出口处的液面高度,以克服流动行程上的塔板部件和气体扰动对液体的流动阻力,这种液面高度差称为液面落差。
二、筛板上的气液接触状态
1、鼓泡接触
2、泡沫接触
3、喷射接触
三、筛板塔内的非理想流动
1、板间返混:
液沫夹带:小液滴,气流裹夹,数量与板间距物无关。(沉降理论解释,牛顿区):   大液滴,液滴形成时的弹溅作用,板间距愈小,则夹带量愈大;气速越大液沫夹带量也越大。
液沫夹带不可能完全避免,操作中主要应避免过量液沫夹带。应控制      ev <0.1 kg液沫/kg干气 。
气泡夹带: 危害是降低降液管的通过能力。设置出口安定区可减少气泡夹带。液体再降液管内要有足够的停留时间,τ=Af*Hd/L >3~5 s,以避免严重的气泡夹带,此式也可用于计算正常操作的最大液量(Hd=Ht)。
2、气体和液体的不均匀分布
(1)气体沿塔板的不均匀
(2)液体沿塔板的不均匀分布
3、漏液
(1)漏液有随机性   波峰处清液层高,相对易于漏液,通气量少;而波谷处则相反。
(2)漏液有倾向性  一般在液体入口处气体通过量最少而漏液量最多;出口处则相反
(3)漏液量随气量(筛孔气速)的增加而减少,到一定程度可基本停止漏液。
四、板式塔的不正常操作现象
1、液泛
夹带液泛    
气速增加至某一程度,也会形成恶性循环而导致液泛,这种液泛是夹带引起的 。
气液量在适当的范围内时液层高度对液沫夹带 量影响不大,设备可正常操作。液量一定,气量增大, 交互作用 显著,形成恶性循环,塔内积液称为夹带液泛,此时气速为液泛气速。液量愈大,液泛气速愈小。
 操作气速必须小于液泛气速。
溢流液泛    
液(气)量过大,降液管通过能力有限造成塔内积液。液量过大,也可能是过量液沫夹带造成。降液管出口处堵塞或安装不当,也会引起液流液泛;气体流量增大,使相邻板间的压降增大,同样会使降液管内液面上升。
液泛现象:塔内积液,压降急剧增大。
液泛的影响因素:
结构因素:板间距太小;开孔率偏小,(使气速过高,板压降过大);降液管面积偏小。
水力学因素:气量过大;液量过大;降液管出口处堵塞或安装不当。
降液管内泡沫液的高度必须小于板间距和液流堰高度之和。
2、严重漏液:
在正常操作的塔板上,液体横向流过塔板,然后经降液管流下。当气体通过塔板的速度较小时,气体通过升气孔道的动压不足以阻止板上液体经孔道流下时,便会出现漏液现象。漏液的发生导致气液两相在塔板上的接触时间减少,塔板效率下降,严重时会使塔板不能积液而无法正常操作。通常,为保证塔的正常操作,漏液量应不大于液体流量的10%。漏液量达到10%的气体速度称为漏液速度,它是板式塔操作气速的下限。
五、提高板效率的措施
依据物质性质,选择合适的塔板结构与形式,选择适宜的操作条件,避免非理想流动,可提高板效率。
正系统,重组分σ大,轻组分挥发后,重组分收缩成滴的能力强,液膜稳定性好,宜采用泡沫接触状态。
负系统,  重组分σ小,宜采用喷射接触状态。
设置斜向进气装置:
1. 减小液面落差,促使气流均布;
2.改善塔板边缘处的流动状况,促使液流均布;
3. 减少雾沫夹带。
塔板形式与结构尺寸选择,见筛板塔设计。
 
第三节 填料塔
 
填料:气液传质的基本单元。填料不仅提供了气液两相的传质表面,而且促使气液两相分散,并使液膜不断更新。
液体分布装置:将进塔液体均匀的喷洒在整个塔截面上,在填料表面上呈膜状流下。
支承装置:支承填料兼做气体分布装置。空隙率不应小于床层空隙率。
除沫器:除去出塔气体中夹带的少量液沫。
要使填料塔内气液两相有良好的接触,填料就必需充分润湿,优良的液体分布装置十分重要,必要时设置液体再分布装置。
填料特性和常用类型
比表面积a:           
表征填料可供润湿的传质面积的大小。同种填料,尺寸愈小,比表面积愈大,价格愈高。
空隙率:表征填料可供气体通过的空隙的大小。填料层应有尽可能大的空隙率,减小流动阻力或提高允许气速(生产能力)。
填料的几何形状:要有利于液流铺展成液膜并不断更新。新填料的开发主要是改进填料的形状。
其他:强度、耐蚀性等。填料的材质应与液体有良好的润湿性。
常用填料:环壮填料:拉西环、鲍尔环、阶梯环;弧鞍型填料;矩鞍型填料;网体填料;规整填料等。
乱堆填料具有液体自分布能力;规整填料取决于初始分布。
干装填料空隙率较小,湿装填料空隙率较大。
填料塔内气液两相流动特征
液体成膜特征:                                 
选择材质要使液固表面张力较小,使等式两端差值较大,利于液流铺展为液膜。
填料塔内液膜更新:乱堆填料利于液流铺展成液膜并不断更新。但接触点(面) 处可能存在死角。
填料塔内液体分布:乱堆填料具有液体自分布能力;规整填料取决于初始分布。塔径愈大,初始分布要求愈高;同一塔,液量愈大,特征分布愈均匀。特征分布----经过足够的填料高度使液体分布充分发展,充分发展的液体分布即为特征分布。向下液流外流至壁面并沿壁流下形成壁流,称为壁流现象。如塔径与填料直径(D/d)小于8,壁流现象显著。工业要求D/d>30.
填料塔内气液两相流动特征
填料塔中的持液量:操作时单位填充体积所具有的液体体积,称为持液量。希望保持传质面积的同时持液量较小。持液量取决于液膜厚度,喷淋量愈大,持液量愈大。气量过大,使液膜增厚,持液量增大。
气液两相逆流流动,气液之间呈交互影响。液量增大,液膜增厚,使实际气速增大,压降增大;液量一定,气量增大,也会使液膜增厚,压降增大
填料层内,压降正比于气量的1.8~2.0次方。
气液两相逆流流动,气液之间呈交互影响。液量增大,液膜增厚,使实际气速增大,压降增大;液量一定,气量增大,也会使液膜增厚,压降增大
1. 低气速时,气液之间呈交互作用不大。随气速增大,液膜增厚使压降增大,压降曲线变陡,斜率远大于2,持液量增大,称为载点(图中A点)。气速继续增大,两相交互作用增大,液膜迅速增厚,持液量继续增大,压降曲线近于垂直,图中B点为泛点。液量愈大,达到载点和泛点的气速愈小。
2.气速达到泛点以后,两相交互作用恶性发展,液体难以下流,气体变为分散相以气泡形式穿过液层,形成液泛。液泛特征为噪音很大,压降剧增。仍可操作,但传质效果极差。
3. 填料塔操作气速应在载点和泛点之间。
填料塔的传质
影响泛点气速的因素:1.填料因子                       还与填料形状有关。填料因子小表明所允许的泛点气速高。2.流体的物性:液体密度愈大,泛点气速愈高;气体密度、液体粘度愈大、摩擦阻力愈大。3.液气比愈大,泛点气速愈小。
液泛气速关联,操作气速下的压降关联     
最小喷淋密度-----为使填料润湿良好,液体流量必须大于最小喷淋密度。必要时,可采用液体再循环或加大回流比以满足最小喷淋密度的要求。
 
四、作业布置
 思考题8-3  8-4
 
 

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