化工基础教程.pdf
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1、机械分离机械分离非均相混合物的分离非均相混合物的分离 吴卫生 博士、副教授博士、副教授 上海交通大学化工系(化学楼218室) Tel.: 021-54747454 E-mail: 本章内容本章内容 ?筛分筛分不同大小的固体颗粒的分离 ?沉降沉降气固、固液混合物的分离 ?过滤过滤固液混合物的分离 第一节第一节 筛分(筛分(Screening)()(1) 1.颗粒大小颗粒大小 ?球形颗粒:直径d、半径r ?非球形颗粒:当量直径de 体积当量直径 表面积当量直径 投影面积当量直径 体积当量直径 表面积当量直径 投影面积当量直径 #球的体积 = 33 4 36 rd = #球的表面积 = 2 d #
2、球的投影面积 = 2 r #球形度: = 与颗粒体积相等的球的面积 颗粒的表面积 第一节第一节 筛分(筛分(Screening)()(2) 2.标准筛标准筛 ?Tyler(泰勒)筛制(表3-1) ?筛号(目):筛网上每英寸的孔数 目数越大,则筛孔越小。 125.4inchmm= 第一节第一节 筛分(筛分(Screening)()(3) 3.颗粒的大小分布与平均直径颗粒的大小分布与平均直径 ?颗粒的大小分布: ?颗粒的平均直径: 12 nn+ 12 /nn 长度平均直径 表面积平均直径 体积平均直径 体积表面积(比表面积)平均直径 第一节第一节 筛分(筛分(Screening)()(4) 4.筛
3、分与筛筛分与筛 ?筛分:根据颗粒大小用筛进行分离的单元操作 ?筛:进行筛分的设备或装置 第二节第二节 沉降(沉降( 1 ) ?重力沉降重力沉降(Gravitational Sedimentation) ?离心沉降离心沉降(Centrifugal Sedimentation) 1.重力沉降速度:重力沉降速度: 0 4 () 3 s dg u = 0 0 0 (Re ) Re f du = = 第二节第二节 沉降(沉降(2) 2.分级沉降分级沉降 利用沉降速度不同达到分离效果 n ba ab d d = 第二节第二节 沉降(沉降(3) 3.除尘室除尘室 ?颗粒能沉降从而分离的条件: ?含尘气体的最
4、大处理量: 0 LH uu 0 Lu u H 000s Vu BHu BLuA=iii 第二节第二节 沉降(沉降(4) 4.离心沉降速度:离心沉降速度: 2 4 () 3 st r du u r = 第三节第三节 过滤(过滤(Filtration) ?过滤的基本概念过滤的基本概念 ?过滤基本方程式过滤基本方程式 ?过滤计算过滤计算 过滤的基本概念(过滤的基本概念(1) ?过滤过滤:利用过滤介质,将悬浮液中的固、 液进行分离的单元操作。 ?滤浆滤浆:被过滤的悬浮液 ?滤液滤液:透过过滤介质的液体 ?滤渣(饼)滤渣(饼):被截留的固体 ?过滤的推动力过滤的推动力:重力、压力(差)、离心力 过滤的基
5、本概念(过滤的基本概念(2) ?过滤的种类: #深层过滤#滤饼过滤 ?过滤介质 ?在滤饼过滤中,真正发挥分离作用的 是滤饼层,而不是过滤介质。 ?滤饼: #不可压缩#可压缩 ?助滤剂 过滤基本方程式(过滤基本方程式(1) 1.滤液的流动状况滤液的流动状况 ?瞬时过滤速率瞬时过滤速率:单位时间内通过单位过 滤面积的滤液体积 :单位时间内通过单位过 滤面积的滤液体积 dV u Ad = ?恒压过滤恒压过滤:p恒定,恒定,u逐渐下降逐渐下降 ?恒速过滤恒速过滤: u 恒定, 恒定, p逐渐升高 过滤是不稳定流动过程 逐渐升高 过滤是不稳定流动过程 过滤基本方程式(过滤基本方程式(2) 2.滤饼的结构
6、描述滤饼的结构描述 #空隙率空隙率 #颗粒比表面积颗粒比表面积S0 #滤饼层通道的当量直径滤饼层通道的当量直径de 0 4 (1) e d S = 过滤基本方程式(过滤基本方程式(3) 3.Kozeny公式:公式: 1 up #基本假设基本假设:滤液通过滤饼呈层流流动滤液通过滤饼呈层流流动 1 p u r L = 1 u r L . .ie 过滤基本方程式(过滤基本方程式(4) 4.过滤速率公式过滤速率公式 e (R ) p u R = + () p u r LLe = + . .ie 过滤基本方程式(过滤基本方程式(5) 5.恒压过滤方程式恒压过滤方程式 令令 22 2 e VVVKA+=
7、, e e VV qq AA = 2 2 e qqqK+= 过滤基本方程式(过滤基本方程式(6) 6.过滤常数过滤常数 2 ()() ee qqK+=+ 过滤计算过滤计算 ?间歇过滤机的计算 ?洗涤速率: #置换洗法:洗涤速率等于最终的过滤速率 #横穿洗法:洗涤速率等于最终过滤速率的1/4 #生产能力:单位时间的滤液体积或滤渣体积 cFWR =+ 最佳操作周期最佳操作周期: FWR += 过滤计算(续)过滤计算(续) ?连续过滤机的计算: 2 /qKqKn= / Fc n= 36003600/ n VnqAnA Kn= 第三章第三章 传热 ( 传热 (Heat Transfer) 吴卫生 博士
8、博士 上海交通大学化工系(化学楼218室) Tel.: 021-54747454 E-mail: 传热概述传热概述 ?传热的推动力传热的推动力:物体内部、物体之间的 温度差 ?传热操作的应用传热操作的应用 传热概述(续)传热概述(续) ?传热的三种基本方式: 热传导(导热)热传导(导热) conduction 物体各部分之间不发生相对位移物体各部分之间不发生相对位移 对流对流 convection 质点发生相对位移质点发生相对位移 辐射辐射 radiation 可以在真空中进行,无需任何物质为介质可以在真空中进行,无需任何物质为介质 傅立叶(傅立叶(Fourier)定律)定律 dQt dAn
9、 = 温度场温度场 ?温度在时空分布的总和 ?稳态温度场: (稳态传热) ?非稳态温度场: (非稳态传热) ( , , , )tf x y z= ( , , ) 0 tf x y z t = = ( , , , ) 0 tf x y z t = 导热系数(热导率) ( 导热系数(热导率) (Thermal Conductivity) ?物质的物性之一,在数值上等于单位温 度梯度下的热通量,与物质的组成、结 构、密度、压力、温度等有关。 金属非金属液体气体 平壁稳态热传导平壁稳态热传导 12 12 312 123 ttt Q b R A ttQ q b A ttt Q RRR = = = 圆筒壁
10、的稳态热传导圆筒壁的稳态热传导 12 2121 22 11 312 123 1 12233 2() 2 2 lnln 2 2 m mm ttt Q b R A L rrAA Ar L r LA rLA QQ q ArL ttt Q RRR rqr qr q = = = = = iii iii 不同流动状态下的温度分布不同流动状态下的温度分布 ?静止流体:导热 ?层流:导热为主 ?湍流:导热 + 对流 流动边界层和热边界层流动边界层和热边界层 ?流动边界层( Flow Boundary Layer ) 速度为零至速度等于主体速度 的99%的区域等于流动边界层 范围 ?热边界层(Thermal B
11、oundary Layer) 与壁面温度的差值等于流体主 体温度与壁面温度差值的99% 的区域属于热边界层范围 0 99%uu= 0 0.99() WW TTTT= 牛顿(冷却)公式牛顿(冷却)公式 1 dQtdA t QA t A = = = 推动力 热阻 间壁两侧流体热交换过程间壁两侧流体热交换过程 ?热流体对管壁的对流传热 ?管壁中的导热 ?管壁对冷流体的对流传热 ?传热速率表示法: () () m dQK Tt dAK tdA dQ qK TtK t dA QKA t = = = 总传热系数总传热系数 ?以管内为冷流体、管外为热流体为例 ?热流体: ?冷流体: ?管壁: () 1 W
12、oWo oo TT dQTTdA dA = () 1 W iWi ii tt dQtt dA dA = () WW WWm m Tt dQTtdA b b dA = 总传热系数(续)总传热系数(续) 111 oomii dAb dAdA KdAdAdA =+ 111 ooo sosi omiii dddb RR Kddd =+ 以外表面积为基准 传热平均温度差传热平均温度差 ?换热器两端冷热流体温度差的对数平均值 12 1 2 ln m tt t t t = 热量衡算式热量衡算式 ,s hp hh Qm cT= ,s cp cc Qm ct= 传热效率传热效率-传热单元数法传热单元数法 ( -
13、 -NTU法)法) ?设计型问题 ?操作型问题 ?传热效率 max maxmin11 ()() sp Q Q Qm cTt = = ?传热单元数NTU: 冷(或热)流体的温度变化相当于 平均温度差的多少倍 ?传热效率与传热单元数的关系 对流传热系数对流传热系数 ?不是物性,与下列因素有关: 引起流动的原因:自然对流和强制对流 流体的流动型态:层流和湍流 流体本身的性质 传热面的形状、大小和位置 有无相变化 对流传热系数的经验(准数)关联对流传热系数的经验(准数)关联 32 2 Re Pr p L Nu Lu c g tL Gr u = = = = 表征传热系数的准数 确定流动状态的准数 表示物
14、性影响的准数 表示自然对流影响的准数 各种对流传热过程的对流传热系 数关联式 各种对流传热过程的对流传热系 数关联式 (P246-247)(表)(表5-8) ?各个关联式对应不同的对流传热类型,不可混淆; ?适用范围; ?定性长度和定性温度的确定; ?重点掌握流体在圆形直管内做强制对流时的关联 式; ?了解各种对流传热类型的基本原理及影响因素 ?认真看例5-16 辐射传热辐射传热 ?几个概念 ?Stephen-Boltzmans Law ?克希霍夫(Kirchhoff)定律 ?两固体间的相互辐射 ?对流、辐射联合传热 几个概念几个概念 ?辐射:以电磁波的形式传递热量 1 1 RAD RAD Q
15、QQQ QQQ QQQ RAD =+ += += ?绝对白体(镜体):R=1 ?绝对黑体(黑体):A=1 ?透热体: D=1 ?灰体:以相等吸收率吸收所有波长辐射能的物体 Stephen-Boltzmans Law 0 EE 或 0 00 0 EE d EE d = = 44 000 4 Stephen-Boltzman s Law T E =T =C () 100 T E=C() 100 : ?单色发射能力( ) ?发射能力( ) 0 EE或 克希霍夫(克希霍夫(Kirchhoff)定律)定律 0 0 E E A E A E = = 两固体间的相互辐射两固体间的相互辐射 44 12 1 21
16、 2 1 21 2 100100 TT qC QqA = = 对流、辐射联合传热对流、辐射联合传热 () CCWW QAtt=对流: 44 1 2 100100 W RW TT QCA = 辐射: () TCRTWW QQQAtt=+= 对流、辐射联合传热: 换热器的类型换热器的类型 ?直接接触式 ?蓄热式 ?间壁式 夹套式 蛇管式 套管式 列管式 列管换热器的选用及设计列管换热器的选用及设计 ?流程的选择 ?流速的选择 ?换热管在管板上的排列 ?阻力损失的计算 换热器传热过程的强化换热器传热过程的强化 m m QKA t KAtQ = 提高 、 及中的任意一项,均可以提高 。 化工基础(上)
17、化工基础(上) Fundamentals of Chemical Engineering 吴卫生吴卫生 博士、副教授博士、副教授 上海交通大学化工系(化学楼上海交通大学化工系(化学楼218室)室) Tel: 021-54747454 E-mail: 科学和化工、化学科学和化工、化学 ?科学的十二大类: 哲学、经济学、历史学、农学、医学、管理学、理学、工学、 军事学、法学、文学、教育学。 ?化学工程与技术为隶属工学的一级学科,包含五个二级学科: 化学工程、化学工艺、应用化学、生物化工和工业催化 ?化学为隶属理学的一级学科,包含五个二级学科: 有机化学、无机化学、分析化学、物理(理论)化学和高分
18、 子化学与物理 化学工程与技术化学工程与技术 ?研究以化学工业为代表的各类过程工业中有 关化学过程与物理过程的基本规律和应用技 术的工程技术学科。 ?本学科以过程工业为背景和研究对象,学科 内容体现基础和应用并重,包括基础理论、 基本方法和基本实验技术,产品研制、工艺 开发、过程设计、系统模拟与优化和操作控 制等。 过程工业与加工工业的过程工业与加工工业的区别区别 不变化 不同的加工工序 适当的设备 件数(片、支、粒等) 变化 各种反应及分离过程 釜、罐、塔器、泵 质量或体积(千克、 吨、升等 物质结构和形态 实现方法 所依靠设备 产品计量 加工工业过程工业比较项目加工工业过程工业比较项目 化
19、学工程与技术的化学工程与技术的五个二级学科五个二级学科 ?化学工程化学工程:研究各类化学过程和物理过程的一般原理、共 性规律、工程基础和应用技术; ?化学工艺化学工艺:研究化学品的精化原理、生产原理、产品开发、 工艺实施、过程设计和优化; ?生物化工生物化工:研究有生物体或生物活性物质参与的过程的基 本原理和工程技术问题; ?应用化学应用化学:研究精细化学品、专用化学品、功能材料及器 件等的制备原理和工艺技术; ?工业催化工业催化:研究催化剂和催化反应过程的理论基础及其设 计、开发和工业应用。 化学工业的化学工业的发展简史发展简史 聚四氟乙烯纤维的投产聚四氟乙烯纤维的投产1957年 侯氏联合制
20、碱法 年 侯氏联合制碱法1941年 尼龙 年 尼龙66工业化工业化1939年 高压聚乙烯被制成 年 高压聚乙烯被制成1934年 青霉素被发现 年 青霉素被发现1929年 哈伯合成氨法 年 哈伯合成氨法1905年 硝化甘油炸药投入生产 年 硝化甘油炸药投入生产1862年 索尔维制碱法 年 索尔维制碱法1861年 路布兰制碱法 年 路布兰制碱法1791年 铅室法制取硫酸,世界上第一个化工厂 年 铅室法制取硫酸,世界上第一个化工厂1746年年 化学工业的化学工业的特点特点 ?化学工业与人类的生存与发展息息相关 ?原料、工艺和产品的多样性 ?技术密集型 ?能源密集型 ?资金密集型 化学工业的化学工业的
21、发展趋势发展趋势 ?产品精细化 ?化学工业和生物技术结合 ?煤化工的兴起 ?新材料的研究与开发 化学工业的分类(中国) 化工新型材料化工机械 橡胶制品煤化工 催化剂、试剂和助剂合成橡胶 酸、碱合成树脂和塑料 化学医药石油化工 化学试剂感光和磁性材料 染料及其中间体涂料、颜料 合成纤维单体化工农药 化学肥料有机化工原料 无机盐化学矿 化工生产过程化工生产过程 将原料原料(Raw Materials) 通过物理或化学方法 转变成 产品产品(Products) ?化学反应:使物质的结构、组成或性质发生变化 ?单元操作(Unit Operation):只有物理性质的变化, 不涉及化学反应 ?常见的单元
22、操作:流体输送;物料的加热和冷却; 蒸发;蒸馏;吸收;萃取;干燥、结晶等 ?单元操作的理论基础: “三传三传”:动量(Momentum)、热量(Heat)和质量(Mass) 传递(Transfer) 相平衡相平衡:Phase Equilibrium 物料衡算物料衡算、能量衡算能量衡算和和过程速率过程速率 ?物料衡算物料衡算(Mass Balance): 输入物料量输入物料量 = 输出物料量输出物料量 + 累积物料量累积物料量 稳态过程稳态过程:输入物料量输入物料量 = 输出物料量输出物料量 ?能量衡算能量衡算(Energy Balance): 输入能量输入能量 = 输出能量输出能量 + 系统累
23、积能量系统累积能量 稳态过程稳态过程:输入能量输入能量 = 输出能量输出能量 ?过程速率过程速率 = 过程推动力过程推动力/过程阻力过程阻力 本课程的本课程的教学内容教学内容 ?单元操作 54学时 ?化学反应工程基础 18学时 ?化工热力学基础 18学时 第一章第一章 流体流动流体流动(Fluid Flow) ?流体输送: 化工过程中最普遍的单元操作之一 ?本章的研究内容(对象): 压力、功率、流量等 ?流体流动:内部存在相对运动;质点运动的总和 质点:大量分子的聚集体 ?刚体运动:内部不存在相对运动 第一节第一节 流体静止的基本方程流体静止的基本方程 (流体静力学)(流体静力学) ?流体的密
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