*化工过程:由若干物理过程和若干化学过程组成的工业过程。或将原料改变或分离成有用产品的工业过程。
*单元操作:化工过程中不含化学反应或化学反应次要的物理过程
*化学过程:含有化学反应的过程
*化工原理:以单元操作为研究对象的一门技术科学。
*化学反应工程:以化工过程中化学过程作为研究对象的一门技术科学。
*化学工程:研究化工过程共性规律的一门技术科学。主要由化工原理和化学反应工程两个分支组成。(另外还有化工传递过程原理和化工热力学及化工系统工程三个分支)
*过程:物系状态发生变化的经过
*物系:作为研究对象的物质
*单位:计量中作为记数单元所规定的标准量。
*单位(计量)制度:由基本单位和导出单位组成的一系列计量单位的总称。
*单位制区别:国际制以长度、质量、时间为基本量,以米、千克质量、秒为相应的基本单位,而工程制以长度、力、时间为基本量,以米、千克力、秒为相应的基本单位。
*流体的密度:单位体积流体的质量
*流体的压强:流体对物体单位面积上的垂直作用力。工程上称压力。
*流量(体积流量): V,(m3/s)单位时间流过管道截面积流体的体积。
*质量流量: W,(kg/s)单位时间流过管道截面积流体的质量。
*流速: u,(m/s)单位时间流过管道截面积流体的距离。
*稳定流动:流道系统中任意截面上流体的性质(如密度、粘度等)及参数(流速、压力等)不随时间改变。
*不稳定流动:流道系统中任意截面上流体的性质(如密度、黏度等)及流动参数(流速、压力等)随时间改变。
*位能(mgz):流体因距基准面 z 高度而具有的位能
*动能(mu^2/2)流体因流动而具有的能量
*静压能(pm/ρ=pv)流体因承受 p 压力而具有的能量
*流体输送机械:输送流体的机械设备
*离心泵的构造:叶轮,泵壳,泵轴,吸入管,底阀,压出管
*离心泵工作原理:① 动静压头转换【写动静实例公式】② 操作流程:图中叶轮顺时针高速转动a. 叶片间隔的“细”流道内: b. 泵壳间的粗流道内: c. 壳内液体在p2 作用下,被压向出泵壳。d. 叶轮中心形成真空,液槽内的液体在大气压的作用下,被泵吸入体内
*离心泵常见故障分析:
① 离心泵正常运行的充要条件:
a. 泵中 ρ 足够大—叶轮产生的离心力可在其中心形成足够的真空;
b. 保持足够的进液压差:密封无泄漏—保持泵内足够的真空度;保持泵内一定的绝压—不使液体沸腾。
② 离心泵的常见故障
a. 气缚:泵中充满气体,ρ 过小,叶轮产生的离心力不能形成足够的真空。
解决方案:经补水漏斗向泵内注满被输送液体后重开机。
b. 电机(叶轮)反转:叶片阻碍液体流出。
解决方案:将三相电中的任意两根线对调。
c. 密封泄漏:把紧密封压盖,将泵轴根部的“盘根”压紧;或更换“盘根” 。
d. 汽蚀:泵中所形成的真空度过大——绝对压力小于等于输送流体的饱和蒸汽压 pv ,此时液体沸腾。
解决方案:降低液体温度(pv ↓);减小安装高度*
*导热(热传导): 相邻物体间,热量从温度较高者向温度较低者的传递过程(烙饼);同一物体,热量从温度较高侧向温度较低侧的传递过程。(炉钎)
*对流(热对流):由流体质点间的相对位移而产生的热量传递过程。(自然对流:烧水;强制对流:搅拌)
*辐射(热辐射):由物体发射电磁波而产生的热量传递过程。(阳光、灯泡)
*稳定传热:传热过程中,系统中各点的温度均不随时间改变。
*不稳定传热:传热过程中,系统中任意点的温度随时间改变。
*常见的换热形式:① 混合式:冷热流体直接接触;② 间壁式:冷热流体通过间隔壁面换热;③ 蓄热式:
冷热流体交替通过蓄热介质(填料)
*热负荷:单位时间所需的传热量; Q (W、kW、J/s)
*载热体:用以加热或冷却物料的流体。常用:蒸汽*、空气、水*、冷冻盐水、导热油等
*常见载热体用量的计算(不计损失):
加热剂用量 (kg/s;kg/h) :①水蒸气:物料有相变W蒸·γ蒸= W物·γ物 或 W蒸= W物·γ物/γ蒸
物料无相变W蒸·γ蒸= Cp物·W物·(t2-t1) 或 W蒸= Cp物·W物·(t2
-t1) /γ蒸
其中: γ蒸= f (p) 查P446-447(中间值用插值法算)—常用; Cp物= f (t) 、 t = (t2+t1)/2 —定性(特征)温度
②热水:物料有相变(热水蒸发) W水= W物·γ物 /Cp水·(T1-T2)
物料无相变(热水加热) W水 = Cp物·W物·(t2-t1) / Cp水·(T1-T2)
冷却剂(水)用量: a) 物料有相变: W水 = W物·γ物/ Cp水·(t2-t1)
b) 物料无相变: W水 = c物·W物·(T1-T2)/ Cp水·(t2-t1)
*导热系数:① 物理意义: 温度梯度为1时,单位时间通过单位面积传递过的热量(λ↑,Q↑)
② 影响λ的因素: a. 物质性质:金属>液体>非金属>气体 (λ≤0.23 为保温材料: 珍珠岩、石棉、泡沫塑料等) (例:羽绒服、双层窗保温)b. 温度:对几乎所有物质λ=f (t) c. 湿度:湿度↑,λ↑
*对流传热:分为自然对流和强制对流。自然对流:流体本身因各点温度的差异造成质点相互移动,而产生热量传递的过程。强制对流:流体在外力的作用下发生质点间相互移动,而产生热量传递的过程。
*给热系数:① 物理意义(热侧为准):α= Q/A·ΔT (W/m2·℃)或(J/s·m2·℃);② 影响α的因素:流体流动形态(层、滞)和对流情况(自然、强制);流体物理性质(λ、μ、β、ρ、Cp等);传热温度Δt;相变化; 壁面特征尺寸(形状、大小、排列方式)
*努赛尔特准数:被决定准数,含待定的对流传热系数,是流体力学中的一个无量纲数。物理意义为是表示对流换热强烈程度的一个准数, 又表示流体层流底层的导热阻力与对流传热阻力的比。计算关系式是: Nu= αL /λ;α—给热系数;W/m2·℃;L—特征尺寸(圆—管径;板—高度);m;λ—流体导热系数;W/m·℃
*雷诺准数:反映流体流动状态和湍流程度对对流传热系数的影响。雷诺数较小时,粘滞力对流场的影响大于惯性力,流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减,流体流动稳定,为层流;反之,若雷诺数较大时,惯性力对流场的影响大于粘滞力,流体流动较不稳定,流速的微小变化容易发展、增强,形成紊乱、不规则的紊流流场。
*普兰特准数(物性常数):一个流体力学无因次的标量,表示动黏滞系数和热扩散率的比例,也可以视为动量传递及热量传递效果的比例。
*格拉斯霍夫准数(对流情况): 一无量纲的标量。表示自然对流对对流传热系数的影响
*稳定变温传热:系统中各点温度不随时间改变的变温传热过程
*恒温传热:冷、热流体的温度均不发生变化的传热过程(双相变) 。
*变温传热:冷、热流体中的一方温度沿传热壁面发生变化(单相变)或双方均发生变化的传热过程(无相变)
*列管式换热器:由封头;法兰、密封;管板(花板);管束;折流板;进出口管;放空管(冷凝器用);外壳
组成。优点:适用范围广,结构可靠,适应性强,维修、清洗方便,处理量大,能承受高温和高压,
制造工艺成熟 。可用于各种流体物料的蒸发、冷凝、冷却、加热操作。缺点: m2 / m3中,结构复杂、占用空间较大。
*蛇管式换热器:优点:同列管式; 缺点:m2 / m3中,单管阻力大;处理量小;不易用于汽化操作。
*套管式换热器:优点:同列管式;缺点:m2 / m3小,占用空间大。单管阻力大,不宜用于有相变的操作
*板式换热器:优点:m2 / m3大,结构紧凑,安装、维修、清洗方便。制药工业中多用于水、空气的加热与冷却操作。缺点:适应性差(密封),处理量小。不宜用于高压及有物料相变的操作,慎用于有机溶媒操作。
*螺旋板式换热器:优点: m2 / m3大,结构紧凑。制药工业中多用于有机溶媒的加热与冷却操作。缺点:适应性差,维修、清洗不方便,处理量相对较小;不宜用于物料有相变的操作。
*夹套式换热器。优点:同列管式;缺点:m2 / m3小,占用空间大,不宜用于冷凝操作。
*翅片式换热器:优点:处理量大,加热、冷却,高温,m2 / m3大;缺点:使用范围窄,结构复杂 、不易清洗。不宜用在管内物料有相变的场合。
*热管式换热器:优点:结构紧凑,处理量大,能承受高温和高压。多应用于节能领域(预热水器)。缺点:制造工艺复杂(管内真空);安装、清理不方便。
*吸收:借助吸收塔,利用气体在液体中的溶解度不同而将其分离的操作。(本质—分离气体的操作)
*吸收机理:①物理吸收:被吸收组分仅溶解在吸收剂中,无化学反应或者只有弱反应;影响因素:
溶解度—决定液体对气体的吸收程度;扩散速率—决定液体对气体的吸收速率;特点:吸收是可逆的,气体【吸收-解吸】吸收剂,系统压力越高越易于吸收,反之易于解吸,系统温度越低越易于吸收,反之易于解吸。②化学吸收:吸收过程中被吸收组分与吸收剂发生化学反应。影响因素:反应速率—决定液体对气体的吸收程度及速率。特点:高选择性,吸收通常是不可逆的。
*吸收的目的:①制备溶液产品:水吸收 HCl气→盐酸溶液(物理吸收);②分离气体:水吸收蒸汽混合气中的丙酮→得丙酮溶液(物理吸收);③净化气体:用氨水等去除气体中的硫化氢(化学吸收)
*吸收的分类:①按气液的接触方式:喷淋吸收【液分散气连续,液体呈雾滴】膜式吸收【 液气连续;液体挂壁】鼓泡吸收【气分散液连续,气体呈泡】;②按操作流程:单程吸收、循环吸收、吸收与解吸结合;③按设备数量:单塔吸收、多塔吸收【串联吸收:单塔过高;并联吸收:单塔过粗】
*吸收剂的选择:对被吸收组分有较大的溶解度—工艺;挥发性小(损失小)—经济、环保;有害性小(燃、爆、毒、蚀)—安全;理化性好(粘度低、化学性质稳)—方便操作;经济指标好(价低、易得、可再生)
*相平衡:吸收过程中气液两相间的相际动态平衡
*亨利定律:p* = E · x 【气最低分压,亨利系数,分率】; p*= c / H;y*= m·x;Y* = m·X / [ 1+(1-m)X ] *传质过程:物质从一相转移到另一相的过程(扩散)。① 单相中的物质传递: 物质在一相内部的传递。② 相际间的物质传递:两相界面上发生的物质传递。
*吸收速率方程:①通式: NA =Δf / (1/K·A) = Δf / R ;其中:NA 吸收速率;K吸收系数;A传质
面积;Δf传质推动力;R传质阻力;②气膜传质分系数表示: NA= (p-pi) kG·A;其中:p气体主体中 A的平均分压; pi界面处 A的气相分压;③液膜传质分系数:NA= (ci-c) kL ·A;④以液相主体比摩尔分率差为推动力:NA = KL ·A·C ( x*-x) ; x吸收质在液相中的摩尔分率(质/液);X比摩尔分率(质/吸收剂);以气相主体比摩尔分率差为推动力: y-吸收质在气相中的摩尔分率(质/体);Y吸收质在气相中的比摩尔分率(质/惰性气体)y = Y/ (1+Y)
*蒸馏:借助塔设备,利用溶剂间挥发度的不同,分离液体混合物的操作。
*蒸馏分类: ① 按操作压力:常压;减压【高沸物、热敏性物料】;加压【低沸物(二硫化碳)】;② 按操作流程: 简单蒸馏【混合溶液经一次部分气化并冷凝而实现分离的方法。(传统制酒)】;精馏【混合溶液经过多次部分气化并冷凝而实现分离的方法。】
*理论(塔)板: 如流体流经某塔板时气、液各组份间达到平衡状态(气液相平衡*),则该塔板被称为理论塔板(简称:理论板)。此时,气相达最大组成 y*、液相达最小组成 x*。
*双元非理想混溶液关于拉乌尔定律的修正: pA= p0A·xA ·γA; pB= p0B·xB·γB; γA、γB:A、B组分的活度系数。
*纯组份的挥发度:由一定温度下的饱和蒸汽压表述,蒸汽压越高挥发度越大;混合溶液的挥发度:组分在气相中的平衡分压与液相中的平衡浓度之比;混合溶液的相对挥发度:两组分挥发度之比。
*干燥的定义:借助热能将物料中的水份(湿分)气化,再利用干燥介质(空气)将其排出的操作。
*干燥的分类: ① 导热干燥:依靠热传导的方式加热物料,并利用干燥介子或真空将汽化的湿分排除。② 对流干燥*:依靠热对流传热的方式加热物料,并利用干燥介子将汽化的湿分排除。③ 热辐射干
燥:依靠电磁波加热物料,并使湿分汽化(太阳)。④ 介电加热干燥:依靠高频电场加热物料,并使湿分汽化(微波炉、电磁炉—高频电磁振荡 )。
*常见的对流加热式干燥器:①厢式 ②喷雾式 ③ 沸腾式(流化床)④旋转式⑤ 气流式⑥ 冷冻式