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化工原理
《化工原理》以物料衡算、能量衡算、物系平衡关系、传递速率及经济核算观点5个基本概念为基础，介绍了主要化工单元操作的基本原理、计算方法及典型设备
编辑于2022-07-02 16:06:10- 理综
- 化学工业
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化工原理
课程定位
专业基础课程（桥梁作用）
主要内容（三传过程）
动量传递过程
速度差异
传动量推动力
热量传递过程
温度差异
传热推动力
质量传递过程
浓度差异
传质推动力
单位制与单位换算
单位制
S制I
7个基本单位
米
秒
千克
开尔文
摩尔
安培
坎德拉（cd发光强度）
导出单位
法定单位制
单位换算
方法
原单位消除法
研究对象
单元操作
分类
流动过程
流体流动与输送
沉降，过滤，搅拌
传热过程
换热
蒸发
化工原理上册
传质过程
吸收，蒸馏
萃取，干燥
吸附，结晶
化工原理下册
特点
各个单元操作之间相互独立，组成一个化工工艺过程
同一个化工工艺中能够使用相同的单元操作
相同的单元操作能够应用于不同的化学工艺中，且原理基本相同
均为物理过程
与化工过程的联系
原料-单元操作-反应器-单元操作-产品
流体流动
流体流动现象
雷诺实验
流体分类
层流
过渡层
湍流
雷诺数Re
无量纲（无因次）
物理意义
粘性力/惯性力
雷诺数越大，湍流越剧烈
管内流动分析
层流速度分布
层流时的平均速度u与管中心处最大速度v
推导
机械能衡算方程
受力平衡
层流时阻力损失
哈根泊肃叶方程
物理意义
压力差完全由阻力损失产生
层流时等径直管阻力损失与速度的一次方成正比
湍流速度分布
经验公式
应用条件
,n=7即满足1/7次方定律
边界层与边界层分离
平板上边界层
流体分区为主体区和边界层
随着边界层不断加厚，也包含层流区、过渡区、湍流区
边界层的湍流区也存在层流底层
圆管内边界层的发展
充分发展为层流
充分发展为湍流
进口段长度
边界层分离
发生条件
流经非流线型物体
速度发生变化
有障碍物
产生影响
阻力损失
有利
有弊
管内流动阻力损失
沿层损失
圆形管的沿层损失
范宁公式
以J/kg为单位
以J/m^3为单位
以m为单位
如何求
莫迪摩擦系数图
层流摩擦系数
湍流摩擦系数
由量纲分析法（Π定理）推导经验公式
Π定理：对于某个物理现象，如果存在n个变量互为函数关系，而这些变量中有m个基本量，则可排列这些变量成为n-m个无量纲Π数，即可合并n个物理量为n-m个无量纲数。
适用范围
非圆形管的沿层损失
当量直径
局部损失
阻力系数法
突然扩大
突然缩小
计算阻力损失时，按小管的流速计算动能项
当量长度法
两种方法均为近似计算，有时候计算结果不完全一致
管路计算
不可压缩流体管路计算
管路分类
简单管路——无分支或汇合的管路
复杂管路——有并联和分支支路的管路
并联管路
总流量等于各并联支管流量之和
并联各支管的阻力损失相等
细又长的支管流量小，粗又短的支管流量大
管路计算分类
操作型
简单管路中若某个组件阻力系数变大，如阀门关小，将导致管内流量减小，部件上游压力上升，下游压力下降
小结论
并联管路中任意支管阻力系数增大，必然导致该支管和总管内流量减小，其他并联支管流量增大，该支管上游压力增大，下游压力减小，
设计型
可压缩流体管路计算
使用条件——可压缩，长距离，无轴功
流量测量
变压头流量计
测速管（皮托管）
测量原理
注意事项
皮托管之前需要有一段长度约等于50倍的直管道作为稳定段
皮托管直径不应超过管道直径的1/15
测速管管口截面严格垂直于流动方向
优缺点
优点：阻力小，可用于测量大直径气体管道内的流速
缺点：不能直接测出平均速度，测量的是瞬时速度，压差计读数小
孔板流量计
测量原理
注意事项
孔板应保持清洁和不受腐蚀
其上游应有一段稳定段
优缺点
优点：结构简单
缺点：阻力损失大
文丘里管流量计
优点：渐缩渐扩管，阻力损失小
缺点：加工量大，精度要求高，价格昂贵
变截面流量计
又称转子流量计
测量原理
转子的重力=升力+浮力 ，用转子的位置来指示流量大小
解释
对于一定的转子，流量只取决于环隙截面积A0
转子计永久阻力损失不变，因为u0 不变
转子流量计升力不随流量的改变而改变
优缺点
优点：读取方便，阻力不大，测量精度高，能用于腐蚀性流体的测量，前后无需保留稳定段
缺点：流体只能保持向上垂直流动，玻璃材质的转子易碎，且不耐高温和高压
变压头流量计与变截面流量计的区别与联系
区别
变压头流量计——变压头恒截面
变截面流量计——变截面恒压头
联系
流体流动
研究重点
流体在管路中的流动
几个概念
稳定流动&不稳定流动
流量&流速
流量
质量流量
体积流量
流速
平均速度
质量流速
体积流速
点速度
流体流动基本方程
质量衡算方程——管内稳定流动连续性方程
输入流量=输出流量
适用于圆形直管不可压缩流体流动连续性方程
黏度
内摩擦力产生原因
气体分子之间通过动量传递
液体分子之间通过分子间吸引力
物理意义及单位
衡量流体黏性大小
注意单位换算
牛顿黏性定律
单位面积上的内摩擦力=黏度*速度梯度
牛顿流体与非牛顿流体
牛顿流体
符合牛顿粘性定律
非牛顿流体
机械能衡算方程
理想流体的伯努利方程
以1kg流体为基准的不可压缩理想流体做稳定流动时，无外功和阻力损失
实际流体的机械能衡算方程式
适用范围
不可压缩，连续，均质流体
若流体静止，则转化为流体静力学方程
若流动系统无外加功，则说明流体自动从高能位流向低能位
表征形式
应用
控制体的选取
基准水平面的选取
压力形式统一
习题
流体静止
一个概念
压强
压力单位
表征方法
绝压
表压（=绝压-当地大气压）
真空度=|表压|=当地大气压-绝压（数值上是正值，意义上是负值）
流体静力学方程
两种表现形式
适用范围
绝对静止，连续，均质（同一种流体），不可压缩
性质
等压面为水平面，同时满足连续均质，不可压缩，绝对静止
巴斯噶原理——压力可传递性
液面上所受的压力能以同样大小传递到液体内部任意一点
流体静力学方程应用
U形压差计
双液柱压差计
优势：可放大读数，减小误差
缺点：双液柱高度Z1<>Z2
流体
分子特性
微观上不连续，宏观上看作连续（连续介质模型）
概念
流体由连续分布的流体质点组成
流体密度
概念
单位体积流体质量
影响因素
液体
气体
分类
可压缩流体（密度随温度压强可变）
不可压缩流体（密度随温度压强不变）
流体输送机械
液体的输送装置——泵
速度式——离心泵，轴流式，喷射式
离心泵
操作原理
灌泵
若不灌泵，则出现气缚现象
气缚现象指离心泵中由于存在气体而导致无法正常吸入液体的叶轮空转现象
甩出
真空
吸入
基本构造
叶轮
按叶轮形状分为前弯式、径向式、后弯式
按叶轮是否封闭分为开式、半开式、闭式
泵壳
特点
呈蜗壳状，截面积逐渐增大
作用
收集液体——将液体从轴中心汇集到泵壳出口
能量转换——将液体的动能转化为静压能，同时减少过大的流速带来的机械能损耗
泵轴及轴封装置
作用
防止液体经缝隙流出
防止外部气体渗入泵内
分类
填料密封
机械密封
导轮
分类
按叶轮数量
单级泵
多级泵——获得更高压力能的输送液体
按吸入口数量
单吸泵
双吸泵——获得更多流量的输送液体
主要性能参数
转速n
流量Q
压头（扬程）H
理论压头
理论条件
叶轮无限多，叶片无限薄—液体沿着叶片弯曲方向流动—不考虑叶片间的环流
液体为理想流体—无黏性—不考虑阻力损失
定性影响因素
流量
H∞与Q的线性关系
H∞随Q增大而减小
H∞随Q增大而不变
H∞随Q增大而增大
叶轮旋转角速度
叶轮构造尺寸
叶轮半径
叶轮周边宽度
叶片的装置角
实际压头
粗略测量
略去了两截面之间的阻力损失，动压头，位头—若题目给出了其中之一那需要代入计算
压头损失
叶片间的环流——叶片并非无限多
阻力损失——液体有黏性
冲击损失——离开叶轮周边冲向蜗壳内部
轴功率N
定义：外界通过泵轴供给泵的输入功率
泵的输出功率又叫有效功率
效率
物理意义：反映泵的机械能利用程度
决定因素——机械能损失总和
水力损失——理论压头与实际压头之差
容积损失——从四周送出的高压液体流回中央低压区
机械损失——机械部件摩擦损失
汽蚀余量
又称净正吸上高度
汽蚀
产生原因
由于泵的安装高度过高，导致泵内压力降低，当降至输送气体的饱和蒸汽压时，液体沸腾，产生蒸气泡，泡泡随液体从入口向外周流动，同时压力加大迅速冷凝，使液体以很大的速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高气压很大的冲击力
危害
冲击叶轮，产生裂缝
产生噪声，引起泵体震动
液体流量，出口压力和效率减小
不能输送液体
汽蚀余量
安装高度
离心泵特性曲线及应用
意义：展示离心泵性能参数之间的关系
三条曲线
H-Q
N-Q
为使泵在N尽可能小的情况下启动，离心泵在启动前应该关闭出口阀
Q=0时，N≠0，因为叶轮空转任需轴功率
先增大至最高点（设计点），再下降，因此选择设计点附近的高效区来设计泵的参数
使用条件：固定转速
离心泵特性曲线的影响因素
液体性质
液体密度
H-Q无影响
无影响
N-Q随密度增加而增加
液体黏性
黏性较小时可以忽略
黏性较大时进行修正
叶轮性质
叶轮的转速
比例定律
使用条件：n'变化幅度小于20％，效率可视为不变
叶轮的尺寸
切割定律
使用条件：切削幅度小于15％，效率可视为不变
离心泵工作点和流量调节
工作点——管路特性曲线与离心泵特性曲线交点
管路特性曲线：完全湍流时
离心泵特性曲线：
流量调节——改变工作点
改变离心泵特性曲线
改变泵的转速或切割叶轮
改变泵的转速：
切割叶轮：同理
特点：减少消耗动力，便于自动控制
改变管路特性曲线
调节阀门，人为改变阻力系数
特点：多消耗动力，但是操作简单方便
常见习题
比例定律不能用于泵和管路特性曲线共同决定工作点的情况，但是可以应用于管路特性曲线过原点的时候
设计型与操作型问题
容积式——往复式，回转式
往复泵
工作循环：一次吸液体，一次排液
特点：不需要灌泵，无汽蚀现象，流量与压头无关
适用：小流量，高压头，黏性
不适用：含固体颗粒或腐蚀性液体
隔膜泵：专门用于运输腐蚀性液体或者含有悬浮物的液体
计量泵：液体量精准，小流量
齿轮泵：输送黏性大流量小的液体
螺杆泵：效率高噪声小，高压下输送黏性大流量小的液体
其他——射流泵，涡流泵，真空泵
气体的压送装置
按用途分
通风机
p2/p1=1-1.15
离心通风机
全风压=静风压+动风压，单位Pa
鼓风机
p2/p1<4
压缩机
p2/p1>4
真空泵
p2/p1=∞
按工作原理分
速度式
容积式
C:/Users/LX/AppData/Roaming/Tencent/QQ/Temp/F327879B3CFFC47D2F5024B430F95BCA.png
流体输送机械的原理-构造-性能参数-合理选择-正确操作-实现工厂生产需求
机械分离
机械分离对象
非均相混合物：体系内包含一个以上的相，相界面两侧物质性质不同
均相混合物
本章不讨论，传质过程见第八章
机械分离非均相混合物方法
筛分
筛分概念：根据固体颗粒大小用筛进行分离的过程
筛分原理
固体颗粒的特性
球形
大小——直径
形状
表面积——单位体积表面积
非球形
大小——当量直径
体积当量直径
表面积当量直径
比表面积当量直径
形状——球形度
越接近1，越与球形相近
比表面积——
颗粒群的特性
粒度分布：某一粒度范围的颗粒的质量分率随粒度的变化关系
频率分布曲线
累积分布曲线
平均直径
长度平均直径
表面积平均直径
体积平均直径
体积表面积平均直径
对于同一粒群，各平均直径大小关系
筛分工具——标准筛：由一系列具有不同大小孔眼的筛组成
100目：每英寸筛网上有100个筛孔
筛号越大，筛孔越小
通过筛孔的为筛过物，未通过筛孔的为筛留物
筛分效率
沉降
沉降概念：利用非均相混合物在重力场或离心场中，其中各个不同成分所收到的重力或离心力不同，从而将各个不同成分加以分离的方法
沉降原理
重力沉降
自由沉降——单个颗粒在无限大流体中的降落过程，包括加速段和等速段，最终颗粒以一恒定速度沉降
斯托克斯定律
适用条件：层流区
实际沉降
干扰沉降，非球形颗粒的沉降，壁面效应
离心沉降
实际沉降
自由沉降——只有加速过程，但加速度一般很小可近似看成匀速沉降
沉降设备
重力沉降设备
降尘室（气固）——从气流中分离尘粒的设备
沉降室结构：扁平状——沉降室最大处理量与高度无关只与底面积和沉降速度有关
除尘原理：气体通过沉降室的时间大于或等于沉降到底面的时间
完全被除去的最小颗粒所满足的条件
含沉气体的最大处理量
相关习题：100％除去-d最小；求d更小的除去率—进气中不同粒径的颗粒沿高度均匀分布，则除去率=h/H=d^2/d最小^2
特点
优点：结构简单
缺点：设备大，效率低，只适用于分离粗颗粒
沉降槽（液固）——从悬浮液中分理出清液而留下稠厚沉渣的设备
结构
除尘原理：与沉降室相同
特点：属于干扰沉降，凝絮现象，越往下沉流速越慢，沉降速度较难计算，固液较难分离
离心沉降设备
旋风分离器（气固）
构造：上部分为圆筒形，下部分为圆锥形
分离性能
临界直径：理论上能分离出的最小颗粒直径
推导过程
旋液分离器（液固）
例题
注意题给的流量一般单位m^3/h需要换算m^3/s
过滤
过滤概念：利用多孔介质，使液体通过而截留固体颗粒，从而使悬浮液中的液体和固体得以分离
工业过滤方法
深层过滤
滤饼过滤
过滤基本理论
过滤速度
：通过滤饼的压降，Pa
r ：滤饼的比阻，
颗粒的比表面积a
滤饼的空隙率
滤液黏度
L：滤饼厚度
过滤两种基本方程
模型简化
K/V/Ve 均为过滤常数，由实验测定
影响K的因素
推动力
滤饼的性质
滤饼不可压缩时，s=0
滤浆的性质
影响Ve/qe的因素
过滤介质的性质
恒压过滤方程
特点：K为常数，过滤阻力增大，过滤速率减小
滤饼的洗涤
特点、与过滤的异同
推动力、阻力不变
洗涤速率为常数
洗涤速度
洗涤速度（率）与过滤速度（率）的关系
洗涤时间
过滤设备及计算
以压力差为推动力
板框压滤机
操作循环：过滤-洗涤-卸渣整理重组
特点：间歇式操作，横穿洗涤
洗涤速度与过滤速度之比1：2
洗涤速率与过滤速率之比1：4
操作周期=过滤时间+洗涤时间+整理重组时间
生产能力：单位时间内获得的滤液量或者滤饼量Q
最佳操作周期：生产能力最大时的操作周期
条件：过滤洗涤操作压力相同，黏度相同，介质阻力忽略不计
条件：若不能忽略介质阻力
叶滤机
操作循环：过滤-洗涤-卸渣整理重组
特点：间歇式操作，置换洗涤
洗涤速度与过滤速度之比1：1
洗涤速率与过滤速率之比1：1
操作周期：同板框压滤机
生产能力：同板框压滤机
转筒真空过滤机
操作循环：过滤-洗涤-吹松-刮渣
特点：连续式操作，置换洗涤
操作周期：
过滤时间：
生产能力：
题型
求板框充满滤饼的时间(随着滤液增多，滤饼的体积也在增大)
注意：以1个框为例：A=2A侧板框（题目未给过滤面积），V=2V,Ve=2Ve
求板框压滤机的总生产能力Q
注意：Q=nQ，n为板框数，时间单位化成s
关于过滤面积，题目是否给出？若没给出则以一个框来计算时，A=2A侧板框；若以总过滤面积来计算，A=2nA侧面
例子
以离心力为推动力
不做讨论
固体流态化
概念
固体颗粒层在流体的带动下，能使颗粒具有流体某些表观特性的过程
特点
流化床的压力损失恒定不变
搅拌
3中基本流型
切向流
不利于搅拌
轴向流
径向流
有利于搅拌
传热
热传导
傅里叶定律
公式：
热导率 W/（m·K）或W/（m·℃），表示物质的导热能力
q是矢量，负号表示方向，即热通量的方向与温度梯度方向相反
物理意义：描述热传导的宏观规律
稳态传热模型
平壁模型
单层
多层(忽略平壁之间的接触热阻)
在稳定导热过程中，通过各层的热流量相等
圆筒模型
单层
多层
对流
牛顿冷却定律
如何求
是一种局部性质的系数——实际上用于计算时应用全部传热面积上的平均给热系数
理论分析法
实验法（半理论半实验）——因次分析法
量纲分析法+实验推导+关系式
Nu:努塞尔数
物理意义：导热热阻与对流热阻之比
Re:雷诺数
注意，在计算当中常见
物理意义：流体惯性力/黏性力
Gr:格拉晓夫数相当于自然对流时的雷诺数
Pr:普朗特数
一般
物理意义：反映物性的影响
各种情况下的经验公式
无相变
管内层流
管内湍流
温度对层流底层液体的黏度影响：1.加热时，临近管壁处的温度较高，黏度较小，层流底层较薄，给热系数较大；2.相反冷却时，黏度较大 ，给热系数较小
条件：Re>10000，Pr=0.6~160，管长和管径之比l/d>50
（d:管内直径）
若不适用该条件则要乘上校正系数f
短管：f>1
壁面与流体主体温差较大：情况有多种
过渡流：f<1
弯管内：f>1
非圆形管强制湍流：d-de
管外强制对流
流体横向流过单管:给热系数处处不同，需取平均
流体横向流过管束：
给热系数越来越大，后来基本相同，因为流体混乱程度增加
自然对流
有相变
冷凝传热
膜状冷凝
滴状冷凝
沸腾传热
总结规律：
间壁式换热器的传热
换热器的结构
分类
间壁式（应用最广泛）
套管式
列管式
管程数
壳程数
直接接触式
蓄热式
传热过程分析：热流体一侧对流传热+间壁热传导+冷流体一侧对流传热
传热计算（以列管式换热器为例）
LMTD法（对数平均温差法）
总传热速率方程
Q的计算
无相变
有相变
（r：汽化潜热kJ/kg）
K的计算
的计算（以无相变的逆流为例）
恒温差传热：
变温差传热（以无相变的逆流为例）：
对数平均温差(逆流并流均适用)
规律：相同进出口温度下，逆流的平均传热温差>并流
其他情况：
(传热单元数法)
引入3个无量纲数群
热容流量之比
传热效率
传热单元数
定量关系
逆流总传热速率方程
并流总传热速率方程
定性关系
热容量之比
传热效率
传热单元数
含义：传热单元的个数，传热单元是指将整个传热面分成若干段，每一段均满足平均传热推动力=温升或温降
几何意义：NTU小，达到相同的出口温度时，所需的A小
NTU越小越好
两种方法的联系和区别
设计型问题——根据换热任务求取换热面积：LMTD法
两种方法本质上一致
常见习题
操作型—操作题条件改变对已有的换热器能力或出口温度进行核算，一般需要比较A的大小
定性分析：传热单元数法更好，可利用图来判断
饱和蒸汽压力变大意味着温度增大
单管程变为双管程，意味着M增大，意味着α，K增大
定量分析：两者均可
一般比较A需要&A实际大小
若为多管程式，则A需要乘上管数
设计型—根据换热任务求取换热面积
水的20℃定压比热容
建议使用LMTD法，计算更简便一些
辐射
基本概念
吸收率A
反射率R
透过率D
定律
斯蒂芬-玻尔兹曼定律
物理意义：绝对黑体的辐射能是热力学温度的四次方
克斯霍夫定律
物理意义：在同一温度下，物体的吸收率在数值上等于黑度即灰体的发射能与绝对黑体的发射能之比，物体的吸收能越大反射能也越大
两灰体组成的封闭系统的辐射传热效率
其他情况较为复杂，辐射传热效率与物体辐射能，相对位置以及周围环境等因素相关
两无限大平行面板
大物体包围极小物体
被包围物体1和包围物体2
影响辐射传热的因素
温度
表面黑度
几何位置
角系数表示从一个表面辐射的能量被另一表面所拦截的分数
介质：加入热阻，Q减小
在两块平板间插入第三块热屏，热阻会增大，传热速率会减小
传热设备
分类
间壁式
夹套式
蛇管式
套管式
列管式（管壳式）
构造：壳体，管束，管板，顶盖，挡板
壳体与管壁温度不一样-膨胀程度不一样-降低设备损伤-考虑热补偿方法
哪一侧给热系数较大，壁温就接近哪一侧
补偿圈补偿——固定管板式换热器
适用于温差小，管外物料清洁
浮头补偿——浮头式换热器
适用于温差大，需经常进行管内外清洗
U形管补偿——U形管式换热器
适用于温差大，但是管内清洗较困难
接触式
蓄热式
换热器的选用
管程：腐蚀性，黏度小，不易清洁，压力高
壳程：蒸汽，黏度大，流量小
换热器强化途径
提高单位体积内传热面积
采用新型高效换热设备
提高平均温差
采用逆流
采用高温加热剂或者低温冷却剂
增大传热系数
减小热阻
几个概念
温度场
等温面
温度梯度：温度变化率的最大值
传热速率
热流量Q（传热速率）：J/s(W)
热通量q
传热速率=传热温差/热阻
传热的三大基本方式
热传导
概念：热量从自身内部温度高的部分传到温度低的部分/与之相接触的温度较低的物体
机理
宏观机理
傅里叶定律
微观机理
本章不讨论
对流
概念：流体各部分质点发生相对位移而引起的热量传递，只发生在流体之间
分类
强制给热
自然给热
牛顿冷却定律：
辐射
概念：物体因热而发出辐射的过程称为热辐射，并以电磁波的形式传热
特性：辐射能可以不借助任何物质做媒介而进行传播
三大传热方式大多数时候不会单独存在，而是相伴相随
蒸发
概念
将溶有不挥发溶质的稀溶液中部分溶剂汽化，除去的单元操作。目的是得到浓溶液或者固体溶质或者除去杂质。
几个概念
加热蒸汽：做热源用的蒸汽
二次蒸汽：从溶液中汽化出来的蒸汽
按二次蒸汽的利用情况分类
单效蒸发
多效蒸发
分类
单效蒸发与多效蒸发
常压蒸发，加压蒸发，减压（真空）蒸发
多效蒸发
分类，按加料方式
并流式
特点
料液可自动进入下一效，无需泵
闪蒸，有更多蒸汽
K，P,T依次减小
适用
保护液体不被高温下破坏
逆流式
特点
料液需要泵输送
传热推动力均匀
适用
黏度随温度和浓度变化大的溶液
热敏性差的溶液
平流式
特点
各效独立进料
停留时间较短
适用
有结晶析出的溶液
几乎是饱和溶液
错流式
特点
兼有并流逆流的特点
操作复杂
单效蒸发
物料衡算:进料液溶质质量=完成液溶质质量（不挥发溶质）
热量衡算：进入蒸发器的总热量=出去蒸发器的总热量
D:加热蒸汽的消耗量
W:二次蒸汽产生量
D/W:单位蒸汽消耗量，表示蒸汽的利用程度
r:二次蒸汽冷凝潜热
R:加热蒸汽冷凝潜热
适用条件
传质导论
传质概念
定义：在推动力作用下（浓度差，温度差，压力差），均相混合物中的特定组分发生的定向迁移过程，包括相内传质和相际传质
辨析：区分物料传递
目的
主要目的：分离均相混合物
气-液：吸收与脱吸
液-液：萃取
固-液：浸取
液-固：结晶与溶解
气/液-固：吸附与脱附
固-气：干燥
液-汽：精馏
其他目的：混合（增湿/减湿，溶解）
气-水：增湿与减湿
传质过程
由一相内部扩散至两相交界处-穿越界面-扩散至另一相内部
最终状态：相平衡
特点：两相浓度一般不同；动态平衡
与热平衡的区别与联系
相组成表示方法
传质方式
由于传质的复杂性，目前没有一个完善的传质理论
分子扩散
原理：流体分子无规则运动
条件：发生在静止流体，层流流动的流体中，靠分子运动进行
扩散规律：菲克（第一）定律
形式一
很难使用
含义：相对扩散通量，相对于分子对称面
适用于任何条件
性质：物性
一般来说固体<液体<气体
对于二元物系：
经验估算式
Fuller公式
Wilke-Chang公式
形式二
更常用
含义：绝对扩散通量，相对于静止面的摩尔传质速率
对于气体的菲克定律：
物理意义：扩散通量指单位时间内单位面积(分子对称面)上扩散传递的物质的量
适用范围：双组分体系
扩散类型
以双组分一维单分子为例
等摩尔相互扩散
特点：
传质速率方程
等摩尔相互扩散中，绝对扩散通量=相对扩散通量
单向扩散
含义：组分A通过停滞组分B的分子扩散
特点：
传质速率方程：
漂流因数：>1
代表总体流动的影响
原因：等摩尔相互扩散中，A走后出现空位由B填补，而单相扩散中，A走后，由AB混合物填补，造成总体流动
混合物中A组分浓度越大，漂流因数越大
对流传质
原理：流体质点的湍动和漩涡
条件：发生在湍流流动的流体中，靠流体的微团的脉动进行
模型
双膜模型
阻力集中在界面两侧的膜层中
溶质渗透模型
表面更新模型
对流传质方程:
联想牛顿冷却定律，给热传质系数
传质系数影响因素：流动状况，物性，操作温度与压力，传质面几何性质
吸收
本章节的”气“不带三点水
定义
根据不同气体组分在液体溶剂中的溶解度不同，对混合气体进行选择性吸收，从而达到分离的传质过程
目的：分离气相均相混合物，回收有用组分，除去有害成分，制取产品
分类
物理吸收&化学吸收
单组分吸收&多组分吸收
等温吸收&非等温吸收
本章讨论等温，单组分，物理吸收
吸收基本理论
双模模型
亨利定律
三种表现形式
适用范围
稀溶液
物理意义
稀溶液中，气液两相浓度成正比。H越大（E越小，m越小），在相同分压下，溶解度越大
传质速率方程
应用亨利定律+双模模型
公式：总传质推动力/总传质阻力
四种表现形式
以气相分压差为推动力的气相总传质方程
以液相浓度差为推动力的液相总传质方程
以气相摩尔分数差为推动力的气相总传质方程
以液相摩尔分数差为推动力的液相总传质方程
传质阻力
气膜控制—易溶物系
液膜控制—难溶物系
双模控制—溶解度适中物系
传质推动力
传质推动力示意图
说明
操作点越接近平衡线，传质推动力越小
传质的本质是P操作点慢慢向平衡线靠近，由初态达到平衡态的过程
习题
操作型
注意G的单位：kmol/(面积·时间)
设计型
方法
快速分析法
作图+排除法
吸收因数法-数形结合
举例
吸收剂入塔浓度xa增大：传质推动力减小，xb,ya均增大
吸收剂用量L减小:xb,ya均增大
气体入塔浓度yb减小：ya,xb均减小
气体流率G减小：ya,xb均减小
G增大：ya,xb均增大
二元低浓气体吸收的计算
模型—逆流吸收塔
用摩尔比代替摩尔分率
计算参数
液相出塔浓度
全塔物料衡算：溶质A气相的减少速率=液相的增加速率，用摩尔比代替摩尔分数
操作线方程
（X,Y)代表操作点
斜率代表:液气比
最小液气比
最小气液比判断吸收能否成功进行
只针对设计型问题有意义
作图与计算
操作线斜率越小，越接近平衡线，传质推动力越小
过两个端点
总是位于平衡线上方
低浓度气体
特点
吸收的溶质少，G,L可视为常数
溶解的热效应小，可视为等温
给质系数可视为常数
yb<10％
吸收剂用量
可用最小气液比来计算
塔的工艺尺寸
塔径D
填料层高度h
适用于高低浓度吸收
低浓度气体吸收
影响因素
流动状况，物系，填料性质，操作条件
传质单元
每一传质单元就是每一段满足要求的填料，条件是每一段气相组成的变化量=该段气相总的平均推动力
传质单元高度NTU
NTU 越小越好
传质单元数N
几何意义
N越少越好
如何使N变小
增大ya，降低分离要求
增大传质推动力，y-y*
如何计算N——针对二元低浓气体的吸收
平衡线为直线
吸收因数法
数形结合
对数平均推动力法
平衡线为曲线
图解积分法
适用于任何情况
近似梯级法
操作线越接近平衡线，N越多
适用于逆流吸收且操作范围内平衡线为变化程度较小的曲线
蒸馏
数形结合思想
蒸馏中所有汽都有三点水
定义
利用液体混合物中各组分挥发性能的差异，以热能为媒介使其部分汽化，从而在气相富集易挥发组分，在液相富集难挥发组分，使均相液体混合物得以分离的方法
目的：获得高纯度产品或者粗馏分，比如酿酒，石油炼制
分类
间歇蒸馏&连续蒸馏
间歇蒸馏——小批量，操作灵活
连续蒸馏——大批量，操作稳定
二元蒸馏&多元蒸馏
根据混合液的组分数
常压&减压&加压蒸馏
减压蒸馏——常压下沸点较高，使用高温加热不经济或含有热敏性物质
加压蒸馏——常压下沸点低，易挥发混合物
常压蒸馏——最普遍
简单蒸馏&平衡蒸馏&精馏
精馏——高纯度分离
简单蒸馏和平衡蒸馏——初步分离
本章重点讨论常压二元连续蒸馏
二元物系汽液相平衡
理想物系
理想物系：汽相为理想气体，满足理想气体状态方程和道尔顿分压定律；液相是理想稀溶液，满足拉乌尔定律
苯-甲苯，甲醇-乙醇，烃类同系物组成的溶液
泡点方程
公式:
物理意义：描述一定总压下，对于某一指定温度，液相组成与泡点（液体开始沸腾的温度）的关系
露点方程
公式：
物理意义：描述一定总压下，气相组成与露点（液体开始冷凝的温度）的关系
相图
t-x(y)图
沸点（泡点）、凝固点（露点）不是一个定值
露点线一般都在泡点线上方
x-y相图
相平衡线偏离对角线程度越大——达到平衡时，气液相组成差距越大——溶液通过蒸馏越有利于分离
挥发度&相对挥发度
挥发度
定义：
物理意义
相对挥发度
定义：
物理意义
影响因素
体系
温度
理想物系，温度不影响
压力
压力升高，相对挥发度降低
二元物系相平衡方程
方程：
物理意义：达到相平衡时 ，气液相组成的关系
时，相平衡线：y=x
非理想物系
分类
正偏差溶液
极大正偏差溶液：有最低恒沸点
负偏差溶液
极大负偏差溶液：有最高恒沸点
与理想物系的差距：分子间存在作用力
相平衡关系：
蒸馏方式
简单蒸馏
特点
间歇、不稳定
分离程度低
计算
宏观物料衡算
微分物料衡算
平衡蒸馏（闪蒸）
特点
连续、稳定
分离程度低
计算
宏观物料衡算
液相分率：
汽相分率:
微分物料衡算
平衡蒸馏&简单蒸馏
联系
在操作压力，原料相同的条件下，若平衡蒸馏的操作温度与简单蒸馏操作温度相同，则比较分离效果和产品量
简单蒸馏分离效果好，但产量小
平衡蒸馏分离效果低，但产量大
区别
精馏
平衡级（接触级）
定义：使不平衡的汽液两相接触，经过足够长时间充分接触，离开时，汽液两相达到平衡，这个过程称为平衡级
要求
不平衡的汽液两相——饱和气相温度>饱和液相温度
结果
平衡时，汽液两相温度相同，且汽相得到提浓，液相得到减浓
精馏原理
利用回流手段，经过多次平衡级，使物系实现高纯度分离的操作
流程
设备图
计算
二元连续精馏的其他操作
塔顶设有分凝器
分凝器一块理论板
调节回流比不方便不准确
冷液回流t0<t1
用内回流比代替回流比
与泡点回流的区分
回流比增大，有利于精馏
再沸器热量提供增加
直接蒸汽加热
适用：水溶液，且水是难挥发组分
优点
简单的塔釜鼓泡器代替昂贵的再沸器
加热蒸汽压力较低
缺点
排出釜液量增大，浓度降低
理论塔板数较多
多股加料和侧线出料
回收塔
习题
设计型
由公式代入数据计算
操作型
改变参量，定性分析变化
快速分析法
依据：精馏段操作线越接近平衡线，越不利于精馏，xD越小；提馏段操作线越接近平衡线，越不利于精馏，xW越大
适用于改变操作线方程的条件
作图+排除法
依据：往往是N塔板数不变
举例
减小釜底加热蒸汽量-V'减小
减小操作压力-相对挥发度增大
心得
理清塔板上的相平衡关系和操作线方程的关系
泡点回流比冷夜回流更容易计算
全回流时，精操线和提操线方程与对角线重合
饱和液体回流，q=1
提馏段操作线可由d点与w 点确定
二元连续精馏的分析与计算
全塔物料衡算
组分回收率
计算前提
恒摩尔物流假设：从每层板上升的蒸汽摩尔流率均相等，下降的液体流率也相等，但两者之间往往不相等
精馏段
精馏段操作线方程
泡点回流
斜率越大,越远离平衡线——经过一块板后，汽相增浓程度变大，液相减浓程度也变大——有利于精馏
回流比
全回流时，
提馏段
提馏段操作线方程
L',V',L,V如何计算,四者之间有何关系
斜率越小，越远离平衡线，塔板分离能力越高，越有利于精馏
进料热状况参数q
5种进料情况
过冷液体
饱和液体
饱和气液混合物
饱和蒸气
过热蒸气
物理意义
液相分率
q的影响
提馏段的传质推动力
q越小，提馏段操作线离平衡线越近
影响再沸器的热负荷
q越小，V'越小
q线方程—加料线方程
几何意义
代表精操线和提操线交点的轨迹
可由b点和d点确定提馏段操作线方程
理论塔板数的计算
逐板法
精馏段满足N块板满足：
加料板位置：N+1
提馏段：
总塔板数M-1
图解法
画阶梯：理论塔板数N=阶梯数-1（再沸器）
精操线越接近对角线，N越小
捷算法
塔板效率与实际塔板效率
塔板效率
单板效率（默弗里板效）
全塔效率
不仅与单板传质有关，还与板与板之间传质有关
第十一章气液传质设备
实际塔板效率
影响塔板效率的因素
流动状况，物性参数，塔板结构参数，操作参数
回流比的影响及选择
最小回流比
概念：为完成某一分离任务，所需要的理论塔板数为无穷多时的回流比
计算
恒浓点e：精操线，q线，提操线，平衡线的四线交点
理想物系：
最大回流比
全回流
精，提操作线均与对角线重合
理论塔板数最少
R的选用要综合考虑设备费用以及能源费用
精馏塔的热量衡算
再沸器的热负荷：
冷凝器的热负荷：
全塔热量衡算：全凝器热量=再沸器热量
除普通精馏外的其他精馏方式
水蒸汽蒸馏
直接蒸汽加热与水蒸汽蒸馏的区别
适用场合不同
直接蒸汽加热的普通精馏：用于互溶的水溶液
水蒸气蒸馏（除普通精馏方式外的其他种类的精馏方式）：用于分离不溶于水的溶液
通入的蒸汽作用不同
直接水蒸汽加热：加热剂
水蒸气蒸馏：加热剂和夹带剂
适用：
溶液不溶于水且沸点较高或者具有热敏性
原理：
P一定时，不互溶物系沸点比其中任一纯组分沸点均低
特点：
降低溶液的沸点（低于任一纯组分）
经冷凝，分层，除去水分从而得到产品
水蒸气既作为加热剂，又作为夹带剂
间歇蒸馏
适用：
原料每批浓度，量不定
特点：
不稳定
只有精馏段，没有提馏段
恒回流比操作
恒馏出液操作
特殊蒸馏
适用：
溶液的相对挥发度为1或者接近1
原理：
加入第三组分，改变相对挥发度
分类：
恒沸精馏
加入恒沸剂，使形成最低恒沸物
萃取精馏
第十二章萃取
加入萃取剂，增大相对挥发度
恒沸精馏与萃取精馏的区别：
操作温度前者低，后者高
萃取剂更容易找到
萃取剂必须由塔顶加入
反应精馏
生产过程中有化学反应，同时又需要对产物进行精制
（液液）萃取
定义
目的：分离液相混合物
概念：利用液相混合物中各组分在外加溶剂中溶解度的差异而分离该混合物
与蒸馏的对比：
液液相平衡关系
相图表示
三角形相图
杠杆原理：差点和和点
应用
查浓度
表示混合，分离等过程
相平衡曲线
溶解度曲线
共轭线
辅助线
x/y(M摩尔分数)
分配曲线
X-Y（质量比）
计算式表示
分配系数 k
分配系数为1代表在相图中共轭线呈水平线
选择性系数
类比相对挥发度，两者意义相同
对于萃取要求
习题
注意在相图当中应用摩尔分数或质量分数，而分配图当中一般为摩尔比，要换算
萃取计算
分类：物理&化学萃取/二元&多元萃取/微分连续接触式&分级萃取
本章讨论物理，二元，分级萃取过程的计算
计算前提假设：理论级假定，离开两相的R,E呈相平衡关系
单级萃取
B，S部分互溶三元体系
图解法
杠杠原则
最小萃取剂用量
最大萃取液浓度
B，S不互溶三元体系
解析法
操作线：
相平衡关系：
多级萃取
多级错流萃取
特点：每一级均用新鲜萃取剂，传质推动力较大；萃取剂用量极大，操作费用高
计算：级数N
B,S部分互溶
图解法
平衡线的数目为N
B,S不互溶
图解法
以第i级为衡算单元：
多级逆流萃取
特点：传质推动力较均匀
计算：级数N
B,S部分互溶
图解法
净流量
S/F对多级逆流的影响
位置
S越小，操作线与共轭线斜率越接近，每个理论级分离程度越小
净流量点最小位置：共轭线延长线，最靠近S的点
B,S不互溶
图解法
溶剂比越大，操作线斜率越小，N越小
解析法（逐级法）
操作线方程：
纯溶剂萃取,且平衡线为直线时
最小溶剂比
干燥
定义
概念：利用热能，使湿物料中的湿分气化而除去得到干物料
目的：除湿
其他除湿方法
机械分离法
吸附法
干燥
对流干燥
本章主要介绍对流干燥，空气-水系统
传导干燥
辐射干燥
介电加热干燥
原理：传热+传质
湿空气性质
水汽分压：
湿度：
物理意义：
性质：质量比
相对湿度：
物理意义：表示空气的吸湿能力
湿比容：
物理意义：1kg干空气对应的湿空气的体积
湿比热容：
单位：
焓：
单位：
干球温度：t
湿球温度：
绝热饱和温度：
露点温度：
物理意义：在总压不变的条件下，将不饱和湿空气冷却，直至冷凝出水珠为止，达到饱和状态，此时湿空气的温度称为露点温度
湿度图t-H：
应用
查湿空气性质
表示湿空气状态变化
加热过程
等湿变化
冷却过程
干燥过程
两股湿空气混合
杠杆原则
干燥计算
干燥过程
预热
降低相对湿度，提高空气吸湿能力
空气温度高，物料温度高，水汽化速率快
干燥热力学
湿物料中含水率
湿基含水率：
干基含水率：
物料衡算
蒸发的水分量：
绝干空气用量:
新鲜空气用量：
比干空气用量：
热量衡算
预热器热量衡算：
干燥器热量衡算:
全塔热量衡算：
热效率：
一般30％-60％
理想干燥过程（等焓或绝热干燥过程）
温湿图：
干燥动力学——求解干燥时间和干燥速率
干燥速率：单位时间，单位干燥表面所汽化的水分量
物料中的几种水分
结合水&非结合水
平衡水&自由水
干燥机理
预热阶段
恒速干燥阶段：
降速干燥：
干燥曲线：
干燥速率曲线：
Xc:临界含水率
影响因素
干燥介质状况（流速，温度，湿度）
物料本身结构，性质，厚度
指：物料表面一出现干区时的含水率
习题
有废气循环的实际干燥过程
在完成相同生产任务条件下，若采用废弃循环流程，新鲜干空气用量减少，预热器热负荷减小，干燥效率提高，但出口废气湿度增大，故干燥过程速率下降，干燥设备将变大