化工原理讲稿1

1、化工原理朱康玲8/15/20221绪论一、化工原理学科的发展历史二、单元操作及其理论基础三、化工原理课程内容及目标四、化工原理中常用的基本概念五、单位与因次8/15/2022一、化工原理学科的发展历史1、学科归属 化工原理 化学反应工程 化学工程与工艺 化工热力学 （一级学科） （二级学科） 化工系统工程 化工控制工程等8/15/20223一、化工原理学科的发展历史2、化工原理学科的发展与化学工业发展的关系 人类文明的历史也是化学工业的历史 化学工业发展时期 十八世纪中期前（技术特点，人才要求） 十八世纪中期后化学工程与工艺学科的建立只有一百多年的历史边缘学科3、学科发展方向 与新技术学科交叉

2、 生命化学工程，信息化学工程，新能源化学工程8/15/20224一、化工原理学科的发展历史4、学术团体，刊物及专著Handbook of Chemical EngineeringChemical Engineering(美国）Chemical Engineering Science(英国）The Chemical Engineer (英国）化学工程化工学报8/15/20225二、单元操作及其理论基础1、单元操作 根据操作原理将各种各样的物理加工归纳为一系列基本操作过程，即单元操作流体输送，搅拌，沉降，过滤热交换，蒸发吸收，蒸馏，萃取，吸附，干燥2、举例3、理论基础动量传递，热量传递，质量传递8

3、/15/202268/15/20227三、化工原理课程内容及目标内容：三传基本原理单元操作：设备计算，选型，实验研究目标：掌握化工生产的一般规律开发新工艺，创新设计对化工装置的优化操作和合理管理诊断生产过程，分析解决实际工程问题8/15/20228四、化工原理中常用的基本概念物料衡算能量衡算平衡关系过程速率Euler法和Lagrange法控制体及控制面系统或物系8/15/20229五、单位与因次 1、各单位制的基本单位量的名称国际单位制物理单位制工程单位制长度mcmm质量Kgg时间sss电流A热力学温度K物质的量mol发光强度cd力kgf8/15/202210五、单位与因次因次分析基本量：长度

4、L，质量M，时间T，温度原则：变数之间的任何一个方程或关系式在因次上必须一致8/15/2022113.2.4机械能守恒例题3.2.4例题如图示，槽内水位维持不变，其底部与内径为100mm的钢管相连，管路上装有一个闸阀，阀的上游距管路入口端15m处安有以汞为指示液的U管压差计，其一臂与管道相连，另一臂通大气。当阀门关闭时，测得R=600mm，h=1500mm。当阀门部分开启时测得R=400mm，h=1400mm，此时管路的摩擦阻力损失为hf=19.7J/kg。求在管道中每小时的流出量m3?已知H2O=1000kg/m3，Hg=13600kg/m38/15/2022126.2管路计算例题从自来水池

5、引一支路AB向居民供水，在站点B分成两路，分别通向一楼和二楼。已知管AB，BC 和BD的长度（包括管件的当量长度）分别为100m，10m及20m，管内径均为30mm，直管段=0.03，两支路出口各安装一球心阀，假设A点处压力为 3.43 105Pa（表），试求：1.当一楼阀全开(门=6.4),高度为5米的二楼能否供水?此时AB管内流量为多少?2.若将一楼阀门关小使其流量减半,二楼最大流量为多少?8/15/2022132.3离心泵的组合操作例题用两台相同的离心泵,从水池向密闭容器供水,单台泵的特性曲线可近似表示为He=50-1.1105qv2(m3/s),适当关闭或开启阀门,两泵即可串联或并联工

6、作,已知水池和容器内液面间的高度差为10m,容器内压强为98.1KPa(表),管路总长为20m(包括各种管件的当量长度,但不包括阀A),管径为50mm,假设管内流动已进入阻力平方区,其摩擦系数=0.025,若两支路皆很短,其阻力损失可忽略,试求阀门A全开,哪种组合方式的输送能力大?阀A=0.178/15/202214吸收例题由一直立小玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端口11mm，上端有一股空气平缓地吹过。5小时后，管内液面降到距管口20.5mm。管内液体温度保持为293K，大气压为100KN/m2，丙酮的蒸汽压为24 KN/m2，求丙酮在空气中的扩散系数。8/15/202215液体精馏例题

7、用一常压连续精馏塔分离苯和甲苯混合液。原料混合物中含苯44%（摩尔百分率，以下同），要求塔顶产品中含苯97.4%，塔釜产品中含苯不大于2.35%，进料为饱和液体，塔顶采用全凝器。已知操作条件下塔顶的相对挥发度为2.6，塔釜的相对挥发度为2.34，进料的相对挥发度为2.44。取回流比为最小回流比的2.45倍。试用捷算法确定完成该分离任务所需的理论塔板数及加料板的位置。8/15/202216第十章 气液传质设备气液传质设备用于处理气液传质过程，包括吸收和精馏过程，要求设备提供充分的气液接触。气液传质设备板式塔填料塔逐级接触式微分接触式8/15/202217 8/15/202218板式塔一、性能要求

8、分离效率高气、液负荷大有一定的操作弹性塔板压降小结构简单，制造维修方便，造价低8/15/202219板式塔二、塔板结构8/15/202220板式塔二、塔板结构有溢流和无溢流塔板有溢流无溢流鼓泡区受液区降液区8/15/202221板式塔二、塔板结构降液管液流程数（有溢流塔板）8/15/202222板式塔二、塔板结构板间距相邻两层塔板间的距离为板间距HT。板间距的大小关系到正常操作气液流量的高限值，也和塔高相关。若板间距取得大，允许的气液流量也大，但对一定塔板数而言，需要的塔体也高。板间距的确定还要考虑制造和维修方便. 板间距参考值（单流型）8/15/202223二、塔板结构气液接触元件及塔板型式

9、8/15/202224二、塔板结构气液接触元件及塔板型式8/15/202225二、塔板结构气液接触元件及塔板型式8/15/202226板式塔二、塔板结构气液接触元件及塔板型式筛板塔泡罩塔浮阀塔结构板上开孔升气管和泡罩组成板孔上安装阀片制造最简单复杂较简单造价低高较高安装检修极方便不方便方便操作弹性较小很大最大压降小最大较小生产能力大小较大8/15/202227板式塔三、塔板流体力学状况气液接触状态鼓泡状态：孔速较低，液体为连续相，气体为分散相，两相接触传质表面泡沫状态：孔速增加，液体为高度活动的泡沫形式存在于气泡中，连续相？分散相？喷射状态：气流直接穿过液层，呈喷射状态，连续相？分散相？转相点

10、实际操作状态8/15/202228板式塔三、塔板流体力学状况气体通过塔板的压降hf=hd+hl其中干板压降 hd=u02/（2g）v/l液层压降 hl=(hw+how)液面落差进出口液层高度之差hd/2漏液漏液点8/15/202229板式塔三、塔板流体力学状况液泛降液管液泛（溢流液泛）降液管液面Hd=hw+how +hf+hf泡沫层高度Hfd=Hd/其中相对泡沫层密度=f/l溢流液泛发生：泡沫层高度达到溢流堰上缘时Hd/=HT+hW 8/15/202230三、塔板流体力学状况过量液沫夹带当气速增加到某一值时，塔板压降急剧上升，液体充满整个降液管，直至全塔，发生过量液沫夹带液泛；对应的气速为液泛

11、气速（或泛点气速），是塔操作气速的最大极限。液沫夹带量若以每公斤干气体所夹带的液沫量ev表示，则实际经验表明，当ev0.1kg液/kg干气时，为过量液沫夹带，塔处于不正常操作状况。8/15/202231三、塔板流体力学状况过量液沫夹带定义液泛气相负荷因子Cf液泛气相负荷因子受表面张力、板间距及两相流动的影响，气相负荷因子Cf可由经验关联图查到。图中横坐标为两相流动参数 8/15/202232板式塔四、塔板负荷性能图1、过量液沫夹带线规定液沫夹带量的最大值ev=0.1kg液/kg 干气，以此为原则，便可作出过量液沫夹带线。 2、漏液线3、溢流液泛线Hfd=Hd/= HT+hw4、液量下限线当溢流

12、堰顶上的液层厚度how等于6mm时，对应液体流量的下限 5、液量上限线由液体在降液管中的停留时间决定= AfHd/Ls35s操作弹性：VA/ VB 负荷性能图LV12453AB8/15/202233板式塔五、塔主要尺寸确定板间距由塔径、气液负荷及制造维修等因素决定取值范围：0.30.8米传质高度H=HT(N实际-1)筛板塔塔径计算两相流动参数：FLV=LS/VS(L/V)1/2确定泛点气速设计气速/泛点气速=0.80.85计算流通面积计算塔板总面积（考虑降液管面积影响）塔径圆整8/15/202234Packed columnsGeneral arrangement of packed colu

13、mnThe construction of packed columnsLiquid distributorPackings RedistributorPacking support plate Mist eliminatorFluid flow in packed columns8/15/202235 Orifice Pan Distributor,Trough Distributor8/15/2022368/15/202237 8/15/202238Collector/Redistributor8/15/202239Packing Support Plate Gas Injection S

14、upport Plate 8/15/202240Mist Eliminator8/15/202241填料塔一、填料塔简介填料塔最初出现在十九世纪中叶，在1881年用于精馏操作。填料塔的塔体横截面有圆形，矩形及多边形等，但绝大部分是圆形。塔壳材料可以是碳钢，不锈钢，聚氯乙烯，玻璃钢和砖等。塔内放置填料（packings）。填料种类很多。用于制造填料的材料有碳钢、不锈钢、陶瓷、聚丙烯、增强聚丙烯等。由于填料与塔体取材面广，故易于解决物料腐蚀问题。填料塔装配图如下8/15/202242 8/15/202243 8/15/202244二、 填料的种类与特性填料在填料塔操作中起着重要作用。液体润湿填料表

15、面便增大了气液接触面积，填料层的多孔性不仅促使气流均匀分布，而且促进了气相的湍动。填料塔的发展史中最主要的是填料的发展史。早期以碎石为填料，碎石比表面积小，空隙率低，堆积密度大，造成塔体很重，逐渐暴露出其缺点。自二十世纪初至廿世纪中叶，曾兴起了对填料开发、研制的热潮。 在这时期，先后出现了拉西环、Stedman金属纱网规则填料、弧鞍形填料、鲍尔环及矩鞍形填料等。这些新型填料的出现，使填料塔的操作性能得到显著改进。8/15/2022451 填料的种类常见填料的形状可分为四种类型 。 短管形填料：最早采用的拉西环是高度与外径之比为1的短管。该填料易于制造，强度好，取材面广，但流体力学及传质性能都不

16、够理想。 1948年出现的鲍尔环是对拉西环作出重大改进的一种填料。该填料是在拉西环的基础上，在填料壁面开两层矩形孔。开矩形孔的部份只切开三条边，留下一边仍与填料壁相连，并把切开的部份推到填料圈内侧。于是，不论填料在塔内置于什么方位，流体均可通过填料，从而使填料内、外壁面均成为有效传质区域。 短管形填料一般是乱堆填料，只有2英寸以上的大填料才可能是整砌填料。8/15/2022468/15/202247 鞍形填料鞍形填料不同于短管形填料，其特点是不分内、外表面，整个填料表面由各种曲面组成，填料在塔内任意方位均可使流体舒畅流过。1931年出现的这类填料称弧鞍形填料，是因形如马鞍而得名。这种填料与拉西

17、环相比，填料表面利用率高，阻力小，但因形状设计尚有缺陷，相邻填料有重叠倾向，填料层均匀性较差，且填料易碎，故使用不广。另一种改进型填料是1950年出现的矩鞍形填料，矩鞍形填料亦是当前应用较多的一种填料。这种形状的填料也有网体的。鞍形填料都是乱堆填料。8/15/202248 短管形与鞍形填料的结合型填料现在已开发的这类填料有环矩鞍与共轭环等，其中共轭环是1992年我国自行开发、试验成功的。开发这类填料的出发点是想使之具有短管形与鞍形两大类填料的优点。试验表明，共轭环的阻力比阶梯环低（4050）%，比鲍尔环低（5055）%，其传质单元高度比阶梯环的约低15%，比鲍尔环的约低30%，可见，新的结合型

18、填料的优点是明显的。 8/15/202249 波纹整砌填料这是我国开发成功并于1971年发表的填料类型。该填料的基本件是冲压出45度斜波纹槽的薄板。薄板高度通常为4060mm。若干板片平行组合，但相邻薄板的波纹反向。当塔截面为圆形，则波形板片的组合体为圆柱形。上下相邻的填料组合体，其薄板方向互呈90度交错。波纹填料的材料有碳钢、不锈钢、铝、陶瓷、玻璃钢及纸浸树脂等。薄板厚度：金属板一般为0.51mm，陶瓷板为11.5mm，纸浸树脂及玻璃钢板则为0.10.2mm。这种填料为气、液相提供了一段段带分支的直通道，气流阻力小，允许操作气速较大（如空速可达2m/s），故处理能力大。近年来不少工厂采用不锈

19、钢丝网制作的波纹填料，既保留波纹整砌填料的优点，又改善布液的均匀性。这种填料属高效填料。8/15/2022502、填料的特性填料特性有下列几方面：（1）比表面积a塔内单位体积填料层具有的填料表面积，m2/m3。填料比表面积的大小是气液传质比表面积大小的基础条件。比表面积与有效的传质比表面积不同：A.操作中有部分填料表面不被润湿，比表面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。B.有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅，液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液体与气体接触时间长，气液趋于平衡态，在塔内几乎不构成有效传质区。8/15/202251（2） 空隙率空隙率-塔内单位体积填料层具有的空隙体积，m3/

20、m3. 为一分数。值大则气体通过填料层的阻力小，故值以高为宜。各向同性-对于乱堆填料，当塔径D与填料尺寸d之比大于8时，因每个填料在塔内的方位是随机的，填料层的均匀性较好，这时填料层可视为各向同性，填料层的空隙率就是填料层内任一横截面的空隙截面分率。空塔气速-当气体以一定流量过填料层时，按塔横截面积计的气速u称为空塔气速（简称空速），而气体在填料层孔隙内流动的真正气速为u1 。二者关系为：u1=u/。8/15/202252（3）塔内单位体积具有的填料个数n根据计算出的塔径与填料层高度，再根据所选填料的体积，即可确定塔内需要的填料数量。（4）单个填料的尺寸：一般要求塔径与填料尺寸之比D/d8（在

21、815之间为宜），以便气、液分布均匀。若D/dL2L1，故与其相应的曲线中L3曲线的位置最高，L2的次之，L1的最低。A点称之“载点”（loading point），B点称为“泛点”。一般认为正常操作的空速应在载点气速之上，在泛点气速的0.8倍之下。因载点从理论上讲是在“lgplgu”图中当L为定值时随气速增大由直线转为曲线的转折点，但载点气速时的征状不明显，而泛点气速时的特征明显，易于辨认，故通常由实验数据整理成计算泛速的经验关联图。操作气体空速u的数值范围是：u=(0.50.8)uf式中uf为空塔气体泛速，m/s。8/15/202258埃克特（Eckert）在Sherwood和Leva工作

22、的基础上提出的经验泛点关联图。图中最上面的三条曲线为乱堆填料、整砌填料及弦栅填料的泛点关联图线。该图采用双对数坐标。 填料塔泛点及压降普遍化关联图3、泛点与压降的经验关联图横轴为纵轴为。 8/15/202259实验中发现，乱堆填料液泛时单位填料层高度的气体压降基本上为一恒值，亦即Eckert图中乱堆填料的泛点线为一等压降线。由此推测，当操作气速低于泛速时，其它等压降曲线会有与泛点关联图线相像的曲线形状。实验结果证实了这一推测。图中在乱堆填料泛点线以下的系列曲线均为乱堆填料的等压降线。使用这些等压降线时，纵坐标中的uf须改为操作气速u。 8/15/202260以乱堆填料为例，泛点与压降关联图的使

23、用方法。步骤如下： 已知空塔操作气速后，可按下式计算塔径D：式中Vs气相体积流量，m3/s u操作空塔气速，m/s8/15/202261例题在25，123.3kPa下，用水洗涤空气中少量的HCl，气体处理量为600m3/h，用水量为13570kg/h，若采用2525mm的瓷质鲍尔环，试求填料塔塔径及每米填料层压降。解：查P199图10-54，从横坐标0.596处引垂线与乱堆填料泛点线交点的纵坐标为0.035，即查得2525mm的瓷质鲍尔环，填料因子=3008/15/202262例25时溶液的黏度取水的黏度，L=1mPas，则泛点气速取设计气速为泛点气速的75%，即u=0.75uf=0.750.

24、892=0.669m/s则所需塔径根据压力容器公称直径标准圆整为DT=0.6m，对应气速8/15/202263例查P199图10-54，点（0.596，0.015）对应的压降为280Pa/m，即每米填料层压降为280Pa。8/15/2022644、填料塔逆流操作时的持液量填料塔在逆流操作时，单位填充体积所具有的液体量为持液量m3液/m3塔容积。持液量由两部分组成：动持液量：在填料塔正常操作时突然停止喷淋液体和输入气体，由填料层流出的液体体积与填料层体积之比。动持液量的液体能连续流过填料层，可不断地被上面流下来的液体置换。对传质有效。 静持液量：当停止喷淋液体和输入气体后经过一段时间仍然滞留在填

25、料层内的液体体积与填料层体积之比。静持液量的液体多数是不流动的，只能缓慢地被新鲜液体置换。因与气相接触时间长而趋近平衡，几乎失去传质效能。 持液量大则塔体重量增加，气流通道变狭阻力增大，而且会延长所需由开工至稳定操作的时间，一般认为持液量以小为宜。8/15/202265五、填料塔的附属设备 填料塔的附属设备主要有液体喷淋装置、除沫装置、液体再分布器及填料支承装置等。 1、液体喷淋装置填料塔操作要求液体沿同一塔截面均匀分布。为使液流分布均匀，液体在塔顶的初始分布须均匀。经验表明，对塔径为0.75m以上的塔，每平方米塔横截面上应有4050个喷淋点；对塔径在0.75m以下的塔，喷淋点密度集至少应为1

26、60个/m2塔截面。常见的液体喷淋装置有多孔管式、槽式及挡板式等，管式布液器是令液体从总管流进，分流至各支管，再从支管底部及侧面的小孔喷出。这种装置要求液体洁净，以免发生小孔堵塞，影响布液的均匀性。槽式分布器不易堵塞，布液较均匀，但因液体是由分槽的V形缺口流出，故对安装的水平度有一定要求。挡板式是将管内流出的液体经档板反溅洒开的液体喷淋装置，其结构简单，不会堵塞，但布液不够均匀。8/15/202266液体喷淋装置 8/15/2022672、除沫装置气体从塔顶流出时，总会带少量液滴出塔。为使气体夹带的液滴能重新返回塔内，一般在塔内液体喷淋装置上方装置除沫器。常用的除沫器有折流板式与填料层式。 图

27、中左图所示为折流板式除沫器。气体流过曲折通道时，气流中夹带的液滴因惯性附于折流板壁，然后流回塔内。 8/15/202268除沫器 8/15/202269为使流向塔壁的液体能重新流回塔中心部位，一般在液体流过一定高度的填料层后装置一个液体再分布器。液体再分布器形状如漏斗，如图7-8所示。在液体再分布器侧壁装有若干短管，使近塔壁的上升气流通过短管与中心气流汇合，以利气流沿塔截面均匀分布。通常将整个填料层分为若干段，段与段间设置液体再分布器。如令每段填料层的高度为Z，塔径为D，对乱堆拉西环，取。随着填料性能的改进，之值可增大，该值一般在3至10之间。 3、液体再分布器8/15/202270结构最简单

28、的是栅板，由竖立的扁钢焊在钢圈上制成。为防止在栅板处积液导致液泛，栅板的自由截面率应大于50%。此外，效果较好的是具有圆形或条形升气管的筛板式支承板，液体从板上筛孔流下，气体通过升气管由管壁的小孔流出，气液分布较均匀，又因在支承装置处逆流的气液相各有通道，可避免因支承装置而引起的积液现象。填料支承装置4、填料支承装置8/15/202271Packings versus TraysA tray column that is facing throughput problems may be de-bottlenecked by replacing a section of trays with

29、packings. This is because: packings provide extra inter-facial area for liquid-vapour contact efficiency of separation is increased for the same column height packed columns are shorter than trayed columnsPacked columns are called continuous-contact columns while trayed columns are called staged-contact columns because of the manner in which vapour and liquid are contacted.8/15/202272间歇干燥例题将湿物料由含水量25%干燥至6%（均为湿基）。湿物料的初质量为160kg,干燥表面积为0.025m2/kg绝对干料，设装卸时间为1小时，试确定每批物料的干燥周期。已知临界含水量Xc=0.20kg/kg干物料，平衡含水量X*=0.05kg水/kg干料，恒速干燥速率NA=1.5kg/m2.h8/15/2022