二、化学工程与工艺基础知识

二. 对流传热
热对流：由于流体质点的位移和混合，将热能由一处 传至另一处的传递热量的方式。热对流过程中往往伴 有热传导。 对流类型： ①强制对流：流体的运动是由于受到外力的作用(如风 机、水泵或其它外界压力等)所引起； ②自然对流：流体的运动是由于流体内部冷、热部分 的密度不同而引起。 在同一种流体中，有可能同时发生自然对流和强 制对流 。
流量：单位时间内流过管道某一截面的流体量。 ①体积流量：Q，m3/s； ②质量流量： G，kg/s ；G=ρQ
转子 流量计
流速：单位时间内流体在流动方向上所流经的距离， 也称平均流速u， m/s 。 流量与流速关系为： u＝Q /A 质量流速：单位时间内流体流经单位截面积管 道的质量。w，kg/（m2· s）。
三. 热辐射
热辐射：因热的原因而产生的电磁波在空 间的传递。 辐射传热：物体间相互辐射和吸收能量的 总结果。 方向：高温 → 低温 热 辐 射 的 电 磁 波 波 长 范 围 在 0.38 ～ 100μm，可见光和红外线范围。 特点：两物体不相接触，也不需任何介质。
四. 三种传热方式的区别
实际上上述三种传热方式往往是 同时出现的。 三种传热方式的本质区别： 热传导：静止物质内，连续存在温差 热对流：流动的流体 热辐射：不需要任何介质
四. 层流与湍流
流体在管内流动时， 其质点沿着与管轴平行的 方向作平滑直线运动。此 种流动称为层流或滞流 ， 亦有称为直线流动的。流 体的流速在管中心处最大， 其近壁处最小。管内流体 的平均流速与最大流速之 比等于 0.5 ，根据雷诺实验， 当雷诺准数Re<2320时，流 体的流动状态为层流 。
2.2.2 阀门
化工生产过程一般包括下列步骤：
原料
反应过程
分离
成品
化工生产过程的核心是反应。实现化学转化的过程， 其中除化学反应外，还包含多种物理现象，如动量传递、 热量传递和质量传递等。
2.6.2 化学反应的操作方式
一. 分批(或称间歇)式操作
（1）是一个非定态反应过程。 反应器内物料组成随时间而变。 （2）没有物料流入，也没有物 料流出，因此不存在物料流动。 （3）整个反应过程都是在恒容 下进行的。 （4）反应器几乎都是釜式反应 器。 （5）适用于品种多、批量小的 产品。如医药工业。
2.4.3 蒸馏方法的分类
①按操作方式分类 简单蒸馏和平衡蒸馏（闪蒸）；精馏；特殊精馏 ②按操作压力分类 常压蒸馏；加压蒸馏；减压蒸馏 ③按操作是否连续分类 连续蒸馏；间歇蒸馏
2.4.4 平衡蒸馏和简单蒸馏
一. 简单蒸馏
混合液加入蒸馏釜中，在恒定压力下加热至沸腾， 使液体不断汽化，产生的蒸汽经冷凝后作为顶部产物。 馏出液通常是按不同组成范围分罐收集的。最终将釜液 一次排出。故此简单蒸馏是一个不稳定过程。 简单蒸馏只能使混合液部分地分离，故只适用于沸点 相差较大而分离要求不高的场合，或者作为初步加工， 粗略地分离多组分混合液。
工艺指标的自动化控制
三. 分批（或称半连续）式操作
原料与产物只 要其中有一种为连 续流入或流出，而 其余则为分批加入 或卸出，这样的操 作方式——半连续 操作。
6.6.3反应器的型式
一. 釜式反应器
特征： 反应器高度与 直径相 当或稍高。釜内设有搅拌装 置和挡板。常带夹套或釜内 放置蛇管，传热以维持釜内 所需温度。 适用于液相均相反应、 气液反应、液液反应、液固 反应、气液固三相反应。
2.2.1 一些概念
一. 粘度
将两块面积为1m2的板浸于液体中，两板距离 为1米，若加1N的切应力，使两板之间的相对速率 为1m/s，则此液体的粘度为1Pa.s。 不同流速的流体之间存在着阻碍其相对运动的 摩擦阻力，称为内摩擦力。流体的粘度就是这种内 摩擦力的表示与度量。粘性越大，流动性越差。 1克/厘米· 秒=1泊
实验室的蒸馏装置
例如将原 油蒸馏可得到 汽油、煤油、 柴油及重油等； 将混合芳烃蒸 馏可得到苯、 甲苯及二甲苯 等；将液态空 气蒸馏可得到 纯态的液氧和 液氮等。
2.4.2 蒸馏分离的特点
(1) 通过蒸馏分离可以直接获得所需要的产品，因而蒸 馏操作流程通常较为简单。 (2) 蒸馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合 物，而且可用于气态或固态混合物的分离。例如，可将 空气加压液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如， 脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立 汽液两相系统，用蒸馏方法进行分离。 (3)蒸馏过程适用于各种浓度混合物的分离。 (4) 蒸馏操作是通过对混合液加热建立汽液两相体系的， 所得到的汽相还需要再冷凝液化。因此，蒸馏操作耗能 较大。蒸馏过程中的节能是个值得重视的问题。
简单蒸馏装置示意图
二. 平衡蒸馏（闪蒸）
平衡蒸馏又称为闪蒸，是一连续稳定过程，原料 经节流阀骤然减压到规定压力，部分料液迅速汽化， 汽液两相在分离器中分开，得到易挥发组分浓度较高 的顶部产品与易挥发组分浓度较低的底部产品。 平衡蒸馏为稳定连续过程，不能得到高纯产物， 常用于只需粗略分离的物料，在石油炼制及石油裂解 分离的过程中常使用多组分溶液的平衡蒸馏。
闸阀的启闭件是闸板，闸板的运动方向与流体 方向相垂直，闸阀只能作全开和全关，不能作调节 和节流。 截止阀是使用最广泛的一种阀门，它的闭合原 理是，依靠阀杠压力，使阀瓣密封面与阀座密封面 紧密贴合，阻止介质流通。截止阀可以较精确地调 节流量。
2.2.3 流体输送机械
流体输送机械：为流体提供能量的机械或装置 流体输送机械在化工生产的作用：从低位输送到高位， 从低压送至高压，从一处送至另一处。 按输送流体的种类不同 泵（液体）：离心泵、往复泵、旋转泵 机（气体）：通风机、鼓风机、压缩机、真空泵 按作用原理不同：离心式、往复式、旋转式及流体动力 作用式。
平衡蒸馏装置示意图
2.4.5 精馏原理和流程
为了达到更好的分离效果，可以将简单蒸馏进行多 次组合。液体混合物经过多次部份汽化后可变为高纯度 的难挥发组分；汽体混和物经过多次部分泠凝后可变为 高纯度的易挥发组分。
2.4.6 精馏原理和流程
多次部分气化和多次部分冷凝流程的不足： （1）需多个冷却器及加热器，设备费高，流程复杂 （2）需大量冷却剂及加热剂，能耗高，操作费高 （3）中间馏分多，最终产品极少。 工程上解决办法：有回流的多次部分气化、冷凝——精馏 采用设备： 精馏塔
二. 连续式操作
原料连 续地流入反 应器，反应 产物也连续 地从反应器 中流出。所 有反应器均 可采用连续 操作。
二. 连续式操作
（ 1 ）多属于定（常）态操作。反应器内物料浓度及 温度都不随时间变化，但随位置而变。 （ 2 ）连续反应器适用于大规模生产。它产品质量稳 定，劳动生产率高，易实现自动化管理生产。但要改 变产品品种十分困难。
第二章 化学工程与工艺 的基础知识
2.1化工单元操作及其分类
遵循流体力学动量传递基本规律，包括流体输送、
沉降、过滤、物料混合等。
遵循热量传递基本规律，包括加热、冷却、冷凝、 制冷等。
遵循质量传递基本规律，包括吸收、蒸馏、萃取、
吸附、膜分离。 蒸发、干燥等同时遵循热量和质量传递基本规律.
2.2流体的输送
多级串联釜式反应器
二. 管式反应器
特征：长度 >> 管径。内部是空的，不设置任何构件。 多用于均相反应。如油脂或脂肪酸加氢生产高碳醇， 裂解反应 。
一. 离心泵
二. 往复泵
三. 通风机
四. 鼓风机
工作示意图
五. 压缩机
六. 真空泵
罗茨真空泵
六. 真空泵
水环真空泵
七. 喷射泵
2.3
传
热
2.3.1 概 述
传热：由于温度差而引起的热量传递过程。 在化工生产中作用：加热、冷却、保温 推动力：温度差。温度差越大，传递的热量也越多。 热流方向：高温 → 低温
2.3.3 换热设备
一. 套管式换热器
二. 列管式换热器
三. 夹套式换热器
四. 沉浸式蛇管换热器
五. 喷淋式蛇管换热器
各种传热设备的目的
强化传热的途径 1. 增大传热面积A 2. 增大传热平均温度差Δtm 3. 增大传热系数K
2.4蒸馏
2.4.1 概述
蒸馏是最典型的化工单元操 作之一。是分离均相液体混合物 的一种方法。蒸馏分离的依据是， 根据溶液中各组分沸点的差异， 使各组分得以分离。其中较易挥 发的称为易挥发组分（或轻组 分）；较难挥发的称为难挥发组 分（或重组分）。
间歇精馏操作流程
没有连续进料， 只有连续溜出。
2.4.7 特殊精馏
某些时候，普通精馏达不到分离的目的时，采 用一些特殊精馏： （1）共沸精馏（恒沸精馏） （2）萃取精馏、加盐精馏 （3）加压（减压）精馏
共沸精馏（恒沸精馏）
萃取精馏
加盐精馏
加压、减压精馏
塔顶压力高于大气压力下操作的精馏过程叫加压精 馏。加压精馏常用于被分离混合物的沸点较低的情况， 如在常温、常压下很何物为气态的物料。 减压精馏，就是借助降低系统压力，使混合液的泡 点下降，在较低压力下沸腾，以达到降低精馏操作的温 度。减压精馏适用于离沸点物质的混合物，以及在高温 下精馏回引起物料的聚合或分解变质的混合物。
2.5.2 气体吸收操作的应用
（１）气体混合物的分离 （２）气体净化 （３）制取溶液 用吸收操作来进行气体 混合物的分离，必须解决下述 三方面的问题： （1）选择合适的溶剂。 （ 2 ）提供传质设备以实现气 液两相的接触，使溶质从气相 转移至液相。 （3）溶剂的再生。
2.5.3 气体吸收的分类
物理吸收： 溶质不与溶剂发生明显的化学反应。 化学吸收：溶质与溶剂发生明显的化学反应。
精馏原理示意图
一. 板式精馏塔
塔为一圆形筒体， 塔内设多层塔板，塔 板上设有气、液两相 通道。塔板具有多种 不同型式，分别称之 为不同的板式塔，在 生产中得到广泛的应 用。
一. 板式精馏塔
混合物的气、液 两相在塔内逆向流动， 气相从下至上流动， 液相依靠重力自上向 下流动，在塔板上接 触进行传质。两相在 塔内各板逐级接触中， 使两相的组成发生阶 跃式的变化，故称板 式塔为逐级接触设备。
筛 板 塔 结 构 示 意 图
Leabharlann Baidu
泡罩塔气液交换示意图
二. 填料塔
填料精馏塔塔 内装有大比表面和 高空隙率的填料。 当回流液或料液进 入时，将填料表面 润湿，液体在填料 表面展为液膜，流 下时又汇成液滴， 当流到另一填料时， 又重展成新的液膜。
填料塔结构示意图
精馏塔操作注意事项
连续精馏操作流程
单组分吸收：混合气中只有一个组分被吸收。
多组分吸收：混合气体中有两个或多个组分被吸收。 等温吸收：在吸收的过程中，温度变化很小。
非等温吸收：吸收过程中温度发生显著地变化。
2.5.4 吸收操作的流程
煤气生产中的苯回收流程图
2.5.5 吸收设备——吸收塔
填料塔
板式塔
2.6 化学反应工程
2.6.1化学反应过程的任务和内容
二. 压力的表示
绝对压力（绝压）：以真空(即零大气压)为基准测 得的压强。 表压强（表压）：当地大气压为基准测得的压强。 压力表，压强表。 真空度：当被测流体的绝对压力小于大气压时，其 低于大气压的数值。真空表。
三者之间的关系
表压＝绝对压力﹣ 大气压 真空度＝ 大气压﹣绝对压力
三. 流量与流速
2.5气体吸收
2.5.1基本概念
使气体混合物和适当液体接触，气体中的一个或几 个组分溶解于液体中，不能溶解的组分仍保留在气相中， 于是混合气体得到了分离。这种利用各组分在液体中溶 解度的差异使气体中不同组份分离的操作称为吸收 （ absorption ）。所用液体称为吸收剂（或溶剂）。 气体中能被溶解的组分称为溶质（solute）或吸收质。 不被溶解的组分成为惰性气体（inert gas）或载体。
学习传热的目的： （1）分析影响传热速率的因素。 （2）掌握控制传热速率的一般规律。 （3）根据生产要求选择适宜的换热器
2.3.2 传热的基本方式
一. 热传导
热传导（导热）：物体各部分之间不发生相对位移，依 靠原子、分子、自由电子等微观粒子的热流运动而引起 的热量传递。 条件：当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温 度差。热能从物体的温度较高部分传到温度较低部分。 金属固体：依靠自由电子的运动。 不良导体的固体和大部分液体：依靠原子、分子碰撞而 传递热量。 气体：分子的不规则运动而引起的。