1、绪 论1/第一章第一章YANTAI UNIVERSITY为研究单元操作过程始末和过程中各为研究单元操作过程始末和过程中各股物料的数量、组成之间的关系及吸收和股物料的数量、组成之间的关系及吸收和释放的能量，必须作出释放的能量，必须作出物料衡算物料衡算和和能量衡能量衡算算常用基本概念与方法常用基本概念与方法传热的三种基本方式传热以温差（压）为推动力，凡是有温差的地方就有热量的传递。没有外功输入时，高温低温。物体内部和物体之间。1.热传导（导热）：Conduction2.对流传热（热对流）：Convection3.热辐射：Radiation热源与冷源用于加热或冷却的物料或手段。冷却剂（介质）：水加热
2、剂（介质）：饱和蒸汽YANTAI UNIVERSITY化工原理课件导热系数（热导率）：dqtn=dQtdSn=数值上等于单位温度降度下的热通量。标志物质的导热性能，是物性之一；=f(组成，结构，形态，T，p，湿度)；一般，金属导热系数最大，非金属固体次之，液体较小，气体最小；来源：实验测定，查有关手册。通过平壁的稳态热传导 通过平壁的稳态热传导 热阻热阻推动力推动力对照：平壁：对照：平壁：=AbttQ 21四、通过圆筒壁的稳态热传导四、通过圆筒壁的稳态热传导 思考：思考：气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在气温下降，应添加衣服，应把保暖性好的衣服穿在里面好，还是穿在外面好？里面好，还是
3、穿在外面好？bb 1 2Qbb 2 1Q 21 8对流传热速率方程对流传热速率方程 u 牛顿冷却定律只是一种推论,一个实验定律，即假设 Qt，并非从理论上推导的结果。u QAt一定时，和u 复杂问题简单化表示牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学牛顿冷却定律只是给出了计算传热速率简单的数学表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程表达式，并未简化问题本身，只是把诸多影响过程的因素都归结到了的因素都归结到了 当中当中如何确定如何确定 及增强换热的措施是对流换热的核心问题及增强换热的措施是对流换热的核心问题对流传热系数(给热系数)，W/m2K92.6 传热过程分析与计算2.6 2.6 间壁
4、式换热器的传热过程计算间壁式换热器的传热过程计算 2.6.1 2.6.1 总传热速率方程总传热速率方程 2.6.2 Q2.6.2 Q的计算的计算 2.6.3 K2.6.3 K的计算的计算 2.6.4 2.6.4 t tm m的计算的计算 10dAKtTdAdAbdAtTdAttdAbtTdATTdQxmwmwww1111122112211=总热阻总推动力式中 A 可取 A1、Am、A2等。mxtKAtdAKQ=出出进进-总传热速率方程平均传热温差2.6 间壁式换热器的传热过程计算间壁式换热器的传热过程计算2.6.1 总传热速率方程总传热速率方程总传热系数，单位W/m2K T Tw tw t T
5、1T2t1t2dA11mtKAQ=12p2s221p1s1ttcmTTcmQ=2.6 间壁式换热器的传热过程计算间壁式换热器的传热过程计算-称为总传热热阻KA12.6.2 Q的计算的计算 T Tw tw t T1T2t1t2dA12T Tw tw t 以冷、热流体均为等温变化为例。221122111111AAbAtTAttAbtTATTQmwmwww =T1T2t1t2TtTtT Tw tw t 2.6 间壁式换热器的传热过程计算间壁式换热器的传热过程计算2.6.3 K的计算的计算132211111AAbAKAm =222111111ARaAbRaAKAm =T Tw tw t 考虑到实际传热
6、时间壁两侧还有污垢热阻，则上式变为：14 T1 t1 t2 逆流 T2 t t2 t1 0 Am1212tKAttlnttKAQ=1212lntttttm =其中其中-对数平均温差2.6.4 tm的计算的计算（逆、并流）（逆、并流）1516LMTD法法-对数平均温差法对数平均温差法 小小 结结1212mttlnttt=（逆、并流）173.2 单效蒸发器的计算单效蒸发器的计算已知：已知：F、x0、t0、x计算内容：计算内容：L、W、加热蒸汽量、加热蒸汽量D、加热面积、加热面积 二次蒸汽 W，T 料液 蒸发室 F,x0,t0 加热室 完成液 L，x,t一、物料衡算一、物料衡算 =0FxLxWFL
7、=xxFW01DA18由于溶液沸点升高，则 与蒸发纯水相比 t必然会降低，故沸点升高又叫温差损失。t纯溶剂纯溶剂 t溶液溶液=(T T)(T t)=t-T=有效的传热温差：t溶液溶液=t纯溶剂纯溶剂 稀溶液或有机胶体溶液的较小，无机盐溶液的较大。影响因素：浓度、蒸发器中液柱高度 、蒸汽流动阻力 。3.3 单效蒸发器的有效传热温差单效蒸发器的有效传热温差加入溶质，蒸汽压降低，沸点升高。第四章 质量传递基础对对气气体体，还还可可以以用用Ap表表示示浓浓度度传质概述传质概述相组成的表示方法相组成的表示方法第四章 质量传递基础分子扩散：静止的或层流流动的流体中，靠分子运动来进行传质的方式传质方式对流传
8、质：在湍流流动中，靠流体质点的脉动来进行传质的方式传质方式传质方式第四章 质量传递基础dzdCDJAABzA=,相相界界面面 气气相相 液液相相 传传质质方方向向 扩扩散散通通量量，kmol/m2 s表示扩散方向与浓度梯度方向相反表示扩散方向与浓度梯度方向相反A 在在 B 中中的的扩扩散散系系数数 m2/s 一费克定律一费克定律 4.2 分子扩散分子扩散费克定律的其它表达形式：费克定律的其它表达形式：dzdpRTDdzRTpdDdzdxCDJAABAABAABzA=,第四章 质量传递基础 三双组分、一维、稳态分子扩散过程举例三双组分、一维、稳态分子扩散过程举例 1等分子反向扩散等分子反向扩散第
9、四章 质量传递基础所所谓谓单单向向扩扩散散是是指指组组分分 A 通通过过停停滞滞（或或不不扩扩散散）组组分分 B 的的分分子子扩扩散散，0,=zBN特特点点：NB=0NAA相相界界面面 单向扩散常数常数=zBzAJJ,BAABDD=zAAzAzANxJN,=传传质质方方程程化化简简为为：zAAzAJxN,)1(=dzdCDA=2单向扩散单向扩散 三双组分、一维、稳态分子扩散过程举例三双组分、一维、稳态分子扩散过程举例 zBzAAzAzANNxJN,=zBzABzBzBNNxJN,=传递过程与单元操作第五章 气体吸收24/43 A A+B S （气体）（气体）（液体）（液体）所所有有独独立立变变
10、量量：温温度度、总总压压、气气相相组组成成、溶溶解解度度等等 AApPTfC,=在在几几个个大大气气压压以以内内、温温度度一一定定条条件件下下，AApfC=或或 AACgp=（溶溶解解平平衡衡）5.2 气液相平衡气液相平衡 一溶解度一溶解度 AC AC一定操作温度和压力下，平衡状态溶质在气一定操作温度和压力下，平衡状态溶质在气相中的分压称为相中的分压称为平衡分压或饱和分压平衡分压或饱和分压，相应，相应的液相浓度称为的液相浓度称为平衡浓度平衡浓度传递过程与单元操作第五章 气体吸收25/43 5.2 气液相平衡气液相平衡传递过程与单元操作第五章 气体吸收26/43条件：（1）不同气体的溶解度差异很
11、大）不同气体的溶解度差异很大AApHC=溶解度系数，kmol/(m3Pa)（2）对于稀溶液，有）对于稀溶液，有亨利定律是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。H越大，表明溶解度越大，越易溶越大，表明溶解度越大，越易溶H随温度变化而变化，一般地，随温度变化而变化，一般地，T，H 5.2 气液相平衡气液相平衡亨利定律：亨利定律：传递过程与单元操作第五章 气体吸收27/43 =CCHCpAAAEx=AAAxPEPpy=Amx=相平衡常数，无因次亨利定律的其他形式：亨利定律的其他形式：E，m随温度、总压变化而变化，随温度、总压变化而变化，5.2 气液相平
12、衡气液相平衡AApHC=思考：E越大，表明溶解度越越大，表明溶解度越小；小；E 随温度变化而变化，随温度变化而变化，T，m越大，表明溶解度越越大，表明溶解度越小；小；T，P，m m，亨利系数，Pa传递过程与单元操作第五章 气体吸收28/43 5.2 气液相平衡气液相平衡思考：思考：传递过程与单元操作第六章 蒸馏29/22 A B 溶液（溶液（A+B）加热加热 部分汽化易挥发组分6.1 概述概述 利用各组分利用各组分挥发度的差异挥发度的差异将液体混合物加以分离的单元将液体混合物加以分离的单元操作称为操作称为蒸蒸馏。汽相中有汽相中有B等组分吗？等组分吗？A组分易挥发，称之为组分易挥发，称之为易挥发
13、组分易挥发组分，也叫做也叫做轻组分轻组分；B为为难挥发组分难挥发组分，也叫，也叫重组分重组分。思考思考:液相中有液相中有A组分吗？组分吗？有有，因为轻、重组分都具挥发性，只是，因为轻、重组分都具挥发性，只是A较较B易挥发罢了易挥发罢了有有，因此，蒸馏操作组分是在汽、液相中重新分配。，因此，蒸馏操作组分是在汽、液相中重新分配。yAxAxByB传递过程与单元操作第六章 蒸馏30/224、双组分理想溶液的汽液平衡相图双组分理想溶液的汽液平衡相图（txy图图)两条线：气相线（露点线）两条线：气相线（露点线）yAt 关系曲线关系曲线 液相线（泡点线）液相线（泡点线）xAt 关系曲线关系曲线三个区域：液相
14、区三个区域：液相区 气、液共存区气、液共存区 气相区气相区t/Cx(y)01.0露点线露点线泡点线泡点线露点露点泡点泡点xAyAxf气相区气相区液相区液相区两相区两相区L1L26.2 二元物系的汽液相平衡二元物系的汽液相平衡 传递过程与单元操作第六章 蒸馏31/225、xy图图 对角线对角线 y=x 为辅为辅助线；助线；xy曲线上各点具曲线上各点具有不同的温度；有不同的温度；对于大多数溶液，对于大多数溶液，平衡时平衡时yx，故平衡，故平衡曲线在对角线的上方；曲线在对角线的上方；平衡线离对角线越平衡线离对角线越远，挥发性差异越大，远，挥发性差异越大，物系越易分离。物系越易分离。6.2 二元物系的
15、汽液相平衡二元物系的汽液相平衡传递过程与单元操作第六章 蒸馏32/22的物理意义的物理意义 气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之气相中两组分组成之比是液相中两组分组成之 比的倍数；比的倍数；标志着分离的难易程度标志着分离的难易程度；若若1,则则 yx,可用蒸馏方法分离，且可用蒸馏方法分离，且愈大，愈大，x-y图中平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；图中平衡线愈远离对角线，物系愈易分离；=1,=1,无法用普通蒸馏方法分离。无法用普通蒸馏方法分离。6.2 二元物系的汽液相平衡二元物系的汽液相平衡xxy)1(1 =传递过程与单元操作第六章 蒸馏33/22 y x 理想物系的理想物系的 y-x 相图
16、相图xxy)1(1 =xy=yx y6.2 二元物系的汽液相平衡二元物系的汽液相平衡（3）越远离越远离1，也就愈有利，也就愈有利于蒸馏操作于蒸馏操作 越大越大，相平衡，相平衡曲线偏离对角线愈远，表示达曲线偏离对角线愈远，表示达到汽液相平衡时汽、液两相组到汽液相平衡时汽、液两相组成的差异愈大成的差异愈大（1）相平衡曲线必落在对角）相平衡曲线必落在对角线的上方；线的上方；x-y 相图相图 （P 一定）一定）（2）平衡线上各点，既表不平衡线上各点，既表不同平衡时的组成，又对应不同同平衡时的组成，又对应不同温度点；温度点；tAtB 1tA2传递过程与单元操作第六章 蒸馏34/43D,xDW,xWF,x
17、F=WDFWxDxFxWDF易挥发组分回收率：易挥发组分回收率：%1001=FDFxDx 难挥发组分回收率：难挥发组分回收率：%100)1()1(2 =FWxFxW 6.4 二元连续精馏的分析与计算二元连续精馏的分析与计算一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算传递过程与单元操作第六章 蒸馏35/43 1精馏段操作线方程精馏段操作线方程全凝器全凝器，泡点回流泡点回流D,xDF,xFV,yn+1L,xnV,y1=DnnDxLxVyDLV1DnnxVDxVLy=1令DLR=-回回流流比比 =DRVRDL)1(L,xD111 =RxxRRyDnn6.4 二元连续精馏的分析与计算二元连续精馏的分析与计算二、精
18、、提馏段物料衡算二、精、提馏段物料衡算n1传递过程与单元操作第六章 蒸馏36/43111 =RxxRRyDnny xD a 0 X xDxnyn+1二、精、提馏段物料衡算二、精、提馏段物料衡算nxn yn+1 传递过程与单元操作第六章 蒸馏37/43 xm+1 L,xM V,yW ym V L xm-1 W,xW xm m+1 m ym+1 物物料料衡衡算算得得：=WmmWxyVxLWVL1VWxxVLyWmm =1-提馏段的操作线方程提馏段的操作线方程二、精、提馏段物料衡算二、精、提馏段物料衡算 2提馏段操作线方程提馏段操作线方程传递过程与单元操作第六章 蒸馏38/43将精馏段与提馏段关联起
19、来将精馏段与提馏段关联起来其中饱和液体所占分率为其中饱和液体所占分率为 q，饱和蒸汽所占分率为，饱和蒸汽所占分率为（1q）。10 液液相相分分率率在在数数值值上上等等于于原原料料液液的的，若若qq =FqVVqFLL)1(传递过程与单元操作第六章 蒸馏39/436.4 二元连续精馏的分析与计算二元连续精馏的分析与计算(a)过过冷冷液液体体 (b)饱饱和和液液体体 (c)汽汽液液混混合合物物 (d)饱饱和和蒸蒸汽汽 (e)过过热热蒸蒸汽汽VLLVFVLLVFVLLVFVLLVFVLLVF =001011qttqttqtttqttqttFFFFF，过热蒸汽：过热蒸汽：，饱和蒸汽：饱和蒸汽：，饱和液
20、、汽混合物：饱和液、汽混合物：，饱和液体：饱和液体：，过冷液体：过冷液体：五种进料热状况五种进料热状况露露露露露露泡泡泡泡泡泡q-液相分率 =FqVVqFLL)1(V V，L L V=V，L L V L V V，L=L V V，L LLVFVhhhhFLLq =传递过程与单元操作第六章 蒸馏41/43前已推得，精馏段和提馏段操作线方程如下：前已推得，精馏段和提馏段操作线方程如下：DDxLxVy=WWxxLyV =)()()(WDWxDxxLLyVV =又又 =FqVVqFLL)1(，故故 11 =qxxqqyF-q 线线方方程程过过点点 f（xF、xF）的的直直线线 =FqVVqFLL)1(L
21、VFVhhhhFLLq =W1mmDn1nWxyVxL DxLxVy=WDFWxDxFx=进料方程（进料方程（q线方程）线方程）意义：精馏段与提馏段交点轨迹方程意义：精馏段与提馏段交点轨迹方程xWyxxD1D RxxF传递过程与单元操作第六章 蒸馏42/43 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 x y a b c d f xF xW xD 8 10 2 4 6 3 7 9 11 5 12 13 理论板数的图解理论板数的图解 y1x1y2思考：思考：为什么一个梯级代表一个理论板？为什么一个梯级代表一个理论板？yN-1 D,xD y1 y2 L,xD x
22、1 xn yn+1 V L 1 2 n x2 yn V,y1 xN-1 xm+1 L,xN-1 V,yW ym V L xm-1 W,xW m+1 m ym+1 N-1 N xm F,xF N1+1 N1 xN1 全全塔塔物物料料衡衡算算操操作作线线方方程程理论塔板数理论塔板数 N 的计算的计算相相平平衡衡关关系系xxy)1(1 =WDFWxDxFxWDF111 =RxxRRyDnn1VWxxVLyWmm=捷算法图解法逐板法11 =qxxqqyFD,xDW,xWF,xF公式：公式：=DRVRDL)1(=FqVVqFLL)1(操作条件包括：进料状况（操作条件包括：进料状况（F、xF、q）、）、R 操作压力操作压力P、操作温度、操作温度T 冷凝器热负荷冷凝器热负荷V、再沸器热负荷、再沸器热负荷V D、W。
