1、 第1章化工原理课程设计基础 1.1化工设计与化工原理课程设计概述1.1.1化工设计的分类与化工设计的内容工程设计是科学技术转化为生产力的桥梁和纽带,是整个工程项目建设的灵魂,决定着工业现代化的水平,在工程建设中处于主导地位,它对工程质量、建设周期、投资效益以及投产后的经济效益和社会效益起着决定性的作用。化工设计是工程设计领域中一个很重要的分支。从一个化工新产品(或一个化工新技术)的试验研究开始到进行工厂(或装置)的建设,整个阶段一般需要进行两大类设计:第一类是新技术开发过程中的几个重要环节,即概念设计、中试设计和基础设计等,这类设计一般由项目研究单位的工程开发部门负责;第二类是工程建设过程中
2、的几个重要环节,它包括可行性研究、初步设计、扩初设计和施工图设计等,这类设计一般由研究单位委托设计单位组织实施。一个较为完整的化工设计通常涉及化工工艺、土建(房屋和设备基础等)、给排水、采暖、通风、保温、冷冻、电气、自控、仪表、预(概)算等各类专业,其中工艺专业的设计决定了整个设计的概貌,是设计的核心,其他非工艺专业的设计则是以工艺设计为基础的。因此,化工设计工作是由工艺项目与非工艺项目所组成的统一体,它需要由工艺设计人员与非工艺设计人员通力合作共同完成。化工设计应包括以下主要内容:化工工艺设计;总图运输设计;土建设计;公用工程(供电、供热、给排水、采暖、照明和通风等)设计;自动控制设计;机修
3、、电修等辅助车间设计;外管设计;工程概算与预算。其中,化工工艺设计是化工工程设计的主体。一是任何一个化工工程项目的设计都是从工艺设计开始,并以工艺设计结束;二是在整个工程设计过程中非工艺设计要服从工艺设计,同时工艺设计又要考虑和尊重其他各专业的特点与合理要求,在整个设计过程中进行协调。因此,工艺设计关系到整个工程设计的成败与优劣。1.1.2化工工艺设计的主要内容进行化工工艺设计首先要编制设计方案。为此,要对建设项目进行认真调研,全面了解建设项目的各个方面。最好对几个设计方案进行对比分析,权衡利弊,最后选用技术上先进、经济上合理、生产上安全、并对环境友好的最佳方案。化工工艺设计一般应包括下面几项
4、内容:原料路线和技术路线的选择;工艺流程设计;物料衡算;能量衡算;设备的工艺设计和选型;车间布置设计;化工管路设计;非工艺设计项目的考虑,即由工艺设计人员提出非工艺设计项目的设计条件;编制设计文件,包括编制设计说明书、附图和附表等。通常,化学加工过程是将一种或几种化工原料,经过一系列物理的和化学的单元操作,最终获得产品。这一系列的单元操作必须在相应的单元设备内进行。用管道将这些单元设备连接起来,以便于物料从一个单元设备传送到另一个单元设备。为了便于对物料的控制,往往在设备和管道的相应位置安装一些测量、显示和控制元件。这些设备、连接设备的管路和相应的控制元件一起就组成了化工生产的工艺流程。因此,
5、在化工设计中,化工单元设备的设计是整个化工过程和装置设计的核心和基础,并贯穿于设计过程的始终。从这个意义上说,作为化工类及其相关专业的本科生乃至研究生,熟练地掌握常用化工单元设备的设计方法无疑是十分重要的。1.1.3化工原理课程设计的基本要求及基本内容化工原理课程设计的对象是化工单元操作设备的工艺设计,它是化工工艺设计的主体和重要组成部分,本书作为化工原理课程设计教材,旨在加强对化工类及其相关专业学生综合应用本门课程和有关先修课程所学知识进行实践能力的培养,注重提高学生分析与解决工程实际问题的能力。同时,培养学生树立正确的设计思想和实事求是、严谨负责的工作作风。(1)化工原理课程设计的基本要求
6、通过化工原理课程设计,要求学生应在下面几个方面得到较好的培养和训练。培养和锻炼学生查阅资料、收集数据和选用公式的能力。通常,设计任务书给出后,有许多物料的理化参数需要设计者去查阅、收集和整理,有些物性参数特别是混合物的物性参数直接查取比较困难,常常需要估算,计算公式也要由设计者自行选用。这就要求设计者运用各方面的知识,详细而全面地考虑后再确定。培养和锻炼学生正确选择设计参数的能力。树立从技术上可行、经济上合理和生产上安全等方面考虑工程问题的观点,同时还须考虑到操作维修方便和环境保护的要求,亦即对于课程设计不仅要求计算正确,还应从工程的角度综合考虑各种因素,从总体上得到最佳结果。不仅正确而且迅速
7、地进行工程计算。设计计算常常是一个需要反复试算的过程,计算的工作量很大,因此应反复强调“正确”与“迅速”。掌握化工原理课程设计的基本程序和方法。学会用简洁的文字和适当的图表表达自己的设计思想。(2)化工原理课程设计的基本内容化工原理课程设计应包括如下基本内容。设计方案简介对给定、选定或自行组织的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述。工艺设计计算选定工艺参数,进行物料衡算、能量衡算和单元设备的工艺结构计算,绘制相应的工艺流程图,标出物流量、能流量及主要测控点。辅助设备设计与选型典型辅助设备主要工艺尺寸的计算、设备型号规格的选定等。带控制点的工艺流程图以单线图的形式绘制,标出主体设备和辅助设备的
8、物料流向、物流量、能流量及主要测控点。主体设备设计工艺条件图主体设备设计工艺条件图上应包括设备的主要工艺结构尺寸、技术特性表和接管表。设计说明书的编写设计说明书的内容应包括:设计任务书,目录,设计方案简介,工艺计算及主要设备设计,工艺流程图和主要设备的工艺条件图,辅助设备的计算和选型,设计结果汇总,设计评述,参考资料等。整个课程设计主要由文字论述、工艺计算和设计图表三部分组成。论述应该条理清晰、观点明确;计算力求方法正确,误差控制在工程设计允许的范围之内,计算公式和所用数据必须注明出处;图表应能既简明又准确地表达设计和计算的结果。1.2化工生产工艺流程设计化工生产工艺流程设计各个阶段的设计成果
9、都是用各种工艺流程图纸和表格表达出来的,按照设计阶段的不同,先后有方框流程图、工艺流程草(简)图、工艺物料流程图、带控制点的工艺流程图和管道仪表流程图等。方框流程图是在工艺路线选定后对工艺流程进行概念性设计时完成的一种流程图,不编入设计文件;工艺流程草(简)图是一种半图解式的工艺流程图,它实际上只是方框流程图的一种变体或深入,只带有示意的性质,供设计计算时使用,也不列入设计文件中;工艺物料流程图和带控制点的工艺流程图应列入初步设计阶段的设计文件中;管道仪表流程图则应列入施工图设计阶段的设计文件中。本节先介绍流程图的图形符号、标注方法等规定,然后介绍作为设计文件的工艺物料流程图(PFD,proc
10、ess flow diagram)、带控制点的工艺流程图(PCD,process and control diagram)和管道仪表流程图(PID,piping and instrument diagram)。1.2.1工艺流程图中常见的图形符号1.2.1.1常见设备图形符号工艺流程图中,常用细实线画出设备的简略外形和内部特征。目前,很多设备的图形已有统一的规定,其图例可参见表1-1。工艺流程图上应标注设备的位号及名称。(1)标注的内容设备位号标注的内容如下:第一个字母是设备分类代号,用设备名称英文单词的第一个字母表示,各类设备的分类代号见表1-2。在设备分类代号之后是设备编号,一般用四位数字
11、组成,第1、2位数字是设备所在的工段(或车间)代号,第3、4位数字是设备的顺序编号。例如设备位号T1218表示第12车间(或工段)的第18号塔。设备位号在整个系统内不得重复,且在所有工艺图上设备位号均需一致,如有数台相同设备,则在其后加大写英文字母,例如T1218A。表1-1工艺流程图中装备、机器图例摘录(HG/T 205192009)类别代号图例塔T反应器R换热器EF表1-1工艺流程图中装备、机器图例摘录(HG/T 205192009)类别代号图例容器V泵P压缩机C表1-1工艺流程图中装备、机器图例摘录(HG/T 205192009)其他机械M表1-2设备分类代号设备类别代号设备类别代号设备
12、类别代号塔T反应器R起重运输设备L泵P工业炉F计量设备W压缩机、风机C火炬、烟囱S其他机械M换热器E容器(槽、罐)V其他设备X(2)标注的方法设备位号应在两个地方进行标注,一是在图上方或下方,标注的位号排列要整齐,尽可能排在相应设备的正上方或正下方,并在设备位号线下方标注设备的名称。二是在设备内或其近旁,此处仅注位号,不注名称。但对于流程简单、设备较少的流程图,也可直接从设备上用细实线引出,标注设备号。1.2.1.2常用管件和阀门图形符号常用管件和阀件图形符号见表1-3。表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 205192009)名称图例名称图例Y形过滤器文氏管T形过滤器喷射器截止阀锥形
13、过滤器阻火器节流阀表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 205192009)消音器角阀闸阀止回阀球阀直流截式阀隔膜阀底阀蝶阀疏水阀减压阀放空管表1-3常用管件和阀件图形符号摘录(HG/T 205192009)旋塞阀敞口漏斗三通旋塞阀同心异径管四通旋塞阀视镜弹簧式安全阀爆破膜杠杆式安全阀喷淋管1.2.1.3常用仪表参量代号、仪表功能代号及仪表图形符号仪表参量代号见表1-4,仪表功能代号见表1-5,仪表图形符号见表1-6,常用流量检测仪表和检出元件的图形符号见表1-7,仪表安装位置的图形符号见表1-8。图中圆圈直径为10mm,用细实线绘制。表1-4仪表参量代号参量代号参量代号参量代号温度T
14、质量(重量)m(W)厚度温差T转速N频率f压力(或真空)P浓度C位移S压差P密度(相对密度)长度L质量(或体积)流量G分析A热量Q表1-4仪表参量代号液位(或料位)H湿度氢离子浓度pH氢离子浓度通常以它的负对数pH来表示。表1-5仪表功能代号功能代号功能代号功能代号指示Z积算S联锁L记录J信号X变送B调节T手动遥控K 表1-6仪表图形代号符号意义就地安装集中安装通用执行机构无弹簧气动阀有弹簧气动阀带定位器气动阀活塞执行机构电磁执行机构电动执行机构变送器转子流量计孔板流量计表1-7常用流量检测仪表和检出元件的图形符号序号名称图形符号备注序号名称图形符号备注1孔板 4转子流量计圆圈内应标注仪表位号
15、表1-7常用流量检测仪表和检出元件的图形符号2文丘里管及喷嘴 5其他嵌在管道中的检测仪表圆圈内应标注仪表位号3无孔板取压接头 6热电偶 表1-8仪表安装位置的图形符号序号安装位置图形符号备注序号安装位置图形符号备注1就地安装仪表 3就地仪表盘面安装仪表 嵌在管道中4集中仪表盘后安装仪表 表1-8仪表安装位置的图形符号2集中仪表盘面安装仪表 5就地安装仪表盘后安装仪表 1.2.1.4物料代号流程图中常见物料的代号见表1-9。表1-9常见物料代号物料代号物料名称物料代号物料名称物料代号物料名称物料代号物料名称一工艺物料代号二辅助公用工程代号二辅助公用工程代号二辅助公用工程代号表1-9常见物料代号P
16、A工艺空气MS中压蒸汽(饱和或微过热)FL液体燃料RWR冷冻盐水回水MUS中压蒸汽过热蒸汽FS固体燃料RWS冷冻盐水上水PG工艺气体SC蒸汽冷凝水NG天然气DR排液、导淋PGL注:物料代号中如遇到英文字母“O”应写成“”,在工程设计中遇到本规定以外的物料时,可予补充代号,但不得与上列代号相同。1.2.1.5工艺流程图中图线宽度的规定工艺流程图中图线宽度的规定见表1-10。表1-10工艺流程图中图线宽度的规定类别图形线宽/mm0.91.20.50.70.150.3带控制点工艺流程图主物料管道辅助物料管道其他辅助物料管道系统图辅助物料管道总管支管其他1.2.2工艺流程设计1.2.2.1方框流程图和
17、生产工艺流程草图为便于进行物料衡算、能量衡算及有关设备的工艺计算,在设计的最初阶段,首先要绘制方框流程图(BFD),定性地标出物料由原料转化为产品的过程、流向以及所采用的各种化工过程及设备。方框流程图和生产工艺流程草图仅供设计者使用,不列入设计文件中。1.2.2.2工艺物料流程图在完成物热衡算后便可绘制工艺物料流程图(PFD),它是以图形与表格相结合的形式来表达物热衡算的结果,从而使设计流程定量化。物料流程图简称物流图(实际上包括物流与能流,因为物流本身具有能量流),它是初步设计阶段的主要设计成品,提交设计主管部门和投资决策者审查,如无变化,在施工图设计阶段则不必重新绘制。由于物流图标注了物料
18、衡算和热量衡算的结果数据,所以它除了为设计审查提供资料外,还可用作日后生产操作和技术改造的参考资料,因而是非常有用的设计档案资料。因为在绘制物料流程图时尚未进行设备设计,所以物料流程图中设备的外形不必精确,常采用标准规定的设备表示方法简化绘制,有的设备甚至简化为符号形式。设备的大小不要求严格按比例绘制,但外形轮廓应尽量做到按相对比例绘出。物料流程图中最关键的部分是物流表,它是人们读图时最为关心的内容。物流表包括物料名称、质量流量、质量分数、摩尔流量和摩尔分数,有些物流表中还列出物料的某些参数(如温度、压力、密度等)。热量衡算的结果除了可在物流图中的物流表内列出外,通常是在相应的设备位置附近表示
19、,如在换热器旁注明其热负荷(详见图1-1)。物料流程图作为初步设计阶段的主要设计成品,其作用如下:作为下一步设计的依据;为接受审查提供资料;可供日后操作参考。图1-1是物料流程图的一个示例。1.2.2.3带控制点的工艺流程图在初步设计阶段,除了完成工艺计算、确定工艺流程外,还应确定主要工艺参数的控制方案,所以初步设计阶段在提交物料流程图的同时,还要提交带控制点的工艺流程图(PCD)。在画工艺流程图时,工艺物料管道用粗实线,辅助物料管道用中粗线,其他用细实线。图纸和表格中的所有文字均采用长仿宋体。在带控制点的工艺流程图中,一般应画出所有工艺设备、工艺物料管线、辅助管线、阀门、管件以及工艺参数(温
20、度、压力、流量、物位、pH值等)的测量点,并表示出自动控制的方案。它是由工艺专业人员和自控专业人员共同合作完成的。借助带控制点的工艺流程图,可以比较清楚地了解设计的全貌。带控制点的工艺流程图应包括如下内容。(1)物料流程物料流程包括:设备示意图,大致依设备外形尺寸按比例画出,标明设备的主要管口,适当考虑设备合理的相对位置;设备流程号;物料与动力(水、汽、真空、压缩机、冷冻盐水等)管线及流向(用箭头线表示);管线上的主要阀门、设备及管道的必要附件,如疏水器、管道过滤器、阻火器等;必要的计量、控制仪表,如流量计、液位计、压力表、真空表及其他测量仪表等;简要的文字注释,如冷却水、加热蒸汽来源、热水及
21、半成品去向等。(2)图例图例是将物料流程图中画的有关管线、阀门、设备附件、计量-控制仪表等图形用文字予以说明。(3)图签图签是写出图名、设计单位、设计人员、制图人员、审核人员(签名)、图纸比例尺、图号等项内容的一份表格,其位置在流程图的右下角。图1-2是一个带控制点的工艺流程图示例。1.2.2.4管道仪表流程图管道仪表流程图(PID)是化工装置工程设计中最重要的图纸之一,一般在施工图设计阶段完成,是该设计阶段的主要设计成品之一,它反映的是工艺流程设计、设备设计、管道布置设计、自控仪表设计的综合成果。管道仪表流程图要求画出全部设备、全部工艺物料管线和辅助管线,还包括在工艺流程设计时考虑为开车、停
22、车、事故、维修、取样、备用、再生所设置的管线以及全部的阀门、管件等,还要详细标注所有的测量、调节和控制器的安装位置和功能代号。因此,它是指导管路安装、维修和运行的主要档案性资料。图1-3是管道仪表流程图的一个示例。1.2.2.5工艺流程设计的基本原则工程设计本身存在一个多目标优化问题,同时又是政策性很强的工作,设计人员必须有优化意识,必须严格遵守国家的有关政策、法律规定及行业规范,特别是国家的工业经济法规、环境保护法规、安全法规等。一般来说,设计者应遵守如下一些基本原则。技术的先进性和可靠性运用先进的设计工具和设计方法,尽量采用当前的先进技术,实现生产装置的优化集成,使其具有较强的市场竞争能力
23、。同时,对所采用的新技术要进行充分的论证,以保证设计的科学性和可靠性。装置系统的经济性在各种可采用方案的分析比较中,技术经济评价指标往往是关键要素之一,以求得以最小的投资获得最大的经济效益。可持续及清洁生产树立可持续及清洁生产意识,在所选定的方案中,应尽可能重复利用生产装置产生的废弃物,减少废弃物的排放,乃至达到废弃物的“零排放”,实现“绿色生产工艺”。过程的安全性在设计中要充分考虑到各个生产环节可能出现的危险事故(燃烧、爆炸、毒物排放等),采取有效安全措施,确保生产装置的可靠运行及人员健康和人身安全。过程的可操作性及可控制性生产装置应便于稳定可靠操作。当生产负荷或一些操作参数在一定范围内波动
24、时,应能有效快速地进行调节和控制。行业性法规如药品生产装置的设计,要符合“药品生产及质量管理规范”。1.3主体设备设计工艺条件图主体设备是指在每个单元操作中处于核心地位的关键设备,如传热中的换热器,蒸发中的蒸发器,蒸馏和吸收中的塔设备(板式塔和填料塔),干燥中的干燥器等。一般来说,单元设备在不同单元操作中的主体地位常常是不一样的,即使同一设备在不同单元操作中其作用也不尽相同,如某一设备在某个单元操作中为主体设备,而在另一单元操作中则可变为辅助设备。例如,换热器在传热中为主体设备,而在精馏或干燥操作中就变为辅助设备。泵、压缩机等也有类似的情况。主体设备设计条件图是将设备的结构设计和工艺尺寸的计算
25、结果用一张总图表示出来,通常由负责工艺设计的人员完成,它是进行装置施工图设计的重要依据。图面上应包括如下内容:设备图形,指设备主要尺寸(外形尺寸、结构尺寸、连接尺寸)、接管和人孔等;技术特性,指装置设计和制造检验的主要性能参数。通常包括设计压力、设计温度、工作压力、工作温度、介质名称、腐蚀裕度、焊缝系数、容器类别(指压力等级,分为类外、一类、二类、三类四个等级)及装置的尺度(如贮罐类为全容积、换热器类为换热面积等);管接口表,注明各管口的符号、公称尺寸、连接方式、用途等;设备组成一览表,注明组成设备的各部件的名称等。图1-4是主体设备设计条件图的一个示例。图1-4主体设备设计条件图应予指出,以
26、上设计全过程统称为设备的工艺设计。完整的设备设计,应在上述工艺设计基础上再进行机械结构设计和强度校核,最后提供可供加工制造的施工图。这一环节在高等院校的教学中,属于化工机械专业的专业课程,在设计部门则属于机械设计组的职责。由于学时所限,化工原理课程设计一般要求学生只提供初步设计阶段的带控制点的工艺流程图和主体设备设计的工艺条件图即可。1.4混合物物性数据的估算物性数据获取的途径主要有三个:实验测定;从有关手册和文献专著中查取;经验估算和推算。有些物性,特别是混合物的性质,查取困难,更多的是采用经验的方法进行估算和推算,这里仅介绍混合物常用物性数据的估算方法。1.4.1混合物的平均摩尔质量1.4
27、.1.1混合气体Mm=yiMi(1-1)式中,Mm为混合气体的平均摩尔质量,kg/kmol;yi为气体组分i的摩尔分数;Mi为气体组分i的摩尔质量,kg/kmol。1.4.1.2混合溶液Mm=xiMi(1-2)式中,Mm为混合溶液的平均摩尔质量,kg/kmol;xi为溶液组分i的摩尔分数;Mi为溶液组分i的摩尔质量,kg/kmol。1.4.2混合物的密度1.4.2.1混合气体m=或 m=yii(1-3)式中,m为混合气体的密度,kg/m3;yi为组分i的体积分数(或摩尔分数);i为组分i的气体密度,kg/m3;P为混合气体的总压,N/m2;Mm为混合气体的平均摩尔质量,kg/kmol。上式仅适
28、用于混合气体压力不太高时的场合,如压力较高或要求更高的计算精度,可用压缩因子法或其他方法进行处理。1.4.2.2混合液体m=(1-4)式中,m为混合液体的密度,kg/m3;wi为组分i的质量分数;i为组分i的密度,kg/m3。上式使用条件为理想溶液。1.4.3混合物的黏度1.4.3.1混合气体常压下气体混合物的黏度可以通过各组分的纯物质黏度、摩尔质量及摩尔分数由下式求得:=(1-5)式中,为0、常压下混合气体的黏度,mPas;yi为组分i的摩尔分数;为0、常压下组分i的黏度,mPas;Mi为组分i的摩尔质量,kg/kmol。若压力较高且对比温度Tr和对比压力pr大于1的情况下,纯组分的黏度可利
29、用对比态原理从压力对黏度的影响图中查出,亦可用下式进行校正:i=(1-6)式中,m为关联指数。对常见气体,和m值见表1-11。表1-110、常压下纯组分气体的黏度及关联指数m气体组分/mPasm气体/mPasmCO2H2N2COCH4O2H2S1.3410-20.8410-21.6610-21.6610-21.2010-21.8710-21.1010-20.9350.7710.7560.7580.8CS2SO2NO2NOHCNNH3空气0.8910-21.2210-21.7910-21.3510-20.9810-20.9610-21.7110-20.890.9810.768 系反推值。气体混合
30、物的黏度为:m=(1-7)上式对含H2较高的混合气体不适用,误差高达10%。1.4.3.2混合液体液体混合物的黏度与组成之间一般不存在线性关系,有时会出现极大值、极小值或者既有极大值又有极小值或S形曲线关系,目前还难以用理论预测。除实验测定外,工程上大多采用一些经验或半经验的黏度模型进行关联和计算。对于互溶非缔合性混合液体的黏度可用下式计算:lgm=xilgi(1-8)式中,m为混合溶液的黏度,mPas;i为与混合溶液同温下组分i的黏度,mPas;xi为混合溶液中组分i的摩尔分数。还可根据Kendall-Mouroe混合规则计算:=(xi)(1-9)式中符号意义同上。此式适用于非电解质、非缔合
31、性液体,且两组分的分子量之差和黏度之差不大(15mPas)的液体。对油类计算的误差为2%3%。1.4.4混合物的热导率1.4.4.1混合气体 非极性气体混合物由Broraw法计算:(1-10)常压下一般气体混合物m=(1-11)式中,m为常压及系统温度下气体混合物的热导率,W/(mK);i为常压及系统温度下组分i的热导率,W/(mK);yi为混合气体中组分i的摩尔分数;Mi为组分i的摩尔质量,kg/mol。对于高压气体混合物热导率的计算,常常需将高压纯组分关系式与相应的混合规则相结合后按特定关系式计算,具体方法可参考有关文献。1.4.4.2混合液体 有机液体混合物的热导率m=wii(1-12)
32、有机液体水溶液的热导率m=0.9wii(1-13)胶体分散液与乳液m=0.9c(1-14)电解质水溶液的热导率m=w(1-15)式中,wi为混合液中组分i的质量分数;c为连续相组分的热导率,W/(m);Cp、M分别为电解质水溶液的比热容、密度及相对摩尔质量;w、Cpw、w、Mw分别为水的热导率、比热容、密度及相对摩尔质量。1.4.5混合物的比热容1.4.5.1混合气体压力对固体热容的影响很小,一般不予考虑;对液体也只有在临界点附近才有影响,一般情况下亦可忽略;压力虽对理想气体的热容无影响,但对真实气体的热容影响却较显著。各种真实气体纯组分在温度T及压力p下的比热容Cpi与同样温度下理想气体组分
33、的比热容之差(Cpi-)与对比温度Tr(Tr=T/Tc)及对比压力pr(pr=p/pc)有关,(Cpi-)的数值符合对比态原理,可通过查对比状态曲线图获取真实气体的Cpi值。理想气体混合物(或低压真实气体混合物)=yi(1-16)式中,、分别为1kmol理想气体混合物及理想气体组分i的比热容,kJ/kmol;yi为理想气体混合物中组分i的摩尔分数。真实气体混合物(压力较高时)求真实气体混合物的比热容时,首先求取混合气体在同样温度下处于理想气体状态时的比热容,再根据混合气体的假临界温度Tc(Tc=yiTci)和假临界压力pc(pc=yipci),求取混合气体的假对比温度Tr和假对比压力pr,最后
34、在对比状态图上查出(Cpm-)值,求取Cpm值。1.4.5.2液体混合物液体混合物的比热容还没有比较理想的计算方法,一般借助于理想气体混合物的公式按组分组成加和求取。这种做法对分子结构相似的混合液体还比较准确,对其他液体混合物会产生较大的误差。液体混合物的比热容由下式计算Cpm=wiCpi(1-17)式中,Cpm、Cpi分别为1kg液体混合物及组分i的比热容。本公式的使用适用于下列情形之一:各组分不互溶;相似的非极性液体混合物(如碳氢化合物、液体金属);非电解质水溶液(有机物水溶液);有机溶液。但不适用于混合热较大的互溶混合液。1.4.6混合物的汽化潜热混合物的汽化潜热既可按摩尔分数加权平均,
35、也可按质量分数加权平均。rm=xiri kJ/kmol rm=wiri kJ/kg(1-18)式中,rm、rm分别为1mol和1kg混合物的汽化潜热;ri、ri分别为组分i的摩尔汽化潜热和质量汽化潜热;xi、wi分别为组分i的摩尔分数和质量分数。1.4.7混合液的表面张力1.4.7.1常压液体混合物当系统压力小于或等于大气压时,液体混合物的表面张力可由下式求得:m=xii(1-19)1.4.7.2非水溶液混合物对非水溶液混合物,可按Macleod-Sugden法或快速估算法计算。(1)Macleod-Sugden法=Pi(Lmxi-Gmyi)(1-20)式中,m为混合液的表面张力,mN/m;P
36、i为组分i的等张比容,;xi、yi为液相、汽相的摩尔分数;Lm、Gm分别为混合物液相、汽相的摩尔密度,mol/cm3。本法的误差对非极性混合物一般为5%10%,对极性混合物为5%15%。(2)快速估算法=xi(1-21)对于大多数混合物,=1,若为了更好地符合实际,可在-3+1之间选择。1.4.7.3含水溶液有机物分子中烃基是疏水性的,有机物在表面的浓度高于主体部分的浓度,因而当少量的有机物溶于水时,足以影响水的表面张力。在有机物溶质浓度不超过1%时,可用下式求取溶液的表面张力:=1-0.411lg(1-22)式中,w为纯水的表面张力,mN/m;x为有机物溶质的摩尔分数;为特性常数,见表1-1
37、2。表1-12特性常数值有机物丙酸正丙酸异丙酸醋酸甲酯正丙胺甲乙酮正丁酸异丁酸正丁醇异丁醇甲酸丙酯醋酸乙酯丙酸甲酯10426262626191977778.58.58.5有机物二乙酮丙酸乙酯醋酸丙酯正戊酸异戊酸正戊醇异戊醇丙酸丙酯正己酸正庚酸正辛酸正癸酸 表1-12特性常数值1048.53.13.11.71.71.71.71.00.750.170.0340.025 二元的有机物-水溶液的表面张力在宽浓度范围内用下式求取:=sw+so(1-23)式中 sw=xswVw/Vs so=xsoVo/Vsosw和so通过下式求取o=xoVo/(xwVw+xoVo)(1-24)w=xwVw/(xwVw+x
38、oVo)(1-25)B=lg(/o)(1-26)Q=0.441(q/T)(o/q-w)(1-27)A=B+Q(1-28)lg(/so)=A(1-29)sw+so=1(1-30)式中,下角w、o、s分别指水、有机物及表面部分;xw、xo分别为水和有机物主体部分的摩尔分数;Vw、Vo分别为水和有机物主体部分的摩尔体积;w、o分别为纯水和有机物的表面张力;q为与分子结构有关的参数,其值决定于有机物的型式与分子的大小,见表1-13所示。若用于非水溶液q=溶质摩尔体积/溶剂摩尔体积本法对14个水系统和2个醇-醇系统,当q值小于5时,误差小于10%;当q值大于5时,误差小于20%。表1-13q值的确定物质q举例脂肪酸、醇碳原子数乙酸:q=2酮类碳原子数减1丙酮:q=2脂肪酸的卤代衍生物氯代乙酸:q=
