化工原理知識點

單元操作的特點所有的單元操作都是物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或物理性質，并不改變化學性質。單元操作是過程工程中共有的操作，只是不同的過程中所包含的單元操作數(shù)目、名稱與排列順序不同。單元操作作用于不同的過程工程時，基本原理相同，所用的設備也是通用的流體具有三個特點（1）流動性，即抗剪抗張能力都很?。?）無固定形狀，隨容器的形狀而變化。（3）在外力作用下流體內(nèi)部發(fā)生相對運動流體壓強重要特性：①流體壓力處處與它的作用面垂直，并且總是指向流體的作用面；②流體中任一點壓力的大小與所選定的作用面在空間的方位無關。雷諾準數(shù)的物理意義慣性力與粘性力之比，慣性力可加劇湍動，粘性力抑制湍動離心泵的操作原理操作原理：由若干個彎曲的葉片組成的葉輪置于具有蝸殼通道的泵殼之內(nèi)。葉輪緊固于泵軸上泵軸與電機相連，可由電機帶動旋轉。吸入口位于泵殼中央與吸入管路相連，并在吸入管底部裝一止逆閥。泵殼的側邊為排出口，與排出管路相連，裝有調(diào)節(jié)閥。氣縛現(xiàn)象離心泵啟動時，如果泵殼內(nèi)存在空氣，由于空氣的密度遠小于液體的密度，葉輪旋轉所產(chǎn)生的離心力很小，葉輪中心處產(chǎn)生的低壓不足以造成吸上液體所需要的真空度，這樣，離心泵就無法工作，這種現(xiàn)象稱作“氣縛”單元操作的概念——過程工程中共有的物理操作過程工程：原料的預處理、化學反應過程、反應產(chǎn)物的分離與提取數(shù)學模型法（半經(jīng)驗半理論方法）：在對實際過程的機理進行深入分析的基礎上，抓住過程的本質，作出某些合理的“等效”與“簡化”，建立物理模型，進行數(shù)學描述，得出數(shù)學模型，通過實驗確定模型參數(shù)。質量守恒定律：輸入系統(tǒng)的物料質量等于從系統(tǒng)輸出的物料質量和系統(tǒng)中積累的物料質量。能量守恒定律：即任何時間內(nèi)輸入系統(tǒng)的總熱量等于系統(tǒng)輸出的總熱量與損失的熱量之和。穩(wěn)定流動：流體在管路中流動時，在任一點上的流速、壓力等有關物理參數(shù)都不隨時間而改變的流動系統(tǒng)。不穩(wěn)定流動：流體流動有關物理量隨位置和時間均發(fā)生變化的流動系統(tǒng)。層流：其質點作有規(guī)則的平行運動，各質點互不碰撞，互不混合湍流：其質點作不規(guī)則的雜亂運動，并相互碰撞，產(chǎn)生大大小小的旋渦。Re≤2000滯流Re≥4000湍流（生產(chǎn)條件下Re≥3000）Re=2000∽4000過渡流邊界層：流速降為未受邊壁影響流速uo的99%以內(nèi)的區(qū)域為邊界層，即邊界層為受邊界影響的區(qū)域。在邊界層內(nèi)，存在速度梯度，因而必須考慮粘度的影響，而在邊界層之外速度梯度小到可以忽略，則無需考慮粘性的影響，這樣，在研究實際流體沿固體界面流動問題時，只要考察邊界層內(nèi)的流動即可，這就是引入邊界層概念的原因。邊界層分離的必要條件是：逆壓、流體具有粘性這兩個因素缺一不可。邊界層分離使系統(tǒng)阻力增大，在流體輸送中應設法避免或減輕，措施：調(diào)解流速，選擇適宜的流速，改變固體的形體。管路特性曲線：流體通過某特定管路時所需的壓頭與液體流量的關系曲線。深層過濾：這種過濾是在過濾介質內(nèi)部進行的，介質表面無濾餅形成。過濾用的介質為粒狀床層或素燒（不上釉的）陶瓷筒或板。此法適用于從液體中除去很小量的固體微粒，例如飲用水的凈化。濾餅過濾：當懸浮液中所含顆粒較多時，常用濾布、濾網(wǎng)做過濾介質進行過濾，在濾餅形成以后，濾餅層成為主要的過濾介質，過濾阻力隨著濾餅層的加厚而漸增，濾液濾出的速率亦漸減濾餅過濾與深層過濾的主要區(qū)別：1.過濾介質：粒狀床層孔道、濾餅層2.推動力：靜電、分子間力、毛細管力、重力、壓力、離心力數(shù)學模型法與因次分析方法比較：對象的認識程度不同：前機理比較清楚，后機理不清、輸出與輸入；處理方法不同：前等效簡化，后因次一致性原理；實驗目的不同：前確定參數(shù)，后確定數(shù)學關系；參數(shù)意義不同：前物理意義/k，后確定關系/a，方程：前物理方程，后準數(shù)方程。散式流化床：兩相密度差小的系統(tǒng)趨于散式流態(tài)化--液固體系，床內(nèi)顆粒的分散狀態(tài)和擾動程度平緩地加大，床層的上界面較為清晰。聚式流化床：氣固體系，乳化相（連續(xù)相、密相）空隙小固體濃度大的氣固均勻混合物；氣泡相（稀相）夾帶著少量固體顆粒以氣泡的形式通過床層的不連續(xù)相。兩種不正常現(xiàn)象：騰涌現(xiàn)象、溝流現(xiàn)象。騰涌：高徑比太大或氣速過高，形成大氣泡推動顆粒層溝流：更易發(fā)生在大直徑床中，氣體短路。騰通與溝流都會使氣—固兩相接觸不充分、不均勻、流化質量不高，使傳熱、傳質和化學反應效率下降。在設計和操作流化床時應避免其發(fā)生。攪拌：使兩種或多種物料進行混合的操作。又往往是完成其他單元操作的必要手段，以促進傳熱、傳質、化學反應為主要目的。攪拌的作用：使氣體在液相中很好地分散；使固體粒子（如催化劑）在液相中均勻地懸?。皇共幌嗳艿牧硪灰合嗑鶆驊腋?；強化相間的傳質（如吸收等）；強化傳熱傳熱的三種基本方式：熱傳導若物體各部分之間不發(fā)生相對位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動而引起的熱量傳遞稱為熱傳導；熱對流流體各部分質點發(fā)生相對位移而引起的熱量傳遞過程，稱為熱對流（包括自然對流：當流體內(nèi)存在溫度不均勻分布而形成密度的差異，也會發(fā)生對流而傳熱；強制對流：用機械能使流體發(fā)生對流而傳熱，例如攪拌）；熱輻射因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱為熱輻射對流傳熱是指流體中質點發(fā)生相對位移而引起的熱交換。對流傳熱僅發(fā)生在流體中，與流體的流動狀況密切相關。實質上對流傳熱是流體的對流與熱傳導共同作用的結果。逆流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而反向的流體。并流：參與換熱的兩種流體沿傳熱面平行而同向的流動。就傳熱平均溫差來說，逆流比并流優(yōu)越。并流較易控制，但一般應盡可能采用逆流操作。對流傳熱分類1.引起流動的原因自然對流強制對流2.流體的物性3.流動型態(tài)層流湍流：灰體能夠以相等的吸收率吸收所有波長輻射能的物體物體的黑度e表示為實際物體的輻射能力與黑體的輻射能力之比；由于實際物體的輻射能力小于同溫度下黑體的輻射能力，黑度表示實際物體接近黑體的程度，e<1。蒸發(fā)工業(yè)上常用的濃縮方法是將這些稀溶液加熱至沸騰，使其中一部分溶劑汽化，從而獲得濃縮過程，稱為蒸發(fā)。蒸發(fā)操作的目的①獲得濃縮的溶液直接作為化工產(chǎn)品或半成品。②脫除溶劑，將溶液增溶至飽和狀態(tài)，隨后加以冷卻，析出固體產(chǎn)物，即采用蒸發(fā)，結晶的聯(lián)合操作以獲得固體溶質。③

除雜質，獲得純凈的溶劑。蒸發(fā)操作的特點①沸點升高②節(jié)約能源③物料的工藝特性采用多效蒸發(fā)的優(yōu)點①降低能耗②便于分離晶體③可強化傳熱過程提高蒸發(fā)效率。多效蒸發(fā)和單效蒸發(fā)的比較（1）溶液的溫度差損失若單效和多效蒸發(fā)操作條件(即加熱蒸汽壓強和冷凝器的操作壓強)相同時，其理論傳熱溫差相同而和效數(shù)無關，多效蒸發(fā)只是將此傳熱溫差分配到各效而已。由于多效蒸發(fā)的每一效中都存在傳熱溫差損失，因而總的有效傳熱溫差必小于單效時，使得傳熱推動力下降。效數(shù)愈多，總有效溫差愈小，當效數(shù)增加到一定程度時，可使總有效溫度差為零，此時蒸發(fā)將無法進行，即為效數(shù)的最大極限。（2）吸收操作的用途制取產(chǎn)品分離混合氣體氣體凈化物理吸收和化學吸收物理：在吸收過程中溶質與溶劑不發(fā)生顯著化學反應，稱為物理吸收?；瘜W吸收：如果在吸收過程中，溶質與溶劑發(fā)生顯著化學反應，則此吸收操作稱為化學吸收。單組分吸收與多組分吸收單組分吸收：在吸收過程中，若混合氣體中只有一個組分被吸收，其余組分可認為不溶于吸收劑，則稱之為單組分吸收；多組分吸收：如果混合氣體中有兩個或多個組分進入液相，則稱為多組分吸收。等溫吸收與非等溫吸收等溫吸收：氣體溶于液體中時常伴隨熱效應，若熱效應很小，或被吸收的組分在氣相中的濃度很低，而吸收劑用量很大，液相的溫度變化不顯著，則可認為是等溫吸收；非等溫吸收：若吸收過程中發(fā)生化學反應，其反應熱很大，液相的溫度明顯變化，則該吸收過程為非等溫吸收過程。低濃度吸收與高濃度吸收高濃度吸收：通常根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，規(guī)定當混合氣中溶質組分A的摩爾分數(shù)大于0.1，且被吸收的數(shù)量多時，稱為高濃度吸收；低濃度吸收：如果溶質在氣液兩相中摩爾分數(shù)均小于0.1時，吸收稱為低濃度吸收。低濃度吸收的特點：1）氣液兩相流經(jīng)吸收塔的流率為常數(shù)2低濃度的吸收可視為等溫吸收。分子擴散：在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運動使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴散。傳質速率：在任一固定的空間位置上，單位時間內(nèi)通過垂直于傳遞方向的單位面積傳遞的物質量，記作N。對流傳質：流動著的流體與壁面之間或兩個有限互溶的流動流體之間發(fā)生的傳質，通常稱為對流傳質。雙膜模型的基本假設：（1）相互接觸的氣液兩相存在一個穩(wěn)定的相界面，界面兩側分別存在著穩(wěn)定的氣膜和液膜。膜內(nèi)流體流動狀態(tài)為層流，溶質A以分子擴散方式通過氣膜和液膜，由氣相主體傳遞到液相主體。（2）相界面處，氣液兩相達到相平衡，界面處無擴散阻力。（3）在氣膜和液膜以外的氣液主體中，由于流體的充分湍動，溶質A的濃度均勻，溶質主要以渦流擴散的形式傳質。解吸過程：工業(yè)生產(chǎn)中，常將離開吸收塔的吸收液送到解吸塔中，使吸收液中的溶質濃度由X1降至X2，這種從吸收液中分離出被吸收溶質的操作，稱為解吸過程。解吸的目的：（a）獲得所需較純的氣體溶質；（b）使溶劑再生返回到吸收塔循環(huán)使用，使分離過程經(jīng)濟合理。解吸方法1）氣提解吸2）減壓解吸3）加熱解吸汽蝕現(xiàn)象：提高泵的安裝高度，將導致泵內(nèi)壓力降低，其最低值為葉片間通道入口附近，當這個最低值降至被輸送液體的飽和蒸汽壓時，將發(fā)生沸騰，所產(chǎn)生的蒸汽泡在隨液體從入口向外周流動中，又因壓力迅速加大而積聚冷凝。使液體以很大速度從周圍沖向汽泡中心，產(chǎn)生頻率很高，瞬時壓力很大的沖擊，這種現(xiàn)象稱為“汽蝕”；加熱蒸汽和二次蒸汽：蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常是水蒸汽，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸汽也是水蒸汽。為了易于區(qū)別，前者稱為加熱蒸汽，后者稱為二次蒸汽。最小液氣比：操作線上任一點與平衡線相遇，則該點的傳質推動力為零，傳質速率亦為零。這一液氣比稱為最小液氣比。多效蒸發(fā)：按二次蒸汽利用的情況可分為單效和多效蒸發(fā)。將二次蒸汽通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸汽，則可以提高原來加熱蒸汽的利用率。這種將多個蒸發(fā)器串聯(lián)，使加熱蒸汽在蒸發(fā)過程中得到多次利用的蒸發(fā)過程稱為多效蒸發(fā)；自由沉降和干擾沉降：顆粒彼此相距很遠，不產(chǎn)生干擾的沉降稱為自由沉降。若顆粒之間的距離很小，即使沒有互相接觸，一個顆粒沉降時也會受到其他顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降；溶解度：在溶質A與溶劑接觸、進行溶解的過程中能夠，隨著溶液濃度的逐漸增高，傳質速率將逐漸減慢，最后降到零，溶液濃度達到最大限度。這時稱氣液達到了相平衡，稱為平衡溶解度，簡稱溶解度。固體流態(tài)化：將固體顆粒對在容器內(nèi)的多孔板上，形成一個床層。若令流體自下而上通過床層，流速低時，顆粒不動；流速加大到一定程度后顆粒便活動，而床層膨脹；流速進一步加大則顆粒彼此離開爾在劉題中浮動，流速愈大，浮動愈劇，床層愈高，稱這種情況為固體流態(tài)化。氣液傳質雙膜理論：吸收過程分為三個步驟：溶質由氣相主體擴散到氣液兩相界面；穿過相界面；有液相的界面擴散到主體。認為穿過相界面的傳質，所需的傳質推動力為零，或氣液達到了平衡。將氣液兩相間傳質的阻力集中在界面附近的氣膜和液膜之內(nèi)，且界面沒有阻力的這一設想，稱為雙膜模型。沉降速度及其計算公式：初始時，顆粒的降落速度和所受阻力都為零，顆粒因受力加速下降。隨降落速度的增加，阻力也相應增大，直到與沉降作用力相等，顆粒受力達到平衡，加速度也減小到零。此后，顆粒以等速下降，這一最終達到的速度稱為沉降速度。直徑為d的球形顆粒，（重力-浮力）=阻力溶液的沸點升高和杜林規(guī)則：溶液中含有溶質，故其沸點必須高于純?nèi)軇┰谕粔毫ο碌姆悬c，亦即高于蒸發(fā)室壓力下的飽和蒸汽溫度。此高出的溫度稱為溶液的沸點升高，溶液的沸點升高與溶液的種類、溶液中溶質的濃度以及蒸發(fā)壓力有關。杜林規(guī)則：某液體（或溶液）在兩種不同壓力下兩沸點之差，與另一標準體在相應壓力下兩沸點之差，其比值為一常數(shù)。用因次分析法導出沉降速度中的阻力系數(shù)是流動與顆粒相對運動的雷諾數(shù)的函數(shù)相關各物理量的因次:;;;;分別對阻力系數(shù)和雷諾數(shù)進行因次分析：;由此證明了對于穩(wěn)態(tài)逆流吸收塔，已知吸收塔頂截面A的氣相組成摩爾比和液相組成摩爾比，塔底截面B的氣相組成摩爾比，畫摩爾比坐標系中的操作線和平衡線，標出并闡明以氣相摩爾比之差表示的總傳質推動力和液相摩爾比之差表示的總傳質推動力）牛頓流體與非牛頓流體：剪應力與速度梯度的關系符合牛頓粘性定律的流體，稱為牛頓型流體，包括全部氣體與大部分液體在內(nèi)。不符合牛頓粘性定律的流體稱為非牛頓型流體，這些都是稠厚液體或懸浮液。傳質單元與傳質單元高度：梯級法求氣相總傳質單元的原理，是把整個填料層分割為若干段，氣流經(jīng)過每這樣的填料段后其組成變化將等于其中的平均總傳質推動力。這樣的一個填料段稱為對氣相總推動力而言的傳質單元，每一個梯級就是一個這樣的傳質單元，一個氣相傳質單元的填料層高度成為氣相總傳質單元高度，而且各個傳質單元的這一高度都相等。物體表面的黑度與吸收率：黑度表示灰體發(fā)射能力占黑體輻射能力的分數(shù)，吸收率為外界投射來的輻射能可被物體吸收的分數(shù)，只有在溫度相同以及黑度或吸收率隨溫度的變化皆可忽略時黑度在數(shù)值上才與吸收率相等。濾餅過濾與深層過濾：顆粒的尺寸大多數(shù)都比過濾介質的孔道大，固體物積聚于介質表面，形成濾餅。過濾開始時，很小的顆粒也會進入介質的孔道內(nèi)，部分特別小的顆粒還會通過介質的孔道而不被截留，使濾液仍是混濁的。在濾餅形成之后，他便成為對其后的顆粒其主要截留作用的介質，濾液因此變清。過濾阻力將隨濾餅的加厚而漸增，濾液濾出的速率也漸減，故濾餅積聚到一定厚度后，要將其從介質表面上移去。這種方法適用于處理固體物含量比較大的懸浮液。深層過濾：顆粒尺寸比介質的孔道的直徑小得多，但孔道彎曲細長，顆粒進入之后，很容易被截留，更由于流體流過時所引起的擠壓與沖撞作用，顆粒緊附在孔道的壁面上。這種過濾時在介質內(nèi)部進行的，介質表面無濾餅形成。離心泵的軸功率與有效功率：根據(jù)泵的壓頭和流量算出的功率是泵所輸出的有效功率，實際測得的軸功率大于有效功率。這是由于通過泵軸所輸入的功率有一部分在泵內(nèi)被損耗。離心泵的軸功率可直接利用效率計算：，式中：-泵的軸功率，W；-泵的壓頭，m：-泵的流量，m3/s；-液體密度，kg/m3；-效率。離心泵的工作點的確定及調(diào)節(jié)：管路特性曲線與離心泵的特性曲線的交點，就是將液體送過管路所需的壓頭與泵對液體所提供的壓頭正好相對等時的流量，該交點稱為泵在管路上的工作點。為改變流量，最簡單的措施是利用閥門調(diào)節(jié)。改變離心泵的轉速以改變泵的特性曲線也是調(diào)節(jié)流量的一種辦法。重力收塵與旋風收塵的工作條件：重力除塵只要氣體通過降塵室所歷時間大于或等于其中的塵粒從室頂沉降到室底所需時間，塵粒就可以分離出來；旋風除塵器：顆粒到達器壁所需要的沉降時間只要不大于停留時間，它便可以從氣流中分離出來。邊界層在傳熱傳質中的作用，舉例說明：實際流體沿壁面流動時，可在流體中劃分出兩個區(qū)域，一為壁面附近速度變化較大的區(qū)域稱為邊界層，流動阻力主要集中在此一區(qū)域；另一為離面較遠、速度基本上不變的區(qū)域，其中流動的阻力可以忽略氣液傳質雙膜理論及其缺陷：吸收過程分為三個步驟：溶質由氣相主體擴散到氣液兩相界面；穿過相界面；有液相的界面擴散到主體。認為穿過相界面的傳質，所需的傳質推動力為零，或氣液達到了平衡。將氣液兩相間傳質的阻力集中在界面附近的氣膜和液膜之內(nèi)，且界面沒有阻力的這一設想，稱為雙膜模型。分析流體在管道中阻力分析的類型與原因：瞬時過濾速度方程，要用于過濾計算，還須進一步推導，只要截面積不變，通過濾渣層的速度和通過過濾介質的速度相等：過濾計算的主要問題是要建立過濾面積A，過濾時間與過濾體積之間的關系，為此需對瞬時過濾方程進行積分。自然對流傳熱與強制對流傳熱：若流體原來是靜止的，因受熱而有密度的局部變化，導致發(fā)生對流而傳熱的稱為自然對流傳熱。若用機械能（例如攪拌流體或用泵將流體送經(jīng)導管），使流體發(fā)生對流而傳熱的稱為強制對流傳熱。氣膜控制與液膜控制：溶解度很大的氣體，溶解度系數(shù)小，液相分阻力在總阻力中所占的比重將相對地小，傳質阻力幾乎全集中于氣相，通常稱為氣膜控制；溶解度很小的氣體，則溶解度很小，則傳質阻力幾乎全集中在液相，通稱為液膜控制。雷諾數(shù)及代表意義：Re=luρ/μ，代表湍動程度。表征慣性力或粘性力之比。若流體的速度達或黏度小，雷諾數(shù)便大，便是慣性力占主導地位；若流體的速度小或黏度大，雷諾數(shù)小，表示粘性力占主導地位。雷諾數(shù)越大，湍流程度愈激烈，可見慣性力加劇湍動，粘性力抑制湍動。等摩爾擴散與單向擴散：對二元氣體A、B的相互擴散，A在B中的擴散系數(shù)和B在A中的擴散系數(shù)兩者相等，稱為等摩爾相互擴散，如吸收中遇到一組分通過另一停滯組分的一維穩(wěn)定單方向擴散,簡稱單向擴散。散式流化床與聚式流化床：若固體顆粒層用液體來進行流態(tài)化，流速增大時，床層從開始膨脹直到水力輸