化工工艺基础知识

二、流体动力学：研究流体在外力作用下的平衡规律
1、密度：单位体积流体的质量，称为流体的密度，其 表达式为
ρ=m/v 式中 ρ――流体的密度，kg/m3；
m――流体的质量，kg； V――流体的体积，m3。
液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外）， 可忽略不计，故常称液体为不可压缩的流体，但其随温度稍 有改变。气体的密度随压力和温度的变化较大。
1、热传导
又称导热。当物体内部或两个直接接触的物体之间存 在着温度差异时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相 邻的分子碰撞，并将能量的一部分传给后者，藉此，热能就 从物体的温度较高部分传到温度较低部分。称这种传递热量 的方式为热传导。在热传导过程中，没有物质的宏观位移。
热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部 分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。
流体在管道中的流动状态可分为两种类型:
层流和湍流
雷诺实验装置
雷诺实验现象表明：流体在管道中流动存在两种截然不同的流 型。
流体流动形态示意图
根据不同的流体和不同的管径所获得实验结果表明：影响 液体类型的因素，除了流体的流速外，还有管径d，流体密度 ρ和流体的粘度μ。u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流 转变为湍流。雷诺得出结论：上述中四个因素所组成的复合数 群duρ/μ，是判断流体流动类型的准则。 这数群称为雷诺准数或雷诺数，用Re表示。
流量一般为生产任务所决定，而合理的流速则应根 据经济权衡决定，一般液体流速为0.5～3m/s。气体为10～ 30m/s。
四、管内流体流动现象
1、 粘度：流体流动时产生内摩擦力的性质，称为粘性。
流体粘性越大，其流动性就越小。从桶底把一桶甘油放完要 比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水 大的缘故。
（三） 冷热流体的接触方式 1．直接接触式 冷热流体直接混合进行热量交换。 2．蓄热式 冷热流体交替流过换热器。 优点：结构较简单；耐高温。 缺点：设备体积大；有一定程度的混合。 3．间壁式 冷热流体通过换热壁面热交换。
（四） 热载体及其选择 加热剂：热水、饱和水蒸气、矿物油或联苯等低熔混
（1）绝对压力和表压：绝对压力以零压力（绝对真空） 为基准，表压则以当地大气压为基准。
（2）真空度：真空度也以当地大气压为基准，但真空度 与表压的计算方向相反，即低于大气压的数值称为真空度。
它与绝对压力的关系，可用下式表示 表压＝绝对压力－大气压力
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称为真 空度（vacuum），即
直管阻力是流体流经一定直径的直管时，所产生的阻 力。局部阻力是流体流经管件、阀门及进出口时，由于受到 局部障碍所产生的阻力。
所以，流体流经管路的总能量损失，应为直管阻力与 局部阻力所引起能量损失之总和。
第二章 传热基本知识
一 、 概述
（一） 传热过程在化工生产中的应用
加热或冷却
换热 强化传热过程
2. 管件
管件为管与管的连接部件，它主要是用来改变管道方 向、连接支管、改变管径及堵塞管道等。
3. 阀门
阀门装于管道中用以调节流量。常用的阀门有以下几种。
（1）截止阀
截止阀(globe valve) ，它是依靠阀盘换的上升或下 降，以改变阀盘与阀座的距离，以达到调节流量的目的。
截止阀构造比较复杂，在阀体部分液体流动方向经数次改变， 流动阻力较大。但这种阀门严密可靠，而且可较精确地调节 流量，所以常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。若流体 中含有悬浮颗粒时应避免使用。
化工工艺基础知识
目录
第一章 流体流动 第二章 传热学基本知识 第三章 吸收基本知识 第四章 蒸馏基本知识 第五章 去湿/干燥基本知识
一、概述

在化工生产中所处理的物料有很多是流体。根据生产 要求，往往需要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到 另一个设备。化工厂中，管路纵横排列，与各种类型的设备 连接，完成着流体输送的任务。除了流体输送外，化工生产 中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行 的。流体流动状态对这些单元操作有着很大影响。
（2） 闸阀
闸阀(gate valve)又称为闸板阀。闸阀是利用闸板 的上升或下降，以调节管路中流体的流量。闸阀构造简单， 液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。 其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。
（3） 止逆阀
止逆阀(check valve)又称为单向阀。其功用在于只 允许流体沿单方向流动。当流体自左向右流动时，阀自动开 启；如遇到有反向流动时，阀自动关闭。
近十多年来，随着能源价格的不断上涨，回收废热及节 省能源已成为降低生产成本的重要措施之一。以上所讲到的 情况，都与热量传递有关。可见，在化工生产中，传热过程 具有相当重要的地位。
化工生产中常遇到的传热问题，通常有以下两类： 一类是要求热量传递情况好，亦即要求传热速率高，
这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设 备费用；
保温 削弱传热过程
传热过程即热量传递过程。在化工生产过程中，几乎所 有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行。为了达 到和保持所要求的温度，反应物在进入反应器前常需加热或 冷却到一定温度。在过程进行中，由于反应物需要吸收或放 出一定的热量，故又要不断地导入或移出热量；有些单元操 作，如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等，都有一定的温度要求， 所以也需要有热能的输入或输出，过程才能进行；此外，许 多设备或管道在高温或低温下操作，若要保证管路中输送的 流体能维持一定的温度以及减少热量损失，则需要保温（或 隔热）；
1． 管
管子的种类很多，目前已在化工厂中广泛应用的有铸 铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等。钢 管又有有缝与无缝之分；有色金属管又可分为紫钢管、黄铜 管、铅管及铝管等。有缝钢管多用低碳钢制成；无缝钢管的 材料有普通碳钢、优质碳钢以及不锈钢等。不锈钢管价昂贵 选用时应慎重，但是在输送强腐蚀性的液体或某些特殊要求 的情况下，应用也不少，如稀硝酸用管、混酸用管等。铸铁 管常用于埋在地下的给水总管、煤气管及污水管等。输送浓 硝酸、稀硫酸则应分别使用铝管及铅管。
流量与流速关系为
u＝V/A
G=ρV=ρAu
式中 A――管道的截面积，m2。
（2）质量流速：单位时间内流体流经管道单位截面的质 量称为质量流速，以ω表示，单位为kg/m2·s。
它与流速及流量的关系为
ω＝G/A=ρAu/A=ρu （1-17）
由于气体的体积与温度、压力有关，显然，当温度、压 力发生变化时，气体的体积流量与其相应的流速也将之改变， 但其质量流量不变。此时，采用质量流速比较方便。
另一类是像高温设备及管道的保温，低温设备及管道 的隔热等，则要求传热速率越低越好。
（二） 传热的三种基本方式 传热的基本方式 热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的。当
无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度 较高的部分传给温度较低的部分，或是从温度较高的物体传 给温度较低的物体。
根据传热机理不同，传热的基本方式有三种：传导、 对流和辐射。
牛顿粘性定律
实验现象：板间液体运动，且形成上大下小的流速分布(速 度差)。
现象说明：
(1) 板间流体可看成为许多流体层，且其间存在相 对运动(速度差)。
（2）相邻流体层之间存在摩擦力，称为内摩擦力或 粘滞力。（否则流体静止）
2、 内摩擦力或粘滞力： 这种运动着的流体内部相邻两流 体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩 擦力或粘滞力。流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘 性的大小。
真空度＝大气压力－绝对压力 绝对压力、表压和真空度的关系，如图所示。
三、管内流体流动规律 1：流量与流速
（一）流量 （1） 体积流量：单位时间内流体流经管道任一截面的体 积，称为体积流量，以V表示，其单位为m3/s。 （2） 质量流量： 单位时间内流体流经管道任一截面的 质量，称为质量流量以G表示，其单位为kg/s。体积流量与 质量流量之间的关系为
（二）流速
（1）平均流速：流速是指单位时间内液体质点在流动方 向上所流经的距离。
实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性， 管道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。管道中心流速 最大，愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处，由于液体质点粘 附在管壁上，其速度等于零。但工程上，一般系以管道截面 积除以体积流量所得的值，来表示流体在管道中的速度。此 种速度称为平均速度，简称流速，以u表示，单位为m/s。
（4）球阀
主要用于截断或接通管路中的介质，亦可用于流体的 调节与控制，其中硬密封V型球阀其V型球芯与堆焊硬质合金 的金属阀座之间具有很强的剪切力，特别适用于含纤维、微 小固体颗料等介质。本类阀门在管道中一般应当水平安装。
（二）流体在直管中的流动阻力
1、阻力的分类
直管阻力：流体流经一定直径的直管时，所产生的阻力。
3、 粘度：物理意义：单位速度梯度时单位面积上所产生的 内摩擦力。
粘度越大，流体流动时生产的内摩擦力也越大。
4、液体中的动量传递：
流体流动过程也称为动量传递过程，牛顿粘性定律就是 定量描述动量传递的定律。分子动量传递是由于流体层之间 速度不等，动量从速度大处向速度小处传递。
5、 流体流动类型与雷诺准数
在两根不同的管中，当流体流动的Re数相同时，只要 流体边界几何条件相似，则流体流动状态也相同。这称为流 体流动的相似原理。
五、流体流动阻力
（一）管、管件及阀门
管路系统是由管、管件、阀门以及输送机械等组成的。当流 体流经管和管件、阀门时，为克服流动阻力而消耗能量。因 此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及 阀门有所了解。
3、辐射 辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。任何物体，只
要其绝对温度不为零度，都会以电磁波的形式向外界辐射能 量。其热能不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播，当 被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。这种传 递热能的方式称为辐射或热辐射。