被吸收的数量多时，称为高浓度吸收；反之，吸收称为低浓度吸收。对于低浓度吸收，可认为气液两相流经吸收塔的流率为常数，因溶解而产生的热效应很小，引起的液相温度变化不显著，故低浓度的吸收可视为等温吸收。
本章重点研究低浓度、单组分、等温的物理吸收过程。 5．2气液相平衡关系
5．2．1气体在液体中的溶解度 1．亨利定律
总压不高（譬如不超过5×10Pa）时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。
5
pA?Ex*
当气体混合物和溶剂一定时，亨利系数仅随温度而改变，对于大多数物系，温度上升，E值增大，气体溶解度减少。在同一种溶剂中，难溶气体的E值很大，溶解度很小；而易溶气体的E值则很小，溶解度很大。
亨利定律不同的表达形式：
*（1） pA?cAH
溶解度系数H与亨利系数E的关系为：
1H?EMS?S
溶解度系数H也是温度、溶质和溶剂的函数，但H随温度的升高而降低，易溶气体H值较大，难溶气体H值较小。 （2）y*?mx
相平衡常数m与亨利系数E的关系为：m?Ep
相平衡常数m随温度、压力和物系而变化。当物系一定时，若温度降低或总压升高，则m值变小，液相溶质的浓度x增加，有利于吸收操作。 （3）Y*?mX
46
5．2．2相平衡关系在吸收过程中的应用 1．判断过程进行的方向
吸收过程的充分必要条件是
y ? y或 x < x
反之，解吸过程。 2．指明过程进行的极限
平衡状态是吸收过程的极限。 3．确定过程的推动力
（y?y*）为以气相中溶质摩尔分率差表示吸收过程的推动力；（x*?x）为以液相中溶质的摩尔分率差表示吸收过程的推动力； (pA－p*A)为以气相分压差表示的吸收过程推动力，(cA－cA)为以液相摩尔浓度差表示的吸收过程推动力。 5．3单相传质
5．3．1定态的一维分子扩散 1．分子扩散与菲克定律
分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。
扩散通量；单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，称为扩散通量（扩散速率），以符号J表示，单位为kmol/(m2·s)。
菲克定律数学表达式为 JA??DABdcAdz*
*
*
在双组分混合物中，组分A在组分B中的扩散系数等于组分B在组分A中的扩散系数。即DAB=DBA=D 2．等分子反向扩散
传质速率定义为：在任一固定的空间位置上，单位时间内通过垂直于传递方向的单位面积传递的物质量，记作N。
单纯等分子反向扩散速率方程积分式：
气相：NA?
Dz(cA1?cA2)
47
液相：NA?3．单向扩散及速率方程 液相： NA?DczcBmDRTz(pA1?pA2)
(cA1?cA2)
式中 cBm?cB2?cB1lncB2cB1
气相： NA?DpRTzpBm(pA1?pA2)
式中 pBm?pB2?pB1lnpB2pB1。
ppBm、
ccSm——称为“漂流因子”或“移动因子”，无因次。
漂流因子的意义：漂流因子的大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，溶质的浓度愈大，其影响愈大。其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。
漂流因子特点：
ppBm?1或
ccSm?1；当混合物中溶质A的浓度较低时
ppBm?1，
ccSm?1。
5．3．2分子扩散系数
扩散系数的物理意义为：单位浓度梯度下的扩散通量，单位为m2/s。即：
D?JAdcAdz
扩散系数反映了某组分在一定介质（气相或液相）中的扩散能力，是物质特性常数之一。其值随物系种类、温度、浓度或总压的不同而变化。 1．气体中的扩散系数
通常气体中的扩散系数在压力不太高的条件下，仅与温度、压力有关。在常压下，气体扩散系数的范围约为10-5～10-4m2/s。通常气体中的扩散系数与温度T的1.5次方成正比，与p
48
成反比。 2．液体中的扩散系数
溶质在液体中的扩散系数与物质的种类、温度有关，同时与溶液的浓度密切相关，溶液浓度增加，其黏度发生较大变化，溶液偏离理性溶液的程度也将发生变化。其值一般在1×10～1×10m/s范围内，液体中的扩散系数通常与温度T成正比，与液体的黏度成反比。 5．3．3单相对流传质机理
对流传质：流动着的流体与壁面之间或两个有限互溶的流动流体之间发生的传质，通常称为对流传质。
涡流扩散：由于质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组分会从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。
有效膜：把对流传质的阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。
5．3．4单相对流传质速率方程 1．气相对流传质速率方程
NA?kG(pA?pAi) ，NA?kG(pA?pAi)，NA?ky(y?yi)，NA?kY(Y?Yi)
-10
-9
2
式中 kG——以气相分压差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2·s·kPa）；
ky——以气相摩尔分率差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2·s）； kY——以气相摩尔比差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m·s）。 气相传质系数间的关系： ky?pkG
kY?pkG
2
2．液相对流传质速率方程
NA?kL(cAi?cA)
NA?kx(xi?x)
NA?kX(Xi?X)
式中 kL——以液相摩尔浓度差表示推动力的液相传质系数，m/s；
kx——以液相摩尔分率差表示推动力的液相传质系数，kmol/（m2·s）；
49
。 kX——以液相摩尔比差表示推动力的液相传质系数，kmol/（m·s）液相传质系数之间的关系： kx?ckL
kX?ckL
2
5．4相际对流传质及总传质速率方程 5．4．1双膜理论 双膜模型的基本假设：
（1）相互接触的气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧分别存在着稳定的气膜和液膜。膜内流体流动状态为层流，溶质A以分子扩散方式通过气膜和液膜，由气相主体传递到液相主体。
（2）相界面处，气液两相达到相平衡，界面处无扩散阻力。
（3）在气膜和液膜以外的气液主体中，由于流体的充分湍动，溶质A的浓度均匀，溶质主要以涡流扩散的形式传质。
5． 4。2吸收过程的总传质速率方程 1．气相总传质速率方程：
NA?KG(pA?pA)
*NA?Ky(y?y)
NA?KY(Y?Y)
*式中 KG——以气相分压差（pA?pA）表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s·kPa）；
***2
Ky——以气相摩尔分率差（y?y）表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m·s）；
KY——以气相摩尔比差（Y?Y*）表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）。 2．液相总传质速率方程：
NA?KL(cA?cA) NA?Kx(x?x)
**NA?KX(X*?X)
*式中 KL——以液相浓度差（cA?cA）表示推动力的液相总传质系数，m/s；
50
目 录
第一章 流体流动与输送设备··················································（3）
第一节 流体静力学·····················································（3） 第二节 流体动力学····················································（5） 第三节 管内流体流动现象··············································（7） 第四节 流体流动阻力··················································（8） 第五节 管路计算······················································（11） 第六节 流速与流量的测量··············································（11） 第七节 流体输送设备··················································（13） 第二章 非均相物系分离·····················································（21）
第一节 概述···························································（21） 第二节 颗粒沉降·······················································（22） 第三节 过滤····························································（25） 第四节 过程强化与展望·················································（27） 第三章 传热······························································（28） 第一节 概述·····························································（28） 第二节 热传导···························································（28） 第三节 对流传热·························································（30）第四节 传热计算·························································（30） 第五节 对流传热系数关联式···············································（31） 第六节 辐射传热························································（34） 第七节 换热器··························································（35） 第四章 蒸发·······························································（37） 第一节 概述·····························································（37） 第二节 单效蒸发与真空蒸发···············································（37） 第三节 多效蒸发·························································（40） 第四节 蒸发设备························································（41） 第五章 气体吸收··························································（42） 第一节 概述····························································（42） 第二节 气液相平衡关系···················································（45）
1
第三节 单相传质·························································（46） 第四节 相际对流传质及总传质速率方程·····································（49） 第五节 吸收塔的计算······················································（51） 第六节 填料塔····························································（58） 第六章 蒸馏·······························································（60） 第一节 概述·····························································（60） 第二节 双组分物系的气液相平衡···········································（60） 第三节 简单蒸馏和平衡蒸馏···············································（62） 第四节 精馏·····························································（63） 第五节 双组分连续精馏的计算·············································（63） 第六节 间歇精馏·························································（67） 第七节 恒沸精馏与萃取精馏···············································（67） 第八节 板式塔···························································（67） 第九节 过程的强化与展望···················································（69） 第七章 干燥······························································（71） 第一节 概述·····························································（71） 第二节 湿空气的性质及湿度图·············································（71） 第三节 干燥过程的物料衡算与热量衡算·····································（73） 第四节 干燥速率和干燥时间···············································（75） 第五节 干燥器···························································（76） 第六节 过程强化与展望···················································（78）
2
第一章 流体流动与输送设备
第一节 流体静力学
流体静力学主要研究流体处于静止时各种物理量的变化规律。 1-1-1 密度
单位体积流体的质量，称为流体的密度。 ??f(p,T)
液体密度 一般液体可视为不可压缩性流体，其密度基本上不随压力变化，但随温度变化，变化关系可从手册中查得。
液体混合物的密度由下式计算：
1?a1?a2???an?m?1?2?n
式中，ai为液体混合物中i组分的质量分数；
气体密度 气体为可压缩性流体，当压力不太高、温度不太低时，可按理想气体状态方程计算
??pMRT
一般在手册中查得的气体密度都是在一定压力与温度下的数值，若条件不同，则此值需进行换算。
气体混合物的密度由下式计算：
?m??1?1??1?2????n?n
式中，?i为气体混合物中i组分的体积分数。
pMRT
或 ?m?其中 Mm
m?M1y1?M2y2???Mnyn
式中，yi为气体混合物中各组分的摩尔分率。对于理想气体，其摩尔分率y与体积分数φ相同。
1-1-2 压力
流体垂直作用于单位面积上的力，称为流体的静压强，又称为压力。在静止流体中，作用于任意点不同方向上的压力在数值上均相同。
3
压力的单位
（1） 按压力的定义，其单位为N/m2，或Pa； （2） 以流体柱高度表示，如用米水柱或毫米汞柱等。 标准大气压的换算关系：
1atm = 1.013×10Pa =760mmHg =10.33m H2O 压力的表示方法
表压 = 绝对压力 － 大气压力 真空度 = 大气压力 － 绝对压力 1-1-3 流体静力学基本方程 静力学基本方程：
压力形式 p2?p1??g(z1?z2) 能量形式
p1?z1g?p2?z2g
5
??适用条件：在重力场中静止、连续的同种不可压缩流体。
（1）在重力场中，静止流体内部任一点的静压力与该点所在的垂直位置及流体的密度有关，而与该点所在的水平位置及容器的形状无关。
（2）在静止的、连续的同种液体内，处于同一水平面上各点的压力处处相等。液面上方压力变化时，液体内部各点的压力也将发生相应的变化。
（3）物理意义：静力学基本方程反映了静止流体内部能量守恒与转换的关系，在同一静止流体中，处在不同位置的位能和静压能各不相同二者可以相互转换，但两项能量总和恒为常量。
应用：
1. 压力及压差的测量 （1）U形压差计
p1?p2?(?0??)gR
若被测流体是气体，可简化为
p1?p2?Rg?0 U形压差计也可测量流体的压力，测量时将U形管一端与被测点连接，另一端与大气相通，此时测得的是流体的表压或真空度。 （2）倒U形压差计
4
p1?p2?Rg(???0)?Rg?
（3）双液体U管压差计
p1?p2?Rg(?A??C) 2. 液位测量 3. 液封高度的计算
第二节 流体动力学
1-2-1 流体的流量与流速 一、流量
体积流量VS 单位时间内流经管道任意截面的流体体积， m/s或m/h。 质量流量mS 单位时间内流经管道任意截面的流体质量， kg/s或kg/h。 二、流速
平均流速u 单位时间内流体在流动方向上所流经的距离，m/ s。 质量流速G 单位时间内流经管道单位截面积的流体质量，kg/（m2·s）。 相互关系：
质量流量 mS kg/s m S =VSρ 体积流量 VS m/s
3
3
3
mS=GA=πd2G/4 VS=uA=πd2u/4 质量流速 G kg/（m2·s） (平均)流速 u m/s G=uρ 1-2-2 定态流动与非定态流动
流体流动系统中，若各截面上的温度、压力、流速等物理量仅随位置变化，而不随时间变化，这种流动称之为定态流动；若流体在各截面上的有关物理量既随位置变化，也随时间变化，则称为非定态流动。
1-2-3 定态流动系统的质量守恒——连续性方程
mS1?mS2?????常数u 2 ? 2 A 2 ? u 1 ? 1 A 1 ? ?? ? ? 常数
ρ=常数（不可压缩流体） V S 1 ? V S2 ? ?常数?u1A1?u2A2???常数
5
提高蒸发器的生产强度，主要途径是提高总传热系数K和传热温度差Δtm（T－t1）。前者，上面已述。提高传热温度差的方法: 采用真空蒸发或选用高温热源，如高温导热油、熔盐或用电加热等。
第三节 多效蒸发
采用多效蒸发的目的是为了减少新鲜蒸气用量，具体方法是将前一效的二次蒸气作为后一效的加热蒸气。
一、多效蒸发流程
1． 并流流程 即加热蒸气和原料液均顺次流经各效。这种加料的特点是前一效到后一效可自动加料，后一效中的物料会产生自蒸发，可多蒸出部分水汽，但溶液的黏度会随效数的增加而增大，使传热系数逐效下降，所以并流加料不适宜处理随浓度增加而增加较高的物料。
2． 逆流流程 即加热蒸气走向与并流相同，而物料走向则与并流相反。这种加料的特点是各效中的传热系数较均匀，适于处理黏度随温度变化较大的物料。
3．平流流程 即加热蒸气走向与并流相同，但原料液和完成液则分别从各效中加入和排出。这种流程适用于处理易结晶物料。
二 、多效蒸发设计计算
多效蒸发需要计算的内容有：各效蒸发水量、加热蒸气消耗量及传热面积。由于其效数多，未知数也多，所以计算远较单效蒸发复杂。因此目前已采用电子计算机进行计算。但基本依据和原理仍然是物料衡算，热量衡算及传热速率方程。鉴于计算中出现未知参数，因此常采用试差法，其步骤如下：
1.根据物料衡算求出总蒸发量；
2.根据经验设定各效蒸发量，再估算各效溶液浓度。通常各效蒸发量可按各效蒸发量相等的原则设定，即
W1?W2???Wn
并流加料的蒸发过程，由于有自蒸发现象，则可按如下比例设定：
若为两效 W1:W2?1:1.1 若为三效 W1:W2:W3?1:1.1:1.2 根据设定得到各效蒸发量后，即可通过物料衡算求出各完成液的浓度；
3.设定各效操作压力以求各效溶液的沸点。通常按各效等压降原则设定，即相邻两效间的
41
压差为:
?P?P1?Pcn
4.应用热量衡算求出各效的加热蒸气用量和蒸发水量；
5.按照各效传热面积相等的原则分配各效的有效温度差，并根据传热效率方程求出各效的传热面积；
6.校验各效传热面积是否相等，若不等，则还需重新分配各效的有效温度差，重新计算，直到相等或相近时为止。
三、 多效蒸发效数的限制
单效和多效蒸发过程中均存在温度差损失。若二者的操作条件相同，即加热蒸气压力和冷凝器压力相同时，多效蒸发的温度差损失较单效时的大，而且效数越多，温度差损失将越大。不难理解，随着效数的增加，分配到各效的有效温度差就越小，这将导致设备的生产强度下降。若欲完成一定的生产强度，则设备加热面积必须增大，使投资增加。通常，工程上以三效为多。
四、蒸发过程的经济性和节能
蒸发过程是一个能耗较大的单元操作，通常把能耗也作为评价其优劣的另一个重要评价指标，或称为加热蒸气的经济性，其定义为1kg蒸气可蒸发的水分量，即
E?WD
额外蒸气的引出，供其它设备使用，可大大提高其经济性，同时还降低了冷凝器的负荷，减少冷却水量。
采用热泵蒸发也是提高经济性、减少能耗的有效措施。
此外，充分利用冷凝水和冷凝水显热也是工程上采用的方法，不过它不适用于蒸气直接冷凝的场合。
第四节 蒸发设备
一、 了解各种蒸发器的工作原理、结构、操作特点和应用范围 二、 了解蒸发器的选型原则
三、 了解蒸发器附属设备的工作原理、结构及应用场合
四、 熟悉蒸发过程与设备的强化途径及开发新型设备的创新思路。
42
第五章 吸 收
5．1 概述
5．1．1化工生产中的传质过程
传质分离过程: 利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的差异来造成一个两相物系，使其中某一组分或某些组分从一相转移到另一相，即进行相际传质，并由于混合物中各组分在两相间平衡分配不同，则可达到分离的目的。
以传质分离过程为特征的基本单元操作：气体吸收, 液体蒸馏, 固体干燥, 液-液萃取, 结晶, 吸附, 膜分离等。本章介绍气体吸收。 5．1．2相组成表示法
1．质量分数与摩尔分率（质量分数与摩尔分数）
质量分数：是指在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率。
wA?mAm
摩尔分率：摩尔分率是指在混合物中某组分的摩尔数nA占混合物总摩尔数n的分率。
气相：yA?nAnnAn
液相：xA?质量分数与摩尔分率的关系为：
xA＝?
wA/MwA/MAA?wB/MB????wN/M
N2．质量比与摩尔比
质量比：是指混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比。
aA?mAmB
摩尔比：是指混合物中某组分A的摩尔数与惰性组分B（不参加传质的组分）的摩尔数之比。
YA?nAnBnAnB
X
A?
43
质量分数与质量比的关系为
wA?aA1?aAwA1-wA
aA?摩尔分率与摩尔比的关系为
x?
X1?XY1?Yx1-x
y? X?
Y?3．质量浓度与摩尔浓度
y1-y
质量浓度定义为单位体积混合物中某组分的质量。
GA?mAV
摩尔浓度是指单位体积混合物中某组分的摩尔数。
cA?nAV
质量浓度与质量分数的关系为
GA?wA?
摩尔浓度与摩尔分率的关系为
cA?xAc
4．气体的总压与理想气体混合物中组分的分压
压力不太高（通常小于500kPa），温度不太低时，总压与某组分的分压之间的关系为
pA?pyA
摩尔比与分压之间的关系为
YA?pAp?pA
摩尔浓度与分压之间的关系为
44
cA?nAV?pART
5．1．3气体吸收过程
吸收操作的依据：是混合物各组分在某种溶剂（吸收剂）中溶解度（或化学反应活性）的差异。
一个完整的吸收分离流程包括吸收和解吸两部分。能耗主要在解吸过程。 5．1．4气体吸收过程的应用
（1）分离混合气体以获得一定的组分或产物； （2） 除去有害组分以净化或精制气体； （3）制备某种气体的溶液； （4）工业废气的治理；
实际吸收过程往往同时兼有净化和回收等多重目的。 5．1．5吸收剂的选用
在选择吸收剂时，应从以下几方面考虑：
（1）溶解度；（2） 选择性；（3） 溶解度对操作条件的敏感性；（4） 挥发度；（5） 黏性；（6） 化学稳定性；（7） 腐蚀性；（8） 其它等要求。 5．1．6吸收过程的分类 1．物理吸收和化学吸收
在吸收过程中溶质与溶剂不发生显著化学反应，称为物理吸收。如果在吸收过程中，溶质与溶剂发生显著化学反应，则此吸收操作称为化学吸收。 2．单组分吸收与多组分吸收
在吸收过程中，若混合气体中只有一个组分被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂，则称之为单组分吸收；如果混合气体中有两个或多个组分进入液相，则称为多组分吸收。 3．等温吸收与非等温吸收
若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收。若吸收过程中发生化学反应，其反应热很大，液相的温度明显变化，则该吸收过程为非等温吸收过程。 4．低浓度吸收与高浓度吸收
45
4－3 平均温度差 1．恒温传热：
?tm?T?t
2．变温传热：逆流或并流
?tm??t2??t1ln?t2?t1
当≤2时 ?t2??t12?tm?
3．错流和折流时的?tm 按逆流计算，加以校正，即
' ?tm???t?tm
' 式中 ?tm－—按逆流计算的对数平均温差，
??t－—温差校正系数，??t=f(P，R) ， P? 4－4 总传热系数
1.外表面为基准的总传热系数计算式为：
1K0?d0?bd0?1?Rsid0di?Rs0
t2?t1T1?t1;R?T1?T2t2?t1
?idi?dm?0 2.热面积
传热面积 S0?πd0Ln 式中：So－—换热器传热的外表面积，
L－—换热器管长， n－—换热器的管子根数。
第五节 对流传热系数关联式
5－1影响对流传热系数的因数
⑴流体物性，主要是比热容、导热系数、密度和黏度； ⑵流体的流动状态；
31
⑶流动的原因是强制对流还是流体自然对流； ⑷传热面的形状、位置和大小； ⑸传热过程中有无相态变化。 5－2无相变时对流传热系数的关联式
由对流传热过程的因次分析知，与对流传热有关的准数有： 努塞尔特准数 Nu=
?l?； 雷诺准数 Re=
lu?? ；
?g?tl??232 普兰特准数 Pr=
cp??； 格拉斯霍夫准数Gr=。
对不同的传热情况，需选用不同的对流传热的关联式，注意关联式的使用条件：适用范围、定性温度、特征尺寸。 1． 流体在管内作强制对流
（1） 流体在圆管内作强制湍流 ① 低黏度流体 (??2?常温水)
Nu=0.023Re0.8Prn
流体被加热时，n=0.4；流体被冷却时，n=0.3。 应用范围Re＞10000，0.7＜Pr＜120
0.7??d??0.8ni?60,??0.023RePr?1?? 若?? didiL?????? Ret L? 特征尺寸管内径di 。
定性温度流体进、出口温度的算数平均值。 ② 高黏度流体 (??2?常温水)
???0.83??Nu?0.023RePr ????w?10.14
应用范围Re＞10000，0.7＜Pr＜16700，
Ldi＞60
特征尺寸管内径di。
定性温度除?w取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。
令
????＝?????w?0.14，为了避免试差，?u项可取近似值，液体被加热时取1.05；液体被
冷却时取0.95；气体被加热和冷却时均用1.0。
32
（2）流体在圆形直管内作强制滞流
1/31/3?d?Nu?1.86RePr?i??L?1/3?????????w?0.14
应用范围Re＜2300，0.6＜Pr＜6700，?RePr??di??＞100。 L? 特征尺寸管内径di。
定性温度除?w取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。 （3）流体在弯管内作强制对流
式中 ?′－—弯管中的对流传热系数；
?－—直管中的对流传热系数；
d－—管内径；
R－—弯管的弯曲半径。
（4）流体在非圆形管中作强制对流
仍可采用圆形直管内强制对流关联式，管内径改为当量直径： 流体力学当量直径de?4?流通截面积润湿周边
传热当量直径de?4?流通截面积传热周边
在传热计算中，采用流体力学当量直径还是传热当量直径，由具体的关联式决定。 2． 流体在管外作强制对流
列管式换热器壳方流体在管间流动时，对流传热系数：
当列管式换热器装有圆缺型挡板时（缺口面积为25%的桥题解面积）
????deu0?????0.36??d???e???????0.55???1/3?Pr?????w?0.14
应用范围Re=2×～1×
特征尺寸管内径de。
定性温度除?w取壁温外，均取流体进、出口温度的算数平均值。 当量直径的计算
33
4(t?2π4d0)2 管子为正方形排列de?πd0
4(32t?πd02π4d0)2 管子为正三角形排列de?
式中 t－—相邻两管之中心距；
do－—管外径。
雷诺准数中的速度需根据流过管间的最大截面积A计算，即
式中 h－—两挡板间的距离；
D－—换热器外壳直径。
5－3 流体有相变时对流传热系数 1． 蒸气在管外膜状冷凝的传热系数 （1） 饱和蒸气在垂直管或垂直板上膜状冷凝 Re＜1800 ??1.13(r?g?23?L?t2)1/4
Re＞1800 ??0.007(7?g??23)1/3Re0.4
特征尺寸取垂直管长或板的高度
定性温度蒸气冷凝潜热r取饱和温度ts下的值，其余物性取液膜平均温度
tm?(tw?ts)/2下的值。
（2） 蒸气在水平管外冷凝
第六节 辐射传热
6－1黑体、镜体、透热体和灰体的概念
１．黑体：能全部吸收辐射能的物体，其吸收率Ａ＝１。黑体又称为绝对黑体。 ２．镜体：又称绝对白体，是指能全部反射辐射能，即反射率Ｒ＝１的物体。 ３．透热体：能透过全部辐射能，即透过全部辐射能，即透过率Ｄ＝１的物体。 ４．灰体：能以相同的吸收率且部分地吸收由零到∞所有波长范围的辐射能物体。 6－2斯蒂芬－波尔茨曼定律
34
１.物体的辐射能力指物体在一定温度下，单位时间内所发射的全部波长的总能量Ｅ（Ｗ／m2）。
２．黑体的辐射能力 的表达式－斯蒂芬－波尔茨曼定律：
6－3灰体的辐射能力及黑度
１．黑度：ε灰体的辐射能力E与同温度下黑体辐射能力之比。即
２．灰体的辐射能力E可由下式表达
第七节 换热器
1．各种类型的换热器的结构及特点 套管式换热器
套管式换热器是由两种大小不同的标准管连接或焊接而成的同心圆套筒，根据换热要求，可将几段套筒连接起来组成换热器。
夹套式换热器
夹套式换热器主要用于反应器的加热或冷却。夹套安装在容器外部，通常用钢或铸铁制成，可以焊在器壁上或者用螺钉固定在反应器的法兰盘或者器盖上。在用蒸气进行加热时，蒸气由上部连接管进入夹壁，冷凝水由下部连接管流出。在进行冷却时，则冷却水由下部进入，而由上部流出。
板式换热器
主要由一组长方形的薄金属板平行排列、夹紧组装于支架上而构成。两相邻板片的边缘衬有垫片，压紧后可达到密封的目的，且可用垫片的厚度调节两板间流体通道的大小。每块板的四个角上，各开一个圆孔，其中有两个圆孔和板面上的流道相通，另外两个圆孔则不相通，它们的位置在相邻板上是错开的，以分别形成两流体的通道。冷、热流体交替地在板片两侧流过，通过金属板片进行换热。
翅片式换热器
翅片换热器的构造特点是在管子表面上有径向或轴向翅片。管外装置翅片，既可扩大传热面积，又可增加流体的湍动，从而提高换热器的传热效果。
35
板翅式换热器
板翅式换热器的结构型式很多，但其基本结构元件相同，即在两块平行的薄金属板(平隔板)间，夹入波纹状的金属翅片，两边以侧条密封，组成一个单元体。将各单元体进行不同的叠积和适当地排列，再用钎焊给予固定，即可得到常用的逆、并流和错流的板翅式换热器
板翅式换热器的主要优点有：
(1)总传热系数高，传热效果好。(2)结构紧凑、轻巧牢固。(3)适应性强、操作范围广。
板翅式换热器的缺点有：
(1)设备流道小，易堵塞，压力降大；清洗和检修很困难。
(2)隔板和翅片由薄铝片制成，故要求介质对铝不发生腐蚀。 2．列管式换热器传热计算的主要内容及方法；选适当的换热器。
试算并初选设备规格
(1)确定流体在换热器中的流动途径； (2)根据传热任务计算热负荷Q；
(3)确定流体在换热器两端的温度，选择列管换热器的型式；计算定性温度，并确定在定性温度下的流体物性；
(4)计算平均温度差，并根据温度差校正系数不应小于0.8的原则，决定壳程数； (5)依据总传热系数的经验值范围，或按生产实际情况，选定总传热系数K值； (6)由总传热速率方程Q?KS?tm，初步算出传热面积S，并确定换热器的基本尺寸(如d、L、n及管子在管板上的排列等)，或按系列标准选择设备规格。 计算管程、壳程压强降
根据初定的设备规格，计算管程、壳程流体的流速和压力降，检查计算结果是否合理或满足工艺要求。若压力降不符合要求，要调整流速，再确定管程数或折流板间距，或选择另一规格的换热器，重新计算压力降直至满足要求为止。 核算总传热系数
计算管程、壳程对流传热系数，确定污垢热阻Rsi和Rso，再计算总传热系数K’比较K的初设值和计算值，若K’／K＝1.15～1.25，则初选的换热器合适，否则需另设K值，重复以上计算步骤。
上述计算步骤仅为一般原则，设计换热器时，视具体情况可以灵活变动。 3．传热过程的强化途径
(１)增大传热面积；增大换热器单位体积的传热面积。
36
(２)增大平均传热温差。平均温差的大小取决于两流体的温度和流动方式，采用逆流操作可获得较大的传热温差。
(３)增大总传热系数。提高Ｋ值必须减少各项热阻。减少热阻的方法有：提高对流传热系数（加大流速）；防止结垢或及时清除垢层等。
由于各项热阻在总热阻中所占的比重不同，只有设法大幅度减少对Ｋ值影响较大的热阻才能有效地增加总传热系数。
37
第四章 蒸 发
第一节 概 述
一、蒸发操作及其在工业中的应用
蒸发操作主要用于提高溶质的浓度；浓缩溶液和回收溶剂；获得纯净的溶剂等。 二、蒸发操作的特点
蒸发操作是将溶液加热至沸点，使其中挥发性溶剂与不挥发性溶质的分离过程。 蒸发操作进行的条件是供给溶剂汽化所需的热量，并将产生的蒸气及时排除。 蒸发器的加热室通常采用间壁式换热器，其两侧为恒温。 蒸发过程的特点是（与传热相比较）：
1． 因溶液沸点升高等因素会引起温度差损失；
2． 因蒸发过程耗热量很大，所以应充分考虑热能利用；
3． 因处理物料性质不同，故需充分考虑物料的特性及工艺条件，再选择或设计适宜的蒸
发器。
三、蒸发操作的分类
可按蒸发模式、按操作条件（压力）及效数等进行分类。
第二节 单效蒸发与真空蒸发
一、单效蒸发流程
蒸发器由加热器和蒸发室组成，此外还需除沫器、冷凝器等。 二、单效蒸发的设计计算 1.蒸发水量的计算
蒸发操作中，由于溶质是不挥发物质，因此，蒸发前后其质量不变，对它作物料衡算，可得蒸发量，即
W?F(1?完成液的浓度为 x1?2.加热蒸气消耗量的计算 加热蒸气用量由热量衡算确定。
若只利用加热蒸气的冷凝潜热，则冷凝液在饱和温度下排出，其用量为
D?
x0x1)
Fx0F?W
FC0(t1?t0)?Wr'?QLr38
若溶液为沸点加热，且不计热损失，则为
D?Wr'r
式中：D/W称为单位蒸气消耗量，r′为加热蒸气的冷凝潜热；r为二次蒸气的冷凝潜热。
3.蒸发器传热面积的计算 A?QK?tm?DrK(T?t1)
（1）传热平均温度差Δtm的确定
在蒸发操作中传热的平均温度差应为?tm?T?t1，称为有效温度差，式中T 为加热蒸气的温度；t1为溶液的沸点，此值需通过计算获得。
若蒸发操作的热源为饱和水蒸气，则T可由水蒸气表查得。
溶液的沸点t1，通常是根据冷凝器的压力p，查饱和水蒸气表得二次蒸气得冷凝温度T’，再计算出各种温度差损失Δ后，用下式计算：
t1?T?Δ
'温度差损失包括： a.溶液的沸点升高Δ'
Δ'?fΔ'常
Δ’
常
为溶液在常压下因溶质存在而较纯溶剂（水）的沸点升高值，即Δ常?tA?T'，其
1中tA为常压下溶液的沸点，可由手册查取。
若蒸发操作在加压或真空条件下进行，则Δ’常需乘以校正系数 f?0.0162(T'?273)r'2
式中T’和 r’ 均指操作压力下二次蒸气的饱和温度和汽化潜热。
b.液柱静压头引起的溶液沸点升高Δ''
蒸发器加热室中有一定液位，因液面下的压力比液面表面压力高，则液面下的沸点比液面上的高，二者之差称为液柱静压头引起的溶液沸点升高，以Δ''表示，其值用料液高度一半处的压力pav?p'??av?g?h2 ，并用Δ''?tav?tb 进行近似计算，
式中tav 、tb分别为pav 、p＇压力水蒸气的饱和温度。
c.管道阻力产生压降引起的温度差损失Δ'''
39
该损失是二次蒸气由分离室出口到冷凝器之间的压降所造成的温度差损失，通常取
Δ'''=1℃。
因此，蒸发过程中的总温度差损失Δ为
Δ＝Δ'＋Δ''＋Δ'''
溶液的沸点t1 t1?tc'?Δ?tc'?Δ'?Δ''?Δ'''
（2）总传热系数K的确定 蒸发器的总传热系数可按下式计算
K?11?i?Ri?b??R0?1
?0上式影响K值各因素中，往往是Ri和?i 成为其设计和操作中的主要问题。由于蒸发过程中，加热面处溶液中的水分汽化，浓度上升,因此溶液很易超过饱和状态，溶质析出并包裹固体杂质，附着于表面，形成污垢，所以Ri往往是蒸发器总热阻的主要部分。为降低污垢热阻，工程中常采用的措施有：加快溶液循环速度，在溶液中加入晶种和微量的阻垢剂等。影响?i的因素很多，如溶液的性质，沸腾传热的状况，操作条件和蒸发器的结构等。提高?i的有效办法是增加溶液的循环速度和湍动程度等。
通常总传热系数K仍主要靠现场实测确定，设计时也可查表取值估计。 三、蒸发器的生产能力与生产强度 1、蒸发器的生产能力
蒸发器的生产能力可用单位时间内蒸发的水分量来表示。由于蒸发水分量取决于传热量的大小，因此其生产能力也可表示为
Q?KA(T?t1)?Dr
2、蒸发器的生产强度
蒸发器的生产强度u简称蒸发强度，是指单位时间单位传热面积上所蒸发的水量，kg/(m2·h)
u?WA
'若为沸点进料，且不计热损失，根据Q?KA?tm?Dr?Wr， 则 u?WA?K?tmr'
‘由上式可知，若蒸发操作的压力一定，则二次蒸气的汽化热r也可视为常数，因此，欲
40
百度搜索“70edu”或“70教育网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，70教育网，提供经典综合文库食品工程原理复习资料-重要公式总结在线全文阅读。
相关推荐：
