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化工原理知識點提要
閱讀：6702 發(fā)布時間：2020-4-7 流體力學(xué)及其輸送
1.單元操作：物理化學(xué)變化的單個操作過程，如過濾、蒸餾、萃取。
2.四個基本概念：物料衡算、能量衡算、平衡關(guān)系、過程速率。
3.牛頓粘性定律：F=±τA=±μAdu/dy，(F：剪應(yīng)力；A：面積；μ：粘度；du/dy：速度梯度)。
4.兩種流動形態(tài)：層流和湍流。流動形態(tài)的判據(jù)雷諾數(shù)Re=duρ/μ；層流—2000—過渡—4000—湍流。
5.連續(xù)性方程：A1u1=A2u2；伯努力方程：gz+p/ρ+1/2u2=C。
6.流體阻力=沿程阻力+局部阻力；范寧公式：沿程壓降：Δpf=λlρu2/2d，沿程阻力：Hf=Δpf/ρg=λl u2/2dg(λ：摩擦系數(shù))；層流時λ=64/Re，湍流時λ=F(Re，ε/d)，(ε：管壁粗糙度)；局部阻力hf=ξu2/2g，(ξ：局部阻力系數(shù)，情況不同計算方法不同)
7.流量計：變壓頭流量計(測速管、孔板流量計、文丘里流量計)；變截面流量計。
8.離心泵主要參數(shù)：流量、壓頭、效率、軸功率；工作點(提供與所需水頭一致)；安裝高度(氣蝕現(xiàn)象，氣蝕余量)；泵的型號(泵口直徑和揚程)；氣體輸送機械：通風(fēng)機、鼓風(fēng)機、壓縮機、真空泵。
二、非均相機械分離
1.顆粒的沉降：層流沉降速度Vt=(ρp-ρ)gdp2/18μ，(ρp-ρ：顆粒與流體密度差，μ：流體粘度)；重力沉降(沉降室，H/v=L/u，多層；增稠器，以得到稠漿為目的的沉淀)；離心沉降(旋風(fēng)分離器)。
2.過濾：深層過濾和濾餅過濾(常用，助濾劑增加濾餅剛性和空隙率)；分類：壓濾、離心過濾，間歇、連續(xù)；濾速的康采尼方程：u=(Δp/Lμ)ε3/5a2(1-ε)2，(ε：濾餅空隙率；a：顆粒比表面積；L：層厚)。
三、傳熱
1.傳熱方式：熱傳導(dǎo)(傅立葉定律)、對流傳熱(牛頓冷卻定律)、輻射傳熱(四次方定律)；熱交換方式：間壁式傳熱、混合式傳熱、蓄熱體傳熱(對蓄熱體的周期性加熱、冷卻)。
2.傅立葉定律：dQ= -λdA ，(Q：熱傳導(dǎo)速率；A：等溫面積；λ：比例系數(shù)； ：溫度梯度)；
λ與溫度的關(guān)系：λ=λ0(1+at)，(a：溫度系數(shù))。
3.不同情況下的熱傳導(dǎo)：單層平壁：Q=(t1-t2)/[b/(CmA)]=溫差/熱阻，(b：壁厚；Cm=(λ1-λ2)/2)；
多層平壁：Q=(t1-tn+1)/ [bi /(λiA)]；單層圓筒：Q=(t1-t2)/[b/(λAm)]，(A：圓筒側(cè)面積，C= (A2-A1)/ln(A2/A1))；
多層圓筒：Q=2πL(t1-t n+1)/ [1/λi [ln(ri+1/ri) ]。
4.對流傳熱類型：強制對流傳熱(外加機械能)、自然對流傳熱、(溫差導(dǎo)致)、蒸汽冷凝傳熱(冷壁)、液體沸騰傳熱(熱壁)，前兩者無相變，后兩者有相變；牛頓冷卻定律：dQ=hdAΔt，(Δt＞0；h：傳熱系數(shù))。
5.吸收率A+反射率R+透射率D=1；黑體A=1，鏡體R=1，透熱體D=1，灰體A+R=1；
總輻射能E=Eλdλ，(Eλ：單色輻射能；λ：波長)；
四次方定律：E=C(T/100)4=εC0(T/100)4，(C：灰體輻射常數(shù)；C0：黑體輻射常數(shù)；ε=C/C0：發(fā)射率或黑度)；
兩物體輻射傳熱：Q1-2=C1-2φA[(T1/100)4-(T2/100)4]，(φ：角系數(shù)；A：輻射面積；C1-2=1/[(1/C1)+(1/C2)-(1/C0)])
6.總傳熱速率方程：dQ=KmdA，(dQ：微元傳熱速率；Km：總傳熱系數(shù)；A：傳熱面積)；
1/K=1/h1+bA1/λAm+A1/h2A2，(h1，h2：熱、冷流體表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))。
7.換熱器：夾套換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、列管式換熱器。
四、蒸餾
1.蒸餾分類：操作方式：連續(xù)蒸餾、間歇蒸餾；對分離的要求：簡單蒸餾、平衡蒸餾(閃蒸)、精餾、特殊精餾；壓力：常壓蒸餾、加壓蒸餾、減壓蒸餾；組分：雙組分蒸餾和多組分蒸餾(精餾)，常用精餾塔。
2.雙組分溶液氣液相平衡：液態(tài)泡點方程：xA=[p-pB(t)]/[pA(t)-pB(t)]，(xA：液態(tài)組分A的摩爾分數(shù)；p (t)：壓強關(guān)于溫度的函數(shù))；
氣態(tài)露點方程：yA=pA/p=[pA(t)/p]×[p-pB(t)]/[pA(t)-pB(t)]；
平衡常數(shù)KA=yA/xA，理想溶液：KA=p°A/p，即組分飽和蒸氣壓和總壓之比；
揮發(fā)度：υA=pA/xA，相對揮發(fā)度：αAB=υA/υB，終可導(dǎo)出氣液平衡方程：y=αx/[1+(a-1)x]；
氣液平衡相圖：p-x圖(等溫) 、t-x(y)圖(等壓)、x-y圖。
3.平衡蒸餾：qn(F)，xF加熱至泡點以上tF，減壓氣化，溫度達到平衡溫度te，兩相平衡qn(D)，yD和qn(W)，xW；
物料衡算：yD=qxW/(q-1)-xF/(q-1)，(液化率：q=qn(W)/qn(F))；
熱量衡算：tF=te+(1-q)γ/Cp,m，(Cp,m：原液的摩爾定壓熱容；γ：原液的摩爾氣化潛熱)；平衡關(guān)系：yD=αxW/[1+(α-1)xW]。
4.簡單蒸餾：持續(xù)加熱至釜液組成和餾出液組成達到規(guī)定時停止；
關(guān)系式：ln[n(F)/n(W)]= {ln(xF/xW)-αln[(1-xF)/(1-xW)]}/(α-1)；
總物料衡算：n(F)=n(W)+n(D)；易揮發(fā)組分衡算：n(F)xF =n(W)xW+n(D)xD；
推出：xD= [n(F)xF-n(W)xW]/[n(F)-n(W)]。
5.精餾：多次部分氣化部分冷凝(連續(xù)、間歇)，泡點不同采取不同的壓力操作，塔板數(shù)從上至下記；
塔頂易揮發(fā)組分回收率：ηD=qn(D)xD/qn(F)xF×100%，
釜中不易揮發(fā)組分回收率：ηW=qn(W)(1-xW)/[qn(F)(1-xF)]×100%；
精餾段總物料衡算：qn(V)=qn(D)+qn(L)；精餾段易揮發(fā)組分衡算：qn(V)yn+1=qn(D)xD+qn(L)xn；(V：各層上升蒸汽量；D：塔頂餾出液量；L：各板下降的液量；yn+1：第n+1塊板上升的蒸汽中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù)；xn：第n塊板下降的液體中易揮發(fā)組分的摩爾分數(shù))，
精餾段操作線方程：yn+1=Rxn/(R+1) +xD/(R+1)，(回流比R= qn(L)/qn(D))；
提餾段段總物料衡算：qn(L’)=qn(V’)+qn(W)；提餾段易揮發(fā)組分衡算：qn(L’)x’m=qn(V’)y’m+1 +qn(W)xW ；(W：釜液量)，提餾段操作線方程：y’m+1= qn(L’)x’m/qn(V’)-qn(W)xW/qn(V’)；
總的物料衡算：qn(F)+qn(V’)+qn(L)=qn(V)+qn(L’)，乘上各焓值Hx即為熱量衡算，qn(V)=qn(V’)+(1-q)qn(F)，(精餾進料熱狀態(tài)參數(shù)q=(HV-HF)/(HV-HL)，即單位原料液變?yōu)?/span>飽和蒸汽所需要的熱量與單位原料液潛熱之比)；
進料方程：y=qx/(q-1)-xF/(q-1)；理論塔板的計算逐板法和圖解法，回流比R增大理論塔板數(shù)減小，解析法：全回流理論塔板數(shù)Nmin={lg[xD(1-xw)/[xw(1-xD)]]}/lgam-1，(am：全塔平均揮發(fā)度)；
小回流比Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)，(xq，yq：進料時)，R實=(1.1—2.0) Rmin；
全塔效率ET為理論塔板數(shù)與實際塔板數(shù)之比；
間歇精餾：分批精餾，一次進料待釜液達到組成后，放出殘液，再次加料，用于分離量少而純度要求高的物料，每批精餾氣化物質(zhì)的量n(V )= (R+1)n(D)，所需時間τ=n(V)/qn(V)；
特殊精餾：恒沸精餾(加第三組分，形成新的低恒沸物，增大相對揮發(fā)度) 、萃取精餾(加第三組分，增大相對揮發(fā)度)、加鹽萃取精餾、分子蒸餾(針對高分子量、高沸點、高粘度、熱穩(wěn)定性極差的有機物)。
五、吸收
1.吸收劑的要求：對溶質(zhì)的溶解度大，對其他成分溶解度小、易于再生、不易揮發(fā)、粘度低、無腐蝕性、無毒不易燃、價低，吸收率η=(mA除/mA進)×100%≈[ (y1-y2)/y1]×100%，(y1，y2：進塔和出塔混合氣中A的摩爾分數(shù))。
2.稀溶液中亨利定律：c*A=HpA，(c*A：溶解度；H：溶解度系數(shù)；pA：氣相分壓)；p*A=ExA，(xA：液相中溶質(zhì)摩爾分數(shù)；E：亨利系數(shù))；y*=mx，(平衡常數(shù)m=E/p)；E=ρs/HMs，(ρs，Ms：純?nèi)軇┟芏群?/span>相對分子質(zhì)量)。
3.費克定律：jA=-DABdcA/dz，(jA：擴散速率；DAB：組分A在組分B中的擴散系數(shù)；dcA/dz：組分A在擴散方向z上的濃度梯度)；
等分子擴散速率：NA= jA=D(pA,1-pA,2)/RTz；單向擴散：NA=D(pA,1-pA,2)p/RTz pB,m，(p/pB,m：漂流因子，pB,m= (pB,2-pB,1)/ln(pB,2/pB,1)，即對數(shù)平均值)；同理，NA=D(cA,1-cA,2)c/zcB,m。
5.吸收塔操作線方程：qn(L)/qn(V)=(y1-y2)/(x1-x2)，(qn(V)：二元混合氣摩爾流量；qn(L)：液相摩爾流量；x，y：任意一截面液氣相摩爾流量)；
小液氣比[qn(L)/qn(V)]min=(y1-y2)/(x*1-x2),qn(L)/qn(V)= (1.1—2.0) [qn(L)/qn(V)]min；
低濃度時填料塔高度h=qn(V) [dy/(y-y*)]/KyaS=qn(L) [dx/(x*-x)]/KxaS=NOGHOG=NOLHOL，(K：傳質(zhì)系數(shù)；S：塔截面積；a：單位體積填料有效接觸面積；NOG= [dy/(y-y*)]：氣相總傳質(zhì)單元數(shù)；HOG =qn(V)/KyaS：氣相總傳質(zhì)單元高度)；
相平衡線為直線時：NOG=ln[(1-S’)(y1-mx2)/(y2-mx2)+S’]/(1-S’)，NOL=ln[(1-A)(y1-mx2)/(y2-mx2)+A]/(1-A)，(吸收因數(shù)：A=1/S’= qm(V)/mqm(V))。
5.填料塔：液體上進下出，氣體下進上出，其中設(shè)有液體在分布器，可使其均勻分布于填料表面，塔頂可按轉(zhuǎn)除末器。
六、干燥
1.濕度δ=0.622pV/(p-pV)，(pV：水蒸汽分壓)；相對濕度φ= pV/pS，(pS：水蒸汽飽和分壓)；濕焓I=Ig+δIv，(Ig：絕干空氣的焓；Iv：水蒸汽的焓)。
2.物料的干基濕含量X=m水/m絕干，是基濕含量ω=m水/m總×100%，ω=X/(1+X)；物料分類：非吸濕毛細孔物料、吸濕多孔物料和膠體無孔物料；物料與水分：總水分、平衡水分、自由水分、非結(jié)合水分、結(jié)合水分。
3.干燥過程物料衡算：qm,c(X1-X2)=qm,L(δ2-δ1)=qm,W，(qm,c：干料的質(zhì)量流量；qm,L：絕干空氣質(zhì)量流量；qm,W：干料蒸發(fā)出水分的質(zhì)量流量)，即濕物料減少水分等于干空氣中增加的水分；
熱量衡算：q=qD+qP=qm,L(I2-I0)+qm,c(I’2-I’1)+qL，(qD：單位時間干燥器熱量；qP：單位時間預(yù)熱氣熱量；qL：單位時間熱損失；I2：出干燥器的空氣的焓；I0：進預(yù)熱器的空氣的焓；I’2，I’1：進出干燥器物料的焓)，qD=qm,L(I1-I0) =qm,L(1.01+1.88δ0) (t1-t0)，qD=qm,L(I2-I1)+qm,c(I’2-I’1)+qL；
干燥器熱效率：η=qd/qP×100%，(qd=qm,L(1.01+1.88δ0) (t1-t2))。
4.干燥速率U=h(t-tW)/rtw，(h：對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；t：恒定干燥條件下空氣平均溫度；tW：初始狀態(tài)空氣濕球溫度；r：飽和蒸汽冷凝潛熱)；
恒速干燥階段時間：τ1=qm,c(X1-Xc)/UcS，(Xc：臨界濕含量；S：干燥面積)，
降速干燥階段時間：τ2=qm,c(Xc-X*)ln[(Xc-X*)/( X2-X*)]/UcS。
5.干燥器分類：廂式干燥器、隧道干燥器、轉(zhuǎn)筒干燥器、帶式干燥器、轉(zhuǎn)鼓干燥器、噴霧干燥、流化床干燥器、氣流干燥器、微波高頻干燥。
七、新型分離技術(shù)
1.超臨界萃取：以超臨界流體作萃取劑(密度接近于液體，而粘度接近于氣體，擴散系數(shù)位于兩者之間)，其具有很強的選擇性和溶解能力，傳質(zhì)速率大；流程可分為：等溫法、等壓法和吸附吸收法。
2.膜分離技術(shù)：微濾、超濾、納濾、反滲透、透析、電滲析、氣膜膜分離、滲透氣化(溶質(zhì)發(fā)生相變化，再透過側(cè)以氣相狀態(tài)存在)。