1、化工原理知识点提要求化工原理知识点提要一、流体力学及其输送1.单元操作:物理化学变化的单个操作过程,如过滤、蒸馏、萃取。2.四个基本概念:物料衡算、能量衡算、平衡关系、过程速率。3.牛顿粘性定律:F=A=Adu/dy,(F:剪应力;A:面积;:粘度;du/dy:速度梯度)。4.两种流动形态:层流和湍流。流动形态的判据雷诺数Re=du/;层流-2000-过渡-4000-湍流。5.连续性方程:A1u1=A2u2;伯努力方程:gz+p/+1/2u2=C。6.流体阻力=沿程阻力+局部阻力;范宁公式:沿程压降:pf=lu2/2d,沿程阻力:Hf=pf/g=lu2/2dg(:摩擦系数);层流时=64/Re
2、,湍流时=F(Re,/d),(:管壁粗糙度);局部阻力hf=u2/2g,(:局部阻力系数,情况不同计算方法不同)7.流量计:变压头流量计(测速管、孔板流量计、文丘里流量计);变截面流量计。8.离心泵主要参数:流量、压头、效率、轴功率;工作点(提供与所需水头一致);安装高度(气蚀现象,气蚀余量);泵的型号(泵口直径和扬程);气体输送机械:通风机、鼓风机、压缩机、真空泵。二、非均相机械分离1.颗粒的沉降:层流沉降速度Vt=(p-)gdp2/18,(p-:颗粒与流体密度差,:流体粘度);重力沉降(沉降室,H/v=L/u,多层;增稠器,以得到稠浆为目的的沉淀);离心沉降(旋风分离器)。2.过滤:深层过
3、滤和滤饼过滤(常用,助滤剂增加滤饼刚性和空隙率);分类:压滤、离心过滤,间歇、连续;滤速的康采尼方程:u=(p/L)3/5a2(1-)2,(:滤饼空隙率;a:颗粒比表面积;L:层厚)。三、传热1.传热方式:热传导(傅立叶定律)、对流传热(牛顿冷却定律)、辐射传热(四次方定律);热交换方式:间壁式传热、混合式传热、蓄热体传热(对蓄热体的周期性加热、冷却)。2.傅立叶定律:dQ= -dA ,(Q:热传导速率;A:等温面积;:比例系数; :温度梯度);与温度的关系:=0(1+at),(a:温度系数)。3.不同情况下的热传导:单层平壁:Q=(t1-t2)/b/(CmA)=温差/热阻,(b:壁厚;Cm=
4、(1-2)/2);多层平壁:Q=(t1-tn+1)/ bi /(iA);单层圆筒:Q=(t1-t2)/b/(Am),(A:圆筒侧面积,C=(A2-A1)/ln(A2/A1); 多层圆筒:Q=2L(t1-t n+1)/ 1/i ln(ri+1/ri) 。4.对流传热类型:强制对流传热(外加机械能)、自然对流传热、(温差导致)、蒸汽冷凝传热(冷壁)、液体沸腾传热(热壁),前两者无相变,后两者有相变;牛顿冷却定律:dQ=hdAt,(t0;h:传热系数)。5.吸收率A+反射率R+透射率D=1;黑体A=1,镜体R=1,透热体D=1,灰体A+R=1; 总辐射能E=Ed,(E:单色辐射能;:波长);四次方定
5、律:E=C(T/100)4=C0(T/100)4,(C:灰体辐射常数;C0:黑体辐射常数;=C/C0:发射率或黑度);两物体辐射传热:Q1-2=C1-2A(T1/100)4-(T2/100)4,(:角系数;A:辐射面积;C1-2=1/(1/C1)+(1/C2)-(1/C0)6.总传热速率方程:dQ=KmdA,(dQ:微元传热速率;Km:总传热系数;A:传热面积);1/K=1/h1+bA1/Am+A1/h2A2,(h1,h2:热、冷流体表面传热系数)。7.换热器:夹套换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器。四、蒸馏1.蒸馏分类:操作方式:连续蒸馏、间歇蒸馏;对分离的要求:简单蒸馏、平衡
6、蒸馏(闪蒸)、精馏、特殊精馏;压力:常压蒸馏、加压蒸馏、减压蒸馏;组分:双组分蒸馏和多组分蒸馏(精馏),常用精馏塔。2.双组分溶液气液相平衡:液态泡点方程:xA=p-pB(t)/pA(t)-pB(t),(xA:液态组分A的摩尔分数;p(t):压强关于温度的函数); 气态露点方程:yA=pA/p=pA(t)/pp-pB(t)/pA(t)-pB(t);平衡常数KA=yA/xA,理想溶液:KA=pA/p,即组分饱和蒸气压和总压之比;挥发度:A=pA/xA,相对挥发度:AB=A/B,最终可导出气液平衡方程:y=x/1+(a-1)x; 气液平衡相图:p-x图(等温)、t-x(y)图(等压)、x-y图。3
7、.平衡蒸馏:qn(F),xF加热至泡点以上tF,减压气化,温度达到平衡温度te,两相平衡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);热量衡算:tF=te+(1-q)/Cp,m,(Cp,m:原液的摩尔定压热容;:原液的摩尔气化潜热);平衡关系:yD=xW/1+(-1)xW。4.简单蒸馏:持续加热至釜液组成和馏出液组成达到规定时停止; 关系式:lnn(F)/n(W)=ln(xF/xW)-ln(1-xF)/(1-xW)/(-1); 总物料衡算:n(F)=n(W)+n(D);易挥发组分衡算:n(F)xF=n(W)xW+
8、n(D)xD; 推出:xD= n(F)xF-n(W)xW/n(F)-n(W)。5.精馏:多次部分气化部分冷凝(连续、间歇),泡点不同采取不同的压力操作,塔板数从上至下记;塔顶易挥发组分回收率:D=qn(D)xD/qn(F)xF100%,釜中不易挥发组分回收率:W=qn(W)(1-xW)/qn(F)(1-xF)100%;精馏段总物料衡算:qn(V)=qn(D)+qn(L);精馏段易挥发组分衡算:qn(V)yn+1=qn(D)xD+qn(L)xn;(V:各层上升蒸汽量;D:塔顶馏出液量;L:各板下降的液量;yn+1:第n+1块板上升的蒸汽中易挥发组分的摩尔分数;xn:第n块板下降的液体中易挥发组分
9、的摩尔分数),精馏段操作线方程:yn+1=Rxn/(R+1)+xD/(R+1),(回流比R= qn(L)/qn(D);提馏段段总物料衡算:qn(L)=qn(V)+qn(W);提馏段易挥发组分衡算:qn(L)xm=qn(V)ym+1 +qn(W)xW;(W:釜液量),提馏段操作线方程:ym+1= qn(L)xm/qn(V)-qn(W)xW/qn(V);总的物料衡算:qn(F)+qn(V)+qn(L)=qn(V)+qn(L),乘上各焓值Hx即为热量衡算,qn(V)=qn(V)+(1-q)qn(F),(精馏进料热状态参数q=(HV-HF)/(HV-HL),即单位原料液变为饱和蒸汽所需要的热量与单位原
10、料液潜热之比);进料方程:y=qx/(q-1)-xF/(q-1);理论塔板的计算逐板法和图解法,回流比R增大理论塔板数减小,解析法:全回流理论塔板数Nmin=lgxD(1-xw)/xw(1-xD)/lgam-1,(am:全塔平均挥发度);最小回流比Rmin=(xD-yq)/(yq-xq),(xq,yq:进料时),R实=(1.1-2.0) Rmin; 全塔效率ET为理论塔板数与实际塔板数之比;间歇精馏:分批精馏,一次进料待釜液达到指定组成后,放出残液,再次加料,用于分离量少而纯度要求高的物料,每批精馏气化物质的量n(V )=(R+1)n(D),所需时间=n(V)/qn(V); 特殊精馏:恒沸精馏
11、(加第三组分,形成新的低恒沸物,增大相对挥发度)、萃取精馏(加第三组分,增大相对挥发度)、加盐萃取精馏、分子蒸馏(针对高分子量、高沸点、高粘度、热稳定性极差的有机物)。五、吸收1.吸收剂的要求:对溶质的溶解度大,对其他成分溶解度小、易于再生、不易挥发、粘度低、无腐蚀性、无毒不易燃、价低,吸收率=(mA除/mA进)100%(y1-y2)/y1100%,(y1,y2:进塔和出塔混合气中A的摩尔分数)。3.稀溶液中亨利定律:c*A=HpA,(c*A:溶解度;H:溶解度系数;pA:气相分压);p*A=ExA,(xA:液相中溶质摩尔分数;E:亨利系数);y*=mx,(平衡常数m=E/p);E=s/HMs
12、,(s,Ms:纯溶剂密度和相对分子质量)。4.费克定律:jA=-DABdcA/dz,(jA:扩散速率;DAB:组分A在组分B中的扩散系数;dcA/dz:组分A在扩散方向z上的浓度梯度);等分子扩散速率:NA= jA=D(pA,1-pA,2)/RTz;单向扩散:NA=D(pA,1-pA,2)p/RTzpB,m,(p/pB,m:漂流因子,pB,m=(pB,2-pB,1)/ln(pB,2/pB,1),即对数平均值);同理,NA=D(cA,1-cA,2)c/zcB,m。5.吸收塔操作线方程:qn(L)/qn(V)=(y1-y2)/(x1-x2),(qn(V):二元混合气摩尔流量;qn(L):液相摩尔流
13、量;x,y:任意一截面液气相摩尔流量);最小液气比qn(L)/qn(V)min=(y1-y2)/(x*1-x2),qn(L)/qn(V)= (1.1-2.0) qn(L)/qn(V)min;低浓度时填料塔高度h=qn(V) dy/(y-y*)/KyaS=qn(L)dx/(x*-x)/KxaS=NOGHOG=NOLHOL,(K:传质系数;S:塔截面积;a:单位体积填料有效接触面积;NOG=dy/(y-y*):气相总传质单元数;HOG =qn(V)/KyaS:气相总传质单元高度);相平衡线为直线时:NOG=ln(1-S)(y1-mx2)/(y2-mx2)+S/(1-S),NOL=ln(1-A)(y
14、1-mx2)/(y2-mx2)+A/(1-A),(吸收因数:A=1/S=qm(V)/mqm(V)。6.填料塔:液体上进下出,气体下进上出,其中设有液体在分布器,可使其均匀分布于填料表面,塔顶可按转除末器。六、干燥1.绝对湿度=0.622pV/(p-pV),(pV:水蒸汽分压);相对湿度=pV/pS,(pS:水蒸汽饱和分压);湿焓I=Ig+Iv,(Ig:绝干空气的焓;Iv:水蒸汽的焓)。2.物料的干基湿含量X=m水/m绝干,是基湿含量=m水/m总100%,=X/(1+X);物料分类:非吸湿毛细孔物料、吸湿多孔物料和胶体无孔物料;物料与水分:总水分、平衡水分、自由水分、非结合水分、结合水分。3.干
15、燥过程物料衡算:qm,c(X1-X2)=qm,L(2-1)=qm,W,(qm,c:绝对干料的质量流量;qm,L:绝干空气质量流量;qm,W:干料蒸发出水分的质量流量),即湿物料减少水分等于干空气中增加的水分;热量衡算:q=qD+qP=qm,L(I2-I0)+qm,c(I2-I1)+qL,(qD:单位时间干燥器热量;qP:单位时间预热气热量;qL:单位时间热损失;I2:出干燥器的空气的焓;I0:进预热器的空气的焓;I2,I1:进出干燥器物料的焓),qD=qm,L(I1-I0)=qm,L(1.01+1.880) (t1-t0),qD=qm,L(I2-I1)+qm,c(I2-I1)+qL;干燥器热效
16、率:=qd/qP100%,(qd=qm,L(1.01+1.880) (t1-t2)。4.干燥速率U=h(t-tW)/rtw,(h:对流表面传热系数;t:恒定干燥条件下空气平均温度;tW:初始状态空气湿球温度;r:饱和蒸汽冷凝潜热);恒速干燥阶段时间:1=qm,c(X1-Xc)/UcS,(Xc:临界湿含量;S:干燥面积),降速干燥阶段时间:2=qm,c(Xc-X*)ln(Xc-X*)/(X2-X*)/UcS。5.干燥器分类:厢式干燥器、隧道干燥器、转筒干燥器、带式干燥器、转鼓干燥器、喷雾干燥、流化床干燥器、气流干燥器、微波高频干燥。七、新型分离技术1.超临界萃取:以超临界流体作萃取剂(密度接近于
17、液体,而粘度接近于气体,扩散系数位于两者之间),其具有很强的选择性和溶解能力,传质速率大;流程可分为:等温法、等压法和吸附吸收法。2.膜分离技术:微滤、超滤、纳滤、反渗透、透析、电渗析、气膜膜分离、渗透气化(溶质发生相变化,再透过侧以气相状态存在)。一、流体力学及其输送1.单元操作:物理化学变化的单个操作过程,如过滤、蒸馏、萃取。2.四个基本概念:物料衡算、能量衡算、平衡关系、过程速率。3.牛顿粘性定律:F=A=Adu/dy,(F:剪应力;A:面积;:粘度;du/dy:速度梯度)。4.两种流动形态:层流和湍流。流动形态的判据雷诺数Re=du/;层流2000过渡4000湍流。5.连续性方程:A1
18、u1=A2u2;伯努力方程:gz+p/+1/2u2=C。6.流体阻力=沿程阻力+局部阻力;范宁公式:沿程压降:pf=lu2/2d,沿程阻力:Hf=pf/g=l u2/2dg(:摩擦系数);层流时=64/Re,湍流时=F(Re,/d),(:管壁粗糙度);局部阻力hf=u2/2g,(:局部阻力系数,情况不同计算方法不同)7.流量计:变压头流量计(测速管、孔板流量计、文丘里流量计);变截面流量计。8.离心泵主要参数:流量、压头、效率、轴功率;工作点(提供与所需水头一致);安装高度(气蚀现象,气蚀余量);泵的型号(泵口直径和扬程);气体输送机械:通风机、鼓风机、压缩机、真空泵。二、非均相机械分离1.颗
19、粒的沉降:层流沉降速度Vt=(p-)gdp2/18,(p-:颗粒与流体密度差,:流体粘度);重力沉降(沉降室,H/v=L/u,多层;增稠器,以得到稠浆为目的的沉淀);离心沉降(旋风分离器)。2.过滤:深层过滤和滤饼过滤(常用,助滤剂增加滤饼刚性和空隙率);分类:压滤、离心过滤,间歇、连续;滤速的康采尼方程:u=(p/L)3/5a2(1-)2,(:滤饼空隙率;a:颗粒比表面积;L:层厚)。三、传热1.传热方式:热传导(傅立叶定律)、对流传热(牛顿冷却定律)、辐射传热(四次方定律);热交换方式:间壁式传热、混合式传热、蓄热体传热(对蓄热体的周期性加热、冷却)。2.傅立叶定律:dQ= -dA ,(Q
20、:热传导速率;A:等温面积;:比例系数; :温度梯度);与温度的关系:=0(1+at),(a:温度系数)。3.不同情况下的热传导:单层平壁:Q=(t1-t2)/b/(CmA)=温差/热阻,(b:壁厚;Cm=(1-2)/2);多层平壁:Q=(t1-tn+1)/ bi /(iA);单层圆筒:Q=(t1-t2)/b/(Am),(A:圆筒侧面积,C= (A2-A1)/ln(A2/A1);多层圆筒:Q=2L(t1-t n+1)/ 1/i ln(ri+1/ri) 。4.对流传热类型:强制对流传热(外加机械能)、自然对流传热、(温差导致)、蒸汽冷凝传热(冷壁)、液体沸腾传热(热壁),前两者无相变,后两者有相
21、变;牛顿冷却定律:dQ=hdAt,(t0;h:传热系数)。5.吸收率A+反射率R+透射率D=1;黑体A=1,镜体R=1,透热体D=1,灰体A+R=1;总辐射能E=Ed,(E:单色辐射能;:波长);四次方定律:E=C(T/100)4=C0(T/100)4,(C:灰体辐射常数;C0:黑体辐射常数;=C/C0:发射率或黑度);两物体辐射传热:Q1-2=C1-2A(T1/100)4-(T2/100)4,(:角系数;A:辐射面积;C1-2=1/(1/C1)+(1/C2)-(1/C0)6.总传热速率方程:dQ=KmdA,(dQ:微元传热速率;Km:总传热系数;A:传热面积);1/K=1/h1+bA1/Am
22、+A1/h2A2,(h1,h2:热、冷流体表面传热系数)。7.换热器:夹套换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、列管式换热器。四、蒸馏1.蒸馏分类:操作方式:连续蒸馏、间歇蒸馏;对分离的要求:简单蒸馏、平衡蒸馏(闪蒸)、精馏、特殊精馏;压力:常压蒸馏、加压蒸馏、减压蒸馏;组分:双组分蒸馏和多组分蒸馏(精馏),常用精馏塔。2.双组分溶液气液相平衡:液态泡点方程:xA=p-pB(t)/pA(t)-pB(t),(xA:液态组分A的摩尔分数;p (t):压强关于温度的函数);气态露点方程:yA=pA/p=pA(t)/pp-pB(t)/pA(t)-pB(t);平衡常数KA=yA/xA,理想溶液:KA=pA
23、/p,即组分饱和蒸气压和总压之比;挥发度:A=pA/xA,相对挥发度:AB=A/B,最终可导出气液平衡方程:y=x/1+(a-1)x;气液平衡相图:p-x图(等温) 、t-x(y)图(等压)、x-y图。3.平衡蒸馏:qn(F),xF加热至泡点以上tF,减压气化,温度达到平衡温度te,两相平衡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);热量衡算:tF=te+(1-q)/Cp,m,(Cp,m:原液的摩尔定压热容;:原液的摩尔气化潜热);平衡关系:yD=xW/1+(-1)xW。4.简单蒸馏:持续加热至釜液组成和馏出液
24、组成达到规定时停止;关系式:lnn(F)/n(W)= ln(xF/xW)-ln(1-xF)/(1-xW)/(-1);总物料衡算:n(F)=n(W)+n(D);易挥发组分衡算:n(F)xF =n(W)xW+n(D)xD;推出:xD= n(F)xF-n(W)xW/n(F)-n(W)。5.精馏:多次部分气化部分冷凝(连续、间歇),泡点不同采取不同的压力操作,塔板数从上至下记;塔顶易挥发组分回收率:D=qn(D)xD/qn(F)xF100%,釜中不易挥发组分回收率:W=qn(W)(1-xW)/qn(F)(1-xF)100%;精馏段总物料衡算:qn(V)=qn(D)+qn(L);精馏段易挥发组分衡算:q
25、n(V)yn+1=qn(D)xD+qn(L)xn;(V:各层上升蒸汽量;D:塔顶馏出液量;L:各板下降的液量;yn+1:第n+1块板上升的蒸汽中易挥发组分的摩尔分数;xn:第n块板下降的液体中易挥发组分的摩尔分数),精馏段操作线方程:yn+1=Rxn/(R+1) +xD/(R+1),(回流比R= qn(L)/qn(D);提馏段段总物料衡算:qn(L)=qn(V)+qn(W);提馏段易挥发组分衡算:qn(L)xm=qn(V)ym+1 +qn(W)xW ;(W:釜液量),提馏段操作线方程:ym+1= qn(L)xm/qn(V)-qn(W)xW/qn(V);总的物料衡算:qn(F)+qn(V)+qn
26、(L)=qn(V)+qn(L),乘上各焓值Hx即为热量衡算,qn(V)=qn(V)+(1-q)qn(F),(精馏进料热状态参数q=(HV-HF)/(HV-HL),即单位原料液变为饱和蒸汽所需要的热量与单位原料液潜热之比);进料方程:y=qx/(q-1)-xF/(q-1);理论塔板的计算逐板法和图解法,回流比R增大理论塔板数减小,解析法:全回流理论塔板数Nmin=lgxD(1-xw)/xw(1-xD)/lgam-1,(am:全塔平均挥发度);最小回流比Rmin=(xD-yq)/(yq-xq),(xq,yq:进料时),R实=(1.12.0) Rmin;全塔效率ET为理论塔板数与实际塔板数之比;间歇
27、精馏:分批精馏,一次进料待釜液达到指定组成后,放出残液,再次加料,用于分离量少而纯度要求高的物料,每批精馏气化物质的量n(V )= (R+1)n(D),所需时间=n(V)/qn(V);特殊精馏:恒沸精馏(加第三组分,形成新的低恒沸物,增大相对挥发度) 、萃取精馏(加第三组分,增大相对挥发度)、加盐萃取精馏、分子蒸馏(针对高分子量、高沸点、高粘度、热稳定性极差的有机物)。五、吸收1.吸收剂的要求:对溶质的溶解度大,对其他成分溶解度小、易于再生、不易挥发、粘度低、无腐蚀性、无毒不易燃、价低,吸收率=(mA除/mA进)100% (y1-y2)/y1100%,(y1,y2:进塔和出塔混合气中A的摩尔分
28、数)。2.稀溶液中亨利定律:c*A=HpA,(c*A:溶解度;H:溶解度系数;pA:气相分压);p*A=ExA,(xA:液相中溶质摩尔分数;E:亨利系数);y*=mx,(平衡常数m=E/p);E=s/HMs,(s,Ms:纯溶剂密度和相对分子质量)。3.费克定律:jA=-DABdcA/dz,(jA:扩散速率;DAB:组分A在组分B中的扩散系数;dcA/dz:组分A在扩散方向z上的浓度梯度);等分子扩散速率:NA= jA=D(pA,1-pA,2)/RTz;单向扩散: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
29、,1),即对数平均值);同理,NA=D(cA,1-cA,2)c/zcB,m。5.吸收塔操作线方程:qn(L)/qn(V)=(y1-y2)/(x1-x2),(qn(V):二元混合气摩尔流量;qn(L):液相摩尔流量;x,y:任意一截面液气相摩尔流量);最小液气比qn(L)/qn(V)min=(y1-y2)/(x*1-x2),qn(L)/qn(V)= (1.12.0) qn(L)/qn(V)min;低浓度时填料塔高度h=qn(V) dy/(y-y*)/KyaS=qn(L) dx/(x*-x)/KxaS=NOGHOG=NOLHOL,(K:传质系数;S:塔截面积;a:单位体积填料有效接触面积;NOG=
30、 dy/(y-y*):气相总传质单元数;HOG =qn(V)/KyaS:气相总传质单元高度);相平衡线为直线时:NOG=ln(1-S)(y1-mx2)/(y2-mx2)+S/(1-S),NOL=ln(1-A)(y1-mx2)/(y2-mx2)+A/(1-A),(吸收因数:A=1/S= qm(V)/mqm(V)。5.填料塔:液体上进下出,气体下进上出,其中设有液体在分布器,可使其均匀分布于填料表面,塔顶可按转除末器。六、干燥1.绝对湿度=0.622pV/(p-pV),(pV:水蒸汽分压);相对湿度= pV/pS,(pS:水蒸汽饱和分压);湿焓I=Ig+Iv,(Ig:绝干空气的焓;Iv:水蒸汽的焓)。2.物料的干基湿含量X=m水/m绝干,是基湿含量=m水/m总100%,=X/(1+X);物料分类:非吸湿毛细孔物料、吸湿多孔物料和胶体无孔物料;物料与水分:总水分、平衡水分、自由水分、非结合水分、结合水分。3.干燥过程物料衡算:qm,c(X1-X2)=qm,L(2-1)=qm,W,(qm,c:绝对干料的质量流量;qm,L:绝干空气质量流量;qm,W:干料蒸发出水分的质量流量),即湿物料减少水分等于干空气中增加的水分;热量衡算:q=qD+qP=qm,L(I2-I0)+qm,c(I2-I1