第一章流体流动原理与应用

在过程工业生产中所处理的物料，包括原料、半成品及产品等，大多数是流体。流体定义为不可能永久抵抗形变的物质，它包括液体和气体。生产中通常需要将流体从一个装置输送到另一个装置，使之进行后续的加工处理，流体的流动和输送是最普遍的过程单元操作之一。流体输送设备及流体流量测量仪表的选择，以及其他过程单元操作例如传热或传质过程，都与流体的流动有关。流体的特性及流体流动基本原理与规律是单元操作的重要基础。本章主要讨论流体的特性及流体在管路中的流动过程基本原理。

●1.1 静力学方程原理及应用

流体静力学是研究平衡状态下流体性质在受力作用下变化规律的科学，是流体力学的一个分支。流体的静力平衡规律在工程技术领域应用很多，例如流体储存容器和输送管道的受力计算、压强的变化与测量、液位的测量和液封技术、压力传感器的设计等。

●1.2 机械能守恒原理的应用

动能、位能、静压能及外加功属于机械能；内能和热是非机械能。机械能和非机械能的区别是，前者在流动过程中可以相互转化，既可用于流体输送，也可转变成热和内能；而后者不能直接转变成机械能用于流体的输送。因此，为了工程应用的方便，需将总能量衡算式转变为机械能衡算式。

●1.3流体力学综合实验

实验目的
1．学习直管阻力与局部阻力的测定方法。
2．学习计算并绘制直管摩擦系数与Re的关系曲线的方法。
3．学习确定局部阻力系数的方法。

●1.4管路设计与安装实验

实验目的
(1) 综合运用流体力学基本原理与操作技能；
(2) 设计并安装“流量计校核”与“突然扩大、缩小局部阻力系数的测定”两个实验装置，
(3) 培养学生掌握常用工具的使用方法；培养学生团结协作的精神，以小组为单位，能进行管线的组装、试压、冲洗及拆除操作。
(4) 能进行系统的试运行及停车操作。

第二章固体颗粒流体力学基础与机械分离

化工生产中，经常需要将混合物加以分离。为了实现不同的分离目的，必须根据混合物性质的不同而采用不同的方法。一般将混合物分为两大类，即均相混合物和非均相混合物。若物系内各处组成均匀且不存在相界面，则称为均相混合物，如溶液及混合气体属于此类。均相混合物组分的分离采用传质分离方法，如蒸馏、吸收等。而非均相混合物由两相或两相以上构成，由于相界面两侧物质的性质截然不同，故这种混合物通常可采用能耗较低的机械方法加以分离。例如，要对锅炉等装置的尾气除尘，由于空气与固体粉尘的密度差别很大，所以可采用重力及离心力场中的沉降操作。
      非均相混合物由具有不同物理性质（例如密度、黏度等）的分散物质和连续介质组成。其中处于分散状态的物质，如分散于流体中的固体颗粒、液滴或气泡，称为分散相；而包围分散物质且处于连续状态的物质称为分散介质或连续相。

●2.1离心沉降原理与应用

在离心力场中，当流体携带着颗粒旋转时，由于颗粒密度大于流体的密度，则惯性离心力将使颗粒在径向上与流体发生相对运动而飞离中心。颗粒在离心力场中的运动速度可分解为径向速度和切向速度, 其中颗粒的径向速度称为离心沉降速度。显然，不是颗粒运动的真实速度，而是颗粒沿着半径逐渐扩大的螺旋形轨道运动时的一种分离效果的表示方法。

●2.2过滤原理简介及应用

对于颗粒细小的悬浮液或乳浊液，在重力、离心力的作用下，采用多孔介质（滤材）把分散相从流体中除去，这就是一般所指的过滤。
常见的过滤操作分为饼层过滤和深床过滤两种方式。其中，饼层过滤是指过滤中，固体物质沉积于介质表面而形成滤饼层，滤液穿过饼层时即被过滤，所以滤饼层是有效过滤介质。现在工业上一般多采用此方法，该法要求悬浮液中固体颗粒体积含量大于1%。而在深床过滤中，固体颗粒并不形成滤饼，而是沉积于较厚的粒状过滤介质床层内部。这种过滤适用于生产能力大而悬浮液中颗粒小且含量甚微（固相分率小于0.1%）的场合。

●2.3新型非均相分离技术

      新型非均相分离技术：（1）静电除尘过程分为四个阶段：气体电离、粉尘获得离子而荷电、荷电粉尘向电极移动、将电极上的粉尘清除掉。
      （2）湿法捕集是利用液体作为捕集体，将气体内所含颗粒捕集下来的一类方法，所用设备统称湿法洗涤器。
    （3）惯性分离是利用气体与颗粒密度不同的性质．在气体的流动路径上设置挡板以使气体在流动时发生突然的转向，由于颗粒的惯性大，不易改变流动方向，因而可从气体中分离出来。惯性分离通常用于从气体中分离出固体颗粒或液滴。

第三章传热原理及应用

在过程工业，往往需要化学反应和单元操作过程的加热或冷却，以维持过程进行所需要的温度。例如在蒸馏操作中，为了使塔釜达到一定温度并产生一定量的上升蒸汽，就需要对塔釜液加热，同时为了使塔顶上升蒸汽冷凝以得到液体产品，还需要对塔顶蒸汽进行冷凝；再如在蒸发、干燥等单元操作中也都要向相应的设备加入或取出热量；此外，化工设备的保温，生产过程中热能的合理应用以及废热的回收等都涉及传热问题。
      综上所述，化工生产中对传热过程的要求主要有以下两种情况：其一是强化传热过程，如各种换热设备中的传热；其二是削弱传热过程，如对设备或管道的保温，以减少热损失。显然，研究和掌握传热的基本规律，探求强化或削弱传热的有效途径及方法，具有十分重要的意义。

●3.1间壁式换热器设计原理

间壁式换热器设计命题方式
（1）设计任务：将一定流量 的热流体自给定温度T1 冷却至指定温度T2。
（2）设计条件：可供使用的冷却介质温度，即冷流体的进口温度t1 。
（3）计算目的：确定经济上合理的传热面积及换热器其他有关尺寸。

●3.2间壁式换热器的设计

设计计算的大致步骤如下：
① 首先由传热任务计算换热器的热流量（通常称之为热负荷）；

② 作出适当的选择并计算平均推动力 ；
③ 计算冷、热流体与管壁的对流传热系数及总传热系数K；
④ 由总传热速率方程Q=KS 计算传热面S。

●3.3新型换热器简介

例如热管换热器是一种新型高效换热装置，由壳体、热管和隔板组成的。其中，热管作为主要的传热元件，圆管内抽除不凝性气体并充以某种定量的可凝性液体（工作流体）。工作流体在吸热蒸发端沸腾，产生蒸汽流至冷却端凝结放出潜热，由冷却端回流至加热端再次沸腾，如此连续进行，热量则由加热端传递到冷却端。

●3.4螺旋板换热器传热系数测定实验

     螺旋板式换热器如图所示，它是由两张间隔一定的平行薄金属板卷制而成的。两张薄金属板形成两个同心的螺旋型通道，两板之间焊有定距柱以维持通道间距，在螺旋板两侧焊有盖板。冷、热流体分别通过两条通道，通过薄板进行换热。
      实验目的
（1）熟悉螺旋板式换热器的结构和基本工作原理
（2）测定螺旋板式换热器内热水和冷空气间的传热系数

●3.5套管换热器总传热系数与对流传热系数的测定

套管式换热器，热流体走管间，为蒸汽冷凝，冷流体走内管，为空气。该传热过程由水蒸气到不锈钢管外管壁的对流传热、从外管壁到内管壁的传导传热、内管壁到冷水的对流传热三个串联步骤组成。
实验目的
（1）了解间壁式换热器的结构与操作原理；
（2）学习测定套管换热器总传热系数的方法；

第四章液体蒸馏

蒸馏操作历史悠久，技术成熟，规模不限，应用广泛，其主要目的是分离液体混合物或液化了的气体混合物，来提纯或回收有用组分。例如在石油炼制中的原油精炼最初阶段，可将混合物分为汽油、煤油、柴油和润滑油等；某原料经过化学反应后，可能产生一个既有反应物又有生成物及副产物的液体混合物，则为了获得纯的生成物，若该混合物是均相的，通常采用精馏的方法予以分离

●4.1精馏操作分析

        蒸馏是目前应用最广的一类液体混合物分离方法，其具有如下特点：
(1) 通过蒸馏分离可以直接获得所需要的产品，而吸收、萃取等分离方法，由于有外加的溶剂，需进一步使所提取的组分与外加组分再行分离，因而蒸馏操作流程通常较为简单。
(2) 蒸馏分离的适用范围广，它不仅可以分离液体混合物，而且可用于气态或固态混合物的分离。例如，可将空气加压液化，再用精馏方法获得氧、氮等产品；再如，脂肪酸的混合物，可用加热使其熔化，并在减压下建立汽液两相系统，用蒸馏方法进行分离。

●4.2精馏原理

      多次部分气化和冷凝过程是精馏塔内进行的，料液自塔的中部某适当位置连续加入塔内，塔顶设有冷凝器将塔顶蒸气冷凝为液体，冷凝液的一部分回流入塔顶，称为回流，另一部分作为塔顶产品（馏出液）连续排出，塔底部设有再沸器（蒸馏釜）以加热液体产生部分蒸气返回塔底，另一部分液体作为塔底产品排出。塔内气、液两相逆流接触进行热量、质量交换。塔内上半部分（加料位置以上），对气相而言，随着气相上升，气相中难挥发组分浓度不断减少，易挥发组分浓度不断增多，完成了气相的精制任务，故称为精馏段；塔内下半部分（包括加料板以下），对液相而言，随着液相不断下流，液相中易挥发组分不断减少，难挥发组分不断增多，完成了液相的提纯任务，故称提馏段。
      一个完整的精馏塔应包括精馏段、提馏段、塔顶冷凝器和塔底再沸器。在这样的塔内，可将双组分混合液连续地、高纯度地分离为轻、重两组分。

●4.3双组份连续精馏设计型计算-逐板计算法

      根据理论板概念，自塔顶第一层塔板下降的液相组成与气相组成互成相平衡关系，而从第二层塔板上升的气相组成与第一层塔板下降的液相组成符合操作线方程关系，故可用精馏段操作线方程求解第二层塔板上升的气相组成，跨过进料后，换成提馏段操作线方程，按以上方法利用相平衡方程及操作线方程交替进行计算，可以按照分离要求计算出所需理论板数。

第五章气体吸收

当混合气体（两组分或多组分）与某种液体相接触，气体混合物中某个或某些能溶解的组分便进入液相形成溶液，而不能溶解的组分仍然留在气相中，这种利用溶解度的差异来分离气体混合物的操作称为吸收，例如HCl气体溶于水生成盐酸、SO3溶于水生成硫酸等都是气体吸收的例子。
在过程工业中，吸收是重要的单元操作之一，主要用于分离气体混合物

●5.1吸收传质机理

双膜理论基本论点如下：（1）相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的有效层流膜，溶质以分子扩散的方式穿过此二层膜由气相主体进入液相主体。流体的流速越快，膜越薄。
（2）相界面处气液处于平衡状态，没有传质阻力。
（3）两相主体中由于质点间充分湍动，浓度均匀，无浓度梯度，即无阻力存在。
      双膜理论把复杂的相际传质过程归结为两种流体有效层流膜内的分子扩散过程。依据此理论，在相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。这样，整个相际间对流传质的阻力都集中在两个有效层流膜内。

●5.2吸收原理及应用

气体吸收的原理是，根据混合气体中各组分在某液体溶剂中的溶解度不同而将气体混合物进行分离。吸收操作所用的液体溶剂称为吸收剂，以S表示；混合气体中，能够显著溶解于吸收剂的组分称为吸收物质或溶质，以A表示；而几乎不被溶解的组分统称为惰性组分或载体，以B表示；吸收操作所得到的溶液称为吸收液或溶液，它是溶质A在溶剂S中的溶液；被吸收后排出的气体称为吸收尾气，其主要成分为惰性气体B，但仍含有少量未被吸收的溶质A。

●5.3吸收设计计算

填料塔是连续接触式的气液传质设备，因而在塔内不同位置上，气液两相的传质速率都可能有所不同，因此，需采用微元法对其传质规律进行研究。其中，吸收塔所需填料层高度的计算，实质上是计算整个吸收塔的有效相际接触面积，它涉及物料衡算、传质速率及相平衡关系三个方面的知识。

●5.4吸收解析联合流程

吸收过程使混合气中的溶质溶解于吸收剂中而得到一种溶液，但就溶质的存在形态而言，仍然是一种混合物，并没有得到纯度较高的气体溶质。在工业生产中，除以制取溶液产品为目的的吸收(如用水吸收HCl气制取盐酸等)之外，大都要将吸收液进行解吸，以便得到纯净的溶质或使吸收剂再生后循环使用。解吸也称为脱吸，它是使溶质从吸收液中释放出来的过程，解吸通常在解吸塔中进行。

第六章塔式气液传质设备

气液传质设备统称为塔设备，是过程工业中最重要的设备之一，它可使气（或汽）液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。一般来说，可在塔设备中完成的单元操作有：蒸馏、吸收、解吸等。此外，工业气体的冷却或回收，气体的湿法净制或干燥，气体的增湿或减湿等操作，也常采用塔设备。

●6.1板式塔结构与工作原理

板式塔内装若干块塔板。塔板有许多类型，如浮阀塔板、筛孔塔板、浮动喷射塔板等。操作时，一般是气体由塔底进塔，逐板流至塔顶，液体由塔顶进入，逐板流至塔底，上升的气流在塔板的液层中鼓泡并带起液滴，气、液两相靠汽泡表面或液滴表面传质传热，浓度沿塔高呈阶跃式变化，故称板式塔为逐级接触式（阶跃式）气液传质设备。 
      塔板是板式塔的核心部件，它决定了整个塔的基本性能，由于气、液两相的传质过程是在塔板上进行的，为有效实现两相间的传质与分离，要求塔板具有以下两个作用：①能提供良好的气液接触条件，既能使气液有较大的接触表面，又能使气液接触表面不断更新，从而提高传质速率；②防止气液短路，减少气液夹带和返混，以获得最大的传质推动力。

●6.2板式塔操作特性

       板式塔的操作能否正常进行，与塔内气液两相的流体力学状况有关。板式塔的流体力学性能包括：塔板压降、液泛、雾沫夹带、漏液及液面落差等。

●6.3填料塔结构与工作原理

      填料塔内连续填装各种类型的填料，如拉西环、鲍尔环、波纹板等，塔底有气体或蒸气的进口及分配空间，其上为填料的支承——常用大空隙率的栅板；塔顶设有液体分布装置，使液体尽可能均匀地喷淋在填料层的顶部。    
      通常情况操作时，气液两相一般为逆流流动，液体作为分散相，依靠重力作用自上而下流动，而气体依靠压强差的作用自下而上流经全塔。填料表面被下流液体润湿，润湿液膜表面与上升气流达到连续微分接触传质，故称填料塔为连续接触式（微分式）气液传质设备。气液逆流操作方式可以获得最大的传质推动力，因而能有效提高传质速率。

●6.4填料塔操作特性

     填料塔的流体力学性能包括持液量、填料层的压强降、液泛及填料的润湿性能等。
      填料层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料塔的操作稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙，使气相的压降增大，处理能力下降。
      对于气液逆流接触的填料塔的操作，当液体的流量一定时，随着气速的提高，气体通过填料层的压力损失（体现为压降）也不断提高。压降是填料塔设计中的重要参数，气体通过填料层的压降的大小决定了塔的动力消耗。
     在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量的带到塔顶甚至出塔，塔的操作极不稳定，甚至被完全破坏，这种情况称为填料塔的液泛现象，要坚决避免。 

第七章固体干燥

干燥是一种古老而又通用的单元操作。最初，人们利用自然界的太阳能及风力，对物料及农副产品进行缓慢的干燥加工。而后，随着工业的发展，这种天然的、劳动强度极大而又不能受意志控制的干燥方法，逐步让位给各种人工去湿方法和人工干燥过程。目前，干燥在农业、食品、化工、陶瓷、医药、矿业、造纸、木材等工业生产中得到了广泛的应用，其主要目的是除去固体物料中的湿分（水分或其他溶剂），使其便于贮藏、使用或进一步加工。

●7.1固体干燥静力学

通过物料衡算和热量衡算，来完成一定干燥任务所需的干燥介质的用量、水分的蒸发量、外界输入的加热量等的计算，称为干燥静力学。

●7.2固体干燥动力学

      通过干燥速率的计算，来完成一定干燥任务所需的干燥器的尺寸和干燥时间等的计算，称为干燥动力学。

●7.3固体干燥的物料和热量衡算

      在典型的对流干燥装置中，由空气预热器对空气进行加热，提高其热焓值，并降低它的相对湿度，以便更适宜作为干燥介质。而干燥器则是对物料除湿的主要场所。对干燥流程的设计中，通过物料衡算可计算出物料气化的水分量（或称为空气带走的水分量）、和空气的消耗量（包括绝干气消耗量和新鲜空气消耗量）；而通过热量衡算可计算出干燥流程的热能耗用量及各项热量分配量。

●7.4干燥设备选用与评价

     在干燥器选型时，主要应考虑如下因素：
①物料性能及干燥特性。包括物料形态（片状、纤维状、粒状、液态、膏状等）、物理性质（密度、粒度分布、粘附性等）、干燥特性（热敏性、变形、开裂等）、物料与水分的结合方式等因素。
②对干燥产品质量的要求及生产能力。包括对干燥产品的特殊要求（如保持产品特有的香味及卫生要求等）。生产能力不同，干燥设备的要求也不尽相同。
③湿物料含湿量的波动情况及干燥前的脱水。应尽量避免供给干燥器湿物料的含湿量有较大的波动，因为湿含量的波动不仅使操作难以控制而影响产品质量，而且还会影响热效率。对含湿量高的物料，应尽可能在干燥前用机械方法进行脱水，以减小干燥器除湿的热负荷。机械脱水的操作费用要比干燥去水低廉得多，经济上力求减少投资及操作费用。
④操作方便，劳动条件好。
⑤适应建厂地区的外部条件（如气象、热源、场地），做到因地制宜。
      除上述因素外，还应考虑环境湿度改变对干燥器选型及干燥器尺寸的影响。例如，以湿空气作为干燥介质时，同一地区冬季和夏季空气的湿度会有相当明显的差别，而湿度的变化将会影响干燥产品质量及干燥器的生产能力。