化 工 基 础
教 案
课 程 名 称 化工基础 学 时 学 分 106学时
专 业 班 级 高二化工班 授 课 教 师 王蕊兰
1
本 课 程 教 学 总 体 安 排
课 程 名 称：化工基础 课程性质与类型：专业必修课 总学时：106学时 教学目的与要求：
化工基础是以定性阐述基本概念和基础理论为主，进行少量必要的定量计算，通过有关化学工程基本原理和设备的感性认识，进一步加深对基本概念和基础知识的理解，物理化学上的热力学和动力学的运用使学生对化工生产实际有一定的印象。本课程通过理论教学及实验教学、课程实习等实践性环节相结合，使学生牢固建立起\单元操作\的概念，培养学生工程分析方法及独立分析问题和解决问题的能力。通过系统的理论学习与实践，使学生具有一定的工程设计能力，为未来的工作和后继课程的学习打下基础。 教材及参考书目：
教材：《化工基础》化学工业出版社
章节题目：绪论，第一章 流体流动与输送 学时分配：24学时 本章教学目的与要求：
本课程的研究对象和内容；学科发展史；主要研究方法；单元操作；单位和单位换算。
通过本章学习，掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题，诸如：流体输送：流速的选择，管径的计算，输送机械选型。流动参数的测量：压强（压力）、流速（流量）等。
其 它：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：绪论，第一章 流体流动（1.1 概述）（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体
教学目的要求：掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题。
教学重点、难点：流体静力学基本方程及其应用；连续性方程式；伯努利方程式及其应
2
用；流体在管内的流动阻力；能量守衡 控制体的选取 边界层概念等。
第一章 流体流动
第一节 概述
流体：包括液体和气体 特点：（a） 具有流动性
（b） 受外力作用时内部产生相对运动 流体流动基本原理的应用 一、流体的输送
(1) 确定输送管路的直径,选择适宜的流动速度。
(2)选用输送设备,需要确定流体在流动过程中应加入的外功 二、压力、流速和流量的测量
三、为强化设备提供适宜的流动条件
教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：1.2 流体静力学（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体
教学目的要求：掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题。
教学重点、难点：一、流体的压强及其特性 二、流体静力学基本方程式。
第二节 流体静力学
---静止流体内部压力变化的规律
一、流体的压缩性
液体的形状与容器相同，其体积几乎不随压强和温度而改变。
气体的形状与容器完全相同，完全充满整个容器，其体积随压强和温度的变化而有明显改变。 流体的体积随压强和温度而变的这个性质，称为流体的压缩性。
1、理想液体：体积绝对不随压强和温度的变化而改变，在流动时分子之间没有摩擦力。 2、理想气体：高温、低压下的实际气体。所以通常可用理想气体状态方程式来计算。 二、流体的主要物理量
1．密度、相对密度和比体积
（1）密度 单位体积流体所具有的质量
m
?? V
密度一般从物化手册或相关资料中查得。P248 附录 ① 气体的密度
3
1、从手册中查得的气体密度往往是某一指定条件下的数值 2、一般当压强不太高、温度不太低时，可按理想气体来处理
pT0pMM ????RT22.4p0T
3、计算混合气体的密度，应以混合气体的平均千摩尔质量M均代替M
1?M2y 2 ??M均? M1y ?Mny n② 液体的密度 1、实验方法测定
2、工业上测定液体密度最简单的方法使用比重计 3、混合液体的密度 (若体积变化不大)
1www
?1?2?...?n（2）相对密度 ?混?1?2?n相对密度为流体密度与4℃时水的密度之比,习惯称为比重
? 20d?4（3）比体积 v?水定义:单位质量流体所具有的体积称为流体,习惯称为比容,其单位为m3/㎏ 2．压强（压力） p(1)定义:流体垂直作用于单位面积上的力
F
p? A（2）压强的单位及其换算(P247 见附录)
1、1 atm=101.3 kPa=1.033 kgf/cm2 =760mmHg =10.33mH2O 1 at=98.1kPa=1kgf/cm2=735.6 mmHg =10 mH2O 2、液柱高度表示流体压强
p?h?g
（3）压力的表达方式 ①绝对压强（简称绝压） ②表压强（简称表压）
表压=绝对压强－（外界）大气压强 ③真空度
真空度=（外界）大气压强－绝对压强
在以后的讨论中规定，对表压和真空度均加以标注,如果没有注明，即为绝压 三、流体静力学基本方程式
1、流体静力学基本方程式的形成 2、静力学基本方程的讨论
p2?p1?h?g（1）在静止的液体中，液体任一点的压力与液体密度和其深度有关。液体密度越大，深度越大，则该点的压力越大。
（2）在静止的、连续的同一液体内，处于同一水平面上各点的压力均相等。此压力相等的截面称为等压面。
（3）当液体上方的压力或液体内部任一点的压力p1 有变化时，液体内部各点的压力也发生同样大小的变化。
3、静力学基本方程的应用
4
（1）测量流体的压力或压差 ① U管压差计
其特点是：构造简单，测压准确，价格便宜。但玻璃管易碎，不耐高压，测量范围狭小，读数不便。 ② 微差压差计
特点：内装有两种密度相近、且互不相溶的指示液A和B 两侧臂顶端各装有扩大室
p1?p2???A??B?gR'用途：测量气体的微小压力差。
工业上常用的双指示液有石蜡油与工业酒精；苯甲醇与氯化钙溶液等。 （2） 液位的测量 ① 玻璃管液面计 ② 液柱压差计
教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：1.2 流体动力学（8学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体
教学目的要求：掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题。
教学重点、难点：实际流体流动的机械能衡算式；实际流体流动的机械能衡算式的应用
第三节 流体动力学
一、流量方程式
1、流量：单位时间内流经管道任一截面的流体量，称为流体的流量。 （1）体积流量qv 单位是m3/s或m3/h
qV?V/?
（2）质量流量 qm 单位是kg/s或kg/h
qm?m?
qm?qV?
2．流速: 单位时间内流体在流动方向流过的距离
（1）平均流速: 流体在同一截面上各点流速的平均值，称为平均流速。符号：u，单位为m/s。
qV?uA
qm?u?Aqq u?V?mA?A
5
（2）质量流速 质量流量与管道截面积之比称为质量流速。以符号G表示，其单位为kg/（m2·s）
3．流量和流速——流量方程式 G?qm/A?qV?/A?u????A???d2?4?d?
当流量为定值时，必须选定流速，才能确定管径。适宜流速由输送设备的操作费和管路的设备费经济权衡及优化来决定。见表1-1。 二、稳定流动与不稳定流动
1．稳定流动：流体在流动时，任一截面处流体的流速、压力、密度等有关物理量仅随位置而改变，不随时间而变。
2．不稳定流动：流体在流动时，任一截面处流体的流速、压力、密度等有关物理量不仅随位置而变，又随时间而变。
三、流体稳定流动时的物料衡算——连续性方程
流体流动的连续性：当流体在密闭管路中作稳定流动时，根据质量守恒定律，通过管路任一截面的流体质量流量应相等。 物料衡算式为： qm1?qm2?常数 u1?1A1?u2?2A2?常数
若流体是不可压缩性的液体，且为圆形管子，连续性方程可写为：
?1??2
2??ud 12???? u2?d1??
四、流体稳定流动时的能量衡算——伯努利方程 1、流体流动时所具有的机械能
质量为m（kg）流体的总机械能为：
1mpmgz?mu2?
2?
2．理想流体的柏努利方程
理想流体：无黏性、流动时不产生摩擦阻力的流体。
理想流体进行稳定流动时，在管路任一截面的流体总机械能是一个常数。即
1p
gz?u2??常数 2?将流体由截面1-1输送到截面2-2时，两截面处流体的总机械能相等。即
22upu 1 ? 1 ? gz ? 2 p 2 理想流体的伯努利方程 gz1 ??22?2?
流动的流体在不同截面间各种机械能的形式 可以互相转化。流体在任一截面上，各种机械能的
4qVqV??u0?785u 6
总和为常数。
3．实际流体的柏努利方程
22 u1p1u2p2zg???W?zg???h损12功 实际流体的伯努利方程 2?2?其他形式的衡算方程：
（1）以单位重量（1N）流体为衡算基准
22 u1p1u2p2z???H?z???H损12功 m流体柱 2g?g2g?g
N?m式中各项单位为： J ??m NN其物理意义为：每牛顿重量的流体所具有的能量，通常将其称为压头 （2）以单位体积流体为衡算基准 ?u12?u22z 1g???p1??W功?z2g???p2??h损22N?mN式中各项单位为： J???Pa m3m3m2其物理意义为：单位体积不可压缩流体所具有的能量
五、伯努力方程的应用
1、截面选取：两截面应与流体流动的方向垂直（此条件下的流体流动速度为u），并且流体在两截面之间是连续的。
2、基准面：基准面必须是水平面。通常把基准面选在低截面处，使该截面处值为零，另一个值等于两截面间的垂直距离。
3、伯努利方程中各项物理量的单位必须一致。流体的压力可以都用绝压或都用表压，但要统一。 4、如果两个横截面积相差很大，如大截面容器和小管子，则可取大截面处的流速为零。
5、不同基准柏努利方程式的选用：通常依据习题中损失能量或损失压头的单位，选用相同基准的伯努利方程。
??教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：1.4 流体阻力（6学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体
教学目的要求：掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题。
教学重点、难点：边界层的概念；流体流动阻力的计算
第四节 流体阻力
7
一、流体的黏度
1．流体阻力的表现和来源 流体流动如何产生的阻力？
流体流经固体壁面时，由于流体对壁面有附着力作用，因此在壁面上粘附着一层静止的流体，同时在流体内部分子间是有吸引力的，所以，当流体流过壁面时，壁面上静止的流体层对与其相邻的流体层的流动有约束作用，使该层流体流速变慢，离开壁面越远其约束作用越弱，这种流速的差异造成了流体内部各层之间的相对运动。
由于流体层与流体层之间产生相对运动，流得快的流体层对与其相邻流得慢的流体层产生一种牵引力，而流得慢的流体层对与其相邻流得快的流体层则产生一种阻碍力。上述这两种力是大小相等而方向相反的。因此，流体流动时，流体内部相邻两层之间必然有上述相互作用的剪应力存在，这种力称为内摩擦力。内摩擦是产生流体阻力的根本原因。
此外，当流体流动激烈呈紊乱状态时，也会损耗流体的机械能，而使阻力增大。可以说，流体流动状况是产生流体阻力的第二位原因。
所以，流体具有内摩擦力是产生流体阻力的内因，流体流动时受流动条件的影响是流体阻力产生的外因。另外，管壁粗糙程度和管子的长度、直径均对流体阻力的大小有影响。
?2．流体的黏度
定义：流体流动时流层之间产生内摩擦力的这种特性。衡量流体黏性大小的物理量 （1）黏度的单位
1、在物理单位制中黏度的单位为（dyn·s/cm2），（泊）用符号P表示。1P＝100cP 2、在SI制中黏度的单位为（N·s/m2）或（Pa·s）。 3、黏度单位的换算关系： 1 Pa·s = 10P =1000 cP =1000mPa·s 或者1 cP =1 mPa·s 4、流体的黏度随温度而变化。
（2）混合液体的黏度（对于分子不缔合的液体混合物）
Ig??xilg?i
二、流体流动的类型 1．雷诺实验
当玻璃管内水的流速较小时，红墨水在管中心呈明显的细直线（a）
随着逐渐增大水的流速，作直线流动的红色细线开始抖动、弯曲、呈波浪形（b） 速度再增大，红色细线断裂、冲散，全管内水的颜色均匀一致（c） 2．流动类型及其判定
层流或滞流：当流速较小时，流体质点沿管轴做规则的平行直线运动，与其周围的流体质点间互不干扰及相混。
湍流或紊流：流体流速增大到某一值时，流体质点除流动方向上的运动之外，还向其他方向做随机运动，即存在流体质点的不规则脉动，彼此混合。 判断流体的流动类型---Re
du?
Re? ?当Re＜2000时，流体的流动类型属于层流，称为层流区 当Re＞4000时，流体的流动类型属于湍流，称为湍流区
在2000 ＜ Re ＜ 4000之间时，流动状态是不稳定的，称为过渡区。
流动虽分为层流区、湍流区和过渡区，但流动类型只有层流和湍流。 3．当量直径
? 8
管路的截面不是圆形，Re计算式中的 d应用当量直径（d当）代替
4?流通截面积d当? 润湿周边长度
4ab2ab边长为a和b的长方形管路，则
d当?? 2?a?b?a?b套管环隙的当量直径，则
?22D内?d外
d当?44?D内?d外
??
??D内?d外?三、圆管内流体的速度分布
1．层流时的速度分布 2．湍流时的速度分布
1
u?umaxu?0?82umax 2在湍流时无论流体主体湍动的程度如何剧烈，在靠近管壁处总粘附着一层作层流流动的流体薄层，称为流体边界层。其厚度虽然很小，但对流体传热、传质等方面影响很大。
四、流体阻力的计算
局部阻力：流体流经管路中的管件、阀门或突然扩大与缩小等局部障碍所引起的阻力。 1．直管阻力的计算
直管阻力：流体流经一定管径的直管时，由于流体的内摩擦而产生的阻力。 lu2h直?? d2h直——流体在圆形直管中流动时的损失能量，J/kg； λ——摩擦系数，无单位
摩擦系数λ与管内流体流动时的雷诺数Re和管道内壁的粗糙程度有关 （1）层流时的摩擦系数－－－ 只与Re有关
64
?? Re（2）湍流时的摩擦系数－－－与雷诺数Re及管壁粗糙程度都有关 （3）非圆形管的直管阻力
2 直
2．局部阻力的计算
（1）当量长度法将某一局部阻力折合成相当于同直径一定长度直管所产生的阻力，此折合的直管长度称为当量长度，用符号l当表示。
l当u2h?? 局d2（2）阻力系数法
2hlu??d2h局??
u29
3．管路总阻力的计算
ξ阻力系数，其值由实验测定，表1-3。
?h损?h直?h局
教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：1.5 流体的流量与调节（2学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体
教学目的要求：掌握流体流动过程的基本原理、管内流动的规律，并运用这些原理和规律去分析和计算流体流动过程的有关问题。
教学重点、难点：孔板流量计；文丘里流量计；转子流量计
第五节 流量的测量与调节
一、孔板流量计
当管内流动的流体通过孔口时，因流通截面积突然减小，流速骤增，随着流体动能的增加，势必造成静压能的下降，由于静压能下降的程度随流量的大小?而变化，所以测定压力差则可以知道流量。 若不考虑通过孔板的阻力损失，在水平管截面1-1和截面2-2之间列出柏努利方程，则
22 p1u1p2u2??? ?2?2
2?p1?p2?22整理得: u2?u1??
2R?指??g22u0?u1?C经校正得:
? 2??d0根据连续性方程式 u1?u0??d?? ?1?带入上式，整理得 2R?指??gCu?0 4??d0?则得 1???d???1?
2gR ?指??管道中的流量为2gR?指??u0?C0q?CA?V00 ?
孔流系数的数值一般由实验测定。，当Re数超过某个限定值之后，亦趋于定值。流量计所测定的流量范围一般应取在为定值的区域，其值约为0.6~0.7。 二、文丘里流量计
???????? 10
孔板流量计由于锐孔结构将引起过多的能量消耗。为了减少能量的损失，把锐孔结构改制成渐缩减扩管，这样构成的流量计，称为文氏管流量计。 一般收缩角 ?1?15?~25?扩大角 ?2?5?~7? 2gR?指??q?CAV文0
?C文值一般为0.98~0.99； A0为喉颈处的截面积，m2
文氏管流量计的阻力较小，大多数用于低压气体输送中的测量。但文氏管流量计加工精度要求高，造价较高。 三、转子流量计
转子流量计是流体流经节流部分的前后压力差保持恒定，通过变动节流部分的截面积来测定流量的流量计。
??教学反思：
章节题目：第二章 流体输送机械 学时分配：6学时 本章教学目的与要求：
要求深刻理解与熟练掌握离心泵工作原理、气缚现象、主要性能参数与特性曲线、影响性能的因素、气蚀现象与安装高度、泵的工作点及其流量调节。
其 它：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：2.1 概述 2.2 离心泵（1，2）（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体
教学目的要求：深刻理解与熟练掌握离心泵工作原理、气缚现象、主要性能参数与特性曲线、影响性能的因素、气蚀现象与安装高度、泵的工作点及其流量调节。 教学重点、难点：离心泵的基本结构、工作原理与性能参数离心泵的基本方程 ；离心泵的效率和实际压头；离心泵的特性曲线
第二章 液体输送机械
第一节 概 述
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一、液体输送机械的作用
输送机械:为输送物料提供能量的机械装置。
当液体从低能位向高能位输送时，必须使用液体输送机械，对物料加入外功以克服沿程的运动阻力及提供输送过程所需的能量。 二、液体输送机械的分类
根据施加给液体机械能的手段和工作原理的不同，大致分四类泵。
2.2 离心泵
1、离心泵的主要部件
离心泵的主要部件为叶轮、泵壳和轴封装置 （1)叶轮
作用：将原动机的机械能传给液体，使通过离心泵的液体静压能和动能均有所提高。 (2) 泵壳
形状：截面逐渐扩大的状似蜗牛壳形的通道称蜗壳。
工作原理：叶轮在壳内顺着蜗形通道逐渐扩大的方向旋转,愈接近液体出口,通道截面积愈大。因此,液体从叶轮外缘以高速被抛出后,沿泵壳的蜗牛形通道而向排出口流动,流速便逐渐降低,减少了能量损失,且使大部分动能有效地转变为静压能。 (3) 轴封装置
作用：防止高压液体从泵壳内沿轴的四周漏出,或者外界空气以相反方向漏入泵壳内的低压区。 普通离心泵所采用的轴封装置是填料函，即将泵轴穿过泵壳的环隙作为密封圈，于其中填入软填料（例如浸油或涂石墨的石棉绳），以将泵壳内、外隔开，而泵轴仍能自由转动。 2、离心泵的工作原理
泵在启动前,首先向泵内灌满被输送的液体，这种操作称为灌泵。
同时关闭排出管路上的流量调节阀，待电动机启动后，再打开出口阀。离心泵启动后高速旋转的叶轮带动叶片间的液体作高速旋转，在离心力作用下，液体便从叶轮中心被抛向叶轮的周边，并获得了机械能，同时也增大了流速，一般可达15～25m/s,其动能也提高了。
思考：为什么要灌泵？
若泵启动前未充满被输送液体，则泵内存有空气，由于空气密度比液体的密度小得多，泵内产生离心力很小，因而在吸入口处的真空度很小，贮槽液面和泵入口处的静压头差很小，不能推动液体进入泵内，启动泵后而不能输送液体的现象称为气缚现象。离心泵吸入管底部安装的带吸滤网的底阀为止逆阀，为启动前灌泵所配置的。 二、离心泵的性能参数与特性曲线
1．性能参数---评价离心泵的性能和正确选用离心泵的主要依据。 （1）流量（送液能力）qv
定义：单位时间内泵排到管路系统中的液体体积。 单位：为m3/h或m3/s
其大小主要取决于泵的结构、尺寸和转速等。
（2）扬程（泵的压头）H
定义：泵对单位重量（1N）的液体所提供的有效能量。 单位：m液柱
泵压头大小取决于泵的结构（叶轮直径、叶片弯曲情况）转速和流量，也与液体的密度有关。
(3) 功率
泵的有效功率p有是指单位时间内液体从泵中叶轮获得的有效能量。单位为W或kW p有?qv?Hg
12
泵的轴功率p轴是指泵轴所需的功率即电动机传给泵轴的功率。单位为W或kW
qv?Hg
轴 ?泵标牌上注明的轴功率是以常温20℃的清水为试验液体，其密度为1000kg/m3计算的。 (4) 效率
p??有?100% p轴2．特性曲线
在额定转速和标准试验条件(大气压101.325kPa,20℃清水)下测得
① - 曲线 表示泵的扬程和流量的关系。曲线表明离心泵的扬程随流量的增大而下降。 ② - 曲线 表示泵的轴功率和流量的关系。曲线表明离心泵的轴功率随流量的增大而上升，当流量为零时轴功率最小，所以离心泵启动时，为了减小启动功率应使流量为零即将出口阀门关闭，以保护电机。待电机运转到额定转速后，再逐渐打开出口阀门。
③ - 曲线 表示泵的效率和流量的关系。曲线表明离心泵的效率随流量的增大而增大，当流量增大到一定值后，效率随流量的增大而下降，曲线存在一最高效率点即为设计点。对应于该点的各性能参数 、 和 称为最佳工况参数，即离心泵铭牌上标注的性能参数。根据生产任务选用离心泵时应尽可能使泵在最高效率点附近工作。 3、影响离心泵特性曲线的因素
（1）密度的影响: qv-H曲线和 qv-η曲线基本不变，qv–p轴曲线已不再使用
（2）黏度的影响：当输送液体的黏度大于常温水的黏度时，泵内液体的能量损失增大，导致泵的流量、压头减小、效率下降，但轴功率增加，泵的特性曲线均发生变化。
（3）离心泵转速的影响：泵的特性曲线均发生变化。但在转速变化小于20%时，流量、扬程及轴功率与转速间的近似关系也可用比例定律进行计算 。
32p?
（4）叶轮直径的影响：若对同一型号的泵换用直径较小的叶轮,但不小于原直径的90%时,离心泵的流量、扬程及轴功率与叶轮直径之间的近似关系称为切割定律。
qv1n1?qv2n2H1?n1?????H2?n2??p轴1?n1?????p轴2?n2??qv1d1?qv2d2H1H2?d1????d???2?2p轴 1?d1??????p轴2d?2?3
三．离心泵的工作点与流量调节
1．管路的特性曲线
管路特性曲线表示流体通过某一特定管路所需要的压头与流量的关系。 流体流过管路所需要的压头为： 22?p?u???8???l??le?2l??leu??因为： Hef?????H????z?f?????2g???d5?qv???g2gd2g????????所以： ?A?Bq2Hev管路特性曲线方程
管路特性曲线的形状由管路布局和流量等条件来确定，而与离心泵的性能无关 2、工作点
泵的特性曲线和管路的特性曲线的交点P
13
若泵在该点所对应的效率是在最高效率区,即为系统的理想工作点。 3、流量调节
(1) 改变管路特性 (2) 改变泵的特性
四、离心泵的汽蚀现象与安装高度 1.汽蚀现象
由于长时间受到冲击力反复作用以及液体中微量溶解氧对金属的化学腐蚀作用,叶轮的局部表面出现斑痕和裂纹,甚至呈海绵状损坏,这种现象称为汽蚀。 思考：为什么会产生气蚀现象？
泵的吸液作用是依靠贮槽的液面0-0和泵入口截面1-1之间的势能差实现的。当pa一定，若向上吸液高度Hg愈高、流量愈大、吸入管路的各种阻力愈大，则p1就愈小，但在离心泵的操作中，p1值下降是有限度的，叶轮入口处压强不能低于被送液体在工作温度下的饱和蒸汽压 p饱，否则，液体将会发生部分汽化，生成的气泡将随液体从低压区进入高压区。在高压区气泡会急剧收缩、凝结，使其周围的液体以极高的流速冲向刚消失的气泡中心，造成极高的局部冲击压力，直接冲击叶轮和泵壳,发生噪音,并引起震动。为避免汽蚀现象的发生,泵的安装高度不能太高，我国离心泵标准中，常采用允许汽蚀余量对泵的汽蚀现象加以控制。
汽蚀余量（△h）：离心泵入口处的静压头与动压头之和必须大于被输送液体在操作温度下的饱和蒸汽压头之值。
2 p饱p1u1?h?(?)? ?g2g?g
允许汽蚀余量（△h允）：能保证不发生汽蚀的最小值。其值由实验测得。 2.离心泵的最大安装高度（Hgmax）
22 p0u0Puz0???z1?1?1?Hf0?1 ?g2g?g2g
将Hg?z1?z0,u0?0代入，得
pp Hgmax?0?饱??h允?Hf0?1?g?g
五、离心泵的组合、安装及运转
（1）并联操作 设两台离心泵型号相同，并且各自的吸入管路也相同，则两台泵的流量和压头必相同。因此，在同一压头下，并联泵的流量为单台泵的两倍。
两泵并联后，流量与压头均有所提高，但由于受管路特性曲线制约，管路阻力增大，两台泵并联的总输送量小于原单泵输送量的两倍。 (2) 串联操作
若两台泵型号相同，则在同一流量下，串联泵的压头应为单泵的两倍。
两泵串联后，压头与流量也会提高，但两台泵串联的总压头仍小于原单泵压头的两倍。 (3) 组合方式的选择
对于低阻输送管路1，并联组合优于串联； 对于高阻输送管路2，串联组合优于并联。 2．离心泵的安装与运转 （1）安装
a 为避免泵运转时发生汽蚀现象,泵的实际安装高度应低于允许最大安装高度值；
b 尽量缩短吸入管路的长度和减少其中的管件，泵吸入管的直径通常均大于或等于泵入口直径，以
14
减小吸入管路的阻力。
c 往高位或高压区输送液体的泵，在泵出口应设置止逆阀，以防止突然停泵时大量液体从高压区倒冲回泵造成水锤而破坏泵体。 (2) 运转
①泵启动前要灌泵，为避免发生气缚现象；启动时应关闭出口阀，为避免电机超载和加大电负荷，待电机运转正常后，再逐渐打开出口阀调节所需流量。
②停泵前应先关闭出口阀再停电机，以免管路内液体倒流，使叶轮受到冲击而被损坏。
③离心泵在运转时还应注意有无不正常的噪音，随时观察真空表和压强表指示是否正常，并应定期检查轴承、轴封等发热情况，保持轴承润滑；也要注意轴封处的泄漏情况，既要防止外泄，又要防止因从此处吸入气体而降低泵的抽送能力。
④若长期停泵不用，应放尽泵和管道内的液体，拆泵擦净后涂油防锈。 六、离心泵的类型与选用 (1) 清水泵 (2) 耐腐蚀泵 (3) 油泵 (4) 液下泵 2．离心泵的选用
离心泵的选择原则上按下列步骤进行：
(1) 确定输送系统的流量和压头 一般液体的输送量由生产任务决定。如果流量在一定范围内变化，应根据最大流量选泵，并根据情况计算最大流量下的管路所需的压头。 (2)选择离心泵的类型与型号
(3)核算泵的轴功率 若输送液体的密度大于水的密度，则要核算泵的轴功率，以选择合适的电机。
教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：2.3 其它类型泵（2学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体
教学目的要求：深刻理解与熟练掌握离心泵工作原理、气缚现象、主要性能参数与特性曲线、影响性能的因素、气蚀现象与安装高度、泵的工作点及其流量调节。 教学重点、难点：一、往复泵二、旋转泵三、旋涡泵
第三节 其它类型泵
一、往复泵
往复泵是活塞泵、柱塞泵和隔膜泵的总称。是应用较广泛的容积式泵，属正位移泵，它是利用活塞的往复运动，将能量传递给液体以达到吸入和排出液体的目的。 1．往复泵的结构及工作原理
15
结构：主要由泵缸、活塞、单向吸人阀、单向排出阀等组成。活塞杆通过曲柄连杆机构将电机的回转运动转换成直线往复运动。
工作原理：工作时，活塞在外力推动下做往复运动，由此改变泵缸的容积和压强，交替地打开吸入和排出阀门，达到输送液体的目的。 2．往复泵的类型 (1)单动往复泵
(2)双动往复泵 活塞往复一次，吸液和排液各两次，形成了双动泵流量曲线。 (3)三联泵
3．往复泵的主要性能 (1) 流量
往复泵的理论流量原则上应等于单位时间内活塞在泵缸中扫过的体积，它与活塞面积、往复频率、行程及泵缸数有关。 (2) 往复泵的扬程和特性曲线
a 往复泵的理论流量是由活塞所扫过的体积所决定,而与管路特性无关。实际上往复泵的流量随压头升高而略微减小, 这是由于容积损失增大造成的。
b 由于往复泵的操作与往复速度均有限，故主要用于小流量、高扬程的场合，尤其适合于输送高粘度液体，但不适于腐蚀性液体和含颗粒混悬液的输送。 4．往复泵的运转和调节 (1)旁路调节
(2)改变曲柄转速和活塞行程 二、旋转泵
旋转泵又称为转子泵，依靠泵壳内一个或多个转子的旋转吸人和排出液体。其扬程高、流量均匀且恒定。旋转泵的结构型式较多，最常用的有齿轮泵和螺杆泵。 1．齿轮泵
主要部件由主动齿轮、从动齿轮、泵体和安全阀等组成，两齿轮轴装在泵体内，泵体、齿轮和泵盖构成的密封空间即为泵的工作腔。齿轮泵工作时，电机带动主动齿轮及与主动齿轮相啮合的从动齿轮按图中所示的方向旋转。 2．螺杆泵
双螺杆泵的原理与齿轮泵相似，是通过两根螺杆的相互啮合来达到输送液体的目的。当需要较高压头时可采用较长的螺杆或多螺杆泵。 三、旋涡泵（特殊类型的离心泵）
工作原理：依靠叶轮的旋转产生惯性离心力，由于离心力的作用，液体在各叶片和引水道之间反复作旋涡形运动，并被叶片多次拍击，从而积蓄了较高的能量，最后达到出口压力而排出。 四、流体作用泵
工作原理：利用一种流体的作用，使流动系统中局部的压强增高或降低，而达到输送另一种流体的目的。如酸蛋、真空输送、喷射泵等，都是流体作用泵。
特点：泵内无活动部件，构造简单，制造方便，可衬以耐酸或抗腐蚀材料，抽气量大，工作压力范围广。适合处理含有机械杂质、水蒸气、强腐蚀性及易燃易爆气体。 1、酸蛋 2、真空输送 3、喷射泵
教学反思：
16
第三章 非均相物系的分离
本章教学目的与要求：
课题名称： 非均相物系的分离 授课时数：6课时
授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：
1.掌握重力沉降与离心沉降的操作原理和基本公式
2.降尘室、连续沉降槽的结构，降沉室的生产能力，旋风分离器的结构和工作原理。 3．过滤操作的基本概念，恒压过滤方程及其应用，过滤设备的基本结构。 教学重点、难点：重力沉降与离心沉降的操作原理和基本公式
第一节 概述
一. 混合物的分类
均相混合物：溶液和混合气体
混合物 非均相混合物 气态：含尘气体等
液态：悬浮液等
2.非均相混合物的分离方法
1）沉降（重力沉降和离心沉降） 2）过滤
第二节 沉降分离
沉降操作：在某种力场中利用连续相和分散相之间的密度差异，使之发生相对运动，从而实现分离的操作过程。 一． 重力沉降 1.沉降速度
Fg＝d3?s6Fb＝d3?6??u2??Fd＝?d??4?2?????2
17
2.影响沉降速度的因素 （1）流体的黏度 （2）颗粒的体积浓度 （3）器壁效应
D/d大于100时，可忽略器壁效应，否则需考虑。 （4）颗粒形状 2.重力沉降设备 1）降尘室 (1)单层降尘室
籍重力沉降从气流中分离出尘粒的设备。
含尘气体净化气体含尘气体utu净化气体尘粒 二. 离心沉降
1.离心沉降：依靠惯性离心力的作用从而实现沉降的过程。 离心沉降效率较重力沉降效率高。
第三节．气固分离
一.旋风分离器的操作原理 外旋流
内旋流（气芯）
可除去直径在5μm以下的尘粒。
18
3.旋风分离器的性能
4.旋风分离器的结构型式与选用 改进措施：
（1）采用细而长的器身 （2）减小涡流的影响
第四节 液固分离
一.过滤操作的基本概念
过滤：以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留在介质上，从而实现固、液分离的操作。 过滤介质：过滤操作用的多孔物质。 滤浆（料浆）：所处理的悬浮液。 滤饼（滤渣）：被截留的固体物质。
19
滤浆滤饼过滤介质滤液架桥现象 1.过滤方式
饼层过滤：饼层起过滤作用 深床过滤：过滤介质起过滤作用 2.过滤介质
足够的机械强度、尽可能小的流动阻力，耐腐蚀性、耐热性。 1）织物介质 2）堆积介质 3）多孔固体介质
3.滤饼的压缩性和助滤剂
不可压缩滤饼：单位厚度床层的流体阻力恒定。
可压缩滤饼：单位厚度床层的流体阻力随压强差加高而增大。 助滤剂： 二.过滤设备
间歇过滤机
操作方式 连续过滤机
压滤机
压强差 吸滤机
离心过滤机
1.板框压滤机
1)结构: 过滤板、过滤框、洗涤板
20
2) 安装
过 过 洗 过 过 过 盲 滤 滤 涤 滤 滤 滤 ----- 框 板 板 框 板 框 板 3)操作过程：装合、过滤、洗涤、卸饼、清洗。
21
4)代号
例：BMS20/635-25
B：板框压滤机 M：明流 S：手动压紧 20：过滤面积，㎡ 635：框内边长，mm 25：框厚，mm 2.加压叶滤机
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3.转筒真空过滤机
1.滤饼的洗涤
2.过滤机的生产能力
过滤机的生产能力：单位时间内获得的滤液体积。 操作步骤：过滤、洗涤、卸渣、清理、装合。 3.连续过滤机的生产能力 操作特点：
(1)过滤、洗涤、卸饼等操作在转筒的不同区域同时进行；
(2)转筒任一块表面旋转一周分别进行了过滤、洗涤、卸饼等操作。 4. 离心机（自学）
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第四章 传热
学时分配：16学时 本章教学目的与要求：
理解与掌握平壁的稳定热传导；圆筒壁的稳定热传导；传热过程计算：平均温度差法；影响对流传热系数的因素、流体有相变时的对流传热系数；了解换热器类型，典型换热器结构；列管式换热器的设计和选用。
其 它：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第一节 概述（2学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：理解与掌握平壁的稳定热传导； 教学重点、难点：传热的基本方式
第一节 概述
一、传热的基本方式 二、传热的基本方式
传热过程的推动力是温度差；热量传递方向总是由高温处自动地向低温处移动。 1．热传导
物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻分子相碰撞，将热能传给温度较低部分的传热方式。在热传导中，物体中的分子不发生相对位移。 2．热对流
流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。
热对流可分为自然对流和强制对流。热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中。 3．热辐射
以电磁波的形式发射的一种辐射能，当此辐射能遇到另一物体时，可被其全部或部分的吸收而变为热能。
辐射传热不需要任何介质作媒介，它可以在真空中传播。 三、工业生产上的换热方法 1．直接接触式换热
特点：冷、热两流体在换热器中直接接触
范围：用水来冷凝水蒸汽等允许两股流体直接接触混合的场合。 2．蓄热式换热
由热容量较大的蓄热室构成，室内装有耐火砖等固体填充物。操作时冷、热流体交替的流过蓄热室，利用固体填充物来积蓄和释放热量而达到换热的目的。 3．间壁式换热
特点：冷、热流体被一固体壁面隔开，分别在壁面的两侧流动，不相混合。 范围：两股流体间需要进行热量交换而又不允许直接相混的场合。 四、间壁式换热器简介
24
1．套管式换热器 2．列管式换热器
五、稳定传热与不稳定传热
稳定传热：在传热系统中温度分布不随时间而改变的传热过程。 不稳定传热：传热系统中温度分布随时间变化的传热过程。
教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第二节 传热计算（6学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：理解与掌握平壁的稳定热传导；
教学重点、难点：热负荷和载热体用量的计算;平均温度差
第二节 传热计算
一、传热速率方程
传热速率：单位时间内通过传热面的热量，单位为W。
两股流体单位时间所交换的热量与传热面积成正比，与温度差成正比，即
把上述比例式改写成等式，以表示比例常数，则得
Q K?传热速率方程 A?t式中K称为传热系数，其单位为： W/（m2·K）或 W/（m2·℃） Q?t传热推动力? A1传热总阻力 K二、热负荷和载热体用量的计算 1．热负荷的计算
热负荷：生产上的换热器内，冷、热两股流体间每单位时间所交换的热量是根据生产上换热任务的需要提出的，热流体的放热量或冷流体的吸热量。
热冷热量衡算式
（1）焓差法
Q?A?t????Q?Q?Q 25
Q?qm热?H1?H2?（2）显热法（无相变）
或 Q?qm冷?h2?h1?
Q?qm冷c冷?t2?t1?（3）潜热法（仅发生相变）
或 Q?qm热c热?T1?T2?
Q?qm热r热或 Q?qm冷r冷
r热、 r冷——热流体和冷流体的相变热（蒸发潜热），J/kg。
2．载热体消耗量 3．载热体的选用
原则：①载体温度必须满足工艺要求；②载热体的温度调节应方便；③载热体应具有化学稳定性，不分解；④载热体的毒性小，对设备腐蚀性小；⑤载热体不易燃、不易爆；⑥载热体价廉易得。 （1） 饱和水蒸汽
优点：冷凝时放出大量的热，加热均匀，不会有局部过热的现象，依据饱和温度与蒸汽压力的对应关系，通过调节压力能很方便、准确的控制加热温度。
缺点：加热温度不太高，因为水蒸气的饱和蒸汽压随温度升高而增大，对锅炉、管路和设备的耐压、密闭要求也大大提高，带来许多困难。所以，一般水蒸气加热的温度范围在120~180℃，绝对压在200 ~1000kPa。
（2）水 是广泛使用的冷却剂
①水与被冷却的流体之间一般应有5~35℃的温度差。
②冷却水的温度不能超过40~50℃，以避免溶解在水 中的各种盐类析出，在传热壁面上形成污垢。 ③水的流速不应小于0.5m/s，否则在传热面上易产生污垢。 三、平均温度差
用传热速率方程式计算换热器的传热速率时，因传热面各部位的传热温度差不同，必须算出平均传热温度差。
均
1．恒温传热时的平均温度差
恒温传热：参与传热的冷、热两种流体在换热器内的任一位置、任一时间，都保持其各自的温度不变。
均
2．变温传热时的平均温度差
变温传：参与传热的两种流体（或其中之一）有温度变化。 （1）单侧变温时的平均温度差 饱和水蒸汽加热某冷流体 高温流体加热恒定温度下沸腾的水
?t??t2?t均?1当 ?t1 时 12?t1?2均In ?tQ?KA?t?t?T?t?t（2）双侧变温时的平均温度差
?t22?t??t?2 26
①并流和逆流时的平均温度差
?t??t2?t112?t均?1?2 当 ?t时 ?t均2ln1 ?t2逆流优于并流，因而工业生产中换热器多采用逆流操作。
② 错流和折流时的平均温度差 四、传热系数的测定和经验值 1．现场实测
从现场测得换热器的传热面积A ，平均温度差 △t 均 及热负荷 Q 后，传热系数K QK?
A?t传热系数的计算公式可利用串联热阻叠加原则导出。对于间壁式换热器，两流体通过间壁的传热包括以下过程：
（1） 热流体在流动过程中把热量传给间壁的对流传热 （2）通过间壁的热传导；
（3） 热量由间壁另一侧传给冷流体的对流传热。
传热过程的总阻力应等于两个对流传热阻力与一个导热阻力之和。
1?R传热总阻力
K
?t??t?t?2??教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第三节 热传导（2学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体
教学目的要求：通过平壁的稳定热传导；通过圆筒壁的稳定热传导 教学重点、难点：通过平壁的稳定热传导；通过圆筒壁的稳定热传导
第三节 热传导
一、导热基本方程和导热系数 1．热传导方程 AQ?t1?t2
?
A 热传导方程式/傅立叶定律 ? t ?Q ?t21?
2．热导率（导热系数）： W/（m·K）或 W/（m·℃)
???? 27
（1）固体的导热系数 （2）液体的导热系数 （3）气体的导热系数
纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低，金属的纯度对导热系数影响很大，合金的导热系数一般比纯金属要低。
非金属建筑材料或绝热材料的导热系数与物质的组成、结构的致密程度及温度有关。通常值随密Q???A?t1?t2?
度的增加而增大，也随温度的升高而增大。
1、气体的导热系数很小，对导热不利，但有利于绝热和保温。 2、气体的导热系数随温度的升高而增大。
3、在相当大的压力范围内，压力对导热系数无明显影响。 二、通过平壁的稳定热传导 1．单层平壁的热传导
Q??A??t1?t2?
把上式改写成下面的形式 Q12导热过程的推动力 A?t?t?t??R
?导单层平壁的导热热阻
2．多层平壁的热传导
因是连续稳定传热，所以各层的传热速率也都相等。
Q??t?t3?t1??t2??t3A?1??t2???31 ?23???tR?导1?R导2?R导1?2?1?2?3????31?2?3多层平壁的传热速率由推动力总温度差与各层的热阻之和的比值求得
?tQ?t1?R导1?
AR导1?R导
?tQ?t2?AR导2?R导2?R导
?tQ?t3?R导3?R导
A3?R导三、通过圆筒壁的稳定热传导 1．单层圆筒壁的热传导
热流的方向是从筒内到桶外： ?t1?t2?与热流方向垂直的圆筒面积（传热面积） A?2?rL(r1～r2)
Q??A均
??t1?t2?Q28
A???t??t1?t2?1?t2?均????t?R导
?2?rLA均均Q? ?
r?r式中r均在工程计算中，采用对数平均值：
r均?21r
ln2 r1当r2/r1=2时，使用算术平均值代替对数平均值的误差仅为4%在工程计算上是允许的。
r?r
r均?12 22．多层圆筒壁的热传导
由不同材质构成的多层圆筒壁的热传导也可按多层平壁的热传导处理，计算传热速率。但是，作为计算各层热阻的传热面积不再相等，而应采用各层的对数平均面积。
对于图中所示的三层圆筒壁，其公式为 ?t1??t2??t3Q?r?r 将A均?2?21L代入，得?3?1?2??rIn2 ?1A均1?2A均2?3A均3r1 t1?t42?L?t1?t4?? r?rQ?r?rr?r21r311r21r4?32?43 In?In?In?1A均1?2A均2?3A均3?1r1?2r2?3r3
2?r均L?t1?t2?r2?r1教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第四节 对流传热（2学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：对流传热速率方程和表面传热系数
教学重点、难点：表面传热系数的影响因素;无相变化时对流传热过程的量纲分析;无相变化的对流传热
第四节 对流传热
一、对流传热方程 1．对流传热分析
对流传热：冷热两个流体通过金属壁面进行热量交换时，由流体将热量传给壁面或者由壁面将热量传给流体的过程。层流内层的导热和湍流主体对流传热的统称。
29
分析：流体沿固体壁面流动时，无论流动主体湍动的多么激烈，靠近管壁处总存在着一层层流内层。热量以热传导方式通过层流内层。虽然层流内层的厚度很薄，但导热的热阻值却很大，因此层流内层产生较大的温度差。
另一方面，在湍流主体中，由于对流使流体混合剧烈，热阻小，热量十分迅速的传递，因此湍流主体中的温度差极小。 2．对流传热方程
壁
引入比例系数α,则上式可写成：
Q?At壁?t 对流传热方程式，也称为牛顿冷却定律
α称为对流传热系数（或给热系数），其单位为W/(m2·℃)。
物理意义是，流体与壁面温度差为1℃时，在单位时间内通过每m2传递的热量。 二、对流传热系数
1．影响对流传热系数的因素 （1）流体的种类 （2）流体的物理性质 （3）流体的相态变化 （4）流体对流的状况 （5）流体的运动状况
（6）传热壁面的形状、位置、大小、管或板、水平或垂直、直径、长度和高度等。 2．对流传热系数
目前工程计算中采用理论分析与实验相结合的方法建立起来的经验关联式，即准数关联式。常用的准数及物理意义列于表5-6中。
（1）流体在圆形直管内强制湍流无相变发生时(适用于气体或低黏度液体) 0?8ndu??????c?内 ???0?023?????d内??????
当流体被加热时n=4，当流体被冷却时n=3 应用范围：Re＞104, 0.7＜Pr ＜120 特征尺寸：管内径 d内
定性温度：取流体进、出口温度的算术平均值 （2）流体有相变化时的对流传热系数 ① 蒸汽的冷凝 ② 液体的沸腾
a 一般的传热设备通常总是控制在核状沸腾下操作，很少发生膜状沸腾。由于液体沸腾时要产生气泡，所以一切影响气泡生成、长大和脱离壁面的因素对沸腾对流传热都有重要影响。如此复杂的影响因素使液体沸腾的传热系数计算式至今都不完善，误差较大。但液体沸腾时的值一般都比流体不相变的值大。如果与沸腾液体换热的另一股流体没有相变化，传热过程的阻力主要是无相变流体的热阻。
b 由于影响对流传热系数的因素很多，所以的数值范围很大。一般，流体在传热过程中有相变化时的值比较大；在没有相变化时，水的值最大，油类次之，气体和过热蒸气最小。 3、设备热损失计算
Q?A?t??t??? 30
许多化工设备的外壁温度常高于周围空气的温度，必然会有热量散失于周围环境中。这部分散失的热量，除有对流传热方式进行外，还有辐射传热的方式。所以，设备损失的热量应等于对流传热和辐射传热两部分之和。所以，总的热量损失 Q损 为：
损总壁
对于有保温层的设备、管道等，其外壁对周围环境散热的联合膜系数，可用下列各式进行估算。
Q??A?t?t?教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第五节 传热系数（2学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：对流传热速率方程和表面传热系数 教学重点、难点：传热系数的计算
第五节 传热系数
一、传热系数的计算 1．传热面为平壁
R?RR1?111?导?R2??????1?2K则：
K?11 ????11??2
① 多层平壁
??1??1??2?nK?1?1 ???????
1?2n????1??2
② 若固体壁面为金属材料，固体金属的导热系数大，而壁厚又薄， δ/λ 一项α2相比可略去不计
K?1??1?2
1???11??21?2③ 当α1＞＞α2时,值接近于热阻较大一项的 α2 值。
④壁面的温度
稳定传热过程中热流体对壁面的对流传热量及壁面对冷流体的对流传热量均相等
即
QA??1?T?t壁1???2?t壁2?t?
31
与1/α1和1/
2．传热面为圆筒壁
当传热面为圆筒壁时，两侧的传热面积不相等。在换热器系列化标准中传热面积均指换热管的外表面积，若以表示换热管的内表面积，表示换热管的平均面积，则
1
K外?A外?A 1?外? ?1A内?A均?2K内?11?1K均???A内A?均?A均?2A外1
对于圆管沿热流方向传热面积变化的换热器，其传热系数必须注明是以那个传热面为基准 二、污垢热阻
由于污垢层厚度及其导热系数难以测定,通常只能根据污垢热阻的经验值作为参考来计算传热系数。
若管壁内、外侧表面上的污垢热阻分别为R内和R外，根据串联热阻叠加原则，则：
1
K?1?1
?R内??R外? ?内??外A???均?1A内??2A外A均教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第六节 换热器（2学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：对流传热速率方程和表面传热系数 教学重点、难点：各类换热器的构造与特点
第六节 换热器
换热器是制药、化工等其他许多工程领域中的通用设备，在生产中占有很重要的地位。按照传热的用途可分为加热器、预热器、冷却器、冷凝器、再沸器和蒸发器等。虽然换热器的名称不同，但设备的构造与形式却大多完全相同。 一、间壁式换热器的类型
32
1．管式换热器
（1）蛇管式换热器 为防止蛇管变形，通常将蛇管固定在支架上。在高压操作时，也可以将蛇管铸在或焊在容器壁上。 ①沉浸式换热器
优点：结构简单，能承受高压，可用耐腐蚀材料制造，适用于传热量不太大的场合； 缺点：管外对流传热系数小。 ②喷淋式换热器 （3）列管式换热器 ①固定管板式
将安装着管束的两块管板直接固定在外壳上。当两流体的温度差超过50℃时，就应采取热补偿的措施。在外壳的适当部位焊上一个补偿圈（或称膨胀节），当外壳和管束热膨胀不同时，补偿圈发生弹性变形（拉伸或收缩），以适应外壳和管束不同的热膨胀。 ②U型管式换热器
由于管子弯成U型，U型传热管的两端固定在一块管板上，因此每根管子都可以自由的伸缩。而且整个管束可以拉出壳外进行清洗，但管内的清洗比较困难，只适用于洁净而不易结垢的流体，如高压气体的换热。 ③浮头式换热器
由于一端管板不与壳体固定，是浮头结构，当管子受热或冷却时，管束连同浮头可以自由伸缩。而且管束还可以从壳体中抽出，不仅管外可以清洗，管内也可以清洗。
a 为了提高壳方流体的流速，从而增大壳方对流传热系数，可以在壳体内与管束平行的插入挡板，把壳体隔成多程；或垂直与管束在壳体设置挡板。
b 列管换热器中，一般管内空间容易清洗，故不清洁和易结垢的流体走管内，还有腐蚀性流体、高压流体和高温等流体走管内。但是，蒸汽、沸腾液体走壳方，对于这种场合壳方不需要挡板。 2．板式换热器
优点：结构紧凑、材料消耗低、传热系数大，对于压力较低、温度不高或腐蚀性强而须用贵重材料的场合，各种板式换热器都显示出更大的优越性。
缺点：不能承受高压和高温。 （1）夹套式换热器
主要用于反应过程的加热和冷却。在用蒸汽进行加热时，为了便于排除冷凝水，蒸汽由上部接管进入夹套，冷凝水由下部接管流出。
在加热蒸汽进口处应安装压力表以便观察蒸汽的压力和温度，在夹套上方应留有不凝性气体排除口。
对于直径较大的夹套式换热器，加热蒸汽应从不同方向的几个入口引入，如果只从一个口进入，蒸汽易走短路，使传热不均匀，增多蒸汽入口，可提高传热效果。
作为冷却器时，当夹套内通入的是冷却介质，为了便于排除夹套中的空气以及使冷却剂充满夹套，通常入口在底部，而出口在夹套上方。
特点：构造简单，内壁易搪瓷，在生产中常用作反应器、贮液槽和结晶器等，在化工生产中应用很广。但其加热面受容器壁面的限制，且传热系数也不高。为了提高传热系数，可在器内安装搅拌器，为了补充传热面的不足，也可在器内安装蛇管。 （2）螺旋板式换热器
由两张金属薄板卷成螺旋状而构成传热壁面，在其内部形成一对同心的螺旋形通道。换热器中央设有隔板，将两个螺旋形通道隔开。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、热流体分别由两螺旋形通道流过，通过薄板进行换热。
优点是传热系数大，结构紧凑，单位体积的传热面约为列管式的3倍；冷、热流体间为纯逆流
33
流动，传热推动力大；由于流速较高以及离心力的作用，在较低的数下即可达湍流，使流体对器壁有冲刷作用而不宜结垢和堵塞。
缺点为制造复杂，焊接质量要求高；因整个换热器焊成一体，一旦损坏不易修复；操作压力和温度不能太高，一般压力不超过2MPa，温度不超过300~400℃。 3．特殊形式的换热器 （1）翅片式换热器
作用：增大了传热面积，而且增强了流体的扰动程度，从而使传热过程强化。 ①翅片管式换热器
结构特点：在换热管的外表面或内表面装有许多翅片，常用的翅片有纵向和横向两类
管翅式换热器通常是用来加热空气或其他气体。因为用饱和蒸汽加热空气时，气体的对流传热系数值很小，而饱和蒸汽的对流传热系数值很大。所以，这一传热过程的主要热阻便集中在气体一侧，要提高传热速率，就必须设法降低气体一侧的热阻。当气体在管外流动时，在管外增设翅片，既可以增加传热面积，又可以强化气体的湍动程度，使气体的对流传热系数提高。 ② 板翅式换热器
优点：结构高度紧凑，单位体积设备所提供的传热面高达2500~4370m2/m3。传热系数也很高。因翅片对隔板有支撑作用，板翅式换热器允许操作压力也比较高，可达5MPa。
缺点：设备流道很小，容易产生堵塞并增大压力降，一旦结垢清洗很困难，因此只能处理清洁的物料。另外对焊接要求质量高，发生内漏很难修复。 （2）热管换热器
在抽出不凝气体的金属管内充以某种工作液体，然后将两端封闭。管子的内表面覆盖一层有毛细结构材料做成的芯网，由于毛细管力作用，液体可渗透到芯网中去。当加热段受热时，工作液体受热沸腾，产生的蒸气流至冷却段时凝结放出潜热。冷凝液沿着吸液芯网回流至加热段再次沸腾。如此过程反复循环，热量则不断由热流体传入热管的蒸发段，再由冷凝段将热量传向冷流体。
用热管制成的换热器，对强化壁两侧对流传热系数皆很小的气-气传热过程特别有效。近年来，热管换热器广泛地应用于回收锅炉排除的废热以预热燃烧所需之空气，取得很大的经济效果。 二、传热过程的强化途径
均1．增大传热面积
从设备的结构入手，提高单位体积的传热面积。当间壁两侧相差很大时，增加值小的那一侧的传热面积，会大大提高换热器的传热速率。如采用小直径管，用螺旋管、波纹管代替光滑管，采用翅片式换热器都是增大传热面积的有效方法。 2．增大平均温度差
当换热器中两侧流体都变温时，应尽可能从结构上采用逆流或接近逆流的流向以得到较大的传热温度差。 3．增大传热系数 1K?
1?1?R内??R外?
?内??外
减小对流传热热阻、污垢热阻和管壁热阻。由于各项热阻所占比重不同，故应设法减小其中起控制作用的热阻。根据对流传热过程分析，需减小层流边界层的厚度以减小对流传热热阻。
（1）提高流速，层流边界层随之减薄。例如增加列管式换热器中的管程数和壳体中的挡板数，可提高流体在管程的流速，加大流体在壳程的扰动。
Q?KA?t 34
（2）增强流体的人工扰动，强化流体的湍动程度。如管内装有麻花铁、螺旋圈等添加物，它们能增大壁面附近流体的扰动程度，减小层流边界层的厚度，增大值。
（3）防止结垢和及时清除垢层，以减小污垢热阻。例如，增大流速可减轻垢层的形成和增厚；让易结垢的流体在管内流动，以便于清洗；采用机械或化学的方法清除垢层，也可采用可拆卸结构的换热器，以便于垢层的清除。
强化传热要权衡得失，综合考虑。如通过提高流速，增加流体的湍动程度以强化传热的同时，都伴随着流体阻力的增加。因此在采取强化传热措施的时候，要对设备结构、制造费用、动力消耗、检修操作等全面考虑，加以权衡，得到经济而合理的方案。 三、列管式换热器设计或选用时应考虑的问题 1．流体流经管程或壳程的选择原则
（1）不清洁或易结垢的流体，宜走容易清洗的一侧。对于直管管束易走管程；对于U形管束宜走壳程。
（2）腐蚀性流体宜走管程，以免壳体和管束同时被腐蚀。 （3）压力高的流体宜走管程，以避免制造耐高压的壳体。 （4）饱和蒸汽宜走壳程，以便于排出冷凝液。
（5）对流传热系数明显小的流体宜走管内，以便于提高流速，增大值。 （6）被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。 （7）有毒流体宜走管程，使向环境泄漏机会减少。
（8）黏度大的液体或流量小的流体宜走壳程，因有折流挡板的作用，流速和流向不断改变，在低Re（ Re ＜100）数下即可达到湍流。
（9）两流体温度差较大时，对于固定管板式换热器，宜将对流传热系数大的流体走壳程，以减小管壁与壳体的温度差，减小温度应力。 2．流体流速的选择
涉及到传热系数、流体阻力及换热器结构等方面。增大流速，不仅对流传热系数增大，也可减少杂质沉淀或结垢，但流体阻力也相应增大。故应选择适宜的流速，通常根据经验选取。 3．流体进、出口温度的确定
换热器内两股流体进、出口温度，常由生产过程的工艺条件所决定，但在某些情况下则应在设计时加以确定。如用冷却水冷却某种热流体，冷却水进口温度往往由水源及当地气温条件所决定的，但冷却水出口温度则需要在设计换热器时确定。为了节约用水，可使水的出口温度高些，但所需传热面积加大；反之，为减小传热面积，则可增加水量，降低出口温度。据一般的经验，冷却水的温度差可取5~10℃。缺水地区可选用较大温度差，水源丰富地区可选用较小的温度差。若用加热介质加热冷流体，可按同样的原则选择加热介质的出口温度。 4．提高管内膜系数的方法——多程
当流体流量较小而所需传热面积较大，即管数多，管内流速较低时，为了提高流速，增大管程对流传热系数，可采用多程，即在换热器封头内装置隔板。但程数多时，隔板占去了布管面积，使管板上能利用的面积减少，导致管程流体阻力增加，平均温度差下降。设计时应综合考虑这些问题。列管换热器系列标准中管程数有1、2、4、6四种。采用多程时，通常应使每程的管子数相等。 5．提高管外膜系数的方法——装置挡板
安装挡板的目的是为了加大壳程流体的速度，使湍动程度加剧，提高壳程流体的对流传热系数。常用的方式有下面两种。 （1）装置纵向挡板 （2）装置横向挡板 6．管子的规格和管间距
教学反思：
35
第六章 吸收
学时分配：12学时 本章教学目的与要求：
了解吸收的应用，着重掌握双膜理论，并能在此基础上进行吸收剂用量计算和填料层高度计算。
其 它：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第一节 概述第二节 吸收的相平衡（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：掌握吸收操作的类型以及相关基本概念
教学重点、难点：吸收操作的类型及方法，亨利定律，比摩尔分率，吸收速率
第一节 概述
一、吸收的类型 二、吸收剂的选择 三、吸收操作的条件
第二节 吸收的相平衡
一、亨利定律
二、用摩尔比表示的相平衡关系 三、气体在液体中的溶解度 教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：6-3 吸收速率方程（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：掌握吸收过程推动力、阻力的概念 教学重点、难点：吸收过程总传质速率方程
6-3 吸收速率方程
吸收的传质速率等于传质系数乘以吸收的推动力。吸收的推动力有多种不同的表示法，吸收的传质速率方程有多种形式。应该指出不同形式的传质速率方程具有相同的意义，可用任意一个进行计算；但每个吸收传质速率方程中传质系数的数值和单位各不相同；传质系数的下标必须与推动力的组成表示法相对应。
36
.1 气膜吸收速率方程式
NA?kG(pA?pAi) （4-22）
NA?ky(yA?yAi) （4-23） NA?kY(YA?YAi) （4-24）
2 液膜吸收速率方程式
NA?kL(cAi?cA) （4-25）
NA?kx(xAi?xA) （4-26） NA?kX(XAi?XA) （4-27）
3 总吸收速率方程式
1．用气相组成表示吸收推动力时，总传质速率方程称为气相总传质速率方程，具体如下：
*NA?KG(pA?pA) （4-28）
NA?Ky(y?y*) （4-29） NA?KY(Y?Y*) （4-30）
2．用液相组成表示吸收推动力时，总传质速率方程称为液相总传质速率方程，具体如下：
*NA?KL(cA?cA) （4-31）
NA?Kx(x*?x) （4-32） NA?KX(X*?X) （4-33）
3．总传质系数与单相传质系数之间的关系及吸收过程中的控制步骤
若吸收系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线，则：
*cA?HpA
根据双膜理论，界面无阻力，即界面上气液两相平衡，对于稀溶液，则
cAi?HpAi
将上两式代入式（4-25）得：
*NA?HkL(pAi?pA)
或 式（4-22）可转化为 ：
1* NA?pAi?pAHkL 37
1NA?pA?pAi kG?11?*??两式相加得 ? ?N?p?pAAA?HkkG??L NA?1?11?????Hk??LkG?*(pA?pA)
将此式与式（4-28）比较得
111 （4-34） ??KGHkLkG用类似的方法得到
11H （4-35） ??KLkLkG
1m1 （4-36） ??Kykxky111 （4-37） ??Kxkxmky1m1 （4-38） ??KYkXkY
（1）气膜控制
111 （4-39） ??KXkXmkY*由式（4-34）可以看出，以气相分压差pA?pA表示推动力的总传质阻力
1是由气相传质阻KG力
11和液相传质阻力两部分加和构成的，当kG与kL数量级相当时，对于H值较大的易溶气kGHkL11?，即传质阻力主要集中在气相，此吸收过程由气相阻力控制（气膜控制）。如用水KGkG体，有
吸收氯化氢、氨气等过程即是如此。 （2）液膜控制
由式（4-35）可以看出，以液相浓度差cA?cA表示推动力的总传质阻力是由气相传质阻力
38
*HkG
和液相传质阻力
1两部分加和构成的。对于H值较小的难溶气体，当kG与kL数量级相当时，有kL11?，即传质阻力主要集中在液相，此吸收过程由液相阻力控制（液膜控制）。如用水吸收二KLkL氧化碳、氧气等过程即是如此。
教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：6-4填料吸收塔的计算（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：掌握填料吸收塔传质单元数的概念及计算
教学重点、难点：吸收塔的物料衡算、吸收剂用量及填料层高度的计算
6-4填料吸收塔的计算
1、填料层高度的计算
设填料层高度为H 米，空塔截面积为S m2,填料的有效比表面积为αm2/m3，则填料层高度计算式：
H?qn(V)Y1dY （4-45） *?Y2KY?SY?Yqn(V)X1dX 或 H? （4-46）
KX?S?X2X*?X2 吸收塔中的物料衡算—操作线方程 如图
从塔内任意截面到塔底对吸收质作物料衡算： qn(L)X+ qn(V)Y1= qn(L)X1+ qn(V)Y
qn(V)(Y1-Y)= qn(L)(X1-X) （4-40）
图4-8 逆流吸收的物料衡算 或 Y?qn(L)q(L)X?Y1?nX1 （4-41）
qn(V)qn(V) 该式称为吸收操作线方程，表示吸收过程中，塔内任意截面Y与X间的关系。
若对整个塔作物料衡算，则有：
39
Y2?qn(L)q(L)X2?Y1?nX1 （4-42）
qn(V)qn(V) 如图4-9，吸收过程的操作线是经过点（X1,Y1）和点（X2,Y2）的一条直线，其斜率为qn(L)/qn(V)，
操作线上的任一点表示在塔内任一截面上气液相组成的关系。 生产中常以气相被吸收的吸收质的量与气相中原有吸收质的量之比，衡量吸收效果和确定吸收任务，称为吸收率η
Y2?Y1(1??) （4-43）
Y13 传质单元高度和传质单元数
X1dYdX ?和?分别称气相传质
Y2Y?Y*X2X*?X单元数和
液相传质单元数，用NOG和NOL表示，
qn(V)和
KY?Sqn(L)分
KX?S别称气相传质单元高度和液相传质单元高度，用HOG和HOL表示 H=HOG NOG (4-47) H=HOL NOL (4-48) 1、对数平均推动力法
在吸收过程中，由于气液两相在塔内的浓度不断变化，使吸收塔内的各个截面上的吸收推动力（Y-Y*或X*-X）不同，对于符合亨利定律的体系，气液平衡关系是直线，直接积分就可以得到NOG、NOL的解析式， NOG?Y1?Y2 （4-49）
?Ym**?Y1??Y2(Y1?Y2)?(Y2?Y2) 而 ?Ym? （4-50） ??Y1Y1?Y1*lnln*?Y2Y2?Y2 △Ym—以气相表示的全塔对数平均传质推动力。
同理 NOL?X1?X2 （4-51）
?Xm*?X1??X2(X1?X1)?(X*2?X2) ?Xm? （4-52） ?*?X1X1?X1lnln*?X2X2?X2 △Xm—以液相表示的全塔对数平均传质推动力。
2、图解积分法
当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时，通用图解积分法求解传质单元数。
图解积分法的关键在于找到若干点与积分变量 Y 相对积函数的值。其步骤为
常可采应的被
40
(1)在操作线和平衡线上得若干组与 Y 相应的值 1/(Y-Y*) ； (2) 在 Y1 到 Y2 的范围内作 Y~
1 曲线；
Y?Y*(3)计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单元数 NOG 4 吸收剂用量的计算
吸收操作处理气量qn(V)，进出塔气体组成Y1、Y2，以及吸收剂进塔组成X2通常是由生产工艺确定的，而吸收剂用量和塔底溶液浓度是可以变动的，为了完成工艺要求的任务，需计算吸收剂的用量。 1、液气比
由全塔物料衡算式（4-42）Y2?qn(L)q(L)X2?Y1?nX1 可知吸收剂出塔浓度 X1与吸收
qn(V)qn(V)剂用量qn(L)是相互制约的，
? 选取的qn(L)/qn(V) ?，操作线斜率 ? ，操作线与平衡线的距离 ? ，塔内传质推动力 ? ，
完成一定分离任务所需塔高 ?；
? qn(L)/qn(V) ?，吸收剂用量? ，吸收剂出塔浓度 X1? ，循环和再生费用? ；
? 若qn(L)/qn(V) ? ，吸收剂出塔浓度 X1? ，塔内传质推动力? ，完成相同任务所需塔高? ，
设备费用? 。
要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负荷量qn(L)/qn(V)的减小是有限的。 当qn(L)/qn(V)下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切，此时对应的qn(L)/qn(V) 称为最小液气比，用
?qn(L)/qn(V)?min表示。
? 在最小液气比下操作时，在塔的某截面上（塔
底或塔内）气、液两相达平衡，传质推动力为零，完成规定传质任务所需的塔高为无穷大。对一定高度的塔而言，在最小液气比下操作则不能达到分离要求。
? 实际液气比应在大于最小液气比的基础上，兼顾设备费用和操作费用两方面因素，按总费用
最低的原则来选取。 ? 根据生产实践经验，一般取 ?qn(L)/qn(V)?适宜=（1.1～2.0）?qn(L)/qn(V)?min 2、最小液气比
由图4-10可知，?qn(L)/qn(V)?min? 若体系服从亨利定律，Y1?mX1 故有 ?qn(L)/qn(V)?min?*Y1?Y2 （4-44） *X1?X2Y1?Y2 （4-44a）
Y1?X2m 吸收剂最小用量qn(L)min=qn(V)
Y1?Y2 （4-44b） *X1?X241
或 qn(L)min?qn(V)Y1?Y2 （4-44c）
Y1?X2m教学反思：
章节题目：第七章 蒸馏 学时分配：24学时 本章教学目的与要求：
介绍蒸馏的基本原理，常用的蒸馏方法，运用相关的基本理论和方法描述蒸馏过程
其 它：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第一节 概述（2学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：蒸馏及其在化工生产中的应用 教学重点、难点：汽液传质设备的分类
第一节 概述
一、蒸馏及其在化工生产中的应用
蒸馏：通过加热造成汽液两相体系，利用液体混合物各组分挥发性的差别或沸点的 差别实现组分的分离与提纯。
应用：对粗产品进行纯化或将溶剂回收和提纯，如：石油炼制品的切割、有机合成 产品的提纯、溶剂回收和废液排放前的达标处理等。 二、汽液传质设备的分类（板式塔和填料塔） 1、填料塔
（1）以填料作为汽液相接触的基本单元；
（2）气液两相在填料塔内进行接触传质、传热； （3）液相为分散相，汽相为连续相。 2、板式塔
（1）在塔板上，汽液两相密切接触，进行热量和质量的交换。 （2）液相为连续相，汽相为分散相。
42
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第二节 两组分溶液的汽液平衡关系（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：双组分理想溶液的汽液平衡相图
教学重点、难点：理想溶液的汽液相平衡关系——拉乌尔定律；双组分理想溶液的汽液平衡相图
第二节 两组分溶液的汽液平衡关系
一、理想溶液的汽液相平衡关系——拉乌尔定律 理想溶液的汽液相平衡服从拉乌尔定律，即：
0 pA?pAxA
00pB?pBxB?pB(1?xA)
以x和y分别表示易挥发组分在液相和汽相中的摩尔分数。 二、双组分理想溶液的汽液平衡相图
双组分理想溶液的汽液平衡关系用相图表示比较直观、清晰，而且影响蒸馏的因素可在相图上直接反映出来。蒸馏中常用的相图为恒压下的温度－组成（t-x-y）图和汽相－液相组成（y-x）图。 1、温度－组成（t-x-y）图（恒压）
当汽液两相达到平衡时，两相的温度相同，但汽相中易挥发组分的组成大于液相组成。当汽液两相组成相同时，则汽相露点总时大于液相的泡点。
若溶液为理想溶液，则服从拉乌尔定律。总压不太高时，可认为汽相是理想气体，服从道尔顿分
00压定律。可得: p?pA?pB?pAxA?pB(1?xA)
0解得: p?pBxA?00 pA?pB
0以及: yA?pAxAp
若已知温度t和总压p，由温度t查出pA0 、pB0 ，由以上两式就可求出xA、yA。 2．汽－液相组成（y-x）图
（1）对于理想溶液达到平衡时，汽相中易挥发组分浓度y总是大于液相的x，故其平衡线位于对角线的上方。
（2）平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。
（3）总压变化不大时，外压对y-x关系的影响可忽略。在y-x曲线上任何一点所对应的温度不同。 三、相对挥发度
纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸汽压。混合液体中各组分的挥发度可用它在蒸汽中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分数之比来表示，即
ppvA?AvB?B xAxB
对于理想溶液，因符合拉乌尔定律，则 00pBx BpAxA00vB??pBvA??pAxBxA
43
因为pA0 、pB0 随温度变化而变化，所以νA、νB也随温度而变化，在使用时不方便，为此引入相对挥发度的概念。
相对挥发度（α）：溶液中易挥发组分的挥发度与难挥发组分的挥发度之比。
vpx
??A?AA vBpBxB若操作压力p不高，汽相遵循道尔顿分压定律，上式可改写为
pyxyx
??AA?AA pyBxByBxB 或：
yAx??A
yBxB
0对于理想溶液，则有 pA??0 pB理想溶液中组分的相对挥发度等于同温度下两纯组分的饱和蒸汽压之比。
由于 pA0 、pB0均随温度沿相同方向而变化，因而两者的比值变化不大。 α近似为一常数。
对于两组分溶液，
代入式
xB?1?xAyB?1?yA
yAx??AyBxByAx??A1?yA1?xAy?
略去下标A，整理得
?x ? 1 ) x 相平衡方程 1 ? ( ?若α =1，则由上可以看出y=x,即相平衡时汽相的组成与液相的组成相同，不能用普通蒸馏方法分离。
若α＞1 ，则y>x，α愈大，y比x大的愈多，组分A和B愈易分离。
教学反思：
课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第三节 简单蒸馏和精馏（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：精馏装操作流程及精馏原理 教学重点、难点：精馏原理
第三节 简单蒸馏和精馏
一、简单蒸馏
简单蒸馏（微分蒸馏）:使混合液在蒸馏釜中逐渐汽化，并不断将生成的蒸汽移出在冷凝器内冷凝，从而使混合液中组分部分分离。
44
是间歇非稳定操作，在蒸馏过程中系统的温度和汽、液组成均随时间改变。 流程：
釜内易挥发组分含量由原料的初始组成沿泡点线不断下降直至终止蒸馏时组成，釜内溶液的沸点温度不断升高，汽相组成也随之沿露点线不断降低。 二、精馏原理
多次部分汽化和冷凝的图
多次部分汽化和冷凝的图 连续精馏塔示意图
三、精馏装操作流程
精馏段的作用是自下而上逐步增浓气相中的易挥发组分，以提高产品中易挥发组分的浓度。 提馏段的作用是自上而下逐步增浓液相中的难挥发组分，以提高塔釜产品中难挥发组分的浓度。 回流液不但是使蒸汽部分冷凝的冷却剂，而且还起到给塔板上液相补充易挥发组分的作用，使塔板上液相组成保持不变。
连续精馏的流程：原料液通过泵送入精馏塔。在加料板上原料液和精馏段下降的回流液汇合，逐板溢流下降，最后流入再沸器中。操作时，连续的从再沸器中取出部分液体作为塔底产品（釜残液），部分液体汽化，产生上升蒸汽依次通过各层塔板，最后在塔顶冷凝器中被全部冷凝。部分冷凝液利用重力作用或通过回流液泵流入塔内，其余部分经冷却器冷却后作为塔顶产品（馏出液）。间歇精馏的流程与连续精馏的类同，区别在于原料液一次性加入，进料位置移至塔釜上部。
教学反思：
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课 堂 教 学 方 案
课题名称、授课时数：第四节 双组分连续精馏过程的物料衡算（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：双组分连续精馏过程的物料衡算 教学重点、难点：理论板的概念及恒摩尔流
第四节 双组分连续精馏过程的物料衡算
一、理论板的概念及恒摩尔流假定 1．理论板的概念
理论板是指离开该塔板的蒸汽和液体成平衡的塔板。不论进入理论板的汽－液两相组成如何，离开时两相温度相等，组成互成平衡。
理论板是不存在的：由于板上汽－液两相接触面积和接触时间是有限的，因此在任何形式的塔板上，汽－液两相难以达到平衡状态。但它可作为实际板分离效率的依据和标准。 2．恒摩尔流假定
恒摩尔流是指在精馏塔内，无中间加料或出料的情况下，每层塔板的上升蒸汽摩尔流量相等（恒摩尔气流），下降液体的摩尔流量也相等（恒摩尔液流），即 （1）精馏段 上升蒸汽摩尔流量 V1?V2?V3???V?常数提馏段 V1'?V2'?V3'???V'?常数
V不一定等于V′
（2）精馏段 下降液体的摩尔流量 L1?L2?L3???L?常数'提馏段 L1?L'2?L'3???L'?常数
L不一定等于L′
二、物料衡算和操作线方程 1．全塔物料衡算
由于是连续稳定操作，故进料流量必等于出料流量。则
总物料： F?D?W
易挥发组分： FxF?DxD?WxW全塔物料衡算式关联了六个量之间的关系，若已知其中四个，联以上两式就可求出另外两个未知数。使用时注意单位一定要统一、对应。
回收率是指回收了原料中易挥发组分（或难挥发组分）的百分数。
Dx塔顶易挥发组分的回收率
??D?100% FxFW(1?xW)塔底难挥发组分回收率
???100% F(1?xF)
2．操作线方程（xn与yn+1关系) （1）精馏段操作线方程
把精馏段内任一横截面（例如第n块与第n+1块塔板间）以上的塔段及塔顶冷凝器作为物料衡算区域。精馏段的操作线方程可通过对该区域的物料衡算求得。即
V?L总物料 ?D
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易挥发组分
由以上两式整理，得
Vyn?1?Lxn?DxD
LDR?yn?1?
（2）提馏段操作线方程
对任意第m板和第m+1板间以下塔段及再沸器作物料衡算式，即
总物料： L'?V'?W''易挥发组分： L'xm?V'ymxW?1?W
由以上两式得： '提馏段操作线方程 L'W'ym?1?'xm?'xW三、进料热状况的影响 L?WL?W进料热状况不同，将影响提馏段下降的液体量L’ ，因而使提馏段操作线的斜率受到影响。进料热状况态对L’的影响可通过进料热状态参数来表示。q的定义式为：
(L'?L)
q? F即每1kmol进料使得L′较L增大的摩尔数。通过对加料板作物料及热量衡算， 就能得到q值得计算式：
将1kmol进料变为饱和蒸汽所需的热量q? 1kmol原料液的汽化潜热L ′=L+qF V=V’+(1-q)F
根据q值得大小将进料分为五种情况
1.q =1,泡点液体进料
原料液加入后不会在加料板上产生汽化或冷凝，进料全部作为提馏段的回流液，两段上升蒸汽流量相等，即L′=L+F
V′=V
2．q=0,饱和蒸汽进料
进料中没有液体，整个进料与提馏段上升的蒸汽V’汇合进入精馏段，两段的回流液流量则相等，即L′=L
V=V′+F
3．0 进料中液相部分成为L’的一部分，而其中蒸汽部分成为V的一部分，即 L′=L+F V=V′+(1-)F 4．q>1,冷液进料 提馏段下降液体流量L’由三部分组成：（1）精馏段回流液流量L；（2）原料液流量F（3）提馏段蒸汽冷凝液流量。由于部分上升蒸汽冷凝，致使上升到精馏段的蒸汽流量V比 提馏段的V’要少，即L′﹥L+F V′﹥ V (其差额为蒸汽冷凝量) 5．q<0,过热蒸汽进料 Rxxn?DR?1R?1 47 进入精馏段的上升蒸汽流量包括三部分：（1）提馏段上升蒸汽流量V’；（2）原料液的流量F；（3）加料板上部分汽化的蒸汽流量。由于部分液体汽化，下降到提馏段的液体流量要比精馏段的L要少，即L ′＜L (其差额为液体汽化量) V＞V ′+F 各种加料情况对精馏操作的影响 （a）泡点进料；（ｂ）饱和蒸汽进料；（c）汽液混合进料 （d）过冷液体进料；（e）过热蒸汽进料 教学反思： 课 堂 教 学 方 案 课题名称、授课时数：第五节 塔板数和回流比的确定（4学时） 授课类型（理论课、实验课、技法课、习题课等）：理论课 教学方法与手段（讲授、讨论、指导、多媒体等）：多媒体 教学目的要求：理论塔板数的求法 教学重点、难点：塔板数和回流比的确定 第五节 塔板数和回流比的确定 一、理论塔板数的求法 1．逐板计算法 逐板计算法通常是从塔顶(或塔底)开始，交替使用气-液相平衡方程和操作线方程去计算每一块塔板上的气-液相组成，直到满足分离要求为止。计算步骤如下： (1)根据汽液平衡关系,由y1求x1 ?x1y1 y1?x1? 1?(??1)x1??(??1)y1(2)根据精馏段操作线方程,由x1求y2 48 y2?Rxx1?DR?1R?1交替使用汽液平衡关系和精馏操作线方程，直到计算到xn ≤xF，第n块理论板是进料板。 此后，改用提馏段操作线方程和汽液平衡关系，直到xm′≤xW 2．图解法 （1）精馏段操作线的作法 根据 L'Wy?'x?'xW L?WL?W确定a、c两点,连接ac即为精馏段操作线 （2）提馏段操作线的作法 Rx由提馏段方程 y?x?D R?1R?1 略去下标，得 'L'W'ym?1?'xm?'xW L?WL?W L?qFW因 '得 y?x?xWL?L?qF L?qF?WL?qF?W 确定b、d两点,连接bd即为精馏段操作线 设两操作线的交点d的坐标为（xq ，yq） ，联立两操作线方程 (R?1)xF?(q?1)xD可得 xq? R?q Rx?qxDyq?F R?q qxxq?F为便于作图和分析，由以上两式消去 x D ,得到 yq?q?1q?1 x ?qq线方程或进料方程。它在相图此方程为两操作线交点的轨迹方程，称为 y 上是通过点 的一条直线，其斜率为 。由以上两条件可作出q线ef，即可求得它和精馏段操作线的交点，e?xF,xF?q?1而q线是两操作线交点的轨迹，故这一交点必然也是两操作线的交点d,联接bd即得提馏段操作线。 （3）进料热状况对q线及操作线的影响 进料热状况参数q值不同，q线的斜率也就不同，q线与精馏段操作线的交点随之变动，从而影响提馏段操作线的位置。 49 冷液进料:ef1 ,饱和液体进料ef2 ，汽液混合进料ef3，饱和蒸汽进料ef4，过热蒸汽进料ef5。 （4）图解法求理论板数的步骤 a 绘出平衡曲线，并作出对角线。 b 作精馏段的操作线ac，q线ef，提馏段操作线bd。 c 作水平线及垂直线构成直角梯级,直至梯级的水平线达到或跨过b点为止。 d 梯级数目减一即为所需理论板数。 3．适宜的进料位置 二、塔板效率和实际塔板数 1.塔板效率 实际塔板偏离理论板的程度。实际塔板数总应多于理论塔板数。 （1）单板效率 它用汽相（或液相）经过一实际塔板时组成变化与经过一理论板时组成变化的比值来表示。 以汽相表示的单板效率： 实际板的汽相增浓值yn?yn?1 Emv??*理论板的汽相增浓值yn?yn?1以液相表示的单板效率： 实际板的液相浓度降低值xn?1?xnEml??* 理论板的液相浓度降低值xn?1?xn（2）全塔效率ET 定义：理论板数与实际板数之比称为全塔效率又称为总板效率。 N理 ET?N实?100% 50