化工原理第四章第四节讲稿.ppt
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化工原理(第四版)王志魁课件(化学工业出版社)第四章 传热 PPT
（二）热对流
• 自然对流：由于流体内温度不同造成的浮升力
•
引起的流动。
• 强制对流：流体受外力作用而引起的流动。
特点：流动介质中的传热，流体作宏观运动 （三）热辐射 物体因热的原因发出辐射能的过程称为热辐射。
• 能量转移、能量形式的转化 • 不需要任何物质作媒介
三、两流体通过间壁换热过程 （一）间壁式换热器
V2 V1
V1t
或 V 2V 1(1t)
而
V2
m 2
V1
m 1
得： 1 1 (1t) 2 1
或 12(1 t)
由温度差而产生的单位体积的升力：
1 2 g 2 ( 1 t ) 2 g 2 g t
加热板
冷却板
3.流体的物性 ， ， ，cp
4. 传热面的形状，大小和位置 形状——管、板、管束等； 大小——管径、管长、板厚等； 位置——管子的排列方式，垂直或水平放置。
dQdAt n
式中 dQ ── 热传导速率，W或J/s； dA ── 导热面积，m2； t/ n ── 温度梯度，℃/m或K/m； ── 导热系数，W/(m·℃)或W/(m·K)。
• 负号表示传热方向与温度梯度方向相反
二、热导率
dtQ //dnA tq /n
• 在数值上等于单位温度梯度下的热通量
• 表征材料导热性能的物性参数
在半径r处取dr同心薄层圆筒
QAdt2rldt
dr
dr
积分
r2Qdr t22rldt
r1
t1
Q 2l(t1 t2 )
ln r2 r1
讨论：
Q t1 t2 t1 t2
lnr2 2l R
r1
热阻
ln r2 R r1 r2 r1
化工原理 第四章
第二节 过滤
若滤饼需要洗涤，可将洗水压人洗水通道，经洗涤板 角端的暗孔进入板面与滤布之间。此时，应关闭洗涤板下 部的滤液出口，洗水便在压力差推动下穿过一层滤布及整 个厚度的滤饼，然后再横穿另一层滤布，最后由过滤板下 部的滤液出口排出，这种操作方式称为横穿洗涤法，其作 用在于提高洗涤效果。洗涤结束后，旋开压紧装置并将板 框拉开，卸出滤饼，清洗滤布，重新组合，进入下一个操 作循环。 板框压滤机优点是构造简单，制造方便、价格低；过 滤面积大，可根据需要增减滤板以调节过滤能力；推动力 大，对物料的适应能力强，对颗粒细小而液体较大的滤浆 也能适用。缺点是间歇操作，生产效率低；卸渣、清洗和 组装需要时间、人力，劳动强度大，但随着各种自动操作 的板框压滤机的出现，这一缺点会得到一定程度的改进。
第二节 过滤
（2）多孔性固体介质 是素瓷、金属或玻璃的烧结物、 塑料细粉粘结而成的多孔性塑料管等， 适用于含粘软性 絮状悬浮颗粒或腐蚀性混悬液的过滤,一般可截留粒径1～ 3μm的微细粒子。 （3）粒状介质 是由各种固体颗粒(砂石、木炭、石棉) 或非编织纤维(玻璃棉等)堆积而成。适用于深层过滤，如 制剂用水的预处理。 （4）微孔滤膜，是由高分子材料制成的薄膜状多孔介 质。适用于精滤,可截留粒径0.01μm以上的微粒,尤其适 用于滤除0.02～10μm的混悬微粒。
第二节 过滤
图4-4 滤板和滤框
第二节 过滤
2．转鼓真空过滤机 转筒真空过滤机为连续式真空过滤设备,如图4-5所示。 主机由滤浆槽、篮式转鼓、分配头、刮刀等部件构成。篮 式转鼓是一个转轴呈水平放置的圆筒,圆筒一周为金属网 上履以滤布构成的过滤面,转鼓在旋转过程中,过滤面可依 次浸入滤浆中。转筒的过滤面积一般为5～40m2,浸没部分 占总面积的30%～40%,转速约为0.1～3r/min。转鼓内沿径 向分隔成若干独立的扇形格,每格都有单独的孔道通至分 配头上。转鼓转动时,籍分配头的作用使这些孔道依次与 真空管及压缩空气管相通,因而,转鼓每旋转一周,每个扇 形格可依次完成过滤、洗涤、吸干、吹松、卸饼等操作。
电子教案与课件：《化工原理下册》 第4章萃取
❖ 萃取剂的选择是萃取操作的关键
第4章 液—液萃取
❖ 萃取的基本流程
第4章 液—液萃取
❖ 下列情况下采用萃取比蒸馏更经济合理
1、组分间相对挥发度接近“1“或者形成恒沸物的混合液 2、溶质在混合液中的含量很低且为难挥发组分 。 3、有热敏性组分的混合液
第4章 液—液萃取
❖ 萃取相 萃余相
1、萃取相（E）含萃取剂（S）多；萃余相（R）含 原溶剂（B）多。
第4章 液—液萃取
4.2.2多级错流接触萃取的计算 若单级萃取所得的萃余相溶质含量较高，
未低于规定值，则需采用多级萃取。
多级错流接触萃取流程
（1）每级都加入新鲜溶剂 （2）前级的萃余相为后级的原料
第4章 液—液萃取
4.2.2多级错流接触萃取的计算
已知条件:相平衡数据、原料液F的量、组成 xF及其各级S的用量，同时规定最终萃余相要 达到的组成为xn
第4章 液—液萃取
➢ 三角形相图上的相平衡关系
1、溶解度曲线和联结线
•实验获取溶解度曲线
•联结线的意义
●★
★ ★●
第4章 液—液萃取
➢ 三角形相图上的相平衡关系
2、临界混溶点和辅助曲线
•临界混溶点 •临界混溶点是萃取相 与萃余相的分界点。
第4章 液—液萃取
➢ 三角形相图上的相平衡关系
2、临界混溶点和辅助曲线
最小用量
➢ 原料一定，萃取剂S用量越
小，混合点M越靠近F点，但
不能超过溶解度线上的RC点
RC
对应RC点的萃取剂用量为 其最小用量Smin
第4章 液—液萃取
4.2.1.4单级萃取的最大萃取液组成及相应的萃取剂 用量
➢ 从S点作溶解度曲线的切线 与AB边相交，交点是单级 萃取所能得到的最大萃取 液组成。
第4章 液—液萃取
❖ 萃取的基本流程
第4章 液—液萃取
❖ 下列情况下采用萃取比蒸馏更经济合理
1、组分间相对挥发度接近“1“或者形成恒沸物的混合液 2、溶质在混合液中的含量很低且为难挥发组分 。 3、有热敏性组分的混合液
第4章 液—液萃取
❖ 萃取相 萃余相
1、萃取相（E）含萃取剂（S）多；萃余相（R）含 原溶剂（B）多。
第4章 液—液萃取
4.2.2多级错流接触萃取的计算 若单级萃取所得的萃余相溶质含量较高，
未低于规定值，则需采用多级萃取。
多级错流接触萃取流程
（1）每级都加入新鲜溶剂 （2）前级的萃余相为后级的原料
第4章 液—液萃取
4.2.2多级错流接触萃取的计算
已知条件:相平衡数据、原料液F的量、组成 xF及其各级S的用量，同时规定最终萃余相要 达到的组成为xn
第4章 液—液萃取
➢ 三角形相图上的相平衡关系
1、溶解度曲线和联结线
•实验获取溶解度曲线
•联结线的意义
●★
★ ★●
第4章 液—液萃取
➢ 三角形相图上的相平衡关系
2、临界混溶点和辅助曲线
•临界混溶点 •临界混溶点是萃取相 与萃余相的分界点。
第4章 液—液萃取
➢ 三角形相图上的相平衡关系
2、临界混溶点和辅助曲线
最小用量
➢ 原料一定，萃取剂S用量越
小，混合点M越靠近F点，但
不能超过溶解度线上的RC点
RC
对应RC点的萃取剂用量为 其最小用量Smin
第4章 液—液萃取
4.2.1.4单级萃取的最大萃取液组成及相应的萃取剂 用量
➢ 从S点作溶解度曲线的切线 与AB边相交，交点是单级 萃取所能得到的最大萃取 液组成。
化工原理课程课件PPT之第四章传热
t1 tn1
n
Ri
i 1
t1 tn1 n bi
i1 i S
各层的温 差分布？
多层平壁导热是一种串联的导热过程，串联导热过程
的推动力为各分过程温度差之和，即总温度差，总热阻为
各分过程热阻之和，也就是串联热阻叠加原则。
天津商业大学
本科生课程 化工原理
第四章 传热
16
3、接触热阻
若以R0′表示单位传热面的接触热阻，
通过两层平壁的热通量变为 ：
q t1 t3
b1
1
R0'
b2
2
影响因素：
接触材料的种类及硬度，
接触面的粗糙程度，
接触面的压紧力，
空隙内的流体性质。
接触热阻一般通过实验测定或凭经验估计
天津商业大学
本科生课程 化工原理
第四章 传热
17
§4.2.4 圆筒壁的稳定热传导
1、单层圆筒壁的热传导
仿照平壁热传导公
2
三、传热速率与热通量
传热速率（热流量 ）Q 单位时间内通过传热面的热量，单位为W。
热通量（又称为热流密度或传热速度）q 单位传热面积的传热速率，单位为W/m2 。
传热速率与热通量的关系为 q dQ dS
传热温差以△t 表示（℃），热阻以R或R′表示 （℃/W）或 （m2·℃/W）
天津商业大学
t2 b2
t2 R2
2S
3S
t3
t4 b3
t3 b3
t3 R3
3S
天津商业大学 本科生课程 化工原理
第四章 传热
假定条件
15
t1 QR1 , t2 QR2, t3 QR3
Q t1 t2 t3 R1 R2 R3
化工原理第四章对流传热41页PPT
Re
lu
普兰德数 (Prandtl number)
Pr c p
表示惯性力与粘性力之比， 是表征流动状态的准数
表示速度边界层和热边界层 相对厚度的一个参数，反映
与传热有关的流体物性
影响 较大的物性常数有：，， Cp ，。 （1）的影响 ； （2）的影响 Re ；
（3）Cp的影响 Cp 则单位体积流体的热容量大，
则较大； （4）的影响 Re 。
2020/3/29
3、流动型态 【层流】主要依靠热传导的方式传热。由于流体的
导热系数比金属的导热系数小得多，所以热阻大。
【湍流】由于质点充分混合且层流底层变薄，较大
2020/3/29
2、有效膜模型
（1）流体与固体壁面之间存在一个厚度为bt的虚拟 膜（流体层），称之为有效膜； （2）有效膜集中了传热过程的全部传热温差的以及 全部热阻，在有效膜之外无温差也无热阻存在（所 有的热量传递均产生在有效膜内）； （3）在有效膜内，传热以热传导的方式进行。
2020/3/29
2020/3/29
二、对流传热速率方程 1、什么是模型法
【定义】把复杂问题简单化、摒弃次要的条件，抓 住主要的因素，对实际问题进行理想化处理，构建 理想化的物理模型，获得某一过程的有关规律。具 体方法为： （1）对过程进行合理的简化； （2）获得物理模型（构象）； （3）对物理模型进行数学描述，获得有关规律。
过程的因素都归结到了当中。
2020/3/29
三、影响对流传热系数的因素
1、引起流动的原因 【自然对流】由于流体内部存在温差引起密度差形
成的液体内部环流，一般u较小，也较小。
【强制对流】在外力作用下引起的流动运动，一般u
较大，故较大。因此：
化工原理4PPT课件
d' PC
1 N d PC
可沉降出更细的颗粒。
第20页/共86页
4.沉降室的计算
由层流区的计算式
d pc
18 p
g ut c
18 qVs ( p )g WL
可分为三类计算问题： (1) 已知气体处理量qVs, 物性数据(ρ, μ, ρp ), 临界粒径 dpc ,
求底面积WL； (2) 已知底面积WL, 物性数据, 临界粒径 dpc , 求气体处理
6
d
p 3 r
2
p
4
d
2 p
u
2
2
0
第27页/共86页
此时，颗粒在径向上相对于流体的速度，就是它在这个
位置上的离心沉降速度
dr
d
ur
4d p p r2 3
比较，重力沉降速度
ut
4dP ( p)g 3
g r 2
在一定的条件下，重力沉降速度是一定的，而离心 沉降速度随着颗粒在半径方向上的位置不同而变化。
量qVs ； (3) 已知气体处理量qVs, 物性数据 , 底面积WL, 求临界粒
径 dpc ；
第21页/共86页
例3-2 用高2m 、宽2.5m、长5m的重力降尘室分离空气中的粉尘。 在操作条件下空气的密度为0.779kg/m3，黏度为2.53×10-5Pa.s， 流量为5.0×104m3/h。粉尘的密度为2000 kg/m3。试求粉尘的临界 粒径。
悬浮液 — 含有颗粒直径较大的液体； 溶胶 — 含有颗粒直径小于1 μ m的液体。
为了促进细小颗粒絮凝成较大颗粒以增大沉降速度， 可往溶胶中加入少量电解质。
絮凝剂---凡能促进溶胶中微粒絮凝的物质。 常用的有：明矾（KAl(SO4).12H2O），三氧化铝，
天津大学版化工原理第四章热传导ppt 课件
3
或：
dt dt a bt 2rl dr dr Q ln r ＝2 at t b t 2 t 2 1 1 l r1 2 175 0.000198 2 128.6 ln ＝2 0.103180 t 3 180 2 t 3 75 2 导热：Q＝－A
y：组分的摩尔分率
二. 平壁的稳定热传导
1、单层平壁的稳定热传导
二. 平壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳定热传导 b t2 dt Q dx S dt Q S 0 t1 dx
S (t1 t2 ) t1 t2 t Q b b / S R
传热推动力 传热速率＝ 传热阻力 若对傅立叶定律进行不定积分 x t Q 传热推动力：温度差
r2 dr t2 dt dt Q S 2rl Q 2l dt r1 r t1 dr dr
t1 t 2 t1 t 2 r2 r1 Q 2l 令rm r2 ln( r2 r1 ) r 2 ln ln r1 r1 2l 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) S 2lr 或Q m m r2 r2 (r2 r1 ) ln b ln r1 r1
t 总推动力 (t1 t4 ) Q b b1 b R 总热阻 2 3 1S m1 2 S m 2 3 S m3 也可写为： Q t1 t 4 ln r2 / r1 ln r3 / r2 ln r4 / r3 2l1 2l2 2l3
对n层圆筒壁
例题
• 例4-1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层 是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 • 耐火砖 b1=150mm λ1=1.06W/m· ℃ • 保温砖 b2=310mm λ2=0.15W/m· ℃ • 建筑砖 b3=240mm λ3=0.69W/m· ℃ • 今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之 间界面处的温度为946℃。试求： • (a)单位面积的热损失； • (b)保温砖与建筑砖之间界面的温度； • (c) 建筑砖外侧温度。
或：
dt dt a bt 2rl dr dr Q ln r ＝2 at t b t 2 t 2 1 1 l r1 2 175 0.000198 2 128.6 ln ＝2 0.103180 t 3 180 2 t 3 75 2 导热：Q＝－A
y：组分的摩尔分率
二. 平壁的稳定热传导
1、单层平壁的稳定热传导
二. 平壁的稳定热传导 1、单层平壁的稳定热传导 b t2 dt Q dx S dt Q S 0 t1 dx
S (t1 t2 ) t1 t2 t Q b b / S R
传热推动力 传热速率＝ 传热阻力 若对傅立叶定律进行不定积分 x t Q 传热推动力：温度差
r2 dr t2 dt dt Q S 2rl Q 2l dt r1 r t1 dr dr
t1 t 2 t1 t 2 r2 r1 Q 2l 令rm r2 ln( r2 r1 ) r 2 ln ln r1 r1 2l 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) 2l (r2 r1 ) (t1 t 2 ) S 2lr 或Q m m r2 r2 (r2 r1 ) ln b ln r1 r1
t 总推动力 (t1 t4 ) Q b b1 b R 总热阻 2 3 1S m1 2 S m 2 3 S m3 也可写为： Q t1 t 4 ln r2 / r1 ln r3 / r2 ln r4 / r3 2l1 2l2 2l3
对n层圆筒壁
例题
• 例4-1 有一燃烧炉，炉壁由三种材料组成。最内层 是耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖。已知 • 耐火砖 b1=150mm λ1=1.06W/m· ℃ • 保温砖 b2=310mm λ2=0.15W/m· ℃ • 建筑砖 b3=240mm λ3=0.69W/m· ℃ • 今测得炉的内壁温度为1000℃，耐火砖与保温砖之 间界面处的温度为946℃。试求： • (a)单位面积的热损失； • (b)保温砖与建筑砖之间界面的温度； • (c) 建筑砖外侧温度。
化工原理第四章讲稿PPT课件
2020/9/30
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3、间壁式换热
间壁式换热的特点是冷、热流体被一固体隔开，分别在壁 的两侧流动，不相混合，通过固体壁进行热量传递。 传热过程可分为三步： •热流体将热量传给固体壁面（对流传热） •热量从壁的热侧传到冷侧（热传导） •热量从壁的冷侧面传给冷流体（对流传热） 壁的面积称为传热面，是间壁式换热器的基本尺寸。
q t1 t3
b1
1
r0
b2
2
接触热阻与接触面的材料，表面 粗糙度及接触面上压强等因素有 关。
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42
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2、多层平壁的稳定热传导
Q
1S
t1
t2 b1
t1 b1
1S
t1 R1
2S
t2 b2
t3
t2 b2
t2 R2
2S
3S
t3
t4 b3
t3 b3
t3 R3
3S
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40
t1 QR1,t2Q2R,t3 QR3
Qt1t2 t3 R1R2 R3
b1
SdLn
d——管径可分别用管内径di,管外径d0或平均直径dm来表示。 则对应的传热面积分别为管内侧面积Si，外侧面积S0或平均面 积Sm
2020/9/30
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六、传热速率与热通量
传热速率（热流量 ）Q :
单位时间内通过传热面的热量，单位为w。
热通量（又称为热流密度或传热速度）q :
单位传热面积的传热速率。单位为w/m2
35
2、固体的导系数
纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低， 金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增 大，也随温度升高而增大。
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•两侧的α相差不大时，则必须同时提高两侧的α，才能提高K
值。
•污垢热阻为控制因素时，则必须设法减慢污垢形成速率或及
时清除污垢。
2020/12/9
例：有一列管换热器，由φ25×2.5的钢管组成。CO2在管内 流动，冷却水在管外流动。已知管外的α1=2500W/m2·K，管 内的α2= 50W/m2·K 。 （1）试求传热系数K； （2）若α1增大一倍，其它条件与前相同，求传热系数增大 的百分率； （3）若增大一倍，其它条件与（1）相同，求传热系数增 大的百分率。
——换热器的热量衡算式
若换热器中的两流体的比热不随温度而变或可取平均温度
下的比热时 Q Whcph T1 T2 Wccpct2 t1
2020/12/9
若换热器中热流体有相变化，例如饱和蒸汽冷凝，冷凝 液在饱和温度下离开。
Q Wh r Wcc pc t2 t1
若冷凝液的温度低于饱和温度离开换热器
依据：总传热速率方程和热量恒算
2020/12/9
一、热量衡算
热量衡算是反映两流体在换热过程中温度变化的相互关系
对于间壁式换热器，假设换热器绝热良好，热损失可忽略 则在单位时间内的换热器中的流体放出的热量等于冷流体吸
收的热量。即：Q Wh Hh1 Hh2 Wc Hc1 Hc2
应用：计算换热器的传热量
K 0 dm i di
或K
1
1 bd0 d0
0 dm idi
同理：
——基于外表面积总传热系数计算公式
1 Ki 1 bd0 d0
i dm 0di
Km
dm
1 b
di
idi 0d0
2020/12/9
3、污垢热阻
在计算传热系数K值时，污垢热阻一般不可忽视，污垢热 阻的大小与流体的性质、流速、温度、设备结构以及运行时 间等因素有关。
0.0265m2 K /W
2020/12/9
K 37.7W / m2 K
K值增加的百分率 K K 100% 37.7 37.5 100%
K
37.5
0.53%
（3）α2增大一倍，即α2 =100W/m2·K时的传热系数 K
dS m
3) 管壁与流动中的冷流体的对流传热 dQ i tw tdSi
间壁换热器总传热速率为：dQ KT tdS0
dQ
T t 1KdS0 Nhomakorabea RT TW 1
0dS0
t1 R1
TW
tW b
t2 R2
dS m
tw t 1
t3 R3
i dSi
2020/12/9
利用串联热阻叠加原则：
传热面积不同，总传热系数的数值不同。
2020/12/9
传热基本方程可分别表示为：
Q KiSitm K0S0tm KmSmtm
式中：
Ki、Ko、Km——分别为管内表面积、外表面积和内外侧
的平均表面积的传热系数，w/m2·K
Si、So、Sm——换热器管内表面积、外表面积和内外侧
的平均面积，m2。 注：工程上大多以外表面积为计算基准，Ko不再加下标“o”
Q Wh r c phTs T2 Wcc pc t2 t1
2020/12/9
二、总传热速率方程
通过换热器中任一微元面积的间壁两侧的流体的传热速 率方程，可以仿照对流传热速率方程写出：
dQ K(T t)dS KtdS
——总传热速率微分方程 or 传热基本方程
K——局部总传热系数，（w/m2℃）
若管壁内侧表面上的污垢热阻分别用Rsi和Rs0表示，根据 串联热阻叠加原则，
2020/12/9
K
1
1
0
RS 0
bd
dm
RSi
d0 di
d0
idi
当管壁热阻和污垢热阻均可忽略时，
111
K i 0
若 i＞＞0
则 1 1
K o
•总热阻是由热阻大的那一侧的对流传热所控制。
•提高K值，关键在于提高对流传热系数较小一侧的α。
dQ T t1 t2 t3
R
R1 R2 R3
1 1 b 1
KdS0 0dS0 dSm i dSi
若以外表面为基准
1 1 bdS0 dS0 dS d dl
K 0 dSm idSi dS0 dSm d0 dm , dS0 dSi d0 di
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1 1 bd0 d0
2020/12/9
三、总传热系数
1、总传热系数K的来源
1) 生产实际的经验数据 2) 实验测定 3) 分析计算
2、传热系数K的计算
流体通过管壁的传热包括： 1) 热流体在流动过程中把热量传递给管壁的对流传热
dQ o T Tw dSo
2020/12/9
2) 通过管壁的热传导
dQ Tw tw b
第四章 传热
第四节 传热计算
一、能量衡算 二、总传热速率微分方程 三、总传热系数 四、平均温度差 五、传热面积的计算 六、传热单元数法 七、壁温的计算 八、保温层的临界直径
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设计计算 根据生产任务的要求，确定换热器的
传热面积及换热器的其它有关尺寸，
传热计算
以便设计或选用换热器。
校核计算 判断一个换热器能否满足生产任务的 要求或预测生产过程中某些参数的变 化对换热器传热能力的影响。
2500
45 22.5
20 50 20
2020/12/9
0.0004 0.00058 0.000062 0.000625 0.025
0.0267m2 K /W K 37.5W / m2 K
(2)α1增大一倍，即α1 =5000W/m2·K时的传热系数K’
1 0.0002 0.00058 0.000062 0.000625 0.025 K
2020/12/9
解：
（1）求以外表面积为基准时的传热系数
取钢管的导热系数λ=45W/m·K，
冷却水测的污垢热阻Rs1=0.58×10-3 m2·K/W
CO2侧污垢热阻Rs2=0.5×10-3 m2·K/W
则：
1 K
1
1
Rs1
bd1
dm
Rs2
d1 d2
1
2
d1 d2
1 0.58103 0.0025 25 0.5103 25 1 25
物理意义：在数值上等于单位传热面积、单位温度差下的传 热速率。
2020/12/9
当取△t和k为整个换热器的平均值时，对于整个换热器
，传热基本方程式可写成：
Q KStm
K——换热器的平均传热系数，w/m2·K
或
Q
tm
/
1 KS
1 ——总传热热阻 KS
注意：其中K必须和所选择的传热面积相对应，选择的