第三章化工原理_修订版_天津大学_
天津大学版 化工原理 第三章 非均相分离
(2) 颗粒沉降时彼此相距较远，互不干扰
(3) 容器壁对颗粒沉降的阻滞作用可以忽略， 若容器直径不到颗粒直径的100倍左右，这种作 用便显出
(4) 颗粒直径不能小到受流体介质分子热运动 的影响，否则沉降速度要变小，严重时便不能 沉降
例 颗粒大小测定
已测得密度为 ρp = 1630kg/m3 的塑料珠在 20℃ 的 CCl4 液体中的沉降速度为 1.70×10-3m/s，20℃时CCl4 的密度 ρ=1590kg/m3，粘度μ=1.03×10-3Pa/s，求此塑料珠的直径
Fd
Fb
沉降速度
ut
4gd(s ) 3
Fg
注意：沉降速度ut为颗粒与 体的相对运动速度
一、 球形颗粒的自由沉降
Fg-Fb-Fd= ma
Fd
Fb
6
d 3 (s
)g
4
d
2 ( u 2
2
)
6
d 3s
du
d
恒速沉降时，du/dτ＝0，u=ut
由此可得沉降速度
Fg
ut
6
3
(s
)
uT2 R
颗粒在运动中所受的介质阻力： d 2 ur2
42
上面两力达平衡时有：ur
4d (s )uT2 3R
当颗粒与流体介质的相对运动属于层流时， 24 Rer
离心沉降速度为：ur
d
2 (s ) (uT2 18 R
)
颗粒作圆周运 动的切向速度
离心分离因数Kc
• （1）等体积当量直径:
•
de=
• （2）等比表面积当量直径
化工原理_上下册_修订版_(夏清__陈常贵_着)_天津大学出版社 绪论.ppt(改)
本课程的研究方法
1.试验研究方法 试验研究方法 2.数学模型法 数学模型法
化工过程计算的基础: 化工过程计算的基础
四川理工学院材化系 化学工程教研室
绪论
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单位制与单位换算
1、单位制： 、单位制： 单位制 基本物理量及单位 cgs制 长度 制 长度(L) cm Kms 制 长度(L) 长度 m 质量(M) 质量 g 质量(M) 质量 kg 时间(θ) 时间 s 时间(θ) 时间 s 别称 绝对单 位制
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绪论
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几个基本概念
3、过程速率 、 过程速率=过程推动力 过程推动力/过程阻力 过程速率 过程推动力 过程阻力 4、平衡关系 、 过程所能进行到的极限状态的数学描述
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绪论14/13四川理工院材化系 化学工程教研室绪论
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单位制与单位换算
➣重力单位制：长度(L)、时间 重力单位制：长度 重力单位制 、时间(θ)、力(F) 、 的规定单位分别为m、 、 的规定单位分别为 、s、kg(f)，又称 ， 工程单位制。 工程单位制。 单位制中规定的基本物理量： ➣ SI单位制中规定的基本物理量：质量 单位制中规定的基本物理量 ）、长度 ）、时间 ）、物质 （kg）、长度（m）、时间（s）、物质 ）、长度（ ）、时间（ ）、 ）、热力学温度 ）、电流强 量（mol）、热力学温度（K）、电流强 ）、热力学温度（ ）、 ）、发光强度 度（A）、发光强度（cd） ）、发光强度（ ） 辅助量：平面角（ ）、立体角 辅助量：平面角（rad）、立体角（sr） ）、立体角（ ）
四川理工学院材化系 化学工程教研室 绪论 4/13
化工原理课件(天大版)
蒸馏分类
根据操作方式的不同，蒸馏可分为简单蒸馏 、平衡蒸馏和精馏三种类型。
二元系气液平衡关系及相图表示方法
二元系气液平衡关系
在一定温度和压力下，二元混合物中某一组分在气相 中的分压与该组分在液相中的浓度之间的关系。这种 关系可以用相平衡常数或活度系数来表示。
流动阻力与能量损失
讲解流体在管道中流动时的阻力来源和能量损失情况，以及如何降 低流动阻力和减少能量损失。
管路内流体流动阻力
沿程阻力
介绍沿程阻力的概念、计 算方法和影响因素，以及 如何利用沿程阻力系数计 算沿程阻力。
局部阻力
阐述局部阻力的概念、计 算方法和影响因素，以及 如何利用局部阻力系数计 算局部阻力。
压力
降低压力可以降低溶液的沸点，从而减少加热蒸 汽的消耗量。但是过低的压力可能导致设备泄漏 和安全问题。
设备结构
设备的结构形式、加热方式、搅拌方式等都会对 蒸发操作产生影响。合理的设备结构可以提高传 热效率和汽液分离效果，降低能耗和减少设备结 垢的风险。
基本原理
离心泵性能参数与特性曲线
性能参数
离心泵的主要性能参数包括流量、扬程、转速、功率、效率等。这些参数反映了 泵的工作能力和经济性。
特性曲线
离心泵的特性曲线是表示泵的性能参数之间关系的曲线，如Q-H曲线、Q-η曲线 等。通过分析特性曲线，可以了解泵的工作范围、最佳工况点以及不同工况下的 性能表现。
离心泵选择与操作
有流量大、压力适中的特点。
螺杆式压缩机
通过一对相互啮合的螺杆进行气 体的压缩，具有结构简单、运转
平稳、噪音低等优点。
天津大学化工原理课件第三章 非均相混合物分离及固体流态化
53
三、流体通过固体颗粒床层 （固定床）的压降
康采尼（Kozeny）方程
Reb 2
Pf L
5
(1 )2 a 2u
3
2 2
（3-55）
0.17 Reb 330
欧根（Ergun）方程
Pf
(1 ) u (1 ) u 150 3 1.75 3 2 L (s de ) (s de )
u
u ut u ut
阻力
加速度=0 加速度=0
加速度
匀速段
11
二、 球形颗粒的自由沉降
沉降速度
ut
匀速阶段中颗粒相对于流体的运动速度称为 沉降速度，由于该速度是加速段终了时颗粒相对 于流体的运动速度，故又称为“终端速度”，也 可称为自由沉降速度。
4 gd ( s ) ut 3
de Sp s 6 a s d e
2
8
二、 球形颗粒的自由沉降
图3-1 沉降颗粒的受力情况
9
二、 球形颗粒的自由沉降
颗粒受到三个力 重力 浮力 阻力
Fg
Fb
6
6
d 3 S g
d g
3
Fd A
u
2
2
阻力系数或 曳力系数
10
二、 球形颗粒的自由沉降
根据牛顿第二运动定律 3 2 u 2 3 du d ( S ) g d ( ) d S 6 4 2 6 d 分析颗粒运动情况： u0 加速度最大 加速段
床层的比表面积也可用颗粒的堆积密度估算，即
6b 6 1 ab s d d
颗粒的 真实密 度 颗粒的堆 积密度
49
化工原理课件(天大版)
反应热与反应焓
反应方向与平衡常数
反应速率与活化能
反应熵与反应吉布斯能
05
化工动力学基础
反应速率方程
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
反应速率方程：描述反应速率与反应物浓度及其他因素关系的数学表达式
反应速率定义：单位时间内反应物浓度的减少量或生积成正比的比例系数
催化剂：使用催化剂可以降低反应活化能，提高反应速率
反应物浓度：反应物浓度增大，反应速率加快
06
分离过程原理及应用
分离过程分类与特点
分离过程的分类：根据不同的原理和操作方式，分离过程可以分为多种类型，如蒸馏、萃取、结晶、过滤等。
R
分离过程的特点：不同的分离过程具有不同的特点和应用范围，需要根据具体需求进行选择。
A
分离过程的原理：每种分离过程都有其特定的原理和操作方式，需要掌握其基本原理和操作方法。
C
分离过程的应用：分离过程在化工、医药、食品等领域有着广泛的应用，需要根据具体需求进行选择和应用。
I
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07
化学反应器原理及应用
化学反应器分类与特点
塔式反应器的特点：适用于气液相反应，具有较大的接触面积和适宜的停留时间
固定床反应器的特点：催化剂固定在反应器内，适用于气固相或液固相反应
流化床反应器的特点：催化剂悬浮在反应器内，适用于气固相或液固相反应
反应器分类：釜式反应器、管式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等
化学反应器的设备：介绍反应器的主要设备，如搅拌器、换热器、塔器等。
第三章化工原理-修订版-天津大学-
第三章化工原理-修订版-天津大学-第三章 机械分离和固体流态化1. 取颗粒试样500 g ，作筛分分析，所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。
习题1附表解：颗粒平均直径的计算 由11ia i G d d G=∑2204080130110(500 1.651 1.168 1.1680.8330.8330.5890.5890.4170.4170.2956030151050.2950.2080.2080.1470.1470.1040.1040.0740.0740.053=⨯+++++++++++++++++++ ）2.905=(1/mm)由此可知，颗粒群的平均直径为d a =0.345mm. 2. 密度为2650 kg/m 3的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。
解：20C 时，351.205/, 1.8110kg m Pa s ρμ-==⨯⋅空气对应牛顿公式，K 的下限为69.1，斯脱克斯区K 的上限为2.62 那么，斯脱克斯区：max 57.4d m μ===min 1513d m μ==3. 在底面积为40 m 2的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。
气体的处理量为3600 m 3/h ，固体的密度3/3000m kg =ρ，操作条件下气体的密度3/06.1m kg =ρ，黏度为2×10-5 Pa·s 。
试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。
解：同P 151.例3-3在降尘室中能被完全分离除去的最小颗粒的沉降速度u t ， 则 36000.025/4003600s t V u m s bl ===⨯ 假设沉降在滞流区，用斯托克斯公式求算最小颗粒直径。
min17.5d um ===核算沉降流型：6min 517.5100.025 1.06R 0.0231210t et d u ρμ--⨯⨯⨯===<⨯ 假设合理。
(完整版)化工原理课件(天大版)
返回 30 03:06:50
4. 流体的特征
具有流动性； 无固定形状，随容器形状而变化； 受外力作用时内部产生相对运动。
不可压缩流体：流体的体积不随压力变化而变化， 如液体；
可压缩性流体：流体的体积随压力发生变化， 如气体。 返回 31
13.7
QL 13.7kW
热损失：
100% 6.54%
257.3 47.8
返回 23 03:06:50
例4 非稳定热量衡算举例
罐内盛有20t重油，初温
T1=20℃，用外循环加热法 水蒸气
进行加热，重油循环量
W=8t/h。循环重油经加热
冷 凝
器升温至恒定的100℃后又 水
W=8t/h T3=100℃
基本单位：7个，化工中常用有5 个，即长度（米），质量（千 克），时间（秒），温度（K）， 物质的量（摩尔）
➢ 物理单位 基本单位：长度（厘米cm），质 制（CGS制） 量（克g），时间（秒s）
➢ 工程单 位制
基本单位：长度（米），重量或力 （千克力kgf），时间（秒）
我国法定单位制为国际单位制（即SI制） 返回 11
化工生产过程中，流体（液体、气体）的流动 是各种单元操作中普遍存在的现象。如：
传热 — 冷、热两流体间的热量传递； 传质 — 物料流间的质量传递。 流体流动的强度对热和质的传递影响很大。 强化设备的传热和传质过程需要首先研究流体的流动 条件和规律。 因此，流体流动成为各章都要研究的内容。流体 流动的基本原理和规律是“化工原理” 的重要基础。
化工原理课后习题解答 天津大学出版社
一章流体流动1.某设备上真空表的读数为 13.3×103 Pa,试计算设备内的绝对压强与表压强。
已知该地区大气压强为 98.7×103 Pa。
解：由绝对压强 = 大气压强–真空度得到：设备内的绝对压强P绝= 98.7×103 Pa -13.3×103 Pa=8.54×103 Pa设备内的表压强 P表 = -真空度 = - 13.3×103 Pa2．在本题附图所示的储油罐中盛有密度为 960 ㎏/㎥的油品，油面高于罐底 6.9 m，油面上方为常压。
在罐侧壁的下部有一直径为 760 mm 的圆孔，其中心距罐底 800 mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。
若螺钉材料的工作应力取为39.23×106 Pa ，问至少需要几个螺钉？分析：罐底产生的压力不能超过螺钉的工作应力即P油≤σ螺解：P螺 = ρgh×A = 960×9.81×(9.6-0.8) ×3.14×0.762150.307×103 Nσ螺 = 39.03×103×3.14×0.0142×nP油≤σ螺得 n ≥ 6.23取 n min= 7至少需要7个螺钉4. 本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。
已知两吹气管出口的距离H = 1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820Kg／㎥。
试求当压差计读数R=68mm时，相界面与油层的吹气管出口距离ｈ。
分析：解此题应选取的合适的截面如图所示：忽略空气产生的压强，本题中1－1´和4－4´为等压面，2－2´和3－3´为等压面，且1－1´和2－2´的压强相等。
根据静力学基本方程列出一个方程组求解解：设插入油层气管的管口距油面高Δh在1－1´与2－2´截面之间P1 = P2 + ρ水银gR∵P1 = P4，P2 = P3且P3 = ρ煤油gΔh ， P4 = ρ水g（H-h）+ ρ煤油g（Δh + h）联立这几个方程得到ρ水银gR = ρ水g（H-h）+ ρ煤油g（Δh + h）-ρ煤油gΔh 即ρ水银gR =ρ水gH + ρ煤油gh -ρ水gh 带入数据1.0³×10³×1 - 13.6×10³×0.068 = h(1.0×10³-0.82×10³)ｈ= 0.418ｍ6. 根据本题附图所示的微差压差计的读数，计算管路中气体的表压强ｐ。
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第三章 机械分离和固体流态化1. 取颗粒试样500 g ，作筛分分析，所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。
习题1附表解：颗粒平均直径的计算 由11ia i G d d G=∑ 2204080130110(500 1.651 1.168 1.1680.8330.8330.5890.5890.4170.4170.2956030151050.2950.2080.2080.1470.1470.1040.1040.0740.0740.053=⨯+++++++++++++++++++ ）2.905=(1/mm)由此可知，颗粒群的平均直径为d a =0.345mm.2. 密度为2650 kg/m 3的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。
解：20C o 时，351.205/, 1.8110kg m Pa s ρμ-==⨯⋅空气对应牛顿公式，K 的下限为69.1，斯脱克斯区K 的上限为2.62 那么，斯脱克斯区：max 57.4d mμ===min 1513d m μ==3. 在底面积为40 m 2的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。
气体的处理量为3600 m 3/h ，固体的密度3/3000m kg =ρ，操作条件下气体的密度3/06.1m kg =ρ，黏度为2×10-5 P a·s。
试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。
解：同P 151.例3-3在降尘室中能被完全分离除去的最小颗粒的沉降速度u t ， 则 36000.025/4003600s t V u m s bl ===⨯ 假设沉降在滞流区，用斯托克斯公式求算最小颗粒直径。
min17.5d um ===核算沉降流型：6min 517.5100.025 1.06R 0.0231210t et d u ρμ--⨯⨯⨯===<⨯假设合理。
求得的最小粒径有效。
4. 用一多层降尘室除去炉气中的矿尘。
矿尘最小粒径为8m μ，密度为4000 kg/m 3。
除尘室长4.1 m 、宽1.8 m 、高4.2 m ，气体温度为427℃，黏度为3.4×10-5 P a·s，密度为0.5 kg/m 3。
若每小时的炉气量为2160标准m 3，试确定降尘室内隔板的间距及层数。
解：由气体的状态方程PV nRT =有''s s T V V T=则气体的流量为'342727321601.54/2733600s V m s +=⨯= 1.540.2034/1.8 4.2s t V u m s bH ===⨯ 假设沉降发生在滞流区，用斯托克斯公式求最小粒径。
min57.02d m μ===核算沉降流型：6min e 557.02100.2080.5R 0.17413.410t t d u ρμ--⨯⨯⨯===<⨯假设合理。
求得的最小粒径有效。
由以上的计算可知。
粒径为8m μ的颗粒沉降必定发生在滞流区。
用斯托克斯公式求沉降速度26235()(810)(40000.5)9.81 4.110/1818 3.410s t d g u m s ρρμ----⨯⨯-⨯===⨯⨯⨯ 层数31.5450.91.8 4.1 4.110s t V n blu -===⨯⨯⨯取为51层。
板间距/(1) 4.2/(511)80.8h H n mm =+=+= 核算气体在多层降尘室中的流型。
/() 1.54/(1.8 4.1)0.208/s u V bl m s ==⨯=当量直径(对降尘室)4 1.80.0814/2()0.1542(1.80.081)e d bh b h m ⨯⨯=+==⨯+5e R /0.1540.2080.5/(3.410)471.06e d u ρμ-==⨯⨯⨯=气体在降尘室中的流动为层流流动。
设计合理。
5. 已知含尘气体中尘粒的密度为2300 kg/m 3,气体流量为1000 m 3/h 、黏度为3.6×10-5 P a·s、密度为0.674 kg/m 3，采用如图3-7所示的标准型旋风分离器进行除尘。
若分离器圆筒直径为0.4 m ，试估算其临界粒径、分割粒径及压强降。
解：对标准型旋风分离器，已知D =0.4m ，B =D /4=0.1m ，h =D /2=0.2m 。
气体流速为1000/1000/(3600)13.89/36000.10.2i s u V A B h m s ==⨯⨯==⨯⨯临界粒径8.04c d m μ===500.27 5.73d m μ===压强降220.674(13.89)8.052022i u p Pa ρξ⨯∆==⨯= 所以，临界粒径8.04c d m μ=，分割粒径50 5.73d m μ=，压强降520Pa6. 某旋风分离器出口气体含尘量为0.7×10-3kg/标准m3，气体流量为5000标准m3/h ，每小时捕集下来的灰尘量为21.5 kg 。
出口气体中的灰尘粒度分布及捕集下来的灰尘粒度分布测定结果列于本题附表中。
习题6附表1解：(1) 除尘总效率出口气体中尘粒的质量流量为320.7105000 3.5/w kg h -=⨯⨯= 进口气体中尘粒的质量流量为1221.521.5 3.525/w w kg h =+=+= 所以0121.521.50.8625w η===，即86% (2) 粒级效率曲线1121ci ci pi ci w w w w w η==+ 根据附表的数据求得粒级效率值如本题附表所示根据~d 的数据绘制粒级效率曲线如附图所示mi pi7. 在实验室用一片过滤面积为0.1 m 2的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行过滤实验，滤叶内部真空度为500 mmHg 。
过滤5 min 得滤液1 L,又过滤5 min 得滤液0.6 L 。
若再过滤5min,可再得滤液多少?解：由过滤基本方程：22e q qq K θ+=，代入数据有：23323311()2()5600.1100.1101.6 1.6()2()10600.1100.110e e q K q K ⎧+=⨯⨯⎪⎪⨯⨯⎨⎪+=⨯⨯⎪⨯⨯⎩ 解得：53272710/,810/e q m m K m s --=⨯=⨯ 当15min θ=时，25727108101560q q --+⨯⨯=⨯⨯⨯ 解得3220.02073/20.73/q m m L m ==，20.730.1 2.073V qA L ==⨯=2.073 1.60.473V L ∆=-=8. 以小型板框压滤机对碳酸钙颗粒在水中的悬浮液进行过滤实验,测得数据列于本题附表中。
已知过滤面积为0.093 m 2，试求：(1) 过滤压强差为103.0 kPa 时的过滤常数K 、q e 及e θ；(2) 滤饼的压缩性指数s ；(3) 若滤布阻力不变，试写出此滤浆在过滤压强差为196.2kPa 时的过滤方程式。
习题6附图010203040506070800.00.20.40.60.81.0粒级效率d m /微米习题8附表解：(1) 103.0kPa 下，3321 2.2710/0.0930.0244/q m m -=⨯=，33229.1010/0.0930.0978/q m m -=⨯=52223321.57210/0.024420.0244500.097820.0978660 3.9110/e e eK m sq K q K q m m --⎧=⨯⎧+⨯=⨯⎪⇒⎨⎨+⨯=⨯=⨯⎪⎩⎩ 2325(3.9110)0.9731.57210e e q s K θ--⨯===⨯同理可以求出343.4kPa 下的过滤常数52332' 4.3610/,' 3.0910/,'0.219e e K m s q m m s θ--=⨯=⨯=(2) 由12s K k p -=∆得5115'' 4.3610343.4()()0.15261.57210103s s K p s K p ----∆⨯=⇔=⇒=∆⨯ (3) 's m e e R rL r p vq ==∆=常数，所以1/s e q p ∝∆， 以103kPa 下的数值为基准，得到510.1526522.0'' 1.57210() 2.71410/1.05K m s ---=⨯⨯=⨯310.15263322.0'' 3.9110() 3.54410/1.05e q m m ---=⨯⨯=⨯2325''(3.54410)''0.463'' 2.71410e e q s K θ--⨯===⨯于是得到1962.kPa 下的过滤方程式为225( 3.54410) 2.7410(0.463)q θ--+⨯=⨯+9. 在实验室中用一个每边长0.162 m 的小型滤框对CaCO 3颗粒在水中的悬浮液进行过滤实验。
料浆温度为19℃，其中CaCO 3固体的质量分数为0.0723。
测得每1 m 3滤饼烘干后的质量为l062 kg 。
在过滤压强差为275800 Pa 时所得的数据列于本题附表中。
习题9附表试求过滤介质的当量滤液体积V e ，滤饼的比阻r ，滤饼的空隙率ε及滤饼颗粒的比表面积a 。
已知CaCO 3颗粒的密度为2930 kg/m 3，其形状可视为圆球。
解：由恒压过滤方程式22()()e e V V KA θθ+=+可得222()()()e e V V d rv V V dV KA A p θμ+==+∆，也可写作2()()e rvV V V A p θμ∆=+∆∆ 对题给的数~V θ数据进行处理，以θ∆对V 作图，据图可求得有关参数习题9附图5.9s /LV /L680102030405060斜率=18.25s /L 2由图得知：直线斜率26618.25/18.2510/s L s m ==⨯ 直线的截距335.9/ 5.910/s L s m ==⨯ 即66218.2510/()rvs m A p μ=⨯∆，3325.910/()e rvV s m A p μ=⨯∆则334365.910/ 3.231018.2510s m V m -⨯==⨯⨯，22254(20.162) 2.75510A m -=⨯=⨯ 31.0310Pa s μ-=⨯⋅，160210.45322930ε=-= 设滤饼与滤液的体积比是v ，并以1m 3滤液为基准做固相的物料衡算，得29300.4532(100029300.453210000.5468)0.0723v v v ⨯=+⨯+⨯⨯解0.0497v = 则滤饼的比阻为255142318.2518.2510 2.75510275800 2.71101/1.03100.0497A p r m v μ--∆⨯⨯⨯⨯===⨯⨯⨯ 31430.50.5623222.71100.4532()() 4.10810/5(1)5(10.4532)r a m m εε⨯⨯===⨯-⨯-10. 用一台BMS5O/810-25型板框压滤机过滤某悬浮液，悬浮液中固相质量分数为0.139，固相密度为2200 kg/m 3，液相为水。