化工工艺基础知识篇.docx
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化工工艺基础知识篇
化工工艺基础知识篇
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致新员工书1
第一篇销售人员管理政策篇6
第一章2009年度市场营销策略6
第二章营销组织体系7
第二章责任分布/工作职责10
第三章业务管理/业务流程15
第四章销售政策/奖惩政策18
第五章薪酬/绩效管理22
第二篇化工工艺基础知识篇26
第六章流体流动26
第七章传热学基本知识35
第八章吸收基本知识38
第九章蒸馏基本知识40
第十章去湿/干燥基本知识48
第三篇换热器基本知识篇50
第四篇公司产品知识篇65
第十一章公司产品概述65
第十二章JAD换热器性能特点66
第十三章销售工程师知识问答68
第五篇产品工艺应用篇78
第十四章换热器工艺应用概述78
第十五章JAD换热器工艺应用83
第十六章工程案例分析88
第二篇化工工艺基础知识篇
第六章流体流动
一、概述
1、流体:
气体和液体统称为流体。
在化工生产中所处理的物料有很多是流体.根据生产要求,往往需要将这些流体按照生产程序从一个设备输送到另一个设备.化工厂中,管路纵横排列，与各种类型的设备连接，完成着流体输送的任务。
除了流体输送外，化工生产中的传热、传质过程以及化学反应大都是在流体流动下进行的。
流体流动状态对这些单元操作有着很大影响。
在研究流体流动时，常将流体视为由无数流体微团组成的连续介质。
所谓流体微团或流体质点是指这样的小块流体：
它的大小与容器或管道相比是微不足道的。
二、流体静力学:
研究流体在外力作用下的平衡规律
1、密度：
单位体积流体的质量，称为流体的密度，其表达式为
式中ρ――流体的密度,kg/m3;
m――流体的质量，kg;
V――流体的体积，m3。
液体的密度随压力的变化甚小（极高压力下除外）,可忽略不计，故常称液体为不可压缩的流体,但其随温度稍有改变。
气体的密度随压力和温度的变化较大.
2、比容：
单位质量流体的体积,称为流体的比容,用符号v表示，单位为m3/kg，亦即流体的比容是密度的倒数。
3、压力：
流体垂直作用于单位面积上的力,称为流体的压强，简称压强。
习惯上称为压力。
作用于整个面上的力称为总压力.
在法定单位制中,压力的单位是N/m2,称为帕斯卡，以Pa表示。
但长期以来采用的单位为atm（标准大气压）。
它们之间的换算关系为：
1标准大气压（atm）=101300Pa=760mmHg
4、基准：
压力可以有不同的计量基准
（1）绝对压力和表压：
绝对压力以零压力（绝对真空）为基准,表压则以当地大气压为基准。
（2）真空度：
真空度也以当地大气压为基准，但真空度与表压的计算方向相反，即低于大气压的数值称为真空度。
它与绝对压力的关系,可用下式表示
表压＝绝对压力－大气压力
当被测流体的绝对压力小于大气压时，其低于大气压的数值称为真空度（vacuum），即
真空度＝大气压力－绝对压力
注意，此处的大气压力均应指当地大气压.在本章中如不加说明时均可按标准大气压计算。
绝对压力、表压和真空度的关系，如图所示.
三、管内流体流动规律
1：
流量与流速
（一）流量
（1）体积流量:
单位时间内流体流经管道任一截面的体积，称为体积流量，以V表示，其单位为m3/s.
（2）质量流量：
单位时间内流体流经管道任一截面的质量，称为质量流量以G表示，其单位为kg/s。
体积流量与质量流量之间的关系为
（二）流速
（1）平均流速:
流速是指单位时间内液体质点在流动方向上所流经的距离。
实验证明，流体在管道内流动时，由于流体具有粘性，管道横截面上流体质点速度是沿半径变化的。
管道中心流速最大，愈靠管壁速度愈小，在紧靠管壁处,由于液体质点粘附在管壁上，其速度等于零.但工程上,一般系以管道截面积除以体积流量所得的值，来表示流体在管道中的速度。
此种速度称为平均速度，简称流速，以u表示，单位为m/s。
流量与流速关系为
u＝V/A（1—15）
G=ρV=ρAu（1-16）
式中A――管道的截面积,m2。
（2）质量流速：
单位时间内流体流经管道单位截面的质量称为质量流速，以ω表示，单位为kg/m2·s。
它与流速及流量的关系为
ω＝G/A=ρAu/A=ρu（1—17）
由于气体的体积与温度、压力有关,显然，当温度、压力发生变化时,气体的体积流量与其相应的流速也将之改变，但其质量流量不变。
此时,采用质量流速比较方便.
（3）管道直径的估算：
若以d表示管内径,则式（1-15）可写成
流量一般为生产任务所决定,而合理的流速则应根据经济权衡决定,一般液体流速为0.5～3m/s。
气体为10～30m/s.
四、管内流体流动现象
1、粘度：
流体流动时产生内摩擦力的性质,称为粘性.
流体粘性越大，其流动性就越小.从桶底把一桶甘油放完要比把一桶水放完慢得多，这是因为甘油流动时内摩擦力比水大的缘故。
牛顿粘性定律
实验现象:
板间液体运动，且形成上大下小的流速分布（速度差）.
现象说明：
（1） 板间流体可看成为许多流体层,且其间存在相对运动（速度差）.
（2）相邻流体层之间存在摩擦力，称为内摩擦力或粘滞力。
（否则流体静止）
2、内摩擦力或粘滞力：
这种运动着的流体内部相邻两流体层间由于分子运动而产生的相互作用力，称为流体的内摩擦力或粘滞力。
流体运动时内摩擦力的大小，体现了流体粘性的大小.
3、粘度：
物理意义:
单位速度梯度时单位面积上所产生的内摩擦力.
粘度越大，流体流动时生产的内摩擦力也越大。
4、液体中的动量传递:
流体流动过程也称为动量传递过程,牛顿粘性定律就是定量描述动量传递的定律.
沿流动方向相邻两流体层由于速度的不同，它们的动量也就不同.速度较快的流体层中的流体分子,在随机运动的过程中有一些进入速度较慢的流体层中，与速度较慢的流体分子互相碰撞,使速度较慢的分子速度加快,动量增大。
同时，速度较慢的流体层中京有同量分子进入速度较快的流体层。
由于流体层之间的分子交换使动量从速度大的流体层向速度小的流体层传递。
由此可见，分子动量传递是由于流体层之间速度不等，动量从速度大处向速度小处传递。
这与在物体内部温度不等热从温度高处向温度低处传递即热传导，是相似。
5、流体流动类型与雷诺准数
流体的流动类型，首先由雷诺用实验进行了观察。
在雷诺实验装置（图1-14）中，有一入口为喇叭状的玻璃管浸没在透明的水槽内，管出口有调节水流量用的阀门,水槽上方的小瓶内充有有色液体。
实验时，有色液体从瓶中流出，经喇叭口中心处的针状细管流入管内。
从有色流体的流动情况可以观察到管内水流中质点的运动情况。
流速小时,管中心的有色流体在管内沿轴线方向成一条轮廓清晰的直线，平稳地流过整根玻璃管,与旁侧的水丝毫不相混合,如图1-（a）所示.此实验现象表明，水的质点在管内都是沿着与管轴平行的方向作直线运动。
当开大阀门使水流速逐渐增大到一定数值时，呈直线流动的有色细流便开始出现波动而成波浪形细线，并且不规则地波动;速度再增,细线的波动加剧，然后被冲断而向四周散开，最后可使整个玻璃管中的水呈现均匀的颜色，如图（C）所示。
显然,此时流体的流动状况已发生了显著地变化.
上述实验表明:
流体在管道中的流动状态可分为两种类型.
当流体在管道中流动时，若有色液体与水迅速混合，如图1-（c）所示,则表明流体质点除了沿着管道向前流动外，各质点的运动速度在大小和方向上都有时发生变化,于是质点间彼此碰撞并互相混合,这种流动状态称为湍流（turbulentflow）或紊流。
根据不同的流体和不同的管径所获得实验结果表明：
影响液体类型的因素,除了流体的流速外，还有管径d,流体密度ρ和流体的粘度μ。
u、d、ρ越大，μ越小，就越容易从层流转变为湍流。
雷诺得出结论：
上述中四个因素所组成的复合数群duρ/μ,是判断流体流动类型的准则。
这数群称为雷诺准数或雷诺数，用Re表示。
上述结果表明，Re数是一个无因次数群.不管采用何种单位制只要Re中各物理量用同一单位制的单位，那所求得Re的数值相同。
根据大量的实验得知Re≤2000时,流动类型为层流；当Re≥4000时，流动类型为湍流；而在2000＜Re＜4000范围内，流动类型不稳定，可能是层流,也可能是湍流，或是两者交替出现,与外界干扰情况有关。
例如周围振动及管道入口处等都易出现湍流。
这一范围称为过渡区（transitionregion）.
在两根不同的管中，当流体流动的Re数相同时，只要流体边界几何条件相似,则流体流动状态也相同.这称为流体流动的相似原理.
1．实验现象及流动类型
（a）流体质点只有轴向运动（层流或滞流）
（b）流体质点除有轴向运动外，还有径向运动。
（过渡流）
（c）流体质点除有轴向运动和径向运动外，还相互碰撞和混合。
（湍流或紊流）
2。
雷诺准数（雷诺数）（ReynoldsNumber）
层流底层区
湍流过渡流区（缓冲层）
湍流主体区（湍流核心）
3．流体质点的运动方式
（1） 层流：
轴向运动（稳态流动）
（2） 湍流：
脉动（非稳态流动）
五、流体在圆管内的速度分布
流体在圆管内的速度分布是指流体流动时，管截面上质点的轴向速度沿半径的变化。
由于层流与湍流是本质完全不同的两种流动类型，故两者速度分布规律不同。
（1）流体在圆管内的速度分布
（a）层流：
抛物线分布,u=0.5umax
（b）湍流：
非抛物线分布,u≈0.82umax
（2）流体在直管内的流动阻力
（a）层流:
阻力来自内摩擦力
（b）湍流：
阻力来自内摩擦力和碰撞及混合,即阻力为摩擦应力与湍流应力之和
边界层的概念
1．形成:
润湿→附着→内摩擦力→减速→梯度
（1） 边界层：
壁面附近存在速度梯度的流体层。
一般取边界层外缘的流速u=0.99us。
层流
边界层过渡流
湍流
层流底层区
湍流边界层过渡流区（缓冲层）
湍流主体区（湍流核心）
（2）主流区：
不存在速度梯度的区域或边界层以外的区域.
由实验可以测得层流流动时的速度分布.沿着管径测定不同半径处的流速,标绘在图1—16上,速度分布为抛物线形状。
管中心的流速最大，向管壁的方向渐减，靠管壁的流速为零。
平均速度为最大速度的一半。
实验证明，层流速度的抛物线分布规律，并不是流体刚入管口就立刻形成的，而是要流过一段距离后才能充分发展成抛物线的形状。
如图1-17所示，流体在流入管口之前速度分布是均匀的。
在进入管口之后，则靠近管壁的一层非常薄的流体层，因附着在管壁上,其速度突然降为零.流体在继续往里流动的过程中，靠近管壁的各层流体，由于粘性的作用,而逐渐滞缓下来。
又由于各截面上的流量为一定值，管中心处各点的速度必然增大.当液体深入到一定距离之后，管中心的速度等于平均速度的两倍时,层流速度分布的抛物线规律才算完全形成.
六、流体流动阻力
（一）管、管件及阀门
管路系统是由管、管件、阀门以及输送机械等组成的。
当流体流经管和管件、阀门时,为克服流动阻力而消耗能量。
因此，在讨论流体在管内的流动阻力时，必需对管、管件以及阀门有所了解。
1．管
管子的种类很多，目前已在化工厂中广泛应用的有铸铁管、钢管、特殊钢管、有色金属、塑料管及橡胶管等。
钢管又有有缝与无缝之分；有色金属管又可分为紫钢管、黄铜管、铅管及铝管等。
有缝钢管多用低碳钢制成；无缝钢管的材料有普通碳钢、优质碳钢以及不锈钢等。
不锈钢管价昂选用时应慎重，但是在输送强腐蚀性的液体或某些特殊要求的情况下，应用也不少，如稀硝酸用管、混酸用管等。
铸铁管常用于埋在地下的给水总管、煤气管及污水管等。
输送浓硝酸、稀硫酸则应分别使用铝管及铅管.
2。
管件
管件（pipefitting）为管与管的连接部件，它主要是用来改变管道方向、连接支管、改变管径及堵塞管道等.图1-22所示为管道中常用的几种管件。
3.阀门
阀门装于管道中用以调节流量。
常用的阀门有以下几种.
（1）截止阀
截止阀（globevalve）构造如图1—23所示,它是依靠阀盘换的上升或下降，以改变阀盘与阀座的距离,以达到调节流量的目的.
截止阀构造比较复杂，在阀体部分液体流动方向经数次改变,流动阻力较大.但这种阀门严密可靠，而且可较精确地调节流量，所以常用于蒸汽、压缩空气及液体输送管道。
若流体中含有悬浮颗粒时应避免使用。
（2）闸阀
闸阀（gatevalve）又称为闸板阀。
如图1-24所示.闸阀是利用闸板的上升或下降，以调节管路中流体的流量。
闸阀构造简单,液体阻力小，且不易为悬浮物所堵塞，故常用于大直径管道。
其缺点是闸阀阀体高；制造、检修比较困难。
（3）止逆阀
止逆阀（checkvalve）又称为单向阀.其功用在于只允许流体沿单方向流动。
如图1—25所示。
当流体自左向右流动时，阀自动开启;如遇到有反向流动时，阀自动关闭。
止逆阀只能在单向开关的特殊情况下使用。
形成层流抛物线规律的这一段，称为层流的起始段，X0＝0。
05dRe。
（二）流体在直管中的流动阻力
1、阻力的含义FrictionImplication
内摩擦力=摩擦阻力=流动阻力=能量损失=阻力损失=阻力=åhf
2、阻力的分类ClassificationoftheFriction
直管阻力:
流体流经一定直径的直管时,所产生的阻力。
局部阻力：
流体流经管件、阀门及进出口时,由于受到局部障碍所产生的阻力。
流体在管内从第一截面流到第二截面时，由于流体层之间的分子动量传递而产生的内摩擦阻力，或由于流体之间的湍流动量传递而引起的摩擦阻力,使一部分机械能转化为热能。
我们把这部分机械能称为能量损失。
管路一般由直管段和管件、阀门等组成。
因此，流体在管路中的流动阻力，可分为直管阻力和局部阻力两类。
直管阻力是流体流经一定直径的直管时，所产生的阻力。
局部阻力是流体流经管件、阀门及进出口时，由于受到局部障碍所产生的阻力。
所以,流体流经管路的总能量损失，应为直管阻力与局部阻力所引起能量损失之总和.
（三）管壁粗糙度RoughnessofPipeWalls
1．管的分类Classificationofpipes
光滑管Smoothpipe：
玻璃管、铜管、塑料管等
管
粗糙管Roughpipe：
钢管、铸铁管等
2．绝对粗糙度：
粗糙面凸出部分的平均高度，e，m。
3．相对粗糙度：
无量纲（因次）。
4．层流时，粗糙度对阻力没有影响。
5．湍流时
（1） 没有影响.
（2）有影响。
第七章 传热基本知识
一、概述
（一）传热过程在化工生产中的应用
加热或冷却
换热强化传热过程
保温削弱传热过程
传热过程即热量传递过程。
在化工生产过程中,几乎所有的化学反应过程都需要控制在一定的温度下进行。
为了达到和保持所要求的温度，反应物在进入反应器前常需加热或冷却到一定温度。
在过程进行中，由于反应物需要吸收或放出一定的热量，故又要不断地导入或移出热量；有些单元操作,如蒸馏、蒸发、干燥和结晶等，都有一定的温度要求，所以也需要有热能的输入或输出，过程才能进行;此外，许多设备或管道在高温或低温下操作，若要保证管路中输送的流体能维持一定的温度以及减少热量损失,则需要保温（或隔热）;近十多年来，随着能源价格的不断上涨，回收废热及节省能源已成为降低生产成本的重要措施之一.以上所讲到的情况，都与热量传递有关。
可见，在化工生产中，传热过程具有相当重要的地位。
化工生产中常遇到的传热问题，通常有以下两类：
一类是要求热量传递情况好，亦即要求传热速率高，这样可使完成某一换热任务时所需的设备紧凑，从而降低设备费用；
另一类是像高温设备及管道的保温，低温设备及管道的隔热等，则要求传热速率越低越好.
（二）传热的三种基本方式
传热的基本方式
热的传递是由于系统内或物体温度不同而引起的.当无外功输入时，根据热力学第二定律，热总是自动地从温度较高的部分传给温度较低的部分,或是从温度较高的物体传给温度较低的物体。
根据传热机理不同,传热的基本方式有三种：
传导、对流和辐射。
1、热传导
又称导热.当物体内部或两个直接接触的物体之间存在着温度差异时，物体中温度较高部分的分子因振动而与相邻的分子碰撞,并将能量的一部分传给后者,藉此,热能就从物体的温度较高部分传到温度较低部分。
称这种传递热量的方式为热传导。
在热传导过程中,没有物质的宏观位移。
热量从物体内温度较高的部分传递到温度较低的部分，或传递到与之接触的另一物体的过程称为热传导。
特点：
没有物质的宏观位移
气体:
分子做不规则热运动时相互碰撞的结果
固体:
导电体:
自由电子在晶格间的运动
非导电体：
通过晶格结构的振动来实现的
液体:
机理复杂，主要靠原子、分子在平衡位置上的热运动。
2、对流
又称热对流、对流传热。
在流体中,主要是由于流体质点的位移和混合，将热能由一处传至另一处的传递热量的方式为对流传热。
对流传热过程中往往伴有热传导。
工程中通常将流体和固体壁面之间的传热称为对流传热；若流体的运动是由于受到外力的作用（如风机、水泵或其它外界压力等）所引起，则称为强制对流（forcedconvection）；若流体的运动是由于流体内部冷、热部分的密度不同而引起的，则称为自然对流（naturalconvection）。
3、辐射
辐射是一种通过电磁波传递能量的过程。
任何物体，只要其绝对温度不为零度，都会以电磁波的形式向外界辐射能量.其热能不依靠任何介质而以电磁波形式在空间传播，当被另一物体部分或全部接受后，又重新转变为热能。
这种传递热能的方式称为辐射或热辐射。
实际上上述三种传热方式很少单独存在，而往往是同时出现的.如化工生产中广泛应用的间壁式换热器，热量从热流体经间壁（如管壁）传向冷流体的过程，是以导热和对流两种方式进行.
（三）冷热流体的接触方式
1．直接接触式
冷热流体直接混合进行热量交换。
2．蓄热式
冷热流体交替流过换热器。
优点：
结构较简单；耐高温。
缺点:
设备体积大；有一定程度的混合.
3．间壁式
冷热流体通过换热壁面热交换。
1）套管换热器
传热面为内管壁的表面 2） 列管换热器
传热面为壳内所有管束壁的表面积
（四）热载体及其选择
加热剂：
热水、饱和水蒸气、矿物油或联苯等低熔混合物、烟道气等。
冷却剂：
水、空气、冷冻盐水、液氨等
冷却温度〉30°C水；加热温度〈180°C饱和水蒸气
（五）间壁式换热器中的传热过程
1．基本概念
热负荷Q’：
同种流体温升或温降时，吸收或放出的热量，单位J/s或W。
传热速率Q：
热流量，单位时间内通过换热器的整个传热面传递的热量，单位J/s或W。
热流密度q：
热通量，单位时间内通过单位传热面积传递的热量，单位J/（s。
m2）或W/m2.
2．冷热流体通过间壁的传热过程
3.冷热流体通过间壁的传热过程
3.冷热流体通过间壁的传热过程
定态传热：
Q1=Q2=Q3=Q
总传热速率方程:
式中：
K──总传热系数,W/（m2。
℃）或W/（m2.K）；Q──传热速率，W或J/s;
A──总传热面积，m2;△tm──两流体的平均温差,℃或K.
工业生产中冷、热两种流体的热交换，大多数情况下不允许两种流体直接接触，要求用固体壁隔开，这种换热器称为间壁式换热器。
图4-1所示的套管式换热器是其中的一种。
它是由两根管子套在一起组成的。
两种流体分别在内客与两根管的环隙中流动,进行热量交换。
热流体的温度由T1降至T2；冷流体的温度由t1升至t2。
间壁两侧流体的换热情况可用图4—2表示。
由于热流体与冷流体之间有温度差Δtm，则热量通过间从热流体传给冷流体。
单位时间内的传热量，即传热速率（heattransferrate）Q,与传热面积A及两流体的温度差Δtm成正比,为
Q=KAΔtm（4—1）
式中K-----——-——比例系数，称为总传热系数W/m2·K（或W/m2·℃）；
Q-———--—-———传热速率，J/s（或W）；
A—---—--——--传热面积，m2;
Δtm-——-—--两流体的平均温度差，K（或℃）。
式（4—1）称传热速率方程式或传热基本方程式，它是换热器设计最重要的方程式。
当所要求的传热速率Q、温度差Δtm及总传热系数K已知时，可用传热速率方程式计算所需要的传热面积A。
如图4-2所示，热流体靠对流传热将热量传给管壁，在管壁中靠热传导将热量从一侧传到另一侧,再靠对流传热将热量从管壁传给冷流体.因此，要掌握传热过程的原理，首先要分别研究热传导和对流传热的基本原理。
（六）换热器的热负荷计算
热负荷是生产上要求流体温度变化而吸收或放出的热量。
换热器中冷、热两流体进行热交换，若忽略热损失，则根据能量守恒原理,热流体放出的热量Q1必等于冷流体吸收的热量Q2，Q1=Q2，称此为热量衡算式。
热量衡算式与传热速率方程式为换热器传热计算的基础.设计换热器时,根据热负荷要求，用传热速率方程式计算所需传热面积。
下面介绍热负荷计算。
（一）无相变化时热负荷计算
1． 比热法当物质与外界交换热量时，物质不发生相变化而只有温度变化，这种热量称为显热。
在恒压条件下，单位质量的物质升高1℃所需的热量,称为定压比热或定压热容。
以符号cp表示,单位为kJ/kg·K（或kJ/kg·℃）。
（二）有相变化时热负荷计算
当流体与外界交换热量过程中发生相变化时，其热负荷用潜热法计算。
例如，饱和蒸汽冷凝为同温度下的液体时放出的热量,或液体沸腾汽化为同温度下的饱和蒸汽时吸收的热量,可用下式计算
Q=Gr
汽化（或蒸汽冷凝）潜热，单位为kJ/kg.潜热等于饱和蒸汽的焓与同温度下液体焓之差值。
例4—1试计算压力为147.1kN/m2，流量为1500kg/h的饱和水蒸汽冷凝后并降温至50℃时所放出的热量。
解此题可分成两步计算：
一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二是水温降至50℃时所放出的显热。
蒸汽冷凝成水所放出的热量为Q1
水由110。
7℃降温至50℃时放出的热量Q2
共放出热量Q
Q=Q1+Q2
二、热传导
（一）有关热传导的基本概念
只要物体内部有温度差存在，就有热量从高温部分向低温部分传导。
所以研究热传导必须涉及物体内部的温度分布.
1。
温度场和等温面
温度场:
某一瞬间空间中各点的温度分布，称为温度场。
等温面:
温度场中同一时刻相同温度各点组成的面称为等温面.因为空间同一点不能同时具有两个不同的温度,所以不同的等温面彼此不能相交。
2。
温度梯度 温度梯度是一个点的概念.温度梯度是一个向量.方向垂直
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