全塔物料衡算的步驟與方法

① 求化工原理知識點提要

一、流體力學及其輸送

1.單元操作:物理化學變化的單個操作過程，如過濾、蒸餾、萃取。

2.四個基本概念:物料衡算、能量衡算、平衡關系、過程速率。

3.牛頓粘性定律:F=±τA=±μA/dy，(F:剪應力;A:面積;μ:粘度;/dy:速度梯度)。

4.兩種流動形態:層流和湍流。流動形態的判據雷諾數Re=ρ/μ;層流-2000-過渡-4000-湍流。

5.連續性方程:A1u1=A2u2;伯努力方程:gz+p/ρ+1/2u2=C。

6.流體阻力=沿程阻力+局部阻力;范寧公式:沿程壓降:Δpf=λlρu2/2d，沿程阻力:Hf=Δpf/ρg=λl
u2/2dg(λ:摩擦系數);層流時λ=64/Re，湍流時λ=F(Re，ε/d)，(ε:管壁粗糙度);局部阻力hf=ξu2/2g，(ξ:局部阻力系數，情況不同計算方法不同)

7.流量計:變壓頭流量計(測速管、孔板流量計、文丘里流量計);變截面流量計。
8.離心泵主要參數:流量、壓頭、效率、軸功率;工作點(提供與所需水頭一致);安裝高度(氣蝕現象，氣蝕餘量);泵的型號(泵口直徑和揚程);氣體輸送機械:通風機、鼓風機、壓縮機、真空泵。

二、非均相機械分離

1.顆粒的沉降:層流沉降速度Vt=(ρp-ρ)gdp2/18μ，(ρp-ρ:顆粒與流體密度差，μ:流體粘度);重力沉降(沉降室，H/v=L/u，多層;增稠器，以得到稠漿為目的的沉澱);離心沉降(旋風分離器)。

2.過濾:深層過濾和濾餅過濾(常用，助濾劑增加濾餅剛性和空隙率);分類:壓濾、離心過濾，間歇、連續;濾速的康采尼方程:u=(Δp/Lμ)ε3/5a2(1-ε)2，(ε:濾餅空隙率;a:顆粒比表面積;L:層厚)。

三、傳熱

1.傳熱方式:熱傳導(傅立葉定律)、對流傳熱(牛頓冷卻定律)、輻射傳熱(四次方定律);熱交換方式:間壁式傳熱、混合式傳熱、蓄熱體傳熱(對蓄熱體的周期性加熱、冷卻)。

2.傅立葉定律:dQ= -λdA ，(Q:熱傳導速率;A:等溫面積;λ:比例系數; :溫度梯度);
λ與溫度的關系:λ=λ0(1+at)，(a:溫度系數)。

3.不同情況下的熱傳導:單層平壁:Q=(t1-t2)/[b/(CmA)]=溫差/熱阻，(b:壁厚;Cm=(λ1-λ2)/2);
多層平壁:Q=(t1-tn+1)/ [bi /(λiA)];單層圓筒:Q=(t1-t2)/[b/(λAm)]，(A:圓筒側面積，C=
(A2-A1)/ln(A2/A1)); 多層圓筒:Q=2πL(t1-t n+1)/ [1/λi [ln(ri+1/ri) ]。

4.對流傳熱類型:強制對流傳熱(外加機械能)、自然對流傳熱、(溫差導致)、蒸汽冷凝傳熱(冷壁)、液體沸騰傳熱(熱壁)，前兩者無相變，後兩者有相變;牛頓冷卻定律:dQ=hdAΔt，(Δt>0;h:傳熱系數)。

5.吸收率A+反射率R+透射率D=1;黑體A=1，鏡體R=1，透熱體D=1，灰體A+R=1; 總輻射能E=Eλdλ，(Eλ:單色輻射能;λ:波長);
四次方定律:E=C(T/100)4=εC0(T/100)4，(C:灰體輻射常數;C0:黑體輻射常數;ε=C/C0:發射率或黑度);
兩物體輻射傳熱:Q1-2=C1-2φA[(T1/100)4-(T2/100)4]，(φ:角系數;A:輻射面積;C1-2=1/[(1/C1)+(1/C2)-(1/C0)])

6.總傳熱速率方程:dQ=KmdA，(dQ:微元傳熱速率;Km:總傳熱系數;A:傳熱面積);
1/K=1/h1+bA1/λAm+A1/h2A2，(h1，h2:熱、冷流體表面傳熱系數)。

7.換熱器:夾套換熱器、蛇管式換熱器、套管式換熱器、列管式換熱器。

四、蒸餾

1.蒸餾分類:操作方式:連續蒸餾、間歇蒸餾;對分離的要求:簡單蒸餾、平衡蒸餾(閃蒸)、精餾、特殊精餾;壓力:常壓蒸餾、加壓蒸餾、減壓蒸餾;組分:雙組分蒸餾和多組分蒸餾(精餾)，常用精餾塔。

2.雙組分溶液氣液相平衡:液態泡點方程:xA=[p-pB(t)]/[pA(t)-pB(t)]，(xA:液態組分A的摩爾分數;p
(t):壓強關於溫度的函數); 氣態露點方程:yA=pA/p=[pA(t)/p]×[p-pB(t)]/[pA(t)-pB(t)];
平衡常數KA=yA/xA，理想溶液:KA=p°A/p，即組分飽和蒸氣壓和總壓之比;
揮發度:υA=pA/xA，相對揮發度:αAB=υA/υB，最終可導出氣液平衡方程:y=αx/[1+(a-1)x]; 氣液平衡相圖:p-x圖(等溫)
、t-x(y)圖(等壓)、x-y圖。

3.平衡蒸餾:qn(F)，xF加熱至泡點以上tF，減壓氣化，溫度達到平衡溫度te，兩相平衡qn(D)，yD和qn(W)，xW;
物料衡算:yD=qxW/(q-1)-xF/(q-1)，(液化率:q=qn(W)/qn(F));
熱量衡算:tF=te+(1-q)γ/Cp,m，(Cp,m:原液的摩爾定壓熱容;γ:原液的摩爾氣化潛熱);平衡關系:yD=αxW/[1+(α-1)xW]。

4.簡單蒸餾:持續加熱至釜液組成和餾出液組成達到規定時停止; 關系式:ln[n(F)/n(W)]=
{ln(xF/xW)-αln[(1-xF)/(1-xW)]}/(α-1); 總物料衡算:n(F)=n(W)+n(D);易揮發組分衡算:n(F)xF
=n(W)xW+n(D)xD; 推出:xD= [n(F)xF-n(W)xW]/[n(F)-n(W)]。

5.精餾:多次部分氣化部分冷凝(連續、間歇)，泡點不同採取不同的壓力操作，塔板數從上至下記;
塔頂易揮發組分回收率:ηD=qn(D)xD/qn(F)xF×100%，釜中不易揮發組分回收率:ηW=qn(W)(1-xW)/[qn(F)(1-xF)]×100%;
精餾段總物料衡算:qn(V)=qn(D)+qn(L);精餾段易揮發組分衡算:qn(V)yn+1=qn(D)xD+qn(L)xn;(V:各層上升蒸汽量;D:塔頂餾出液量;L:各板下降的液量;yn+1:第n+1塊板上升的蒸汽中易揮發組分的摩爾分數;xn:第n塊板下降的液體中易揮發組分的摩爾分數)，精餾段操作線方程:yn+1=Rxn/(R+1)
+xD/(R+1)，(迴流比R= qn(L)/qn(D));
提餾段段總物料衡算:qn(L』)=qn(V』)+qn(W);提餾段易揮發組分衡算:qn(L』)x』m=qn(V』)y』m+1 +qn(W)xW
;(W:釜液量)，提餾段操作線方程:y』m+1= qn(L』)x』m/qn(V』)-qn(W)xW/qn(V』);
總的物料衡算:qn(F)+qn(V』)+qn(L)=qn(V)+qn(L』)，乘上各焓值Hx即為熱量衡算，qn(V)=qn(V』)+(1-q)qn(F)，(精餾進料熱狀態參數q=(HV-HF)/(HV-HL)，即單位原料液變為飽和蒸汽所需要的熱量與單位原料液潛熱之比);
進料方程:y=qx/(q-1)-xF/(q-1);理論塔板的計算逐板法和圖解法，迴流比R增大理論塔板數減小，解析法:全迴流理論塔板數Nmin={lg[xD(1-xw)/[xw(1-xD)]]}/lgam-1，(am:全塔平均揮發度);
最小迴流比Rmin=(xD-yq)/(yq-xq)，(xq，yq:進料時)，R實=(1.1-2.0) Rmin; 全塔效率ET為理論塔板數與實際塔板數之比;
間歇精餾:分批精餾，一次進料待釜液達到指定組成後，放出殘液，再次加料，用於分離量少而純度要求高的物料，每批精餾氣化物質的量n(V )=
(R+1)n(D)，所需時間τ=n(V)/qn(V); 特殊精餾:恆沸精餾(加第三組分，形成新的低恆沸物，增大相對揮發度)
、萃取精餾(加第三組分，增大相對揮發度)、加鹽萃取精餾、分子蒸餾(針對高分子量、高沸點、高粘度、熱穩定性極差的有機物)。

五、吸收

1.吸收劑的要求:對溶質的溶解度大，對其他成分溶解度小、易於再生、不易揮發、粘度低、無腐蝕性、無毒不易燃、價低，吸收率η=(mA除/mA進)×100%≈[
(y1-y2)/y1]×100%，(y1，y

2:進塔和出塔混合氣中A的摩爾分數)。

3.稀溶液中亨利定律:c*A=HpA，(c*A:溶解度;H:溶解度系數;pA:氣相分壓);p*A=ExA，(xA:液相中溶質摩爾分數;E:亨利系數);y*=mx，(平衡常數m=E/p);E=ρs/HMs，(ρs，Ms:純溶劑密度和相對分子質量)。

4.費克定律:jA=-DABdcA/dz，(jA:擴散速率;DAB:組分A在組分B中的擴散系數;dcA/dz:組分A在擴散方向z上的濃度梯度);
等分子擴散速率:NA= jA=D(pA,1-pA,2)/RTz;單向擴散:NA=D(pA,1-pA,2)p/RTz
pB,m，(p/pB,m:漂流因子，pB,m=
(pB,2-pB,1)/ln(pB,2/pB,1)，即對數平均值);同理，NA=D(cA,1-cA,2)c/zcB,m。

5.吸收塔操作線方程:qn(L)/qn(V)=(y1-y2)/(x1-x2)，(qn(V):二元混合氣摩爾流量;qn(L):液相摩爾流量;x，y:任意一截面液氣相摩爾流量);
最小液氣比[qn(L)/qn(V)]min=(y1-y2)/(x*1-x2),qn(L)/qn(V)= (1.1-2.0) [qn(L)/qn(V)]min;
低濃度時填料塔高度h=qn(V) [dy/(y-y*)]/KyaS=qn(L)
[dx/(x*-x)]/KxaS=NOGHOG=NOLHOL，(K:傳質系數;S:塔截面積;a:單位體積填料有效接觸面積;NOG=
[dy/(y-y*)]:氣相總傳質單元數;HOG =qn(V)/KyaS:氣相總傳質單元高度);
相平衡線為直線時:NOG=ln[(1-S』)(y1-mx2)/(y2-mx2)+S』]/(1-S』)，NOL=ln[(1-A)(y1-mx2)/(y2-mx2)+A]/(1-A)，(吸收因數:A=1/S』=
qm(V)/mqm(V))。

6.填料塔:液體上進下出，氣體下進上出，其中設有液體在分布器，可使其均勻分布於填料表面，塔頂可按轉除末器。

六、乾燥

1.絕對濕度δ=0.622pV/(p-pV)，(pV:水蒸汽分壓);相對濕度φ=
pV/pS，(pS:水蒸汽飽和分壓);濕焓I=Ig+δIv，(Ig:絕干空氣的焓;Iv:水蒸汽的焓)。

2.物料的干基濕含量X=m水/m絕干，是基濕含量ω=m水/m總×100%，ω=X/(1+X);物料分類:非吸濕毛細孔物料、吸濕多孔物料和膠體無孔物料;物料與水分:總水分、平衡水分、自由水分、非結合水分、結合水分。

3.乾燥過程物料衡算:qm,c(X1-X2)=qm,L(δ2-δ1)=qm,W，(qm,c:絕對乾料的質量流量;qm,L:絕干空氣質量流量;qm,W:乾料蒸發出水分的質量流量)，即濕物料減少水分等於干空氣中增加的水分;
熱量衡算:q=qD+qP=qm,L(I2-I0)+qm,c(I』2-I』1)+qL，(qD:單位時間乾燥器熱量;qP:單位時間預熱氣熱量;qL:單位時間熱損失;I2:出乾燥器的空氣的焓;I0:進預熱器的空氣的焓;I』2，I』1:進出乾燥器物料的焓)，qD=qm,L(I1-I0)
=qm,L(1.01+1.88δ0) (t1-t0)，qD=qm,L(I2-I1)+qm,c(I』2-I』1)+qL;
乾燥器熱效率:η=qd/qP×100%，(qd=qm,L(1.01+1.88δ0) (t1-t2))。

4.乾燥速率U=h(t-tW)/rtw，(h:對流表面傳熱系數;t:恆定乾燥條件下空氣平均溫度;tW:初始狀態空氣濕球溫度;r:飽和蒸汽冷凝潛熱);
恆速乾燥階段時間:τ1=qm,c(X1-Xc)/UcS，(Xc:臨界濕含量;S:乾燥面積)，降速乾燥階段時間:τ2=qm,c(Xc-X*)ln[(Xc-X*)/(
X2-X*)]/UcS。

5.乾燥器分類:廂式乾燥器、隧道乾燥器、轉筒乾燥器、帶式乾燥器、轉鼓乾燥器、噴霧乾燥、流化床乾燥器、氣流乾燥器、微波高頻乾燥。

七、新型分離技術

1.超臨界萃取:以超臨界流體作萃取劑(密度接近於液體，而粘度接近於氣體，擴散系數位於兩者之間)，其具有很強的選擇性和溶解能力，傳質速率大;流程可分為:等溫法、等壓法和吸附吸收法。

2.膜分離技術:微濾、超濾、納濾、反滲透、透析、電滲析、氣膜膜分離、滲透氣化(溶質發生相變化，再透過側以氣相狀態存在)。

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