第 7 章蒸发...2442447.1概述7.1.1蒸发操作的目的和方法244-7. 1. 2蒸发操作的特点2447.2蒸发设备2457. 2. 1各种蒸发器2457.2.2蒸发器的传热系数..2487.2. 3蒸发辅助设备2497.3单效蒸发250.7. 3.1物料衡算2507.3.2热量衡算2517.3.3蒸发速率与传热温度差2527.3.4单效蒸发过程的计算2537. 4蒸发操作的经济性和多效蒸发254.7. 4. 1衡量蒸发操作经济性的方法2547.4.2蒸发操作的节能方法255：7.4.3多效蒸发过程分析257习题·259思考题259+本章主要符号说明260参考文献260.附录261部分物理量的单位和量纲261.二、水与蒸汽的物理性质261三、干空气的物理性质（p=101.33kPa）268:.四、液体及水溶液的物理性质269五、气体的重要物理性质283.六、固体性质·289七、管子规格·291八、泵与风机.293九、换热器298十、标准筛目·.:304+--、气体常数R305十二、量纲分析方法和六定理305
绪论化工生产过程化学工业是对原料进行化学加工以获得有用产品的工业。显然，其核心是化学反应过程及其设备一一反应器。但是，为使化学反应过程得以经济有效地进行，反应器内必须保持某些优惠条件，如适宜的压力、温度和物料的组成等。因此，原料必须经过一系列的预处理以除去杂质，达到必要的纯度、温度和压力，这些过程统称为前处理。反应产物高样需要经过各种后处理过程加以精制，以获得最终产品（或中间产品）。例如，乙烯氧氯化法制取聚氯乙烯塑料的生产是以乙烯和氯为原料进行加成反应，经分离获得二氯乙烷，再经550℃、3MPa的高温裂解生成氯乙烯，裂解所得氯化氢与空气、乙烯在220℃、0.5MPa下进行氧氯化反应，生成二氟乙烷和水，经分离后二氯乙烷再进入裂解。精制后的氯乙烯单体在55℃、0.8MPa左右进行聚合反应获得聚氟乙烯。在进行加成反应前，必须将乙烯和氟中所含各种杂质除去，以免反应器中的催化剂中毒失效。反应产物又需进行分离，除去副产物四氯化碳、苯、三氯乙烷以及未反应的原料等。分离精制后的氯乙烯单体经压缩、换热，达到聚合反应所需的纯度和聚集状态。聚合所得的塑料颗粒和水的悬浮液须经脱水、干燥而后成为产品。生产过程可简要地图示如下。乙烯一提纯加成分离双解单体精制聚合脱水干爆成品氯一提纯AaR HC1+广提纯一乙婚反应热[分离-氯氧化一空气1永上述生产过程除加成、裂解、氧氯化和聚合属反应过程外，原料和反应物的提纯、精制、分离等工序均属前、后处理过程。前、后处理工序中所进行的过程多数是纯物理过程，但却是化工生产所不可缺少的。实际上，在一个现代化的、设备林立的大型工厂中，反应器为数并不多，绝大多数的设备都是进行着各种前、后处理操作。也就是说，现代化学工业中的前、后处理工序占有着企业的大部分设备投资和操作费用。因此，目前已不是单纯由反应过程的优惠条件来决定必要的前、后处理过程，而必须总体地确定全系统的优惠条件。由此足以见得，前、后处理过程在化工生产中的重要地位。单元操作为数众多的前、后处理过程可从不同的角度加以分类。按操作的目的将其分为：①物料的增压、减压和输送；②物料的混合或分散；③物料的加热或冷却；④非均相混合物的分离；均相混合物的分离。由于被加工物料相态的不同，上述各项也可作进一步细分。例如，气体的输送和液体输送；液-固混合物的分离与气-固混合物分离；气体均相混合物的分离与液体均相混合物的分离等。1
为了达到同样的目的，可以依据不同的原理、采用不同的方法。例如，液-固非均相混合物可依据其密度的不同采用沉降的方法实现分离的目的，也可利用其尺度的不同而采用过滤的方法加以分离。又如液态均相混合物可依据组分间挥发度的不同用精馏的方法分离，也可利用各组分在溶剂中的溶解度不同，采用溶剂萃取法进行分离。在化学工业的历史发展中，起初是按物理过程的目的，同时也兼顾过程的原理、相态，将各种前、后处理归纳成一系列的单元操作，如表1所示。表1化工常用单元操作单元操作目的物态原理传递过程流体输送输送液或气动量传递输人机械能搅拌混合取分散气-液；液-液：输人机械能动鼠传递固-液过滤液固；气·固非均相混合物分离尺度不同的截解动量传递沉降非均相混合物分离液-固；气-固动量传递密度差引起的沉降运动加热、冷却升温、降温，改变相态气或液利用温度差而传人或移出热量热量传递蒸发液溶剂与不挥发性溶质的热量传递供热以汽化溶剂分离气气体吸收均相混合物分离各组分在溶剂中溶解度的不间物质传递液体精馈液均相混合物分离各组分间挥发度的不同物质传递萃取均相混合物分离液各组分在溶剂中溶解度的不同物质传递干燥去湿固体供热汽化热、质同时传递吸附均相混合物分离液或气各组分在吸附剂中的吸附能力不同物质传递表中只列出常用的单元操作、此外尚有些不常用的单元操作。而且，随着生产发展对前、后处理过程所提出的一些特殊要求、又不断地发展出若干新的单元操作。就其内容而言，各单元操作包括两个方面：过程和设备。各单元操作中所发生的过程都有其内在的规律。例如，液-固非均相混合物的沉降分离中所进行的过程实质是细颗粒在液体中的自由沉降；过滤的过程实质是液体通过滤饼（颗粒层）的流动。又如气体的吸收分离中所发生的过程是某个组分由气相主体传递至气液界面、继而溶解，然后由界面传递到液相主体中去，其过程实质是传质-溶解。研究各单元操作就是为了掌握过程的规律，并设计设备的结构和大小，以使过程在有利的条件下进行。化工原理”课程的两条主线对化学工业各个行业中的单元操作加以研究，这是生产发展的需要。各单元操作依据不同的原理，适应于不同的物态，达到各自的目的。然而又何以统一于同一个学科之中呢？任何一个学科（或学科分支）之所以能成为一门学科，必须有统一的研究对象，统一的研究方法。首先，各单元操作中所发生的过程虽然多种多样，但从物理本质上说只是下列三种：①动量传递过程（单相或多相流动）；②热量传递过程--传热：?物质传递过程一一传质。表1所列各单元操作皆归属传递过程。于是，传递过程成为统一的研究对象，也是联系各单元操作的一条主线。另一方面，各单元操作有着共同的研究方法。化工原理是一门工程学科，它要解决的不单是过程的基本规律，而且面临着真实的、复杂的生产问题一一特定的物料在特定的设备中进行特定的过程。实际问题的复杂性不完全在于过程的本身，而首先在于化工设备的复杂的几何形状和千变万化的物性。例如，过滤中发生的过程是流体的流动，其本身并不复杂，但滤饼提供的是形状不规则的网状结构通道。对这样的流动边界作出如实的、通真2
的数学描述几乎是不可能的。采用直接的数学描述和方程求解的方法将是十分困难的。因此，探求合理的研究方法是发展这门工程学科的重要方面。在这门学科的历史发展中已形成了两种基本的研究方法：一种是实验研究方法，即经验的方法；另种是数学模型方法，即半理论、半经验的方法。实验研究方法避免了方程的建立，直接用实验测取各变量之间的联系。但是，如果实验工作必须遍历各种规格的设备和各种不同物料，那么，这样的实验将不胜其烦，而且失去了指导意义。因此必须建立实验研究的方法论，以使实验结果在几何尺寸上能“由小见大”，在物料品种方面能“由此及彼被”。至今，本门学科已在相当程度上解决了这一问题。数学模型方法立足于对复杂的实际问题作出合理简化，从而使方程得以建立。例如，将滤饼中的不规则网状通道简化成若干个平行的圆形细管，由此引人的一些修正系数则由实验测定，因而这种方法是半经验、半理论的。由于数学模型方法抓住了影响过程的主要因素，大体上反映了过程的真实面貌，现正日益广泛地被采用。由此可知，研究工程问题的方法论是联系各单元操作的另一条主线。这样，以单元操作为内容，以传递过程和研究方法论为主线组成了“化工原理”这一门课。“化工原理”课程所回答的问题化工原理是一门应用性课程，它应通过各有关过程的研究回答工业应用中提出的问题。（1）如何根据各单元操作在技术上和经济上的特点，进行“过程和设备”的选择、以适应指定物系的特征，经济而有效地满足工艺要求。（2）如何进行过程的计算和设备的设计。在缺乏数据的情况下，如何组织实验以取得必要的设计数据。（3）如何进行操作和调节，以适应生产的不同要求。在操作发生故障时，如何寻找故障的缘由。当然，当生产提出新的要求而需要工程技术人员发展新的单元操作时，已有的单元操作发展的历史将对如何根据一个物理或物理化学的原理发展个有效的过程，如何调动有利的并克服不利的工程因素发展一种新设备，提供有用的借鉴。3
第1章流体流动化工生产涉及的物料大部分是流体，涉及的过程绝大部分是在流动条件下进行的。流体流动的规律是本门课程的重要基础。涉及流体流动规律的主要有以下几方面。（1）流动阻力及流量计量各种流体的输送，需要进行管路的设计、输送机械的选择以及所需功率的计算。化工管道中流量的常用计量方法也都涉及流体力学的基本原理。（2）流动对传热、传质及化学反应的影响化工设备中的传热、传质以及反应过程在很大程度上受流体在设备内流动状况的影响。例如，各种换热器、塔、流化床和反应器都十分关注流体沿流动截面速度分布的均勾性，流动的不均匀性会严重地影响反应器的转化率、塔和流化床的操作性能，最终影响产品的品质和产量。各种化工设备中还常伴有颗粒、液滴、气泡和液膜、气膜的运动，掌握粒、泡、滴、膜的运动状况，对理解化工设备中发生的过程非常重要。（3）流体的混合流体与流体、流体与固体颗粒在各类化工设备中的混合效果都受流体流动的基本规律的支配。1.1概述1.1.1流体流动的考察方法连续性假定流体包括液体和气体。流体是由大量的彼此之间有一定间隙的单个分子所组成，而且各单个分子作着随机的、混乱的运动。如果以单个分子作为考察对象，那么，流体将是一种不连续的介质，所需处理的运动是一种随机的运动，问题将是非常复杂的。但是，在流动规律的研究中，人们感兴趣的不是单个分子的微观运动，而是流体宏观的机械运动。因此，可以取流体质点（或微团）而不是单个分子作为最小的考察对象。所谓质点指的是一个含有大量分子的流体微团，其尺寸远小于设备尺寸，但比起分子自由程却要大得多。这样，可以假定流体是由大量质点组成的、彼此间没有间隙、完全充满所占空间的连续介质。流体的物理性质及运动参数在空间作连续分布。从而可以使用连续函数的数学工具加以描述，实践证明，这样的连续性假定在绝大多数情况下是适合的，然而，在高真空稀薄气体的情况下，这样的假定将不复成立。流体在运动时，各质点间可改变其相对位置，这是它与固体运动的重要区别。由此造成对流体运动规律的描述上的种种不同。运动的描述方法一拉格朗日法和欧拉法对于流体的流动，通常有两种不同的考察方法。一种方法是：选定一个流体质点，对其跟踪观察，描述其运动参数（如位移、速度等）与时间的关系。这种考察方法称为拉格朗日法另一种方法称为欧拉法。此法并不跟踪流体质点进行观察，而是在固定空间位置上观察流体质点的运动情况，如空间各点的速度、压强、密度等，即欧拉法系直接描述各有关运动参数在空间各点的分布情况和随时间的变化。例如，对于速度，可作如下描述。u,=f.(r,y,z,t)uy-fy(r,y,zot)(1-1)u-=f.(r.y,z.t)4