742007年第3期(总第95期)化工单元操作设计计算解析田颖,李浙齐(大连交通大学环境与化学工程学院,辽宁大连116028)[摘要]化工单元操作设计计算是化工原理课程的核心内容,本文以流体流动、传热、吸收和精馏单元操作为例,分析了不同单元操作设备设计计算的共性。尽管各单元操作内容不同,设计计算方法各异,但采用的公式有三类:衡算方程,过程速率方程和相平衡方程。理解了这一点,对化工原理的学习很有帮助。[关键词]单元操作;设计计算;衡算方程;过程速率方程;相平衡方程化工原理是以单元操作为研究对象,以单元操作设备设计计算为主要内容的工程技术学科。内容多,基础深,覆盖面广。表面看起来各章内容似乎相对独立,相互联系不大,其实不然。虽然各单元操作过程不同,所完成的化工生产任务不同,但在本质上都是在进行/动量传递0、/热量传递0或/质量传递0的过程,各单元操作设备的设计计算也存在共性。即无论设计型问题还是操作型问题的求解计算都需要两类方程,一是衡算方程,二图1简单管路是传热或传质速率方程。衡算方程又包括质量衡传热一章如图2所示的套管式换热器的设计算方程和热量(或能量)衡算方程。本文就化工原计算也需要两个方程:理中主要单元操作设备的设计计算方法进行分qm1cp1(T1-T2)=qm2cp2(t1-t1)(3)析以揭示不同单元操作过程的本质和共性。,Q=KA$tm(4)第一章流体流动如图1所示的管路设计计算需要两个方程:u1A1=u2A2(1)22p1u1p2u2+z1++He=+z2++Hf(2)Qg2gQg2g22l1+le1u1l2+le2u2(其中Hf=K1+K2)d12gd22g图2套管式换热器方程(1)是由简单管路质量衡算得出的流体连续性方程,方程(2)是机械能衡算方程。两个方方程(3)是热量衡算方程,方程(4)是传热速程联立就可以进行设计型计算(如求离心泵对管率方程,两个方程联立就可以进行设计型命题(如路提供的压头He)及操作型计算(如求流量qV)。求换热器面积A)或操作型命题的计算(如求冷热[作者简介]田颖(1969-),女,副教授,博士生;李浙齐(1962-),男,副教授,硕士,化学工程与工艺教研室主任。化工单元操作设计计算解析75流体出口温度t2和T2)。传质设备如吸收塔、精馏塔的设计计算中要用到三类方程,除了前面提到的衡算方程及过程速率方程外,还要用到相平衡方程。如图3低浓度气体吸收填料塔设计计算要用到以下三个方程。G(y1-y2)=L(x1-x2)(5)yG1dyH=HOGNOG=(6)KYaQy2y-yeye=mx(7)方程(5)是全塔质量(物料)衡算方程,也称为图4精馏塔操作线方程;方程(6)是全塔传质速率方程;方程(7)是符合亨利定律的气液相体系的相平衡方程。方程(8)是理想物系的相平衡方程,方程(9)三个方程联立可求解塔高H或气液相出口浓度(10)(11)分别是精馏段、提馏段和加料板处的质x2和y2等设计型或操作型问题。量(物料)衡算方程,即操作线方程,平衡线方程和操作线方程如图5所示。通过这四个方程可以进行理论板数或塔顶馏出液、釜液组成等计算问题的求解。图3低浓度气体吸收填料塔对于如图4所示的精馏塔的设计计算,表征精馏塔内传质和传热速率的描述十分复杂,不仅图5精馏塔相平衡方程和操作线方程与物系性质、操作条件有关,而且与塔板结构有以上是对以/动量传递0为本质特征的流体流关,用方程描述十分困难,由此引入了理论板的概动、以/热量传递0为本质特征的传热和以/质量传念。即汽液两相充分混合,传热和传质阻力为零,递0为本质特征的吸收和精馏过程的设计计算问因此无论汽液两相组成如何,在每块板上传质传题的解析分析。从中可以看出无论哪一种单元操热的最终结果是两相温度相同且组成互成平作过程,虽然公式形式不同,但无非要用到衡算方[1,2]衡,通过引入理论板的概念精馏过程的计算程(质量衡算或热/能量衡算)和速率方程。前者就得到了简化,这样对精馏塔的设计计算就需要通过对连续定态流动体系质量或热量/能量的衡以下几个方程:算建立起进出物料的函数关系;后者是过程本质Axy=(8)特征的描述,传热或传质速率的大小直接与设备1+(A-1)x的尺寸相关。在传质过程中,相平衡是过程的极R1yn+1=xn+xD(其中R=L/D)限,与传质过程推动力有关,因此传质过程单元操R+1R+1作设备的计算除了要用到前面说到的两类方程(9)外,还需要相平衡方程。综上所述,所有单元操作LŠWym+1=xm-xW(10)LŠ-WLŠ-W设备的设计计算用到的方程无非有三类