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1、第2章 过程机械原理入门,化工与能源学院,主要内容,ZHENGZHOU UNIVERSITY,绪论,一般机械原理研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动。过程机械原理是研究机械及其系统中流程型物料的状态变化，以及这些物料和状态变化对机械及其系统影响的规律。,ZHENGZHOU UNIVERSITY,2.1 流体动力过程,流体动力学过程,流体静力学过程,流体动力过程,ZHENGZHOU UNIVERSITY,流体动力过程（fluid dynamical process）是指遵循流体力学规律的过程。它涉及泵、压缩机、风机、管道和阀门等过程设备与元件。,2.1.1 流体静力学过程
2、,ZHENGZHOU UNIVERSITY,切应力作用下流体会变形，且无恢复原状的能力。,温度不变时，流体的体积随压力增大而缩小的性质。,压力不变时，流体的体积随温度升高而增大的性质。,运动的流体，在相邻的流层接触面上，形成阻碍流层相对运动的等值而反向的摩擦力。,液体和气体的统称,2.1.1 流体静力学过程,ZHENGZHOU UNIVERSITY,深度相同的各点压力相同，形成一个等压水平面。,压力能和位能可以相互转化，但其总和保持不变。,浸没在液体中的物体，浮力等于其排开液体的体积。（阿基米德定律）,密闭容器内的液体，外压力发生变化时，液体内任一点的压力均发生同样大小的变化。（帕斯卡原理、静
3、压传递原理）,流体静力学的性质,流体静力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律，以及这些规律的实际应用。,2.1.1 流体静力学过程,ZHENGZHOU UNIVERSITY,2.1.2 流体动力学过程,位能流体质量中心在重力作用下，高出某基准面而具有的能量位能=mgZ,流体流动时具有的能量,ZHENGZHOU UNIVERSITY,动能流体流动时所具有的能量。,2.1.2 流体动力学过程,Re4000,2100Re4000,Re2100,ZHENGZHOU UNIVERSITY,流体流动时，各质点间互相平行，不相干扰,从层流过渡至湍流的中间状态，流体行为不稳定。,流体除了向前流动外，还造成许
4、多漩涡，与侧边的流体混合。,流体流动的特征：,雷诺数（Reynolds number）,2.1.3 流体输送过程的基本设备,流体输送过程采用泵来实现。离心泵：依靠高速旋转的叶轮，使液体在惯性离心力作用下获得能量提高压强，实现流体输送。往复泵：依靠泵缸内的活塞作往复运动来改变工作容积，实现流体输送。转子泵旋涡泵,2.1.4 流体输送过程中使用的阀门,截止阀：靠阀芯压紧在阀座上截断闸阀：靠调节闸板控制阀门的开启球阀：阀芯为一个开有通孔的球，通过球的旋转实现对流体的控制。,2.2 热量传递过程,热量传递过程（heat transfer pocess)指遵循传热学规律的过程。是物质系统内的热量转移过程
5、。热量传递过程涉及热量交换过程，其设备主要为换热器或热交换器。,2.2 热量传递过程,热传导（conduction）,对流传热（convective heat transfer）,辐射传热（radiation heat transfer）,热量传递形式,ZHENGZHOU UNIVERSITY,物体各部分无相对位移，仅依靠物质分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而使热量从高温部分向低温部分传递的现象。,依靠流体微团的宏观运动而进行的热量传递,两个互不接触且温度不同的物体或介质之间通过电磁波进行的换热,2.2 热量传递过程,热量传递过程（heat transfer pocess)指遵循传热学规律
6、的过程。是物质系统内的热量转移过程。热量传递过程涉及热量交换过程的设备主要为换热器或热交换器。,2.2 热量传递过程,2.2 热量传递过程,热管（heat tube）封闭的管壳中充以工作介质并利用介质的相变吸热和放热进行热交换的高效换热元件。热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。,2.2 热量传递过程,热管一般由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易
7、挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。,2.2 热量传递过程,热管具有独特的热传导性较大的传热能力，可达紫铜热导率的数倍到数千倍。优良的等温性。冷热两端的温差只有0.5。结构简单，无运动部件和噪声。,2.3 质量传递过程,质量传递过程（mass transfer process）指遵循传质诸规律的过程。它设计有关干
8、燥、蒸馏、浓缩、萃取等传质过程及设备。,2.3.1 干燥过程,干燥过程的目的是除去某些原料、半成品及成品中的水分或溶剂，以便于加工、使用、运输、储藏等。物料与水分结合形式：化学结合水 包括水分与物料的离子结合和结晶性分子结合，若脱掉结晶水，晶体必遭破坏。物理化学结合水 包括吸附、渗透和结构水分。机械结合水 包括有毛细管水分、润湿水分和空隙水分。,存在于纤维或微小颗粒成团的湿物料中。,水和物料的机械混合，易用加热和机械方法脱 除。,当毛细管半径大于10mm以上时，其中的水分为空隙水分。,2.3.1 干燥过程,用途,水果蔬菜干燥,谷物干燥,生物物料干燥,纤维物料干燥,食品干燥,其它干燥,ZHENG
9、ZHOU UNIVERSITY,用吸湿剂如浓硫酸、无水氯化钙、分子筛等除去气体、液体和固体中的少量水分。除湿有限，费用较高。只用于少量物料的除湿干燥。,用压榨、过滤、离心分离等机械方法除去湿分。该方法脱水快，费用省。去湿程度不高。如离心分离后水分含量达5%10%。板框压滤后含水量达50%60%,用热能加热物料，使物料中的水分蒸发后干燥。或者用冷冻法使水分结冰后升华而除去湿分，这是物料中常用的干燥方法。,2.3.1 干燥过程,机械干燥,化学干燥,加热（冷冻）干燥,ZHENGZHOU UNIVERSITY,干燥过程采用的方法,2.3.1 干燥过程,干燥过程采用的设备,散粒状湿物料从加料口加入，热气
10、体穿过流化床底部的多孔气体分布板，形成许多小气流射入物料层。将操作气速控制在一定范围内时，颗粒物料悬浮在上升的气流中形成沸腾状流化床，料层内颗粒物料的相互碰撞、混合剧烈，气固两相间的传热传质过程得到强化，使物料得以干燥。干燥产品经床侧出料管卸出，湿废气体由引风机从床层顶部抽出排空，用旋风分离器分离所夹带的少量细微粉。,又称为流化床干燥器，是流态化技术在干燥作业上的应用。,湿物料,废气,热空气,干品,沸腾床干燥器（Fluidized bed dryer）,喷雾干燥器（Spray dryer),用于干燥溶液、浆液或悬浮液。液状物料由雾化器喷成雾状细滴并分散于热气流中，使水分迅速汽化而获得微粒状干燥
11、产品。,雾滴直径通常仅为 3060m，每升料液具有 100600m2 的蒸发面积，故所需干燥时间很短（约为530s）。特别适合于干燥热敏性的物料，如牛奶、蛋制品、血浆、洗衣粉、抗菌素、酵母和染料等，已广泛应用于食品、医药、燃料、塑料及化学肥料等行业。,厢式(室式)干燥器(Tray dryer),小型的称为烘箱，大型的称为烘房，可同时处理多种物料。通常在常压或真空下间歇操作。厢内设有支架，湿物料放在矩形浅盘内，或悬挂在支架上(板状物料)，空气经加热器预热并均匀分配后，平行掠过物料表面，离开物料表面的湿废气体，部分排空，部分循环，与新鲜空气混合后用作干燥介质。,2.3.2 蒸馏过程,蒸馏是利用混合
12、液体中各组分具有不同的挥发度来分离液体混合物的一种方法。在石油炼制、石油化工机化学工业中占有重要地位。,闪蒸罐,塔顶产品,yA,xA,加热器,原料液,塔底产品,Q,减压阀,2.3.2 蒸馏过程,2.3.2 蒸馏过程,蒸馏是在塔设备内进行的。塔设备截面一般为圆形，长径比很大，用以使气体与液体、气体与固体密切接触，促进其相互作用。,2.3.3 吸收过程,气体吸收是气体混合物中一种组分（或多种）从气相转移到液相的过程。混合气体分离最常用的操作方法之一。依据混合气体各组分在同一种液体溶剂中物理溶解度（或化学反应活性）的不同，而将气体混合物分离的操作过程。本质上是混合气体组分从气相到液相的相间传质过程转
13、移方法是物质借扩散作用（分子扩散或对流扩散）而传递。,2.3.3 吸收过程,液体溶剂吸收剂混合气体中能显著溶于液体的组分溶质几乎不溶解的组分惰性组分吸收后得到的溶液吸收液吸收后的气体净化气,2.3.3 吸收过程,(1)按溶质和吸收剂之间发生的反应：物理吸收：气体溶质不与液体溶剂发生明显的化学反应。如水吸收丙 酮蒸汽、CO2、化学吸收：气体溶质进入液相后，与溶剂或其它物质发生化学反应。碱液净化含SO2锅炉尾气(2)按混合气体中被吸收组分数目：单组分吸收：如用水吸收HCl气体制取盐酸多组分吸收：碱液吸收烟气（含SO2,NOx,CO2,CO等）(3)按体系温度是否变化：如果液相温度明显升高称为非等温
14、吸收如果液相温度基本保持不变称为等温吸收,吸收的类型,单组分等温物理吸收是最简单和最基础的。,2.3.3 吸收过程,2.3.4 吸附过程,吸附过程是指多孔固体吸附剂与流体（液体或固体）接触，流体中的单一或多种溶质向多孔固体表面选择性传递，积累与多孔固体表面的过程。吸附过程的逆向操作称为解吸过程，可以使已吸附于多孔固体吸附剂表面的各类溶质有选择性地脱出。通过吸附和解吸可以达到分离、精制的目的。,2.3.4 吸附过程,吸附过程中，吸附剂的选择非常重要。吸附剂的吸附容量通常在1%40%之间。常见吸附剂,2.3.4 吸附过程,固定床,流动床,通常采用的吸附剂解吸再生循环操作的方法如下：变温吸附 提高温
15、度使吸附剂的吸附容量减少而解吸，利用温度的变化完成循环操作。变压吸附 降低压力或抽真空使吸附剂解吸，升高压力使之吸附，利用压力变化完成循环操作。变浓度吸附 带分离溶质为热敏性物质时刻利用溶剂冲洗或萃取剂抽提来完成解吸再生。,提高吸附作用的处理量需要反复进行吸附和解吸操作，增加循环次数。,2.3.4 吸附过程,2.3.5 萃取过程,液-液萃取的基本原理,在液体混合物中加入与其不完全混溶的液体溶剂（萃取剂），形成液-液两相，利用液体混合物中各组分在两液相中溶解度的差异而达到分离的目的。也称溶剂萃取，简称萃取。液体溶剂对固体混合物进行的溶质萃取过程称为固-液萃取，也称浸出、浸提或浸沥。其原理和洗涤一
16、样，只是目的不同。,溶质：混合液中被分离出的物质，以A表示；稀释剂（原溶剂）：混合液中的其余部分，以B表示；萃取剂：萃取过程中加入的溶剂，以S表示。萃取剂对溶质应有较大的溶解能力，对于稀释剂则不互溶或仅部分互溶。,按性质可分为物理萃取（不涉及化学反应的物理传递过程，在石油化工领域应用广泛）和化学萃取（主要应用于金属的提取与分离）；按萃取对象可分为有机物萃取和无机物萃取。,2.3.5 萃取过程,实现萃取操作的基本要求如下：选择适宜的溶剂。溶剂能选择性地溶解各组分，即对溶质具有显著地溶解能力，而对其他组分和原溶剂完全不溶或部分互溶。原料与溶剂充分混合分相，形成的液-液两相较易分层。脱溶剂得到溶质，
17、回收溶剂。溶剂易于回收且价格低廉。,2.3.5 萃取过程,对于液-液系统，为实现两相的密切接触和快速分离比气液系统困难的多。液液传质设备的类型较多。目前已有30多种萃取设备在工业中应用。根据两相接触方式，萃取设备可分为逐级接触式和微分接触式。每一分类又可分为有外加能量和无外加能量两种。,单级萃取装置，可以多级按逆流、并流或错流方式组合。,2.3.6 膜分离过程,膜分离过程是利用天然或人工合成的、具有选择透过能力的薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分体系进行分离、分级、提纯或富集。,膜的种类,根据膜的材质,固体膜,液体膜,根据材料来源,天然膜,合成膜,无机材料膜,有机高分子膜,根
18、据膜的结构,多孔膜,致密膜,离子交换膜,渗析膜,微孔过滤膜,超过滤膜,反渗透膜,渗透汽化膜,气体渗透膜,根据膜的功能,2.3.6 膜分离过程,物质通过膜的分离过程是复杂的，膜的传递过程可以分为以下两大类。第一类一假定的传递机理为基础，其中包含了被分离物的物化性质和传递特性。通过多孔型膜的流动：孔模型、微孔扩散模型、优先吸附-毛细孔流动模型。通过非多孔型膜的渗透：溶解-扩散模型，不完全溶解-扩散模型。第二类以不可逆热力学为基础，称为不可逆热力学模型。它关联了压力差、浓度差、电位差等对渗透流的关系，以线性方程描述伴生效应的过程。,2.3.6 膜分离技术的应用,应用,水的脱盐和净化,食品工业,医疗、
19、卫生方面,石油、化工方面,环境工程,其他方面,海水与苦咸水淡化,电厂锅炉供水脱盐,超纯水制备,城市家庭饮用水的净化,乳品加工,酒类生产,果汁加工,酶制剂生产,医疗、卫生用水,药品生产,医疗应用,中药提炼,回收有机蒸气,制取富氧空气,无水乙醇生产,膜与生物技术,国防上的应用,交通、运输方面,脱气膜,电泳漆废水,电镀废水,纤维工业废水,造纸工业废水,其他废水,2.3.6 膜分离过程,膜分离与传统分离技术结合，发展了新的膜过程：膜蒸馏、膜萃取、蒸馏-渗透气化、冷冻过滤、选择沉淀过滤等。膜分离与反应过程结合，产生了新的膜反应过程，开发了膜反应器、气相膜反应器等。,2.3.7 离子交换过程,定义离子交换
20、分离法是利用离子交换剂与溶液中的离子之间所发生的交换反应进行分离的方法。原理离子交换分离法是基于物质在固相与液相之间的分配。,2.3.7 离子交换过程,分离形式：柱分离，电渗析隔膜，离子交换纸上色层，离子交换纤维薄层。特点：吸附的选择性高，适应性强，处理对象广，分离容易，使用设备简单。应用：离子交换法分离对象广，几乎所有无机离子以及许多结构复杂性质相似的有机化合物都适用。适应工业生产大规模分离要求，也适合实验室超微量物质的分离。,2.3.7 离子交换过程,离子交换过程基本原理如下：离子间成等量交换 可为等当量同电荷的离子取代，为保持电性中和，游离的离子从溶胀的树脂进入溶液，形成离子交换。离子交
21、换剂对不同离子具有不同的亲和力和选择性 室温下多价离子比单价离子优先交换：对碱金属和碱土金属离子，它的亲和力随原子序数的增加而增加：离子排斥 离子排斥的速度比离子交换慢。对解离的物质不产生排斥的作用称为Donnan效应。,2.3.7 离子交换过程,非水溶液中的离子交换 为了维持电荷的平衡，对和树脂骨架结构中具有相反电荷的离子称为反离子。反之称为共离子。由于亲和力大小不同，不同离子在离子交换柱中的迁移速度不相同。树脂在非水溶剂中体积要收缩，致使离子在树脂相中的扩散速度以致交换速率降低。筛选效应 由于置换速率较小的原因 大的离子或聚合物不能大量吸收，因而对不同大小的离子产生筛选效应。,2.3.7
22、离子交换应用,有机玻璃离子交换装置,FY组合型净水器，集净化杀菌为一体净水效果,2.3.7 离子交换应用,2.3.7 离子交换应用,2.3.8 结晶过程,一、概念,二、分类,结晶：指物质从液态（溶液或熔融体）或蒸汽形成 晶体的过程。是获得纯净固态物质的重要方法之一。,还可分为间歇式和连续式。,还分为无搅拌式和有搅拌式。,2.3.8 结晶过程,1、能从杂质含量很高的溶液或多组份熔融状态混合物中获得非常纯净的晶体产品；2、对于许多其它方法难以分离的混合物系，同分异构体物系和热敏性物系等，结晶分离方法更为有效；3、结晶操作能耗低，对设备材质要求不高。,三、在化工生产中的应用,应用在化学、食品、医药、
23、轻纺等工业中，许多产品及中间产品都是以晶体形态出现的。,四、特点,例如：味精、速溶咖啡、青霉素、红霉素、化肥、洗衣粉等。,2.4 动量传递过程,动量传递过程（momentum transfer process）指遵循动量传递及固体力学诸规律的过程。它涉及固体物料的输送、粉碎、造粒等过程及设备。,2.4.1 粉碎过程,粉碎过程是指固体物料在外力作用下，克服内聚力，从而使颗粒的尺寸减小，比表面积增大的过程。,不同的粉碎方式可得到不同的粒径。,粗碎：将物料破碎到100mm左右。中碎：将物料破碎到30mm左右。细碎：将物料破碎到3mm左右。,破碎,粗磨：将物料磨碎到0.1mm左右。细磨：将物料磨碎到6
24、0m左右。超细粉碎：将物料磨碎到5m或更小 至亚微米。,磨碎,2.4.1 粉碎过程,粉碎施力种类有压缩、冲击、剪切、弯曲和摩擦等。施力作用很复杂往往是若干种施力作用同时存在。,粗碎和中碎的施力种类以压缩和冲击力为主。对于超细粉碎过程除上述两种力外，主要应为摩擦力和剪切力。对于脆性材料施以压缩力和冲击力为佳，而韧性材料应施加剪切力或快速冲击力为好。,2.4.1 粉碎过程,从表观看，粉碎过程是简单的机械物理过程，但通过微观分析，粉碎过程是一种复杂的物理化学过程。,在粉碎过程中通过机械力给颗粒积聚了能量，导致颗粒出现晶格畸变，晶格缺陷，无定形化，电子放射及出现等离子区等现象。粉碎使颗粒形成的断裂面上
25、出现不饱和价键和带电荷的结构单元，导致颗粒处于亚稳的高能状态。这种由机械力作用引起材料结构变化和物理化学性质变化的现象即为粉体的机械化学效应。该效应使粉体活性提高，反应能力增强。,2.4.1 粉碎过程,在超细粉碎中，一方面是大颗粒碎解成小颗粒，另一方面是小颗粒通过范德华力或新表面上的剩余化学键或游离基的作用，结合成为大颗粒。当上述两个相反过程速度相等时，便出现粉碎平衡，物料不能进一步粉碎，比表面积也难以进一步增加。要达到更超细的颗粒，要采用更高能量的磨机或采用改善粉碎性能的助磨剂，使平衡点下移，使颗粒进一步得到粉碎。,2.4.1 粉碎过程,盘式磨碎机,2.4.1 粉碎过程,锤式破碎机,2.4.
26、1 粉碎过程,球磨机,2.4.1 粉碎过程,超微气流粉碎机,2.4.2 机械分离过程,气固分离过程,液固分离过程,1）回收有价值的分散物质,例如：回收干燥器出来的气体及从结晶机出来的晶浆中的悬浮颗粒作为产品。,2）净化分散介质以满足后继生产工艺的要求,例如：除去反应气中的杂质，避免对催化剂活性的影响,3）环境保护和安全生产,例如：三废的处理,2.4.2 机械分离过程,气固分离常用设备,2.4.2 机械分离过程,重力沉降室,静电分离器,旋风分离器,2.4.2 机械分离过程,液固分离过程,液固分离过程分为以下两类：,1）液体受限制，固体颗粒在流动的过程 对其分离取决于固体颗粒与液体间的密度差，有浮
27、选、重力沉降、离心沉降等。,2）固体颗粒受限制，液体在流动的过程 以具有过滤介质为前提，有压滤、筛滤等。,2.4.2 机械分离过程,液固分离常用设备,2.4.2 机械分离过程,1-2-3-2-1-2-3-2-1,板框式压滤机,2.4.2 机械分离过程,旋流式分离器,2.4.3 材料成形加工过程,按成型方法分,压制成型压铸成型注射成型挤出成型,平板硫化机上模压成型注射机中注射成型,按生产设备不同分,材料的成形加工过程实际上也都遵循动量传递及固体、流体力学规律。,橡胶制品成型方法分类,2.4.3 材料成形加工过程,橡胶挤出机结构,2.5 热力过程,热力过程（thermodynamic proces
28、s)指遵循热力学诸规律的动力过程，它涉及发电、燃烧、冷冻、空气分离等过程及设备。热力学主要研究热、功和其他形式能量之间的相互转换及 其转换过程中所遵循的规律，成为自然科学的共性规律。原来只是物理学的一个分支学科，在19世纪中叶开始形成。最初只是研究热能与机械能之间的转换。,2.5.1 热力学系统与过程,热力学的一些基本概念,系统(system)：我们所研究的那部分物质世界；环境(surounding)：与系统相关的部分。系统与环境间有界面(假想的或真实的)分开，可以有物质和能量的交换。,封闭系统(closed system)：与环境间有热、功等能量形式的交换而无物质交换的系统。隔离系统(iso
29、lated system)：与环境间既没有物质交换，又没有能量交换的系统，又称孤立系统。敞开系统(open system)：与环境间既有物质交换又有能量交换的系统，又称开放系统。,2.5.1 热力学系统与过程,热力学的一些基本概念,热力学过程：指系统在一定的环境条件下，从一个状态到另一个状态的变化。,恒温过程 系统与环境温度相等并恒定。恒压过程 系统与环境压力相等并恒定。绝热过程 系统与环境间隔绝热的传递。循环过程 封闭系统经历一定变化后复原。稳流过程 敞开系统虽有物质和能量进出，但系统中没有物质和能量积累。可逆过程 正逆过程都可能进行，逆向进行时，每一步的状态是原来正向时的重演。可逆循环复原
30、后，不遗留永久性的不可逆变化。不可逆过程 一切实际过程都是不可逆过程。同样条件下，逆过程不可能进行。系统经历不可逆循环复原后，将遗留永久性的不可逆变化。,2.5.2 热力学第一定律,能量守恒定律（热力学第一定律）能量的形式虽可以转换，但其总和既不会增加也不会减少。,Q+W=U,Q-热，由于系统与环境温度有差别而引起的从高温到低温物体的能量传递。吸热为正，放热为负。,U-内能 系统内部所有分子间相互吸引或排斥的分子将位能、分子移动、转动、振动、电子运动、核运动能量的总和。但不包括整个系统的动能和位能。,W-功 除热以外系统与环境间的能量传递，得功为正，做功为负。,2.5.2 热力学第一定律,2.
31、5.3 热力学第二定律,永 动 机 的 设 想 图,2.5.3 热力学第二定律,第二定律的提出,1 功热转换的条件第一定律无法说明.,2 热传导的方向性、气体自由膨胀的不可逆性问题第一定律无法说明.,2.5.3 热力学第二定律,开尔文(L.Kelvin)说法：不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来做功，而不放出热量给其他物体，或者说不使外界发生任何变化。(It is impossible by means of inanimate material agency to derive mechanical effect from any portion of matter by
32、 cooling it below the temperature of the coldest of the surrounding objects.),热力学第二定律的两种表述,2.5.3 热力学第二定律,克劳修斯(R.Clausius)说法：不可能把热量从低温物体自动传到高温物体而不引起外界的变化.(No process is possible whose sole effect is to transfer heat from a cold body to a hot body.By sole effect is meant without the rest of the univer
33、se changing,or changing in a cycle of operations.),2.5.2 热力学第一定律,热机：持续地将热量转变为功的机器,工作物质（工质）：热机中被利用来吸收热量并对外做功的物质.,2.5.3 热力学第二定律,虽然卡诺制冷机能把热量从低温物体移至高温物体，但需外界作功且使环境发生变化.,2.5.3 热力学第二定律,热力学第二定律是大量实验和经验的总结。热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性。热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性。,2.5.3 热力学第二定律,热机从高温热源所吸的热 Q1 分成了两部分：对环境做功
34、W 和向低温热源放热 Q2。对系统来说能量守恒：对于循环热机，其热机效率为：循环热机正向和反向运行时的效率相同。,热机工作原理示意图,W=Q1-Q2,2.5.3 热力学第二定律,理想热机与卡诺循环,Fig.1 理想热机,1 2，恒温可逆膨胀。23c，绝热可逆膨胀3 4，恒温可逆压缩。4 1，绝热可逆压缩。,1,2,3,4,卡诺循环,2.6 化学反应过程,ZHENGZHOU UNIVERSITY,置换反应A+BC=B+AC,化学反应过程（chemical process）：指遵循化学反应诸规律的过程，它涉及化学反应，如合成、分解等过程和设备,2.6.1 化学反应器,常见化学反应器,连续操作搅拌釜
35、,间歇操作搅拌釜,连续操作管式反应器,固定床反应器,鼓泡床反应器,流化床反应器,ZHENGZHOU UNIVERSITY,2.6.1 化学反应器,2.6.2 电化学反应装置,电化学是指在电极和溶液截面上进行电能与化学能之间的转变反应。,ZHENGZHOU UNIVERSITY,2.6.2 电化学反应装置,燃料电池是高技术电化学反应装置的代表。,纯氢气、甲醇、乙醇、天然气，甚至汽油都可以用做燃料电池的燃料。燃料电池的发电过程几乎没有造成任何污染。,2.6.2 电化学反应装置,2.6.3 生物反应器,由生物工程所引出的生产过程可统称为生物反应工程。在生物反应工程中若采用活细胞（包括微生物、动植物细
36、胞）为生物催化剂，称为发酵过程或细胞培养过程；采用游离酶或固定化酶，则称为酶反应过程。生化反应器(生物反应器)就是为适应生化反应(生物反应)的特点而设计的反应设备。包括酶反应器、微生物反应器（发酵罐）和动植物细胞培养用反应器。,2.6.3 生物反应器,典型的生物反应工程包括四个部分：原材料预处理生物催化剂的制备生化反应器及反应条件的选择与监控产物的分离纯化,2.6.3 生物反应器,生化反应中的颗粒有：单个细胞、细胞群、絮凝细胞团、丝状细胞、固定化酶颗粒。它们的形状可能是球形、柱形、无定形等，比化工过程复杂。生物颗粒的特点是有生命活力。微生物、动物或植物细胞是无数个微型反应器，从环境中提取原料，
37、获取能量，自我繁殖加工，合成能储存在细胞里或分泌至细胞外的产品。生物细胞颗粒的结构和形态可随加工过程而变化。细胞可从丝状变为圆球状，又从单个细胞到絮凝细胞团。生物颗粒的另一个特点是对流动或机械剪切力十分敏感。,一般生物反应器有如下特点：,2.6.3 生物反应器,生物反应器的分类,生物反应器,间歇操作,半间歇半连续操作,连续操作,生物团块反应器,生物膜反应器,全混流型,活塞流型,全混流型,活塞流型,搅拌釜式反应器循环反应器环流反应器,管式反应器鼓泡塔多级串联式反应器,流化床反应器循环管反应器完全混合膜反应器,固定床生物转盘渗滤器膜反应器,2.6.3 生物反应器,工业反应器,实验室反应器,结束语,需要指出的是，在实际生产设备中，大多传热、传质、动量传递和反应过程等兼而有之，上述六大基本过程常常相互耦合。如何从高效节能的目的出发，将不同的过程工艺巧妙地集成于一体，需要过程机械工程师在设计中充分发挥自己的智慧。,The End!,ZHENGZHOU UNIVERSITY,
