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1、石油化工基本理论知识11物质的构成111 分子、原子和元素 世界是物质的，世界上的一切物体都是由物质组成的，如我们常见的水、空气、石油和钢铁等。物质的具体形态是千差万别的，它们通过相互联系和相互转化构成某一物体，如我们看到的厂房、塔、泵和换热器等。 物质是由许多肉眼看不见的微粒构成的，这种微粒叫分子。分子是由一种叫化学键的相当强大的力维持在一起的原子小集团，是保持物质化学性质的最小微粒，例如，水是由元素的水分子组成的，石油是由元素的碳氢化合物分子组成的等等。 分子是由更小的微粒构成，这种极小微粒叫做原子。原子是化学反应的基本微粒。如水分子（H2O）是由两个氢原子和一个氧原子组成，甲烷（CH4）
2、是由一个碳原子和四个氢原子组成的。 同类的原子称为元素，如上述的氢原子称为氢元素。每种元素均由一个或两个拉丁字母作符号，如氢用H，碳用C，铁用Fe等。 原子是一种极小的微粒，但每种原子均有一定相对的质量，这种原子的相对质量称为原子量，分子内各原子量之和叫分子量。112化合物和混合物 物质分子由两种或两种以上元素的原子构成叫化合物，如硫化氢（H2S）、硫酸钠（Na2SO4）等，物质分子由一种元素的原子构成叫单质，如氢气（H2）、氧气（O2）等。 由两种或两种以上的化合物或单质混合而成的物质叫混合物。如空气主要是由氧气、氮气、氢气等混合而成的气体混合物，石油和石油产品是由极其复杂的碳氢化合物混合而
3、成的液体混合物。12 物质的变化121 物质的三种状态 常见的物质存在状态有三种：固体、液体和气体。物质以什么状态存在是有一定条件的，如水在常压常温下是液态状态，但在常压下加热到100就变成气体（蒸汽）状态，在常压下冷却到0就变成固体（冰）状态。可见物质存在状态是可以互相转变的。物质由固态变为液态的过程叫熔化。熔化是在一定温度下并不断吸热的情况下进行的，这个温度叫熔点。物质由液态变为固态的过程叫凝固，凝固需要放热，凝固时的温度叫凝固点。对同一物质而言，凝固点和熔点是相同的。物质由液态变为气态的过程叫气化。气化是在一定温度下并不断吸热的过程。反之气态放出热量变为液态的过程叫液化或冷凝。122分子
4、运动和物态变化 组成物质的分子是在不停地运动的，分子与分子之间有一定的距离，分子之间既相互吸引又互相排斥，物质的不同状态是由组成物质的分子运动速度和分子间的相互作用力的不同特性决定的。 因此，物质在物态的变化过程中，不但与温度有关，而且与物质所承受的压力有关。压力愈大，分子间的距离愈近，分子间的吸引力愈强，物质就较容易由气体转变为液体；反之，物质就容易由液体转变为气体。如我们日常使用的液化气，常温下在较高压力的钢瓶中是以液体状态存在，但通过减压降低压力就变成气体状态了。123 蒸发和沸腾 物质由液态变为气态的过程有两种方法：蒸发和沸腾。 蒸发是一种只从液体表面进行的气化现象，它在任何温度和压强
5、下都能发生，但温度愈高、压力愈低则愈容易蒸发。 沸腾是一种从液体表面和内部同时进行的气化现象，它只在一定温度和压力下才能发生。在沸腾过程，液体不断地吸收热量，但温度不变，这个温度叫沸点，即液体的饱和蒸汽压与外界压力相等时的温度。液体的沸点随压力的不同而变，压力愈低沸点愈低，压力愈高沸点愈高。不同的物质具有不同的沸点，如常压下，水的沸点是100，酒精的沸点是78，对混合液来说，组成不同其沸点也不同。13传热与传质131 物质的热性质 表示物体冷热程度叫温度，它反映了物体内部分子无规则运动的一个物理参数。温度单位的表示方法有：摄氏温度（符号为t，单位为）、绝对温度（符号为T，单位为K）、华氏温度（
6、单位）、兰氏温度（单位0R）。他们之间的关系为：T=（t+273）K；=1.8t+32；0R=1.8t+491.67。 当两个温度不同的物体相接触时，由于无规则运动的混乱程度不同，它们就有可能通过分子的碰撞而交换能量，经由这种方式传递的能量就是热，物体吸收或放出的热叫热量，用符号Q表示，单位为J（焦耳）。若体系吸热，则Q0，若体系放热，则Q0。单位时间吸收或放出的热量叫功率，以符号W表示，单位为J/s（称为瓦）。 单位质量的物质温度升高所需的热量叫做物质的比热，以符号C表示，单位为J.K-1.kg-1。 物质发生相变时所吸收或放出的热量叫潜热。如将单位质量的水在一定温度下变为水蒸汽（或水蒸汽变
7、成水）所放出（或吸收）的热量叫做气化潜热（或冷凝潜热），其单位为J/kg。 把单位质量的物质在常压下基准温度（）加热到某温度（包括物态变化）所吸收的热量，叫该物质在某温度和压力下的热焓，其单位为J/kg。 单位质量或单位体积的燃料完全燃烧时所放出的热量叫燃烧发热值，其单位为J/kg或J/m3。132传热的概念 在没有外功的作用下，传热是指由于温度差引起的能量转移，又称热传递。因此，凡有温度差存在时，必然会发生热量从高温处向低温处传递，故传热是自然界和工程技术中一种极普遍的现象。在石油化工生产和科学实验中，随时会遇到热量传递的问题。例如，为了保证化学反应在一定的温度下进行，对于吸热反应，就需要外
8、界供给热量，对于放热反应，则要及时取走热量；在分离、提纯的操作中，发生了物相的变化，物质发生了相变，就要吸收或放出热量，也要及时供给或取走热量；在石油化工生产中的各种管道需要保温而阻止热量传递，这一类也属于传热的问题。133 传热类型及一般计算方法 根据传热机理的不同，传热有三种基本方式：1热传导（又称导热） 热量通过物体的内部由高温处向低温处传递，这种仅靠物体内部分子、原子和自由电子等微观粒子运动而引起的热量传递称为导热。如通过换热器和加热炉管壁的传热，就属于这种传热方式。（1） 单层平面壁的稳定热传导计算： q=t/R 其中：t单层平面壁温度差； q单位时间内传导的热量，也称导热速率； R
9、热阻，且R=/（A） 平面壁厚度；流体的导热系数；A平面壁的面积。导热系数是温度梯度为1K/m，导热面积为1m2情况下，单位时间内传递的热量。物质的导热系数值越大，说明该物质的导热能力越强。所以导热系数是物质导热能力的标志，为物质的物理性质之一。通常，需要提高导热速率时可选用导热系数大的材料，反之，要降低导热速率时，应选用导热系数小的材料。影响导热系数值的因素主要是：物质的化学组成、物理状态、湿度、压力和温度等。（2） 多层平面壁的稳定热传导计算： A.tq = n (i/i) i=1 其中：t为多层串联壁两边外表面的温度差；n为壁的层数；i为壁层的序数。（3） 单层圆筒壁的稳定热传导计算 石
10、油化工生产上最常采用圆筒形设备传热，如热交换器里的管壁就是最常遇到的圆筒壁。圆筒壁的传热面积随着圆筒半径的增加而增加（平面壁的传热面积是不变的）。单层圆筒壁的稳定热传导计算公式为： 2L(t1-t2) q= 1 r2 ln r1 式中：L为圆筒的长度，t1、t2分别为内、外壁温度，r1、r2分别为内、外壁半径。（4） 多层圆筒壁的稳定热传导计算 由单层圆筒壁的稳定热传导公式推导出多层圆筒壁热传导计算公式为： 2Lt q= n 1 dn+1 ln i=1 n dn 式中：d为圆筒直径。2对流传热（又称热对流） 靠流体各部分之间的相对位移所引起的传热称为热对流（简称对流）。工业上所常遇到的对流传热
11、，是将热量由流体传至固体壁（例如容器壁、导管壁等）或由固体壁传入周围的流体。热对流仅发生在流体的流动中，如加热炉对流段中烟道气与管壁的传热，换热器中热流体与管壁或管壁与冷流体的传热，都属于这种传热方式。 对流传热是发生在流体对流的过程中，所以它与流体流动有密切关系。流体经过固体壁面时形成流动边界层，在边界层内有速度梯度存在；即使流体达到湍流时，在靠近壁面处总有一层层流底层存在，在此层内流体作层流流动。因而热量传递在此层内只能以导热方式进行。由于流体的导热系数小，层流底层的热阻很大，故其中温度差很大，即温度梯度较大。在层流底层以外，从过渡区、再到外流区（湍流主体），逐步依靠流体质点的位移和混合来
12、传热，温度的变化也逐步减慢，至外流区后几乎不存在温度梯度了。所以，对流传热是层流底层的导热和层流底层外的以流体质点作相对位移和混合为主的传热的总称。 温 实际层流底层 度 t1 传热边界层 t2 过渡区 湍流主体 流体膜层厚图11 流体的对流给热 壁面向冷流体传热的计算： q=A(tw-t)热流体对壁面给热计算：q=A(T-tw)式中为给热系数（传热分系数），tw为壁面温度。的单位是W/m2.K，其物理意义是单位时间单位传热面积上，温差为1K时所能传递的热量J，它也是对流给热强度的标志。以上两式为流体给热基本方程，又称牛顿（Newton）给热定律。壁面向冷流体传热计算公式用文字来说明即是：壁面温度为tw的固体给热于温度为t的周围流体时，传热速率q与壁面面积A和壁面与流体间的温度差(tw-t)成正比。3辐射传热（又称热辐射） 辐射传热也称热辐射，是一种以电磁波传递热量的方式。所有的物体（包括固体、液体和气体）都能将热能以电磁波的形式发射出去被另一种物体吸收为热能，而不需要任何介质，也就是说两物体并不需要直接接触而进行传热，如加热炉中辐射室的传热现象。 物体只要其温度高于0K（绝对温标），都有热辐射，但只有当物体的温度大于400（673K）的时候，才发生明显的辐射传热。斯蒂芬-波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定
