第一章石油化工基本理論知識
1．1物質的構成
1．1．1 分子、原子和元素
世界是物質的，世界上的一切物體都是由物質組成的，如我們常見的水、空氣、石油和鋼鐵等。物質的具體形態是千差萬別的，它們通過相互聯絡和相互轉化構成某一物體，如我們看到的廠房、塔、幫浦和換熱器等。
物質是由許多肉眼看不見的微粒構成的，這種微粒叫分子。分子是由一種叫化學鍵的相當強大的力維持在一起的原子小集團，是保持物質化學性質的最小微粒，例如，水是由元素的水分子組成的，石油是由元素的碳氫化合物分子組成的等等。
分子是由更小的微粒構成，這種極小微粒叫做原子。原子是化學反應的基本微粒。如水分子（h2o）是由兩個氫原子和乙個氧原子組成，甲烷（ch4）是由乙個碳原子和四個氫原子組成的。
同類的原子稱為元素，如上述的氫原子稱為氫元素。每種元素均由乙個或兩個拉丁字母作符號，如氫用h，碳用c，鐵用fe等。
原子是一種極小的微粒，但每種原子均有一定相對的質量，這種原子的相對質量稱為原子量，分子內各原子量之和叫分子量。
1．1．2化合物和混合物
物質分子由兩種或兩種以上元素的原子構成叫化合物，如硫化氫（h2s）、硫酸鈉（na2so4）等，物質分子由一種元素的原子構成叫單質，如氫氣（h2）、氧氣（o2）等。
由兩種或兩種以上的化合物或單質混合而成的物質叫混合物。如空氣主要是由氧氣、氮氣、氫氣等混合而成的氣體混合物，石油和石油產品是由極其複雜的碳氫化合物混合而成的液體混合物。
1．2 物質的變化
1．2．1 物質的三種狀態
常見的物質存在狀態有三種：固體、液體和氣體。物質以什麼狀態存在是有一定條件的，如水在常壓常溫下是液態狀態，但在常壓下加熱到100℃就變成氣體（蒸汽）狀態，在常壓下冷卻到0℃就變成固體（冰）狀態。
可見物質存在狀態是可以互相轉變的。
物質由固態變為液態的過程叫熔化。熔化是在一定溫度下並不斷吸熱的情況下進行的，這個溫度叫熔點。物質由液態變為固態的過程叫凝固，凝固需要放熱，凝固時的溫度叫凝固點。
對同一物質而言，凝固點和熔點是相同的。物質由液態變為氣態的過程叫氣化。氣化是在一定溫度下並不斷吸熱的過程。
反之氣態放出熱量變為液態的過程叫液化或冷凝。
1．2．2分子運動和物態變化
組成物質的分子是在不停地運動的，分子與分子之間有一定的距離，分子之間既相互吸引又互相排斥，物質的不同狀態是由組成物質的分子運動速度和分子間的相互作用力的不同特性決定的。
因此，物質在物態的變化過程中，不但與溫度有關，而且與物質所承受的壓力有關。壓力愈大，分子間的距離愈近，分子間的吸引力愈強，物質就較容易由氣體轉變為液體；反之，物質就容易由液體轉變為氣體。如我們日常使用的液化氣，常溫下在較高壓力的鋼瓶中是以液體狀態存在，但通過減壓降低壓力就變成氣體狀態了。
1．2．3 蒸發和沸騰
物質由液態變為氣態的過程有兩種方法：蒸發和沸騰。
蒸發是一種只從液體表面進行的氣化現象，它在任何溫度和壓強下都能發生，但溫度愈高、壓力愈低則愈容易蒸發。
沸騰是一種從液體表面和內部同時進行的氣化現象，它只在一定溫度和壓力下才能發生。在沸騰過程，液體不斷地吸收熱量，但溫度不變，這個溫度叫沸點，即液體的飽和蒸汽壓與外界壓力相等時的溫度。液體的沸點隨壓力的不同而變，壓力愈低沸點愈低，壓力愈高沸點愈高。
不同的物質具有不同的沸點，如常壓下，水的沸點是100℃，酒精的沸點是78℃，對混合液來說，組成不同其沸點也不同。
1．3傳熱與傳質
1．3．1 物質的熱性質
表示物體冷熱程度叫溫度，它反映了物體內部分子無規則運動的乙個物理引數。溫度單位的表示方法有：攝氏溫度（符號為t，單位為℃）、絕對溫度（符號為t，單位為k）、華氏溫度（單位℉）、蘭氏溫度（單位0r）。
他們之間的關係為：t=（t+273）k；℉=1.8t+32；0r=1.
8t+491.67。
當兩個溫度不同的物體相接觸時，由於無規則運動的混亂程度不同，它們就有可能通過分子的碰撞而交換能量，經由這種方式傳遞的能量就是熱，物體吸收或放出的熱叫熱量，用符號q表示，單位為j（焦耳）。若體系吸熱，則q>0，若體系放熱，則q<0。單位時間吸收或放出的熱量叫功率，以符號w表示，單位為j/s（稱為瓦）。
單位質量的物質溫度公升高所需的熱量叫做物質的比熱，以符號c表示，單位為
物質發生相變時所吸收或放出的熱量叫潛熱。如將單位質量的水在一定溫度下變為水蒸汽（或水蒸汽變成水）所放出（或吸收）的熱量叫做氣化潛熱（或冷凝潛熱），其單位為j/kg。
把單位質量的物質在常壓下基準溫度（℃）加熱到某溫度（包括物態變化）所吸收的熱量，叫該物質在某溫度和壓力下的熱焓，其單位為j/kg。
單位質量或單位體積的燃料完全燃燒時所放出的熱量叫燃燒發熱值，其單位為j/kg或j/m3。
1．3．2傳熱的概念
在沒有外功的作用下，傳熱是指由於溫度差引起的能量轉移，又稱熱傳遞。因此，凡有溫度差存在時，必然會發生熱量從高溫處向低溫處傳遞，故傳熱是自然界和工程技術中一種極普遍的現象。在石油化工生產和科學實驗中，隨時會遇到熱量傳遞的問題。
例如，為了保證化學反應在一定的溫度下進行，對於吸熱反應，就需要外界供給熱量，對於放熱反應，則要及時取走熱量；在分離、提純的操作中，發生了物相的變化，物質發生了相變，就要吸收或放出熱量，也要及時供給或取走熱量；在石油化工生產中的各種管道需要保溫而阻止熱量傳遞，這一類也屬於傳熱的問題。
1．3．3 傳熱型別及一般計算方法
根據傳熱機理的不同，傳熱有三種基本方式：
1．熱傳導（又稱導熱）
熱量通過物體的內部由高溫處向低溫處傳遞，這種僅靠物體內部分子、原子和自由電子等微觀粒子運動而引起的熱量傳遞稱為導熱。如通過換熱器和加熱爐管壁的傳熱，就屬於這種傳熱方式。
（1） 單層平面壁的穩定熱傳導計算：
q=δt/r
其中：δt—單層平面壁溫度差；
q—單位時間內傳導的熱量，也稱導熱速率；
r—熱阻，且r=δ/（λa）
平面壁厚度；
λ—流體的導熱係數；
a—平面壁的面積。
導熱係數λ是溫度梯度為1[k/m]，導熱面積為1[m2]情況下，單位時間內傳遞的熱量。物質的導熱系數值越大，說明該物質的導熱能力越強。所以導熱係數是物質導熱能力的標誌，為物質的物理性質之一。
通常，需要提高導熱速率時可選用導熱係數大的材料，反之，要降低導熱速率時，應選用導熱係數小的材料。影響導熱係數λ值的因素主要是：物質的化學組成、物理狀態、濕度、壓力和溫度等。
（2） 多層平面壁的穩定熱傳導計算：
a.δt
q =
ni/λi)
i=1 其中：δt為多層串聯壁兩邊外表面的溫度差；
n為壁的層數；
i為壁層的序數。
（3） 單層圓筒壁的穩定熱傳導計算
石油化工生產上最常採用圓筒形裝置傳熱，如熱交換器裡的管壁就是最常遇到的圓筒壁。圓筒壁的傳熱面積隨著圓筒半徑的增加而增加（平面壁的傳熱面積是不變的）。單層圓筒壁的穩定熱傳導計算公式為：
2πl(t1-t2)
q=1 r2
lnr1
式中：l為圓筒的長度，t1、t2分別為內、外壁溫度，r1、r2分別為內、外壁半徑。
（4） 多層圓筒壁的穩定熱傳導計算
由單層圓筒壁的穩定熱傳導公式推導出多層圓筒壁熱傳導計算公式為：
2πlδt
q=n 1 dn+1
lni=1 λn dn
式中：d為圓筒直徑。
2．對流傳熱（又稱熱對流）
靠流體各部分之間的相對位移所引起的傳熱稱為熱對流（簡稱對流）。工業上所常遇到的對流傳熱，是將熱量由流體傳至固體壁（例如容器壁、導管壁等）或由固體壁傳入周圍的流體。熱對流僅發生在流體的流動中，如加熱爐對流段中煙道氣與管壁的傳熱，換熱器中熱流體與管壁或管壁與冷流體的傳熱，都屬於這種傳熱方式。
對流傳熱是發生在流體對流的過程中，所以它與流體流動有密切關係。流體經過固體壁面時形成流動邊界層，在邊界層內有速度梯度存在；即使流體達到湍流時，在靠近壁面處總有一層層流底層存在，在此層內流體作層流流動。因而熱量傳遞在此層內只能以導熱方式進行。
由於流體的導熱係數小，層流底層的熱阻很大，故其中溫度差很大，即溫度梯度較大。在層流底層以外，從過渡區、再到外流區（湍流主體），逐步依靠流體質點的位移和混合來傳熱，溫度的變化也逐步減慢，至外流區後幾乎不存在溫度梯度了。所以，對流傳熱是層流底層的導熱和層流底層外的以流體質點作相對位移和混合為主的傳熱的總稱。
溫實際層流底層
度 t1傳熱邊界層
t2過渡區
湍流主體
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