化学工程

来源：Michael G. Benton 和 Kerry M. Dooley，路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 换热器用于将热量从一种流体传递到另一种流体。根据不同的应用需求，存在多种类型的换热器。其中最常见的类型包括壳管式换热器和平板式换热器1。壳管式换热器采用一系列管道，流体在管道内流动1。其中一组管道内为需要冷却或加热的液体，而另一组管道内则为吸收或传递热量的液体1。平板式换热器采用类似原理，通过将多块板片紧密连接，并在板片之间留有微小间隙以供液体流动1。在板片间流动的流体交替为高温和低温，从而使热量进入或离开所需的流体流道1。由于这类换热器具有较大的换热表面积，因此通常效率更高1。 本实验的目的是测试翅片管式换热器（图1）的传热效率，并将其与无翅片换热器的理论效率进行比较。实验数据将在三种不同的乙二醇（MEG）流速下进行测量，每种MEG流速下将采用两种不同的水流速。利用威尔逊图解法，从实验数据中确定传热系数。此外，还将比较有翅片和无翅片情况下的雷诺数及传热量，以评估传热效率。 图1：翅片管式换热器。 1) 乙二醇水溶液（MEG）出口温度 2) 水入口温度...

来源：Michael G. Benton 和 Kerry M. Dooley，美国路易斯安那州巴吞鲁日市路易斯安那州立大学化学工程系 干燥器被广泛应用于多种工业过程。干燥器的作用是利用传热过程使固体物料脱水干燥。存在多种类型的干燥器。绝热干燥器通过气体直接接触和对流传热来干燥固体，而非绝热干燥器则采用除加热气体接触之外的其他方法进行干燥1，包括传导、辐射以及射频干燥1。干燥器可用于间歇操作，也可连续运行1。 在本实验中，将使用盘式干燥器测定温度和空气流速对沙子干燥速率的影响。将测试两种不同空气流速下的三种不同功率设置（1000 W、1500 W 和 2500...

来源：Michael G. Benton 和 Kerry M. Dooley，美国路易斯安那州巴吞鲁日市路易斯安那州立大学化学工程系 黏度是衡量流体流动阻力的指标，在众多行业的高效产品加工和质量控制设计中是一个有用的参数。为了获得实验材料最准确的测量结果，常使用多种黏度计。测量黏度的标准方法是采用玻璃毛细管黏度计，通过测量流体流经一段玻璃毛细管所需的时间来估算黏度1。 旋转黏度计通过施加剪切力并测量流体流动所需的时间来工作1。这类黏度计利用流体的流动特性，可采用弹簧系统或数字编码器系统1。也存在不同的测量系统，其中标准配置为锥板系统，即流体在锥形面下方和板面上方流动，以最小化剪切应力1。平行板系统使用两个平行板，适用于在温度梯度下进行测量，可实现平滑过渡1。库埃特（Couette）系统则使用一个杯体和填充材料，流体在两者之间流动1。该系统最适合低黏度材料，因为其可最小化剪切应力，但由于清洗困难且需要较大体积的流体，日常操作较为不便1。

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 比表面积和孔径分布是吸附剂和催化剂生产商及用户用于质量控制并确定产品使用寿命终点的重要参数。多孔固体的比表面积与其吸附能力或催化活性直接相关。吸附剂或催化剂的孔径分布需加以控制，以确保孔径足够大，便于目标分子进入，同时又足够小，以提供单位质量下的高比表面积。

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 聚合物熔体通常通过挤出机加工成简单的形状或"挤出物"，例如圆柱形颗粒、平板或管材。1 聚烯烃是最常见的可挤出聚合物之一。挤出过程包括输送和熔融固态原料（有时与非聚合物材料混合），以及建立压力并输送熔体或混合物。该方法适用于热塑性聚合物，这类聚合物在加热时发生形变，冷却后则恢复其先前的"不流动"特性。 利用简单的实验室挤出机，可以考察操作条件对聚合物产量和压降的影响，并使用聚合物熔体和溶液流动的"幂律"模型对所得数据进行关联。该模型可用于将此过程放大至更复杂的挤出机。还可确定操作条件与理论位移行为偏差（"滑移"）以及挤出物形状（"口模膨胀"）之间的关系。

来源：Michael G. Benton 和 Kerry M. Dooley，路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 气体吸收器用于去除气流中的污染物。为实现这一目的，存在多种设计形式1。填料床塔是一种采用填料的塔式结构，其中气体和液体在装有散装填料（如陶瓷、金属和塑料）或规整填料的塔内逆向流动1。填料床利用填料所提供的表面积，使两相之间实现最大程度的有效接触1。该系统维护需求低，且能够处理具有高传质速率的腐蚀性物质1。喷淋塔是另一种类型的吸收器，其通过两相之间的持续直接接触实现吸收，气体自下而上流动，液体则自上向下喷入气流中1。该系统仅具有一级接触，传质速率较低，但对于在液体中溶解度较高的溶质具有良好的处理效果1。 本实验的目的是确定气体流速、水流速和二氧化碳浓度等变量如何影响气体吸收器中的总体传质系数。了解这些参数对CO₂2 去除可优化污染物的去除效果。实验采用随机填充的水逆流气体吸收柱。进行八次运行，分别在两种不同的气体流速、液体流速和CO条件下2...

来源：Michael G. Benton 和 Kerry M. Dooley，路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 气液平衡在蒸馏、环境建模以及一般过程设计等工程应用中至关重要。了解混合物中各组分之间的相互作用，对于此类分离设备的设计、操作与分析极为重要。活度系数是关联分子间相互作用与混合物组成的一种有效工具。通过确定分子相互作用参数，可利用模型对未来混合物的活度系数进行预测。 气液平衡是化工行业中常见过程（如蒸馏）中的一个关键因素。蒸馏是根据液体的沸点差异将其分离的过程。将液体混合物送入蒸馏装置或蒸馏柱中并加热至沸腾。气液平衡数据有助于确定液体混合物的分离行为。由于各组分沸点不同，其中一种组分优先汽化并在柱内上升，而另一种组分则保持液态并流经装置。该过程在多种工业领域中具有重要意义。 在本实验中，将使用气液平衡装置和气相色谱仪测定由甲醇、异丙醇和去离子水组成的不同比例混合物的活度系数。此外，还将利用 Wilson...

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 板式塔和填料塔均常用于蒸馏、吸收和解吸分离操作。1,2 本实验的目的是在筛板塔中对醇类（甲醇、异丙醇）与水的混合物进行蒸馏，并考察基于平衡假设的简单蒸馏理论在多大程度上符合实际情况。筛板可提供液体与蒸气之间最大的相际接触面积。筛板塔（每块塔板在支撑板上开有孔）蒸馏系统的工艺流程图（P&ID）见附录A。 在本实验中，塔式蒸馏装置（TDU）首先在全回流模式下启动。当回流罐液位达到稳定后，通过调节塔底、馏出液和回流流量控制器，切换至有限回流模式，以维持回流罐和再沸器中的液位稳定，并保持目标回流比 RD = L/D。达到稳态后（至少需要90分钟），将从回流罐、再沸器以及每一块塔板上采集液体样品，并使用气相色谱仪进行分析。典型的实验方案是研究回流比在较宽范围内的影响。根据样品分析结果，可基于恒摩尔溢流假设（ McCabe-Thiele...

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 液-液萃取（LLE）是一种分离技术，在以下情况中可替代蒸馏：(a) 待分离化合物的相对挥发度非常相近；(b) 混合物中的一种或多种组分即使在接近常温条件下也对温度敏感；(c) 蒸馏过程需要极低的压力或极高的馏出物/进料比。1传质的驱动力是某种物质（溶质）在另外两种互不相溶或部分互溶的流体（进料和溶剂）中溶解度的差异。进料和溶剂两相混合后再行分离，使溶质从进料相转移至溶剂相。通常，该过程采用逆流方式在多个连续阶段中重复进行。离开时富含溶质的溶剂称为萃取相，而溶质减少后的进料则称为萃余相。当进料与溶剂之间具有适当的密度差时，可使用垂直柱进行萃取；但在其他情况下，则可能采用一系列混合与沉降槽组合的方式完成。 本实验的操作目标是使用纯水作为溶剂，从C8至C10烃类混合物中萃取异丙醇（IPA，约10–15...

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 在催化反应中，既可使用间歇式反应器，也可使用连续流动反应器。其中，填充床反应器是最常见的构型，它采用固体催化剂并实现连续流动。在没有大规模循环物流的情况下，这类填充床反应器通常被模拟为"平推流"。另一种最常见的连续式反应器是搅拌釜，通常假设其内部达到完全混合。1 填充床反应器广泛应用的原因之一是，与大多数搅拌釜设计相比，其较大的壁面面积与反应器体积之比有利于更快速的传热。对于几乎所有的反应器而言，都必须加入或移除热量，以控制反应温度，确保目标反应顺利进行。 催化反应的动力学通常比简单的1st 顺序，2nd 顺序等教科书中描述的动力学类型。反应速率还可能受到传质速率的影响——反应进行的速度不能超过反应物向表面输送或产物从表面移除的速率——以及传热速率的影响。由于这些原因，在设计大规模设备之前，几乎总是需要通过实验来确定反应动力学。在本实验中，我们探讨如何开展此类实验，并通过建立反应速率表达式和确定表观速率常数来解读实验结果。

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州巴吞鲁日市路易斯安那州立大学化学工程系 生化物质的加工涉及结晶、超速离心、膜过滤和制备型色谱等单元操作，这些操作的共同点是需要将大分子与小分子或固体与液体分离开。在这些操作中，从处理量角度来看，结晶是最重要的方法，因此在制药、化工和食品加工工业中被广泛应用。重要的生化应用实例包括手性分离1、抗生素的纯化2、氨基酸与其前体的分离3，以及许多其他药物4-5、食品添加剂6-7和农用化学品的纯化过程8 。晶体形态和粒径分布的控制对工艺经济性至关重要，因为这些因素会影响干燥、过滤和固体输送等下游加工操作的成本。有关结晶的更多信息，请参考专业教材或单元操作教材9。 结晶装置单元（图1）可用于研究：（a）关键参数（如过饱和度、冷却/加热速率）对固体含量、形态以及晶体粒径分布的影响；（b）结晶过程的在线控制。通过调节搅拌速率和温度等条件，可控制过饱和度。结晶的不同类型包括冷却结晶、蒸发结晶、pH值波动结晶和化学改性结晶。在本实验中，将使用离线显微镜测量尺寸范围为10–1000...

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 本实验的目的是确定典型填充床反应器在单相和两相（气-液）流动中分布不均的程度，并评估这种分布不均对压降的影响。通过使用示踪剂引入停留时间分布和分散的概念，并将这些概念与物理上的分布不均联系起来。 单相流动中的偏流可能沿壁面发生，或通过床层横截面中较大区域的优先流动产生。两相流动中的偏流可能由更为复杂的原因引起，简单的两相流动理论很少能够预测填充床中的压降。设计目标始终是通过为设计流量选择最佳的床层和颗粒直径，并以最小化沉降的方式装填床层，从而最大限度地减少偏流程度。量化可能发生的分布不均程度始终至关重要，并且需要对装置进行适当放大设计以应对该情况的发生。 渗透仪装置用于测量水、空气或两相流通过水平填充的钢化玻璃珠床时的压力降 ΔP...

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 聚合物是由许多通过化学键连接成长链的重复单体单元组成的分子。它们表现出广泛的物理特性，这些特性受其化学结构、分子量和聚合度的影响。聚合物工业生产数千种原材料，广泛用于各种商业产品中。1，2

来源：Kerry M. Dooley 和 Michael G. Benton，美国路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 乙烯（C2H4）加氢生成乙烷（C2H6）的反应常被用作表征新型金属催化剂的模型还原反应1-2。尽管负载型镍并非该反应中活性最高的金属催化剂，但其活性足以使反应在< 200°C 下进行。 该反应通常涉及吸附并解离的氢气（H2）与吸附的乙烯发生反应。换句话说，氢原子和乙烯分子均与金属位点（此处标记为"S"）形成化学键。乙烯与S之间的强键合作用足以削弱其双键，从而使氢原子能够加成到乙烯上，生成乙烷，而乙烷不会被吸附。 本实验的目的首先是将原始组成测量数据转换为限制反应物的分率转化率。3 然后可在平推流反应器（PFR）中利用这些转化率，通过"积分法"将数据拟合到标准的幂律动力学模型。3...

来源：Michael G. Benton 和 Kerry M. Dooley，路易斯安那州立大学化学工程系，巴吞鲁日，路易斯安那州 Spin-and-Chill 利用传热和流体流动的基本原理，可在短短 2 分钟内将饮料从室温冷却至 38 °F。而使用冰箱则大约需要 240 分钟，使用冰桶大约需要 40 分钟才能达到相同的降温效果。Spin and Chill 通过以最高 500 rpm 的速度旋转罐装或瓶装饮料，实现快速冷却，且几乎不产生泡沫。