过程原理与设备复习题.doc

流体流动基本概念与基本原理一、 流体静力学基本方程式或 注意：1、应用条件：静止的连通着的同一种连续的流体。2、压强的表示方法：绝压大气压=表压 表压常由压强表来测量； 大气压绝压=真空度 真空度常由真空表来测量。3、压强单位的换算： 1atm=760mmHg=10.33mH2O=101.33kPa=1.033kgf/cm2=1.033at4、应用：水平管路上两点间压强差与U型管压差计读数R的关系：处于同一水平面的液体，维持等压面的条件必须时静止、连续和同一种液体。二、定态流动系统的连续性方程式物料衡算式三、定态流动的柏努利方程式能量衡算式1kg流体： J/kg讨论点：1、流体的流动满足连续性假设。2、理想流体，无外功输入时，机械能守恒式：3、可压缩流体，当p/p120%，仍可用上式，且=m。4、注意运用柏努利方程式解题时的一般步骤，截面与基准面选取的原则。5、流体密度的计算：理想气体=PM/RT 混合气体 混合液体 上式中：体积分率；质量分率。6、gz，u2/2，p/三项表示流体本身具有的能量，即位能、动能和静压能。hf为流经系统的能量损失。We为流体在两截面间所获得的有效功，是决定流体输送设备重要参数。7、1N流体 m （压头）1m3流体 ,四、 柏努利式中的hf.流动类型：1、雷诺准数Re及流型 Re=du/=du/，为动力粘度，单位为PaS；=/为运动粘度，单位m2/s。层流：Re2000，湍流：Re4000；2000Re2时，用对数平均值，即：当A2/A12时，用算术平均值，即：Am=（A1+A2）/2多层（n层）圆筒壁： 或 一包有石棉泥保温层的蒸汽管道，当石棉泥受潮后，其保温效果应降低，主要原因是因水的导热系数大于保温材料的导热系数，受潮后，使保温层材料导热系数增大，保温效果降低。在包有两层相同厚度保温材料的圆形管道上，应该将导热系数小的材料包在内层，其原因是为了减少热损失，降低壁面温度。二、对流传热1 对流传热基本方程牛顿冷却定律对流传热系数，单位为：W/（m2），在换热器中与传热面积和温度差相对应。2 与对流传热有关的无因次数群（或准数）表1 准数的符号和意义准数名称符 号意 义努塞尔准数 lNu= 含有特定的传热膜系数，表示对流传热的强度雷诺准数luRe=反映流体的流动状态普朗特准数 CpPr= 反映流体物性对传热的影响格拉斯霍夫准数 g t l32Gr= 反映因密度差而引起自然对流状态3 流体在圆形直管中作强制湍流流动时的传热膜系数对气体或低粘度的液体 或特征尺寸为管子内径。定性温度取流体进、出口温度的算术平均值。应用范围为Re10000，Pr=0.7120，(l/d)60，2mPas。对流过程是流体和壁面之间的传热过程，定性温度是指确定准数中各物性参数的温度。沸腾传热可分为三个区域，它们是自然对流区、核状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾传热过程应维持在核状沸腾区操作。无相变的对流传热过程中，热阻主要集中在传热边界层或滞流层内，减少热阻的最有效的措施是提高流体湍动程度。引起自然对流传热的原因是系统内部的温度差，使各部分流体密度不同而引起上升、下降的流动。用无因次准数方程形式表示下列各种传热情况下诸有关参数的关系：（1） 无相变对流传热 Nu=f（Re，Pr，Gr）（2） 自然对流传热 Nu=f（Gr，Pr）（3） 强制对流传热 Nu=f（Re，Pr）在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=KAtm，式中tm表示为两流体温度差的平均值；A表示为泛指传热面，与K相对应。在两流体的间壁换热过程中，计算式Q=aAt，式中t=twt 或 TTw；A表示为一侧的传热壁面。滴状冷凝的膜系数大于膜状冷凝膜系数。水在管内作湍流流动时，若使流速提高至原来的2倍，则其对流传热系数约为原来的 20.8倍。若管径改为原来的1/2而流量相同，则其对流传热系数约为原来的40.820.2倍。（设条件改变后，仍在湍流范围）三、间壁两侧流体的热交换间壁两侧流体热交换的传热速率方程式Q=KAtm式中K为总传热系数，单位为：W/（m2）；tm为两流体的平均温度差，对两流体作并流或逆流时的换热器而言当t1/t21为漂流因数，反映总体流动对传质速率的影响。 pBm=(pB2pB1)/ln(pB2/pB1)一般而言，双组分等分子反向扩散体现在精馏单元操作中，而一组分通过另一组分的单相扩散体现在吸收单元操作中。气相中，温度升高物质的扩散系数增大，压强升高则扩散系数降低；液相中粘度增加扩散系数降低。在传质理论中有代表性的三个模型分别为双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论。传质速率方程传质速率=传质推动力/传质阻力N=kG(ppi)=kL(cic)=ky(y-yi)=kx(xix)N=KG(pp*)=KL(c*c)=KY(Y-Y*)=KX(X*X)注意传质系数与推动力相对应，即传质系数与推动力的范围一致，传质系数的单位与推动力的单位一致。吸收系数之间的关系：1/KG=1/kG+1/HkL 1/KL=1/kL+H/kG 1/KY=1/kY+m/kX 1/KX=1/kX+1/mkYky=pkG kx=ckL KYPKG KXCKL气膜控制与液膜控制的概念对于易溶气体，H很大，传质阻力绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略，此时KGkG，这种情况称为“气膜控制”；反之，对于难溶气体，H很小，传质阻力绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略，此时KLkL，这种情况称为“液膜控制”。三、 物料衡算操作线方程与液气比全塔物料衡算： G(Y1Y2)=L(X1X2) 逆流操作吸收操作线方程： Y=LX/G+(Y2LX2/G) 吸收操作时塔内任一截面上溶质在气相中的实际分压总是高于与其接触的液相平衡分压，所以吸收操作线总是位于平衡线的上方。最小液气比： （L/G）min=(Y1Y2)/(X1*X2) 液气比即操作线的斜率若平衡关系符合亨利定律，则 （L/G）min=(Y1Y2)/(Y1/mX2) 溶剂改性 改变平衡关系 降低温度 增加传质推动力 提高压力提高吸收效率的途径 增加液气比 减小传质阻力 采用新型填料 改变操作条件增加吸收剂用量，操作线斜率增大，操作线向远离平衡线的方向偏移，吸收过程推动力增大，设备费用减少。四、 填料层高度计算气液相平衡、传质速率和物料衡算相结合取微元物料衡算求得填料层高度。填料层高度=传质单元高度传质单元数即 Z=HOGNOG=HOLNOL=HGNG=HLNLNOG气相总传质单元数（气体流经一段填料后其组成变化等于该段填料的总的平均推动力则为一个传质单元）HOG气相总传质单元高度（一个传质单元所对应的填料高度）1平均推动力法（适合平衡线为直线）：Z=HOGNOG=(G/KYa)(Y1Y2)/Ym=(L/KXa)(X1X2)/Xm对数平均推动力Ym=(Y1Y2)/ln(Y1/Y2)当Y1/Y2110100对于饱和液体、气液混合物和饱和蒸汽进料而言，q值等于进料中的液相分率。L=L+qFV=V+（q1）Fq线方程（进料方程）为： y=q/（q1）xxF/（q1）上式表示两操作线交点的轨迹方程。塔底再沸器相当于一层理论板（气液两相平衡），塔顶采用分凝器时，分凝器相当于一层理论板。五、 回流比及其选择（1） 全回流R=L/D=，操作线与对角线重合，操作线方程yn=xn-1，达到给定分离程度所需理论板层数最少为Nmin。（2） 最小回流比当回流比逐渐减小时，精馏段操作线截距随之逐渐增大，两操作线位置将向平衡线靠近，为达到相同分离程度所需理论板层数亦逐渐增多。达到恒浓区（夹紧区）回流比最小，所需理论板无穷多。I 正常平衡线Rmin=（xDyp）/（ypxp）II 不正常平衡线由D（xD，yD）或W（xW，yW）点向平衡线作切线，由切线斜率或截距求Rmin。（3） 适宜回流比R=（1.12）Rmin 精馏设计中，当回流比增大时所需理论板数减少，同时蒸馏釜中所需加热蒸汽消耗量增加，塔顶冷凝器中冷却介质消耗量增加，操作费用相应增加，所需塔径增大。精馏操作时，若F、D、xF、q、R、加料板位置都不变，将塔顶泡点回流改为冷回流，则塔顶产品组成xD变大。精馏设计中，回流比愈大，操作能耗愈大，随着回流比逐渐增大，操作费和设备费的总和将呈现先减小后增大的过程。六、 板效率和实际塔板数1 单板效率（默弗里效率）EmV=（ynyn+1）/（yn*yn+1）EmL=（xn-1xn）/（xn-1xn*）2 全塔效率E0=（N理/N实）100%精馏塔中第n-1，n，n+1块理论板，yn+1yn，tn-1xn-1。精馏塔中第n-1，n，n+1块实际板，xn*yn。如板式塔设计不合理或操作不当，可能产生液泛、漏液、及雾沫夹带等不正常现象，使塔无法正常工作。计算题：1、把内径为20mm、长度为2m的塑料管，弯成倒U形，作为虹吸管使用。液体密度为1000kg/m3,粘度为1mPas,为保持稳定流动，使槽内液面恒定。要想使流量为2m3/h，虹吸管出口端距离槽内液面的距离h需要多少米？（光滑管0.0235，回弯头1.5，突然缩小0.5）2、如图所示常温下操作的水槽，下面的出水管直径为57mm3.5mm。当出水阀全关闭时，压力表读数为30.4kPa，而阀门开启后，压力表读数降至20.3kPa。设压力表之前管路中的压头损失为0.5m水柱，试求水的流量为多少m3/h。3、如图所示，有一高位槽输水系统，管径为57mm3.5mm。已知水在管路中流动的机械能损失为，试求水的流量为多少m3/h？欲使水的流量增加10，应将高位槽水面升高多少米？ 4、有一台离心泵的额定流量为16.8m3/h，扬程为18m。试问此泵能否将密度为1060kg/m3，流量为250L/min的液体，从敞口储槽向上输送到表压为30kPa的设备中？敞口储槽与高位设备的液位垂直距离为8.5m。管路的管径为75.5mm3.75mm，管长为124m（包括直管长度和所有管件的当量长度），摩擦系数为0.02。5、某工厂用170mm5mm的无缝钢管输送水蒸气。为了减少沿途的热损失，在管外包两层绝热材料，第一层为厚30mm的矿渣棉，其热导率为0.065W/(mK)；第二层为厚30mm的石灰棉，其热导率为0.21W/(mK)。管内壁温度为300，保温层外表面温度为40。管路长60m。求该管路的散热量。6、某离心泵在转速为1450r/min时，水的流量为18m3/h，扬程为20m水柱。试求：（1）泵的有效功率，水的密度为1000kg/m3；（2）若将泵的转速调节到1250r/min时，泵的流量与扬程将变为多少？7、有直径为38mm2mm的黄铜冷却管，假如管内生成厚度为1mm的水垢，水垢的热导率为1.163W/(m)。试计算水垢的热阻是黄铜热阻的多少倍。黄铜的热导率110 W/(m)。8、有一外径为100mm的水蒸气管，水蒸气的温度为160。为了减少热量损失，在管外包覆厚度各为25mm的A、B两层绝热材料保温层，A与B的热导率分别为0.15与0.05W/(mK)，试计算哪一种材料放在内层好。周围空气温度为20，保温层外表面对周围空气的对流（包括热辐射）传热系数15W/(m2)。保温层内表面温度在两种情况下都等于水蒸气温度。9、在一单程列管式换热器中，欲用水将15000kg/h的煤油从140冷却到40，水的进、出口温度分别为30和40，两流体逆流流动。煤油的平均比热容为2.3kJ/(kg)，水的平均比热容为4.187 kJ/(kg)。若换热器的总传热系数为300W/(m2)，试求：（1）冷却水的流量；（2）换热器的对数平均温度差tm；（3）换热器的传热面积A。10、在一单程逆流列管换热器中用水冷却空气，两流体的进口温度分别为20和110。在换热器使用的初期，冷却水及空气的出口温度分别为45和40，使用一年后，由于污垢热阻的影响，在冷热流体的流量和进口温度不变的情况下，冷却水出口温度降至38，试求：（1）空气出口温度为多少？（2）总传热系数为原来的多少倍？（3）若使冷却水加大一倍，空气流量及两流体进口温度不变，冷热流体的出口温度各为多少？（a水a空气）（4）冷却水流量加大后，换热器的传热速率有何变化？11、有一换热器，管内通90的热流体，膜系数为1100，管外有某种液体沸腾，沸点为50，膜系数为5800。试求以下两种情况下的壁温：（1）管壁清洁无垢 ；（2）外侧有污垢产生，污垢热阻为0.005。12、如图所示，在一细金属管中的水保持25，在管的上口有大量干空气（温度25，总压101.325kPa）流过，管中的水气化后在管中的空气中扩散，试计算在稳定状态下的气化速率。（25时水的饱和蒸汽压为3.168kPa，D0.256cm2/s）13、在一吸收塔中，用清水在总压0.1MPa、温度20的条件下吸收混合气体中的CO2，将其组成从2降至0.1%(莫尔分数)。20时CO2水溶液的亨利系数E144MPa，吸收剂用量为最小用量的1.2倍。试求液气比及溶液出口组成。14、某填料吸收塔进塔混合气体中含苯5%（体积百分数），其余为惰性气体。吸收塔操作压强为780mmHg，温度为25，进塔混合气体流量为1000m3/h，苯回收率为95%。吸收剂为不含苯的煤油，煤油耗用量为最小用量的1.5倍。气液逆流流动，系统平衡关系为Y=0.14X（式中Y、X均为摩尔比），气相体积总传质系数为Kya=125kmol/m3h，煤油的平均分子量为170kg/kmol，塔径为0.6m。试求：（1）煤油的耗用量为多少kg/h？（2）煤油出塔浓度X1为多少？（3）填料层高度为多少m？（4）吸收塔每小时回收多少kmol苯？（5）欲提高回收率可采用哪些措施？并说明理由。15、用清水在吸收塔中吸收混合气中的溶质A，吸收塔某截面上，气相主体中溶质A的分压为5kPa，液相中溶质A的莫尔分数为0.015。气膜传质系数kY2.5105kmol/(m2s)，液膜传质系数kX3.5103kmol/(m2s)。气液平衡关系符合亨利定律，相平衡常数m0.7。总压为101.325kPa。试求气相总传质系数和溶质的传质速率，并分析吸收过程是气膜控制还是液膜控制。16、在逆流填料吸收塔中，用清水吸收含氨5%（体积）的空气氨混合气中的氨，已知混合气量为2826m3/h（标准状况），气体空塔速度为1m/s，平衡关系为Y=1.2X，以摩尔比为推动力的气相体积总传质系数KYa=180kmol/m3h，吸收剂用量为最小用量的1.4倍，要求吸收率为98%，试求：（1）溶液的出口浓度X1（摩尔比）；（2）气相总传质单元高度HOG；（3）气相总传质单元数NOG；17、某连续操作的精馏塔，泡点进料。已知操作线方程如下：精馏段 y=0.8x0.172 提馏段 y1.3x0.018试求塔顶液体回流比、馏出液组成、塔釜气相回流比、釜液组成、进料组成及q线方程。18、用一精馏塔分离二元液体混合物，进料量100kmol/h，易挥发组分xF=0.5，泡点进料，得塔顶产品xD=0.9，塔底釜液xW=0.05（皆摩尔分率），操作回流比R=1.61，该物系平均相对挥发度=2.25，塔顶为全凝器，求：(1) 塔顶和塔底的产品量（kmol/h）；(2) 第一块塔板下降的液体组成x1为多少；(3) 写出提馏段操作线数值方程；(4) 最小回流比。19、一精馏塔，原料液组成为0.5（摩尔分率），饱和蒸气进料，