化工基礎(chǔ)輔導(dǎo)及試題教材

1、第三章 傳 熱基本概念和基本理論傳熱是由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移，又稱熱傳遞。由熱力學(xué)第二定律可知，凡是有溫度差 存在時(shí)，就必然發(fā)生熱從高溫處傳遞到低溫處。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)（導(dǎo)熱） 、熱對(duì)流（對(duì)流）和熱輻 射。熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移，僅借分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運(yùn) 動(dòng)而引起的熱量傳遞； 熱對(duì)流是流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移所引起的熱傳遞過(guò)程 （包括由流 體中各處的溫度不同引起的自然對(duì)流和由外力所致的質(zhì)點(diǎn)的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)引起的強(qiáng)制對(duì)流） ，流體 流過(guò)固體表面時(shí)發(fā)生的對(duì)流和熱傳導(dǎo)聯(lián)合作用的傳熱過(guò)程稱為對(duì)流傳熱（給熱） ；熱輻射是因 熱的原因而產(chǎn)生的電磁

2、波在空間的傳遞。 任何物體只要在絕對(duì)零度以上，都能發(fā)射輻射能， 只 是在高溫時(shí)， 熱輻射才能成為主要的傳熱方式。 傳熱可依靠其中的一種方式或幾種方式同時(shí)進(jìn) 行。傳熱速率 Q 是指單位時(shí)間通過(guò)傳熱面的熱量（ W）；熱通量 q 是指每單位面積的傳熱速率 （W/m2）。、 熱傳導(dǎo)1. 導(dǎo)熱基本方程 傅立葉定律dQ dS tn導(dǎo)熱系數(shù)，表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小，是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，單位為W/（ m）純金屬的導(dǎo)熱系數(shù)一般隨溫度升高而降低，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而增大。 式中負(fù)號(hào)表示熱流方向總是和溫度剃度的方向相反。2平壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層平壁：Q t1 t 2 t bR S多層（n 層）平壁：Qt1nt

3、n 1 n tnnbiRi 1 i S i 1公式表明導(dǎo)熱速率與導(dǎo)熱推動(dòng)力（溫度差）成正比，與導(dǎo)熱熱阻（ R）成反比。由多層等厚平壁構(gòu)成的導(dǎo)熱壁面中所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)愈大，則該壁面的熱阻愈小，其兩1Sm當(dāng) S2/S1 2 時(shí)，用對(duì)數(shù)平均值，即：S2S1lnS2S1當(dāng) S2/S1 2 時(shí)，用算術(shù)平均值，即：Sm=S1+S2)/2Q 2 l (t1 t2)ln 2r1多層（n 層）圓筒壁：t1 tn 1Q n bbiQ 2 l(t1 tn 1)1 lnri 1側(cè)的溫差愈小，但導(dǎo)熱速率相同3.圓筒壁的穩(wěn)定熱傳導(dǎo)單層圓筒壁：i 1 i Smiiri一包有石棉泥保溫層的蒸汽管道，當(dāng)石棉泥受潮后，其保溫效

4、果應(yīng)降低，主要原因是因水 的導(dǎo)熱系數(shù)大于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，受潮后，使保溫層材料導(dǎo)熱系數(shù)增大，保溫效果降低。在包有兩層相同厚度保溫材料的圓形管道上，應(yīng)該將導(dǎo)熱系數(shù)小的材料包在內(nèi)層，其原因 是為了減少熱損失，降低壁面溫度。二、對(duì)流傳熱1 對(duì)流傳熱基本方程 牛頓冷卻定律 對(duì)流傳熱系數(shù)，單位為： W/（ m2），在換熱器中與傳熱面積和溫度差相對(duì)應(yīng) 2 與對(duì)流傳熱有關(guān)的無(wú)因次數(shù)群（或準(zhǔn)數(shù)） =0.023L表 1 準(zhǔn)數(shù)的符號(hào)和意義準(zhǔn)數(shù)名稱符號(hào)意義努塞爾特準(zhǔn)數(shù)Nu=L含有特定的傳熱膜系數(shù)，表示對(duì)流傳熱的強(qiáng)度Re= Lu雷諾準(zhǔn)數(shù)反映流體的流動(dòng)狀態(tài)普蘭特準(zhǔn)數(shù)Pr= Cp反映流體物性對(duì)傳熱的影響格拉斯霍夫準(zhǔn)Gr

5、= g t L3 2反映因密度差而引起自然對(duì)流狀態(tài)數(shù)3 流體在圓形直管中作強(qiáng)制湍流流動(dòng)時(shí)的傳熱膜系數(shù)對(duì)氣體或低粘度的液體Nu=0.023ReNu=0.023Re0.80.8PrPrn n或LuCp0.8 n流體被加熱時(shí)， n=0.4；液體被冷卻時(shí)， n=0.3。 定型幾何尺寸為管子內(nèi)徑 di。定性溫度取流體進(jìn)、出口溫度的算術(shù)平均值。應(yīng)用范圍為 Re 10000， Pr=0.7160，(l/d) 60。 對(duì)流過(guò)程是流體和壁面之間的傳熱過(guò)程，定性溫度是指確定準(zhǔn)數(shù)中各物性參數(shù)的溫度。 沸騰傳熱可分為三個(gè)區(qū)域，它們是自然對(duì)流區(qū)、泡狀沸騰區(qū)和膜狀沸騰區(qū)，生產(chǎn)中的沸騰 傳熱過(guò)程應(yīng)維持在泡壯沸騰區(qū)操作。無(wú)相

6、變的對(duì)流傳熱過(guò)程中，熱阻主要集中在傳熱邊界層或滯流層內(nèi)，減少熱阻的最有效的 措施是提高流體湍動(dòng)程度。引起自然對(duì)流傳熱的原因是系統(tǒng)內(nèi)部的溫度差，使各部分流體密度不同而引起上升、下降1Ko的流動(dòng)。用無(wú)因次準(zhǔn)數(shù)方程形式表示下列各種傳熱情況下諸有關(guān)參數(shù)的關(guān)系：（1） 無(wú)相變對(duì)流傳熱 Nu=f（Re，Pr，Gr）（2） 自然對(duì)流傳熱Nu=f（Gr，Pr）（3） 強(qiáng)制對(duì)流傳熱Nu=f（Re，Pr）在兩流體的間壁換熱過(guò)程中，計(jì)算式 Q=KSt，式中 t 表示為兩流體溫度差的平均值； S 表示為泛指?jìng)鳠崦?，與 K 相對(duì)應(yīng)。在兩流體的間壁換熱過(guò)程中，計(jì)算式 Q= St，式中 t=tw-tm 或 Tm-Tw；S

7、表示為一側(cè)的 傳熱壁面。滴狀冷凝的膜系數(shù)大于膜狀冷凝膜系數(shù)。水在管內(nèi)作湍流流動(dòng)時(shí)，若使流速提高至原來(lái)的 2 倍，則其對(duì)流傳熱系數(shù)約為原來(lái)的 20.8 倍。若管徑改為原來(lái)的 1/2 而流量相同，則其對(duì)流傳熱系數(shù)約為原來(lái)的 40.820.2 倍。（設(shè)條件 改變后，仍在湍流范圍）三、間壁兩側(cè)流體的熱交換間壁兩側(cè)流體熱交換的傳熱速率方程式Q=KS tm式中 K 為總傳熱系數(shù)，單位為： W/（m2）；tm 為兩流體的平均溫度差，對(duì)兩流體作并 流或逆流時(shí)的換熱器而言，t1 t2tmm ln（ t1 / t2）當(dāng)t1/t2110100對(duì)于飽和液體、氣液混合物和飽和蒸汽進(jìn)料而言， q 值等于進(jìn)料中的液相分率。

8、L=L+qFV=V （ q1）Fq 線方程（進(jìn)料方程）為：y=q/ （q1）x xF/（q1）上式表示兩操作線交點(diǎn)的軌跡方程。塔底再沸器相當(dāng)于一層理論板（氣液兩相平衡） ，塔頂采用分凝器時(shí)，分凝器相當(dāng)于一層理 論板。由于冷液進(jìn)料時(shí)提餾段內(nèi)循環(huán)量增大，分離程度提高，冷液進(jìn)料較氣液混合物進(jìn)料所需 理論板數(shù)為少。五、 回流比及其選擇（ 1） 全回流R=L/D= ，操作線與對(duì)角線重合，操作線方程 yn=xn-1，達(dá)到給定分離程度所需理論板層 數(shù)最少為 Nmin。（ 2） 最小回流比 當(dāng)回流比逐漸減小時(shí)，精餾段操作線截距隨之逐漸增大，兩操作線位置將向平衡線靠近， 為達(dá)到相同分離程度所需理論板層數(shù)亦逐漸增

9、多。達(dá)到恒濃區(qū)（夾緊區(qū)）回流比最小，所需理 論板無(wú)窮多。I 正常平衡線Rmin=（xDyq）/（ yqxq） 飽和液體進(jìn)料時(shí)： xq=xF 飽和蒸汽進(jìn)料時(shí)： yq=yFII 不正常平衡線由 a（xD，yD）或 c（xW， yW）點(diǎn)向平衡線作切線，由切線斜率或截距求 Rmin。103） 適宜回流比R=（ 1.12）Rmin 精餾設(shè)計(jì)中，當(dāng)回流比增大時(shí)所需理論板數(shù)減少， 同時(shí)蒸餾釜中所需加熱蒸汽消耗量增加， 塔頂冷凝器中冷卻介質(zhì)消耗量增加，操作費(fèi)用相應(yīng)增加，所需塔徑增大。精餾操作時(shí)，若 F、D、 xF、q、R、加料板位置都不變，將塔頂泡點(diǎn)回流改為冷回流，則 塔頂產(chǎn)品組成 xD 變大。精餾設(shè)計(jì)中，回

10、流比愈大，操作能耗愈大，隨著回流比逐漸增大，操作費(fèi)和設(shè)備費(fèi)的總和 將呈現(xiàn)先減小后增大的過(guò)程。六、 板效率和實(shí)際塔板數(shù)1 單板效率（默弗里效率）EmV=（yn yn+1）/（ yn*yn+1）EmL=（xn-1xn）/（xn-1xn*）2 全塔效率E=（NT/NP）x100%精餾塔中第 n-1,n,n+1 塊理論板， yn+1yn，tn-1xn-1。精餾塔中第 n-1,n,n+1塊實(shí)際板， xn*y n。如板式塔設(shè)計(jì)不合理或操作不當(dāng)，可能產(chǎn)生液泛、漏液、及霧沫夾帶等不正?，F(xiàn)象，使塔 無(wú)法正常工作。負(fù)荷性能圖有五條線，分別是霧沫夾帶、液泛、漏液、液相負(fù)荷上限和液相負(fù)荷下限。第四章習(xí)題一、填空題：1

11、、精餾是根據(jù)混合物中各組分的不同分離液體均相混合物， 利用 的方法。2、再沸和是連續(xù)精餾過(guò)程進(jìn)行必不可少的條件。3、當(dāng)回流比一定時(shí)， 5 種進(jìn)料狀況中，冷液進(jìn)料 q 值 ，進(jìn)料溫度 ，加料位 置 ，提餾段操作線與平衡線之間距離最 ，所需理論塔板數(shù)最 。4、精餾操作線是直線的基礎(chǔ)是。5、在常壓連續(xù)操作的精餾塔中， 分離含甲醇 40%的甲醇水混合液，已知原料量 200kmol/h ， 餾出液組成 0.96 ，殘液組成 0.05 ，求餾出液量和殘液量 。6、用常壓連續(xù)精餾塔分離苯甲苯混合液，已知回流比為 4，餾出液組成為 0.93 ，求精餾 段操作線方程式 。117、飽和蒸汽進(jìn)料時(shí)，精餾段和提餾段的

12、回流量之間的關(guān)系。8、飽和液體進(jìn)料時(shí)，精餾段和提餾段的上升蒸汽量之間的關(guān)系。9、在連續(xù)操作的某精餾塔中， 已知精餾段操作線方程式為 y=0.65x+0.32 ，進(jìn)料板為第五板， 第 3 板下降液體組成為 0.65 ，求第 4 板上升蒸汽組成 。10、在常壓連續(xù)精餾塔中分離苯甲苯混合物已知進(jìn)料為組成為0.4 的飽和蒸汽， 系統(tǒng)的平均相對(duì)揮發(fā)度為 2.5、x0.96，求 Rmin。11、 精餾操作中，增大 回流比，則使 精餾 段液氣比 L/V，提餾段液氣比L1/V1 。15、全回流操作時(shí)， D=， W=，F(xiàn)=，回流比 R= ，操作線斜率16、精餾和蒸餾的主要區(qū)別在于, 平衡蒸餾 （閃蒸） 和簡(jiǎn)單蒸

13、餾的主要區(qū)別在于 _.17、塔板中溢流堰的主要作用是為了保證塔板上有 _.18、在連續(xù)精餾塔中進(jìn)行全回流操作, 已測(cè)得相鄰兩板上液相組成分別為 xn-1=0.7,xn=0.5（ 均為 易揮發(fā)組分的摩爾分?jǐn)?shù) ）, 已知操作條件下相對(duì)揮發(fā)度為 3, 則 yn=_,xn*= _, 以 液 相 組 成 表 示 的 第 n 板 的 莫 弗 里 單 板 效 率Eml= _.19、某連續(xù)精蒸塔中 ,若精蒸段操作線方程的截距為零 , 則回流比等于 , 操作線斜率 為 .20 已知精餾段操作線方程為 yn+1=0.6xn+0.36 ，問(wèn) R=， xD=。21 從 t-x-y 圖上可看出，成平衡的汽液兩相組成隨溫

14、度的降低而同時(shí) ，且輕組分 在汽相中的濃度總是 它在液相中的濃度。、選擇題1. 當(dāng)分離沸點(diǎn)較高，而且又是熱敏性混合液時(shí)，精餾操作壓力應(yīng)采用 _ 。A 加壓 B 減壓 C . 常壓2. 若要求雙組分混合液分離成兩個(gè)較純的組分，則應(yīng)采用 _A 平衡蒸餾 B 簡(jiǎn)單蒸餾 C 精餾3.精餾過(guò)程連續(xù)、穩(wěn)定操作的必要條件是 _ 。A 塔頂有液體回流 B 塔底有汽相回流 C 原料要加熱至泡點(diǎn)4.以下說(shuō)法正確的是（ ）。A 冷液進(jìn)料： q =1 B 汽液混合進(jìn)料： 0 q 1 C 過(guò)熱蒸汽進(jìn)料： q 05.已知汽液混合進(jìn)料中，液相與汽相的摩爾數(shù)之比為 3:2 ，易揮發(fā)組分有摩爾分?jǐn)?shù)為 0.3 ，則 q = _

15、。12A 3/5B 0.3 C 1.56._某精餾塔的餾出液量 D =50 kmol/h, 回流比 R =2 ， 則精餾段之 L 為 _ 。A 100 kmol/h B 50 kmol/h C 25 kmol/h7.當(dāng)回流從全回流逐漸減小時(shí)，精餾段操作線向平衡線靠近。為達(dá)到給定的分離要求，所 需的理論板數(shù) _A 逐漸減少 B 逐漸增多 C 不變8、生產(chǎn)中精餾是在 () 中多次而且同時(shí)進(jìn)行部分汽化和部分冷凝 , 以得到接近純的易揮發(fā)組 分和難揮發(fā)組分的操作 .A 兩個(gè)設(shè)備B 同一設(shè)備 C 多個(gè)設(shè)備 D 不確定9、在精餾塔實(shí)驗(yàn)中 , 常在塔頂安裝一個(gè)溫度計(jì) , 測(cè)量塔頂氣相溫度其目的是 :A判斷塔內(nèi)操作是否達(dá)到穩(wěn)定 , 判斷塔頂產(chǎn)品濃度是否合格B 判斷塔內(nèi)操作是否正常 , 判斷塔頂產(chǎn)品濃度是否合格C 判斷塔內(nèi)操作是否正常 , 判斷塔板的分離能力D 判斷塔板的分離能力 , 判斷塔內(nèi)操作是否達(dá)到穩(wěn)定10、全回流時(shí),精餾操作線(), 塔板分離效率 ()A 與平衡線重合 , 最好B與對(duì)角線重合 , 最好C與與平衡線重