化工原理教案(山大)

1、山大化工原理教案 化學(xué)與化工學(xué)院 王振芳 張長(zhǎng)橋 陸維瑋每章編寫(xiě)概要：1、本章內(nèi)容大串聯(lián):包括主要內(nèi)容簡(jiǎn)介、重點(diǎn)難點(diǎn)提示、突出“三基”內(nèi)容和工程觀點(diǎn)。2、典型實(shí)例：密切結(jié)合生產(chǎn)實(shí)例,重在理論聯(lián)系實(shí)際,擬補(bǔ)相關(guān)教材“重理論，輕實(shí)踐”的不足；突出知識(shí)的靈活運(yùn)用；考研題解。3、工程觀點(diǎn)及概念補(bǔ)充練習(xí)題。課程特點(diǎn)：化工原理是一門工程性、實(shí)用性很強(qiáng)的課程。在課程內(nèi)容中，既有詳細(xì)的過(guò)程分析，又有大刀闊斧的粗描概略，；既有詳盡的理論分析，又有許多的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，起著承前啟后的作用，對(duì)于幫助學(xué)生建立基本的工程觀點(diǎn)、培養(yǎng)專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣至關(guān)重要?；ぴ硪彩腔ゎ愌芯可雽W(xué)考試的必考課，由于它討論

2、的各種單元操作也廣泛地被應(yīng)用于其它工業(yè)過(guò)程，同時(shí)也是制藥、食品、冶金、紡織、材料等類專業(yè)的選考課。目前全國(guó)開(kāi)設(shè)此課的院校有百多家，教材種類繁多，其中最有代表性的是華東理工大學(xué)、天津大學(xué)、譚天恩、清華大學(xué)等所編的教材。這些教材編寫(xiě)格局大致相同，局部?jī)?nèi)容有差異。因此同學(xué)在報(bào)考不同院校時(shí)，首先應(yīng)注意選擇教材，其次應(yīng)熟悉各院校的出題思路。各院校的命題指導(dǎo)思想，命題原則是基本一致的。即：是否牢固地掌握了基礎(chǔ)知識(shí)；是否具備定量計(jì)算能力；是否樹(shù)立了工程觀點(diǎn)具備理論聯(lián)系實(shí)際的分析和解決問(wèn)題的能力。無(wú)論升學(xué)考試還是專業(yè)學(xué)習(xí)，化工原理的教學(xué)目的是一致的。因此，教學(xué)中，我們十分強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力的培養(yǎng)和工程觀點(diǎn)的建立，在

3、每一章后都補(bǔ)充相應(yīng)的概念題，主要是把重要的工程觀點(diǎn)和基本概念通過(guò)練習(xí)題書(shū)面化加強(qiáng)學(xué)生這方面的學(xué)習(xí)。另外在具體知識(shí)的講解中，再三強(qiáng)調(diào)方法的重要性。通過(guò)具體知識(shí)的學(xué)習(xí)，將實(shí)驗(yàn)研究方法、因次理論下的實(shí)驗(yàn)研究方法、數(shù)學(xué)模型法介紹給學(xué)生。化工原理主要研究化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的設(shè)計(jì)及操作調(diào)節(jié)等，又稱為化學(xué)工程基礎(chǔ)或化工單元操作?；どa(chǎn)中涉及到大大小小幾十種單元操作，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)，不可能一一介紹，那么對(duì)于一個(gè)新的單元操作應(yīng)如何分析和掌握哪些內(nèi)容呢？如何著手分析某一單元操作? 一、單元操作的目的是什么?二、單元操作的依據(jù)是什么? 三、采取什么措施?四、典型設(shè)備的操作與調(diào)節(jié)五、過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性 單元

4、操作從理論上分析，可歸結(jié)為三大類：遵循動(dòng)量傳遞規(guī)律、遵循熱量傳遞規(guī)律、遵循質(zhì)量傳遞規(guī)律。因此化工原理的重點(diǎn)內(nèi)容為：流體流動(dòng)及輸送、傳熱、精餾、吸收、干燥等。這也是課程學(xué)習(xí)中需加深理解、重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。目錄第一、二章流體流動(dòng)與輸送 -3主要內(nèi)容 -3典型實(shí)例 -10概念題 -11第三章非均相物系的分離 -13 主要內(nèi)容 -13 典型實(shí)例 -15 概念題 -16第四、五章 傳熱 -17 主要內(nèi)容 -17 典型實(shí)例 - 25 第六章 精餾 -29 主要內(nèi)容 -29 典型實(shí)例 -32 練習(xí)題 -34第七章 吸收 -35 主要內(nèi)容 -35 典型實(shí)例 -38 補(bǔ)充題 -40第八章 氣液傳質(zhì)設(shè)備 -41 概

5、念題 -41第九章 液液萃取 -42 主要內(nèi)容 -42 第十章 干燥 -43 主要內(nèi)容 -43 典型例題 -44 概念題 -47自學(xué)內(nèi)容 -48參考書(shū) -48 第一章流體流動(dòng)及輸送主要內(nèi)容流體流動(dòng)及輸送的問(wèn)題可歸結(jié)為兩個(gè)方面：一、 管路計(jì)算二、 以泵為代表的輸送設(shè)備的性能問(wèn)題。綜合起來(lái)，可看作一個(gè)由管路基本計(jì)算加上若干個(gè)問(wèn)題組成的整體。一、 管路計(jì)算基本方程1、 連續(xù)性方程2、 柏努利方程3、 阻力計(jì)算式特別提示：1、 量一定時(shí)，流速的大小只與管徑有關(guān)，流體不因有阻力損失而減速。流動(dòng)過(guò)程中流體損失的不是動(dòng)能，而是總勢(shì)能（p/+gz）。2、（1）流體靜止時(shí)，靜止的流體內(nèi)部總勢(shì)能守恒，靜壓能和位能

6、可以相互轉(zhuǎn)換。應(yīng)用：U型管壓差計(jì)測(cè)量流動(dòng)流體的壓差 （p1+gz1）-(p2+gz2)=(Hg-)gR R值的大小反映了虛擬壓強(qiáng)差，或 即R值的大小與總勢(shì)能降有關(guān)。（2）理想流體（無(wú)粘性流體）機(jī)械能守恒粘性-運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)摩擦的特性，是流體微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)。粘性流體應(yīng)用伯努力方程時(shí)，平均動(dòng)能項(xiàng)用平均速度表示，需引進(jìn)一動(dòng)能校正系數(shù)a。 高速湍流時(shí)，a=1 （3）可壓縮性流體 當(dāng) 壓強(qiáng)變化小于20%時(shí)，用m代替。（4）緩變的非定態(tài)（任意截面上的參數(shù)不僅隨位置而異，也隨時(shí)間變化）流動(dòng)，可擬定態(tài)處理，列瞬間的柏努利方程。3（1）流動(dòng)類型 滯流 湍流 Re < 2000 Re >4

7、000 =-du/dy =-(+e)du/dy ur=umax(1-(r/R)2) ur=umax 1-(r/R)2n u=0.5umax u=0.817umax (n=1/7) 層流湍流的區(qū)別 （1）有無(wú)徑向速度脈動(dòng) （2）速度分布不同 （3）阻力形式不同 （4）阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系不同（2）流動(dòng)邊界層在固體壁面附近，存在較大速度梯度的流體層稱為流動(dòng)邊界層。湍流邊界層中緊靠壁面處仍有一滯流內(nèi)層，Re值愈大，滯流內(nèi)層厚度愈薄。邊界層的脫體（分離） 當(dāng)流體繞過(guò)曲面時(shí)，邊界層中的流體在流道減擴(kuò)的過(guò)程中減速加壓。此時(shí)在摩擦阻力損失消耗動(dòng)能和在流動(dòng)方向上逆壓強(qiáng)梯度的阻礙的雙重作用下，近壁處流體速度隨

8、離壁的近遠(yuǎn)依次降為零，在壁面和流體之間產(chǎn)生了空白區(qū)，稱為邊界層的脫體。倒流的流體產(chǎn)生大量漩渦，大大增加了機(jī)械能損失。該項(xiàng)損失稱為形體阻力損失。4直管阻力計(jì)算通式其關(guān)系曲線變化趨勢(shì)圖可劃分為：1區(qū)為滯流區(qū)（又稱一次方區(qū)） =f（Re） hf u 2區(qū)：湍流區(qū) =f（Re，/d） hf un （1<n<2）3區(qū)：完全湍流區(qū)（阻力平方區(qū)） =f（/d） hf u2 湍流摩擦系數(shù)由實(shí)驗(yàn)研究的方法確定 過(guò)程分析確定影響因素 Pf=（d，l，u，） 因次分析得： 線性化 ： 在固定（/d）和（l/d）的條件下 ，將（pf/u2）和Re 的實(shí)驗(yàn)值在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上進(jìn)行標(biāo)繪，若所得為一條直線，則證明待

9、求函數(shù)可以用冪函數(shù)逼近，該直線的斜率為-k 。同樣可以確定b和k的值，常數(shù)K可由直線的截距求出。 將所得公式與直管阻力計(jì)算通式進(jìn)行比較，即可得到湍流時(shí)摩擦系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。 非園管 de=4rH =4（流通截面積/潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)）5、局部阻力計(jì)算式 局部阻力是摩擦阻力與形體阻力之和。主要源于流道的急劇變化促使邊界層脫體，產(chǎn)生大量的漩渦，消耗了機(jī)械能。 突然縮小管的阻力損失來(lái)自于縮脈處的突然擴(kuò)大。 兩種估算方法:(1)局部阻力系數(shù)法:式中u為小管中的速度(2)當(dāng)量長(zhǎng)度法:6、阻力對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響（難點(diǎn)）(1)簡(jiǎn)單管路（如圖2）當(dāng)閥門由全開(kāi)轉(zhuǎn)為半開(kāi)時(shí)，局部阻力系數(shù)增大，hfA-B增大，流速u減小，hf

10、1-a減小，上游壓強(qiáng)pA增大，hFb-2減小，下游壓強(qiáng)pB減小。結(jié)論：1）、管路是一個(gè)整體， 任何局部阻力系數(shù)的增加將使管內(nèi)各處的流速下降。2）、下游阻力增大將使上游壓強(qiáng)上升。3）、上游阻力增大將使下游壓強(qiáng)下降。 4）、在任何時(shí)刻，阻力損失表現(xiàn)為流體勢(shì)能（以虛擬壓強(qiáng)0表示）的降低。(2)分支管路（如圖3） A閥關(guān)小，局部阻力 系數(shù)A增大，阻力hf0-2 增大，u2 減小，0 增大，u3 增大，u0 下降。關(guān)小閥門使所在支管的流量下降，與之平行的支管內(nèi)流量上升，但總流量還是減小。 兩種極端情況：1）.支管阻力為主：u0 很小，01 且接近一常數(shù)。任意支管情況的改變不至影響其它支管的流量。2）.總

11、管阻力為主： 0與1或2 相近，總管中的總流量將不因支管情況而變。閥A的啟閉不影響總流量，僅改變各支管間的流量分配。(3)匯合管路（如圖4）： 閥門關(guān)小，u3 下降， 交匯點(diǎn)0虛擬壓強(qiáng)0 升高。此時(shí)u1 、u2 同時(shí)降低，但2 <1 下降更快。當(dāng)閥門關(guān)小到一定程度時(shí)，因0=2 ，致使 u2=0；繼續(xù)關(guān)小閥門則 u2 作反向流動(dòng)。任一管段或局部的條件變化 都將會(huì)破壞整個(gè)管路原有的能量平衡，并根據(jù)新的條件建立新的平衡。柏努利方程轉(zhuǎn)換為管路特性曲線方程（u1=u2，=常數(shù)）1） 路狀態(tài)參數(shù)B=f（，l，le，d），視其大小可分為高阻管路 和 低阻管路。 2）K為終止與起始狀態(tài)間單位重量流體所具

12、有的總勢(shì)能差，分三種情況：（1）高能位流向低能位 K<0（2）循環(huán)管路 K=0（3）低能位流向高能位 K>0二、 離心泵特性曲線1 離心泵基本方程式后彎葉片2 < 900 ,ctg2> 0,B > 0 QT=D2b2Cr2 2. 離心泵的特性曲線由實(shí)驗(yàn)測(cè)定 H=A-BQ2 問(wèn)題：1）實(shí)驗(yàn)裝置布置。 2）需測(cè)定什么參數(shù)。 3）實(shí)際操作中注意的問(wèn)題。 4）性能參數(shù)（H，N）隨流量Q的變化趨勢(shì)。最高效率點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的流量，稱為額定流量。對(duì)應(yīng)一組最佳工況參數(shù)。 軸功率 3. 物性的改變對(duì)離心泵特性曲線的影響：1） 密度：壓頭、流量、效率與密度無(wú)關(guān)，軸功率隨密度的增大而上升。2

13、） 粘度：壓頭、流量、效率隨粘度的增大而下降，軸功率增大。 4.離心泵的工作點(diǎn)管路特性曲線與泵特性曲線的交點(diǎn) 管路特性曲線方程 He=K+BQe2 泵特性曲線方程 H=A-BQ2 工作點(diǎn) H=He Q=Qe 5. 輸送設(shè)備（泵）的分類動(dòng)力式（葉輪式）離心式、軸流式容積式（正位移式）往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式往復(fù)泵屬于正位移泵，流量不均，流量與缸體的容積及活塞的往復(fù)頻率有關(guān)，而與泵的壓頭及管路情況無(wú)關(guān)；壓頭取決于管路情況，受泵體的承壓能力限制；有自吸能力；需用旁路調(diào)節(jié)流量。三、 流體流動(dòng)及輸送綜合計(jì)算 管路測(cè)量 分支匯合并聯(lián)管路基本計(jì)算 + 泵的安裝高度 工作點(diǎn)改變 泵的組合 非定態(tài)流動(dòng)1、管路測(cè)量1） 畢

14、托管（測(cè)大管氣速）-動(dòng)能式 （微差壓差計(jì)）2） 孔板流量計(jì)差壓式流量計(jì)（節(jié)流式）標(biāo)準(zhǔn)孔板C0=f (Re ,A0/A) ,當(dāng)C0為常數(shù)時(shí)，孔板流量計(jì)的阻力損失 3)文丘里流量計(jì)節(jié)流式4)轉(zhuǎn)子流量計(jì)截面式流量計(jì) 流量校正轉(zhuǎn)子切削后 ，流量變化。2、分支匯合并聯(lián)分支匯合管路: 交點(diǎn)處產(chǎn)生動(dòng)量交換，造成局部能量損失，同時(shí)各流股間還有能量交換。工程上采用 （1）對(duì) L/d>>1000的長(zhǎng)管，忽略交點(diǎn)阻力；（2）用三通管的局部阻力（能量增加< 0 ，能量減少>0）代替。并聯(lián)管路: V=V1+V2 并聯(lián)滯流管路:管網(wǎng): 當(dāng)以支管阻力為主時(shí)，各支管流速均勻，總流量與分支管路的數(shù)目近似

15、成正比。3、泵的安裝高度1） 允許吸上真空度法2） 允許氣蝕余量法4、工作點(diǎn)改變A、改變泵的特性曲線1）改變轉(zhuǎn)速 若轉(zhuǎn)速變化小于20%，設(shè)速度三角形相似，則效率不變，有比例定律：2）改變?nèi)~輪直徑（D2b2=D2b2）若葉輪直徑變化小于5%，同上，有切割定律：3）變泵的組合（詳見(jiàn)5）B、改變管路特性1)改變閥門的開(kāi)度關(guān)小閥門，閥門局部阻力系數(shù)增大，B增大，H增大，Q下降。見(jiàn)圖6(1),閥門關(guān)小,管路特性曲線變陡.2)改變上下游的靜壓頭差和位壓頭差P/g，Z變化，引起K變化，則H，Q將發(fā)生變化。見(jiàn)圖6(2),(P/g+Z)增大時(shí),管路特性曲線上移. 5、泵的組合型號(hào)相同的泵并聯(lián)，同樣壓頭下流量加倍

16、。 H并=A-BQ2/4型號(hào)相同的泵串聯(lián)，同樣流量下壓頭加倍。 H串=2（A-BQ2）低阻管路 Q并大于Q串 ，高阻管Q并小于Q串 。6、非定態(tài)流動(dòng)當(dāng)上下游流體截面間的距離或壓強(qiáng)隨時(shí)間發(fā)生漸變時(shí)，泵的揚(yáng)程和流量也隨之而變，為非定態(tài)流動(dòng)。擬定態(tài)處理，應(yīng)用微分物料恒算式和瞬間柏努利方程求解。典型例題基本知識(shí)的靈活運(yùn)用舉例有一管路系統(tǒng)如圖所示。水在管內(nèi)向高位槽流動(dòng)，當(dāng)E閥開(kāi)度為1/2時(shí)， A、B兩處的壓強(qiáng)表讀數(shù)分別為 5.9×104Pa及 4.9×104Pa。 此時(shí)流體的流量為 36m3/h?，F(xiàn)將 E閥開(kāi)大， B點(diǎn)壓強(qiáng)表讀數(shù)升至 6.87×104Pa， 水的密度為 10

17、00kg/m3 。假設(shè)在兩種情況下，流體都進(jìn)入了阻力平方區(qū)。求：E閥開(kāi)大后，（1） 管內(nèi)水的流量；（2） A處壓強(qiáng)表讀數(shù) Pa。(天大95/10)解：設(shè)水槽液面為 C-C截面，以 AB管道中心線為基準(zhǔn)水平面，在 B-B與 C-C截面間列柏努力方程： E閥開(kāi)大后Q=(u/u)Q=1.414×36=51m3/h(2) pA=(pA-pB)(u/u)2+pB =(5.9×104-4.9×104)×2+6.87×104=8.87×104Pa 虹吸管問(wèn)題：如圖1所示：反應(yīng)器和儲(chǔ)槽均通大氣，用虹吸管從高位槽向反應(yīng)器加料。要求料液流速為 u= 1

18、m/s，料液在管內(nèi)阻力損失為hf=20J/kg（不計(jì)出口損失）。求：高位槽液面比管出口高出多少？（h=2.09m） Notes:空化現(xiàn)象圖1圖2 真空吸料問(wèn)題：如圖2，儲(chǔ)槽液面恒定。將30的C2H5OH(密度為800kg/m3)用57×3.5mm的無(wú)縫鋼管吸入高位槽中。要求VS=0.004m3/s，且hf=0。求真空泵需將高位槽的壓力降到多少？（p=5300N/m2）解題中應(yīng)注意多學(xué)科知識(shí)的結(jié)合，計(jì)算是一個(gè)方面，而更重要的是分析操作過(guò)程的可行性，實(shí)際生產(chǎn)中能否實(shí)現(xiàn)及如何實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。概念題流體力學(xué)部分1.連續(xù)性介質(zhì)假定是指( ).2液封是指（ ）3流體阻力產(chǎn)生的根源是( )。粘性是指（

19、 ）。4在連續(xù)穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程中，流速與管徑的（ ）成正比。均勻圓管內(nèi)流體的流速不因流阻的存在而（ ）。(減、降或不變)5無(wú)因次數(shù)群是( ）的數(shù)組。6滯流與湍流的根本區(qū)別是( )。7一定量的流體在圓形直管內(nèi)流過(guò)，若流動(dòng)處于阻力平方區(qū)，則流動(dòng)阻力與速度的（ ）成正比。8圓形直管內(nèi)流體滯流流動(dòng)的速度分布呈（ ）形狀。其平均速度是中心最大速度的（ ）。摩擦阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系是（ ）。9流體流動(dòng)邊界層是指（ ）。流體流過(guò)某一障礙物發(fā)生邊界層脫體的原因是（ ）。由于固體表面形狀而造成邊界層分離所引起的能量損失，稱為（ ）。粘性流體繞過(guò)固體表面的阻力為摩擦阻力和（ ）之和，又稱為局部阻力。10局部阻力所引

20、起的能量損失有兩種計(jì)算方法：（ ）法和（ ）法。11并聯(lián)管路的特點(diǎn)是（ ）。分支管路的特點(diǎn)是（ ）。12孔板流量計(jì)是通過(guò)（ ）來(lái)反映流量的大小，又稱為（ ）流量計(jì)，而轉(zhuǎn)子流量計(jì)是流體流過(guò)節(jié)流口的壓強(qiáng)差保持恒定，通過(guò)變動(dòng)的（ ）反映流量的大小，又稱（ ）。13教材P88 思考題流體輸送設(shè)備部分1離心泵在啟動(dòng)前，要先灌泵，以防止（ ）現(xiàn)象的發(fā)生。氣蝕是指（ ）。為防止氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，離心泵的安裝高度應(yīng)( )。2離心泵的性能參數(shù)主要是( 、 、 、 )。性能曲線是指( 、 、 ）的關(guān)系曲線。3離心泵的允許吸上真空度是指（ ）。允許氣蝕余量是指( )。4離心泵的工作點(diǎn)是( )的交點(diǎn)。工作點(diǎn)調(diào)節(jié)即流量調(diào)

21、節(jié)一般用（ ）方法。5采用離心泵的串并聯(lián)可改變工作點(diǎn)，對(duì)于管路特性曲線較平坦的低阻管路，采用（ ）組合可獲得較高的流量和壓頭；而對(duì)于高阻高阻管路，采用（ ）組合較好；對(duì)于（Z+P/）值高于單臺(tái)泵所能提供最大壓頭的特定管路，則采用（ ）組合方式。6往復(fù)泵的有自吸能力，啟動(dòng)前不需（ ），往復(fù)泵的壓頭與泵的尺寸（ ），取決于管路特性，這類泵稱為（ ）。流量調(diào)節(jié)不能簡(jiǎn)單地用排出管路上的閥門來(lái)調(diào)節(jié)流量，一般用（ ）來(lái)調(diào)節(jié)。7.風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)是指（ ， ， ）等。若被輸送氣體的溫度增高，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓將（ ）。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量一般是以（ ）狀態(tài)計(jì)量的。8往復(fù)壓縮機(jī)的主要部件有（ 、 、 ）等。壓縮比是指Page:

22、12（ ）。為解決壓縮機(jī)的流量不均問(wèn)題，在壓縮機(jī)的出口應(yīng)安裝（ ）。 第三章 非均相物系的分離主要內(nèi)容一. 重力沉降1. 沉降速度:顆粒在等速沉降階段的速度在等速沉降階段,顆粒受重力浮力及壓差力的作用處于力平衡,由此可求出沉降速度ut 2. 按 Ret 的大小沉降可分為三個(gè)區(qū):(1) 滯流區(qū)(Stokes區(qū)) :10-4<Ret<1(2) 過(guò)渡區(qū)(Allen區(qū)): 1<Ret<103 (3) 湍流區(qū)(Newton區(qū)):103< Ret<2×105 特別提示:(1) Stokes區(qū): utd2/(2) Newton區(qū): ut d1/2 ,與無(wú)關(guān)(3)

23、 s愈大,d愈大,則 ut 越大,沉降所需時(shí)間越少(4) 對(duì)非球形顆粒,用當(dāng)量直徑de 代替d 計(jì)算3. 沉降速度ut 與顆粒直徑d的兩種計(jì)算法 :(1) 試差法(2) 摩擦數(shù)群法,可避免試差4. 分離設(shè)備(1) 降塵室-分離氣固混合物生產(chǎn)能力 VS< b l ut 注意: a降塵室的生產(chǎn)能力只與降塵室的長(zhǎng)寬(或底面積)沉降速度有關(guān) ,與降塵室的高度無(wú)關(guān)一般采用多層降塵室但分離效率低,通常是用于分離粒度大于50m的粗顆粒 b 顆?；厥盏陌俜致?若顆粒在降塵室入口的爐氣中是均勻的,則某尺寸顆粒在降塵室的沉降高度與降塵室高度之比約等于該尺寸顆粒被分離下來(lái)的百分率(2) 沉降槽分離液固混合物a

24、 表觀沉降速度 u0不同于沉降速度ut ,二者的運(yùn)動(dòng)參照物系不同u0< ut b 沉降槽的主要尺寸:直徑與高度的計(jì)算二. 離心沉降將重力場(chǎng)改為離心力場(chǎng),參照重力沉降的處理方法解決離心沉降問(wèn)題1. 分離因數(shù)Kc :分離因數(shù)是慣性離心力場(chǎng)強(qiáng)度與重力場(chǎng)強(qiáng)度之比是描述離心分離設(shè)備的重要性能參數(shù)反映離心分離效果的好壞,Kc越大,表示分離效果越好若沉降均處在滯流區(qū),則2. 離心沉降設(shè)備(1) 旋風(fēng)分離器分離氣固混合物臨界粒徑旋風(fēng)分離器的直徑D 增大,B增大,dc 增大,分離效率下降 dc B1/2(2) 旋液分離器分離液固混合物三. 過(guò)濾1. 處理方法:典型的數(shù)學(xué)模型法2. 一般過(guò)濾方程式注意:,等

25、對(duì)具體過(guò)濾過(guò)程的影響(1) 恒壓過(guò)濾方程 V2+2VVe=KA2 V2e=KA2e 或 q2+2qqe=K q2e=Ke(2) 恒速過(guò)濾 VR=uRR A S=0 時(shí),P=a+b(a,b為常數(shù))(3) 濾餅洗滌時(shí)間的計(jì)算若PW=PE ,W=液 :葉濾機(jī):板框機(jī):LW=2LE ,AE=2AW 若PW=PE ,W=液 :（3） 過(guò)濾機(jī)的能力Q (m3/h)a .間歇過(guò)濾機(jī)注意:最大生產(chǎn)能力的計(jì)算,當(dāng)D一定時(shí),V2=KA2D 時(shí),生產(chǎn)能力最大是由dQ/dV=0求得的b.連續(xù)轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī) 轉(zhuǎn)一周得濾液量 生產(chǎn)能力為：典型例題利用沉降原理測(cè)定液體粘度某粒子的密度為1700kg/m3 ，在20的水中沉降

26、，過(guò)程符合斯托克斯定律，其沉降速度為 10mm/s。今將該粒子放入一待測(cè)粘度 的溶液中，此溶液的密度為=750kg/m3 ，測(cè)得沉降速度為4.5mm/s。求溶液的粘度是多少？在 20時(shí) 水=1.3×10-3PaS 。(清華95)解：沉降符合斯托克斯定律，則有過(guò)濾機(jī)的最大生產(chǎn)能力用一板框壓濾機(jī)對(duì)懸浮液進(jìn)行恒壓過(guò)濾，過(guò)濾20分鐘得濾液 20m3 ，過(guò)濾餅不洗滌，拆裝時(shí)間為15分鐘，濾餅不可壓縮，介質(zhì)阻力可略。試求：（1） 該機(jī)的生產(chǎn)能力，以 m3 （濾液）/h表示 (2)如果該機(jī)的過(guò)濾壓力增加 20，該機(jī)的最大生產(chǎn)能力為多少 m3（濾液）/h？(石油98/8)解：（1）（2） V2=KA

27、2D KA2=20/20=1最大生產(chǎn)能力時(shí)對(duì)應(yīng)的濾液量為 V2opt=KA2D =15opt=15/1=15minP=1.2P VP1/2 Vopt=1.21/2×151/2=4.24m3Qmax=4.24/30=8.4m3/hr 濾餅的洗滌問(wèn)題采用板框壓過(guò)濾機(jī)進(jìn)行恒壓過(guò)濾，操作1小時(shí)后，得濾液 15m3 ，然后用2m3 的清水在相同的壓力下對(duì)濾餅進(jìn)行橫穿洗滌。假設(shè)清水的粘度與濾液的粘度相同。濾布阻力可略，試求：（1） 洗滌時(shí)間（2） 若不進(jìn)行洗滌，繼續(xù)恒壓過(guò)濾1小時(shí)，可另得濾液多少 m3 ？ (天大97/8)解：V2=KA2KA2=152 采用橫穿洗滌法，則有：操作壓強(qiáng)對(duì)過(guò)濾機(jī)生產(chǎn)

28、能力的影響用板框過(guò)濾機(jī)過(guò)濾某懸浮液，一個(gè)操作周期內(nèi)過(guò)濾 20分鐘后共得濾液 4m3 （濾餅不可壓縮，介質(zhì)阻力可略）。若在一個(gè)周期內(nèi)共用去輔助時(shí)間30分鐘，求：（1） 該機(jī)的生產(chǎn)能力（2）若操作壓強(qiáng)加倍，其它條件不變（物性、過(guò)濾面積、過(guò)濾時(shí)間與輔助時(shí)間），該機(jī)生產(chǎn)能力提高了多少？(清華97/12)解：濾餅不洗滌（1） Q=4/（20+30）=0.08m3/min（2） KP VP1/2 V=21/2V=1.414×4=5.65m3Q=5.65/50=0.113m3/min概念題 1沉降操作是指（ ）。根據(jù)沉降操作的作用力，沉降過(guò)程有（ ）和（ ）兩種。 2若氣體中顆粒的沉降處于滯流區(qū)，

29、當(dāng)氣體溫度升高時(shí)，顆粒的沉降速度將（ ），顆粒的沉降速度與粒徑的關(guān)系是（ ）。3顆粒形狀與球形的差異程度，可用它的球形度來(lái)表征。球形度是指（ ）。4顆粒沉降速度的計(jì)算方法有：（ ），（ ）兩種。5降塵室是指（ ）的設(shè)備。其生產(chǎn)能力只與（ ）和（ ）有關(guān)，與降塵室的（ ）無(wú)關(guān)。為提高其生產(chǎn)能力，降塵室一般為（ ）。6用降塵室分離含塵氣體時(shí)，若顆粒在降塵室入口處的氣體中是均勻分布的，則某尺寸顆粒被分離下來(lái)的百分率等于（ ）。7懸浮液的沉聚過(guò)程中，顆粒的表觀沉降速度是指（ ）的速度。8離心沉降是依靠（ ）實(shí)現(xiàn)的沉降過(guò)程。若顆粒與流體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)屬于滯流，旋轉(zhuǎn)半徑R=0.4m，切向速度uT=20m/

30、s時(shí)，分離因數(shù)KC等于（ ）。9旋風(fēng)分離器是利用（ ）從氣流中分離出塵粒的設(shè)備。臨界粒徑是指在理論上( )顆粒直徑。10恒壓過(guò)濾時(shí)，過(guò)濾面積不變，當(dāng)濾液粘度增加時(shí)，在相同的過(guò)濾時(shí)間內(nèi)，過(guò)濾常數(shù)K將變（ ），濾液體積將變（ ）。(浙大96)11恒壓過(guò)濾操作中，如不計(jì)介質(zhì)阻力，濾餅不可壓縮，過(guò)濾壓力增加 2倍，濾液粘度增加 1倍，過(guò)濾面積也增加 1倍，其它條件不變，則單位過(guò)濾面積上的濾液量為原來(lái)的（ ）。(石油97)12板框壓濾機(jī)洗滌速率與恒壓過(guò)濾終了的速率 的1/4這一規(guī)律只在（ ）時(shí)才成立。 A過(guò)濾時(shí)的壓差與洗滌時(shí)的壓差相同B濾液的粘度與洗滌液的粘度相同C 過(guò)濾時(shí)的壓差與洗滌時(shí)的壓差相同且濾液

31、的粘度與洗滌液的粘度相同D過(guò)濾時(shí)的壓差與洗滌時(shí)的壓差相同，濾液的粘度與洗滌液的粘度相同， 而且過(guò)濾面積與洗滌相同(清華98)13恒壓過(guò)濾且介質(zhì)阻力忽略不計(jì)，如粘度降低 20 ，則在同一時(shí)刻濾液增加（ ） A 11.8 B 9.54 C 20 D 44 （清華98）14過(guò)濾介質(zhì)阻力忽略不計(jì)，下列恒壓過(guò)濾循環(huán)中那種生產(chǎn)能力最大（ ）（為時(shí)間） A 過(guò)濾=洗滌 B 洗滌+過(guò)濾=輔 C 過(guò)濾=洗滌+輔 D 洗滌=過(guò)濾+輔 (浙大96)15在板框壓濾機(jī)中，如濾餅的壓縮性指數(shù)S=0.4，且過(guò)濾介質(zhì)阻力可忽略不計(jì)，則當(dāng)過(guò)濾的操作壓強(qiáng)增加到原來(lái)的 2倍后，過(guò)濾速率將為原來(lái)的（ ）倍。 A 1.3 B 1.2

32、C 1.4 D 1.5 第四章傳熱主要內(nèi)容 以冷熱流體在間壁式換熱器兩側(cè)對(duì)流-導(dǎo)熱-對(duì)流傳熱為重點(diǎn)，解決熱負(fù)荷與傳熱速率匹配問(wèn)題。熱負(fù)荷 Q（kJ/s） 按工藝要求對(duì)物料進(jìn)行加熱或冷卻時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)必須提供或移走的熱量。由熱量衡算求得。傳熱速率 Q（kJ/s） 由換熱器的性能、流體的物性、操作情況等因素綜合決定。滿足工藝要求的換熱器的傳熱速率必須等于熱負(fù)荷，即傳熱計(jì)算必須同時(shí)滿足熱量衡算式和傳熱速率式。一、 熱量衡算（QL=0）Q=WCCPC（t2-t1）=WhCPh（T1-T2） 兩側(cè)物相變 =Whr 熱流體恒溫相變 =Whr+WhCPh（TS-T2） 熱流體冷凝冷卻 =WhCPh（T1-T

33、S）+Whr 熱流體冷卻冷凝 WCP熱容流率 R熱容流率之比二、傳熱速率方程式 Q=KStm 1 總傳熱系數(shù)K K值是表征換熱器性能的一個(gè)重要參數(shù)。它取決于流體的物性、換熱器的性能及操作條件諸多因素。 （1） 由實(shí)驗(yàn)測(cè)定 （2） 查經(jīng)驗(yàn)值列管換熱器中K的值大致范圍（w/m2）氣體水 17280水水 8501700水蒸汽冷凝水 14204250水蒸汽冷凝水沸騰 20004250（3） 公式計(jì)算2 導(dǎo)熱一維定態(tài)付立葉定律 導(dǎo)熱系數(shù)大致范圍物質(zhì)種類 導(dǎo)熱系數(shù)（w/m） 純金屬 1001400 金屬合金 50500 液態(tài)金屬 30300 非金屬固體 0.0550 液體 0.55 絕熱材料 0.051

34、氣體 0.0050.5 固體：=0（1+at） 對(duì)大多數(shù)金屬材料a<0；而對(duì)大多數(shù)非金屬材料a>0液體：除水和甘油外，溫度升高，L下降，純液體的值較純液 體的大。氣體：溫度升高，導(dǎo)熱系數(shù)增大。單層平壁： 多層平壁：?jiǎn)螌訄A筒壁： 多層圓筒壁：球壁：導(dǎo)熱系數(shù)的簡(jiǎn)易測(cè)定： 在同套管環(huán)隙或球的內(nèi)、外殼之間裝入待測(cè)材料，管（球）中心處電加熱，分別測(cè)出內(nèi)、外壁的溫度，利用導(dǎo)熱速率式計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。有內(nèi)熱源的一維定態(tài)熱傳導(dǎo)：若球殼內(nèi)有一內(nèi)熱源q0（單位體積散熱量J/m3s），取微元球殼列熱量衡算，結(jié)合付立葉定律：忽略二階無(wú)窮小，整理得：代入付立葉定律求速率。接觸熱阻： 由于實(shí)際物體表面粗糙，即使是

35、具有比較光滑表面的金屬，在接觸面上也只能做到有限點(diǎn)的接觸，層與層之間空氣隙的存在形成了附加熱阻。保溫材料的合理使用：絕熱性能好的放在內(nèi)層，熱損失較少。保溫層的臨界半徑： 保溫層的傳熱是導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射聯(lián)合作用的結(jié)果。當(dāng)保溫層的外半徑加大時(shí)，導(dǎo)熱熱阻加大，而對(duì)流輻射復(fù)合熱阻減小，總熱阻在r0=rc時(shí)，存在一個(gè)極小值，即傳熱速率存在一個(gè)極大值，rc=/T ，當(dāng)保溫材料的性能不好（導(dǎo)熱系數(shù)較大）時(shí)，若包扎保溫層厚的半徑r0小于臨界半徑rc時(shí)，熱阻反而會(huì)增大。3.、對(duì)流 當(dāng)其它熱阻可以忽略時(shí)， 若0>>I ，K=I ，K值比小還小。只有提高I 的值，即減小起控制作用的流體傳熱阻力，方能提高

36、K值，減小總傳熱阻力。 熱阻大的流體分擔(dān)的溫差大，熱阻小的流體分擔(dān)的溫差也小。壁溫總是接近對(duì)流傳熱系數(shù)大的，即熱阻小的流體側(cè)的溫度。4熱邊界層和流動(dòng)邊界層相似,將近壁處流體溫度有顯著變化(存在溫度梯度)的區(qū)域稱作熱邊界層或溫度邊界層，工程上由（tw-t）/（tw-t）=0。99來(lái)劃分熱邊界層的厚度。熱邊界層內(nèi)的溫度分布受流動(dòng)邊界層的影響，流體與壁面間的溫度差主要集中在層流內(nèi)層中，改善流動(dòng)條件，減薄熱邊界層的厚度，加大近壁處的溫度梯度，有利于提高傳熱系數(shù)。熱邊界層與流動(dòng)邊界層的厚度之比取決于流體的物性。對(duì)流傳熱系數(shù) 由上式可見(jiàn)：對(duì)于給定的流體和傳熱溫差，即和t一定時(shí)，的大小取決于近壁處的溫度梯度

37、。當(dāng)傳熱溫差一定時(shí)，溫度梯度的大小取決于虛擬膜（有效膜）的厚度。而隨流體的湍動(dòng)程度的加劇或熱邊界層的減薄而減小，值隨之提高。 的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式分兩大類四種情況：（1）無(wú)相變 NU=f（Re ，Pr ，Gr ） a 強(qiáng)制對(duì)流 NU=f（Re ，Pr） b 自然對(duì)流 NU=f（Re ，Pr） （2）有相變 c 蒸汽冷凝 d 液體沸騰 無(wú)因次數(shù)群的物理意義（1） 努賽爾準(zhǔn)數(shù)NU 等式右側(cè)為壁面處溫度梯度和平均溫度梯度的比值。在平均溫度度一定的條件下，壁面處溫度梯度越大，NU越大。NU反映了對(duì)流傳熱的強(qiáng)弱程度。由于壁面處的溫度梯度恒大于平均溫度梯度，故NU恒大于1，甚至遠(yuǎn)大于1。 （2） 雷諾準(zhǔn)數(shù)ReRe

38、 數(shù)反映了流體流動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱系數(shù)的影響。 對(duì)于園管中的流體，u表示質(zhì)量流速，u2表示單位時(shí)間通過(guò)單位截面積的動(dòng)量，其大小與單位截面積的慣性力成正比。u/d表示流體內(nèi)部的速度梯度，u/d應(yīng)與流體內(nèi)部的粘性力成正比。因此，Re 數(shù)就相當(dāng)于慣性力與粘性力之比。 Re 數(shù)小，表示粘滯力起控制作用，抑制流層的擾動(dòng)；隨著Re數(shù)的增大，擾動(dòng)程度加劇，壁面處的溫度梯度亦加大，從而提高了傳熱系數(shù)。（3） 普蘭特準(zhǔn)數(shù)PrPr 由三個(gè)物性常數(shù)組成，反映了物性對(duì)傳熱系數(shù)的影響。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Pr 數(shù)代表了運(yùn)動(dòng)粘度與導(dǎo)熱系數(shù)之比。式中運(yùn)動(dòng)粘度v的大小反映了流體動(dòng)量傳遞的能力；導(dǎo)溫系數(shù)a反映了流體熱量傳遞的能力。因此，

39、Pr數(shù)時(shí)對(duì)流體傳遞動(dòng)量能力和傳遞熱量能力的相對(duì)度量，反映了流體流動(dòng)邊界層厚度與傳熱邊界層厚度之間，或相應(yīng)的速度分布和溫度分布之間的對(duì)比關(guān)系。Pr=1時(shí)，兩種邊界層厚度近似相等Pr>1時(shí)，流動(dòng)邊界層厚度大于傳熱邊界層厚度。Pr<1時(shí)，流動(dòng)邊界層厚度小于傳熱邊界層厚度。（4） 格拉斯霍夫準(zhǔn)數(shù)Gr Gr 準(zhǔn)數(shù)稱浮升力準(zhǔn)數(shù)，是反映自然對(duì)流特征的一個(gè)準(zhǔn)數(shù)。如當(dāng)tw>t時(shí),在垂直壁面附近流體自然對(duì)流,由于在近壁處存在溫度梯度,使得流體密度發(fā)生變化,其平均密度差近似為(-w)/2,故近壁處流體的浮升力近似為(-w)g/2.若忽略流體自然對(duì)流的流動(dòng)阻力損失作能量衡算,則浮升力所作的功近似等于

40、流體所獲得的動(dòng)能,即:Reb為表示自然對(duì)流的雷諾準(zhǔn)數(shù),其中l(wèi)為特征尺寸,故Gr數(shù)反映了自然對(duì)流的強(qiáng)弱程度。強(qiáng)制對(duì)流:低粘度流體在園直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流.流體被加熱時(shí),n=0.4 ,流體被冷卻時(shí),n =0.3.若n=0.4,物性不變時(shí):討論：當(dāng)物性.管徑一定時(shí) u0.8 當(dāng)流量.物性一定時(shí) d-1.8 對(duì)流傳熱系數(shù)與溫度差的關(guān)系:若傳熱推動(dòng)力溫度差增加一倍,下列幾種流動(dòng)條件下傳熱速率增加多少倍?(1) 管內(nèi)強(qiáng)制湍流 在此條件下,對(duì)流傳熱系數(shù)與溫度差無(wú)關(guān),故:(2) 大容積自然對(duì)流 在此條件下,根據(jù)GrPr的大小,t1/8-1/3 ,所以(3) 大容積飽和沸騰大容積飽和沸騰的給熱系數(shù)t2.5 ,所以(

41、4) 蒸汽膜狀冷凝蒸汽膜狀冷凝給熱系數(shù)t-1/4 ,所以對(duì)流傳熱系數(shù)的范圍： 換熱方式 對(duì)流傳熱系數(shù)范圍 空氣自然對(duì)流 5 -25 氣體強(qiáng)制對(duì)流 20 -100 水自然對(duì)流 20 -1000 水強(qiáng)制對(duì)流 1000-15000 水蒸汽冷凝 5000-15000 有機(jī)蒸汽冷凝 500 -2000 水沸騰 2500-25000 傳熱面積 S=ndL 與管子數(shù)n 管徑d 管長(zhǎng)L有關(guān).對(duì)數(shù)平均溫差：當(dāng)t2/t1<2時(shí)，逆流時(shí)并流時(shí)熱流體一側(cè)相變時(shí)冷熱流體兩側(cè)相變時(shí) tm=T-t折流 tm=ttm逆流當(dāng)進(jìn)出口溫度相同時(shí)，tm逆>tm折>tm并 若傳熱系數(shù)K與溫度呈線性關(guān)系：列管換熱器的種

42、類管殼式換熱器的設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題冷熱流體走殼、管程的選擇折流擋板的形狀和三傳熱計(jì)算定態(tài)傳熱1、設(shè)計(jì)型：求傳熱面積S2、操作型：換熱調(diào)節(jié)及換熱器校核已知：S（n，d，L），物性（CP，），污垢熱阻RSI，RS0，流量（Wh，WC），冷熱流體的進(jìn)出口溫度。求：當(dāng)某側(cè)流體的流量或某一進(jìn)（出）口溫度變化，或換熱器清洗后，或流動(dòng)方式改變或兩換熱器的組合方式改變時(shí)，其它參數(shù)如何變化？第一類：求兩個(gè)溫度第二類：求物流量或某一溫度 例如：冷流體的流量變化不僅會(huì)引起熱負(fù)荷變化，還會(huì)引起傳熱速率式中傳熱系數(shù)和傳熱推動(dòng)力的變化，以達(dá)到新情況下熱負(fù)荷與傳熱速率的平衡。兩種極端情況：A 冷>>熱 ，

43、冷流體流量增大，K值基本上不變。B 原先的t2-t1很小，即使WC增大，tm變化亦很小。傳熱速率方程式線性化逆流熱量衡算式t2=t1+Rh（T1-T2）b由a ，b兩式聯(lián)合求解可得出口溫度T2，t2。（第一類 ）對(duì)于第二類，由于a式右側(cè)包括待求未知數(shù)，乃非線性方程，需試差求解。3、傳熱單元數(shù) 熱效率法將a式左側(cè)分子分母處理后得：熱效率逆流當(dāng) R=1時(shí)，T1-t2=T2-t1 并流當(dāng)R=1時(shí)，一側(cè)相變時(shí)4、非定態(tài)傳熱 待求函數(shù)一般為累計(jì)傳熱量Q或物料溫度T與時(shí)間的關(guān)系。仍使用傳熱衡算式和傳熱速率式。5、輻射傳熱黑體、白體、透熱體和灰體斯蒂芬波爾斯曼定律角系數(shù)測(cè)溫誤差的來(lái)源？如何減小測(cè)溫誤差？如何減小輻射散熱？典型例題冷