制藥工程原理課后答案

習(xí)題與思考題第二章液體攪拌

第三章流體輸送設(shè)備【例2—1】離心泵特性曲線的測定附圖為測定離心泵特性曲線的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)中已測出如下一組數(shù)據(jù):泵進(jìn)口處真空表讀數(shù)pi=2.67x104Pa(真空度)泵出口處壓強(qiáng)表讀數(shù)P2=2.55x105Pa(表壓)泵的流量Q=12.5X1O—3mVs功率表測得電動機(jī)所消耗功率為6.2kW吸入管直徑di=80mm壓出管直徑d2=60mm兩測壓點(diǎn)間垂直距離乙一乙=0.5m泵由電動機(jī)直接帶動，傳動效率可視為 1,電動機(jī)的效率為0.93實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為20C的清水(1)泵的壓頭n。在真空表及壓強(qiáng)表所在截面1—(1)泵的壓頭n。在真空表及壓強(qiáng)表所在截面1—1與2—2間列柏努利方程：2肛 HZ2 -g2g式中Z2—2肛 HZ2 -g2g式中Z2—乙=0.5mP1=—2.67x104Pa〔表壓〕P2=2.55x105Pa〔表壓〕4QU1=d1412.51032P2氏?~Hfg2g4QU2=d220.08412.51032.49m/s20.06兩測壓口間的管路很短,2.55105 2.674.42m/s其間阻力損失可忽略不計(jì)，故42210 4.42 2.49H=0.5+ 10009.8129.81=29.88mHO(2)泵的軸功率功率表測得功率為電動機(jī)的輸入功率，電動機(jī)本身消耗一局部功率，其效率為0.93，于是電動機(jī)的輸出功率(等于泵的軸功率)為：N=6.2X0.93=5.77kW(3)泵的效率NeQHgNNeQHgN3.66=5.77N0.6312.510329.8810009.815.771000在實(shí)驗(yàn)中，如果改變出口閥門的開度，測出不同流量下的有關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出相應(yīng)的HN和n值，并將這些數(shù)據(jù)繪于坐標(biāo)紙上，即得該泵在固定轉(zhuǎn)速下的特性曲線。【例2-2】將20°C的清水從貯水池送至水塔，塔內(nèi)水面高于貯水池水面13n。水塔及貯水池水面恒定不變，且均與大氣相通。輸水管為 ?140X4.5mm的鋼管，總長為200m(包括局部阻力的當(dāng)量長度)?，F(xiàn)擬選用4B20型水泵，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2900r/min時，其特性曲線見附圖，試分別求泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時的流量、軸功率及效率。摩擦系數(shù)入可按0.02計(jì)算。解：求泵運(yùn)轉(zhuǎn)時的流量、軸功率及效率，實(shí)際上是求泵的工作點(diǎn)。即應(yīng)先根據(jù)此題的管路特性在附圖上標(biāo)繪出管路特性曲線。管路特性曲線方程在貯水池水面與水塔水面間列柏努利方程HeZ仝Hfg式中△Z=13m△p=0由于離心泵特性曲線中Q的單位為L/s，故輸送流量Q的單位也為L/s，輸QeU2QeU2d10004Qe0.0742Qe21000— 0.1314lleulleu2e0.02d2g_0.00857Q22000.1310.0742Qe29.81此題的管路特性方程為：2H5=13+0.00857Qe標(biāo)繪管路特性曲線根據(jù)管路特性方程，可計(jì)算不同流量所需的壓頭值，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果列表如下:Q/L?s-10481216202428He/m1313.1413.5514.2315.216.4317.9419.72由上表數(shù)據(jù)可在4B20型水泵的特性曲線圖上標(biāo)繪出管路特性曲線 H-Q<流量、軸功率及效率附圖中泵的特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)就是泵的工作點(diǎn)，從圖中點(diǎn)M讀得：泵的流量Q=27L/s=97.2m/h泵的軸功率N=6.6kW泵的效率n=77%【例2-3】選用某臺離心泵，從樣本上查得其允許吸上真空高度H=7.5m,現(xiàn)將該泵安裝在海拔高度為500m處，吸入管的壓頭損失為1mHO,泵入口處動壓頭為0.2mHO,夏季平均水溫為40C，問該泵安裝在離水面5m高處是否合適？解：使用時的水溫及大氣壓強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)條件不同，需校正:

當(dāng)水溫為40C時pv=7377Pa在海拔500m處大氣壓強(qiáng)可查表2-1得H=9.74mfOH's=HH's=HS+(Ha—10)—Pv9.811030.24=7.5+(9.74—10)—(0.75—0.24)=6.73mHLO泵的允許安裝高度為：Hg H'sHg H's2U1f01(2-22b)=6.73—0.2—1=5.53m>5m故泵安裝在離水面5m處合用【例2-4】試選一臺能滿足Q=80nVh、耳=180m要求的輸水泵，列出其主要性能。并求該泵在實(shí)際運(yùn)行時所需的軸功率和因采用閥門調(diào)節(jié)流量而多消耗的軸功率。解：(1)泵的型號由于輸送的是水，應(yīng)選用B型水泵。按Q=80nVh、Ht=180m的要求在B型水泵的系列特性曲線圖2-15上標(biāo)出相應(yīng)的點(diǎn)，該點(diǎn)所在處泵的型號為4B20-2900，故采用4B20型水泵，轉(zhuǎn)速為2900r/min。再從教材附錄中查4B20型水泵最高效率點(diǎn)的性能數(shù)據(jù)：Q=90ni/hH=20mN=6.36kWn=78%H=5m泵實(shí)際運(yùn)行時所需的軸功率，即工作點(diǎn)所對應(yīng)的軸功率。在圖 2-6的4B20型離心水泵的特性曲線上查得Q=80m/h時所需的軸功率為N=6kW用閥門調(diào)節(jié)流量多消耗的軸功率當(dāng)Q=80m/h時，由圖2-6查得H=1.2m，n=77%為保證要求的輸水量，可采用泵出口管線的閥門調(diào)節(jié)流量，即關(guān)小出口閥門，增大管路的阻力損失，使管路系統(tǒng)所需的壓頭H.也等于21.2m。所以用閥調(diào)節(jié)流量多消耗的壓頭為：△H=21.2—18=3.2m多消耗的軸功率為：“HQg3.2801000 9.81門…N 0.906kW36000.77【例2—5］空氣的最大輸送量為14500kg/h。在最大風(fēng)量下輸送系統(tǒng)所需的風(fēng)壓為1600Pa(以風(fēng)機(jī)進(jìn)口狀態(tài)計(jì))。風(fēng)機(jī)的入口與溫度為40°C，真空度為196Pa的設(shè)備連接，試選適宜的離心通風(fēng)機(jī)。當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為93.3x103Pa。解：將系統(tǒng)所需的風(fēng)壓P't換算為實(shí)驗(yàn)條件下的風(fēng)壓5,即操作條件下p'的計(jì)算：(40C，p=(93300-196)Pa)從附錄中查得1.0133x105Pa,40C時的p=1.128kg/m

1.12893300196 1.12893300196 1.04kg/m3101330所以PtPt16001846Pa1.04風(fēng)量按風(fēng)機(jī)進(jìn)口狀態(tài)計(jì)Q14500 13940m3/h1.04根據(jù)風(fēng)量Q=13940m/h和風(fēng)壓PT=1846Pa從附錄中查得4—72-11NO.6C型離心通風(fēng)機(jī)可滿足要求。該機(jī)性能如下:風(fēng)壓1941.8Pa=198mm2O風(fēng)量14100m3/h效率91%軸功率10kW習(xí)題擬用一泵將堿液由敞口堿液槽打入位差為10m高的塔中，塔頂壓強(qiáng)為5.88X104Pa(表壓)，流量20nVh。全部輸送管均為?57X3.5mm無縫鋼管，管長50m、. 3 一3(包括局部阻力的當(dāng)量長度)。堿液的密度p=1500kg/m,粘度卩=2X10Pa-s。管壁粗糙度為0.3mm＞試求：(1)輸送單位重量液體所需提供的外功。(2)需向液體提供的功率。在圖2-11所示的4B20型離心泵特性曲線圖上，任選一個流量，讀出其相應(yīng)的壓頭和功率，核算其效率是否與圖中所示一致。用水對某離心泵作實(shí)驗(yàn)，得到以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：—1Q(L-min)0100200300400500Hm37.2383734.531.828.5假設(shè)通過?76X4mm長355m(包括局部阻力的當(dāng)量長度)的導(dǎo)管，用該泵輸送液體。吸入與排出的空間均為常壓設(shè)備，兩液面間的垂直距離為 4.8m,摩擦系數(shù)入為0.03，試求該泵在運(yùn)轉(zhuǎn)時的流量。假設(shè)排出空間為密閉容器，其內(nèi)壓強(qiáng)為1.29X105Pa(表壓)，再求此時泵的流量。被輸送液體的性質(zhì)與水相近。某離心泵在作性能試驗(yàn)時以恒定轉(zhuǎn)速打水。當(dāng)流量為71nVh時，泵吸入口處真空表讀數(shù)2.993X104Pa,泵壓出口處壓強(qiáng)計(jì)讀數(shù)3.14X105Pa。兩測壓點(diǎn)的位差不計(jì)，泵進(jìn)、出口的管徑相同。測得此時泵的軸功率為 10.4kW,試求泵的揚(yáng)程及效率。用泵從江中取水送入一貯水池內(nèi)。池中水面高出江面 30m管路長度(包括局部阻力的當(dāng)量長度在內(nèi))為94m要求水的流量為20~40內(nèi)人。假設(shè)水溫為20C,&/d=0.001,(1)選擇適當(dāng)?shù)墓軓?/p>

(2)今有一離心泵，流量為45m3/h，揚(yáng)程為42m效率60%軸功率7kW問該泵能否使用。用一離心泵將貯水池中的冷卻水經(jīng)換熱器送到高位槽。高位槽液面比貯水池液面高出10m管路總長(包括局部阻力的當(dāng)量長度在內(nèi))為4oom管內(nèi)徑為75mm換熱器的壓頭損失為32(u2/2g)，摩擦系數(shù)取0.03，離心泵的特性參數(shù)見下表：Q(m-s—1)00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0082625.524.5232118.515.5128.5試求:(1)管路特性曲線；(2)泵的工作點(diǎn)及其相應(yīng)的流量及壓頭。假設(shè)題6改為兩個相同泵串聯(lián)操作，且管路特性不變。試求泵的工作點(diǎn)及其相應(yīng)流量及壓頭。假設(shè)題6改為兩個相同泵并聯(lián)操作，且管路特性不變。試求泵的工作點(diǎn)及其相應(yīng)流量及壓頭。，到達(dá)冷卻目的。水進(jìn)噴頭前需維持49X103Pa(，到達(dá)冷卻目的。水進(jìn)噴頭前需維持49X103Pa(表壓)。噴頭入口處較熱水池水面高6^吸入管路和排出管路的壓頭損失分別為1m和3m忽略不計(jì)。試選用適宜的離心泵。并確定泵的安裝高度。當(dāng)?shù)卮笠仓幸后w產(chǎn)品用離心泵輸送至高位槽，釜中真空度為弭騰狀態(tài)，即其飽和蒸汽壓等于釜中絕對壓強(qiáng))。氣壓強(qiáng)按101.33x、03Pa計(jì)液體產(chǎn)品用離心泵輸送至高位槽，釜中真空度為弭騰狀態(tài)，即其飽和蒸汽壓等于釜中絕對壓強(qiáng))。將某減壓精餾塔釜中6.67X1粘(其中液體處于沸泵位于地面上，吸入管總阻力■■為0.87m液柱。液體的密度為986kg/m3,該泵的允許汽蝕余量△h=4.2m，試問該泵的安裝位置是否適宜？如不適宜應(yīng)如何重新安排？15C的空氣直接由大氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)而通過內(nèi)徑為800mm勺水平管道送到爐底。爐底的表壓為10.8X103Pa?？諝廨斔土繛?0000nVh(15C，101.33X103Pa)，管長與管件、閥門的當(dāng)量長度之和為100m管壁絕對粗糙度取0.3mm欲用庫存一臺離心通風(fēng)機(jī)，其性能如下：轉(zhuǎn)速1450r/min風(fēng)壓12650Pa風(fēng)量21800m3/h試核算此風(fēng)機(jī)是否合用第四章粉碎、篩分與混合

第六章過濾與沉降

【例3-1】落球粘度計(jì)。使用光滑小球在粘性液體中的自由沉降可以測定液體的粘度?，F(xiàn)有密度為8010kg/m3、直徑0.16mm的鋼球置于密度為980kg/m3的某液體中，盛放液體的玻璃管內(nèi)徑為20mm測得小球的沉降速度為1.70mm/s，試驗(yàn)溫度為20E，試計(jì)算此時液體的粘度。測量是在距液面高度1/3的中段內(nèi)進(jìn)行的，從而免除小球初期的加速及管底對沉降的影響。當(dāng)顆粒直徑d與容器直徑D之比d/Dv0.1，雷諾數(shù)在斯托克斯定律區(qū)內(nèi)時，器壁對沉降速度的影響可用下式修正：u't1 2.104—D式中U'式中U't為顆粒的實(shí)際沉降速度;Ut為斯托克斯定律區(qū)的計(jì)算值。30.1610解：30.1610解：D210210dut u'dut u't12.104-D1.7010312.104810=1.73x10-3m/s按式3-12可得d2按式3-12可得d2sg18ut0.163210 8010 980181.73109.81=0.0567Pa?s校核顆粒雷諾數(shù)du'tRet4.70100.161031.7010du'tRet4.70100.0567上述計(jì)算有效?！纠?-2】擬采用降塵室回收常壓爐氣中所含的球形固體顆粒。降塵室底面積為1om，寬和高均為2m操作條件下，氣體的密度為0.75kg/m3，粘度為2.6x10-5Pa?s;固體的密度為3000kg/m3;降塵室的生產(chǎn)能力為3m3/s。試求：1〕理論上能完全捕集下來的最小顆粒直徑；2〕粒徑為40卩m的顆粒的回收百分率；3〕如欲完全回收直徑為10卩m的塵粒，在原降塵室內(nèi)需設(shè)置多少層水平隔板？解：1〕理論上能完全捕集下來的最小顆粒直徑 由式3-20可知，在降塵室中能夠完全被別離出來的最小顆粒的沉降速度為UtVsUtVs2bl100.3m/s由于粒徑為待求參數(shù)，沉降雷諾準(zhǔn)數(shù)Ret和判斷因子K都無法計(jì)算，故需采用試差法。假設(shè)沉降在滯流區(qū)，那么可用斯托克斯公式求最小顆粒直徑，即dmin18utdmin18ut182.61050.330009.816.91105m69.1^m核算沉降流型0.598dminUt 6.911050.30.750.5985Ret 2.610原設(shè)在滯流區(qū)沉降正確，求得的最小粒徑有效。40卩m顆粒的回收百分率假設(shè)顆粒在爐氣中的分布是均勻的，那么在氣體的停留時間內(nèi)顆粒的沉降高度與降塵室高度之比即為該尺寸顆粒被別離下來的分率。由于各種尺寸顆粒在降塵室內(nèi)的停留時間均相同，故40卩m顆粒的回收率也可用其沉降速度u't與69.1卩m顆粒的沉降速度Ut之比來確定，在斯托克斯定律區(qū)那么為回收率=u't/ut=(d'/dmin)2=(40/69.1)2=0.335即回收率為33.5%。需設(shè)置的水平隔板層數(shù)多層降塵室中需設(shè)置的水平隔板層數(shù)用式 3-20a計(jì)算。由上面計(jì)算可知，10卩m顆粒的沉降必在滯流區(qū)，可用斯托克斯公式計(jì)算沉降速度，即bH3 0.7522m/s4bh2/bH3 0.7522m/s4bh2/■髓°.082mdeu°.°82075075 1774所以Re52.610d211.s g6210106 30009.81 629103t518182.6 10m/sVs3ns11 46.69所以blut106.29103，取47層隔板間距為H 2h0.042n1 471m核算氣體在多層降塵室內(nèi)的流型：假設(shè)忽略隔板厚度所占的空間，那么氣體的流速為即氣體在降塵室的流動為滯流，設(shè)計(jì)合理?！纠?-3】某淀粉廠的氣流枯燥器每小時送出10000m帶有淀粉的熱空氣，擬采用擴(kuò)散式旋風(fēng)別離器收取其中的淀粉，要求壓強(qiáng)降不超過 1373P&氣體密度為1.0kg/m3，試選擇適宜的型號。解：已規(guī)定采用擴(kuò)散式旋風(fēng)別離器，那么其型號可由表 3-4中選出。表中所列壓強(qiáng)降是當(dāng)氣體密度為1.2kg/m3時的數(shù)值。根據(jù)式3-29，在進(jìn)口氣速相同的條件下，氣體通過旋風(fēng)別離器的壓強(qiáng)降與氣體密度成正比。 此題中熱空氣的允許壓強(qiáng)降為1373Pa那么相當(dāng)于氣體密度為1.2kg/m3時的壓強(qiáng)降應(yīng)不超過如下數(shù)值，即1.2p1373 1648Pa1.0從表3-4中查得5號擴(kuò)散式旋風(fēng)別離器〔直徑為525mm在1570Pa的壓強(qiáng)降下操作時，生產(chǎn)能力為5000kg/m3?，F(xiàn)要到達(dá)10000m3/h的生產(chǎn)能力，可采用兩臺并聯(lián)。當(dāng)然，也可以作出其它的選擇，即選用的型號與臺數(shù)不同于上面的方案。所有這些方案在滿足氣體處理量及不超過允許壓強(qiáng)降的條件下， 效率上下和費(fèi)用大小都不相同。適宜的型號只能根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)確定。【例3-4】擬在9.81x103Pa的恒定壓強(qiáng)差下過濾某懸浮液。該懸浮液由直徑為0.1mm的球形顆粒狀物質(zhì)懸浮于水中組成，過濾時形成不可壓縮濾餅，其空隙率為60%水的粘度為1.0x10_3Pa-s，過濾介質(zhì)阻力可以忽略，假設(shè)每獲得1m濾液所形成的濾餅體積為0.333m3。試求：1〕每平方米過濾面積上獲得1.5m3濾液所需的過濾時間；2〕假設(shè)將此過濾時間延長一倍，可再得濾液多少？2解：1〕求過濾時間過濾介質(zhì)阻力可以忽略的恒壓過濾方程為 qK單位面積獲得的濾液量q=1.5m3/m22p1sK—過濾常數(shù) r'v對于不可壓縮濾餅，s=0,r'=r=常數(shù)，那么2pKrv△p=9.81x103Pa，卩=1.0x10_3Pa-s，v=0.333n{/m25a21 2■3r根據(jù)式3-37知所以球形顆粒的比外表425610 1 0.60.63所以2〕那么q'd2d36，又濾餅的空隙率&=0.66d0.1104m/m31.33310101/m‘39.81103101.010 1.33310 0.333q2 1.523 509K4.42103 s過濾時間加倍時增加的濾液量2 25091018sf q' K' 4.42103 1018q2.121.50.62吊肝234.4210m/s2.12m/m2例3-5附表1序號過濾時間9，s過濾壓強(qiáng)差△p，Pa11003X10425009X104【例3-5】在0.04m2的過濾面積上，以ixio-4nVs的速率對不可壓縮的濾餅進(jìn)行過濾實(shí)驗(yàn)，測得的兩組數(shù)據(jù)列于此題附表1中。今欲在框內(nèi)尺寸為 635mm<635mm<60mm的板框過濾機(jī)內(nèi)處理同一料漿，所用濾布與實(shí)驗(yàn)時的相同。過濾開始時，以與實(shí)驗(yàn)相同的濾液流速進(jìn)行恒速過濾，至過濾壓強(qiáng)差達(dá)到6X104Pa時改為恒壓操作。每獲得1吊濾液所生成的濾餅體積為0.02m3。試求框內(nèi)充滿濾餅所需的時間解：欲求濾框充滿濾餅所需的時間可用式3-56進(jìn)行計(jì)算。為此，需先求得式中有關(guān)參數(shù)。依式3-55a，對不可壓縮濾餅進(jìn)行恒速過濾時的△p-9關(guān)系為△p=a9+b將測得的兩組數(shù)據(jù)分別代入上式：4 43X10=100a+b9X10=500a+b解得a=150b=1.5X104即△p=1509+1.5X104且過濾速度因板框過濾機(jī)所處理的懸浮液特性及所用濾布均與實(shí)驗(yàn)時相同,且過濾速度也一樣，故板框過濾機(jī)在恒速階段的△P-9關(guān)系也符合上式恒速終了時的壓強(qiáng)差△Pr=6X104Pa,故pb6104 1.5104300a 150 s由過濾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)算出的恒速階段的有關(guān)參數(shù)列于本例附表 2中例3-5附表2序號9，s△p，Pav=1x10-49，mVqA,m/m2110043X100.010.2523006X1040.030.75由式3-47a知2dVKAd2VVe將上式改寫為dV2qqe KAd應(yīng)用附表2中數(shù)據(jù)便可求得過濾常數(shù)?…- dVdK1A2q1 qe410 0.25K2A2q2 qedV1040.75K和qe,即qeq (a)qe(b)此題中正好△p2=2Api，于是，K=2Ki。聯(lián)解式a、b、c得到qe=0.25m3/m2.2210345.4102.2210345.4103上面求得的qe、K2為板框過濾機(jī)中恒速過濾終點(diǎn)，即恒壓過濾的過濾常數(shù)qRUrrqRUrr11040.043000.75nVm2A=2X0.6352=0.8065卅濾餅體積VC=0.6352X0.06=0.0242m3Vc 0.0242q—/v 1.5單位面積上的濾液體積為 A0.80650.02 用肝2將K、qe、qR及q的數(shù)值代入3-56a得(1.52-0.752)+2X0.25(1.5—0.75)=5X10-3(9-300)解得9=712.5s【例3-6】在25T下對每升水中含25g某種顆粒的懸浮液進(jìn)行了三次過濾實(shí)驗(yàn),所得數(shù)據(jù)見本例附表1。試求：1〕各Ap下的過濾常數(shù)K、qe及9e；2〕濾餅的壓縮性指數(shù)s。解：1〕求過濾常數(shù)〔以實(shí)驗(yàn)I為例〕根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理各段時間間隔的 q與相應(yīng)的q值，列于本例附表2中。在直角坐標(biāo)紙上以q為縱軸、q為橫軸，根據(jù)表中數(shù)據(jù)標(biāo)繪出q—q的階梯形函數(shù)關(guān)系，再經(jīng)各階梯水平線段中點(diǎn)作直線，見本例附圖1中的直線I。由圖上求得此直線的斜率為4.90104 2s/m又由圖上讀出此直線的截距為訓(xùn)1260s/m那么得到當(dāng)Ap=0.463X105Pa時的過濾常數(shù)為qe24.901044.08qe24.901044.08105m/s126044.90100.0257nVm22216.2sqe 16.2sK 4.08105實(shí)驗(yàn)U及川的q—q關(guān)系也標(biāo)繪于此題附圖1中例3-6附表1實(shí)驗(yàn)序號In過濾壓強(qiáng)差A(yù)pX10-5，Pa0.4631.953.39單位面積濾液量qX103，m/3m過濾時間9，s11.3517.36.54.322.7041.414.09.434.0572.024.116.245.40108.437.124.556.75152.351.834.668.10201.669.146.10000實(shí)驗(yàn)序號過濾壓強(qiáng)差pio5實(shí)驗(yàn)序號過濾壓強(qiáng)差pio5Pa「q直線的斜率is/m2-q直線的截距-qeq ks/mK qemVs ni/m2 s例3-6附表2實(shí)驗(yàn)序號3qx10m/【例3-7【例3-7】對例3-6中的懸浮液用具有26個框的BMS0/635-25板框壓濾機(jī)進(jìn)行3Aqx10m/m9sA9sqx103s/m0011.3511.3517.317.31.52422.7011.3541.424.12.123I34.0511.3572.030.62.69645.4011.35108.436.43.20756.7511.35152.343.93.86868.1011.35201.649.34.344各次實(shí)驗(yàn)條件下的過濾常數(shù)計(jì)算過程及結(jié)果列于此題附表 3中例3-6附表3I0.46344.90X1012604.08X10-漿料溫度仍為漿料溫度仍為25C。每次過濾完畢用清水洗滌濾餅，洗水溫度及表壓與濾漿相0.025716.2n1.9541.764X104031.134X10—40.02284.583.391.192X10過濾。在過濾機(jī)入口處濾漿的表壓為 過濾。在過濾機(jī)入口處濾漿的表壓為 3.39X105Pa,所用濾布與實(shí)驗(yàn)時的相同，2591.678X10—40.02172.812〕求濾餅的壓縮性指數(shù)s將附表3中三次實(shí)驗(yàn)的K-Ap數(shù)據(jù)在對數(shù)坐標(biāo)上進(jìn)行標(biāo)繪，得到此題附圖2中的I、U、川三個點(diǎn)。由此三點(diǎn)可得一條直線，在圖上測得此直線的斜率為 1—s=0.7，于是可求得濾餅的壓縮性指數(shù)為 s=1-0.7=0.3o

同而其體積為濾液體積的8%每次卸渣、清理、裝合等輔助操作時間為15min。固相密度為2930kg/m3,又測得濕餅密度為1930kg/m3。求此板框壓濾機(jī)的生產(chǎn)能力。解：過濾面積A=(0.635)2X2X26=21吊濾框總?cè)莘e=(0.635)2X0.025X26=0.262卅1用濾餅的質(zhì)量為1930kg，設(shè)其中含水xkg，水的密度按1000kg/m3考慮，那么1930x亠12930 1000解得x=518kg故知1m濾餅中的固相質(zhì)量為1930—518=1412kg生成1斥濾餅所需的濾漿質(zhì)量為100025578921412X 25 kg57892—1930=55962kg5596257892—1930=55962kg5596255.96210001m濾餅所對應(yīng)的濾液體積為由此可知，濾框全部充滿時的濾液體積為3V=55.96X0.262=14.66m那么過濾終了時的單位面積濾液量為TOC\o"1-5"\h\zV14.66q 0.69823 2A21 m/m2根據(jù)例3-6中過濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫出△p=3.39X105Pa時的恒壓過濾方程式為(q+0.0217)2=1.678X10—4(9+2.81)將q=0.6982m3/m2代入上式，得2 —4 八(0.6981+0.0217)=1.678X10(9+2.81)解得過濾時間為：9=3085s。V1dV由式3-58及式由式3-58及式3-60可知:對恒壓過濾方程式3-51a進(jìn)行微分，得dq K2(q+qe)dq=KdB，即d2(qqe)K 1.678104A 21-e2(qqeK 1.678104A 21-e2(qqe) 2(0.69820.0217)VW=0.08V=0.08X14.66=1.173m31.173W1 1917(2.447103)42.447102.44710m/sd又知9d=15X60=900s那么生產(chǎn)能力為

3600V3600V360014.668.942T WD30851917900 帚/h3600V3600V360014.668.942習(xí)題1?計(jì)算直徑為50卩m及3mn的水滴在30C常壓空氣中的自由沉降速度。試求直徑30卩m的球形石英粒子在20T水中與20T空氣中的沉降速度各為多少？石英密度ps=2600kg/m3。假設(shè)石英砂粒在20C的水和空氣中以同一速度沉降，并假定沉降處于斯托克斯區(qū)，試問此兩種介質(zhì)中沉降顆粒的直徑比例是多少？石英密度 p3s=2600kg/m。將含有球形染料微粒的水溶液于20C下靜置于量筒中1h,然后用吸液管在液面下5cm處吸取少量試樣。染料密度為3000kg/m3，問可能存在于試樣中的最大顆粒為多少卩m?5?氣流中懸浮密度4000kg/m3的球形微粒，需除掉的最小微粒直徑為10卩m,沉降處于斯托克斯區(qū)。今用一多層隔板降塵室以別離此氣體懸浮物。降塵室長10m寬5m共21層，每層高100mm氣體密度為1.1kg/m3，粘度為0.0218mPas。問1〕 為保證10卩m微粒的沉降，可允許最大氣流速度為多少？2〕 降塵室的最大生產(chǎn)能力〔m/h〕為多少？3〕 假設(shè)取消室內(nèi)隔板，又保證10卩m微粒的沉降，其最大生產(chǎn)能力為多少？試求密度為2000kg/m3的球形粒子在15C空氣中自由沉降時服從斯托克斯定律的最大粒徑及服從牛頓定律的最小粒徑。使用圖3-9所示標(biāo)準(zhǔn)式旋風(fēng)別離器收集流化床鍛燒器出口的碳酸鉀粉塵，在旋風(fēng)別離器入口處，空氣的溫度為 200r，流量為3800m/h〔200C〕。粉塵密度為2290kg/m3，旋風(fēng)別離器直徑D為650mm求此設(shè)備能別離粉塵的臨界直徑dc。速溶咖啡粉的直徑為60卩m,密度為1050kg/m3，由500E的熱空氣帶入旋風(fēng)別離器中，進(jìn)入時的切線速度為20m/s。在器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)半徑為0.5m。求其徑向沉降速度。又假設(shè)在靜止空氣中沉降時，其沉降速度應(yīng)為多少？某淀粉廠的氣流枯燥器每小時送出10000m帶有淀粉顆粒的氣流。氣流溫度為80E，此時熱空氣的密度為1.0kg/m3,粘度為0.02mPa?s。顆粒密度為1500kg/m3。采用圖3-9所示標(biāo)準(zhǔn)型旋風(fēng)別離器，器身直徑D=1000mm試估算理論上可別離的最小直徑，及設(shè)備的流體阻力。某板框壓濾機(jī)恒壓過濾仆，共送出濾液11m，停止過濾后用3m清水〔其粘度與濾液相同〕在同樣壓力下進(jìn)行濾餅的橫穿洗滌。設(shè)忽略濾布阻力，求洗滌時間。板框過濾機(jī)的過濾面積為0.4m2，在表壓150kPa恒壓下，過濾某種懸浮液。4h后得濾液80m。過濾介質(zhì)阻力忽略不計(jì)。試求：1〕 當(dāng)其它情況不變，過濾面積加倍，可得濾液多少？2〕 當(dāng)其它情況不變，操作時間縮短為2h，可得濾液多少？

3〕 假設(shè)過濾4h后，再用5mi性質(zhì)與濾液相近的水洗滌濾餅，問需多少洗滌時間？4〕 當(dāng)表壓加倍，濾餅壓縮指數(shù)為0.3時，4h后可得濾液多少？12?以總過濾面積為0.1m2，濾框厚25mm的板框壓濾機(jī)過濾20C下的CaCO懸浮液。懸浮液含CaCO質(zhì)量分率為13.9%,濾餅中含水的質(zhì)量分率為50%純CaCO密度為2710kg/m3。假設(shè)恒壓下測得其過濾常數(shù)K=1.57X10一5nVs，qe=0.00378m3/m2。試求該板框壓濾機(jī)每次過濾〔濾餅充滿濾框〕所需的時間。13.有一葉濾機(jī)，自始至終在恒壓下過濾某種懸浮液時， 得出過濾方程式為：q2+20q=2509式中q L/m2;9 min。在實(shí)際操作中，先用5min作恒速過濾，此時壓強(qiáng)由零升至上述試驗(yàn)壓強(qiáng)，以后維持此壓強(qiáng)不變進(jìn)行恒壓過濾，全部過濾時間為 20min。試求：1〕 每一循環(huán)中每平方米過濾面積可得濾液量；2〕 過濾后用濾液總量1/5的水進(jìn)行濾餅洗滌，問洗滌時間為多少？第七章傳熱與蒸發(fā)【例4-1】某平壁厚度b=0.37m,內(nèi)外表溫度t1=1650C，外外表溫度12=300C，平壁材料導(dǎo)熱系數(shù)入=0.815+0.000761，W/〔m?C〕。假設(shè)將導(dǎo)熱系數(shù)分別按常量〔取平均導(dǎo)熱系數(shù)〕和變量計(jì)算，試求平壁的溫度分布關(guān)系式和導(dǎo)熱熱通量。解：〔1〕導(dǎo)熱系數(shù)按常量計(jì)算t平壁的平均溫度平壁材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)mt平壁的平均溫度平壁材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)m0.815 0.00076975導(dǎo)熱熱通量為：丄丄1.556“uc

t1t2 1650b 0.37設(shè)壁厚x處的溫度為1?1?556w/(m「C)300 5677 2w/mt，那么由式4-6可得t1t

xtt1qxt1t

xtt1qx56771650 x1650 3649x1.556故上式即為平壁的溫度分布關(guān)系式，表示平壁距離系?！?〕x和等溫外表的溫度呈直線關(guān)導(dǎo)熱系數(shù)按變量計(jì)算，由式4-5得-JX -JX一0at— 0.8150.0076tdx dxdtdX或-qdx=(0.815+0.00761)dt積分bqodxqb0.815t2ti0.000762—r—積分bqodxqb0.815t2ti0.000762—r—乜T(a)0.8150.37165030000076165022 0.3730025677 2W/mt20.815 0.00076tdtti當(dāng)b=x時，t2=t，代入式〔a〕,可得0.000762 25677x 0.815t 1650 t16502整理上式得0.00076216500.00076216502t2 t 5677x 0.81516500.00076 0.000766 7解得t1072 7.4110 1.4910x上式即為當(dāng)入隨t呈線性變化時單層平壁的溫度分布關(guān)系式，此時溫度分布為曲線。計(jì)算結(jié)果說明，將導(dǎo)熱系數(shù)按常量或變量計(jì)算時，所得的導(dǎo)熱通量是相同的，而溫度分布那么不同，前者為直線，后者為曲線?！纠?-2】某平壁燃燒爐是由一層耐火磚與一層普通磚砌成，兩層的厚度均為100mm其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.9W/〔m「C〕及0.7W/〔m「C〕。待操作穩(wěn)定后,測得爐膛的內(nèi)外表溫度為700C，外外表溫度為130C。為了減少燃燒爐的熱損失，在普通磚外外表增加一層厚度為40mm導(dǎo)熱系數(shù)為0.06W/〔m-C〕的保溫材料。操作穩(wěn)定后，又測得爐內(nèi)外表溫度為740C，外外表溫度為90C。設(shè)兩層磚的導(dǎo)熱系數(shù)不變，試計(jì)算加保溫層后爐壁的熱損失比原來的減少百分之幾？QTOC\o"1-5"\h\z解：加保溫層前單位面積爐壁的熱損失為 S1此時為雙層平壁的熱傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱速率方程為：Qt1 t3 700 130 2244S 1b1 b2 0.1 0.11 2 °.90.7 W/rnQ加保溫層后單位面積爐壁的熱損失為§2此時為三層平壁的熱傳導(dǎo)，其導(dǎo)熱速率方程為:7409001__0.1__0.040.9 0.7 0.062706W/mQ t7409001__0.1__0.040.9 0.7 0.062706W/mS2bL bg1 2 3故加保溫層后熱損失比原來減少的百分?jǐn)?shù)為:QQSQQS1S2

Qs1100% 706 100% 68.5%2244【例4-3】在外徑為140mm的蒸氣管道外包扎保溫材料，以減少熱損失。蒸氣0.143W/(m-C)r處的溫度為t，代入式(4-15)可qv4d2n0.81m/s0.143W/(m-C)r處的溫度為t，代入式(4-15)可qv4d2n0.81m/sRediU0.020.818600.451030960Prcp3 31.8103 0.451030.145.79以上計(jì)算說明此題的流動情況符合式4-32的實(shí)驗(yàn)條件，故0.8 0.40.023 RePrdi0.140.020.80.4管外壁溫度為390C,保溫層外外表溫度不大于40C。保溫材料的入與t的關(guān)系為入=0.1+0.0002t(t的單位為C,入的單位為W/(m「C))。假設(shè)要求每米管長的熱損失Q/L不大于450W/m試求保溫層的厚度以及保溫層中溫度分布。解：此題為圓筒壁熱傳導(dǎo)問題，：r2=0.07m12=390C13=40C先求保溫層在平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)，即390400.10.00022(1)保溫層溫度將式(4-15)改寫為.r3450rIn0.07解上式并整理得t=—501lnr—942450rIn0.07解上式并整理得t=—501lnr—942計(jì)算結(jié)果說明，即使導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，圓筒壁內(nèi)的溫度分布也不是直線而是曲線【例4-4】有一列管式換熱器，由38根?25mm<2.5mm的無縫鋼管組成。苯在管內(nèi)流動，由20C被加熱至80C，苯的流量為8.32kg/s。外殼中通入水蒸氣進(jìn)行加熱。試求管壁對苯的傳熱系數(shù)。當(dāng)苯的流量提高一倍，傳熱系數(shù)有何變化。tm-2080 50解：苯在平均溫度 2 C下的物性可由附錄查得：In「2 Q/L2 0.143390 40Inr3 In0.07450得「3=0.141m故保溫層厚度為b=Q—r2=0.141—0.07=0.071m=71mm(2)保溫層中溫度分布設(shè)保溫層半徑得2 0.143390t1272w/(m「C)假設(shè)忽略定性溫度的變化，當(dāng)苯的流量增加一倍時，給熱系數(shù)為U127220.8 2215 2u W/〔ml「C〕【例4-5】在預(yù)熱器內(nèi)將壓強(qiáng)為101.3kPa的空氣從10C加熱到50C。預(yù)熱器由一束長度為1.5m，直徑為?86x1.5mm的錯列直立鋼管所組成?？諝庠诠芡獯怪绷鬟^，沿流動方向共有15行，每行有管子20列，行間與列間管子的中心距為110mm空氣通過管間最狹處的流速為8m/s。管內(nèi)有飽和蒸氣冷凝。試求管壁對空氣的平均對流傳熱系數(shù)。解：1空氣的定性溫度=2(10+50)=30C查得空氣在30C時的物性如下：卩=1.86x10-5Pa-sp=1.165kg/m3入=2.67x10-2W/(m-C)Cp=1kJ/(kg?C)Re所以CpPr pdu 0.08681.1655 431001.861011031.861052 0.72.6710空氣流過10排錯列管束的平均對流傳熱系數(shù)為:0.6 0.330.33RePr0.33 43100 0.7d0 0.086=55W/(m?C)空氣流過15排管束時，由表(4-3)查得系數(shù)為1.02，那么a=1.02a'=1.02x55=56W/(mbC)【例4-6】熱空氣在冷卻管管外流過，a2=90W/〔nbC〕，冷卻水在管內(nèi)流過，a1=1000W/mi-C〕。冷卻管外徑do=16mm壁厚b=1.5mm管壁的入=40W/m?C〕。試求：總傳熱系數(shù)Ko；管外對流傳熱系數(shù)a2增加一倍，總傳熱系數(shù)有何變化?管內(nèi)對流傳熱系數(shù)a1增加一倍，總傳熱系數(shù)有何變化?解：①由式4-70可知11 d。 bdo11di dm 211160.00151611000134014.5901w//m?C)可見管壁熱阻很小，通?？梢院雎圆挥?jì)Ko0.00123290147.4W/m2Ko0.00123290傳熱系數(shù)增加了82.4%.Ko③116Ko③11621000130.01111285.3W/m傳熱系數(shù)只增加了6%說明要提高K值，應(yīng)提高較小的a2值NTU及1NTU(4-91a)【例4-7】有一碳鋼制造的套管換熱器，內(nèi)管直徑為 ?89mrn<3.5mm流量為2000kg/h的苯在內(nèi)管中從80C冷卻到50C。冷卻水在環(huán)隙從15C升到35C。苯的對流傳熱系數(shù)ah=230W/(m?K),水的對流傳熱系數(shù)ac=290W/(m?K)忽略污垢熱阻。試求：①冷卻水消耗量；②并流和逆流操作時所需傳熱面積；③如果逆流操作時所采用的傳熱面積與并流時的相同， 計(jì)算冷卻水出口溫度與消耗量，假設(shè)總傳熱系數(shù)隨溫度的變化忽略不計(jì)。8050T 65 3解①苯的平均溫度2C,比熱容cph=1.86<103J//kg?K)苯的流量W=2000kg/h，水的平均溫度t103J//kg?苯的流量W=2000kg/h，水的平均溫度t103J//kg?K)。熱量衡算式為QWhCph(TT2)WcCpc(t2t1)(忽略熱損失)103(8050) 3.11535225°C，比熱容Cpc=4.178<104W36003.1104_QCpc(t2t1)4.178103(3515)S為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)為K，碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù) =45W/(m-K)di 1 0.00350.082 0.082cdo 230 450.0855 2900.089.-5 —3Wc冷卻水消耗量②以內(nèi)外表積1 1bdiKi h dm=4.35<10_3+7.46<10_5+3.18<101335kg/h=7.54<10—3m?K/WK=133W/(m?K),此題管壁熱阻與其它傳熱阻力相比很小，可忽略不計(jì)tm并6515并流操作80501534.2CS并 Qtm并6515并流操作80501534.2CS并 Q傳熱面積 Ki3.110413334.22m逆流操作8050tm逆4535240Cc Q3.1104Si逆5.83傳熱面積'Kitm逆133402mS并tm逆1.17因tm并tm逆，故S并S逆。S逆tm并Q3.1104…tm34.2③逆流操作S=6.81m2,KiS1336.818050tmt'35234.2t'33.4C,設(shè)冷卻水出口溫度為8050tmt'35234.2t'33.4C,W=冷卻水消耗量846kg/h逆流操作比并流操作可節(jié)省冷卻水:W=冷卻水消耗量846kg/h逆流操作比并流操作可節(jié)省冷卻水:1335846133536.6%t'2=80—33.4=46.6C水的平均溫度t'=(15+46.6)/2=30.8C,c'pc=4.174X10J(kg?C)Q 3.11043600c'pc(t'2t1) 4.174103(46.615)假設(shè)使逆流與并流操作時的傳熱面積相同， 那么逆流時冷卻水出口溫度由原來的35C變?yōu)?6.6C,在熱負(fù)荷相同條件下，冷卻水消耗量減少了 36.6%?！纠?-8】有一臺運(yùn)轉(zhuǎn)中的單程逆流列管式換熱器，熱空氣在管程由120C降至80C,其對流傳熱系數(shù)a1=50W/(m?K)。殼程的冷卻水從15C升至90C，其對流傳熱系數(shù)a2=2000W/(吊?K,管壁熱阻及污垢熱阻皆可不計(jì)。當(dāng)冷卻水量增加一倍時，試求①水和空氣的出口溫度t'2和丁2,忽略流體物性參數(shù)隨溫度的變化；②傳熱速率Q'比原來增加了多少?K1111111 2 502000248.8W/(mK)tm(「t2)(T2t1)InT1T2t2t1解：①水量增加前T1=120C,T2=80C,t1=15248.8W/(mK)tm(「t2)(T2t1)InT1T2t2t145.3C(12090)(8015)45.3C12090

In8015QWCph(TT2)W=Cpc(t2tjKStm40WhCph 75WcCpc水量增加后 '248.845.3S0.82 40WhCph 75WcCpc水量增加后 '248.845.3S0.82 2K'(a)110.81 2 211 1—50 20.820002t'm(「t'2) (「2tjlnT1t'2T'2t1(120t'2)(「215)

ln^T'215WhCph(120T'2)2WcCpc(t'215) 49.3S120_T215ln^T'215(b)4075120T'WhCph(120T'2)2WcCpc(t'215) 49.3S120_T215ln^T'215(b)4075120T'2402(t'215)或48.8t'21575(1208045.3120「249.3120「2(t'215)ln空t'2

T'215(d)「2)(C)120t'2

ln 式(c)代入式(d),得由式(c)與(e)得t'2=61.9CT'2=69.9C「T'2 12069.9T'215 0-0558120InT'215Q'②QT,T2 120 80t'21.057(e)1.25即傳熱速率增加了25%【例4-9】在一傳熱面積為15.8m?紅磚平壁墻，厚度為500mm一側(cè)溫度為200C，另一側(cè)為30C。設(shè)紅磚的平均導(dǎo)熱系數(shù)取0.57W/(m-C)，試求：單位時間、單位面積導(dǎo)過的熱量；距離高溫側(cè)350mm處的溫度。的逆流套管換熱器中，用油加熱冷水。油的流量為2.85kg/s，進(jìn)口溫度為110C；?紅磚平壁墻，厚度為500mm一側(cè)溫度為200C，另一側(cè)為30C。設(shè)紅磚的平均導(dǎo)熱系數(shù)取0.57W/(m-C)，試求：單位時間、單位面積導(dǎo)過的熱量；距離高溫側(cè)350mm處的溫度。解：此題用NTU法計(jì)算。WCph=2.85X1900=5415WCWCpc=0.667X4180=2788WC故水(冷流體)為最小熱容量流體。TOC\o"1-5"\h\zCmin 2788一 0.515Cmax 5415KS32015.8(NTU)min 1.8Cmin2788查圖4-27得&=0.73。因冷流體為最小熱容量流率流體，故由傳熱效率定義式得七2七21T1t10.73解得水的出口溫度為12=0.73(110-35)+35=89.8C解得水的出口溫度為換熱器的傳熱量為QW=Cpc(t2t1) 0.6674180(89.835) 152.8kW2?用平板法測定材料的導(dǎo)熱系數(shù)。平板狀材料的一側(cè)用電熱器加熱，另一側(cè)用冷卻水通過夾層將熱量移走。所加熱量由加至電熱器的電壓和電流算出， 平板兩側(cè)的外表溫度用熱電偶測得(見附表)。材料的導(dǎo)熱面積為 0.02m2，其厚度為0.01m，測得的數(shù)據(jù)如下，試求：材料的平均導(dǎo)熱系數(shù)-；設(shè)該材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 0(1a't)，試求0和a'。電熱器材料外表溫度/C電壓N電流/A高溫側(cè)低溫側(cè)1402.83001001142.2820050某燃燒爐的平壁由以下三種磚依次徹成；耐火磚：導(dǎo)熱系數(shù)1=1.05W/(m「C)；厚度b=0.23m；絕熱磚：導(dǎo)熱系數(shù)2=0.151W/(m-C)每塊厚度b2=0.23m；普通磚：導(dǎo)熱系數(shù)3=0.93W/(m-C)每塊厚度b3=0.24m；假設(shè)耐火磚內(nèi)側(cè)溫度為1000C，耐火磚與絕熱磚接觸處溫度為940C，而絕熱磚與普通磚接觸處的溫度不得超過138C，試問：絕熱層需幾塊絕熱磚？此時普通磚外側(cè)溫度為多少？?60X3鋁合金管(導(dǎo)熱系數(shù)按鋼管選取)，外包一層厚 30mm石棉后，又包一層30mn軟木。石棉和軟木的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.16W/(m-C)和0.04W/(m-C)。又管內(nèi)壁溫度為—110C，軟木外側(cè)溫度為10C，求每米管長所損失的冷量。假設(shè)將兩保溫材料互換，互換后假設(shè)石棉外側(cè)的溫度仍為 10C不變，那么此時每米管長上損失的冷量為多少？空心球內(nèi)半徑為r1、溫度為ti，外半徑為r。、溫度為to,且ti>to，球壁的導(dǎo)熱系數(shù)為入。試推導(dǎo)空心球壁的導(dǎo)熱關(guān)系式。6?在長為3m內(nèi)徑為53mn的管內(nèi)加熱苯溶液。苯的質(zhì)量流速為172kg/(s吊)。苯在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)如下：49105Pa-S; 0.14w/m-K；c1.8kJ//kg?C)。試求苯對管壁的對流傳熱系數(shù)。7.有一套管換熱器，內(nèi)管為?25X1mm外管為?38X1.5mm冷水在環(huán)隙內(nèi)流過，用以冷卻內(nèi)管中的高溫氣體，水的流速為0.3m/s，水的入口溫度為20C，出口溫度為40C。試求環(huán)隙內(nèi)水的對流傳熱系數(shù)。8?某無相變的流體，通過內(nèi)徑為50mm勺圓形直管時的對流傳熱系數(shù)為120W//m「C)，流體的Re=2X104。假設(shè)改用周長與圓管相等，高與寬之比等于 1:2的矩形管，而流體的流速增加0.5倍，試問對流傳熱系數(shù)有何變化？9.某廠用冷水冷卻柴油。冷卻器為?14X8鋼管組成的排管，水平浸于一很大的冷水槽中，冷水由槽下部進(jìn)入，上部溢出，通過槽的流速很小。設(shè)冷水的平均溫度為42.5C,鋼管外壁溫度為56C，試求冷水的對流傳熱系數(shù)。10．室內(nèi)有二根外表溫度相同的蒸氣管，由于自然對流兩管都向周圍空氣散

失熱量。大管的直徑為小管直徑的 10倍，小管的(Gr?Pr)=108。試問兩水平管單位時間、單位面積的熱損失的比值為多少？飽和溫度為100C的水蒸氣在長3m外徑為0.03m的單根黃銅管外表上冷凝。銅管堅(jiān)直放置，管外壁的溫度維持 96C，試求每小時冷凝的蒸氣量。又假設(shè)將管子水平放，冷凝的蒸氣量又為多少？求直徑d=70mm長L=3m的鋼管(其外表溫度ti=227°C)的輻射熱損失。假定此管被置于：(a)很大的紅磚里，磚壁溫度12=27C；(b)截面為0.3x20.3m的磚槽里，12=27C，兩端面的輻射損失可以忽略不計(jì)。用175C的油將300kg/h的水由25C加熱至90C，油的比熱容為2.61kJ/(kg?C)，其流量為360kg/h，今有以下兩個換熱器，傳熱面積為0.8m2。換熱器1:K=625W/(m?C)，單殼程雙管程。換熱器2:&=500W/(m?C)，單殼程單管程。為滿足所需的傳熱量應(yīng)選用那一個換熱器。在一套管換熱器中，用冷卻水將1.25kg/s的苯由350K冷卻至300K,冷卻水在?25X2.5的管內(nèi)中流動，其進(jìn)出口溫度分別為290K和320&水和苯的對流傳熱系數(shù)分別為0.85kW/(m「C)和1.7kW/(ntC)，又兩側(cè)污垢熱阻忽略不計(jì)，試求所需的管長和冷卻水消耗量。在一列管換熱器中，用初溫為30C的原油將重油由180C冷卻到120C，重油和原油的流量分別為1X104(kg/h)和1.4x104(kg/h)。比熱容分別2為0.52(kcal/kg?C)和0.46(kcal/kg-C)，傳熱系數(shù)K=100(kcal/m?h?C)試分別計(jì)算并流和逆流時換熱器所需的傳熱面積。在并流換熱器中，用水冷卻油。水的進(jìn)出口溫度分別為 15C和40C,油的進(jìn)出口溫度分別為 150C和100C?，F(xiàn)因生產(chǎn)任務(wù)要求油的出口溫度降至80C,設(shè)油和水的流量、進(jìn)口溫度及物性均不變，假設(shè)原換熱器的管長為 1m試求將此換熱器的管長增至多少米才能滿足要求？設(shè)換熱器的熱損失可忽略?！獋鳠崦娣e為15m的列管換熱器，殼程用110C飽和水蒸汽將管程某溶液由20C加熱至80C，溶液的處理量為2.5x104kg/h，比熱容為4kJ/(kg?C)，試求此操作條件下的總傳熱系數(shù)。又該換熱器使用一年后，由于污垢熱阻增加，溶液出口溫度降至72C，假設(shè)要出口溫度仍為80C，加熱蒸汽溫度至少要多高？用20.26kPa(表壓)的飽和水蒸汽將20C的水預(yù)熱至80C，水在列管換熱器管程以0.6m/s的流速流過，管子的尺寸為?25X2.5。水蒸氣冷凝的對流傳熱系數(shù)為104W/(m「C)，水側(cè)污垢熱阻為6X10「4(ntC)/W,蒸汽側(cè)污垢熱阻和管壁熱阻可忽略不計(jì)，試求：此換熱器的總傳熱系數(shù)；設(shè)備操作一年后，由于水垢積累，換熱能力下降，出口溫度只能升至70C,試求此時的總傳熱系數(shù)及水側(cè)的污垢熱阻。今欲于以下?lián)Q熱器中，將某種溶液從 20C加熱到50C。加熱劑進(jìn)口溫度為100C，出口溫度為60C。試求各種情況下的平均溫度差。(1)單殼程，雙管程(2)雙殼程，四管程有一單殼程雙管程列管換熱器，管外用120°C飽和蒸氣加熱，干空氣以12m/s的流速在管內(nèi)流過，管徑為?38x2.5mm總管數(shù)為200根，總傳熱系數(shù)為150W/〔m「C〕，空氣進(jìn)口溫度為26C，要求空氣出口溫度為86C,試求：〔1〕 該換熱器的管長應(yīng)多少？〔2〕假設(shè)氣體處理量、進(jìn)口溫度、管長均保持不變，而將管徑增大為 ?54X2mm總管數(shù)減少20%此時的出口溫度為多少？〔不計(jì)出口溫度變化對物性的影響，忽略熱損失〕。第八章蒸餾【例5-1】苯〔A〕與甲苯〔B〕的飽和蒸氣壓和溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)如此題附表1所示。試?yán)美瓰鯛柖珊拖鄬]發(fā)度，分別計(jì)算苯一甲苯混合液在總壓 P為101.33kPa下的氣液平衡數(shù)據(jù)，并作出溫度一組成圖。該溶液可視為理想溶液。例5-1附表1溫度，c80.1859095100105110.6Pa°，kPa101.33116.9135.5155.7179.2204.2240.0Pb°，kPa40.046.054.063.374.386.0101.33解：〔1〕利用拉烏爾定律計(jì)算氣液平衡數(shù)據(jù)，在某一溫度下由此題附表 1可查得該溫度下純組分苯與甲苯的飽和蒸氣壓Pa與Pb，由于總壓P為定值，即P=101.33kPa，那么應(yīng)用式5-4求液相組成x，再應(yīng)用式5-5a求平衡的氣相組成y，即可得到一組標(biāo)繪平衡溫度一組成〔t-x-y〕圖的數(shù)據(jù)。以t=95C為例，計(jì)算過程如下：xP pBPa Pb101.3363.30.412155.763.3Pay x和 P155.70.412 0.633101.33其它溫度下的計(jì)算結(jié)果列于此題附表2中例5-1附表2t，c80.1859095100105110.6x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.9000.7770.6330.4560.2620根據(jù)以上數(shù)據(jù)，即可標(biāo)繪得到如圖 5-1所示的t-x-y圖。〔2〕利用相對揮發(fā)度計(jì)算氣液平衡數(shù)據(jù) 因苯一甲苯混合液為理想溶液，故其相對揮發(fā)度可用式5-12計(jì)算，即PaPb以95C為例，那么155.7a 2.4663.3其它溫度下的a值列于此題附表3中。通常，在利用相對揮發(fā)度法求x-y關(guān)系時，可取溫度范圍內(nèi)的平均相對揮發(fā)度，在此題條件下，附表3中兩端溫度下的a數(shù)據(jù)應(yīng)除外〔因?qū)?yīng)的是純組分，即為x-y曲線上兩端點(diǎn)〕，因此可取溫度為85C和105C下的a平均值，即amTOC\o"1-5"\h\z2?54彳37 2.46am2將平均相對揮發(fā)度代入式5-13中，即ax 2.46x1 1x1 1.46x并按附表2中的各x值，由上式即可算出氣相平衡組成y，計(jì)算結(jié)果也列于附表3中。比擬此題附表2和附表3,可以看出兩種方法求得的x-y數(shù)據(jù)根本一致。對兩組分溶液，利用平均相對揮發(fā)度表示氣液平衡關(guān)系比擬簡單。例5-1附表3t，C80.1859095100105110.6a2.542.512.462.412.37x1.0000.7800.5810.4120.2580.1300y1.0000.8970.7730.6330.4610.2690【例5-2】對某兩組分理想溶液進(jìn)行簡單蒸餾， xf=0.5〔摩爾分率〕，假設(shè)汽化率為60%試求釜?dú)堃航M成和餾出液平均組成。常壓下該混合液的平均相對揮發(fā)度為2.16。解：設(shè)原料液量為100kmol,那么D=100X0.6=60kmolW=F-D=100-60=40kmol因該混合液平均相對揮發(fā)度為a=2.16，那么可用式1-25求釜?dú)堃航M成X2，即,F1.X1,1X2In-InInW1 x21x10010.51 x2In0.916In2.16In或402.161 x21 0.5試差解得X2?0.328餾出液平均組成可由式1-27求得，即60y 1000.5400.328所以y0-614計(jì)算結(jié)果說明，假設(shè)汽化率相同，簡單蒸餾較平衡蒸餾可獲得更好的別離效果,

即餾出液組成更高。但是平衡蒸餾的優(yōu)點(diǎn)是連續(xù)操作0.0235【例5-3】每小時將15000kg含苯40%(質(zhì)量%下同)和甲苯60%勺溶液，在連續(xù)精餾塔中進(jìn)行別離，要求釜?dú)堃褐泻讲桓哂?%塔頂餾出液中苯的回收率為97.1%。試求餾出液和釜?dú)堃旱牧髁考敖M成，以摩爾流量和摩爾分率表示。0.023540/78進(jìn)料組成XF 0.4440/78 60/92解：苯的分子量為78;甲苯的分子量為92釜?dú)堃航M成2/782/78 98/92原料液的平均分子量M=0.44X78+0.56X92=85.8原料液流量F=15000/85.8=175.0kmol/hTOC\o"1-5"\h\z依題意知Dx=Fxf=0.971 (a)所以Dxd=0.971X175X0.44 (b)全塔物料衡算D+W=F175Dx+Wx=Fxf或Dx+0.0235W=175X0.44 (c)聯(lián)立式a,b,c,解得D=80.0kmol/hV=95.0kmol/hxd=0.935【例5-4】別離例5-3中的溶液時，假設(shè)進(jìn)料為飽和液體，選用的回流比 R=2.0,試求提餾段操作線方程式，并說明操作線的斜率和截距的數(shù)值。解：由例5-3知Xw=0.0235V=95kmol/hF=175kmol/hD=80kmol/h而L=RD=2.0X80=160kmol/h因泡點(diǎn)進(jìn)料，故IvIvIfIvIl將以上數(shù)值代入式5-41，即可求得提餾段操作線方程式0.02351601175x 950.0235ym1 Xm16017595 16017595或ym11.4Xm0.0093該操作線的斜率為1.4，在y軸上的截距為—0.0093。由計(jì)算結(jié)果可看出，此題提餾段操作線的截距值是很小的，一般情況下也是如此。【例5-5】用一常壓操作的連續(xù)精餾塔，別離含苯為0.44(摩爾分率，以下同)的苯一甲苯混合液，要求塔頂產(chǎn)品中含苯不低于 0.975，塔底產(chǎn)品中含苯不高于0.0235。操作回流比為3.5。試用圖解法求以下兩種進(jìn)料情況時的理論板層數(shù)及加料板位置。(1)原料液為20r的冷液體。(2)原料為液化率等于1/3的氣液混合物。數(shù)據(jù)如下：操作條件下苯的汽化熱為 389kJ/kg;甲苯的汽化熱為

360kJ/kg。苯一甲苯混合液的氣液平衡數(shù)據(jù)及t-x-y圖見例5-1和圖5-1解：〔1〕溫度為20C的冷液進(jìn)料①利用平衡數(shù)據(jù)，在直角坐標(biāo)圖上繪平衡曲線及對角線，如本例附圖1所示XD②精餾段操作線截距=亍精餾段操作線。0.9753.510.217,在y軸上定出點(diǎn)bo連ab,即得到在圖上定出點(diǎn)a〔Xd，Xd〕、點(diǎn)e〔XXD②精餾段操作線截距=亍精餾段操作線。0.9753.510.217,在y軸上定出點(diǎn)bo連ab,即得到先按下法計(jì)算q值。原料液的汽化熱為rm0.44389780.5636092 31900kJ/kmol由圖1-1查出進(jìn)料組成Xf=0.44時溶液的泡點(diǎn)為93C,平均溫度竺竺565=2 …Co由附錄查得在56.5C下苯和甲苯的比熱容為1.84kJ/〔kg-°C〕，故原料液的平均比熱容為Cp 1.84780.441.849256158kJ/(mol-C)Cptr158932031900q 1.362所以r31900q1.3623.76q11.362 1再從點(diǎn)e作斜率為3.76的直線，即得q線。q線與精餾段操作線交于點(diǎn)do連cd,即為提餾段操作線。自點(diǎn)a開始在操作線和平衡線之間繪梯級，圖解得理論板層數(shù)為11〔包括再沸器〕，自塔頂往下數(shù)第五層為加料板，如此題附圖 1所示。〔2〕氣液混合物進(jìn)料①與上述的①項(xiàng)相同；②與上述的②項(xiàng)相同；①和②兩項(xiàng)的結(jié)果如此題附圖2所示。由q值定義知，q=1/3，故q1/3q1/3q線斜率=q11/310.5過點(diǎn)e作斜率為-0.5的直線，即得q線。g線與精餾段操作線交于點(diǎn)d連cd,即為提餾段操作線。按上法圖解得理論板層數(shù)為13〔包括再沸器〕，自塔頂往下的第7層為加料板，如附圖2所示由計(jì)算結(jié)果可知，對一定的別離任務(wù)和要求，假設(shè)進(jìn)料熱狀況不同，所需的理論板層數(shù)和加料板的位置均不相同。冷液進(jìn)料較氣液混合進(jìn)料所需的理論板層數(shù)為少。這是因?yàn)榫s段和提餾段內(nèi)循環(huán)量增大的緣故，使別離程度增高或理論板數(shù)減少?！纠?-6】別離正庚烷與正辛烷的混合液〔正庚烷為易揮發(fā)組分〕。要求餾出液組成為0.95〔摩爾分?jǐn)?shù)，下同〕,釜液組成不高于0.02o原料液組成為0.45泡點(diǎn)進(jìn)料。汽液平衡數(shù)據(jù)列于附表中。求

〔1〕 全回流時最少理論板數(shù)；〔2〕 最小回流比及操作回流比〔取為1.5Rmn〕例5-6汽液平衡數(shù)據(jù)XyXy1.01.00.3110.4910.6560.810.1570.2800.4870.6730.0000.000解〔1〕全回流時操作線方程為yn+1=Xn在y-x圖上為對角線。自a點(diǎn)〔Xd、Xd〕開始在平衡線與對角線間作直角梯級，直至 xw=0.02，得最少理論板數(shù)為9塊。不包括再沸器時Nk=9—仁8?！?〕進(jìn)料為泡點(diǎn)下的飽和液體，故q線為過e點(diǎn)的垂直線ef。由xf=0.45作垂直線交對角線上得e點(diǎn)，過e點(diǎn)作q線。由y-x圖讀得Xq=XF=0.45，yq=0.64Xdyq0.950.64 ,63I.63根據(jù)式〔6-41〕Rnin=yqXq0.64045R=1.5FU=1.5X1.63=2.45【例5-7】乙醇水系統(tǒng)當(dāng)摩爾分?jǐn)?shù)Xf=0.3時，要求摩爾分?jǐn)?shù)Xd=0.8，泡點(diǎn)進(jìn)料。

最小回流比為多少？乙醇水系統(tǒng)的平衡數(shù)據(jù)列于下表，y-x圖如例5-7附圖所示。解：乙醇水系統(tǒng)的平衡曲線有下凹局部，求最小回流比自 a點(diǎn)〔Xd、Xd〕作平衡線的切線ag并延長與y軸相交于c點(diǎn)。截距XdXdRmin 10.385RminxRminxD0.3850.3850.8 0.3851.080.385假設(shè)依正常平衡曲線求假設(shè)依正常平衡曲線求FU,聯(lián)結(jié)ad，d點(diǎn)所對應(yīng)之平衡組成為Xq=XF=0.3yq=0.575根據(jù)式〔5-46〕Xdyq 0.80.575yqxq 0.5750.3當(dāng)最小回流比Rnn為1.08，比0.818還大時，已出現(xiàn)恒濃區(qū)，需要無窮多塊

塔板才能到達(dá)g點(diǎn)。所以對具有下凹局部平衡曲線的物系求 FU時，不能以平衡數(shù)據(jù)〔yq、xq〕代入式5-46求取。例5-7的汽液平衡數(shù)據(jù)液相中乙醇的摩 汽相中乙醇的摩 液相中乙醇的摩 汽相中乙醇的摩爾分?jǐn)?shù)爾分?jǐn)?shù)爾分?jǐn)?shù)爾分?jǐn)?shù)0.00.00.250.5510.010.110.300.5750.020.1750.40.6140.040.2730.50.6570.060.340.60.6980.080.3920.70.7550.10.430.80.820.140.4820.8940.8940.180.5130.950.9420.20.5251.01.0塔頂塔釜進(jìn)料正庚烷101.325KPa205.3KPa145.7KPa正辛烷44.4KPa101.325KPa66.18KPa解：Xd=0.95,Xf=0.45,xv=0.02,Rnin=1.63,R=2.45【例5-8】用簡捷算法解例5-6。并與圖解法相比擬。塔頂、塔底條件下純組分的飽和蒸氣壓如下表所示。塔頂相對揮發(fā)度aDPAO101.32544.442.28Pb0awPb0aw205.3101.3252.03全塔平均相對揮發(fā)度a2.282.03 2.15log汙-log汙-」1XD xwNminloga, 0.95 10.02log10.95 0.02RRmin 2.451.63R1 2.451查圖5-29得NNmin-N~~解得0.24RRmin 2.451.63R1 2.451查圖5-29得NNmin-N~~解得0.240.4N=14.3〔不包括釜〕將式Nmin〔5-45〕中的釜液組成Xw,換成進(jìn)料組成Xf,那么為log亠「1XD XFloga進(jìn)料的相對揮發(fā)度145.7aF 2.2066.18塔頂與進(jìn)料的平均相對揮發(fā)度a aDaF 2.282.202.24aFNmin, 0.95 10.45log10.95 0.451log2.24=2.9代入解得N"min 04N2N=6.17取整數(shù)，精餾段理論板數(shù)為6塊。加料板位置為從塔頂數(shù)的第7層理論板。與用圖解〔見例5-8附圖〕結(jié)果十分接近。【例5-9】在常壓連續(xù)精餾塔中，別離乙醇一水溶液，組成為 Xf1=0.6〔易揮發(fā)組分摩爾分率，下同〕及Xf2=0.2的兩股原料液分別被送到不同的塔板， 進(jìn)入塔內(nèi)。兩股原料液的流量之比F1/F2為0.5，均為飽和液體進(jìn)料。操作回流比為2。假設(shè)要求餾出液組成Xd為0.8，釜?dú)堃航M成xw為0.02，試求理論板層數(shù)及兩股原料液的進(jìn)料板位置。常壓下乙醇一水溶液的平衡數(shù)據(jù)示于此例附表中。例5-9附表液相中乙醇的摩氣相中乙醇的摩液相中乙醇的摩氣相中乙醇的摩爾分率爾分率爾分率爾分率0.00.00.450.6350.010.110.500.6570.020.1750.550.6780.040.2730.600.6980.060.3400.650.7250.080.3920.700.7550.100.4300.750.7850.140.4820.800.8200.180.5130.850.8550.200.5250.8940.8940.250.5510.900.8980.300.5750.950.9420.350.5951.01.00.400.614Xfi解：如此題附圖1XfiTOC\o"1-5"\h\zR 1廠人R^Xd(a)Xd該操作線在yXd--08 0.267R1 21兩股進(jìn)料板之間塔段的操作線方程，可按圖中虛線范圍內(nèi)作物料衡算求得，即總物料V〃+F1=L〃+D(b)易揮發(fā)組分Vys+1〃+F1Xf1=LXs〃+Dx)(c)式中V——兩股進(jìn)料之間各層板的上升蒸氣流量，kmol/h;L〃一一兩股進(jìn)料之間各層板的下降液體流量， kmol/h;下標(biāo)s、s+1為兩股進(jìn)料之間各層板的序號。由式c可得L DxdF1Xf1VXs—V (d)因進(jìn)料為飽和液體，故V〃=V=(R+1)D,L〃=L+F，那么ysiLF1 DxdF1xysiR1DXs R1D (e)式d及式e為兩股進(jìn)料之間塔段的操作線方程，也是直線方程式，它在 y軸上的截距為(D)t-F1XF1)/(F+1)D。其中D可由物料衡算求得。、 f2100200設(shè)F1=100kmol/h，貝U 0.5kmol/h對全塔作總物料及易揮發(fā)組分的衡算，得F1+F2=D+W300F1XF汁F2Xf2=Dx+Ww聯(lián)立上二式解得：D=120kmol/h0.1DxDF1xF11200.8 1000.60.1所以―R1D 2—1—120對原料液組成為XF2的下一股進(jìn)料，其加料板以下塔段的操作線方程與無側(cè)線塔的提餾段操作線方程相同。上述各段操作線交點(diǎn)的軌跡方程分別為卓X車q21q21在x-y直角坐標(biāo)圖上繪平衡曲線和對角線，如此題附圖 2所示。依Xd=0.8，Xf1=0.6，Xf2=0.2及Xw=0.02分別作鉛垂線，與對角線分別交于a、e1、氏及c四點(diǎn)，按原料F1之加料口以上塔段操作線的截距〔0.267〕，在y軸上定出點(diǎn)b，連ab，即為精餾段操作線。過點(diǎn)*作鉛垂線〔q1線〕與ab線交于點(diǎn)d1,再按兩股進(jìn)料板之間塔段的操作線方程的截距〔0.1〕，在y軸上定出點(diǎn)b，連b'd1,即為該段的操作線。過點(diǎn)e2作鉛垂線〔q2線〕與b'd1線交