黃山食品工程原理復(fù)習(xí)題

本文格式為Word版，下載可任意編輯——黃山食品工程原理復(fù)習(xí)題單元操作的應(yīng)用及特點(diǎn)？

1、若干個(gè)單元操作串聯(lián)起來(lái)組成一個(gè)工藝過(guò)程。

2、均為物理性操作，只改變物料的狀態(tài)或其物理性質(zhì)，不改變其化學(xué)性質(zhì)。3、同一食品生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)飽含多個(gè)一致的的單元操作。

4、單元操作用于不同的生產(chǎn)過(guò)程其基本原理一致，進(jìn)行該操作的設(shè)備也可以通用。

單元操作按其理論基礎(chǔ)可分為以下三類(lèi)：（1）流體滾動(dòng)過(guò)程（2）傳熱過(guò)程（3）傳質(zhì)過(guò)程

三傳理論

1、動(dòng)量傳遞(momentumtransfer)：流體滾動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部發(fā)生動(dòng)量傳遞，故流體滾動(dòng)過(guò)程也稱(chēng)為動(dòng)量傳遞過(guò)程。凡是遵循流體滾動(dòng)基本規(guī)律的單元操作，到可以用動(dòng)量傳遞的理論去研究。2、熱量傳遞(heattransfer):物體被加熱或冷卻的過(guò)程也稱(chēng)為物體的傳熱過(guò)程。凡是遵循傳熱基本規(guī)律的單元操作，到可以用熱量傳遞的理論去研究。

3、質(zhì)量傳遞(masstransfer):兩相間物質(zhì)的傳遞過(guò)程即為質(zhì)量傳遞。凡是遵循傳質(zhì)基本規(guī)律的單元操作，到可以用質(zhì)量傳遞的理論去研究。

單元操作與三傳的關(guān)系

“三傳理論〞是單元操作的理論基礎(chǔ)，單元操作是“三傳理論〞的具體應(yīng)用。同時(shí)，“三傳理論〞和單元操作也是食品工程技術(shù)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

國(guó)際單位制中的單位是由基本單位、輔助單位和具有專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)的導(dǎo)出單位構(gòu)成的。

物料衡算的步驟：

（1）根據(jù)題意畫(huà)出各物流的流程示意圖，物料的流向用箭頭表示，并標(biāo)上已知數(shù)據(jù)與待求量。

（2）規(guī)定衡算基準(zhǔn)，一般選用單位進(jìn)料量或排料量、時(shí)間及設(shè)備的單位體積等作為計(jì)算的基準(zhǔn)。在較繁雜的流程示意圖上應(yīng)圈出衡算的范圍，列出衡算式，求解未知量。

平衡關(guān)系可用來(lái)判斷過(guò)程能否進(jìn)行，以及進(jìn)行的方向和能達(dá)到的限度。

顆粒大小和攪拌對(duì)溶解速率有影響：原因：由大塊改為大量小快，能使固體食鹽與溶液的接觸面積增大；由不攪拌改為攪拌，能使溶液質(zhì)點(diǎn)對(duì)流。其結(jié)果能減小溶解過(guò)程的阻力

過(guò)程的傳遞速率與推動(dòng)力成正比，與阻力成反比

流體:在剪應(yīng)力作用下能產(chǎn)生連續(xù)變形的物體，流體是氣體與液體的總稱(chēng)。

質(zhì)點(diǎn)：由大量分子構(gòu)成的微團(tuán)，其尺寸遠(yuǎn)小于設(shè)備尺寸、遠(yuǎn)大于分子自由程。

工程意義：利用連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)工具，從宏觀研究流體。

流體的特征：具有滾動(dòng)性；

無(wú)固定形狀，隨容器形狀而變化；受外力作用時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

不可壓縮流體：流體的體積假使不隨壓力及溫度變化，這種流體稱(chēng)為不可壓縮流體。

可壓縮流體：流體的體積假使隨壓力及溫度變化，則稱(chēng)為可壓縮流體。

質(zhì)量力：萬(wàn)有引力、達(dá)朗貝爾力表面力：壓力、剪力

壓力：流體垂直作用于單位面積上的力，稱(chēng)為流體的靜壓強(qiáng)，習(xí)慣上又稱(chēng)為壓力。

壓力的特性：

流體壓力與作用面垂直，并指向該作用面；任意界面兩側(cè)所受壓力，大小相等、方向相反；作用于任意點(diǎn)不同方向上的壓力在數(shù)值上均一致。

壓力的單位:

帕斯卡,Pa,N/m2(法定單位);標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,atm;某流體在柱高度;

bar（巴）或kgf/cm2等。

表壓＝絕對(duì)壓力－大氣壓力真空度＝大氣壓力－絕對(duì)壓力

粘性：流體滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生內(nèi)摩擦力的性質(zhì)，稱(chēng)為粘性

運(yùn)動(dòng)著的流體內(nèi)部相鄰兩流體層間由于分子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的相互作用力，稱(chēng)為流體的內(nèi)摩擦力或粘滯力。流體運(yùn)動(dòng)時(shí)內(nèi)摩擦力的大小，表達(dá)了流體粘性的大小。

u牛頓粘性定律：?????y

指示液的選取：

指示液與被測(cè)流體不互溶，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；其密度要大于被測(cè)流體密度。

應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體的種類(lèi)及壓差的大小選擇指示液。

質(zhì)量流速：

單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)管道單位截面積的流體質(zhì)量。

穩(wěn)定滾動(dòng)：各截面上的溫度、壓力、流速等物理量?jī)H隨位置變化，而不隨時(shí)間變化：

T,p,u?f(x,y,z)

不穩(wěn)定滾動(dòng)：流體在各截面上的有關(guān)物理量既隨位置變化，也隨時(shí)間變化：

T,p,u?f(x,y,z,?)

位能：流體受重力作用在不同高度所具有的能量。1kg的流體所具有的位能為zg（J/kg）。

理想流體是指滾動(dòng)中沒(méi)有摩擦阻力的流體。

利用柏努利方程與連續(xù)性方程，可以確定：

管內(nèi)流體的流量；輸送設(shè)備的功率；管路中流體的壓力；容器間的相對(duì)位置等。

位能基準(zhǔn)面的選?。罕匦枧c地面平行；宜于選取兩截面中位置較低的截面；若截面不是水平面，而是垂直于地面，則基準(zhǔn)面應(yīng)選過(guò)管中心線的

水平面。

截面的選?。号c流體的滾動(dòng)方向相垂直；

兩截面間流體應(yīng)是定態(tài)連續(xù)滾動(dòng)；截面宜選在已知量多、計(jì)算便利處。

層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)無(wú)徑向脈動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合；

湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前滾動(dòng)外，還有徑向脈動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)相互碰撞和混合。

Re反映了流體滾動(dòng)中慣性力與粘性力的對(duì)比關(guān)系，標(biāo)志著流體滾動(dòng)的湍動(dòng)程度。

滾動(dòng)邊界層：存在著較大速度梯度的流體層區(qū)域，即流速降為主體流速的99％以內(nèi)的區(qū)域。邊界層厚度：邊界層外緣與壁面間的垂直距離。

邊界層區(qū)（邊界層內(nèi)）：沿板面法向的速度梯度很大，需考慮粘度的影響，剪應(yīng)力不可忽略。主流區(qū)（邊界層外）：速度梯度很小，剪應(yīng)力可以忽略，可視為理想流體。

邊界層分開(kāi)的必要條件：流體具有粘性；滾動(dòng)過(guò)程中存在逆壓梯度

邊界層分開(kāi)的后果：產(chǎn)生大量旋渦；造成較大的能量損失。

直管阻力：流體流經(jīng)一定直徑的直管時(shí)由于內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的阻力；

局部阻力：流體流經(jīng)管件、閥門(mén)等局部地方由于流速大小及方向的改變而引起的阻力。

減少滾動(dòng)阻力的途徑：

管路盡可能短，盡量走直線，少拐彎；盡量擔(dān)憂裝不必要的管件和閥門(mén)等；管徑適當(dāng)大些。

設(shè)計(jì)型計(jì)算步驟：

設(shè)計(jì)要求：規(guī)定輸液量Vs，確定一經(jīng)濟(jì)的管徑及供液點(diǎn)提供的位能z1(或靜壓能p1)。給定條件：（1）供液與需液點(diǎn)的距離，即管長(zhǎng)l；

（2）管道材料與管件的配置，即?及；（3）需液點(diǎn)的位置z2及壓力p2；（4）輸送機(jī)械We。

選擇適合流速確定經(jīng)濟(jì)管徑

安裝及優(yōu)缺點(diǎn)：（1）安裝在穩(wěn)定流段，上游l>10d，下游l>5d；

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造與安裝便利；（3）能量損失較大。

泵的分類(lèi)，按工作原理分：葉片式泵往復(fù)泵旋轉(zhuǎn)式泵按用途分：清水泵油泵耐腐蝕泵雜質(zhì)泵

離心泵的選用：（1）根據(jù)液體的性質(zhì)確定類(lèi)型（2）確定管路流量和所需外加壓頭。

Q?生產(chǎn)任務(wù)，H?管路的特性方程。（3）根據(jù)所需Q和H確定泵的型號(hào)

①查性能表或曲線，要求泵的H和Q與管路所需相適應(yīng)。②若需Q有變，以最大Q為準(zhǔn)，H應(yīng)以最大Q值查找。

③若泵的H和Q與管路所需不符，在鄰型號(hào)中找H和Q都稍大一點(diǎn)的。④若幾個(gè)型號(hào)都行，應(yīng)選在操作條件下?最高者⑤若液體性質(zhì)與清水相差大，則應(yīng)對(duì)所選泵的特性曲線和參數(shù)進(jìn)行校正，看是否能滿足要求。

⑥為保險(xiǎn)，所選泵可以稍大；但若太大，能量利用程度低。

離心泵的安裝與操作

安裝：①安裝高度應(yīng)小于允許安裝高度

②盡量減少吸入管路阻力，短、直、粗、管件少；調(diào)理閥應(yīng)裝于出口管路。操作：①啟動(dòng)前應(yīng)灌泵，并排氣。

②應(yīng)在出口閥關(guān)閉的狀況下啟動(dòng)泵③停泵前先關(guān)閉出口閥，以免損壞葉輪④經(jīng)常檢查軸封狀況

往復(fù)泵的操作要點(diǎn)和流量調(diào)理

（1）適用場(chǎng)合與流體(Q不太大，H較高，非腐蝕和懸浮物)（2）安裝高度有一定的限制

（3）有自吸作用，啟動(dòng)前無(wú)需要灌泵（4）一般不設(shè)出口閥，有也必需開(kāi)啟啟動(dòng)

（5）往復(fù)泵的流量調(diào)理方法：①用旁路閥調(diào)理流量②改變曲柄轉(zhuǎn)速

氣體輸送機(jī)械在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用：

①氣體輸送壓力不高，但量大，動(dòng)力消耗大②產(chǎn)生高壓氣體：終到設(shè)備壓力高③生產(chǎn)真空：上游設(shè)備負(fù)壓操作

氣體輸送機(jī)械的一般特點(diǎn)①動(dòng)力消耗大②設(shè)備體積巨大

③特別性——?dú)怏w的可壓縮性

離心式通風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

①葉輪直徑較大——適應(yīng)大風(fēng)量②葉片數(shù)較多

③葉片有平直、前彎、后彎不求高效率時(shí)——前彎

④機(jī)殼內(nèi)逐漸擴(kuò)大的通道及出口截面常為為矩形

熱的傳遞是由于系統(tǒng)內(nèi)或物體內(nèi)溫度不同而引起的，根據(jù)傳熱機(jī)理不同，傳熱的基本方式有三種：熱傳導(dǎo)對(duì)流輻射

強(qiáng)制對(duì)流：因泵（或風(fēng)機(jī)）或攪拌等外力所導(dǎo)致的對(duì)流稱(chēng)為強(qiáng)制對(duì)流。

自然對(duì)流：由于流體各處的溫度不同而引起的密度差異，致使流體產(chǎn)生相對(duì)位移，這種對(duì)

流稱(chēng)為自然對(duì)流。

因熱的原因而產(chǎn)生的電磁波在空間的傳遞，稱(chēng)為熱輻射。

溫度場(chǎng)：空間中各點(diǎn)在某一瞬間的溫度分布，稱(chēng)為溫度場(chǎng)。

傳熱速率（熱流量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)傳熱面積的熱量。用Q表示，單位W(J/s)。熱通量（熱流密度）：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過(guò)單位傳熱面積的熱量q，單位W/m2

單位時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度及垂直于熱流方向的截面積成正比

某冷庫(kù)外壁內(nèi)、外層磚壁厚均為12cm，中間夾層厚10cm，填以絕緣材料。磚墻的熱導(dǎo)率為0.70w/m·k，絕緣材料的熱導(dǎo)率為0.04w/m·k，墻外表面溫度為10℃，內(nèi)表面為-5℃，試計(jì)算進(jìn)入冷庫(kù)的熱流密度及絕緣材料與磚墻的兩接觸面上的溫度。

解：根據(jù)題意，已知t1=10℃，t4=-5℃，b1=b3=0.12m，b2=0.10m，λ1=λ3=0.70w/m·k，λ2=0.04w/m·k。

按熱流密度公式計(jì)算q：

q?Qt1?t410?(?5)???5.27w/m2A(b1?b2?b3)0.12?0.10?0.120.700.040.70?1?2?3按溫度差分派計(jì)算t2、t3

t2?t1?qb3b1?1?10?5.27?0.12?9.1℃0.70t3?q?3?t4?5.27?0.12?(?5)??4.1℃0.70

求保溫層的臨界直徑：

假設(shè)保溫層內(nèi)表面溫度為t1，環(huán)境溫度為tf，保溫層的內(nèi)、外半徑分別為r1和r0，保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)為λ，保溫層外壁與空氣之間的對(duì)流傳熱系數(shù)為α。解：熱損失為：

Q?t1?tfR1?R2?t1?tf

r011ln?2?L?r12?r0L?分析：當(dāng)r1不變、r0增大時(shí)，熱阻R1增大，R2減小，因此有可能使總熱阻（R1+R2）下降，導(dǎo)致熱損失增大。上式對(duì)r0求導(dǎo)，可求出當(dāng)Q最大時(shí)的臨界半徑，即

dQ?dr0?2?L(t1?tf)(11?2)?r0?ro?0

ln(ro/r1)12[?]?r0?解得r0=λ/α

所以，臨界半徑為rc=λ/α或dc=2λ/α

在一?60×3.5mm的鋼管外層包有兩層絕熱材料，里層為40mm的氧化鎂粉，平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.07W/m·℃，外層為20mm的石棉層，其平均導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.15W/m·℃。現(xiàn)用熱電偶測(cè)得管內(nèi)壁溫度為500℃，最外層表面溫度為80℃，管壁的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/m·℃。試求每米管長(zhǎng)的熱損失及兩層保溫層界面的溫度。解：每米管長(zhǎng)的熱損失

Q2?(t1?t4)?L1lnr2?1lnr3?1lnr4?1r1?2r2?3r3式中:

r1=0.053/2=0.0265mr2=0.0265+0.0035=0.03mr3=0.03+0.04=0.07mr4=0.07+0.02=0.09m

Q2?3.14?(500?80)?10.0310.0710.09Lln?ln?ln450.02650.070.030.150.07?191.4w/m保溫層界面溫度t3

2?(t1?t3)Q?

r1r1Lln2?ln3?1r1?2r2191.4?2?3.14?(500?t3)

10.0310.07ln?ln450.02650.070.03解得t3=131.2℃

對(duì)流傳熱：是在流體滾動(dòng)進(jìn)程中發(fā)生的熱量傳遞現(xiàn)象，它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞的，與流體的滾動(dòng)狀況密切相關(guān)。

影響對(duì)流傳熱系數(shù)的主要因素：

1流體的狀態(tài)：液體、氣體、蒸汽及在傳熱過(guò)程中是否有相變。有相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)比無(wú)相變化時(shí)大的多；

2流體的物理性質(zhì)：影響較大的物性如密度р、比熱cp、導(dǎo)熱系數(shù)λ、粘度μ等；

3流體的運(yùn)動(dòng)狀況：層流、過(guò)渡流或湍流；4流體對(duì)流的狀況：自然對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流；

5傳熱表面的形狀、位置及大?。喝绻堋?、管束、管徑、管長(zhǎng)、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。

常壓下，空氣以15m/s的流速在長(zhǎng)為4m，φ60×3.5mm的鋼管中滾動(dòng)，溫度由150℃升到250℃。試求管壁對(duì)空氣的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：此題為空氣在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制對(duì)流

定性溫度t=（150+250）/2=200℃查200℃時(shí)空氣的物性數(shù)據(jù)（附錄）如下

Cp=1.026×103J/kg.℃λ=0.03928W/m.℃μ=26.0×10-6N.s/m2ρ=0.746kg/m3Pr=0.68

特性尺寸d=0.060-2×0.0035=0.053ml/d=4/0.053=75.5>50Re=duρ/μ=(0.053×15×0.746)/(0.6×10-5)=2.28×104>104(湍流)

Pr=cpμ/λ=(1.026×103×26.0×10-5)/0.03928=0.68此題中空氣被加熱,k=0.4代入Nu=0.023Re0.8Pr0.4

=0.023×(22800)0.8×(0.68)0.4

=60.4

???dNu?0.03928?60.4?44.8W/m2·℃

0.053例：一套管換熱器，套管為φ89×3.5mm鋼管，內(nèi)管為φ25×2.5mm鋼管。環(huán)隙中為p=100kPa的飽和水蒸氣冷凝，冷卻水在內(nèi)管中渡過(guò)，進(jìn)口溫度為15℃，出口為85℃。冷卻水流速為0.4m/s，試求管壁對(duì)水的對(duì)流傳熱系數(shù)。解：此題為水在圓形直管內(nèi)滾動(dòng)

定性溫度t=（15+35）/2=25℃查25℃時(shí)水的物性數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）如下：Cp=4.179×103J/kg·℃λ=0.608W/m·℃μ=90.27×10-3N·s/m2ρ=997kg/m3

Re=duρ/μ=(0.02×0.4×997)/(90.27×10-5）=8836Re在2300~10000之間，為過(guò)渡流區(qū)

Pr=cpμ/λ=(4.179×103×90.27×10-5)/60.8×10-2=6.2

a可按式Nu=0.023Re0.8Prn進(jìn)行計(jì)算，水被加熱，n=0.4。校正系數(shù)f

6?1056?105f?1??1??0.95241.81.8Re8836對(duì)流傳熱系數(shù)

?diu?0.8cp?0.4??0.023()()?fdi??0.608?(8836)0.8?(6.2)0.4?0.95240.02?1978w/m2?k?0.023?

蒸汽冷凝有膜狀冷凝和滴狀冷凝兩種方式。

膜狀冷凝：由于冷凝液能潤(rùn)濕壁面，因而能形成一層完整的膜。在整個(gè)冷凝過(guò)程中，冷凝液膜是其主要熱阻。

滴狀冷凝：若冷凝液不能潤(rùn)濕避免，由于表面張力的作用，冷凝液在壁面上形成大量液滴，并沿壁面落下，此中冷凝稱(chēng)為滴狀冷凝。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，多為膜狀冷凝過(guò)程。

蒸汽冷凝時(shí)的傳熱推動(dòng)力是蒸汽的飽和溫度與壁面溫度之差。

工業(yè)上沸騰的方法有兩種：管內(nèi)沸騰大溶積沸騰（池內(nèi)沸騰）

根據(jù)傳熱溫差的變化，可將液體沸騰傳熱過(guò)程分為以下四個(gè)階段：自然對(duì)流階段泡核沸騰階段膜狀沸騰階段穩(wěn)定臘狀沸騰階段

熱輻射能物質(zhì)受熱激發(fā)起原子的繁雜運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而向外以電磁波的形式發(fā)射并傳播的能量。

食品熱加工分直接加熱和間接加熱。

一列管式換熱器，由?25×2.5mm的鋼管組成。管內(nèi)為CO2，流量為6000kg/h，由55℃冷卻到30℃。管外為冷卻水，流量為2700kg/h，進(jìn)口溫度為20℃。CO2與冷卻水呈逆流滾動(dòng)。已知水側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)為3000W/m2·K，CO2側(cè)的對(duì)流傳熱系數(shù)為40W/m2·K。試求總傳熱系數(shù)K，分別用內(nèi)表面積A1，外表面積A2表示。解：查鋼的導(dǎo)熱系數(shù)λ=45W/m·K

取CO2側(cè)污垢熱阻Ra1=0.53×10-3m2·K/W取水側(cè)污垢熱阻Ra2=0.21×10-3m2·K/W

以內(nèi)、外表面計(jì)時(shí)，內(nèi)、外表面分別用下標(biāo)1、2表示。

K1?11bd11d1???R?1?R?2?1?dm?2d21

?10.00250.0210.02?????0.00053?0.0002140450.022530000.025?38.5w/m2?kK2?11d2bd21???R?1?R?2?1d1?dm?21

10.0250.00250.0251?????0.00053?0.00021400.02450.02253000?31.3w/m2?k?

生產(chǎn)上換熱器內(nèi)流體滾動(dòng)方向大致可分為以下四種狀況：并流逆流錯(cuò)流折流

例現(xiàn)用一列管式換熱器加熱原油，原油在管外滾動(dòng)，進(jìn)口溫度為100℃,出口溫度為160℃；某反應(yīng)物在管內(nèi)滾動(dòng)，進(jìn)口溫度為250℃，出口溫度為180℃。試分別計(jì)算并流與逆流時(shí)的平均溫度差。

解：并流℃

?tm??t1??t2(250?100)?(180?160)??65?t1250?100lnln?t2180?160逆流

?tm??t1??t2(250?160)?(180?100)??84.7?t1250?160lnln?t2180?100逆流操作時(shí)，因Δt2/Δt1受客觀條件（蒸汽壓強(qiáng)、氣溫、水溫）和工藝條件（熱敏性、冰點(diǎn)）的限制。提高蒸汽壓強(qiáng)，設(shè)備造價(jià)會(huì)隨之提高。在一定氣源壓強(qiáng)下，可以采取降低管道阻力的方法來(lái)提高加熱蒸汽的壓強(qiáng)。在一定條件下也可采用逆流代替并流。

3、減少傳熱阻力（1）減少壁厚或使用熱導(dǎo)率較高的材料；（2）防止污垢形成或經(jīng)常清除污垢；（3）加大流速，提高湍動(dòng)程度，減少層流內(nèi)層的厚度均有利于提高對(duì)流傳熱系數(shù)。

換熱器的分類(lèi)，按傳熱方式分：間壁式、混合式

為防止殼體和管束受熱膨脹不同導(dǎo)致的設(shè)備變形、管子扭彎或松脫，常采用熱補(bǔ)償?shù)姆椒?，主要有以下幾種：

浮頭補(bǔ)償：換熱器兩端管板之一不固定在外殼上（此端稱(chēng)為浮頭），當(dāng)管子受熱或受冷時(shí)，連同浮頭一起自由伸縮，而與外殼的膨脹無(wú)關(guān)。

補(bǔ)償圈補(bǔ)償：在外殼上焊上一個(gè)補(bǔ)償圈。當(dāng)外殼和管子熱脹冷縮時(shí)，補(bǔ)償圈發(fā)生彈性形變，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

U形管補(bǔ)償：將管子兩端都固定在同一管板上，每根管子可以自由伸縮，與其他管子和外殼無(wú)關(guān)。

優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單制造、生產(chǎn)成本低，適應(yīng)性強(qiáng)，特別適于高壓流體，維修清洗便利。缺點(diǎn)：結(jié)合面較多，易泄漏。

板式換熱器是以板壁為換熱壁的換熱器，常見(jiàn)的有平板式、螺旋板式、旋轉(zhuǎn)刮板式以及夾套式換熱器。優(yōu)點(diǎn)：

總傳熱系數(shù)高，污垢熱阻亦較小；

結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積設(shè)備提供的傳熱面積大；

操作靈活性大，可以根據(jù)需要調(diào)理板片數(shù)目以增減傳熱面積或以調(diào)理流道的方法，適應(yīng)冷、熱流體流量和溫度變化的要求；

加工制造簡(jiǎn)單、檢修清洗便利、熱損失小。缺點(diǎn)：

允許操作壓力較低，最高不超過(guò)1961kPa，否則簡(jiǎn)單滲漏；操作溫度不能太高，因受墊片耐熱性能的限制；

處理量不大，因板間距小，流道截面較小，流速亦不能過(guò)大。

蒸汽管道的外徑為壁面220mm,其上覆蓋一層厚為200mm的保溫層。蒸汽管外表面溫度為177℃，保溫層外表面溫度為40℃，保溫材料λ=0.52+9×10-4t(w/m·℃)。求每米管長(zhǎng)之熱損失。解：Q??2?rL?dtQdt??2?r?

drLdr40Qdr?4分開(kāi)變量積分??2?(0.52?9?10t)dt??L110r177

310177?4?Q9?102?310lnr110?2??0.52t?t?2L??40

Q531.7?513.2(w/m)?310Llnr110

帶有攪拌器的牛奶加熱槽內(nèi)有20°C的牛奶200㎏，槽內(nèi)有傳熱面積0.5m2的蛇管?，F(xiàn)以120°C的蒸汽通入蛇管進(jìn)行加熱。求：牛奶的升溫規(guī)律（即T=f(t)）。已知：K=460W/m2·oC，Cp=3.85kj/kg·oC。

解：此問(wèn)題為攪拌槽內(nèi)以衡溫工質(zhì)加熱的情形，由

?????tTh?TGCp???eTh?T0KA將Th=120oCT0=20oC，K=460W/m2·oC，A=0.5m2，Cp=3.85kj/kg·oC等代入上式，得：

T?Th?(Th?T0)e?KAGCpt?120?100e?0.0003t

分散相：分散物質(zhì)。在非均相物系中，處于分散狀態(tài)的物質(zhì)。連續(xù)相：分散介質(zhì)。包圍著分散物質(zhì)而處于連續(xù)狀態(tài)的流體。

機(jī)械分開(kāi)大致分為沉降和過(guò)濾兩種操作。

過(guò)濾的操作基本方式有兩種：濾餅過(guò)濾和深層過(guò)濾。

過(guò)濾介質(zhì)應(yīng)具有如下性質(zhì)：

1）多孔性，液體流過(guò)的阻力??；2）有足夠的強(qiáng)度；3）耐腐蝕性和耐熱性；

4）孔道大小適當(dāng)，能發(fā)生架橋現(xiàn)象。

不可壓縮濾餅：若顆粒由不易變形的堅(jiān)硬固體組成，則當(dāng)壓強(qiáng)差增大時(shí)，濾餅的結(jié)構(gòu)不發(fā)生明顯變化，單位厚度濾餅的滾動(dòng)阻力可視作恒定，這類(lèi)濾餅稱(chēng)為不可壓縮濾餅。

可壓縮濾餅：若濾餅為膠體物質(zhì)時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)差增大時(shí)，濾餅則被壓緊，使單位厚度濾餅的滾動(dòng)阻力增大，此類(lèi)濾餅稱(chēng)為可壓縮濾餅。

助濾劑：對(duì)于可壓縮濾餅，為了使過(guò)濾順利進(jìn)行，可以將質(zhì)地堅(jiān)硬而能形成疏松濾餅的另一種固體顆粒混入懸浮液或預(yù)涂于過(guò)濾介質(zhì)上，以形成疏松餅層，使得濾液暢流，該種顆粒狀物質(zhì)就稱(chēng)為助濾劑。助濾劑的基本要求：1）、能形成多孔餅層的剛性顆粒，使濾餅有良好的滲透性及較低的流體阻力。

2）、具有化學(xué)穩(wěn)定性。3）、在操作壓強(qiáng)范圍內(nèi)具有不可壓縮性。

空隙率：?jiǎn)挝惑w積床層中的空隙體積稱(chēng)為空隙率。

比表面積：?jiǎn)挝惑w積顆粒所具有的表面積稱(chēng)為比表面積。

過(guò)濾操作在恒定壓強(qiáng)下進(jìn)行時(shí)稱(chēng)為恒壓過(guò)濾。

特點(diǎn)：濾餅不斷變厚；

阻力逐漸增加；推動(dòng)力Δp恒定；過(guò)濾速率逐漸變小。

過(guò)濾設(shè)備，按操作壓強(qiáng)差分類(lèi)：壓濾、吸濾和離心過(guò)濾

往復(fù)活塞推渣離心機(jī)工作原理：在離心力作用下液體沿加料斗的錐形面滾動(dòng)，均勻地沿圓周分散到濾筐的過(guò)濾段。濾液透過(guò)濾網(wǎng)而形成濾渣層?；钊圃髋c加料斗一齊作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將濾渣休止地沿著濾筐內(nèi)表面向排渣口排出。排渣器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是先向前推，馬上后退，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間形成一定厚度的濾渣層后，再次向前推，如此重復(fù)進(jìn)行推渣。

特點(diǎn)：分開(kāi)因數(shù)約為300～700，其生產(chǎn)能力大，適用于分開(kāi)固體顆粒濃度較濃、粒徑較大（0.1~5mm）的懸浮液，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

沉降速度（terminalvelocity）：也稱(chēng)為終端速度，勻速階段顆粒相對(duì)于流體的運(yùn)動(dòng)速度。

例：計(jì)算直徑為95?m，密度為3000kg/m3的固體顆粒分別在20℃的空氣和水中的自由沉降速度。

解：在20℃的水中：20℃水的密度為998.2kg/m3，粘度為1.005×10-3Pa?s先設(shè)為層流區(qū)

ut?dp2(?p??)g18?)?(3000?998.2)?9.81?3?(98?1018?9.797?10m/s?3?1.005?10?6計(jì)算Re，核算流型：

Re?dpu???95?10?6?9.797?10?3?998.21.005?10?3?0.9244?1

假設(shè)正確，計(jì)算有效。

絮凝劑（coagulant）：凡能促進(jìn)溶膠中微粒絮凝的物質(zhì)。

常用絮凝劑：明礬、三氧化鋁、綠礬（硫酸亞鐵）、三氯化鐵等。

溫度為20℃，壓力為0.101Mpa，流量為2.5m3/s的含塵空氣，用標(biāo)準(zhǔn)旋風(fēng)分開(kāi)器除塵。粉塵密度為2500kg/m3，試計(jì)算臨界粒徑。選擇適合的旋風(fēng)分開(kāi)器，使之能100%的分開(kāi)出6.5?m以上的粉塵。并計(jì)算壓損。

解：20℃，0.101Mpa時(shí)空氣的：

?=1.21kg/m3，?=1.81×10-5Pa?s1、確定進(jìn)口氣速：ui=20m/s(15-20m/s)

2、計(jì)算D和b：流量V=Aui=BhuB=D/5,h=3D/52.5=(D/5)×(3D/5)×20D=1.041m取D=1100mm此時(shí)ui?VhB2.5?(1.1/5)?(3?1.1/5)?17.2m/sH1?D?110,0H2?120,0B?22,0h?16,0D1?5503、求dpc

dpc?34、求?p

?B?3?N(?p??)ui1.81?10?5?0.223.14?5?2500?17.2?7.3?m

??30BhD?8.32D1H1?H222.2?p???ui/2?8.3?1.21?172?1.49kPa

5、求D，使dpc=6.5?m

dpc?3?B?3?N(?p??)ui1.81?10?5?B3.14?5?2500?17.2?6.5?m

B=0.175，D=5B，h=3D/5=3B=0.525，取ui=17m/s

2.5x?0.175?0.525?17

x=1.6，取x=2

D=5B=0.875，取D=800mm6、校核

由V=bhu，b=D/5，h=3D/5，得

V.5/2ui?hB?(0.8/52)?(3?0.8/5)?16.25m/s(15~20m/s)所以，所選分開(kāi)器適用。

液流中的顆粒受離心力作用，沉降到器壁，并隨液流下降到錐形底的出口，成為較稠的懸浮液而排出，稱(chēng)為底流。

澄清的液體或含有較小較輕顆粒的液體，則形成向上的內(nèi)旋流，經(jīng)上部中心管從頂部溢流管排出，稱(chēng)為溢流。

水中含有極少量細(xì)小顆粒的懸浮液，想用管式高速離心機(jī)分開(kāi)，使其中1μm以上的顆粒全部除去。試求最大的懸浮液進(jìn)料量為多少。離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓尺寸為：r1=5cm、r2=8cm，h=60cm。轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)為12000rpm。懸浮液溫度為20℃，顆粒的密度為23000kg/m3。

解：查得水在20℃時(shí)的μ=10-3Pa·s，ρ=1000kg/m3，

轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)角速度ω=2πN/60=2π(12000)/60=1257rad/s重力沉降速度ut=gdp2(ρp-ρ)/18μ

=9.81(10-6)2(2300-1000)/(18×10-3)=7.09×10-7m/s懸浮液的進(jìn)料量為

Vs??h?2utr22?r12g?lnr2r1?0.08ln0.05

??(0.6)(1257)2(7.09?10?7)0.082?0.0529.81?1.79?10?3m3/s?6.44m3/h

螺旋式離心機(jī)

工作原理：轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有可旋轉(zhuǎn)的螺旋輸送器，其轉(zhuǎn)數(shù)比轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)數(shù)稍低。懸浮液通過(guò)螺旋輸送器的空心軸進(jìn)入機(jī)內(nèi)中部。沉積在轉(zhuǎn)鼓壁面渣，被螺旋輸送器沿斜面向上推到排出口而排出。澄清液從轉(zhuǎn)鼓另一端溢流出去。用途：用于分開(kāi)固體顆粒含量較多的懸浮液，其生產(chǎn)能力較大。也可以在高溫、高壓下操作，例如催化劑回收。

物質(zhì)在單相中的傳遞靠擴(kuò)散，發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散兩種。分子擴(kuò)散：依靠分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，主要發(fā)生在靜止或?qū)恿髁黧w中。渦流擴(kuò)散：依靠流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦而傳遞物質(zhì)，主要

發(fā)生在湍流流體中。

物質(zhì)在湍流的流體中傳質(zhì)，主要憑藉湍流流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦引起流體各部分之間的猛烈混合，在有濃度差存在的條件下，物質(zhì)朝著濃度降低的方向進(jìn)行傳遞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為渦流擴(kuò)散

對(duì)流傳質(zhì)是指發(fā)生在運(yùn)動(dòng)著的流體與相截面之間的傳質(zhì)過(guò)程。在實(shí)際生產(chǎn)中，傳質(zhì)操作多發(fā)生在流體湍流的狀況下，此時(shí)的對(duì)流傳質(zhì)是湍流主體與相界面之間的渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用的總和。

吸收是氣體混合物與作為吸收劑的液體接觸，使氣體中的某一或某些組分溶于液體的操作。吸收是分開(kāi)氣體混合物的重要單元操作之一。

吸收操作的類(lèi)型，按吸收過(guò)程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分類(lèi)：物理吸收、化學(xué)吸收按吸收過(guò)程中體系的溫度變化分類(lèi)：等溫吸收、非等溫吸收按被吸收組分的數(shù)目分類(lèi)：?jiǎn)谓M分吸收、多組分吸收

使含有不揮發(fā)性溶質(zhì)的溶液沸騰汽化并移出蒸氣，從而使溶液中溶質(zhì)濃度提高的單元操作稱(chēng)為蒸發(fā)

單效蒸發(fā)：將二次蒸氣不在利用而直接送到冷凝器冷凝以除去的蒸發(fā)操作。

多效蒸發(fā)：若將二次蒸氣通到另一壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，則可提高加熱蒸氣（生蒸氣）的利用率，這種串聯(lián)蒸發(fā)操作稱(chēng)為多效蒸發(fā)。

蒸發(fā)過(guò)程中引起溫度差損失的原因有：

1）因溶液的蒸汽壓下降而引起的溫度差損失2）因加熱管內(nèi)液柱靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失3）因管路流體阻力而引起的溫度差損失。

有一傳熱面積為30m2的單效蒸發(fā)器，將35℃，濃度為20%（質(zhì)量）的NaOH溶液濃縮至50%（質(zhì)量）。已知加熱用飽和水蒸氣的壓力為294kN/m2（絕壓），蒸發(fā)室內(nèi)壓力為19.6kN/m2（絕壓），溶液的沸點(diǎn)為100℃，又蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)為1000W/m2?k,熱損失可取為傳熱量的3%，試計(jì)算加熱蒸氣消耗量D和料液處理量F。解：根據(jù)加熱蒸氣壓力和二次蒸氣壓力，由蒸氣表查得：294kN/m2（絕壓）時(shí)：蒸氣焓H=2728kJ/kg冷凝水的焓hw=556.5kJ/kg汽化熱r=2171.5kJ/kg溫度T=132.9℃19.6kN/m2（絕壓）時(shí)：蒸氣的焓H*=2605kJ/kg飽和溫度T′=59.7℃

二次蒸氣的焓H′=2605+1.88×(100-59.7)=2681kJ/kg,(1.88為水蒸氣的比熱,kJ/kg·k)(1)加熱蒸氣消耗量D

D??

H?hwr由傳熱速率方程得：

Q=KA(T-t)=1000×30×(132.9-100)=9.87×105w/m2·℃

9.87?105/1000D??0.455kg/s?1640kg/h

2728?556.5(2)料液流量F

DH+Fh0=WH′+(F-W)h1+Dhw+QL

式中是D、H、H′、hw已知量，根據(jù)料液、完成液的溫度和濃度查圖得，原料液的焓h0=120kJ/kg，完成液的焓h1=540kJ/kg又QL=0.03Q=0.03×9.87×105=29.6kw代入已知數(shù)據(jù)

0.445×2728+120F=2681W+540(F-W)+0.455×556.5+29.6整理后，得

420F+2141W=958.4

W?F(1?x0)得F=0.56kg/sW=0.34kg/sx1

(3)不考慮溶液的濃縮熱時(shí)，求料液流量。已知溶質(zhì)的比熱CB=2.01kJ/kg·k

D(H-cpwT)=WH′+(F-W)cp1t1-Fcp0to+QLCp0=4.187×(1-0.2)+2.01×0.2=3.75kJ/kg·kCp1=4.187×(1-0.5)+2.01×0.5=3.1kJ/kg·k則有

0.455×(2728-556.5)

=(F-W)×3.1×100+2681W+29.6-F×3.75×35178.7F+2371W=958.4

將W=0.6F代入，解得F=0.6kg/sW=0.36kg/s

進(jìn)料狀況影響蒸發(fā)器的生產(chǎn)能力：

1)低于沸點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，需消耗部分熱量將溶液加熱至沸點(diǎn)，因而降低了生產(chǎn)能力；2)沸點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，通過(guò)傳熱面的熱量全部用于蒸發(fā)水分，其生產(chǎn)能力有所增加；

3)高于沸點(diǎn)進(jìn)料時(shí)，由于部分原料液的自動(dòng)蒸發(fā)，使生產(chǎn)能力有所增加。

(1)順流法

優(yōu)點(diǎn)：在操作過(guò)程中，蒸發(fā)室的壓強(qiáng)依效序遞減，料液在效間滾動(dòng)不需用泵；

料液的沸點(diǎn)依效序遞降，使前效料進(jìn)入后效時(shí)放出顯熱，供一部分水汽化；料液的濃度依效序遞增，高濃度料液在低溫下蒸發(fā)，對(duì)熱敏性物料有利。

缺點(diǎn)：沿料液滾動(dòng)方向濃度逐漸增高，致使傳熱系數(shù)下降，在后二效中尤為嚴(yán)重。(2)逆流法

料液與蒸氣滾動(dòng)方向相反。原料由末效進(jìn)入，用泵依次輸送至前效，完成液由第一效底部取出。加熱蒸氣的流向仍是由第一效順序至末效。

優(yōu)點(diǎn)：濃度較高的料液在較高溫度下蒸發(fā)，粘度不高，傳熱系數(shù)較大。缺點(diǎn)：（1）各效間需用泵輸送；（2）無(wú)自蒸發(fā)；

（3）高溫加熱面上易引起結(jié)焦和營(yíng)養(yǎng)物的破壞。

膜式蒸發(fā)器和