化工基础辅导及试题要点.pdf

1 第三章传热基本概念和基本理论 传热是由于温度差引起的能量转移，又称热传递。由热力学第二定律可知，凡是有温度差 存在时，就必然发生热从高温处传递到低温处。 根据传热机理的不同，热传递有三种基本方式：热传导（导热）、热对流（对流）和热辐 射。热传导是物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电子等微观粒子的热运 动而引起的热量传递； 热对流是流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程（包括由流 体中各处的温度不同引起的自然对流和由外力所致的质点的强制运动引起的强制对流），流体 流过固体表面时发生的对流和热传导联合作用的传热过程称为对流传热（给热）；热辐射是因 热的原因而产生的电磁波在空间的传递。任何物体只要在绝对零度以上，都能发射辐射能，只 是在高温时， 热辐射才能成为主要的传热方式。传热可依靠其中的一种方式或几种方式同时进 行。 传热速率 Q 是指单位时间通过传热面的热量（W） ；热通量 q 是指每单位面积的传热速率 （W/m 2） 。 一、 热传导 1. 导热基本方程 傅立叶定律 n t dSdQ 导热系数，表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，单位为W/（m · ） 。 纯金属的导热系数一般随温度升高而降低，气体的导热系数随温度升高而增大。 式中负号表示热流方向总是和温度剃度的方向相反。 2平壁的稳定热传导 单层平壁： R t S b tt Q 21 多层（ n 层）平壁： n i n i i i n R t S b tt Q 11 11 公式表明导热速率与导热推动力（温度差）成正比，与导热热阻（R）成反比。 由多层等厚平壁构成的导热壁面中所用材料的导热系数愈大，则该壁面的热阻愈小，其两 2 侧的温差愈小，但导热速率相同。 3.圆筒壁的稳定热传导 单层圆筒壁： R t S b tt Q m 21 或 1 2 21 ln )(2 r r ttl Q 当 S2/S12 时，用对数平均值，即： 1 2 12 ln S S SS Sm 当 S2/S12 时，用算术平均值，即： Sm=（S1+S2）/2 多层（ n 层）圆筒壁： n imii i n S b tt Q 1 11 或 i i i n r r ttl Q 1 11 ln 1 )(2 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 tSQ 对流传热系数，单位为：W/（m 2· ） ，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） 3 表 1 准数的符号和意义 准数名称符号意义 努塞尔特准数 Nu=L 含有特定的传热膜系数 ，表示对流传热 的强度 雷诺准数 Re= Lu 反映流体的流动状态 普兰特准数 Pr= Cp 反映流体物性对传热的影响 格拉斯霍夫准 数 Gr= g t L 32 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 Nu=0.023Re 0.8Prn 或 LuCp =0.023 0.8 n L 流体被加热时， n=0.4；液体被冷却时， n=0.3。 定型几何尺寸为管子内径di。 定性温度取流体进、出口温度的算术平均值。 应用范围为 Re 10000，Pr=0.7160，(l/d) 60。 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、泡状沸腾区和膜状沸腾区，生产中的沸腾 传热过程应维持在泡壮沸腾区操作。 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 4 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=KSt，式中t 表示为两流体温度差的平均值；S 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= St，式中t=tw-tm或 Tm-Tw；S 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4 0.8×20.2 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=KStm 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， )/ln( 21 21 tt tt tm 当t1/t21 1 01 0 xn-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。 负荷性能图有五条线，分别是雾沫夹带、液泛、漏液、液相负荷上限和液相负荷下限。 第四章习题 一、填空题： 1、精馏是根据混合物中各组分的不同分离液体均相混合物， 利用的方法。 2、再沸和是连续精馏过程进行必不可少的条件。 3、当回流比一定时， 5 种进料状况中，冷液进料q 值，进料温度，加料位 置，提馏段操作线与平衡线之间距离最，所需理论塔板数最。 4、精馏操作线是直线的基础是。 5、 在常压连续操作的精馏塔中， 分离含甲醇 40% 的甲醇水混合液，已知原料量 200kmol/h ， 馏出液组成 0.96，残液组成 0.05 ，求馏出液量和残液量。 6、用常压连续精馏塔分离苯甲苯混合液，已知回流比为4，馏出液组成为 0.93 ，求精馏 段操作线方程式。 12 7、饱和蒸汽进料时，精馏段和提馏段的回流量之间的关系。 8、饱和液体进料时，精馏段和提馏段的上升蒸汽量之间的关系。 9、在连续操作的某精馏塔中， 已知精馏段操作线方程式为y=0.65x+0.32 ，进料板为第五板， 第 3 板下降液体组成为0.65 ，求第 4 板上升蒸汽组成。 10、在常压连续精馏塔中分离苯甲苯混合物已知进料为组成为0.4 的饱和蒸汽， 系统的平 均相对挥发度为 2.5 、x0.96，求 Rmin 。 11、 精馏 操 作 中 ， 增 大 回 流 比 ， 则 使 精馏 段 液 气 比 L/V ， 提 馏 段 液 气比 L1/V1 。 15、全回流操作时， D= ，W= ，F= ，回流比R= ，操作线斜率 = 。 16、 精馏和蒸馏的主要区别在于 ,平衡蒸馏 (闪蒸) 和简单蒸馏的主要区别在于_. 17、塔板中溢流堰的主要作用是为了保证塔板上有_. 18 、 在 连 续 精 馏 塔 中 进 行 全 回 流 操 作 , 已 测 得 相 邻 两 板 上 液 相 组 成 分 别 为 xn-1=0.7,xn=0.5(均为易挥发组分的摩尔分数), 已知操作条件下相对挥发度为3, 则 yn=_,xn*=_, 以 液 相 组 成 表 示 的 第n板 的 莫 弗 里 单 板 效 率 Eml=_. 19、某连续精蒸塔中 , 若精蒸段操作线方程的截距为零, 则回流比等于 ,操作线斜率 为 . 20 已知精馏段操作线方程为yn+1=0.6xn+0.36 ，问 R= ，xD= 。 21 从 t-x-y图上可看出，成平衡的汽液两相组成随温度的降低而同时，且轻组分 在汽相中的浓度总是它在液相中的浓度。 二、选择题 1. 当分离沸点较高，而且又是热敏性混合液时，精馏操作压力应采用 _ 。 A 加压 B 减压 C . 常压 2. 若要求双组分混合液分离成两个较纯的组分，则应采用 _ A 平衡蒸馏 B 简单蒸馏 C 精馏 3. 精馏过程连续、稳定操作的必要条件是 _ 。 A 塔顶有液体回流 B 塔底有汽相回流 C 原料要加热至泡点 4. 以下说法正确的是（） 。 A 冷液进料： q =1 B 汽液混合进料： 0 q 1 C 过热蒸汽进料： q 0 5. 已知汽液混合进料中，液相与汽相的摩尔数之比为 3:2 ，易挥发组分有摩尔分数为 0.3 ，则 q =_ 。 13 A 3/5 B 0.3 C 1.5 6. 某精馏塔的馏出液量 D =50 kmol/h, 回流比 R =2 ， 则精馏段之 L 为 _ 。 A 100 kmol/h B 50 kmol/h C 25 kmol/h 7. 当回流从全回流逐渐减小时，精馏段操作线向平衡线靠近。为达到给定的分离要求，所 需的理论板数 _ A 逐渐减少 B 逐渐增多 C 不变 8、生产中精馏是在 () 中多次而且同时进行部分汽化和部分冷凝, 以得到接近纯的易挥发组 分和难挥发组分的操作 . A两个设备 B同一设备 C多个设备 D 不确定 9、在精馏塔实验中 , 常在塔顶安装一个温度计 , 测量塔顶气相温度其目的是: A判断塔内操作是否达到稳定, 判断塔顶产品浓度是否合格 B判断塔内操作是否正常 , 判断塔顶产品浓度是否合格 C判断塔内操作是否正常 , 判断塔板的分离能力 D判断塔板的分离能力 , 判断塔内操作是否达到稳定 10、全回流时 , 精馏操作线 (), 塔板分离效率 () A 与平衡线重合 , 最好 B与对角线重合 , 最好 C与与平衡线重合 , 最差 D与对角线重合 , 最差 11、精馏过程的操作线为直线，主要基于 A 塔顶泡点回流 B 恒摩尔流假定 C 理想物系 D理论板假定 12 某二元混合物 , 其中 A为易挥发组分 , 液相组成 XA=0.6时, 相应的泡点温度为t1, 与之向 平衡的气相组成为yA=0.7, 相应的露点为 t2, 则 A t1= t2 B t1 t2 D不能确定 四、判断题 1、若过热蒸气状态进料 ,q 线方程的斜率大于零（） 2、精馏段操作线方程为 :yn=0.75xn+1+0.3, 这绝对不可能（）