化工單元操作技術(shù)期末復(fù)習(xí)答疑(文本)

1、（2011.06.06）化工單元操作技術(shù)期末復(fù)習(xí)答疑（文本）申奕：教研活動(dòng)：化工單元操作期末知識(shí)復(fù)習(xí)，各位老師，各位同學(xué)：大家好，今天是我國的傳統(tǒng)節(jié)日-端午節(jié)，祝大家節(jié)日快樂。 我們將利用這次教學(xué)研討一起復(fù)習(xí)一下本課程的重點(diǎn)內(nèi)容，歡迎大家參與！申奕：流體流動(dòng)與流體輸送機(jī)械是化工單元操作中非常重要的內(nèi)容，化工生產(chǎn)中大量涉及到流體輸送問題，這部分主要內(nèi)容有：流體的性質(zhì)：密度、壓強(qiáng)、黏度等；流體靜力學(xué)基本方程式及其應(yīng)用；流體的流速和流量；流體流動(dòng)的基本方程-連續(xù)性方程與伯努利方程，以及他們的應(yīng)用；局部阻力與直管阻力的計(jì)算。 流體輸送機(jī)械部分主要掌握工業(yè)生產(chǎn)中常用的幾種泵的工作原理、操作方法能夠根據(jù)具

2、體生產(chǎn)要求利用泵的特性曲線選用合適的泵。這部分重點(diǎn)內(nèi)容有：離心泵的結(jié)構(gòu)及工作原理；汽蝕現(xiàn)象與氣縛現(xiàn)象；泵安裝高度的確定。能夠?qū)Ρ确治鲭x心泵與正位移式泵的操作特點(diǎn)。 下面我們將通過幾道習(xí)題對(duì)這部分內(nèi)容進(jìn)行一下總結(jié)。申奕：幾道習(xí)題：1壓強(qiáng)表上的讀數(shù)表示被測流體的絕對(duì)壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)高出的數(shù)值，稱為表壓強(qiáng)。解：壓強(qiáng)有兩種表示方法：一種是基于絕對(duì)真空，一種是基于外界大氣壓。這里考察表壓強(qiáng)的定義。2某設(shè)備進(jìn)、出口測壓儀表中的讀數(shù)分別為p1（表壓）=1200mmHg和p2（真空度）=700mmHg，當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?50 mmHg，則兩處的絕對(duì)壓強(qiáng)差為1900mmHg。解：由表壓、真空度、絕壓的相互關(guān)系知兩處的

3、絕對(duì)壓強(qiáng)差為1900mmHg。3水在變徑的管路中作定態(tài)流動(dòng)小管內(nèi)徑為20mm，大管內(nèi)徑為40mm，且小管中的流速為1.6m/s則大管中水的流速為0.4m/s。解：由連續(xù)性方程不可壓縮流體流速與管徑的平方成反比，知大管中水的流速為0.4m/s。4離心泵最常用的調(diào)節(jié)方法是改變出口管路中閥門開度。解：調(diào)節(jié)離心泵流量即改變離心泵的工作點(diǎn)，可以采用改變管路特性曲線或改變離心泵特性曲線，生產(chǎn)中長采用改變管路特性曲線的方法，通過改變出口閥門開度可以改變管路特性曲線。申奕：本章還涉及到大量計(jì)算題，主要考察大家對(duì)伯努利方程式的靈活應(yīng)用，以下為常見幾種類型。計(jì)算題：1、某化工廠用泵將敞口堿液池中的堿液（密度為11

4、00kg/m3）輸送至吸收塔頂，經(jīng)噴嘴噴出。泵的入口管為108×4mm的鋼管，管中的流速為1.2m/s，出口管為76×3mm的鋼管。貯液池中堿液的深度為2.0m，池底至塔頂噴嘴入口處的垂直距離為18m。堿液流經(jīng)所有管路的能量損失為32.0J/kg（不包括噴嘴），在噴嘴入口處的壓力為30.0kPa（表壓）。設(shè)泵的效率為60%，試求泵所需的功率。解：取堿液池中液面為1-1截面，塔頂噴嘴入口處為2-2截面，并且以1-1截面為基準(zhǔn)水平面。在1-1和2-2截面間列伯努利方程 或 其中： z1=0； p1=0（表壓）； u10 z2=18-2=16m； p2=30.0×103

5、 Pa（表壓）已知泵入口管的尺寸及堿液流速，可根據(jù)連續(xù)性方程計(jì)算泵出口管中堿液的流速： m/s =1100 kg/m3， Ef=32.0 J/kg將以上各值代上式，可求得輸送堿液所需的外加能量堿液的質(zhì)量流量 泵的有效功率 泵的效率為60%，則泵的軸功率 2、用油泵從密閉的容器中送出20的戊烷。容器內(nèi)戊烷液面上的絕對(duì)壓力為3.50× 105Pa。液面降到最低時(shí)，在泵中心線以下2.8m。戊烷在30時(shí)密度為600kg/m3,飽和蒸汽壓為3.55× 105Pa。泵吸入管口的壓頭損失為1.8m水柱，所選用的泵氣蝕余量為3m，請(qǐng)問該泵是否能正常工作，并指明原因。解：已知pa=3.50&

6、#215;105Pa，pv=3.55×105Pa h允=3m =600kg/m3 Hf=1.8m-5.65m<2.8m所以不能完成輸送任務(wù)。3、如附圖所示，從高位槽向塔內(nèi)進(jìn)料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔內(nèi)的壓力均為大氣壓。送液管為45×2.5mm的鋼管，要求送液量為4.0m3/h。設(shè)料液在管內(nèi)的壓頭損失為1.5m（不包括出口能量損失），試問高位槽的液位要高出進(jìn)料口多少米？解： 其中： z1=h； 因高位槽截面比管道截面大得多，故槽內(nèi)流速比管內(nèi)流速小得多，可以忽略不計(jì)， 即u10； p1=0（表壓）； H=0 z2=0； p2=0（表壓）； Hf =1.5m 將以上各

7、值代入上式中，可確定高位槽液位的高度 4、用離心泵將蓄水池中的水送到高位槽中，水池液面與高位槽液面間的垂直距離為40m，定態(tài)流動(dòng)。輸水管直徑內(nèi)徑為160mm，管路中直管總長為1200m，所有局部阻力的當(dāng)量長度為50m。若泵的流量為100m3/h,泵的效率為60%，摩擦系數(shù)為0.05，水的密度取1000kg/m3。求泵的軸功率。解：在兩液面間列伯努利方程式由帶入數(shù)據(jù)Ef=373.03J/kg由伯努利方程：5、如附圖所示，水在水平管道內(nèi)流動(dòng)。為測量流體在某截面處的壓力，直接在該處連接一U形壓差計(jì)，指示液為水銀，讀數(shù)R350mm，m950mm。已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?01.3kPa，水的密度kg/m3，水

8、銀的密度 kg/m3。試計(jì)算該截面處的壓力。解：圖中選A-A面為等壓面，即而： 于是： 則截面處絕對(duì)壓力 =45284.9Pa6、采用實(shí)驗(yàn)裝置來測定離心泵的性能。泵的吸入口與排出管具有相同的直徑，兩測壓口間垂直距離為0.7m。泵的轉(zhuǎn)速為3000r/min。以20清水為介質(zhì)測的以下數(shù)據(jù)：流量為54m3/h，泵出口處表壓為260kPa，入口處真空表讀數(shù)為27.0kPa，功率表測得所消耗功率為6.5kw，泵有電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的效率為95，試求該泵在輸送條件下的揚(yáng)程、軸功率、效率。（因兩測壓口很短，期間流動(dòng)阻力可忽略不計(jì)）解：（1）在真空表和壓力表所處位置的截面分別以1-1和2-2表示列柏努利方

9、程式，即 因兩測口的管路很短，其間流動(dòng)阻力可忽略不計(jì)，即，所以=0.7+（260+27.0）×103/（1000×9.81）+0=29.96m（2）電動(dòng)機(jī)消耗功率電動(dòng)機(jī)效率=6.50.95=6.175kw，泵的軸功率為P=6.175kw（3）泵的效率申奕：流體流動(dòng)部分的內(nèi)容大家如果還有需要講解的可以發(fā)帖交流。申奕：蒸餾操作是分離均相物系的常用方法之一。其操作過程中不僅存在傳遞質(zhì)量，而且涉及動(dòng)量和熱量傳遞，是對(duì)前面已經(jīng)學(xué)過的知識(shí)較為全面的運(yùn)用。通過本章的學(xué)習(xí)學(xué)員應(yīng)理解精餾的概念、基本流程和工作原理，掌握精餾塔的全塔衡算、操作線方程、理論板數(shù)的計(jì)算和回流比的確定。本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn)

10、是物料衡算和操作關(guān)系以及理論板數(shù)的計(jì)算和回流比的確定。學(xué)員應(yīng)能夠利用上述知識(shí)對(duì)兩組份精餾過程進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。在精餾一章中需要大家掌握：蒸餾分離的依據(jù)及目的；精餾的流程；兩組分精餾塔的計(jì)算及操作線方程；進(jìn)料熱狀況的影響；全回流及最小回流比的概念。下面我們通過幾道習(xí)題，對(duì)上面的知識(shí)點(diǎn)做個(gè)回顧： 1蒸餾操作的依據(jù) 。解：液體均具有揮發(fā)成蒸汽的能力，但液體不同揮發(fā)性不同。蒸餾操作是借混合液體中各組分揮發(fā)性差異而達(dá)到分離目的的。2兩組分物系的相對(duì)揮發(fā)度越大，則表示采用精餾方法分離該物系越（ A ）。A容易 B困難C完全 D無法判斷解：相對(duì)揮發(fā)度是溶液中兩組分揮發(fā)度之比，相對(duì)揮發(fā)度越大越易采用精餾的方法分

11、離。3某精餾塔的餾出液量是50kmol/h，回流比是3，則精餾段的回流量是 。解：回流比R=L/D，帶入數(shù)據(jù)得L=150 kmol/h4. 某精餾塔的餾出液量是80 kmol/h，進(jìn)料量為120 kmol/h，則釜?dú)堃旱牧髁渴?。解：由總物料衡算式：F=D+W，帶入數(shù)據(jù)W=40 kmol/h5某二元混合物，進(jìn)料量為100 kmol/h，xF = 0.6，要求塔頂xD 不小于0.9，則塔頂最大產(chǎn)量為 。解：由易揮發(fā)組分物料衡算式： FXF=DXD+WXW，進(jìn)塔易揮發(fā)組分為60 kmol/h，DXD60，解得D=66.7 kmol/h6精餾塔的主要部件有 。解：精餾塔應(yīng)包括塔身，塔頂冷凝器，及塔釜

12、再沸器。7精餾（多級(jí)蒸餾）的本質(zhì)是 。解：精餾的核心是回流，是否具有回流也是精餾與蒸餾的本質(zhì)區(qū)別。8精餾時(shí)若為全回流則回流比R為 ，理論板數(shù)為 （最多，最少）。解：精餾操作中兩個(gè)極限狀態(tài)是全回流與最小回流，全回流時(shí)對(duì)應(yīng)的L最大，D=0，因此，R=，所需理論板最多。因此操作時(shí)，增大回流量可以提高塔頂輕組分組成。9精餾操作中有幾種進(jìn)料熱狀況。解：精餾操作中有5種進(jìn)料熱狀況，分別為冷液進(jìn)料理q>1，汽液混合進(jìn)料0<q<1過熱蒸氣進(jìn)料q<0 , 飽和液體進(jìn)料q=1, 飽和蒸汽進(jìn)料q=0,10在連續(xù)精餾塔中分離苯和甲苯混合液。已知原料液流量為12000kg/h，苯的組成為40%（

13、質(zhì)量分率，下同）。要求餾出液組成為97%，釜?dú)堃航M成為2%。試求餾出液和釜?dú)堃旱牧髁縦mol/h；餾出液中易揮發(fā)組分的回收率和釜?dú)堃褐须y揮發(fā)組分的回收率。解：苯的摩爾質(zhì)量為78kg/mol，甲苯的摩爾質(zhì)量為92kg/h。 原料液組成： 餾出液組成： 釜?dú)堃航M成：原料液的平均摩爾質(zhì)量 kg/k mol 原料液摩爾流量：全塔物料衡算，可得： kmol/h kmol/h餾出液中易揮發(fā)組分回收率為： 釜?dú)堃弘y揮發(fā)組分回收率為： 11將含24%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同）易揮發(fā)組分的某液體混合物送入一連續(xù)精餾塔中。要求餾出液含95%易揮發(fā)組分，釜液含3%易揮發(fā)組分。送入冷凝器的蒸氣量為850kmol/h，流入精餾

14、塔的回流液為650kmol/h，試求：（1）每小時(shí)能獲得多少kmol/h的餾出液？多少kmol/h的釜液？（2）回流比R為多少？（3）精餾段操作線方程？解：（1） V=L+DD=V-L=850-650=200kmol/hF = 788.6 kmol/h, W = 788.6-200 = 588.6kmol/h （2）R=L/D=3.25 （3）帶入數(shù)據(jù)得到精餾段操作線方程？ 12.在苯-甲苯的精餾系統(tǒng)中，若已知物料的相對(duì)揮發(fā)度為=2.4，原料液、餾出液組成分別為XF=0.5，XD=0.96（以上均為摩爾分?jǐn)?shù)），實(shí)際采用回流比R=2.0，塔頂采用全凝器，泡點(diǎn)進(jìn)料，試計(jì)算從上先下數(shù)，第二塊塔板的氣

15、液相組成。解：由相平衡方程 因?yàn)槭侨鳎簓1=xD=0.96 帶入平衡方程和操作線方程依次計(jì)算： x1=0.909，y2=0.929，x2=0.845 申奕：吸收是化工生產(chǎn)中分離氣體混合物的方法，通過本章的學(xué)習(xí)學(xué)員應(yīng)了解吸收裝置的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；理解吸收單元操作的基本概念、吸收傳質(zhì)機(jī)理、相平衡與吸收的關(guān)系。 本章學(xué)習(xí)的重點(diǎn)是氣體吸收過程的相平衡關(guān)系，吸收過程的計(jì)算。學(xué)員應(yīng)能夠進(jìn)行低濃度氣體吸收過程的計(jì)算，分析填料塔的操作特性。通過學(xué)習(xí)掌握：吸收操作線方程、吸收塔物料衡算，吸收劑最小用量、填料層高度的計(jì)算；理解：吸收單元操作的基本概念、相平衡與吸收的關(guān)系；了解：分子擴(kuò)散、費(fèi)克爾定律、擴(kuò)散系統(tǒng)、雙膜

16、理論的概念。申奕： 1稱為吸收是利用而使氣體中不同組分分離的操作。解：吸收操作的依據(jù)是：氣體混合物各組分在液體中溶解度的差異。 2某吸收過程，已知ky=4´10-1 kmol/m2s，kx=8´10-4 kmol/m2s，由此可知該過程為液膜控制過程。解：液膜吸收系數(shù)的倒數(shù)1/ky，稱為液膜阻力。同理氣膜吸收系數(shù)的倒數(shù)1/kx，稱為氣膜阻力。液膜阻力氣膜阻力，因此為液膜控制過程。3最小液氣比是什么？。解：當(dāng)吸收劑用量減少到B點(diǎn)與平衡線OE相交時(shí)，即塔底流出液組成與剛進(jìn)塔的混合氣組成達(dá)到平衡。這是理論上吸收液所能達(dá)到的最高濃度，但此時(shí)吸收過程推動(dòng)力為零，因而需要無限大相際接觸

17、面積，即需要無限高的塔。這實(shí)際生產(chǎn)上是無法實(shí)現(xiàn)的。只能用來表示吸收達(dá)到一個(gè)極限的情況，此種狀況下吸收操作線BJ的斜率稱為最小液氣比，以（LV）min表示；相應(yīng)的吸收劑用量即為最小吸收劑用量，以Lmin表示。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下取吸收劑用量為最小用量的1.12.0倍是比較適宜的4吸收操作的目的是分離（ A ）。A氣體混合物 B液體均相混合物C氣液混合物 D部分互溶的均相混合物 解：工業(yè)生產(chǎn)中常常會(huì)遇到均相氣體混合物的分離問題。為了分離混合氣體中的各組分，通常將混合氣體與選擇的某種液體相接觸，氣體中的一種或幾種組分便溶解于液體內(nèi)而形成溶液，不能溶解的組分則保留在氣相中，從而實(shí)現(xiàn)了氣體混合物

18、分離的目的。這種利用各組分溶解度不同而分離氣體混合的操作稱為吸收。5“液膜控制”吸收過程的條件是難溶氣體，氣膜阻力可忽略。解：對(duì)于難溶氣體,H值很小,在kG和kL數(shù)量級(jí)相同或接近的情況下，存在如下關(guān)系，即 ，此時(shí)吸收過程阻力的絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略，意即液膜阻力控制著整個(gè)吸收過程，吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服液膜阻力。這種吸收稱為液膜控制吸收。6對(duì)氣體吸收有利的操作條件應(yīng)是加壓和降溫。 解：由溫度和壓力對(duì)溶解度的影響可知7在吸收過程中，若有明顯化學(xué)反應(yīng)，則稱此吸收過程為化學(xué)吸收。 解：按過程有無化學(xué)反應(yīng)分類吸收可分為：物理吸收：吸收過程中溶質(zhì)與吸收劑之間不發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)；化學(xué)吸收：吸收過程中溶質(zhì)與吸收劑之間有顯著的化學(xué)反應(yīng)。8在吸收操作中，當(dāng)吸收劑用量趨于最小用量時(shí)，為完成一定的任務(wù)，則（ C ）。A回收率趨向最高 B吸收推動(dòng)力趨向最大 C填料層高度趨向無窮大 D總費(fèi)用最低解：當(dāng)吸