冶金化工原理复习题.docx
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冶金化工原理复习题
2011年冶金工程化工原理复习题
流体的输送机械
解释概念：
1.气缚现象：
离心泵在开动时，若泵内与输出管道内没有充满液体，这种因空气密度远小于液体密度而造成真空度使得叶轮旋转所产生的离心力无法造成使液体上升的现象被称之为气缚现象。
泵扬程（或压头）：
输送单位重量流体要求由泵提供的机械能。
或为使管路系统按要求的流量Q正常运行，所选择的输送机械必须能对单位重量被输送的流体供给足够的机械能。
气缚与汽蚀现象：
离心泵开动时如果泵壳内和吸入管路内没有充满液体，它便没有抽吸液体的能力，这是因为空气的密度比液体小得多，随着叶轮旋转所产生的离心力不足以造成吸上液体所需的真空度。
像这种原因因泵壳内存在空气而导致吸不上液的现象，称为“气缚”；
汽蚀现象：
提高泵的安装高度，将导致泵内压力降低，其最低值为叶片间通道入口附近，当这个最低值降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾，所产生的蒸汽泡在随液体从入口向外周流动中，又因压力迅速加大而积聚冷凝。
使液体以很大速度从周围冲向汽泡中心，产生频率很高，瞬时压力很大的冲击，这种现象称为“汽蚀”；
离心泵的轴功率与有效功率：
根据泵的压头和流量算出的功率是泵所输出的有效功率，实际测得的轴功率大于有效功率。
这是由于通过泵轴所输入的功率有一部分在泵内被损耗。
离心泵的轴功率可直接利用效率
计算：
，式中：
-泵的轴功率，W；
-泵的压头，m：
-泵的流量，m3/s；
-液体密度，kg/m3；
-效率。
2.
简答题：
1.如何确定泵的工作点？
泵的工作特性是由泵和管路的特性共同决定的，因此泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点，交点是被输送液体管路所需压头与泵向液体提供的压头恰好相等时的流量，该交点即泵的工作点。
2.简述汽蚀现象的预防措施？
汽蚀现象：
提高泵的安装高度将导致泵内压力下降，其最低值为叶片间通道入口附近，当最小值低于液体的饱和蒸汽压时，液体沸腾，蒸气泡随着液体经入口向四周流动，由于压力迅速加大使气泡急剧冷凝，使液体以较大的速度冲向气泡中心，产生频率较高、瞬时压力较大的冲击，这种现象称为汽蚀现象，为预防这种现象的出现，应将泵的安装高度不超过某一定值，使泵内最小压力大于液体饱和蒸汽压。
离心泵的汽蚀现象及安装高度的确定方法？
汽蚀现象：
提高泵的安装高度，将导致泵内压力降低，其最低值为叶片间通道入口附近，当这个最低值降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾，所产生的蒸汽泡在随液体从入口向外周流动中，又因压力迅速加大而积聚冷凝。
使液体以很大速度从周围冲向汽泡中心，产生频率很高，瞬时压力很大的冲击，这种现象称为“汽蚀”；
泵的允许安装高度受最小汽蚀余量或允许吸上真空度的限制，以免发生汽蚀现象（例如：
管路压头减去汽蚀余量等于允许安装高度）。
三计算题
1.确定泵是否满足输送要求。
将浓度为95%的硝酸自常压罐输送至常压设备中去，要求输送量为36m3/h, 液体的扬升高度为7m。
输送管路由内径为80mm的钢化玻璃管构成，总长为160（包括所有局部阻力的当量长度）。
现采用某种型号的耐酸泵，其性能列于本题附表中。
问：
（1）该泵是否合用？
（2）实际的输送量、压头、效率及功率消耗各为多少？
Q（L/s）
0
3
6
9
12
15
H（m）
19.5
19
17.9
16.5
14.4
12
（%）
0
17
30
42
46
44
已知：
酸液在输送温度下粘度为1.1510-3Pas；密度为1545kg/m3。
摩擦系数可取为0.015。
解：
（1）对于本题，管路所需要压头通过在储槽液面和常压设备液面之间列柏努利方程求得：
式中
管内流速：
管路压头损失：
管路所需要的压头：
以（L/s）计的管路所需流量：
由附表可以看出，该泵在流量为12L/s时所提供的压头即达到了14.4m，当流量为管路所需要的10L/s，它所提供的压头将会更高于管路所需要的13.06m。
因此我们说该泵对于该输送任务是可用的。
另一个值得关注的问题是该泵是否在高效区工作。
由附表可以看出，该泵的最高效率为46%；流量为10L/s时该泵的效率大约为43%。
因此我们说该泵是在高效区工作的。
（2）实际的输送量、功率消耗和效率取决于泵的工作点，而工作点由管路物特性和泵的特性共同决定。
由柏努利方程可得管路的特性方程为：
（其中流量单位为L/s）
据此可以计算出各流量下管路所需要的压头，如下表所示：
Q（L/s）
0
3
6
9
12
15
H（m）
7
7.545
9.181
11.91
15.72
20.63
据此，可以作出管路的特性曲线和泵的特性曲线，如图所示。
两曲线的交点为工作点，其对应的压头为14.8m；流量为11.4L/s；效率0.45；轴功率可计算如下：
机械分离与固体流态化
自由沉降与干扰沉降：
颗粒彼此相距很远，不产生干扰的沉降称为自由沉降。
若颗粒之间的距离很小，即使没有互相接触，一个颗粒沉降时也会受到其他颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降。
沉降终速：
颗粒在沉降开始时，沉降速度与沉降阻力均为零，因受力而降落，速度增加，阻力增大，当阻力与净重力相等时，颗粒受力达到平衡，加速度为零，此时颗粒以该速度均匀下降，这时的速度被称之为沉降终速。
重力收尘与旋风收尘：
气体进入降尘室后，因流通截面扩大而速度减慢。
尘粒一方面随气流沿水平方向运动，其速度与气流速度u相同。
另一方面在重力作用下以沉降速度u0垂直向下运动。
只要气体通过降尘室经历的时间大于或等于其中的尘粒沉降到室底所需的时间，尘粒便可分离出来。
离心沉降分离从气流中分离颗粒。
含尘气体从圆筒上侧的进气管以切线方向进入，按螺旋形路线相器底旋转，接近底部后转而向上，气流中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到而落下。
滤饼过滤：
颗粒的尺寸大多数都比过滤介质的孔道大，固体物积聚于介质表面，形成滤饼。
过滤开始时，很小的颗粒也会进入介质的孔道内，部分特别小的颗粒还会通过介质的孔道而不被截留，使滤液仍是混浊的。
在滤饼形成之后，他便成为对其后的颗粒其主要截留作用的介质，滤液因此变清。
过滤阻力将随滤饼的加厚而渐增，滤液滤出的速率也渐减，故滤饼积聚到一定厚度后，要将其从介质表面上移去。
这种方法适用于处理固体物含量比较大的悬浮液。
深层过滤：
颗粒直径比介质孔道直径小得多，但介质孔道弯曲细长，使进入的颗粒很容易被截住，更加之流体流动过程产生的挤压与冲撞作用，使颗粒紧贴在孔道壁面上，这种过滤在介质内部中进行，在介质表面处无滤饼形成。
比阻：
在过滤过程中，瞬时过滤速度
，其中
=
，r称为滤饼的比阻。
横穿洗涤与置换洗涤：
可压缩滤饼与不可压缩滤饼；
某些悬浮液所形成的滤饼，其空隙结构因颗粒坚硬不会因受压（指滤饼两侧的压差）而变形，这种滤饼称为不可压缩滤饼。
若滤饼受压后变形，致使滤饼的空隙率（孔隙体积与滤饼总体积之比）减少而使过滤阻力增大，这种滤饼称为可压缩滤饼。
横穿洗涤：
洗涤液所穿过的滤饼厚度2倍于最终过滤时滤饼通过的厚度，置换洗涤：
洗涤液所走的路线与滤液的路线一样
散式流态化：
此现象一般发生在液固系统中。
此种床层中颗粒能均匀地分散在流体中。
当流体流量逐渐增加时，床层从开始膨胀直到颗粒被带走，床内颗粒的分散状态和扰动程度平缓地加大，床层的上界面较为清晰。
聚式流态化：
此现象一般发生在气固系统中。
流态化中颗粒分散不均匀的是聚式流态化，其床层中存在两个相，一个是颗粒较大、均匀分散的乳化相，另一个是颗粒较小的气泡相，当气泡相在床层中流动，床层顶部气泡破裂而使得颗粒溅散，床层上界面波动不定，当气泡相以更大速度流过床层时，乳化相仍保持起始流态化时的孔隙率和流速，其他气泡以更大速度在床层中流动，故从起始流态化开始，床层中流体浮动愈剧，而床层膨胀保持不变。
沟流：
在大直径床层中，由于颗粒堆积不均匀或者气体初始分布不良，可在床内局部地方形成沟流。
此时，大量气体经过局部地区的通道上升，而床层的其余部分仍处于固定床状态（死床）。
显然，当发生沟流现象时，气体不能与全部颗粒良好接触，将使工艺过程严重恶化。
腾涌：
如果床层高度与直径的比值大、气速又高时，气泡容易相互聚合成大气泡，当气泡直径大到与床层直径相等时，就将床层分隔成几段，床内颗粒群以活塞推进的方式向上运动，在达到上部后气泡破裂，颗粒又重新回落，这即是腾涌，也称作节涌，腾涌使气固之间的接触状况恶化，加剧颗粒的磨损与带出，并使床层收到冲击、发生震动，甚至损坏内部构件。
起始流化速度与带出速度：
床层开始流态化时的流体表观速度称为起始流化速度，当某指定颗粒开始被带出时的流体表观速度成为带出速度，流化床的操作流速应大于起始流化速度，又要小于带出速度。
流化数；
操作气流速度u与起始流化速度umf之比，称为流化数N，N=u/umf,流化数N的值，最小应为1.2-2，以保证气-固混合完善和传热效果良好。
简答题：
用滤饼过滤过程说明数学模型法的原理；过滤时，滤液在滤饼与过滤介质的微小通道中流动，由于通道形状很不规则且相互交联，难以对流体流动规律进行理论分析，故常将真实流动简化成长度均为le的一组平行细管中的流动，并规定：
（1）细管的内表面积之和等于滤饼内颗粒的全部表面积；
（2）细管的全部流动空间等于滤饼内的全部空隙体积。
图中表述了聚式流化床压降与流速的关系，请指出，
、
、
线段分别代表什么阶段，
和
分别代表什么现象？
①，②，③分别代表固定床、流化床、输送床阶段；④、⑤分别代表沟流和腾涌现象。
画图并说明流化床的压力损失与气速的关系
在流态化阶段，流体通过床层的压力损失等于流化床中全部颗粒的净重力。
AB段为固定床阶段，由于流体在此阶段流速较低，颗粒较细时常处于层流状态，压力损失逾表观速度的一次放成正比，因此该段为斜率为1的直线。
A’B’段表示从流化床恢复到固定床时的压力损失变化关系；由于颗粒从逐渐减慢的上升气流中落下所形成的床层比随机装填的要疏松一些，导致压力损失也小一些，BC段略向上倾斜是由于流体流过器壁及分布板时的阻力损失随气速增大而造成的。
CD段向下倾斜，表示此时由于某些颗粒开始为上升气流所带走，床内颗粒量减少，平衡颗粒重力所需的压力自然不断下降，直至颗粒全部被带走。
举例说明数学模型法简化与等效的原理：
过滤时，滤液在滤饼与过滤介质的微小通道中流动，由于通道形状很不规则且相互交联，难以对流体流动规律进行理论分析，故常将真实流动简化成长度均为le的一组平行细管中的流动，并规定：
（1）细管的内表面积之和等于滤饼内颗粒的全部表面积；
（2）细管的全部流动空间等于滤饼内的全部空隙体积。
假设颗粒与流体介质相对运动属于层流，类比重力沉降速度及与离心沉降速度
初始时，颗粒的降落速度和所受阻力都为零，颗粒因受力加速下降。
随降落速度的增加，阻力也相应增大，直到与沉降作用力相等，颗粒受力达到平衡，加速度也减小到零。
此后，颗粒以等速下降，这一最终达到的速度称为沉降速度。
直径为d的球形颗粒，（重力-浮力）=阻力
推导得：
层流流动重力沉降速度层流流动离心力沉降速度
在离心力沉降速度用
替代了重力沉降速度的g。
简述离心分离与旋风分离的差别？
离心分离与旋风分离都是利用非均相混合物在离心力场中所受离心力不同，而使非均相混合物得以分离的过程，其主要区别在于：
A离心加速度
离心分离是通过自身设备旋转而产生离心力，其离心加速度ar=w2r
而旋风分离是被分离混合物流入时切向流速产生离心力，其离心加速度ar=ut2/r
B半径r对分离性能的影响
离心分离中，r越大，ar越大，效果越好，而旋风分离相反，r越小，ar越大，效果越好。
为什么工业上气体的除尘常放在冷却之后进行？
而在悬浮液的过滤分离中，滤浆却不宜在冷却后才进行过滤？
由沉降公式u=d2（ρs－ρ）g/（18μ）可见，u与μ成反比，对于气体温度升高其粘度增大，温度下降，粘度减少。
所以对气体的除尘常放在冷却后进行，这样可增大沉降速度u。
而悬浮液的过滤，过滤速率为u=dV/（Adθ）=△P/（rμL），即粘度为过滤阻力。
当悬浮液的温度降低时，粘度却增大，为提高过滤速率，所以不宜冷却后过滤。
为什么离心泵可用出口阀来调节流量？
往复泵可否采用同样方法调节流量？
为什么？
由离心泵的工作点知，改变泵出口阀的开度，使局部阻力改变，而管路特性曲线改变，流量随之改变，此法虽不经济，但对泵运转无其它影响；而往复泵属容积式泵，压头与流量基本无关，若关闭出口阀，则因泵内压力急剧升高，造成泵体、管路和电机的损坏，故不宜用出口阀来调节流量。
2、拟用板框压滤机恒压过滤含CaCO38﹪（质量百分率）的水悬浮液2立方米，每立方米滤饼中含固体1000kg，CaCO3密度为2800kg/m3，过滤常数K=0.162m2/h，过滤时间为30分钟。
试求：
（1）滤液体积为多少立方米？
（2）现有560×560×50mm规格的板框压滤机，问需要多少只滤框？
（过滤介质忽略）
解：
1：
V悬=V滤+V滤饼
V滤=V悬-V滤饼
_
悬浮液的平均密度:
=X固/ρ固+X液/ρ液
1/ρ=0.08/2800+0.92/1000
=1054kg/m3
2m3悬浮液的质量=V悬+ρ悬
M悬=2×1054=2108kg
质量百分率为8%
M固=2108×0.08=168.64kg
每立方米滤饼中含固体1000kg
1/1000=V饼/168.64（m固=168.64kg）
V滤饼=0.16864m3
V滤=V悬-V滤饼=2-0.16864=1.83m3
（2）V2=KA2θ
A=
n×0.562×2=6.43
左右各有一块滤布需乘2，n为滤布数
n=10.25≈11只
检验滤饼是否能放下
11×0.562×0.05=0.172m3＞0.16864m3
4、求直径为60μm的石英颗粒（密度2600kg/m3）分别在20oC水中和20oC的空气中的沉降速度。
解根据题意给定及查取附录，可得如下数据。
石英颗粒：
d=60×10-6m；
=2600kg·m-3
20℃水：
=1000kg·m-3；
=1×10-3Pa·s
20℃空气：
=1.205kg·m-3；
=0.0181×10-3Pa·s
（a）在20℃水中沉降
设斯托克斯定律适用，则
验算
故可用斯托克斯公式，
结果正确。
（b）在20℃空气中沉降
设斯托克斯定律适用，则
验算
故可用斯托克斯公式，
结果正确。
5、某系统温度为10℃，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？
解：
空气按理想气体处理，由道尔顿分压定律可知，氧气在气相中的分压为：
=101.3×0.21=21.27kPa
氧气为难溶气体，故氧气在水中的液相组成x很低，气液相平衡关系服从亨利定律，查得10℃时，氧气在水中的亨利系数E为3.31×106kPa。
故
3.57×10-4kmol/m3
mA=3.57×10-4×32×1000=11.42g/m3
搅拌
液体受搅拌所需功率的影响因素？
取决于所期望的液流速度及湍动的大小。
具体地说，功率与叶轮形状、大小和转速，液体黏度和密度，搅拌槽的大小和内部构件以及叶轮在液体中的位置等有关。
1、6.例举三种典型的叶轮形式，并简述其适用范围
三种典型叶轮为:
A桨式叶轮：
适用于高黏度的液体；
B透平式叶轮：
工业中最常用，一般流体均可处理，可使流体既有轴向运动，也有径向运动
C螺旋桨式叶轮：
适用于低黏度的大量液体。
叶轮搅拌中打漩现象的危害及避免打漩现象的方法；
如果搅拌槽是平底圆形槽，槽壁光滑并没有安装任何障碍物，液体黏度不大，而且叶轮放在槽的中心线上，则液体将随着叶轮旋转的方向循着槽壁滑动。
这种旋转运动产生所谓的打漩现象。
危害在于影响混合的效果、限制了施加于液体功率并限制了叶轮的搅拌效力。
易使转轴受损。
避免方法：
在搅拌槽壁上安装垂直档板，借以打断液体随叶轮团团转的运动；不将叶轮放在槽的中心线上而放在偏心的位置上，借以破坏系统的对称。
蒸发
蒸发需要不断的供给热能。
工业上采用的热源通常是水蒸汽，而蒸发的物料大多是水溶液，蒸发时产生的蒸汽也是水蒸汽。
为了易于区别，前者称为加热蒸汽，后者称为二次蒸汽。
单效蒸发与多效蒸发：
按二次蒸汽利用地情况分类，可分为单效蒸发和多效蒸发。
若二次蒸汽不再利用，而直接送至冷凝器以除去的蒸发流程，称为单效蒸发。
若将二次蒸汽通到另一压力较低的蒸发器作为加热蒸汽，则可以提高原来加热蒸气得利用率。
这种将多个蒸发器串联，使加热蒸汽在蒸发过程中得到多次利用的蒸发流程称为多效蒸发。
溶液的沸点升高与杜林规则：
溶液中含有溶质，故其沸点必须高于纯溶剂在同一压力下的沸点，亦即高于蒸发室压力下的饱和蒸汽温度。
此高出的温度称为溶液的沸点升高，溶液的沸点升高与溶液的种类、溶液中溶质的浓度以及蒸发压力有关。
杜林规则：
某液体（或溶液）在两种不同压力下两沸点之差，与另一标准体在相应压力下两沸点之差，其比值为一常数。
蒸发设备中的温差损失及其原因？
蒸发器中的传热温差，当加热蒸气的饱和温度一定，若蒸发室内压力为101.3kPa,而蒸发的又是水而不是溶液，这时的传热温差最大。
如果蒸发的是30%NaOH的沸点高于水的沸点，则蒸发器里的传热温差减小，称为传热温差损失，温差损失就等于溶液的沸点与同压力下水的沸点之差。
除此之外，蒸发器中液柱静压头的影响及流体流过加热管时的阻力损失，都导致溶液沸点的进一步升高。
吸收
传质单元与传质单元高度：
梯级法求气相总传质单元的原理，是把整个填料层分割为若干段，气流经过每这样的填料段后其组成变化将等于其中的平均总传质推动力。
这样的一个填料段称为对气相总推动力而言的传质单元，每一个梯级就是一个这样的传质单元，一个气相传质单元的填料层高度成为气相总传质单元高度，而且各个传质单元的这一高度都相等。
吸收因数与脱吸因数：
几何意义为操作线斜率L/G与平衡线斜率m之比，A=L/（mG）;脱吸因数是吸收因数的倒数，S=mG/L。
溶质从气相转移到液相的传质过程，可分为哪三个步骤？
A溶质有气相主体通过对流-扩散到相界面（气相内的传质）
B溶质在相界面上由气相转入液相（相界面上的溶解）
C溶质由相界面通过对流-扩散到液相主体（液相内的传质）
吸收过程分为三个步骤：
溶质由气相主体扩散到气液两相界面；穿过相界面；有液相的界面扩散到主体。
认为穿过相界面的传质，所需的传质推动力为零，或气液达到了平衡。
将气液两相间传质的阻力集中在界面附近的气膜和液膜之内，且界面没有阻力的这一设想，称为双膜模型。
其局限性如下：
①将气液界面当作是固定的，只在气、叶间相对速率较小时才成立；随着相对速率增大，相界面将由静止到波动，进而产生漩涡-湍动，传质速率将显著加快。
②气、液膜厚难以得知，故通过膜的扩散速率方程难以直接应用。
③传质速率NA与扩散速率D的1次方成正比，但实验值表明NA约与D的1/2-1/3次方成正比，说明模型与实际有偏差。
单向扩散与漂流因子：
在吸收式，可简化地认为气液相界面只容许气相中的溶质A通过而不让惰性气体B通过，也不让溶剂S逆向通过（汽化）。
单相扩散是的传质速率比等摩尔扩散时多了一个因子（P/PBm）,显然，其值大于1，原因就是由于总体流动，如同顺水行舟，水流使船速加大，故称（P/PBm）为漂流因子或漂流因数。
传质单元高度：
把整个填料层分割为若干段，气流经过每一这样的填料段后其组成变化将等于其中的平均总传质推动力。
这样的一段填料段叫一个传质单元高度。
最小液气比:
操作线任一点与平衡线相遇，其传质推动为零，传质速率亦为零。
对应的液气比为最小液气比：
根据双膜、溶质渗透膜和表面更新理论，指出传质系数k与扩散系数D之间数学关系：
膜模型：
某一项内的传质系数k在浓度不高是按膜模型可写出k=D/δek与扩散系数D的一次方正比，这一点与实验结果不甚相符，溶质渗透模型得出
与实验数据较好符合，但式中的
只是在少数情况下才能准确求出。
表面更新理论
，s是更新频，代表表面更新的快慢
3、在填料塔内用清水吸收空气中所含的丙酮蒸汽，丙酮的初含量为3﹪（体积分数）。
现需在该塔中吸收98﹪.混合气入塔流率G=0.02kmol.m-2.s-1，操作压力P=101.3kPa,温度T=293K。
此时平衡关系可用y=1.75x表示，以△y为推动力的体积总传质系数Kya=0.016kmol.s-1.m-3，若出塔水溶液中的丙酮浓度为饱和浓度的70﹪，求所需水量及填料塔高度。
解塔底、塔顶的气、液组成为
yb=0.03，ya=（1-0.98）yb=6×10-4
将以上的组成数据代入物料衡算公式，得
0.02×（0.03-6×10-4）=L（0.012-0）
故L=0.049kmol·m-2·s-1
现应用对数平均推动力法计算填料层高度
塔顶Δya=ya-mxa=ya=6×10-4
塔底Δya=yb-mxb=（300-210）×10-4=90×10-4
平均Δya=
=31.0×10-4
故有
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