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化工基础辅导及试题

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/m2）。

一、热传导

1.导热基本方程––––傅立叶定律

λ––––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：

多层（n层）平壁：

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：

或

当S2/S12时，用对数平均值，即：

当S2/S12时，用算术平均值，即：

Sm=（S1+S2）/2

多层（n层）圆筒壁：

或

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

α––––对流传热系数，单位为：

W/（m2·℃），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）

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=αL

λ

含有特定的传热膜系数α，表示对流传热的强度

雷诺准数

Re=Luρ

μ

反映流体的流动状态

普兰特准数

Pr=Cpμ

λ

反映流体物性对传热的影响

格拉斯霍夫准数

Gr=βgΔtL3ρ2

μ

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=0.023Re0.8Prn

或

λLuρCpμ

α=0.0230.8n

Lμλ

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Re10000，Pr=0.7~160，（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=KSΔt，式中Δt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=SΔt，式中Δt=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40.8×20.2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=KSΔtm

式中K为总传热系数，单位为：

W/（m2·℃）；Δtm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，

当Δt1/Δt2<2时，Δtm可取算术平均值，即：

Δtm=（Δt1+Δt2）/2

基于管外表面积So的总传热系数Ko

四、换热器

间壁式换热器有夹套式、蛇管式、套管式、列管式、板式、螺旋板式、板翅式等。

提高间壁式换热器传热系数的主要途径是提高流体流速、增强人工扰动；防止结垢，及时清除污垢。

消除列管换热器温差应力常用的方法有三种，即在壳体上加膨胀节，采用浮头式结构或采用U型管式结构。

翅片式换热器安装翅片的目的是增加传热面积；增强流体的湍动程度以提高α。

为提高冷凝器的冷凝效果，操作时要及时排除不凝气和冷凝水。

间壁换热器管壁温度tw接近α大的一侧的流体温度；总传热系数K的数值接近热阻大的一侧的α值。

如在传热实验中用饱和水蒸气加热空气，总传热系数接近于空气侧的对流传热膜系数，而壁温接近于水蒸气侧的温度。

对于间壁换热器m1Cp1（T1-T2）=m2Cp2（t1-t2）=KSΔtm等式成立的条件是稳定传热、无热损失、无相变化。

列管换热器，在壳程设置折流挡板的目的是增大壳程流体的湍动程度，强化对流传热，提高α值，支撑管子。

在确定列管换热器冷热流体的流径时，一般来说，蒸汽走管外；易结垢的流体走管内；高压流体走管内；有腐蚀性的流体走管内；粘度大或流量小的流体走管外。

第三章习题

一、选择题

1、因次分析的目的在于______。

A）得到各变量间的定量关系；B）得到各无因次数群的确切关系；

C）用无因次数群代替变量，使实验与关联工作简化；

D）用无因次数群代替变量，使实验结果更可靠。

2、在蒸汽冷凝传热中，不凝性气体的存在对α的影响是______。

A）不凝性气体存在会使α大大降低；B）不凝性气体存在会使α增大；

C）不凝性气体存在与否，对α无影响；D）不凝性气体存在会使α大大升高。

3、在蒸气—空气间壁传热过程中，为强化传热，在下列方案中，______是可行的。

A）提高空气流速；B）提高蒸汽流速；

C）采用过热蒸汽来提高蒸气温度；D）降低空气的流速。

4、已知当温度为TK时，耐火砖的辐射能力大于铝板的辐射能力，则铝板的黑度______耐火砖的黑度。

A）大于；B）等于；C）小于；D）无法判断。

5、在列管式换热器中，用饱和蒸汽加热空气，下面两项判断是否合理：

________。

甲：

传热器的壁温接近加热蒸汽的温度。

乙：

换热器总传热系数K接近于空气侧的对流传热系数。

A）甲乙均合理；B）甲乙均不合理；C）甲合理，乙不合理；D）甲不合理，乙合理.6、利用水在逆流操作的套管换热器中冷却某物料。

要求热流体的进、出口温度T1、T2和

质量流量G1不变.今因冷却水的进口温度t1升高，为保证完成生产任务，提高冷却水的质量流量G2，其结果______。

A）增大，Δtm不变；B）Q不变，Δtm下降，K增大；

C）Q不变，K增大，Δtm不确定；D）Q增大，Δtm下降。

7、在一维稳态多层平壁热传导时，各层的温度差正比于。

A）导热系数；B）壁厚；C）热阻；D）传热面积。

8、为了减少室外设备的热损失，保温层处所包的一层金属皮应该是（）。

A.表面光滑，颜色较浅；B.表面粗糙，颜色较深；

C.表面粗糙，颜色较浅。

9、用常压水蒸气冷凝来加热空气，空气平均温度为200C，则壁温约为（）。

A.200CB.1000C

C.600CD.47.90C

二、填空题

1、热量传递的基本方式有、 、 。

2、工业换热方式有、、 。

3、液体的导热系数比固体的 ，比气体的。

4、直径φ30×5mm的耐热钢管，导热系数为17.5W/m·℃，管壁内外表面温度各为450℃及600℃，通过单位管长管壁的传热量为。

5、直径为φ38×2.5mm的钢管，由于流体杂质的沉积，在管内形成0.5mm垢层，垢层导热系数为1.05W/m·℃，管壁导热系数为45W/m·℃。

则垢层热阻、管壁热阻、总热阻。

6、已知平壁两侧温度分别为500℃和450℃，壁厚30mm，若λ=45w/m℃，则单位面积的导热速率为kw。

7、直径为φ35×5mm，长0.6m的不锈钢管，已知其内外表面温度分别为150℃及50℃，管壁导热系数为17W/m·℃，求通过内外圆筒壁的热通量。

8、温度越高，气体导热系数。

9、多层平壁热传导，哪一层温差大，说明哪一层热组。

10、液体沸腾分、、阶段，工业一般控制在阶段。

11、蒸汽冷凝分、、冷凝效果好，工业上多为冷凝。

12、一单管程单壳程列管换热器，已知壳径为Φ620×10mm，列管直径为Φ20×2mm，管长3m，管数42根，热流体在壳方，冷流体在管方。

则冷流体的流通面积、热流体的流通面积，以外表面为基准的换热面积。

13、压力为1.2×105N/m2的空气，以3.6m/s的速度流过直径为50mm的钢管。

空气进口温度为70℃，出口温度为30℃，空气对管壁的给热系数为。

14、用热流体加热某溶液，热流体放热速率为50×103W，溶液进口温度为20℃，出口温度不得超过70℃，已知操作条件下溶液比热为4.2kJ／kg·℃，密度为1050kg/m3，被加热的溶液量为m3／h。

15、一侧流体恒温，一侧变温，Δtm与流向。

16、拟将冷热两流体进行换热，热流体由100℃降至40℃，冷流体从15℃被加热到35℃，计算逆流平均温差和并流平均温差。

17、列管式换热器设折流挡板的目的是，设计多管程的目的。

18、列管式换热器有、、三种。

19、在定性温度下，粘度为μ，密度为ρ，导热系数为λ，比热为Cp的流体以流速u流过内径为D的圆形直管时的对流传热系数为α，则Nu=_______，Re=_______，Pr=_________。

20、蒸汽冷凝分为_______和膜状冷凝两种。

在膜状冷凝中，若增大饱和蒸汽与冷凝壁面的温差Δt，则蒸汽冷凝的传热系数α将，传热速率Q将。

21、灰体的辐射能力与成正比，还与__________成正比。

22、热量传递的方式有、、。

23、热补偿三种方式为__________.____________._____________

24、写出傅立叶定律_____________。

三、简答题

1、什么是稳定传热和不稳定传热？

2、传热的基本方式有哪几种？

各有何特点、区别？

3、什么是饱和蒸汽？

什么是过热蒸汽？

工业中为什么不用过热蒸汽加热？

4、列管换热器为何常采用多管程？

在壳程中设置折流档板的作用是什么？

5、在列管换热器中，确定流体的流动空间时需要考虑哪些问题?

对管道保温，是否保温层愈厚，保温效果愈好，热损失愈小？

一厚度相等的双金属平壁，温度分布如图所示，问哪一层的导热系数大？

试述原因。

λ1

λ2

四、名词解释:

1、等温面

2、温度梯度

第四章蒸馏－基本概念和基本原理

利用各组分挥发度不同将液体混合物部分汽化而使混合物得到分离的单元操作称为蒸馏。

这种分离操作是通过液相和气相之间的质量传递过程来实现的。

对于均相物系，必须造成一个两相物系才能将均相混合物分离。

蒸馏操作采用改变状态参数的办法（如加热和冷却）使混合物系内部产生出第二个物相（气相）；吸收操作中则采用从外界引入另一相物质（吸收剂）的办法形成两相系统。

一、两组分溶液的气液平衡

1．拉乌尔定律

理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律：

pA=pA0xApB=pB0xB=pB0（1—xA）

根据道尔顿分压定律：

pA=PyA而P=pA+pB

则两组分理想物系的气液相平衡关系：

xA=（P—pB0）/（pA0—pB0）———泡点方程

yA=pA0xA/P———露点方程

对于任一理想溶液，利用一定温度下纯组分饱和蒸汽压数据可求得平衡的气液相组成；反之，已知一相组成，可求得与之平衡的另一相组成和温度（试差法）。

2．用相对挥发度表示气液平衡关系

溶液中各组分的挥发度v可用它在蒸汽中的分压和与之平衡的液相中的摩尔分率来表示，即vA=pA/xAvB=pB/xB

溶液中易挥发组分的挥发度对难挥发组分的挥发度之比为相对挥发度。

其表达式有：

α=vA/vB=（pA/xA）/（pB/xB）=yAxB/yBxA

对于理想溶液：

α=pA0/pB0

气液平衡方程：

y=αx/[1+（α—1）x]

Α值的大小可用来判断蒸馏分离的难易程度。

α愈大，挥发度差异愈大，分离愈易；α=1时不能用普通精馏方法分离。

3．气液平衡相图

（1）温度—组成（t-x-y）图

该图由饱和蒸汽线（露点线）、饱和液体线（泡点线）组成，饱和液体线以下区域为液相区，饱和蒸汽线上方区域为过热蒸汽区，两曲线之间区域为气液共存区。

气液两相呈平衡状态时，气液两相温度相同，但气相组成大于液相组成；若气液两相组成相同，则气相露点温度大于液相泡点温度。

（2）x-y图

x-y图表示液相组成x与之平衡的气相组成y之间的关系曲线图，平衡线位于对角线的上方。

平衡线偏离对角线愈远，表示该溶液愈易分离。

总压对平衡曲线影响不大。

二、精馏原理

精馏过程是利用多次部分汽化和多次部分冷凝的原理进行的，精馏操作的依据是混合物中各组分挥发度的差异，实现精馏操作的必要条件包括塔顶液相回流和塔底产生上升蒸汽。

精馏塔中各级易挥发组分浓度由上至下逐级降低；精馏塔的塔顶温度总是低于塔底温度，原因之一是：

塔顶易挥发组分浓度高于塔底，相应沸点较低；原因之二是：

存在压降使塔底压力高于塔顶，塔底沸点较高。

当塔板中离开的气相与液相之间达到相平衡时，该塔板称为理论板。

精馏过程中，再沸器的作用是提供一定量的上升蒸汽流，冷凝器的作用是提供塔顶液相产品及保证由适宜的液相回流。

三、两组分连续精馏的计算

1．全塔物料衡算

总物料衡算：

F=D+W

易挥发组分：

FxF=DxD+WxW

塔顶易挥发组分回收率：

ηD=（DxD/FxF）x100%

塔底难挥发组分回收率：

ηW=[W（1-xW）/F（1-xF）]x100%

2．精馏段物料衡算和操作线方程

总物料衡算：

V=L+D

易挥发组分：

Vyn+1=Lxn+DxD

操作线方程：

yn+1=（L/V）xn+（D/V）xD=[R/（R+1）]xn+[1/（R+1）]xD

其中：

R=L/D——回流比

上式表示在一定操作条件下，精馏段内自任意第n层板下降的液相组成xn与其相邻的下一层板（第n+1层板）上升蒸汽相组成yn+1之间的关系。

在x—y坐标上为直线，斜率为R/R+1，截距为xD/R+1。

3．提馏段物料衡算和操作线方程

总物料衡算：

L`=V`+W

易挥发组分：

L`xm`=V`ym+1`+WxW

操作线方程：

ym+1`=（L`/V`）xm`—（W/V`）xW

上式表示在一定操作条件下，提馏段内自任意第m层板下降的液相组成xm`与其相邻的下一层板（第m+1层板）上升蒸汽相组成ym+1`之间的关系。

L`除与L有关外，还受进料量和进料热状况的影响。

四、进料热状况参数

实际操作中，加入精馏塔的原料液可能有五种热状况：

（1）温度低于泡点的冷液体；

（2）泡点下的饱和液体；（3）温度介于泡点和露点的气液混合物；（4）露点下的饱和蒸汽；（5）温度高于露点的过热蒸汽。

不同进料热状况下的q值

进料热状况

冷液体

饱和液体

气液混合物

饱和蒸汽

过热蒸汽

q值

>1

1

0~1

0

<0

对于饱和液体、气液混合物和饱和蒸汽进料而言，q值等于进料中的液相分率。

L`=L+qF

V=V`—（q—1）F

q线方程（进料方程）为：

y=[q/（q—1）]x—xF/（q—1）

上式表示两操作线交点的轨迹方程。

塔底再沸器相当于一层理论板（气液两相平衡），塔顶采用分凝器时，分凝器相当于一层理论板。

由于冷液进料时提馏段内循环量增大，分离程度提高，冷液进料较气液混合物进料所需理论板数为少。

五、回流比及其选择

（1）全回流

R=L/D=∞，操作线与对角线重合，操作线方程yn=xn-1，达到给定分离程度所需理论板层数最少为Nmin。

（2）最小回流比

当回流比逐渐减小时，精馏段操作线截距随之逐渐增大，两操作线位置将向平衡线靠近，为达到相同分离程度所需理论板层数亦逐渐增多。

达到恒浓区（夹紧区）回流比最小，所需理论板无穷多。

I．正常平衡线

Rmin=（xD—yq）/（yq—xq）

饱和液体进料时：

xq=xF

饱和蒸汽进料时：

yq=yF

II．不正常平衡线

由a（xD，yD）或c（xW，yW）点向平衡线作切线，由切线斜率或截距求Rmin。

（3）适宜回流比

R=（1.1~2）Rmin

精馏设计中，当回流比增大时所需理论板数减少，同时蒸馏釜中所需加热蒸汽消耗量增加，塔顶冷凝器中冷却介质消耗量增加，操作费用相应增加，所需塔径增大。

精馏操作时，若F、D、xF、q、R、加料板位置都不变，将塔顶泡点回流改为冷回流，则塔顶产品组成xD变大。

精馏设计中，回流比愈大，操作能耗愈大，随着回流比逐渐增大，操作费和设备费的总和将呈现先减小后增大的过程。

六、板效率和实际塔板数

1．单板效率（默弗里效率）

EmV=（yn—yn+1）/（yn*—yn+1）

EmL=（xn-1—xn）/（xn-1—xn*）

2．全塔效率

E=（NT/NP）x100%

精馏塔中第n-1,n,n+1块理论板，yn+1xn-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。

 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、xＤ＝0.96，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=1B汽液混合进料：

0＜q＜1C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=______。

A3/5B0.3C1.5

6.某精馏塔的馏出液量D=50kmol/h,回流比R=2，则精馏段之L为________。

A100kmol/hB50kmol/hC25kmol/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