2011冶金化工原理復習題 更新版

2011 年冶金工程化工原理復習題 流體的輸送機械 解釋概念： 1. 氣縛現(xiàn)象：離心泵在開動時，若泵內(nèi)與輸出管道內(nèi)沒有充滿液體，這種因空氣密度遠小于液體密度而造成真空度使得葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力無法造成使液體上升的現(xiàn)象被稱之為氣縛現(xiàn)象。 泵揚程（或壓頭） ： 輸送單位重量流體要求由泵提供的機械能?；驗槭构苈废到y(tǒng)按要求的流量 選擇的輸送機械必須能對單位重量被輸送的流體供給足夠的機械能。 氣縛與汽蝕現(xiàn)象： 離心泵開動時如果泵殼內(nèi)和吸入管路內(nèi)沒有充滿液體，它便沒有抽吸液體的能力，這是因為空氣的密度比液體小得多，隨著 葉輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力不足以造成吸上液體所需的真空度。像這種原因因泵殼內(nèi)存在空氣而導致吸不上液的現(xiàn)象，稱為 “ 氣縛 ” ； 汽蝕現(xiàn)象：提高泵的安裝高度，將導致泵內(nèi)壓力降低，其最低值為葉片間通道入口附近，當這個最低值降至被輸送液體的飽和蒸汽壓時，將發(fā)生沸騰，所產(chǎn)生的蒸汽泡在隨液體從入口向外周流動中，又因壓力迅速加大而積聚冷凝。使液體以很大速度從周圍沖向汽泡中心，產(chǎn)生頻率很高，瞬時壓力很大的沖擊，這種現(xiàn)象稱為 “ 汽蝕 ” ； 離心泵的軸功率與有效功率： 根據(jù)泵的壓頭和流量算出的功率是泵所輸出的有效功率，實際測得的軸功率大 于有效功率。這是由于通過泵軸所輸入的功率有一部分在泵內(nèi)被損耗。離心泵的軸功率可直接利用效率 計算： / ，式中： N W； H - 泵的壓頭， m： Q - 泵的流量， m3/s； kg/ 2. 簡答題： 泵的工作特性是由泵和管路的特性共同決定的，因此泵的特性曲線與管路的特性曲線的交點，交點是被輸送液體管路所需壓頭與泵向液體提供的壓頭恰好相等時的流量，該交點即泵的工作點。 汽蝕現(xiàn)象：提高泵的安裝高度將導致泵內(nèi)壓力下降，其最低值為葉片間通道入口附近，當最小值低于液體的飽和蒸汽壓時，液體沸騰，蒸氣泡隨著液體經(jīng)入口向四周流動，由于壓力迅速加大使氣泡 急劇冷凝 ，使液體以較大的速度沖向氣泡中心，產(chǎn)生頻率較高、瞬時壓力較大的沖擊，這種現(xiàn)象稱為汽蝕 現(xiàn)象，為預防這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，應將泵的安裝高度不超過某一定值，使泵內(nèi)最小壓力大于液體飽和蒸汽壓。 汽蝕現(xiàn)象： 提高泵的安裝高度，將導致泵內(nèi)壓力降低，其最低值為葉片間通道入口附近，當這個最低值降至被輸送液體的飽和蒸汽壓時，將發(fā)生沸騰，所產(chǎn)生的蒸汽泡在隨液體從入口向外周流動中，又因壓力迅速加大而積聚冷凝。使液體以很大速度從周圍沖向汽泡中心，產(chǎn)離心泵的汽蝕現(xiàn)象及安裝高度的確定方法？ 生頻率很高，瞬時壓力很大的沖擊，這種現(xiàn)象稱為“汽蝕”； 三 計算題 1. 確定泵是否滿足輸送要求。將濃度為 95%的硝酸自常壓罐輸送至常壓設備中去，要求輸送量為 36m3/h, 液體的揚升高度為 7m。輸送管路由內(nèi)徑為 80鋼化玻璃管構(gòu)成，總長為 160（包括所有局部阻力的當量長度）?，F(xiàn)采用某種型號的耐酸泵，其性能列于本題附表中。問： （ 1） 該泵是否合用？ （ 2） 實際的輸送量、壓頭、效率及功率消耗各為多少？ Q(L/s) 0 3 6 9 12 15 H(m) 9 2 (%) 0 17 30 42 46 44 已知：酸液在輸送溫度下粘度為 0s；密度為 1545kg/擦系數(shù)可取為 解：（ 1）對于本題，管路所需要壓頭通過在儲槽液面和常壓設備液面之間列柏努利方程求得： 2222112122式中 0)(0,7,0 212121 u，壓 管內(nèi)流速： 8 6 0 0 364 22 管路壓頭損失： 管路所需要的壓頭： 以（ L/s） 計的管路所需流量： 1036001000*36 由附表可以看出，該泵在流量為 12 L/s 時所提供的壓頭即達到了 流量為管路所需要的 10 L/s，它所提供的壓頭將會更高于管路所需要的 此我們說該泵對于該輸送任務是可用的。 另一個值得關(guān)注的問題是該泵是否在高效區(qū)工作。由附表可以看出，該泵的最高效率為46%；流量為 10 L/s 時該泵的效率大約為 43%。因此我們說該泵是在高效區(qū)工作的。 （ 2）實際的輸送量、功率消耗和效率取決于泵的工作點，而工作點由管路物特性 和泵泵的允許安裝高度受最小汽蝕余量或允許吸上真空度的限制，以免發(fā)生汽蝕現(xiàn)象（例如 ：管路壓頭減去汽蝕余量等于允許安裝高度）。 的特性共同決定。 由柏努利方程可得管路的特性方程為： （其中流量單位為 L/s） 據(jù)此可以計算出各流量下管路所需要的壓頭，如下表所示： Q(L/s) 0 3 6 9 12 15 H(m) 7 此，可以作出管路的特性曲線和泵的特性曲線，如圖所示。兩曲線的交點為工作點，其對應的壓頭為 量為 s；效率 功率可計算如下： 0 2 2 3 0 2 4 6 8 10 12 14 166810121416182022Q, L/m 01020304050機械分離與固體流態(tài)化 自由沉降與干擾沉降： 顆粒彼此相距很遠，不產(chǎn)生干擾的沉降稱為自由沉降。若顆粒之間的距離很小，即使沒有互相接觸，一個顆粒沉降時也會受到其他顆粒的影響，這種沉降稱為干擾沉降 。 沉降終速 ：顆粒在沉降開始時，沉降速度與沉降阻力均為零， 因 受力 而 降 落 ，速度增加，阻力增大，當阻力與凈重力相等時，顆粒受力達到平衡，加速度為零，此時顆粒以該速度均勻下降，這時的速度被稱之為沉降終速 。 重力收塵與旋風收塵 ： 氣體進入降塵室后，因流通截面擴大而速度減慢。 塵粒一方面隨氣流沿水平方向運動，其速度與氣流速度 u 相同。另一方面在重力作用下以沉降速度 直向下運動。只要氣體通過降塵室經(jīng)歷的時間大于或等于其中的塵粒沉降到室底所需的時間，塵粒便可分離出來。離心沉降分離從氣流中分離顆粒。含塵氣體從圓筒上側(cè)的進氣管以切線方向進入，按螺旋形路線相器底旋轉(zhuǎn)，接近底部后轉(zhuǎn)而向上，氣流中所夾帶的塵粒在隨氣流旋轉(zhuǎn)的過程中逐漸趨向器壁，碰到而落下。 濾餅過濾： 顆粒的尺寸大多數(shù)都比過濾介質(zhì)的孔道大，固體物積聚于介質(zhì)表面，形成濾餅。過濾開始時，很小的顆粒也會進入介質(zhì)的孔道內(nèi)，部分特別小的 顆粒還會通過介質(zhì)的孔道而不被截留，使濾液仍是混濁的。在濾餅形成之后，他便成為對其后的顆粒其主要截留作用的介質(zhì)，濾液因此變清。過濾阻力將隨濾餅的加厚而漸增，濾液濾出的速率也漸減，故濾餅積聚到一定厚度后，要將其從介質(zhì)表面上移去。這種方法適用于處理固體物含量比較大的懸浮液。 深層過濾： 顆粒直徑比 介質(zhì) 孔道直徑小得多，但介質(zhì)孔道彎曲細長，使進入的顆粒很容易被截住，更加之流 體 流動過程產(chǎn)生的擠壓與沖撞作用，使顆粒緊貼在孔道壁面上，這種過濾在介質(zhì)內(nèi)部中進行，在介質(zhì)表面處無濾餅形成。 比阻： 在過濾過程中， 瞬時過濾速度 12203)1(2，其中2203)1(2 aK=r 稱為濾餅的比阻。 橫穿洗滌與置換洗滌 ： 可壓縮 濾餅與 不可壓縮濾餅； 某些懸浮液所形成的濾餅，其空隙結(jié)構(gòu)因顆粒堅硬不會因受壓 (指濾餅兩側(cè)的壓差 )而變形，這種濾餅稱為不可壓縮濾餅。若濾餅受壓后變形，致使濾餅的空隙率 (孔隙體積與濾餅總體積之比 )減少而使過濾阻力增大，這種濾餅稱為可壓縮 濾餅 。 橫穿洗滌： 洗滌液所穿過的濾餅厚度 2 倍于最終過濾時濾餅通過的厚度， 置換洗滌： 洗滌液所 走的路線與濾液的路線一樣 散式流態(tài)化： 此現(xiàn)象一般發(fā)生在 液 固系統(tǒng)中 。 此種床層中顆粒能均勻地分散在流體中。當流體流量逐漸增加時，床層從開始膨脹直到顆粒被帶走，床內(nèi)顆粒的分散狀態(tài)和擾動程度平緩地加大，床層的上界面較為清晰。 聚式流態(tài)化 ： 此現(xiàn)象一般發(fā)生在 氣 固系統(tǒng)中 。 流態(tài)化中顆粒分 散 不均勻的是聚式流態(tài)化，其床層中存在兩個相，一個是顆粒較大、均勻分散的乳化相，另一個是顆粒較小的氣泡相，當氣泡相在床層中流動，床層頂部氣泡破裂而使得顆粒濺散，床層上界面波動不定，當氣泡相以更大速度流過床層時，乳化相仍保持起始流態(tài)化時 的 孔隙率 和流速，其他氣泡以更大速度在床層中流動， 故 從起始流態(tài)化開始，床層中流 體 浮動愈劇，而床層膨脹保持不變。 溝流： 在大直徑床層中，由于顆粒堆積不均勻或者氣體初始分布不良，可在床內(nèi)局部地方形成溝流。此時，大量氣體經(jīng)過局部地區(qū)的通道上升，而床層的其余部分仍處于固定床狀態(tài)（死床）。顯然，當發(fā)生溝流現(xiàn)象時，氣體不能與全部顆粒良好接觸，將使工藝過程嚴重惡化。 騰涌： 如果床層高度與直徑的比值大、氣速又高時，氣泡容易相互聚合成大氣泡，當氣泡直徑大到與床層直徑相等時，就將床層分隔成幾段，床內(nèi)顆粒群以活塞推進的方式向上運動 ，在達到上部后氣泡破裂，顆粒又重新回落，這即是騰涌，也稱作節(jié)涌，騰涌使氣固之間的接觸狀況惡化，加劇顆粒的磨損與帶出，并使床層收到?jīng)_擊、發(fā)生震動，甚至損壞內(nèi)部構(gòu)件。起始流化速度與帶出速度： 床層開始流態(tài)化時的流體表觀速度稱為起始流化速度，當某指定顆粒開始被帶出時的流體表觀速度成為帶出速度，流化床的操作流速應大于起始流化速度，又要小于帶出速度。 流化 數(shù)； 操作氣流速度 u 與起始流化速度 比，稱為流化數(shù) N， N=u/化數(shù) 小應為 保證氣 簡答題： 用濾 餅過濾過程說明數(shù)學模型法的原理 ； 過濾時，濾液在濾餅與過濾介質(zhì)的微小通道中流動，由于通道形狀很不規(guī)則且相互交聯(lián)，難以對流體流動規(guī)律進行理論分析，故常將真實流動簡化成長度均為 一組平行細管中的流動，并規(guī)定：（ 1）細管的內(nèi)表面積之和等于濾餅內(nèi)顆粒的全部表面積；（ 2）細管的全部流動空間等于濾餅內(nèi)的全部空隙體積。 圖中表述了聚式流化床壓降與流速的關(guān)系，請指出， 、 、 線段分別代表什么階段， 和 分別代表什么現(xiàn)象？ ，分別代表固定床、流化床、輸送床階段；、分別代表溝流和騰涌現(xiàn)象。 畫圖并說明流化床的壓力損失與氣速的關(guān)系 在流態(tài)化階段，流體通過床層的壓力損失等于流化床中全部顆粒的凈重力。 定床 階段，由于流體在此階段流速較低，顆粒較細時常處于層流狀態(tài)，壓力損失逾表觀速度的一次放成正比，因此該段為斜率為 1 的直線。 AB段表示從流化床恢復到固定床時的壓力損失變化關(guān)系 ； 由于顆粒從逐漸減慢的上升氣流中落下所形成的床層比隨機裝填的要疏松一 些，導致壓力損失也小一些， 略向上傾斜是由于流體流過器壁及分布板時的阻力損失隨氣速增大而造成的。 示此時由于某些顆粒開始為上升氣流所帶走，床內(nèi)顆粒量減少，平衡顆粒重力所需的壓力自然不斷下降，直至顆粒全部被帶走。 舉例說明數(shù)學模型法簡化與等效的原理： 過濾時，濾液在濾餅與過濾介質(zhì)的微小通道中流動，由于通道形狀很不規(guī)則且相互交聯(lián)，難以對流體流動規(guī)律進行理論分析，故常將真實流動簡化成長度均為 一組平行細管中的流動，并規(guī)定： （ 1）細管的內(nèi)表面積之和等于濾餅內(nèi)顆粒的全部表面積； （ 2）細管的 全部流動空間等于濾餅內(nèi)的全部空隙體積。 假設顆粒與流體介質(zhì)相對運動屬于層流，類比重力沉降速度及與離心沉降速度 初始時，顆粒的降落速度和所受阻力都為零，顆粒因受力加速下降。隨降落速度的增加，阻力也相應增大，直到與沉降作用力相等，顆粒受力達到平衡，加速度也減小到零。此后，顆粒以等速下降，這一最終達到的速度稱為沉降速度。 重力 =阻力 推導得： 層流流動重力沉降速度 層流流動離心力沉降速度 在離心力沉降速度用 代 了重力沉降速度的 g。 簡述離心分離與旋風分離的差別？ 離心分離與旋風分離都是利用非均相混合物在離心力場中所受離心力不同，而使非均相混合物得以分離的過程，其主要區(qū)別在于： A 離心加速度 離心分離是通過自身設備旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力，其離心加速度 ar=旋風分離是被分離混合物流 入 時切 向 流速產(chǎn)生離心力，其離心加速度ar=r B 半徑 r 對分離性能的影響 離心分離中， r 越大， 果越好，而旋風分離相反， 大，效果越好。 為什么工業(yè)上氣體的除塵常放在冷卻之后進行？而在懸浮液的過濾分離中， 濾漿卻不宜在冷卻后才進行過濾？ 由沉降公式 u=s )g/(18)可見， 于氣體溫度升高其粘度增大，溫度下降，粘度減少。所以對氣體的除塵常放在冷卻后進行，這樣可增大沉降速度 u。而懸浮液的過濾，過濾速率為 u= P/()，即粘度為過濾阻力。當懸浮液的溫度降低時，粘度卻增大，為提高過濾速率，所以不宜冷卻后過濾。 為什么離心泵可用出口閥來調(diào)節(jié)流量？往復泵可否采用同樣方法調(diào)節(jié)流量？為什么？ 由離心泵的工作點知，改變泵出口閥的開度，使局部阻力改變，而管路特性曲線改變，流量 隨之改變，此法雖不經(jīng)濟，但對泵運轉(zhuǎn)無其它影響；而往復泵屬容積式泵，壓頭與流量基本無關(guān)，若關(guān)閉出口閥，則因泵內(nèi)壓力急劇升高，造成泵體、管路和電機的損壞，故不宜用出口閥來調(diào)節(jié)流量。 2、擬用板框壓濾機恒壓過濾含 （質(zhì)量百分率）的水懸浮液 2 立方米，每立方米濾餅中含固體 1000度為 2800kg/濾常數(shù) K=h，過濾時間為 30分鐘。 試求：（ 1）濾液體積為多少立方米？ （ 2）現(xiàn)有 560 560 50格的板框壓濾機，問需要多少只濾框？（過濾介質(zhì)忽略 ） 解： 1： V 懸 =V 濾 +V 濾餅 V 濾 =V 懸 餅 2(2233 顆粒顆粒 3)(4 顆粒18)(2 顆粒 22 t 顆粒 =X 固 / 固 +X 液 / 液 1/ =800+000 =1054kg/V 懸 + 懸 M 懸 =2 1054=2108量百分率為 8% M 固 =2108 立方米濾餅中含固體 1000（ m 固 = V 濾餅 = 濾 =V 懸 餅 =2) A= 22 21 . 8 3 6 . 4 30 . 1 6 2 0 . 5V n 2=右各有一塊濾布需乘 2， n 為濾布數(shù) n=11 只 檢驗濾餅是否能放下 11 、求直徑為 60 m 的石英顆粒 (密度 2600 kg/別在 20中和 20空氣中的沉降速度。 解 根據(jù)題意給定及查取附錄，可得如下數(shù)據(jù)。 石英顆粒： d=6010 =2600kgm 0 水： =1000 kgm =110 s 20 空氣 ： =m =0 s （ a） 在 20 水中沉降 設斯托克斯定律適用，則 2 62 10 3() ( 6 0 1 0 ) ( 2 6 0 0 1 0 0 0 ) 9 . 8 1 0 . 0 0 3 1 41 8 1 8 (1 1 0 ) 600 3( 6 0 1 0 ) 0 . 0 0 3 1 4 1 0 0 0R e 0 . 1 8 8 21 1 0 故可用斯托克斯公式，0 （ b） 在 20 空氣中沉降 設斯托克斯定律適用，則 _ 62 10 3( 6 0 1 0 ) 2 6 0 0 9 . 8 1 0 . 2 8 21 8 ( 0 . 0 1 8 1 1 0 ) 60 3( 6 0 1 0 ) 0 . 2 8 2 1 . 2 0 5R e 1 . 1 3 20 . 0 1 8 1 1 0 故可用斯托克斯公式，0 5、某系統(tǒng)溫度為 10，總壓 求此條件下在與空氣充分接觸后的 水中，每立方米水溶解了多少克氧氣？ 解：空氣按理想氣體處理，由道爾頓分壓定律可知，氧氣在氣相中的分壓為： *A =氣為難溶氣體，故氧氣在水中的液相組成 x 很低，氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律，查得 10時，氧氣在水中的亨利系數(shù) E 為 106 A*A 故 0 6*10m3 1032 1000=拌 液體受攪拌所需功率的影響因素？ 取決于所期望的液流速度及湍動的大小。具體地說，功率與葉輪形狀、大小和轉(zhuǎn)速，液體黏度和密度，攪拌槽的大小和內(nèi)部構(gòu)件以及葉輪在液體中的位置等有關(guān)。 1、 6. 例舉三種典型的葉輪 形式，并簡述其適用范圍 三種典型葉輪為 : A 槳式葉輪：適用于高黏度的液體； B 透平式葉輪：工業(yè)中最常用，一般流體均可處理，可使流體既有軸向運動，也有徑向運動 C 螺旋槳式葉輪：適用于低黏度的大量液體。 葉輪攪拌中打漩現(xiàn)象的危害及避免打漩現(xiàn)象的方法； 如果攪拌槽是平底圓形槽，槽壁光滑并沒有安裝任何障礙物，液體黏度不大，而且葉輪放在槽的中心線上，則液體將隨著葉輪旋轉(zhuǎn)的方向循著槽壁滑動。這種旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生所謂的打漩現(xiàn)象。 危害在于影響混合的效果、限制了施加于液體功率并限制了 葉輪的攪拌效力。易使轉(zhuǎn)軸受損。 避免方法：在攪拌槽壁上安裝垂直檔板，借以打斷液體隨葉輪團團轉(zhuǎn)的運動；不將葉輪放在槽的中心線上而放在偏心的位置上，借以破壞系統(tǒng)的對稱。 蒸發(fā) 蒸發(fā)需要不斷的供給熱能。工業(yè)上采用的熱源通常是水蒸汽，而蒸發(fā)的物料大多是水溶液，蒸發(fā)時產(chǎn)生的蒸汽也是水蒸汽。為了易于區(qū)別，前者稱為加熱蒸汽，后者稱為二次蒸汽。 單效蒸發(fā)與多效蒸發(fā)： 按二次蒸汽利用地情況分類，可分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)。若二次蒸汽不再利用，而直接送至冷凝器以除去的蒸發(fā)流程，稱為單效蒸發(fā)。若將二次蒸汽通到另一壓力較低的蒸發(fā)器 作為加熱蒸汽，則可以提高原來加熱蒸氣得利用率。這種將多個蒸發(fā)器串聯(lián)，使加熱蒸汽在蒸發(fā)過程中得到多次利用的蒸發(fā)流程稱為多效蒸發(fā)。 溶液的沸點升高與杜林規(guī)則 ： 溶液中含有溶質(zhì)，故其沸點必須高于純?nèi)軇┰谕粔毫ο碌姆悬c，亦即高于蒸發(fā)室壓力下的飽和蒸汽溫度。此高出的溫度稱為溶液的沸點升高，溶液的沸點升高與溶液的種類、溶液中溶質(zhì)的濃度以及蒸發(fā)壓力有關(guān)。 杜林規(guī)則：某液體（或溶液）在兩種不同壓力下兩沸點之差，與另一標準體在相應壓力下兩沸點之差，其比值為一常數(shù)。 蒸發(fā)設備中的溫差損失及其原因？ 蒸發(fā)器中的傳熱溫差，當加熱蒸氣 的飽和溫度一定，若蒸發(fā)室內(nèi)壓力為 蒸發(fā)的又是水而不是溶液，這時的傳熱溫差最大。如果蒸發(fā)的是 30%沸點高于水的沸點，則蒸發(fā)器里的傳熱溫差減小，稱為傳熱溫差損失，溫差損失就等于溶液的沸點與同壓力下水的沸點之差。除此之外，蒸發(fā)器中液柱靜壓頭的影響及流體流過加熱管時的阻力損失，都導致溶液沸點的進一步升高。 吸收 傳質(zhì)單元與傳質(zhì)單元高度： 梯級法求氣相總傳質(zhì)單元的原理，是把整個填料層分割為若干段，氣流經(jīng)過每這樣的填料段后其組成變化將等于其中的平均總傳質(zhì)推動力。這樣的一個填料段稱為對氣相總推 動力而言的傳質(zhì)單元，每一個梯級就是一個這樣的傳質(zhì)單元，一個氣相傳質(zhì)單元的填料層高度成為氣相總傳質(zhì)單元高度，而且各個傳質(zhì)單元的這一高度都相等。 吸收因數(shù)與脫吸因數(shù) ：幾何意義為操作線斜率 L/G 與平衡線斜率 m 之比， A=L/（ ;脫吸因數(shù)是吸收因數(shù)的倒數(shù)， S=。 溶質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過程，可分為哪三個步驟？ A 溶質(zhì)有氣相主體通過對流 相內(nèi)的傳質(zhì)） B 溶質(zhì)在相界面上由氣相轉(zhuǎn)入液相（相界面上的溶解） C 溶質(zhì)由相界面通過對流 相內(nèi)的傳質(zhì)） 吸收過程分為三個 步驟：溶質(zhì)由氣相主體擴散到氣液兩相界面；穿過相界面；有液相的界面擴散到主體。認為穿過相界面的傳質(zhì)，所需的傳質(zhì)推動力為零，或氣液達到了平衡。將氣液兩相間傳質(zhì)的阻力集中在界面附近的氣膜和液膜之內(nèi)，且界面沒有阻力的這一設想，稱為雙膜模型。其局限性如下：將氣液界面當作是固定的，只在氣、葉間相對速率較小時才成立；隨著相對速率增大，相界面將由靜止到波動，進而產(chǎn)生漩渦 質(zhì)速