化工单元操作技术期末复习答疑(文本)

（2011.06.06）★化工单元操作技术期末复习答疑（文本）

申奕：教研活动：化工单元操作期末知识复习，各位老师，各位同学：大家好，今天是我国的传统节日---端午节，祝大家节日快乐。

我们将利用这次教学研讨一起复习一下本课程的重点内容，欢迎大家参与！

申奕：流体流动与流体输送机械是化工单元操作中非常重要的内容，化工生产中大量涉及到流体输送问题，这部分主要内容有：流体的性质：密度、压强、黏度等；流体静力学基本方程式及其应用；流体的流速和流量；流体流动的基本方程------连续性方程与伯努利方程，以及他们的应用；局部阻力与直管阻力的计算。

流体输送机械部分主要掌握工业生产中常用的几种泵的工作原理、操作方法能够根据具体生产要求利用泵的特性曲线选用合适的泵。这部分重点内容有：离心泵的结构及工作原理；汽蚀现象与气缚现象；泵安装高度的确定。能够对比分析离心泵与正位移式泵的操作特点。 下面我们将通过几道习题对这部分内容进行一下总结。 申奕：几道习题：

1．压强表上的读数表示被测流体的绝对压强比大气压强高出的数值，称为表压强。 解：压强有两种表示方法：一种是基于绝对真空，一种是基于外界大气压。这里考察表压强的定义。

2．某设备进、出口测压仪表中的读数分别为p1（表压）=1200mmHg和p2（真空度）=700mmHg，当地大气压为750 mmHg，则两处的绝对压强差为1900mmHg。 解：由表压、真空度、绝压的相互关系知两处的绝对压强差为1900mmHg。

3．水在变径的管路中作定态流动小管内径为20mm，大管内径为40mm，且小管中的流速为1.6m/s则大管中水的流速为0.4m/s。

解：由连续性方程不可压缩流体流速与管径的平方成反比，知大管中水的流速为0.4m/s。

4．离心泵最常用的调节方法是改变出口管路中阀门开度。 解：调节离心泵流量即改变离心泵的工作点，可以采用改变管路特性曲线或改变离心泵特性曲线，生产中长采用改变管路特性曲线的方法，通过改变出口阀门开度可以改变管路特性曲线。

申奕：本章还涉及到大量计算题，主要考察大家对伯努利方程式的灵活应用，以下为常见几种类型。

计算题：

1、某化工厂用泵将敞口碱液池中的碱液（密度为1100kg/m3）输送至吸收塔顶，经喷嘴喷出。泵的入口管为φ108×4mm的钢管，管中的流速为1.2m/s，出口管为φ76×3mm的钢管。贮液池中碱液的深度为2.0m，池底至塔顶喷嘴入口处的垂直距离为18m。碱液流经所有管路的能量损失为32.0J/kg（不包括喷嘴），在喷嘴入口处的压力为30.0kPa（表压）。设泵的效率为60%，试求泵所需的功率。

解：取碱液池中液面为1-1′截面，塔顶喷嘴入口处为2-2′截面，并且以1-1′截面为基准水平面。

在1-1′和2-2′截面间列伯努利方程

z1g?u12?12p112p?W?z2g?u2?2??Ef ?2?或 W?(z2?z1)g?p?p112(u2?u12)?2??Ef 2?其中： z1=0； p1=0（表压）； u1≈0 z2=18-2=16m； p2=30.0×103 Pa（表压）

已知泵入口管的尺寸及碱液流速，可根据连续性方程计算泵出口管中碱液的流速： u2?u入(d入21002)?1.2()?2.45 m/s d270 ρ=1100 kg/m3， ΣEf=32.0 J/kg

将以上各值代上式，可求得输送碱液所需的外加能量

130.0?1032W?16?9.81??2.45??32.0?219.23J/kg

21100碱液的质量流量 qm??42d2u2??0.785?0.072?2.45?1100?10.37kg/s

泵的有效功率

W?2.273kW Pe?Wqm?219.23?10.37?2273泵的效率为60%，则泵的轴功率 P?Pe??2.273?3.79kW 0.62、用油泵从密闭的容器中送出20℃的戊烷。容器内戊烷液面上的绝对压力为3.50× 105Pa。液面降到最低时，在泵中心线以下2.8m。戊烷在30℃时密度为600kg/m3,饱和蒸汽压为3.55× 105Pa。泵吸入管口的压头损失为1.8m水柱，所选用的泵气蚀余量为3m，请问该泵是否能正常工作，并指明原因。

解：已知pa=3.50×105Pa，pv=3.55×105Pa △h允=3m ρ=600kg/m3 ∑Hf=1.8m

papV3.5?105?3.55?105Hg????h允??Hf0?1??3?1.8??5.65m

?g?g600?9.81-5.65m<2.8m所以不能完成输送任务。

3、如附图所示，从高位槽向塔内进料，高位槽中液位恒定，高位槽和塔内的压力均为大气压。送液管为φ45×2.5mm的钢管，要求送液量为4.0m3/h。设料液在管内的压头损失为1.5m（不包括出口能量损失），试问高位槽的液位要高出进料口多少米？

解：z1?p12p112u1??H?z2?u2?2??Hf 2g?g2g?g其中： z1=h； 因高位槽截面比管道截面大得多，故槽

内流速比管内流速小得多，可以忽略不计， 即u1≈0； p1=0（表压）； H=0 z2=0； p2=0（表压）； ΣHf =1.5m u2??qvd2?4.0/3600?0.885m/s 20.785?0.044将以上各值代入上式中，可确定高位槽液位的高度 z1?h?121u2??Hf?0.8852?1.5?1.54m 2g2?9.814、用离心泵将蓄水池中的水送到高位槽中，水池液面与高位槽液面间的垂直距离为40m，定态流动。输水管直径内径为160mm，管路中直管总长为1200m，所有局部阻力的当量长度为50m。若泵的流量为100m3/h,泵的效率为60%，摩擦系数为0.05，水的密度取1000kg/m3。求泵的轴功率。

解：在两液面间列伯努利方程式

12p12pz1g?u1?1?W?z2g?u2?2??Ef

2?2?u2?由

?qvd2?100/3600?1.382m/s 20.785?0.16?u2??2?4??l??le?Ef????d?

带入数据∑Ef=373.03J/kg 由伯努利方程：

2u21.3822W?(z2?z1)g???Ef?40?9.81??373.03?766.38J/kg

22Pe?Wqm?766.38?(100/3600)?1000?21.29kW

P?Pe??21.29?35.48kW 0.65、如附图所示，水在水平管道内流动。为测量流体在某截面处的压力，直接在该处连接一U形压差计，指示液为水银，读数R＝350mm，m＝950mm。已知当地大气压为101.3kPa，水的密度??1000kg/m3，水银的密度?0?13600 kg/m3。试计算该截面处的压力。

解：图中选A-A′面为等压面，即pA?pA' 而：pA'?pa

pA?p??gm??0gR

于是：pa?p??gm??0gR 则截面处绝对压力

p?pa??gm??0gR?101300?1000?9.81?0.95?13600?9.81?0.35

=45284.9Pa

6、采用实验装置来测定离心泵的性能。泵的吸入口与排出管具有相同的直径，两测压口间垂直距离为0.7m。泵的转速为3000r/min。以20℃清水为介质测的以下数据：流量为54m3/h，泵出口处表压为260kPa，入口处真空表读数为27.0kPa，功率表测得所消耗功率为6.5kw，泵有电动机直接带动，电动机的效率为95﹪，试求该泵在输送条件下的扬程、轴功率、效率。（因两测压口很短，期间流动阻力可忽略不计）

解：（1）在真空表和压力表所处位置的截面分别以1-1’和2-2’表示列柏努利方程式，即

2p1u12p2u2Z1???H?Z2????Hf1?2

?g2g?g2g因两测口的管路很短，其间流动阻力可忽略不计，即

?Hf1?2?0，所以

255?103?26.7?103H?0.5??29.2m

1000?9.81H?(z2?z1)?p2?p1??Hf1?2 ?g=0.7+[（260+27.0）×103]/（1000×9.81）+0 =29.96m

（2）电动机消耗功率?电动机效率=6.5?0.95=6.175kw， 泵的轴功率为P=6.175kw （3）泵的效率

??PeqH?g54?29.96?1000?9.81?100%?v?100%??100%?71.39% PP3600?6.175?1000

申奕：流体流动部分的内容大家如果还有需要讲解的可以发帖交流。

申奕：蒸馏操作是分离均相物系的常用方法之一。其操作过程中不仅存在传递质量，而且涉及动量和热量传递，是对前面已经学过的知识较为全面的运用。通过本章的学习学员应理解精馏的概念、基本流程和工作原理，掌握精馏塔的全塔衡算、操作线方程、理论板数的计算和回流比的确定。

本章学习的重点是物料衡算和操作关系以及理论板数的计算和回流比的确定。学员应能够利用上述知识对两组份精馏过程进行计算和优化。

在精馏一章中需要大家掌握：蒸馏分离的依据及目的；精馏的流程；两组分精馏塔的计算及操作线方程；进料热状况的影响；全回流及最小回流比的概念。

下面我们通过几道习题，对上面的知识点做个回顾：

1．蒸馏操作的依据 。

解：液体均具有挥发成蒸汽的能力，但液体不同挥发性不同。蒸馏操作是借混合液体中

各组分挥发性差异而达到分离目的的。

2．两组分物系的相对挥发度越大，则表示采用精馏方法分离该物系越（ A ）。 A．容易 B．困难

C．完全 D．无法判断 解：相对挥发度是溶液中两组分挥发度之比，相对挥发度越大越易采用精馏的方法分离。 3．某精馏塔的馏出液量是50kmol/h，回流比是3，则精馏段的回流量是 。 解：回流比R=L/D，带入数据得L=150 kmol/h

4. 某精馏塔的馏出液量是80 kmol/h，进料量为120 kmol/h，则釜残液的流量是 。

解：由总物料衡算式：F=D+W，带入数据W=40 kmol/h

5．某二元混合物，进料量为100 kmol/h，xF = 0.6，要求塔顶xD 不小于0.9，则塔顶最大产量为 。 解：由易挥发组分物料衡算式： FXF=DXD+WXW，进塔易挥发组分为60 kmol/h，DXD≦60，解得D=66.7 kmol/h

6．精馏塔的主要部件有 。

解：精馏塔应包括塔身，塔顶冷凝器，及塔釜再沸器。 7．精馏（多级蒸馏）的本质是 。

解：精馏的核心是回流，是否具有回流也是精馏与蒸馏的本质区别。 8．精馏时若为全回流则回流比R为 ，理论板数为 （最多，最少）。 解：精馏操作中两个极限状态是全回流与最小回流，全回流时对应的L最大，D=0，因此，R=∞，所需理论板最多。因此操作时，增大回流量可以提高塔顶轻组分组成。

9．精馏操作中有几种进料热状况。

解：精馏操作中有5种进料热状况，分别为冷液进料理q>1 ，汽液混合进料0

10．在连续精馏塔中分离苯和甲苯混合液。已知原料液流量为12000kg/h，苯的组成为40%（质量分率，下同）。要求馏出液组成为97%，釜残液组成为2%。试求馏出液和釜残液的流量kmol/h；馏出液中易挥发组分的回收率和釜残液中难挥发组分的回收率。

解：苯的摩尔质量为78kg/mol，甲苯的摩尔质量为92kg/h。

原料液组成： 馏出液组成： 釜残液组成：

原料液的平均摩尔质量

MF?0.44?78?0.56?92?85.8 kg/k mol

xF?xD?xw?40/78?0.44

40/78?60/9297/78?0.975

97/78?3/922/78?0.0235

2/78?98/92 原料液摩尔流量：

全塔物料衡算，可得：

F?12000/85.8?140kmol/h

D?W?F?140

DxD?WxW?FxF?140?0.44

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