化工原理思考題

思考題第一章1-1 真空度、表壓和絕對壓力之間有何關(guān)系？1-2 氣體和液體的密度如何計算？1-3 流體靜力學中等壓面如何確定，其原理可以在哪些方面得以應用？1-4 如何進行實際流體的機械能衡算？伯努利方程式的應用？1-5 利用伯努利解題時應注意事項？1-6 流體在管內(nèi)流動的速度分布如何？1-7 如何計算流體在管內(nèi)的的流動摩擦阻力？1-8 管路計算所涉及的主要原理有哪些？如何進行設(shè)計和操作計算？1-9 各種流量計的測量原理以及優(yōu)缺點？第四章 傳熱1. 傳熱過程有哪三種基本形式？它們之間主要不同點是什么？答：(1) 包括傳導、對流和輻射； (2) 熱傳導是依靠分子、原子和自由電子等微觀粒子的熱運動所產(chǎn)生的熱傳遞現(xiàn)象，系統(tǒng)內(nèi)傳熱的各部分之間不發(fā)生相對位移；熱對流是流體內(nèi)存在溫度差的各部分通過質(zhì)點相對位移和混合而將熱量由一處傳至另一處的熱量傳遞過程；熱輻射是一種以電磁波形式傳遞熱量的現(xiàn)象，可以在真空中傳遞，無需任何介質(zhì)，而且伴有能量形式的轉(zhuǎn)化，即發(fā)射時從熱能轉(zhuǎn)化為輻射能，被吸收時又從輻射能轉(zhuǎn)化為熱能。2. 試說明熱導率、對流傳熱系數(shù)和總傳熱系數(shù)的物理意義、單位和彼此間的區(qū)別。答：(1) 熱導率在數(shù)值上等于單位溫度梯度下的熱通量。因此，熱導率是表征物質(zhì)導熱能力的參數(shù)，為物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，其值越大，物質(zhì)的導熱性能越好，單位W/(m)；對流傳熱系數(shù)不是物質(zhì)的屬性，而是對流傳熱過程簡化處理得到的參數(shù)，包含影響過程的諸多因素，各種情況下的對流傳熱系數(shù)尚不能完全通過理論推導得出計算式，通常需實驗測定，單位W/(m2)；K值是衡量換熱器性能的重要參數(shù)，由間壁兩側(cè)的流體對流傳熱過程和間壁的傳導過程共同決定的，欲強化傳熱，提高K值，必須設(shè)法減小控制熱阻值，單位W/(m2)。5. 為什么滴狀冷凝的對流傳熱系數(shù)要比膜狀冷凝的對流傳熱系數(shù)高？答：滴狀冷凝時，由于大部分壁面直接暴露在蒸氣中，沒有液膜阻礙傳熱，因而滴狀冷凝的傳熱系數(shù)比膜狀冷凝高6. 蒸氣冷凝時為什么要定期排放不凝性氣體？答：在工業(yè)冷凝器中，由于蒸氣中常含有微量的不凝性氣體，如空氣等，因此，當蒸氣冷凝時，不凝性氣體會在液膜表面濃集形成氣膜。這相當于額外附加了一層熱阻，而且由于氣體的熱導率小，故使蒸氣冷凝的對流傳熱系數(shù)大大下降。因此，在冷凝器的設(shè)計中，應在蒸氣冷凝側(cè)的高處安裝氣體排放口，定期排放不凝性氣體，減少不凝性氣體對的不良影響。7. 何謂黑體、灰體、鏡體、透熱體？答：當A1，即DR0時，這種物體稱為絕對黑體或黑體。黑體是能全部吸收輻射能的物體；當R1，即AD0時，這種物體稱為絕對白體或鏡體。白體是能全部反射輻射能的物體；當D1，即AR0時，這種物體稱為透熱體。透熱體是能透過全部輻射能的物體；灰體指對各種波長的輻射能具有相同吸收率的理想化物體。8. 影響輻射傳熱的主要因素有哪些？答：(1) 溫度的影響同樣的溫度差在高溫時的熱流量將遠大于低溫時的熱流量。(2) 幾何位置的影響角系數(shù)對兩物體間的輻射傳熱有重要影響，而角系數(shù)取決于兩輻射表面的方位和距離。(3) 表面黑度的影響當物體的相對位置一定時，系統(tǒng)黑度只和表面黑度有關(guān)，因此，通過改變表面黑度的方法可以強化或減弱輻射傳熱。(4) 輻射表面之間介質(zhì)的影響某些氣體也具有發(fā)射和吸收輻射能的能力。因此，這些氣體的存在對物體的輻射傳熱必有影響。9. 物體的吸收率與輻射能力之間存在什么關(guān)系？黑度與吸收率之間有何聯(lián)系？答：由克?；舴蚨煽芍换殷w的吸收率與黑度在數(shù)值上必須相等，表明物體的輻射能力越大，其吸收能力也越大。但兩者的物理意義不同。10. 設(shè)備保溫層外常包有一層薄金屬皮，為減少熱輻射損失，此層金屬皮的黑度值是大一些好還是小一些好？其黑度值與材料的顏色、粗糙度的關(guān)系又是如何？答：為減少熱輻射損失，此層金屬皮的黑度值小一些好。表面粗糙度越高，黑度越高；材料的顏色越深，黑度也越高。11. 為什么一般情況下，逆流總是優(yōu)于并流？并流適用于哪些情況？答：在換熱器的熱流量Q及總傳熱系數(shù)K相同的條件下，逆流操作可節(jié)省傳熱面積。逆流操作的另一個優(yōu)點是可以節(jié)約加熱劑或者冷卻劑的用量。因為并流時，t2總是小于T2，而逆流時t2卻可以大于T2，所以逆流冷卻時冷卻劑的溫升t2t1可比并流操作時大些，在相同熱流量的情況下，冷卻劑用量就可以少些。同理，逆流加熱時，加熱劑本身溫度下降T1T2可比并流操作時大些，即加熱劑的用量可以減少些。 當需要限制熱流體或冷流體出口溫度時可采用并流操作。12. 列管式換熱器在什么情況下需考慮熱補償？熱補償?shù)男问接心男?？答：換熱器因管束內(nèi)外冷、熱流體溫度不同，殼體和管束受熱不同，其膨脹程度也不同，當兩者溫差較大(50以上)時，其產(chǎn)生的熱應力會使管子扭彎，從管板上脫落，以至毀壞換熱器。因此必須從結(jié)構(gòu)上采取消除或減少熱應力的措施，稱為熱補償。換熱器因管束內(nèi)外冷、熱流體溫度不同，殼體和管束受熱不同，其膨脹程度也不同，當兩者溫差較大(50以上)時，其產(chǎn)生的熱應力會使管子扭彎，從管板上脫落，以至毀壞換熱器。因此必須從結(jié)構(gòu)上采取消除或減少熱應力的措施，即熱補償。 熱補償形式包括帶補償圈的固定管板式、浮頭式、U形管式。13. 有一間壁式換熱器，管程內(nèi)空氣被加熱，殼程為飽和水蒸氣，總傳熱系數(shù)K接近于哪一側(cè)的對流傳熱系數(shù)？壁溫接近于哪一側(cè)流體的溫度？答：總傳熱系數(shù)K接近于空氣側(cè)的對流傳熱系數(shù)，壁溫接近于飽和水蒸氣的溫度。第六章 思考題1. 在精餾塔的設(shè)計中，下面參數(shù)對理論板層數(shù)有何影響?1） 塔頂餾出液組成、回流比及回流溫度；2） 進料量、進料組成、進料狀態(tài)參數(shù)及進料位置；3） 塔釜釜液組成。答：1）餾出液組成增大，分離難度加大，理論板層數(shù)增加；R加大，有利于分離，理論板層數(shù)減少；回流溫度低于泡點，增加塔內(nèi)實際液體回流量（內(nèi)回流大于塔頂回流），可使理論板層數(shù)減少。2）進料量大小不影響理論板層數(shù)，但直接影響塔徑大小；進料組成減小，進料熱狀況參數(shù)q值減小，都使理論板層數(shù)有加大的趨勢；適宜進料位置是使完成分離任務所需的理論板層數(shù)為最少。3）釜液組成降低，表明分離程度加大，則所需理論板層數(shù)增加。2. 全回流的特點是什么，有何意義？何為最小回流比，怎樣計算最小回流比？如何確定適宜回流比？全回流的特點是精餾塔沒有進料，也沒有產(chǎn)品，因而也無精餾段和提餾段之分，全塔只有一個操作線方程（即對角線方程），平很閑語操作線距離最大，即傳質(zhì)推動力最大，所需理論板層數(shù)為最少；全回流在科學研究及精餾塔開工階段都有重要意義。達到指定分離程度所需理論板層數(shù)為無窮多時代回流比稱為最小回流比；最小回流比的確定可用此式計算也可用解析的方法計算。適宜回流比的選取要權(quán)衡操作費用和設(shè)備費用的影響，一般選這兩個費用之和最低的回流比為適宜的回流比，一般為。3. 如何理解理論板的概念和恒摩爾流假設(shè)？答：所謂理論板，是指在塔板上氣液兩相皆充分混合、無傳遞阻力、組成達到平衡、溫度相等的理想塔板，是對塔板上傳質(zhì)過程的簡化，是衡量實際塔板分離效率的依據(jù)和標準。理論板概念的引入對精餾分析和計算十分有用。恒摩爾流假設(shè)，是指從精餾段或提餾段每層塔板上升蒸汽的摩爾流量和下降液體的摩爾流量分別相等，但精餾段和提餾段的上升蒸汽流量不一定相等，精餾段和提餾段下降的液體流量也不一定相等，這與進料的熱狀況有關(guān)。恒摩爾流假設(shè)是對塔內(nèi)物料衡算的簡化，也是推導直線操作線方程的基礎(chǔ)。4. 塔板負荷性能圖由哪幾條線組成？負荷性能圖的意義是什么？答：塔板負荷性能圖由霧沫夾帶線、液泛線、液相負荷上限線、漏液線、液相負荷下限線組成。塔板負荷性能圖對板式塔的設(shè)計與操作具有重要指導意義：檢驗塔的設(shè)計是否合理，操作點是否在適中的高效區(qū)域；指明氣液相的流量范圍，判斷增大或減少負荷的可能性；了解塔的操作情況和操作彈性，當塔頂操作出現(xiàn)問題時，可從負荷性能圖的分析找到解決問題的措施。5. 評價塔板性能的主要指標有哪些方面？答：評價塔板性能的主要指標是：單位塔截面上氣液兩相的通量（生產(chǎn)能力）；分離小高（體現(xiàn)為塔板效率）；適應能力（操作彈性）；壓力降低；結(jié)構(gòu)簡單，造價低，易于操作等。第七章 吸收思考題7-1 吸收操作在工業(yè)生產(chǎn)上的應用有哪些？吸收操作主要的設(shè)備有哪些類型？吸收操作主要應用于工業(yè)生產(chǎn)中的氣體混合物分離，其應用可分為(1)凈化生產(chǎn)過程中的原料氣。(2)回收混合氣中的有用組分。(3)制取液體產(chǎn)品。(4)凈化工業(yè)放空尾氣。在實際生產(chǎn)過程中，以上目的往往兼而有之。吸收設(shè)備可分為逐級接觸式和連續(xù)接觸式兩類，逐級接觸式以板式塔為代表，連續(xù)接觸式以填料塔為代表。7-2 選擇吸收劑的主要依據(jù)是什么？什么是溶劑的選擇性？吸收劑是保證吸收過程既高效又經(jīng)濟的重要因素。通常對吸收劑的性能有如下要求。(1)吸收劑對溶質(zhì)的溶解度大。吸收劑對溶質(zhì)的溶解度越大，則吸收推動力越大，吸收速率越快，吸收劑的消耗越少。(2)吸收劑對目標溶質(zhì)有好的選擇性。即對混合氣中其他組分不吸收或吸收甚微。(3)吸收劑的應具有不易揮發(fā)的特性。以減少吸收過程中吸收劑的損失，及混合氣中引入新雜質(zhì)。(4)若吸收液不是產(chǎn)品，則吸收劑應易于解吸而再生，循環(huán)使用。通?？刹捎蒙郎?，減壓，通入惰性氣體等方法進行解吸。(5)吸收劑在操作溫度下的粘度小，以利于傳質(zhì)與輸送；比熱小、以降低再生時的耗熱量；發(fā)泡性低，以免過分降低塔內(nèi)氣速而增大塔體積。(6)吸收劑應具有化學穩(wěn)定性好，腐蝕性低，毒性小，不易燃，價廉，來源廣泛等特點。7-3 溫度與壓力是如何影響吸收過程的平衡關(guān)系的？答：對于同一溶質(zhì)，在相同氣相分壓下，溶解度隨溫度升高而減??；隨溫度的升高，亨利系數(shù)、相平衡常數(shù)增大，溶解度系數(shù)減小。對于同一溶質(zhì)，在相同溫度下，溶解度隨氣相分壓升高而增大。隨氣相分壓的升高，亨利系數(shù)、溶解度系數(shù)幾乎不變。相平衡常數(shù)減小。7-4 亨利定律適用于氣液相平衡的哪種情況？其表達形式有哪些？答：只有在低濃度的氣體吸收時才可以使用亨利定律，其表達形式有： ，（對于稀溶液，）。7-5 若溶質(zhì)分壓的氣體混合物與溶質(zhì)濃度為的溶液接觸，如何判斷溶質(zhì)是從氣相向液相傳遞還是從液相向氣相傳遞？答：利用亨利定律計算，若0，則溶質(zhì)是從氣相向液相傳遞，反之，若0,則溶質(zhì)是從液相向氣相傳遞。7-6 兩相間傳質(zhì)的雙膜理論基本論點是什么？何謂液膜控制？何謂氣膜控制？答：有效膜模型認為相界面兩側(cè)分別存在一個層流氣膜與液膜，溶質(zhì)以定態(tài)分子擴散先后通過這兩層膜，全部傳質(zhì)阻力均集中在這兩層滯流膜。當溶質(zhì)A的溶解度很大時，即很大時，液膜傳質(zhì)阻力比氣膜傳質(zhì)阻力小很多，即傳質(zhì)阻力集中于氣膜中，稱為氣膜阻力控制或氣膜控制。反之，當溶質(zhì)A的溶解度很小時，即很小時，氣膜傳質(zhì)阻力比液膜傳質(zhì)阻力小很多，即傳質(zhì)阻力集中于液膜中，稱為液膜阻力控制或液膜控制。7-7 傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)有何物理意義？ 答：可以看做與的乘積，為單位塔截面積的惰性氣體摩爾流量，反應傳質(zhì)阻力的大小、填料性能的優(yōu)劣以及潤濕情況的好壞。吸收過程的傳質(zhì)阻力越大，填料層有效比表面積越小，則每個傳質(zhì)單元所相當?shù)奶盍蠈痈叨染驮酱蟆?傳質(zhì)單元數(shù)代表所需填料層總高度相當于傳質(zhì)單元高度(或)的倍數(shù)，它反應了吸收過程進行的難易程度。生產(chǎn)任務所要求的氣體組成變化越大，吸收過程的平均推動力越小，則意味著吸收的難度越大，此時所需的傳質(zhì)單元數(shù)也就越大。7-8 吸收劑用量對實際生產(chǎn)有何影響？最小液氣比如何計算？答：當平衡線不變，且分離任務（、）也保持不變時，若改變吸收劑的用量，操作線與平衡線的距離將產(chǎn)生變化并引起一系列技術(shù)和經(jīng)濟的優(yōu)化問題。增大吸收劑用量時，完成一定吸收任務所需的塔高降低，設(shè)備費減少；但吸收劑用量增大，輸送費用增加，吸收劑的再生費用增加，使操作費用增加。減小吸收劑用量時，吸收平均推動力降低，吸收速率減小，完成一定吸收任務所需的塔高增加，設(shè)備費增加；當吸收操作線與平衡線相交時，塔底氣液兩相達到平衡，即推動力為零，即使塔高無窮大也無法完成分離任務。此時的液氣比稱為最小液-氣比，用表示。對應的吸收劑用量為最小吸收劑用量。最小液-氣比可用操作線方程與平衡線來確定，最小液-氣比的計算方法有：若氣液相平衡關(guān)系為曲線，