长江大学董盛富-84吸收过程的设计型计算(55)

1华东理工大学2001年硕士研究生入学考试试题一、简答题（20分）1.流体流动过程中，稳定性是指什么？定态性是指什么？流体流动过程中的稳定性是指流动系统对外界扰动的反应。任何一个系统若受到一个瞬时的扰动，使其偏离平衡状态，而在扰动消失之后，该系统能够自动恢复到原有平衡状态，则称该平衡状态是稳定的。反之，若在扰动消失之后该系统自动地进一步偏离原有平衡状态，则称该平衡状态是不稳定的。简言之，平衡状态可按对瞬时扰动的响应分为稳定的平衡状态和不稳定的平衡状态。流体流动过程中的定态性是指有关流动参数随时间的变化情况。若系统参数只随位置变化不随时间变化的系统称为定态系统。反之，系统参数既随位置变化，又随时间变化的系统称为非定态系统。2.简述因次论指导下的实验研究方法的主要步骤。主要步骤：（1）析因实验——寻找影响过程的主要因素；（2）规划实验——减少实验工作量；（3）数据处理——实验结果的正确表达。3.在表面过滤方式中，何谓架桥现象？在表面过滤方式中，并非只有粒径大于过滤介质空隙直径的颗粒才能被截留在过滤介质的表面，实际上，直径小于过滤介质孔径的颗粒亦能被截留在过滤介质的表面上，这是因为架桥现象所致。不同粒径的颗粒可在空隙处相互搭接，使原有空隙变小，从而小于原有空隙直径的颗粒亦能被截留下来。这种现象称之为“架桥现象”。4.简述旋风分离器性能指标分割直径的概念。旋风分离器分割颗粒临界直径的大小是其主要性能指标之一。其能分割出的临界直径的大小可根据以下三点假设推导出来：（1）颗粒与气体在旋风分离器内的切线速度恒定，与所在位置无关，且等于在进口处的速度；（2）颗粒沉降过程中所穿过的气流最大厚度等于进气口宽度；（3）颗粒与气流的相对运动为层流。根据上述假设有：sicuNBd9（式中各参数的意义略）式中cd为能100%除去的最小颗粒的粒径。实际上由于旋风分离器内气流流动的复杂性，很难满足上述的三点简化假设，因此要使cd以上的颗粒100%的除去是不可能的。5.液体沸腾的必要条件有哪两个？（1）液体必须过热；（2）具有汽化核心。6.循环型蒸发器中，降低单程汽化率的目的是什么？在循环型蒸发器中，提高循环速度的重要性不仅在于提高沸腾给热系数，更重要的是在于降低单程汽化率。在同样蒸发能力下，循环速度愈大，单位时间内通过加热管的液体量愈多，溶液一次通过加热管后汽化的百分数愈低，这样溶液在加热管壁面附近的局部浓度增高现象可以减轻，加热面上的结垢现象可以延缓。溶液浓度愈高，为减轻结垢所需的循环速度愈大。故需降低单程汽化率。7.筛板塔的汽液接触状态有哪三种？各有什么特点？（1）鼓泡接触状态：当孔速较低时，通过筛孔的气流断裂成气泡在板上液层中浮升，塔板上两相呈鼓泡接触状态。此时，塔板上存在着大量的清液，气泡数量不多，板上液层表面十分清晰。由于气泡数量较少，液层内部气泡之间很少相互合并，只有在液层表面附近才有气泡的相互合并成较大气泡并随之破裂。在鼓泡接触状态，两相接触面积为气泡表面积，由于气泡数量少，气泡表面的湍动程度较低，故鼓泡接触2状态的传质阻力较大。（2）泡沫接触状态：随着孔速的增加，气泡数量急剧增多，气泡表面连成一片并且不断发生合并与破裂。此时，板上液体大部分是以液膜的形式存在于气泡之间，仅在靠近塔板表面处才能看到少许清液。这种接触状态称为泡沫接触状态。和鼓泡接触状态不同，泡沫接触状态下的两相传质表面不是为数不多的气泡表面，而是面积很大的液膜，此液膜高度湍动而且不断合并和破裂，为两相传质创造了良好的流体力学条件。在泡沫接触状态，液体仍为连续相，而气体仍为分散相。（3）喷射接触状态：当孔速继续增加，动能很大的气体从筛孔以射流形式穿过液层，将板上的液体破碎成许多大小不等的液滴而抛于塔板上方空间。被喷射出去的液滴落下以后，在塔板上汇聚成很薄的液层并再次破碎成液滴抛出。气液两相的这种接触状态为喷射接触状态。在喷射接触状态下，两相传质面积为液滴的外表面。液滴的多次形成与合并使传质表面不断更新，也为两相传质创造了良好的流体力学条件。在喷射接触状态，液体为分散相，气体为连续相，这是喷射状态与泡沫状态的根本区别。由喷射状态转变为泡沫状态的临界点为转相点。实际应用中，两相接触不是泡沫状态，就是喷射状态，很少采用鼓泡接触状态的。其特征分别是不断更新的的液膜表面和不断更新的液滴表面。8.简述萃取（三元物系）过程中的临界混溶点、选择性系数？（1）临界混溶点：当加入的溶质A至某一浓度，使两共轭相的组成无限趋近而变为同一相，表示这一组成的点称之为临界混溶点。（2）选择性系数：溶质A在两相中含量的差异可用选择性系数来表达，其定义为：BABABAkkxxyy//（相当于精馏操作中的相对挥发度）1时，说明组分A在萃取相中的相对含量比萃余相中的高，即组分A、B得到了一定程度的分离。AAAxyk/越大，BBBxyk/越小，则BAkk/越大，组分A、B越容易分离。1时，BAkk，即E相和R相在脱出了S后具有相同的组成，且等于原料液的组成，这说明混合液A、B不能用S萃取分离。时，则0By，B和S完全不互溶，所选S最理想。9.在恒定干燥条件下，将含水35%（湿基）的湿物料进行干燥，开始时干燥速度恒定，当干燥至含水量为8%（干基）时，干燥速率开始下降，再继续干燥至物料恒重，并测得此时物料含水量为0.08%（干基）。则物料的临界含水量为8%（干基），平衡含水量为0.08%（干基），自由含水量为53.77%（干基）。10.简述干燥中的临界含水量受哪些因素的影响。固体物料在恒速干燥终了时的含水量称为临界含水量，而从中扣除平衡含水量后的则称之为临界自由含水量。临界含水量不仅与物料本身的结构、分散程度有关，也受干燥介质条件（流速、温度、湿度）的影响。物料分散越细，临界含水量越低；等速阶段的干燥速率越大，临界含水量越高。二、（20分）一列管式换热器，内有219mm的钢管33根，管长1.5m，单管程。现将此换热器用来冷凝某工艺物料的蒸汽，壳程蒸汽的冷凝温度为90℃，蒸汽侧热阻、管壁热阻可忽略。冷却水走管程，进口温度为C511t，流量为21m3/h。试求：（1）蒸汽冷凝量为多少？冷却水的出口温度为多少？（0.522kg/s，40.7℃）（2）夏季时，冷却水进口温度为25℃，若冷却水流量不变，则蒸汽冷凝量为多少？（0.451kg/s）3已知冷却水的比热K)0J/(kg418pC，粘度s1mPa，密度30kg/m100，导热系数6W.0K)/(m物料蒸汽的气化潜热J/kg102.16r。（设以上物性不随温度变化）。解：（1）依题意，热阻集中在管内侧，只考虑管内的对流热阻，故应以换热管的内表面为计算基准较为合理，即iiK，流通面积：2223m0058001503378507850...nd.Si，换热面积：2m331.25.1015.014.333LdnAii，管内流速：1m/s)0058303600(21./S/Qu，水的质量流量：5.833kg/s36002110002/ms。10000150001011000101503/./duReii96766010141803..//CPriipiiK)W/(m4384967615000)0150.60(0230)(0230240804080...i.iiii../.PrRed/.2W/m1022133124384.AKiiC7.40419.03600/418010002110221901590lnln22222112tCmAKttTtTtttpsiissm2kg/s52.0)102.1/()157.40(4180833.5/)(612221rttCmmpss（2）因冷却水流量不变，且物性不随温度变化，则iiK不变。于是有：0.451kg/s522.0157.40252.47)()(C2.47419.0902590ln112121122212221s122sspspssmttttmttcmttcmrmrmtt所以：又三、（20分）欲按下图流程设计吸收塔。已知05.01y（摩尔分率，下同），吸收率9.0，h)kmol/(m1502G，004.03x，015.02x，1/32LL，塔顶处液气比（摩尔比）为0.5，全塔的5m.0OGH，相平衡关系xy5.0。L2在塔内液相组成与2x相同处加入。试求：（1）所需塔高（2.943m）（2）若L2与L3合并后由塔顶加入，试定性分析所需塔高将发生什么变化？并在xy~图上画出上述两种进料方案的操作线。（所需塔高增加）解：（1）005.0)9.01(05.0)1(13yy塔上半段的吸收推动力：因mGL/3，即操作线与平衡线平行（见图解），于是有：003.0004.05.0005.033321mxyyyym在第二股吸收液入塔处的气相浓度2y0105.0015.05.0003.0222mxyy全塔物料衡算得出塔液相浓度1x0545.0)()(1223312331xxLxLxLLyyG塔下半段的吸收推动力：00975.0)]015.05.00105.0/()0545.05.005.0ln[()015.05.00105.0()0545.05.005.0(2my1,yG1x22,xL33,xL3y吸收操作的y-x图00.010.020.030.040.050.060.0000.0150.0300.0450.060xy4051.400975.00105.005.0833.1003.0005.00105.022121321mOGmOGyyyNyyyN所需塔高：m942.2)(21OGOGOGNNHH（2）两股吸收液合并后从塔顶进入，混合后液相浓度为0095.02/)015.0004.0(3x，对应的气相平衡浓度00475.00095.05.033xmy，出塔气组成（005.03y）接近平衡点数值。由图示可知，在塔的下半段CB段，吸收操作线的位置并未发生改变，与（1）况重合，而在塔的上半段BA段，吸收操作的推动力已明显减小（原操作线为BA，现为AB），故要维持相同的吸收率，必须增加塔高。四、（20分）连续操作的常压精馏塔用于分离双组分混合物。已知原料液中含易挥发组分40.0Fx（摩尔分率，下同），进料状况为汽液混合物，其摩尔比为汽量比液量为1：1，所达分离结果为塔顶产品98.0Dx，塔釜残液02.0Wx，若该系统的相对挥发度2，操作时采用的回流比min6.1RR，试计算：（1）易挥发组分的回收率?（0.970）（2）最小回流比?minR（3.04）（3）提馏段操作线的数值方程（00663.0332.1xy）（4）若在饱和液相组成70.0x的塔板处抽侧线，其量又和有侧线时所获得的塔顶产量D相等，减少采出率D/F，回流比5R，理论板为无穷多，那么此时塔顶的浓度Dx可能维持的最高值将是多少？（0.92）解：（1）易挥发组分的回收率FDFxDx/由全塔物料衡算得：3958.0)02.098.0/()02.040.0()/()(/WDWFxxxxFD970.040.0/98.03958.0/FDFxDx（2）最小回流比进料线方程：8.015.040.015.05.011xxqxxqqyF（1）相平衡方程：xxxxy12)1(1（2）联立（1）、（2）两式求解得：3177.0ex，4822.0ey024.37515.03177.098.04822.098.01minminminRxxyxRReDeD（3）8