化工总控工中级工复习

2020/2/19化工总控工中级工复习2020/2/19•五、计算题类型公式•1.流体的流速、质量流量、体积流量之间的公式换算。（一）流量：单位时间内流过管道某一截面的物质量。1．体积流量qv：单位时间内流体流过管道任一截面的体积。qv=V/t单位：m3/s2．质量流量qm：单位时间内流体流过管道任一截面的质量。qm=m/t单位：kg/s关系：qm=ρ·qv（二）流速u：指平均流速，即单位时间内流体在流动方向上流经的距离。然而流体质点在同一截面上各点流动速度不等。管壁处为零，中心最大。通常，流速指整个流通截面上流速的平均值。工程上以体积流量除以管子截面积表示，即u=qv/A单位：m/sA=πd2/4管径计算式(流量方程式)qv取决于生产需要：u根据经济权衡而定。u大d小操作费升，设备费降。ud4uAq2vuqdV4例1：某厂精馏塔进料量为50000㎏/h,料液的性质和水相近，密度为960㎏/m3,试选择进料管的管径并计算管内实际流速。解根据式(1-29)计算管径，即因料液的性质与水相近，故选取u=1.8m／s，因此由附录十七可查得Φ108㎜×4㎜最接近。其内径为：108-2×4=100㎜核算管内实际流速：在适宜流速范围内，所以该管子适用。核算管内实际流速：在适宜流速范围内，所以该管子适用。核算管内实际流速：核算管内实际流速：在适宜流速范围内，所以该管子适用。核算管内实际流速：核算管内实际流速：在适宜流速范围内，所以该管子适用。核算管内实际流速：2.静力学基本方程p2＝p0＋ρgh•(流体静力学)计算距离碱液池液面10米深处的表压。已知碱液的密度为2130Kg/m3。例：储槽内存放有密度860kg／m³的溶液，与槽底部测压孔相连的U形管压差计中汞柱的读数为150mm，U形管杯中汞的液面正好与储槽的内底水平，如图所示，储槽液面上方为大气压。试求该条件下储槽内溶液的体积为多少立方米和质量为多少吨?解:如图:U形杯管中等压面为A-B面,则pA=pB∵pA=pa+hρgpB=pa+ρHggR∴h=RρHg/ρ=0.15×13600/860=2.37m2020/2/193.伯努利方程2211221222fupupgZWegZh2020/2/191、流动流体所具有的能量1）流体自身具有的机械能——流体因处于重力场内而具有的能量。或理解为因物质具有某一定高度而具备的能量。①位能：2020/2/19质量为m㎏流体，在Z这一高度的位能)(JmgZ单位质量流体的位能)/(kgJgZ——流体以一定的流速流动而具有的能量。②动能：质量为m，流速为u的流体所具有的动能)(212Jmu单位质量流体所具有的动能)/(212kgJu2020/2/19③静压能（流动功）——通过某截面的流体具有的用于克服压力功的能量。或理解为流体因具有一定的压力而具备的能量。如图所示：流动着的流体内部任意位置都存在着静压力。一定质量（m㎏)的流体，要进入系统内，必须克服该位置处的压力而作功，所作功的大小即为静压能。功=力×距离2020/2/19流体在截面处所具有的压力FpS流体通过截面所走的距离为/lVS流体通过截面的静压能FlVpSS)(JpV单位质量流体所具有的静压能mVp(/)ppvJkg2020/2/19m㎏的流体在某位置Z处，若流速为u,压力为p，则具有的机械能总和为：单位质量流体自身所具有的总机械能为：21(/)2pgzuJkgmgZ+mu2/2+pV2020/2/19单位质量流体从输送设备(泵或风机)上得到的机械能称为外加能量或外加功,记为We,单位为J/㎏。①外加能量We：2）系统与外界交换的能量由于实际流体具有黏性,在流体流动过程中,流体层之间、流体层与管壁之间要产生摩擦力，即流动过程中存在阻力。为克服这一阻力，就要消耗流体内一部分机械能，这部分机械能称为能量损失。单位质量流体在流动系统中的能量损失记为Σhf，单位为J/㎏。②能量损失Σhf：2020/2/192、稳定流动系统的能量衡算衡算范围：截面1-1’和截面2-2’间的管道和设备。衡算基准：1kg流体。设1-1’截面的流体流速为u1，压强为P1，密度为ρ1；截面2-2’的流体流速为u2，压强为P2，密度为ρ2。取o-o’为基准水平面，截面1-1’和截面2-2’中心与基准水平面的距离为Z1，Z2。图2020/2/19对于定态流动系统：∑输入的机械能+外加能量We=∑输出的机械能+能量损失ΣhfΣ输入的机械能211112upgZΣ输出的机械能222222upgZ故得到机械能衡算式：221122121222fupupgZWegZh若为不可压缩流体（液体），则ρ1=ρ2=ρ2020/2/192211221222fupupgZWegZh——柏努利方程即实际流体的机械能衡算式2020/2/19应用柏努利方程的注意事项1）作图并确定衡算范围根据题意画出流动系统的示意图，并指明流体的流动方向，定出上下截面，以明确流动系统的衡标范围。2）截面的截取两截面都应与流动方向垂直，并且两截面的流体必须是连续的，所求得未知量应在两截面或两截面之间，截面的有关物理量Z、u、p等除了所求的物理量之外，都必须是已知的或者可以通过其它关系式计算出来。2020/2/193）基准水平面的选取所有基准水平面的位置可以任意选取，但必须与地面平行，为了计算方便，通常取基准水平面通过衡算范围的两个截面中的任意一个截面。如衡算范围为水平管道，则基准水平面通过管道中心线，ΔZ=0。4）单位必须一致在应用柏努利方程之前，应把有关的物理量换算成一致的单位，然后进行计算。两截面的压强除要求单位一致外，还要求表示方法一致。二、伯努利方程的应用1.输送流体①确定容器间的相对位置例：如本题附图所示，密度为850kg/m3的料液从高位槽送入塔中，高位槽中的液面维持恒定，塔内表压强为9.81×103Pa，进料量为5m3/h，连接管直径为φ38×2.5mm，料液在连接管内流动时的能量损失为30J/kg(不包括出口的能量损失)，试求高位槽内液面应为比塔内的进料口高出多少？分析：解：取高位槽液面为截面1-1’，连接管出口内侧为截面2-2’,并以截面2-2’的中心线为基准水平面，在两截面间列柏努利方程式：高位槽、管道出口两截面u、p已知求△Z伯努利方程AtKQm4．传热的基本计算•1．传热速率与热负荷的概念•生产上每一台换热器内，冷热流体间在单位时间内所交换的热量是根据生产所需的换热任务确定的。为了达到一定的换热目的，要求换热器在单位时间内传递的热量称为换热器的热负荷，是换热器的生产任务；而传热速率是换热器单位时间能够传递的热量，是换热器的生产能力，由换热界自身的性能决定。因此为确保换热器能完成传热任务，换热器的传热速率须大于至少等于其热负荷。•在换热器的选型过程中，可用热负荷代替传热速率，求得传热面积后再考虑一定的安全裕量，然后进行选型或设计。试计算压力为147.1kN/m2，流量为1500kg/h的饱和水蒸汽冷凝后并降温至50℃时所放出的热量。例此题可分成两步计算：一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二是水温降至50℃时所放出的显热。蒸汽冷凝成水所放出的热量为Q1查水蒸汽表得：p=147.1N/m2下的水的饱和温度ts=110.7℃；汽化潜热r=2230.1kJ/kgQ1=G1r=1500/3600*2230.1=929kJ/s=929kW水由110.7℃降温至50℃时放出的热量Q2平均温度t=(110.7+50)/2=80.4℃80.4℃时水的比热cp=4.195kJ/kg·℃Q2=G1cp(ts-t1)=1500/3600*4.195*(110.7-50)=106kJ/s=106kW共放出热量Q=Q1+Q2=929+106=1035kW解此题可分成两步计算：一是饱和水蒸汽冷凝成水，放出潜热；二是水温降至50℃时所放出的显热。蒸汽冷凝成水所放出的热量为Q1查水蒸汽表得：p=147.1N/m2下的水的饱和温度ts=110.7℃；汽化潜热r=2230.1kJ/kgQ1=G1r=1500/3600*2230.1=929kJ/s=929kW水由110.7℃降温至50℃时放出的热量Q2平均温度t=(110.7+50)/2=80.4℃80.4℃时水的比热cp=4.195kJ/kg·℃Q2=G1cp(ts-t1)=1500/3600*4.195*(110.7-50)=106kJ/s=106kW共放出热量Q=Q1+Q2=929+106=1035kW解•6.传热平均温度差三、平均温度差tm的计算基本假设：1）传热为定态操作过程；2）两流体的比热容为常数；3）总传热系数为常数；4）换热器的热损失可以忽略。恒温差传热：变温差传热：传热温度差不随位置而变的传热传热温度差随位置而改变的传热传热三、平均温度差tm的计算一）恒温差传热Ttt0AtTtm流动形式并流：逆流：错流：折流：两流体平行而同向的流动两流体平行而反向的流动两流体垂直交叉的流动一流体只沿一个方向流动，而另一流体反复折流二)变温差传热t1T1T2t2套管式T2T1t1t2T1T2t1t2图两侧流体变温时的温度变化并流逆流错流折流12121212图换热器中流体流向示意图1、逆流和并流时的平均温度差1212mlnttttt当≤2时212mttt现用一列管式换热器加热原油，原油在管外流动，进口温度为100℃,出口温度为160℃；某反应物在管内流动，进口温度为250℃，出口温度为180℃。试分别计算并流与逆流时的平均温度差。例题逆流操作时，因Δt1/Δt2=90/802，故可以用算术平均值:Δtm=(Δt1+Δt2)/2=(90+80)/2=85℃并流：逆流：并流：在冷热两种流体进出口温度一样的情况下，逆流的平均温度差大于并流。•7.精馏物料恒算•F=D+W•FXF=DXD+WXW1.全塔物料衡算衡算原则：输入=输出对总物料衡算：对于易挥发组分：若已知分离任务（即已知F、xF、xD、xW），则联解上两式可得到塔顶D、塔底W产品量。例：每小时将15000kg含苯40％和甲苯60%的溶液，在连续精馏塔中进行分离，要求将混合液分离为含苯97％的馏出液和釜残液中含苯不高于2％（以上均为质量百分数）。操作压力为101.3kPa。试求馏出液及釜残液的流量及组成，以千摩尔流量及摩尔分数表示。解：将质量百分数换算成摩尔分数，∵M苯=78kg／kmol，M甲苯=92kg／kmol∴原料液平均摩尔质量:Mm=0.44×78+0.56×92=85.8kmol/kg原料液的摩尔流量：F=15000/85.8=175kmol/h2.（精馏）某连续精馏塔处理料液50Kmol/h，料液中含甲苯60%，馏出液中含苯95%，釜残液中含甲苯不小于95%（以上均为摩尔百分率）。求每小时所得产品量。2．解：F=D+W即：50=D+W50×0.4=0.95D+0.05W得：D=19.5（Kmol/h）W=30.5（Kmol/h）