化工原理上册 绪论 作业题  【0-1】从基本单位换算入手，将下列物理量的单位换算为SI制。 （1）40℃时水的粘度μ=0.00656g(cm·s) （2）某物质的比热容CP=0.21BTU/(lb·F) （3）密度ρ＝1386kgf·s2/m4 （4）传热系数KG=24.2kmol/(m2·h·atm) （5）表面张力σ＝71dyn/cm （6）导热系数λ＝1kcal/(m·h·℃) [答：μ=6.56×10-4Pa·s； CP=0.8792kJ/(kg·℃)； ρ＝13600kg/m3； KG=6.636×10-5kmol/(m2·s·kPa)； σ＝7.1×10-2N/m； λ＝1.163W/(m·℃)] 【0-2】清水在圆管内对管壁的强制湍流对流传热系数随温度的变化可用下面经验公式表示，即： α ＝150（1＋2.93×10-3T）u0.8d-0.2 式中 α ――对流传热系数，BTU/(ft2·h·F)； T――热力学温度，K； u――水的流速，ft/s； d――圆管内径，in。 试将式中各物理量的单位换算为SI制，即α为W/(m2·K)，T为K，u为m/s，d为m。 [答：α＝1057（1＋2.93×10-3T）u0.8d-0.2] 第一章 流体流动 1-1 流体静力学基本方程式  1-1．在本题附图所示的贮油罐中盛有密度为960kg/m3的油品，油面高于罐底9.6m，油面上方为常压。在罐侧壁的下部有一直径为760mm的圆孔，其中心距罐底800mm，孔盖用14mm的钢制螺钉紧固。若螺钉材料的工作应力取为39.23×106Pa，问至少需要几个螺钉？ [答：至少要7个]  1-2．某流化床反应器上装有两个U管压差计，如本题附图所示。测得R1＝400mm，R2＝50mm指示液为水银。为防止水银蒸气向空间扩散，于右侧的U管与大气连通的玻璃管内灌入一段水，其高度R3＝50mm。试求A、B两处的表压强。 [答：PA=7.16×103Pa（表压），PB=6.05×104Pa]  1-3.本题附图为远距离测量控制装置，用以测定分相槽内煤油和水的两相界面位置。已知两吹气管出口的距离H=1m，U管压差计的指示液为水银，煤油的密度为820kg/m3。试求当压差计读数R=68mm时，相界面与油层的吹气管出口距离h。 [答：h=0.418m]  1-4.用本题附图中串联U管压差计测量蒸汽压，U管压差计的指示液为水银，两U管间的连接管内充满水。已知水银面与基准面的垂直距离分别为：h1=2.3m、h2=1.2m、h3=2.5m及h4=1.4m。锅中水面与基准面间的垂直距离h5=3m。大气压强Pa=99.3×103Pa。试求锅炉上方水蒸气的压强P。（分别以Pa和kgf/cm2来计量）。 [答：P=3.64×105Pa=3.71kgf/cm2 ] 1-2 流体在管内的流动  1-5．列管换热器的管束由121根φ25×2.5mm的钢管组成。空气以9m/s速度在列管内流动。空气在管内的平均温度为50℃、压强为196×103Pa（表压），当地大气压为98.7×103Pa。试求：（1）空气的质量流量；（2）操作条件下空气的体积流量；（3）将（2）的计算结果换算为标准状况下空气的体积流量。 [答：（1）1.09kg/s；（2）0.343m3/s；(3)0.84m3/s] 1-6．高位槽内的水面高于地面8m，水从108×4mm的管道中流出，管路出口高于地面2m。在本题特定条件下，水流经系统的能量损失可按Σhf=6.5u2计算，其中u为水在管内的流速，m/s。试计算：（1）A-A’截面处水的流速；（2）水的流量，以m3/h计。 [答：（1）2.9m/s；（2）82m3/h]  1-7．20℃的水以2.5m/s的流速流经φ的水平管，此管以锥形管与另一53×3mm的水平管相连。如本题附图所示，在锥形管两侧A、B处各插一垂直玻璃管以面察两截面的压强。若水流经A、B两截面间的能量损失为1.5J/kg求两玻璃管的水面差（以mm计），并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。 [答：88.6mm]  1-8．用离心泵把20℃的水从贮槽送至水洗塔顶部，槽内水位维持恒定。各部分相对位置如本题附图所示。管路的直径均为φ76×2.5mm在操作条件下，泵入口处真空表的读数为24.66×103Pa；水流经吸入管与排出管（不包括喷头）的能量损失可分别按Σhf,1=2u2与Σhf,2=10u2计算，由于管径不变，故式中u为吸入或排出管的流速m/s。排水管与喷头连接处的压强为98.07×103Pa（表压）。试求泵的有效功率。 [答Ne=2.26kW]  1-3 流体的流动现象  1-9.本题附图所示为冷冻盐水循环系统。盐水的密度为1100kg/m3，循环量为36m3/h。管路的直径相同，盐水由A流经两个换热器而至B的能量损失为98.1J/kg，由B流至A的能量损失为49J/kg，试计算：（1）若泵的效率为70％时，泵的轴功率为若干kW？（2）若A处的压强表读数为若干Pa？ ?[答：（1）2.31kW；(2)6.2×104Pa(表压)]  1-10.在实验室中，用玻璃管输送20℃的70％醋酸。管内径为1.5cm，流量为10kg/min。用SI和物理单位各算一次雷诺准数，并指出流型。 [答：Re=5.66×103] 1-11.用压缩空气将密度为1100kg/m3的腐蚀性液体自低位槽送到高位槽，两槽的液面维持恒定。管路直径均为φ60×3.5mm，其它尺寸见本题附图。各管段的能量损失为 ， 。两压差计中的指示液均为水银。试求当R1=45mm，h=200mm时：（1）压缩空气的压强p1为若干？（2）U管压差计读数R2为多少？ [答：(1)1.23×105Pa(表压)；(2)630mm]  （提示：U形管压差计读数R1表示了BC段的能量损失，即 ） 1-4 流体在直管内的流动阻力  1-12.在本题附图所示的实验装置中，于异径水平管段两截面间连一倒置U管压差计，以测量两截面之间的压强差。当水的流量为10800kg/h时，U管压差计读数R为100mm。粗、细管的直径分别为60×3.5mm与φ42×3mm。计算：（1）1kg水流经两截面间的能量损失；（2）与该能量损失相当的压强降为若干Pa？ [答：（1）4.41J/kg；（2）4.41×103Pa]  1-13.密度为850kg/m3、粘度为8×10-3Pa·s的液体在内径为14mm的钢管内流动，溶液的流速为1m/s。试计算：（1）雷诺准数，并指出属于何种流型；（2）局部速度等于平均速度处与管轴的距离；（3）该管路为水平管，若上游压强为147×103Pa，液体流经多长的管子其压强才下降到127.5×103Pa？ [答：（1）1.49×103；（2）4.95mm；（3）14.93m] 1-14.每小时将2×104kg的溶液用泵从反应器输送到高位槽（见本题附图）。反应器液面上方保持26.7×103Pa的真空度，高位槽液面上方为大气压强。管道为φ76×4mm的钢管，总长为50m，管线上有两个全开的闸阀、一个孔板流量计（局部阻力系数为4）、五个标准弯头。反应器内液面与管路出口的距离为15m。若泵的效率为0.7，求泵的轴功率。 溶液的密度为1073kg/m3，粘度为6.3×10-4Pa·s。管壁绝对粗糙度ε可取为0.3mm。 [答：1.63kW]  1-15.从设备送出的废气中含有少量可溶物质，在放空之前令其通过一个洗涤器，以回收这些物质进行综合利用，并避免环境污染。气体流量为3600m3/h（在操作条件下），其物理性质与50℃的空气基本相同。如本题附图所示，气体进入鼓风机前的管路上安装有指示液为水的U管压差计，其读数为30mm。输入管与放空管的内径均为250mm，管长与管件、阀门的当量长度之和为50m（不包括进、出塔及管出口阻力），放空口与鼓风机进口的垂直距离为20m，已估计气体通过塔内填料层的压强降为1.96×103Pa。管壁的绝对粗糙度ε可取为0.15mm，大气压强为101.33×103Pa。求鼓风机的有效功率。 [答：3.09kW]  1-5 管路计算  1-16．10℃的水以500L/min的流量过一根长为300m的水平管，管壁的绝对粗糙度为0.05mm。有6m的压头可供克服流动的摩擦阻力，试求管径的最小尺寸。 [答:90.4mrn] 1-17．在两座尺寸相同的吸收塔内，各填充不同的填料，并以相同的管路并联组合。每条管上均装有闸阀，两支路的管长均为5m(包括除了闸阀以外的管件局部阻力的当量长度)，管内径为200mm。通过填料层的能量损失可分别折算为5u21与4u22，式中u为气体在管内的流速m/s。气体在支管内流动的摩擦系数λ＝0.02。管路的气体总流量为0.3m3/s。试求（1）当两阀全开时，两塔的通气量；（2）附图中AB的能量损失。 [答：（1）Vs1=0.142/s，Vs2=0.158m3/h；（2）108.6J/㎏]  1-18．用离心泵将200C水经总管分别送至A、B容器内，总管流量为89m3/h，总管直径为φ127×5mm。原出口压强表读数为1.93×103Pa，容器B内水面上方表压为1kgf/cm2。总管的流动阻力可忽略，各设备间的相对位置如本题附图所示。试求：（1）离心泵的有效压头He；（2）两支管的压头损失 。 [答(1)17.94m；(2) m， m]  1-19．用效率为80%的齿轮泵将粘稠的液体从敞口槽送至密闭容器内，两者液面均维持恒定，容器顶部压强表的读数为30×103Pa。用旁路调节流量，其流程如本题附图所示。主管流量为14m3/h，管径为φ66×3mm，管长为80m（包括所有局部阻力的当量长度）。旁路的流量为5m3/h，管径为φ32×2.5mm，管长为20m（包括除了阀门外的所有局部阻力的当量长度）。两管路的流型相同，忽略贮槽液面至分支点O之间的能量损失。被输送液体的粘度为50mPa·s，密度为1100kg/m3。试计算(1)泵的轴功率；(2)旁路阀门的阻力系数。 [答：（1）10.0877kW；（2）8.01]  1-6 流量测量  1-20．在φ38×2.5mm的管路上装有标准孔板流量计，孔板的孔径为16.4mm，管中流动的是20℃的甲苯，采用角接取压法，用U管压差计测量孔板两测的压强差，以水银为指示液，测压连接管中充满甲苯。现测得U管压差计的读数为600mm，试计算管中甲苯的流量为若干kg/h？ [答：5427kg/h] 1-21．用φ57×3.5mm的钢管输送80℃的热水（其饱和蒸汽压为47.37kPa、密度为971kg/m3、粘度为0.3565mPa·s），管路中装一标准孔板流量计，用U形管汞柱压差计测压强差（角接取压法），要求水的流量范围是10~20m3/h，孔板上游压强为101.33kPa（表压）。试计算： （1）U形管压差计的最大量程Rmax； （2）孔径d0； （3）为克服孔板永久压强降所消耗的功率。 当地大气压强为101.33kPa。 [答：（1）1.254m；（2）d0=25.5mm；（3）Ne=616W] 1-22．某转子流量计，出厂时用标准状况下的空气进行标定，其刻度范围10~50m3/h，试计算： （1）用该流量计测定20℃的CO2流量，其体积流量范围为若干？ （2）用该流量计测定20℃的NH3气流量，其体积流量范围为若干？ （3）现欲将CO2的测量上限保持在50m3/h应对转子作何简单加工？ 当地的大气压为101.33kPa。 [答：（1）8.4~42.0m3/h；(2)13.5~67.6 m3/h；(3)顶端面积削小使AR2=1.19AR1] 第二章 流体输送机械 知识点2-1 离心泵的工作原理及性能参数  【2-1】在用水测定离心泵性能的实验中，当流量为26m3/h时，离心泵出口处压强表和入口处真空表的读数分别为152kPa和24.7kPa，轴功率为2.45kW，转速为2900r/min。若真空表和压强表两测压口间的垂直距离为0.4m，泵的进、出口管径相同，两测压口间管路流动阻力可忽略不计。试计算该泵的效率，并列出该效率下泵的性能。 [答：泵的效率为53.1％，其它性能略] 【2-2】如本题附图所示的输水系统，管路直径为φ80×2mm，当流量为26m3/h时，吸入管路的能量损失为6J/kg，排出管路的压头损失为0.8m，压强表读数为245kPa，吸入管轴线到U形管汞面的垂直距离h = 0.5m，当地大气压强为98.1kPa，试计算： （1）泵的升扬高度与扬程； （2）泵的轴功率（η=70%）； （3）泵吸入口压差计读数R。  [答：(1)ΔZ = 24.9m, H =30.84m; (2)N = 4.32kW; (3)R = 0.3573m] 2-2 离心泵在管路中的运行  【2-3】用某离心泵以40m3/h的流量将贮水池中65℃的热水输送到凉水塔顶，并经喷头喷出而落入凉水池中，以达到冷却的目的。已知在进水喷头之前需要维持49kPa的表压强，喷头入口较热水池水面高6m。吸入管路和排出管路中压头损失分别为1m和3m，管路中的动压头可以忽略不计。试选用合适的离心泵，并确定泵的安装高度。当地大气压按101.33kPa计。 [答：泵的型号为IS80-65-125型（n=2900r/min）或3B19型水泵，安装高度约为2.5m] 【2-4】常压贮槽内盛有石油产品，其密度为760kg/m3，粘度小于20cSt，在贮存条件下饱和蒸汽压为80kPa，现拟用65Y-60B型油泵将此油品以15m3/h的流量送往表压为177kPa的设备内。贮槽液面恒定，设备的油品入口比贮槽液面高5m，吸入管路和排出管路的全部压头损失分别为1m和4m。试核算该泵是否合用。 若油泵位于贮槽液面以下1.2m处，问此泵能否正常操作？当地大气压按101.33kPa计。 [答：合用；能正常操作] 【2-5】欲用例2-2附图所示的管路系统测定离心泵的汽蚀性能参数，则需要在泵的吸入管路中安装调节阀门。适当调节泵的吸入和排出管路上两阀门的开度，可使吸入管阻力增大而管内流量保持不变。若离心泵的吸入管直径为100mm，排出管直径为50mm，孔板流量计孔口直径为35mm，测得流量计压差计读数为0.85mHg，吸入口真空表读数为550mmHg时，离心泵恰发生汽蚀现象，试求该流量下泵的允许汽蚀余量和允许吸上真空度。已知水温为20℃，当地大气压为760 mmHg。 [答：NSPH=2.45m；允许吸上真空度为7.48m] 【2-6】用水对某离心泵做实验，得到下列各实验数据： Q/(L/min) 0 100 200 300 400 500  H/m 37.2 38 37 34.5 31.8 28.5  若泵送液体的管路系统：管径为￠76×4mm、长为355m（包括局部阻力的当量长度），吸入和排出空间为常压设备，两者液面间垂直距离为4.8m，摩擦系数可取为0.03。试求该泵在运转时的流量。若排出空间为密闭容器，其内表压为129.5kPa，再求此时泵的流量。被输送液体的性质与水的相似。 [答：泵的流量分别为400L/min，310L/min] 【2-7】用两台离心泵从水池向高位槽送水，单台泵的特性曲线方程为 H=25-1×106Q2, 管路特性曲线方程可近似表示为 He=10+1×105Qe2, 两式中Q的单位为m3/s，H的单位为m。 试问两泵如何组合才能使输液量大？（输水过程为定态流动） [答：并联组合输送量大；Q=0.00655m3/s] 2-3 其它流体输送机械  【2-8】现采用一台三效单动往复泵，将敞口贮罐中密度为1250kg/m3的液体输送到表压力为1.28×106kPa的塔内，贮罐液面比塔入口低10m，管路系统的总压头损失为2m。已知泵的活塞直径为70mm，冲程为225mm，往复次数为200 1/min，泵的总效率和容积效率分别为0.9和0.95。试求泵的实际流量、压头和轴功率。 [答：Q=0.494m3/min; H=116.4m; N=13.05kW] 【2-9】已知空气的最大输送量为14500kg/h，在最大风量下输送系统所需的风压为1600Pa（以风机进口状态计）。由于工艺条件的要求，风机进口与温度为40℃、真空度为196Pa的设备连接。试选合适的离心通风机。当地大气压力为93.3kPa。 [答：通风机型号为4-72-11No.8c] 【2-10】15℃的空气直接由大气进入风机再通过内径为800mm的水平管道送到炉底，炉底的表压为10.8kPa。空气输送量为20000m3/h（进口状态计），管长为100mm（包括局部阻力的当量长度），管壁的绝对粗糙度可取为0.3mm。现库存一台离心通风机，其性能如下表所示。核算此风机是否合用？当地大气压为101.33kPa。 转速/（r/min） 风压/Pa 风量/（m3/h）  1450 12650 21800  [答：合用] 【2-11】某单级双缸双动空气压缩机，活塞直径为300mm，冲程为200mm，往复次数为480 1/min。压缩机的吸气压力为9.807×104Pa，排气压力为34.32×104Pa。试计算该压缩机的排气量和轴功率。假设气缸的余隙系数为8％，排气系数为容积系数的85％，绝热总效率为0.7。空气的绝热指数为1.4。 [答：Vmin=20.39m3/min；N=71.9kW] 【2-12】用三级压缩将20℃的空气从98.07×103kPa压缩到62.8×105Pa，设中间冷却器能把送到后一级的空气冷却到20℃，各级压缩比相等。试求： （1）在各级的活塞冲程及往复次数相同情况下，各级气缸直径的比。 （2）三级压缩所消耗的理论功（按绝热过程考虑，空气绝热指数为1.4，并以1kg计）。 [答：各级气缸直径比为16:4:1，W = 428.8kJ] 第三章 机械分离及固体流态化 3-1 颗粒及颗粒床层的特性  4-1．取颗粒试样1000g，作筛分分析，所用筛号及筛孔尺寸见本题附表中第1、2列，筛析后称取各号筛面上的颗粒截留量列于本题附表中第3列，试求颗粒群的平均直径。 [答：da=0.345㎜] 习题4-1附表 筛号 筛孔尺寸,mm 截流量,g 筛号 筛孔尺寸,mm 截流量,g  10 14 20 28 35 48 1.651 1.168 0.833 0.589 0.417 0.295 0 40.0 80.0 160 260 220 65 100 150 200 270 0.208 0.147 0.104 0.074 0.053 120 60.0 30.0 20.0 10.0 共计500  4－2．在截面积为1m2的圆筒中，分段填充直径分别为0.5mm及5mm的球形颗粒各0.5m高，20℃的空气从下向上通过固定床层，空塔速度为0.1m/s。假设床层空间均匀分割成边长等于球粒直径的方格，每一方格放置一个球粒，试计算: (1)两段床层的空隙率ε和比表面积ab； (2)空气流经整个床层的压降 ,Pa。 [答：(1)ε=0.4764；ab细=6283m2/m3；ab粗=628.3m2/m3； =452.9+9.1=462Pa] 3-2 沉降分离  3-3．密度为2650kg/m3的球形石英颗粒在20℃空气中自由沉降，计算服从斯托克斯公式的最大颗粒直径及服从牛顿公式的最小颗粒直径。 [答：dmax=57.4μm，dmin=1513μm] 3-4．在底面积为40m2的除尘室内回收气体中的球形固体颗粒。气体的处理量为3600m3/h，固体的密度ρs＝3000kg/m3,操作条件下气体的密度ρ＝1.06kg/m3，粘度为2×10-5Pa·s。试求理论上能完全除去的最小颗粒直径。 [答：d=17.5μm] 3-5．用一多层除尘室除去炉气中的矿尘。矿尘最小粒径为8 m，密度为4000kg/m3。除尘室长4.1m，宽1.8m，高4.2m，气体温度为427℃，粘度为3.4×10-5Pa·s，密度为0.5kg/m3。若每小时的炉气量为2160标准m3，试确定降尘室内隔板的间距及层数。 [答：h=80.8mm，n=51] 3-6．已知含尘气体中尘粒的密度为2300kg/m3，气体流量为1000m3/h、粘度为3.6×10-5Pa·s、密度为0.674kg/m3，采用如图3-7所示的标准型旋风分离器进行除尘。若分离器圆筒直径为0.4m，试估算其临界粒径、分割粒径及压力降。 [答：dc=8.04μm，d50=5.73μm，Δp=520Pa] 3-7．某旋风分离器出口气体含尘量为0.7×10-3kg/标准m3，气体流量为5000标准m3/h，每小时捕集下来的灰尘量为21.5kg。出口气体中的灰尘粒度分布及捕集下来的灰尘粒度分布测定结果列于本题附表中： 习题 3-7附表 粒径范围/μm 0～5 5～10 10～20 20～30 30～40 40～50 ＞50  在出口灰尘中所占地质量分率,% 16 25 29 20 7 2 1  在捕集的灰尘中所占地质量分率,% 4.4 11 26.6 20 18.7 11.3 3  试求：（1）除尘效率；（2）绘出该旋风分离器的粒级效率曲线。（提示：作di～ηp,i曲线） [答：（1）η0＝86％；（2）略] 3-3 过滤分离  3-8．在实验室用一片过滤面积为0.1m2的滤叶对某种颗粒在水中的悬浮液进行实验，滤叶内部真空度为500mmHg。过滤5min得滤液0.6L。若再过滤5min，可得滤液多少？ [答：可再得滤液0.473L] 3-9．以小型板框压滤机对碳酸钙颗粒在水中的悬浮液进行过滤实验，测得数据列于本题附表中： 已知过滤面积为0.093m2，试求：（1）过滤压力差101.1kPa时的过滤常数K、qe及；（2）滤饼的压缩性指数s；（3）若滤布阻力不变，试写出此滤浆在过滤压力差196.2kPa时的过滤方程式。 习题2附表 过滤压强差Δp/kPa 过滤时间θ/s 滤液体积V/m3  103.0 50 2.27×10-3   660 9.10×10-3  343.4 17.1 2.27×10-3   233 9.10×10-3  [答：（1）K=1.572×10-5m2/s，qe=3.91×10-3m3/m2，θe=0.971s；（2）s=0.153；（3）过滤方程式为：(q+3.544×10-2)2=2.714×10-5（θ+0.463）] 3-10．用一台BMS50/810-25型板框压滤机过滤某悬浮液，悬浮液中固相质量分率为0.139，固相密度为2200kg/m3，液相为水。每1m3滤饼中含500kg水，其余全为固相。已知操作条件下的过滤常数K=2.72×10-5m2/s，qe=3.45×10-3m3/m2，滤框尺寸为810×810×25，共38个框。试求：（1）过滤至滤框内全部充满滤渣所需的时间及所得的滤液体积；（2）过滤完毕用0.8m2清水洗涤滤饼，求洗涤时间。洗水温度及表压与滤浆的相同。 [答：（1）θ=249s；V=3.935m3；（2）θW=389s；] 3-11．在3×105Pa的压力差下对钛白粉在水中的悬浮液进行过滤实验，测得过滤常数K=5×10-5m2/s，qe=0.01m3/m2，又测得滤饼体积与滤液体积之比υ=0.08。现拟用有38个框的BMS50/810-25型板框压滤机处理此料浆，过滤推动力及所用滤布也与实验用的相同。试求：（1）过滤至框内全部充满滤渣所需的时间；（2）过滤完毕以相当于滤液量1/10的清水进行洗涤，求洗涤时间；（3）若每次卸渣、重装等全部辅助操作时间共需15min，求每台过滤机的生产能力（以每小时平均可得多少m3滤饼计）。 [答：（1）θ=551s；（2）θW=416s；（3）V=1.202m3（滤饼）/h] 3-12．某悬浮液中固相质量分率为9.3%，固相密度为3000kg/m3，液相为水。在一小型压滤机中测得此悬浮液的物料特性常数k=1.1×10-4m2(s·atm)。滤饼的空隙率为40%。现采用一台GP5-1.75型转筒真空过滤机进行生产（此过滤机的转鼓直径为1.75m，长度为0.98m，过滤面积为5m2，浸没角为120o，转速为0.5r/min），操作真空度为80.8kPa。已知滤饼不可压缩，过滤介质阻力可以忽略。试求此过滤机的生产能力及滤饼厚度。 [答：Q=12.51m3/h，滤饼厚度b=4.86mm] 3-13．用板框过滤机在恒压差下过滤某种悬浮液，滤框边长为0.65m，已测得操作条件下的有关参数为：K=6×10-5m2/s，qe=0.01m3/m2，υ=0.1m3/m2。滤饼不要求洗涤。其它辅助时间为20min，要求过滤机的生产能力为9m3/h，试计算：（1）至少需要几个滤框n？（2）框的厚度L。 [答：（1）取28框；（2）L=54mm] 3-4 固体流态化技术  3-14．已知苯酐生产的催化剂用量为37400kg，床径为3.34m，进入设备的气速为0.4m/s，气体密度为1.19kg/m3。采用侧缝锥帽型分布板，求分布板的开孔率。 [答：开孔率为0.674%，取阻力系数ζ=2] 3-15．平均粒径为0.3mm的氯化钾球形颗粒在单层圆筒形流化床干燥器中进行流化干燥。固相密度ρs=kg/m3。取流化速度为颗粒带出速度的78%，试求适宜的流化速度和流化数。干燥介质可按60℃的常压空气查取物性参数。 [答：u=1.326m/s，ut/umf=32.3] 第四章 传热 4-2 热传导  4-1 平壁燃烧炉的平壁由三种材料构成。最内层为耐火砖，厚度为150mm，中间层为绝缘砖，厚度为290mm，最外层为普通砖，厚度为228mm。已知炉内、外表面温度为1016℃和34℃，试求耐火砖和绝热砖间以及绝热砖和普通砖间界面的温度。假设各层接触良好。 4-2 直径为φ60×3mm的钢管用30mm厚的软木包扎，其外又用100mm厚的保温灰包扎，以作为绝热层。现测得钢管外壁面温度为110℃，绝热层外表面温度为10℃。软木和保温灰的导热系数分别为0.043和0.07W/(m. ℃)，试求每米管长的冷损失量。 4-3 蒸汽管道外包扎有两层导热系数不同而厚度相同的绝热层，设外层的平均直径为内层的两倍。其导热系数也为内层的两倍。若将两层材料互换位置，而假定其它条件不变，试问每米管长的热损失将改变多少？说明在本题情况下，哪一种材料包扎在内层较为合适？ 4－4 传热过程计算  4-4 在某管壳式换热器中用冷水冷却热空气。换热管为φ25×2.5 mm的钢管，其导热系数为45 W/(m·℃)。冷却水在管程流动，其对流传热系数为2600 W/(m2·℃)，热空气在壳程流动，其对流传热系数为52 W/(m2·℃)。试求基于管外表面积的总传热系数 以及各分热阻占总热阻的百分数。设污垢热阻可忽略。 4-5 在一传热面积为40m2的平板式换热器中，用水冷却某种溶液，两流体呈逆流流动。冷却水的流量为30000kg/h，其温度由22℃升高到36℃。溶液温度由115℃降至55℃。若换热器清洗后，在冷、热流体量和进口温度不变的情况下，冷却水的出口温度升至40℃，试估算换热器在清洗前壁面两侧的总污垢热阻。假设： （1）两种情况下，冷、热流体的物性可视为不变，水的平均比热容为4.174 kJ/(kg·℃)； （2）两种情况下，αi、αo分别相同； （3）忽略壁面热阻和热损失。 4-6 在套管换热器中用水冷却油，油和水呈并流流动。已知油的进、出口温度分别为140℃和90℃，冷却水的进、出口温度分别为20℃和32℃。现因工艺条件变动，要求油的出口温度降至70℃，而油和水的流量、进口的温度均不变。若原换热器的管长为1m，试求将此换热器管长增至若干米后才能满足要求。设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内油和水的比热容为常数。 4-7 冷、热流体在一管壳式换热器中呈并流流动，其初温分别为32℃和130℃，终温分别为48℃和65℃。若维持冷、热流体的初温和流量不变，而将流动改为逆流，试求此时平均温度差及冷、热流体的终温。设换热器的热损失可忽略，在本题所涉及的温度范围内冷、热流体的比热容为常数。 4-8 在一管壳式换热器中，用冷水将常压下的纯苯蒸汽冷凝成饱和液体。已知苯蒸汽的体积流量为1600 m3/h，常压下苯的沸点为80.1℃，气化潜热为394kJ/kg。冷却水的入口温度为20℃，流量为35000kg/h，水的平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。总传热系数为450 W/(m2·℃)。设换热器的热损失可忽略，试计算所需的传热面积。 4-9 在一传热面积为25m2的单程管壳式换热器中，用水冷却某种有机物。冷却水的流量为28000kg/h，其温度由25℃升至38℃，平均比热容为4.17 kJ/(kg·℃)。有机物的温度由110℃降至65℃，平均比热容为1.72 kJ/(kg·℃)。两流体在换热器中呈逆流流动。设换热器的热损失可忽略，试核算该换热器的总传热系数并计算该有机物的处理量。 4-10 某生产过程中需用冷却水将油从105℃冷却至70℃。已知油的流量为6000kg/h，水的初温为22℃，流量为2000kg/h。现有一传热面积为10 m2的套管式换热器，问在下列两种流动型式下，换热器能否满足要求： （1） 两流体呈逆流流动； （2） 两流体呈并流流动。 设换热器的总传热系数在两种情况下相同，为300 W/(m2·℃)；油的平均比热容为1.9 kJ/(kg·℃)，水的平均比热容为4.17kJ/(kg·℃)。热损失可忽略。 4－5 对流传热系数关联式  4-11 在一逆流套管换热器中，冷、热流体进行热交换。两流体进、出口温度分别为t1=20℃、t2=85℃；T1=100℃、T2=70℃。当冷流体流量增加一倍时，试求两流体的出口温度和传热量的变化情况。假设两种情况下总传热系数不变，换热器热损失可忽略。 4-12 试用因次分析法推导壁面和流体间自然对流传热系数α的准数方程式。已知α为下列变量的函数： 4-13 一定流量的空气在蒸汽加热器中从20℃加热到80℃。空气在换热器的管内湍流流动。压强为180kPa的饱和蒸汽在管外冷凝。现因生产要求空气流量增加20％，而空气的进出口温度不变，试问应采取什么措施才能完成任务，并作出定量计算。假设管壁和污垢热阻可忽略。 4-14 常压下温度为120℃的甲烷以10m/s的平均速度在列管换热器的管间沿轴向流动，离开换热器时甲烷温度为30℃，换热器外壳内径为190mm，管束由37根ф19×2的钢管组成，试求甲烷对管壁的对流传热系数。 4-15 温度为90℃的甲苯以1500kg/h的流量流过直径为ф57×3.5mm、弯曲半径为0.6m的蛇管换热器而被冷却至30℃，试求甲苯对蛇管的对流传热系数。 4-16 流量为720kg/h的常压饱和蒸汽在直立的列管换热器的列管外冷凝。换热器的列管直径为ф25×2.5mm，长为2m。列管外壁面温度为94℃。试按冷凝要求估算列管的根数（假设列管内侧可满足要求）。换热器的热损失可以忽略。 4-17 实验测定列管换热器的总传热系数时，水在换热器的列管内作湍流流动，管外为饱和蒸汽冷凝。列管由直径为ф25×2.5mm的钢管组成。当水的流速为1m/s时，测得基于管外表面积的总传热系数为2115W/(m2.℃)；若其它条件不变，而水的速度变为1.5m/s时，测得系数为2660 W/(m2.℃)。试求蒸汽冷凝的传热系数。假设污垢热阻可忽略。 4－6 辐射传热  4-18 两平行的大平板，在空气中相距5mm，一平板的黑度为0.1，温度为350K；另一平板的黑度为0.05、温度为300K。若将第一板加涂层，使其黑度为0.025，试计算由此引起的传热通量改变的百分率。假设两板间对流传热可以忽略。 4-19 在ф180×5mm的蒸汽管道外包扎一层导热系数为0.10w/(m.。℃)的保温材料，管内饱和蒸汽温度为127℃，保温层外表面温度不超过35℃，周围环境温度为20℃，试估算保温层的厚度。假设管内冷凝传热和管壁热传导热阻均可忽略。 4－7 换热器  4-20 某炼油厂拟采用管壳式换热器将柴油从176℃冷却至65℃。柴油的流量为9800kg/h。冷却介质采用35℃的循环水。要求换热器的管程和壳程压降不大于30 kPa，试选择适宜型号的管壳式换热器。 第五章 蒸发 5-1 用一单效蒸发器将2000kg/h的NaOH水溶液由15%（质量）浓缩至25%（质量）。已知加热蒸汽压力为392kPa（绝压），蒸发室内操作压力为101.3kPa，溶液的平均沸点为113℃，试计算两种进料状况下所需的加热蒸汽消耗量和单位蒸汽消耗量D/W。（1）进料温度为20℃；（2）沸点进料。 5-2 一蒸发器每小时将1000kg/h的NaCl水溶液由5%（质量）浓缩至30%（质量），加热蒸汽压力为118kPa（绝压），蒸发器操作压力为19.6kPa（绝压），溶液的平均沸点为75℃。已知进料温度为30℃，NaCl的比热为0.95 ，若浓缩热与热损失忽略，试求浓缩液量及加热蒸汽消耗量。 5-3 在单效蒸发器中蒸发CaCl2水溶液，分离室操作压力为101.3kPa，加热室内溶液的高度为1m，溶液的浓度为40.8%（质量），密度为1340kg/m3。试求器内溶液的平均沸点。 5-4 已知25%的NaCl水溶液在101.3kPa（绝压）下的沸点为107℃，在19.6kPa（绝压）下的沸点为65.8℃，试利用杜林规则计算在49kPa（绝压）下的沸点。 5-5 某工厂临时需要将850kg/h的某水溶液由15%浓缩至35%，沸点进料，现有一传热面积 为10m2的小型蒸发器可供使用。操作条件下的温度差损失可取为18℃，蒸发室的真空度为80kPa。已知蒸发器的传热系数为1000W/(m2.℃)，热损失可以忽略。试求加热蒸汽的压力至少应为多大才能满足生产要求。当地大气压为100kPa。 化工原理上册 第一章 流体流动 讨论与答疑  问1-1．如图所示，在两个压强不同的密闭容器A，B内充满了密度为 的液体，两容器的上部与下部分别连接两支规格相同的U行管水银压差计，连接管内充满密度为 的液体。试回答： （1）pM和pN的关系； （2）判断1-2，2-3，3-4及5-6，6-7，7-8等对应截面上的压强是否相等； （3）两压差计读数R与H的关系。  答：（1）pM＞pN。 （2）1-2，3-4，5-6，6-7为等压面（连续的同一介质在同一水平面上）。 （3）R和H相等。 证明：   则  ?   又   则  ?   由于   所以   即? R=H  问1-2．本题附图中所示的高位槽液面维持恒定，管路中ab和cd两段的长度、直径及粗糙度均相同。某液体以一定流量流过管路，液体在流动过程中温度可视为不变。问：（1）液体通过ab和cd两管段的能量损失是否相等？（2）此两管段的压强差是否相等？并写出它们的表达式；（3）两U管压差计的指示液相同，压差计的读数是否相等？  答：（1）由于管路及流动情况完全相同，故 。 （2）两管段的压强不相等。在a、b两截面间列柏努利方程式并化简，得到   式中 表示a、b两截面间的垂直距离（即直管长度），m。 同理，在c、d两截面之间列柏努利方程并化简，得到   （3）压差计读数反映了两管段的能量损失，故两管段压差计的读数应相等。 问1-3．上题图示的管路上装有一个阀门，如减小阀门的开度。试讨论：（1）液体在管内的流速及流量的变化情况；（2）直管阻力及 的变化情况；（3）液体流经整个管路系统的能量损失情况。 答：（1）关小阀门，局部阻力加大，管内流速及流量均变小。 （2）直管阻力减小，摩擦系数 变大（Re变小）。 （3）整个管路系统的能量损失不变，即 （包括出口阻力） 问1-4．如本题附图所示，槽内水面维持不变，水从B、C两支管排出，各管段的直径、粗糙度阀门型号均相同，但 ＞ 槽内水面与两支管出口的距离均相等，水在管内已达完全湍流状态。试分析：(1)两阀门全开时，两支管的流量是否相等？（2）若把C支管的阀门关闭，这时B支管内水的流量有何改变？（3）当C支管的阀门关闭时，主管路A处的压强比两阀全开时是增加还是降低？  答：（1）C支管流动阻力大，管内流速及流量均小于B支管。（2）B支管内水的流量增大（但小于两支管均全开时的流量和）。（3） 增加（主管能量损失及管内动能比原来减小）。 问1-5．从水塔引水至车间，水塔的水位可视为不变。送水管的内径为50mm，管路总长为 且 >> ，流量为 ，水塔水面与送水管出口间的垂直距离为h。今用水量增加50%，需对送水管进行改装。 （1）有人建议将管路换成内径为75mm的管子（见附图a）。（增加176%） （2）有人建议将管路并联一根长度为l/2、内径为50mm的管子（见附图b）。（增加26.5%） （3）有人建议将管路并联一根长度为l、内径为25mm的管子（见附图c）。（增加17.7%） 试分析这些建议的效果。假设在各种情况下，摩擦系数 变化不大，水在管内的动能可忽略。  答：（1）由于 ，管径变为75mm时流量为原来的2.756倍（净增175.6%）。 （2）并联一段等径管后，流量净增26.5%（题解过程略）。 （3）并联25mm管子后，流量净增17.7%。 问1-6．粘度为0.05Pa·s的油品在φ112×6mm管内流动。管截面上的速度侧形可表达为：   式中y为管截面上任一点到管壁面的径向距离，m；uy为该点的速度，m/s。试回答： （1）在管内的流型；（2）管截面上的平均流速，m/s；（3）管壁面处的剪应力； 答：（1）速度侧形为抛物线方程，故管内为滞流。 （2）管中心的最大流速为 m/s m/s  （3） Pa 或 Pa  问1-7．在一管路中安装一标准孔板流量计，某一流量下汞柱压差计的读数为R1。现拟用一喉径与孔径相同的文丘里流量计取代孔板流量计。试判断在同一流量下，文丘里流量计的读数R2和R1的大小关系。 答：R2＜R1(C0＜Cv）。 第二章 流体输送机械 讨论与答疑  问2-1:刚安装好的一台离心泵，启动后出口阀已经开至最大，但不见水流出，试分析原因并采取措施使泵正常运行。 答：原因可能有两个：其一，启动前没灌泵，此时应停泵、灌泵，关闭出口阀后再启动。其二，吸入管路被堵塞，此情况下应疏通管路后灌泵，关闭出口阀，然后启动泵。 问2-2:搞清楚离心泵的气缚与汽蚀扬程与升扬高度、允许吸上真空度和允许汽蚀余量、允许吸上高度和安装高度各组概念的区别和联系。 答：（1）气缚是指启动前没灌泵或吸入管路不严密，致使泵壳内被气体占据，泵虽启动但因泵的入口不能造成足够的低压，从而不能吸上液体；汽蚀现象则指泵在运转中，入口附近某处压力低于操作条件下工作介质饱和蒸汽压，导致液体汽化，气泡被压缩直至破裂，从而引起泵的振动、噪音、输液量下降、压头降低，严重时还会使叶轮和泵壳汽蚀或裂缝。这是由于泵的安装不当造成的。 （2）扬程又称压头，是泵对1N液体所提供的有效能J/N；而升扬高度指泵上、下游两液面的垂直高度，它只是扬程中位能差一项。 （3）允许汽蚀余量(NSPH)和允许吸上真空度Hs是表示离心水泵抗汽蚀的性能参数，Hs是用于B型水泵，在SI型水泵中已不再用Hs的概念，它们的定义式分别为     式中 pa——大气压  p1 ——泵吸入口允许的最低压力，Pa；  pv ——操作温度下液体的饱和蒸汽压，Pa；  u1——泵吸入口液体的平均流速，m/s。  （4）允许吸上高度Hg是指上游贮槽液面与泵吸入口之间允许达到的最大垂直距离，m。为保证泵的正常可靠运行，泵的实际安装高度要比Hg再降低（0.5～1.0）m。 问2-3:用离心泵将20℃的清水从水池送至敞口高位槽。在一定转速下，测得一组数据：流量Q，压头H，泵吸入真空度p1，泵出口压力p2，轴功率N。现分析改变如下某一条件，试判断上面五个参数将如何变化： （1）将泵的出口阀开度加大； （2）改送密度ρ’＝1200kg/m3的水溶液（其它性质与水相近）； （3）泵的转速提高8％； （4）泵的叶轮直径切割5％。 答：（1）泵出口阀开度加大，Q加大，H降低，N增加，（p2 -p1）减少； （2）液体密度加大，Q、H不变，N增加，（p2 -p1）增大； （3）泵转速提高，Q、H、N均加大，（p2 -p1）增大（比例定律）； （4）切削叶轮直径，Q、H、N及（p2 -p1）均下降（切削定律）。 问:一定转速下，用离心泵向密闭高位槽（表压50kPa）输送水溶液（ρ＝1180kg/m3），出口阀门全开时，管路特性方程式为 He=A+BQe2 当分别改变如下操作参数时，管路特性方程式中的哪个参数将发生变化： （1）关小泵出口阀； （2）改送清水（密闭高位槽压力仍为50kPa）； （3）将密闭高位槽改为常压。 答：假设改变条件前后流动均在阻力平方区。 （1）关小出口阀，管路局部阻力加大，式中的B变大； （2）改送清水，液体密度减小，Δp/ρ变大，故式中A变大（Δz不变）； （3）高位槽改为常压，Δp＝0，因而式中A变小。 第三章 机械分离与固体流态化 讨论与答疑  问3-1．影响颗粒沉降速度的因素都有哪些？ 答：影响颗粒沉降速度包括如下几个方面： 颗粒的因素：尺寸、形状、密度、是否变形等； 介质的因素：流体的状态（气体还是液体）、密度、粘度等； 环境因素：温度（影响ρ、μ）、压力、颗粒的浓度（浓度大到一定程度使发生干扰沉降）等 设备因素：体现为壁效应。 问3-2．多层沉降室和旋风分离器组设计的依据是什么？ 答：（1）多层沉降室设计的依据是沉降室生产能力的表达式，即VS=blut 根据此式，VS与设备高度无关，而只是底面积bl和ut的函数。对指定的颗粒，在设备总高度不变条件下，设备n层水平隔板，即使底面积增加nbl倍，从而使生产能力达到原来的（n＋1）倍。如果生产能力保持不变，多层降尘室可使更小的颗粒得以分离，提高除尘效率。 （2）旋风分离组设计的依据是临界粒径定义式，即   当颗粒尺寸及介质被指定之后，B的减小可使dc降低，即分离效果提高。B和旋风分离器的直径成一定比例。在要求生产能力比较大时，采用若干个小旋风分离器，在保证生产能力前提下，提高了除尘效果。 问3-3．若分别采用下列各项措施，试分析转筒过滤机的生产能力将如何变化。已知滤布阻力可以忽略，滤饼不可压缩。 （1）转筒尺寸按比例增大50％。 （2）转筒浸没度增大50％。 （3）操作真空度增大50％。 （4）转速增大50％。 （5）滤浆中固相体积分率由10％增稠至15％，已知滤饼中固相体积分率为60％。 （6）升温，使滤液粘度减小50％。 再分析上述各种措施的可行性。 答：根据题给条件，转筒真空过滤机生产能力的表达式为   而A=πDL （1）转筒尺寸按比例增大50％。新设备的过滤面积为 A’=(1.5)2A=2.25A  即生产能力为原来的2.25倍，净增125％，需要换设备。 （2）转筒浸没度增大50％   即生产能力净增22.5％。增大浸没度不利于洗涤。 （3）操作真空度增大50％   增大真空度使 为原来的1.5倍，则效果同加大浸没度50％，即生产能力提高了22.5％。加大真空度受操作温度及原来真空度大小的制约。 （4）滤浆中固体的体积分率由10％提高至15％。Xv的加大使v加大，两种工况下的v分别为      (a)  则  即生产能力（以滤液体积计）下降25.47％ （5）升温，使粘度下降50％ 由式a可知   则   即可使生产能力提高41.4％。但温度提高，将使真空度难以保持。工业生产中，欲提高生产能力，往往是几个方法的组合。 问3-4．何谓流化质量？提高流化质量的措施有哪些？ 答：流化质量是指流化床均匀的程度，即气体分布和气固接触的均匀程度。提高流化质量的着眼点在于抑制聚式流化床内在不稳定性，即抑制床层中空穴所引发的沟流、节涌现象。 （1）分布板应有足够的流动阻力。一般其值 ，绝对值不低于3.5kPa。 （2）设置床层的内部构件。包括挡网、挡板、垂直管束等。为减小床层的轴向温度差，挡板直径应略小于设备直径，使固体颗粒能够进行循环流动。 （3）采用小粒径、宽分布的颗粒，细粉能起到“润滑”作用，可提高流化质量。 （4）细颗粒高气速流化床提供气固两相较大的接触面积，改善两相接触的均匀性，同时高气速可减小设备尺寸。 第四章 传热 讨论与答疑  问：什么叫热阻，热阻在分析传热中有什么作用？ 答：从传热的几种形式可以看出，传热速率与传热推动力成正比，与传热热阻成反比；  该式与电学中的欧姆定律相比，形式完全类似。可以利用电学中串、并联电阻的计算办法类比计算复杂导热过程的热阻。 问：换热器传热计算有哪两种方法，它们之间的区别是什么？ 答：原则上，据导热速率方程和对流传热速率方程可进行换热器的传热计算。但是，采用上述方程计算冷、热流体间的传热速率时，必须知道壁温，而实际上壁温往往是未知的。为便于计算，需避开壁温，而直接用已知的冷、热流体的温度进行计算。为此，需要建立以冷、热流体温度差为传热推动力的传热速率方程，该方程即为总传热速率方程。 总传热速率方程式是换热器传热计算的基本关系式。若以 表示传热过程冷、热流体的平均温度差，则积分结果可表示为 ，用该式进行传热计算时需先计算出 ，故此方法称为平均温度差法。 传热单元数（NTU）法又称传热效率-传热单元数（ε-NTU）法。该法在换热器的校核计算、换热器系统最优化计算方面得到了广泛的应用。例如，换热器的校核计算通常是对一定尺寸和结构的换热器，确定流体的出口温度。因温度为未知数，若用对数平均温度差法求解，就必须反复试算。此时，采用ε-NTU法则较为简便。 问：如何强化换热器中传热过程？ 答：所谓换热器传热过程的强化就是力求使换热器在单位时间内、单位传热面积传递的热量尽可能增多。其意义在于：在设备投资及输送功耗一定的条件下，获得较大的传热量，从而增大设备容量，提高劳动生产率；在保证设备容量不变情况下使其结构更加紧凑，减少占有空间，节约材料，降低成本；在某种特定技术过程使某些工艺特殊要求得以实施等。传热过程的强化有以下几条途径： （1）增大传热面积 增大传热面积，可以提高换热器的传热速率。但增大传热面积不能靠增大换热器的尺寸来实现，而是要从设备的结构入手，提高单位体积的传热面积。工业上往往通过改进传热面的结构来实现。目前已研制出并成功使用了多种高效能传热面，它不仅使传热面得到充分的扩展，而且还使流体的流动和换热器的性能得到相应的改善。例如用翅（肋）片，用轧制、冲压、打扁或爆炸成型等方法将传热面制造成各种凹凸形、波纹型、扁平状等，将细小的金属颗粒烧结或涂敷于传热表面或填充于传热表面间，以实现扩大传热面积的目的，减少管子直径，增加单位体积的传热面积。 （2）增大平均温度差 增大平均温度差，可以提高换热器的传热效率。平均温度差的大小主要取决于两流体的温度条件和两流体在换热器中的流动型式。一般来说，物料的温度由生产工艺来决定，不能随意变动，而加热介质或冷却介质的温度由于所选介质不同，可以有很大的差异。例如，在化工中常用的加热介质是饱和水蒸汽，若提高蒸汽的压力就可以提高蒸汽的温度，从而提高平均温度差。但需指出的是，提高介质的温度必须考虑到技术上的可行性和经济上的合理性。另外，采用逆流操作或增加管壳式换热器的壳程数使 增大，均可得到较大的平均温度差。 （3）增大总传热系数 增大总传热系数，可以提高换热器的传热效率。由总传热系数的计算公式可见，要提高 值，就必须减少各项热阻。但因各项热阻所占比例不同，故应设法减少对 值影响较大的热阻。一般来说，在金属材料换热器中，金属材料壁面较薄且导热系数高，不会成为主要热阻；污垢热阻是一个可变因素，在换热器刚投入使用时，污垢热阻很小，不会成为主要矛盾，但随着使用时间的加长，污垢逐渐增加，便可成为障碍传热的主要因素；对流传热热阻经常是传热过程的主要矛盾，也应是着重研究的内容。减少热阻的主要方法有：提高流体的速度；增强流体的扰动；在流体中加固体颗粒；在气流中喷入液滴；采用短管换热器；防止结垢和及时清除垢层。 传热过程强化但单纯追求S、Δtm及K 的提高是不行的。因为所采取的强化措施往往使流动阻力增大，其他方面的消耗或要求增高。因此，在采取强化措施的时候，要对设备结构、制造费用、动力消耗、运行维修等予以全面考虑，采取经济而合理的强化方法。 问：在管壳式换热器中，热应力是如何产生的？为克服热应力的影响采取何种措施？ 答：管壳式换热器又称列管式换热器，是一种通用的标准换热设备。当换热管与壳体的温差较大（大于50℃）时产生温差应力，需在壳体上设置膨胀节，因而壳程压力受膨胀节强度的限制不能太高。固定管板式换热器适用于两流体温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合。 浮头式换热器两端管板之一不与壳体固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，当换热管与壳体有温差存在，壳体或换热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；U型管式换热器只有一个管板，换热管为U型，管子两端固定在同一管板上。管束可以自由伸缩，当壳体与U型换热管有温差时，不会产生温差应力；填料函式换热器管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。 第五章 蒸发 讨论与答疑  问：通过与一般的传热过程比较，简述蒸发操作的特点。 答：蒸发操作是从溶液中分离出部分溶剂，而溶液中所含溶质的数量不变，因此蒸发是一个热量传递过程，其传热速率是蒸发过程的控制因素。蒸发所用的设备属于热交换设备。 但蒸发过程又具有其自身的特点，主要表现在： （1）溶液沸点升高 被蒸发的料液是含有非挥发性溶质的溶液，由拉乌尔定律可知，在相同的温度下，溶液的蒸汽压低于纯溶剂的蒸气压。换言之，在相同压力下，溶液的沸点高于纯溶剂的沸点。因此，当加热蒸汽温度一定，蒸发溶液时的传热温度差要小于蒸发溶剂时的温度差。溶液的浓度越高，这种影响也越显著。在进行蒸发设备的计算时，必须考虑溶液沸点上升的这种影响。 （2）物料的工艺特性 蒸发过程中，溶液的某些性质随着溶液的浓缩而改变。有些物料在浓缩过程中可能结垢、析出结晶或产生泡沫；有些物料是热敏性的，在高温下易变性或分解；有些物料具有较大的腐蚀性或较高的粘度等等。因此，在选择蒸发的方法和设备时，必须考虑物料的这些工艺特性。 （3）能量利用与回收 蒸发时需消耗大量的加热蒸汽，而溶液汽化又产生大量的二次蒸汽，如何充分利用二次蒸汽的潜热，提高加热蒸汽的经济程度，也是蒸发器设计中的重要问题。 问：什么是温度差损失和溶液的沸点升高？并简要分析产生的原因。 答：蒸发计算中，通常将总温度差与有效温度差的差值称为温度差损失，即 。 亦称为溶液的沸点升高。蒸发器内溶液的沸点升高（或温度差损失），应由如下三部分组成，即 。 （1）由于溶液中溶质存在引起的沸点升高 由于溶液中含有不挥发性溶质，阻碍了溶剂的汽化，因而溶液的沸点永远高于纯水在相同压力下的沸点。溶液的沸点tB主要与溶液的种类、浓度及压力有关。 （2）由于液柱静压头引起的沸点升高 由于液层内部的压力大于液面上的压力，故相应的溶液内部的沸点高于液面上的沸点tB ，二者之差即为液柱静压头引起的沸点升高。 （3）由于流动阻力引起的沸点升高 二次蒸汽从蒸发室流入冷凝器的过程中，由于管路阻力，其压力下降，故蒸发器内的压力高于冷凝器内的压力。换言之，蒸发器内的二次蒸汽的饱和温度高于冷凝器内的温度，由此造成的沸点升高以 表示。 与二次蒸汽在管道中的流速、物性以及管道尺寸有关，但很难定量分析，一般取经验值，约为1~1.5℃。对于多效蒸发，效间的沸点升高一般取1℃。 问：并流加料的多效蒸发装置中，一般各效的总传热系数逐效减小，而蒸发量却逐效略有增加，试分析原因。 答：在多效蒸发中，各效的操作压力依次降低，相应地，各效的加热蒸汽温度及溶液的沸点亦依次降低。因此，只有当提供的新鲜加热蒸汽的压力较高或末效采用真空的条件下，多效蒸发才是可行的。 平流加料时溶液从压力和温度较高的蒸发器流向压力和温度较低的蒸发器，故溶液在效间的输送可以利用效间的压差，而不需要泵送。同时，当前一效溶液流入温度和压力较低的后一效时，会产生自蒸发（闪蒸），因而可以多产生一部分二次蒸汽。但是随着溶液从前一效逐效流向后面各效，其浓度增高，而温度反而降低，致使溶液的粘度增加，蒸发器的传热系数下降。 问：多效蒸发中为什么有最佳效数？ 答：多效蒸发中随着多效蒸发效数的增加，温度差损失加大。某些溶液的蒸发还可能出现总温度差损失大于或等于总温度差的极端情况，此时蒸发操作则无法进行。因此多效蒸发的效数是有一定限制的。 一方面，随着效数的增加，单位蒸汽的耗量减小，操作费用降低；而另一方面，效数越多，设备投资费也越大。而且由表5-3可以看出，尽管 随效数的增加而降低，但降低的幅度越来越小。因此，蒸发的适宜效数应根据设备费与操作费之和为最小的原则权衡确定。 通常，工业多效蒸发操作的效数取决于被蒸发溶液的性质和温度差损失的大小等各种因素。每效蒸发器的有效温度差最小为5~7℃。溶液的沸点升高大，采用的效数少。 问：提高生产强度的措施有哪些？各有什么局限性？ 答：提高蒸发强度的基本途径是提高总传热系数K和传热温度差 。 （1）传热温度差 的大小取决于加热蒸汽的压力和冷凝器操作压力。但加热蒸汽压力的提高，常常受工厂供气条件的限制，一般为0.3~0.5MPa，有时可高到0.6~0.8MPa。而冷凝器中真空度的提高，要考虑到造成真空的动力消耗。而且随着真空度的提高，溶液的沸点降低，粘度增加，使得总传热系数K下降。因此，冷凝器的操作真空度一般不应低于10~20 kPa。由以上分析可知，传热温度差的提高是有限制的。 （2）提高蒸发强度的另一途径是增大总传热系数。总传热系数K取决于两侧对流传热系数和污垢热阻。 蒸汽冷凝的传热系数 通常总比溶液沸腾传热系数 大，即在总传热热阻中，蒸汽冷凝侧的热阻较小，但在蒸发器操作中，需要及时排除蒸汽中的不凝气体，否则其热阻将大大增加，使总传热系数下降。 管内溶液侧的沸腾传热系数 是影响总传热系数的主要因素。如前所述，影响 的因素很多，如溶液的性质、蒸发器的类型及操作条件等等。由前面介绍的沸腾传热系数的关联式可以了解影响 的若干因素，以便根据实际的蒸发任务，选择适宜的蒸发器型式及其操作条件。 管内溶液侧的污垢热阻往往是影响总传热系数的重要因素。特别当蒸发易结垢和有结晶析出的溶液时，极易在传热面上形成垢层，使K值急剧下降。为了减小垢层热阻，通常的办法是定期清洗。此外，亦可采用减小垢层热阻的其它措施。例如，选用适宜的蒸发器型式（如强制循环或列文蒸发器等）；在溶液中加入晶种或微量阻垢剂等等。 问：稀释热明显，如何影响生蒸汽的用量？ 答：有些溶液，如CaCl2、NaOH的水溶液，在稀释时其放热效应非常显著。因而在蒸发时，作为溶液稀释的逆过程，除了提供水分蒸发所需的汽化潜热之外，还需要提供和稀释热效应相等的浓缩热。溶液浓度越大，这种影响越加显著。