2011冶金化工原理复习题1

2011年冶金工程化工原理复习题

绪论

1. 单元操作三个特点：物理性操作，规律相同，通用性 2. 单元操作遵循的三定律

质量守恒定律---物料衡算；能量守恒定律---能量衡算；动量守恒定律---动量衡算

第二章，流体的输送机械

解释概念：

气缚与汽蚀现象：离心泵开动时如果泵壳内和吸入管路内没有充满液体，它便没有抽吸液体的能力，这是因为空气的密度比液体小得多，随着叶轮旋转所产生的离心力不足以造成吸上液体所需的真空度。像这种原因因泵壳内存在空气而导致吸不上液的现象，称为“气缚”； 汽蚀现象：提高泵的安装高度，将导致泵内压力降低，其最低值为叶片间通道入口附近，当这个最低值降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾，所产生的蒸汽泡在随液体从入口向外周流动中，又因压力迅速加大而积聚冷凝。使液体以很大速度从周围冲向汽泡中心，产生频率很高，瞬时压力很大的冲击，这种现象称为“汽蚀”；

离心泵的轴功率与有效功率：根据泵的压头和流量算出的功率是泵所输出的有效功率，实际测得的轴功率大于有效功率。这是由于通过泵轴所输入的功率有一部分在泵内被损耗。离心泵的轴功率可直接利用效率?计算：N?HQ?g/?，式中：N-泵的轴功率，W；H- 泵的压头，m：Q- 泵的流量，m/s；?-液体密度，kg/m3；?-效率。

3

泵扬程（或压头）：输送单位重量流体要求由泵提供的机械能。或为使管路系统按要求的流量Q正常运行，所选择的输送机械必须能对单位重量被输送的流体供给足够的机械能。

简答题：

1.如何确定泵的工作点？

泵的工作特性是由泵和管路的特性共同决定的，因此泵的特性曲线与管路的特性曲线的交点，交点是被输送液体管路所需压头与泵向液体提供的压头恰好相等时的流量，该交点即泵的工作点。 2.简述汽蚀现象的预防措施？

汽蚀现象：提高泵的安装高度将导致泵内压力下降，其最低值为叶片间通道入口附近，当最小值低于液体的饱和蒸汽压时，液体沸腾，蒸气泡随着液体经入口向四周流动，由于压力迅速加大使气泡急剧冷凝，使液体以较大的速度冲向气泡中心，产生频率较高、瞬时压力较大的冲击，这种现象称为汽蚀现象，为预防这种现象的出现，应将泵的安装高度不超过某一定值，使泵内最小压力大于液体饱和蒸汽压。

离心泵的汽蚀现象及安装高度的确定方法？

汽蚀现象：提高泵的安装高度，将导致泵内压力降低，

其最低值为叶片间通道入口附近，当这个最低值降至被输送液体的饱和蒸汽压时，将发生沸腾，所产生的蒸汽泡在随液体从入口向外周流动中，又因压力迅速加大而积聚冷凝。使液体以很大速度从周围冲向汽泡中心，产生频率很高，瞬时压力很大的冲击，这种现象称为“汽蚀”； 泵的允许安装高度受最小汽蚀余量或允许吸上真空度的限制，以免发生汽蚀现象（例如：管路压头减去汽蚀余量等于允许安装高度）。

三 计算题

1. 确定泵是否满足输送要求。将浓度为95%的硝酸自常压罐输送至常压设备中去，要求输送量为36m3/h, 液体的扬升高度为7m。输送管路由内径为80mm的钢化玻璃管构成，总长为160（包括所有局部阻力的当量长度）。现采用某种型号的耐酸泵，其性能列于本题附表中。问： 该泵是否合用？

实际的输送量、压头、效率及功率消耗各为多少？ Q(L/s) H(m) ?(%)

0 19.5 0

3 19 17

6 17.9 30

-3

9 16.5 42

3

12 14.4 46

15 12 44

已知：酸液在输送温度下粘度为1.15?10Pa?s；密度为1545kg/m。摩擦系数可取为0.015。 解：（1）对于本题，管路所需要压头通过在储槽液面和常压设备液面之间列柏努利方程求得：

2u12p1u2p?z1??He??z2?2??Hf 2g?g2g?g式中z1?0,z2?7m,p1?p2?0(表压)，u1?u2?0 管内流速：u?4Q?d2?363600*0.785*0.0802?1.99m/s

管路压头损失：?Hfl??leu21601.992???0.015?6.06m

d2g0.082*9.81管路所需要的压头：He??z1?z1???Hf?7?6.06?13.06m 以（L/s）计的管路所需流量：Q?36*1000?10L/s 3600由附表可以看出，该泵在流量为12 L/s时所提供的压头即达到了14.4m，当流量为管路所需要的10 L/s，它所提供的压头将会更高于管路所需要的13.06m。因此我们说该泵对于该输送任务是可用的。

另一个值得关注的问题是该泵是否在高效区工作。由附表可以看出，该泵的最高效率为46%；流量为10 L/s时该泵的效率大约为43%。因此我们说该泵是在高效区工作的。

（2）实际的输送量、功率消耗和效率取决于泵的工作点，而工作点由管路物特性和泵的特性共同决定。

由柏努利方程可得管路的特性方程为：He?7?0.006058Q2 （其中流量单位为L/s） 据此可以计算出各流量下管路所需要的压头，如下表所示： Q(L/s) H(m)

0 7

3 7.545

6 9.181

9 11.91

12 15.72

15 20.63

据此，可以作出管路的特性曲线和泵的特性曲线，如图所示。两曲线的交点为工作点，其对应的压头为14.8m；流量为11.4L/s；效率0.45；轴功率可计算如下：

HQ?14.8*11.4?10?3*15.45N???5.68kW

102?102*0.4522204018161420121086024681012141603050H, m10Q, L/s????

第三章 机械分离与固体流态化

滤饼过滤与深层过滤：颗粒的尺寸大多数都比过滤介质的孔道大，固体物积聚于介质表面，形成滤饼。过滤开始时，很小的颗粒也会进入介质的孔道内，部分特别小的颗粒还会通过介质的孔道而不

被截留，使滤液仍是混浊的。在滤饼形成之后，他便成为对其后的颗粒其主要截留作用的介质，滤液因此变清。过滤阻力将随滤饼的加厚而渐增，滤液滤出的速率也渐减，故滤饼积聚到一定厚度后，要将其从介质表面上移去。这种方法适用于处理固体物含量比较大的悬浮液。

深层过滤：颗粒直径比介质孔道直径小得多，但介质孔道弯曲细长，使进入的颗粒很容易被截住，更加之流体流动过程产生的挤压与冲撞作用，使颗粒紧贴在孔道壁面上，这种过滤在介质内部中进行，在介质表面处无滤饼形成。

自由沉降与干扰沉降：颗粒彼此相距很远，不产生干扰的沉降称为自由沉降。若颗粒之间的距离很小，即使没有互相接触，一个颗粒沉降时也会受到其他颗粒的影响，这种沉降称为干扰沉降

聚式流态化：流态化中颗粒分散不均匀的是聚式流态化，其床层中存在两个相，一个是颗粒较大、均匀分散的乳化相，另一个是颗粒较小的气泡相，当气泡相在床层中流动，床层顶部气泡破裂而使得颗粒溅散，床层上界面波动不定，当气泡相以更大速度流过床层时，乳化相仍保持起始流态化时的孔隙率和流速，其他气泡以更大速度在床层中流动，故从起始流态化开始，床层中流体浮动愈剧，而床层膨胀保持不变。

?p11dV?3?3比阻：在过滤过程中，滤液的黏度u?，其中=，r称?2222rAd?2K0a(1??)?L2K0a(1??)为滤饼的比阻。

干扰沉降：颗粒彼此间距很近，在沉降过程中，单个颗粒会受到其他颗粒的影响，这种颗粒在沉降过程中相互干扰的沉降过程被称之为干扰沉降。

1. 固体流态化：将固体颗粒堆在容器内的多孔板上，形成一个床层。若令流体自下而上通过床层，流速低时颗粒

不动，流速价达到一定程度后颗粒便活动，而床层膨胀；流速进一步加大则颗粒彼此离开而在流体内浮动，流速越大，浮动越剧烈，床层越高，称这种情况为固体流态化。

2. 散失流态化：此现象一般发生在液固系统。此种床层中颗粒能均匀的分散在流体中。当流体流量逐渐增大时，

床层从开始膨胀直到颗粒被带走，床内颗粒的分散状态和扰动程度平缓的加大，床层的上界面较为清晰。

沉降终速：颗粒在沉降开始时，沉降速度与沉降阻力均为零，因受力而降落，速度增加，阻力增大，当阻力与净重力相等时，颗粒受力达到平衡，加速度为零，此时颗粒以该速度均匀下降，这时的速度被称之为沉降终速 横穿洗涤与置换洗涤：

洗涤液所穿过的滤饼厚度2倍于最终过滤时滤饼通过的厚度，横穿洗法；洗涤液所走的路线与最终过滤是滤液的路线一样，置换洗法。 重力收尘与旋风收尘 ：

气体进入降尘室后，因流通截面扩大而速度减慢。尘粒一方面随气流沿水平方向运动，其速度与气流速度u相同。另一方面在重力作用下以沉降速度u0垂直向下运动。只要气体通过降尘室经历的时间大于或等于其中的尘粒沉降到室底所需的时间，尘粒便可分离出来。离心沉降分离从气流中分离颗粒。含尘气体从圆筒上侧的进气管以切线方向进入，按螺旋形路线相器底旋转，接近底部后转而向上，气流中所夹带的尘粒在随气流旋转的过程中逐渐趋向器壁，碰到而落下。

聚式流化床与散式流化床：当流体流量组建增加时，床层从开始膨胀直到颗粒被带走，床内颗粒的分散状态和扰动程度平缓地加大，床层的上界面较为清晰是散式流化床的特征；而聚式床层的波动逐渐加剧。

起始流化速度与带出速度：床层开始流态化时的流体表观速度称为起始流化速度，当某指定颗粒开始被带出时的流体表观速度成为带出速度，流化床的操作流速应大于起始流化速度，又要小于带出速度。 简答题：

用滤饼过滤过程说明数学模型法的原理；过滤时，滤液在滤饼与过滤介质的微小通道中流动，由于通道形状很不规则且相互交联，难以对流体流动规律进行理论分析，故常将真实流动简化成长度均为le的一组平行细管中的流动，并规定：（1）细管的内表面积之和等于滤饼内颗粒的全部表面积；（2）细管的全部流动空间等于滤饼内的全部空隙体积。

图中表述了聚式流化床压降与流速的关系，请指出，①、②、③线段分别代表什么阶段，④和⑤分

别代表什么现象？

①，②，③分别代表固定床、流化床、输送床阶段；④、⑤分别代表沟流和腾涌现象。 画图并说明流化床的压力损失与气速的关系

在流态化阶段，流体通过床层的压力损失等于流化床中全部颗粒的净重力。AB段为固定床阶段，由于流体在此阶段流速较低，颗粒较细时常处于层流状态，压力损失逾表观速度的一次放成正比，因此该段为斜率为1的直线。A’B’段表示从流化床恢复到固定床时的压力损失变化关系；由于颗粒从逐渐减慢的上升气流中落下所形成的床层比随机装填的要疏松一些，导致压力损失也小一些，BC段略向上倾斜是由于流体流过器壁及分布板时的阻力损失随气速增大而造成的。CD段向下倾斜，表示此时由于某些颗粒开始为上升气流所带走，床内颗粒量减少，平衡颗粒重力所需的压力自然不断下降，直至颗粒全部被带走。

举例说明数学模型法简化与等效的原理：过滤时，滤液在滤饼与过滤介质的微小通道中流动，由于通道形状很不规则且相互交联，难以对流体流动规律进行理论分析，故常将真实流动简化成长度均为le的一组平行细管中的流动，并规定：

（1）细管的内表面积之和等于滤饼内颗粒的全部表面积； （2）细管的全部流动空间等于滤饼内的全部空隙体积。

假设颗粒与流体介质相对运动属于层流，类比重力沉降速度及与离心沉降速度

初始时，颗粒的降落速度和所受阻力都为零，颗粒因受力加速下降。随降落速度的增加，阻力也相应增大，直到与沉降作用力相等，颗粒受力达到平衡，加速度也减小到零。此后，颗粒以等速下降，这一最终达到的速度称为沉降速度。 直径为d的球形颗粒，（重力-浮力）=阻力

24d(?颗粒??)g?3?3?d2?u u?()d?颗粒g-()d?颗粒g???推导得： 3??664层流流动重力沉降速度

层流流动离心力沉降速度

2d2(?颗粒??)gu?18?u?2d2(?颗粒??)ut18?ru2t在离心力沉降速度用r替代了重力沉降速度的g。

简述离心分离与旋风分离的差别？

离心分离与旋风分离都是利用非均相混合物在离心力场中所受离心力不同，而使非均相混合物得以分离的过程，其主要区别在于：

A 离心加速度

2

离心分离是通过自身设备旋转而产生离心力，其离心加速度ar=wr

2

而旋风分离是被分离混合物流入时切向流速产生离心力，其离心加速度ar=ut/r B 半径r对分离性能的影响

离心分离中，r越大，ar越大，效果越好，而旋风分离相反，r越小，ar越大，效果越好。 计算题：

拟用板框压滤机恒压过滤含CaCO3 8﹪（质量百分率）的水悬浮液2立方米，每立方米滤饼中含固体1000kg，CaCO3密度为2800kg/m3，过滤常数K=0.162m2/h，过滤时间为30分钟。 试求：（1）滤液体积为多少立方米？

（2）现有560×560×50mm规格的板框压滤机，问需要多少只滤框？（过滤介质忽略） 解：

1：V悬=V滤+V滤饼 V滤=V悬-V滤饼

悬浮液的平均密度:

=X固/ρ固+X液/ρ液

1/ρ =0.08/2800+0.92/1000

_

=1054kg/m

3

3

2m悬浮液的质量=V悬+ρ悬 M悬=2×1054=2108kg 质量百分率为8%

M固=2108×0.08=168.64kg 每立方米滤饼中含固体1000kg

1/1000=V饼/168.64（m固=168.64kg）

3

V滤饼=0.16864m

3

V滤=V悬-V滤饼=2-0.16864=1.83m

22

(2) V=KAθ

V21.832A=??6.43m2

K?0.162?0.5n×0.56×2=6.43

左右各有一块滤布需乘2，n为滤布数 n=10.25≈11只

检验滤饼是否能放下

233

11×0.56×0.05=0.172m＞0.16864m

oo

求直径为60μm的石英颗粒(密度2600 kg/m3)分别在20C水中和20C的空气中的沉降速度。

解 根据题意给定及查取附录，可得如下数据。 石英颗粒：d=60×10m；?S=2600kg·m

-6

-3

2

20℃水：?=1000 kg·m；?=1×10Pa·s

-3-3

20℃空气：?=1.205kg·m；?=0.0181×10Pa·s

-3

-3

（a） 在20℃水中沉降 设斯托克斯定律适用，则

d2(?S??)g(60?10?6)2?(2600?1000)?9.81?1?0???0.00314ms ?318?18?(1?10)验算 Re0?du0??(60?10?6)?0.00314?1000??0.188?2

1?10?3故可用斯托克斯公式，u0结果正确。 （b） 在20℃空气中沉降 设斯托克斯定律适用，则

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