“化工原理”课程论文参考题目

化工原理课程论文附件一：课程论文封面格式要求。

（见下页）

化工原理课程论文

题目：

院（系）：

班级：

姓名：

学号：

指导教师：熊楚安

教师职称：教授

化工原理课程论文附件二：课程论文参考题目

“化工原理”课程论文参考题目

一、理论研究方面：

1、离心力场中的液体静力学方程式及其应用

2、转子流量计流量公式的推导及其讨论

3、“化工原理”课程中各种“准数”的归纳与总结，如：雷诺准数、努塞尔特准数、普兰特准数、……

等等。

4、串、并联管路；串并联电路的比较

5、流动边界层，传热边界层，传质边界层的比较

6、三传现象的类似性

7、流体流动时的摩擦系数与流体流过固体颗粒的阻力系数的分析比较

8、离心泵的叶片安装角对泵压头的影响

9、离心泵的比例定律、切削定律的推导及应用

10、重力沉降与离心沉降的比较

11、旋风分离器的并联、串联操作

12、恒压过滤与恒速过滤的比较

13、非均相混合物分离方法的选择

14、流体输送方式输送设备的归纳总结

15、过滤机最佳操作周期的确定

16、化工原理课程研究方法的归纳总结，如：理论分析法、数学模型法等

17、速度梯度、温度梯度、浓度梯度间联系与互相影响

18、平均温差法与传热单元法间的联系

19、化工原理课程主要系数归纳、总结，如摩擦系数、阻力系数、流量系数、传热系数、对流传

热系数、总的传热系数……(上下册中主要的物理系数)

20、化工原理课程中所涉及到的“面积”总结,如,传热面积、传质面积、过滤面积等

21、减少流动阻力的措施

22、强化传热过程的措施

23、壁温的求解与吸收过程中界面浓度的确定、比较

24、传热与传质的类比

25、传热计算与传质计算（吸收过程）的比较

26、简单蒸馏与平衡蒸馏的比较

27、蒸馏过程中的节能技术

28、亨利定律与拉乌尔定律的比较

29、精馏操作分析

30、化工原理课程中工程观点总结，如等效观点、最优化观点等等

31、吸收操作分析

32、板式塔板上气液接触状态的选择

33、吸收因数对吸收操作的影响

34、板式塔负荷性能图及其应用

35、影响板式塔负荷性能图的因素

36、板式塔和填料塔的比较

37、并流传热、逆流传热的比较

38、并流吸收、逆流吸收的比较

39、算术推动力与对数推动力的比较

40、湿空气性质的归纳总结

41、各章节后的作业题、思考题的深入讨论等等

二、实际应用方面

“化工原理”的基本理论在实际生活和生产中的应用情况及新的应用开发。

三、计算机辅助计算和辅助设计

针对化工原理课程中某一问题编写一个应用程序。列出程序清单、程序说明，运行结果，并要上交相应的磁盘。

化工原理课程中可编程运算的问题很多，如：

1、试差法

2、一些经验方程的回归等

3、逐板法求理论塔板数

4、图解法求理论塔板数

5、简捷法求理论塔板数

6、传质单元数的计算

7、泵的工作点的确定

8、实验数据处理程序

9、负荷性能图的绘制

10、传热过程计算

11、 柏努力方程的应用

12、 辅助设计程序，如：CAD 绘图等等 四、学习体会、心得及建议方面

学完化工原理课程后的一些学习体会、心得及一些建议等。 五、其它方面。

化工原理课程论文附件三：课程论文样本。

换热器设计中适宜流体用量的确定

熊楚安

黑龙江科技学院资源与环境工程系，黑龙江鸡西，158105

摘要：利用换热器的操作线来分析讨论流体用量对传热过程的操作费用和设备费用的影响，找出了换热器设计和选型中适宜流体用量的优化确定方法，简便、快捷，具有一定的适用性。 关键词：操作线 流体用量 优化选择

中图法分类号：TQ 051.5 文献标识码：A

The Optimum Definition Method on Amount of Fluid During The Design of Heat Exchanger

Xiong chu ’an

Natural Resources and Environmental Engineering Dept.HeiLongJiang Institute of Science and Technology, JiXi 158105,China;

Abstract : The paper discusses the influence of fluid’s amount on expenses of operating and equipment during heat transfer depending on the operating line ,a optimum definition method of the fluid’s amount during the design and selection type of heat exchanger is formed. The method is convenient, quick and significant of guide in application. Keywords : operating line amount of fluid optimum selection 0 引言：

在换热器的设计和选型中，工艺流体(被处理物料)的用量和进、出口温度是由工艺要求所规定的，另一种流体即加热剂或冷却剂的进口温度，一般由来源而定，但它的用量或出口温度则由设计者选定。这个用量的大小，将直接影响到加热剂或冷却剂的出口温度以及换热器传热面积的大小。例如，用冷却水作为某物料的冷却剂时，在一定热负荷条件下，选用较高的冷却剂用量时，可降低操作费用，但冷却水的出口温度较高，传热过程的平均温差减小，使传热面积加大，增加了设备费用。反之，为了减小传热面积，就需增大用水量。最适宜的流体用量应根据经济衡算来确定，即根据操作费用与设备费用之和最少来确定。那么，如何利用这一原则来方便、快捷地确定适宜的流体用量呢？ 1． 适宜流体用量的确定方法

1.1 换热器的操作线方程及操作线

下面，以逆流换热器为例来分析讨论这一问题

在逆流换热器内，冷、热流体的温度沿传热面的变化如图1所示。设冷、热流体在换热器内无相变化，在冷流体入口端和任意截面间取控制体，作热量衡算可得：

ph h c w (T －T 2)＝pc c c w （t －t 1） ⑴

或T ＝)(1c 2c t c w c w T t c w c w ph

h pc ph

h pc -

+ （1a ）

如果忽略了ph c 、pc c 随温度的变化，式⑴为一直线方程，如图2中的直线AB 所示。

图1.逆流换热器中冷热流体温度沿传热面的变化

该直线方程的特点是，通过两个定点A ),(12t T 和B ),(21t T ；直线的斜率为

ph

h pc c c w c w ，即冷热两流体的热容量流率之

比。直线AB 的物理意义是，两个端点A 、B 分别代表逆流换热器的冷端和热端流体的温度，线上的每一点代表换热器

某一截面上冷、热流体的温度，故将式（1）称之为该换热器的操作线方程，直线AB 称之为该换热器的操作线[1] 。

T

T 1 B B ' (T －t)1 T ＝t T

(T －t) T 2 A

(T －t)2

A '

t t 1 t t 2

图2逆流换热器的操作线和推动力

传热过程的平衡关系为冷、热流体的温度相等，即T ＝t （2）

式（2）如图2中的对角线所示。操作线与对角线间的垂直距离代表换热器内任一截面的传热推动力，即冷、热两流体间的温度差（T －t ）。

1. 2适宜流体用量的初步确定

在传热过程中，若热流体是工艺流体，其流量，进、出口温度由工艺条件所规定的，即21,,T T c w ph h 是已知的，冷却剂的进口温度1t 也是确定的，那么冷却剂的适宜用量如何确定呢？

由图2可见，换热器操作线的一个端点A ),(12t T 已经固定，另一端点B 则可在T ＝T 1的水平线上移动。点B 的横坐标将取决于操作线的斜率

ph

h pc c c w c w ，操作线的斜率

ph

h pc c c w c w 称之为冷、热流体的热容量流率之比。当热流体的热容量流

率ph h c w 已经确定时，若减小冷流体的用量（即操作费用减小），则操作线斜率减小，点B 沿水平线T ＝T 1向右移动，

操作线与对角线间的距离减小，传热推动力减小，所需的传热面积增大（即设备费用增加）。当B 点移至水平线T ＝T 1-与平衡线T ＝t 的交点B ′时，有t 2=T 1， 即冷却剂的出口温度与加热剂的进口温度相同，传热过程达到平衡。这是理论上冷却剂的出口温度所能达到的最高温度，此时，传热过程的推动力为零，因此所需的传热面积为无限大，此种情况下的操作线的斜率为最小斜率，称之为冷热流体最小的热容量流率之比，以min

)

(ph

h pc c c w c w 表示，相应的冷却剂的热容量

流率为冷流体的最小热容量流率，以m in )(pc c c w 表示，其用量为冷流体的最小用量，用min )(c w 表示。

反之，若增大冷流体的用量（即操作费用增加），操作线斜率增大，若点B 沿水平线T ＝T 1向左移动，使操作线远离平衡线，传热过程推动力增大，所需传热面积减小（即设备费用减小）。当移至t 2＝t 1时，传热推动力最大，所需传热面积最小，但冷却剂的用量却为无穷大。这是冷流体用量的上限值。

由以上分析可见，流体用量的大小，从操作费用与设备费用两个方面影响到传热过程的经济效果，应权衡利弊，

选择适宜的流体用量，使两种费用之和最小，根据生产经验，参照蒸馏操作中适宜的回流比［2］

，以及吸收操作中适宜的液气比的确定方法

［2］

，在一般情况下，取冷热流体热容量流率之比

ph

h pc c c w c w 为冷热流体最小热容量之比min

)(

ph

h pc c c w c w 的1.1~2.0倍时所对应的流体用量即为经济上适宜的流体用量。

即：

ph

h pc c c w c w ＝（1.1~2.0）min )(

ph

h pc c c w c w （3）

或 pc c c w ＝（1.1~2.0）m in )(pc c c w （3a ） 式中的min )(

ph

h pc c c w c w 和m in )(pc c c w 可用图解法或解析法求出。 由图2可知， min )(

ph

h pc c c w c w =

1

12

1t T T T -- (4)

或m in )(pc c c w =ph h c w .

1

12

1t T T T -- (4a)

联立(3)、(4)可得适宜的冷流体用量为： 1

12

1)

0.2~1.1(t T T T c c w w pc ph h c --?= (5) 若冷流体是工艺流体，即pc c c w 、t 1、、t 2已知，热流体的进口温度T 1也是确定的，那么热流体适宜的用量也可采用类似的方法确定。

如图2所示，此时操作线AB 的B 点是固定， A 点可沿垂直线t=t 1上、下移动。当A 点移至与平衡线T=t 相交于A ′点时T 2＝t 1，操作线AB 有最大斜率max )(ph

h pc c c w c w ，亦即存在有最小的热、冷流体热容量流率之比min )(

pc

c ph h c w c w ，

由图2可知

min )(

pc

c ph h c w c w =

1

11

2t T t t -- (6)

或min )(ph h c w =pc h c w .

1

11

2t T t t --

(6a)

此时，传热推动力最小，所需的传热面积无限大，但热流体用量最小，热流体适宜的出口温度的确定方法与冷流体出口温度的确定方法一样，即取

)(

pc

c ph h c w c w =(1.1~2.0) min )(

pc

c ph h c w c w

(7)

或 )(ph h c w =(1.1~2.0)min )(ph h c w

(7a)

联式(6)和式(7)可得适宜的热流体用量为：

1

11

2)0.2~1.1(t T t t c c w w ph pc c h --?= （8） 如果冷、热流体作并流传热，冷热流体的适宜用量的优化选择方法与逆流传热时相同。 如果一侧流体有相变时，则另一侧流体的适宜用量的优化选择可采用同样的方法确定。 1.3适宜流体用量的最终确定

综上所述，若热流体是工艺流体时，冷流体的适宜用量可按式（5）来优化初步确定， 当冷流体是工艺流体时，热流体适宜用量可按式（8）来初步确定。那么，式（5）和式（8）中的（1.1~2.0）这个系数的具体数值又该如何确定呢？

在换热器的设计和选型中，温度差校正系数t ??也是一个经济性能指标。温度差修正系数t ??是用来表示某种流动型式在给定工况下接近逆流的程度。综合利弊，一般在设计时，至少不能使t ??小于0.8，否则在经济性能上不合算，应另选其它流型式，以提高t ??值[3]

。

因此，适宜流体用量的确定，在满足使适宜的两流体的热容量流率之比为最小热容量流率比的（1.1~2.0）倍的前提下，还必须同时满足使温度差校正系数t ??≥0.8这个条件来最终确定这个系数的具体数值的大小。

2．分析与讨论

由以上的分析可知，取两流体的实际热容量流率之比为最小热容量流率之比的1.1~2.0倍来选择流体的用量，在经济上是适宜的。这种优化选择方法的依据可简要分析讨论如下：

(1)传热过程和传质过程之间有着许多的类似性。传热操作中两流体的热容量流率之比与精馏操作中的回流比及吸收操作中的液气比有着相同的地位，它们对操作过程中的操作费与设备费的影响规律是类似的。在实际操作中，经济性能优化的适宜的回流比是最小回流比的1.1~2.0倍[2]，适宜的液气比是最小液气比的1.1~2.0倍[2]。利用传热过程与传质过程之间的类似性，参照适宜回流比，适宜液气比的确定方法，选取适宜的两流体热容量流率之比为两流体最小热容量流率之比的1.1~2.0倍是可行的。

(2)由式(5)可知：当热流体是工艺流体时，结合整个换热器的

热量衡算方程

1

22

1t t T T c w c w ph

h pc c --=

(9)

有，

.2~1.11

1112=--t T t t =0.91~0.50 （10）

由式(8)和式(9)可知，当冷流体是工艺流体时，有

.2~1.11

1121=--t T T T =0.91~0.50 (11)

分析式(10)，

量

冷流体的最大可能传热冷流体的实际传热量

=--=--)()(11121112t T c w t t c w t T t t pc c pc c ，称之为以冷流体为基准的换热器的传

热效率，以c ε表示[3] 。

由式(10)可知，当热流体为工艺流体时，冷流体的适宜用量的优化选择，应使换热器的传效率c ε在50％~91％之间。

同理，分析式(11)，有量

热流体的最大可能传热热流体的实际传热量

=--=--)()(11211121t T c w T T c w t T T T ph h ph h ，称之为以热流体为基准的换热

器的传热效率，以h ε表示[3]。

由式(11)可知，当冷流体为工艺流体时，热流体的适宜用量的优化选择，应使换热器的传热效率h ε在50％~91％之间。

其实，传热效率也可作为用来说明换热器经济性能的参数。它是流体实际的传热量与理论上最大可能的传热量之比。当操作线与平衡线有交点时，两种流体的温度差到达平衡状态。此时，传热面积无穷大，这时的传热量即是理论上最大可能的传热量。传热效率过高，传热推动力小，所需的传热面积过大，设备费增加；传热效率过低，流体用量过大，操作费用增加。由上述分析可知，经济性能较好的换热器，必须同时满足其传热效率在50％~91％之间，同时其温度差校正系数t ??≥0.8这两个经济性能优化条件。

3．结论

(1)在换热器的设计和选型中，流体的用量从设备费用和操作费用两个方面影响换热器的经济性能。流体用量的优化选择原则是根据经济衡算使换热器的设备费用和操作费用之和最小。

(2)流体用量的优化选择方法是取两流体实际的热容量流率之比为最小热容量流率之比的1.1~2.0倍,且温度差校正系数t ??≥0.8时，所对应的用量即是适宜的流体用量，采用这一方法来确定流体的适宜用量，符合经济合理性的要求。 (3) 换热过程中两流体适宜的热容量流率之比，换热器的温度差校正系数t ??和换热器的传热效率c ε或h ε，这三个参数都从不同侧面说明了换热器的经济性能。由以上的分析讨论可知，经济性能合理的换热器，其两流体适宜的热容量流率之比，为两流体最小热容量流率之比的1.1~2.0倍，温度差校正系数大于0.8，传热效率在50%~91%之间，满足这些条件的换热器，其经济性能较好。在换热器的设计和选型中，可以利用这些规律来指导流体用量、流体出口温度及传热面积等问题的确定，方便、快捷、适用性强。

参考文献：

1． 陈敏恒等编. 化工原理(上). 北京：化学工业出版社，1999,284 2． 陈敏恒等编. 化工原理(下). 北京：化学工业出版社，1999,37.103 3． 蒋维钧等编. 化工原理(上). 北京：清华大学出版社，1992，446.449

符号说明 c w 、h w 冷、热流体的流量，㎏/s ； pc c 、ph c 冷、热流体的定压比热，kJ/(kg.℃) ； T 1 、T 2 热流体的进、出口温度，℃ ； t 1 、t 2 冷流体的进、出口温度，℃ ； T 、t 热、冷流体的温度，℃ ； c ε、h ε 冷、热流体的传热效率； t ?? 温度差校正系数。