Процессы и аппараты пищевых производств

Программа, методические указания и контрольные задания для

студентов заочного обучения специальности

Составители: А.Г. Хантургаев С.С. Ямпилов Г.И. Николаев Г.И.Хараев Л.Е.Полякова Б.В. Бадмацыренов Г.Ж. Ухеев

Программа курса, рассчитанная на подготовку студентов по технологическим специальностям, охватывает все типовые процессы пищевых производств с точки зрения их теоретиче-ского обоснования, выбора оптимальных параметров, методики расчета и аппаратурного оформления. Цель курса - научить сту-дента рациональному выбору конструкции и научному расчету машин и аппаратов для определенных пищевых процессов, а также методам целесообразной промышленной эксплуатации этого производственного оборудования для достижения макси-мальной производительности при минимальных затратах.

Ключевые слова:

Гидростатика, гидродинамика, вязкость, насосы, компрессоры, суспензии, эмульсии, фильтрование, теплопроводность, теплоот-дача, теплообменники, массобмен, перегонка, ректификация, аб-сорбция, экстрагирование, адсорбция, сушка. Редактор Т.А. Стороженко Подписано в печать 21.10.2004 г. Формат 60 х 84 1/16. Усл.п.л. 1,63, уч.-изд.л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ №116. Издательство ВСГТУ. Улан-Удэ, Ключевская, 40а. © ВСГТУ, 2004 г.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Восточно-Сибирский государственный

технологический университет

Процессы и аппараты пищевых производств

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочного обучения специальности

Составители А.Г. Хантургаев

С.С. Ямпилов Г.И. Николаев Г.И.Хараев Л.Е.Полякова Б.В. Бадмацыренов Г.Ж. Ухеев

Улан-Удэ, 2004

ВВЕДЕНИЕ Программа курса “Процессы и аппараты пищевых производств” рассчита-

на на изучение основных процессов пищевых производств, их физической сущ-ности, теоретических основ, принципиальных схем осуществления этих процес-сов, конструкций типовых машин и аппаратов и методов их расчета.

Курс “Процессы и аппараты пищевых производств” включает следую-щие разделы:

1. Гидродинамические процессы. 2. Тепловые процессы. 3. Массообменные процессы. 4. Мембранные процессы. 5. Механические процессы.

Процессы и аппараты пищевых производств завершают общеинженерную

подготовку студентов и являются переходной ступенью к изучению специаль-ных дисциплин. Дисциплина рассчитана на один семестр. Первая часть включа-ет в себя гидромеханические и тепловые, вторая – массообменные и механиче-ские процессы и аппараты.

Студенты специальности выполняют 2 контрольных работы. Основной литературой по дисциплине является учебник [1], задачники [6,

7].

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

I. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Тема 1. Основы гидравлики

Гидростатика. Сжимаемые жидкости. Гидростатическое давление. Диффе-ренциальные уравнения жидкости Эйлера. Основное уравнение гидростатики.

Гидродинамика. Вязкие и невязкие жидкости. Вязкость жидкостей и газов. Закон Ньютона. Динамический и кинематический коэффициенты вязкости. Влияние температуры и давления на вязкость жидкостей и газов.

Режимы движения вязкой жидкости. Эквивалентный диаметр. Уравнение расхода.

Теоремы Бернулли для невязкой и вязкой несжимаемой жидкости. Прило-жения теоремы Бернулли.

Определение расхода энергии на транспортирование жидкостей и газов по трубам. Вывод формулы сопротивления при ламинарном режиме.

Обобщенная критериальная формула для определения потери напора на трение. Сопротивление трения в гладких и шероховатых трубах. Потеря давле-ния на преодоление местных сопротивлений. Расчет трубопроводов.

Тема 2. Перемещение жидкостей (насосы)

Классификация насосов. Поршневые насосы. Насосы простого и много-кратного действия. Диаграммы подачи насоса. Предельная высота всасывания. Потери напора на преодоление сил инерции. Воздушные колпаки. Индикатор-

ная диаграмма. Общая характеристика поршневых насосов. Конструкции порш-невых насосов. Детали поршневых насосов.

Роторные насосы. Центробежные насосы. Уравнение Эйлера. Предельная высота всасыва-

ния. Формулы пропорциональности. Рабочие характеристики насосов. Работа центробежного насоса на сеть. Параллельное и последовательное соединение насосов. Многоступенчатые насосы. Сравнительная оценка центробежных и поршневых насосов.

Тема 3. Перемещение и сжатие газов

Классификация машин для сжатия и перемещения газов. Поршневые компрессоры. Индикаторная диаграмма компрессора. Коэф-

фициент подачи и предел сжатия. Многоступенчатое сжатие. Мощность, по-требляемая компрессором. Основные типы и конструкции поршневых компрес-соров.

Вакуум-насосы. Основные конструкции: поршневые, ротационные, водо-кольцевые и масляные, водо- и пароструйные.

Вентиляторы. Центробежные вентиляторы. Рабочие характеристики. Осе-вые вентиляторы.

Тема 4. Разделение газовых и жидких

неоднородных систем Характеристика неоднородных систем. Пылегазовые системы. Суспензии.

Эмульсии. Очистка газов, под действием силы тяжести. Конструкции пылеосади-

тельных камер. Очистка газов под действием центробежной силы. Конструкции циклонов.

Мокрая очистка газов. Циклоны с водяной пленкой. Цепные аппараты. Фильтрование газов. Рукавные фильтры. Керамические фильтры.

Электрическая очистка газов. Конструкция электрофильтров. Отстаивание и декантация. Производительность отстойников. Конструк-

ции отстойных аппаратов периодического и непрерывного действия. Фильтрование. Характеристика работы фильтра. Характеристика осадков.

Уравнение фильтрации. Определение констант фильтрации. Влияние различных факторов на производительность фильтра. Фильтрующие материалы.

Фильтры периодического действия. Фильтрпрессы. Листовые и патрон-ные фильтры. Вакуум-фильтры непрерывного действия: барабанные, дисковые, тарельчатые, ленточные. Фильтры непрерывного действия, работающие под давлением.

Центрифугирование. Фактор разделения. Классификация центрифуг. Дав-ление на стенку барабана. Скорость фильтрации и осаждения при центрифуги-ровании. Расход энергии.

Центрифуги периодического, полунепрерывного и непрерывного дейст-вия. Сепараторы. Трубчатые сверхцентрифуги.

Гидроциклоны.

Тема 5. Перемешивание в жидкой среде

Перемешивание при помощи мешалок и насосов. Мощность, потребляе-мая мешалками. Критериальные уравнения расхода мощности. Эффективность перемешивания.

Конструкции мешалок: лопастные, пропеллерные, турбинные. Перемешивание сжатым воздухом и паром (барботирование).

Методические указания Тема 1. Техническая гидравлика, составляющая предмет первой темы

данного раздела, является наукой о равновесии и движении жидкостей. Так как во всех пищевых производствах хранение и перемещение жидкостей является важным звеном технологического процесса, то техническая гидравлика имеет самодовлеющее значение как дисциплина, при помощи которой можно рассчи-тывать хранилища и трубопроводы, время наполнения и опораживание сосудов, а также рассчитывать приборы для измерения давления, плотности, скорости, расхода жидкости.

Техническая гидравлика одновременно является теоретической базой для расчета жидкостных насосов, а также процессов теплообмена, механической обработки жидких неоднородных систем диффузионных процессов. Этот важ-ный раздел курса необходимо хорошо усвоить.

В начале изучения данного раздела студент должен понять физический смысл и технические размерности характеристических параметров реальных жидкостей (плотность, удельный вес, удельный объем, давление, вязкость, по-верхностное натяжение и сжимаемость). В разделе гидростатистики следует обратить особое внимание на методику применения основного уравнения гид-ростатистики для определения давления и форм поверхностей уровня при абсо-лютном и относительном покое жидкостей. Центральными вопросами гидроди-намики являются: уравнение Бернулли, законы ламинарного и турбулентного течения, условия и критерии гидродинамического подобия, расчет сложных трубопроводов, законы истечения жидкостей из отверстий и водосливов.

Литература: /1/; /2/; /3/. Тема 2 Изучаются машины и устройства для перемещения жидкостей. Ра-

зобрав конструктивные схемы и принцип действия поршневых, центробежных и струйных насосов, следует перейти к изучению теории последних. При этом особое внимание необходимо уделять пользованию индикаторными диаграм-мами поршневых и графическими характеристиками центробежных насосов, определению полных напоров, расхода мощности и основных размеров насосов. Необходимо усвоить, способ определения характеристических параметров при параллельной и последовательной работе насосов, условия правильной эксплуа-тации насосов и расчет экономических диаметров трубопроводов, а также мето-ды регулирования работы насосов.

Литература: /1/; /2/; /3/. Для успешного усвоения Темы 3 надо вспомнить из технической термо-

динамики: зависимость между объемами, давлениями, температурами, а также работу расширения и сжатия газов в процессах изохорическом, изобарическом, адиабатическом и политропическом.

Изучению теоретической и расчетной части этой темы должно предшест-вовать внимательное ознакомление с типовыми конструкциями одноступенча-тых и многоступенчатых поршневых и турбокомпрессоров, ротационных и

струйных компрессоров (инжекторов и эжекторов). В результате студент дол-жен освоить метод определения расхода работы на сжатие газов аналитическим способом и с помощью тепловых диаграмм, знать каково влияние вредного про-странства и степени сжатия на работу поршневых компрессоров. Знать способ распределения давлений между ступенями в многоступенчатых поршневых компрессорах и турбокомпрессорах, методы регулирования производительности компрессоров. Литература: /1/; /2/; /3/.

Тема 4 посвящена вопросам обеспыливания газов механическими и элек-трическими методами, типовыми конструкциями пылеотделителей, расчету их основных размеров, а также вопросам разделения жидких неоднородных сис-тем, имеющих большое значение в химической технологии.

По своему аппаратурному оформлению наиболее простым является про-цесс естественного отстаивания. Теория этого процесса должна быть хорошо усвоена, поскольку она является основной для более сложного процесса – цен-трифугирования. Еще более сложным являются теория и аппаратурное оформ-ление процесса фильтрации, базирующегося в основном на законе гидродина-мики. Конструктивные схемы фильтров периодического и непрерывного дейст-вия, методы расчета скорости фильтрации, требуемого перепада давления, про-изводительности и основных размеров фильтров должна быть хорошо усвоена. Особое внимание должно быть обращено на методику лабораторного определе-ния фильтрационных характеристик, являющихся единственно верной основой для правильного выбора параметров рабочего режима и расчета самих фильт-ров.

Центрифугирование при современном состоянии машиностроения являет-ся самым интенсивным процессом разделения жидких неоднородных систем даже при большой дисперсности твердой фазы и малой разности удельных ве-сов жидкой и твердой фаз. Более того, этот процесс применяется даже для раз-деления жидких смесей. Теории процесса центрифугирования, конструкциям отстойных и фильтрационных центрифуг и методам их расчета должно быть уделено серьезное внимание. В частности студент должен хорошо овладеть методами расчета окружной скорости, основных размеров центрифуги, продол-жительности центрифугирования и расхода мощности.

Литература: /1/; /2/; /3/. Тема 5 посвящена механическому перемешиванию в жидкой среде. Механическое перемешивание жидкостей – весьма распространенная опе-

рация в пищевом производстве, т.к. эффективное перемешивание один из путей увеличения скорости процессов. Она осуществляется мешалками самых разно-образных конструкций. Знание наиболее удачных конструкций мешалок и уме-ние определить расход мощности обязательно.

Литература: /1/; /2/; /3/.

II ТЕПЛОВЫЕ, ДИФФУЗИОННЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Тема 6. Теплопередача в пищевой аппаратуре.

Особенности процесса теплопередачи в условиях работы пищевой аппара-туры.

Теплопроводность. Закон Фурье. Теплопроводность твердых материалов, жидкостей и газов. Теплопроводность однослойных и многослойных стенок при установившемся тепловом потоке.

Передача тепла конвекцией (теплоотдача). Дифференциальное уравнение конвективного перехода тепла. Тепловое подобие. Общий вид критериальной зависимости для конвективного теплообмена.

Теплоотдача при свободном движении (естественная конвекция). Теплоотдача при вынужденном движении. Движение по трубам и кана-

лам. Поперечное обтекание труб. Пленочное течение жидкостей. Теплоотдача при перемешивании жидкостей.

Теплоотдача при кипении жидкостей. Критическая разность температур и критическая удельная тепловая нагрузка. Теплоотдача при конденсации паров. Влияние примеси неконденсирующихся газов.

Теплоотдача при непосредственном соприкосновении теплоносителей (в кипящем слое и скрубберах).

Теплоотдача при постоянных и переменных температурах. Выбор направ-ления потока теплоносителей. Средняя разность температур. Температура стен-ки. Определение потерь и выбор изоляции. Понятие о теплопередаче при неус-тановившемся режиме.

Тема 7. Нагревание, охлаждение, конденсация Источники тепла, методы нагревания и их технико-экономическая харак-

теристика. Нагревание водяным паром, топочными газами, минеральными мас-лами, водой, органическими теплоносителями, расплавленными солями и ме-таллами. Нагревание электрическим током.

Теплообменники. Змеевики. Аппараты с рубашкой. Трубчатые теплооб-менники: двухтрубные (труба в трубе), кожухотрубные (одноходовые и много-ходовые). Спиральные теплообменники. Теплообменники с ребристыми по-верхностями. Оросительные холодильники. Конденсаторы смешения. Регенера-торы.

Гидравлическое сопротивление теплообменных аппаратов. Тема 8. Выпаривание Технические методы выпаривания: выпаривание с непосредственным га-

зовым обогревом, выпаривание с глухим паровым и газовым обогревом. Однокорпусное выпаривание. Общая схема вакуум-выпарной установки с

вспомогательным оборудованием. Назначение барометрического конденсатора и вакуум-насоса. Повышение коэффициента теплопередачи за счет организо-ванной циркуляции раствора.

Материальный и тепловой балансы выпарной установки Расход греющего пара.

Непрерывное и периодическое выпаривание в однокорпусных выпарных аппаратах. Понижение упругости паров над растворами (температурная депрес-сия). Влияние гидростатического давления. Гидравлическое сопротивление па-ропроводов вторичного пара. Расчет температуры кипения раствора. Общая и полезная разности температур.

Многокорпусное выпаривание. Методы повышения экономичности про-цесса выпаривания. Типовые схемы многокорпусных выпарных аппаратов:

прямоточной и противоточной с параллельным питанием корпусов, их сравни-тельная характеристика. Использование вторичного пара.

. Конструкции выпарных аппаратов. Выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора. Пленочные выпарные аппараты.

Выпаривание с тепловым насосом. Схема установки. Область примене-ния.

Методические указания

Тема 6 посвящена теории теплопередачи, лежащей в основе процессов теплообмена между твердыми, жидкими и газообразными телами. Ознакомив-шись с физическими методами теплопередачи, основными параметрами этого процесса, их физическим смыслом, следует перейти к изучению теории тепло-проводности в установившихся и неустановившихся процессах теплообмена. Особое внимание следует обратить на теорию теплопроводности при устано-вившемся процессе.

В теории теплового излучения нужно хорошо усвоить методы определе-ния коэффициентов излучения при теплообмене между твердыми телами и спо-собы определения количества тепла, излучаемого газами.

Наиболее распространенным видом теплообмена в пищевой аппаратуре является конвективный теплообмен и условия теплового подобия, следует пе-рейти к упражнениям по вычислению коэффициентов теплоотдачи и рабочих разностей температур при различных схемах теплообмена. При этом нужно хорошо усвоить методы определения средних и местных температур поверхно-стей теплообмена.

Первую область практического применения теории теплопередачи состав-ляет группа теплообменных аппаратов (подогреватели, холодильники, конден-саторы). Методы расчета этих аппаратов составляют предмет тем 7 и 8 данного раздела курса. В результате их изучения студент должен ознакомиться с техни-ческими теплоносителями, промышленными конструкциями теплообменных аппаратов, методами расчета необходимых поверхностей теплообмена и основ-ных конструктивных размеров самих аппаратов.

Тема 8 посвящена процессам выпаривания (концентрирования) растворов твердых веществ, конструкциям аппаратов и методам их расчета. При изучении однокорпусных аппаратов следует усвоить метод определения расходов тепла и необходимой поверхности нагрева. Центральными вопросами данной главы являются также метод распределения располагаемой разности температур меж-ду корпусами, определение необходимых поверхностей нагрева тела, определе-ние требуемых объемов парового пространства и размеров нагревательных ка-мер, контроль и регулирование выпарных аппаратов, а также выбор оптималь-ных конструкций.

III МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Тема 9. Массопередача

Общая характеристика диффузионных процессов. Типовые случаи мас-собмена.

Статика процесса. Фазовые равновесия. Построение диаграмм фазового равновесия.

Кинетика процесса. Молекулярная диффузия. Движущая сила диффузи-онных процессов. Общее уравнение массопередачи.

Тема 10. Перегонка и ректификация.

Перегонка с водяным паром. Определение температуры перегонки. Расход пара. Степень насыщения водяного пара парами перегоняемого вещества.

Перегонка под вакуумом. Простая перегонка. Материальный баланс. Ректификация. Периодическая и непрерывная ректификация. Определение

основных размеров тарельчатых ректификационных колонн. Тепловой баланс ректификационной колонны.

Конструкции ректификационных колонн. Тарельчатые колонны. Колпач-ковые и сетчатые тарелки. Центробежные пленочные ректификационные аппа-раты. Насадочные колонны.

Тема 11. Абсорбция

Общая характеристика процесса. Выбор абсорбента. Общие схемы уста-новок для абсорбции – десорбции.

Материальный баланс абсорбера. Удельный расход абсорбента. Влияние температуры и давления на процесс абсорбции. Степень улавливания. Типы и конструкции абсорберов. Поверхностные и пленочные абсорберы. Насадочные абсорберы. Типы насадок. Абсорберы с механическим распылением жидкостей.

Тема 12. Экстрагирование.

Общая характеристика процесса. Области применения экстрагирования. Экстрагирование из растворов. Принципы выбора растворителя. Фазовое равно-весие. Экстракция с перекрестным током. Противоточная экстракция.

Типы экстракторов для жидкостной экстракции и их сравнительная харак-теристика.

Особенности процесса экстрагирования из твердых тел. Тип и конструк-ции экстракторов для извлечения веществ из твердых тел.

Тема 13. Адсорбция

Общая характеристика процесса адсорбции и области применения. Ско-рость адсорбции. Адсорбция во внешнем и текущем слое. Промышленные ад-сорбенты и их характеристика. Конструкции адсорберов и схемы адсорбцион-ных установок периодического и непрерывного действия. Адсорберы со взве-шенным и текущим слоем адсорбента.

Тема 14. Сушка

Общая характеристика процесса. Состояние влаги в материале. Основные методы сушки.

Сушка воздухом и топочными газами. Общая схема установки. Статика сушки. Основные параметры влажного воздуха «I – х» диаграмма

Рамзина. Материальный и тепловой балансы воздушной сушилки. Изображение и

анализ основных вариантов сушильного процесса для теоретической и действи-

тельной сушилки на диаграмме Рамзина. Температура мокрого термометра и точка росы.

Кинетика сушки. Механизм процесса сушки. Конструкция сушилок. Ка-мерные сушилки. Сушилки непрерывного действия: туннельные, ленточные, барабанные, пневматические со взвешенным слоем, распылительные, вальцовые и петлевые.

Сушка под вакуумом. Схема вакуум-сушильной установки. Преимущества и недостатки сушки под вакуумом. Конструкции вакуум-сушилок.

Сушка инфракрасными лучами. Сушка токами высокой частоты. Субли-мационная сушка.

Методические указания

В теме 9 студент должен усвоить основные законы диффузии. Литерату-ра: /1/; /2/.

Тема 10 посвящена разделу теории и технике разделения жидких смесей методами дистилляции и ректификации.

Ознакомившись с промышленными схемами дистилляции и ректифика-ции и типовыми конструкциями аппаратов, необходимо перейти к изучению теории этих процессов. Литература: /1/; /2/.

Тема 11 посвящена вопросам разделения газовых однородных смесей ме-тодом селективного поглощения на поверхности жидкой фазы – абсорбции. В этой главе следует обратить внимание на аналитический и графический методы расчета абсорберов и их типовые конструкции.

В теме 12, посвященной вопросам экстрагирования, следует обратить внимание на два рода экстрагирования – экстрагирование при обычной темпе-ратуре, т.е почти без расхода тепла, и экстрагирование с регенерацией раство-рителей.

Литература (1), (2). Тема 13 посвящена вопросам разделения однородных газовых смесей ме-

тодом селективного поглощения на поверхности твердой фазы – адсорбции. Познакомившись с методом, следует усвоить сущность статической и динами-ческой активности адсорбентов, и конструкции адсорберов периодического и непрерывного действия.

Литература: (1), (2). Тема 14 посвящена вопросам промышленной сушки продуктов и конст-

рукциям сушильных аппаратов, широко распространенных в пищевой промыш-ленности. При изучении этой темы следует ознакомиться с современными кон-струкциями сушилок. Литература: (1), (2).

III. МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Микрофильтрация. Ультрафильтрация. Обратный осмос. Типы мембран.

Проницаемость и селективность мембран. Конструкции мембранных аппаратов.

Методические указания Раздел посвящен вопросам мембранного разделения, которые в последние

годы начали широко внедряться в промышленность. В области теории студент должен получить общие представления о методах мембранного разделения, о

типах применяемых мембран, о критериях выбора мембран, ознакомиться с существующими конструкциями мембранных аппаратов.

Литература: (4), (5).

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ Целью задания является развитие у студентов навыков в самостоятельном

решении практических инженерных задач, закрепление теоретических знаний, выработка умений пользоваться методами расчетов основных процессов, типо-вых аппаратов и машин пищевых производств.

Студенты выполняют 2 контрольные работы: № 1 и № 2, состоящие из контрольных вопросов и задач.

Контрольные работы выполняются в единой системе единиц (СИ) с ука-занием размерности всех величин, встречающихся в задаче.

ЕДИНИЦЫ ИМЕРЕНИЯ Вычисления начинают только тогда, когда все величины переведены в од-

ну систему единиц СИ (ГОСТ 9867-61) является универсальной системой и при-звана заменить все существующие системы. Кроме основных едини система СИ допускает образование кратных и дольных единиц путем умножения на 10II

Деци (дц) -10-1 Кило (к) -103 Санти (с) -10-2 Гекто (га) -104 Милли (мк) -10-3 Мега (м) -106 Микро (мк) -10-6 Гига (г) -109 Нано (н) -10-9 Тера (т) -10-12 Пико (п) -10-12

Единицы измерения величин и их обозначение

Обозначе ние

Название величи-ны

Единица измерения

Размер ность

Зависи-мость

1 2 3 4 5 l Длина Метр М - m Масса Килограмм Кг - t Время Секунда С - T Температура Градус

Цельсия 0С -

Градус Кельвина

0К -

W Площадь - м2 w=l2 V Объем - м3 v=l3 U Скорость - м/u u=l/t a Ускорение - м/с2 a=l/t2 ρ плотность - кг/м3 ρ=m/v F cила Ньютон кгм/с2 F=m a γ удельный вес - н/м3 γ=F/ ν p давление Паскаль, н/м2 p=F/ω

Па τ напряжение - н/м2 τ=F/ω µ динамический коэф-

фициент вязкости - кг/мс

dudλτµ =

ν кинематический

коэффициент вязко-сти

- м2/с ν= µ/ p

Q расход - м3/с Q= ν/t h глубина, высота - м N мощность Ватт, Вт дж/с hu потери гидроди-

намического на-пора

- м

H гидродинамиче-ский напор

- м

ω угловая скорость Радиан рад/с µ коэффициент рас-

хода - - )

dd(

SS 2

0

c

0

c ==ε

Соотношения между наиболее употребляемыми единицами

системы СИ и единицами других систем. Величина Система

СИ Техническая сис-тема

Физическая сис-тема

Сила Н I кгс=9,81 н н≠105 дин

Давление па I атм=Iкгс /см2= =9,81 х 104 Па

-

Динамический коэффициент

вязкости

кг/мс - 1пуаз=10-I кг/мс

Кинематический коэффициент вязкости

м2/с - 1стокс=10-4 м 3/с

1 мм ртутного столба = 133,3 н /м2

1 мм водного столба = 9,81 н/м2

Номер варианта студент выбирает по последней цифре номера зачет-ной книжки.

Контрольная работа выполняется в тетради и должна содержать: номер работы, фамилию, имя, отчество студента, номер группы, шифр, название работы, вариант, полное изложение текста задачи со своими данными, схему процесса или аппарата с указанием направления течения материальных потоков, расчет.

Приступая к выполнению контрольной работы, надо наметить путь решения, разбив задачу на ряд частных вопросов, записать нужные расчетные уравнения (формулы), далее найти и выписать нужные константы из справоч-ной литературы.

Для выполнения расчетов необходимо владеть вычислительной тех-никой, а также научиться пользоваться диаграммами и номограммами для пра-вильного нахождения по ним значений тех или иных величин.

ЗАДАНИЕ 1 Контрольные вопросы

1. Что такое вязкость жидкости и что она характеризует? 2. Напишите выражения физической и технической атмосферы в размер-

ностях: кг/см2, кг/м2, мм. вод. ст., н/ см2., мм рт. ст., Па. Сколько соста-вит 720 мм рт.ст. в размерностях: кгс/см2, мм вод. ст., н/м2.

3. Написать выражение для определения суммарного избыточного давле-ния жидкости на плоскую наклонную стенку.

4. Дайте понятие гидростатического давления. Назовите его свойства. 5. Основное уравнение гидростатики. Объясните его физический и гео-

метрический смысл. 6. Дайте понятие критической скорости. Объясните, чем обусловлено

существование верхней и нижней критической скорости. 7. В трубопроводах, имеющих одинаковые диаметры, протекают различ-

ные жидкости. В каком из трубопроводов дольше сохранится лами-нарный. режим.

8. Напишите уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкости: для струйки и целого потока реальной жидкости.

9. Физический и геометрический смысл уравнения Бернулли. 10. Коэффициент Кариолиса и его физический смысл. 11. Приведите примеры практического использования уравнения Бернул-

ли. 12. Объясните устройство острой диафрагмы. Принцип работы прибора.

Преимущества и недостатки по сравнению с трубой Вентури. 13. Как определить расход жидкости в трубах используя водомер Вентури. 14. Объясните, от чего зависит коэффициент гидравлического трения. 15. Как определяются потери напора при различных режимах движения

жидкости в трубопроводе. 16. Как определяются потери давления при различных режимах движения

жидкости в трубопроводе. 17. Что такое абсолютная и относительная шероховатость? В каких случа-

ях шероховатость не оказывает влияния на коэффициент гидравличе-ского трения.

18. Как определить величину средней скорости при ламинарном и турбу-лентном режимах движения жидкости в трубе.

19. Как зависит коэффициент местного сопротивления от числа Рейнольд-са?

20. Объясните явление кавитации в местных сопротивлениях.

21. Напишите формулу для истечения жидкости (скорость и расход) через патрубок, расположенный в дне резервуара при постоянном уровне жидкости в нем.

22. От каких факторов зависит время опорожнения резервуара? 23. Выведите формулу для определения времени истечения воды из ци-

линдрического резервуара (вертикального) через патрубок, располо-женный в дне и снабженный вентилем.

24. Какие виды насадок (основных) применяются в технике и каковы ус-ловия их применения?

25. Объясните причину возникновения гидравлического удара в трубо-проводе, каким образом достигается условие, что давление в трубо-проводе при этом не превышает допустимое?

26. Нарисуйте схему разветвленного трубопровода и напишите выражение для падения давления в этом трубопроводе.

27. Почему поршневые насосы с механическим приводом нельзя строить на большое число оборотов?

28. Воздушные колпаки у поршневых насосов и цель их установки. 29. Характеристика трубопровода и ее значение при выборе насоса. 30. Нарисуйте две различные гидравлические схемы работы насоса. 31. Нарисуйте схему одноступенчатого компрессора простого действия,

объясните цикл его работы в координатах «p-v» и покажите, почему производительность его зависит от отношения давления Р1: Р2.

32. Нарисуйте схему монтежю и поясните принцип работы этого аппарата. Каковы преимущества использования аппарата?

33. Нарисуйте диаграмму полной и обезличенной характеристики работы вентиляторов и объясните, как по ним производится выбор вентилято-ра.

34. Нарисуйте схему барботера для перемешивания в жидкой среде и по-ясните его преимущества и недостатки.

35. Нарисуйте схему очистки газа от пыли под действием центробежной силы.

36. Нарисуйте схему отстойника с декантацией и поясните принцип его работы

Номер вари-

анта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Номер вопро-са

1 2 3 4 5 2 1 2 3 4

3 6 8 7 10 12 8 13 11 10

11 13 15 9 16 17 18 20 14 17

14 19 21 23 25 22 24 26 28 23

27 30 31 32 33 34 35 36 29 30

Задача 1. Определить потери напора при движении воды в трубе диаметром d и длиной l, если расход равен Q, температура воды Т. Зна-чение эквивалентной шероховатости трубы Кэ взять из справочника.

Вариант d, мм

l, м

Q, л/с

Т, 0С

Материал и характеристика трубопровода

1 200 800 50 10 Стальная, новая 2 50 1000 196 15 Стальная, старая 3 25 1500 0.51 20 Стальная, сварная 4 100 2500 7.6 25 Медная труба 5 50 2000 1.76 30 Алюминиевая 6 25 3000 0.48 25 Асбоцементная 7 100 1200 8.2 20 Чугунная, старая 8 25 1600 0.43 15 Оцинкованная, новая 9 100 1800 9.0 10 Стальная бесшовная 10 50 2800 1.9 4 Стальная, сварная

Задача 2 Построить напорную и пьезометрическую линии для трубопро-вода переменного сечения, присоединенного к резервуару. На поверхно-сти резервуара Рм>Ра, причем d1>d3>d4>d2 и d4=d5.Решить задачу без учета сопротивлений.

Рис. 1

ЗАДАНИЕ 2

Контрольные вопросы 1. Напишите выражение коэффициента теплопередачи К и поясните, в ка-

ких случаях можно пренебречь тепловым сопротивлением стенки. 2. Укажите порядок цифровых величин для коэффициентов теплоотдачи

для важнейших случаев теплообмена («стенка-вода», «стенка-пар», «стенка-газ»).

3. Каковы преимущества и недостатки нагревания «острым» и «глухим» паром?

4. Какие типы водоотводчиков применяются в промышленности у тепло-обменников технологического оборудования и какой контроль должен быть за этими водоотводчиками?

5. В каких случаях при расчете теплообменников цилиндрическую (труб-чатую) поверхность можно считать как плоскую?

6. Как рассчитывается толщина изоляционного слоя на горячих поверхно-стях оборудования и коммуникаций?

7. Для чего и в каких случаях применяются ребристые поверхности нагре-ва?

8. Зависит ли средняя разность температур от схемы движения теплоноси-телей (прямоток, противоток), если температура одного из теплоносите-лей остается постоянной?

9. Перечислите основные способы нагревания, применяемые в технике, и дайте их сравнительные характеристики?

10. В каких случаях цилиндрическую стенку теплообменников можно рас-считывать как плоскую стенку?

11. Дайте определения понятий «абсолютная влажность», «относительная влажность» и «влагосодержание» влажного воздуха и покажите, какая связь между этими величинами.

12. Нарисуйте схему многозонной сушки с промежуточным подогревом и зонной циркуляцией. Построить процесс работы этой сушилки в диа-грамме «I-d» и поясните ее преимущества и недостатки.

13. Нарисуйте рациональную сушилку для сушки кож при покрывном кра-шении. Какие генераторы тепла можно применять в этих сушилках и в каких случаях?

14. Каковы преимущества и недостатки метода сушки на горячей поверх-ности (контактная сушка) по сравнению с воздушной сушкой?

15. Какими факторами определяется емкость сушилки по загруженному в нее материалу?

16. Нарисуйте кривые изменения температур материалов в процессе сушки при контактной и при воздушной сушке?

17. Как влияет на интенсивность сушки парциальное давление водяного па-ра в окружающем воздухе?

18. Почему невыгодно высушивать ниже равновесной влажности? 19. Какие основные параметры подлежат контролю в процессе сушки? 20. Какое значение имеет рециркуляция рабочего воздуха в процессе суш-

ки? 21. Каково назначение выпарных аппаратов? 22. В каких случаях целесообразно применение многокорпусных выпарных

установок? 23. Нарисуйте схему однокорпусного выпарного аппарата и напишите

уравнение его теплового баланса. 24. Когда нужно применять вакуум-выпаривание? 25. Кривые фазовые равновесия бинарных жидких смесей и их значение

при расчете ректификационных колонн.

26. Нарисуйте схему непрерывного действующей ректификационной ко-лонны.

27. Нарисуйте схему аппарата для экстрагирования при обычной темпера-туре.

28. Нарисуйте схему аппарата для экстрагирования с регенерацией раство-рителей.

29. Укажите случаи применения абсорбции и адсорбции совместное их ис-пользование при разделении газовой однородной смеси.

30. Какие факторы необходимо учитывать при выборе типа мембраны?

Номер вари-анта

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Номер вопро-са

7 11 27

8 12 28

9 13 29

10 14 30

1 15 21

2 16 22

3 17 23

4 18 24

5 19 25

6 20 26

Задача 1. Определить поверхность нагрева и расход греющего пара в

однокорпусном выпарном аппарате для экстрагирования дубителя из корья: количество начального раствора - Gн кг/ч начальная концентрация раствора - Хн % конечная концентрация раствора - Хк % давление греющего пара - Р кгс/см2 давление вторичного пара - Рwкгс/см2 температура депрессии - ∆t °C коэффициент теплопередачи - К кВт/м2 .град. Какое количество воды необходимо подавать в барометрический конден-

сатор, если ее начальная температура 10 °C? Потерями тепла пренебречь. Началь-ная температура 25 °C.

Варианты Вели

чины 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Gн кг/ч 1500 1600 1700 1800 1900 2000 1400 1300 1200 1000 Хн % 3 4 5 3 4 5 3 4 5 4 Хк % 25 30 30 25 30 30 25 25 30 30 Р

кгс/см2 2,5 2,5 3 3 3,5 3,5 3,5 4 4 3

∆t °C 4,5 4,5 5 5 4,5 4,5 5 5 4,5 4,5 Рwкгс/см2

0,3 0,3 0,35 0,35 0,4 0,4 0,3 0,3 0,34 0,35

К кВт/м2 .град.

1000 1000 1000 1100 1100 1100 950 950 950 1000

Примечание:

1. Перед расчетом нужно начертить схему однокорпусной ваку-ум-выпарной установки со смешивающим конденсатором.

2. Конечная температура воды (смесь конденсата вторичного пара и охлаждающей воды) должна быть ниже температуры вторичного пара на 3-5 °C.

Задача 2. Кожухотрубный теплообменник состоит из n труб диамет-ром d, длиной l. Внутренний диаметр кожуха D в аппарате нагревается G рас-твора от t1 до t2 глухим паром Рабс=2кгс/см2 . Определить коэффициент теплоот-дачи от поверхности нагрева к раствору, если он будет происходить: а) внутри труб, б) в межтрубном пространстве. Определить поверхность теплопередачи и количество тепла, необходимое для нагрева раствора от t1 до t2

Варианты Вели

чины 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 n, шт 13 15 13 17 10 20 19 25 29 18 d, мм 25*2 25*2 25*2 20*2 29*2 29*2 25*2 21*2 24*2 24*2 D, мм 273 275 273 285 270 345 290 368 389 286 G, кг/ч 10 10 10 12 8 15 12 14 12.8 13.6

t1 °C 10 10 10 12 20 10 25 10 15 15 t2 °C 70 70 70 65 60 50 90 80 65 85 Раствор вода вода каль-

ций хло-рист.

каль-ций хло-рист.

на-трий ед-кий 40%

глицерин

вода На-трий хло-рис-тый

эти-лов. спирт

40%

уксусная кислота 50%

l, м 2 1,5 2 1,5 2,5 1,5 2,2 1.7 1,8 2,3 Примечание:

1. При расчете скорости раствора в межтрубном пространстве необходимо рассчитать площадь сечения межтрубного пространства.

2. При определении режима движения раствора в межтрубном пространстве необходимо рассчитать эквивалентный диаметр межтрубного пространства.

3. Диаметр трубы 25*2 мм означает: 25 мм – наружный диаметр трубы 2 мм – толщина стенки.

ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1

Физические свойства воды (на лини насыщения)

t, 0С ρ, кг/м3

СР, кДж/кг·К

λ·102,

Вт/м·К

ν·106,

м2/с

β·104, К-1 σ·104, кг/с2

Ρr

0 1000 4,23 65,1 1,79 -0,63 756 13,7

10 1000 4,19 57,5 1,31 +0,70 762 9,52

20 998 4,19 59,9 1,01 1,182 727 7,02

30 996 4,18 61,8 0,81 3,21 712 5,42

40 992 4,18 63,4 0,66 3,87 697 4,31

50 988 4,18 64,8 0,556 4,49 677 3,54

60 983 4,18 65,9 0,478 5,11 662 2,98

70 978 4,19 66,8 0,415 5,70 643 2,55

80 972 4,19 67,5 0,365 6,32 626 2,21

90 965 4,19 68,0 0,326 6,95 607 1,95

100 958 4,23 68,3 0,295 7,5 589 1,75

110 951 4,23 68,5 0,268 8,0 569 1,58

120 943 4,23 68,6 0,244 8,6 549 1,43

130 935 4,27 68,6 0,226 9,2 529 1,32

140 926 4,27 68,5 0,212 9,7 507 1,23

150 917 4,32 68,4 0,202 10,3 487 1,17

160 907 4,36 68,3 0,191 10,8 466 1,10

170 897 4,40 67,9 0,181 11,5 444 1,05

180 887 4,44 67,5 0,173 12,2 424 1,01

Приложение 2

Основные физические свойства молока

t, 0C ρ, кг/м3 λ·102,

Вт/м·К

c,

Дж/(кг град)

µ·103

Н·сек/м2

Ρr σ·103, н/м

1 2 3 4 5 6 7

5 1032,6 0,486 3868 3,02 30,2 47

10 1031,7 0,489 3870 2,52 20,0 45

15 1030,7 0,492 3880 2,14 16,9 45

20 1028,7 0,495 3890 1,82 14,3 43

30 1024,8 0,500 3900 1,35 10,6 42

40 1020,9 0,506 3910 1,10 8,5 42

50 1015,9 0,516 3870 0,87 6,5 42

60 1011,1 0,518 3850 0,72 5,35 42

70 1005,2 0,524 3850 0,63 4,65 42

80 1000,3 0,530 3850 0,58 4,2 42

90 999 0,531 3850 0,56 4,07 42

100 887 0,542 3850 0,54 3,84 42

Приложение 3

Основные физические свойства рассола

(концентрация=22б5%, температура замерзания 2530К)

t, 0C

ρ, кг/м3 λ,

Вт/м·град

c,

Дж/(кг град)

µ·103

Н·сек/м2

σ·103, н/м

Ρr

1 2 3 4 5 6 7

5 1170 0,56 3330 2,46 2,10 14,7

0 1181 0,54 3330 2,98 2,52 18,4

-5 1183 0,523 3329 3,66 3,08 23,4

-10 1185 0,505 3328 4,57 3,86 30,1

-15 1187 0,49 3322 5,61 4,73 38,2

-20 1188 0,476 3320 6,85 5,77 47,5

Приложение4

Физические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении

t, 0C ρ, кг/м3 Ср,

Дж/(кг град)

λ·102,

Вт/м*К

ν·106,

м2/сек Ρr

1 2 4 5 6 7

-50 1,584 1035 2,03 9,23 0,728

-20 1,395 1035 2,26 12,79 0,716

0 1,293 1010 2,37 13,28 0,707

10 1,247 1010 2,44 14,16 0,705

20 1,205 1010 2,52 15,06 0,703

30 1,165 1010 2,57 16,00 0,701

40 1,128 1010 2,66 16,96 0,699

50 1,093 1010 2,72 17,95 0,698

60 1,060 1010 2,80 18,97 0,696

70 1,029 1010 2,86 20,02 0,694

80 1,000 1010 2,93 21,09 0,692

90 0,972 1010 3,0 22,10 0,690

100 0,946 1010 3,05 23,13 0,688

120 0,898 1010 3,2 25,45 0,686

140 0,854 1015 3,32 27,80 0,684

160 0,815 1025 3,44 30,09 0,682

180 0,779 1040 3,56 32,49 0,681

Приложение 5

Физические свойства воды (на линии насыщения)

t, 0C ρ, кг/м3

СР,

КДж/кг·К

λ·102,

Вт/м·К

ν·106,

Дж/(кг град)

β·104

К-1

σ·103

, н/м Ρr

0 1000 4,23 65,1 1,79 -0,63 756 13,7

10 1000 4,19 57,5 1,31 +0,70 762 9,52

20 998 4,19 59,9 1,01 1,182 727 7,02

30 996 4,18 61,8 0,81 3,21 712 5,42

40 992 4,18 63,4 0,66 3,87 697 4,31

50 988 4,18 64,8 0,556 4,49 677 3,54

60 983 4,18 65,9 0,478 5,11 662 2,98

70 978 4,19 66,8 0,415 5,70 643 2,55

80 972 4,19 67,5 0,365 6,32 626 2,21

90 965 4,19 68,0 0,326 6,95 607 1,95

100 958 4,23 68,3 0,295 7,5 589 1,75

110 951 4,23 68,5 0,268 8,0 569 1,58

120 943 4,23 68,6 0,244 8,6 549 1,43

130 935 4,27 68,6 0,226 9,2 529 1,32

140 926 4,27 68,5 0,212 9,7 507 1,23

150 917 4,32 687,4 0,202 10,3 487 1,17

160 907 4,36 68,3 0,191 10,8 466 1,10

170 897 4,40 67,9 0,181 11,5 444 1,05

180 887 4,44 67,5 0,173 12,2 424 1,01

Приложение 6

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления

пересчет с СИ: 1ат.=9,81·104Па

Давление(абс), ат. Р

Темпера-тура, 0С

t

Плот-ность, кг/м3 .ρ

Энталь-пия жид-кости,

кДж/кг (i//)

Энталь-пия па-ра,

кДж/кг (i//)

Теплота па-рообразова-

ния кДж/кг(г)

0,2 59,7 0,1283 250,1 2607 2358

0,30 68,7 0,1876 287,9 2620 2336

0,40 75,4 0,2456 315,9 2632 2320

0,50 80,9 0,3027 339,0 2642 2307

0,60 85,5 0,3590 358,2 2650 2296

0,70 89,3 0,4147 375,0 2657 2286

0,80 93,0 0,4699 389,7 2663 2278

0,90 96,2 0,5246 403,1 2668 2270

1,0 99,1 0,5790 415,2 2677 2264

1,2 104,2 0,6865 437,0 2686 2249

1,4 108,7 0,7931 456,3 2693 2237

1,6 112,7 0,898 473,1 2703 2227

1,8 116,8 1,003 483,6 2709 2217

2,0 119,6 1,107 502,4 2710 2208

3,0 132,9 1,618 558,9 2730 2171

4,0 142,9 2,120 601,1 2744 2141

5,0 151,1 2,614 637,7 2754 2117

6,0 158,1 3,104 667,9 2768 2095

Рекомендуемая литература

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973.

2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты хими-ческой и нефтехимической технологии. – М: Химия, 1972.

3. Павлов К.Ф, Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – М:Химия, 1987 .

4. Дыткерский Ю.М. Обратный осмос и ультрафильтрация. – М: Химия, 1978 г., С. 352.

5. Хванг С.Т., Каммермеер К. Мембранные процессы разделе-ния. – М: Химия, 1981 г., С. 464.