ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Министерство образования и науки РФ _________________

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени С.М. Кирова»

Кафедра технологии древесных и целлюлозных композиционных материалов

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Методические указания и контрольные задания для студентов заочного отделения

института химической переработки биомассы дерева и техносферной безопасности

направления 18.03.01 «Химическая технология» и 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы

в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»

2

2

Рассмотрены и рекомендованы к изданию учебно-методической комиссией

института химической переработки биомассы дерева и техносферной безопасности Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета

«…» …….. 2018 г.

С о с т а в и т е л ь: кандидат технических наук, доцент С.Н. Кузнецов

Рецензент кафедра технологии древесных и целлюлозных

композиционных материалов СПбГЛТУ

Промышленная экология: методические указания и контрольные задания / сост.: А. В. Шелоумов. – СПб.: СПбГЛТУ, 2018. – 40 с.

В методических указаниях представлены контрольные задания по курсу «Процессы

и аппараты химической технологии» для студентов заочного отделения института химиче-ской переработки биомассы дерева и техносферной безопасности, обучающихся по на-правлению 18.03.01 «Химическая технология» и 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии». Даны общие указания по их выполнению, краткие рекомендации по решению задач, приведены контрольные во-просы по курсу, а также список рекомендуемой для изучения курса литературы.

4

4

Введение

Современная химическая промышленность, в том числе и химическая переработка древесины, характеризуется большим разнообразием произ-водств, видов выпускаемой продукции, способов её получения и применяе-мого при этом оборудования. Вместе с тем любое производство, как правило, состоит из ряда операций – типовых процессов, осуществляемых в опреде-лённой последовательности, зависящей от свойств сырья, вида конечной продукции и требований, предъявляемых к ней. К таким процессам относят-ся: перемещение жидкостей и газов, перемешивание, осаждение, фильтрова-ние, нагревание и охлаждение, выпаривание, сушка, абсорбция, перегонка жидкостей, ректификация и другие. Эти процессы в различных производст-вах осуществляются в аналогичных по устройству и принципу действия ма-шинах и аппаратах.

Процессы и аппараты, общие для различных отраслей химической тех-нологии, получили название основных процессов и аппаратов. Теоретические основы и закономерности этих процессов, принципы устройства, а также ме-тоды расчёта применяемых машин и аппаратов и составляют предмет и со-держание курса процессов и аппаратов химической технологии. Анализ за-кономерностей, протекающих процессов, производится на основе использо-вания фундаментальных законов физики, термодинамики, физической химии и других наук. В данной дисциплине изучаются также основы теории подо-бия и принципы моделирования и масштабирования процессов, т. е. необхо-димые условия перехода от лабораторных исследований к промышленному производству.

Таким образом, дисциплина «Процессы и аппараты химической техно-логии» является инженерной дисциплиной, представляющей собой раздел теоретических основ химической технологии. Изучая физико-химическую сущность явлений, лежащих в основе технологических процессов, и принци-пы практического приложения законов физики, химии, механики и других наук в химической промышленности, эта дисциплина неразрывно связана с технологией. Она позволяет осуществлять в производственных условиях оп-тимальные технологические режимы, интенсифицировать работу аппарату-ры, повышать её производительность и улучшать качество продукции.

5

5

1. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ КУРСА «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»

По существующему учебному плану дисциплина изучается на втором курсе. Формы контроля – зачёт, экзамен, курсовой проект.

На первом курсе, на установочной лекции студенты получают задания для самостоятельной работы, необходимую учебно-методическую литерату-ру, а также консультации преподавателей кафедры процессов и аппаратов химической технологии по вопросам изучения дисциплины. В течении года студент самостоятельно прорабатывает теоретическую часть по основному учебнику [1], выполняет контрольные работы, а также делает курсовой про-ект, в соответствии с выданным заданием, пользуясь методическими указа-ниями и учебной литературой [2,3]. В период лабораторно-экзаменационной сессии студенты слушают курс лекций, выполняют лабораторные работы, сдают контрольные работы, зачёт и экзамен, а также защищают курсовой проект перед комиссией на кафедре «Инженерной химии и промышленной экологии». Экзамену предшествуют консультации по теоретической части дисциплины.

1.1. Теоретическая часть

Теоретические знания студентами заочного обучения приобретаются путём освоения материала по учебникам [1,3,4,5] и учебным пособиям [6,7,8,9,10] в соответствии с учебной программой дисциплины. Во время ла-бораторно-экзаменационной сессии студенты прослушают курс лекций по данной дисциплине, где излагаются теоретические основы тех или иных раз-делов и принципы их изучения.

Рабочая программа дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов направ-

лений 18.03.01 и 18.03.02.

Тема 1. Введение. 1. Место курса в инженерных дисциплинах и его содержание. 2. Классификация основных процессов химической технологии. 3. Общие принципы анализа и расчёта процессов и аппаратов.

Тема 2. Основы гидравлики. 1. Основные физические свойства жидкостей и газов. Гидростатика.

Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера. Основное урав-нение гидростатики (закон Паскаля) и его практическое приложе-ние.

6

6

2. Гидродинамика. Уравнения объёмного и массового расхода. Гид-равлический радиус и эквивалентный диаметр. Гидродинамические режимы движения жидкостей. Уравнение Бернулли и его практиче-ское приложение. Гидравлические сопротивления в трубопроводах. Движение жидкостей через неподвижные зернистые и пористые слои.

3. Основы теории подобия. Теоремы подобия. Принципы моделирова-ния. Гидродинамическое подобие, критерии подобия. Критериаль-ное уравнение гидродинамики.

Тема 3. Перемещение жидкостей и газов. 1. Перемещение жидкостей. Классификация насосов. Рабочие харак-

теристики насосов. Конструкции насосов. Расчёт и подбор насосов по каталогу.

2. Перемещение и сжатие газов. Термодинамические основы процесса сжатия газов. Классификация машин для перемещения и сжатия га-зов. Поршневые компрессоры. Теоретическая и индикаторная диа-грамма. Вентиляторы, компрессоры: принцип работы и расчёт.

Тема 4. Разделение неоднородных систем. 1. Классификация неоднородных систем и методы их разделения. 2. Разделение жидких систем. Отстаивание. Скорость осаждения. Рас-

чёт отстойников. Классификация и типы отстойников. Фильтрова-ние. Уравнение фильтрования. Расчёт и устройство фильтров. Цен-трифугирование. Фактор разделения. Типы центрифуг. Расчёт и уст-ройство центрифуг. Устройство гидроциклонов.

3. Разделение газовых систем (очистка газов). Гравитационная очист-ка газов. Очистка газов под действием инерционных и центробеж-ных сил. Мокрая очистка газов. Электрическая очистка газов. Аппа-раты для очистки газов.

Тема 5. Перемешивание жидкостей. 1. Способы перемешивания. Типы и расчёт механических мешалок.

Тема 6. Тепловые процессы. 1. Тепловые свойства веществ. Способы передачи тепла. Величина те-

плового потока. 2. Схема теплопередачи. Уравнение теплопередачи. Коэффициенты

теплоотдачи и коэффициент теплопередачи. Средняя разность тем-ператур. Тепловое подобие.

3. Классификация теплообменников. Типы и расчёт теплообменников. Тепловые балансы. Теплоносители.

7

7

4. Выпаривание. Материальный и тепловой балансы однокорпусного выпарного аппарата. Типы выпарных аппаратов. Схемы многокор-пусных выпарных установок, их достоинства и недостатки. Расчёт выпарных установок.

Тема 7. Массообменные процессы. 1. Основы массопередачи. Схема массопередачи. Способы выражения

состава фаз. Равновесие при массопередаче. Движущая сила процес-сов массопередачи. Молекулярная диффузия. Уравнение Фика.

2. Уравнение массопередачи. Коэффициент массопередачи. Расчёт массообменных аппаратов.

3. Абсорбция. Равновесие при абсорбции. Материальный баланс про-цесса. Типы и расчёт абсорберов. Десорбция.

4. Простая перегонка. Схема простой перегонки. Материальный ба-ланс. Виды перегонки. Уравнение простой перегонки.

5. Ректификация. Принцип ректификации, диаграмма t – х. Схемы ректификационных установок периодического и непрерывного дей-ствия. Флегмовое число. Тепловой и материальный баланс. Типы и расчёт ректификационных колонн. Ректификация многокомпонент-ных смесей. Виды ректификации.

6. Экстракция. Равновесие в системах жидкость – жидкость, жидкость – твёрдое тело. Методы экстракции. Устройство и расчёт экстракци-онных аппаратов.

7. Адсорбция. Равновесие при адсорбции, изотермы адсорбции. Время защитного действия слоя адсорбента. Схемы адсорбционных уста-новок. Расчёт адсорберов периодического и непрерывного действия.

8. Сушка. Виды сушки. Основные параметры сушильного агента. Диа-грамма I – х. Схема воздушной конвективной сушилки. Тепловой и материальный баланс. Определение расхода воздуха и тепла на суш-ку. Кинетика сушки. Устройство и расчёт конвективных сушилок. Варианты процесса сушки.

Изучив курс «Процессы и аппараты химической технологии» студент должен знать:

1. Основные процессы химической технологии (гидромеханические, тепловые, диффузионные), способы их осуществления и аппаратур-ного оформления.

2. Конструкции и принципы действия машин и аппаратов, осуществ-ляющих эти процессы, особенности их работы.

8

8

3. Методы расчёта процессов химико-механической технологии, ма-шин и аппаратов, принципы выбора оптимальных режимов работы оборудования.

4. Основы теории подобия и принципы физического моделирования. 5. Методы математической обработки результатов экспериментальных

исследований и лабораторных работ. После изучения курса студент должен уметь: 1. Произвести материальный, гидравлический и тепловой расчёт ос-

новных процессов и аппаратов химико-механической технологии (трубопроводов, насосных и вентиляционных установок, теплооб-менников, выпарных станций, абсорберов, ректификационных ко-лонн, экстракторов, сушилок).

2. Определить основные размеры аппаратов (диаметр, высоту, по-верхность, объём), подобрать по ГОСТу, отраслевым нормалям и дать паспортную характеристику.

3. Анализировать конечные и промежуточные результаты расчётов, осуществлять оптимизацию процессов.

4. Пользоваться справочниками, ГОСТами, отраслевыми нормалями, читать технологические схемы и чертежи химической аппаратуры.

1.2. Контрольные работы

Самостоятельно студенты выполняют 2 контрольных работы. Первая контрольная работа состоит из пяти задач: задачи 1,2,3 из раздела «Гидроди-намические процессы», задачи 4,5 из раздела «Тепловые процессы». Вторая контрольная работа состоит из задач 6,7,8 из раздела «Массообменные про-цессы». Контрольные работы оформляются в отдельной тетради в рукопис-ном виде или в печатном виде на листах формата А4 и сдаются на кафедру для проверки. Для решения задач необходимо иметь задачник [2].

Общие указания к решению задач

1. Номер варианта выбирается в соответствии с последней цифрой номера зачетной книжки.

2. Исходные данные для решения задач можно записывать в сокра-щенном виде, используя принятые буквенные обозначения задан-ных величин (не переписывая условия задач).

3. Расчет рекомендуется производить с точностью до двух значащих цифр после запятой.

4. Основные расчетные формулы и примеры решения подобных задач можно найти в задачнике [2] в соответствующих главах: задача № 1 – гл. 1,2; № 2,3 – 3; № 4 – 4; № 5 – 5; № 6 – 6; № 7 – 7; № 8 – 10.

9

9

5. Все необходимые справочные величины для решения задач опреде-ляются по таблицам и рисункам, приведенным в задачнике.

6. Номера таблиц и рисунков, приведенные ниже, справедливы для за-дачника 2007 г. издания и могут отличаться от номеров соответст-вующих таблиц и рисунков в задачниках других лет издания.

7. Приведённая ниже методика расчёта не является обязательной, воз-можны другие варианты решения задач.

Контрольная работа №1

Задача 1

Центробежный насос (рис.1) перекачивает жидкость с температурой t = 20C из расходного бака в реактор, работающий под избыточным давлением Ризб.= 0,2 ат. Трубопровод выполнен из стальных труб с незначительной кор-розией (средняя шероховатость стенок труб е = 0,2 мм). На трубопроводе ус-тановлены 3 нормальных вентиля, диафрагма с отверстием диаметром 50 мм и 3 отвода под углом 90 и радиусом изгиба трубы 300 мм. Перед подачей в реактор жидкость подогревается в кожухотрубчатом теплообменнике, изго-товленном из стальных труб диаметром dт.о = 252 мм (изменением физиче-ских параметров нагретой жидкости при расчете сопротивления трубопрово-да можно пренебречь).

Рассчитать и подобрать по каталогу центробежный насос для перека-чивания жидкости.

Вентиль (3 шт.) Н г

Расходный бак Диафрагма Теплообменник Реактор

(Ризб. = 0,2 ат)

Насос

Рис.1. Схема насосной установки.

Таблица 1

Исходные данные к задаче 1

Исходные данные Номер варианта

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

10

Перекачиваемая жидкость

Вод

а

Эти

ловы

й сп

ирт

Бен

зол

Тол

уол

Мет

илов

ый

спир

т

Аце

тон

Ани

лин

98%

H2S

O4

Хло

роф

орм

Укс

усна

я ки

слот

а

Расход жидкости V, м3/ч 24 32 36 48 30 42 40 60 72 82

Общая длина трубопровода L, м

50 40 35 30 25 18 40 36 30 24

Геометрическая высота подъема Н г, м.

8 10 12 9 14 12 7 6 8 10

Кожухотрубчатый теплообменник Число труб на один ход n,

шт. 13 28 22 33 13 28 33 22 33 37

Число ходов z, шт. 1 2 4 6 1 2 6 4 6 4

Длина труб l, м 6 4 2 1 4 3 2 3 5 4

Порядок расчета

1. Рассчитать внутренний диаметр трубопровода d (м), задаваясь ско-

ростью движения жидкости ( = 13 м/с; вариант 7: = 0,51 м/с).

785,0

Vd ,

где: V – расход жидкости, м3/с. 2. Выбрать стандартную трубу по ГОСТу (табл. 2) и уточнить скорость

движения жидкости , м/с.

= 2

внd0,785

V,

где: d вн. внутренний диаметр трубы по ГОСТу, м. Таблица 2

Диаметр стальных труб по ГОСТу

11

11

Наружный диаметр, мм

14 16 18 20 22 25 32 38 45 48 56 57 70 76 89 90 95

Толщина стенки, мм

2 2,5

2 2 3

2 2,5

2 3

2 3

3 3,5

2 3 4

3,5 4

3 4

3,5 2,5 3,5 4

3 3,5

4 4

4,5 6

4 5

4 5

Наружный диаметр, мм

108 133 159 194 219 245 273 325 377 426

Толщина стенки, мм

5 6

4 6 7

5 6 7

6 10

8 7

10 10

10 12

10 11

3. Рассчитать гидравлическое сопротивление трубопровода Нтр., м.

Hтр. =g2

2(

внd

L + + 1) + Hг +

g

Р .изб

,

где: g ускорение свободного падения, м/с2; Ризб. избыточное давление в

реакторе, Па; плотность жидкости, кг/м3 [2, табл. IV]; сумма коэф-

фициентов местных сопротивлений, [2, табл. ]; коэффициент трения, определяется по графику [2, рис. 1.5.], в зависимости от отношения диаметра трубы к шероховатости стенки (dвн./e) и критерия Рейнольдса (Re).

внdRe ,

где: µ вязкость жидкости, Па·с [2, рис. V]. Местные сопротивления трубопровода: вход в трубу (с острыми края-

ми), выход из трубы, 3 нормальных вентиля, диафрагма с отверстием диа-метром 50 мм, 3 поворота под углом 90º и радиусом изгиба трубы 300 мм.

4. Рассчитать гидравлическое сопротивление теплообменника Нт.о., м.

Нт.о =

о.т

о.т

2о.т

d

lz

g2,

где: т.о скорость движения жидкости в теплообменнике, м/с; dт.о внут-

ренний диаметр труб теплообменника, м; коэффициент трения в тепло-обменнике, определить по графику, рассчитав критерий Рейнольдса в тепло-

обменнике и отношение dт.о/е, (е = 0,2 мм); т.о сумма коэффициентов местных сопротивлений в теплообменнике.

12

12

т.о =nd785,0

V2

о.т

Местные сопротивления трубного пространства кожухотрубчатого те-

плообменника: входная камера ( = 1,5), выходная камера ( = 1,5), вход в

трубы ( = 1,0), выход из труб ( = 1,0), поворот на 180 ( = 2,5). Количество входов и выходов из труб равно z, количество поворотов равно (z – 1).

5. Рассчитать общее сопротивление сети Нс (м), подобрать насос по ка-талогу и определить мощность, потребляемую двигателем насоса N, кВт.

Нс. = Нтр + Нт.о Насос подбирается по заданной производительности и требуемому на-

пору Н, м (Н Н с.) по каталогу или задачнику [2, с.92].

н

с

η1000

gHρVN ,

где: н коэффициент полезного действия насосной установки из каталога. Задача 2

В аппарате с мешалкой перемешивается жидкость при температуре t =

20 С. Высота аппарата Н, диаметр D, диаметр мешалки d. Коэффициент за-

полнения аппарата жидкостью = 0,7. Определить размеры аппарата, пусковую и рабочую мощность мешал-

ки. Частоту вращения мешалки n принять в пределах 2 6 с-1. Физические

характеристики раствора плотность (кг/м3) и вязкость (Па·с) взять из задачника [2, табл. IV и табл. IX].

Таблица 3


Номер варианта

Перекачиваемая жидкость Объём

жидкости Vж, л

Тип мешалки D/d Н/D

0 Натр едкий, 20 % 70 Лопастная 2,4 1,5

1 Азотная кислота, 50 % 100 Пропеллерная 4,5 1,4

2 Кальций хлористый, 25 % 40 Турбинная 3,0 1,3

3 Серная кислота, 60 % 60 Лопастная 5,2 1,2

4 Натрий хлористый, 20 % 80 Пропеллерная 3,3 1,0

13

13


Перекачиваемая жидкость Объём

жидкости Vж, л

Тип мешалки D/d Н/D

5 Метиловый спирт, 40 % 90 Пропеллерная 3,8 1,4

6 Натр едкий, 30 % 30 Турбинная 2,4 1,2

7 Аммиачная вода, 25 % 50 Лопастная 4,35 1,5

8 Соляная кислота, 30 % 60 Турбинная 3,0 1,0

9 Натр едкий, 50 % 120 Пропеллерная 16 1,3

Порядок расчёта

1. Определить объём аппарата Va, м.

VVa ,

где: V объём жидкости в аппарате, м3. 2. Рассчитать диаметр мешалки d, диаметр D и высоту аппарата Н, м. Используя известное значение отношения H/D, выразить D через Н и

подставив найденную зависимость в формулу объёма аппарата (Va = 0,785D2Н), найти диаметр и высоту аппарата. Диаметр мешалки определить через соотношение D/d.

3. Рассчитать рабочую N, Вт и пусковую N п, Вт мощность мешалки. N = Kn3 d5,

где: К критерий мощности, определяется по графику [2, рис. VII], в зави-симости от типа мешалки, отношения D/d и центробежного критерия Рей-

нольдса ( μndρRe 2

ц ).

N п = 2N.

Задача 3

Вода, уходящая из щепомойки очищается от песка в прямоугольном горизонтальном отстойнике.

Определить общую длину каналов отстойника L, необходимую для осаждения частиц песка шарообразной формы, с минимальным диаметром d.

Плотность песка п= 1500 кг/м 3. Таблица 4

14

14



Диаметр частиц d, мкм

Температура воды t,С

Высота перелива Н, м

Скорость течения

воды , м/с 0 600 20 0,45 1,0 1 500 25 0,50 0,8 2 400 30 0,35 0,8 3 300 20 0,60 0,6 4 200 15 0,45 0,4 5 100 25 0,50 0,1 6 80 30 0,45 0,08 7 60 15 0,40 0,05 8 40 20 0,35 0,04 9 20 25 0,30 0,007


1. Определить критерий Архимеда.

Аr = 2п

3 )(gd

,

где: плотность воды при заданной температуре, кг/м3 [2, табл. XXXIX]; вязкость воды при заданной температуре, Пас [2, табл. VI].

2. Определить критерий Рейнольдса по графику [2, рис. 3.1.] или рас-считать.

Re = Ar

Ar

0,6118 .

3. Рассчитать скорость осаждения частиц песка ос., м/с.

ос. =

d

Re.

4. Рассчитать время осаждения частиц песка , с и общую длину кана-лов отстойника L, м.

Н/ ос.; L = .

Задача 4

Рассчитать вертикальный кожухотрубчатый теплообменник (конденса-тор) для конденсации насыщенных паров органического вещества при атмо-сферном давлении. Конденсат отводится из аппарата при температуре кон-

15

15

денсации. Пары органической жидкости конденсируются в межтрубном про-странстве, охлаждающая вода проходит по трубам и нагревается в пределах указанных температур. Диаметр труб теплообменника 252 мм.


1. Из уравнения теплового баланса определить расход воды G в, кг/с. Уравнение теплового баланса теплообменника:

Gп r = Gвс(t к – t н), где: r удельная теплота конденсации пара органического вещества, Дж/кг; с удельная теплоёмкость воды, Дж/кгК.

Таблица 5



Конденсируемое вещество (пары)

Расход пара Gп, кг/с

Температура воды

Начальная t н, С

Конечная t к, C

0 Ацетон 1,5 10 35

1 Бензол 2,8 12 48

2 Бутиловый спирт 4,6 8 50

3 Метиловый спирт 1,2 15 42

4 Толуол 4,5 12 40

5 Четырёххлористый углерод 6,0 15 45

6 Хлороформ 3,2 14 46

7 Уксусная кислота 15,0 8 50

8 Этилацетат 9,0 15 55

9 Этиловый спирт 1,4 13 43

В этой задаче все физические свойства органического вещества (r, , , ) определяются при температуре конденсации, равной температуре кипе-ния (tкип.) при атмосферном давлении [2, табл. ХLV, ХLIV, рис.V, Х], все фи-

16

16

зические свойства воды при её средней температуре: tср.= tп – Δtср [2, табл. VI, ХХХIХ].

2. Задаваясь значением критерия Рейнольдса (Rе* = 10000), определить ориентировочное число труб на один ход n*, обеспечивающее турбулентный режим движения воды в теплообменнике.

n* = вн

*в

dRe785,0

G,

где: d вн внутренний диаметр труб теплообменника, м; вязкость воды, Пас.

3. Определить среднюю разность температур Δtcр в теплообменнике, составив температурную схему процесса для противотока.

tп. tконд. tк

—— tн Δtм = tп – tк

——— Δtб = tконд. – tн ,

где: tп температура пара органического вещества; t конд. температура кон-денсата (tп = tконд = tкип.); Δtм и Δtб – меньшая и большая разность темпера-тур в теплообменнике.

Если Δtб/Δtм ≤ 2: Δtср =(Δtб + Δtм)/2;

если Δtб/Δм> 2: Δtср= )ttln(

tt

мб

мб

.

4. Определить ориентировочную поверхность теплообмена F (м2), предварительно приняв коэффициент теплопередачи (К = 400 ÷ 500 Вт/м2К).

F = ср

п

t

rG

K.

5. По задачнику [2, табл. XXXIV] подобрать стандартный теплообмен-ник с числом труб на один ход, меньше расчётного числа n и поверхностью теплообмена с запасом 15 20. Уточнить значение критерия Рейнольдса.

Re = Re*n/n*, где: n* число труб на один ход в выбранном теплообменнике. Критерий Рейнольдса должен быть не менее 10000 (режим движения – турбулентный).

6. Рассчитать коэффициент теплоотдачи от пара к стенке 1, Вт/м2К.

17

17

1 = 3,78 3

п

.общ2

G

dn

,

где: коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/м2К [2, рис. X];

плотность конденсата, кг/м3 [2, табл. IV]; вязкость конденсата, Пас [2, рис. V]; d наружный диаметр труб, м; nобщ. общее число труб, шт.

7. Определить коэффициент теплоотдачи от стенки к воде 2, Вт/м2К.

2 = Nuв/dвн, где: в коэффициент теплопроводности воды, Вт/мК [2, табл. XXXIX]; Nu критерий Нуссельта, можно определить по номограмме [2, рис. ХII], при-нимая отношение (Pr/Prст)

0,25 = 1 или рассчитать:

Nu = 0,021Re0,8Pr0,43, где: Pr критерий Прандтля для воды [2, табл. XXXIX].

8. Рассчитать коэффициент теплопередачи.

К =

221

ст1

1rr

11

,

где: толщина стенки трубы, м; ст теплопроводность стали, Вт/мК [2, табл. ХХVIII]; r1 термическое сопротивление загрязнений со стороны воды (среднего качества), м2К/Вт; r2 термическое сопротивление загрязнений со стороны пара органического вещества, м2К/Вт [2, табл. ХХХI].

9. Определить поверхность теплообмена, используя рассчитанный ко-эффициент теплопередачи. Если был подобран многоходовой теплообмен-ник, необходимо уточнить значение средней разности температур:

∆tcр = ∆tcрε∆t, где: ε ∆t поправочный коэффициент [2, рис. VIII].

10. Окончательно подобрать теплообменник по каталогу и уточнить за-пас поверхности теплообмена.

Задача 5

В вакуум-выпарном аппарате непрерывного действия с естественной циркуляцией раствора (рис. 2) упаривается раствор соли от начальной кон-центрации bн до конечной bк. Вторичный пар конденсируется в поверхност-ном конденсаторе, вода подаётся в конденсатор при температуре 15С, ухо-дит – при 50С. Упариваемый раствор подаётся в выпарной аппарат при тем-

18

18

пературе tн = 30С, влажность греющего пара x = 0,94. Тепловые потери в ок-ружающую среду принять равными 5 от полезно затраченного тепла. Вели-чину гидравлической депрессии ∆/// на участке выпарной аппарат – конден-

сатор принять равной 2С. Плотность раствора при отсутствии справочных данных принять в пределах 1200 1300 кг/м 3. Конденсат греющего пара в выпарном аппарате и вторичного пара в поверхностном конденсаторе отво-дится при температуре конденсации. Вода подаётся в конденсатор при тем-пературе tн.в = 15С, уходит – при tк.в = 50С. Коэффициент теплопередачи в поверхностном конденсаторе Кконд. принять в пределах от 400 до 500 Вт/м2К. Барометрическое давление Рбар = 760 мм. рт. ст.

Определить: 1. Количество выпаренной воды W, кг/с. 2. Расход греющего пара D, кг/с. 3. Поверхность нагрева выпарного аппарата F, м 2. 4. Экономичность выпаривания Э, удельный расход греющего пара d

и удельный паросъём Wуд. 5. Поверхность теплообмена конденсатора Fк, м 2.

Таблица 6



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Упариваемый раствор С

аСl 2

КО

Н

КС

l

К2С

О3

КN

O3

MgC

l 2

MgS

O4

NaO

H

NaC

l

NaN

О3

Начальная концен-трация b н,

10 6 8 15 20 6 15 5 6 12

Конечная концен-трация bк,

40 36 32 45 55 33 38 34 25 48

Производитель-ность по исходному

раствору Gн, т/ч

16,0

14,8

13,6

21,0

15,0 10,8 14,4

12,0

18,6

9,8

Давление греющего пара Рг.п, ат

3,1 2,5 1,5 1,3 1,0 1,5 1,3 1,9 1,7 2,1

Вакуум на входе в конденсатор Рв, мм. рт. ст.

200 300 400 500 600

550 450 350 250 150

19

19


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Высота кипятиль-ных труб Нтр, м

7,0 6,8 6,6 6,4 6,2 6,0 5,8 7,0 6,8 6,5

Коэффициент теплопередачи

К, Вт/м2К 800 760 740 720

860

880 900 840 820 850

Вторичный пар

Р0, t0

Вода

P1, t1

Исходный раствор Конденсат

Греющий пар P2, t2

Конденсат

Упаренный раствор

Рис.2. Схема выпарной установки


1. Определить количество выпаренной воды W, кг/с.

W = Gн(1 – )b

b

к

н

2. Определить температуру кипения раствора tкип.,С. tкип = t0 + Δ/ + Δ// + Δ///,

где: t0 – температура вторичного пара при его давлении на входе в конденса-тор Р0 = (Рбар – Рв)/735, ат.; Δ/ концентрационная депрессия при давлении в выпарном аппарате; Δ// гидростатическая депрессия; Δ/// гидравличе-ская депрессия.

Δ/ = а Δ/ат,

20

20

где: Δ/ат. – концентрационная депрессия при атмосферном давлении, опреде-

ляется как разность температуры кипения раствора при конечной концентра-ции [2, табл. XXXVI] и температуры кипения воды при атмосферном давле-нии; а – коэффициент, зависящий от абсолютного давления Р1 в выпарном аппарате (табл. 7). Р1 (ат) определяется по температуре вторичного пара в сепараторе выпарного аппарата: t1 = t0 + Δ/// [2, табл. LVI].

Таблица 7

Зависимость коэффициента а от давления в выпарном аппарате

Р1,ат 0,15 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 а 0,73 0,76 0,81 0,85 0,88 0,91 0,95 1,0

Δ// = t2 – t1,

где: t2 – температура кипения воды при давлении Р2 (ат) в середине труб вы-парного аппарата [2, табл. LVII].

Р2.= Р1+981004

.урgHρ

,

где: Нур. – высота уровня жидкости в трубах.

Нур. = [0,26 + 0,0014( в)]Hтр,

где: и в – плотность раствора и плотность воды при температуре кипения. 3. Рассчитать количество тепла, затрачиваемого на выпаривание Q, Вт.

Q = [Gнср(tкип. – tн) + Wr]1,05, где: 1,05 – коэффициент, учитывающий тепловые потери; г – удельная теп-лота парообразования воды при tкип [2, табл. LVI]; ср – теплоёмкость раство-ра (Дж/кгК). ср = 4190[1 – (bн /100)].

4. Рассчитать полезную разность температур tпол,С в выпарном аппа-рате.

tпол = tг.п. – tкип., где: tг.п. – температура греющего пара, определяется по давлению греющего пара [2, табл. LVII].

5. Определить поверхность нагрева выпарного аппарата F, м2 .

F = .полtK

Q

6. Рассчитать расход греющего пара D, кг/с.

D = Q/(rх),

21

21

где: г – удельная теплота конденсации греющего пара, определяется по дав-лению греющего пара (табл. LVII), х – степень сухости пара (х = 0,95).

7. Определить Э, %; d, кг/кг; Wуд, кг/м2с. Э = (W/D)100; d = D/W; Wуд = W/F.

8. Определить поверхность теплообмена конденсатора Fк, м 2.

Fк= .срконд

конд

tK

Q

,

где: Qконд – количество тепла, отдаваемое вторичным паром, Вт; Δtср – сред-няя разность температур в конденсаторе, С (определение Δtср см. задачу 4).

Qконд = Wr, где: r – удельная теплота конденсации вторичного пара при t0 [2, табл. LVI].

Контрольная работа №2

Задача 6

Аммиак поглощается водой из аммиачно-воздушной смеси в насадоч-ном абсорбере (рис. 3), заполненном керамическими кольцами Рашига раз-мером 35354 мм. Давление в абсорбере 101,32 кПа (760 мм рт. ст.), темпе-ратура воды 20С. Известны расход аммиачно-воздушной смеси при нор-мальных условиях V, концентрация аммиака на входе в абсорбер ун (объём-ные проценты) и концентрация аммиака в воде, поступающей в абсорбер хн

(массные проценты). Степень извлечения аммиака = 95%. Известны также

избыток поглотителя и высота единицы переноса hоу. Определить: 1. Количество поглощённого аммиака М, кг/с. 2. Конечную концентрацию аммиака в воде Х к. 3. Минимальный и фактический расход поглотителя Lmin и L, кг/с. 4. Число единиц переноса nоу (методом графического интегрирования). 5. Диаметр абсорбера D, м и высоту насадки Н, м.

Таблица 8

Данные о равновесных концентрациях смесей аммиак – воздух

и аммиак – вода

Х , кг NH3/кг воды 0 0,01 0,02 0,03 0,04 У , кг NH3/кг воздуха 0 0,0047 0,0096 0,0144 0,0199

Х , кг NH3/кг воды 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

22

22

У , кг NH3/кг воздуха 0,0256 0,0691 0,103 0,164 0,25 Таблица 9



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 V, м3/с 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0

ун,% (об.) 30 29 28 27 26 27 28 28 29 30

хн,% (массн.) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

, % 8 10 12 13 14 15 16 17 18 20

hоу, м 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,0 1,2 1,5

G, ук L, хн У

нУ

кУ

G, ун L, хк нХ кХ кХ Х

Рис. 4. Схема насадочного абсорбера


1. Перевод концентраций аммиака в воздухе и в воде в относительные массовые доли.

нУ = н

н

у100

у

29

17; кУ = (1 )Ун; нХ =

н

н

х100

х

2. Определить количество поглощённого аммиака М, кг/с.

М = G( нУ – кУ ), где: G – расход воздуха, кг/с.

G = 100

100 )у(ρV н,

23

23

где: плотность воздуха при температуре 20С 3. Построить линию равновесия, пользуясь данными о равновесных

концентрациях и определить минимальный расход поглотителя Lmin, кг/с.

Lmin = н

*

к ХХ

М

,

где: кХ равновесная концентрация аммиака в воде при нУ , определяется

по равновесной линии (см. рис. 3). 4. Определить фактический расход поглотителя L, кг/с, конечную кон-

центрацию аммиака в воде кХ и построить рабочую линию (см. рис. 3).

L = minLε

100

100

; кХ =

L

М + нХ .

Рабочая линия строится по двум точкам: координаты первой точки кУ ,

нХ ; координаты второй точки нУ , кХ .

5. Определить число единиц переноса n оу методом графического ин-тегрирования и высоту насадки Н, м.

nоу =

нХ

кХ*УУ

Уd;

Для определения числа единиц переноса составляем табл. 10, задаваясь значениями Х ( 1Х – 0Х = 2Х – 1Х = 3Х – 2Х и т.д.). Чем больше промежу-

точных значений Х (принимать не менее 3), тем выше точность расчётов. Таблица 10

n Х У У m = 1/( У– У ) n0 0Х = нХ 0У = кУ

0У m0

n1 1Х 1У 1У m1

n2 2Х 2У 2У m2

n3 3Х 3У 3У m3

ni iХ = кХ iУ = нУ iУ mi

Значения У определяются по графику по рабочей линии, У по равно-

весной линии по значениям Х . Значение интеграла (площадь под кривой) определяем приближённо по

формуле трапеций:

24

24

nоу = (Ун – Ук)/n

1im

1m

i0 m2

mm.

Определение значения интеграла подробно описано в задачнике [2, пример 4.26, стр.195].

Н = h оуn оу. 7. Определить фиктивную ф м/с и рабочую скорость газа , м/с в плё-

ночном режиме работы абсорбера. Фиктивная скорость газа определяется из уравнения:

lg125,0

ж

г25,0

смж3св

16,0жг

2ф

G

L75,1022,0

gV

,

где: удельная поверхность насадки, м2/м3 [2, табл. XVII]; Vсв – свобод-

ный объём насадки, м3/м3 [2, табл. XVII]; ж – плотность воды при темпера-

туре 20С, кг/м3; ж – вязкость воды при температуре 20С, сПз; г – плот-ность газовой смеси при температуре 20С, кг/м3; Gсм – расход газовой сме-си, кг/с.

г = 10

01см

ТР4,22

ТРМ

; Мсм = Мамун + Мв(1 – ун),

где: Мам – молекулярная масса аммиака; Мв – молекулярная масса воздуха, Р0 и Р1 – атмосферное давление и давление в абсорбере, соответственно (Р0 = Р1); Т0 и Т1 – температура газа при нормальных условиях (Т0 = 273,15К) и температура газа в абсорбере, К.

Gсм =Vг. Рабочая скорость газа: = 0,75ф 8. Определить диаметр абсорбера D, м.

D = ω785,0

V .

Задача 7

В непрерывно действующей ректификационной колонне (рис. 4) разде-ляется под атмосферным давлением смесь, содержащая х F (массн. %) легко-летучего компонента. Требуемое содержание легколетучего компонента в дистилляте х D, в кубовом остатке х W. Исходная смесь перед подачей в ко-лонну подогревается до температуры кипения. Куб колонны обогревается глухим паром давлением Рг.п..

25

25

Определить: 1. Количество дистиллята GD, кг/с и кубового остатка W, кг/с. 2. Диаметр D, м и высоту колонны H, м. 3. Число тарелок (теоретическое nт и действительное n). 4. Расход пара на обогрев куба колонны Gп, кг/с.

Пояснения к расчёту

Определение всех искомых величин подробно описано в задачнике, в примере расчёта тарельчатой ректификационной колонны [2, стр. 351 – 361] и не требует дополнительных пояснений. Данные о равновесных составах жидкости и пара приведены в таблице 12.

Для смесей, у которых кривая равновесия имеет впадину (например: этиловый спирт – вода), минимальное флегмовое число определяется графи-ческим способом см. пример 7.16 в задачнике [2, стр. 343].

Диаграмму У – Х для определения числа теоретических тарелок реко-мендуется строить на миллиметровке (размер осей не менее 1010 см).

Коэффициент полезного действия колонны определить в задачнике по графику рис. 7. 4. [2, стр. 322], без учёта поправки на длину пути жидкости на тарелке.

Общая высота колонны Н, м рассчитывается по формуле: Н = hм.т(n – 1) + Нс + Н куб,

где: Нс – высота сепарационной части, Н куб – высота кубовой части колонны. Высота сепарационной и кубовой части принимаются в зависимости от

диаметра колонны. Высота кубовой части может быть принята равной (2–3)D – для колонн диаметром от 400 до 800 мм; (1–2)D – для колонн диаметром от 1000 до 3600 мм. Высота сепарационной части – (0,5 – 1)D.

26

26

Таблица 11 Исходные данные к задаче 7

Исходные данные

Номер варианта 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Разделяемая смесь

Мет

илов

ый

спир

т –

вода

Хло

роф

орм

– б

ензо

л

Бен

зол

– то

луол

Аце

тон

- бе

нзол

Эти

ловы

й сп

ирт

– во

да

Вод

а –

уксу

сная

кис

лота

Аце

тон

– эт

илов

ый

спир

т

Мет

илов

ый

спир

т –

этил

о-вы

й сп

ирт

Бен

зол

– ук

сусн

ая к

исло

та

Сер

оугл

ерод

– ч

еты

рёх-

хлор

исты

й уг

леро

д

Тип тарелок

Сит

чаты

е

//

//

//

//

Кол

пачк

овы

е

//

//

//

//

Расход смеси GF, т/ч

7,2 4,8 10,8 4,6 6,0 5,4 9,4 7,8 8,6 10,2

Концентрация исходной смеси хF, (массн. %)

30 40 18 32 20 24 28 28 25 25

Концентрация дистиллята

хD,(массн. %) 96 95 90 94 90 92 94 95 88 95

Концентрация кубового остатка

хW,(массн. %) 5 4 6 8 6 12 7 5 9 5

Расстояние между тарелками

hм.т, мм 300 250 500 300 400 350 450 300 300 400

Давление греюще-го пара, Рг.п, ат

3,2 2,8 3,6 3,0 2,5 4,0 2,4 1,6 3,2 3,6

27

27

2

Вода

3

1 4

Вода

Пар 8

Дистиллят

Конденсат

Вода Исходная смесь 6 5 Пар 6 Кубовый остаток 7

Конденсат

Рис. 4

Схема непрерывно действующей ректификационной установки. 1 – колонна; 2 – дефлегматор; 3 – делитель флегмы; 4 – холодильник дистиллята; 5 – холо-дильник кубового остатка; 6 – делитель кубового остатка; 7 – кипятильник; 8 – подогрева-тель исходной смеси.

Таблица 12

Равновесные составы жидкости х и пара у в мольных процентах и температуры кипения

tС двойных смесей при давлении 760 мм. рт. ст.

Смесь х 0 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Метиловый спирт –

вода у t

0 100

26,8 92,3

41,8 87,7

57,9 81,7

66,5 78

72,9 75,3

77,9 73,1

82,5 71,2

87 69,3

91,5 67,6

95,8 66

100 64,5

Хлороформ – бензол у t

0 80

6,5 80,1

12,6 79,6

27,2 78,4

41 77,2

54,6 75,9

66 74,5

74,6 73,1

83 71

90,5 68,7

96,2 65,7

100 61,5

Бензол – толуол у t

0 110,6

11,5 108,3

21,4 106,1

38 102,2

51,1 98,6

61,9 95,2

71,2 92,1

79 89,4

85,4 86,8

91 84,4

95,9 82,3

100 80,2

Ацетон – бензол у t

0 80,1

14 78,3

24,3 76,4

40 72,8

51,2 69,6

59,4 66,7

66,5 64,3

73 62,4

79,5 60,7

86,3 59,6

93,2 58,8

100 56,1

Этиловый спирт – вода

у t

0 100

33,2 90,5

44,2 86,5

53,1 83,2

57,6 81,7

61,4 80,8

65,4 80

69,9 79,4

75,3 79

81,8 78,6

89,8 78,4

100 78,4

Вода – уксусная кислота

у t

0 118,1

9,2 115,4

16,7 113,8

30,3 110,1

42,5 107,5

53 105,3

62.6 104,4

71,6 103,3

79,5 102,1

86,4 101,3

93 100,6

100 100

Ацетон – этиловый спирт

у t

0 78,3

15,5 75,4

26,2 73

41,7 69

52,4 65,9

60,5 63,6

67,4 61,8

73,9 60,4

80,2 59,1

86,5 58

92,9 57

100 56,1

Метиловый спирт – этиловый спирт

у t

0 78,3

7,4 77,2

14,3 76,5

27,1 75

39,6 73,6

51,5 72,2

62,6 70,8

72,3 69,4

79,8 68,2

86,6 66,9

93,2 65,9

100 64,9

Бензол – уксусная кислота

у t

0 118,7

26 111,4

42 105,8

59 99

68,6 94

75 90,3

79 88

83 85,7

88 83,5

92,5 82

97 80,8

100 80,2

Задача 8

В воздушной конвективной сушилке производительностью G н высу-шивается влажный материал. Начальная влажность материала uн, конечная – uк, % (считая на общую массу). Температура материала на входе в сушилку

1 равна температуре наружного воздуха. Удельная теплоёмкость сухого ма-териала см = 1,35 кДж/кгК. Коэффициент теплопередачи в калорифере К принять равным 40 Вт/м2К, степень сухости греющего пара х = 0,94. Пара-метры атмосферного воздуха (температуру t0,С и относительную влажность

0, %) определить по задачнику [2, табл. XL], в соответствии с местораспо-ложением сушилки, для летних условий (июль).

Используя диаграмму I – x, определить: 1. Расход воздуха L, кг/с и тепла Q, Дж на сушку. 2. Потенциал сушки (как разность температур æср. и влагосодержа-

ний хср.) и тепловой КПД сушилки , %. 3. Поверхность калорифера F, м2 и расход греющего пара G п, кг/с. 4. Изобразить процесс сушки на диаграмме I – x.


1. Рассчитать количество испаряемой влаги W, кг/с.

W = Gнк

кн

u

uu

100

.

2. Определить удельный расход воздуха l т (кг воздуха/кг испаряемой влаги) и удельный расход тепла q т (Дж/кг испаряемой влаги) в теоретиче-ской сушилке.

lт =02 хх

1

,

где: х0 – влагосодержание атмосферного воздуха, кг влаги/кг воздуха; х2 – влагосодержание воздуха на выходе из теоретической сушилки, кг влаги/кг воздуха.

qт = lт(I1 – I0), где: I0 – энтальпия атмосферного воздуха, Дж/кг; I1 – энтальпия воздуха на входе в сушилку, Дж/кг.

30

30

Таблица 13



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Производительность

сушилки по исходному материалу

Gн, т/ч

0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,4 1,6

Начальная влажность материала uн, %

90 88 86 84 82 80 78 76 74 72

Конечная влажность ма-териала uк, %

10 9 8 7 12 9 5 10 8 6

Месторасположение су-шилки (город)

Аст

раха

нь

Вол

гогр

ад

Вол

огда

Арх

анге

льск

Кир

ов

Кра

сноя

рск

Нов

горо

д

Мос

ква

Пск

ов

С. П

етер

бург

Температура воздуха на входе в сушилку t1, С

120

125

130

135

140

145

150

155

130

140

Температура воздуха на выходе из сушилки t2,

С 45 42 48 46 50 60 55 52 45 50

Температура материала на выходе из сушилки

2, С 35 32 40 36 42 50 45 45 35 40

Потери тепла в окру-жающую среду и с

транспортными устрой-ствами qпот, % от qт

8 9 10 12 9 7 11 10 9 8

Давление греющего пара в калорифере Рг.п, ат

3,0 3,2 3,6 4,2 5,0 5,5 6,0 6,5 3,6 4,6

Все эти величины определяются по диаграмме I – х [2, стр. 424]. х0 и I0 определяются в точке А, соответствующей параметрам атмосферного возду-

31

31

ха, которую находят по диаграмме на пересечении линий t0 и 0. I1 опреде-ляют в точке В, соответствующей параметрам воздуха на входе в сушилку, которую находят на пересечении линий х0 и t1. х2 находят в точке С, соот-ветствующей параметрам воздуха на выходе из теоретической сушилки, ко-торую находят на пересечении линий I1 и t2 (см. рис. 5).

3. Рассчитать величину , характеризующую отклонение действитель-ного процесса сушки от теоретического.

= 1тп12мн с

qq

W

)(сG

100

,

где: с – теплоёмкость воды, Дж/кгК. 4. Определить удельный расход воздуха l д (кг воздуха/кг испаряемой

влаги) и удельный расход тепла q д (Дж/кг испаряемой влаги) в действитель-ной сушилке.

lд = 0

/2 хх

1

,

где: /2х – влагосодержание воздуха на выходе из действительной сушилки,

кг влаги/кг воздуха.

qд = lд(I2 – I1), где: I2 – энтальпия воздуха на выходе из действительной сушилки, Дж/кг.

Задавшись значением влагосодержания х (х0 х х2), рассчитывают

энтальпию: I = I1 – (х – х0). На диаграмме I – x находят точку D, на пере-сечении линий I и х. Через точки В и D проводят прямую линию до пересе-чения с линией t2 и в точке Е, соответствующей параметрам воздуха на вы-

ходе из действительной сушилки, определяют значение /2х и I2 (см. рис. 5).

5. Рассчитать общий расход воздуха L, кг/с и тепла Q, Дж на сушку.

L = lдW; Q = qдW. 6. Определить потенциал сушки, как разность температур æср,С.

æср = (æ1 – æ2)/ln(æ1/æ2). æ1 = t1 – tм.т.; æ2 = t1 – tм.т,

где: t м.т. – температура мокрого термометра в точке Е; t м.т. определяется по диаграмме I – x, см. пример 10 – 13 в задачнике [2, стр. 435].

32

32

7. Определить потенциал сушки, как разность влагосодержаний хср..

хср = )хх(ln

хх

21

21

х1 = хнас – х0; х2 = хнас – х/2,

где: хнас – влагосодержание насыщенного воздуха в точке Е; хнас –определяется по диаграмме I–x, см. пример 10 – 14 в задачнике [2, стр. 435].

8. Определить тепловой к.п.д. сушилки .

= r/qд, где: r – удельная теплота парообразования воды [2, табл. LVI] при темпера-туре tм.т..

9. Определить поверхность калорифера F, м2 и расход греющего пара Gп, кг/с.

F =Q/(Ktср), где: tср – средняя разность температур в калорифере.

Определение tср см. задачу 4 (tп определить по давлению греющего пара; tп = tконд.; tн = t0; tк = t1).

Gп = Q/(rг.п.х), где: rг.п. – удельная теплота конденсации греющего пара [2, табл. LVII].

10. Изобразить процесс сушки на диаграмме I – x (см. рис. 5).

В

t1

I I1 = I2 = const

D

I2

C

t2 0 Е I2

А t0

х0 х х

/2 х2

Рис. 5. Линия АВ – нагрев воздуха в калорифере; линия ВС – процесс сушки в тео-ретической сушилке; линия ВЕ – процесс сушки в действительной сушилке.

33

33

1.3. Лабораторные работы

Лабораторный практикум студенты заочного отделения отрабатывают в период лабораторно-экзаменационной сессии, в соответствии с учебной программой. Продолжительность выполнения каждой работы составляет около 4 академических часов. По каждой работе имеется руководство по её выполнению, содержащее основные определения и теорию процесса, цель, описание работы и установки, методику расчётов и обработки эксперимен-тальных данных. Выполнение каждой работы осуществляется бригадой сту-дентов (2 – 5 чел.) под руководством преподавателя. Перед началом работы студенты отвечают на контрольные вопросы, имеющиеся в её описании. От-чёт по лабораторной работе оформляется один на бригаду. Работа зачитыва-ется после сдачи отчёта и ответа на вопросы по проведённой работе и полу-ченным результатам.

Примерный перечень лабораторных работ

1 Основные элементы трубопроводов. Режимы движения жидкости и зависимость от них коэффициента трения.

1. Определение характеристик центробежного насоса. 2. Изучение гидродинамики насадочной колонны. 3. Определение констант процесса фильтрования. 4. Исследование процесса перемешивания жидкостей. 5. Определение коэффициента теплопередачи. 6. Испытание выпарного аппарата. 7. Исследование процесса массопередачи в колонном аппарате. 8. Изучение процесса простой перегонки. 9. Изучение процесса ректификации в тарельчатой колонне непрерыв-

ного действия. 10. Изучение процесса жидкостной экстракции. 11. Определение скорости сушки.

34

34

2. ЗАЧЁТ

После выполнения контрольных задач и лабораторных работ студенты сдают зачёт по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». Зачёт принимают преподаватели, проводившие практические и лабораторные заня-тия. На зачёте студенты отвечают на вопросы по лабораторным работам и по решению контрольных задач, может быть предложено решение не сложных задач. Например: определение гидростатического давления, определение эк-вивалентного диаметра, расчёт диаметра трубопровода, определение средней разности температур в теплообменнике, составление теплового баланса, оп-ределение параметров влажного воздуха по диаграмме I – х, расчёт количест-ва воздуха и тепла в теоретической сушилке и другие.

3. ЭКЗАМЕН

После получения зачёта студент допускается к сдаче экзамена по про-цессам и аппаратам. Экзамену предшествуют групповые и индивидуальные консультации преподавателей по данной дисциплине. Экзамен проводится устно. Студент готовится по билету, который он выбирает самостоятельно. В каждом билете по три вопроса – по одному из каждого основного раздела: гидродинамика, теплопередача, массопередача. На подготовку отводится до 30 – 40 минут, на опрос до 20 минут. Преподаватель может задавать допол-нительные вопросы, предложить решение задач. Разрешается пользоваться справочной литературой, иллюстративными плакатами, макетами.

Основные экзаменационные вопросы по дисциплине «Процессы и аппара-

ты химической технологии»

I. Гидродинамические процессы

1. Основные физические свойства жидкостей (плотность, вязкость, поверхностное натяжение). Определение плотности газов. Гидро-статическое давление, физический смысл, размерность в системных и внесистемных единицах.

2. Основное уравнение гидростатики, виды напора. Закон Паскаля. 3. Практические приложения основного уравнения гидростатики (со-

общающиеся сосуды, измерение уровня жидкости в закрытых ре-зервуарах, сифон, гидравлический пресс).

4. Уравнения объёмного и массового расхода жидкости. Определение диаметра трубопровода.

35

35

5. Режимы движения жидкости, визуальная и количественная характе-ристика. Гидравлический радиус, эквивалентный диаметр.

6. Уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкости. 7. Уравнение Бернулли для реальной жидкости. Виды сопротивлений

при движении жидкости в трубопроводе. 8. Практические приложения уравнения Бернулли (скорость истече-

ния жидкости из резервуара с постоянным уровнем, приборы для измерения скорости и расхода жидкости).

9. Основы теории подобия, теоремы подобия. Критерии гидродинами-ческого подобия.

10. Классификация насосов, типы насосов. Основные характеристики центробежного насоса.

11. Цель расчёта насоса и подбор его по каталогу. Расчёт сопротивле-ния сети. Рабочая точка насоса.

12. Классификация машин для сжатия и перемещения газов. Устройст-во вентиляторов, подбор по каталогу.

13. Поршневые компрессоры, их устройство, индикаторная диаграмма. 14. Виды перемешивания. Пусковая и рабочая мощность мешалки. 15. Цель и порядок расчёта мешалки. Типы мешалок. 16. Осаждение под действием силы тяжести. Определение скорости

осаждения частиц шарообразной формы. 17. Определение скорости стеснённого осаждения частиц различной

формы. Эквивалентный диаметр частиц. 18. Классификация отстойников, типы отстойников. Цель и порядок

расчёта отстойника. 19. Осаждение под действием центробежных сил. Фактор разделения.

Типы аппаратов. 20. Устройство циклона. Батарейные циклоны. Классификация и уст-

ройство центрифуг. 21. Классификация неоднородных смесей и способы их разделения.

Схема фильтрования, движущая сила процесса фильтрования. 22. Скорость фильтрования, сопротивление фильтрованию. Типы

фильтров. Барабанные вакуум-фильтры 23. Способы очистки газов от пыли. Типы аппаратов.

II. Тепловые процессы

24. Способы передачи тепла. Уравнение теплоотдачи.

36

36

25. Тепловое излучение. Определение количества отданного тепла. 26. Теплопроводность однослойной и многослойной стенки. Определе-

ние количества переданного тепла. 27. Критерии теплового подобия. Критериальное уравнение теплопере-

дачи. 28. Схема передачи тепла через стенку. Определение коэффициентов

теплоотдачи, их физический смысл. 29. Основное уравнение теплопередачи. 30. Определение коэффициента теплопередачи, его физический смысл. 31. Определение средней разности температур в теплообменнике при

прямотоке и противотоке. 32. Классификация теплообменников, типы теплообменников. Харак-

теристики теплоносителей. 33. Цель и порядок расчёта теплообменника, подбор по каталогу. 34. Составление теплового баланса. Определение расхода одного из те-

плоносителей. 35. Выпаривание. Схема однокорпусной выпарной установки. 36. Тепловой и материальный баланс выпарной установки. 37. Определение температуры кипения раствора в трубах выпарного

аппарата. Полезная разность температур. 38. Температурные потери при выпаривании. 39. Схемы многокорпусных выпарных установок, преимущества и не-

достатки каждой из них.

III. Массообменные процессы

40. Схема перехода вещества из одной фазы в другую. Способы выра-жения состава фаз.

41. Уравнение молекулярной диффузии (закон Фика). Коэффициент диффузии.

42. Уравнение массоотдачи. Коэффициенты массоотдачи. 43. Закон Генри. Графическое изображение линии равновесия. 44. Закон Рауля. Графическое изображение линии равновесия. 45. Основное уравнение массопередачи. Коэффициенты массопереда-

чи. 46. Графическое изображение линии рабочих концентраций. Движущая

сила процессов массопередачи. Определение средней движущей си-лы.

37

37

47. Определение поверхности массообмена в аппаратах с непрерывным контактом фаз.

48. Определение поверхности массообмена в аппаратах со ступенчатым контактом фаз.

49. Абсорбция. Схема абсорбера, материальный баланс. 50. Определение расхода абсорбента. 51. Типы абсорберов. Режимы работы насадочных абсорберов. Назна-

чение и характеристики насадки. 52. Определение поверхности массообмена насадочных абсорберов. 53. Принцип разделения жидких гомогенных смесей простой перегон-

кой. Схема простой перегонки. Виды перегонки. 54. Схема непрерывно-действующей ректификационной установки.

Флегмовое число. 55. Схема периодически действующей ректификационной установки.

Особенности её работы. 56. Построение рабочих линий укрепляющей и исчерпывающей частей

колонны. 57. Определение числа действительных тарелок и высоты колонны. 58. Разделение жидких многокомпонентных смесей ректификацией.

Виды ректификации. 59. Устройство ректификационных колонн. Типы тарелок. 60. Характеристика процесса сушки. Виды сушки. 61. Схема конвективной сушки. Материальный баланс. 62. Тепловой баланс сушилки. 63. Параметры влажного воздуха. Определение по диаграмме I – x. 64. Определение удельного расхода воздуха и тепла на сушку для тео-

ретической сушилки (по диаграмме I – x). 65. Понятие о теоретической сушилке. Отличие процесса сушки в дей-

ствительной и теоретической сушилке (величина ). 66. Изображение процесса сушки на диаграмме I – x (для теоретиче-

ской и действительной сушилки). 67. Кривые сушки (зависимость температуры материала, влажности ма-

териала, скорости сушки от времени). 68. Варианты процесса сушки. Типы конвективных сушилок. 69. Экстракция в системе жидкость – жидкость. Методы экстракции.

Требования, предъявляемые к экстрагенту.

38

38

4. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Задание на курсовой проект выдаётся студенту на установочной лек-ции. Курсовой проект выполняется студентом самостоятельно и состоит из графической части и пояснительной записки. Пояснительная записка оформ-ляется на листах бумаги формата А4 и состоит из титульного листа, задания на курсовой проект, введения, в котором приведены описания процесса и ус-тановки, расчёта основного аппарата и технологического расчёта вспомога-тельной аппаратуры. Графическая часть курсового проекта выполняется на одном листе бумаги формата А1 или на двух листах бумаги формата А2 и включает технологическую схему установки, чертеж общего вида основного аппарата и чертежи некоторых сборочных единиц.

Целесообразно выполнять курсовой проект в соответствии с выбранной специальностью и запросами своего предприятия. Готовый курсовой проект сдаётся на кафедру для проверки и защищается перед комиссией на кафедре «Инженерной химии и промышленной экологии» в период лабораторно-экзаменационной сессии.

Темы курсовых проектов

1. Расчёт многокорпусной выпарной установки. 2. Расчёт абсорбционной установки. 3. Расчёт ректификационной установки непрерывного действия. 4. Расчёт сушильной установки.

39

39

Рекомендуемая учебная литература

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической техно-логии. М.: Химия, 1971, 1973. 752 с.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по кур-су процессов и аппаратов химической технологии. М.: ООО ИД «Альянс», 2007. 576 с.

3. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической тех-нологии. М.: Химия, 1991. 496 с.

4. Коган В.Б. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажной промыш-ленности. М.: Лесная промышленность, 1980. 576 с.

5. Обливин А.Н., Киприанов А.И., Прокофьев Н.С., Воскресенский А.К., Храмов Ю.В. Процессы и аппараты древесных плит и пласти-ков. М.: Лесная промышленность, 1990. 462 с.

6. Киприанов А.И. Гидромеханические процессы: Курс лекций / ЛТА. Л., 1985. 64 с.

7. Киприанов А.И. Процессы и аппараты химико-механической тех-нологии. Гидродинамические процессы: Учебное пособие / ЛТА. СПб., 2003.

8. Киприанов А.И. Процессы и аппараты химико-механической тех-нологии. Тепловые процессы: Учебное пособие / ЛТА. Л., 1990.

9. Киприанов А.И. Процессы и аппараты химико-механической тех-нологии. Массообменные процессы: Учебное пособие / ЛТА. Л., 1991.

10. Калинин Н.Н. Расчёт выпарной установки / ЛТА. Л., 1987. 44 с. 11. Киприанов А.И., Лебедев Б.Н. Расчёт абсорбционной установки /

ЛТА. Л., 1984. 42 с. 12. Храмов Ю.В. Расчёт ректификационной установки / ЛТА. Л.,1987.

44 с. 13. Калинин Н.Н., Мирошников С.Л. Расчёт сушильных установок /

ЛТА. Л., 1979. 36 с.

40

40

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 1

1. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ КУРСА «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ» ............................. 5

1.1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ................................................................. 5

1.2. КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ .................................................................. 8

1.3. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ............................................................. 33

2. ЗАЧЁТ ..................................................................................................... 34

3. ЭКЗАМЕН ............................................................................................... 34

4. КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ........................................................................... 38

РЕКОМЕНДУЕМАЯ УЧЕБНАЯ ЛИТЕРАТУРА ................................... 39

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Documents