Учебная программа и краткие методические показания

2019-11-13

249

Обсуждений (0)

0.00 из 5.00 0 оценок

⇐ Предыдущая 1 23

Раздел 3 Массообменные процессы и аппараты

Тема 3.1 Общие сведения о массообменных процессах

Процессы межфазного массообмена. Общая характеристика массообменных процессов.

Применение массообменных процессов для разделения гомогенных и гетерогенных систем. Способы выражения состава фаз.

Литература: [1, с. 560-582]

[2, с. 304-322]

Тема 3.2 Основы массопередачи

Процессы массопередачи. Материальный баланс процесса. Направление процессов массопередачи.

Массопередача в гомогенных средах. Молекулярная диффузия. Турбулентная диффузия. Конвективный перенос массы. Уравнение массопередачи. Коэффициент массопередачи.

Уравнение массоотдачи. Коэффициент массоотдачи. Соотношение между коэффициентом массопередачи и коэффициентом массоотдачи.

Литература: [1, с. 560-582]

[2, с. 304-322]

Тема 3.3 Абсорбция

Назначение абсорбции, характеристика процесса, его применение. Абсорбция при разделении гомогенных газовых смесей и очистки газов. Выбор абсорбента. Физическая абсорбция и абсорбция, сопровождающаяся химическим взаимодействием. Десорбция.

Влияние температуры и давления на растворимость газов в жидкостей.

Плёночные и насадочные абсорберы. Устройство и принцип работы. Виды насадок.

Абсорберы барботажного типа. Устройство и принцип работы.

Литература: [1, с. 590-615]

[2, с. 324-341]

Тема 3.4 Дистилляция и ректификация

Назначение процессов дистилляции и ректификации. Материальный баланс простой перегонки. Схемы дистилляционных установок.

Ректификация. Физические основы. Схемы установок для непрерывного и периодического процессов ректификации.

Материальный баланс. Уравнение и построение рабочих линий. Минимальное и рабочее флегмовое число.

Литература: [1, с. 657-711]

[2, с. 342-365]

Тема 3.5 Сушка

Характеристика процесса, области применения. Классификация способов сушки. Равновесие между фазами в процессе сушки. Направление и движущая сила сушки. Статика и кинетика сушки.

Свойства влажного воздуха. I-X диаграмма влажного воздуха. Материальный и тепловой баланс сушки. Процессы конвективной сушки. Контактная сушка. Сушка инфракрасными лучами, токами высокой частоты, сублимацией. Конструкция сушилок.

Литература: [1, с. 731-802]

[2, с. 403-426]

[7, c.394-426]

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ № 2

296 Сущность массообменных процессов. Приведите примеры и дайте их краткую характеристику.

297 Способы выражения состава фаз.

298 Что является движущей силой процесса массопередачи? Укажите основное отличие рабочей от равновесной концентрации вещества.

299 Приведите основное уравнение массопередачи. В каких единицах выражается коэффициент массопередачи?

300 Как осуществляется массообмен между газом и жидкостью? Приведите уравнение молекулярной (закон Фика) и конвективной диффузии.

301 Сущность и область применения процесса абсорбции в химической промышленности. Физические основы процесса абсорбции.

302 Влияние температуры и давления на процесс абсорбции. Значение процесса для защиты окружающей среды.

303 Уравнение материального и теплового балансов процесса абсорбции. Закон Генри.

304 Как определить удельный расход поглотителя при расчёте процесса абсорбции? Что называется степенью извлечения?

305 Сущность процесса десорбции. Укажите основные методы и оптимальные условия проведения десорбции.

306 Классификация абсорберов. Приведите схему и опишите устройство насадочного абсорбера. Укажите его достоинства и недостатки.

307 Какие виды насадок вы знаете. Опишите их устройство и принцип работы.

308 Принцип работы барботажных абсорберов. Опишите устройство колонны с колпачковыми тарелками, их достоинства и недостатки.

309 Особенности тарельчатых колонн. Типы тарелок. Опишите принцип их работы.

310 Устройство и принцип работы плёночных абсорберов.их достоинства и недостатки.

311 Сущность процесса ректификации. Назовите область применения этого процесса в химической промышленности.

312 Какие вы знаете типы двойных смесей и их основные свойства?

313 приведите схему непрерывно действующей ректификационной установки, укажите её достоинства.

314 Выполните схему, опишите устройство и принцип работы барботажной ректификационной колонны. Приведите существующие типы тарелок, опишите их достоинства и недостатки.

315 Что такое флегма, с какой целью она подаётся в ректификационную колонну?

316 Как посчитать необходимое количество флегмы? Минимальное и рабочее флегмовое число Будет ли колонна работать при минимальном флегмовом числе?

317 Материальный и тепловой баланс процесса ректификации.

318 Составьте тепловой баланс ректификационной колонны. Приведите формулу для определения расхода греющего пара.

319 Ректификация двойной смеси. Периодическая ректификация. Приведите схему и опишите принцип работы.

320 Непрерывная ректификация двойной смеси. Приведите схему. Укажите её достоинства.

321Сущность, Назначение и способы проведения простой перегонки. Схема процесса.

322 Диаграмма «X-Y» и «t-X-Y» их назначение.

323 Как определить высоту ректификационной колонны с помощью диаграммы «X-Y»?

324 Общая характеристика и область применения процесса сушки. Способы сушки.

325 Назовите основные сушильные агенты и дайте их технико-экономическое сравнение.

326 Какие существуют виды связи влаги с материалом? Что называется равновесной влажностью?

327 От каких факторов зависит процесс сушки? Перечислите основные свойства влажного воздуха.

328 Применение диаграммы «I-x» для определения основных параметров влажного воздуха ( влагосодержания, парциального давления водяных паров, энтальпии и температуры, относительной и абсолютной влажности).

329 материальный баланс процесса сушки и цель его составления. Составьте материальный баланс по сухому веществу и по расходу воздуха.

330 Тепловой баланс процесса сушки.

331 Приведите классификацию основных типов сушилок, Укажите их достоинства и недостатки.

332 Выполните схему и опишите устройство и принцип работы барабанной сушилки. Какие типы насадок в ней используют?

333 Устройство и принцип работы камерной, туннельной, ленточной и петлевой сушилок. Их сравнительная характеристика.

334 Какая сушилка является наиболее эффективной для сушки мелкозернистого материала? Приведите её схему и опишите принцип работы.

335 Приведите схему и опишите принцип работы распылительной сушилки. Выполните эскизы применяемых распылительных дисков. Укажите достоинства и недостатки распылительных сушилок.

336 Перечислите специальные методы сушки. Опишите сушку токами высокой частоты, укажите её достоинства.

337 Сублимационная сушка. Её достоинства и недостатки. Пути интенсификации процессов.

Задачи

№№ 338-352

(т.3.1 - 3.2 пр. № 17 )

Определить мольный состав и среднюю мольную массу смеси, состав которой в % (масс.) приведён в таблице.

	338	339	340		341	342	343	344	345	346	347	348	349	350	351	352
Смесь	Метиловый спирт --этиловый спирт				Ацетон - бензол			Бензол – уксусная кислота			Метиловый спирт - вода			Хлороформ - бензол
ω_нк	28	43		36	34	27	44	18	33	49	24	46	39	28	37	48

Задачи №№ 353-367

(т.3.4 пр. № 18)

Определить количество дистиллята Р, кг/с и кубового остатка W, кг/с, если в ректификационную колонну поступает F, кг/с смеси.

Содержание НК (низкокипящего компонента) в смеси а_F (масс. доли. (%)), дистиллята а_р (масс. доли. (%)), в кубовом остатке

а_W (масс. доли. (%)).

Составы смесей приведены в таблице:

	353	354	355	356	357	358	359	360	361	362	363	364	365	366	367
F	1,48	1,65	1,84	2,90	2,15	2,28	3,90	3,15	3,26	2,45	2,58	2,66	1,95	2,90	2,18
а_F	0,28	0,34	0,42	0,22	0,34	0,40	0,28	0,30	0,32	0,34	0,18	0,28	0,24	0,40	0,30
а_р	0,95	0,96	0,98	0,93	0,94	0,97	0,95	0,99	0,97	0,98	0,95	0,96	0,97	0,98	0,95
а_W	0,03	0,04	0,02	0,05	0,02	0,04	0,05	0,02	0,04	0,03	0,05	0,06	0,03	0.05	0,02
Состав смеси	Бензол-толуол			Ацетон-вода			Метиловый спирт-этиловый спирт			Метиловый спирт-вода			Этиловый спирт-вода

Задачи №№ 368-382

(т.3.4 пр. № 19)

Определить теоретическое и действительное число тарелок в ректификационной колонне непрерывного действия для разделения бинарной (двойной) смеси. Содержание низкокипящего компонента в смеси х_F (мол.. доли. (%)), в дистилляте х_р (мол.. доли. (%)), в кубовом остатке х_W(мол.. доли. (%)). Коэффициент избытка флегмы β, к.п.д. тарелки – η. Давление в колонне атмосферное. Для построения равновесной кривой на диаграмме «х-y» используются данные [1, с. 818]/

	368	369	370	371	372	373	374	375	376	377	378	379	380	381	382
Состав смеси	Ацетон-бензол			Метиловый спирт-вода			Метиловый спирт-этиловый спирт			Хлороформ-бензол			Бензол-толуол
х_F	0,48	0,69	0,46	0,49	0,36	0,42	0,59	0,48	0,52	0,42	0,39	0,38	0,42	0,44	0,46
х_р	0,950,90	0,92	0,90	0,95	0,94	0,95	0,94	0,96	0,95	0,94	0,90	0,95	0,96	0,94	0,95
х_w	0,04	0,06	0,06	0,04	0,05	0,06	0,02	0,03	0,09	0,10	0,10	0,11	0,05	0,06	0,07
β	2,0	1.9	1,5	1,8	1,9	2,0	2,0	1,9	1,7	1,8	1,7	2,0	2,1	2,0	1,9
η	0,55	0,70	0,60	0,65	0,60	0,70	0,60	0,70	0.65	0,70	0,55	0,60	0,65	0,70	0,65

Задачи №№ 383-397

(т.3.4 пр. № 20)

Определить общую высоту Н, м и диаметр ректификационной колонны D, м, если число теоретических тарелок N_{т ,} к. п. д. тарелки η, расстояние между тарелками h _{м. т}., м. Объёмный расход пара, проходящего через колонну V, м³/с, скорость пара ω, м/с.

	383	384	385	386	387	388	389	390	391	392	393	394	395	396	397
N_т	12	19	8	18	16	12	13	14	15	18	10	12	13	15	8
η,	0,5			0,6			0,7			0,8			0,6
V	0,98	0,86	1,24	1,25	1,48	1,56	1,68	1,88	2,90	1,82	1,76	1,84	1,83	1,95	2,83
ω	1,9	1,4	1,2	1,3	1,5	1,7	1,8	2,0	1,6	2,2	2,0	1,6	0,7	0,9	1,2
h _{м. т}	0,3			0,4			0,5			0,6			0,5

Задачи №№ 398-412

(т.3.4 пр. № 21)

Определить тепловую нагрузку дефлегматора Q_деф.,Вт и расход охлаждающей воды G_в, кг/с, если в дефлегматор поступает Р кг/с паров дистиллята, флегмовое число равно R, вода в процессе охлаждения нагревается на Δt,°С. Пары дистиллята поступают в дефлегматор при температуре кипения t_кип.°С.

	398	399	400	401	402	403	404	405	406	407	408	409	410	411		412
Дистиллят	Сероуглерод			Спирт бутиловый			хлороформ			Этилацетат			Ацетон
Р	2,48	2,65	2,87	0,95	1,18	1,35	2,48	2,84	3,25	2,95	3,28	3,24	4,95	3,84	3,62
R
Δt	10	12	14	12	15	14	9	12	14	11	13	12	14	15		18
t_кип	46			118			61			77			56

Задачи №№ 413-427

(т.3.3 пр. № 22)

Определить скорость газа (воздуха), соответствующую началу подвисания жидкости (воды) в абсорбере с насадкой. Расход газа G, кг/ч, а расход поглотителя L, кг/ч, начальная температура газовой смеси t,°С. Характеристики насадки приведены в таблице.

	413	414	415	416	416	417	418	420	41	422	423	424	425	426	427
G	12000	11500	13000	9000	9500	12000	6000	7000	8000	9000	9500	12000	6000	7200	8400
L	14000	13000	15000	10000	12000	14000	7800	8500	9500	10500	10200	14000	7500	8500	10000
Тип насадки	Керамические кольца Палля			Керамические кольца Рашига			Стальные кольца Палля			Керамические седла «Инталлокс»			Керамические кольца Берля
Хар-ка насадки (разм., мм)	35х35х4	50х50х5	60х60х6	50х50х5	35х35х4	50х50х5	25х25х0,6	50х50х1	35х35х0,8	25	38	50	12,5	25	38
ε	0,76	0,78	0,79	0.785	0,9	0,9	0,9	0,775	0,81	0,79	0,68	0,69	0,70	0,78	0,79
f	165	120	96	90	140	90	235	108	170	255	195	118	460	260	165
t	20			18			21			22			19

Задачи №№ 428-442

(т.3.3 пр. № 23)

Определить диаметр D, м и высоту Н, м насадочного абсорбера.. Поверхность контакта фаз F м², площадь сечения абсорбера S, м².

Характеристика насадки указана в таблице.

	428	429	430	431	432	433	434	435	436	437	438	439	440	441	442
Тип насадки	Керамические кольца Рашига			Стальные кольца Рашига			Стальные кольца Палля			Керамические кольца Палля			Керамические седла «Инталлокс»
Размер, мм	25х25х3	35х35х4	50х50х5	35х35х2,5	50х50х1	25х25х0,8	25х25х0,6	35х35х0,8	50х50х1	35х35х4	50х50х5	60х60х6	25	38	50
f, м²/м³	204	140	87,5	147	110	220	235	170	108	165	120	96	255	195	118
F	2400	2600	2000	2500	1800	2600	2250	2800	1950	2900	1850	2100	2400	2320	1900
S	1,48	1,56	2,56	1,60	1,46	1,52	1,40	1,75	2,0	1,81	2,15	1,28	1,36	1,44	1,48

Задачи №№ 443-457

(т.3.3 пр. № 24)

Определить гидравлическое сопротивление Р, Па слоя беспорядочно засыпанной в абсорбер насадки при плотности орошения U, м³/м^2·ч, массовая скорость газа (воздуха) Wг, кг/м²·с и температуре газа t_газа, °С. Высота слоя насадки Н, м. Характеристика насадки (ε, f) указана в таблице. ε - свободный объём насадки, м³/м³, f – удельная поверхность насадки, м²/м³.

	443	444	445	446	447	448	449	450	451	452	453	454	455	456	457
Н	6,2	7,6	8,8	10,5	11,2	10,9	8,6	9,4	7,8	7,2	8,5	9,6	6,8	7,4	8,7
U	5,6	7,4	9,8	10,2	8,4	8,2	7,9	11,0	11,4	12,0	12,2	10,5	10,8	9,4	7,8
Wг	1,48	1,63	1,59	1,65	1,72	1,68	1,74	1,58	1,85	1,23	1,92	1,88	1,56	1,60	1,64
t_газа	17			21			15			18			20
Вид насадки	Керамические кольца Рашига			Стальные кольца Рашига			Стальные кольца Палля			Керамические кольца Палля			Керамические кольца «Инталокс»
Размеры, мм	25х25х3	35х35х4	50х50х5	15х15х0,5	50х50х1,0	25х25х0,8	25х25х0,8	35х35х0,8	50х50х1,0	50х50х5	60х60х6	35х35х4	25	38	50
ε	0,74	0.78	0.785	0.92	0.95	0.92	0.90	0.90	0.90	0,76	0.78	0,79	0,775	0,81	0,79
f	204	140	87.5	350	110	220	235	170	108	165	120	96	255	195	118

Задачи №№ 458-472

(т.3.4 пр. № 25)

В ректификационной колонне непрерывного действия барботажного типа проходят пары в количестве V₀, м³/ч, давлением Р, МПа, средней температурой t, °С, плотностью ρ_г, кг/м³. Расстояние между тарелками h, мм. Плотность разделяемой жидкости ρ_ж, кг/м³. Определить диаметр ректификационной колонны.

ПРИМЕЧАНИЕ: Расход и плотность пара приводятся при нормальных условиях: Р₀ = 0,1 МПа; Т₀ = 273°С.

	458	459	460	461	462	463	464	465	466	467	468	469	470	471	472
V₀	4000	5000	6000	4500	5500	6500	7000	7200	7500	3600	1800	2500	10800	5555	10000
Р	0,10	0.13	0,14	0,15	0,10	0,17	0.10	0.19	0.20	0.15	0.175	0,21	0.25	0,10	0.20
Газовая фаза	воздух			СS₂			SО₂			СО₂			Ацетон
t	-25	-27	50	-31	-33	65	-37	40	-41	-43	80	-41	-35	-45	-50
h	300	350	400	300	350	400	300	300	300	200	250	250	400	300	400
ρ_ж,	800	810	820	830	840	850	860	870	890	900	850	860	870	880	900
Тип тарелок	Ситчатые			Колпачковые			Ситчатые			Колпачковые			Ситчатые

Задачи №№ 473-487

[Т. 3.5; ПР. № 26]

Составить материальный баланс процесса сушки, если в сушилку поступает G₁кг/с материала с начальной влажностью W₁, % (масс.), а конечная влажность материала W₂, % (масс.).

	473	474	475	476	477	478	479	480	481	482	483	484	485	486	487
G₁	1,28	1,84	1,65	1,82	2,95	2,27	2,45	2,68	2,84	3,85	3,28	3,45	3,64	3,88	4,0
W₁	12	18	13	14	19	10	12	9,4	8,5	10	11	13	12	9	20
W₂,	1,0	0,85	1,10	1,15	0,95	0,9	1,10	1,0	0,56	0,85	0,90	1,15	1,20	0,86	0,95

Задачи №№ 488-502

[т. 3.5 пр. № 27]

Определить расход воздуха на сушку, если в сушилку подаётся G, кг/с влажного материала с начальной влажностью W₁, % (масс.). Конечная влажность материала W₂, % (масс.). Состояние воздуха характеризуется следующими параметрами: до сушки t₁°С, j₁,%; на выходе из сушилки: t₂ °С, j₂,%.

	488	489	490	491	492	493	494	495	496	497	498	499	500	501	502
G	1,88	1,95	2,64	2,25	1,78	1,93	2,68	2,84	1,55	1,62	1,96	2.15	2,34	2,58	1,85
W₁	12,0	13,0	15,0	14,0	10,0	18,0	11,0	13,0	12,0	10,0	9,0	12,0	130	11,5	12,8
W₂	3,0	2,0	3,0	1,0	2,0	0,5	2,0	2,5	2.8	1,5	1,6	2,2	2,5	2,0	2,6
j₁	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5	5
t₁	110	100	90	100	120	110	130	80	120	110	100	90	120	110	100
t₂	45	50	50	60	45	50	55	50	45	45	55	70	55	50	45
j₂	70	70	50	30	70	70	60	70	50	70	50	30	50	70	70

Задачи №№ 503-517

[т.3.5; пр. № 28]

Определить расход теплоты Qк, Вт и расход греющего пара Gп, кг/с для нагрева L,кг/с воздуха в калорифере. Давление греющего пара P, МПа. Состояние воздуха характеризуется параметрами: на входе в калорифер: t₀, ⁰С, х₀, кг/кг; на выходе из калорифера t₁, ⁰С.

	503	504	505	506	507	508	509	510	511	512	513	514	515	516	517
L	2,65	1,84	2,35	1,98	2,16	3,63	2,74	3,95	2,28	1,69	2,87	3,25	2,96	2,24	2,48
t₀	25	20	25	20	15	20	15	20	25	30	15	20	25	30	20
х₀	0,014	0,012	0,016	0,014	0,008	0,010	0,008	0,005	0,018	0,012	0,008	0,014	0,016	0,012	0,012
t₁	120	130	110	120	110	120	120	110	120	110	130	120	110	120	120
Р	0,3	0,4	0,2	0,4	0,3	0,3	0,2	0,4	0,3	0,3	0,4	0,3	0,2	0,4	0,3

Задачи №№518-532

[Т. 3.5; пр.№29]

Определить расход воздуха и расход тепла в теоретической сушилке для удаления W, кг/с влаги из влажного твёрдого материала. Состояние воздуха характеризуется следующими параметрами: на входе в калорифер температура t₀, ⁰С, относительная влажность

j₀, %; на выходе из сушилки температура воздуха t₂, ⁰С, относительная влажность j_2,%.

	518	519	520	521	522	523	524	525	526	527	528	529	530	531	532
W	0,20	0,31	0,54	0,36	0,18	0,46	0,37	0,39	0,35	0,34	0,53	0,19	0,39	0,18	0,30
t₀	20	25	30	25	20	30	25	20	30	20	25	30	30	25	20
j₀	30	70	50	60	70	70	70	70	50	60	70	70	70	40	70
t₂	60	70	55	65	70	50	55	60	70	65	55	60	55	60	70
j₂	70	20	70	30	20	50	50	30	20	30	50	20	50	30	20

Методические указания по решению задач к контрольной работе № 2

ПРИМЕР № 17

Определить мольный состав и среднюю молекулярную массу смеси ацетон-вода, если среднее содержание ацетона равно 40% (масс.)

Дано:

Смесь: ацетон-вода

а_нк=40% (масс.)

х_ац.=? х _{воды =} ? М_см.=?

Решение:

1 Определим мольную долю ацетона в смеси по формуле:

где М_ац. – мольная масса ацетона, кг/моль;

М_ац=58 кг/моль

М_Н2О- мольная масса воды,

М_Н2О=18 кг/моль

2 Мольная доля воды составит:

х _воды=1 – 0,171=0,89 мольн. Доли

3 Среднюю мольную массу смеси рассчитываем по уравнению [1, с.562]

М_см.=М_ац.

ПРИМЕР № 18

Определить количество дистиллята и кубового остатка, если в ректификационную колонну поступает 1,86 кг/с смеси СS₂-CCI₄. Содержание НК (СS₂) – низкокипящего компонента:

в смеси а _F=0,25 масс. дол.; а_р=0,97 масс. дол.; а w=0,04 масс. дол.

Дано:

смесь СS₂-CCI₄

F=1,85 кг/с

а _F=0,25 масс. дол

а_р=0,97 масс. дол

а w=0,04 масс. дол.

Р=? W=?

Решение:

1 Количество кубового остатка и дистиллята определим из уравнения материального баланса процесса ректификации [1, с.671]

F=P+W

ПРИМЕР № 19

Определить теоретическое и действительное число тарелок в ректификационной колонне непрерывного действия для разделения двойной (бинарной) смеси сероуглерод - четырёххлористый - углерод (CS₂ – CCI₄) под атмосферным давлением. Содержание сероуглерода (низкокипящего компонента);

В смеси х _F=0,50 масс. дол

В дистилляте х_р=0,97 масс. дол

Вкубовом остатке х w=0,04 масс. дол

Коэффициент избытка флегмы β=4,8, К.П.Д. тарелки η=0,5

Дано:

Смесь:

CS₂ – CCI₄

х _F=0,50 масс. Дол

х_р=0,97 масс. Дол

х w=0,04 масс. Дол

β=4,8,

η=0,5

N_g - ? N_T - ?

Решение:

1 По данным [1, с.819] для смеси CS₂ – CCI₄ строим равновесную кривую в координатах Х-У

[4, с.543 ] ( см. таблицу 1)

Таблица 1

Смесь

CS₂ – CCI₄

Х-У Состав

НК в жидкой и газовой фазе

Х,%

100

У,%

13,2

42,3

54,4

64,5

72,6

79,1

84,8

90,1

100

t, °C

76,7

73,7

71,0

62,3

51,6

49,6

47,9

46,3

Рисунок 1 – Равновесная диаграмма «Х – У» для смеси CS₂ – CCI₄

Для построения равновесной кривой на диаграмме Х – У на миллиметровой бумаге строим квадрат 10х10 см. Затем по данным таблицы 1 определяем положение равновесной кривой (показана на диаграмме пунктирной линией). Каждому значению Х соответствует своё значение У в % (мольных или мольных долях)

2 Рассчитываем минимальное флегмовое число по формуле [4, с.321 ]