Процессы и аппараты химических производств: Рабочая программа. Задания на контрольные работы. Методические указания к выполнению контрольных работ

Министерство образования Российской Федерации Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра экологии и инженерной защиты окружающей среды

Процессы и аппараты химических производств

Рабочая программа. Задания на контрольные работы Методические указания к выполнению контрольных работ

Факультет технологии веществ и материалов Направления и специальности подготовки дипломированных специалистов: 655000 – химическая технология органических веществ и топлива 654900 – химическая технология неорганических веществ и материалов 250100 – химическая технология органических веществ 250200 – химическая технология неорганических веществ Направление подготовки бакалавра 550800 – Химическая технология и биотехнология

Санкт-Петербург 2002

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 66.011 ( 07 ) Процессы и аппараты химических производств : Рабочая программа. Задания на контрольные работы. Методические указания к выполнению контрольных работ. – СПб.: CЗТУ, 2002. – 41с. Методический комплекс содержит рабочую программу дисциплины с контрольными вопросами по каждому разделу, список рекомендованной литературы, тематический план лекций и практических занятий, перечень лабораторных работ, задания на контрольные работы и методические указания к их выполнению. Рабочая программа составлена в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов 655000 (специальность 250100), 654900 (специальность 250200) и направлению подготовки бакалавра 550800.

Рассмотрено на заседании кафедры экологии и инженерной защиты окружающей среды « 29 » апреля 2002 года, одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов « 10 » июня 2002 года. Рецензенты: кафедра экологии и инженерной защиты окружающей среды (заведующий кафедрой А.И. Алексеев, д-р техн. наук, проф.); В.С.Чупалов, канд.техн.наук, доц. кафедры инженерной химии и промышленной экологии Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна

Составители: С.К.Цветков, канд.техн.наук, доц. А.Н.Серов, канд.техн.наук, доц. И.Л.Евсеева, канд.техн.наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2002

3 Предисловие Дисциплина «Процессы и аппараты химических производств» изучает общие для различных отраслей химической промышленности процессы, устройство и принцип действия, а также методы расчета машин и аппаратов, используемых для проведения этих процессов. Современная химическая промышленность включает большое число различных производств. С использованием методов химикотехнологической обработки исходного сырья производится широкий ассортимент разнообразных продуктов, включающий неорганические кислоты и их соли, щелочи, удобрения, строительные материалы, многочисленные органические соединения. При этом в различных отраслях химической промышленности проводятся однотипные процессы такие, как нагревание и охлаждение, перемещение жидкостей и газов, перемешивание в жидких средах и другие. Эти процессы характеризуются общими законами гидромеханики, переноса теплоты, переноса массы из одной фазы в другую, химической кинетики, механики твердого тела. В химической технологии наиболее важное значение имеют гидромеханические, тепловые и массообменные процессы. В различных производствах эти процессы осуществляются в однотипных по принципу действия аппаратах. Поэтому процессы и аппараты, общие для различных отраслей химической технологии, получили название основных процессов и аппаратов. Таким образом, изучаемая дисциплина рассматривает физикохимические закономерности и теорию процессов, характерных для большинства химических производств. Наука о процессах и аппаратах составляет теоретическую основу химической технологии и решает задачи, связанные с разработкой новых конструкций химических аппаратов и машин, обладающих высокой производительностью и обеспечивающих более высокие экономические показатели и более лучшее качество продукции. Процессам и аппаратам химической технологии принадлежит значительная роль в решении современных экологических проблем как при разработке новых малоотходных производств, так и при разработке методов очистки сточных вод и газовых выбросов. В соответствии с учебным планом дисциплина «Процессы и аппараты химических производств» изучается на третьем и четвертом курсах, в течение четырех семестров. Основные положения данной дисциплины излагаются на лекциях (46 часов). Наряду с лекционными занятиями важное значение при изучении данной дисциплины имеет лабораторный практикум (46 часов), где студенты наглядно знакомятся с основными типами химических аппаратов, их устройством, принципом действия и методом расчета.

4 Согласно учебному плану по каждой из четырех частей дисциплины выполняются контрольные работы, сдается зачет по лабораторному практикуму и экзамен. Завершается изучение дисциплины выполнением курсового проекта. При курсовом проектировании осуществляются расчеты одной из типовых установок (абсорбционной, ректификационной, выпарной или сушильной) и выбор оборудования для проведения конкретного процесса в заданных условиях с использованием современной справочной и научно-технической литературы, а также нормативнотехнической документации В соответствии с вышеизложенным задачами дисциплины «Процессы и аппараты химических производств» являются: - изучение физико-химических закономерностей и кинетики наиболее важных процессов, общих для различных отраслей химической технологии (гидромеханических, тепловых, массообменных); - овладение методами расчета типовых процессов и аппаратов; - ознакомление с устройством типовой аппаратуры и принципиальными технологическими схемами проведения основных процессов. Конечная цель изучения дисциплины заключается в приобретении студентами теоретических знаний и навыков инженерных расчетов, необходимых в дальнейшем при изучении специальных дисциплин, дипломном проектировании и для успешной работы в области химической технологии органических и неорганических веществ. 1. Рабочая программа (Объём 357 часов) 1.1. Введение (5 часов) [1], с. 10…21 Предмет и задачи дисциплины «Процессы и аппараты химических производств», ее взаимосвязь с другими общеинженерными и специальными дисциплинами. Краткие исторические сведения о процессах и аппаратах химической технологии. Классификация основных процессов химической технологии. Современные задачи по совершенствованию химической технологии. Экономические проблемы создания и освоения новой техники. Пути повышения экологической безопасности химических производств.

5 Вопросы для самопроверки 1. Каковы цели и задачи дисциплины «Процессы и аппараты химических проиводств? 1. В чем состоит общность производственных процессов химической технологии? 2. Как классифицируют основные процессы и аппараты химической технологии? 3. Какова роль процессов и аппаратов химической технологии в решении экологических проблем? 4. Назовите основные направления научно-технического прогресса в химической промышленности. 5. Укажите пути улучшения технико-экономических показателей в химических производствах. 1.2.Основы теории переноса импульса, теплоты и массы (40 часов) [1], с.21…100 Законы сохранения массы, энергии и импульса. Материальный и энергетический балансы. Условия термодинамического равновесия. Определение направления и движущей силы процессов. Поля переноса скоростей, температур и концентраций. Потенциал переноса. Основные характеристики потока. Дифференциальные уравнения переноса количества движения, теплоты и массы. Аналогия процессов переноса. Теория физического и математического моделирования процессов переноса. Инварианты и критерии подобия. Теоремы подобия. Критериальные уравнения. Метод анализа размерностей. Гидродинамическая структура потоков и распределение времени пребывания потока в аппарате. Модели идеального вытеснения и идеального смешения. Комбинированнные модели структуры потоков. Вопросы для самопроверки 1. Выразите закон сохранения массы для многокомпонентой системы. 2. Приведите выражения материальных балансов для стационарных и нестационарных процессов. 3. Составьте уравнение теплового баланса аппарата. 4. Сформулируйте правило фаз Гиббса. 5. Напишите основное уравнение переноса массы, энергии и импульса. 6. В чем заключается принцип моделирования процессов? 7. Как преобразовывают дифференциальные уравнения, описывающие процесс, методами теориии подобия?

6 8. Перечислите определяющие и определяемые критерии теплового и гидродинамического подобия. Укажите их физический смысл. 9. Что понимают под средним временем пребывания частиц потока в аппарате, от чего оно зависит и как определяется? 10. Сопоставьте идеализированные модели структуры потоков. 1.3. Гидромеханические процессы и аппараты 1.3.1. Основы прикладной гидравлики (30 часов) [1], с. 100…158 Основные физические свойства жидкостей и газов. Понятия идеальной и реальной жидкостей. Гидростатика. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера. Основное уравнение гидростатики. Практические приложения основного уравнения гидростатики. Гидродинамика. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Основные характеристики движения жидкостей. Режимы движения реальной жидкости. Уравнение неразрывности потока. Распределение скоростей по сечению потока. Дифференциальные уравнения движения Эйлера. Уравнение Бернулли и его практические приложения. Дифференциальные уравнения движения реальной жидкости (уравнения Навье-Стокса). Преобразование уравнений Навье-Стокса методами теории подобия. Гидродинамические критерии подобия и их физический смысл. Закон сопротивления при движении потока. Потери давления на трение и местные сопротивления. Определение расхода энергии на транспортирование жидкостей и газов по трубам. Движение жидкости через слои зернистых материалов и насадок. Пленочное течение жидкостей. Гидродинамика барботажа. Псевдоожижение. Гидродинамика взвешенного слоя. Вопросы для самопроверки 1. Охарактеризуйте физические свойства идеальной, капельной и упругой жидкостей. 2. Какие силы действуют на жидкость в условиях равновесия ? Напишите основное уравнение гидростатики. 3. Сформулируйте закон внутреннего трения Ньютона. В чем состоят особенности течения неньютоновских жидкостей? 4. В чем заключаются внутренняя и внешняя задачи гидродинамики? 5. Покажите графики распределения скоростей по сечению потока при различных режимах движения жидкости. 6. Дайте энергетическую интерпретацию уравнения Бернулли.

7 расчета

7. Напишите выражение для полного гидравлического сопротивления трубопровода. 8. Приведите вид обобщенного критериального уравнения гидродинамики. В каких случаях используют производные критерии подобия? 9. В чем особенности гидродинамического режима движения жидкой пленки при стекании её по вертикальной стенке? 10. Что понимают под эквивалентным диаметром канала в слое зернистого материала? Опишите движение жидкости через неподвижные слои зернистых материалов и насадок. 11. Как определяют скорость начала псевдоожижения? 12. Приведите общий вид графической зависимости гидравлического сопротивления взвешенного слоя. 1.3.2. Перемещение жидкостей (20 часов) [1], с. 174…203 Трубопроводы. Способы соединения труб. Запорная и регулирующая арматура. Гидравлические методы измерения расхода жидкостей и газов. Экономически оптимальная скорость движения потока в трубопроводе. Расчет диаметра трубопровода. Классификация насосов. Основные параметры насосов: производительность, напор, высота всасывания, полезная мощность, мощность на валу, коэффициент полезного действия. Полный к.п.д. насосной установки. Расчет мощности, потребляемой электродвигателем насоса. Центробежные насосы. Принцип действия. Характеристики центробежных насосов. Работа насосов на сеть. Совместная характеристика напора насоса и сети. Рабочая точка центробежного насоса. Законы пропорциональности. Поршневые насосы. Принцип действия. Типы поршневых насосов. Определение производительности поршневых насосов простого и двойного действия. График подачи и обеспечение равномерности подачи. Теоретическая и действительная характеристики поршневого насоса. Ротационные насосы. Принцип действия и конструкции. Струйные насосы, воздушные подъёмники, монтежю. Сравнительная характеристика насосов. Экологические проблемы при перемещении жидкостей в трубопроводах и аппаратах. Вопросы для самопроверки 1. Каков порядок величин скоростей жидкостей в трубопроводах? 2. Как выбрать оптимальный диаметр трубопровода?

8 3. В чем состоит принцип гидравлических методов измерения расходов жидкостей? 4. Как рассчитать мощность на валу насоса? 5. Какие основные параметры характеризуют работу насосов? 6. Как рассчитать полный напор насоса? Что называется рабочей точкой при работе центробежного насоса на сеть? 7. Какие выражения называют законами пропорциональности? 8. Дайте сопоставление поршневого и центробежного насосов. В чем различие характеристик этих насосов? 9. Как рассчитать подачу поршневого насоса двойного действия? 10. Какие насосы используют для перемещения высоковязких жидкостей? 1.3.3. Сжатие и транспортирование газов (10 часов) [1], с. 204…221 Общие сведения. Классификация машин для перемещения и сжатия газов. Термодинамические основы процесса сжатия газа. Работа сжатия и потребляемая мощность. Поршневые компрессоры. Индикаторная диаграмма. Коэффициент подачи и предел сжатия. Производительность компрессора. Многоступенчатое сжатие. Центробежные вентиляторы и компрессоры. Турбогазодувки и турбокомпрессоры. Осевые компрессоры. Роторный компрессор пластинчатого типа и водокольцевой компрессор. Вакуум-насосы. Поршневые, водокольцевые и пароструйные вакуум-насосы. Сравнение и экономическое обоснование выбора компрессорных машин. Вопросы для самопроверки 1. Приведите классификацию компрессорных машин по степени сжатия и величине создаваемого давления. Сопоставьте достоинства и недостатки компрессоров различных типов. 2. Как рассчитать производительность компрессора? Охарактеризуйте коэффициент подачи. 3. Чем обусловлена необходимость многоступенчатого сжатия? 4. Как осуществляется охлаждение газа, сжимаемого в компрессоре? 5. Как определяют энергию, расходуемую в компрессорных процессах? 6. Сформулируйте принцип действия роторных компрессоров.

9 7. В чем отличие вакуум-насосов от компрессоров? 8. Назовите величину давления, создаваемого центробежными вентиляторами, турбогазодувками, турбокомпрессорами. 1.3.4. Разделение жидких и газовых неоднородных систем (60 часов) [ 1 ], с.222…280 Общая характеристика, классификация неоднородных систем и методы их разделения. Экологическое значение процессов очистки газовых и жидких производственных выбросов. Экономическое обоснование выбора метода разделения неоднородных систем. Методы ускорения и повышения эффективности процессов разделения неоднородных систем. Отстаивание. Теоретические основы, скорость процесса. Устройство отстойников, их технологический расчет. Очистка газов под действием силы тяжести. Пылеосадительные камеры. Инерционные пылеуловители. Фильтрование. Теория процесса, основное уравнение фильтрования. Определение констант фильтрования. Фильтровальные перегородки. Фильтрование суспензий. Устройство фильтров. Классификация, конструкции фильтров, области их применения и выбор. Нутч-фильтры, фильтр-прессы, барабанный, ленточный, карусельный и ленточный вакуум-фильтры. Фильтрование газовых неоднородных систем. Рукавные фильтры. Электрофильтры. Разделение суспензий, эмульсий и пылегазовых систем в поле центробежных сил. Центрифугирование. Центробежная сила и фактор разделения. Скорость фильтрования и осаждения при центрифугировании. Расход энергии. Устройство и классификация центрифуг. Фильтрующие и осадительные центрифуги. Сепараторы. Гидроциклоны. Циклоны для очистки газов от пыли, методика их расчета. Батарейные циклоны. Мокрая очистка газов. Скрубберы. Пенные аппараты. Вопросы для самопроверки 1. Перечислите основные факторы, которые следует учитывать при выборе метода разделения неоднородных систем? 2. Как определить скорость свободного осаждения твердых частиц? Расскажите об устройстве отстойников. 3. Получите уравнение для определения поверхности осаждения отстойника. 4. Что является движущей силой процесса фильтрования? 5. Опишите устройство и принцип работы барабанного вакуум-фильтра? 6. Напишите основное уравнение фильтрования. Как определяют константы фильтрования?

10 7. Опишите устройство рамного фильтр-пресса. Назовите основные достоинства и недостатки. 8. Дайте сравнительную технико-экономическую оценку процессам разделения суспензий в центрифуге и на фильтре. 9. Что такое фактор разделения в процессах осаждения под действием центробежных сил? 10. Как влияют размеры циклона и скорость газового потока на степень очистки газа? В каких случаях применяют батарейные циклоны? 11. Назовите промышленные способы обеспыливания газов. Какую степень очистки они могут обеспечить? 12. Укажите пути интенсификации процессов разделения жидких и газовых неоднородных систем. 1.3.5. Перемешивание в жидких средах (8 часов) [ 1 ], с.159…173 Способы перемешивания. Эффективность и интенсивность перемешивания. Перемешивание механическими мешалками. Типы мешалок, их характеристики и области применения. Пневматическое перемешивание. Элементы гидродинамики при перемешивании. Обобщенное критериальное уравнение для перемешивания. Модифицированные критерии гидродинамического подобия. Критерий мощности. Определение расхода энергии на перемешивание. Специальные методы перемешивания. Интенсификация процессов перемешивания. Вопросы для самопроверки 1. Каково промышленное значение процесса перемешивания? Сделайте сравнительный анализ способов перемешивания. 2. Сформулируйте понятия интенсивности и эффективности перемешивания. 3. Напишите обобщенное критериальное уравнение для процессов перемешивания жидких сред. 4. Опишите виды движения жидкости в аппарате с механической мешалкой . 5. Как определить расход энергии на перемешивание? 6. Назовите основные типы мешалок и области их применения.

11 1.4. Тепловые процессы и аппараты 1.4.1. Основы теплопередачи (40 часов) [ 1 ], с.282…336 Способы переноса тепла: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Тепловой баланс. Температурное поле и температурный градиент. Передача тепла теплопроводностью. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Теплопроводность однослойных и многослойных стенок при установившемся тепловом потоке. Конвективный теплообмен. Тепловой пограничный слой. Уравнение теплоотдачи. Дифференциальное уравнение конвективного переноса теплоты (уравнение Фурье-Кирхгофа). Тепловое подобие. Общий вид критериальной зависимости при конвективном теплообмене. Теплоотдача без изменения агрегатного состояния. Теплоотдача при естественной конвекции и вынужденном движении теплоносителей в трубах. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния. Теплоотдача при конденсации насыщенных паров. Теплоотдача при кипении жидкостей. Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Движущая сила и общее термическое сопротивление. Коэффициент теплопередачи. Выбор направления потоков теплоносителей. Средняя разность температур. Определение температур стенок. Теплопередача при непосредственном контакте теплоносителей. Вопросы для самопроверки 1. Какие виды переноса теплоты участвуют в теплообменных процессах? 2. Сформулируйте понятие температурного градиента. 3. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности? 4. Сделайте вывод дифференциального уравнения теплопроводности в неподвижной среде. 5. Напишите уравнение теплопроводности однослойной плоской стенки. 6. Что называют теплоотдачей? В каких единицах измеряется коэффициент теплоотдачи? 7. Объясните механизм конвективного теплообмена. 8. Какими методами можно интенсифицировать процесс теплоотдачи в движущемся потоке? 9. Назовите критерии теплового подобия. 10. Укажите особенности теплоотдачи при конденсации насыщенных паров.

12 11. Что понимают под критической разностью температур при кипении? 12. Как влияет взаимное направление теплоносителей на движущую силу процесса теплопередачи? 1.4.2. Промышленные способы подвода и отвода теплоты (28 часов) [ 1 ], с.338…381 Источники тепла и теплоносители. Требования, предъявляемые к промышленным теплоносителям. Экономическое обоснование выбора теплоносителей. Подвод теплоты. Нагревающие агенты и способы нагревания. Нагревание насыщенным водяным паром. Нагревание горячими жидкостями. Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). Жидкометаллические теплоносители. Расплавы неорганических солей. Схемы обогрева с естественной и принудительной циркуляцией высокотемпературных теплоносителей. Нагревание топочными газами. Нагревание электрическим током. Отвод теплоты. Охлаждающие агенты и способы охлаждения. Охлаждение водой и низкотемпературными жидкими хладоагентами. Водооборотные циклы химических производств. Охлаждение воздухом. Конструкции теплоообменных аппаратов. Трубчатые теплообменники. Теплообменные аппараты с плоской поверхностью теплопередачи. Смесительные теплообменники. Сравнительная характеристика и выбор теплообменных аппаратов. Общие принципы и последовательность расчета теплообменников. Определение тепловой нагрузки и расхода теплоносителей, средней разности температур и средних температур теплоносителей, коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена. Экологические проблемы теплообменной аппаратуры. Вопросы для самопроверки 1. Назовите достоинства и недостатки насыщенного водяного пара как промышленного теплоносителя. Как определяют расход пара на нагревание холодного теплоносителя? 2. Изобразите схему нагревания с естественной циркуляцией высокотемпературных теплоносителей. 3. Перечислите достоинства и недостатки нагрева топочными газами. 4. Что используют в качестве охлаждающих агентов? Как определяют расход охлаждающей воды в теплообменнике? 5. Охарактеризуйте водооборотные циклы химических предприятий. 6. Дайте классификацию теплообменных аппаратов.

13 используют многоходовые

7. С какой целью кожухотрубчатые теплообменники? 8. Охарактеризуйте температурные компенсаторы в кожухотрубчатых теплообменниках. 9. Опишите устройство, обоснуйте достоинства и недостатки двухтрубных теплообменников. 10. Перечислите области применения спиральных и пластинчатых теплообменников, опишите их устройство. 11. Сформулируйте общие принципы расчета теплообменной аппаратуры. 12. Укажите пути повышения экономической эффективности работы теплообменников. 1.4.3. Выпаривание растворов (16 часов) [ 1 ], с.381…403 Основные закономерности процесса выпаривания, способы его проведения. Выпаривание при атмосферном давлении, под вакуумом и под повышенным давлением Принципиальная схема однокорпусной вакуум-выпарной установки. Материальный и тепловой балансы. Общая и полезная разности температур. Температурные потери и расчет температуры кипения раствора. Определение поверхности теплопередачи при выпаривании. Рациональная организация работы выпарной установки. Выпаривание с тепловым насосом, его экономическая целесообразность. Многокорпусное выпаривание. Предельное и оптимальное число корпусов многокорпусной установки. Полезная разность температур в многокорпусной установке и ее распределение по корпусам. Основные схемы многокорпусных выпарных установок. Классификация и основные конструктивные типы выпарных аппаратов. Сравнительная характеристика и принцип выбора конструкции выпарного аппарата. Последовательность расчета выпарного аппарата. Вопросы для самопроверки 1. Чем отличается выпаривание от испарения? С какой целью в выпарных аппаратах создают условия для циркуляции раствора? 2. Каким образом создается вакуум в выпарных установках? 3. Что понимается под полезной разностью температур выпарного аппарата? 4. Составьте материальный и тепловой балансы процесса выпаривания. Как определить расход греющего пара при выпаривании? 5. Как определить температуру кипения раствора при выпаривании? 6. Назовите способы экономии греющего пара при выпаривании.

14 7. Как определить экономически оптимальное число корпусов в многокорпусной выпарной установке? 8. Сопоставьте работу прямоточной и противоточной выпарных установок. 9. Покажите сущность выпаривания с тепловым насосом. 10. Раскройте конструктивные особенности выпарных аппаратов, их основные отличия от теплообменников. 11. Каковы особенности выпаривания в пленочных выпарных аппаратах? 12. Приведите схему расчета выпарной установки. 1.5. Массообменные процессы и аппараты 1.5.1. Теоретические основы массопередачи (28 часов) [ 2 ], с.10…42 Виды процессов массопередачи, их общая характеристика. Использование массообменных процессов для решения экологических задач. Статика массообменных процессов. Способы выражения концентраций. Фазовое равновесие. Линия равновесия. Коэффициент распределения. Материальный баланс, уравнение рабочей линии. Кинетика массообменных процессов. Молекулярная диффузия. Закон Фика. Конвективная диффузия. Дифференциальное уравнение конвективной диффузии. Механизм и модели процессов массопереноса. Уравнения массоотдачи. Подобие диффузионных процессов. Обобщенное критериальное уравнение массоотдачи. Основные критерии диффузионного подобия. Массопередача, основные уравнения массопередачи. Коэффициенты массопередачи, их связь с коэффициентами массоотдачи. Средняя движущая сила процесса массопередачи и число единиц переноса. Способы определения числа единиц переноса. Принцип расчета массообменных аппаратов. Насадочные и тарельчатые колонны. Расчет рабочей высоты аппаратов с непрерывным контактом фаз. Высота единицы переноса, способы ее определения. Расчет высоты массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз. Определение числа действительных ступеней графическим методом с помощью построения кинетической кривой. Метод теоретических ступеней изменения концентраций. Число теоретических тарелок и коэффициент полезного действия колонны. Расчет рабочей скорости сплошной фазы и определение диаметра массообменных аппаратов.

15 Вопросы для самопроверки 1. Какие существуют способы выражения состава фаз? Что называют парциальным давлением компонента? Сформулируйте закон Дальтона. 2. Сформулируйте понятие коэффициента распределения. 3. Сделайте вывод уравнения линии рабочих концентраций. 4. Определите направление массопереноса на y-x диаграмме по расположению равновесной и рабочей линий. 5. Раскройте физический смысл коэффициента молекулярной диффузии. 6. Сформулируйте первый закон Фика. 7. Охарактеризуйте основные модели массопереноса. 8. Назовите критерии подобия массообменных процессов. 9. Напишите уравнение массопередачи. 10. Сформулируйте понятие движущей силы массообменных процессов. 11. Определите высоту массообменного аппарата с помощью числа и высоты единиц переноса. 12. Определите высоту массообменного аппарата с помощью теоретической ступени изменения концентрации. 1.5.2. Абсорция (10 часов) [ 2 ], с.45…104 Общая характеристика процесса, области применения, экологическое значение. Равновесие в системе газ-жидкость. Закон Генри. Влияние температуры и давления на равновесную концентрацию абсорбента. Материальный баланс абсорбции, уравнение рабочей линии. Движущая сила процесса абсорбции. Определение расхода абсорбента. Десорбция, методы ее проведения. Принципиальные схемы абсорбционно-десорбционных установок. Классификация, устройство и основные конструкции абсорбционных аппаратов. Пленочные абсорберы: трубчатые абсорберы, абсорберы с плоско-параллельной насадкой, абсорберы с восходящим движением пленки жидкости. Насадочные абсорберы, гидродинамические режимы их работы. Виды и характеристики насадок. Требования, предъявляемые к насадкам. Тарельчатые абсорберы со сливными устройствами. Гидродинамические режимы работы тарелок. Типы тарелок, их сравнительная характеристика. Колонны с тарелками без сливных устройств. Конструкции провальных тарелок. Распыливающие абсорберы. Общие принципы и последовательность расчета абсорбционных аппаратов. Гидравлическое сопротивление абсорберов. Методы расчета высоты слоя насадки и рабочей высоты тарельчатого абсорбера.

16 Вопросы для самопроверки 1. Проанализируйте влияние температуры и давления на процесс абсорбции. Сформулируйте закон Генри. 2. Как составляется материальный баланс абсорбции? Раскройте понятие рабочей линии процесса абсорбции 3. Как определяют минимальный и оптимальный расходы абсорбента? В какой зависимости находятся расход абсорбента, движущая сила и высота абсорбера? 4. Дайте классификацию абсорбционных аппаратов. Каково экологическое значение процесса абсорбции? 5. Раскройте принцип действия пленочных абсорберов. Сопоставьте работу прямоточного и противоточного пленочных абсорберов. 6. Дайте сравнительную характеристику насадочных и тарельчатых абсорберов. 7. Как устроен насадочный абсорбер и в каких режимах он может работать? Какие требования предъявляются к насадке? 8. Какие типы тарелок используют в барботажных абсорберах? Проведите сравнение колонн с тарелками со сливными устройствами и с провальными тарелками. 9. Приведите принципиальную схему противоточной абсорбционнодесорбционной установки и опишите ее работу. 10. Укажите порядок расчета абсорберов. 1.5.3. Перегонка жидкостей (20 часов) [ 2 ], с.104…140 Общая характеристика методов разделения жидких гомогенных смесей. Фазовое равновесие в системе жидкость-пар для бинарных систем. Закон Рауля. Реальные смеси: азеотропные смеси, смеси ограниченно взаимно растворимых жидкостей и взаимно нерастворимых жидкостей. Простая перегонка. Материальный баланс. Расчет среднего состава дистиллята. Однократная простая перегонка. Фракционная перегонка. Перегонка с дефлегмацией. Перегонка с водяным паром. Молекулярная дистилляция. Схемы установок для простой перегонки. Ректификация. Физико-химические основы процесса. Изображение процесса разделения бинарных смесей путем ректификации на диаграммах у-x и t-y-x. Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия. Основные конструктивные элементы ректификационных колонн. Материальный и тепловой балансы ректификационной колонны. Уравнения рабочих линий, их построение на диаграмме у-x. Расчет

17 минимального и оптимального флегмовых чисел. Зависимость между флегмовым числом, высотой колонны, расходом греющего пара и производительностью колонны. Экстрактивная и азеотропная ректификация. Основные конструкции ректификационных колонн. Насадочные, тарельчатые, пленочные ректификационные колонны. Особенности аппаратурного оформления и расчет ректификационных аппаратов. Вопросы для самопроверки 1. Назовите виды простой перегонки. Покажите схему процесса перегонки с дефлегмацией. В чем сущность процесса перегонки с водяным паром? 2. Раскройте принцип ректификации. Какие допущения принимают при анализе работы ректификационной колонны графоаналитическим методом? 3. Составьте материальный баланс ректификационной колонны для разделения бинарной смеси. 4. Сделайте вывод уравнений рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны. 5. Как определить минимальное флегмовое число? Как влияет флегмовое число на высоту ректификационной колонны? 6. Составьте тепловой баланс ректификационной колонны. Как определяют расход греющего пара для проведения процесса ректификации? 7. Изобразите схему установки непрерывной ректификации бинарных смесей. Проведите технико-экономический анализ работы ректификационной колонны. 8. В каких случаях целесообразно применение экстрактивной и азеотропной ректификации? 1.5.4. Экстракция (10 часов) [ 2 ], с.150…173 Общая характеристика процесса и области применения. Основные понятия и определения. Жидкостная экстракция. Равновесие в системах жидкость-жидкость. Изотермы экстракции в треугольных диаграммах. Материальный баланс. Выбор экстрагента. Методы экстракционного разделения. Одноступенчатая многоступенчатая противоточная экстракция. Многоступенчатая экстракция при перекрестном токе. Графический метод определения числа ступеней экстрагирования. Принципиальные схемы экстракционных установок.

18 Классификация, устройство и принцип действия экстракторов. Основные конструктивные типы: смесительно-отстойные, гравитационные, с подводом энергии. Насадочные, ситчатые, распылительные колонные экстракторы, роторно-дисковые экстракторы, пульсационные и центробежные экстракторы. Экстракция из твердых тел. Процессы растворения в системах твердое тело – жидкость. Аппараты с неподвижным слоем твердого материала. Непрерывно действующие аппараты с механическим перемешиванием и со взвешенным слоем твердого материала. Вопросы для самопроверки 1. Раскройте сущность процесса жидкостной экстракции и укажите области ее применения. 2. Какими преимуществами обладает процесс экстракции по сравнению с другими методами разделения жидких смесей? 3. Какие требования предъявляются к экстрагентам? 4. Сформулируйте закон распределения. Что понимают под коэффициентом селективности? 5. Покажите на треугольной диаграмме применение правила рычага для составления материального баланса экстракции. 6. Охарактеризуйте основные методы экстракции. 7. Приведите схему многоступенчатой противоточной экстракции. Как определить число ступеней экстрагирования с помощью треугольной диаграммы? 8. Дайте классификацию и сравнительную характеристику экстракторов. 1.5.5. Адсорбция (8 часов) [ 2 ], с.196…217 Области применения. Экологическое значение процесса. Промышленные адсорбенты, их характеристики. Фазовое равновесие при адсорбции. Типы изотерм адсорбции. Кинетические особенности процесса адсорбции. Адсорбция в неподвижном слое адсорбента. Время защитного действия слоя. Динамическая активность адсорбента. Десорбция, методы ее проведения. Принципиальные схемы адсорбционно-десорбционных установок. Типовые конструкции адсорберов периодического и непрерывного действия. Адсорберы с неподвижным, плотным движущимся и взвешенным слоем адсорбента.

19 Вопросы для самопроверки 1. Дайте характеристику основных промышленных адсорбентов. Каковы особенности переноса массы в пористой структуре адсорбента? 2. Охарактеризуйте равновесие фаз при адсорбции. 3. Укажите особенности кинетики процесса равновесной адсорбции. 4. Раскройте сущность статической и динамической активности адсорбентов. 5. Перечислите методы регенерации адсорбентов. 6. Приведите классификацию адсорбционных аппаратов и установок. 7. Из каких стадий складывается работа адсорбера с неподвижным слоем адсорбента? 8. Покажите устройство и принцип действия адсорберов с псевдоожиженным и плотным движущимся слоями адсорбента. 1.5.6. Кристаллизация (4 часа) [ 2 ], с.303…327 Основные понятия и определения. Физическая сущность процесса кристаллизации и области его применения. Равновесие при кристаллизации. Характеристика кристаллов и способы проведения процессов кристаллизации. Кинетика процесса кристаллизации. Материальный и тепловой балансы кристаллизации. Устройство и принцип действия кристаллизаторов. Поверхностные и объемные кристаллизаторы. Кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем кристаллов. Вопросы для самопроверки 1. Что понимается под кристаллизацией? Для каких целей применяется кристаллизация? 2. Перечислите промышленные способы кристаллизации солей из растворов. 3. Чем обусловлен процесс кристаллизации твердых веществ из растворов? 4. Какие существуют способы создания пересыщенных растворов? 5. Как влияют условия кристаллизации на свойства кристаллов? 6. Составьте материальный и тепловой балансы кристаллизации. 7. Опишите процессы разделения растворов частичной кристаллизацией. 8. Как устроены кристаллизаторы?

20 1.5.7. Сушка (12 часов) [ 2 ], с.220…286 Общая характеристика процесса и области его применения. Основные методы сушки. Равновесие фаз при сушке. Основные физические свойства влажного воздуха. Диаграмма состояния влажного атмосферного воздуха. Формы связи влаги с материалом. Влажность материала. Кинетика сушки. Механизм процеса. Движущая сила сушки и способы ее выражения. Потенциал сушки. Типовые кинетические кривые сушки. Периоды постоянной и падающей скоростей сушки. Механизм удаления влаги. Продолжительность процесса сушки. Конвективная сушка. Материальный и тепловой балансы. Удельные расходы воздуха и тепла. Изображение процесса теоретической и действительной сушки на I - x диаграмме. Основные варианты конвективной сущки: сушка с дополнительным подогревом воздуха в сушильной камере, сушка с промежуточным подогревом воздуха по зонам, сушка с частичной рециркуляцией отработанного воздуха, сушка топочными газами. Изображение и анализ основных вариантов сушки на I - x диаграмме. Устройство и принцип действия конвективных сушилок. Камерные и туннельные сушилки с неподвижным слоем материала. Ленточные сушилки. Барабанные сушилки. Сушилки с псевдоожиженным слоем материала. Распылительные сушилки. Сравнительный анализ и выбор сушильных аппаратов. Контактная сушка. Вакуум-сушильные аппараты. Вальцовые сушилки. Специальные виды сушки. Сушка инфракрасными лучами. Сушка под действием электрического поля высокой частоты. Сублимационная сушка. Пути интенсификации процессов сушки и повышения эффективности работы сушильных аппаратов. Решение экологических проблем при проведении процесса сушки. Вопросы для самопроверки 1. Как классифицируют виды сушки по способу подвода тепла? 2. Дайте определения абсолютной и относительной влажности воздуха. Поясните понятие о влагосодержании влажного воздуха. 3. Перечислите и охарактеризуйте виды связи влаги с материалом. 4. Как строится процесс теоретической сушки на диаграмме J-x? Почему при теоретической сушке энтальпия воздуха не изменяется? 5. Составьте тепловой баланс реальной конвективной сушилки.

21 6. Покажите способы выражения движущей силы процесса сушки. 7. Поясните принцип построения кривых сушки и скорости сушки. Чем различаются периоды постоянной и падающей скоростей сушки? 8. Дайте классификацию и сравнительную характеристику конвективных сушилок. Как выбирают конструкцию сушилки в зависимости от состояния и свойств высушиваемого материала? 9. В чем основное преимущество сушилок с псевдоожиженным слоем? 10. В каких сушилках целесообразно сушить жидкие и пастообразные материалы? 11. Опишите устройство и принцип действия контактных сушилок. 12. Охарактеризуйте специальные виды сушки.Укажите области их применения. 1.5.8. Массообмен через полупроницаемые перегородки (8 часов) [ 2 ], с.328…370 Области применения мембранных методов разделения. Классификация мембранных процессов. Мембраны. Требования, предъявляемые к мембранам. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны. Мембраны с жесткой структурой. Жидкие мембраны. Физико-химические основы мембранных процессов. Баромембранные процессы. Диффузионномембранные процессы. Электромембранные процессы. Мембранные аппараты. Расчет мембранных процессов и аппаратов. Материальный баланс. Расчет поверхности мембраны. Типовые конструкции мембранных аппаратов. Аппараты с плоскими, трубчатыми и рулонными мембранными элементами. Аппараты с полыми волокнами. Вопросы для самопроверки 1. Дайте классификацию мембранных методов разделения. 2. Перечислите мембраны с жесткой структурой и сопоставьте их с полимерными. 3. Что является движущей силой баромембранных процессов? 4. В чем различие процессов обратного осмоса, ультра- и микрофильтрации? 5. Раскройте сущность диффузионномембранных процессов. 6. В чем состоит принцип разделения растворов электродиализом? 7. Раскройте особенности устройства аппаратов с трубчатыми мембранными элементами. 8. Охарактеризуйте мембранные аппараты с полыми волокнами.

22 2. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения – 46 часов № п/п

Тема лекции

1

Явления переноса в процессах химической технологии. Основные положения теории подобия. Гидродинамическая структура потоков. Основное уравнение гидростатики. Гидродинамика. Режимы движения жидкости. Уравнение неразрывности. Уравнения Навье-Стокса. Уравнение Бернулли. Гидравлические сопротивления в трубопроводах и типовых теплои массообменных аппаратах. Перемещение жидкостей и газов. Насосы. Компрессорные машины. Классификация неоднородных систем и методов их разделения. Разделение суспензий и эмульсий. Осаждение, фильтрование, центрифугирование. Разделение пылегазовых систем. Устройство и принцип работы газоочистных аппаратов. Гидродинамика взвешенного слоя. Перемешивание в жидких средах. Способы распространения тепла. Теплопроводность. Перенос тепла конвекцией. Уравнения теплоотдачи. Тепловое подобие. Теплопередача. Теплообменные аппараты, их классификация и сравнительная характеристика. Расчет теплообменников. Методы выпаривания. Основные конструкции выпарных аппаратов. Схемы выпарных установок. Основы теории массопередачи. Фазовое равновесие. Кинетика массообменных процессов. Уравнения массоотдачи и массопередачи. Определение основных размеров массообменных аппаратов. Общая характеристика промышленных массообменных процессов. Абсорбция. Конструкции абсорберов. Простая перегонка и ректификация.Экстракция. Методы экстрагирования. Классификация экстракторов. Сушка. Изображение и анализ основных вариантов сушки на диаграмме I – x. Конструкции сушилок.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15 16

Часы 4 2 2 2 2 4 2 2 2 2 2 4 4

4 4 4

23 3. Темы практических занятий для студентов очно-заочной формы обучения – 4 часа № п/п 1 2 3 4

Тема занятия Расчет коэффициентов теплопередачи Расчет площади поверхности теплообменных аппаратов Расчет вакуум-выпарной установки Способы выражения концентраций. Расчет диаметра и высоты массообменных аппаратов Определение параметров влажного атмосферного воздуха. Материальный и тепловой балансы сушки

Часы 1 1 1 1

4. Темы лабораторных работ для студентов очно-заочной формы обучения – 46 часов № п/п Тема лабораторной работы Часы 4 Определение поля скоростей в трубопроводе 1 4 Определение гидравлических сопротивлений 2 трубопроводов 4 Испытание центробежного вентилятора 3 4 Изучение гидродинамики взвешенного слоя 4 4 Определение расхода энергии на перемешивание 5 4 Изучение теплопередачи в теплообменнике типа «труба в 6 трубе» 4 Определение коэффициента теплопроводности 7 изоляционного материала 2 Определение коэффициента теплоотдачи от поверхности 8 теплообмена к псевдоожиженному слою зернистого материала 4 Испытание однокорпусной выпарной установки 9 4 Определение коэффициента массоотдачи в барботажном 10 абсорбере 4 Исследование процесса ректификации в тарельчатой 11 колонне 4 Исследование процесса сушки в конвективной сушилке 12

24 5. Литература Основная 1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. – М.: Химия, 1992. – 406 с. 2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. – М.: Химия, 1992. – 406 с. 3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. – 576 с. 4. Основные процессы и аппараты химической технологии : Пособие по курсовому проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. – М.: Химия, 1991. – 272 с. Дополнительная 5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. – 752 с. 6. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987. – 540 с. 7. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. – Л.: Химия, 1982. – 288 с. 8. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. – М.: Химия, 1990. – 384 с. 9. Процессы и аппараты химической технологии (Основы инженерной химиии) : Учебник для вузов / Под ред. Н.Н.Смирнова. – СПб.: Химия, 1996. – 408 с. 6. Задания на контрольные работы Контрольная работа 1 Задача 1. По горизонтальному гидравлически гладкому трубопроводу перемещается жидкость. Температура жидкости t. Длина трубопровода L, внутренний диаметр d. В трубопроводе установлена нормальная диафрагма с диаметром отверстия d0. Ртутный дифференциальный манометр, присоединеннный к диафрагме, показывает разность уровней hм. Определить скорость движения жидкости и потери давления на трение в трубопроводе. Представить схему измерения расхода с помощью диафрагмы. Исходные данные приведены в табл.1.

25 Таблица 1 Варианты Параметры

Жидкость L, м d, мм t, ºС hм , мм d0, мм

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

а 75 90 60 40 60

б 50 120 80 120 75

в 80 75 40 80 55

г 90 100 75 55 80

д 60 64 60 75 50

е 45 82 30 40 65

ж 85 150 45 25 112

з 50 100 50 45 80

и 75 80 40 80 60

к 95 120 60 35 100

Примечание а – бензол; б – анилин; в – ацетон; г – вода; д – бутанол; е – октан; ж – гексан; з – этанол; и – метанол; к – толуол. Задача 2. Жидкость из бака с постоянным уровнем самотеком поступает в реактор. Плотность жидкости ρ, вязкость µ. Уровень жидкости в баке находится на Н выше ввода трубопровода в реактор. Трубопровод выполнен из алюминиевых труб с внутренним диаметром d. Расчетная длина трубопровода, включающая эквивалентную длину местных сопротивлений, составляет L. Определить расход жидкости при полностью открытом кране. Расчет выполнить методом последовательных приближений. Исходные данные представлены в табл.2. Таблица 2 Варианты Параметры

ρ⋅10-3, кг/м3 µ, мПа·с Н, м d, мм L, м

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1,2 2,1 8 20 20

0,9 1,5 10 25 15

1,4 1,8 6 18 10

1,1 2,4 9 36 14

1,5 1,6 12 52 18

1,0 2,2 7 28 16

0,8 1,4 5 46 9

1,3 1,9 11 32 19

1,1 2,5 9 24 17

0,9 2,0 6 48 12

26 Задача 3. Определить гидравлическое сопротивление орошаемой насадки скруббера при прохождении через него воздуха. Насадка выполнена из колец Рашига 50х50х5 мм, орошение производится водой. Расход воздуха Vо (при нормальных условиях), расход воды L. Диаметр скруббера D, высота насадки H. Давление в скруббере Р, температура t. Для расчета ∆рор. воспользоваться эмпирическим уравнением ∆рор. = ∆рсух.ехр(bU), где ∆рор. – гидравлическое сопротивление орошаемой насадки; ∆рсух. – гидравлическое сопротивление сухой насадки; b – опытный коэффициент; U – плотность орошения. Исходные данные представлены в табл.3. Таблица 3 Варианты Параметры 0 Vо, м3/с L, кг/с D, м Н, м t, ºС Р, МПа b

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,4 0,6 1,2 0,7 1,5 1,0 0,5 0,8 1,4 0,9 6,0 10 2,0 4,5 9,0 5,0 12,0 8,0 2,5 4,0 0,8 1,2 1,6 1,2 1,8 1,6 0,8 1,0 1,8 1,4 11 15 7 12 10 9 6 12 8 5 20 26 32 40 22 28 35 20 30 25 0,16 0,12 0,18 0,15 0,20 0,14 0,11 0,17 0,12 0,19 180 172 164 177 184 169 172 180 166 178

Контрольная работа 2 Задача 1. По трубному пространству горизонтального кожухотрубчатого теплообменника проходит раствор гидроксида натрия. Массовая доля NаОН в растворе составляет Х. Средняя температура раствора в трубном пространстве равна t. Расход раствора в трубном пространстве составляет G. Внутренний диаметр труб d=21 мм, общее число труб N, их длина L. Внутренний диаметр штуцеров равен dшт. Теплообменник имеет число ходов Z. Определить гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменника. Представить эскиз теплообменника. Исходные данные представлены в табл.4.

27

Таблица 4 Варианты

Параметры

Х, %(масс.) t, ºС G, кг/с dшт., мм N, шт. L, м Z

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

20 60 25 200 240 4 2

30 50 10 100 196 2 6

50 80 15 200 404 3 4

40 60 20 150 100 6 2

25 75 12 250 642 4 6

10 55 8 150 206 2 4

30 70 15 100 56 3 2

15 50 20 150 384 2 6

35 40 40 200 442 4 2

45 60 25 250 986 6 4

Задача 2. Центробежный насос перекачивает раствор уксусной кислоты по трубопроводу длиной L из емкости с атмосферным давлением в реактор, в котором поддерживается давление Р. Расход раствора уксусной кислоты G, его концентрация Х, температура t. Трубопровод стальной, имеет незначительную коррозию, его внутренний диаметр d. На трубопроводе имеются нормальная диафрагма с модулем m, вентиль, n1 задвижек и n2 плавных поворотов на 90° с относительным радиусом поворота R0/d. Высота подъема жидкости h. Определить мощность, потребляемую электродвигателем насоса, если к.п.д. насосной установки равен η. Исходные данные представлены в табл.5. Таблица 5 Варианты Параметры 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Х, %(масс.) G, кг/с L, м d, мм t, °С Р, МПа m h, м n1, шт. n2, шт. R0/d η

20 3,0 75 68 60 0,2 0,6 10 3 4 2 0,7

15 2,5 50 80 80 0,4 0,7 8 2 3 4 0,8

30 5,0 80 75 40 0,3 0,5 12 5 8 6 0,6

25 2,0 90 52 75 0,1 0,4 6 4 5 3 0,7

10 4,0 60 64 60 0,2 0,8 15 3 4 8 0,8

35 3,5 45 82 30 0,5 0,6 9 2 3 4 0,6

20 1,5 85 52 45 0,3 0,4 12 6 4 2 0,7

40 4,5 50 68 50 0,4 0,9 7 3 5 6 0,8

50 3,0 75 80 40 0,1 0,7 10 1 7 3 0,6

25 1,0 95 42 60 0,2 0,5 14 5 9 4 0,7

28 Задача 3. При испытании центробежного вентилятора с частотой вращения колеса n1=20 с-1 получены следующие значения подачи и давления: Q, м3/с ∆р, Па

0,03 450

0,10 425

0,20 433

0,28 428

0,46 385

0,57 315

Характеристика сети, на которую работает вентилятор, ∆рс=aQ2 + b. Значения описывается уравнением параболы коэффициентов a и b приведены в табл.6 исходных данных. Определить расход воздуха, обеспечиваемый вентилятором при его работе на данную гидравлическую сеть, развиваемое давление и коэффициент полезного действия вентиляторной установки, если потребляемая мощность составляет N. Расчет выполнить графическим методом, построив характеристики сети и вентилятора. Вычислить новые значения производительности, создаваемой разности давлений и требуемой мощности при повышении частоты вращения колеса n2. Таблица 6 Варианты Параметры 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

a⋅10-3, Па⋅с2/м6 1,51 3,32 2,51 4,52 3,54 4,05 2,48 3,62 4,16 3,24 120 150 130 140 125 110 135 105 145 115 b, Па 0,30 0,20 0,25 0,22 0,18 0,24 0,28 0,32 0,25 0,21 N, кВт -1 31 35 27 32 26 30 24 36 32 28 n2, с

Контрольная работа 3 Задача 1. На барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия поступает суспензия с содержанием твердой фазы Х. Производительность фильтра по суспензии G. Влажность получаемого осадка должна составлять Хос. Плотность фильтрата ρ.

29 При исследовании фильтрования данной суспензии в лабораторных условиях, при той же разности давлений, на фильтре с поверхностью фильтрования F=0,05 м2 установлено, что количество фильтрата V1 собрано через τ1 и V2 через τ2 после начала фильтрования. Осадок требуемой толщины и влажности образуется за время фильтрования τ. Определить площадь поверхности фильтра, если угол погружения барабана в суспензию равен α. Привести эскиз общего вида фильтра. Исходные данные представлены в табл.7. Таблица 7 Варианты Параметры 0 G, кг/с Х, %(масс.) Хос, %(масс.) ρ⋅10-3, кг/м3 τ, с V1, л τ1, с V2, л τ2, с α, град.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

3,2 2,8 2,2 3,6 2,4 3,0 2,0 2,5 3,5 2,6 12 16 20 14 12 20 16 10 12 15 35 40 30 35 45 36 32 40 35 30 1,25 1,10 1,34 1,18 1,24 1,08 1,12 1,05 1,16 1,20 30 36 45 40 46 30 32 35 40 35 2,0 1,5 1,0 0,5 1,5 1,0 2,0 1,5 0,5 1,0 25 15 40 50 20 35 10 30 40 60 3,5 2,5 2,5 2,0 3,0 2,5 4,0 3,5 1,5 3,0 120 100 105 110 115 120 150 120 110 120 110 120 115 140 130 120 125 110 135 140

Задача 2. В радиальный отстойник непрерывного действия поступает водная суспензия известняка. Расход исходной суспензии G, температура t1, концентрация твердой фазы С. Диаметр наименьших частиц, подлежащих осаждению, равен d. Влажность образующегося шлама Х. Определить диаметр отстойника и привести его эскиз. Какую производительность может обеспечить отстойник найденного диаметра, если температуру суспензии повысить до t2? Исходные данные представлены в табл.8.

30 Таблица 8 Варианты Параметры

G, кг/с С, %(масс.) Х,%(масс.) d, мм t1, ºС t2, ºС

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

24 5 65 50 15 25

30 8 75 60 20 30

18 6 70 35 18 28

22 7 65 80 22 35

20 5 70 45 16 25

25 8 60 30 20 30

28 6 65 25 15 28

24 4 75 40 25 36

20 5 70 35 18 25

25 7 65 45 20 32

Задача 3. В аппарате кипящего слоя находится зернистый материал, представленный частицами шарообразной формы. Эквивалентный диаметр частиц твердого материала равен dэ. Плотность твердых частиц ρч., насыпная плотность материала ρнас. Ожижающим агентом является воздух при температере t. Расход воздуха составляет V0 (при нормальных условиях). Масса материала в аппарате составляет m. Определить значения рабочей и действительной скорости воздуха при числе псевдоожижения Кw. Рассчитать диаметр аппарата и привести его эскиз. Исходные данные представлены в табл.9. Таблица 9 Варианты Параметры 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

dэ, мм 0,98 1,12 1,20 1,06 0,96 1,0 1,08 0,97 1,16 1,02 -3 3 1,2 2,1 1,6 1,1 1,8 1,5 1,0 1,4 2,2 1,3 ρч⋅10 , кг/м -3 3 0,72 1,26 0,96 0,66 1,08 0,90 0,60 0,84 1,32 0,78 ρнас⋅10 ,кг/м 180 120 160 100 150 110 170 120 180 130 t, ºС 3 1,2 0,8 1,1 1,5 0,7 1,0 1,3 1,2 1,0 0,8 V0, м /с 650 520 600 560 450 700 480 600 850 500 m, кг 1,8 2,2 1,6 2,0 1,5 1,7 2,1 1,8 1,4 1,6 Кw

31 Контрольная работа 4 Задача 1. Реактор, выполненный из стали, имеет толщину стенки δcт.. Температура газа в реакторе равна t1. Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке аппарата составляет α. Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала λиз.. Температура наружной поверхности изоляции материала не должна превышать t из.. Температура окружающего воздуха равна t2 . Определить температуры внутренней и наружной поверхностей стенки реактора и необходимую толщину слоя теплоизоляции. Представить схему процесса теплопередачи через стенку аппарата, покрытого слоем изоляции. Исходные данные приведены в табл.10. Таблица 10 Варианты Параметры 0 δcт., мм t1, ºС α, Вт/м2⋅К λиз., Вт/м⋅К tиз., ºС t2, ºС

1

2

3

4

5

6

7

8

9

20 15 8 12 5 16 24 18 10 15 250 320 460 350 180 260 420 380 240 300 48 60 52 30 45 55 40 50 35 45 0,15 0,09 0,12 0,10 0,16 0,11 0,18 0,14 0,10 0,17 55 60 50 40 48 55 60 45 50 40 22 18 20 25 24 20 22 18 25 20

Задача 2. В трубах горизонтального кожухотрубчатого теплообменника нагревается жидкость. Средняя температура жидкости в трубном пространстве tср., температура поверхности стенки со стороны жижкости tст.. Внутренний диаметр труб d, длина L. Скорость движения жидкости составляет W. Определить коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости. Исходные данные представлены в табл.11.

32 Таблица 11 Варианты Параметры

Жидкость d, мм L, м tср., ºС tст., ºС W, м/с

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

а 21 4 70 45 0,5

б 38 6 50 40 0,2

в 16 3 55 35 0,6

г 21 2 45 30 0,3

д 38 6 65 50 0,7

е 16 4 50 35 0,2

ж 21 3 90 70 0,5

з 38 2 35 28 0,6

и 16 6 60 40 0,8

к 21 4 70 55 0,4

Примечание а – октан; б – гексан; в – этанол; г – метанол; д – толуол; е – бензол; ж – анилин; з – ацетон; и – вода; к – бутанол. Задача 3. Воздух атмосферного давления нагревается от tн до tк насыщенным водяным паром в трубном пространстве шестиходового кожухотрубчатого теплообменника. Диаметр труб равен 25х2 мм. Общее число труб N. Объемный расход воздуха составляет V0 (при нормальных условиях). В межтрубное пространство подается насыщенный водяной пар под абсолютным давлением Р. Определить расход пара, поверхность теплопередачи и длину труб теплообменника. Исходные данные представлены в табл.12. Таблица 12 Варианты Параметры 0 tн, ºС tк, ºС N, шт. V0, м3/с P, МПа

1

2

15 5 10 80 110 90 196 384 642 0,15 0,35 0,5 0,2 0,15 0,25

3 20 120 958 0,8 0,3

4

5

25 10 100 125 196 384 0,2 0,3 0,18 0,35

6 12 115 642 0,6 0,2

7

8

9

22 10 18 130 80 115 958 384 642 0,75 0,4 0,55 0,4 0,12 0,25

33 Контрольная работа 5 Задача 1. В греющей камере выпарного аппарата с вертикальными стальными трубами высотой 4 м и диаметром 38х2 мм под атмосферным давлением кипит раствор. Температура кипения раствора равна tкип.. Физико-химические свойства кипящего раствора: плотность ρ, вязкость µ, теплопроводность λ, коэффициент поверхностного натяжения σ. В межтрубное пространство греющей камеры поступает насыщенный водяной пар. Температура конденсации на ∆t превышает температуру кипения раствора. Определить значение коэффициента теплопередачи греющей камеры выпарного аппарата. Исходные данные представлены в табл.13 Таблица 13 Варианты Параметры 0 tкип., ºС ρ⋅10-3, кг/м3 µ , мПа⋅с λ, Вт/м⋅К σ⋅103, Н/м ∆t, ºС

1

2

3

4

5

6

7

8

9

108 112 125 110 120 105 115 107 111 106 1,15 1,28 1,36 1,12 1,35 1,05 1,20 1,15 1,24 1,14 0,52 0,85 0,64 0,45 0,56 0,38 0,48 0,62 0,58 0,42 0,58 0,52 0,54 0,57 0,51 0,48 0,56 0,50 0,46 0,53 74 68 84 78 62 70 76 82 64 72 24 10 14 20 18 12 25 20 15 10

Задача 2. Определить требуемую площадь поверхности теплообмена для охлаждения жидкости с расходом G от начальной температуры t1н до t1К. Горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник имеет Z ходов и состоит из N труб с внутренним диаметром 21 мм. Жидкость подается в трубное пространство, противотоком в межтрубное пространство поступает вода, которая нагревается от t2Н до t2К. Исходные данные представлены в табл.14.

34

Таблица 14 Варианты Параметры

Жидкость G, кг/с Z N, шт. t1Н, ºС t1К, ºС t2Н, ºС t2К, ºС

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

а 30 4 404 90 20 15 35

б 6 6 196 75 25 20 30

в 12 2 100 60 20 10 28

г 8 6 196 95 25 20 40

д 10 4 206 55 18 10 30

е 20 2 442 80 15 5 35

ж 15 4 666 70 20 15 25

з 11 6 642 75 25 10 40

и 18 4 986 80 22 16 36

к 12 2 240 60 18 12 32

Примечание а – анилин; б – этанол; в – бензол; г – толуол; д – ацетон; е – толуол; ж – октан; з – гексан; и – бензол; к – метанол. Задача 3. В вакуум-выпарном аппарате с естественной циркуляцией водный раствор упаривается от концентрации Xн до Хк. Производительность по исходному раствору Gн. Температура исходного раствора tн. Абсолютное давление греющего пара Р, давление в барометрическом конденсаторе Ро. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору равен К. Высота труб греющей камеры Н=4 м. Тепловые потери составляют 5% от суммы затрат тепла на нагрев раствора и испарение воды. Плотность раствора конечной концентрации при температуре кипения равна ρ. Рассчитать поверхность нагрева выпарного аппарата и расход греющего пара. Представить схему однокорпусной вакуум-выпарной установки. Исходные данные приведены в табл. 15.

35

Таблица 15 Варианты Параметры Растворенное вещество Gн, кг/с Хн, %(масс.) Хк, %(масс.) Р, МПа Ро, МПа К, Вт/м2⋅К tн, ºС ρ⋅10-3, кг/м3

0

1

а 4,2 5 20 0,25 0,02 950 15 1,12

б 5,6 10 25 0,20 0,04 800 25 1,20

2

3

4

5

6

7

8

9

к и з ж е д г в 6,2 4,0 4,8 5,0 6,0 4,5 5,5 5,2 15 5 10 5 10 10 5 10 35 15 30 20 25 30 20 30 0,15 0,2 0,25 0,35 0,2 0,25 0,15 0,5 0,05 0,04 0,02 0,03 0,04 0,03 0,02 0,03 920 850 950 875 925 800 900 950 15 30 25 20 15 25 10 20 1,15 1,12 1,18 1,22 1,14 1,12 1,12 1,32

Примечание а – NaCl; б – CaCl2; в – NH4NO3; г – KCl; д – Na2CO3; е – NaOH; ж – MgCl2; з – NaNO3; и – KNO3; к – NaOH. Контрольная работа 6 Задача 1. В насадочном абсорбере чистой водой поглощается целевой компонент А из его смеси с воздухом. Расход газовой смеси V0 (при нормальных условиях). Начальное содержание компонента А в газовой смеси составляет yН , степень извлечения А равна СП. Коэффициент избытка поглотителя равен α. Уравнение равновесной растворимости А в воде Y∗=0,25Х. Коэффициент массопередачи КУ. Процесс абсорбции проводится при температуре t и давлении Р. Абсорбер заполнен керамическими кольцами размером 25х25х3 мм. Определить диаметр и высоту насадочной части абсорбера. Исходные данные представлены в табл.16.

36

Таблица 16 Варианты Параметры 0 Vо, м3/с yН, % (об.) СП, % t, ºС Р, МПа α КУ⋅104,

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,75 0,62 0,85 0,70 0,54 0,68 0,74 0,82 0,76 0,91 4,2 6,5 5,6 5,0 7,2 6,4 4,8 4,0 6,2 5,4 92 95 97 90 94 91 95 90 92 96 24 28 32 25 20 30 25 22 28 20 0,12 0,14 0,16 0,11 0,15 0,12 0,14 0,17 0,11 0,19 1,6 2,0 1,8 1,5 1,3 1,7 1,5 1,8 0,12 2,0 1,52 1,45 1,36 1,40 1,62 1,50 1,42 1,54 1,66 1,48

кмольА м2⋅с⋅кмоль возд.

Задача 2. В ректификационной колонне непрерывного действия, работающей под атмосферным давлением, разделяется GF жидкой бинарной смеси с содержанием низкокипящего компонента ХF. Требуемая молярная доля низкокипящего компонента в дистилляте составляет ХD и в кубовом остатке ХW. Определить диаметр колонны и ее рабочую высоту. Расчет числа теоретических тарелок выполнить графическим методом. Для тарельчатых колонн принять расстояние между тарелками h, средний к.п.д. тарелок - η. Для насадочных колонн высота насадки, эквивалентная теоретической тарелке, составляет hЭ , скорость пара W. Представить принципиальную схему ректификационной установки. Исходные данные приведены в табл.17.

37

Таблица 17 Варианты Параметры

Исходная смесь GF, кг/с ХF, %(мол.) ХD, %(мол.) ХW, %(мол.) Тип колонны h, м η h Э, м W, м/с

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

а 2,5 40 96 4 н 0,8 1,2

б 2,1 35 95 5 тс 0,5 0,6 -

в 1,5 30 98 2 тк 0,4 0,5 -

г 2,0 40 94 3 н 1,2 0,8

д 4,0 45 92 10 тс 0,3 0,5 -

е 3,5 35 90 4 тк 0,4 0,6 -

ж 2,0 20 97 5 н 0,9 1,1

з 1,5 30 92 3 тс 0,5 0,6 -

и 2,0 40 90 6 тк 0,4 0,5 -

к 3,0 25 95 4 н 1,1 0,9

Примечание

а – бензол-толуол; б – ацетон-бензол; в – метанол-вода; г– сероуглерод-тетрахлорид углерода; д –метанол-этанол; е – бензол-уксусная кислота; ж – вода-уксусная кислота; з – тетрахлорид углерода-толуол; и – хлороформ-бензол; к – ацетон – этанол. Тип колонны: н – насадочная; тс – тарельчатая ситчатая; тк – тарельчатая колпачковая. Задача 3. Атмосферный воздух с температурой tО и относительной влажностью ϕО нагревается в паровом калорифере и поступает в сушилку, работающую по нормальному сушильному варианту. На выходе из сушилки воздух имеет температуру t2 и относительную влажность ϕ2. Производительность сушилки по влажному материалу GН. Влажность материала, поступающего в сушилку uН, влажность высушенного материала uК (в расчете на общую массу материала). Приняв удельный расход теплоты на 10% выше, чем в теоретической сушилке, определить расход воздуха, греющего пара и необходимую поверхность теплопередачи калорифера. Разность температур насыщенного водяного пара и воздуха на выходе из калорифера составляет ∆t. Коэффициент теплопередачи в калорифере К. Показать на диаграмме Рамзина изменение параметров воздуха для теоретической и реальной сушилок. Исходные данные представлены в табл.18. 38

Таблица 18 Варианты Параметры

GН, кг/ч uН, % u К, % tО, ºС ϕО, % t2, ºС ϕ2, % ∆t, ºС К, Вт/м2 ·К

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

520 50 5 25 75 45 60 10 35

610 40 6 10 80 40 65 15 50

450 35 4 5 70 45 50 12 40

740 45 5 20 75 50 55 10 55

550 40 5 15 80 45 50 15 45

420 50 8 10 70 40 60 20 60

650 35 4 25 75 50 60 12 40

750 40 3 15 70 55 50 16 55

620 45 5 10 65 40 60 10 50

480 50 6 20 70 50 55 8 45

7. Методические указания к выполнению контрольных работ Согласно учебному плану дисциплина «Процессы и аппараты химических производств» изучается в течение четырех семестров на 3 и 4 курсах, при этом предусмотрено выполнение шести контрольных работ. При изучении 1 части дисциплины, рассматривающей основы прикладной гидравлики, выполняются контрольные работы 1 и 2. Контрольная работа 3 выполняется во 2 семестре третьего курса и включает задачи, относящиеся к расчетам гидромеханических процессов и аппаратов для разделения неоднородных систем. На четвертом курсе изучаются 3 и 4 части дисциплины, рассматривающие тепловые и массообменные процессы и аппараты. Контрольные работы 4 и 5, включающие задачи по расчету коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, поверхности теплообменников и выпарных аппаратов, выполняются в 1 семестре четвертого курса. По последней, четвертой, части дисциплины, рассматривающей основы массопередачи и расчет массообменных процессов, выполняется контрольная работа 6. Каждая контрольная работа состоит из трех задач, составленных по вышеуказанным темам изучаемой дисциплины. К задаче прилагается таблица исходных данных. Номер варианта, который необходимо выполнить, выбирается в соответствии с последней цифрой шифра студента. Приступать к решению задачи рекомендуется после изучения соответствующей темы по литературе [1,2] в объеме, предусмотренном 39

рабочей программой. С примерами решения типовых задач можно ознакомиться в учебном пособии [3]. Наметив путь решения задачи, необходимо выбрать нужные расчетные формулы. Все используемые формулы записываются первоначально в общем виде, затем приводится расшифровка обозначений соответствующих величин с указанием единиц их измерения. Выбор эмпирических расчетных формул должен быть обоснован указанием условий и области их применения. При этом следует учесть, что приведенные в литературе [3,4] формулы в пределах каждой из глав содержат свои традиционные обозначения физических величин, соответствующие международным стандартам, вследствие чего различные величины в отдельных главах могут обозначаться одним и тем же символом. В соответствии с этим, в каждой контрольной работе все используемые формулы записываются первоначально в общем виде, затем приводится расшифровка обозначений соответствующих величин с указанием единиц их измерения. Для ускорения и облегчения расчетов рекомендуется использовать диаграммы и номограммы [3]. Решение задач должно сопровождаться изображением эскиза рассчитываемого аппарата или схемы соответствующей установки с обозначением направления потоков и их параметров. Все расчеты и окончательные ответы должны быть приведены в системе СИ. Результаты расчетов следует анализировать с точки зрения соответствия реальным значениям величин. На используемые в расчетах эмпирические формулы, физикохимические константы и различные справочные данные необходимо давать ссылки на литературные источники с указанием порядкового номера в списке литературы и страницы. Список литературы приводится в конце контрольной работы. Контрольная работа выполняется в стандартной тетради. Сначала записываются текст задачи и выбранные по шифру исходные данные, затем изображаются соответствующий аппарат или схема установки, приводится последовательность хода решения и список использованных литературных источников. Выполненная контрольная работа сдается преподавателю на проверку. На титульном листе указываются фамилия, инициалы, шифр студента и специальность, а также наименование дисциплины и номер контрольной работы. Исправление ошибок в проверенной преподавателем контрольной работе производится в конце этой же тетради. Зачет по контрольной работе студент получает после собеседования с преподавателем.

40

Содержание Предисловие …………………………………………………………………...3 1.Рабочая программа ………………………………………………………….4 1.1.Введение…………………………………………………………………....4 1.2.Основы теории переноса импульса, теплотыи и массы…………………5 1.3.Гидромеханические процессы и аппараты……………………………….6 1.3.1.Основы прикладной гидравлики………………………………………..6 1.3.2.Перемещение жидкостей……….………………………………………..7 1.3.3. Сжатие и транспортирование газов…………………………………….8 1.3.4.Разделение жидких и газовых неоднородных систем………………....9 1.3.5.Перемешивание в жидких средах……………………………………...10 1.4.Тепловые процессы и аппараты………………………………………….11 1.4.1.Основы теплопередачи…………………………………………………11 1.4.2.Промышленные способы подвода и отвода теплоты………………...12 1.4.3.Выпаривание растворов………………………………………………...13 1.5.Массообменные процессы и аппараты……………………………...…...14 1.5.1Теоретические основы массопередачи…………………………………14 1.5.2.Абсорбция…………………………………………………………...…..15 1.5.3.Перегонка жидкостей…………………………………………………...16 1.5.4.Экстракция………………………………………………………………17 1.5.5. Адсорбция………………………………………………………..……..18 1.5.6. Кристаллизация……………………………………………………...…19 1.5.7. Сушка……………………………………………………………..…….20 1.5.8. Массообмен через полупроницаемые перегородки……………...…..21 2.Тематический план лекций…………………………………………………22 3.Темы практических занятий………………………………………………..23 4.Темы лабораторных работ……………………………………...…………..23 5.Литература…………………………………………………………………..24 6.Задания на контрольные работы…………………………………………...24 7.Методические указания к выполнению контрольных работ…………….38

Редактор И.Н.Кочугина Сводный темплан 2002 г. Лицензия ЛР № 0202080от 14.02.97 _______________________________________________________________ Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Б.кн.-журн. П.л.2,625 Б.л.1,312 РТП РИО СЗТУ. Тираж 250 Заказ ______________________________________________________________ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул.Миллионная,5