Процессы и аппараты пищевых производств. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочного обучения

Процессы и аппараты пищевых производств

Министерство образования и науки Российской Федерации

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

Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Составители: А.Г. Хантургаев С.С. Ямпилов Г.И. Николаев Г.И.Хараев Л.Е.Полякова Б.В. Бадмацыренов Г.Ж. Ухеев Программа курса, рассчитанная на подготовку с тудентов по технологическим специальностям, охватывает все типовые процессы пищевых производств с точки зрения их теоретического обоснования, выбора оптимальных параметров, методики расчета и аппаратурного оформления. Цель курса - научить студента рациональному выбору конструкции и научному расчету машин и аппаратов для определенных пищевых процессов, а также методам целесообразной промышленной эксплуатации этого производственного оборудования для достижения максимальной производительности при минимальных затратах. Ключевые слова: Гидростатика, гидродинамика, вязкость, насосы, компрессоры, суспензии, эмульсии, фильтрование, теплопроводность, теплоотдача, теплообменники, массобмен, перегонка, ректификация, абсорбция, экстрагирование, адсорбция, сушка.

Процессы и аппараты пищевых производств Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочного обучения специальности

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

Редактор Т.А. Стороженко Подписано в печать 21.10.2004 г. Формат 60 х 84 1/16. Усл.п.л. 1,63, уч.-изд.л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ №116. Издательство ВСГТУ. Улан-Удэ, Ключевская, 40а. © ВСГТУ, 2004 г.

Улан-Удэ, 2004

ВВЕДЕНИЕ Программа курса “Процессы и аппараты пищевых производств” рассчитана на изучение основных процессов пищевых производств, их физической сущности, теоретических основ, принципиальных схем осуществления этих процессов, конструкций типовых машин и аппаратов и методов их расчета. Курс “Процессы и аппараты пищевых производств” включает следующие разделы: 1. 2. 3. 4. 5.

Гидродинамические процессы. Тепловые процессы. Массообменные процессы. Мембранные процессы. Механические процессы.

Процессы и аппараты пищевых производств завершают общеинженерную подготовку студентов и являются переходной ступенью к изучению специальных дисциплин. Дисциплина рассчитана на один семестр. Первая часть включает в себя гидромеханические и тепловые, вторая – массообменные и механические процессы и аппараты. Студенты специальности выполняют 2 контрольных работы. Основной литературой по дисциплине является учебник [1], задачники [6, 7]. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ I. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Тема 1. Основы гидравлики Гидростатика. Сжимаемые жидкости. Гидростатическое давление. Дифференциальные уравнения жидкости Эйлера. Основное уравнение гидростатики. Гидродинамика. Вязкие и невязкие жидкости. Вязкость жидкостей и газов. Закон Ньютона. Динамический и кинематический коэффициенты вязкости. Влияние температуры и давления на вязкость жидкостей и газов. Режимы движения вязкой жидкости. Эквивалентный диаметр. Уравнение расхода. Теоремы Бернулли для невязкой и вязкой несжимаемой жидкости. Приложения теоремы Бернулли. Определение расхода энергии на транспортирование жидкостей и газов по трубам. Вывод формулы сопротивления при ламинарном режиме. Обобщенная критериальная формула для определения потери напора на трение. Сопротивление трения в гладких и шероховатых трубах. Потеря давления на преодоление местных сопротивлений. Расчет трубопроводов. Тема 2. Перемещение жидкостей (насосы) Классификация насосов. Поршневые насосы. Насосы простого и многократного действия. Диаграммы подачи насоса. Предельная высота всасывания. Потери напора на преодоление сил инерции. Воздушные колпаки. Индикатор-

ная диаграмма. Общая характеристика поршневых насосов. Конструкции поршневых насосов. Детали поршневых насосов. Роторные насосы. Центробежные насосы. Уравнение Эйлера. Предельная высота всасывания. Формулы пропорциональности. Рабочие характеристики насосов. Работа центробежного насоса на сеть. Параллельное и последовательное соединение насосов. Многоступенчатые насосы. Сравнительная оценка центробежных и поршневых насосов. Тема 3. Перемещение и сжатие газов Классификация машин для сжатия и перемещения газов. Поршневые компрессоры. Индикаторная диаграмма компрессора. Коэффициент подачи и предел сжатия. Многоступенчатое сжатие. Мощность, потребляемая компрессором. Основные типы и конструкции поршневых компрессоров. Вакуум-насосы. Основные конструкции: поршневые, ротационные, водокольцевые и масляные, водо- и пароструйные. Вентиляторы. Центробежные вентиляторы. Рабочие характеристики. Осевые вентиляторы. Тема 4. Разделение газовых и жидких неоднородных систем Характеристика неоднородных систем. Пылегазовые системы. Суспензии. Эмульсии. Очистка газов, под действием силы тяжести. Конструкции пылеосадительных камер. Очистка газов под действием центробежной силы. Конструкции циклонов. Мокрая очистка газов. Циклоны с водяной пленкой. Цепные аппараты. Фильтрование газов. Рукавные фильтры. Керамические фильтры. Электрическая очистка газов. Конструкция электрофильтров. Отстаивание и декантация. Производительность отстойников. Конструкции отстойных аппаратов периодического и непрерывного действия. Фильтрование. Характеристика работы фильтра. Характеристика осадков. Уравнение фильтрации. Определение констант фильтрации. Влияние различных факторов на производительность фильтра. Фильтрующие материалы. Фильтры периодического действия. Фильтрпрессы. Листовые и патронные фильтры. Вакуум-фильтры непрерывного действия: барабанные, дисковые, тарельчатые, ленточные. Фильтры непрерывного действия, работающие под давлением. Центрифугирование. Фактор разделения. Классификация центрифуг. Давление на стенку барабана. Скорость фильтрации и осаждения при центрифугировании. Расход энергии. Центрифуги периодического, полунепрерывного и непрерывного действия. Сепараторы. Трубчатые сверхцентрифуги. Гидроциклоны. Тема 5. Перемешивание в жидкой среде

Перемешивание при помощи мешалок и насосов. Мощность, потребляемая мешалками. Критериальные уравнения расхода мощности. Эффективность перемешивания. Конструкции мешалок: лопастные, пропеллерные, турбинные. Перемешивание сжатым воздухом и паром (барботирование). Методические указания Тема 1. Техническая гидравлика, составляющая предмет первой темы данного раздела, является наукой о равновесии и движении жидкостей. Так как во всех пищевых производствах хранение и перемещение жидкостей является важным звеном технологического процесса, то техническая гидравлика имеет самодовлеющее значение как дисциплина, при помощи которой можно рассчитывать хранилища и трубопроводы, время наполнения и опораживание сосудов, а также рассчитывать приборы для измерения давления, плотности, скорости, расхода жидкости. Техническая гидравлика одновременно является теоретической базой для расчета жидкостных насосов, а также процессов теплообмена, механической обработки жидких неоднородных систем диффузионных процессов. Этот важный раздел курса необходимо хорошо усвоить. В начале изучения данного раздела студент должен понять физический смысл и технические размерности характеристических параметров реальных жидкостей (плотность, удельный вес, удельный объем, давление, вязкость, поверхностное натяжение и сжимаемость). В разделе гидростатистики следует обратить особое внимание на методику применения основного уравнения гидростатистики для определения давления и форм поверхностей уровня при абсолютном и относительном покое жидкостей. Центральными вопросами гидродинамики являются: уравнение Бернулли, законы ламинарного и турбулентного течения, условия и критерии гидродинамического подобия, расчет сложных трубопроводов, законы истечения жидкостей из отверстий и водосливов. Литература: /1/; /2/; /3/. Тема 2 Изучаются машины и устройства для перемещения жидкостей. Разобрав конструктивные схемы и принцип действия поршневых, центробежных и струйных насосов, следует перейти к изучению теории последних. При этом особое внимание необходимо уделять пользованию индикаторными диаграммами поршневых и графическими характеристиками центробежных насосов, определению полных напоров, расхода мощности и основных размеров насосов. Необходимо усвоить, способ определения характеристических параметров при параллельной и последовательной работе насосов, условия правильной эксплуатации насосов и расчет экономических диаметров трубопроводов, а также методы регулирования работы насосов. Литература: /1/; /2/; /3/. Для успешного усвоения Темы 3 надо вспомнить из технической термодинамики: зависимость между объемами, давлениями, температурами, а также работу расширения и сжатия газов в процессах изохорическом, изобарическом, адиабатическом и политропическом. Изучению теоретической и расчетной части этой темы должно предшествовать внимательное ознакомление с типовыми конструкциями одноступенчатых и многоступенчатых поршневых и турбокомпрессоров, ротационных и

струйных компрессоров (инжекторов и эжекторов). В результате студент должен освоить метод определения расхода работы на сжатие газов аналитическим способом и с помощью тепловых диаграмм, знать каково влияние вредного пространства и степени сжатия на работу поршневых компрессоров. Знать способ распределения давлений между ступенями в многоступенчатых поршневых компрессорах и турбокомпрессорах, методы регулирования производительности компрессоров. Литература: /1/; /2/; /3/. Тема 4 посвящена вопросам обеспыливания газов механическими и электрическими методами, типовыми конструкциями пылеотделителей, расчету их основных размеров, а также вопросам разделения жидких неоднородных систем, имеющих большое значение в химической технологии. По своему аппаратурному оформлению наиболее простым является процесс естественного отстаивания. Теория этого процесса должна быть хорошо усвоена, поскольку она является основной для более сложного процесса – центрифугирования. Еще более сложным являются теория и аппаратурное оформление процесса фильтрации, базирующегося в основном на законе гидродинамики. Конструктивные схемы фильтров периодического и непрерывного действия, методы расчета скорости фильтрации, требуемого перепада давления, производительности и основных размеров фильтров должна быть хорошо усвоена. Особое внимание должно быть обращено на методику лабораторного определения фильтрационных характеристик, являющихся единственно верной основой для правильного выбора параметров рабочего режима и расчета самих фильтров. Центрифугирование при современном состоянии машиностроения является самым интенсивным процессом разделения жидких неоднородных систем даже при большой дисперсности твердой фазы и малой разности удельных весов жидкой и твердой фаз. Более того, этот процесс применяется даже для разделения жидких смесей. Теории процесса центрифугирования, конструкциям отстойных и фильтрационных центрифуг и методам их расчета должно быть уделено серьезное внимание. В частности студент должен хорошо овладеть методами расчета окружной скорости, основных размеров центрифуги, продолжительности центрифугирования и расхода мощности. Литература: /1/; /2/; /3/. Тема 5 посвящена механическому перемешиванию в жидкой среде. Механическое перемешивание жидкостей – весьма распространенная операция в пищевом производстве, т.к. эффективное перемешивание один из путей увеличения скорости процессов. Она осуществляется мешалками самых разнообразных конструкций. Знание наиболее удачных конструкций мешалок и умение определить расход мощности обязательно. Литература: /1/; /2/; /3/. II ТЕПЛОВЫЕ, ДИФФУЗИОННЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Тема 6. Теплопередача в пищевой аппаратуре. Особенности процесса теплопередачи в условиях работы пищевой аппаратуры.

Теплопроводность. Закон Фурье. Теплопроводность твердых материалов, жидкостей и газов. Теплопроводность однослойных и многослойных стенок при установившемся тепловом потоке. Передача тепла конвекцией (теплоотдача). Дифференциальное уравнение конвективного перехода тепла. Тепловое подобие. Общий вид критериальной зависимости для конвективного теплообмена. Теплоотдача при свободном движении (естественная конвекция). Теплоотдача при вынужденном движении. Движение по трубам и каналам. Поперечное обтекание труб. Пленочное течение жидкостей. Теплоотдача при перемешивании жидкостей. Теплоотдача при кипении жидкостей. Критическая разность температур и критическая удельная тепловая нагрузка. Теплоотдача при конденсации паров. Влияние примеси неконденсирующихся газов. Теплоотдача при непосредственном соприкосновении теплоносителей (в кипящем слое и скрубберах). Теплоотдача при постоянных и переменных температурах. Выбор направления потока теплоносителей. Средняя разность температур. Температура стенки. Определение потерь и выбор изоляции. Понятие о теплопередаче при неустановившемся режиме. Тема 7. Нагревание, охлаждение, конденсация Источники тепла, методы нагревания и их технико-экономическая характеристика. Нагревание водяным паром, топочными газами, минеральными маслами, водой, органическими теплоносителями, расплавленными солями и металлами. Нагревание электрическим током. Теплообменники. Змеевики. Аппараты с рубашкой. Трубчатые теплообменники: двухтрубные (труба в трубе), кожухотрубные (одноходовые и многоходовые). Спиральные теплообменники. Теплообменники с ребристыми поверхностями. Оросительные холодильники. Конденсаторы смешения. Регенераторы. Гидравлическое сопротивление теплообменных аппаратов. Тема 8. Выпаривание Технические методы выпаривания: выпаривание с непосредственным газовым обогревом, выпаривание с глухим паровым и газовым обогревом. Однокорпусное выпаривание. Общая схема вакуум-выпарной установки с вспомогательным оборудованием. Назначение барометрического конденсатора и вакуум-насоса. Повышение коэффициента теплопередачи за счет организованной циркуляции раствора. Материальный и тепловой балансы выпарной установки Расход греющего пара. Непрерывное и периодическое выпаривание в однокорпусных выпарных аппаратах. Понижение упругости паров над растворами (температурная депрессия). Влияние гидростатического давления. Гидравлическое сопротивление паропроводов вторичного пара. Расчет температуры кипения раствора. Общая и полезная разности температур. Многокорпусное выпаривание. Методы повышения экономичности процесса выпаривания. Типовые схемы многокорпусных выпарных аппаратов:

прямоточной и противоточной с параллельным питанием корпусов, их сравнительная характеристика. Использование вторичного пара. . Конструкции выпарных аппаратов. Выпарные аппараты с естественной и принудительной циркуляцией раствора. Пленочные выпарные аппараты. Выпаривание с тепловым насосом. Схема установки. Область применения. Методические указания Тема 6 посвящена теории теплопередачи, лежащей в основе процессов теплообмена между твердыми, жидкими и газообразными телами. Ознакомившись с физическими методами теплопередачи, основными параметрами этого процесса, их физическим смыслом, следует перейти к изучению теории теплопроводности в установившихся и неустановившихся процессах теплообмена. Особое внимание следует обратить на теорию теплопроводности при установившемся процессе. В теории теплового излучения нужно хорошо усвоить методы определения коэффициентов излучения при теплообмене между твердыми телами и способы определения количества тепла, излучаемого газами. Наиболее распространенным видом теплообмена в пищевой аппаратуре является конвективный теплообмен и условия теплового подобия, следует перейти к упражнениям по вычислению коэффициентов теплоотдачи и рабочих разностей температур при различных схемах теплообмена. При этом нужно хорошо усвоить методы определения средних и местных температур поверхностей теплообмена. Первую область практического применения теории теплопередачи составляет группа теплообменных аппаратов (подогреватели, холодильники, конденсаторы). Методы расчета этих аппаратов составляют предмет тем 7 и 8 данного раздела курса. В результате их изучения студент должен ознакомиться с техническими теплоносителями, промышленными конструкциями теплообменных аппаратов, методами расчета необходимых поверхностей теплообмена и основных конструктивных размеров самих аппаратов. Тема 8 посвящена процессам выпаривания (концентрирования) растворов твердых веществ, конструкциям аппаратов и методам их расчета. При изучении однокорпусных аппаратов следует усвоить метод определения расходов тепла и необходимой поверхности нагрева. Центральными вопросами данной главы являются также метод распределения располагаемой разности температур между корпусами, определение необходимых поверхностей нагрева тела, определение требуемых объемов парового пространства и размеров нагревательных камер, контроль и регулирование выпарных аппаратов, а также выбор оптимальных конструкций. III МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Тема 9. Массопередача Общая характеристика диффузионных процессов. Типовые случаи массобмена. Статика процесса. Фазовые равновесия. Построение диаграмм фазового равновесия.

Кинетика процесса. Молекулярная диффузия. Движущая сила диффузионных процессов. Общее уравнение массопередачи. Тема 10. Перегонка и ректификация. Перегонка с водяным паром. Определение температуры перегонки. Расход пара. Степень насыщения водяного пара парами перегоняемого вещества. Перегонка под вакуумом. Простая перегонка. Материальный баланс. Ректификация. Периодическая и непрерывная ректификация. Определение основных размеров тарельчатых ректификационных колонн. Тепловой баланс ректификационной колонны. Конструкции ректификационных колонн. Тарельчатые колонны. Колпачковые и сетчатые тарелки. Центробежные пленочные ректификационные аппараты. Насадочные колонны. Тема 11. Абсорбция Общая характеристика процесса. Выбор абсорбента. Общие схемы установок для абсорбции – десорбции. Материальный баланс абсорбера. Удельный расход абсорбента. Влияние температуры и давления на процесс абсорбции. Степень улавливания. Типы и конструкции абсорберов. Поверхностные и пленочные абсорберы. Насадочные абсорберы. Типы насадок. Абсорберы с механическим распылением жидкостей. Тема 12. Экстрагирование. Общая характеристика процесса. Области применения экстрагирования. Экстрагирование из растворов. Принципы выбора растворителя. Фазовое равновесие. Экстракция с перекрестным током. Противоточная экстракция. Типы экстракторов для жидкостной экстракции и их сравнительная характеристика. Особенности процесса экстрагирования из твердых тел. Тип и конструкции экстракторов для извлечения веществ из твердых тел. Тема 13. Адсорбция Общая характеристика процесса адсорбции и области применения. Скорость адсорбции. Адсорбция во внешнем и текущем слое. Промышленные адсорбенты и их характеристика. Конструкции адсорберов и схемы адсорбционных установок периодического и непрерывного действия. Адсорберы со взвешенным и текущим слоем адсорбента. Тема 14. Сушка Общая характеристика процесса. Состояние влаги в материале. Основные методы сушки. Сушка воздухом и топочными газами. Общая схема установки. Статика сушки. Основные параметры влажного воздуха «I – х» диаграмма Рамзина. Материальный и тепловой балансы воздушной сушилки. Изображение и анализ основных вариантов сушильного процесса для теоретической и действи-

тельной сушилки на диаграмме Рамзина. Температура мокрого термометра и точка росы. Кинетика сушки. Механизм процесса сушки. Конструкция сушилок. Камерные сушилки. Сушилки непрерывного действия: туннельные, ленточные, барабанные, пневматические со взвешенным слоем, распылительные, вальцовые и петлевые. Сушка под вакуумом. Схема вакуум-сушильной установки. Преимущества и недостатки сушки под вакуумом. Конструкции вакуум-сушилок. Сушка инфракрасными лучами. Сушка токами высокой частоты. Сублимационная сушка. Методические указания В теме 9 студент должен усвоить основные законы диффузии. Литература: /1/; /2/. Тема 10 посвящена разделу теории и технике разделения жидких смесей методами дистилляции и ректификации. Ознакомившись с промышленными схемами дистилляции и ректификации и типовыми конструкциями аппаратов, необходимо перейти к изучению теории этих процессов. Литература: /1/; /2/. Тема 11 посвящена вопросам разделения газовых однородных смесей методом селективного поглощения на поверхности жидкой фазы – абсорбции. В этой главе следует обратить внимание на аналитический и графический методы расчета абсорберов и их типовые конструкции. В теме 12, посвященной вопросам экстрагирования, следует обратить внимание на два рода экстрагирования – экстрагирование при обычной температуре, т.е почти без расхода тепла, и экстрагирование с регенерацией растворителей. Литература (1), (2). Тема 13 посвящена вопросам разделения однородных газовых смесей методом селективного поглощения на поверхности твердой фазы – адсорбции. Познакомившись с методом, следует усвоить сущность статической и динамической активности адсорбентов, и конструкции адсорберов периодического и непрерывного действия. Литература: (1), (2). Тема 14 посвящена вопросам промышленной сушки продуктов и конструкциям сушильных аппаратов, широко распространенных в пищевой промышленности. При изучении этой темы следует ознакомиться с современными конструкциями сушилок. Литература: (1), (2). III. МЕМБРАННЫЕ ПРОЦЕССЫ Микрофильтрация. Ультрафильтрация. Обратный осмос. Типы мембран. Проницаемость и селективность мембран. Конструкции мембранных аппаратов. Методические указания Раздел посвящен вопросам мембранного разделения, которые в последние годы начали широко внедряться в промышленность. В области теории студент должен получить общие представления о методах мембранного разделения, о

типах применяемых мембран, о критериях выбора мембран, ознакомиться с существующими конструкциями мембранных аппаратов. Литература: (4), (5). ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ Целью задания является развитие у студентов навыков в самостоятельном решении практических инженерных задач, закрепление теоретических знаний, выработка умений пользоваться методами расчетов основных процессов, типовых аппаратов и машин пищевых производств. Студенты выполняют 2 контрольные работы: № 1 и № 2, состоящие из контрольных вопросов и задач. Контрольные работы выполняются в единой системе единиц (СИ) с указанием размерности всех величин, встречающихся в задаче. ЕДИНИЦЫ ИМЕРЕНИЯ Вычисления начинают только тогда, когда все величины переведены в одну систему единиц СИ (ГОСТ 9867-61) является универсальной системой и призвана заменить все существующие системы. Кроме основных едини система СИ допускает образование кратных и дольных единиц путем умножения на 10II Деци (дц) Санти (с) Милли (мк) Микро (мк) Нано (н) Пико (п) Обозначе ние 1 l m t T

W V U a ρ F γ p

-10-1 -10-2 -10-3 -10-6 -10-9 -10-12

Кило (к) Гекто (га) Мега (м) Гига (г) Тера (т)

-103 -104 -106 -109 -10-12

Единицы измерения величин и их обозначение Название величиЕдиница Размер Зависины измерения ность мость 2 3 4 5 Длина Метр М Масса Килограмм Кг Время Секунда С 0 Температура Градус С Цельсия 0 Градус К Кельвина Площадь м2 w=l2 3 Объем м v=l3 Скорость м/u u=l/t Ускорение м/с2 a=l/t2 плотность кг/м3 ρ=m/v cила Ньютон кгм/с2 F=m a удельный вес н/м3 γ=F/ ν давление Паскаль, н/м2 p=F/ω

τ µ

напряжение динамический коэффициент вязкости

ν

кинематический коэффициент вязкости расход глубина, высота мощность потери гидродинамического напора гидродинамический напор угловая скорость коэффициент расхода

Q h N hu H ω µ

Па -

н/м2 кг/мс

-

м2/с

ν= µ/ p

Ватт, Вт -

м3/с м дж/с м

Q= ν/t

-

м

Радиан -

рад/с -

τ=F/ω

µ =τ

ε =

dλ du

Sc d = ( c )2 S0 d0

Соотношения меж ду наиболее употребляемыми единицами системы СИ и единицами других систем. Величина Система Техническая сис- Физическая сисСИ тема тема Сила Н I кгс=9,81 н н≠105 дин Давление

па

Динамический коэффициент вязкости Кинематический коэффициент вязкости

кг/мс м 2/с

I атм =Iкгс/см 2= =9,81 х 104 Па -

-I 1пуаз =10 кг/мс

-4 3 1стокс=10 м /с

1 мм ртутного столба = 133,3 н /м 2 1 мм водного столба = 9,81 н/м 2 Номер варианта студент выбирает по последней цифре номера зачетной книжки. Контрольная работа выполняется в тетради и должна содержать: номер работы, фамилию, имя, отчество студента, номер группы, шифр, название работы, вариант, полное изложение текста задачи со своими данными, схему процесса или аппарата с указанием направления течения материальных потоков, расчет.

Приступая к выполнению контрольной работы, надо наметить путь решения, разбив задачу на ряд частных вопросов, записать нужные расчетные уравнения (формулы), далее найти и выписать нужные константы из справочной литературы. Для выполнения расчетов необходимо владеть вычислительной техникой, а также научиться пользоваться диаграммами и номограммами для правильного нахождения по ним значений тех или иных величин.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

ЗАДАНИЕ 1 Контрольные вопросы Что такое вязкость ж идкости и что она харак теризует? Напишите выражения физической и технической атмосферы в размерностях: кг/см2, кг/м2, мм. вод. ст., н/ см2., мм рт. ст., Па. Сколько составит 720 мм рт.ст. в размерностях: кгс/см2, мм вод. ст., н/м2. Написать выражение для определения суммарного избыточного давления жидкости на плоскую наклонную стенку. Дайте понятие гидростатического давления. Назовите его свойства. Основное уравнение гидростатики. Объясните его физический и геометрический смысл. Дайте понятие критической скорости. Объясните, чем обусловлено существование верхней и нижней критической скорости. В трубопроводах, имеющих одинаковые диаметры, протекают различные жидкости. В каком из трубопроводов дольше сохранится ламинарный. режим. Напишите уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкости: для струйки и целого потока реальной жидкости. Физический и геометрический смысл уравнения Бернулли. Коэффициент Кариолиса и его физический смысл. Приведите примеры практического использования уравнения Бернулли. Объясните устройство острой диафрагмы. Принцип работы прибора. Преимущества и недостатки по сравнению с трубой Вентури. Как определить расход жидкости в трубах используя водомер Вентури. Объясните, от чего зависит коэффициент гидравлического трения. Как определяются потери напора при различных режимах движения жидкости в трубопроводе. Как определяются потери давления при различных режимах движения жидкости в трубопроводе. Что такое абсолютная и относительная шероховатость? В каких случаях шероховатость не оказывает влияния на коэффициент гидравлического трения. Как определить величину средней скорости при ламинарном и турбулентном режимах движения жидкости в трубе. Как зависит коэффициент местного сопротивления от числа Рейнольдса? Объясните явление кавитации в местных сопротивлениях.

21. Напишите формулу для истечения жидкости (скорость и расход) через патрубок, расположенный в дне резервуара при постоянном уровне жидкости в нем. 22. От каких факторов зависит время опорожнения резервуара? 23. Выведите формулу для определения времени истечения воды из цилиндрического резервуара (вертикального) через патрубок, расположенный в дне и снабженный вентилем. 24. Какие виды насадок (основных) применяются в технике и каковы условия их применения? 25. Объясните причину возникновения гидравлического удара в трубопроводе, каким образом достигается условие, что давление в трубопроводе при этом не превышает допустимое? 26. Нарисуйте схему разветвленного трубопровода и напишите выражение для падения давления в этом трубопроводе. 27. Почему поршневые насосы с механическим приводом нельзя строить на большое число оборотов? 28. Воздушные колпаки у поршневых насосов и цель их установки. 29. Характеристика трубопровода и ее значение при выборе насоса. 30. Нарисуйте две различные гидравлические схемы работы насоса. 31. Нарисуйте схему одноступенчатого компрессора простого действия, объясните цикл его работы в координатах «p-v» и покажите, почему производительность его зависит от отношения давления Р1: Р2. 32. Нарисуйте схему монтежю и поясните принцип работы этого аппарата. Каковы преимущества использования аппарата? 33. Нарисуйте диаграмму полной и обезличенной характеристики работы вентиляторов и объясните, как по ним производится выбор вентилятора. 34. Нарисуйте схему барботера для перемешивания в жидкой среде и поясните его преимущества и недостатки. 35. Нарисуйте схему очистки газа от пыли под действием центробежной силы. 36. Нарисуйте схему отстойника с декантацией и поясните принцип его работы Номер варианта Номер вопроса

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2

3

4

5

2

1

2

3

4

3

6

8

7

10

12

8

13

11

10

11

13

15

9

16

17

18

20

14

17

14

19

21

23

25

22

24

26

28

23

27

30

31

32

33

34

35

36

29

30

Задача 1. Определить потери напора при движ ении воды в трубе диаметром d и длиной l, если расход равен Q, температура воды Т. Значение эквивалентной шероховатости трубы К э вз ять из справочника. Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

d, мм 200 50 25 100 50 25 100 25 100 50

l, м 800 1000 1500 2500 2000 3000 1200 1600 1800 2800

Q, л/с 50 196 0.51 7.6 1.76 0.48 8.2 0.43 9.0 1.9

Т, С 10 15 20 25 30 25 20 15 10 4

0

Материал и харак теристика трубопровода Стальная, новая Стальная, старая Стальная, сварная Медная труба Алюминиевая Асбоцементная Чугунная, старая Оцинкованная, новая Стальная бесшовная Стальная, сварная

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

Рис. 1 ЗАДАНИЕ 2 Контрольные вопросы 1. Напишите выражение коэффициента теплопередачи К и поясните, в каких случаях можно пренебречь тепловым сопротивлением стенки. 2. Укажите порядок цифровых величин для коэффициентов теплоотдачи для важнейших случаев теплообмена («стенка-вода», «стенка-пар», «стенка-газ»).

3. Каковы преимущества и недостатки нагревания «острым» и «глухим» паром? 4. Какие типы водоотводчиков применяются в промышленности у теплообменников технологического оборудования и какой контроль должен быть за этими водоотводчиками? 5. В каких случаях при расчете теплообменников цилиндрическую (трубчатую) поверхность можно считать как плоскую? 6. Как рассчитывается толщина изоляционного слоя на горячих поверхностях оборудования и коммуникаций? 7. Для чего и в каких случаях применяются ребристые поверхности нагрева? 8. Зависит ли средняя разность температур от схемы движения теплоносителей (прямоток, противоток), если температура одного из теплоносителей остается постоянной? 9. Перечислите основные способы нагревания, применяемые в технике, и дайте их сравнительные характеристики? 10. В каких случаях цилиндрическую стенку теплообменников можно рассчитывать как плоскую стенку? 11. Дайте определения понятий «абсолютная влажность», «относительная влажность» и «влагосодержание» влажного воздуха и покажите, какая связь между этими величинами. 12. Нарисуйте схему многозонной сушки с промежуточным подогревом и зонной циркуляцией. Построить процесс работы этой сушилки в диаграмме «I-d» и поясните ее преимущества и недостатки. 13. Нарисуйте рациональную сушилку для сушки кож при покрывном крашении. Какие генераторы тепла можно применять в этих сушилках и в каких случаях? 14. Каковы преимущества и недостатки метода сушки на горячей поверхности (контактная сушка) по сравнению с воздушной сушкой? 15. Какими факторами определяется емкость сушилки по загруженному в нее материалу? 16. Нарисуйте кривые изменения температур материалов в процессе сушки при контактной и при воздушной сушке? 17. Как влияет на интенсивность сушки парциальное давление водяного пара в окружающем воздухе? 18. Почему невыгодно высушивать ниже равновесной влажности? 19. Какие основные параметры подлежат контролю в процессе сушки? 20. Какое значение имеет рециркуляция рабочего воздуха в процессе сушки? 21. Каково назначение выпарных аппаратов? 22. В каких случаях целесообразно применение многокорпусных выпарных установок? 23. Нарисуйте схему однокорпусного выпарного аппарата и напишите уравнение его теплового баланса. 24. Когда нужно применять вакуум-выпаривание? 25. Кривые фазовые равновесия бинарных жидких смесей и их значение при расчете ректификационных колонн.

26. Нарисуйте схему непрерывного действующей ректификационной колонны. 27. Нарисуйте схему аппарата для экстрагирования при обычной температуре. 28. Нарисуйте схему аппарата для экстрагирования с регенерацией растворителей. 29. Укажите случаи применения абсорбции и адсорбции совместное их использование при разделении газовой однородной смеси. 30. Какие факторы необходимо учитывать при выборе типа мембраны? Номер варианта Номер вопроса

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

7 11 27

8 12 28

9 13 29

10 14 30

1 15 21

2 16 22

3 17 23

4 18 24

5 19 25

6 20 26

1. Перед расчетом нужно начертить схему однокорпусной вакуум-выпарной установки со смешивающим конденсатором. 2. Конечная температура воды (смесь конденсата вторичного пара и охлаждающей воды) должна быть ниже температуры вторичного пара на 3-5 °C. Задача 2. Кожухотрубный теплообменник состоит из n труб диаметром d, длиной l. Внутренний диаметр кожуха D в аппарате нагревается G раствора от t1 до t2 глухим паром Рабс=2кгс/см2 . Определить коэффициент теплоотдачи от поверхности нагрева к раствору, если он будет происходить: а) внутри труб, б) в межтрубном пространстве. Определить поверхность теплопередачи и количество тепла, необходимое для нагрева раствора от t1 до t2 Вели чины n, шт d, мм D, мм G, кг/ч t1 °C t2 °C Раствор

Задача 1. Определить поверхность нагрева и расход греющего пара в однокорпусном выпарном аппарате для экстрагирования дубителя из корья: количество начального раствора - Gн кг/ч начальная концентрация раствора - Хн % конечная концентрация раствора - Хк % давление греющего пара - Р кгс/см2 давление вторичного пара - Рwкгс/см2 температура депрессии - ∆t °C коэффициент теплопередачи - К кВт/м2 .град. Какое количество воды необходимо подавать в барометрический конденсатор, если ее начальная температура 10 °C? Потерями тепла пренебречь. Начальная температура 25 °C. Вели чины Gн кг/ч Хн % Хк % Р кгс/см2 ∆t °C Рwкгс/с м2 К кВт/м2 .град.

Варианты 5 6 1900 2000 4 5 30 30 3,5 3,5

1 1500 3 25 2,5

2 1600 4 30 2,5

3 1700 5 30 3

4 1800 3 25 3

4,5 0,3

4,5 0,3

5 0,35

5 0,35

4,5 0,4

1000

1000

1000

1100

1100

7 1400 3 25 3,5

8 1300 4 25 4

9 1200 5 30 4

10 1000 4 30 3

4,5 0,4

5 0,3

5 0,3

4,5 0,34

4,5 0,35

1100

950

950

950

1000

2 15 25*2 275 10 10 70 вода

3 13 25*2 273 10 10 70 кальций хлорист.

Варианты 4 5 17 10 20*2 29*2 285 270 12 8 12 20 65 60 каль- наций трий хлоедрист. кий 40%

6 7 20 19 29*2 25*2 345 290 15 12 10 25 50 90 глиц вода ерин

8 25 21*2 368 14 10 80 Натрий хлористый

9 29 24*2 389 12.8 15 65 этилов. спир т 40%

10 18 24*2 286 13.6 15 85 уксу сная кисл ота 50%

l, м

2 1,5 2 1,5 2,5 1,5 2,2 1.7 1,8 Примечание: 1. При расчете скорости раствора в межтрубном пространстве необходимо рассчитать площадь сечения межтрубного пространства. 2. При определении режима движения раствора в межтрубном пространстве необходимо рассчитать эквивалентный диаметр межтрубного пространства. 3. Диаметр трубы 25*2 мм означает: 25 мм – наружный диаметр трубы 2 мм – толщина стенки. ПРИЛОЖЕНИЯ Приложение 1 Физические свойства воды (на лини насыщения)

t, 0С

0 Примечание:

1 13 25*2 273 10 10 70 вода

ρ, кг/м3 1000

СР, кДж/кг·К 4,23

λ·102,

ν·106,

Вт/м·К

2

м /с

65,1

1,79

β·104, К-1

σ·104, кг/с2

Ρr

-0,63

756

13,7

2,3

10

1000

4,19

57,5

1,31

+0,70

762

9,52

50

1015,9

0,516

3870

0,87

6,5

42

20

998

4,19

59,9

1,01

1,182

727

7,02

60

1011,1

0,518

3850

0,72

5,35

42

30

996

4,18

61,8

0,81

3,21

712

5,42

70

1005,2

0,524

3850

0,63

4,65

42

40

992

4,18

63,4

0,66

3,87

697

4,31

80

1000,3

0,530

3850

0,58

4,2

42

50

988

4,18

64,8

0,556

4,49

677

3,54

90

999

0,531

3850

0,56

4,07

42

60

983

4,18

65,9

0,478

5,11

662

2,98

100

887

0,542

3850

0,54

3,84

42

70

978

4,19

66,8

0,415

5,70

643

2,55

80

972

4,19

67,5

0,365

6,32

626

2,21

90

965

4,19

68,0

0,326

6,95

607

1,95

100

958

4,23

68,3

0,295

7,5

589

1,75

Основные физические свойства рассола

110

951

4,23

68,5

0,268

8,0

569

1,58

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

120

943

4,23

68,6

0,244

8,6

549

1,43

Приложение 3

ρ, кг/м3 0

130

935

4,27

68,6

0,226

9,2

529

1,32

t, C

140

926

4,27

68,5

0,212

9,7

507

1,23

1

150

917

4,32

68,4

0,202

10,3

487

1,17

160

907

4,36

68,3

0,191

10,8

466

170

897

4,40

67,9

0,181

11,5

180

887

4,44

67,5

0,173

12,2

t, C

ρ, кг/м

2

3

λ·10 ,

c,

µ·10

Вт/м·К

Дж/(кг град)

Н·сек/м2

2

σ·103, н/м

Ρr

Дж/(кг град)

Н·сек/м

2

3

4

5

6

7

5

1170

0,56

3330

2,46

2,10

14,7

1,10

0

1181

0,54

3330

2,98

2,52

18,4

444

1,05

-5

1183

0,523

3329

3,66

3,08

23,4

424

1,01

-10

1185

0,505

3328

4,57

3,86

30,1

-15

1187

0,49

3322

5,61

4,73

38,2

-20

1188

0,476

3320

6,85

5,77

47,5

Основные физические свойства молока 3

µ·103

c,

Вт/м·град

Приложение 2 0

λ,

Ρr

3

σ·10 , н/м Приложение4

1

2

3

4

5

6

7

5

1032,6

0,486

3868

3,02

30,2

47

10

1031,7

0,489

3870

2,52

20,0

45

15

1030,7

0,492

3880

2,14

16,9

20

1028,7

0,495

3890

1,82

30

1024,8

0,500

3900

40

1020,9

0,506

3910

Физические свойства сухого воздуха при атмосферном давлении Ср,

λ·102,

ν·106,

Дж/(кг град)

Вт/м*К

м2/сек

2

4

5

6

7

-50

1,584

1035

2,03

9,23

0,728

42

-20

1,395

1035

2,26

12,79

0,716

42

0

1,293

1010

2,37

13,28

0,707

t, 0C

ρ, кг/м

45

1

14,3

43

1,35

10,6

1,10

8,5

3

Ρr

10

1,247

1010

2,44

14,16

0,705

100

958

4,23

68,3

0,295

7,5

589

1,75

20

1,205

1010

2,52

15,06

0,703

110

951

4,23

68,5

0,268

8,0

569

1,58

30

1,165

1010

2,57

16,00

0,701

120

943

4,23

68,6

0,244

8,6

549

1,43

40

1,128

1010

2,66

16,96

0,699

130

935

4,27

68,6

0,226

9,2

529

1,32

50

1,093

1010

2,72

17,95

0,698

140

926

4,27

68,5

0,212

9,7

507

1,23

60

1,060

1010

2,80

18,97

0,696

150

917

4,32

687,4

0,202

10,3

487

1,17

70

1,029

1010

2,86

20,02

0,694

160

907

4,36

68,3

0,191

10,8

466

1,10

80

1,000

1010

2,93

21,09

0,692

170

897

4,40

67,9

0,181

11,5

444

1,05

90

0,972

1010

3,0

22,10

0,690

180

887

4,44

67,5

0,173

12,2

424

1,01

100

0,946

1010

3,05

23,13

0,688

120

0,898

1010

3,2

25,45

0,686

Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления

140

0,854

1015

3,32

27,80

0,684

пересчет с СИ: 1ат.=9,81·104Па

160

0,815

1025

3,44

30,09

0,682

180

0,779

1040

3,56

32,49

0,681

Приложение 5

Приложение 6

кДж/кг (i//)

Теплота парообразования кДж/кг(г)

0,1283

250,1

2607

2358

68,7

0,1876

287,9

2620

2336

0,40

75,4

0,2456

315,9

2632

2320

t

Плотность, кг/м3 .ρ

0,2

59,7

0,30

Физические свойства воды (на линии насыщения) t, 0C

ρ, кг/м3

СР,

λ·102,

КДж/кг· Вт/м·К К

ν·106,

β·104

Дж/(кг град)

К-1

σ·103 , н/м

Ρr

Энтальпия жидкости,

Энтальпия пара, кДж/кг (i//)

Давлени е(абс), ат. Р

Температура, 0С

0

1000

4,23

65,1

1,79

-0,63

756

13,7

0,50

80,9

0,3027

339,0

2642

2307

10

1000

4,19

57,5

1,31

+0,70

762

9,52

0,60

85,5

0,3590

358,2

2650

2296

20

998

4,19

59,9

1,01

1,182

727

7,02

0,70

89,3

0,4147

375,0

2657

2286

30

996

4,18

61,8

0,81

3,21

712

5,42

0,80

93,0

0,4699

389,7

2663

2278

40

992

4,18

63,4

0,66

3,87

697

4,31

0,90

96,2

0,5246

403,1

2668

2270

50

988

4,18

64,8

0,556

4,49

677

3,54

1,0

99,1

0,5790

415,2

2677

2264

60

983

4,18

65,9

0,478

5,11

662

2,98

1,2

104,2

0,6865

437,0

2686

2249

70

978

4,19

66,8

0,415

5,70

643

2,55

1,4

108,7

0,7931

456,3

2693

2237

80

972

4,19

67,5

0,365

6,32

626

2,21

1,6

112,7

0,898

473,1

2703

2227

90

965

4,19

68,0

0,326

6,95

607

1,95

1,8

116,8

1,003

483,6

2709

2217

2,0

119,6

1,107

502,4

2710

2208

3,0

132,9

1,618

558,9

2730

2171

4,0

142,9

2,120

601,1

2744

2141

5,0

151,1

2,614

637,7

2754

2117

6,0

158,1

3,104

667,9

2768

2095

Рекомендуемая литература 1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. 2. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М: Химия, 1972. 3. Павлов К.Ф, Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – М:Химия, 1987 . 4. Дыткерский Ю.М. Обратный осмос и ультрафильтрация. – М: Химия, 1978 г., С. 352. 5. Хванг С.Т., Каммермеер К. Мембранные процессы разделения. – М: Химия, 1981 г., С. 464.