Кафедра пахт рхту вопросы к экзамену

ВОПРОСЫ САМОКОНТРОЛЯ

ПО КУРСУ «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»

5.1. Общие положения курса

«Процессы и аппараты химической технологии»

Технологические процессы. Задачи и предмет химической

технологии. Признаки технологического процесса.

Классификация химико-технологических процессов. Примеры

процессов, относящихся к тому или иному классу процессов.

Понятие скорости, движущей силы, коэффициента скорости и

сопротивления процессу. Определение указанных понятий

для классов процессов. Основной кинетический закон (его

словесная и математическая формулировки). Основная

геометрическая характеристика (основной размер) аппарата.

Практическая ценность основного кинетического закона для

различных классов процессов. Условия равновесия и

направление течения процесса. Материальный баланс.

Энергетический (тепловой) баланс. Основные цели

технологического расчета процесса и аппарата. Признаки

периодического и непрерывного процессов. Аппараты

полного смешения, полного вытеснения и промежуточного

типа. Движущая сила в аппаратах указанных типов. Понятие о

подобии процессов. Условия однозначности и их назначение.

Подобие условий однозначности. Формулировки основных

теорем подобия. Условия подобия. Понятие критерия

подобия. Формальная схема получения критериев подобия.

Практический смысл и назначение теории подобия.

5.2. Гидромеханические процессы и аппараты

Уравнение Навье-Стокса. Физический смысл отдельных

членов уравнения. Критерии подобия гидромеханических

процессов. Физический смысл и формулы критериев Эйлера,

234

Рейнольдса, Фруда. Обобщенное критериальное уравнение

гидромеханических процессов.

Однородные и неоднородные системы. Понятие фазы.

Сплошная и дисперсная фазы. Классификация и примеры

неоднородных систем. Материальный баланс

гидромеханических процессов.

Осаждение под действием гравитационных сил

(отстаивание). Кинетика отстаивания. Режимы движения

частицы в жидкости. Критерий Архимеда и его физический

смысл. Коэффициент (фактор) формы частицы. Факторы,

влияющие на величину скорости отстаивания. Конструкции

отстойников. Основная расчетная геометрическая

характеристика отстойника. Расчет отстойников.

Осаждение под действием центробежной силы.

Центробежный фактор (фактор разделения). Его физический

смысл и расчет. Факторы, влияющие на величину скорости

центробежного осаждения. Устройство аппаратов для

центробежного осаждения (отстойных центрифуг, циклонов,

сепараторов).

Осаждение под действием сил электрического поля.

Коронный разряд в неоднородном электрическом поле. Сила

действия электрического поля на заряженную частицу.

Определение скорости осаждения шарообразной частицы в

электрическом поле.

Фильтрование. Понятие движущей силы, скорости и

сопротивления фильтрования. Основной кинетический закон

фильтрования в дифференциальной форме. Основные режимы

фильтрования. Зависимость между временем фильтрования и

объемом получаемого фильтрата в различных режимах.

Удельное сопротивление осадка и факторы, влияющие на его

величину. Конструкции основных газовых и жидкостных

фильтров (рукавный фильтр, нутч-фильтр, рамный и

камерный фильтры-прессы, вакуум-фильтры барабанный,

дисковый, ленточный, карусельный). Примеры фильтров,

работающих в режимах постоянного давления и постоянной

скорости.

235

Перемешивание в жидкой среде. Пневматическое,

циркуляционное и механическое перемешивание.

Конструкции основных типов мешалок (пропеллерной,

лопастной, турбинной). Факторы, влияющие на величину

мощности, потребляемой мешалкой.

Псевдоожижение твердого зернистого материала.

Скорость начала псевдоожижения. Зависимость перепада

давления на слое зернистого материала от скорости

псевдоожижающего агента при ее различных значениях.

Порозность слоя зернистого материала и ее расчет. Факторы,

влияющие на высоту псевдоожиженного слоя. Область

существования псевдоожижения.

5.3. Тепловые процессы и аппараты химической технологии

Основы теплопередачи. Механизм теплопроводности,

конвективного теплообмена, теплового излучения. Закон

теплопроводности Фурье. Закон теплоотдачи Ньютона.

Теплоотдача и теплопередача. Основное уравнение

теплопередачи. Физический смысл коэффициентов

теплоотдачи и теплопередачи, формулы, позволяющие их

рассчитать. Средняя движущая сила тепловых процессов.

Средняя арифметическая и средняя логарифмическая

разность температур. Расчет тепловой нагрузки

теплообменника. Расчет площади поверхности теплообмена

теплового аппарата. Основные критерии подобия тепловых

процессов (критерии Фурье, Грасгофа, Нуссельта, Пекле).

Теплопередача при ламинарном и турбулентном

вынужденном движении жидкостей.

Нагревание. Нагревание острым и глухим водяным паром.

Достоинства и недостатки обоих способов нагревания.

Тепловой баланс при нагревании жидкостей острым и глухим

паром. Конденсатоотводчики: их назначение и устройство.

Конструкции теплообменников (кожухотрубных, змеевиковых,

спиральных, типа «труба в трубе»). Одноходовые и

многоходовые теплообменники. Назначение ходов. Факторы,

влияющие на коэффициент теплопередачи теплообменника.

236

Теплообменники с компенсацией температурных удлинений.

Теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена.

Нагревание топочными газами. Схемы нагревания

промежуточными жидкими

и твердыми теплоносителями. Нагревание электрическим

током в различных электрических печах. «Мягкий» и

«жесткий» нагрев.

Охлаждение до обыкновенных температур и конденсация.

Охлаждение водой, воздухом, льдом. Устройство аппаратов

для охлаждения. Определение расхода воды на охлаждение.

Выбор направления движения теплоносителей. Поверхностная

конденсация и конденсация смешением. Определение расхода

воды на конденсацию. Устройство противоточного

барометрического конденсатора смешения. Назначение

вакуум-насоса и барометрической трубы. Расчет высоты и

диаметра барометрической трубы.

Выпаривание. Определение выпаривания. Его назначение.

Температурная депрессия. Теплота растворения. Простое

выпаривание. Устройство установки для простого

выпаривания. Назначение барометрического конденсатора и

вакуум-насоса в выпарных установках. Материальный и

тепловой баланс простого выпаривания. Расчет площади

поверхности теплообмена выпарного аппарата. Общая и

полезная разности температур, виды температурных потерь;

расчет этих величин. Многократное выпаривание.

Сопоставление его с простым выпариванием. Устройство

выпарных установок многократного выпаривания. Общая и

полезная разности температур многокорпусных выпарных

установок. Распределения полезной разности температур по

корпусам и расчетные формулы из условия равенства

поверхностей нагрева и минимальной суммарной поверхности

нагрева. Предельное число корпусов. Конструкции основных

выпарных аппаратов. Механизм и назначение естественной

циркуляции раствора в этих аппаратах. Выпарные аппараты с

принудительной циркуляцией раствора в трубках.

Выпаривание с применением теплового насоса.

237

5.4. Основы массопередачи

Определение и назначение основных массообменных

процессов (абсорбции, ректификации, жидкостной

экстракции, адсорбции, сушки и других). Фазы,

участвующие в этих процессах. Определение массопередачи.

Понятие о фазовом равновесии. Направление течения

массообменного процесса. Основное уравнение

массопередачи (в дифференциальной и интегральной

формах). Материальный баланс массообменных процессов.

Рабочая линия и линия равновесия. Текущая и средняя

движущая сила массообменных процессов. Различные виды

средней движущей силы (средняя арифметическая и средняя

логарифмическая), области их применения в расчетной

практике. Определение и физический смысл числа единиц

переноса. Модифицированные уравнения массопередачи.

Причины, обусловливающие модификации уравнения

массопередачи.

Закон молекулярной диффузии (первый закон Фика).

Физический смысл и размерность коэффициента диффузии.

Факторы, влияющие на величину коэффициента диффузии в

жидкостях и газах. Дифференциальное уравнение

молекулярной диффузии (второй закон Фика). Закон

массоотдачи (закон Щукарева). Физический смысл и

размерность коэффициента массоотдачи. Дифференциальное

уравнение конвективной диффузии. Механизм массопереноса

в ядре и пограничном слое потока фазы. Критерии подобия

массообменных процессов. Способы их получения и

физический смысл. Общий вид и частные формы

критериального уравнения массообменных процессов.

Определение коэффициента массоотдачи. Выражение

коэффициентов массопередачи через коэффициенты

массоотдачи.

5.5. Абсорбция и ректификация

Определение и назначение абсорбции. Физическая

абсорбция и хемосорбция. Факторы, влияющие на абсорбцию.

238

Законы Генри и Дальтона. Материальный баланс процесса

абсорбции. Кинетика абсорбции. Уравнение рабочей и

равновесной линий процесса абсорбции. Принципиальные

схемы процесса абсорбции. Изображение процессов абсорбции

на диаграмме y-x. Конструкции абсорберов. Основные типы

насадок. Гидравлическое сопротивление насадочных и

тарельчатых массообменных

колонн. Схема расчета насадочных, пленочных и тарельчатых

абсорберов.

Определение и назначение ректификации. Классификация

жидких бинарных смесей. Фазовое равновесие в системе

жидкость-пар. Идеальная смесь. Законы Рауля и Дальтона.

Уравнение связи равновесных концентраций для идеальных

смесей. Диаграммы у-х и t-x,у для идеальных и неидеальных

смесей. Азеотропные смеси. Схема ректификационной

установки непрерывного действия. Материальный баланс

процесса ректификации. Флегмовое число. Уравнения

рабочих линий обогащающей (укрепляющей) и

исчерпывающей части колонны. Изображение рабочих и

равновесной линий на диаграмме у-х. Влияние флегмового

числа на положение рабочих линий процесса ректификации

на диаграмме у-х. Определение минимального флегмового

числа. Тепловой баланс непрерывнодействующей

ректификационной колонны. Ректификационные колонны

периодического действия, работающие в режимах

постоянного флегмового числа и постоянного состава

дистиллята. Определение оптимального флегмового числа.

Конструкции контактных устройств. Схема расчета

ректификационных колонн.

5.6. Экстракция, сушка и адсорбция

Определение экстракции и области ее применения.

Сочетание экстракции с другими процессами. Наименование

потоков в экстракторе. Закономерности равновесия при

экстракции. Материальный баланс и рабочие линии процесса.

Кинетические закономерности экстракции. Принципиальные

239

схемы проведения процессов экстракции и их изображение на

диаграмме у-х. Основные конструкции экстракторов

(распылительного, насадочного, с ситчатыми тарелками,

роторно-дискового, смесительно-отстойного).

Законы массопередачи в системах с твердым телом.

Определение процесса сушки и области ее применения.

Основные параметры состояния влажного газа. Температуры

точки росы, мокрого и сухого термометров. Их определение

аналитическим путем и с помощью диаграммы состояния

влажного газа (диаграммы i-х). Формы связи влаги с

материалом. Материальный и тепловой баланс конвективной

сушки. Определение удельных расходов воздуха и тепла с

помощью диаграммы i-х. Рабочая линия процесса сушки.

Физический смысл и определение величины D – внутреннего

теплового баланса сушилки. Процесс сушки в теоретической

и действительной сушилках. Изображение на диаграмме i-х

процессов нагревания, охлаждения и смешения воздушных

потоков.

Принципиальные схемы сушильных процессов, их

сравнительная характеристика и области применения.

Закономерности кинетики сушки в периоды постоянной и

Задача 19

Определить минимальную высоту установки центробежного насоса над уровнем жидкости в открытой емкости при подаче 75м³/час воды при 20°С в следующих условиях: барометрическое давление 735 мм.рт.ст.; давление насыщенных паров воды 17,54 мм.рт.ст.; кавитационный запас принять равным 0,11 атм; диаметр всасывающего трубопровода 108х4 мм; сумма всех коэффициентов сопротивлений (трения и местных) равна 9.

Скачать решение задачи 19 (гидрав) (цена 100р)

Задача 20

Экспериментально измерены: разность температур между стенкой и водой 5°С. Градиент температуры у стенки (-5) град/мм. Определить коэффициент теплоотдачи. Коэффициент теплопроводности воды 0,58 Вт/(м град).

Скачать решение задачи 20 (гидрав) (цена 100р)

Задача 21

В газовом противоточном холодильнике, имеющем поверхность теплопередачи 200м² охлаждается газ от 100°С до 60°С. Средняя температура стенки со стороны газа 48,9°С. Охлаждающая вода нагревается от 30°С до 50°С. Определить объемный расход воды и коэффициент теплоотдачи со стороны газа, если коэффициент теплопередачи составляет 40 Вт/(м²*К), а теплоемкость и плотность воды можно считать не зависящей от температуры.

Скачать решение задачи 21 (гидрав) (цена 100р)

Задача 22

Как увеличить термическое сопротивление стенки стальной трубы 38х2,5 мм, если покрыть ее с одной стороны слоем эмали 0,5мм? λ_стали = 17,5 Вт/(м-К) λ_эмали = 1,1 Вт/(м*К)

Задача 23

Определить удельный тепловой поток с поверхности паропровода диаметром 40х2,5, покрытым слоем шлаковой ваты толщиной 30мм с коэффициентом теплопроводности 0,076 Вт/(м*К), если температура наружной поверхности паропровода 45°С, температура внутренней поверхности трубы 190°С, λ_стали =46,5 Вт/(м*К).

Задача 24

Двухслойная стенка с внутренней стороны конденсирует с горячим теплоносителем и имеет температуру 150°С. Толщина первого слоя стенки со стороны теплоносителя 3мм, коэффициент теплопроводности 17,4 Вт/(м-К), толщина второго слоя стенки 4мм, коэффициент теплопроводности 46,4 Вт/(м*К). Определите температуру на стыке стенок на внешней поверхности стенки при тепловом потоке 58000 Вт/м²

Задача 25

В начале процесса теплопередачи были получены следующие данные α₁=8000Вт/м²; α₂=1000Вт/м²К, толщина стенки 2мм, теплопроводность стенки 40 Вт/(м*К). Оцените толщину слоя накипи в конце процесса, если коэффициент теплопередачи снизился при этом в два раза. Теплопроводность накипи 3 Вт/(м*К).

Скачать решение задачи 25 (гидрав) (цена 100р)

Задача 26

В холодильнике типа «труба в трубе» охлаждпется кислота в количестве 468 кг/час от температуры 120°С до 40°С. Охлаждение производится водой, поступающей в холодильник с температурой 15°С. Теплоемкость кислоты 3,35 кДж/(кг*К). Разность температур между теплоносителями на входе теплоты в аппарат составляет 75 °С. Определить среднюю разность температур между кислотой и водой, а также расход воды.

Задача 27

Определить соотношение поверхностей при противотоке, если с обоих случаях одинаковые тепловые потоки и коэффициенты теплопередачи. Температура более горячего теплоносителя на входе 300°С, а выход 200°С. Температура менее горячего теплоносителя на входе 25°С, на выходе 175°С.

Задача 28

В кожухотрубчатом теплообменнике насыщенные пары бензола в количестве 10000 кг/час без охлаждения конденсата. Температура кипения бензола при условиях в аппарате 80°С, теплоемкость 2,5кДж/(кг-К), энтальпия паров 594 кДж/кг. Определите объемный расход воды (м3/час), если ее начальная температура 20°С, конечная 40°С. До какой температуры охладиться конденсат, если расход воды увеличить в 1,2 раза (температура воды осталась неизменной)?

Скачать решение задачи 28 (гидрав) (цена 100р)

Задача 29

В теплообменном аппарате конденсируется 10000 кг/час насыщенных паров бензола за счет отвода теплоты через стенку водой, с начальной температурой 20°С и конечной 40°С. Теплота парообразования бензола при рабочих условиях 394 кДж/кг. Коэффициент теплопередачи составляет 580 Вт/(м²К), температура кипения бензола 80°С. Определить расход воды и оценить уменьшение производительности аппарата по конденсату, если учесть, что в процессе его эксплуатации, образовалась накипь толщиной 1мм с коэффициентом теплопроводности 1 Вт/(мК). Считать начальную и конечную температуру воды не изменившимися.

Задача 30

Температура внутренней поверхности изоляции плоских стенок аппарата равна 120°С, а наружной поверхности изоляции равна 40°С. Коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности стенок к окружающей среде равна 10 Вт/(м²К). Температура окружающей среды 20 °С. Определить потери теплоты в окружаю среду с 1м2 поверхности, термическое сопротивление в установившихся условиях и толщину изоляции, если ее коэффициент теплопроводности равен 0,1 Вт/(м-К). Какую температуру будет иметь наружная поверхность изоляции, если ее толщину увеличить вдвое? Принять постоянными коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности.

Скачать решение задачи 30 (гидрав)

Задача 31

В теплообменном аппарате конденсируется 9500 кг/час насыщенного пара бензола за счет отвода тепла через стенку водой с начальной температурой 10°С и конечной 38°С. Теплота парообразования бензола при рабочих условиях 394 кДж/кг. Коэффициент теплопередачи составляет 520 Вт/(м²*К), температура кипения бензола 80°С. Определить расход воды и поверхность теплопередачи. Потерями теплоты пренебречь.

Задача 32

В холодильник требуется подать 2057 кг/час азотной кислоты от температуры 105 до температуры 28°С. Охлаждение производится водой, поступающей в холодильник, с температурой 18°С и уходящей из него с температурой 25°С. Теплоемкость кислоты 2,940кДж/(кг*К). Коэффициент теплоотдачи: от кислоты к стенке аппарата 400 Вт/(м²К), от стенки аппарата к воде 500 Вт/(м²К). Сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений составляет 0,00136 м²К/Вт. Определить расход охлаждающей воды и требуемую поверхность теплопередачи. Тепловыми потерями пренебречь.

Задача 33

В кожухотрубчатом кипятильнике в трубах кипит толуол при температуре 110°С и межтрубном пространстве конденсируется водяной пар при температуре 120°С. Определить поверхность теплопередачи и расход образующихся паров толуола (кг/час)ю если расход водяного пара составляет 468 кг/час, его удельная теплота парообразования 2208 кДж/кг, коэффициент теплопередачи 495 Вт/(м²*К), удельная теплота парообразования толуола 362 кДж/кг. Потери теплоты в окружающую среду принять равными 4% от полезного расхода теплоты.

Скачать решение задачи 33 (гидрав) (цена 100р)

Задача 34

В кожухотрубчатом теплообменнике конденсируются пары аммиака при температуре 30°С. Расход аммиака 2200 кг/час. Теплота конденсации аммиака 1146 кДж/кг. Конденсация производится водой, которая нагревается от 10°С до 20°С. Определить расход охлаждающей воды и поверхность теплопередачи теплообменника. Коэффициент теплоотдачи α₁=2550 Вт/(м²*К); α₂=1800 Вт/(м²*К). Диаметр труб 25х2. Термическое сопротивление загрязнений стенок 0,0004 (м²*К)/Вт. Коэффициент теплопроводности стенок труб 17,5 Вт/(м-К). Потерями тепла пренебречь.

Задача 35

В теплообменнике поверхностью 1,2 м² нагревается 850 кг/час жтдкости от 25°С до 55°С (теплоемкость жидкости 2 кДж/(кг*К). Нагревание производится горячей жидкостью с теплоемкостью 3 кДж/(кг*К). Начальная температура горячей жидкости 85°С, конечная 55°С. Найти расход нагревающей жидкости и коэффициент теплоотдачи от нагревающей жидкости к стенке, если коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости равен 500 Вт/(м²*К). Термическим сопротивлением стенки, потерями теплоты в окружающую среду и влиянием температуры на теплоемкости жидкостей пренебречь.

Задача 36

В кожухотрубчатом теплообменнике конденсируются пары органической жидкости в количестве 766 кг/час без охлаждения конденсата. Теплота парообразования жидкости 394 кДж/кг. Конденсация производится водой, которая нагревается от 20°С до 40°С. Коэффициент теплопередачи составляет 223 Вт/(м²К); коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров к стенке 500 Вт/(м²К), а от стенки к воде 2000 Вт/(м2-К). Определить расход охлаждающей воды и среднюю толщину накипи на стенках трубок, если коэффициент теплопроводности накипи 1Вт/(м*К), а коэффициент теплопроводности стали, из которой изготовлены трубки 46,5 Вт/(м-К). Теплоемкость воды считать не зависящий от температуры. Потерями тепла пренебречь. Толщину стенки принять равной 2мм.

Скачать решение задачи 36 (гидрав) (цена 100р)

Оглавление

1. Ответы на первый вопрос в билете…………………………………………………………………………………..4

1. Вывести диф. уравнение конвективного переноса массы. Провести аналогию с диф.

уравнением конвективного теплообмена………………………………………………..…….….…….….……4

2. Вывести диф. уравнение конвективного переноса массы. Привести виды диф. уравнения

конвективного массообмена для частных случаев: установившегося массообена;

массообмена в неподвижной среде………………………………………………………………….….…….….…5

3. Вывести диф. уравнение конвективного переноса массы. Первый закон Фика. Уравнение

массоотдачи…………………………………………………………………………………………………..….….…….….5

4. Вывести диф. уравнение конвективного переноса массы. Связь между переменными в

этом уравнении с использованием методов теории подобия. Физический смысл критериев

подобия (Числа Нуссельта, Пекле, Прандтля, Фурье и др.)…………………………….…….….……...6

5. Вывести диф. уравнение конвективного переноса массы. Связь между переменными в

этом уравнении с использованием методов теории подобия…………………..….….…….….…….…6

6. Вывести уравнение аддитивности диффузионных сопротивлений. Интенсификация

массопередачи путем воздействия на лимитирующую стадию…………………………….….…….…7

7. Материальный баланс непрерывного установившегося процесса при различных

способах выражения составов фаз и их расходов. Уравнения рабочих линий…………….….….8

8. Вывести уравнение для расчета средней движущей силы массопередачи для случая

прямой линии равновесия……………………………………………………………………………………..….….…8

9. Вывести уравнения для расчета средней движущей силы массопередачи для случая

прямой линии равновесия. Организация потоков в массообменных аппаратах..….…….........9

10. Методы расчета высоты массообменных аппаратов с непрерывным контактом фаз.

Вывести уравнения аддитивности для ЧЕП, ВЕП…………………………………..….…….….…….…...9

11. Вывести уравнение простой перегонки. Уравнения материального баланса процесса..10

12. Вывести уравнения рабочих линий ректификационной колонны непрерывного

действия……………………………………………………………………………………………………………….……...10

13. Вывести уравнение теплового баланса ректификационной колонны непрерывного

действия. Как определяется расход греющего пара в кипятильнике?………………..….…….…..11

14. Вывести уравнение теплового баланса ректификационной колонны непрерывного

действия. Как определяется расход теплоносителя в дефлегматоре?………………………….…...11

15. Получить уравнения материального и теплового балансов воздушной конвективной

сушилки………………………………………………………………………………………………………………………..11

16. Получить уравнения для расчета расходов воздуха и теплоты в процессе конвективной

сушки.…………………………………………………………………………………………………………………………..12

17. Составить уравнения материального баланса при разделении суспензий и вывести из

них выражения для расчета массового расхода осветленной жидкости и осадка………….….13

18. Вывести формулу для определения поверхности осаждения отстойников………….……..13

19. Получить с необходимыми пояснениями критерий Архимеда. Каков его физический

смысл и как он используется при расчете скорости осаждения?……………………………….…….14

20. Осаждение под действием силы тяжести. Силы, действующие на частицу. Вывести

уравнение для определения скорости свободного осаждения шара………………………….……..14

1.Кинетика осаждения. Ламинарный и турбулентный режимы обтекания тел. Привеcти

график зависимости коэффициента сопротивления среды от Re. Воспользоваться

следующими выражениями коэффициента сопротивления: в ламинарном режиме (Re < 2)

ξ = 24/Re; в переходной области турбулентного режима (2 < Re < 500) ξ = 18,5/Re^0,6; в

автомодельной области (Re > 500) ξ = 0,44-0,48……………………………………………………………..15

2.Дифференциальное уравнение фильтрования с учетом сопротивления фильтровальной

перегородки………………………………………………………………………………………………….…….….…….15

3.Привести уравнение фильтрования при постоянном перепаде давления к виду, удобному

для экспериментального определения сопротивления осадка и фильтровальной

Регламент летней экзаменационной сессии

2019/2020 с использованием ЭР и ДОТ