Высшая школа технологии и энергетики СПбГУПТД

П.Г.Романков, В.Ф.Фролов, О.М.Флисюк
Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии
(примеры и задачи)

Готовые задачи по процессам и аппаратам можно приобрести онлайн.
Стоимость одной готовой задачи по процессам и аппаратам указана напротив каждой задачи.
Стоимость выполнения на заказ уточняйте при заказе.

Решение подробно расписано в формате Word. На почту высылаем файл word + копию в pdf.
Выполнены следующие задачи
(можно купить решенные ранее задания по процессам и аппаратам онлайн и мгновенно получить на email)

В результате сжигания 1 кг коксового газа в воздухе получены следующие массовые количества продуктов сгорания: N₂ – 8.74 кг; H₂O – 1.92кг и CO₂ – 1.45кг. Определить объемный состав продуктов горения.

Ответ: x(N₂)=0,691; x(H₂O)=0,236; x(CO₂)=0,073

Найти плотность смеси этанола и воды при 10°С; массовая доля этанола 40%.

Ответ: 908 кг/м³

Определить абсолютное давление в осушительной башне сернокислотного завода, если дифференциальный манометр, подключенный к внутреннему пространству башни, показывает разрежение 300 мм столба серной кислоты (98%) относительно атмосферного давления 750 мм рт.ст.

Ответ: p_абс = 94585 Па

Высота уровня мазута (относительной плотностью 0,95) от дна резервуара составляет 7700 мм (рис. 1.30). На высоте 800 мм от дна в стенке резервуара имеется лаз диаметром 760 мм, крышка которого крепится стальными болтами диаметром 10 мм. Определить давление мазута на дно резервуара и необходимое число болтов на крышке при допустимом напряжении стали на разрыв 700 кгс/см².

Ответ: p = 71760 Па; n = 6

Сравнить значения кинематической вязкости воды и воздуха при 80°С при атмосферном давлении.

Ответ: v_вода = 0,365·10^-6 м²/с; v_воздух = 21,1·10^-6 м²/с

Определить динамическую вязкость азотоводородной смеси при атмосферном давлении и 20°С, содержащей различные объемные доли азота: 25 и 75%. Давление и температура в обеих смесях одинаковы.

Ответ: 15,19·10^-6 Па·с и 17,55·10^-6 Па·с

Определить динамическую и кинематическую вязкость хлористого метила при p_изб = 1,0 кгс/м² и 60 °С.

Ответ: μ = 1,23·10^-5 Па·с; v = 3,38·10^-6 м²/с

Найти значение динамической вязкости масла при 50°С, если вязкость масла при 30°С μ₃₀ = 0,033 Па·с и при 90°С μ₉₀ = 0,0070 Па·с (за стандартную жидкость принять 100% глицерин)

Ответ: μ₅₀ = 0,0185 Па·с

В трубное пространство одноходового кожухотрубчатого теплообменника (рис. 1.21), имеющего 19 труб диаметром 20х2 мм, через нижний штуцер диаметром 57х3,5 мм поступает 2,75 л/с воды. Определить скорость воды в трубах.

Ответ: 0,720 м/с

Определить потерю давления на трение при перемещении 2,2 т/ч насыщенного водяного пара по трубопроводу диаметром 108×4 мм и длиной 50 м при давлении p_абс = 6,0 ат.

Ответ: Δp = 11646 Па

Определить в общем виде, как изменится потеря давления на трение в трубопроводе, по которому проходит азот, если при постоянном массовом расходе: а) увеличить абсолютное давление с 1 до 10 ат при неизменной температуре; б) увеличить температуру азота с 0 до t °C при одинаковом давлении.

Ответ: а) уменьшится в 10 раз; б) изменится в λ_t/λ₀·(273+t)/273 раз

Из открытого напорного бака в нижний, также открытый бак самотеком при температуре 20°C спускается глицерин по трубе диаметром 29×2 мм и общей длиной 110 м. Разность уровней глицерина в баках постоянная и составляет 10 м. Определить расход глицерина, если можно пренебречь местным сопротивлением и затратами разности давлений на создание кинетической энергии потока.

Ответ: v = 0,44 л/мин

Из реактора, в котором поддерживается разряжение 200 мм рт.ст., в открытый напорный бак насосом перекачивается 20 т/ч хлорбензола при 45°С. Стальной трубопровод диаметром 76х4 мм и длиной 26 м имеет 2 крана, диафрагму с внутренним отверстием d₀ = 48 мм, 5 плавных поворотов под углом 90° (R₀/d = 3.0). Определить потребляемую насосом мощность при КПД насосной установки 0,70 и высоте подъема хлорбензола 15 м.

Ответ: N = 1,59 кВт

По межтрубному пространству кожухотрубчатого теплообменного аппарата (без поперечных перегородок) под атмосферным давлением и при средней температуре -10°С проходит 3000 м³/ч (при нормальных условиях) азота. Диаметр 187 стальных труб теплообменника 18×2 мм; диаметр кожуха 426×12 мм; диаметр входного и выходного штуцеров равен 250 мм; длина труб 2,0 м (рис. 1.21). Рассчитать потери давления в межтрубном пространстве.

Ответ: Δp = 188 Па

Холодильный рассол (25% водный раствор CaCl₂) с расходом 4,6 м³/ч перекачивается из холодильной установки в конденсатор, расположенный на высоте 16 м. Плотность и динамическая вязкость рассола составляют ρ = 1200 кг/м³ и 9,5·10^-3 Па·с; общая длина и диаметр стального трубопровода 80 м и 32х2,5 мм; имеются 6 плавных поворотов на 90° (радиус поворота 0,11 м) и 4 прямоточных вентиля. Определить мощность, потребляемую насосной установкой, если ее общий КПД составляет 75%.

Ответ: N = 998 Вт

Вода при 10°С подается в открытый резервуар (рис. 1.33), расположенный на высоте 50 м по отношению к нижнему уровню воды, по стальному трубопроводу с внутренним диаметром 80 мм и расчетной длиной (собственная длина плюс эквивалентная длина всех местных сопротивлений) L_μ = L + (d/λ) Σζ_i = 165 м. Определить расходуемую насосной установкой мощность при подаче 575 л/мин воды, если общий КПД равен 0,65.

Ответ: N = 8,7 кВт

Определить необходимое давление воздуха, при котором он должен подаваться в монтежю (рис. 1.34) для подъема серной кислоты на высоту 21 м; потери давления на трения, местные сопротивления и на создание скорости потока Δp = 45100 Па.

Ответ: 5,24·10⁵ Па

Определить необходимую мощность электродвигателя насосной установки для перекачивания 14 л/с 30%-й соляной кислоты при развиваемом полном напоре 58 м. КПД насоса 0,69, КПД редуктора 0,90 и КПД электродвигателя 0,95.

Ответ: N = 15,5 кВт

Определить КПД насосной установки при подаче 380 л/мин толуола при полном напоре 31 м и потребляемой мощности 2,5 кВт.

Ответ: η = 0,667

Определить максимальную температуру перекачиваемой воды, при которой еще возможно ее всасывание на высоту 3,6 м, если поршневой насос (рис. 1.8) расположен на высоте 300 м над уровнем мирового океана, а общая потеря высоты всасывания составляет 5,5 м вод.ст.

Ответ: t = 41,2 °C

С помощью насоса двойного действия (рис. 1.23) с диаметрами плунжера и штока 180 мм и 50 мм, радиусом кривошипа привода 145 мм и частотой вращения 55 мин^-1 за 26,5 мин заполняется емкость диаметром 3,0 м и высотой 2,6 м. Вычислить коэффициент подачи насоса.

Ответ: η = 0,888

Определить теоретически допустимую высоту всасывания центробежным насосом, перекачивающим 140 м³/ч воды при температуре 30°С. Атмосферное давление 745 мм рт.ст., частота вращения колеса насоса 1800 мин^-1, суммарная потеря напора во всасывающей линии составляет 4,2 м.

Ответ: H = 1,1 м

Определить необходимые значения напора и потребляемой мощности при КПД насосной установки 0,55, если с помощью центробежного насоса необходимо перекачивать 15 м³/ч анилина по трубопроводу диаметром 70×2,5 мм из сборника с атмосферным давлением в аппарат с избыточным давлением 0,3 ат. Высота подъема 8,5 м; расчетная длина трубопровода с учетом местных сопротивлений 124 м; коэффициент трения в трубопроводе принять λ = 0,030.

Ответ: H = 16,1 м; N = 1,224 кВт

Определить производительность, развиваемый напор, потребляемую насосом мощность и КПД при 1450 мин^-1, если при n₁ = 1140 мин^-1 этот насос показал следующие данные: V_c = 15,6 л/с; Н = 42 м и N = 11 кВт.

Ответ: Q = 19,8 л/с; H = 67,9 м; N = 14,1 кВт

Испытания центробежного насоса дали следующие результаты:

Определить расход жидкости, подаваемой этим насосом на высоту 5,0 м по трубопроводу диаметром 76×4 мм и расчетной длиной (с учетом местных сопротивлений) 360 м. Принять λ = 0.030 и отсутствие противодавления. Найти также производительность насоса при тех же условиях, но с увеличенной до 19 м высотой подъема.

Ответ: 400 л/мин; 300 л/мин

Определить производительность шестеренчатого насоса при числе зубьев на шестерне 12, ширине зуба 30 мм, площади пространства между соседними зубьями 7,85 см², коэффициенте подачи насоса 0,70 и частоте вращения 650 мин^-1.

Ответ: v = 4,286·10^-3 м³/с

Определить необходимую мощность электродвигателя вентилятора производительностью 6600 м³/ч, развивающего полный напор 850 Па при КПД 0,65.

Ответ: N = 2,4 кВт

Вычислить, а также найти по T-S диаграмме состояния удельную затрачиваемую работу и температуру воздуха после его адиабатного сжатия в 3,5 раза при начальной температуре 0°С.

Ответ: 179,3 кДж/кг и 177,6°С
по диаграмме: ≈181,3кДж/моль и ≈450К

Определить мощность, затрачиваемую при адиабатическом сжатии 5,6 м³/ч диоксида углерода (при условиях всасывания) от 20 до 70 абсолютных атмосфер и начальной температуре -15°С. Вычислить также объемный КПД компрессора, если вредное пространство составляет 6% от описываемого поршнем объема, а показатель политропы для расширяющейся части газа n = 1.2.

Ответ: λ = 0,89; N = 4,6 кВт

Вычислить производительность одноступенчатого компрессора и потребляемую им мощность при сжатии от атмосферного давления до 4 абсолютных атмосфер воздуха при его начальной температуре 25°С. Диаметр и ход поршня 250 и 275 мм; частота хода поршня 5,0 с^-1; объем мертвого пространства составляет 5% от объема цилиндра; КПД компрессора 72%; показатель политропы для расширения воздуха, остающегося в мертвом пространстве, принять на 10% меньше показателя адиабаты.

Ответ: V_c = 0,06071 м³/с; N = 14,5 кВт

Определить допустимое значение степени адиабатического сжатия в одноступенчатом компрессоре для: а) воздуха; б) метана; в) бутана, если предельная температура после сжатия не должна превышать 160°С. Параметры всасывания соответствуют атмосферному давлению и 25°С.

Ответ: аа) ε=2,54 β=3,70 б) ε=3,34 β=4,85 в) ε=18,2 β=155

Определить удельную работу на адиабатическое сжатие водорода от 1,5 до 17 абсолютных атмосфер при одно- и двухступенчатом сжатии и начальной температуре 20°С. Степени сжатия в каждой из двух ступеней одинаковы; после первой ступени водород охлаждается до начальной температуры.

Ответ: 4,4 МДж/кг; 3,85 Мдж/кг

Определить число ступеней адиабатического сжатия азота от 1 до 120 абсолютных атмосфер, если допустимая температура после сжатия в каждой из ступеней не должна превышать 140°С.

Ответ: 4 ступени

Определить потребляемую компрессором мощность и суммарный расход воды на два промежуточных и концевой холодильники трехступенчатого поршневого компрессор, в котором сжимается 625 м³/ч (при нормальных условиях) этилена от 1 до 18 абсолютных атмосфер. Охлаждение газа между ступенями и после сжатия производится до начальной температуры 20°С. Степень сжатия во всех ступенях одинаковая. Вода, отводящая выделяющуюся при адиабатическом сжатии теплоту, нагревается на 13 К.

Ответ: N = 59,92 кВт; V = 3,93 м³/с

Вычислить необходимую мощность, затрачиваемую на перемещение 800 кг/ч анилина по трубопроводу диаметром 20х1,5мм, общей длиной L = 200 м и средней шероховатостью внутренней поверхности e = 0,2 мм при температуре 40°С. На трубопроводе имеются 3 нормальных вентиля и одна задвижка, 3 внезапных (на 90°) и два плавных поворота под углом 90° и радиусом 100 мм. Высота подъема жидкости составляем 15 м. Разность статических давлений в конце и в начале трубопровода (противодавление) составляет Δp_доп = 500 мм рт ст КПД привода равен 0,8.

Ответ: N = 139,6 Вт

Определить необходимую мощность для перемещения 900 м³/ч (при 0°С и 760 мм рт.ст.) диоксида углерода по трубопроводу 108х4 мм общей длиной 400 м и общем давлении в трубопроводе 500 мм рт.ст. Шероховатость внутренней поверхности трубы равна 0,2 мм; температура диоксида углерода 50°С. На трубопроводе имеются 5 внезапных поворотом на 90° и один плавный поворот под углом 120° и радиусом 600 мм, один прямоточный и 2 нормальных вентиля, а также одна задвижка. Высота подъема трубопровода 10 м. Противодавление составляет 800 мм рт.ст. КПД привода равен 0,7.

Ответ: N = 197,3 кВт

Найти отношение диаметров шарообразных частиц свинцового блеска плотностью 7800кг/м³ и кварца плотностью 2600кг/м³, осаждающихся при ламинарном режиме обтекания частиц с одинаковой скоростью в воздухе и воде.

Ответ: в воздухе 0,577; в воде 0,485

Определить скорость воздуха (при 60°С) в вертикальной трубке-сушилке, обеспечивающую восходящее движение частиц плотностью 200 кг/м³ и диаметром 3 мм.

Ответ: 4,30 м/с

Рассчитать необходимую скорость восходящего потока воздуха для сепарирования частиц диаметром менее 1,0 мм от более крупных. Температура воздуха 20°С; плотность частиц 3230 кг/м³.

Ответ: 9,61 м/с

Определить расстояние между полками пылеосадительной камеры (рис. 2.2), чтобы в ней успевали осаждаться частицы колчеданной пыли диаметром более 15 мкм. Остальные условия соответствуют примеру 2.6.
Плотность частиц 5000 кг/м³
Длина камеры 4,55 м
ширина 1,71 м
высота 4,0 м
расход запыленного газа 2000 м³/ч(расход отнесен к нормальным условиям)
температура 400^°С
вязкость 0,03·10^-3Па·с.

Ответ: h = 0,465 м

Определить размеры частиц пыли плотностью 3700 кг/м³, которые будут осаждаться в пылеосадительной камере (рис. 2.2) длиной 4,55 м, шириной 1,71 м и высотой 4,0 м с расстоянием между полками 100 мм при прохождении через нее 2000 м³/ч запыленного газа (расход отнесен к нормальным условиям) при температуре 400^°С и вязкости 0,03·10^-3 Па·с.

Ответ: d = 8,09 мкм

Определить диаметр отстойника (рис. 2.3) для непрерывного осветления водной суспензии мела при температуре 35°С. Остальные условия принять как в примере 2.7.
Производительность 80 т/ч начальной суспензии
Массовая доля мела 8%
Диаметр наименьших частиц для осаждения 0,035 мм
Влажность образующегося шлама 70%

Ответ: D = 6,37 м

Как изменится производительность отстойника, если температуру осветляемой суспензии в нем повысить с 15 до 50°С? В обоих случаях режим обтекания частиц полагать ламинарным.

Ответ: производительность возрастет в 2,1 раза

Вычислить плотность водной суспензии (массовая доля твердой фазы 10%), если ее относительная плотность равна 3,0.

Ответ: ρ_с = 1071 кг/м³

Определить скорости осаждения в воде продолговатых частиц угля и пластинчатых частиц сланца, имеющих одинаковый эквивалентный диаметр 2,0 мм. Температура воды 25°С; плотность угля и сланца 1400 и 2200 кг/м³.

Ответ: а) 0,0775 м/с  б) 0,104 м/с

Рассчитать эквивалетный диаметр частиц свинцового блеска угловатой формы, скорость осаждения которых в воде при 15°С равна 0,25 м/с. Плотность частиц 7500 кг/м³.

Ответ: d = 0,943 мм

Определить массу осадка влажностью 25%, собирающегося на фильтрующей перегородке в результате фильтрования 10 м³ суспензии плотностью 1120 кг/м³ с массовой долей твердой фазы 20%.

Ответ: 2987 кг

Определить массу (считая на сухое вещество) осадка, полученного в результате фильтрования водной суспензии с массовой долей твердой фазы 20% и получения 15 м³ фильтрата.

Ответ: m = 3750 кг (при влажности осадка 30%  m = 4200 кг)

На опытном фильтре рабочей площадью 1,0·10^-2 м² было собрано за 10 мин 0,110 л и за 45 мин 0,250 л фильтрата. Вычислить время, необходимое для получения 65 л фильтрата при фильтровании той же суспензии при тех же условиях процесса. Поверхность промышленного фильтра составляет 4,2 м².

Ответ: 18,5 мин

Определить время промывки осадка 4,0 л/м² промывной жидкости при следующих значениях полученных опытным путем констант процесса: K = 2.62·10^-7 м²/с  и C = 1.64·10^-3 м³/м². В момент окончания предыдущего процесса фильтрования было собрано 15,5 л фильтрата с одного квадратного метра фильтрующей перегородки; свойства промывной жидкости и условия промывки идентичны свойствам фильтрата и условиям фильтрования.

Ответ: t = 8,72 мин

Определить необходимую поверхность фильтрования рамного фильтр-пресса для получения 5,0 м³ фильтрата в течение 2,5 ч, если значения констант фильтрования K = 7.1·10^-7 м²/с и C = 1,2·10^-3 м³/м².

Ответ: S = 63,5 м²

В барабанном вакуум-фильтре (рис. 2.4.) фильтруется 3,0·10^-3 м³/с суспензии, имеющей плотность 1200 кг/м³ и содержащей 20% твердой фазы. Предварительно определенные при тех же условиях значения констант K = 1,03·10^-5 м²/с и C = 5,4·10^-3 м . Определить необходимую поверхность и частоту вращения барабана промышленного фильтра, если необходимая влажность осадка 30% при опытном фильтре достигается за 40 с. Активная фильтрующая поверхность барабанного вакуум-фильтра составляет 35% от общей поверхности барабана.

Ответ: S = 18,8 м²; n = 0,75 мин^-1

Вычислить время промывки слоя осадка первоначально чистой водой и необходимое для промывки количество воды, если массовая концентрация отмываемого из осадка компонента должна быть 3,5·10^-3 кг/л при ее значении в начале процесса промывки 120 кг/м³. Интенсивность промывки 0,110·10^-3 м³/(м²·с), константа промывки K_n = 0,610, толщина слоя осадка 40мм, поверхность фильтрующей перегородки 4,8 м².

Ответ: τ = 35,1 мин; V = 1,11 м³

Каким образом изменится производительность барабанного вакуум-фильтра, если: 1) увеличить вдвое фильтрующую поверхность; 2) увеличить вдвое движущую разность давлений; 3) увеличить вдвое массовую концентрацию твердой фазы в исходной суспензии; 4) уменьшить вдвое вязкость фильтрата (например, повышением температуры суспензии).

Ответ: производительность увеличится в  раз

Воспользовавшись уравнением (2.7) и полагая в нем C ≈ 0, показать ориентировочно, как влияет изменение частоты вращения барабанного вакуум-фильтра (рис. 2.4.) на его производительность (например, при увеличении частоты вращения барабана на 50%).

Ответ: при увеличении частоты вращения на 50% производительность возрастает на 22%

Подобрать циклон типа НИИОГаз (см. рис. 2.8 и п. 14) для улавливания частиц пыли плотностью 1200 кг/м³ и наименьшим диаметром 15 мкм из потока воздуха, расход и температура которого 5100 м³/ч (при 0°С и 760 мм рт.ст.) и 50°С соответственно. Определить перепад давления в потоке перед циклоном и после него.

Ответ: ЦН-15 Δp = 809 Па

Во сколько раз быстрее осаждаются одни и те же частицы в центрифуге по сравнению с осаждением в гравитационном отстойнике, если диаметр барабана 1,0 м и n = 600 мин-1. Режим осаждения частиц в обоих случаях считать ламинарным.

Ответ: 201

Пренебрегая трением вала в подшипниках и трением барабана о воздух, определить время разгона барабана центрифуги, в который загружено 300 кг суспензии. Внутренний диаметр и высота барабана 1,0 м и 0,78 м, его масса 200 кг. Рабочая частота вращения барабана 800 мин^-1. Мощность электродвигателя 6,0 кВт; общий КПД 0,8. Коэффициент заполнения барабана суспензией 0,50.

Ответ: τ_п = 78 с

Определить необходимое число центрифуг периодического действия с размерами барабана D = 1,2 м и H = 0,50 м для фильтрования 50 т/сут суспензии относительной плотности 1,8, с массовой долей твердой фазы 40%;  относительная плотность жидкой фазы составляет 1,1. Продолжительность одной операции 25 мин. Число рабочих часов в сутках принять равным 20. Коэффициент заполнения барабана 0,5.

Ответ: 3

Определить производительность (по питанию) отстойной центрифуги АОГ-1800 при температуре водной суспензии мела с наименьшим размером частиц 2 мкм, равной 40 °С. Длина барабана 700 мм, диаметр борта 1300 мм, частота вращения n = 735 мин^-1; КПД равен 0,45.

Ответ: V = 7,25 м³/ч

Определить производительность шнековой осадительной центрифуги НОГШ – 600 по водной суспензии гипса с наименьшим размером частиц 2 мкм и температурой суспензии 50 °С. Диаметр сливного цилиндра барабана 480 мм, длина зоны осаждения 350 мм, частота вращения барабана n₁ = 1400 мин^-1.

Ответ: 5,0 м³/ч

Осаждение частиц какого размера обеспечит центрифуга НОГШ-230 при разделении 3,0 м³/ч водной суспензии каолина при 35°С? Диаметр сливного цилиндра барабана 180 мм, его длина 164 мм, частота вращения составляет 1600 мин^-1.

Ответ: d = 6,18 мкм

Определить скорость вертикального потока воздуха, необходимую для начала псевдоожижения слоя сферических частиц алюмосиликагеля размером 1,2 мм. Плотность частиц составляет 968 кг/м³. Температура воздуха 100°С. Определить также перепад статического давления на псевдоожиженом слое, если высота неподвижного слоя составляет 400 мм.

Ответ: 0,27 м/с; 2279 кПа

Определить наибольший диаметр гранулированных частиц угля плотностью 660 кг/м³, начинающих переходить во взвешенное состояние в воздухе при скорости потока 0,2 м/с и температуре 180°С. Определить также объемную долю частиц при скорости воздуха 0,4 м/с.

Ответ: d = 1,26 мм; φ = 0,547

Цилиндровое масло, имеющее вязкость 18,0 Па·с и плотность 930 кг/м³, на ¾ заполняет бак диаметром 900 мм и высотой 1100 мм. Определить необходимую мощность электродвигателя для вращения в масле трехлопастной пропеллерной мешалки с частотой 180 мин^-1.

Ответ: 154 Вт

Определить, с какой частотой будет вращаться лопастная мешалка диаметром 0,5 м в разбавленном водном растворе при его температуре 64°С, если потребляемая электродвигателем мощность составляет 0,8 кВт, а физические свойства раствора можно принять как для воды при комнатной температуре.

Ответ: n = 88 об/мин

Как увеличится термическое сопротивление стенки стальной трубы диаметром 38×2,5 мм, если покрыть ее слоем эмали толщиной 0,5 мм?

Ответ: увеличится в 10 раз

Определить тепловой поток, теряемый паропроводом диаметром 51×2,5 мм и длиной 40 м, покрытым слоем теплоизоляции толщиной 30 мм, имеющей теплопроводность 0,116 Вт/(м·К). Температура наружной поверхности изоляции 45 °С, внутренней поверхности трубы 175 °С.

Ответ: Q = 4,87 кВт

Вычислить часовую потерю холода с одного погонного метра стальной трубы диаметром 60×3 мм, изолированной слоями пробки толщиной 30 мм и совелита толщиной 40 мм. Температуры внутренней поверхности трубы -110°С и наружной поверхности совелита 10°С.

Ответ: q = 136 кДж/(ч·м)

Вычислить теплопроводность: а) жидкого хлороформа при 20 °С; б) диоксида серы при 160 °С и атмосферном давлении; в) 25%-го водного раствора хлорида кальция при 30°С

Ответ: а) λ = 0,180 Вт/(м·К); б) λ = 0,180 Вт/(м·К); в) λ_p,30  = 0,545 Вт/(м·К)

При атмосферном давлении испаряется 1650 кг/ч толуола, подаваемого в кипятильник при температуре кипения. Определить необходимый расход водяного пара: а) сухого насыщенного при избыточном давлении 0,40 МПа; б) перегретого до 250 °С, pизб = 0,40 МПа. Принять удельную теплоемкость перегретого водяного пара с = 2,14 кДж/кг·К. Конденсат греющего пара отводится при температуре конденсации.

Ответ: а) G = 282,4 кг/ч; б) G = 256,9 кг/ч

До какой температуры можно нагреть 2 т раствора, если расход глухого пара давлением p_изб = 3 кгс/см² составил 200 кг за 2,5 ч? Расход теплоты на нагрев массы аппарата и на потери в окружающую среду составил 2,03 кВт. Начальная температура раствора 10°С. Удельная теплоемкость раствора 2,50 кДж/(кг·К).

Ответ: t₂ = 91,9ºC

Определить тепловой поток, передаваемый в конденсаторе, где при атмосферном давлении конденсируется 850 кг/ч пара сероуглерода. Пар поступает при 90°С, жидкий сероуглерода выходит переохлажденным на 8 К. Удельная теплоемкость пара 0,67 кДж/(кг·К)

Ответ: Q = 92,0 кВт

Определить изменение коэффициентов теплопередачи в теплообменном аппарате, изготовленном из стальных труб с толщиной стенки 3 мм, если на поверхности труб отложится слой водяного камня толщиной 2 мм: а) в водяном холодильнике для газа, в котором α_г = 58 Вт/(м²·К), α_в = 580 Вт/(м²·К); б) в выпарном аппарате, в котором α_г.п = 11600 Вт/(м²·К), α_р = 2780 Вт/(м²·К).

Ответ: а) с 52,6 до 50,3 Вт/(м²·К); б) с 1959 до 734 Вт/(м²·К)

Вычислить часовую потерю холода с одного погонного метра стальной трубы диаметром 60×3 мм, изолированной слоями пробки толщиной 30 мм и совелита толщиной 40 мм. Температуры внутренней поверхности трубы -110°С и наружной поверхности совелита 10°С.

Ответ: q = 136 кДж/ч·м

Определить коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубы длиной 3,0 м и диаметром 0,021 м, в которой со скоростью 0,30 м/с проходит 21,2%-й раствор хлорида натрия, имеющий температурный коэффициент объемного расширения 3,5·10^-4 К^-1 и нагревающийся от -15 до -12°С. Температура внутренней стенки трубы -6,5°С.

Ответ: 273 Вт/(м²·К)

Сравнить значения коэффициентов теплоотдачи от бензола к внутренней поверхности горизонтальной и вертикальной (движения снизу вверх) трубы диаметром 25×2 мм и длиной 4,0 м при скорости бензола 0,050 м/с и его средний температуре 50°С. Температура внутренней поверхности трубы 30°С.

Ответ: α = 158 Вт/(м²·К); α = 146 Вт/(м²·К)

Определить коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности горизонтальной трубы внешним диаметром 76 мм в условиях естественной конвекции. Средняя температура воды 25°С, температура поверхности трубы 45°С.

Ответ: 509 Вт/(м²·К)

В условиях естественной конвекции около горизонтальной трубы диаметром 38×2 мм охлаждается толуол, имеющий среднюю температуру 50°С. Температура наружной стенки трубы 30°С. Определить значение коэффициента теплоотдачи.

Ответ: α = 120,5 Вт/(м²⋅К)

Определить коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности 91 трубы диаметром 57х3 мм и высотой 4,0 м при пленочном стекании 14,4 кг/с воды и нагреве ее от 18 до 25 °С. Средняя температура внутренней поверхности трубы 26 °С.

Ответ: α = 2219,4 Вт/(м·К)

По вертикальной стенке высотой 5,0 м равномерной пленкой стекает 60%-я серная кислота в количестве 2,1 л/с на 1 м ширины стенки. Средняя температура кислоты 50°С, поверхности стенки 24°С. Определить коэффициент теплоотдачи от пленки к поверхности холодильника. Теплопроводность кислоты принять равной 0,43 Вт/(м·К).

Ответ: α = 3020 Вт/м²·К

Под атмосферным давлением кипит 20%-й водный раствор хлорида натрия. Определить коэффициент теплоотдачи от греющей поверхности к раствору при разности их температур 10 К. Теплопроводность раствора 0,658 Вт/(м·К).

Ответ: 52,3 Вт/(м²·К)

Внутри вертикальных труб высотой 4,0 м под атмосферным давлением кипит толуол. Вычислить коэффициент теплоотдачи к толуолу, если температура внутренней поверхности трубы составляет 125,3 °С.

Ответ: 1035 Вт/(м²·К)

Определить среднее по высоте значение коэффициента теплоотдачи от наружной поверхности вертикальных труб теплообменника, в межтрубном пространстве которого под атмосферным давлением конденсируется насыщенный пар метилового спирта. Высота труб 3,0 м, температура наружной поверхности труб 62°С.

Ответ: 2309 Вт/(м²·К)

Определить среднее значение коэффициенты теплоотдачи при конденсации насыщенного водяного пара абсолютным давлением 6,3 кгс/см² на наружной поверхности труб шахматного пучка. Наружный диаметр труб 38 мм, расчетное число труб по высоте 11. Температура наружной поверхности труб 152°С, конденсирующийся пар содержит 0,5% воздуха.

Ответ: λ_в = 4920 Вт/(м²·К)

Сколько растворителя необходимо выпарить из 1800 кг/ч исходного раствора, чтобы массовая доля растворенного вещества изменялась: а) от 1 до 3%; б) от 20 до 60%?

Ответ: а) W = 1200 кг/ч; б) W = 1200 кг/ч

Определить значения удельных расходов сухого насыщенного водяного пара при выпаривании воды (например, с целью дистилляции) под атмосферным давлением и под разрежением 0,8 кгс/см². Абсолютное давление греющего пара 2,0 кгс/см². Вода поступает в кипятильник: а) предварительно подогретой до температуры кипения; б) с температурой 15°С.

Ответ: 1,2 кг/кг; 1,04 кг/кг; 1,16 кг/кг; 1,08 кг/кг

Определить новое давление греющего пара, если необходимо повысить производительность выпарного аппарата, обогреваемого прежде насыщенным водяным паром (p_изб = 1,5 кгс/м²), с 1200 до 1900 кг/ч по исходному раствору. Выпаривание в обоих случаях производится под атмосферным давлением при температуре кипения 105°С и подаче раствора при температуре кипения. Тепловые потери отсутствуют; значения коэффициента теплопередачи и конечной концентрации раствора остаются неизменными.

Ответ: p = 1,85 кгс/см²

Определить расход греющего пара влажностью 4,5 % и избыточным давлением 2 кгс/см² при выпаривании под атмосферным давлением 1,4 т/ч водного раствора от 9 до 32%. Температура исходного раствора 18°С, упаренного раствора 105°С; потери теплоты в окружающую среду составляет 80 кВт.

Ответ: G = 0,254 кг/с

При атмосферном давлении упаривается 0,746 кг/с водного раствора с начальной температурой 95°С и массовой долей растворенного вещества 7%. Температура кипения в аппарате 105°С, температура раствора на выходе 103°С. Избыточное давление насыщенного греющего пара p_изб = 2 кгс/см². Поверхность греющей камеры F = 52 м², коэффициент теплопередачи K = 1060 Вт/(м²⋅К). Потери теплоты в окружающую среду составляют 110 кВт. Определить концентрацию раствора на выходе из выпарного аппарата и необходимый расход греющего пара при его влажности 5%.

Ответ: 43,2%; 2684 кг/ч

Под атмосферным давлением происходит непрерывное концентрирование раствора сульфата аммония от 12,5 до 30,6%. Расход концентрированного раствора 800 кг/ч; исходный раствор предварительно подогревается в теплообменнике от 24 до 80 °С вторичным паром выпарного аппарата; остальной расход вторичного пара (экстра-пар Е) отводится для обогрева других аппаратов (рис. 4.3). Тепловые потери составляют 6% от суммарной теплоты нагрева в выпарном аппарате и испарения (Q_нагр + Q_исп). Потеря разности температур вследствие гидравлического сопротивления трубопровода от сепаратора до теплообменника Δt_г.с.= 1,0 К. Определить расход греющего пара (пар насыщенный, p_изб = 2 кгс/см², влажность 5%); расход экстра-пара и необходимую поверхность подогревателя при коэффициенте теплопередачи в нем K = 700 Вт/(м²·К).

Ответ: 1428 кг/ч; 970,4 кг/ч; 3,87 м²

Вычислить удельные теплоту испарения и теплоемкость 48%-го водного раствора едкого натра при давлении p_абс = 0,80 кгс/см², если при его кипении под давлением 760 мм рт.ст. температура кипения 140°С, а под абсолютным давлением p_абс = 0,20 кгс/см²- 99ºC

Ответ: r = 2027 Дж/кг; c_р-р =2808 Дж/(кг·К)

Определить необходимую поверхность греющей камеры и расход сухого греющего пара абсолютным давление 2 кгс/см² при упаривании 1,6 т/ч раствора от 10 до 40% под давлением 1 кгс/см². Температура исходного раствора 30°С; полезная разность температур составляет 12К; гидростатическая депрессия Δt_г.эф. = 4,0 °C. Коэффициент теплопередачи K = 900 Вт/(м²К). Потери теплоты составляют 5% от полезно использованного теплового потока (Q_исп + Q_нагр).

Ответ: F = 84,7 м²; G = 1491 кг/ч

Под разрежением 0,20 кгс/см² упаривается 1500 кг/ч раствора от 8 до 36%. Определить необходимый расход воды, подаваемой: а) в барометрический конденсатор смешения; б) в поверхностный конденсатор. В обоих случаях температура отходящего конденсата на 5К ниже температуры конденсации, а вода нагревается от 15 до 35°С.

Ответ: а) 35,0 т/ч; б) 32,4 т/ч

Определить необходимые значения давления и удельного расхода греющего пара (степень сухости 98%) при упаривании под абсолютным давлением p₁ = 0,8 кгс/см² 2,0 кг/с раствора от 5 до 8% с начальной температурой 70°С. Поверхность греющей камеры 90 м², коэффициент теплопередачи 1500 Вт/(м²·К). Потери разности температур вследствие гидростатического эффекта Δt_г.эф = 2,0 °С; температурная депрессия Δt_депр = 5,5 °С. Потери теплоты в окружающую среду пренебрежимо малы. Сравнить полученный результат с удельным расходом греющего пара при тех же условиях, но при температуре исходного раствора 130°С.

Ответ: а) p = 1,71 кгс/см² G = 0,880 кг/с d = 1,173 б) d = 0,876

В двухкорпусной прямоточной установке выпаривается 1,0 т/ч 8%-го водного раствора при абсолютных давлениях 1,0 и 0,3 кгс/см² в первом и втором корпусах. Массовая доля растворенного вещества в растворе после первого корпуса 12%. Температуры раствора на выходе из первого корпуса 104°С, из второго 77°С. Обогрев второго корпуса производится вторичным паром первого без отбора экстра-пара. Пренебрегая тепловыми потерями, определить конечный состав раствора.

Ответ: x_k2 = 25,9%

В условиях примера 4.14 определить значения тех же величин, приняв промежуточный состав раствора на выходе из первого корпуса: 1) х_к1=х_н2=9%; 2) х_к1=х_н2=6%. Объяснить результат 2).

Ответ: а) F₁ = 112,4 м² F₂ = 58,4 м² F₁ = F₂ = 94 м²  G = 2,07 кг/с d = 1,04 кг/кг
б)  F₁ = 99,0 м² F₂ = 95,6 м² F₁ = F₂ = 97,3 м² G = 1,409 кг/с d = 0,71 кг/кг

В прямоточном двухкорпусной установке концентрируется 1000 кг/ч водного раствора нитрата натрия от 10 до 30%; массовая доля соли в растворе после первого корпуса 15%. Температуры раствора 103°С и 90°С после первого и второго корпусов. Определить расход растворителя, испаряющегося во втором корпусе за счет самоиспарения.

Ответ: W_{2,самоисп} = 14,1 кг/ч

Какое предельное число корпусов может быть в прямоточной выпарной установке при давлении греющего пара в первом корпусе p_изб = 2,3 кгс/см², остаточном давлении в конденсаторе вторичного пара последнего корпуса 147 мм рт.ст. Сумма температурных потерь во всех корпусах 41 °С (К); допустимая полезная разность температур в каждом корпусе не должна быть меньше 8 °С (К)

Ответ: 4 корпуса

Определить необходимую температуру охлаждения 40%-го водного раствора нитрата калия, чтобы после удаления образовавшихся кристаллов содержание соли в маточном растворе оказалось в два раза меньше исходного.

Ответ: 15 °С

Определить необходимую поверхность противоточного кристаллизатора для охлаждения от 85 до 35°С 10 т/ч раствора, содержащего первоначально 7 моль сульфата аммония на 1 кг воды. При охлаждении происходит одновременной испарение воды в количестве 5% от начального расхода раствора. Коэффициент теплопередачи K = 380 Вт/(м²·К). Определить также расход охлаждающей воды при ее нагреве от 13 до 24 °С.

Ответ: F = 7,62 м²; G = 2,40 кг/с

Вычислить необходимые значения поверхности теплопередачи греющей камеры непрерывно действующего выпарного аппарата, расход греющего пара и его удельный расход при концентрировании в нем 5,0 т/ч раствора нелетучей соли от 6 до 14% при абсолютном давлении в барометрическом конденсаторе 0,6 кгм/см². Начальная температура раствора 20°С. Потери разности температур составляют: вследствие гидравлического сопротивления паропровода вторичного пара 3 К(°С), за счет гидростатического эффекта 4 К(°С) и на концентрационную депрессию (эбуллиоскопический эффект) 5 К(°С). Потери теплоты в окружающую среду равны 3% от полезно затрачиваемой теплоты на парообразование из раствора и его подогрев до температуры кипения. Избыточное давление греющего пара 2 кгс/см², его влажность 2%. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося греющего пара к кипящему в трубках раствору 900 Вт/(м²·К).

Ответ: F = 71 м²; G_г.п. = 1,06 кг/с; d = 1,34 кг/кг

Определить поверхность греющей камеры непрерывно действующего выпарного аппарата, расход греющего пара и его удельный расход при получении 4,0 т/ч концентрированного раствора нелетучей соли, если его начальная и конечная концентрации равны 8 и 20% соответственно. Абсолютное давление в сепараторе выпарного аппарата 0,70 кгс/см². Начальная температура раствора 15°С. Абсолютное давление греющего пара 2 кгс/см², его степень сухости 95%. Потери разности температур на гидростатический эффект 3,5 К и на температурную депрессию 6К. Коэффициент теплопередачи от греющего пара к кипящему раствору 1200 Вт/(м²·К). Потери теплоты в окружающую среду составляют 4% от ее полезного количества.

Ответ: F = 192,6 м²; G = 2,29 кг/с; d = 1,37 кг/кг

Определить плотность смеси равных объемов бензола и нитробензола, относительную массовую долю X нитробензола и его молярную объемную концентрацию C_x, считая, что объем жидкой смеси равен сумме объемов компонентов.

Ответ: ρ = 1041 кг/м³; X = 1,37 кг/кг; C = 4,89 кмоль/м³

Определить плотность жидкой смеси, содержащей (в молярных долях) 20% хлороформа, 40% ацетона и 40% сероуглерода, считая, что изменения объема при смешении не происходит.

Ответ: ρ = 1145 кг/м³

Воздух насыщен парами этилового спирта. Общее давление воздушно-паровой смеси 600 мм рт.ст., температура 60 °С. Считая оба компонента смеси идеальными газами, определить относительную массовую долю Y этанола в смеси и плотность смеси.

Ответ: Y = 1,813 кг этанола/кг воздуха; ρ = 1,10 кг/кмоль

Газовая смесь, содержащая 26% водорода, 60% метана и 14% этилена (молярный доли), имеет давление p_абс = 30 кгс/см² и температуру 20°С. Считая компоненты смеси идеальными газами, определить их массовые объемные концентрации C¯_y (в кг/м³).

Ответ: C¯_y,H2 = 0,628 кг/м³; C¯_y,CH4 = 11,59 кг/м³; C¯_y,C2H4 = 4,73 кг/м³

В условиях примера 5.3 определить движущую силу процесса массоперехода по газовой и по жидкой фазе в молярных и массовых концентрациях. Массовая концентрация аммиака на одинаковом расстоянии 1,9 м от границы раздела фаз составляем 5,20·10^-3 и 0,14·10^-3 кг/м³. Изменения концентрации считать линейной. Температура воздуха и воды 15°С; давление в газе 1300 мм рт.ст.

Ответ: ΔC_y = 6,56·10^-6 кмоль/м³ ΔC_y = 1,12·10^-4 кг/м³ ΔC_x = 1,197·10^-3 кмоль/м³ ΔC_x = 0,02035 кг/м³

Пар бинарной системы хлороформ – бензол, содержащий 50% хлороформа и 50% бензола, контактирует с жидкостью, содержащей 44% хлороформа и 56% бензола (молярные доли). Давление атмосферное. Определить: а) из какой фазы в какую будут переходить хлороформ и бензол; б) движущую силу процесса массопередачи по паровой и по жидкой фазе на входе пара в жидкость (в молярных долях). Данные о равновесных составах см. в табл. XLII.

Ответ: Δy = 0,1 кмоль/кмоль смеси; Δx = 0,08 кмоль/кмоль смеси

Газовая смесь, содержащая 0,8% (объемная доля) октана, сжимается компрессором до p_абс = 5 кгс/см² и затем охлаждается до 25°С.
Определить степень выделения октана. Как изменится степень выделения, если охладить сжатую газовую смесь холодильным рассолом до 0°С? Давление насыщенного пара октана – см. рис. XI

Ответ: η₂₅ = 41,4%; η₀ = 85,0%

Определить коэффициент массопередачи в орошаемом водой абсорбере, в котором β_y=2,76·10^-3 кмоль/(м²·ч·кПа), β_x=1,17·10^-4 м/с. Давление в аппарате p_абс = 1,07 кгс/см². Уравнение линии равновесия в молярных долях: y^*=102x.

Ответ: 0,00122 кмоль/(м²·ч·кПа); 0,235 кмоль/(м²·ч·(кмоль/м³))

В скруббере поглощается водой диоксид серы из азота под атмосферным давлением. Начальное содержание диоксида серы в газе 5% (объемная доля). Температура воды 20 °С, ее расход на 20% больше теоретически минимального. Извлекается из газа 90% SO₂. Определить: 1) расход воды на поглощение 1000 кг/ч диоксида серы; 2) среднюю движущую силу процесса; 3) общее число единиц переноса n_0y. Линия равновесия может быть принята за прямую; координаты одной из точек: парциальное давление SO₂ в газовой фазе p = 39 мм рт ст; X = 0,007 кг SO₂/кг воды.

Ответ: L = 44 кг/с; Δp = 4,94 мм рт ст; n = 6,75

В насадочном абсорбере производится поглощение пара метанола водой из газа под атмосферным давлением при средней температуре 27°С.Содержание метанола в газе, поступающем в скруббер, 100 г на 1 м³ инертного газа (считая объем газа при рабочих условиях). На выходе из скруббера содержание метанола в воде составляет 67% от равновесного с входящим газом. Уравнение растворимости метанола в воде Y* = 1,15X. Извлекается из газа 98% от исходного содержания спирта. Коэффициент массопередачи Kx = 0,50 кмоль спирта/((м2·ч)·кмоль спирта/кмоль воды)). Расход инертного газа 1200 м³/ч (при рабочих условиях). Абсорбер заполнен насадкой их керамических колец с удельной поверхностью 190 м²/м³. Коэффициент смачивания насадки ψ = 0,87. Скорость газа в свободном сечении абсорбера w = 0,40 м/с. Определить расход воды и требуемую высоту слоя насадки.

Ответ: L_масс = 1477 кг/ч; H = 6,4 м

В скруббере диаметром 0,5 м подается 550 м³/ч (при 760 мм рт.ст. и 20°С) воздуха, содержащего 2,8% (объемная доля) аммиака, который поглощается водой под атмосферным давлением. Степень извлечения аммиака 0,95. Расход воды на 40% больше теоретически минимального. Определить: 1) расход воды; 2) общее число единиц переноса n_0y; 3) высоту слоя насадки из керамических колец 50×50×5 мм. Коэффициент массопередачи: K_y = 0,001 кмоль аммиака /(м²·с·моль аммиака / кмоль воздуха). Данные о равновесных составах жидкости и газа взять из примера 5.11. Коэффициент смоченности насадки ψ = 0,9.

Ответ: L = 736 кг/ч; n_0y = 4,63; H = 1,85 м

Рассчитать коэффициент массоотдачи от жидкой фазы в насадочном абсорбере, в котором производится поглощение диоксида углерода водой при температуре 20°С. Плотность орошения 60 м³/(м²·ч). Насадка – керамические кольца 35×35×4 мм навалом. Коэффициент смоченности насадки ψ = 0,86.

Ответ: β = 2,18⋅10^-4 м/с

Определить коэффициент массоотдачи для газа в скруббере при поглощении пара бензола из коксового газа по следующим данным: насадка хордовая из реек 12,5х100 мм с расстоянием между рейками b = 25 мм (для такой насадки d_э = 2b = 0,05 м); скорость газа, считая на полное сечение скруббера, 0,95 м/с; плотность газа 0,50 кг/м³; динамическая вязкость газа 0,013 мПа·с; коэффициент диффузии бензола в газе 16·10⁶ м²/с. Режим считать пленочным.

Ответ: 0,0285 м/с

Определить диаметр и высоту тарельчатого абсорбера для поглощения водой аммиака из воздушно-аммиачной смеси при атмосферном давлении и температуре 20°С. Начальное содержание (объемная доля) аммиака в газовой смеси 7%. Степень извлечения 90%. Расход инертного газа 10000 м³/ч (при рабочих условиях). Линию равновесия считать прямой, ее уравнение в относительных массовых долях Y = 0,61X. Скорость газа в абсорбере (фиктивная) 0,80 м/с. Расстояние между тарелками 0,60 м. Средний КПД тарелок 0,62. Коэффициент избытка поглотителя φ = 1,3.

Ответ: D = 2,18 м; H = 5,4 м

По условиям предыдущей задачи определить: 1) высоту насадочного абсорбера с насадкой из керамических колец 50х50х5 мм, приняв h_э – высоту слоя насадки, эквивалентную теоретической тарелке (ВЭТТ), равной 0,85 м; 2) значение коэффициента массопередачи в этом насадочном абсорбере К_у кг аммиака/(м²·с (кг аммиака /кг воздуха)), считая коэффициент смоченности насадки ψ равным 0,90.

Ответ: H = 7,65 м; К_у = 1,04 кмоль/(м²·ч·Δy)

По данным контрольных задач 5.18 и 5.19 определить высоту слоя насадки через общее число единиц переноса n_0y и высоту единицы переноса (ВЕП) h_0y

Ответ: n_0y = 5.3; h_0,y = 0,417 м; H_н = 2,2 м

Решение задачи на пять страниц

Абсорбер для улавливания паров бензола из парогазовой смеси орошается поглотительным маслом с молярной массой 260 кг/кмоль. Среднее давление в абсорбере p_абс = 800 мм рт ст, температура 40 °С. Расход парогазовой смеси 3600 м³/ч (при рабочих условиях). Объемная доля бензола в газовой смеси на входе в абсорбер 2%. Извлекается 95 % бензола. Молярная доля бензола в масле, поступающем в абсорбер после регенерации, 0,2 % . Расход масла в 1,5 раза больше теоретически минимального. Для расчета равновесных составов принять, что растворимость бензола в масле определяется законом Рауля. При содержании бензола в жидкости до Х = 0,10 кмоль бензола/кмоль масла равновесную зависимость считать прямолинейной.

Определить: 1) расход поглотительного масла; 2) содержание бензола в поглотительном масле, выходящем из абсорбера; 3) диаметр и высоту насадочного абсорбера при скорости газа в нем (фиктивной) 0,50 м/с и высоте единицы переноса (ВЕП) h_0y = 0,90 м; 4) высоту тарельчатого абсорбера при среднем КПД тарелок 0,67 и расстоянии между тарелками 0,40 м.

Ответ: 1) 11,53 т/ч; 2) 0,0653 кмоль бензола/кмоль масла; 3) D = 1,60 м; H = 7,29 м; 4) 4,4 м

В абсорбере под атмосферным давлением при температуре 20°С поглощается из парогазовой смеси 300 кг бензола в 1 ч. Объемная доля пара бензола в исходной парогазовой смеси 4%. Степень извлечения бензола 0,85. Жидкий поглотитель, поступающий в абсорбер, содержит 0,0015 кмоль бензола/кмоль поглотителя. Фиктивная скорость газа в абсорбере 0,90 м/с. Уравнение линии равновесия Y* = 0,20X, где Y* и X выражены соответственно в кмоль бензола/кмоль инертного газа и кмоль бензола / кмоль поглотителя. Коэффициент избытка поглотителя φ = 1,4. Определить диаметр абсорбера и содержание бензола в поглотителе, выходящем из абсорбера.

Ответ: D = 1,03 м; X_низ = 0,1479

Простой перегонке под атмосферным давлением подвергаются 2600 кг смеси уксусной кислоты и воды. Молярная доля уксусной кислоты в исходной смеси 10%, в остатке – 50%. Определить массу остатка и дистиллята и состав дистиллята. Данные о равновесных составах см. в табл. XLIII.

Ответ: 21,2 кг; 2578,8 кг; 73,4%

Крезол (CH₃C₆H₄OH) перегоняется с водяным паром а) под атмосферным давлением; б) под давлением 300 мм рт.ст. Определить температуру перегонки, массовую долю крезола в получаемой смеси, объемную долю крезола в паре и его парциальное давление. Принять φ = 0,8. Давление насыщенного пара крезола – см. рис. XI (м-крезол).

Ответ: а) 99,4 ºС; 12,07%; 2,24%; 17 мм рт.ст.; б) 75,5ºС; 8,54%; 1,53%; 4,6 мм рт.ст.

Глицерин очищается перегонкой с перегретым водяным паром при 230°С под вакуумом 590 мм рт.ст. Степень насыщения водяного пара парами глицерина 0,75. Определить расход пара, уходящего с 1 т глицерина. Сырой глицерин подается при температуре перегонки. Аппарат имеет внешний обогрев. Как изменится состав парой смеси, если повысить вакуум до 620 мм рт.ст.? Температура кипения чистого глицерина под давлением 760 мм рт.ст. 290°С, а под давлением 50 мм рт.ст. - 205°С. Воспользоваться правилом линейности, взяв в качестве стандартной жидкости воду (табл. XXXIV)

Ответ: а) G = 92,2 кг; б) G = 29,9 кг

Смесь бензола и толуола кипит при 95°С под давлением 760 мм рт.ст. При 95°С давление насыщенного пара бензола P_{0,бензол} = 1167 мм рт.ст.; давление насыщенного пара толуола P_{0,толуол} = 480 мм рт.ст. Найти состав кипящей жидкости, считая, что смесь характеризуется законом Рауля. Если жидкость будет содержать в два раза меньше толуола, то под каким давлением она будет кипеть при той же температуре?

Ответ: а) x_бензол = 0,408; x_толуол = 0,592; б) p = 128476 Па

Определить равновесные составы жидкости и пара для смеси метанол – вода при температуре 50°С: а) под давлением 300 мм рт. ст.; б) под давлением 500 мм рт. ст., считая, что смесь характеризуется законом Рауля. Объяснить получение для случая б) результат.

Ответ: а) 0,336; 0,664; 0,106; 0,896
б) давление не может быть больше 54 кПа

Построить кривую равновесия x - y* при общем давлении 2 кгс/см² для смеси гексан-гептан, считая приложимым закон Рауля. Давление насыщенных паров чистых компонентов см. номограмму (рис. XI).

Определить состав равновесия пара над жидкой смесью, для которой молярная доля воды 10%, уксусной кислоты 50% и ацетона 40%, при t = 80° C, считая, что компоненты смеси следуют закону Рауля.

Ответ: 4,5%, 12,9%, 82,6%

В ректификационную колонну непрерывного действия поступает жидкость с молярной долей легколетучего компонента 24%. Молярная доля легколетучего компонента в дистилляте 95%, в кубовом остатке – 3%. В дефлегматор поступает 850 кмоль/ч пара, а в колонну из дефлегматора 670 кмоль/ч флегмы. Определить молярный расход кубового остатка.

Ответ: W = 608,6 кмоль/ч

Определить аналитически абсциссы точек пересечения рабочих линий ректификационной колонны с диагональю диаграммы у - х и друг с другом.

Ответ: x_D; x_W; x_F

В ректификационной колонне непрерывного действия разгоняется смесь этанола и воды. Уравнение рабочей линии нижней части колонны: y = 1,28x – 0,0143. Определить массовую долю спирта в кубовом остатке.

Ответ: x¯_w = 12,1%

Производительность ректификационной колонны для разделения смеси метанол-вода составляет 1500 кг/ч дистиллята. Колонна работает под атмосферным давление. Поверхность теплообмена дефлегматора 60 м², коэффициент теплопередачи в нем 810 Вт/(м²·К). Определить число флегмы и расход охлаждающей воды в дефлегматоре, если она нагревается от 15 до 35°С.

Ответ: R = 3,12; G = 81,1 т/ч

Определить требуемую поверхность и расход воды в дефлегматоре ректификационной колонны для разделения бензольно-толуольной смеси при следующих условиях: расход верхнего продукта 600 кг/ч; число флегмы 3,75; начальная и конечная температуры охлаждающей воды 20 и 45°С; коэффициент теплопередачи 700 Вт/(м²·К). Считать верхний продукт чистым бензолом. Давление в колонне атмосферное.

Ответ: 9,58 м²; 10,74 т/ч

Определить необходимое число тарелок в ректификационной колонне периодического действия для разгонки смеси хлороформ-бензол под атмосферным давлением. Молярная доля хлороформа в исходной смеси 38%, в дистилляте – 97%, в кубовом остатке после перегонки – 10 %. Коэффициент избытка флегмы 2. Данные о равновесных составах см. в табл. XLIII. На одну ступень изменения концентрации приходится 1,4 тарелки.

Ответ: 17

Обогрев куба ректификационной колонны, в которую подается на разделение 6 т/ч бензольно-толуольной смеси, производится паром с абсолютным давлением 0,1 МПа. Массовая доля бензола в исходной смеси 32%. Требуемая массовая доля бензола в дистилляте 97%, толуола в кубовом остатке – 95%.
Определить: а) массовые расходы получаемого дистиллята и кубового остатка; б) требуемое число тарелок при числе флегмы 3,1 и при КПД тарелок η=0,71; в) расход греющего пара и расход воды в дефлегматоре при нагреве воды в нем на 15К. Влажность греющего пара 5%.
Смесь характеризуется законом Рауля. Тепловые потери принять в размере 3% от полезно затрачиваемой теплоты. Питание подается в колонную при температуре кипения. Принять разность температур в кубе колонны 10К.

Ответ: а) G_D = 0,489 кг/с; G_W = 1,178 кг/с
б) n = 20
в) G_г.п. = 0,371 кг/с; G_в = 12,5 кг/с

Определить диаметр и высоту тарельчатой колонны для разделения смеси метанол-вода под атмосферным давлением. Расход исходной смеси 3 т/ч. Молярная доля метанола в питании 40%, в дистилляте 95%, в кубовом остатке 5%. Скорость пара в колонне 0,8 м/с, расстояние между тарелками H = 300 мм. Зависимость коэффициента обогащения η от состава жидкости:

Ответ: d = 0,9 м; h = 3,3 м

В ректификационной колонне непрерывного действия при атмосферном давлении разделяется 5,8 т/ч смеси бензол – толуол. Концентрации летучего компонента в исходной смеси 14%, в дистилляте 90% и в кубовой жидкости 5% (масс.). Абсолютное давление сухого насыщенного водяного пара в кубе-испарителе (рис. 6.1.) 2,5 атм. Флегмовое число равно 2,9. Вода в дефлегматоре нагревается от 24 до 40°С. Определить: 1) явный вид уравнений рабочих линий процесса для верхней и нижней частей колонны (в мол. долях ); 2) необходимые расходы греющего пара в кубе-испарителе и воды в дефлегматоре; 3) требующиеся поверхности дефлегматора и куба-испарителя при коэффициентах теплопередачи в них 800 и 1400 Вт/(м²·К) соответственно.

Ответ: Для укрепляющей секции y = 0,7436x + 0,2343
Для отгонной секции y = 2,872x – 0,1094
Для куба-испарителя: F = 10,4 м²; G_г.п. = 0,1176 кг/с
Для дефлегматора: F = 6,27 м²; G_в. = 3,87 кг/с

Определить количество реальных тарелок при непрерывной ректификации 2,0 т/ч смеси этанол – вода. Концентрации летучего компонента в исходной смеси, в дистилляте и в кубовой жидкости (остатке) составляют: 0,20; 0,70 и 0,05 мол. Долей летучего компонента. Среднее значение коэффициента обогащения (КПД) реальных тарелок 0,62. Коэффициент избытка флегмы равен 1,4. Дать явный вид уравнений рабочих линий процесса. Вычислить расходы дистиллята и кубовой жидкости. Равновесные данные смеси взять из табл XLIII

Ответ: 8 тарелок
y = 0,583x + 0.292 и y = 2.387x – 0.0694
G_D = 0,2043 кг/с
Gw = 0,3513 кг/с

Метилциклогексан экстрагируется анилином из 40%-го раствора его в гептане при 25°С в экстракционной установке с возвратом части экстракта и рафината. Массовая доля метилциклогексана в экстракте 98%, а в рафинате 1% (исключая растворитель). Отношение количеств возврата экстракта и экстракта-продукта принять в 1,62 раза больше минимального. Определить число ступеней экстрагирования.

Ответ: 19

Решение задачи на 4 листа А4 в печатном виде

В батарею из трех отстойников противоточного действия, объемом по 7 м³ каждый, поступают 2 т раствора NaOH в 1 м³воды вместе с осадком CaCO₃ и отбираются 6 м³ прозрачного концентрированного раствора на выпарку. С другой стороны в батарею подается в качестве растворителя 6 м³ чистой воды на 2000 кг NaOH. Осадок CaCO₃ при переходе со ступени на ступень и при удалении из батареи удерживает 1 м³ раствора. Определить: а) содержание NaOH в шламе; б) степень извлечения NaOH; в) массовую долю NaOH в растворе, поступающем на выпарку.

Ответ: G_R,NaOH = 7,7 кг; X = 99,6%; y_E = 24,9%

Решение задачи на 1 лист А4 в печатном виде

Завод перерабатывает в утки 10 т сульфида бария с соответствующим количеством соды и 35 т воды с целью получения карбоната бария и раствора сульфида натрия. Переработка ведется в пятиступенчатой противоточной батарее. Осадок карбоната бария во время процесса удерживает двойное (по массе) количество воды. В результате переработки получается 10%-й раствор сульфида натрия. Желательно добиться 98%-го извлечения сульфида натрия. Определить: а) потерю сульфида натрия в остатке; б) массу воды, которую необходимо добавить в качестве растворителя; в) массовые доли Na₂S в каждом сгустителе.

Ответ: G_R,Na2S = 92 кг; G_S = 29,0m

Решение задачи на 3 листа А4 в печатном виде

В противоточной экстракционной батарее экстрагируется едкий натр из продуктов реакции

Na₂CO₃ + CaO + H₂O = CaCO₃↓ + 2NaOH

Поступающая в батарею смесь содержит воды 50% от массы осадка (CaCO₃). Из этой смеси в батарее извлекается 95% NaOH, причем получается 15 %-й раствор. Сколько воды в качестве растворителя должно поступать в батарею и сколько ступеней должно быть в батарее, если из опытных данных известно, что осадок удерживает раствор в следующих количествах, зависящих от содержания в нем NaOH:

Ответ: G_S = 540 кг; 3 ступени

Решение задачи на 4 листа А4 в печатном виде

Сравнить времена полного заполнения сферических частиц адсорбента в условиях примера 8.4, но для диаметров 4·10^-3 и 1·10^-3 м.

Ответ: а)  τ_M = 1,09 ч  б) τ_M = 0,068 ч

Определить степени отработки сферических частиц активированного угля при поглощении хлористого этила при условиях примера 8.5, но при времени процесса 100 с, а также при диаметрах частиц 3,0 и 2,0 мм.

Ответ: а) 0,721  б) 0,853  в) 0,975

Сравнить значения общих коэффициентов массопередачи при адсорбции паров этанола из потока воздуха в псевдоожиженном слое частицами активированного угля АГ-3 диаметром 1 и 2 мм при 20°С и парциальном давлении паров в исходной смеси 25 мм рт.ст. Расход адсорбента на 1 м² поперечного сечения слоя 0,60 м³/(м²·с). Высота псевдоожиженного слоя 70 мм. Коэффициент аффинности адсорбтива и структурная константа адсорбента 0,61 и 1,02·10^-8 К^-2, соответственно.

Ответ: коэффициент массопередачи не зависит от диаметра частиц.

Определить необходимую высоту H неподвижного слоя активированного угля СКТ порозностью 0,38 при адсорбции им паров бензола из воздушного потока, имеющего объемную скорость 0,280 м³/(м²·с) и начальную концентрацию 0,0190 кг/м³. Необходимо обеспечить время защитного действия слоя искомой высоты, равное 1 ч 30 мин. Значение минимально возможной высоты слоя h_m = 70 мм. определено экспериментально.

Ответ: H = 0,242 м

Сколько влаги необходимо удалить из 1 кг влажного материала при изменении его влажности от 50 до 25 % и от 2 до 1% (на общую массу)?

Ответ: а) W = 0,333 кг; б) W = 0,0101 кг

Вычислить значения влагосодержания, энтальпии, температуры мокрого термометра и температуры точки росы для воздуха, выходящего из сушилки при температуре 50 °С и относительной влажности φ = 70%.

Ответ: 0,060 кг/кг; 208 кДж/кг; 43 °С; 42 °С

С помощью I - x диаграммы определить все параметры влажного воздуха, имеющего температуру 50 °С и температуру мокрого термометра t_м = 30 °С.

Ответ: x = 0.020 кг/(кг сух.воздуха); ϕ = 25%; I = 105 кДж/кг; t_т.р.= 24 °С; p = 24 мм рт.ст.

Вычислить влагосодержание и относительную влажность воздушно-паровой смеси, имеющей температуру 50°С и парциальное давление водяного пара 0,10 кгс/см². Определить остальные параметры влажного воздуха.

Ответ: 0,796; 0,07 кг/кг

Вычислить содержание водяного пара, отнесенное к 1 кг сухого газа в его смеси: а) с воздухом (сравнить с данными I - x диаграммы); б) с водородом; в) с этаном при температуре 35°С, относительной влажности φ = 45% и общем давлении П = 1,033 кгс/см².

Ответ: а) x = 0,0159 кг/кг; б) x = 0,2304 кг/кг; в) x = 0,0154 кг/кг

Сравнить удельные расходы воздуха и теплоты в теоретической сушилке и нормальном сушильном варианте для летнего и зимнего времени в условиях Санкт-Петербурга, если в обоих случаях на выходе из сушильного аппарата воздух имеет одинаковые параметры t₂ = 40°С и φ₂ = 60%.

Ответ: для зимнего период l = 35,7 кг/кг; q = 121 кДж/кг;
для летнего периода l = 47,6 кг/кг; q = 78 кДж/кг

Определить парциальные давления водяного пара и воздуха, а также влагосодержание воздуха воздушно-паровой смеси при общем давлении 745 мм рт.ст., температуре 150°С и относительной влажности воздуха 50%.

Ответ: p_H2O = 372,5 мм рт.ст.; p_воздух = 372.5 мм рт.ст.; x = 0.622 кг/кг

Воздушно-паровая смесь с температурой 130°С и относительной влажностью 30% находится при общим давлением 7,0 кгс/см². Определить парциальное давление воздуха, его плотность и влагосодержание. Результаты сравнить со случаем φ = 10%

Ответ: а) p = 6,05·10⁵ Па; ρ = 5,682 кг/м³; x = 0,083 кг/кг сух воздуха
б) p = 6,59·10⁵ Па; ρ = 5,847 кг/м³; x = 0,025 кг/кг сух воздуха

Определить количество удаляемой из материала влаги, удельные расходы воздуха и теплоты, если расход сухого воздуха через сушилку составляет 200 кг/ч. Параметры воздуха на входе в сушилку t₁ = 95ºC и φ₁ = 5% и на выходе из сушилки t₂ = 50ºC и φ₂ = 60%.

Ответ: W = 4,7 кг/ч; l = 42,6 кг/ч; q = 340 кДж/кг

Определить производительность вытяжного вентилятора, располагаемого после сушилки, в которой из влажного материала удаляется 100 кг/ч влаги при начальных параметрах воздуха перед калорифером t₀ = 15 °C и φ₀ = 80% и после сушилки t₂ = 45 °C и φ₂ = 60% при общем давлении 750 мм рт.ст.

Ответ: V = 3132 м³/ч

Определить расход воздуха и теплоты, а также температуру воздуха на входе в калорифер в сушильной установке с рециркуляцией 80 % отработанного воздуха. Параметры воздуха перед калорифером ф₀=0,70 и I₀=50 кДж/кг сух. воздуха, отработанного в сушилке ф₂=0,80 и I₂=260 кДж/кг сух. воздуха. Производительность по влажному материалу G_К=1500 кг/ч, начальная и конечная влажности материала u_H=47 и u_К=5% (на влажный материал).

Ответ: L = 9680 кг/ч; Q = 564кВт; t = 54 °С

Определить необходимые расходы воздуха и теплоты при высушивании G_сух=1,0 т/ч по абсолютно сухому материалу от u_н=50 до u_к =13 % (на влажный материал). Параметры атмосферного воздуха: t₀ = 20 °C и x₀ = 0.01 кг/кг сух. воздуха; воздуха после сушилки: t₂ = 34 °C и  x₂=0.028 кг/кг сухого воздуха. Тепловые потери составляют 15% от общего количества.

Ответ: L = 13,1 кг/с; Q = 956 кДж/с

Определить термический КПД теоретической сушилки (нормальный сушильный вариант) при параметрах атмосферного воздуха t₀ = 20 °C и φ₀ = 0,70, а после сушилки t₂ = 50 °C  и φ₂ = 0,40. Влага испаряется при температуре мокрого термометра.

Ответ: η = 0,597

Вычислить среднее значения потенциала сушки в теоретической сушилке, где влага испаряется при температуре мокрого термометра. Параметры воздуха перед калорифером t₀ = 20 °C и φ₀ = 70%, а после сушки t₂ = 50ºC и φ₂ = 40%

Ответ: k_ср = 37,3ºC

Материал с начальной влажностью 33%, критической 17% и равновесной 2% (на абсолютно сухое вещество) высушивается до 9% в течение 8ч. Определить время сушки материала при тех же внешних условиях и начальной влажности до 3%.

Ответ: 16,5 ч

Определить необходимую поверхность теплопередачи от горячей поверхности барабана к слою влажного материала в вальцовой сушилке производительностью 200 кг/ч по высушенному материалу. Начальная и конечная влажности материала 50% и 5% (на общую массу). Коэффициент теплопередачи от поверхности к материалу K = 350 Вт/(м²·К). Температура материала в начале и в конце процесса сушки равна 20 и 60°С. Давление греющего пара внутри барабана p_абс = 1,5 кгс/см². Удельная теплоемкость сухого материала 1,26 кДж/(кг·К). Потери теплоты составляют 10% от общего количества, отдаваемого конденсирующимся греющим паром.

Ответ: F = 5,97 м²

В сушилке обезвоживается 1000 кг/ч влажного материала от 55 до 8% (на общую массу). Воздух с параметрами t₀ = 20ºC и φ₀ = 70% нагревается в калорифере до 110 °С, а на выходе из сушилки имеет потенциал k₂ = 10ºC(К). Определить необходимые расходы воздуха и греющего пара давление p_абс = 2,5 кгс/см² и влажностью 5%

Ответ: G_в = 5,61 кг/с; G_г.п. = 0,251 кг/с

Определить расходы воздуха и греющего пара для противоточной сушилки, работающей по нормальному сушильному варианту, обеспечивающие производительность сушилки G = 600 кг/ч по материалу 50%-ой начальной влажности с высушиванием материала до 9% (на общую массу). На входе в калорифер воздух имеет параметры t₀ = 10 ºC и φ₀ = 80%; на выходе из сушилки t₂ = 50 ºC и φ₂ = 50%. Степень сухости греющего пара 0,94, давление пара выбрать. Рассмотреть два варианта: а) для теоретической сушилки; б) для действительной сушилки при начальной и конечной температурах материала 16 и 55 ºС, удельной теплоемкости высушенного материала 1,68 кДж/(кг·К), массе стального транспортера, несущего часовую нагрузку влажного материала, равной 450 кг и тепловых потерях сушилки в окружающую среду, составляющих 10% от количества теплоты, передаваемой воздуху в калорифере.

Ответ: а) 2,02 кг/с; 521 кг пара/ч при 8 кгс/см²
б) 2,02 кг/с; 581 кг пара/ч при 8 кгс/см²