20 вопросов и 4 расчетные задачи; №2

Подождите немного. Документ загружается.

постоянно поддерживать это разрежение, а также возвращать для использования

конденсат при более высокой температуре.

В зоне охлаждения перегретого пара начальная разность температур:

ttt



конечна я разность температур

хtt

нас



средняя разность температур:







lg3.2

В зоне конденсации начальная разность температур:

хtt

нас



конечная разность температур:

хtt

нас



средняя разность температур:







lg3.2

В зоне охлаждения конденсата начальная разность температур:

хtt

нас



конечная разность температур:

хtt



средняя разность температур:







lg3.2

где t

1н

– начальная температура пара в °С; t

нас.

- температура насыщения в °С;

1к

– конечная температура конденсата в °С; t

2н

– начальная температура охлаждающей

воды в °С; t

2к

– конечна температура охлаждающей воды°С;

Для обозначения величин, относящихся к разным зонам вводят следующие

индексы:

[

] – для зоны охлаждения перегретого пара

[

] – для зоны конденсации

[

] – для зоны охлаждения конденсата

10. Зачем ставятся перегородки в теплообменниках?

Поверхностные теплообменники передают тепло за счёт перегородок,

выполненных из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности. наибольшее

распространение получили именно поверхностные теплообменники. Они так же имеют

две разновидности: рекуперативную и регенеративную. В первой теплообмен между

носителями осуществляется за счёт перегородок, причём направление теплового потока

постоянно в любой точке перегородки. В теплообменниках регенеративного типа

носители поочередно контактируют с одной нагреваемой поверхностью, а направление

потока постоянно меняется.

На сегодня самыми распространенными являются поверхностные

теплообменники рекуперативного типа.

В кожухотрубчатых теплообменниках устанавливают поперечные и продольные

перегородки.

Поперечные перегородки, размещаемые в межтрубном пространстве

теплообменников, предназначены для организации движения теплоносителя в направлении,

перпендикулярном оси труб и увеличения скорости теплоносителя в межтрубном

пространстве. В обоих случаях возрастает коэффициент теплоотдачи на наружной

поверхности труб.

Поперечные перегородки устанавливают и в межтрубном пространстве;

конденсаторов и испарителей, в которых коэффициент теплоотдачи наружной поверхности

труб на порядок выше коэффициента их внутренней поверхности. В этом случае перегородки

выполняют роль

опор трубного пучка, фиксируя трубы на заданном расстоянии одна от

другой, а также уменьшают вибрацию труб.

Интенсификация теплообмена поперечными перегородками может Значительно

снижаться из-за утечек теплоносителя в зазорах между корпусом и перегородками. Для

уменьшения утечек устанавливают следующие ограничения: при наружном диаметре кожуха

аппарата, не более 600 мм зазор между корпусом и перегородкой не должен превышать 1,5 мм.

В остальных случаях диаметр поперечных перегородок выбирают по соответствующим

нормативным документам.

11. Перечислить типовые массообменные процессы и объяснить их физическую

сущность.

Процессом массообмена называется диффузионный переход одного или

нескольких компонентов бинарных и многокомпонентных смесей из одной фазы в

другую: из газовой (паровой) в жидкую или твердую, из жидкой в твердую или в другую

жидкую, а также в обратном направлении. Различают два варианта массообмена:

односторонний и двухсторонний. В первом варианте процесс завершается переходом

вещества из одной фазы в другую, а во втором – встречным переходом веществ из каждой

фазу в другую.

Массообмен включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь

фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность

раздела фаз) классификацию и взаимосвязь массообменных процессов можно видеть на

рисунке 5.

Рис.5. Классификация массообменных процессов

Типовые массообменные процессы: абсорбция, дистилляция (частный случай -

ректификация), экстракция, адсорбция, кристаллизация, сушка, ионный обмен

Абсорбция - процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ

растворим в той или иной степени. Обратный процесс – десорбция – выделение

растворенного газа из раствора.

Ректификация - тепломассообменный процесс, основанный на различном

распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При ректификации

потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях, многократно

контактируют друг с другом в противоточных колонных аппаратах с контактными

элементами (насадка, тарелки), причём часть выходящего из аппарата пара (или

жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для

жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается

процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают

(в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно

обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость — менее летучими.

Дистилляция – процесс разделения жидкостей на отличающиеся по составу

фракции, основанный на различии температур кипения компонентов жидкости; то же, что

перегонка.

Экстракция (от позднелат. extractio - извлечение), перевод одного или нескольких

компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с

ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент)

Адсорбция – (от лат. ad-на, при и sorbeo-поглощаю), изменение (обычно –

повышение) концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз ("поглощение на

поверхности"). В общем случае причина адсорбции – нескомпенсированность

межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбционного силового

поля. Тело, создающее такое поле, наз. адсорбентом, вещество, молекулы которого могут

адсорбироваться, - адсорбтивом, уже адсорбировавшееся вещество – адсорбатом.

Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

Кристаллизация – переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого

или твердого аморфного состояния в кристаллическое, а также из одного

кристаллического состояния в другое (рекристаллизация, или вторичная кристаллизация);

фазовый переход первого рода.

Ионный обмен – обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между

двумя контактирующими фазами. Обычно одна из фаз раствор электролита, другая –

ионит.

Сушка - высушивание, удаление жидкости (обычно влаги) из твёрдых, жидких и

газообразных тел.

12. Написать (в общем виде) и изобразить в координатах у (концентрация одного

вещества в одной фазе) – х (его концентрация в другой фазе) уравнение равновесной

и рабочей линии массообмена; показать движущую силу процесса и написать

выражение для ее расчета

Изменение рабочих концентраций по поверхности массообмена описывается

уравнением рабочих линий. Эти линии используют для определения движущей силы

процесса по всей поверхности F массопередачи, а также для определения высоты Н

массообменных аппаратов.

Процесс массопереноса протекает самопроизвольно при наличии разности между

рабочими и равновесными концентрациями (при данных условиях температуры и

давления), которые можно выразить через концентрации у и у* фазы Ф

, а также х и х*

для фазы Ф

Движущая сила массообменных процессов есть разность между рабочими и

равновесными концентрациями.

Движущая сила в концентрациях фазы Ф

: Δу=у‒у* (при у˃у*) или Δу=у*‒у (при

у˂у*), в концентрациях Ф

: Δх=х‒х* (при х˃х*) или Δх=х*‒х (при х˂х*). Таким образом,

движущая сила характеризует степень отклонения системы от равновесия.

Для всей поверхности фазового контакта при установившемся состоянии

процесса материальный баланс выражается уравнением:

   

кнхнкy

ххGуyG 

или















В каждом конкретном случае величины G

, G

, у

и х

известны и постоянны и,

следовательно уравнение материального баланса является уравнением прямой:

у=Ах+В

которая также называется рабочей линией процесса. Для любого случая

массообмена и любого сечения диффузионного аппарата движущую силу массопередачи

можно выразить графически путем нанесения на диаграмму у-х линии равновесия у

=f(х)

и линии рабочих концентраций у=φ(х), как это показано на рисунке 6.

На диаграммах I и II представлен случай, когда у*˃у и х˃х* и распределяемый

между фазами компонент переходит из фазы Ф

в фазу Ф

, а на диаграммах III и IV этого

же рисунка – случай, когда у*˂у и х*˃х и распределяемый между фазами компонент

переходит из фазы Ф

в фазу Ф

. Распределяемый между фазами компонент переходит в

ту фазу, рабочая концентрация которой меньше равновесной.

Рис. 6. Графическое представление движущей силы массопередачи. Равновесные

и рабочие линии концентрации

13. Общее выражение массопередачи и объяснить значение его составляющих.

Сопоставить его с уравнением теплопередачи и провести аналогию.

В соответствии с двумя возможными способами выражения движущей силы

процесса массопередачи – газовой фазе (Δу=у*‒у) или по жидкой фазе (Δх=х‒х*) –

уравнение массопередачи, аналогичное уравнению теплопередачи, может быть написано в

двух видах:

М=К

Δу

ср

Fτ

Или

М=К

Δх

ср

Fτ,

где М – расход компонента, переходящего из одной фазы в другую, кмоль/с; F –

площадь поверхности массопередачи, м

; К

– коэффициент массопередачи, отнесенный к

движущей силе Δу, выраженной через мольные доли компонента в газовой фазе,

кмоль/(м

∙с); К

– коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе Δх,

выраженной через мольные доли компонента в жидкой фазе, кмоль/(м

∙с); Δу

ср

и Δх

ср

–

соответствующие средние для всего процесса движущие силы.

Подобно теплообмену массообмен характеризуется количеством вещества М,

переходящего из от одной фазы в другую (диффузионный поток) за время τ,

пропорционально движущей силе процесса Δу

ср

(Δх

ср

) и площади поверхности F.

Величины М, F и τ связаны между собой коэффициентом пропорциональности К,

носящим название коэффициента массопередачи.

14. Написать основные критерии подобия массообменных процессов и объяснить

их физический смысл. Какой критерий является определяемым и какая величина

рассчитывается из этого критерия? Сопоставить критерии массопередачи с

критериями теплопередачи.

Общность дифференциальных уравнений конвективного теплообмена и

массопередачи позволяет считать, что основные критерии подобия диффузионных

процессов должны иметь одинаковый вид с критериями подобия тепловых процессов.

Критерий

lК

, характеризующий обмен вещества на границе фаз, по своей

структуре совершенно аналогичен критерию Нуссельта (Nu), характеризующему

теплообмен на границе:









И поэтому его обозначают :

lК





где К

– коэффициент массопередачи, м/ч; l – характерный линейный размер, м;

D – коэффициент диффузии, м

/ч

Критерий

l



характеризует обмен вещества в движущейся среде, аналогичен

критерию Пекле

Ре







, и поэтому его обозначают:

еР









Вместо критерия Ре' удобно ввести аналог теплового критерия Прандля:



















rР

или





rР 



Если действием объемных сил (сил тяжести) можно принебречь, то

критериальное уравнение массопередачи записывается как:

Nu'=f(Rе, Рr') или























lК

Вид этой функции находят опытным путем, для чего его преобразовывают:

 

AuN rPRe







И числовые значения коэффициентов А, m, n находят из опытных данных. В этом

уравнении критерии Rе и Рr' являются определяющими, а Nu' – определяемым.

Критерий Вебера Wе учитывает зависимость массопередачи от поверхностного

натяжения σ:









Однако эта зависимость не вытекает непосредственно из дифференциальных

уравнений диффузии и недостаточно согласуется с опытными данными

Из совместного решения уравнения для процесса теплоотдачи в вынужденном

потоке и массопередачи в тех же гигротерммических условиях имеем:

uNNu

















Таким образом, результаты исследования процессов массопередачи можно

переносить на процессы теплопередачи, протекающие в подобных условиях, и, наоборот,

результаты исследования процессов теплоотдачи на процессы массопередачи.

15. Написать выражение коэффициента массопередачи через коэффициенты

массоотдачи и объяснить их физическую сущность

При определенных допущениях (отсутствие диффузионного сопротивления при

переходе компонента через поверхность раздела фаз, существование равновесия на этой

поверхности, линейность уравнения равновесия у*=mх или у*=mх+b) получаются

следующие зависимости между коэффициентами массопередачи К

и К

и фазовыми

коэффициентами массоотдачи β

и β















;

где m – тангенс угла наклона линии равновесия. Коэффициенты массоотдачи и

массопередачи выражены в кмоль/(м

∙с)

знаменатели этих уравнений представляют собой общее диффузионное

сопротивление, равное сумме диффузионных сопротивлений газовой и жидкой фаз.

Когда основное диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе, т.е.

при



˂˂



, К

≈β

Когда основное диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе, т.е.

при





˂˂



, К

≈К

16. Написать уравнения линий рабочих концентраций процесса ректификации и

графически изобразить их в координатах у‒х, показать расчет ректификационной

колонны с помощью числа ступеней и изменения концентраций

Поскольку условия работы укрепляющей и исчерпывающей частей

ректификационной колонны различны, уравнения рабочих линий для них различны.

Для верхней (укрепляющей) части колонны:

11 





Для нижней (исчерпывающей) части колонны:

1 







В ректификационной колонне принимают на основании теоретических

предпосылок постоянными по высоте колонны общие мольные расходы пара и жидкости.

В соответствии с этим в уравнениях рабочих линий применяются мольные расходы и

концентрации.

Рис. 7. Графическое определение числа теоретических тарелок; ОE – равновесная

кривая; АВ и ВС – рабочие линии для укрепляющей в исчерпывающей частей колонны;

1-6 – тарелки.

Для анализа работы колонны, расчета состава дистиллята и остатка и

распределения концентраций легколетучего компонента по высоте аппарата используют

понятие о теоретической ступени разделения, или теоретической тарелке. Такая ступень

(тарелка) соответствует некоторому гипотетическому участку аппарата, где жидкость и

покидающий ступень пар находятся в равновесии. Число теоретических тарелок (n

необходимое для получения дистиллята и остатка заданного состава, можно найти

графически с помощью у-х-диаграммы (рис. 7), описывающей зависимость между

равновесными молярными концентрациями паровой (у*) и жидкой (х) фаз. Для

определения n

на графике строят ступенчатую линию между равновесной кривой

у* = f(х) и ломаной линией AВС. Линия АВ отвечает уравнению рабочей линии

дляверхней части колонны, линия ВС— уравнению рабочей линии в нижней части

колонны. Из рисунка видно, что для разделения исходной смеси на дистиллят состава x

остаток состава x

требуется по 3 теоретических тарелки в укрепляющей и

исчерпывающей частях колонны. Более точный метод расчета составов дистиллята и

остатка при известном числе теоретических тарелок основан на последовательном

вычислении составов пара и жидкости на каждой тарелке с использованием уравнений

рабочих линий и теплового баланса. Учитываются также изменения потоков по высоте

колонны вследствие неравенства теплот испарения компонентов.

Зная число теоретических тарелок можно определить высоту тарельчатой

ректификационной колонны или расстояние Н

между верхней и нижней тарелками:

=(n

‒1)h,

где h – расстояние между тарелками.

17. Статическая и динамическая активность адсорбента. Расчет времени

защитного действия слоя адсорбента

Основной характеристикой адсорбента является его активность, определяемая

весовым количеством вещества, поглощенного единицей объема или веса поглотителя.

Различают активность статическую и динамическую.

Статическая активность адсорбента характеризуется максимальным количеством

вещества, адсорбированного к моменту достижения равновесия весовой или объемной

единицей адсорбента при данной температуре и концентрации адсорбируемого вещества в

газово-воздушной смеси.

Динамическая активность является характеристикой адсорбента при протекании

паро-воздушной смеси через слой адсорбента до момента проскока адсорбируемого газа.

Если газовая смесь проходит через слой адсорбента, то в начальный период

процесса адсорбтив полностью извлекается из газовой смеси. По истечении

определенного промежутка времени в газовой смеси, уходящей из поглотителя, начинают

появляться заметные, все возрастающие количества адсорбтива (проскок), и к концу

процесса концентрация уходящего газа становится равной начальной концентрации паро-

воздушной смеси. Время от начала процесса до момента проскока называют временем

защитного действия и рассчитывают по уравнению:

20 вопросов и 4 расчетные задачи; №2 - 19 вопросов

Подождите немного. Документ загружается.