otvety_PAHT
.pdf
16. Каким образом можно увеличить производительность вертикального отстойника непрерывного действия? Вывести формулу для производительности горизонтального отстойника
Ответ: площадь отстойника Для разделения суспензий, содержащих сравнительно крупные
частицы (часто-сотые доли миллиметра), в случае невысокой вязкости жидкости и не очень малой разности плотностей твердых частиц и жидкости применяется естественное осаждение-процесс осуществляется в поле сил тяжести под действием движущей силы, базирующейся на величине (ρт-ρ)g, т.е. на разности удельных(приходящихся на 1м3) сил – тяжести и выталкивающей (архимедовой).
Чтобы увеличить производительность вертикального отстойника непрерывного действия надо учесть тот факт, что у данных отстойников производительность не зависит от высоты отстойника, а определяется его поперечным сечением (площадью осаждения):
Для того чтобы увеличить производительность вертикального отстойника непрерывного действия можно:
1)Увеличить поперечное сечение отстойника S
2)w wc Увеличить рабочую скорость w,но при этом должно выполняться неравенство
Иначе поток подхватит и унесет твердые частицы и полного осветления не произойдет.
Вывод формулы для производительности горизонтального отстойника непрерывного действия:
Для вывода этой формулы воспользуемся схемой потоков в отстойнике непрерывного действия:
|
|
|
|
|
|
|
|
Где I-исходная суспензия; II- |
|
|
|
|
|
|
V1,a1 |
|
осветленная жидкость;III-осадок; К- |
V’ |
|
|
|
|
II |
контур |
||
|
|
|
|
|
||||
I |
|
|
|
|
|
|
|
a’; a1; a2-концентрации твердого |
|
|
|
|
|
|
|
||
a’ |
|
|
|
|
|
III |
материала в исходной суспензии , в |
|
|
|
|
|
|
|
V2,a |
|
осветленной жидкости и в осадке. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
V’,V1,V2-объемные |
|
|
|
|
K |
|
|
производительности по собственно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкости в исходной суспензии, в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
осветленной |
|
жидкости и в осадке. |
||||||
Полагая, что пространственный контур К охватывает разделяющий аппарат (отстойник), запишем для единицы времени материальные балансы:
-по массовым жидкостным потокам:
11
ρ*V’- ρ*V1- ρ*V2=0
после сокращения на ρ и преобразований получаем:
V’= V1+V2 (a)
-по потокам твердого материала:
ρ*V’*a’- ρ*V1* a1- ρ*V2*a2=0
откуда после сокращений и преобразований получаем:
V’*a’= V1* a1+V2*a2 (б)
Исключая из (б) величину V2 с помощью выражения (а) получаем:
V’*a’= V1* a1+(V’-V1)*a2
Отсюда
V 1 V ' a 2 |
a 1 |
|
|
a 2 |
a ' |
При рациональном проведении осаждения a1→0 в этом цель процесса,
тогда последнее выражение можно упростить: V 1 V '(1 aa2' )
Для расчета горизонтального отстойника непрерывного действия начертим схемы аппарата и процесса.
Схема аппарата(Прямоугольный |
Схема процесса: |
||||
корпус отстойника) |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I
I-исходная суспензия;II- |
где L-длина отстойника; |
осветленная жидкость;III-осадок |
ширина-b;высота-H |
-Площадь отстойника вычислим следующим образом: |
|
S=Lb
-живое сечение потока, нормальное к направлению движения жидкости, f=bH.
По мере движения суспензии вдоль отстойника происходит постепенное осаждение твердых частиц. В результате в окрестности текущего сечения l<L существуют три зоны с более или менее четко очерченными границами: осветленная жидкость(сверху), осадок (внизу на дне отстойника) и неразделенная суспензия между ними.
12
Условие полного осветления задается путем сопоставления времени пребывания суспензии в отстойнике τпр и времени осаждения τ0, необходимого для осветления:
п р (в)
При этом знак равенства соответствует минимальному(для полученного осветления) времени пребывания жидкости в отстойнике пр= min Выразим характерные продолжительности τпр и τ0 через соответствующие пути движения и скорости.
Очевидно п р= wL
Где w-линейная скорость потока в направлении движения жидкости в отстойнике, она определяется из уравнения расхода V=w*f
Для горизонтального потока V1 осветленной жидкости при его живом сечении bH: V1=wbH. w=V1/bH, так что
= L LbH SH пр w V1 V1
При скорости осаждения wc время осаждения составит :
w c
Подставим найденные значения τпр и τ0 в условие (в)
SHV1 wHc
После сокращения на H имеем применительно к задаче эксплуатации
S *wc V1
Для задачи проектирования:
S Vwc1 Vwc1 (1 aa2' )
Знаки равенства в этих выражениях отвечают максимальной производительности и минимальной площади отстойника, требуемой для полного осветления жидкости.
13
17. Назначение и принцип действия циклонов
Ответ: твердая-газ Промышленное производство часто
имеет дело с газовзвесями (запыленными газами), несущими мелкие частицы размерами заметно менее 0,1 мм. В этом случае используется центробежное (инерционное) осаждение в аппаратах, называемых циклонами.
Обеспылевание газовзвесей в циклонах, т. е. отделение газа от пыли, производится в целях их последующего раздельного использования.
Устройство и принцип работы циклона.
Исходный запыленный газ (поток I) подводится к циклону по
циллиндрической трубе 4. с помощью переходного участка 5 канал изменяет форму на прямоугольную, и далее исходный газ поступает в циклон через прямоугольный патрубок 6 – с достаточно высокой скоростью и тангенциально. Высокая скорость (обычно на уровне 10 – 20 м/с) предотвращает выпадение твердых частиц из газового потока в подводящих к циклону каналах. Тангенциальная подача газа в циклон обеспечивает закручивание потока вокруг центральной цилиндрической трубы 3. Под действием возникающей при этом центробежной силы твердые частицы отбрасываются к стенкам циклона, а очищенный газ (поток II) уходит из циклона через патрубок 7. Твердые частицы, осевшие на стенках циклона, под действием уже силы тяжести (собственного веса) по пологому конусу 2 перемещаются к отводному патрубку 8 и выводятся из циклона.
14
|
. . . . . |
(I) |
18. Укажите два возможных варианта проведения |
. . . . . . |
(III) |
|
||
процесса фильтрации. Что является движущей |
|
|
|
|
|
силой процесса фильтрации? |
|
2 |
Ответ: перепад давления Фильтрование - пропускание 
1
загрязненного потока через перегородку, проницаемую для несущей (сплошной) среды, но не пропускающую твердые частицы.
В результате неоднородная смесь разделяется на осветленную жидкость, называемую фильтратом, и влажный осадок твердого материала.
Процесс фильтрования основан на явлении фильтрации: течении жидкости (газа) через пористые среды - зернистые слои, перегородки с мелкими каналами.
Фильтрование происходит под действием разности давлений р р1 р2 . В
общем случае к этой разности надо еще добавить гидростатическое давление жидкостного столба высотой h над перегородкой:
р р1 р2 gh
Движущая сила процесса фильтрования ррасходуется на преодоление гидравлических сопротивлений осадка р0 и фильтрующей перегородки
рП :
р р0 рП
Процесс фильтрации проводится двумя основными способами.
1.Фильтрование при постоянной движущей силе ( p =const).
2.Фильтрование при постоянной скорости фильтрации
(W =const).
В основе расчета - основное уравнение фильтрования:
W |
1 dV |
|
|
p |
, где |
||
|
|
|
|
||||
F d |
0 x0 |
V R |
|||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
F |
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
W - скорость фильтрации,
F - полное сечение фильтрующей перегородки,
V - количество полученного фильтрата,
R0 F0 x0 V - фактор сопротивления осадка,
RП - фактор сопротивления перегородки.
15
19. В каких случаях при выводе уравнений рабочих линий в массообменных процессах используются относительные потоки и концентрации? Указать, какие концентрации связывает рабочая линия процесса.
Ответ: абсорбция и экстракция при полной взаимной нерастворимости
Концентрацией называется величина, выражающая содержание какого-либо компонента в смеси (в фазе, в системе из нескольких фаз, в том или ином сечении технологического аппарата, в части аппарата или в аппарате в целом).
Концентрация компонента задается отношением его количества к количеству какого-либо другого компонента смеси, нескольких или всех её компонентов. Концентрации классифицируют по разным признакам, в том числе и по базе, к которой отнесена концентрация компонента. В случае относительных концентраций базой является один компонент.
Рассмотрим систему класса 3(2-2)1. Системы, принадлежащие к этому классу, содержат по два компонента в каждой фазе, причем лишь один из этих компонентов переходит из одной фазы в другую. Этот компонент называют «переходящим компонентом» ПК. Остальные компоненты из фазы в фазу не переходят, они являются носителями вещества и в смысле массообмена инертами. Количества (в периодических процессах) и потоки (в непрерывных) инертов остаются неизменными в ходе массообменного процесса. Именно поэтому концентрации ПК здесь удобно выражать в относительных единицах, приходящихся, например, на 1 кг того или другого инерта. И на осях концентрационных диаграмм откладываются относительные концентрации; например, в случае абсорбции: y (кг ПК)/(кг инерта-газа), x (кг ПК)/(кг инерта-жидкости).
Следовательно, относительные потоки и концентрации используются, когда можно выделить поток, не изменяющийся в ходе процесса.
Цель массообменного процесса - перенос вещества (В) из фазы в фазу: одна из фаз отдает В, другая его получает. В ходе процесса по мере движения потоков в аппарате вдоль поверхности контакта происходит изменение концентраций В - понижение в отдающей фазе, повышение - в принимающей. Поэтому в разных точках, сечениях аппарата контактируют фазы с разными концентрациями; эти концентрации в точке или сечении контакта называются сопряженными.
Зависимость сопряженных концентраций y f (x) в рабочем диапазоне их изменения носит название рабочей линии процесса.
16
20. Дайте определение процесса абсорбции. Каким образом изменение условий проведения процесса физической абсорбции в аппаратах (температура абсорбента, рабочее давление) будет влиять на эффективность абсорбции?
Ответ: повышение давления
Абсорбцией называют процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс-выделение из
абсорбента растворенных в нем газов (паров) носит название десорбции. При отсутствии химического взаимодействия между поглощаемым компонентом и абсорбенто процесс называется физической абсорбцией. Кривая 3 характеризует равновесные концентрации в фазах при некоторой постоянной температуре t (изотерма абсорбции). Если температуру системы t изменить до t1, то прежней концентрации компонета х будет соответствовать новое значение у1, величине х’ – значение у’ и т.д При этом с увеличением температуры растворимость поглощаемого компонента в жидкости понижается. Этим объясняется проведение процесса адсорбции при пониженной температуре – в таких условиях адсорбент обладает большей поглотительной способностью, а значит его расход меньше при прочих равных условиях.
При неизменной концентрации ПК в газовой фазе его растворимость в
жидкости с повышением давления увеличивается, поэтому абсорбцию выгодно проводить при повышенном давлении.
17
21. В каких случаях применяют частичную рециркуляцию абсорбента при физической абсорбции?
Ответ: увеличению плотности орошения абсорбентом. Т.к. улучшается смачиваемость насадки
вслучаях, когда количество абсорбента недостаточно для достижения заданной концентрации поглощаемого компонента
вабсорбенте, или когда поверхность абсорбента не смачивается полностью, вследствие чего ухудшается массоперенос.
Поэтому собирают жидкость с высокой концентрацией и заново запускают в аппарат. Кратность циркуляции n=кг отработанного абсорбента/кг свежего абсорбента.
Смешиваем Хн и Хк, точку смеси Хн см находим по правилу рычага или из МБ.
МБ для узла смешения |
по поглощаемому компоненту: |
||
1 ХН n ХК 1 n ХНсм 0 , откуда |
ХНсм |
ХН nХK |
. С увеличением n |
|
|||
|
|
1 n |
|
нижняя рабочая точка приближается к линии равновесия. nmax – максимальная кратность циркуляции, движущая сила =0. Рециркуляция выгодна в том случае, если затраты на
увеличение поверхности массопередачи больше, чем затраты, связанные с уменьшением движущей силы.
22. Понятие «флегмовое число» в процессах ректификации бинарных смесей. Влияние флегмового числа на затраты тепла в кубе колонны, на разделяющую способность колонны.
Ответ: уменьшение числа теорит.ступеней
Флегмовое число (R) представляет собой количество кмоль флегмы, возвращаемой в колонну в расчете на один кмоль отводимого дистиллята. Положение рабочей линии укрепляющей части колонны определяется R и составом дистиллята Х2 . С ростом R рабочая линия располагается ближе к диагонали, в результате уменьшается число теоретических тарелок, необходимое для достижения заданной степени разделения в укрепляющей части колонны. Одновременно при постоянном потоке отбираемого верхнего продукта П (дистиллята) с ростом R увеличиваются потоки (затраты) теплоты в кубе и конденсаторе колонны: рост R при постоянном П означает увеличение потока флегмы L. Поэтому с повышением R возрастают расходы теплоносителя в кипятильнике и охлаждающего агента –в конденсаторе. Рабочее флегмовое число, при котором может работать колонна, находится в пределах Rmin <R ≤R=∞.
18
24. Укажите, какой из массообменных процессов проводится с наибольшими энергетическими затратами: а) абсорбция, б) ректификация, в) экстракция, г) кристаллизация. Обоснуйте правильность выбранного ответа.
Ответ: Ректификация. теплота испарения больше теплоты плавления
Абсорбция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких компонентов из газовой смеси жидким поглотителем (абсорбентом). Растворимость газов в жидкости с ростом температуры уменьшается, поэтому процесс проводится без подвода тепла извне. Ректификацией называется процесс переноса компонента (компонентов) между кипящей жидкой и насыщенной конденсированной паровой фазами при противотоке этих фаз. В ректификационную колонну необходимо подавать нагретую до температуры кипения смесь и подогревать смесь в отгонной части колонны. Таким образом, процесс ректификации требует очень больших энергетических затрат, связанных с нагревом смеси и переводом НКК из жидкого в газообразное состояние. Экстракция (жидкостная) – это избирательное извлечение компонента (компонентов) из жидкой смеси с помощью жидкого растворителя. Экстракция проводится при невысоких температурах, без подвода тепла из вне.
Кристаллизация представляет собой процесс образования кристаллической фазы из расплавов, растворов и газовой фазы. Основной расход тепла в процессе кристаллизации связан с нагревом смеси при растворении исходной твердой фазы. Однако данный процесс протекает без изменения агрегатного состояния растворителя.
Таким образом можно сделать вывод, что процесс ректификации является наиболее энергоемким из рассмотренных массобменных процессов.
19
25. Какое минимальное количество колонн необходимо использовать при разделении трехкомпонентных зеотропных смесей непрерывной ректификацией для получения чистых компонентов? Представьте возможные схемы разделения и поясните их преимущества и недостатки.
Ответ: Непрерывная ректификация многокомпонентных смесей осуществляется в установках, состоящих из ряда ректификационных колонн непрерывного действия, соединение которых в общую схему может быть различным. Каждая из колонн разделяет поступающую на нее смесь на два продукта – дистиллят и кубовый остаток. Поэтому при наличии трех компонентов в смеси разделение их в одной колонне невозможно. В этом случае нужны две колонны, причем их работа может быть организована в двух вариантах:
1. Кубовый остаток – бинарная смесь.
|
Смесь из трех компонентов А, В, С разделяется в первой колонне на дистиллят |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(компонент А требуемой чистоты) и кубовый |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
остаток, состоящий преимущественно из |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
компонентов |
В и С. |
Эту бинарную смесь |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
разделяют во второй колонне на В (дистиллят) и |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
С |
(кубовая |
|
жидкость). Кипящая кубовая |
||||||||||||||||||
А+В+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкость |
из |
|
первой |
колонны во |
|
вторую |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
подается насосом. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Дистиллят – бинарная смесь. |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дистиллятом |
|
первой |
колонны |
|
является |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
В+С |
|
|
|
5 |
|
|
|
С |
|
концентрированная смесь двух компонентов (А |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
1,2 – колонны 3 – конденсатор 4 – |
|
и |
В), |
а |
|
кубовый |
остаток |
содержит |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
кипятильник |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
преимущественно |
|
компонент |
С. |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
Бинарная смесь А+В самотеком |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
направляется во вторую колонну, где |
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
разделяется на А и В. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А+В |
|
|
|
|
|
|
|
А |
||||||||||||||||||
|
Отсутствие |
|
|
|
|
насоса |
|
|
для |
р1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
как |
||||||||||||||
|
перекачивания |
|
кипящей |
жидкости |
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|||||||||||||||||||||
|
будто |
делает |
|
вариант |
(2) |
более |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
привлекательным, чем (1). Однако (2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
характеризуется |
|
|
|
повышенным |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
|
В |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
расходом флегмы по сравнению с (1), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1,2 – колонны 3 – конденсатор 4 – |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
расход |
|
|
флегмы |
|
|
|
определяется |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
кипятильник |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
возвратом на орошение лишь одного компонента А. Поэтому для варианта (2) характерны более высокие расходы
теплоносителей и увеличенные теплообменные поверхности кипятильника и конденсатора. Оценки показывают, что вариант (2) по энергетическим затратам становится равноценным (1), если конденсатор первой колонны по схеме (2) использовать в качестве дефлегматора.
20