Теплофизические свойства технологических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задача №1

Требуется перекачать воду из бака с атмосферным давлением в аппарат, в котором поддерживается избыточное давление ДP_ДОП, МПа. Производительность насоса составляет G, т/ч. Для:

Уо = 0,5 + 1,0 + 8,25 + 2 x 0,5 + 4 x 0,23 = 11,7

Высота подъема воды - h_ПОД, м, динамический коэффициент вязкости ее при 20°C м_В = 10^-3 Па/с, плотность с_В = 1000 кг/м³.

Определить мощность, потребляемую насосом, приняв общий КПД, равным з = 0,65.

Дано:

G = 20 т/ч;

м_в = 10^-3 Па/с;

ДР_доп = 0,01 МПа;

с_в = 1000 кг/м³

l = 26 м;

з = 0,65;

d_тр = 89х4 мм;

?о = 11,7;

h_под = 20 м;

Д = 2•10^-4 м.

Найти:

N - ?

Решение:

1. Объемный расход воды равен:



2. Найдем скорость воды в трубопроводе:

Где:

d_вн - внутренний диаметр трубопровода.

d_вн = 89 - 2•4 = 81 мм.

3. Определим режим течения, для этого найдем критерий Рейнольдса:

Режим течения турбулентный.

4. Найдем относительную шероховатость:

Задача №2

Определить площадь поверхности фильтрования F_Ф на фильтр- прессе, если требуется отфильтровать G тонн виноматериалов за ф_ф = 3 часа. При экспериментальном фильтровании на лабораторном фильтр - прессе таких же виноматериалов в тех же условиях константы фильтрования составили:

С = 1,4 *·10^-3 м³/м²;

K = 20·* 10^-4 м²/ч.

Плотность виноматериалов с_В = 1080 кг/м³.

Изобразить схему фильтр-пресса.

Дано:

G = 1200 кг;

д = 0,06 м;

ф_ф = 3 ч;

ba = 0,5 x 0,5 м²;

С = 1,4•10^-3 м³/м²;

k = 2•10^-3 м²/ч;

с_ж = 1080 кг/м³;

Найти:

F_ф - ?

Решение:

Площадь поверхности фильтрования определяется по уравнению:

Количество фильтрата в м³:

Поверхность фильтрования найдем по формуле:

Найдем число плит:

Где:

- площадь одной плиты.

Принимаем число плит 30.

Рабочая длина фильтра L_ф равна:

Где:

- толщина плиты рамы.

Ответ:

F_ф = 14,6 м²;

n = 30;

L_ф = 3,54 м.

Разработаем схему рамного фильтр-пресса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема рамного фильтр-пресса состоит из:

1 - фильтрующие перегородки;

2 - плита;

3 - рама;

4 - внутреннее пространство рам.

Задача №3

Определить поверхность теплообмена F одноходового кожухотрубного теплообменника, количество трубок и их длину для нагревания 10%-ного этилового спирта при массовом расходе его G, т/ч от t_Н до t_К водой, протекающей в межтрубном пространстве и имеющей начальную температуру = 80⁰C.

Скорость 10%-ного раствора этилового спирта можно принять равной v = 0,5 м/с, диаметр нагревательных трубок d = 25x2,5 мм, коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке трубок - б₁ = 800, Вт/м²К, термическое сопротивление загрязнений с обеих сторон стенки r = 0,00067 м²К/Вт.

Кроме того, необходимо изобразить:

1) график изменения температур теплоносителей (воды и раствора этилового спирта), приняв противоточное направление теплоносителей;

2) схему трубного теплообменника.

Дано:

G = 6 т/ч;

v = 0,5 м/с;

t'_н = 80?C;

d = 25х2.5 мм;

t'_к = 30?C;

б₁ = 800 Вт/м²К;

t_н = 22?C;

r = 0,00067 м²К/Вт;

t_к = 42?C.

Найти:

F - ?

n - ?

l - ?

Решение:

1. Количество теплоты, переданной от горячей воды к раствору спирта равно:

Где:

С - теплоемкость спирта при средней температуре.

Основные теплофизические характеристики 10%-го спирта.

С = 4273 Дж/кг;

л = 0,57 Вт/м;

с = 978 кг/м³;

м = 1,102•10^-3 Па.

2. Найдем поверхность теплообмена:

Где:

К - коэффициент теплопередачи;

Дt_ср - средняя разность температур.

Изобразим график изменения температур теплоносителей.



График изменения температур теплоносителей:

Коэффициент теплопередачи равен:

Где:

л_СТ - коэффициент теплопроводности стенки, принять равным 46,5 Вт/мК;

д - толщина нагревательной трубки, м.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору спирта равен:

Уравнение для расчета критерия Нуссельта Nu при турбулентном режиме движения водно-спиртового потока имеет вид:

d_вн = 25 - 2•* 2,5 = 20 мм.

Найдем критерии Рейнольдса и Прандтля:



3. Найдем количество нагревательных трубок:

Где:

- площадь поперечного сечения одной трубки, м²;

с - плотность 10%-ного раствора спирта, кг/м³.

Принимаем число трубок 11.

4. Найдем длину нагревательных трубок:

Ответ:

F = 23 м²;

n = 11;

l = 33,3 м.

Далее построим схему трубного теплообменника.

В схеме трубного теплообменника:

1 - кожух;

2 - трубные решетки;

3 - трубы;

4 - днище;

А - нагреваемый теплоноситель;

В - охлаждаемый теплоноситель.

Задача №4

Рассчитать однокорпусной выпарной аппарат по следующим данным:

1. Количество свежего водного раствора, поступающего на упаривание - G_Н, т/ч.

2. Концентрация сухих веществ в свежем растворе - x_Н, % масс.

3. Концентрация сухих веществ в упаренном растворе - х_К, % масс.

4. Температура свежего раствора - t_Н, єС.

5. Температура кипения раствора - t_К, єС.

6. Теплоемкость раствора - С_Р, кДж/кг·К.

7. Давление греющего пара - P_Г, МПа.

8. Давление пара в аппарате - P_ВТ, МПа.

9. Коэффициент теплопередачи - К, Вт/м²К.

10. Коэффициент, учитывающий тепловые потери от полезно затраченной теплоты - г, %.

Требуется определить:

1. Массу упаренного раствора - G_К, кг/ч.

2. Массу выпаренной воды - W, кг/ч.

3. Расход греющего пара - Д, кг/ч.

4. Удельный расход греющего пара - d, кг/кг.

5. Полезную разность температур - Дt_ПОЛЕЗН, К.

6. Поверхность теплообмена выпарного аппарата - F, м².

Дано:

G_Н = 6 т/ч;

С_Р = 3,15 кДж/кг/К;

x_Н = 5%;

P_Г = 0,11 МПа;

х_К = 30%;

P_ВТ = 0,04 МПа;

t_Н = 35єС;

К = 1120 Вт/м²К

t_К = 82єС;

г = 5%.

Найти:

G_К - ?

W - ?

D - ?

d - ?

Дt_ПОЛЕЗН - ?

F - ?

Решение:

1. Составим материальный баланс и найдем массу упаренного раствора G_К:

2. Найдем массу выпаренной воды W, кг/ч:

 = 6 - 1 = 5 т/ч

3. Составим уравнение теплового баланса:

Где:

, - энтальпия соответственно пара и конденсата кДж/кг, значения берутся по P_Г;

- энтальпия вторичного пара кДж/кг, значения берется по Р_ВТ;

С_В - удельная теплоемкость воды, кДж/кгК, берется по t_Н;

D - расход пара;

= 2680 кДж/кг;

= 428,84 кДж/кг;

С_В = 4,18 кДж/кг;

= 2636,8 кДж/кг.

Найдем расход пара:

4. Найдем удельный расход пара:



5. Полезную разность температур найдем по формуле:

Где:

- температура греющего пара берется по P_Г.

= 102,32 ?С

6. Поверхность теплообмена выпарного аппарата найдем из основного уравнения теплопередачи:

Ответ:

G_К = 1 т/ч;

W = 5 т/ч;

D = 1,63 кг/с;

d = 1,17 кг/кг;

Дt_ПОЛЕЗН = 20,32?С;

F = 161 м².

Задача №5

Рассчитать ректификационную колонну непрерывного действия для разделения смеси этиловый спирт - вода по следующим данным:

1. Количество поступающего на ректификацию раствора - G_f, кг/ч.

2. Содержание спирта в исходном растворе - а_f, % масс.

3. Содержание спирта в дистилляте - а_d, % масс.

4. Содержание спирта в кубовом остатке - а_w, % масс.

5. Коэффициент избытка флегмы - у.

6. КПД тарелки - з.

7. Давление греющего пара - P_Г, МПа.

8. Расстояние между тарелками - h = 300 мм.

9. Давление в колонне атмосферное.

Требуется определить:

1. Количество дистиллята - G_d, кг/ч.

2. Количество кубового остатка - G_w, кг/ч.

3. Число действительных тарелок - n_Д, шт.

4. Высоту колонны - Н, м.

5. Диаметр колонны - D_К, м.

6. Расход греющего пара - Д, кг/ч.

Дано:

G_f = 1300 кг/ч;

з = 0,4;

а_f = 26%;

P_Г = 0,26 МПа;

a_d = 80%;

h = 300 мм;

a_w = 2,8%;

у = 1,2.

Найти:

G_d - ?

G_w - ?

n_д - ?

H - ?

D_K - ?

D - ?

Решение:

Для наглядности построим схему ректификационной установки.

В схеме ректификационной установки:

1 - подогреватель;

2 - колонна;

3 - кипятильник;

4 - дефлегматор;

5 - делитель флегмы;

6 - холодильник.

1. Запишем уравнения материального баланса:

Из приведенных уравнений определяем расходы дистиллята G_d и кубового остатка G_w.

2. Для построения рабочих линий ректификации в x - y координатах производится пересчет концентраций легколетучего компонента, находящегося в исходной смеси, дистилляте и в кубовом остатке в моль-доли по формулам:

Где:

М_А и М_В - мольные массы соответственно легколетучего (спирта) и труднолетучего (воды) компонентов.

3. На основании опытных данных строим кривую равновесия для исходной смеси в x - y координатах.

Равновесные составы жидкости и пара, и температуры кипения для системы этиловый спирт - вода при атмосферном давлении.

Содержание спирта в моль-долях в:	Температуры кипения смеси, t,0С
жидкости, x	паре, y
0,004	0,045	98,75
0,041	0,299	91,3
0,089	0,421	87,0
0,143	0,493	84,7
0,206	0,543	83,1
0,281	0,567	81,9
0,369	0,603	81,0
0,477	0,642	80,2
0,610	0,703	79,5
0,778	0,804	78,5
0,894	0,894	78,15



4. Определим минимальное флегмовое число:

Где:

у_fР - концентрация легколетучего компонента в парах, равновесная с концентрацией легколетучего компонента в исходной смеси, определяется по кривой равновесия, при известном х_f.

у_fР = 0,470 моль/моль.

5. Найдем рабочее флегмовое число:

6. Построим рабочие линии, для этого найдем число В:

Отложим значение В на диаграмме и построим рабочие линии для верхней и нижней частей колонны:

Т.А. - верхняя часть колонны:

Т.Д. - нижняя часть колонны:

7. Нанесем линии, обозначающие теоретические тарелки. По количеству пиков определим число теоретических тарелок n_т.

n_т = 6,4.

Число действительных тарелок определяется по уравнению:

8. Рабочая высота колонны, м:

Где:

h - расстояние между тарелками, м.

9. Определим диаметр колонны:

- расход пара в колонне, м³/с;

- средняя температура паров в колонне t_d и t_w определяются по составу дистиллята х_d и кубового остатка х_w.

t_d = 79,5єС;

t_w = 97,54єС.

Рабочая скорость пара в колонне равна, м/с:

Средняя плотность пара, кг/м³:

Плотность пара, выходящего из куба и поступающего в дефлегматор, приближенно можно определить по формулам:

Где:

t_w и t_d - температуры кипения смеси в кубе и дефлегматоре.

Среднюю плотность жидкости в колонне находим как среднюю между:

- плотностями спирта при:

t = 78⁰С (с_жd = 735 кг/м³);

- и воды:

с_жw = 958 кг/м³.

м/с

Принимаем D_K = 0,4 м.

10. Расход теплоты определим из уравнения теплового баланса:

Где:

r_d - теплота парообразования, кДж/кг;

С_f, r_d, С_d, t_d, С_w, t_w, t_f определяют по а_f, а_d, а_w.

С_f = 4,337 кДж/кг;

t_d = 79,5єС;

t_f = 85,68єС;

r_d = 1142,98 кДж/кг;

С_w = 4,233 кДж/кг;

С_d = 3,223 кДж/кг;

t_w = 97,54 єС.

11. Расход греющего пара кг/ч равен:

Где:

, - соответственно энтальпия греющего пара и конденсата, выбирается по значению Р_Г.

Ответ:

G_d = 391 кг/ч;

G_w = 909 кг/ч;

n_д = 16;

H = 4,5 м;

D_K = 0,4 м;

D = 239 кг/ч.

Задача №6

Рассчитать непрерывно действующую сушилку, работающую по нормальному действительному сушильному процессу, при следующих данных:

1. Производительность сушилки по влажному материалу G1, кг/ч;

2. Начальная влажность материала W1, %;

3. Конечная влажность материала W2, %;

4. Теплоемкость высушенного материала CМ, кДж/(кгK);

5. Масса транспортного устройства МТР, кг;

6. Теплоемкость транспортного устройства CТР, кДж/(кгK);

7. Температура материала на входе в сушилку tМ1°C;

8. Температура материала на выходе из сушилки tМ2°C;

9. Температура транспортного устройства на входе в сушилку tТР1°C;

10. Температура транспортного устройства на выходе из сушилки tТР2°C;

11. Температура наружного воздуха t0,°C;

12. Температура воздуха на выходе из калорифера t1,°C;

13. Температура воздуха на выходе из сушилки t2,°C;

14. Относительная влажность наружного воздуха ц0, %;

15. Тепловые потери в окружающую среду от суммы всех остальных слагаемых теплового баланса ж, %;

16. Давление греющего пара PГ, МПа.

Требуется рассчитать:

1. Расход воздуха L, кг/ч;

2. Расход теплоты Q, кДж/ч;

3. Расход греющего пара в калорифере Д, кг/ч;

4. Дать схемы процессов для теоретической и действительной сушилок в I-d диаграмме.

Дано:

G₁ = 4500 кг/ч;

t₀ = 21?C;

W₁ = 30%;

t₁ = 95?C;

W₂ = 9%;

t₂ = 54?C;

C_м = 2,14 кДж/кг;

ц₀ = 60%;

М_тр = 2000 кг/ч;

? = 12%;

С_тр = 1,59 кДж/кг;

Р_Г = 0,5 МПа;

t_м1 = 19?C;

t_м2 = 54?C;

t_тр1 = 26?C;

t_тр2 = 59?C.

Найти:

L - ?

Q - ?

D - ?

Решение:

1. Количество испаренной в сушилке влаги (кг/ч) найдем по формуле:

По диаграмме найдем энтальпии I₀ и I₁ (кДж/кг) и влагосодержание d₀, d₂ (кг влаги/кг сух. возд.) до и после сушки.

I₀ = 48 кДж/кг;

I₁ = 112 кДж/кг;

d₁ = 0,009 кг/кг;

d₂ = 0,026 кг/кг;

ц₂ = 32%.

2. Расход сухого воздуха на испарение 1 кг влаги в теоретической сушилке определяется по формуле:

3. Расход теплоты на 1 кг испаренной влаги в калорифере (кДж/кг исп. вл.):

кДж/кг.

Производительность сушилки по высушенному материалу (кг/ч):

4. В действительной сушилке теплота расходуется на:

а) подогрев материала (кДж/кг):



б) подогрев транспортного устройства (кДж/кг):

5. Теплота, вносимая в сушилку с влагой материала (кДж/кг):

Где:

С_В - теплоемкость воды, кДж/кг/К.

Определяем тепловые потери (кДж/кг) в окружающую среду:

Поправка на действительный сушильный процесс определяется по формуле:



6. Запишем уравнение рабочей линии сушки:

Рассчитаем энтальпию воздуха на выходе из сушилки (кДж/кг):

По значениям t₂ и I₂ на I - d диаграмме определяем влагосодержание г/кг сух. возд. и соответственно действительный расход воздуха кг сух. возд./кг исп. вл.:

= 0,019 кг/кг.

7. Общий расход воздуха на сушку (кг/ч):

Общий расход теплоты в калорифере (кДж/ч):

Расход греющего пара на сушку (кг/ч):

теплофизический ректификационный воздух

Значение теплоты парообразования r (кДж/кг) выбирается по давлению греющего пара Р_Г. r = 2108,7 кДж/кг.

Ответ:

L = 103800 кг/ч;

Q = 6643,2 МДж/ч;

D = 3150,4 кг/ч.

Размещено на Allbest.ru

...