Процессы и аппараты в химической технологии и биотехнологии 2

Процессы и аппараты в химической технологии и биотехнологии 2

Практическое задание 1

Модуль 1. Массообменные процессы и аппараты для их проведения.

Тема 1.1. Абсорбция

Используя исходные данные из табл. 1 (номер варианта выбирается по первой букве фамилии студента), решите две задачи своего варианта.

Таблица 1

Рекомендации по выполнению задания

1. Запись должна содержать условие задачи, решение, ответ.

2. Необходимо как можно подробнее записывать решение, приводить формулы, которыми пользуетесь во время расчётов.

3. При выполнении задания используйте дополнительные материалы — учебное пособие «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии» под ред. П.Г.Романкова.

Вариант 1.

1. Смешаны два равных объёма бензола и нитробензола. Считая, что объём жидкой смеси равен сумме объёмов компонентов, определить плотность смеси, относительную массовую концентрацию Х нитробензола и его объёмную мольную концентрацию Сх.

2. Воздух с примесью аммиака пропускается через орошаемый водой скруббер, заполненный насадкой из колец с удельной поверхностью 89,5 м2/м3. Свободный объём насадки 0,79 м2/м3. Температура абсорбции 28˚С, абсолютное давление 1 кгс/см2. Среднее содержа­ние аммиака в газовой смеси 5,8% (об.). Массовая скорость газа, отнесённая к полному сечению скруббера, 1,1 кг/(м2·с). Определить коэффициент массоотдачи для газа, считая, что скруббер работает при плёночном режиме.

Вариант 2.

1. Состав жидкой смеси: хлороформа 20%, ацетона 40%, сероуглерода 40%. Проценты мольные. Определить плотность смеси, считая, что изменения объёма при смешении не происходит.

2. 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.

Вариант 3.

1. Воздух насыщен паром этилового спирта. Общее давление воздушно-па­ровой смеси 600 мм рт. ст., температура 60˚С. Принимая оба компо­нента смеси за идеальные газы, определить относительную массовую концентрацию Y этилового спирта в смеси и плотность смеси.

2. Определить коэффициент массоотдачи для газа в скруббере при погло­щении пара бензола из коксового газа по следующим данным: насадка хордовая из реек 12,5×100 мм с расстоянием между рейками b = 25 мм (для такой насадки dэ = 2b = 0,05 м); скорость газа, считая на полное сечение скруббера, 0,95 м/с; плотность газа 0,5 кг/м³; ди­намический коэффициент вязкости газа 0,013 мПа·с; коэффициент диффузии бензола в газе 16·10-6 м²/с. Режим считать плёночным.

Вариант 4.

1. Газ состава: водород 26%, метан 60%, этилен 14% (проценты мольные) имеет абсолютное давление p = 30 кгс/см² и температуру 20˚С. Считая компоненты смеси идеальными газами, определить их объёмные массовые концентрации Сy (в кг/м3).

2. Определить диаметр и высоту тарельчатого абсорбера для поглощения водой аммиака из воздушно­аммиачной смеси при атмосферном давлении и температуре 20˚С. Началь­ное содержание аммиака в газовой смеси 7% (об.). Степень извлечения 90%. Расход инертного газа (воздуха) 10000 м³/ч (при рабочих усло­виях). Линию равновесия считать прямой, её уравнение в относитель­ных массовых концентрациях: Y* = 0,61X. Скорость газа в абсорбере (фиктивная) 0,8 м/с. Расстояние между тарелками 0,6 м. Средний к.п.д. тарелок 0,62. Коэффициент избытка поглотителя φ = 1,3.

Вариант 5.

1. При температуре 25˚С приведены в соприкосновение: воздух атмосферного давления, содержащий 14%(об.) ацетилена, и вода, содержащая растворённый ацетилен в количестве 0,29 г на 1 кг воды. Атмосферное давление 765 мм рт. ст. Равновесные концентрации ацетилена в газо­вой и жидкой фазах определяются законом Генри. Определить движущую силу процесса массоперехода в начальный момент времени по газовой и по жидкой фазе в объёмных концентрациях — мольных и массовых.

2. В насадочном абсорбере для поглощения водой аммиака из воздушно-аммиачной смеси при атмосферном давлении и температуре 20˚С начальное содержание аммиака в газовой смеси 7% (об.). Степень извлечения 90%. Расход инертного газа (воздуха) 10000 м³/ч (при рабочих условиях). Линию равновесия считать прямой, её уравнение в относительных массовых концентрациях: Y* = 0,61X. Скорость газа в абсорбере (фиктивная) 0,8 м/с. Коэффициент избытка поглотителя φ = 1,3. Определить: 1) высоту абсорбера с насадкой из керамических колец 50×50×5 мм, приняв высоту слоя насадки, эквивалентную теоретической тарелке, равной 0,85 м; 2) величину коэффициента массопередачи в этом абсорбере Ку [кг аммиака/(м²·c·кг аммиака/ кг воздуха), считая коэффициент смоченности насадки ψ равным 0,9.

Вариант 6.

1. Пар бинарной смеси хлороформ – бензол, содержащий 50% хлороформа и 50% бензола, вступает в контакт с жидкостью, содержащей 44% хлороформа и 56% бензола (проценты мольные). 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 мольных долях). Данные о равновесных составах см. в табл. XLVII.

2. Абсорбер для улавливания паров бензола из парогазовой смеси ороша­ется поглотительным маслом с мольной массой 260 кг/кмоль. Среднее давление в абсорбере 800 мм рт. ст., температура 40˚С. Расход паро­газовой смеси 3600 м³/ч (при рабочих условиях). Концентрация бензола в газовой смеси на входе в абсорбер 2% (об.), извлекается 95% бензола. Содержание бензола в поглотительном масле, поступающем в абсорбер после регенерации, 0,2% (мол.). Расход поглотитель­ного масла в 1,5 раза больше теоретически минимального. Для расчё­та равновесных составов принять, что растворимость бензола в масле определяется законом Рауля. При концентрациях бензола в жидкости до Х = 0,1 кмоль бензола/кмоль масла равновесную зависимость Y = f(X) считать прямолинейной. Определить: 1) расход поглотительного масла в кг/ч; 2) концентрацию бензола в поглотительном масле, вы­ходящем из абсорбера.

Вариант 7.

1. Смесь: воздуха с паром четырёххлористого углерода, сжатая до абсолют­ного давления 10 кгс/cм2, охлаждается в трубчатом водяном холодильнике. При 40˚С начинается конденсация четырёххлористого углерода. Определить: а) массовый процент его в воздухе в начальной смеси и б) степень выделения из газовой смеси после охлаждения её до 27˚С. Давление насыщенного пара четырёххлористого углерода – см. рис. XIV или XXIV.

2. В насадочном абсорбере диаметром 1 м диоксид серы поглощается водой из воздуха. Началь­ное содержание SO2 в поступающей смеси 7% (об.). Степень поглощения 0,9. На выходе из абсорбера вода содержит 0,0072 кг SO2/кг воды. Коэффициент массопередачи в абсорбере Ку = 0,005 кг SO2/(м²·c·кг SO2/ кг воздуха). Насадка из керамических колец 50×50×5 мм. Коэффициент смоченности насадки ψ = 1. Высота единицы переноса h0y = 1,17 м. Опре­делить расход воды в абсорбере.

Вариант 8.

1. Газовая смесь, содержащая 0,8% (об.) октана, сжимается компрессором до pабс = 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. XIV, точка 31.

2. В абсорбере под атмосферным давлением при температуре 20˚С поглощается из парогазовой смеси 300 кг бензола в 1 ч. Начальное содержание пара бензола в парогазовой смеси 4% (об.). Степень извлечения бензола 0,85. Жидкий поглотитель, поступающий в абсорбер после регенерации, содержит 0,0015 кмоль бензола/кмоль поглотителя. Фиктивная скорость газа в абсорбере 0,9 м/с. Уравнение линии равновесия: Y* = 0,2X, 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 концентрацию бензола в поглотителе, выходящем из абсорбера.

Вариант 9.

1. Рассчитать коэффициенты молекулярной диффузии под атмосферным дав­лением: а) пара бензола в паре толуола при температуре 100˚С; б) пара этилового спирта в водяном паре при температуре 92˚С.

2. В скруббере поглощается водой диоксид серы из инертного газа (азо­та) под атмосферным давлением (760 мм рт. ст.). Начальное содержание диоксида серы в газе 5% (об.). Температура воды 20˚С, её расход на 20% больше теоретически минимального. Извлекается из газа 90% SO2. Определить: 1) расход воды на поглощение 1000 кг/ч сернистого газа; 2) среднюю движущую силу процесса; 3) общее число единиц переноса n0y. Линия равновесия может быть принята за прямую; координаты двух её точек: 1) парциальное давление SO2 в газовой фазе p = 39 мм рт. ст., Х = 0,007 кг SO2 /кг воды; 2) p = 26 мм рт. ст., Х = 0,005 кг SO2 /кг воды.

Вариант 10.

1. Определить коэффициент массопередачи в орошаемом водой абсорбере, в котором βy = 2,76·10-3 кмоль/(м2·ч·кПа), а βx = 1,17·10-4 м/c. Давление в аппарате p = 1,07 кгс/см2. Уравнение линии равновесия в мольных долях: y* = 102x.

2. В насадочном абсорбере производится поглощение пара метилового спирта водой из газа под атмосферным давлением при средней температуре 27˚С. Содержание метилового спирта в газе, поступающем в скруббер, 100 г на 1 м3 инертного газа (считая объём газа при рабочих условиях). На выходе из скруббера вода имеет концентрацию 67% от максимально возможной, т.е. от равновесной с входящим газом. Уравнение растворимости метилового спирта в воде в относительных мольных концентрациях: Y* = 1,15X. Извлекается водой 98% от исходного количества спирта. Коэффициент массопередачи: К = 0,5 кмоль спирта/(м2·ч·кмоль спирта/кмоль воды). Расход инертного газа 1200 м3/ч (при рабочих условиях). Абсорбер заполнен насадкой из керамических колец с удельной поверхностью 190 м2/м3. Коэффициент смачивания насадки ψ = 0,87. Фиктивная скорость газа в абсорбере w = 0,4 м/с. Определить расход воды и требуемую высоту слоя насадки.

Вариант 11.

1. Определить среднюю движущую силу и общее число единиц переноса n0y при поглощении из газа паров бензола маслом. Начальная концентрация бензола в газе 4% (об.); улавливается 80% бензола. Концентрация бензола в масле, вытекающем из скруббера, 0,02 кмоль бензола/кмоль чистого масла. Масло, поступающее в скруббер, бензола не содержит. Уравнение равновесной линии в относительных мольных концентрациях: Y* = 0,126X. Движущую силу выразить в единицах концентрации Y (кмоль бензола/кмоль инертного газа).

2. В скруббер диаметром 0,5 м подаётся 550 м³/ч (при 760 мм рт. ст. и 20˚С) воздуха, содержащего 2,8% (об.) 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; 3) высоту слоя насадки из керамических колец 50×50×5 мм. Коэффициент массопередачи К = 0,001 кмоль аммиака/(м²·c·кмоль аммиака/кмоль воздуха). Данные о равновесных концентрациях жидкости и газа взять из примера 6.10. Коэф­фициент смоченности насадки ψ = 0,9.

Вариант 12.

1. В скруббере поглощается водой диоксид серы из инертного газа (азо­та) под атмосферным давлением (760 мм рт. ст.). Начальное содержа­ние диоксида серы в газе 5% (об.). Температура воды 20˚С, её расход на 20% больше теоретически минимального. Извлекается из газа 90% SO2. Определить: 1) расход воды на поглощение 1000 кг/ч сернистого газа; 2) среднюю движущую силу процесса; 3) общее число единиц переноса n0y. Линия равновесия может быть принята за прямую; координаты двух её точек: 1) парциальное давление SO2 в газовой фазе p = 39 мм рт. ст., Х = 0,007 кг SO2 /кг воды; 2) p = 26 мм рт. ст., Х = 0,005 кг SO2 /кг воды.

2. Смешаны два равных объёма бензола и нитробензола. Считая, что объём жидкой смеси равен сумме объёмов компонентов, определить плотность смеси, относительную массовую концентрацию Х нитробензола и его объёмную мольную концентрацию Сх.

Вариант 13.

1. В насадочном абсорбере производится поглощение пара метилового спирта водой из газа под атмосферным давлением при средней температуре 27˚С. Содержание метилового спирта в газе, поступающем в скруббер, 100 г на 1 м3 инертного газа (считая объём газа при рабочих условиях). На выходе из скруббера вода имеет концентрацию 67% от максимально возможной, т.е. от равновесной с входящим газом. Уравнение растворимости метилового спирта в воде в относитель­ных мольных концентрациях: Y* = 1,15X. Извлекается водой 98% от исходного количества спирта. Коэффициент массопередачи: К = 0,5 кмоль спирта/(м2·ч·кмоль спирта/кмоль воды). Расход инертного газа 1200 м3/ч (при рабочих условиях). Абсорбер заполнен насадкой из керамических колец с удельной поверхностью 190 м2/м3. Коэффициент смачивания насадки ψ = 0,87. Фиктивная скорость газа в абсорбере w = 0,4 м/с. Определить расход воды и требуемую высоту слоя насадки.

2. Состав жидкой смеси: хлороформа 20%, ацетона 40%, сероуглерода 40%. Проценты мольные. Определить плотность смеси, считая, что изменения объёма при смешении не происходит.

Вариант 14.

1. В скруббер диаметром 0,5 м подаётся 550 м³/ч (при 760 мм рт. ст. и 20˚С) воздуха, содержащего 2,8% (об.) 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; 3) высоту слоя насадки из керамических колец 50×50×5 мм. Коэффициент массопереда­чи К = 0,001 кмоль аммиака/(м²·c·кмоль аммиака/кмоль воздуха). Данные о равновесных концентрациях жидкости и газа взять из примера 6.10. Коэффициент смоченности насадки ψ = 0,9.

2. Воздух насыщен паром этилового спирта. Общее давление воздушно-паровой смеси 600 мм рт. ст., температура 60˚С. Принимая оба компонента смеси за идеальные газы, определить относительную массовую концентрацию Y этилового спирта в смеси и плотность смеси.

Вариант 15.

1. Воздух с примесью аммиака пропускается через орошаемый водой скруббер, заполненный насадкой из колец с удельной поверхностью 89,5 м2/м3. Свободный объём насадки 0,79 м2/м3. Температура абсорбции 28˚С, абсолютное давление 1 кгс/см2. Среднее содержа­ние аммиака в газовой смеси 5,8% (об.). Массовая скорость газа, отнесённая к полному сечению скруббера, 1,1 кг/(м2·с). Определить коэффициент массоотдачи для газа, считая, что скруббер работает при плёночном режиме.

2. Газ состава: водород 26%, метан 60%, этилен 14% (проценты мольные) имеет абсолютное давление p = 30 кгс/см² и температуру 20˚С. Считая компоненты смеси идеальными газами, определить их объёмные массовые концентрации Сy (в кг/м3).

Вариант 16.

1. 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.

2. При температуре 25˚С приведены в соприкосновение: воздух атмосфер­ного давления, содержащий 14% (об.) ацетилена, и вода, содержащая растворённый ацетилен в количестве 0,29 г на 1 кг воды. Атмосферное давление 765 мм рт. ст. Равновесные концентрации ацетилена в газо­вой и жидкой фазах определяются законом Генри. Определить движущую силу процесса массоперехода в начальный момент времени по газовой и по жидкой фазе в объёмных концентрациях — мольных и массовых.