Шутов А.А._Биотехнологии_ПР2. Решение. Сначала вычислим коэффициент диффузии при 20 С по формуле Для сероводорода Для воды
![]()
|
![]() МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» Институт химии и энергетики (институт) ______«Химическая технология и ресурсосбережение» (кафедра) Практическое задание № 2 «Схема биотехнологического производства» по учебному курсу «Биотехнология» Вариант ____ (при наличии)
Тольятти 2022 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ № 2. ЗАДАЧИ ПО РАСЧЕТУ АДСОРБЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Пример 1. Вычислить коэффициент диффузии сероводорода в воде при 50 °С. Решение. Сначала вычислим коэффициент диффузии при 20 °С по формуле: ![]() Для сероводорода Для воды А=1 В=4,7, ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Подставляем эти значения в формулу: ![]() Вычисляем температурный коэффициент b по формуле ![]() ![]() Искомый коэффициент диффузии по формуле равняется ![]() Пример 2. Определить коэффициент массопередачи в водяном скруббере при поглощении из газа диоксида углерода по следующим данным. В скруббер поступает 6000 м3/ч газовой смеси, считая при атмосферном давлении и при рабочей температуре. На скруббер подается 700 м3/ч чистой воды. Начальное содержание диоксида углерода в газе 30% (об.), конечное (в верху скруббера) 0,3% (об.). Давление в скр.уббере рабо = 20 кгс/см2. Температура 20 °С. В нижнюю часть скруббера загружено 4 т керамических колец 50x50X5 мм. Выше загружено 20 т колец 35x35x4 мм. Коэффициент смоченности считать равным единице. Решение. Вычислим суммарную поверхность всех колец. Поверхность колец 50x50x5 мм: ![]() где ![]() ![]() Аналогично вычисляем поверхность колец 35x35x4 мм: ![]() Суммарная поверхность всех колец: ![]() Определим количество диоксида углерода, поглощенного водой. Начальное количество диоксида углерода в газе (в низу скруббера): ![]() Количество диоксида углерода в выходящем газе (в верху скруббера): ![]() Поглощается водой: ![]() ![]() где ![]() Находим движущую силу процесса абсорбции в низу скруббера. Парциальное давление диоксида углерода на входе в скруббер ![]() где ![]() Мольная доля СО2 в воде, вытекающей из скруббера: ![]() Коэффициент Генри Е для диоксида при 15 °С равен 0,93·106 мм рт. ст. (табл. ХLI), или 0,124·106 кПа; отсюда парциальное давление диоксида углерода в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из скруббера [уравнение (6.2)]: ![]() Движущая сила процесса абсорбции в низу скруббера: ![]() Определяем движущую силу процесса абсорбции на верху скруббера. Парциальное давление диоксида углерода в газе, выходящем вверху из скруббера: ![]() Так как вода на орошение скруббера подается чистая, то парциальное давление диоксида углерода в равновесном с водой газе равно нулю; отсюда движущая сила процесса абсорбции на верху скруббера: ![]() Средняя движущая сила для всего процесса: ![]() Коэффициент массопередачи: ![]() Пример 3. Из критериального уравнения (6.45) вывести расчетную формулу для определения числа единицы переноса по газовой фазе. Решение. Из уравнения ![]() в котором ![]() ![]() ![]() ![]() или в соответствии с уравнением (6.43) при ![]() ![]() Пример 4 Определить коэффициент массоотдачи для газовой фазы в насадочном абсорбере, в котором производится поглощение диоксида серы из инертного газа (азота) под атмосферным давлением. Температура в абсорбере 22°С, он работает в пленочном режиме. Скорость газа в абсорбере (фиктивная) 0,5 м/с. Абсорбер заполнен кусками кокса ( ![]() ![]() 1. По уравнению для Нуссельта ![]() где: ![]() ![]() где г = 0,017710-6 Пас – вязкость воздуха (рис. VI) ![]() ![]() ![]() Коэффициент диффузии берем такой же, как в воздухе ![]() Prг = Г / (гDг) = 0,017710-3/(1,1611,5710-6) = 1,32 Где Dг = 10,310-6 м2/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях ![]() Определяем коэффициент массоотдачи в газовой фазе ![]() ![]() ![]() Пример 6.4. В массообменном аппарате, работающем под давлением рабс = 4 кгс/см2, коэффициенты массоотдачи имеют следующие значения: ![]() ![]() ![]() Решение. Приведем уравнение равновесия к виду у* = тх: ![]() Находим коэффициенты массопередачи ![]() ![]() ![]() ![]() Проверка ![]() ![]() Отношение диффузионных сопротивлений жидкой и газовой фаз при движущей силе ![]() ![]() Такое же отношение будет и при движущей силе Ад;. Диффузионное сопротивление жидкой фазы в 1,9 раза больше сопротивления газовой фазы. Пример 5. Воздух атмосферного давления при температуре 40 °С насыщен водяным паром. Определить парциальное давление воздуха, объемный и массовый % пара в воздушно-паровой смеси и его относительную массовую концентрацию, считая оба компонента смеси идеальными газами. Атмосферное давление 750 мм рт. ст. Определить также плотность воздушно- паровой смеси, сравнить ее с плотностью сухого воздуха. Решение. По табл. XXXVIII находим, что при t = 34 °С давление насыщенного водяного пара составляет 55,32 мм рт. ст. Это давление является парциальным давлением водяного пара ![]() ![]() Мольная (объемная) доля водяного пара в смеси: у = Рп/П = 55,32/750 = 0,0738. Массовая доля пара: ![]() Относительная массовая концентрация: ![]() Плотность воздушно-паровой смеси рассчитываем как сумму плотностей компонентов, взятых каждая при своем парциальном давлении: ![]() ![]() Можно рассчитать плотность смеси иначе. Мольная масса смеси: ![]() Плотность смеси при П = 745 мм рт. ст. и t=40ºC ![]() Плотность сухого воздуха при тех же давлении и температуре: ![]() Пример 6. Жидкая смесь содержит 65% (мол.) толуола и 35% (мол.) четыреххлористого углерода (ч. х. у.). Определить относительную массовую концентрацию толуола ![]() ![]() Решение: Относительная массовая концентрация толуола: ![]() где ![]() ![]() ![]() Чтобы рассчитать объемную массовую концентрацию толуола Си, необходимо знать плотность смеси рсм. Для расчета плотности предварительно найдем массовую долю толуола х. По табл. 6.2: ![]() Далее по табл. IV находим: плотность толуола ртол = 875 кг/м3, плотность четыреххлористого углерода рч х у = 1640 кг/м3. Считая, что изменение объема при смешении не происходит, т. е. объем смеси равен сумме объемов компонентов, находим объем 1 кг смеси ![]() ![]() Можно рассчитать рсм и так: ![]() Объемная массовая концентрация толуола: ![]() Пример 7. В массообменном аппарате - абсорбере коэффициент массопередачи ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Решение Напишем равенства ![]() где М - мольный расход переходящего в жидкость компонента, кмоль/ч. Тогда 1) ![]() ![]() ![]() Из табл. 6.2 ![]() В данном примере ![]() ![]() ![]() ![]() 2) по уравнению ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() 3) из равенств ![]() где W – массовый расход переходящего компонента, кг/ч ![]() По табл. 6.2 ![]() ![]() ![]() ![]() Отсюда ![]() ![]() ![]() Пример 8. Определить теоретически минимальный расход жидкого поглотителя с мольной массой 260 кг/кмоль, необходимый для полного извлечения пропана и бутана из 2000 м³/ч (считая при нормальных условиях) газовой смеси. Содержание пропана в газе 20% (об.), бутана 15% (об.). Температура в абсорбере 40°С, абсолютное давление 3 кгс/сма (294 кПа). Растворимости бутана и пропана в поглотителе характеризуются законом Рауля. Решение: Максимальная концентрация (мольная доля) пропана в поглотителе, вытекающем из скруббера (равновесная с входящим газом), определяется по уравнению (6.8): ![]() где ![]() Количество содержащегося в газовой смеси пропана, которое требуется поглощать: ![]() Минимальный расход поглотителя для поглощения пропана определяется из уравнения: ![]() где ![]() Или 278,9· 260 = 72505 кг/ч Наибольшая возможная концентрация бутана в поглотителе, вытекающем внизу из скруббера: ![]() где ![]() Количество поглощаемого бутана: ![]() Минимальный расход поглотителя для поглощения бутана: ![]() Минимальный расход поглотителя для полного поглощения бутана значительно меньше, чем для поглощения пропана, следовательно, найденным выше количеством поглотителя (278,9 кмоль/ч) бутан будет полностью уловлен. Пример 6.2. Воздух атмосферного давления при температуре 50 °С насыщен водяным паром. Определить парциальное давление воздуха, объемный и массовый % пара в воздушно-паровой смеси и его относительную массовую концентрацию, считая оба компонента смеси идеальными газами. Атмосферное давление 740 мм рт. ст. Определить также плотность воздушно- паровой смеси, сравнить ее с плотностью сухого воздуха. Решение. По табл. XXXVIII находим, что при t = 50 °С давление насыщенного водяного пара составляет 92,51 мм рт. ст. Это давление является парциальным давлением водяного пара ![]() ![]() Мольная (объемная) доля водяного пара в смеси: у = Рп/П = 92,51/740 = 0,125. Массовая доля пара: ![]() Относительная массовая концентрация: ![]() Плотность воздушно-паровой смеси рассчитываем как сумму плотностей компонентов, взятых каждая при своем парциальном давлении: ![]() ![]() Можно рассчитать плотность смеси иначе. Мольная масса смеси: ![]() Плотность смеси при П = 740 мм рт. ст. и t=50ºC ![]() Плотность сухого воздуха при тех же давлении и температуре: ![]() |