Шутов А.А._Биотехнологии_ПР2. Решение. Сначала вычислим коэффициент диффузии при 20 С по формуле Для сероводорода Для воды

• Название: Решение. Сначала вычислим коэффициент диффузии при 20 С по формуле Для сероводорода Для воды
• Дата: 06.06.2022
• Размер: 414.53 Kb.
• Имя файла: Шутов А.А._Биотехнологии_ПР2.docx
• Тип: Документы; #573206

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)

Студент	А.А. Шутов (И.О. Фамилия)
Группа	ЭРТбп 1701а (И.О. Фамилия)
Преподаватель	М.В Кравцова (И.О. Фамилия)

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, мПа с

табл. 6.3



Подставляем эти значения в формулу:

м²/с.

Вычисляем температурный коэффициент b по формуле





Искомый коэффициент диффузии по формуле равняется

м²/с.
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 р_або = 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:

м²;

где к/м³ - насыпная плотность насадки из колец 50X50X5 мм, м²/м³ - удельная поверхность насадки (табл. XVII).

Аналогично вычисляем поверхность колец 35x35x4 мм:

м²;

Суммарная поверхность всех колец:

м²;

Определим количество диоксида углерода, поглощенного водой. Начальное количество диоксида углерода в газе (в низу скруб­бера):

м³/ч;

Количество диоксида углерода в выходящем газе (в верху скруббера):

м³/ч;

Поглощается водой:

м³/ч;

кг/ч т.е 3290/44=748 кмоль/ч

где - 1,976 кг/м³ - плотность СО₂ при нормальных условиях; 44 кг/кмоль - мольная масса диоксида углерода

Находим движущую силу процесса абсорбции в низу скруб­бера.

Парциальное давление диоксида углерода на входе в скруббер

кПа

где кПа - общее давление в скруббере.

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)]:

кПа;

Движущая сила процесса абсорбции в низу скруббера:

кПа;

Определяем движущую силу процесса абсорбции на верху скруббера.

Парциальное давление диоксида углерода в газе, выходящем вверху из скруббера:

кПа;

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:

кПа;

Средняя движущая сила для всего процесса:

кПа;

Коэффициент массопередачи:

кг/м²·ч·кПа
Пример 3. Из критериального уравнения (6.45) вывести расчетную формулу для определения числа единицы переноса по газовой фазе.

Решение. Из уравнения



в котором , и выражены в кмоль/(м²-с), получаем



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 ( м²/м³, м³/м³)

1. По уравнению для Нуссельта



где: - постоянная Рейнольдса,



где _г = 0,017710^-6 Пас – вязкость воздуха (рис. VI)

кг/м³ - плотность воздуха;

- молярная масса азота кг/кмоль



Коэффициент диффузии берем такой же, как в воздухе

м²/с

Pr_г = _Г / (_гD_г) = 0,017710^-3/(1,1611,5710^-6) = 1,32

Где D_г = 10,310^-6 м²/с – коэффициент диффузии при стандартных условиях



Определяем коэффициент массоотдачи в газовой фазе

м/с

- эквивалентный диаметр, мм.

м

Пример 6.4. В массообменном аппарате, работающем под дав­лением р_абс = 4 кгс/см², коэффициенты массоотдачи имеют следующие значения:

, . Равновесные составы газовой и жидкой фаз характеризуются за­коном Генри . Определить: а) коэффициенты массопередачи К_у и К_х; б) во сколько раз диффузионное сопротив­ление жидкой фазы отличается от диффузионного сопротивления газовой фазы:

Решение. Приведем уравнение равновесия к виду у* = тх:



Находим коэффициенты массопередачи





Проверка / = 16,4/0,48 = 34 =m;

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 в воздушно-паровой смеси, а парциальное давление воздуха равняется:

мм рт. ст

Мольная (объемная) доля водяного пара в смеси:

у = _Рп/П = 55,32/750 = 0,0738.

Массовая доля пара:



Относительная массовая концентрация:

кг пара/кг воздуха;

Плотность воздушно-паровой смеси рассчитываем как сумму

плотностей компонентов, взятых каждая при своем парциальном давлении:



кг/м³;

Можно рассчитать плотность смеси иначе. Мольная масса смеси:

кг/кмоль;

Плотность смеси при П = 745 мм рт. ст. и t=40ºC

кг/м³;

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 и его объемную массовую концентрацию , (в кг/м³).

Решение:

Относительная массовая концентрация толуола:



где - мольная масса толуола (92 кг/кмоль); то же четыреххлористого углерода (154 кг/кмоль); х - мольная доля толуола.

кг тол/ кг ч. х. у

Чтобы рассчитать объемную массовую концентрацию толуола С_и, необходимо знать плотность смеси р_см. Для расчета плотности предварительно найдем массовую долю толуола х.

По табл. 6.2:



Далее по табл. IV находим: плотность толуола р_тол = 875 кг/м³, плотность четыреххлористого углерода р_{ч 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

кг/м³;

кг/м³;

Можно рассчитать р_см и так:

кг/м³;

Объемная массовая концентрация толуола:

кг/м³;
Пример 7. В массообменном аппарате - абсорбере коэффициент массопередачи Инертный газ (не переходящий в жидкость) - азот. Давление р_абс в аппарате 750 мм рт. ст., температура 30 °С. Определить значения коэффициента массопередачи в следующих единицах: 1) ; 2) ; 3)

Решение

Напишем равенства



где М - мольный расход переходящего в жидкость компонента, кмоль/ч.

Тогда

1) = , т.е



Из табл. 6.2



В данном примере



;

2) по уравнению

; ;

или

3) из равенств



где W – массовый расход переходящего компонента, кг/ч



По табл. 6.2



, - молярные массы переходящего компонента и инертного газа. При малых значениях:



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/см^а (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 = 972 кПа (9,9 кгс/см'²) - давление насыщенного пара пропана при 40°С.

Количество содержащегося в газовой смеси пропана, которое требуется поглощать:

кмоль/ч;

Минимальный расход поглотителя для поглощения пропана определяется из уравнения:



где

кмоль/ч;

Или 278,9· 260 = 72505 кг/ч

Наибольшая возможная концентрация бутана в поглотителе, вытекающем внизу из скруббера:



где = 255 кПа (2,6 кгс/см²) - давление насыщенного пара бутана при 40 °С,

Количество поглощаемого бутана:

кмоль/ч;

Минимальный расход поглотителя для поглощения бутана:

кмоль/ч;

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 в воздушно-паровой смеси, а парциальное давление воздуха равняется:

мм рт. ст

Мольная (объемная) доля водяного пара в смеси:

у = _Рп/П = 92,51/740 = 0,125.

Массовая доля пара:



Относительная массовая концентрация:

кг пара/кг воздуха;

Плотность воздушно-паровой смеси рассчитываем как сумму

плотностей компонентов, взятых каждая при своем парциальном давлении:



кг/м³;

Можно рассчитать плотность смеси иначе. Мольная масса смеси:

кг/кмоль;

Плотность смеси при П = 740 мм рт. ст. и t=50ºC

кг/м³;

Плотность сухого воздуха при тех же давлении и температуре:

кг/м³;