Inżynieria chemiczna

https://www.facebook.com/twoj.biotechnolog

1. zaprojektować absorber wypełniony

1) bilans procesu:

G_A=G_ig(Y_A2-Y_A1)=G_ic(X_A2-X_A1)=k_A•F•Δπ_Am

G_A=G_g(Y_A2-Y_A1) G_A - strumień składnika A, odebrany od fazy gazowej

G_ig - inert gazu , G_ic - inert cieczy

Y_A1,Y_A2 - faza gazowa, X_A1,X_A2 - faza ciekła

k_A - współczynnik przenikania masy

F - powierzchnia wymiany [m²] , Δπ_Am - moduł nap. Dyfuzji [-]

2) Obliczamy średni moduł napędowy:

- proces z inertem

Δπ_A1=Y_A1-Y_A1^* - proces eknimoliczny

3. Obliczamy współczynnik wnikania masy

Sh=C•Re^A•Sc^B

Dla gazu: Sh=0,11Re^0,8•Sc^{0,33
współ dla gazu}

Dla cieczy: Sh=0,015Re^0,66•Sc^{0,33
współ dla cieczy}

g_o - prędkość masowa [kg/m²h]

a - pow. jednostk. [1/m]

μ - dynamiczny współczynnik lepkości miesz [kg/m•s]

q - gęstość mieszaniny

D_A - kinetyczny współczynnik dyfuzji skł A [m²/s] V2 - charakt wymiar liniowy

D_w - wymiar liniowy (zewnetrzny wymiar wypełnienia) [m²]

δ_A - dynamiczny współczynnik dyfuzji [kmol/m•s]

β_A - współczynnik wnikania masy [kmol/m²•h]

4. Obliczamy współczynnik przenikania masy:

n - zamiennik stężeń

5. Obliczamy powierzchnię wymiany masy

6. Obliczamy wysokość wypełnienia:

F_C - powierzchnia [m²]
- współ. użyteczności powierzchni

f_o - przekrój poprzeczny absorbentu [m²]

a - powierzchnia jednostkowa [1/m]

2. Moc pompy

Δp - spadek ciśnienia [N/m²]

- sprawność

- strumień objętościowy [m³/s]

• teoretyczna

- wydajność p - ciśnienie

• efektywna

η_m - sprawność mechaniczna

• użyteczna

gdzie: η_v - sprawność objętościowa

3. Fluidyzacja

Proces polegający na zawieszeniu i mieszaniu ziaren drobno zmielonego ciała stałego w płynącej do góry strudze płynu (cieczy lub gazu). Przy małych przepływach materiał będzie nieruchomy. Gdy zwiększymy prędkość cały ładunek zostanie uniesiony. Cząstki unoszone są do góry środkiem i opadają przy ściankach (dodatkowo zjawisko mieszania).

ZASTOSOWANIE: procesy spalania, suszenie materiałów ziarnistych, procesy katalityczne, reaktorowe

ZALETY: duża rozwinięta powierzchnia dwóch faz, stała temperatura, ciepło odbierane przez ścianki

WADY: na skutek mieszania cząstek - ścieranie, wymagana stała kontrola aparatury

4. Rodzaje stężeń w inżynierii

STĘŻENIE	JEDNOSTKI	OZNACZENIA FAZ
				GAZOWA	CIEKŁA
Ciśnienie cząstkowe	mm Hg, mm H2O, atm, Atm, Pa	PA	---
Udział molowy	^kmolA/kmol	YA	XA
Udział masowy	^kgA/kg
Udział objętościowy	m^3A/m^3	VA	---
Stosunek molowy	^kmolA/kmoli	YA	XA
Stosunek masowy	^kgA/kgi
Koncentracja molowa	^kmolA/m^3	CAg	CAc
Koncentracja masowa	^kgA/m^3
Stężenie uogólnione	-------	ZA	SA

5. Mieszanie, rodzaje mieszadeł

proces mieszania ma szerokie zastosowanie przemysłowe i laboratoryjne - szereg reakcji chemicznych jest przeprowadzanych w mieszalnikach wyposażonych w różnego typu mieszadła. Proces mieszania ma przeważnie za zadanie przyspieszyć przebieg reakcji, uzyskać jednorodną emulsję lub zawiesinę, czy też wyrównać stężenia rozpuszczonych substancji. W mieszalnikach uzyskuje się również szybsze wyrównania temperatur cieczy. W wyniku intensywnego mieszania nie dopuszcza się do lokalnego przegrzania cieczy.

Mieszanie zachodzi w fazie ciekłej, gazowej lub stałej.

Do najczęściej stosowanych typów mieszadeł zaliczamy mieszadła: śmigłowe, turbinowe i łapowe.

• mieszadła śmigłowe: do mieszania cieczy o stosunkowo małej lepkości. Ruch cieczy wywołany obrotem mieszadła śmigłowego zależy od kierunku obrotu.

• mieszadła turbinowe: a) turbinowo-łopatkowe

b) turbinowo-łapowe

c) turbinowo-łopatkowe z pochylonymi łopatkami

d) turbinowo-łapowe z pochylonymi łapami

e) turbinowo-profilowe

- mieszadła łapowe: a) zwykłe

b) kotwicowe

c) ramowe

d) palczaste

e) skrzydłowe

f) wstęgowe

poza tym ciecze mogą być mieszane pneumatycznie, wibracyjnie lub ultradźwiękami.

6. Rodzaje pomp

Pompy: maszyny przepływowe służące do transportu cieczy, doprowadzają do cieczy dodatkową energię niezbędną do pokonania różnicy wysokości pomiędzy punktem poboru i odbioru, oraz oporów hydraulicznych w rurociągu. W zależności od sposobu wytwarzania różnicy ciśnień pomiędzy wlotem, a wylotem wyróżnia się pompy:

• wyporowe (tłokowe): działanie polega na wypieraniu określonej porcji cieczy z obszaru ssawnego do tłocznego. Unieruchomienie napędu powoduje zatrzymanie przepływu cieczy

• wirowe

Pompy tłokowe - istotnym elementem jest tłok. Jego ruch jest wymuszony przez mechanizm korbowy i powoduje przesyłanie cieczy porcjami z przewodu ssącego przez pompę do przewodu ciśnieniowego . Zalety: lepsze wykorzystanie energetyczne dzięki dużej możliwości zmian obciążeń, możliwość tłoczenia cieczy o bardzo dużej lepkości, stała wydajność.

Pompy wirowe - głównym elementem roboczym jest obracający się wirnik z łopatkami na wale wewnątrz kadłuba. Ciecz tłoczona w takich pompach płynie nieprzerwanym strumieniem od przewodu ssącego do tłoczącego. Zalety: zwarta budowa (oszczędność miejsca), duża trwałość, brak zaworów (można tłoczyć zawiesiny), duża wydajność,

PORÓWNANIE: pompy tłokowe stosuje się bardziej w przypadkach gdzie należy stosować wysokie ciśnienie.

Biorąc pod uwagę warunki pracy pompy można je podzielić na trzy grupy:

1. ssące - powyżej dolnego i górnego zwierciadła cieczy

2. tłoczące - poniżej dolnego i górnego zwierciadła cieczy

3. ssąco-tłoczące - pomiędzy dolnym i górnym zwierciadłem cieczy

7. Współczynnik wnikania ciepła

Współczynnik wnikania ciepła α określa ile ciepła w ciągu jednostki czasu wnika od czynnika do jednostki powierzchni ściany (lub odwrotnie) przy różnicy temperatury między czynnikiem a ścianą

więc

Jeśli w równaniu przyjmiemy Δt=t_w-t=1K, A=1m², wtedy współczynnik α liczbowo będzie równy tej ilości ciepła, jaka zostanie wymieniona między ścianką i cieczą w jednostce czasu, przez jednostkową powierzchnię i przy jednostkowym spadku temperatury.

8. współczynnik przenikania przez ściankę płaską

Współczynnik przenikania ciepła K[W/m²K]

9. Ogólna postać równania kryterialnego wnikania ciepła

Nu- liczba Nuselta, określa szybkość wnikania ciepła do szybkości przewodzenia

Re - liczba Reynoldsa, podobieństwo hydrodynamiczne

Pr - liczba Prantla, podobieństwo własności czynnika

podobieństwo geometryczne

Najczęściej stosowany jest wz. Mc Adamsa gdzie L/d>50

10. Podaj znane ci definicje liczby Re i ich interpretacje

g= w•q =[m/s•kg/m³] = kg/m²s]

w- prędkość przepływu

d - średnica rury

- kinematyczny współczynnik lepkości

η - dynamiczny współczynnik lepkości

q - gestość płynu {kg/m³]

11.Równanie opisujące przewodzenie ciepła

gdzie Q - ciepło przewodzone

s - droga przewodzenia [m]

F - powierzchnia przekroju przez którą jest przewodzone ciepło [m²]

ΔT - różnica temperatur wzdłuż drogi s [K]

Τ - czas [s]

12. opory miejscowe występujące podczas przepływu przez rurociąg

1. opory związane ze zmianą przekroju przewodu:

• nagłe rozszerzenie przekroju

• nagłe zwężenie

• łagodne zwężenie

• łagodne rozszerzenie

2. opory lokalne związane ze zmianą kierunku przepływu oraz zainstalowanej armatury:

• kolanka

• mufy

• trójniki, czwórniki

• zawory

13. Dyfuzja molekularna

Dyfuzja to jeden z dwóch rodzajów ruchu masy (obok wnikania). Siłą napędową tego procesu jest różnica stężeń składnika transportowanego. To proces wolny i samoistny tylko dzięki różnicy stężeń.

Dyfuzja masy występuje w warstewkach przyściennych. Jest to proces molekularny.

14. Od jakich parametrów zależy kinematyczny współczynnik dyfuzji

[cm²/s] C=C_A+C_B

a_AB - współczynnik proporcjonalności dla pary składników AB

15. Destylacja

destylacja polega na częściowym odparowaniu cieczy i całkowitym skropleniu powstałej pary lub całkowitym odparowaniu cieczy i częściowym skropleniu powstałej pary

Bilans procesu S=W+D

Suma strumieni doprowadzonych do układu = sumie strumieni odprowadzonych

Surówka = destylat + ciecz wyczerpana

16. Filtracja

Proces oddzielenia cząsteczek ciała stałego od płynu przy pomocy porowatej przegrody filtracyjnej

Zadaniem przegrody jest zatrzymanie cząstek ciała stałego, a przepuszczenie płynu.

Przegrody filtracyjne najczęściej wykonane są z :

materiałów włóknistych, jak włókna, tkaniny azbestowe, z tworzyw sztucznych. Dobór tkaniny zależy od agresywności filtrowanej cieczy

porowatych materiałów ceramicznych np. szkło piankowe

materiałów ziarnistych: piasek, żwir

różnego typu kształtek z różnych materiałów

przegrody filtracyjne stanowi też pozostający na nich osad

Silą napędową filtracji jest w wielu przypadkach ciśnienie hydrostatyczne, różnica ciśnień słupa cieczy nad warstwą filtracyjną (jeśli opór jest niewielki).

Jeśli opory przepływu są większe, wtedy stosujemy filtry próżniowe albo filtry ciśnieniowe.

Ogólne równanie

gdzie: V_s - strumień objętościowy [m³/s]

ΔPc - ciśnienie Rc - opór

Zatrzymywany na filtrze placek filtracyjny może składać się z cząstek ściśliwych lub nieściśliwych. Osady nieściśliwe zbudowane są z cząstek krystalicznych (piasek, cukier, sól). Osady ściśliwe posiadają kształt w postaci włókienek bądź nieuregulowanych cząsteczek.

Filtrację najczęściej prowadzimy pod stałym ciśnieniem . tzn. różnica ciśnień jest utrzymywana na stałym poziomie.

Równanie Rutha - określa ilość przefiltrowanej cieczy przez powierzchnię przegrody filtracyjnej

kτ = V²+2VC τ - czas filtracji

k -stała kinetyczna

V - ilość przefiltrowanej cieczy

C - stała charakteryzująca filtrowany układ

17. Barbotaż

Przeperlenie pęcherzyków gazu przez ciecz. Występuje w absorpcji, destylacji i rektyfikacji. Przepływ rozpatrujemy dla jednej kapilary.

Ruch pęcherzyków w górę:

• swobodny

• łańcuchowy: laminarny, burzliwy

18. Współczynnik dyfuzji w fazie gazowej

D_AB=D_BA [m²/s] kierunek współczynnika dyfuzji nie zależy od tego, który składnik mieszaniny

dyfuzuje A czy B

19. przepływ płynu przez rurociąg - doświadczenie Reynoldsa

Poniżej przedstawiono przyrząd na którym Reynolds przeprowadził swoje badania. Składa się on ze zbiornika oraz rury poziomej, przez którą przepływa ciecz. Ciecz wypływa ze zbiornika do rury przez łagodny lejkowaty wylot tak aby było możliwie jak najmniej zdarzeń. Zawór umieszczony na końcu rury pozwala na regulowanie prędkości przepływu.

Do omawianej rury za pomocą małej cienkiej rurki (kapilary) wprowadza się barwnik. Barwnik pozwala na obserwowanie smugi cieczy, a przy ruchu ustalonym wskazuje również tor cząsteczek i kształt strugi. Przy małych prędkościach, smuga barwnika układa się w postaci cienkiej linii równoległej do ścianek rury. Po przekroczeniu pewnej średniej prędkości cieczy, obraz gwałtowanie się zmienia. Barwnik nie porusza się w postaci cienkiej nitki lecz rozpływa się i zabarwia cały strumień cieczy. Wskazuje to, że cząsteczki cieczy nie poruszają się tylko równolegle do osi rury, lecz oprócz ruchu postępowego strumienia istnieją złożone ruch w kierunkach poprzecznych. Badania Reynoldsa wyraźnie wskazują, że podczas przepływu cieczy możemy mieć do czynienia z dwoma rodzajami przepływów.

1. strugi cieczy układają się równolegle do osi rury - taki ruch nazywamy laminarnym

2. ruchy poprzeczne poszczególnych cząsteczek cieczy - ruch turbulentny lub burzliwy

opierając się na tego typu doświadczeniach oraz rozważaniach o charakterze teoretycznych Reynolds ustalił, że charakter ruchu cieczy (płynu) w przewodach określa kryterium, które nazywamy liczbą Reynoldsa:

1. Ruch laminarny Re<2100

2. Ruch przejściowy 2100<Re<10 000

3. Ruch burzliwy Re>10 000

W przypadku, gdy przepływ płynu zachodzi w przekroju poprzecznym niekołowym do wzoru na liczbę Re wprowadzono średnicę zastępczą

średnica zastępcza równa się czterem promieniom hydraulicznym d_z=4·r_h [m]

Promieniem hydraulicznym nazywamy stosunek przekroju f strumienia płynu do otrzymanego, zwilżonego przez ten płyn obwodu L_o

[m]

PYTANIA NA EGZAMIN USTNY Z INŻYNIERII CHEMICZNEJ

1. ZAPROJEKTOWAĆ ABSORBER WYPEŁNIONY

2. WNIKANIE , PRZENIKANIE

3. OBLICZANIE OPORÓW HYDRAULICZNYCH

4. WYMIANA MASY A CIEPŁA - ROŻNICE I PODOBIEŃSTWA

5. RÓWNANIE KRYTERIALNE CIEPŁA ( WNIKANIE )

6. RÓWNANIE KRYTERIALNE WNIKANIA MASY

7. RODZAJE STĘŻEŃ W INŻYNIERII

8. OBLICZYĆ WSPÓŁCZYNNIK DYFUZJI W STANIE CIEKŁYM I GAZOWYM

9. JAK DOBRAĆ POMPY DO PRZEWODU RUROWEGO

10. RODZAJE POMP

11. RODZAJE MIESZADEŁ

12. MOC POMPY

13. SEDYMENTACJA

14. FLUIDYZACJA

15. WSPÓŁCZYNNIK WNIKANIA CIEPŁA ( JEDNOSTKI )

Stopień odparowania β - stosunek strumienia destylatu do strumienia surówki

Β=D/S. 0<β<1

---