Základy procesního inženýrství Program výpočtových cvičení zimní semestr 2007/2008 vyučující: L. Obalová, M. Večeř, K. Pacultová Literatura: 1) Holeček, O. Chemicko inženýrské tabulky, 2. vydání VŠCHT, 2001. 2) Šnita, D. a kol. Příklady a úlohy z chemického inženýrství I, II, III, VŠCHT, 2002. nebo Míka, V. a kol. Příklady a úlohy z chemického inženýrství I, II, VŠCHT, 1997. Bilance U 1-1 Ze vzduchu znečištěného oxidem siřičitým se má vypírat SO 2 v absorpční koloně vodou. Plyn přiváděný do kolony obsahuje 3 obj% SO 2. Kapalina vytékající z kolony obsahuje 4,8 kg SO 2 na 1000 kg vody. Vystupující plyn obsahuje 5.10-4 kg SO 2 v 1 m 3. V koloně je konstantní teplota 20 C a tlak 0,1 MPa. Předpokládejte, že voda a vzduch se navzájem nemísí. Vyjádřete složení vstupních a výstupních proudů kolony v obyčejných a relativních molárních a hmotnostních zlomcích. U1-2 Vodní plyn o složení 6,3 hm% H 2, 61,2 hm% CO, 12,1 hm% CO 2 a 20,4 hm% N 2 se před konverzí, probíhající podle rovnice chemické reakce: CO + H O CO + H 2 2 2 mísí s vodní parou tak, aby CO a voda byly ve stechiometrickém poměru 1:1. Vypočtěte molární procenta jednotlivých složek ve směsi po jejím smíšení s vodní parou. U1-6 Do krystalizační nádoby bylo přivedeno 5 000 kg horkého roztoku o koncentraci 31 hm% Na 2 CO 3. Po ochlazení na 20 C vykrystalizuje Na 2 CO 3.10 H 2 O. Rozpustnost při této teplotě je 21 dílů bezvodého uhličitanu sodného na 100 dílů vody. Voda, která se během krystalizace vypaří, tvoří 5 hm% původní hmotnosti roztoku. Jaké je množství krystalů uhličitanu sodného? U1-13 Galenitová ruda o složení 10 hm% PbS a 90 hm% SiO 2 se koncentruje flotací ve dvou nádržích, z první nádrže vychází koncentrát s obsahem 80 hm% PbS a hlušina s obsahem 2 hm% PbS. Ta se vede do druhé nádrže, kde se flotační pochod opakuje. Koncentrát z druhé nádrže obsahuje 11 hm% PbS a vrací se proto do první nádrže. Hlušina z druhé nádrže obsahuje 0,5 hm% PbS a vypouští se jako odpad. Zpracuje-li se 1000kg rudy, kolik se získá koncentrátu v první nádrži a kolik recirkuluje koncentrátu z druhé nádrže? U1-8 Z 1200 kg směsi kyselin o složení 68 hm% H 2 SO 4, 22 hm% HNO 3, 10 hm%h 2 O je třeba připravit 2000 kg nitrační směsi o složení 63 hm% H 2 SO 4, 28 hm% HNO 3, a 9 hm%
H 2 O. K tomu se má použít 82% kyseliny dusičné, 92%ní kyseliny sírové a 20% olea. Oleum o koncentraci 20 hmot % obsahuje 80 hm% H 2 SO 4 a 20 hm% SO 3. Jaká bude spotřeba koncentrovaných kyselin a olea? Př Koksový plyn má složení (obj%): 28% CO, 3,5% CO 2, 0,5% O 2, 68% N 2. Spalovací proces probíhá s 95% účinností, přebytek vzduchu je 20%. Zjistěte složení spalin. Doprava tekutin a čerpadla U3-10 Voda se přivádí k turbíně novým ocelovým potrubím, které má vnitřní průměr 240 mm. Na vstupu do potrubí je přetlak 20 kpa. Průměr trysky, z níž voda proudí na rotor, je 80 mm. Ústí trysky je 60 m pod vstupem do potrubí a je v něm podtlak 9,81 kpa. Minimální teplota během provozu je 12 C. Určete: a) jaká by byla střední rychlost proudu vody, vystupujícího z trysky, kdyby se voda chovala jako ideální kapalina. U3-16 V plášti vodorovného výměníku tepla s plášťovou trubkou proudí olej o střední hustotě 900 kg/m 3 a střední dynamické viskozitě 8 mpas. Vnější měděná trubka výměníku má vnitřní průměr 100 mm a vnitřní měděná trubka má vnější průměr 70 mm. Výměník je dlouhý 4 m. Jaký může být největší objemový tok oleje (v m 3 /min), je-li pro překonání ztrát třením ve výměníku k dispozici tlakový rozdíl až 34,3 kpa. U3-20 Ocelovým mírně korodovaným potrubím o vnitřním průměru 300 mm a délce 5 km proudí izotermně 4 600 kg/h methanu. Určete jak velká ztráta mechanické energie připadá na jednotkový čas při toku uvedeného množství methanu tímto potrubím při střední teplotě 20 C a středním tlaku 0,588 MPa. U4-5 Odstředivé čerpadlo dopravuje do rozprašovací sušárny 60 l/min kapaliny o hustotě 800 kg/m 3 a dynamické viskozitě 2.10-2 Pa s novým ocelovým potrubím o vnitřním průměru 40 mm a délce 25 m. Kapalina se čerpá ze zásobníku otevřeného do atmosféry, jehož hladina je udržována ve výši 2 m nad podlahou výrobny, do sušárny, kde je udržován podtlak 4.10 4 Pa proti atmosférickému tlaku. Výtlačná část potrubí je zakončena rozprašovací tryskou, umístěnou 20 m ve svislé vzdálenosti nad podlahou výrobny. V potrubí je zabudován jeden uzavírací ventil, zpětná klapa a 3 kolena 90 ; atmosférický tlak má hodnotu 9,8.10 4 Pa. Vypočtěte příkon čerpadla, je-li jeho účinnost 0,63. Při výpočtu použijte ekvivalentních délek armatur. Pro práci rozprašovací trysky je třeba tlakové diference 3,02.10 4 Pa.
Filtrace a usazování U5-3 V kalolisu s osmi rámy o rozměrech 700 x 700 x 25 mm se filtruje suspenze obsahující 15 obj% pevné látky. Filtrace probíhá za konstantní rychlosti a v jednom cyklu trvá 3 hodiny 36 minut. Potom se koláč promývá po dobu 54 minut. Filtrát má přibližně stejnou viskozitu jako promývací voda. Na pokusném kalolisu byly ze stejných podmínek konstanty K F = 3,125.10-4 m 2 /h a q M = 3,125.10-5 m. Zjistěte množství filtrátu a promývací vody, množství zpracované suspenze a objemovou vlhkost koláče v jednom cyklu. U5-5 Vodná suspenze pevné látky se filtruje v tlakovém nuči 1 hodinu při konstantním rozdílu tlaků a teplotě 7,5 C. Filtrační koláč se promývá při teplotě 20 C za jinak stejných podmínek jako při filtraci. Promývá se vodou v množství 20 obj% z množství filtrátu. Příprava nuče pro novou filtraci trvá 20 minut. Při pokusné filtraci bylo získáno za 8 minut 30 litrů a za 18 minut 50 litrů filtrátu (podmínky stejné jako při filtraci na nuči) Zjistěte kolik m 3 filtrátu se produkuje za den. U6-5 Vypočtěte hmotnostní tok vzduchu (kg/h) v proudové sušárně o průměru 100 mm pro sušení síranu měďnatého (pentahydrátu). Předpokládejte, že sušené částice mají prakticky tvar koule o průměru 1,25 mm. Střední rychlost vzduchu v sušárně má být dvojnásobkem rychlosti usazování daných částic. V sušárně je normální tlak a teplota 60 C. Sdílení tepla a výměníky tepla U11-4 Potrubí o vnějším průměru 81 mm se má pokrýt vrstvou izolace o celkové tloušťce 100 mm. Máme k dispozici ohebnou rohož z minerálních vláken ORSIL M a polyuretanovou pěnu. Teplota vnější stěny trubky je 207 C a teplota vnějšího povrchu izolace má být 20 C. Jak musíme izolaci provést, aby ztráty tepla byly za daných podmínek co nejmenší. Jaké budou ztráty tepla z 1 m délky trubky v tomto provedení. U11-9 Vypočtěte ztráty tepla volnou konvekcí z neizolovaného vodorovného parního potrubí o vnějším průměru 51 mm a délce 50 m. Potrubím je vedena sytá vodní pára o tlaku 1 MPa, teplota okolního vzduchu je 15 C a tlak vzduchu je 98 kpa. Zanedbejte tepelný odpor trubky a ztráty tepla sáláním. U 11-27 Ve výměníku tepla typu trubka v trubce se chladí 1 kg s -1 tetrachlormethanu o střední teplotě 50 C vodou, jejíž střední teplota je 20 C. Výměník je zhotoven z vnější trubky o vnitřním průměru 40 mm a vnitřní trubky o tloušťce stěny 1 mm a vnějším průměru 20 mm. Voda protéká vnitřní trubkou hmotnostním průtokem 0,4 kg s -1. Vypočtěte koeficient prostupu tepla vztažený na délku trubky.
U12-1 Vypočtěte velikost teplosměnné plochy výměníku, ve kterém se má ochladit 2 kg s -1 oleje z teploty 65 C na teplotu 25 C. Olej se chladí vodou, která vstupuje s teplotou 20 C a odchází s teplotou 40 C. Součinitel prostupu tepla je 180 W m- 2 K -1, měrná tepelná kapacita oleje je 2000 J kg -1 K -1. U12-2 Do protiproudého výměníku tepla o velikosti teplosměnné plochy 6 m 2 vstupuje při teplotě 100 C 0,6 kg/s kapaliny, jejíž měrná tepelná kapacita je 4.10 3 J kg -1 K -1. Ve výměníku se kapalina chladí vodou o vstupní teplotě 20 C a hmotnostním průtoku 0,4 kg s -1. Vypočtěte obě výstupní teploty, víte-li, že koeficient prostupu tepla je 200 W m -2 K -1. U 12-7 V předehřívači typu trubka v trubce se ohřívá 0,25 kg s -1 benzenu z 20 C na 80 C párou o tlaku 1,2 bar. Benzen protéká ocelovou trubkou o vnitřním průměru 20 mm a vnějším průměru 24 mm. Koeficient přestupu tepla na straně benzenu je 1600 Wm -2 K -1, na straně páry 1.10 4 W m -2 K -1. Vypočti spotřebu páry a délku výměníku. U12-16 Do protiproudého kondenzátoru se přivádí pára čistého etanolu při teplotě 78 C. Veškerá pára zkondenzuje a kondenzát se ochladí na 20 C. Do kondenzátoru se přivádí 0,28 kg s -1 chladící vody, která se ohřeje z 10 C na 65 C. Koeficient prostupu tepla při kondenzaci je 1400 Wm -2 K -1 ; při chlazení 230 Wm -2 K -1. Vypočtěte výkon výměníku vyjádřený v kilogramech kondenzátu za hodinu a velikost teplosměnné plochy. (Předpokládejte, že výměník si lze představit rozdělený na 2 části, v jedné probíhá pouze kondenzace a ve druhé pouze chlazení kondenzátu). Odparky U13-1 V jednočlenné odparce se zahušťuje 1500 kg za hodinu roztoku NaOH z počáteční koncentrace 10 hm.% na konečnou koncentraci 30 hm%. Roztok vstupuje do odparky při teplotě 30 C, tlak v odparce je 0,1013 MPa a ztráty tepla do okolí jsou zanedbatelné. Určete spotřebu topné páry o teplotě 130 C, jestliže se kondenzát odvádí při teplotě kondenzace. U13-4 V jednočlenné odparce se zahušťuje vodný roztok obsahující 7 hm% pevné látky na roztok o koncentraci 35 hm%. Měrná tepelná kapacita zředěného roztoku je 4,103.10 3 J kg -1 K -1, zahuštěného roztoku 3,350.10 3 J kg -1 K -1. Zahuštěný roztok a brýdová pára odcházejí z odparky při bodu varu 90 C. Brýdová pára se dělí na dva podíly První část se vede do výměníku, kde předehřívá roztok před vstupem do odparky z 20 C na 80 C. Druhá část se vede do parního ejektoru, kde se směšuje s nasycenou parou a při tom se stlačuje na tlak 0,0981 MPa. Vzniklá nasycená pára o tomto tlaku pak proudí jako topná
pára od odparky. Tepelné ztráty do okolí, ztráty hydraulickým odporem a integrální rozpouštěcí entalpie jsou zanedbatelné. Vypočítejte teplotu, tlak a spotřebu nasycené ostré páry přiváděné do ejektoru na 100 kg původního roztoku. Sušení U21-1 Jakou relativní měrnou entalpii a relativní hmotnostní zlomek vlhkosti má vzduch, je-li jeho teplota 60 C a relativní vlhkost 40%. U21-2 Jaká je teplota rosného bodu a parciální tlak vodní páry ve vzduchu, který má teplotu 70 C a teplotu mokrého teploměru 42 C? U21-3 Vzduch, jehož teplota rosného bodu je 16 C, se ohřeje v kaloriferu z 26 C na 82 C. Vypočítejte spotřebu energie v kaloriferu na jednotkovou hmotnost suchého vzduchu. U21-5 Na jakou nejnižší teplotu je možno ochladit kapalinu v lahvi, obalíme-li láhev vlhkou tkaninou a proudí-li kolem ní dostatečnou rychlostí vzduch o teplotě 25 C a relativní vlhkosti 40%. U21-8 V kontinuální sušárně se suší 5000 kg h -1 vlhkého materiálu s počáteční vlhkostí 45 hm%. Ze sušárny vystupuje 3000 kg h -1 materiálu. Nejvyšší přípustná teplota materiálu je 30 C a jeho kritická vlhkost je 5 hm%. K sušení se používá čerstvý vzduch o teplotě 15 C a teplotě rosného bodu 8 C, který se před vstupem do sušárny ohřívá v kaloriferu. Relativní vlhkost vzduchu na výstupu ze sušárny je 80%. Stanovte spotřebu vzduchu a potřebný tepelný příkon do kaloriferu pro ideální sušárnu. Předpokládejte nulové ztráty energie v kaloriferu. Destilace U 19-2 Surovina o složení 32 hmotn% benzenu a 68 hmotn% toluenu se má dělit rovnovážnou destilací při teplotě 70 C tak, aby se surovina rozdělila na 60 hmotn% parní a 40 hmotn% kapalné fáze. Určete složení těchto fází. U 19-3 Při rovnovážné destilaci za normálního tlaku směsi obsahující 45 hmotn% ethanolu a 55 hmotn% butanolu se nastřikuje 1 kg s -1 směsi a získává se 0,43 kg s -1 destilátu. Určete složení destilátu a zbytku a teplotu destilace.