Контрольні задачі до IV розділу

ІV.1. Розрахувати питому витрату сухої насиченої водяної пари під час випарювання води під атмосферним тиском і під вакуумом (розрідженням) 0,8 кгс / см². Абсолютний тиск гріючої водяної пари в обох випадках р_абс = 2 кг / см². Вода надходить на випарювання: а) за температури 15 ⁰С; б) підігрітою до температури кипіння.

ІV.2. Продуктивність випарного апарата за вихідним розчином 2650 кг / год. Концентрація вихідного розчину – 50 г / л води. Концентрація випареного розчину – 295 г на 1 л розчину. Густина випареного розчину – 1189 кг/м³. Знайти продук­тивність апарата за випареним розчином.

ІV.3. Як зміниться продуктивність випарного апарата, якщо на стінках нагрівальних труб відкладеться шар накипу завтовшки 0,5 м. Коефіцієнт тепло­передачі К для чистих труб дорівнює 1390 Вт / (м²К). Коефіцієнт теплопро­відності накипу λ = 1,16 Вт / (мК).

ІV.4. Продуктивність випарного апарата, що обігрівається насиченою парою з надлишковим тиском р_надл = 1,5 кг / см², необхідно збільшити з 120 до 1900 кг / год (за розбавленим розчином). Випарювання здійснюється під атмосферним тиском, температура кипіння розчину в апараті становить 105 ⁰С, розчин подається на випарювання підігрітим до температури кипіння. Визначити, з яким тиском гріючу пару потрібно подавати в апарат. Теплові втрати не брати до уваги, коефіцієнт теплопередачі вважати незмінним, так само, як і кінцеву концентрацію розчину.

ІV.5. Скільки треба випарити води із 1500 кг розчину хлористого калію, щоб змінити його концентрацію від 8 до 30 % (мас.)?

ІV.6. Яку кількість води необхідно випарити із 1 м³ сірчаної кислоти густиною 1560 кг / м³ [65,2 % (мас.)], щоб одержати кислоту густиною 1840 кг / м³ [98,7 % (мас.)]. Який об’єм матиме одержана концентрована кислота?

ІV.7. У випарний апарат надходить 1,4 т / год 9 % розчину, який випарю­ється під атмосферним тиском до кінцевої концентрації 32 % (мас). Розбавлений розчин надходить на випарювання з температурою 18 ⁰С. Випарений розчин виводиться з апарата за температури 105 ⁰С. Питома теплоємність розбавленого розчину – 3800 Дж / (кгК). Витрата гріючої насиченої пари з надлишковим тиском р_надл = 2 кг / см² становить 1450 кг / год. Вологість гріючої пари 4,5 %. Визначити втрату теплоти в навколишнє середовище.

ІV.8. Визначити питому теплоємність холодильної суміші, що складається з 2 л води, 8 кг льоду і 5 кг кухонної солі.

ІV.9. Розчин складається з 0,7 м³ сірчаної кислоти (100 %), 400 г мідного купоросу (CuSO₄·5H₂O) і 1,4 м³ води. Визначити: а) питому теплоємність розчину; б) кількість сухої насиченої водяної пари з абсолютним тиском р_абс = 2 кг / см², що необхідна для нагрівання розчину від 12 до 58 ⁰С. Втрати тепла апаратом за час нагрівання розчину становлять 25 100 кДж. Питому теплоємність сірчаної кислоти і мідного купоросу визначити за формулою (IV.12).

ІV.10. У випарному апараті випарюється під атмосферним тиском 2,69 т / год 7 % водного розчину. Початкова температура розчину – 95 С, кінцева – 103 С. Середня температура кипіння в апараті – 105 С. Надлишковий тиск гріючої насиченої водяної пари р_надл = 2 кг / см², площа поверхні теплообміну в апараті – 52 м², коефіцієнт теплопередачі – 1060 Вт / (м²К). Теплові втрати апарата в навколишнє середовище становлять 110 000 Вт. Визначити: а) кінцеву концен­трацію розчину; б) розчин гріючої пари за її вологості 5 %.

ІV.11. У випарному апараті з площею поверхні теплообміну 30 м², що працює під атмосферним тиском, безперервно концентрується розчин хлористого калію від 9,5 до 26,6 % (мас). Початкова температура розчину 18 °С, надлишковий тиск гріючої водяної пари р_надл = 2 кг / см². Продуктивність апарата спочатку була 900 кг / год (розбавленого розчину), але за деякий час зменшилася до 500 кг / год через утворення накипу. Нехтуючи тепловими втратами апарата в навколишнє середовище, визначити товщину утвореного шару накипу, приймаючи для накипу λ = 1,4 Вт / (мК). Гідростатичним ефектом знехтувати.

ІV.12. В умовах прикладу ІV.7 визначити витрату енергії під час відкачування вторинної пари вакуум-насосом і під час відкачування конденсату насосом, якщо вакуум в апараті дорівнює 0,95 кгс / см².

ІV.13. В безперервний однокорпусний випарний апарат подається 12,5 % розчин сірчанокислого амонію, який випарюється під атмосферним тиском до 30,6 % (мас.). Концентрований розчин виходить із апарата в кількості 80 кг / год. Розбавлений розчин, що надходить на випарювання, підігрівається в теплообмін­нику вторинною парою від 24 до 80 С. Решта вторинної пари використовують для обігрівання інших виробничих апаратів (рис. ІV.4) Теплові втрати випарного апарата становлять 6 % від корисно використаної кількості теплоти, тобто від суми Q_нагр + Q_вип прийняти Δt_г.с = 1 К.

Визначити: а) витрату гріючої насиченої водяної пари (з надлишковим тиском р_надл = 2 кгс/см²), приймаючи його вологість 5 %; б) кількість вторинної пари, що відбирається на обігрівання виробничих апаратів; в) необхідну площу поверхні теплообміну (підігрівника), приймаючи величину коефіцієнта теплопе­редачі в ньому К = 700 Вт / (м²  К).

Рис. IV.4 . До контрольної задачі ІV.13: 1 – випарний апарат; 2 – теплообмінник

ІV.14. Дифеніл (С₆Н₅)₂ кипить під атмосферним тиском за температури 255 С. Обчислити питому теплоту випаровування, а також питому теплоємність рідкого дифенілу.

ІV.15. 48 % водяний розчин їдкого натру кипить під тиском 760 мм рт. ст. за температури 140 °С, а під абсолютним тиском р_абс = 0,2 кгс / см² — за 99 °С. Визначити питому теплоту випаровування води з цього розчину за тиску 0,8 кгс / см², а також питому теплоємність розчину.

ІV.16. Визначити температуру кипіння бромбензолу під абсолютним тиском р_абс = 0,1 кгс/см² за діаграмою лінійності і за номограмою 15Д. Визначити також питому теплоту випаровування бромбензолу за цього тиску.

ІV.17. Визначити тиск насиченої пари бензальдегіду за температури 120 °С, користуючись діаграмою лінійності.

ІV.18. Скориставшись правилом Бабо і табл. 22Д, визначити температуру кипіння 42,5 % водяного розчину азотнокислого амонію за абсолютного тиску р_абс = 0,4 кгс / см².

ІV.19. У вакуум-випарний апарат (рис. ІV.1) надходить 10 т/ч 8 % водного розчину азотнокислого амонію за температури 74 ⁰С. Концентрація випареного розчину – 42,5 %. Абсолютний тиск у середньому шарі киплячого розчину р_абс = = 0,4 кгс / см². Надлишковий тиск гріючої насиченої пари р_надл = 1 кгс / см². Прийняти Δt_г.еф = 6,1 К. Коефіцієнт теплопередачі – 950 Вт / (м²К). Втрати теплоти становлять 3 % від суми (Q_нагр + Q_вип). Визначити площу поверхні нагрівання випарного апарата.

ІV.20. За даними попередньої задачі визначити абсолютний тиск у баро­метричному конденсаторі, якщо гідравлічна депресія Δt_г.с = 6,1, а гідростатична депресія – Δt_г.еф = 6,1 К.

ІV.21. 2200 кг / год розведеного водяного розчину випарюється від 7 до 24 % (мас.) під атмосферним тиском. Розведений розчин подається у випарний апарат за температури 19 °С. Температурна депресія – 3,5 К, гідростатична – 3,0 К, гідрав­лічна – 1,0 К. Надлишковий тиск насиченої водяної пари р_надл = 2 кгс / см². Коефіцієнт теплопередачі – 1100 Вт / (м² К). Визначити необхідну поверхню теплообміну в апараті і витрату гріючої пари, приймаючи втрати теплоти в навко­лишнє середовище як 5 % від суми (Q_нагр + Q_вип) і вологість гріючої пари – 5 %.

ІV.22. Як зміниться продуктивність випарного апарата, що працює під атмосферним тиском, під час обігрівання насиченою водяною парою з надлиш­ковим тиском р_надл = 1,2 кгс/см², якщо в апараті створити вакуум 0,7 кгс / см², а обігрівання перевести на пару з надлишковим тиском 0,6 кгс / см² ? Гідростатичний ефект для середнього шару Δр_г.еф = 9,8110³ Па; в обох випадках вважати температурну депресію 4 К; розчин надходить на випарювання підігрітим до температури кипіння в апараті. Коефіцієнт теплопередачі вважати незмінним. Тепловими втратами знехтувати.

ІV.23. У випарному апараті концентрується водяний розчин від 14 до 30 % (мас.). Гріюча насичена водяна пара має тиск (абсолютний) 0,9 кгс / см². Корисна різниця температур – 11,2 К. Гідростатична депресія Δt_г.с = 3 К. Визначити годинну витрату розведеного розчину, що надходить в апарат, якщо площа поверхні теплообміну в ньому становить 40 м², а коефіцієнт тепловіддачі – 700 Вт / (м²К). Розведений розчин надходить в апарат підігрітим до температури кипіння. Середній тиск в апараті (абсолютний) – 0,4 кгс / см². Тепловими втратами знехтувати.

ІV.24. Визначити витрату гріючої насиченої водяної пари (абсолютний тиск – 2 кгс / см²) і площу поверхні нагрівання випарного апарата, у якому здійснюється випарювання 1,6 т / год розчину від 10 до 40 % (мас.). Середній тиск в апараті (абсолютний) – 1 кгс / см². Розведений розчин надходить на випарювання за темпе­ратури 30 °С. Корисна різниця температур – 12 К. Гідростатична депресія Δt_г.еф = 6,1 К. Коефіцієнт теплопередачі – 900 Вт / (м² К). Теплові втрати прийняти такими, що дорівнюють 5 % від корисно використаної кількості теплоти Q_нагр + Q_вип.

ІV.25. Розчин поташу випарюється від 8 до 36 % (мас.) під вакуумом 0,2 кгс / см². Початкова кількість розчину – 1500 кг / год. Визначити кількість води, що подається: а) у барометричний конденсатор; б) в поверхневий конденсатор, прий­маючи температуру конденсату, що відходить, на 5 °С нижчою від температури конденсації. Вода в обох випадках нагрівається від 15 до 35 °С.

ІV.26. У випарному апараті здійснюється концентрування водного розчину від 12 до 38 % (мас.) під вакуумом (у конденсаторі) 600 мм рт. ст. (див. рис. ІV.1). Витрата охолоджувальної води в барометричному конденсаторі – 40 м / год, вода нагрівається від 14 до 30 °С. Визначити годинну продуктивність випарного апарата за розведеним і концентрованим розчином. Температурною депресією знехтувати. Атмосферний тиск – 747 мм рт. ст.

ІV.27. Вакуум у випарному апараті над розчином 0,7 кгс / см². Витрата розведеного водного розчину, що надходить на випаровування, 2,4 т / год, його концентрація – 12 % (мас). Кінцева концентрація – 32 % (мас.). У барометричний конденсатор подається 38,6 м / год холодної води з температурою 12 °С. Визначити температуру води на виході з барометричного конденсатора. Гідравлічним опором паропроводу і температурною депресією знехтувати.

ІV.28. У трикорпусній випарній батареї, що працює за прямотечійною схемою (див. рис. ІV.7), піддається випарюванню 1300 кг / год водного розчину з початковою концентрацією 9 % (мас.) до кінцевої концентрації 43 % (мас.). Обчислити концентрації розчину по корпусах, якщо відомо, що в кожному наступному корпусі випарюється води на 10 % більше ніж у попередньому.

ІV.29. Яка гранична кількість корпусів може бути в багатокорпусній ви­парній установці, якщо надлишковий тиск гріючої насиченої водяної пари у пер­шому корпусі р_надл = 2,3 кгс / см², залишковий тиск у конденсаторі – 147 мм рт. ст. Суму температурних втрат у всіх корпусах вважати такою, що дорівнює ∑Δt = = 41 К. Допустима корисна різниця температур у кожному корпусі повинна бути не меншою, ніж 8 К.

ІV.30. У двокорпусній установці, що працює за прямотечійною схемою, випарюється 1000 кг / год водного розчину азотнокислого натрію. Початкова концентрація – 10 % (мас.), кінцева після першого корпусу – 15 % (мас.), кінцева після другого – 30 % (мас.). Кінцева температура розчину після першого корпусу становить 103 °С, після другого – 90 °С. Визначити, скільки води випариться в другому корпусі за рахунок самовипаровування і який це становитиме відсоток від загальної кількості води, що випаровується в другому корпусі.

ІV.31. У двокорпусну випарну установку, що працює за прямотечійною схемою, надходить 1000 кг / год водяного розчину хлористого магнію. Початкова концентрація розчину – 8 % (мас.). Концентрація розчину після першого корпусу – 12 % (мас.). Абсолютний тиск над розчином у першому корпусі становить 1 кгс / см², у другому – 0,3 кгс / м². Кінцева температура розчину після першого корпусу – 104 °С, після другого – 77 °С. Визначити, до якої кінцевої концентрації випарю­ється розчин у другому корпусі, якщо обігрівання другого корпусу здійснюється за рахунок вторинної пари першого корпусу (відбору экстра-пари немає). Тепловими втратами знехтувати.

ІV.32. У другий корпус двокорпусної установки, що працює за прямотечій­ною схемою без відбору экстра-пари, надходить з першого корпусу 500 кг / год 16 % водного розчину вуглекислого натрію з температурою 103 °С. Абсолютний тиск над киплячим розчином в першому корпусі – 1 кгс / см², у другому корпусі – 0,6 кгс / см². Концентрований розчин, що виходить з другого корпусу з температу­рою 89 °С і концентрацією 28 % (мас.), використовується в протитечійному теплообміннику для підігрівання розведеного розчину, що надходить на випарову­вання. Нехтуючи тепловими втратами і депресією, визначити: а) концентрацію розведеного розчину, що подається на випарювання; б) на скільки градусів буде підігрітий розведений розчин у теплообміннику, якщо концентрований розчин виходить з теплообмінника з температурою 32 °С. Питома теплоємність концен­трованого розчину 3,35·10³ Дж/(кгК).

ІV.33. У двокорпусну випарну установку, що працює за прямотечійною схемою, надходить 1000 кг / год водного розчину хлористого кальцію. Початкова концентрація розчину – 8 % (мас.), кінцева – 30 % (мас.). У першому корпусі абсолютний тиск вторинної пари – 1 кгс / см³, у другому – 0,3 кгс / см². Кінцева температура розчину після першого корпусу – 104 °С, після другого – 78 °С. У пер­шому корпусі утвориться 400 кг / год вторинної пари. Частина цієї пари (рис. ІV.5) відбирається на сторону (экстра-пара). Нехтуючи тепловими втратами, визначити, яка кількість экстра-пари відбирається.

Рис. IV.5 . До контрольної задачі ІV.33

ІV.34. В однокорпусний випарний апарат (рис. ІV.6), що працює з тепловим насосом (стиснення вторинної пари в турбокомпресорі), надходить розведений розчин з концентрацією 5 % (мас.). Із апарата виходить 550 кг / год розчину з концентрацією 15 % (мас.). Температурна депресія – 2,5 К. Гідростатичним ефектом і гідравлічним опором знехтувати. Турбокомпресор стискає вторинну пару від 1 до 2 кгс / см². Теплові втрати становлять 5 % від (Q_нагр + Q_вип). Початкова температура розведеного розчину – 70 °С.

Рис. IV.6 . До контрольної задачі ІV.34

Визначити: а) скільки необхідно додавати гріючої насиченої водяної пари (пара суха насичена, надлишковий тиск р_надл = 2 кгс / см²); б) яку потужність споживає турбокомпресор, якщо загальний ККД його дорівнює 0,72.