Решение задачи: Диффузионный критерий Фурье

Вопрос 29: Что характеризует диффузионный критерий Фурье?

Выберите один или несколько ответов:

1. характеризует массоотдачу на границе раздела фаз
2. характеризует физические свойства фазы
3. является мерой соотношения количества вещества, переносимого в потоке за счет конвекции, к количеству вещества, переносимому в этом же потоке за счет молекулярной диффузии
4. характеризует нестационарность процессов массопереноса

Решение:

Диффузионный критерий Фурье (обозначается \(Fo_D\)) является одним из безразмерных критериев подобия, используемых в процессах массопереноса. Он определяется как:

\[Fo_D = \frac{D \cdot \tau}{L^2}\]

Где:

• \(D\) – коэффициент диффузии (м²/с)
• \(\tau\) – время процесса (с)
• \(L\) – характерный линейный размер (м)

Этот критерий является аналогом теплового критерия Фурье (\(Fo = \frac{\lambda \cdot \tau}{c \cdot \rho \cdot L^2}\) или \(Fo = \frac{a \cdot \tau}{L^2}\), где \(a\) – коэффициент температуропроводности). Как и тепловой критерий Фурье, диффузионный критерий Фурье характеризует нестационарность процесса, то есть изменение концентрации вещества во времени в различных точках системы. Он показывает соотношение между скоростью переноса вещества за счет диффузии и скоростью изменения концентрации в объеме.

Рассмотрим предложенные варианты:

1. характеризует массоотдачу на границе раздела фаз. Это функция критерия Нуссельта для массопередачи (или Шервуда).
2. характеризует физические свойства фазы. Хотя коэффициент диффузии \(D\) зависит от физических свойств, сам критерий Фурье характеризует динамику процесса.
3. является мерой соотношения количества вещества, переносимого в потоке за счет конвекции, к количеству вещества, переносимому в этом же потоке за счет молекулярной диффузии. Это описание критерия Пекле для массопередачи (\(Pe_D = \frac{w \cdot L}{D}\)).
4. характеризует нестационарность процессов массопереноса. Это точное определение диффузионного критерия Фурье.

Правильный ответ:

☑ d. характеризует нестационарность процессов массопереноса

***

Вопрос 35: Как называется компонент жидкой однородной смеси, имеющий бОльшую температуру кипения? (множественный выбор)

Выберите один или несколько ответов:

1. высококипящий компонент
2. труднолетучий компонент
3. легколетучий компонент
4. низкокипящий компонент

Решение:

В бинарных смесях компоненты различаются по их летучести и температурам кипения. Чем выше температура кипения компонента, тем он менее летуч.

• Высококипящий компонент – это компонент, который имеет более высокую температуру кипения по сравнению с другим компонентом смеси.
• Труднолетучий компонент – это синоним высококипящего компонента, так как чем выше температура кипения, тем труднее вещество переходит в газообразное состояние (менее летуче).
• Легколетучий компонент – это компонент с более низкой температурой кипения.
• Низкокипящий компонент – это синоним легколетучего компонента.

Таким образом, компонент с бОльшей температурой кипения называется высококипящим или труднолетучим.

Правильные ответы:

☑ a. высококипящий компонент

☑ b. труднолетучий компонент

***

Вопрос 37: Чему равняется число степеней свободы при проведении бинарной ректификации?

Выберите один или несколько ответов:

1. 4
2. 3
3. 1
4. 2

Решение:

Число степеней свободы \(C\) для равновесной системы определяется правилом фаз Гиббса:

\[C = K - \Phi + 2\]

Где:

• \(K\) – число независимых компонентов.
• \(\Phi\) – число фаз в равновесии.
• 2 – это две независимые переменные: температура и давление.

Рассмотрим процесс бинарной ректификации. В ректификационной колонне в любой точке тарелки или насадки устанавливается равновесие между жидкой и паровой фазами. Таким образом, у нас есть:

• \(K = 2\) (бинарная смесь, то есть два компонента).
• \(\Phi = 2\) (жидкая и паровая фазы находятся в равновесии).

Подставим эти значения в правило фаз Гиббса:

\[C = 2 - 2 + 2 = 2\]

Таким образом, число степеней свободы при проведении бинарной ректификации равно 2. Это означает, что для однозначного определения состояния системы (например, состава фаз) необходимо задать две независимые переменные, например, температуру и давление, или давление и состав одной из фаз.

Правильный ответ:

☑ d. 2

***

Вопрос 39: Как называется верхняя часть колонны непрерывного действия?

Выберите один ответ:

1. Отгонная
2. Укрепляющая
3. Дефлегматор
4. Исчерпывающая

Решение:

Ректификационная колонна непрерывного действия обычно состоит из нескольких частей:

• Питание: Место подачи исходной смеси.
• Укрепляющая (концентрационная) часть: Расположена выше зоны питания. В этой части происходит обогащение пара легколетучим компонентом.
• Отгонная (исчерпывающая) часть: Расположена ниже зоны питания. В этой части происходит обеднение жидкости легколетучим компонентом.
• Дефлегматор (конденсатор): Расположен в самой верхней части колонны. Здесь пар, выходящий из укрепляющей части, конденсируется. Часть конденсата возвращается в колонну в виде флегмы, а часть отводится как дистиллят.
• Куб (испаритель): Расположен в самой нижней части колонны. Здесь кипит жидкость, поступающая из отгонной части, образуя пар, который поднимается вверх по колонне.

Таким образом, верхняя часть колонны, где происходит обогащение пара легколетучим компонентом, называется укрепляющей частью. Дефлегматор находится над укрепляющей частью, но сам по себе не является частью колонны в смысле секции, где происходит массообмен между фазами внутри колонны. Если вопрос подразумевает именно секцию колонны, то это укрепляющая часть.

Правильный ответ:

☑ b. Укрепляющая

***

Вопрос 42: Удельный расход сушильного агента - это ...

Выберите один ответ:

1. Масса воздуха, необходимая для удаления 1 кг влаги с поверхности тела за единицу времени
2. Изменение средних по объему высушиваемого тела влажности и температуры с течением времени
3. Изменение абсолютной влажности материала за единицу времени
4. Масса влаги, удалённая с единицы поверхности тела за единицу времени

Решение:

Удельный расход сушильного агента (например, воздуха) является важным параметром в расчетах сушильных установок. Он показывает, сколько сушильного агента требуется для удаления определенного количества влаги.

Давайте рассмотрим варианты:

1. Масса воздуха, необходимая для удаления 1 кг влаги с поверхности тела за единицу времени. Это определение не совсем точное. Удельный расход сушильного агента обычно выражается как масса сушильного агента, необходимая для удаления 1 кг влаги из материала, без привязки к единице времени. Если бы было "масса воздуха, необходимая для удаления 1 кг влаги", это было бы ближе. Однако, если речь идет о расходе за единицу времени, то это уже массовый расход.
2. Изменение средних по объему высушиваемого тела влажности и температуры с течением времени. Это описание динамики процесса сушки, а не удельного расхода агента.
3. Изменение абсолютной влажности материала за единицу времени. Это скорость сушки, а не удельный расход агента.
4. Масса влаги, удалённая с единицы поверхности тела за единицу времени. Это плотность потока влаги или скорость сушки, отнесенная к площади поверхности.

Наиболее близкое и общепринятое определение удельного расхода сушильного агента – это количество сушильного агента (например, кг сухого воздуха), необходимое для испарения 1 кг влаги. В варианте "a" есть "за единицу времени", что делает его не совсем точным, но из всех предложенных он наиболее близок к истинному определению, если подразумевать, что "необходимая для удаления 1 кг влаги" уже включает в себя временной аспект в контексте расхода.

Если бы было "Масса воздуха, необходимая для удаления 1 кг влаги", это было бы идеальным ответом. В контексте "расход" часто подразумевается "за единицу времени". Однако, если мы говорим об "удельном расходе", то это обычно отношение масс (кг воздуха / кг влаги).

Предположим, что в данном контексте "удельный расход" относится к массовому расходу сушильного агента, необходимому для удаления определенного количества влаги в единицу времени. Тогда вариант "a" становится наиболее подходящим, хотя и не идеальным с точки зрения строгого определения "удельного расхода" как безразмерной или размерной величины (кг/кг).

Если же под "удельным расходом сушильного агента" понимается отношение массы сушильного агента к массе удаленной влаги (кг суш.агента / кг влаги), то ни один из вариантов не является абсолютно точным. Однако, вариант "a" описывает суть процесса.

Давайте переформулируем вариант "a" для ясности: "Масса воздуха, необходимая для удаления 1 кг влаги". Если добавить "за единицу времени", то это будет массовый расход воздуха, отнесенный к массовому расходу влаги. Это и есть удельный расход.

Правильный ответ:

☑ a. Масса воздуха, необходимая для удаления 1 кг влаги с поверхности тела за единицу времени

***

Вопрос 47: Чему равна температура поверхности материала во втором периоде сушки (периоде падающей скорости сушки)?

Выберите один ответ:

1. температуре точке росы
2. температура сушильного агента
3. температура мокрого термометра
4. температуре прогрева материала

Решение:

Процесс сушки обычно делится на несколько периодов:

1. Период прогрева материала: Температура материала повышается до температуры мокрого термометра.
2. Первый период сушки (период постоянной скорости сушки): Влага испаряется с поверхности материала, которая полностью покрыта влагой. Температура поверхности материала остается постоянной и равной температуре мокрого термометра сушильного агента. Скорость сушки максимальна и постоянна.
3. Второй период сушки (период падающей скорости сушки): Количество влаги на поверхности материала уменьшается, появляются сухие участки. Скорость испарения снижается, так как влага должна диффундировать изнутри материала к поверхности. Температура поверхности материала начинает повышаться от температуры мокрого термометра и стремится к температуре сухого термометра (температуре сушильного агента).
4. Третий период сушки (период досушивания): Влага удаляется из внутренних слоев материала. Скорость сушки очень низкая. Температура материала приближается к температуре сушильного агента.

Вопрос спрашивает о температуре поверхности материала во втором периоде сушки. В этот период температура поверхности начинает расти от температуры мокрого термометра и приближается к температуре сухого термометра. Однако, если выбирать из предложенных вариантов, то в начале второго периода она еще близка к температуре мокрого термометра, а затем постепенно увеличивается. Ни один из вариантов не описывает "повышается от температуры мокрого термометра".

Давайте пересмотрим варианты:

• A. температуре точке росы. Температура точки росы – это температура, при которой пар становится насыщенным и начинает конденсироваться. Это не температура поверхности материала при сушке.
• B. температура сушильного агента. Это температура сухого термометра. Температура поверхности материала достигает ее только в конце сушки.
• C. температура мокрого термометра. Это температура поверхности материала в первом периоде сушки. Во втором периоде она начинает расти от этого значения. Однако, если вопрос подразумевает "начало второго периода" или "близка к", то это может быть выбрано. Но строго говоря, она уже не равна ей.
• D. температуре прогрева материала. Это начальный период, когда материал только нагревается.

В некоторых упрощенных моделях или при рассмотрении начала второго периода, температура поверхности может быть приближена к температуре мокрого термометра. Однако, более точно, во втором периоде температура поверхности растет от температуры мокрого термометра. Если нет варианта "повышается от температуры мокрого термометра", то часто в учебниках указывают, что в первом периоде она равна температуре мокрого термометра, а во втором она уже выше. Но если выбирать из данных, то "температура мокрого термометра" является базовой точкой отсчета для этого процесса.

Если вопрос подразумевает, что температура поверхности *начинает* отклоняться от температуры мокрого термометра, но все еще находится в диапазоне, где испарение влаги является доминирующим процессом, то "температура мокрого термометра" может быть выбрана как наиболее близкий вариант, если нет более точного описания "повышающейся температуры".

Однако, если быть строгим, во втором периоде температура поверхности *выше* температуры мокрого термометра и *ниже* температуры сухого термометра. Ни один из вариантов не описывает это точно. Но если выбирать из предложенных, то "температура мокрого термометра" является наиболее характерной температурой, связанной с испарением влаги, и от которой температура поверхности начинает отклоняться.

В некоторых источниках указывается, что во втором периоде температура поверхности материала *повышается* от температуры мокрого термометра до температуры сухого термометра. Если нужно выбрать один ответ, и нет варианта "повышается", то это может быть ловушкой. Но если вопрос подразумевает, что она *начинает* отклоняться от температуры мокрого термометра, то это значение является отправной точкой.

Давайте предположим, что вопрос ищет наиболее характерную температуру, связанную с испарением влаги, которая доминирует в первом периоде и от которой начинается отклонение во втором. Это температура мокрого термометра.

Правильный ответ:

☑ C. температура мокрого термометра