Inżynieria bioprocesowa – egzamin
Pytania za 1 punkt
1. Co to są operacje jednostkowe? Wymień operacje jednostkowe.Operacje jednostkowe- zjawiska o charakterze fizycznym lub fizyko-chemicznym, w których nie występuje reakcja chemiczna np. filtracja, mieszanie, ruch ciepła, absorpcja, suszenie. Właśnie nimi m.in. zajmuje się inżynieria Bio-/procesowaWyróżniamy operacje jednostkowe dynamiczne (np. filtracja, mieszanie, przepływ płynów, opadanie cząsteczek ciał stałych w płynach), cieplne (np. przenikanie ciepła, stężanie roztworów w aparatach wyparnych), dyfuzyjne (np. destylacja, rektyfikacja, absorpcja, nawilżanie, ekstrakcja, suszenie).
2. Wymień części składowe procesu technologicznego.Części składowe procesu technologicznego:- operacje jednostkowe ( ok.20)- każda z nich ma zdefiniowany i przewidywalny wpływ na przetwarzany surowiec, a ich przebieg może być opisany fizycznie i matematycznie.- procesy bio-/chemiczne- wymaga wiedzy oraz możliwości kontroli i sterowania parametrami.
3. Co to są płyny?
Płyny to ciała, których cząsteczki odznaczają się dużą ruchliwością co umożliwia dowolną zmianę postaci geometrycznej płynu wywołanej znikomo małymi siłami.
Płyny dzielimy na:
1) ciecze – mają określoną, samoistną objętość i swobodną powierzchnię oraz błonę powierzchniową o ustalonym napięciu powierzchniowym. Gęstość cieczy w niewielkim stopniu zależy od ciśnienia i temperatury: ciecze to płyny o bardzo małej ściśliwości.
2) gazy – są ściśliwe, nie mają samoistnej powierzchni swobodnej i objętości – zawsze zajmują całą objętość. Gęstość jest wprost proporcjonalna do ciśnienia i odwrotnie proporcjonalna do temperatury.
4. Scharakteryzuj ciecze i gazy doskonałe
W celu ułatwienia matematycznego opisu zjawisk fizycznych w płynach, często w rozważaniach stosuje się uproszczone modele cieczy i gazów. Uproszczenia polegają na zaniedbywaniu niektórych własności fizycznych, pozostających bez istotnego wpływu w rozpatrywanym zakresie zjawisk.
Modele oparte na dwóch podstawowych właściwościach płynów: ściśliwości i lepkości:
- płyn nieściśliwy i nielepki to płyn doskonały
- płyn nieściśliwy i lepki to ciecz rzeczywista oraz gaz płynący z umiarkowanymi prędkościami
- płyn ściśliwy i nielepki to gaz podlegający prawom dynamiki gazów (gaz płynący z dużymi prędkościami)
- płyn ściśliwy i lepki to gaz rzeczywisty
Prawa rządzące ruchem i równowagą płynów doskonałych będę bez ograniczeń i wyjątków ważne również dla płynów rzeczywistych w stanie spoczynku i ruchu jednostajnym ciała jego masy. Prawa te zawiodą i będą wymagały uzupełnień w przypadkach kiedy poszczególne warstwy płynu rzeczywistego będę się poruszać z różnymi prędkościami.
Ciecz doskonała:
1) doskonale nieściśliwa
2) pozbawiona lepkości – cząsteczki cieczy są idealnie ruchliwe, nie istnieją pomiędzy nimi żadne siły
3) pozbawiona sprężystości – nie stawia żadnego oporu przy rozciąganiu i rozrywaniu wzdłuż dowolnie dużych powierzchni
4) pozbawiona rozszerzalności cieplnej – nie zmienia objętości pod wpływem zmian temperatury, posiada więc stałą gęstość – niezależną od warunków zewnętrznych działających na nią
Gaz doskonały:
1) spełnia prawa Boyle’a-Mariotte’a, Gay-Lussaca-Charlesa, równanie stanu gazu Clapeyrona.
2) Składa się z cząsteczek doskonale sprężystych, będących materialnymi punktami między którymi nie występują siły międzycząsteczkowe.
5. Wyjaśnij pojęcie elementu płynu
Element płynu to taka objętość o rozmiarach dużo mniejszych od rozmiarów naczynia, przewodu lub opływanego ciała stałego, a jednocześnie o rozmiarach dużo większych od długości swobodnych dróg międzycząsteczkowych i najmniejszy element płynu posiadający wszystkie własności makroskopowej bryły cieczy.
6.Jakie siły działają w płynach
Rozróżnia się dwa rodzaje sił czynnych w danym obszarze płynu (siły zewnętrzne)
- siły masowe (objętościowe) – są to siły wywierane na każdy element masy płynu zawartej wewnątrz objętości V przez zewnętrzne pole sił. Zaliczamy do nich: siłę ciążenia (ciężar płynu), siłę bezwzględności (inercji) oraz siły odśrodkowe wywołane ruchem naczynia wraz z płynem.
- siły powierzchniowe – są to siły działające z zewnątrz na powierzchnię płynu w obszarze V. Zaliczamy do nich siłę tarcia oraz parcie hydrostatyczne.
7. Wyjaśnij pojęcia: podciśnienie, nadciśnienie i ciśnienie absolutne.
Podciśnienie- różnica między ciśnieniem atmosferycznym a ciśnieniem bezwzględnym w przypadku, gdy jest ono mniejsze od atmosferycznego. pp=pa-p
Nadciśnienie- różnica między ciśnieniem bezwzględnym a ciśnieniem atmosferycznym w przypadku, gdy jest ono większe od atmosferycznego. pn=p-paCiśnienie absolutne (bezwzględne)- ciśnienie wyznaczane względem próżni doskonałej, której ciśnienie wynosi 0.
8. Co to jest lepkość?Lepkość- Podstawowa własność różniąca płyny rzeczywiste od doskonałych. Zdolność przenoszenia naprężeń stycznych między sąsiednimi warstwami płynu poruszającymi się z różnymi prędkościami. Lepkość płynów rzeczywistych wywołuje opór podczas przesuwania się cząsteczek lub warstewek płynu względem siebie. Siły lepkości, które są wyrazem sił tarcia wewnętrznego płynu występują w czasie ruchu względnego cząsteczek płynu i zanikają z zanikiem ruchu. Wyróżniamy lepkość kinematyczną i dynamiczną. Lepkość kinematyczna, nazywana też kinetyczną, jest stosunkiem lepkości dynamicznej do gęstości płynu a dynamiczna wyraża stosunek naprężeń ścinających do szybkości ścinania. à dynamiczna à kinematyczna
9. Omów równanie Darcy – Weisbacha
10. Opisz współczynnik oporów miejscowych.
Prócz oporów wywołanych przez tarcie wewnętrzne (lepkość) płynów, występują również opory lokalne, związane np. z nagłą zmianą przekroju przewodu, zmianą kierunku przepływu, istnieniem na przewodzie kurków, zaworów, zasuw itp. Straty ciśnienia spowodowane koniecznością pokonania tych oporów są uzależnione od konkretnych układów konstrukcyjnych poszczególnych elementów istniejącej lub projektowanej aparatury.
Straty te zależą od energii kinetycznej płynu, poruszającego się w przewodzie. Należy podkreślić, że tego rodzaju straty występują nie wzdłuż całej drogi przepływu, jak to zachodziło w przypadku spadku ciśnienia wywołanego tarciem wewnętrznym w płynie, ale tylko w określanych miejscach, w których znajdują się, np. kurki, zawory, zasuwy, nagłe zmiany przekroju przewodu itp. Stąd też wywodzi się nazwa tego typu oporów jako oporów miejscowych albo lokalnych. Stratę ciśnienia występującą w toku pokonywania oporów lokalnych uzależniamy od energii kinetycznej płynu.
ξ - współczynnik oporu miejscowego zależny od charakteru oporu.
Współczynniki oporów miejscowych określa się w większości przypadków metodą doświadczalną. Przy ich obliczaniu można posługiwać się przybliżonymi wartościami zestawionymi w poradnikach.
11. Do czego służą zwężki pomiarowe?
Są to przyrządy do pomiaru strumienia objętości lub masy płynu.
Ze względu na budowę wyróżnia się następujące rodzaje zwężek:
- kryzy (otwory ostro-krawędziowe)
- dysze (otwory zaokrąglone)
- zwężki Venturiego (przewody zbieżno-rozbieżne), przy czym odróżnia się klasyczne zwężki Venturiego z wlotem stożkowym) i dysze Venturiego (z wlotem w postaci znormalizowanego dyszy)
12. Przedstaw schemat filtru, rozkład ciśnień i występujące różnice ciśnień
13. Podaj definicję stałej C dla filtracji z tworzeniem osadu
C – jest to objętość filtratu, przy przejściu której przez przegrodę filtracyjną odłoży się warstwa osadu, której opór jest równoważny oporowi przegrody filtracyjnej.
14. Opisz pełny cykl filtracji i podaj definicje wydajności filtracji.
Wydajność filtracji - określana jest przez czas potrzebny to obsługi i filtracji oraz ilość otrzymanego filtratu. Czas obsługi wydłuża filtrację właściwą by uczynić ją opłacalną. Im dłuższy czas obsługi tym bardziej opłaca się dłużej przeprowadzać filtrację (czas obsługi to ogromna strata).
15. Przedstaw rodzaje mieszadeł i rodzaje zbiorników mieszalnika.
Rodzaje mieszadeł:
- propelerowe (śmigłowe dla tych z małą lepkością)
- turbinowe (łopatkowe, łapowe, profilowe)
- łapowe
- ultradźwiękowe
- wibracyjne
16. Wyjaśnij termin mieszanie i mieszanie mechaniczne.
Mieszanie należy do operacji dynamicznych.
Celem mieszania jest:
- otrzymanie jednorodnej emulsji lub zawiesiny
- intensyfikacja wymiany ciepła lub masy
Mieszanie zachodzi w fazie stałej, ciekłej i gazowej, a szczególne ważne dla przemysłu jest mieszanie, gdzie fazę rozpraszającą stanowi ciecz.
Mieszanie mechaniczne – mieszanie odbywa się za pomocą wprawianych w ruch obrotowy silniki elektryczne lub hydrauliczne bezpośrednio lub przez przekładnie.
17. Stopień zmieszania
Wyrażone w procentach rozprowadzenie objętości jednego składnika w objętości drugiego. 100% stopień zmieszania oznacza równomierne rozmieszczenia składnika w całej objętości składnika, w którym jest rozmieszczany. Na stopień mieszania mają wpływ: cechy fizyczne mieszanych produktów, cechy konstrukcyjne mieszarki oraz parametry technologiczno-eksploatacyjne
18. Intensywność mieszania.
Określa się za pomocą następujących wielkości a) częstość obrotowa mieszadła n, b) prędkość obwodowa końca łopatek u, c) zastępcza liczba Reynoldsa dla procesów mieszania d) moc mieszania liczona na jednostkę objętości.
19. Efektywność mieszania.
Zależność między stosunkiem stopnia jednorodności układu do mocy mieszania, a liczbą obrotu mieszadła. Zwykle wraz ze wzrostem ilości obrotów mieszadła rośnie stopień zmieszania czyli jednorodności układu. Pojęcie określa nakład energetyczny potrzebny do osiągnięcia założonego celu technologicznego.
20. Podaj definicje liczby mocy zmodyfikowanej liczby Re, Fr dla procesów mieszania.
Zmodyfikowana liczba Re
Zmodyfikowana liczba Froude’a Fr
21. Na czym polega przewodnictwo ciepła?
Przewodzenie ciepła jest związane z przekazywaniem energii od jednej cząsteczki chemicznej danej substancji do drugiej za pośrednictwem ruchu drgającego tych cząsteczek. Cząsteczki mające większy zasób energii podczas ruchu drgającego przekazują część swojej energii cząsteczkom energetycznie uboższym. Proces ten trwa póki temperatura ciała nie zostanie wyrównana w całej rozważanej objętości zajmowanej przez daną substancję.
22. Na czym polega konwekcja ciepła?
Konwekcja-rodzaj ruchu ciepła związany z ruchem płynów. Konwekcyjne ruchy ciepła mogą odbywać się podczasu uwarstwionego przejściowego lub burzliwego przepływu płynu, wywołanego czynnikami wymuszającymi ten ruch, jak przesyłanie cieczy w przewodzie za pomocą pompy lub przesyłania gazu za pomocą wentylatora i tego rodzaju konwekcję ciepła zachodzącą w takich warunkach będziemy nazywać WYMUSZONĄ konwekcją ciepła. Ruch płynów może być wywołany również różnicą temperatur płynu w różnych punktach układu , co powoduje zmianę gęstości płynu i zmianę ciśnień statycznych i w rezultacie zachodzi ruch ciepła połączonych ze swobodną –NIEWYMUSZONĄ-konwekcją masy.
Polega na przenoszeniu ciepła przez cząstki (pakiety) gazu lub cieczy z jednej przestrzeni do drugiej podczas ich ruchu wywołanego: różnicą gęstości, różnicą temperatury lub na skutek ruchu wymuszonego przez czynniki zewnętrzne np. ogrzewanie cieczy w kotle za pomocą gorącej powierzchni kotła, ogrzewanie pokoju za pomocą centralnego ogrzewania.
23. Podaj definicje liczb kryterialnych: Nu, Pr i Gr.
Liczba (kryterium) Nusselta:
Liczba (kryterium) Brandta (podobieństwo fizyko – chemiczne):
Liczba (kryterium) Grashofa:
α- współczynnik wnikania ciepła
λ- współczynnik przewodzenia ciepła płynu
C-ciepło właściwe płynu
β- współczynnik rozszerzalności ciep
24. Wyjaśnij pojęcia: ilość ciepła, strumień ciepła i gęstość strumienia cieplnego. (ZE ŚCIAGI)
Ilość ciepła Q[J]-ciepło przenoszone w rozpatrywanym układzie.
Strumień cieplny Qh[J/s]-ilość ciepła przewodzona przez warstwę.
Gęstość strumienia cieplnego q[W/m2]- ilość ciepła wymienionego w warunkach ustalonych w jednostkowym czasie przez jednostkową powierzchnię biorącą udział w wymianie ciepła q=Qh/A
25. Podaj definicję współczynnika przewodzenia ciepła.
Współczynnik przewodnictwa ciepła, (oznaczany symbolem λ lub k), określa zdolność substancji do przewodzenia ciepła. W tych samych warunkach więcej ciepła przepłynie przez substancję o większym współczynniku przewodności cieplnej.
Współczynnik przewodzenia ciepła dla gazów waha się najczęściej w granicach:
λ= 0,006÷0,06[W/(m∙...
sylwine