Индивидуальные расчетные задания. роль тепловых процессов в химической технологии

Роль тепловых процессов в химической технологии. Особенности тепловых процессов

Промышленные способы подвода и отвода тепла . Виды теплоносителей и области их применения. Нагревание водяным паром. Особенности использования насыщенного пара в качестве греющего агента, основные достоинства и область применения. Тепловые балансы при нагревании «острым» и «глухим» паром. Нагревание горячими жидкостями, достоинства и недостатки. Нагревание топочными газами. Нагревание электрическим током. Охлаждающие агенты.

Теплообменные аппараты. Классификация теплообменных аппаратов. Кожухотрубчатые теплообменники: конструкция, сравнительные характеристики. Змеевиковые теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Теплообменники с плоской поверхностью: конструкции, достоинства и недостатки. Смесительные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Регенеративные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки.

Расчет поверхностных теплообменников. Выбор теплообменных аппаратов. Проектный расчет теплообменников. Проверочный расчет теплообменников. Выбор оптимального режима теплообменных аппаратов.

Выпаривание . Назначение процесса. Классификация выпарных процессов и аппаратов. Однократное выпаривание: принцип действия, схемы, достоинства и недостатки. Многократное выпаривание: принцип действия, схемы, достоинства и недостатки. Выпаривание с тепловым насосом.

Выпарные аппараты. Классификация выпарных аппаратов. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией: конструкции, достоинства и недостатки. Пленочные выпарные аппараты: конструкции, достоинства и недостатки.

Выбор выпарных аппаратов. Расчет непрерывно действующей выпарной установки. Пути повышения экономичности выпарных установок. Назначение конденсатора, барометрической трубы, вакуум-насоса, конденсатоотводчика.

Материал, изученный в предыдущем семестре

(повторение)

Общие сведения. Виды тепловых процессов. Движущая сила. Температурное поле, температурный градиент. Стационарный и нестационарный перенос тепла. Три способа распространения тепла. Тепловой баланс.

Теплопроводность. Закон Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности: физический смысл, единицы измерения. Теплопроводность плоской, цилиндрической, однослойной и многослойной стенок.

Тепловое излучение. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа.

Конвективный перенос тепла. Механизмы продольного и поперечного конвективного переноса в ламинарном и турбулентном потоках. Температурный пограничный слой. Закон теплоотдачи Ньютона. Коэффициент теплоотдачи. Тепловое подобие: критерии теплового подобия. Критериальное уравнение конвективного теплообмена. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния (конденсация пара, кипение жидкостей).

Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Термические сопротивления. Движущая сила процесса, средний температурный напор. Выбор взаимного направления теплоносителей.

Объем модуля и виды учебных занятий

Перечень необходимых средств для выполнения

Программы модуля

Лабораторные установки

«Изучение процесса теплообмена в теплообменнике типа «труба в трубе»

«Испытание двухкорпусной выпарной установки»

3.4.2 Учебники

3.4.3 ЭВМ с соответствующим программным обеспечением (электронная экспертно-обучающая система см. Приложение Е)

План-график изучения модуля «Тепловые процессы»

План-график модуля составлен, исходя из того, что студент еженедельно 4…5 часов самостоятельно выполняет задания, и представлен в таблице 1.1.

Планы практических занятий

Основные правила проведения занятий изложены в Приложении А.

Занятие №1

Тема : Теоретические основы теплопередачи.

Цель занятия : Изучить основные закономерности процесса теплопередачи.

План проведения занятия:

– методы составления тепловых балансов

а) при изменении агрегатного состояния теплоносителя;

б) без изменения агрегатного состояния теплоносителя;

– движущая сила теплопереноса: расчет, влияние различных факторов;

– скорость теплопереноса: лимитирующие стадия и факторы, влияющие на нее;

– способы интенсификации процессов теплопереноса.

2. Решение задач: 4-40, 42, 45 .

Таблица 1.1 – План-график изучения модуля

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 293-299, стр. 318-332.

2. Выучить определения терминов и понятий (см. Приложение Г).

3. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №1 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

капельная конденсация пара;

конвекция;

коэффициент теплопередачи;

коэффициент теплоотдачи;

коэффициент теплопроводности;

критерии теплового подобия;

лимитирующая стадия;

основное уравнение теплопередачи;

пленочная конденсация пара;

пленочное кипение;

пузырьковое кипение;

скорость тепловых процессов;

средняя разность температур;

теплообмен;

теплоотдача;

теплопередача;

теплопроводность;

термическое сопротивление системы;

удельная теплота фазовых превращений;

удельная теплоемкость.

Занятие №2

Тема : Конструкции, выбор и расчет теплообменников.

Цель занятия: Получить навыки выбора и расчета теплообменной аппаратуры.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– технические теплоносители и области их применения;

– классификация теплообменников и их выбор;

– расчет теплообменников; интенсификация работы теплообменников.

2. Решение задач: 4- 38, 44, 52 .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 333-355.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций теплообменников: рисунки №№ 13.1, 13.4, 13.6, 13.7, 13.8, 13.10, 13.13, 13.14, 13.15, 13.17, 13.18, 13.19.

4. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №2 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

водоотводчик;

водяной пар;

«глухой» пар;

критический коэффициент теплоотдачи;

критический температурный напор;

оптимизирующие факторы;

оптимизация;

«острый» пар;

поверхностные теплообменники;

пролетный водяной пар;

промежуточный теплоноситель;

проектный расчет теплообменников;

проверочный расчет теплообменников;

регенеративные теплообменники;

смесительные теплообменники;

температура точки росы.

Занятие №3

Тема: Однокорпусные выпарные установки (ОВУ).

Цель занятия: Изучить конструкции выпарных аппаратов. Получить практические навыки расчета однокорпусных выпарных установок.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– сущность процесса выпаривания, области применения. С какой целью в выпарных аппаратах создают условия для циркуляции выпариваемого раствора?

– классификация выпарных аппаратов, области применения выпарных аппаратов различных конструкций;

– негативные процессы, сопровождающие выпаривание;

– факторы, которые следует учитывать при выборе выпарного аппарата;

– расчет однокорпусных выпарных аппаратов.

2. Решение задач: 5-3, 15, 18, 21, 25 .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 359-365.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций выпарных аппаратов: рисунки №№ 14.1, 14.7, 14.8, 14.9, 14.10, 14.11.

3. Выучить определения терминов и понятий (см. Приложение Г).

4. . Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №3 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

вторичный пар;

выпаривание;

гидравлическая депрессия;

гидростатическая депрессия;

греющий пар;

ионный обмен;

концентрация вещества;

многокорпусная выпарная установка;

однокорпусная выпарная установка;

полезная разность температур;

полная депрессия;

самоиспарение;

температурная депрессия;

экстра-пар;

Занятие №4

Тема: Многокорпусные выпарные установки (МВУ).

Цель занятия: Изучить факторы, определяющие выбор схемы выпарной установки. Получить практические навыки расчета МВУ.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– сущность, области эффективного применения, различные способы повышения экономичности работы выпарных установок:

Выпарные установки с тепловым насосом;

Использование компенсирующего теплового насоса;

Отбор экстра-пара.

– факторы, определяющие выбор схемы МВУ;

– последовательность расчета МВУ.

2. Решение задач: 5-29, 30, 33, 34* .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебниках , стр. 365-374.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций выпарных аппаратов: рисунки №№ 14.2, 14.6.

3. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №4 (см. Приложение Б).

Планы лабораторных занятий

План лабораторных занятий, правила и требования к студентам при подготовке к ним, выполнении и защите лабораторных работ изложены в Приложении А данного учебного пособия, а также в учебнике .

Особая значимость лабораторных занятий при изучении модуля определяется тем, что экспериментальная часть является логическим завершением всех работ по модулю и позволяет не только подтвердить экспериментально ранее изученные базовые зависимости процессов, но и получить практические навыки работы с тепловым оборудованием.

Хорошо успевающим студентам преподаватель может предложить проведение индивидуальной научно-исследовательской работы по теме, являющейся составной частью научной проблематики кафедры, и, в случае ее успешного завершения, студенту засчитывается максимальное количество баллов по экспериментальной части модуля.

3.8 Индивидуальное расчетное задание (ИРЗ)

Целью выполнения ИРЗ является получение практических навыков анализа и расчета основных параметров и количественных характеристик тепловых процессов и аппаратов, работы с учебной и справочной литературой, оформления текстовых документов.

Последовательность работы над выполнением ИРЗ:

● этап 1 : рассмотрение физической сущности и назначения процесса, анализ задания и всех имеющихся данных для его выполнения, отсев избыточных и определение недостающих характеристик;

● этап 2 : выбор соответствующей схемы процесса и конструкции аппарата, что предполагает не только знание факторов, влияющих на технико-экономические показатели процесса, и характера этого влияния, но и умение находить оптимальное решение;

● этап 3 : расчет заданных параметров процесса и аппарата. Выполнение этого этапа следует начать с анализа и выбора метода расчета (расчетной модели). При этом особое внимание следует уделить определению области применения того или иного метода расчета и сопоставлению ее с заданными условиями;

● этап 4 : анализ полученных результатов, определение возможных путей интенсификации и совершенствования процесса и его аппаратурного оформления;

● этап 5 : оформление пояснительной записки.

Пояснительная записка к ИРЗ оформляется на стандартных листах формата А4. Текстовые материалы оформляются, как правило, рукописным способом, причем можно использовать обе стороны листа. Терминология и определения в записке должны быть едиными и соответствовать установленным стандартам, а при их отсутствии – общепринятым в научно-технической литературе. Сокращения слов в тексте и подписях, как правило, не допускаются, за исключением сокращений, установленных стандартом.

Все расчетные формулы в пояснительной записке приводятся сначала в общем виде, нумеруются, дается объяснение обозначений и размерностей всех входящих в формулу величин. Затем в формулу подставляют численные значения величин и записывают результат расчета.

Все иллюстрации (графики, схемы, чертежи) именуются рисунками, которые так же, как уравнения и таблицы нумеруются.

Подписи под рисунками и названиями таблиц должны быть краткими.

В списке использованной литературы источники, на которые ссылаются в пояснительной записке, располагаются в порядке упоминания их в тексте или по алфавиту (по фамилии первого автора работы).

Варианты ИРЗ указаны в Приложении В.

3.9 Самостоятельная работа студентов

Изучение весьма нелегкого для студентов курса «Основные процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ) требует грамотной постановки задач, логически выдержанного хода решений, анализа найденных результатов, то есть постоянной работы на понимание.

Успешность обучения будет зависеть и от индивидуальных особенностей студентов, и от степени их подготовки к овладению данной системой знаний и умений, степени мотивации, интереса к изучаемой дисциплине, общих интеллектуальных умений, уровня и качества организации учебного процесса и других факторов.

Предусмотреть, как пойдет познавательный процесс у каждого студента, невозможно, но известно необходимое условие, которое определяет его успешность – это целенаправленная, систематическая, планомерная самостоятельная работа студента.

Современная методика преподавания ориентирована, прежде всего, на выработку комплекса определенных умений, необходимых будущему специалисту, и умений не только узкоспециальных, но и фундаментальных, таких как, например, умение учиться.

Так как выработка большинства умений возможна только при самостоятельной работе, то она по своей сути должна быть многогранной, так как одна тема или одно задание не могут способствовать выработке всего комплекса умений.

Самостоятельная работа в модульно-рейтинговой технологии обучения включена во все виды учебной работы и реализуется в виде совокупности приемов и средств, среди которых на первое место выдвигается самостоятельное изучение теоретического материала учебной программы модуля с последующим выполнением индивидуального задания.

В качестве основного методического материала при изучении модуля «Тепловые процессы» рекомендуется использовать приведенные далее структурно-логические схемы, отвечающие системному анализу раздела.

Для контроля и самоконтроля эффективности самостоятельной работы студентов используется тестовая система с применением ПЭВМ и единых баз учебных знаний.

Модульный экзамен

По завершении изучения модуля «Тепловые процессы» студент сдает промежуточный (модульный) экзамен (ПЭ). Полученные им баллы за все предыдущие и последующие промежуточные экзамены суммируются и составляют его рейтинг по курсу ПАХТ. При получении достаточной суммы баллов за все промежуточные экзамены их результаты могут записываться ему как итоговый экзамен.

Модульный экзамен проводится в письменной форме. Содержание экзаменационных заданий включает пять вопросов, соответствующих структуре модуля.

Необходимыми условиями допуска к сдаче промежуточных экзаменов являются:

– выполнение студентом планов практических и лабораторных занятий;

– успешная защита индивидуального расчетного задания;

– положительный результат (более 6 баллов) степени усвоения программного материала модуля с использованием электронного экспертно-обучающего комплекса.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Тесты к занятию №1

1. Какое из перечисленных ниже тел при прочих равных условиях быстрее нагреется, если его теплопроводность l, плотность r и удельная теплоемкость с ?

а) асбест: l = 0,151 Вт/м К; r = 600 кг/м 3 ; с = 0,84 кДж/кг К;

б) дерево: l = 0,150 Вт/м; r = 600 кг/м 3 ; с = 2,72 кДж/кг К;

в) торфоплита: l = 0,064Вт/м К; r = 220 кг/м 3 ; с=0,75 кДж/кг К.

2. Какое количество тепла (Дж) необходимо для нагревания 5 л воды от 20 до 100 0 С, если средняя теплоемкость воды составляет 4,2 кДж/кг·К; плотность r = 980 кг/м 3 ; удельная теплота парообразования воды при атмосферном давлении r = 2258,4 кДж/кг; коэффициент теплопроводности воды l = 0,65 Вт/м 2 ×К?

а) 5 × 80 × 4,2 × 10 3 = 1,68 × 10 6 ;

б) 5 × 80 × 4,2 × 980 × 10 -3 × 10 3 = 1,65 × 10 6 ;

в) 5 × 10 -3 × 980 × 2258,4 × 10 3 = 11,07 × 10 6 ;

г) 5 × 980 × 4,2 × 80 ×10 3 = 1,65 × 10 9 ;

д) 5 × 980 × 0,05 = 3,185.

3. Какое количество тепла (Дж) необходимо для испарения 5 л воды при атмосферном давлении, если удельная теплоемкость воды при температуре кипения с = 4,23 кДж/кг×К; плотность r = 958 кг/м 3 ; удельная теплота парообразования r = 2258,4 кДж/кг?

а) 5 × 4,23 × 958 × 10 -3 = 20,26;

б) 5 × 2258,4 = 11,29 × 10 3 ;

в) 5 × 958 × 2258,4 × = 10,82 × 10 6 ;

г) 5 × 958 × 2258,4 × 10 3 = 10,82 × 10 9 .

4. Какое из критериальных уравнений описывает стационарный процесс естественной теплоотдачи?

а) Nu = f (Fo,Рr,Re);

б) Nu = f (Рr,Re);

в) Nu = f (Рr,Gr);

г) Nu = f (Ре,Gr).

5. Как влияет длина вертикальной трубы на коэффициент теплоотдачи α п при конденсации на ней пара?

а) не влияет;

б) с увеличением длины трубы α п увеличивается;

в) с увеличением длины α п уменьшается.

6. Как влияет число горизонтальных труб (n) в пучке на коэффициент теплоотдачи α п при конденсации пара?

а) не влияет;

б) с увеличением n увеличивается α п;

в) с увеличением n уменьшается α п.

7. С увеличением шероховатости стенки при прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи при кипении жидкостей…

а) не изменяется;

б) увеличивается;

в) уменьшается.

8. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей в трубах будет больше в зонах …

а) «гладкого» течения;

б) «шероховатого» течения.

9. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей при прочих равных условиях больше в…

а) прямых трубах;

б) змеевиках.

10. Влияет ли длина труб на интенсивность поперечного процесса переноса тепла в движущейся в них жидкости?

а) не влияет;

б) интенсивность в коротких трубах увеличивается;

в) интенсивность в коротких трубах уменьшается.

11. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб…

а) не зависит от их взаимного расположения;

б) больше при «коридорном» расположении;

в) больше при «шахматном» расположении.

12. Средняя разность температур зависит от взаимного направления движения теплоносителей…

а) всегда;

13. Лимитирующей стадией при теплопередаче является стадия, для которой значение…

а) коэффициента теплоотдачи наименьшее;

б) коэффициента теплоотдачи наибольшее;

в) термического сопротивления наибольшее;

г) термического сопротивления наименьшее;

д) коэффициента теплопроводности наименьшее.

14. С какой стороны стенки, разделяющей холодный воздух и горячую воду, целесообразно интенсифицировать теплообмен, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи?

а) со стороны воздуха;

б) со стороны воды;

в) с обеих сторон.

15. С увеличением скорости движения теплоносителя вероятнее всего…

а) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» - капитальные и «Э» - эксплутационные) теплообменника увеличиваются;

б) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» - капитальные и «Э» - эксплутационные) теплообменника уменьшаются;

в) «К» - увеличиваются, а «Э» - уменьшаются;

г) «К» - уменьшаются, а «Э» - увеличиваются.

16. Температура поверхности стенки t ст1 , которая покрывается загрязнениями, при стационарном непрерывном процессе теплопередачи…

17. Повышение скорости движения теплоносителя не приводит к существенной интенсификации процесса, если…

а) этот теплоноситель – газ;

б) этот теплоноситель – жидкость;

в) термическое сопротивление стенки вследствие ее загрязнения очень велико.

18. При выборе метода интенсификации теплообмена критерием его оптимальности в большинстве случаев является…

а) его доступность;

б) влияние на коэффициент теплопередачи;

в) влияние на массу аппарата;

г) экономическая эффективность.

Тесты к занятию №2

1. При конденсации пара в процессе теплообмена движущая сила…

а) увеличивается при противотоке;

б) уменьшается при противотоке;

в) не зависит от взаимного направления теплоносителей.

2. Расход теплоносителей зависит от взаимного направления их движения…

а) всегда;

б) если изменяются температуры обоих теплоносителей;

в) если изменяется температура хотя бы одного теплоносителя.

3. Противоточное движение теплоносителей позволяет увеличить конечную температуру “холодного” теплоносителя. Это приводит…

а) к уменьшению расхода “холодного” теплоносителя G x и уменьшению движущей силы процесса Dt ср;

б) к уменьшению расхода “холодного” теплоносителя G x и увеличению движущей силы процесса Dt ср;

в) к увеличению расхода “холодного” теплоносителя G x и увеличению движущей силы процесса Dt ср.

4. Выбор теплоносителя, прежде всего, определяется…

а) доступностью, дешевизной;

б) величиной температуры нагревания;

в) конструкцией аппарата.

5. Теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплопередачи. Поэтому он должен обладать…

а) низкими значениями плотности, теплоемкости и вязкости;

б) низкими значениями плотности и теплоемкости, высокой вязкостью;

в) высокими значениями плотности, теплоемкости и вязкости;

г) высокими значениями плотности и теплоемкости, низкой вязкостью.

6. Недостатком насыщенного водяного пара как теплоносителя является…

а) низкий коэффициент теплоотдачи;

б) зависимость давления пара от температуры;

в) равномерность обогрева;

г) невозможность передачи пара на большие расстояния.

7. Присутствие неконденсирующихся газов (N 2 , O 2 , CO 2 и т.д.) в паровом пространстве аппарата …

а) приводит к повышению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке;

б) приводит к снижению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке;

в) не влияет на величину коэффициента теплоотдачи.

8. Основным преимуществом высокотемпературных органических теплоносителей является…

а) доступность, дешевизна;

б) равномерность нагревания;

в) возможность получения высоких рабочих температур;

г) высокий коэффициент теплоотдачи.

9. Какое движение теплоносителей в кожухотрубчатом теплообменнике наиболее эффективно:

а) горячий теплоноситель – снизу, холодный – сверху (противоток);

б) горячий теплоноситель – сверху, холодный – сверху (прямоток);

в) горячий теплоноситель – сверху, холодный – снизу (противоток)?

10. В каких случаях применяют многоходовые кожухотрубчатые теплообменники?

а) при небольшой скорости движения теплоносителя;

б) при большом расходе теплоносителя;

в) для увеличения производительности;

г) для снижения стоимости установки?

11. В многоходовых теплообменниках по сравнению с противоточными движущая сила …

а) увеличивается;

б) уменьшается.

12. Кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции применяют…

а) при большой разности температур труб и кожуха;

б) при использовании высоких давлений;

в) для повышения эффективности теплообмена;

г) для снижения капитальных затрат.

13. Для увеличения коэффициента теплоотдачи в змеевиковых теплообменниках повышают скорость движения жидкости. Этого достигают…

а) увеличением количества витков змеевика;

б) уменьшением диаметра змеевика;

в) установкой внутри змеевика стакана.

14. Оросительные теплообменники в основном применяют для…

а) нагревания жидкостей и газов;

б) охлаждения жидкостей и газов.

15. Какие теплообменники целесообразно применить в случае, если коэффициенты теплоотдачи резко отличаются по величине по обе стороны поверхности теплопередачи?

а) кожухотрубчатые;

б) змеевиковые;

в) смесительные;

г) оребренные.

16. Пластинчатые и спиральные теплообменники нельзя применять, если…

а) требуется создать высокое давление;

б) необходима высокая скорость теплоносителей;

в) один из теплоносителей имеет слишком низкую температуру.

17. В смесительных теплообменниках используется…

а) «острый» пар;

б) «глухой» пар;

в) горячая вода.

18. Какой параметр не задается при проектном расчете теплообменника?

а) расход одного из теплоносителей;

б) начальная и конечная температуры одного теплоносителя;

в) начальная температура второго теплоносителя;

г) поверхность теплообмена.

19. Целью проверочного расчета теплообменника является определение …

а) поверхности теплообмена;

б) количества передаваемой теплоты;

в) режима работы теплообменника;

г) конечных температур теплоносителей.

20. При решении задач выбора оптимального теплообменника критерием оптимальности чаще всего является…

а) экономическая эффективность аппарата;

б) масса аппарата;

в) расход теплоносителей.

21. В кожухотрубчатом теплообменнике теплоноситель, выделяющий загрязнения, целесообразно направить…

а) в трубное пространство;

б) в межтрубное пространство.

Тесты к занятию №3

1. Какое условие необходимо для процесса выпаривания?

а) разность температур;

б) перемещение тепла;

в) температура выше 0 о С.

2. Тепло, необходимое для выпаривания чаще всего подводится …

а) топочными газами;

б) насыщенным водяным паром;

в) кипящей жидкостью;

г) любым из перечисленных способов.

3. Пар, образующийся при выпаривании растворов, называют..

а) греющим;

б) насыщенным;

в) перегретым;

г) вторичным.

4. Наименее экономичным способом является выпаривание …

а) под избыточным давлением;

б) под вакуумом;

в) под атмосферным давлением.

5. Выпаривание под избыточным давлением чаще всего применяют для удаления растворителя из …

а) термически стойких растворов;

б) термически нестойких растворов;

в) любых растворов.

6. Экстра-пар – это ….

а) свежий пар, подаваемый в первый корпус;

б) вторичный пар, используемый для нагрева последующего корпуса;

в) вторичный пар, используемый для других нужд.

7. В выпарных аппаратах непрерывного действия гидродинамическая структура потоков близка к…

а) модели идеального смешения;

б) модели идеального вытеснения;

в) ячеечной модели;

г) диффузионной модели.

8. В процессе выпаривания температура кипения раствора …

а) остается неизменной;

б) уменьшается;

в) увеличивается.

9. При выпаривании по мере роста концентрации раствора значение коэффициента теплоотдачи от поверхности нагрева к кипящему раствору …

а) увеличивается;

б) уменьшается;

в) остается неизменным.

10. Как записывается материальный баланс для непрерывного процесса выпаривания?

a) G K = G H + W;

б) G H = G K – W;

в) G H = G K + W;

где G H ,G K – расходы соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с;

W – выход вторичного пара, кг/с.

11. Тепловой баланс выпарной установки, как правило, применяется для определения…

а) конечной температуры раствора;

б) расхода греющего пара;

в) температурных потерь.

12. Движущей силой процесса выпаривания является…

а) средняя разность температур;

б) полная (общая) разность температур;

в) полезная разность температур.

13. Движущая сила процесса выпаривания находится как разность между температурой греющего пара и …

а) начальной температурой раствора;

б) температурой вторичного пара;

в) температурой кипящего раствора.

14. Температурная депрессия представляет собой разность между…

а) температурами раствора посередине высоты греющих труб и на поверхности;

б) температурами кипения раствора и чистого растворителя;

в) температурами образующегося вторичного пара и вторичного пара в конце паропровода.

15. Возрастание температурных потерь …

а) приводит к увеличению ∆t пол;

б) приводит к уменьшению ∆t пол;

в) не влияет на ∆t пол.

16. В процессе выпаривания с повышением концентрации и вязкости раствора значение коэффициента теплопередачи …

а) остается неизменным;

б) увеличивается;

в) уменьшается.

17. Циркуляция раствора в выпарном аппарате способствует интенсификации теплообмена в первую очередь со стороны…

а) разделяющей стенки;

б) греющего пара;

в) кипящего раствора.

18. Для нетермостойких растворов целесообразно использовать…

19. Для выпаривания высоковязких и кристаллизующихся растворов лучше всего применить…

а) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

б) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

в) пленочные выпарные аппараты;

г) барботажные выпарные аппараты.

20. Наиболее подходящими для выпаривания агрессивных жидкостей являются…

а) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

б) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

в) пленочные выпарные аппараты;

г) барботажные выпарные аппараты.

Тесты к занятию №4

1. Температура кипения раствора во втором корпусе многокорпусной выпарной установки…

а) равна температуре кипения раствора в первом корпусе;

б) выше, чем в первом корпусе;

в) ниже, чем в первом корпусе.

2. На каком рисунке изображена противоточная выпарная установка?

а)

б)

3. Чему равно количество греющего пара, поступающего в корпус m многократного выпаривания?

а) ∆ m = W m -1 - E m -1 ;

б) ∆ m = E m -1 - W m -1 ;

в) ∆ m = W m -1 + E m -1 .

где W m -1 – количество воды;

E m -1 – экстра-пар.

4. Вторичный пар из последнего корпуса…

а) идет на технологические нужды;

б) подается насосом в первый корпус;

в) отводится в барометрический конденсатор.

5. Число корпусов установки многократного выпаривания определяется…

а) суммой затрат на проведение процесса;

б) амортизационными расходами;

в) затратами по производству пара;

г) причинами, указанными в а), б) и в).

6. Недостатками прямоточной схемы многокорпусной выпарной установки являются…

а) понижение температуры кипения и понижение концентрации раствора от 1-го корпуса к последующему;

б) повышение температуры кипения и понижение концентрации раствора от первого корпуса к последующему;

в) повышение температуры кипения и повышение концентрации раствора;

г) понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора.

7. Многокорпусные установки могут быть…

а) прямоточные;

б) противоточные;

в) комбинированные;

г) все вышеперечисленные.

8. Общая поверхность нагрева двухкорпусной выпарной установки может быть выражена как…

а) ;

б) ;

в) .

9. Преимуществами прямоточной многокорпусной выпарной установки являются…

а) раствор идет самотеком;

Химико тех процессы в зависимости от кинетических закономерностей характеризующих их протекание, делятся на пять групп:

1. Механические

2. Гидромеханические

3. Тепловые процессы

4. Массообменные процессы

5. Химические процессы

По организации производства делятся на периодические и непрерывные.

Для периодичного процессов характерно единство места всех стадий протекания процесса, в них операция загрузки сырья, проведения процесса и выгрузки сырья осуществляется в одном аппарате.

Для непрерывных процессов характерно единство времени протекания всех стадий процесса, т.е. все стадии протекают одновременно, но в разных аппаратах.

Характеристикой периодичности процесса служит степень непрерывности Хn =тао\дельта тао.

тао - Продолжительность процесса, то есть время необходимое для завершения всех стадий процесса, начиная от загрузки сырья до выгрузки готовой продукции.

Дельта тао - период процесса, время протекающее от начала загрузки сырья, до загрузки следующей партии сырья.

Механические процессы:

1. Измельчение твердых материалов

2. Смешивание

3. Транспортировка сыпучих материалов

Гидромеханические процессы эти процессы используются в химической технологии, протекают в дисперсных системах, состоящих из дисперсионной среды и дисперсной фазы. По агрегатному состоянию дисперсной среды дел на газовой(туманы, пыль) и жидкой(эмульсия, пена) фазой.

Тепловые процессы химическое производство требует больших затрат тепловой энергии, для подвода и отвода тепла используются тепловые процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и выпаривание.

Массообменные процессы - это процессы характеризующие переносы вещества между фазами, движущей силой является разность концентрации вещества между фазами. Относятся процессы:

1. Адсорбция – это процесс поглощения газов или паров твердым поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей.

2. Абсорбция – процесс поглощения газов или паров жидкими поглотителями

3. Десорбция – обратный процесс от абсорбции

4. Ректификация – процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие их компоненты.

5. Экстракция – процесс извлечения одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы другой фазой.

6. Сушка – процесс удаления летучего компонента из твердых материалов, путем его испарения и отвода образующегося пара.

Химические процессы – процессы представляющие собой одну или н6есколько хим реакций, сопровождающ явл тепло и массо обмена.

Химические реакции:

По фазовому состоянию: гомо и гетере генные

По механизму взаимодействия реагентов: гомолитические и гетеролитические

По тепловому эффекту: экзотермические и эндотермические

По температуре: низко температурные, высоко температурные

По виду реакции: сложные и простые

По использованию катализатора: каталитические и некаталитические

1.Классификация основных процессов и аппаратов

Классификация процессов по способу создания движущей силы:

Массообменные

Гидромеханические

Механические

Тепловые

Химические

1) Массообменные - переход вещества из одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии.

В зависимости от перехода из фазы в фазу процесс называется:

тв → ж (плавление) г → ж (конденсация, абсорбция)

ж → тв (кристаллизация) тв → г (возгонка)

ж → ж (экстракция) г → тв (адсорбция)

ж → г (испарение, десорбция) ж ↔ п (ректификация)

Движущей силой в массообменных процессах является разность концентраций, а скорость процесса определяется законами массопередачи.

2) Гидромеханические – связаны с переработкой суспензий (неоднородная система, состоящая из

жидкостей или газов и взвешенных в ней частиц ж/тв. тела.

Перемещение жидкости или газа;

Перемешивание в жидкой среде;

Разделение жидких неоднородных систем (осаждение, фильтрование, центрифугирование);

Очистка газов от пыли;

Движущей силой таких процессов является разность давлений, обусловленная разность плотностей обрабатываемых материалов, а скорость определяем по законам гидромеханики неоднородных систем.

3) Механические – связаны с обработкой и перемещением твердого тела. Включают в себя: измельчение, дозирование, смешение, отсеивание, транспортирование. Движущая сила – разность сил, давлений, или градиент напряжения (сжатия, сдвига, растяжения). Скорость процесса определяется законами механики твердого тела.

4) Тепловые процессы связаны с переходом тепла от одного тела к другому. Нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, плавление, затвердение, выпаривание, кристаллизация. Скорость определяется законами теплопередачи. Движущая сила – разность температур.

5) Химические – связаны с химическими превращениями участвующих в процессе веществ и получение новых соединений. Включают в себя каталитический крекинг, гидроочистка, риформинг, пиролиз, коксование, полимеризация, алкилирование. Движущая сила – разность концентраций реагирующих веществ. Скорость процесса определяется законами химической кинетики. По способу осуществления различных процессов во времени:

Аппараты имеют такую же классификацию, что и процессы:

1) Массообменные - абсорберы, адсорберы, десорберы, ректификационные колонны, экстракторы, сушилки, кристаллизаторы.

2) Гидромеханические – фильтры, циклоны, электродегидраторы, отстойники, центрифуги, мешалки

3) Механические – дробилки, сито, смесители, дозаторы.

4) Тепловые – теплообменники, холодильники, испарители, конденсаторы, плавильные печи.

5) Химические – реакторы разного вида (с неподвижным слоем катализатора, с псевдоожиженным слоем, с фонтанирующим слоем).

2.Основные признаки массообменных процессов

Основными признаками массообменных процессов являются:

Применяются для разделения смесей

Участвуют минимум 2 фазы

Вещество переходит из одной фазы в другую за счет диффузии

Движущая сила – разность концентраций

Все процессы обратимы, направление процесса определяется законами фазового равновесия, фактическими концентрациями компонента в фазах и внешними условиями (P, t).

Переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия.

3.Основное уравнение массопередачи

Скорость массообменного процесса равна, где - масса вещества, переданная через 1-цу поверхности в 1-цу времени

Движущая сила, - сопротивление массопереноса, - коэф массопередачи, характеризует массу вещества, переданную из фазы в фазу через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе, равной единице. Чем больше К, тем меньших размеров нужен аппарат для передачи заданного количества вещества.

то же самое для жидкой фазы.

Основное уравнение массопередачи, используется для нахождения поверхности контакта фаз, рабочего объема аппарата, числа теор.тарелок

4.Материальный баланс массообменного процесса

Проведение любого процесса в химической технологии связано с использованием различных материалов и видов энергии, передаваемых в форме теплоты. Материальный баланс основан на законе сохранения массы. Цель составления состоит в выявлении всех участвующих в процессе потоков вещества и энергии с учетом потерь. Мат.баланс позволяет рассчитать внешние потоки вещества и энергии (потоки, входящие в данную систему и покидающие ее).

Теплота- форма передачи энергии, которая возникает при взаимодействии тел с разной температурой (Дж)

Процесс переноса тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом

Тепловой поток - количество теплоты, передаваемое в единицу времени (Дж/с = Вт)

Плотность теплового потока (q ) - тепловой поток, проходящий через единицу площади поверхности в единицу времени

Движущей силой является разность температур между более и менее нагретыми телами

Тела , участвующие в теплообмене, называются теплоносителями

Различают три способа распространения тепла:

Теплопроводность – процесспереноса тепла вследствие теплового движения ивзаимодействия микрочастиц , непосредственно соприкасающихся друг с другом

Конвекцией называют перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости

Тепловое излучение - процесс распространения электро-магнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела

В зависимости от целей технологии происходят следующие тепловые процессы:

а) нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред;

б) конденсация паров химически однородных жидкостей и их смесей;

в) испарение воды в парогазовую среду (увлажнение воздуха, сушка материалов);

г) кипение жидкостей.

Передача тепла теплопроводностью

Теплопроводность представляет собой перенос тепла от более к менее нагретым участкам тела вследствие теплового движения и взаимодействия микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом

Температурное поле – совокупность температур во всех точках тела в данный момент времени.

Процесс передачи тепла теплопроводностью описывается с помощью закона Фурье, согласно которому количество теплаdQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхностиdF, перпендикулярный тепловому потоку, за времяdτ пропорционально температурному градиентуdt / dn , поверхности dF и времениdτ

λ – теплопроводность тела, Вт/(м·К)

показывает, какое количество тепла переносится путем теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности

Конвективный теплообмен (теплоотдача) - процесс передачи теплоты от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении.

Перенос тепла происходит одновременно конвекцией и теплопроводностью.

По природе возникновения различают 2 вида конвекции:

свободная обусловлено разностью плотностей нагретых и холодных частиц среды в поле тяжести;

вынужденная возникает при работе насоса, вентилятора

Закон конвективного теплообмена Ньютона-Рихмана - позволяет определить тепловой поток от нагретой поверхности стенки в окруж. среду или от нагретой среды к поверхности стенки

или α - коэффициент теплоотдачи, который показывает какое количество тепла передается от 1 м 2 поверхности стенки к жидкости в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град

Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа- характеризует распределение температур в движущейся жидкости при подводе теплоты

Это уравнение можно решить лишь в редких случаях, поэтому пользуются теорией подобия и выводят критерии подобия. Конвективный теплообмен записывается в виде обобщенного уравнения в форме зависимости м/у критериев подобия

Тепловое подобие

критерий Нуссельта:

Необходимыми условиями подобия переноса тепла является соблюдение гидродинамического игеометрического подобия . Первое характеризуется равенством критериевRe в сходственных точках подобных потоков, второе – постоянством отношения основных геометрических размеров стенкиL1,L2,…,Ln к некоторому характерному размеру

Критериальное уравнение конвективного теплообмена

Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела

Закон излучения Кирхгофа

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуредля даннойчастотыи не зависит от их формы и химической природы

По определению, абсолютно чёрное телопоглощает всё падающее на него излучение, то есть для него. Поэтому функциясовпадает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела, описываемойзаконом Стефана - Больцмана, вследствие чего излучательная способность любого тела может быть найдена исходя лишь из его поглощательной способности.

Теплопередача через плоскую стенку

Теплопередача - это процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку

Количество тепла Q передаваемое в единицу времени от горячего теплоносителя с температуройt1 к холодному с температурой t2 через разделяющую их стенку толщинойδ и коэффициентом теплопроводностиλ. Температуры поверхностей стенкиtст1 и tст2 соответственно. Коэффициенты теплоотдачи для горячего теплоносителяα1, а холодного– α2.

Примем, что процесс теплоотдачи установившийся.

Движущая сила теплообменных процессов

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур теплоносителей

При простейших случаях теплопередачи - прямотоке и противотоке, средняя разность температур определяется по уравнению Грасгофа как средняя логарифмическая

Для прямотока:

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Донецкий национальный технический университет

Кафедра "Прикладная экология и охрана окружающей среды"

Курс лекций

для студентов заочников

"Основы технологических процессов"

Составил доц. А.В. Булавин

Донецк 2008

Задачей курса "Основы технологических процессов" является изучение основных процессов химической технологии, и методов их расчета, знакомство с конструкциями аппаратов, применяемых в этих процессах.

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, последние могут быть разделены на следующие группы:

Механические процессы, применяемые для переработки твердых материалов и подчиняющиеся законам механики твердого тела. К таким процессам относятся: перемещение материалов, измельчение, классификация (сортировка) материалов по крупности, их дозирование и смешивание.

Гидромеханические процессы, используемые при переработке жидкостей и газов, а также неоднородных систем, состоящих из жидкости и мелкоизмельченных твердых частиц, взвешенных в жидкости (суспензий). Движение жидкостей, газов и суспензий характеризуется законами механики жидких тел гидромеханики. К числу гидромеханических процессов относятся: перемещение жидкостей и газов, перемешивание в жидкой среде, разделение жидких неоднородных систем (отстаивание, фильтрование, центрифугирование), очистка газов от пыли.

Тепловые процессы, связанные с теплообменом, т. е. переходом тепла от одного вещества к другому. К этим процессам относятся: нагревание, охлаждение, процессы, протекающие с изменением агрегатного состояния вещества, -- испарение, конденсация, плавление и затвердевание, а также процессы выпаривания, кристаллизации и получения искусственного холода.

Массообменные процессы, заключающиеся в переходе вещества (массы) из одной фазы в другую путем диффузии. К этой группе относятся следующие процессы перехода веществ: сушка твердых материалов, ректификация и сорбция (поглощение газов жидкостями или твердыми веществами).

Ректификация - разделение системы на отдельные компоненты.

Процессы химической технологии проводятся периодически или непрерывно. В периодическом процессе исходные вещества загружаются в аппарат и реагируют или обрабатываются в нем, после чего полученные продукты выгружают, и аппарат загружают вновь. При этом все стадии процесса протекают во всем объеме аппарата, но условия взаимодействия или обработки веществ внутри аппарата -- температура, давление, концентрация и т. д. -- изменяются во времени. В непрерывном процессе загрузка аппарата и выгрузка производятся непрерывно. При этом все стадии процесса протекают одновременно, но в разных точках объема аппарата, причем в каждой его точке температура, давление и другие параметры процесса остаются неизменными во времени. Применение непрерывных процессов позволяет значительно повысить производительность аппаратуры, облегчает автоматизацию и механизацию производства, и дает возможность улучшить качество и однородность получаемых продуктов. Аппараты непрерывного действия компактнее периодически действующих аппаратов, требуют меньших капитальных затрат и меньших эксплуатационных расходов. Благодаря этим серьезным достоинствам непрерывные процессы вытесняют периодические, которые применяются в настоящее время преимущественно в производствах небольшого масштаба и при разнообразном ассортименте выпускаемой продукции.

Процессы химической технологии связаны с разнообразными физическими и химическими явлениями. Однако большинство этих процессов характеризуется сравнительно ограниченным числом физических законов.

Материальный баланс. По закону сохранения массы, количество веществ, поступающих на переработку (УG нач.), равно количеству веществ, получаемых в результате переработки (УG кон), т. е. приход вещества равен расходу. Это можно представить в виде уравнения материального баланса:

УG нач = УG кон

Энергетический баланс. По закону сохранения энергии, количество энергии, введенной в процесс, равно количеству ее, полученному в результате проведения процесса, т. е. приход энергии равен расходу ее.

Условие равновесия. Любой процесс протекает до тех пор, пока не установится состояние его равновесия. Так, жидкость перетекает из сосуда с более высоким уровнем ее в сосуд с более низким уровнем до тех пор, пока уровни жидкости в обоих сосудах не сравняются. Тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока температура обоих тел не станет одинаковой. Соль растворяется в воде до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Подобных примеров можно привести бесчисленное множество. Условия равновесия характеризуют так называемую статику процесса и показывают пределы, до которых может протекать данный процесс.

Условия равновесия выражаются разными законами; к ним относятся второй закон термодинамики и законы, характеризующие соотношение между концентрациями компонента в различных фазах системы.

Скорость процесса. Скорость процесса - это производительность, отнесенная к единице длины, массы, объёма. В большинстве случаев скорость процесса пропорциональна движущей силе. Если какая-либо система не находится в состоянии равновесия, то обязательно возникает процесс, стремящийся привести эту систему к равновесию. При этом обычно скорость процесса тем больше, чем больше отклонение системы от состояния равновесия. Отклонение системы от состояния равновесия выражает, таким образом, движущую силу процесса, Следовательно, чем больше движущая сила, тем больше скорость процесса. По мере приближения к равновесию движущая сила и скорость процесса уменьшаются, достигая нуля в состоянии равновесия. Вблизи состояния равновесия скорость процесса весьма мала и продолжает уменьшаться при приближении к равновесию, поэтому для его достижения требуется бесконечно большое время. Однако обычно может быть сравнительно быстро достигнуто состояние, столь близкое к равновесию, что практически его можно рассматривать как равновесное.

Для практических расчетов весьма важно знать скорость процесса в различных его стадиях, или так называемую кинетику процесса. Во многих случаях скорость процесса пропорциональна движущей силе. Такая простая зависимость наблюдается при фильтровании, при передаче тепла путем теплопроводности и конвекции, в процессах массопередачи. В этих случаях уравнение скорости процесса имеет следующий вид:

N/ (Fф) = К Д

где N -- количество вещества или тепла, передаваемое через поверхность за время ф;

К -- коэффициент пропорциональности (коэффициент скорости процесса);

Д -- движущая сила процесса.

В тепловых процессах через F обозначают поверхность теплообмена, т. е. поверхность, через которую передается тепло (стр. 363), в процессах массопередачи F--поверхность соприкосновения фаз.

Левая часть уравнения представляет собой скорость процесса.

Коэффициент скорости процесса К обычно находят из опыта, расчетное определение его в ряде случаев представляет значительные трудности.

1. ГИДРАВЛИКА

При исследовании различных вопросов гидравлики вводят понятие о реально не существующей, идеальной жидкости. Такая жидкость абсолютно несжимаема и не обладает внутренним трением между частицами (вязкостью). В действительности жидкости в той или иной мере сжимаемы и обладают вязкостью; они называются реальными, или вязкими, жидкостями.

Реальные жидкости делятся на собственно жидкости, называемые капельными, и упругие жидкости -- газы, обладающие сжимаемостью, или упругостью, т. е. способные изменять свой объем с изменением давления. Сжимаемость капельных жидкостей крайне незначительна; например, объем воды при увеличении давления от 1 до 100 am уменьшается только на 7гоо первоначальной величины.

Плотность и удельный вес

Масса жидкости, заключенная в единице ее объема, называется плотностью и обозначается через с:

где m -- масса жидкости, кг; V -- объем жидкости, м 3 .

Удельным весом называется вес единицы объема жидкости и связан с вязкостью соотношением

г = сg (н/ м 3)

Плотность капельных жидкостей незначительно увеличивается с повышением давления и обычно несколько уменьшается с возрастанием температуры. Объем, занимаемый единицей массы тела, называется удельным объемом. Удельный объем является величиной, обратной плотности, т. е. х =1/с

Гидравлика делится на гидростатику и гидродинамику.

Гидростатика изучает покоящиеся жидкости.

Гидростатическое давление

Рст = сgН = гН,

где Н - высота слоя жидкости, с - ее плотность.

Рст/сg = Нст - статический напор (пъезометрический).

Давление в аппаратах измеряется манометрами, разрежение вакумметрами.

1 (атм) = 760 мм рт.ст = 760 *13,6 = 10330 мм вод.ст =(10,33 м вод.ст) =

Давление в аппаратах - Ризб. измеряется по отношению к атмосферному:

Рабс = Ратм + Ризб,

Рабс = Ратм - Рвак - остаточное давление - разрежение в аппарате.

Гидродинамика

Гидродинамика изучает перемещение жидкости

Вязкость

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Вязкость - сила внутреннего трения, т.е. сила сцепления между соседними слоями жидкости, препятствующая их взаимному перемещению. По закону Ньютона

Ртр = - м F dW/dl,

где Ртр - сила трения,

F - поверхность,

dW/dl - градиент скорости по нормали, т.е. относительное изменение скорости на единицу расстояния между слоями по направлению, перпендикулярному к направлению течения жидкости.

Входящий в уравнение коэффициент пропорциональности м зависит только от физических свойств жидкости и называется динамическим коэффициентом вязкости, или просто вязкостью.

Получим размерность вязкости в системе единиц СИ:

м = Ртр dl / dW - F = н* м/ м/с*м 2 = н*с/ м 2 = Па*с

Часто вязкость выражают в сантипуазах:

1сПз = 0,01 Пз = 10 -3 Па*с

Отношение вязкости к плотности с жидкости называется кинематическим, коэффициентом вязкости, или просто кинематической вязкостью Единица кинематической вязкости -- стокс (cm) равен 1 см 2 /сек. Единица кинематической вязкости, в 100 раз меньше стокса, называется сантистоксом (сст).

н = (н*с *м 3)/(м 2 кг) = (кг*м/с 2) с *м 3)/(м 2 * кг) = м 2 /с

н = см 2 /с = Ст

Вязкость капельных жидкостей с повышением температуры уменьшается, вязкость газов увеличивается. Изменение вязкости в зависимости от давления незначительно и обычно не учитывается (исключая область весьма высоких давлений).

Характеристики:

1. Расход жидкости:

Объемный расход - V, м 3 /с

Массовый расход - G, кг/с

2. Скорость движения жидкости

Объемная скорость

w об = V/ S - м/с

Массовая скорость

w мас = G / S = V с/ S

w мас =w об с

3 Установившийся поток - скорость и расход в какой-либо точке с течением времени не изменяется.

Кинетическая энергия жидкости, движущейся со скоростью w, определяется по формуле:

Рдин = mw 2 /2

Уравнение Бернулли

Сумма Е пот и Е кин в любом сечении потока идеальной жидкости есть величина постоянная.

Р ст + Р геом + Р дин = const

Р геом - геометрическое (нивелирное) давление, характеризующее Е пот жидкости, принятую на высоте Z.

Р ст I + Р геом I + Р дин I = Р ст II + Р геом II + Р дин II

Для реальных жидкостей сумма Р I всегда меньше суммы Р II .

Р I >?Р II

Р ст I + Р геом I + Р дин I = Р ст II + Р геом II + Р дин II +ДР

ДР-потеря давления

Разделим каждое слагаемое на сg:

Статический напор (пьезометрический)

Геометрический напор (нивелирный)

Потери напора (м)

Динамический напор (м)

6. Режимы движения вязкой жидкости

При течении жидкости характер, или режим, ее движения может быть ламинарным или турбулентным.

При ламинарном режиме, наблюдающемся при малых скоростях или значительной вязкости жидкости, она движется отдельными параллельными струйками, не смешивающимися друг с другом. Струйки обладают различными скоростями, но скорость каждой струйки постоянна и направлена вдоль оси потока

Рис. 6-10. Распределение скоростей в трубе при различных режимах движения жидкости: а --ламинарное движение; б --турбулентное движение.

При ламинарном движении (рис. 6-10, а) скорость частиц по сечению трубы изменяется по параболе от нуля у стенок трубы до максимума на ее оси. При этом средняя скорость жидкости равна половине максимальной w ср. =0,5 w max . Такое распределение скоростей устанавливается на некотором расстоянии от входа жидкости в трубу.

При турбулентном режиме частицы жидкости движутся с большими скоростями в различных направлениях, по пересекающимся путям. Движение носит беспорядочный характер, причем частицы движутся как в осевом, так и в радиальном направлении. В каждой точке потока происходят быстрые изменения скорости во времени -- так называемые пульсации скорости. Однако значения мгновенных скоростей колеблются вокруг некоторой средней скорости.

Но и при турбулентном движении (рис. 6-10,6) в очень тонком граничном слое у стенок трубы движение носит ламинарный характер. Этот слой толщиной 5 называется ламинарным пограничным слоем. В остальной части (ядре) потока, вследствие перемешивания жидкости, распределение скоростей более равномерно, чем при ламинарном движении, причем w ср. =0,85 w max .

Два различных режима движения и возможность взаимного перехода одного режима в другой можно наблюдать, пропуская в трубу воду с различными скоростями и вводя по оси трубы тонкую струйку окрашенной жидкости. При малых скоростях движения окрашенная струйка движется в воде, не перемешиваясь с нею. С увеличением скорости воды окрашенная струйка становится колеблющейся и по достижении некоторой критической скорости полностью размывается, окрашивая воду. Резкое изменение течения окрашенной струйки характеризует переход ламинарного режима движения жидкости в турбулентный.

Опыты, проведенные в 1883 г. О. Рейнольдсом, показали, что характер движения жидкости зависит от средней скорости w жидкости, от диаметра d трубы и от кинематической вязкости v жидкости. Переход одного вида движения в другой происходит при определенном значении комплекса перечисленных величин, названного критерием Рейнольдса:

Критерий Рейнольдса является безразмерной величиной, что легко доказать, подставив входящие в него величины в одинаковой системе единиц, например в системе СИ:

Rе=[м/с*м/м 2 /сек]

На основе соотношений (6-9) и (6-19) могут быть получены различные выражения критерия Рейнольдса, которымипользуются в технических расчетах:

Re = wd/н= wdс/м

Где v -- кинематическая вязкость; р -- плотность; м -- динамическая вязкость.

Из этих выражений следует, что турбулентное движение возникает с увеличением диаметра трубы, скорости движения и плотности жидкости или с уменьшением вязкости жидкости.

Величина Re, соответствующая переходу одного вида движения в другой, называется критическим значением критерия Рейнольдса, причем для прямых труб Re Kp . ~ 2300. Движение жидкости в прямых трубах при Re < 2300 является устойчивым ламинарным. При Re > 2300 движение турбулентно, однако устойчивый (развитый) турбулентный характер оно приобретает -при Re > 10 000. В пределах Re от 2300 до 10 000 турбулентное движение является недостаточно устойчивым (переходная область).

При движении жидкости в трубах или каналах некруглого сечения в выражение критерия Re вместо диаметра подставляют величину эквивалентного диаметра:

d экв. =4S/П

где S -- площадь сечения потока;

П -- периметр, смоченный жидкостью.

Движение жидкости по трубопроводам

Размещено на http://www.allbest.ru/

Р 1 = Р 2 +ДР

где ДР - потери давления на трение.

Где -л - коэффициент гидродинамического трения.

л = f (Re, е),

где е - относительная шероховатость стенок трубопроводов.

Для ламинарного потока л зависит только от величины Re и определяется по формуле

Для турбулентного потока л можно определяется по сложным зависимостям, либо по уже рассчитанным графикам.

Местные сопротивления

1. Потери давления, обусловленные изменением направления потока

2. Потери давления, связанные с изменением сечения

3. Потери давления, обусловленные изменением направления и скорости

а) запарные (регулировочные) приспособления: задвижка, вентиль

б) Приборы КИП: термометр, диафрагма

Таким образом, потери давления на движение по трубопроводам с учетом местных сопротивлений можно выразить так:

Теплопередача

Теплопередача - учение о процессах распространения или передачи тепла.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции или лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путем переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передается от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности. Передача тепла лучеиспусканием происходит путем переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен).

Тепловой баланс

Для передачи тепла в любой среде необходима разность температур (движущая сила процесса).

Пусть в аппарате происходит охлаждение горячего теплоносителя от t гор 1 до от t гор 2 , то количество отданного тепла можно рассчитать по формуле:

Q гор = G гор c гор (t гор 1 - t гор 2)

где - G гор - количество горячего теплоносителя кг (моль)

С -- удельная теплоемкость Дж/кг град (Дж/ моль град).

Удельная теплоемкость -- это количество тепла, сообщаемое единице массы вещества (1 кг, 1 м 3 , 1 моль) для изменения его температуры на 1°С.

При этом происходит нагрев холодного теплоносителя от t хол 2 до t хол 1 , то количество отданного тепла можно рассчитать по формуле

Q хол = G хол c хол (t хол 2 - t хол 1)

В соответствии с законом сохранения энергии количество тепла отданного горячим теплоносителем равно количеству тепла принятому холодным теплоносителем, т.е.

Q гор = Q хол

Однако в реальных процессах часть тепла расходуется на теплообмен с окружающей средой (потери тепла). Тогда

Q гор = Q хол + Q пот

В современных теплообменных аппаратах потери тепла обычно невелики и составляют не более 2--5 %.

При изменении агрегатного состояния вещества (плавление-кристаллизация, испарение-конденсация) изменения температуры не происходит, поэтому количество тепла принятое (отданное) может быть рассчитано по формуле

где r - теплота испарения(конденсации) Дж/кг (Дж/ моль).

где q - удельная теплота плавления (кристаллизации) Дж/кг (Дж/ моль).

1) Количество тепла, затрачиваемого на нагревание льда (с -20 до 0°С):

C=2,14 кДж/кг К

2) Количество тепла, затрачиваемого на плавление:

3) Количество тепла, затрачиваемого на нагрев воды:

С=4,19 кДж/кг К

r= 2260 кДж/кг

5) Q=42,8+380,7+419+2260=3102,5 кДж

Уравнение теплопередачи

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т -- температура горячего теплоносителя, a t -- температура холодного теплоносителя, то температурный напор

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причем количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному (т. е. тепловая нагрузка аппарата), пропорционально поверхности теплообмена F, температурному напору Д t и времени ф:

Здесь k -- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопередачи и представляющий собой количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени при температурнбм напоре, равном единице. Если Q выражено в дж, F в м 2 , ф в сек и Д t в град, то коэффициент теплопередачи имеет размерность

k = Дж/м 2 сек град =Вт/ м 2 град

k = f(l,d,c,с,м….)

Он ориентировочно принимается по справочным данным или рассчитывается по сложным зависимостям.

При непрерывных процессах под тепловой нагрузкой Q понимают количество тепла, передаваемое за единицу времени (вт); тогда уравнение (11-8) можно написать в виде:

Уравнение теплопроводности

Если тепло переносится путем теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки Дt ст = t ст1 - t ст2 времени ф и обратно пропорционально толщине стенки д:

Q = л F Д t ст ф/ д

где t ст1 и t ст2 --температуры поверхностей стенки.

Коэффициент пропорциональности л называется коэффициентом теплопроводности (или просто теплопроводностью) и имеет размерность

л = Дж м/м 2 сек град =Вт/ м град

Коэффициент теплопроводности представляет собой количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу поверхности при разности температур 1°С на единицу толщины стенки. Этот коэффициент зависит от свойств материала стенки и от ее температуры.

Для непрерывного процесса уравнение можно представить в виде:

Передача тепла через стенку

Плоская стенка

Рассмотрим сложный процесс передачи тепла через плоскую стенку от горячего теплоносителя к холодному. Характер изменения температур показан на рис. 1 В слое горячего теплоносителя температура изменяется от t 1 до t ст1 по толщине стенки от t ст1 до t ст2 и в слое холодного теплоносителя от t ст2 до t 2

Напишем уравнения передачи тепла конвекцией от горячего теплоносителя к стенке, путем теплопроводности через стенку и конвекцией от стенки к холодному теплоносителю:

Коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю.

Поверхность теплообмена F равна поверхности стенки и при плоской стенке является постоянной величиной.

При установившемся процессе количества тепла, передаваемые от горячего теплоносителя к стенке (Q 1), через стенку (Q CT .) и от стенки к холодному теплоносителю (Q 2), должны быть равны между собой, т. е.

Q 1 = Q CT . = Q 2 = Q

Коэффициент теплопередачи (Вт/м 2 град)

б 1 и б 2 - коэффициенты теплоотдачи при конвективных процессах

тепловое сопротивление

Если стенка состоит из нескольких слоев толщиной д 1 , д 2 д 3 с теплопроводностями л 1 , л 2 , л 3 то тепловые сопротивления будут равны д 1 / л 1

д 2 / л 2 и д 3 / л 3 , а тепловые сопротивления всей стенки составит

Передача тепла при переменной разности температур

При непрерывном процессе теплоносители всегда находятся во взаимном движении, направления которого могут быть различны. Основными видами движения теплоносителей являются прямоток и противоток.

При прямотоке оба теплоносителя движутся вдоль поверхности теплообмена в одном и том же направлении; характер изменения их температур показан на рис. 2а.

При противотоке теплоносители движутся в противоположных направлениях рис. 2 б.

При прямотоке и противотоке средний температурный напор определяется как среднелогарифмическое из значений максимального Д t мах и минимального Д t min температурных напоров;

Если отношение Д t мах /Д t min ?2, то с достаточной точностью (ошибка менее 4%) можно пользоваться среднеарифметическим значением:

Д t ср = Д t мах + Д t min /2

Выбор и расчет теплообменников

Тепловой расчет теплообменников заключается в определении необходимой поверхности теплопередачи, исходя из основного уравнения теплопередачи

F = Q /к Д t ст

Выпаривание

Выпаривание - процесс повышения концентрации нелетучего или трудно летучего соединения в летучем растворителе путем перехода последнего в парообразное состояние при кипении.

Чтобы процесс выпаривания шел непрерывно необходимо:

Непрерывный подвод тепла;

Непрерывный отвод выделяющихся паров.

Для обогрева выпарных аппаратов применяют чаще всего водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев.

Методы отвода паров:

Выпаривание раствора под атмосферным давлением. Образующийся при этом так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым.

Выпаривание под пониженным давлением (при разрежении). В аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса

Выпаривание веществ, которые разлагаются при повышенных температурах;

Применение теплоносителя с более низких параметров;

Уменьшение размеров аппаратов.

Выпаривание под повышенным давлением. Вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления и т. п., а также для различных технологических нужд.

Материальный баланс выпарного аппарата

Обозначим начальное (до выпарки) и конечное (после выпарки) количество раствора (в кг) через G 1 и G 2 , его начальную и конечную концентрацию (в весовых долях) через с 1 и с 2 и количество выпаренной воды (в кг) через W.

Тогда можно написать уравнения материального баланса по всему количеству вещества:

и по растворенному веществу

G 1 с 1 = G 2 с 2

В приведенные уравнения входят пять величин; три величины должны быть заданы, а остальные две можно определить из этих уравнений. Обычно бывают известны G 1 a 1 и а 2 , тогда, решая совместно уравнения (13-5) и (13-6), находим

G 2 = G 1 с 1 / с 2

W = G 1 - G 2 = G 1 (1 - с 1 / с 2)

Уравнение дает возможность определить количество выпаренной воды.

Тепловой баланс выпарного аппарата

Для обогрева выпарных аппаратов чаще всего используется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при повышенной температуре, применяют топочные газы и специальные высокотемпературные теплоносители (например, АМТ-300), и в особых случаях используют электрический обогрев. Составим уравнение теплового баланса выпарного аппарата для выпариваемого раствора:

Приход тепла

Отдается нагревающим агентом

Q гр.п = G гр.п i гр.п

С поступающим раствором G 1 с 1 t 1

Расход тепла

С вторичным паром Wi в.п

С уходящим раствором G 2 c 2 t 2

Потери в окружающую среду Q n

С конденсатом вторичного пара G конд c конд t конд

Таким образом

Q n р = Q расх

G гр.п i гр.п + G 1 с 1 t 1 = Wi в.п + G 2 c 2 t 2 + G гр.п c конд t конд + Q n

G гр.п i гр.п - G гр.п c конд t конд = Wi в.п + G 2 c 2 t 2 - G 1 с 1 t 1 + Q n

где с 1 и с 2 --удельные теплоемкости поступающего и уходящего растворов, дж/кг-град;

t 1 и t 2 -- температуры поступающего и уходящего растворов, град;

i в.п --энтальпия вторичного пара, дж/кг.

Потери тепла принимаются 3-5 % от полезно затрачиваемого тепла, а затем рассчитывается изоляция (0,03-0,05 Q n р).

G гр.п = (Wi в.п + G 2 c 2 t 2 - G 1 с 1 t 1 + Q n)/ (i гр.п - c конд t конд)

Рассматривая поступающий раствор как смесь упаренного раствора и испаренной воды, можно написать:

G 1 с 1 t 2 = G 2 c 2 t 2 + Wс в. t 2

G 2 c 2 = G 1 с 1 -- Wc B

где с в -- удельная теплоемкость воды, дж/кг * град.

Подставляя значение G 2 c 2 в уравнение (13-10), получим

G гр.п = (Wi в.п + (G 1 с 1 -- Wc B) t 2 - G 1 с 1 t 1 + Q n)/ (i гр.п - c конд t конд)

G гр.п = (Wi в.п + G 1 с 1 t 2 -- Wc B t 2 - G 1 с 1 t 1 + Q n)/ (i гр.п - c конд t конд)

G гр.п = (W(i в.п -- c B t 2)+ G 1 с 1 (t 2 - t 1) + Q n)/ (i гр.п - c конд t конд)

Расчет выпарных аппаратов

Температура кипения растворов

Давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем давление над чистым растворителем. Вследствие этого температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, вода кипит под атмосферным давлением при 100° С, так как давление ее пара при этой температуре равно 1 am; для 30% раствора NaOH давление водяного пара над раствором будет при 100° С ниже 1 am, и раствор закипит при более высокой температуре (117°С), когда давление пара над ним достигнет 1 am. Разность между температурами кипения раствора (t) и чистого растворителя (г)) называется температурной депрессией:

Д t ДЕПР =t раствор -t растворитель

Температурная депрессия зависит от свойств растворенного вещества и растворителя; она повышается с увеличением концентрации раствора и давления. Определяется температурная, депрессия опытным путем (большинство опытных данных относится к температурной депрессии при атмосферном давлении).

Гидростатическая депрессия Д t" вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой температуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев). Если, например, нагревать при атмосферном давлении воду до температуры кипения в трубе высотой 10 м, то верхний слой воды закипит при температуре 100° С, а нижний слой, находящийся под давлением 2 am, при температуре ~120 о С. В данном случае гидростатическая депрессия изменяется по высоте трубы от 0°С (вверху) до 20° С (внизу) и в среднем составляет 10° С. Расчет гидростатической депрессии в выпарных аппаратах невозможен, так как жидкость в них (в основном в виде парожидкостной смеси) находится в движении. С повышением уровня жидкости в аппарате гидростатическая депрессия возрастает. В среднем она составляет 1--3°С.

Гидравлическая депрессия Д t "" учитывает повышение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара через ловушку и выходной трубопровод. При расчетах Д t "" принимают равной 1 С.

Полная депрессия Дt равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессий:

Дt = Д t " + Дt" + Д t ""

Температура кипения раствора t определяетсяпо формуле:

t раствоитель =t раствоитель +Дt

Пример 13-1. Определить температуру кипения 40%-ного раствора NaOH при абсолютном давлении 0,196 бар (0,2 am).

Д " =28°С при атмосферном давлении

Д " = k=0,76 при 0,2 атм

Д=15,2+2+1=24,28°С

t кип.р-ля (Н 2 О)=60°С при Р=0,2 атм

t кип.р-ля =24,28+60=84,28

химический гидромеханический абсорбция ректификация

Общие сведения о массообменных процессах

В химической технике и экологической практике широко применяют массообменные процессы: абсорбцию, экстракцию, ректификацию, адсорбцию и сушку.

Абсорбция -- избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем (абсорбентом). Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы, в жидкую.

Экстракция -- извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью. Этот процесс представляет собой переход вещества из одной жидкой фазы в другую.

Ректификация -- разделение жидкой смеси на компоненты путем противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Этот процесс включает переходы вещества из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Адсорбция -- избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ поверхностью пористого твердого поглотителя (адсорбента), способного поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фаз в пористый твердый материал.

Сушка -- удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Скорость перечисленных процессов определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую (скоростью массопередачи).

2. АБСОРБЦИЯ

Абсорбцией называется процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс -- выделение поглощенного газа из поглотителя -- называется десорбцией.

В промышленности абсорбция с последующей десорбцией широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов (например, для извлечения из коксового газа аммиака, бензола и др.), для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей (например, при очистке их от сероводорода), для санитарной очистки газов (например, отходящих газов от сернистого ангидрида) и т. д.

Равновесие при абсорбции

Подобно тому как передача тепла протекает лишь при отклонении от состояния равновесия, т. е. при наличии разности температур между теплоносителями, так и переход вещества из одной фазы в другую происходит при отсутствии равновесия между фазами.

Пусть имеются две фазы G и L, причем распределяемое вещество вначале находится только в первой фазе G и имеет концентрацию У. Если привести фазы в соприкосновение, то распределяемое вещество начнет переходить в фазу L. С момента появления распределяемого вещества в фазе L начнется и обратный переход его в фазу G. Скорость обратного перехода будет увеличиваться по мере повышения концентрации распределяемого вещества в фазе L. В некоторый момент скорости перехода вещества из фазы и обратно станут одинаковыми. При этом установится состояние равновесия между фазами, при котором явного переноса вещества из одной фазы в другую происходить не будет. В состоянии равновесия существует определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в этих фазах. Т. е. при Р-const и t-const,

x* и y* - равновесные концентрации распределенного вещества соответственно в жидкой и газовой фазе.

Существует следующая зависимость:

Однако чаще всего: y*=m"x n

где m и m" - коэффициенты распределения

y m"x n - кривые распределения

Порциальное давление компонента подчиняется закону Дальтона:

Р=Р общ - закон Дальтона

Растворимость газов в жидкостях зависит от свойств и жидкости, от температуры и парциального давления растворяющегося газа (компонента) в газовой смеси.

Зависимость между растворимостью газа и его парциальным давлением характеризуется законом Генри, согласно которому равновесное парциальное давление р* пропорционально содержанию растворенного газа в растворе X (в кг/кг поглотителя):

где Ш - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность давления и зависящей от свойств растворенного газа и поглотителя и от температуры (Приложение XVI).

х- концентрация компонента, кг/кг поглотителя

В усложненных условиях (хемосорбция, хорошая растворимость газов) растворимость многих газов значительно отклоняется от закона Генри и приходится пользоваться экспериментальными данными.

Для протекания процесса необходима движущая сила:

ДР=Р г -Р ж

Р г >Р ж - абсорбция

Р г <Р ж - десорбция

Материальный баланс процессов массообмена

Рассмотрим схему движения потоков в противоточном аппарате для массообмена (рис. 16-2). В аппарат поступают фазы G (например, газ) и L (например, жидкость). Пусть расход носителя в фазе G составляет G кг/сек, а в фазе L равен L кг\сек. Содержание распределяемого компонента, выраженное в виде относительных весовых составов, в фазе G обозначим через У, в фазе L -- через X.

Предположим, что распределяемый компонент переходит из фазы G в фазу L (например, абсорбируется из газовой смеси жидкостью), причем содержание этого компонента в фазе G уменьшается от Y 1 (на входе в аппарат) до У 2 (на выходе из аппарата). Соответственно содержание этого же компонента в фазе L увеличивается от Х 2 (при входе в аппарат) до Xi (на выходе из аппарата).

Носители не участвуют в процессе массообмена; следовательно, их количества G и L не изменяются по длине аппарата. Тогда количество компонента, перешедшего из фазы G, составит:

М = О Y x - О У 2 = О (Y x -- Y 2) кг/сек

и количество компонента, перешедшего в фазу L:

M=LX X -- LX 2 = L {Х х -- Х 2) кг/сек

Оба эти количества равны, поэтому можно записать уравнение материального баланса в следующем виде:

y 1 -y 2 =l(x 2 -x 1)

y= f(x) - уравнение рабочей линии

Уравнение рабочей линии представляет собой прямолинейную зависимость

y=a+bx, где, а=y 1 -lx 2 , a=y 2 -lx 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет расхода поглотителя

Степень очистки (извлечения) - это отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству поглощенного при полном извлечении.

Степень извлечения

Размещено на http://www.allbest.ru/

При уменьшении угла наклона рабочей линии уменьшается расход поглотителя.

Минимальный расход поглотителя соответствует линии ВА"".

На практике расход поглотителя принимается на 10-20% больше. Тогда:

Где Z - коэффициент избытка поглотителя, Z = 1,1-1,2

Механизм и скорость процесса абсорбции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Согласно пленочной теории, сопротивление процессу массопередачи сводится к сопротивлению очень тонких слоев на границе раздела фаз. Тогда скорость процесса массопередачи имеет вид:

R - сопротивление процессу массопередачи

При массопередаче в газовой фазе скорость процесса равна:

r - сопротивление газовой пленки, или:

в г = - коэффициент массоотдачи в газовой фазе

Скорость массопереноса для жидкой фазы:

в ж = - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.

В условиях равновесия у* = mx. Следовательно, х=

На границе раздела фаз: у гр = mx гр. Следовательно, x гр =

Тогда для жидкой фазы:

Суммарный массоперенос через обе фазы:

Уравнение скорости массопередачи

Коэффициент массопередачи

Расчет в г и в ж представляет собой сложный и длительный процесс.

Средняя движущая сила и методы расчета процессов массопередачи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Средняя движущая сила процесса изменяется по высоте аппарата, поэтому в расчетные формулы подставляется величина средней движущей силы.

Средняя логарифмическая движущая сила

Если, то формулу можно упростить:

Однако, часто средняя логарифмическая движущая сила не отражает процессов, происходящих в аппарате, так как, например, линия равновесия не всегда является прямой.

Число единиц переноса

Обозначим рабочую высоту аппарата через Н. Площадь поперечного сечения - S. Удельная поверхность соприкосновения фаз в единице объема аппарата f, м 2 /м 3 . Тогда V раб. пов-ти аппарата:

Поверхность соприкосновения фаз:

Подставляя значение f в уравнение массопередачи получим:

Приравнивая выражение к уравнению материального баланса:

Откуда рабочая высота аппарата:

Множитель представляет собой изменение рабочей концентрации на единицу движущей силы и называется числом единиц переноса.

Одна единица переноса (n=1) соответствует участку аппарата, на котором изменение рабочей концентрации равно средней движущей силе на данном участке.

Множитель представляет собой высоту участка, соответствующую одной единице переноса, и называется высотой единицы переноса:

Тогда высота аппарата: H=n

Тепловая сушка, или просто сушка, представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых и пастообразных материалов и проводится двумя основными способами:

путем непосредственного соприкосновения сушильного агента (нагретого воздуха, топочных газов) с высушиваемым материалом -- конвективная сушка;

путем нагревания высушиваемого материала тем или иным теплоносителем через стенку, проводящую тепло, -- кон тактная сушка.

Специальная сушка производится путем нагревания высушиваемых материалов токами высокой частоты (диэлектрическая сушка) и инфракрасными лучами (радиационная сушка).

В особых случаях применяется сушка некоторых продуктов в замороженном состоянии при глубоком вакууме -- сушка возгонкой или сублимацией.

Свойства влажного газа (воздуха)

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров. В ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара, поэтому свойства влажного воздуха с некоторым приближением характеризуются законами идеальных газов.

Количество водяных паров, содержащихся в 1 м 3 влажного воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха. Водяной пар занимает весь объем смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна массе 1 м г водяного пара, или плотности пара с в кг/м 3 .

При достаточном охлаждении или увлажнении воздуха находящийся в нем водяной пар становится насыщенным. С этого момента дальнейшее понижение температуры воздуха или увеличение содержания влаги в нем приводит к конденсации из воздуха избыточного количества водяных паров. Поэтому количество пара, содержащегося в насыщенном воздухе, является предельно возможным при данной температуре. Оно равно массе 1 м 3 пара в состоянии насыщения, или плотности насыщенного пара с н в кг/м 3 . Отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству пара в 1 м 3 воздуха, при той же температуре и данном барометрическом давлении, характеризует степень насыщения воздуха влагой и называется относительной влажность воздуха. Относительную влажность можно выразить отношением давлений:

При сушке меняются объем воздуха над влажным материалом и абсолютная влажность воздуха, так как он отдает тепло, необходимое для испарения влаги, и охлаждается, поглощая влагу, испаренную из материала. Поэтому влажность воздуха относят к величине, постоянной в процессе сушки, -- к массе абсолютно сухого воздуха, находящегося во влажном воздухе.

Количество водяного пара в кг, приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха и обозначается х. Величина х характеризует относительный весовой состав влажного воздуха.

Порциальное давление пара: Р вл =

Влажный воздух, как теплоноситель, характеризуется энтальпией (теплосодержанием), равной сумме энтальпии сухого воздуха и водяного пара:

і вл.в = , где

с с. в. -- удельная теплоемкость сухого воздуха, дж/кг- град;, t -- температура воздуха, °С; i n -- энтальпия перегретого пара, дж/кг.

Диаграмма, на которой определены параметры влажного и сухого воздуха, как правило называется диаграммой Рамзина (энтальпия-влагосодержание).

Материальный и тепловой балансы сушки

Материальный баланс

Пусть количество влажного материала, поступающего в сушилку, равно G 1 кг/сек, а его влажность w 1 (вес. долей). В результате сушки получается G 2 кг/сек высушенного материала (влажностью w 2 вес. долей) и W кг/сек испаренной влаги.

Тогда материальный баланс по всему количеству вещества выразится равенством:

Баланс по абсолютно сухому веществу, количество которого не меняется в процессе сушки:

G 1 (1-w 1) = G 2 (1-w 2)

Из этих уравнений определяют количества высушенного материала G 2 и испаренной влаги W.

W= G 1 -G 2 =G 1 - G 1 = G 1 (1-)= G 1 ()=G 1 ()

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Обзор механических процессов химической технологии: сортирования, измельчения, прессования, дозирования. Особенности процесса и способов перемешивания. Виды смеси. Строение и использование лопастных, листовых, пропеллерных, турбинных, специальных мешалок.

курсовая работа , добавлен 09.01.2013


Общая классификация основных процессов химической технологии. Общие сведения о гидравлике, течение идеальных жидкостей. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера и Бернулли. Ламинарное и турбулентное движение жидкости. Уравнение сплошности потока.

презентация , добавлен 29.09.2013


Изучение законов науки о процессах пищевых производств. Рассмотрение механических, гидромеханических и массообменных процессов на примере работы оборудования для переработки зерна, смесителя жидких продуктов и сушки в сушилках. Решение основных задач.

контрольная работа , добавлен 05.07.2014


Схема действия процессов химической завивки на волосы. Изменение структуры волоса во время химической завивки. Действие дополнительных препаратов для улучшения качества химической завивки. Группы средств для химической завивки и их характеристика.

презентация , добавлен 27.03.2013


Понятие химической технологии и нефтехимии. Циклонные пылеуловители как инструмента обеспечения технологического процесса. Принципы действия, формулы для расчета характеристик установки. Конструкция и эффективность ее работы, достоинства и недостатки.

презентация , добавлен 10.09.2014


Принципы управления производством. Определение управляющей системы. Типовые схемы контроля, регулирования, сигнализации. Разработка функциональных схем автоматизации производства. Автоматизация гидромеханических, тепловых, массообменных процессов.

учебное пособие , добавлен 09.04.2009


Изучение закономерностей развития и основ стандартизации технологии. Рассмотрение особенностей технологических процессов в химической, металлургической сферах, машиностроении и строительстве. Анализ прогрессивных технологий информатизации производства.

курс лекций , добавлен 17.03.2010


Сушка - технологический процесс, используемый в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Основные виды сушки. Распылительная сублимационная сушка. Эффективность применения вакуума при сушке сублимацией. Определение эвтектических температур.

курсовая работа , добавлен 23.02.2011


Химико-технологические процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую (массообменные). Разность химических потенциалов как движущая сила массообменных процессов. Использование массообменных процессов в промышленности.

презентация , добавлен 10.08.2013


Переработка сырьевых материалов и получение продуктов, которые сопровождаются изменением химического состава веществ. Предмет и основные задачи химической технологии. Переработка углеводородов, устройство коксовой печи. Нагрузка печей угольной шихтой.