Какие механические процессы используются в химической технологии. Устройства перемешивания в химической технологии

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:

  • Периодические. Характеризуются единством места проведения различных стадий процесса и в связи с этим неустановившимся состоянием во времени.
  • Непрерывные. Характеризуются единством времени проведения всех стадий процесса, каждая из которых осуществляется в специальном аппарате, характеризуются установившемся во времени режимом. При этом обеспечивается непрерывный подвод исходных материалов и вывод продуктов.

    • 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).

    РАЗДЕЛ 5 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

    Понятие тепловых процессов

    Тепловыми называются процессы, предназначенные для передачи тепла от одного тела к другому.

    Тела, участвующие в тепловом процессе, называются теплоносителями .

    Теплоноситель, который отдает тепло и при этом охлаждается, называется горячим . Теплоноситель, который принимает тепло и при этом нагревается, называется холодным .

    Движущей силой теплового процесса является разность температур между теплоносителями.

    Основы теории передачи тепла

    Различают три принципиально отличающиеся способа переноса тепла

    Теплопроводность;

    Конвекция;

    Излучение.

    Теплопроводность – перенос тепла, обусловленный тепловым движением микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это может быть движение свободных электронов в металле, движение молекул в капельных жидкостях и газах, колебания ионов в кристаллической решетке твердых тел.

    Величину теплового потока , возникающего в теле вследствие теплопроводности при некоторой разности температур в отдельных точках тела, можно определить по уравнению Фурье

    , Вт. (5.1)

    Закон Фурье читается следующим образом:

    количество тепла, передаваемое в единицу времени, путем теплопроводности через поверхность F, прямо пропорционально величине поверхности и градиенту температуры .

    В уравнении (5.1) - коэффициент теплопроводности , размерность которого

    Коэффициент теплопроводности показывает количество теплоты, проходящей вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при изменении температуры на один градус на единице длины нормали к изотермической поверхности.

    Коэффициент теплопроводности характеризует способность тела проводить теплоту и зависит от природы вещества, структуры, температуры и других факторов.

    Наибольшее значение имеют металлы, наименьшее – газы. Жидкости занимают промежуточное положение между металлами и газами. В расчетах значение коэффициента теплопроводности определяется при средней температуре тела по справочной литературе.

    Конвекция – перенос тепла, обусловленный движением и перемешиванием макроколичеств газа и жидкости.

    Различают свободную (или естественную) и вынужденную конвекцию.

    Свободная (естественная) конвекция обусловлена движением макроколичеств газа или жидкости вследствие разности плотностей в разных точках потока, имеющих различную температуру.

    При вынужденной (принудительной) конвекции движение потока газа или жидкости происходит вследствие затраты энергии извне с помощью газодувки, насоса, мешалки и т.п.

    Уравнение Ньютона позволяет количественно описать конвективный теплообмен

    В соответствии с законом Ньютона:

    количество тепла в единицу времени, передаваемое из ядра потока, имеющего температуру к стенке поверхностью F, имеющую температуру , (или наоборот) прямо пропорционально величине поверхности и разности температур.

    В уравнении Ньютона (5.2) коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи , а уравнение (5.2) – уравнением теплоотдачи .

    Размерность коэффициента теплоотдачи

    .

    Коэффициент теплоотдачи показывает количество теплоты, отдается от теплоносителя к 1 м поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1 градус.

    Коэффициент теплоотдачи характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе и зависит от многих факторов: гидродинамического режима движения и физических свойств теплоносителя (вязкость, плотность, теплопроводность и т.д.), геометрических параметров каналов (диаметр, длина), состояния поверхности стенок (шероховатая, гладкая).

    Коэффициент можно определить экспериментальным путем либо расчетным по обобщенному критериальному уравнению, которое можно получить путем подобного преобразования дифференциального уравнения конвективного теплообмена.

    Критериальное уравнение теплоотдачи для неустановившегося процесса имеет вид:

    В уравнении (5.3)

    Критерий Нуссельта. Характеризует отношение переноса теплоты конвекцией к теплоте, передаваемой теплопроводностью ( - определяющий геометрический размер; для потока, движущегося в трубе - диаметр трубы);

    - критерий Рейнольдса;

    Критерий Прандтля. Характеризует подобие физических свойств теплоносителей (здесь - удельная теплоемкость теплоносителя, ). Для газов 1; для жидкостей 10…100;

    Критерий Фруда (мера отношения сил инерции в потоке к силе тяжести);

    Критерий гомохронности (мера отношения пути, пройденного потоком со скоростью за время , к характерному размеру l )

    Для установившегося процесса теплообмена ( =0) критериальное уравнение теплоотдачи имеет вид

    . (5.4)

    При вынужденной теплоотдаче (например, при напорном движении теплоносителя по трубам) влиянием силы тяжести можно пренебречь ( =0). Тогда

    . (5.5)

    или в виде степенной зависимости

    , (5.6)

    где - определяются экспериментальным путем.

    Так, для вынужденного движения теплоносителя внутри труб уравнение (5.6) имеет вид

    - при турбулентном режиме ()

    . (5.7)

    В случае значительного изменения физических свойств теплоносителей в процессе теплообмена используется уравнение

    , (5.8)

    где - критерий Прандтля теплоносителя, физические свойства которого определяются при температуре ;

    - при переходном режиме ()

    - при ламинарном режиме ()

    , (5.10)

    где - критерий Грасгофа, учитывающий влияние на теплоотдачу свободной конвекции;

    Коэффициент объемного расширения, град ;

    Разность между температурами стенки и теплоносителя.

    Схема расчета коэффициента теплоотдачи

    Определяется гидродинамический режим движения теплоносителя (Re);

    Выбирается расчетное уравнение для определения критерия Нуссельта (уравнения 5.7-5.10);

    Определяется коэффициент теплоотдачипо формуле

    Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний различной длиной волны, обусловленных тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.

    Основное уравнение теплопередачи

    Процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку называется теплопередачей .

    Связь между тепловым потоком и поверхностью теплопередачи F можно описать кинетическим уравнением, которое называется основным уравнением теплопередачи и для установившегося теплового процесса имеет вид

    , (5.12)

    где - тепловой поток (тепловая нагрузка), Вт;

    Средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор);

    Коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость передачи теплоты.

    Коэффициент теплопередачи имеет размерность , и показывает количество теплоты, передаваемой в единицу времени через поверхность 1м от горячего теплоносителя к холодному при разности температур 1 градус.

    Для плоской стенки коэффициент теплопередачи можно определить по уравнению

    , (5.13)

    где - коэффициенты теплоотдачи соответственно со стороны горячего и холодного теплоносителей, ;

    Толщина стенки, м,

    Коэффициент теплопроводности материала стенки, .

    Схема теплопередачи через плоскую стенку приведена на рисунке 5.1.

    Выражение (5.13) называют уравнением аддитивности термических сопротивлений; причем частные сопротивления могут сильно различаться.

    В теплообменных аппаратах кожухотрубчатого типа применяются трубки, толщина стенок которых составляет 2,0…2,5 мм. Поэтому величину термического сопротивления стенки () можно считать пренебрежимо малой. Тогда и после несложных преобразований можно записать .

    Если принять, что значение коэффициента теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя значительно превышает значение коэффициента теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя (т.е. ), то из последнего выражения имеем

    т.е. коэффициент теплопередачи численно равен меньшему из коэффициентов теплоотдачи. В реальных условиях коэффициент теплопередачи ниже меньшего из коэффициентов теплоотдачи, а именно

    Из последнего выражения следует практический вывод: для интенсификации теплового процесса необходимо увеличивать меньший из коэффициентов теплоотдачи (например, путем увеличения скорости теплоносителя).

    Движущая сила теплового процесса или температурный напор зависит от направления движения теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена различают следующие схемы относительного движения теплоносителей:

    - прямоток , при котором теплоносители движутся в одном направлении (рисунок 5.2.а);

    - противоток , при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях (рисунок 5.2б);

    - перекрестный ток , при котором теплоносители движутся по отношению друг к другу во взаимно перпендикулярном направлении (рисунок 5.2в);

    - смешанный ток , при котором один теплоноситель в одном направлении, а другой попеременно как прямотоком (рисунок 5.2г), так и противотоком (рисунок 5.2д).

    Рассмотрим расчет средней движущей силы для установившегося процесса теплопередачи, т.е. температура в каждой точке теплопередающей стенки остается постоянной во времени, но изменяется вдоль ее поверхности. Примерное изменение температуры вдоль поверхности стенки при прямоточном (а) и противоточном (б) движении теплоносителей приведено на рисунке 5.3.

    Температура на входе и выходе для горячих теплоносителей.

    Температура на входе и выходе для холодных теплоносителей.

    а-прямоток; б-противоток

    Рисунок 5.3 - К расчету средней движущей силы

    Из рисунка 5.3 видно, что при противотоке теплоносителей величина температурного напора вдоль поверхности теплообмена более постоянна, поэтому условия нагрева или охлаждения сред более “мягкие”. При этом холодный теплоноситель можно нагреть до более высокой температуры, чем температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата (), что исключено в случае прямоточной схемы движения. Поэтому (при одинаковых значениях температур) расход холодного теплоносителя снижается на 10…15%. Кроме того, процесс теплообмена протекает более интенсивно.

    Поправочный коэффициент, значение которого всегда меньше единицы и определяется в зависимости от соотношения температур теплоносителей и схемы их движения.

    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.


    ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

    В производстве промышленной продукции широко используются физические процессы химической техноло­гии - дробление сырья, перемещение жидкостей и газов по трубопроводам, нагревание и охлаждение, разделение однородных и неоднородных систем и т. п.

    На любой стадии производства (подготовительной, основной или завершающей) физические процессы вы­полняют вспомогательную или основную функцию.

    Например, на стадии подготовки нефти к переработке используются процессы перемещения нефти по трубопро­водам, процессы разделения неоднородных систем (уда­ление из нефти песка, глины, воды и попутного газа от­стаиванием, электрообезвоживанием), процессы нагрева­ния нефти до температуры кипения. На основной стадии перегонки нефти на фракции имеют место дистилляция, ректификация, охлаждение и конденсация паров. На за­вершающей стадии (очистке нефтепродуктов) исполь­зуются сорбционные процессы удаления примесей с по­мощью твердых и жидких поглотителей.

    Подобные примеры широкого использования физиче­ских процессов характерны для любой отрасли промыш­ленности. Так, в добывающей промышленности - это дробление и измельчение минерального сырья, удаление пустой породы флотацией, электромагнитной или иной сепарацией, в металлургии - тепловые и массообменные процессы (нагревание шихты, плавление и кристаллиза­ция металла, термическая и химико-термическая обра­ботка стали), в машиностроении и радиоэлектронике - конденсация паров расплавленных металлов на поверх­ность деталей и изделий, в производстве строительных и лакокрасочных материалов, пищевых продуктов - тон­кое и сверхтонкое измельчение, сушка и т. д.

    Большое значение приобретают физические процессы в природоохранных мероприятиях по чистке сточных вод и газовых выбросов от вредных примесей, а также по ре­куперации промышленных и бытовых отходов (сухая и мокрая очистка газов, безреагентные методы перера­ботки производственных стоков и т. п.).

    Физические процессы химической технологии подраз­деляются на физико-механические (дробление, измельче­ние), гидромеханические (перемещение жидкостей и газов, разделение неоднородных систем), тепловые (нагревание, охлаждение и конденсация паров) и массообменные (со­рбция, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректифика­ция, экстракция, разделение однородных систем с по­мощью полупроницаемых мембран).

    ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

    Физико-механические процессы

    Измельчение. В промышленности для интенси­фикации химических взаимодействий, особенно для ге­терогенных и твердофазных процессов производства строительных материалов, металлов, минеральных удо­брений и т. д., чрезвычайно важно увеличение поверхно­сти контакта фаз, достигаемое путем механического из­мельчения. Процессы измельчения сводятся к разруше­нию первоначальной структуры вещества путем разда­вливания, раскалывания, истирания или удара. В зависи­мости от механических свойств исходных материалов и начальных размеров кусков применяются различные типы воздействия. Например, твердые и хрупкие веще­ства измельчают раскалыванием, ударом, а пластичные вещества хорошо поддаются истиранию. Чем тверже и пластичнее материал, тем его труднее измельчить.

    Измельчение может осуществляться как сухим, так и мокрым способом - в воде или других жидкостях, что исключает пылеобразование и повышает эффективность процесса. Измельчающие машины подразделяют на дро­билки крупного, среднего и мелкого дробления, а также мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения. Машины для измельчения работают в открытом и замкнутом ци­клах; последний позволяет значительно снизить расход энергии на измельчение и повысить эффективность про­цесса.

    Тепловые процессы

    Перенос энергии в форме теплоты, происходящий ме­жду телами, имеющими различную температуру, назы­вается теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее нагретым телом. Существуют три принципиально различных способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

    Теплопроводность - перенос теплоты вслед­ствие беспорядочного теплового движения атомов и мо­лекул, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теплопроводность является основным видом переноса теплоты, в то время как в газах и жидко­стях процесс распространения теплоты осуществляется также и другими способами. На коэффициент теплопро­водности влияет природа и структура вещества, темпера­тура и влажность материалов и т. д.; наивысшей тепло­проводностью отличаются металлы: сталь - 4,6, алюми­ний-210, медь - 380 Вт/(м К), а наиболее низкой - вода - 0,6 Вт/(м К). Воздух имеет теплопроводность 0,03 Вт/(м К).

    Конвекция - процесс переноса теплоты вслед­ствие движения и перемешивания макроскопических ча­стей газов или жидкостей. Перенос теплоты может осу­ществляться путем естественной (свободной) конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точ­ках объема жидкости или газа, возникающей вследствие разности температур в этих точках, а также вынужден­ной конвекции при механическом перемещении всего объема газа или жидкости.

    Тепловое излучение - процесс распростране­ния электромагнитных колебаний с различными длинами волн, который возникает вследствие теплового движения атомов и молекул излучающего тела. Эти тела испу­скают электромагнитную энергию, которая поглощается другими, более холодными телами и превращается в теплоту.

    В реальных условиях теплота передается не каким-ли­бо одним из указанных выше способов, а комбиниро­ванным путем, который называется теплопередачей. В не­прерывно действующих аппаратах теплообмен протекает в стационарном (установившемся) режиме, в периодиче­ских - в нестационарном. Эффективность теплопередачи зависит от коэффициента, который показывает, какое ко­личество теплоты переходит в единицу времени от более нагретой к менее нагретой среде через разделяющую их плоскую стенку площадью 1 м 2 при средней разности температур между теплоносителями в 1°. Средняя раз­ность температур зависит от направления движения те­плоносителей. Выбор правильного направления движения тепловых потоков (прямоток, противоток, перекрестный ток) значительно сказывается на эффективности процесса теплопередачи и экономии теплоты.

    Главными тепловыми процессами в промышленности являются процессы нагревания водяным паром, топочны­ми газами, теплоносителями и электрическим током, а также процессы охлаждения, в том числе ниже - 200 °С.

    Массообменные процессы

    Большое значение в химической технологии имеют массообменные процессы, основанные на переходе одно­го или нескольких веществ из одной фазы в другую. В промышленности в основном применяют процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также ме­жду двумя жидкими фазами. К таким процессам отно­сятся: абсорбция, адсорбция, перегонка и ректификация, кристаллизация, сушка и др.

    Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности молекулярной диффузии, т. е. способности самопроизвольного проникновения одного вещества в другое за счет беспорядочного движения мо­лекул. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будут достигнуты усло­вия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи, ее эффективность может быть выражена в любых едини­цах, применяемых для определения состава фаз, однако наиболее часто движущая сила процесса выражается че­рез разницу между рабочими и равновесными концентра­циями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно. Количество массы, передаваемое из одной фазы в другую, зависит от поверхности раздела фаз, продолжительности процесса и разности концентра­ций.

    Повышение эффективности процессов массопередачи может быть достигнуто за счет увеличения поверхности контакта фаз, возрастания скорости потока и его турбулизации, а также снижения диффузионного сопротивле­ния среды (например, в процессе абсорбции случай по­глощения плохорастворимого газа). Ниже приводятся примеры основных процессов массопередачи.

    Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем. Абсорбция характери­зуется избирательностью (селективностью), т. е. каждое вещество поглощается определенным поглотителем. Раз­личают абсорбцию простую, основанную на физическом поглощении компонента жидким поглотителем, и хемосорбцию, которая сопровождается химической реакцией между извлекаемым компонентом и жидким поглотите­лем. Примером простой абсорбции служит производство соляной кислоты, хемосорбция широко применяется в производстве серной и азотной кислот, азотных удо­брений и т. д. Абсорбция протекает в аппаратах колонно­го типа (насадочные, тарельчатые и др.).

    Адсорбция есть процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой смеси твердым поглотителем - адсорбентом. Механизм про­цесса адсорбции, отличающийся от механизма абсорб­ции, практически аналогичен механизму других процес­сов массопередачи с участием твердой фазы. Наиболее универсальной теорией адсорбции является разработан­ная М. М. Дубининым теория объемного заполнения микропор, где учитывается притяжение молекул поглощае­мого вещества с адсорбентом на основе зависимости равновесия от структуры пор адсорбента. В качестве ад­сорбентов широко применяют твердые вещества с высо­коразвитой поверхностью и высокой пористостью (ак­тивные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты - водные алюмосиликаты кальция и натрия, ионообменные смолы и др.). Адсорбция применяется в промышленности для очистки и сушки жидкостей и газов, для разделения сме­сей различных жидких и газообразных веществ, извлече­ния летучих растворителей, осветления растворов, для очистки воды и др. Адсорбция используется в химиче­ской, нефтяной, лакокрасочной, полиграфической и дру­гих отраслях промышленности.

    Перегонка и ректификация применяются для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух и более летучих компонентов, и основаны на различной температуре кипения компонентов, т. е. на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Если исходную смесь, состоящую из жидкостей с различными температурами кипения, частич­но испарять, а полученные пары конденсировать, то кон­денсат будет отличаться по своему составу более высо­ким содержанием низкокипящего компонента (НК), а оставшаяся исходная смесь будет обогащена трудноле­тучим высококипящим компонентом (ВК). Эта жидкость называется остатком, а конденсат - дистиллятом или ре­ктификатом. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ре­ктификация.

    Ректификация представляет собой разделение смесей жидкостей, основанное на многократном испарении жид­кости и конденсации паров. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Процесс осуществляют в аппаратах колонного типа (например, наса­дочные и тарельчатые ректификационные колонны не­прерывного действия и др.). Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химиче­ской и спиртовой промышленности, в производстве ле­карственных препаратов, в нефтеперерабатывающей про­мышленности и т. д.

    Кристаллизацией называется выделение твер­дой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация начинается с образования центров (или зародышей) кристаллизации. Скорость их образования зависит от температуры, скорости перемешивания и т. д. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается, однако это приводит к образованию бо­лее мелких кристаллов и часто вызывает снижение дви­жущей силы процесса. Крупные кристаллы легче полу­чить при медленном их росте без перемешивания и небольших степенях пересыщения растворов, однако это снижает производительность процесса кристаллиза­ции. Нахождение оптимальной скорости кристаллизации и составляет одну из основных задач этого процесса.

    Широко применяются несколько способов кристалли­зации: кристаллизация с охлаждением, кристаллизация с удалением части растворителя, а также вакуум-кристал­лизация. В зависимости от способа кристаллизации при­меняют кристаллизаторы периодического и непрерывно­го действия.

    Кристаллизация лежит в основе металлургических и литейных процессов, получения покрытий, пленок, применяемых в микроэлектронике, а также используется в химической, фармацевтической, пищевой и других от­раслях промышленности. Кристаллизация является за­вершающей стадией в производстве минеральных солей, удобрений, органических и особо чистых веществ. Особое значение в промышленности имеет процесс кристаллиза­ции металлов из расплавов.

    Сушкой называют процесс удаления влаги из раз­личных (твердых, жидких и газообразных) материалов. Влага может быть удалена испарением, сублимацией, вы­мораживанием, токами высокой частоты, адсорбцией и т. д. Однако наиболее распространена сушка испарением за счет подвода теплоты. Более экономичным является последовательное удаление влаги фильтрацией, центри­фугированием (с содержанием остаточной влаги 10 - 40%), а затем тепловой сушкой.

    Различают контактную и конвективную сушку. В кон­тактной сушке передача теплоты к высушиваемому мате­риалу осуществляется через стенку аппарата. Конвектив­ная сушка основана на непосредственной передаче теплоты материалу от нагретого воздуха, топочных га­зов, перегретого пара и т. д.

    Скорость сушки определяется количеством влаги, уда­ляемой с единицы поверхности высушиваемого материа­ла в единицу времени. Скорость сушки, условия ее прове­дения и аппаратурное оформление в значительной степени зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера кусков, толщины слоя материала, влагосодержания материала, внешних факторов (температуры, давления, влажности) и т. д.

    Традиционными сушилками, применяемыми в про­изводстве строительных материалов, минеральных солей, красителей и т. д., являются сушилки непрерывного дей­ствия (барабанные, туннельные, конвейерные, пневмати­ческие с кипящим слоем) и периодического действия (ямные, шкафные, камерные и т. д.). Наиболее эффек­тивны распыливающие сушилки с кипящим слоем. Для улучшения качества высушиваемых материалов, увеличе­ния скорости высушивания и улучшения технико-эконо­мических показателей применяется сушка вакуумная, ин­фракрасная, криогенная, ультразвуковая, СВЧ.

    К РАЗДЕЛУ «ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ»

    Программа раздела

    Роль тепловых процессов в химической технологии.

    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 области 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: 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. Проектные расчет теплообменников. Проверочный расчет теплообменников. Выбор оптимального режима теплообменных аппаратов.

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


    ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНОГО ЗАДАНИЯ

    Задача 1

    Определить необходимую поверхность теплообмена и длину труб кожухотрубчатого теплообменника с числом ходов , для осуществления процесса при массовом расходе А в трубном пространстве . Температура теплоносителя в подогревателе и холодильнике изменяется от до при среднем давлении . В испарителе и конденсаторе температура теплоносителя равна температуре кипения или конденсации при давлении .

    В межтрубное пространство подается теплоноситель . Его температура меняется от до , в испарителе и конденсаторе его температура равна температуре конденсации или кипения при давлении .

    Общее число труб в теплообменнике , диаметр труб равен 25x2,5 мм, диаметр кожуха . Необходимо также определить гидравлическое сопротивление аппарата, изобразить график изменения температур теплоносителей, схему кожухотрубчатого теплообменника. Исходные данные для решения задачи предоставлены в таблице 2.1.



    Таблица 2.1

    Последняя цифра зачетки Теплоноситель Тип теплообменника Параметры теплоносителя Предпоследняя цифра зачетки Расход теплоносителя , кг/с Характеристика теплообменника
    , 0 С , 0 С , МПа , 0 С , 0 С , МПа
    Число труб, Число ходов, Диаметр кожуха , мм
    Вода/дифенил холодильник - - 2,3 2,0
    Вода/водяной пар испаритель - - 1,0 - - 2,6 4,6 0,8
    Ацетон/вода нагреватель - - 1,3
    Хлорбензол/вода конденсатор - - 0,6 - 7,8 0,6
    Вода/толуол холодильник - - 3,4 1,0
    Метиловый спирт/вода нагреватель - - 6,4 1,4
    Нафталин/водяной пар испаритель - - 0,4 - - 1,5 5,1 0,4
    Аммиак/вода конденсатор - - 0,27 - 9,3 1,2
    Этиловый спирт/вода холодильник - - 3,7 0,6
    Четыреххлористый углерод/вода нагреватель - - 5,8 1,0