Процессы и аппараты химических технологий pdf. Процессы и аппараты химической технологии
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.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Процессы и аппараты химической технологии
1. Предмет и задачи курса "Процессы и аппараты химической технологии"
1.1 Задачи курса ПАХТ
1.2 Классификация основных процессов химической технологии
2. Теоретические основы процессов химической технологии
2.1 Основные законы науки о процессах и аппаратах
2.2 Явления переноса
3. Законы термодинамического равновесия
4. Перенос импульса
Основная литература
1. Предмет и задачи курса "Процессы и аппараты химической технологии"
Под процессами понимают изменения состояния природных и технологических веществ, происходящие в тех или иных условиях. Процессы можно разделить на естественные (к ним относятся испарение воды с поверхностей водоемов, нагрев и охлаждение поверхности земли и т.д.), изучение которых составляет предмет и задачу физики, химии, механики и др. естественных наук, и на производственные или технологические, изучение которых составляет предмет и задачу технологии (т.е. искусство, мастерство, умение).
Технология - это наука, определяющая условия практического применения законов естественных наук (физики, химии…), т.е. совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, состава вещества, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции. Технология производства включает ряд однотипных физических и физико-химических процессов, характеризуемых общими закономерностями. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия аппаратах. Процессы и аппараты, общие для различных отраслей химической промышленности, получили название основных процессов и аппаратов химической технологии.
Дисциплина ПАХТ состоит из двух частей:
· теоретические основы химической технологии;
· типовые процессы и аппараты химической технологии.
В первой части излагаются общие теоретические закономерности типовых процессов; основы методологии подхода к решению теоретических и прикладных задач; анализ механизма основных процессов и выявление общих закономерностей их протекания; формулируются обобщенные методы физического и математического моделирования и расчета процессов и аппаратов. технологический химический аппарат термодинамический
Вторая часть состоит из трех основных разделов:
· гидромеханические процессы и аппараты;
· тепловые процессы и аппараты;
· массообменные процессы и аппараты.
В этих разделах даются теоретические обоснования каждого типового технологического процесса, рассматриваются основные конструкции аппаратов и методика их расчета.
1.1 Задачи курса ПАХТ
1. Определение оптимального технологического режима проведения процессов химической технологии на конкретном оборудовании.
2. Расчет и проектирование конструкции аппаратов для проведения технологического процесса.
1.2 Классификация основных процессов химической технологии
В зависимости от законов, которые определяют скорость протекания процессов, их подразделяют на пять групп:
Гидродинамические процессы, скорость которых определяется законами гидромеханики (перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем - отстаивание, фильтрование, центрифугирование и т.д.).
Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты (нагревание, охлаждение, конденсация паров, выпаривание).
Массообменные процессы, скорость протекания которых определяется законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз (абсорбция, ректификация, экстракция и др.).
Химические процессы. Скорость протекания химических процессов определяется законами химической кинетики.
Механические процессы, описываются законами механики твердых веществ и включают в себя измельчение, транспортирование, сортировку (классификацию по размерам) и смешение твердых веществ.
Все процессы по способу организации подразделяются на периодические, непрерывные и комбинированные. Периодические процессы протекают в одном аппарате, но в разное время. Непрерывные процессы протекают одновременно, но разнесены в пространстве.
Процессы химической технологии бывают стационарными (установившимися) и нестационарными (неустановившимися).
Если параметры (температура, давление и др.) процесса меняются с изменением пространственных координат в аппарате, оставаясь в каждой точке (пространства) аппарата постоянными во времени - установившийся процесс. Если параметры процесса являются функциями координат и изменяются в каждой точке во времени - неустановившийся процесс.
Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий, которого проводятся непрерывно.
Большинство химико-технологических процессов включают несколько последовательных стадий. Обычно одна из стадий протекает медленнее остальных, лимитируя скорость протекания всего процесса. Чтобы увеличить общую скорость процесса, надо воздействовать, прежде всего, на лимитирующую стадию. Если стадии процесса протекают параллельно, то воздействовать нужно на самую производительную стадию, так как она лимитирующая. Знание лимитирующей стадии процесса позволяет упростить описание процесса и интенсифицировать процесс.
2. Теоретические основы процессов химической технологии
2.1 Основные законы науки о процессах и аппаратах
Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах химической технологии являются следующие основные законы природы:
Законы сохранения массы, импульса и энергии (субстанции), согласно которым приход субстанции равняется его расходу. Законы сохранения принимают форму уравнений балансов, составление которых является важной частью анализа и расчета химико-технологических процессов.
Законы переноса массы, импульса и энергии определяют плотность потока любой субстанции. Законы переноса позволяют определить интенсивность протекающих процессов и, в конечном счете, производительность используемых аппаратов.
Законы термодинамического равновесия определяют условия, при которых перенос любой субстанции приходит к своему завершению. Состояние системы, при котором необратимый процесс переноса субстанции отсутствует, называется равновесным. Знание условий равновесия позволяет определять направление процесса переноса, границы течения процесса и величину движущей силы процесса.
2.2 Явления переноса
Любой процесс химической технологии обусловлен переносом одного или нескольких видов субстанции: массы, импульса, энергии. Будем рассматривать механизмы переноса субстанции, условия при которых перенос осуществляется, а также уравнения переноса для каждого вида субстанции.
Механизмы переноса
Различают три механизма переноса субстанции: молекулярный, конвективный и турбулентный. Перенос энергии может осуществляться, кроме того, за счет излучения.
Молекулярный механизм. Молекулярный механизм переноса субстанции обусловлен тепловым движением молекул или иных микроскопических частиц (ионов в электролитах и кристаллах, электронов в металлах).
Конвективный механизм. Конвективный механизм переноса субстанции обусловлен движением макроскопических объемов среды как целого. Совокупность значений физической величины, однозначно определенных в каждой точке некоторой части пространства, называется полем данной величины (поле плотности, концентраций, давлений, скоростей, температур и т.д.).
Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы с , импульса с и энергии сE единичного объема (с - плотность или масса единичного объема, сW - импульс единичного объема, с E -энергия единичного объема).
В зависимости от причин, вызывающих конвективное движение, различают свободную и вынужденную конвекцию. Перенос субстанции в условиях свободной конвекции обусловлен разностью плотностей в различных точках объема среды из-за различия температур в этих точках. Вынужденная конвекция имеет место при принудительном движении всего объема среды (например, насосом или в случае перемешивания ее мешалкой).
Турбулентный механизм . Турбулентный механизм переноса занимает промежуточное место между молекулярным и конвективным механизмами с точки зрения пространственно - временного масштаба. Турбулентное движение возникает лишь при определенных условиях конвективного движения: достаточная удаленность от границы раздела фаз и неоднородность поля скорости.
При малых скоростях движения среды (газа или жидкости) относительно границы раздела фаз ее слои движутся регулярно, параллельно друг другу. Такое движение называется ламинарным . Если неоднородность скорости и удаленность от границы раздела фаз превышает определенное значение, устойчивость движения нарушается. Происходит развитие нерегулярного хаотического движения отдельных объемов среды (вихрей). Такое движение называется турбулентным .
Первые исследования режимов движения осуществил в 1883 г. английский физик О. Рейнольдс, изучавший движение воды в трубе. При ламинарном движении тонкая подкрашенная струйка не смешивалась с основной массой движущейся жидкости и имела прямолинейную траекторию. При увеличении скорости потока или диаметра трубы струйка приобретала волнообразное движение, что свидетельствует о возникновении возмущений. При дальнейшем увеличении вышеназванных параметров струйка смешивалась с основной массой жидкости, и окрашенный индикатор размывался по всему поперечному сечению трубы.
Здесь используется понятие масштаба турбулентности, определяющего размер вихрей. В отличие, например, от молекул вихри не являются устойчивыми, четко ограниченными в пространстве образованьями. Они зарождаются, распадаются на более мелкие вихри, затухают с переходом энергии в теплоту (диссипация энергии). Поэтому масштаб турбулентности является осредненной статистической величиной. Возможны различные подходы к описанию турбулентного движения.
Один из подходов состоит во временном осреднении значений физических величин (скоростей, концентраций, температур) на интервалах, значительно превышающих характерные периоды пульсаций даже крупномасштабных вихрей.
3. Законы термодинамического равновесия
Если система находится в состоянии равновесия, то макроскопических проявлений переноса субстанции не наблюдается. Не смотря на тепловое движение молекул, каждая из которых переносит массу, импульс и энергию, макроскопические потоки субстанции при этом отсутствуют вследствие равновероятности переноса в каждом направлении.
Равновесие в однофазной системе, не подверженной воздействию внешних сил, устанавливается при равенстве значений в каждой точке пространства макроскопических величин, характеризующих свойства системы: скорости -
(x,y,z,t) = const ;
температуры - T(x,y,z,t) = const; химических потенциалов компонентов
- м i (x,y,z,t) = const.
Можно выделить отдельно условия гидромеханического, теплового и концентрационного равновесия.
Гидромеханическое равновесие:
Тепловое (термическое) равновесие:
Т=const;
Концентрационное равновесие:
м i =const,
Здесь - дифференциальный оператор оператор набла
Условием проявления процессов переноса и возникновения макроскопических потоков массы, импульса и энергии является неравновесность системы. Направленность процессов переноса определяется самопроизвольным стремлением системы к состоянию равновесия, т.е. процессы переноса приводят к выравниванию скорости, температуры и химических потенциалов компонентов системы. Неоднородности указанных величин являются необходимыми условиями протекания процессов переноса и называются их движущими силами .
Для того, чтобы осуществить процесс необходимо вывести систему из состояния равновесия, т.е. оказать воздействие извне. Это возможно за счет подвода массы или энергии к системе либо действия внешних сил. Например, отстаивание происходит в поле сил тяжести, выпаривание - при подводе тепла, абсорбция - при введении в систему поглотителя.
Уравнения переноса
Поток субстанции - количество субстанции, переносимое за единицу времени, через единицу поверхности.
Перенос массы
Конвективный механизм. Поток массы за счет конвективного механизма связан с конвективной скоростью следующим соотношением
[кг/м 2 с] (2)
Часто удобнее использовать поток вещества, а не массы
[кмоль/м 2 с] (3)
здесь m i - мольная масса компонента i [кг/кмоль], c i - мольная концентрация [кмоль/м 3 ].
Молекулярный механизм . Основным законом молекулярного механизма переноса массы является первый закон Фика, который для двухкомпонентной системы имеет вид:
, n =2 (4)
где D ij - коэффициент бинарной (взаимной) диффузии (D ij = D ji ) .
Турбулентный механизм . Турбулентный перенос массы можно рассматривать по аналогии с молекулярным переносом как следствие хаотического перемещения вихрей. Вводится коэффициент турбулентной диффузии D т , зависящий как от свойств среды, так и от неоднородности скорости, и удаленности от межфазной поверхности.
. (5)
Отношение коэффициентов турбулентной и молекулярной диффузии в пристенной области достигают D т /D i ~ 10 2 - 10 5 .
Переноса энергии
Энергию системы можно подразделить: микроскопическую и макроскопическую. Микроскопическая, являющаяся мерой внутренней энергии самих молекул, их теплового движения и взаимодействия, называется внутренней энергией системы (U ). Макроскопическая складывается из кинетической энергии (Е k ), обусловленной конвективным движением среды, и потенциальной энергии системы в поле внешних сил (Е п ). Таким образом, полную энергию системы, приходящуюся на единицу массы можно представить
E" = U" + Е" k + Е" п [Дж/кг] (6)
Штрих означает, что энергия отнесена на единицу массы.
Энергия может передаваться в форме теплоты или работы. Теплота - форма передачи энергии на микроскопическом уровне, работа - на макроскопическом уровне.
Конвективный механизм . Поток энергии переносимый конвективным механизмом имеет вид
[Дж/м2с] = [Вт/м2] (7)
Это количество энергии, переносимое движущимся макроскопическим объемом за единицу времени через единицу поверхности.
Молекулярный механизм . Молекулярным механизмом осуществляется перенос энергии на микроскопическом уровне, т.е. в форме тепла. Поток тепла за счет молекулярного механизма в условиях механического и концентрационного равновесия может быть представлен
, (8)
где - коэффициент молекулярной теплопроводности [Вт/мК].
Это уравнение носит название закона Фурье .
Турбулентный механизм . Турбулентный перенос энергии можно рассмотреть по аналогии с молекулярным, вводя коэффициент турбулентной теплопроводности
т (9)
Как и коэффициент турбулентной диффузии т будет определяться свойствами системы и режимом движения. Суммарный поток энергии в лабораторной системе отсчета может быть записан
.
4. Перенос импульса
Конвективный перенос . Рассмотрим случай, когда среда движется с некоторой конвективной скоростью W x в направлении оси Х . При этом импульс или количество движения единичного объема будет равен W x . Тогда количество движения W x , переносимого за счет конвективного механизма в направлении оси Х за единицу времени через единицу поверхности будет равно
= [Пa] (10)
Х , переносимое за единицу времени через единичную поверхность по оси Y, будет равно
(11)
Аналогично перенос импульса по всем направлениям дает 9 компонентов тензора конвективного потока импульса,
(12)
(13)
Молекулярный перенос. Количество движения, направленное вдоль оси Х, (W x ), переносимое вдоль оси Y за единицу времени через единицу поверхности за счет молекулярного механизма, можно представить как
(14)
где м [Па с] и [м2/с] - коэффициенты динамической и кинематической молекулярной вязкости соответственно. Это уравнение носит название закона вязкости Ньютона . В случае, если коэффициенты вязкости не зависят от величины производной W x / y , т.е. зависимость xy от W x / y линейна, среда называется ньютоновской. Если же это условие не выполняется - неньютоновской. К последним относятся полимеры, пасты, суспензии и ряд других, используемых в промышленности материалов.
Турбулентный перенос. Перенос импульса за счет турбулентного механизма может рассматриваться по аналогии с молекулярным.
(15)
где м т и т - динамический и кинематический коэффициенты турбулентной вязкости, определяющиеся свойствами среды и режимом движения т ~ D т .
Суммарный поток импульса можно записать
(16),
где - тензор вязких напряжений, элементы которого включают как молекулярный, так и турбулентный перенос импульса
(17).
Итак, рассмотрены уравнения переноса массы, энергии и импульса. Нетрудно убедиться в аналогии этих уравнений. Конвективный поток представляет произведение переносимой субстанции в единичном объеме (с, Е ", с ) на конвективную скорость. Потоки за счет молекулярного или турбулентного механизмов есть произведение соответствующего коэффициента переноса (D, м, м т ) на движущую силу процесса. Эта аналогия позволяет использовать результаты исследования одних процессов для описания других.
Основная литература
1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 2002. Т.1-400 с. Т.2-368 с.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд. М.: Химия, 1973. 750 с.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия,1987. 576 с.
4. Разинов А.И., Дьяконов Г.С. Явления переноса. Казань, изд-во КГТУ, 2002. 136 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
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
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
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.
отчет по практике , добавлен 29.01.2011
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
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
Цели и порядок выполнения лабораторных работ, обработка опытных данных и составление отчетов по изучению компрессионной фреоновой установки, гидродинамики и процесса разделения суспензий, измельчению твердых материалов, изучению процесса теплопередачи.
методичка , добавлен 09.12.2011
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
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
Служебное назначение и анализ технологичности конструкции изделия. Разработка технологического процесса сборки. Обоснование технологических баз. Предварительная разработка маршрутного технологического процесса изготовления детали. Расчёт режимов резания.
дипломная работа , добавлен 29.06.2009
Общие сведения о теплообменных аппаратах: их конструктивное оформление, характер протекающих в них процессов. Классификация теплообменников по назначению, схеме движения носителей, периодичности действия. Конструкции основных поверхностных аппаратов.
ЛИТЕРАТУРА 1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9 -е, М. : Химия. 1973 – 754 с. 2. Плановский А. Н. , Николаев П. И. Основные процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Изд. 2 -е, М. : Химия. 1972 – 493 с. 3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского. Изд. 2 -е, М. : Химия. 1991 – 496 с. 4. Аксартов М. М. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курс лекций. Изд Кар. ГУ в 1 -2 т.
Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов I. Общие сведения 1. Предмет курса "Процессы и аппараты" 2. Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах 3. Классификация основных процессов 4. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов 5. Различные системы единиц измерения физических величин
Классификация основных процессов n n n Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики - науки о движении жидкостей и газов. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи - науки о способах распространения тепла. Массообменные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких Химические (реакционные) процессы, которые протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики. компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел.
По способу организации процессы делятся на: 1. 2. 3. Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий, которых протекают непрерывно.
По распределению времен пребывания различают: 1. 2. 3. 4. В аппаратах идеального вытеснения все частицы движутся в заданном направлении; не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока. В аппаратах идеального смешения поступающие частицы сразу же полностью перемешиваются с находящимися там частицами, т. е. равномерно распределяются в объеме аппарата. Реальные непрерывно действующие аппараты представляют собой аппараты промежуточного типа. Процессы могут быть также классифицированы в зависимости от изменения их параметров (скоростей, температур, концентраций и др.) во времени. По этому признаку процессы делятся на установившиеся (стационарные) и не установившиеся (нестационарные, или переходные).
Гидромеханические процессы. II. Основы гидравлики. Общие вопросы прикладной гидравлики в химической аппаратуре 1. Основные определения 2. Некоторые физические свойства жидкостей А. Гидростатика 3. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера 4. Основное уравнение гидростатики 5. Некоторые практические приложения основного уравнения гидростатики
n Закон внутреннего трения Ньютона Поверхностное натяжение выражается в следующих единицах: в системе СИ [ν] =[дж/м 2]=[н·м/м]= [н/м] в системе СГС ] = эрг/см 2] = [дин/см 2] в системе МКГСС ] = кгс·м/м 2] = кгс/м]
Для каждой точки покоящейся жидкости сумма нивелирной высоты и пьезометрического напора есть величина постоянная. (II, 18) (II, 18 г) n Последнее уравнение является выражением закона Паскаля, согласно которому давление, создаваемое в любой точке покоящейся несжимаемой жидкости, передается одинаково всем точкам ее объема.
Некоторые практические приложения основного уравнения гидростатики Условия равновесия в сообщающихся сосудах: Рис. II-4. Условия равновесия в сообщающихся сосудах: а – однородная жидкость; б – разнородные (несмешивающиеся) жидкости
В открытых или закрытых находящихся под одинаковым давлением сообщающихся сосудах, заполненных однородной жидкостью, уровни ее располагаются на одной высоте независимо от формы и поперечного сечения сосудов
Рис. II-5. К определению высоты гидравлического затвора в непрерывно действующем жидкостном сепараторе Рис. II-6. Пневматический измеритель уровня жидкости
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. Б. Гидродинамика 1. Основные характеристики движения жидкостей 2. Уравнение неразрывности (сплошности) потока 3. Дифференциальные уравнения движения Эйлера 4. Дифференциальные уравнения движения Навье-Стокса 5. Уравнение Бернулли 6. Некоторые практические приложения уравнения Бернулли 7. Движение тел в жидкостях 8. Движение жидкостей через неподвижные зернистые и пористые слои 9. Гидродинамика кипящих (псевдоожиженных) зернистых слоев 10. Элементы гидродинамики двухфазных потоко 11. Структура потоков и распределение времени пребывания жидкости в аппаратах
Гидравлический радиус Под гидравлическим радиусом r (м) понимают отношение площади затопленного сечения трубопровода или канала, через которое протекает жидкость, т. е. живого сечения потока, к смоченному периметру: (II, 26)
Эквивалентный диаметр равен диаметру гипотетического трубопровода круглого сечения, для которого отношение площади S к смоченному периметру П то же, что и для данного трубопровода некруглого сечения.
Установившийся и неустановившийся потоки. Движение жидкости является установившимся, или стационарным, если скорости частиц потока, а также все другие влияющие на его движение факторы (плотности, температуры, давления и др.), не изменяются, во времени в каждой фиксированной точке пространства, через которую проходит жидкость. В этих условиях для каждого сечения потока расходы жидкости постоянны во времени.
Режимы движения жидкости. n n Движение, при котором все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, называют струйчатым, или ламинарным. Неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении, называют турбулентным.
Критерий Рейнольдса (Re) n Критерий Re является мерой соотношения между силами вязкости и инерции в движущемся потоке.
Закон Стокса Уравнение представляет собой закон Стокса, выражающий параболическое распределение скоростей в сечении трубопровода при ламинарном движении.
Уравнение Пуазейля n При ламинарном потоке в трубе средняя скорость жидкости равна половине скорости по оси трубы.
Турбулентная вязкость n Турбулентная вязкость, в отличие от обычной вязкости, не является физико-химической константой, определяемой природой жидкости, ее температурой и давлением, но зависит от скорости жидкости и других параметров, обусловливающих степень турбулентности потока (в частности, расстояния от стенки трубы и т. д.).
Дифференциальное уравнение неразрывности потока для неустановившегося движения сжимаемой жидкости. Дифференциальное уравнение неразрывности потока несжимаемой жидкости.
Уравнение постоянства расхода n Эти выражения представляют собой уравнение неразрывности (плотности) потока в его интегральной форме для установившегося движения. Это уравнение называется также уравнением постоянства расхода или материальный баланс потока. 1 w 1 S 1 = 2 w 2 S 2 = 3 w 3 S 3 M 1 = М 2 = М 3 n Скорости капельной жидкости в различных поперечных сечениях трубопровода обратно пропорциональны площадям этих сечений. w 1 S 1 = w 2 S 2 = w 3 S 3 = const Q 1 = Q 2 = Q 3
Дифференциальные уравнения движения Эйлера n Система уравнений (II, 46) с учетом выражений (II, 47) представляет собой дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости Эйлера для установившегося потока. (II, 46) (II, 47)
Уравнение Бернулли n n Уравнение Бернулли для идеальной жидкости Величину называют полным гидродинамическим напором, или просто гидродинамическим напором.
Следовательно, согласно уравнению Бернулли, для всех поперечных сечений установившегося потока идеальной жидкости гидродинамический напор остается неизменным. z - нивелирная высота, называемая также геометрическим, или высотным, напором (hг), представляет собой удельную потенциальную энергию положения в данной точке (данном сечении); – напор давления (hдавл), или пьезометрический напор, характеризует удельную потенциальную энергию давления в данной точке (данном сечении). Сумма z+ , называемая полным гидростатическим, или просто статическим напором (hст), следовательно, выражает полную удельную потенциальную энергию в данной точке (данном сечении).
Уравнение Бернулли n n Таким образом, согласно уравнению Бернулли, при установившемся движении идеальной жидкости сумма скоростного и статического напоров, равная гидродинамическому напору, не меняется при переходе от одного поперечного сечения потока к другому. Таким образом, уравнение Бернулли является частным случаем закона сохранения энергии и выражает энергетический баланс потока.
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ n 1. 2. 3. 4. 5. Перемещение жидкостей Объемные насосы Конструкция объемных насосов Центробежные насосы Конструкция центробежных насосов Насосы других типов. Сифоны
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ В зависимости от принципа действия насоса увеличение энергии и давления жидкости может быть осуществлено: 1. в объемных насосах-путем вытеснения жидкости из замкнутого пространства насоса телами, движущимися возвратно-поступательно или вращающимися; 2. в лопастных или центробежных насосах – центробежной силой, возникающей в жидкости при вращении лопастных колес; 3. в вихревых насосах – интенсивным образованием и разрушением вихрей, возникающих при вращении рабочих колес; 4. в струйчатых насосах – движущейся струей воздуха, пара или воды; 5. в газлифтах – образованием пены при подаче воздуха или газа в жидкость; 6. в монтежю и сифонах – давлением воздуха, газа или пара на жидкость.
Рис. III-8. Конструкции клапанов. I – шаровой клапан. 1 - корпус; 2 – клапан; 3 – крышка. II – откидной клапан. 1 – крышка; 2 – седло.
Мембранные (диафрагмовые) насосы Рис. III-9. Диафрагмовый насос: 1 – корпус; 2 – клапаны; 3 – цилиндр; 4 – плунжер; 5 – диафрагма (мембрана).
Центробежные насосы III-13 Рис. III-13. Схема центробежного насоса: 1 – приемный клапан; 2 - всасывающий трубопровод; 3 – рабочее колесо; 4 – вал; 5 – корпус; 6 – задвижка; 7 – обратный клапан; 8 – нагнетательный трубопровод.
Типы сальников n n I – сальник с гидравлическим затвором: 1 – фонарь; 2 – сальник. II – сальник для кислот: 1, 2 – кольцевые полости; 3, 4 – отводные отверстия. III – сальник пружинный: 1 – прокладка; 2 – пружина.
Безсальниковый насос n 1 корпус, 2 – крышка, 3 – рабочее колесо, 4 – втулка корпуса, 5 – фасонная втулка, 6 – втулка, 7 – левый диск, 8 – шпилька, 9 – правый диск, 10 – стяжная шпилька, 11 – пружина, 12 – вал, 13, 14 – кольца.
Монтежю. Рис. III-8. Монтежю: 1 – труба наполнения; 2, 3, 4, 5, 8 – краны; 6 – манометр; 7 – трубы для передавливания
Струйные насосы. Паровой насос. Рис. III-22. Паровой насос. 1 – паровой штуцер; 2 – паровое сопло; 3 – смешивающее сопло; 4 - всасывающая камера; 5 – всасывающий штуцер; 6 - диффузор; 7 – нагнетательный штуцер; 8 – штуцер конденсата; 9, 10 - обратные клапана.
Водоструйный насос. III-22 Рис. III-22. Водоструйный насос. 1 – сопло; 2 – отверстие; 3 – всасывающий трубопровод; 4 1 – сопло; 2 – отверстие; 3 – всасывающий штуцер трубопровод; 4 - штуцер III-23
Схема воздушного подъемника Рис. III-24. Схема воздушного подъемника: 1, 2 – трубы; 3 – смеситель; 4 - сепаратор Рис. III-24
Воздушные подъемники (эрлифты) и сифоны Рис. III-25. Системы воздушных подъемников 1 – воздушная труба; 2 – подающая труба для смеси; 3 – смеситель. Рис. III- 26. Сифоны. 1 – резервуар; 2 – сифонная труба; 3, 4, 5 – краны, 6 – смотровой канал
Перемещение и сжатие газов (компрессорные машины) n n n n 1. Общие сведения 2. Поршневые компрессоры 3. Ротационные компрессоры и газодувки 4. Центробежные машины 5. Осевые вентиляторы и компрессоры 6. Винтовые компрессоры 7. Вакуум-насосы 8. Сравнение и области применения компрессорных машин различных типов
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ И СЖАТИЕ ГАЗОВ (КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ) n n n n Общие сведения Машины, предназначенные для перемещения и сжатия газов, называют компрессорными машинами. В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин: вентиляторы (3. 0) - для создания высоких давлений; вакуум-насосы - для отсасывания газов при давлении ниже атмосферного.
Поршневые компрессоры n Одноступенчатый горизонтальный компрессор простого действия Рис. IV-1. Схемы одноступенчатых поршневых компрессоров: а – одноцилиндровый простого действия; б – одноцилиндровый двойного действия; в – двухцилиндровый простого действия. 1 = цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – кривошип; 7 – маховик; 8 – ползун (крейцкопф)
Многоступенчатое сжатие. Рис. IV-2. Схемы многоступенчатых поршневых компрессоров. а, б, в – со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах (а – одновременного исполнения; б – двухрядного исполнения; в – с V-образным расположением цилиндров); г – с дифференциальным поршнем: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – ползун (крейцкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник.
Турбогазодувки. Рис. IV-8. Схема многоcтупенчатой турбогазодувки. 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – обратный клапан. Рис. IV-9. Энтропийная диаграмма сжатия газа в турбогазодувке
Разделение неоднородных систем V. Разделение неоднородных систем 1. Неоднородные системы и методы их разделения 2. Разделение жидких систем 2. Материальный баланс процесса разделения А. Отстаивание 3. Скорость стесненного осаждения (отстаивания) 4. Отстойники Б. Фильтрование 5. Общие сведения 6. Фильтровальные перегородки 7. Устройство фильтров
Отстойник непрерывного действия Рис. IV-3. Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой 1 – корпус; 2 – кольцевой желоб; 3 - мешалка; 4 – лопасти с гребками; 5 – труба для подачи исходной суспензии; 6 – штуцер для вывода осветленной жидкости; 7 – разгрузочное устройство для осадка (шлама); 8 – электродвигатель.
Рис. V-6. Отстойник непрерывного действия с коническими полками; 1 – штуцер для подвода разделяемой суспензии; 2 – конические полки; 3 – штуцер для отвода шлама; 4 – каналы для отвода осветленной жидкости; 5 – штуцер для вывода осветленной жидкости
Рис. V-7. Отстойник непрерывного действия для разделения суспензий. 1 – штуцер для подвода эмульсий; 2 – перфорированная перегородка; 3 – трубопровод для отвода легкой фазы; 4 – трубопровод для отвода тяжелой фазы; 5 устройство для разрыва сифона.
Б. ФИЛЬТРОВАНИЕ Рис. V-8. Схема процесса фильтрования. 1 – фильтр; 2 – фильтровальная перегородка; 3 суспензия; 5 осадок
Устройство фильтров Рис. V-10. Нутч, работающий под давлением до 3 атм. 1 – корпус; 2 – турбина; 3 - съемная крышка; 4 – фильтрующее дно; 5 – фильтровальная перегородка; 6 – опорная перегородка; 7 – защитная сетка; 8 – колцевая перегородка; 9 – штуцер для подачи суспензии; 10 – штуцер для подачи сжатого воздуха; 11 – штуцер для удаления фильтрата; 12 – предохранительный клапан
Барабанные фильтры. Рис. V-13. Схема действия барабанного вакуум-фильтра с наружной поверхностью фильтрования. 1 – барабан; 2 – соединительная трубка; 3 – распределительное устройство; 4 – резервуар для суспензии; 5 – качающаяся мешалка; 6, 8 - полости распределительного устройства; 7 – разбрызгивающее устройство; 9 – бесконечная лента; 10 – направляющий ролик; 11, 13 – полости распределительного устройства, сообщающиеся с источником сжатого воздуха; 12 – нож для съема осадка.
В. Центрифугирование Г. Разделение газовых систем (очистка газов) VI. Перемешивание в жидких средах В. Центрифугирование 1. Основные положения 2. Устройство центрифуг Г. Разделение газовых систем (очистка газов) 1. Общие сведения 2. Гравитационная очистка газов 3. Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил 4. Очистка газов фильтрованием 5. Мокрая очистка газов 6. Электрическая очистка газов VI. Перемешивание в жидких средах 1. Общие сведения 2. Механическое перемешивание 3. Механические перемешивающие устройства
Устройство центрифуг n Трехколонные центрифуги. Рис. V-14. Трехколонная центрифуга. 1 – перфорированный ротор; 2 – опорный конус; 3 – лаг; 4 – дно станины; 5 неподвижный кожух; 6 – крышка кожуха; 7 – станина; 8 – тяга; 9 – колонка; 10 – ручной тормоз.
Подвесные центрифуги. Рис. V-15. Подвесная центрифуга. 1 - трубопровод для подачи суспензии; 2 – ротор со сплошными стенками; 3 – вал; 4 – неподвижный кожух; , 5 штуцер для удаления жидкости; 6 – коническая крышка; 7 – соединительные ребра
Горизонтальные центрифуги с ножевым устройством для удаления осадка. Рис. V-16. Горизонтальная центрифуга с ножевым устройством для удаления осадка. 1 – перфорированный ротор; 2 – труба для подачи суспензии; 3 – кожух; 4 – штуцер для удаления фугата; 5 – нож; 6 – гидравлический цилиндр для подъема ножа; 7 наклонный желоб; 8 – канал для удаления осадка
Центрифуги с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка. Рис. V-17. Центрифуга с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка. 1 – труба для поступления суспензии; 2 коническая воронка; 3 – перфорированный ротор; 4 – металлическое щелевое сито; 5 – поршень; 6 – штуцер для удаления фугата; 7 – канал для отвода осадка; 8 – шток; 9 – полый вал; 10 – диск, перемещающийся возвратно-поступательно
Центрифуги со шнековым устройством для выгрузки осадка. Рис. V-18. Центрифуга с шнековым устройством для выгрузки осадка. 1 – наружная труба; 2, 4 – отверстие для прохождения суспензии; 3 – внутренняя труба; 5 – конический ротор со сплошными стенками; 6 – цилиндрическое основание шнека; 7 – шнек; 8 – кожух; 9 – полые цапфы; 10 – отверстия для прохождения осадка; 11 – камера для осадка; 12 – отверстие для прохождения фугата; 13 – камера для фугата.
Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка. Рис. V-19. Центрифуга с инерционной выгрузкой осадка. 1 – воронка для поступления суспензии; 2 – ротор; 3 – канал для удаления жидкой фазы; 4 – канал для удаления твердой фазы; 6 – шнек.
Жидкостные сепараторы. Рис. V-20. Жидкостной сепаратор тарельчатого типа. 1 – труба для подачи эмульсии; 2 – тарелки; 3 – отверстие для отвода более тяжелой жидкости; 4 – отверстия для отвода более легкой жидкости; 5 – ребра.
1. 2. 3. 4. 5. РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ СИСТЕМ (ОЧИСТКА ГАЗОВ) Различают следующие способы очистки газов: осаждение под действием сил тяжести (гравитационная очистка); осаждение под действием инерционных, в частности центробежных сил; фильтрование; мокрая очистка; осаждение под действием электростатических сил (электрическая
Гравитационная очистка газов Пылеосадительные камеры. Рис. V-21. Пылеосадительная камера. 1 – камера; 2 – горизонтальные перегородки (полки); 3 отражательная пергородка; 4 – дверцы.
Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил Инерционные пылеуловители. Рис. V-22. Инерционный жалюзийный пылеуловитель. 1 – первичный жалюзийный пылеуловитель; 2 – циклон; 3 – патрубки для очищенного газа; 5 – пылеотводящий патрубок.
Циклон Рис. V-23. Циклон конструкции НИИОгаз. 1 – корпус; 2 – коническое днище; 3 – крышка: 4 – кходной патрубок; 5 – пылесборник; 6 - выхлопная труба.
Батарейный циклон V-24. V-25. Рис. V-26. Элемент прямоточного батарейного циклона. 1 – закручивающее устройство; 2 входной патрубок; 3 – кольцевой щелевой зазор; 4 – выхлопной патрубок.
Очистка газов фильтрованием В зависимости от вида фильтровальной перегородки различают следующие фильтры для газов: а) с гибкими пористыми перегородками из природных, синтетических и минеральных волокон (тканевые материалы), нетканых волокнистых материалов (войлок, картон и др.), пористых листовых материалов (губчатая резина, пенополиуретан и др.), металлоткани; б) с полужесткими пористыми перегородками (слои из волокон, стружки, сеток); в) с жесткими пористыми перегородками из зернистых материалов (пористые керамика, пластмассы, спеченные или спрессованные порошки металлов и др.); г) с зернистыми слоями из кокса, гравия, кварцевого песка и др.
Фильтры с гибкими пористыми перегородками. Рис. V-27. Рукавный фильтр с механическим встряхиванием и обратной продувкой ткани. I-IV – секции фильтра; 1, 9 – вентиляторы; 2 – входной газоход; 3 – камера; 4 – рукава; 5 – распределительная решетка; 6, 8 – дроссельные клапаны; 7 – выхлопная труба; 10 – встряхивающий механизм; 11 – рама; 12 – шнек; 13 – шлюзовой затвор.
Фильтры с жесткими пористыми перегородками Металлокерамический фильтр Рис. V-28. Металлокерамический фильтр. 1 – корпус; 2 – металлические гильзы; 3 – решетка; 4 - входной штуцер; 5 – выходной штуцер; 6 – коллектор сжатого воздуха; 7 – бункер.
Фильтры с зернистыми слоями. Рис. V-29. Фильтр непрерывного действия с движущимся слоем зернистого фильтрующего материала. 1 – корпус; 2 – фильтровальная перегородка; 3 – фильтрующий материал; 4 входной штуцер; 5 – выходной штуцер; 6 – затворы; 7 – питатели.
V-34
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ЖИДКИХ СРЕДАХ Способы перемешивания. Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью - газ, жидкость или твердое сыпучее вещество, - различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов.
Предисловие
Введение
1. Предмет химической технологии и задачи курса
2. Классификация процессов
3. Материальные и энергетические расчеты
Общие понятия о материальном балансе. Выход. Производительность. Интенсивность производственных процессов. Энергетический баланс. Мощность и коэффициент полезного действия.
4. Размерность физических величин
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Глава первая. Основы гидравлики
А. Гидростатика }