Общие положения курса (Электронные лекции)

Общие положения курса

Предметом курса является:

Аппараты и процессы однотипных стадий.

Задачи курса:

• Теоретические основы основных процессов химической и нефтехимической технологии

• Устройства различных аппаратов, принцип их действия и конструирование

• Методы расчета

• Моделирование (проблемы перехода от лаб моделей к промышленным аппаратам).

В основу классификации процессов положена скорость протекания или кинетика.

Процессы делятся на 5 групп:

• Гидромеханические процессы, скорость которых определяется только законами гидродинамики. К ним относятся осаждение взвешенных в жидкой или газообразной среде частиц под действием силы тяжести, центробежной силы или сил Эл поля, фильтрование жидкостей или газов через слой зернистого материала, происходящее под действием разности давлений, перемешивание в жидкой среде и др.

• Тепловые процессы, скорость протекания которых определяется законами теплопередачи, теплопереноса. В эту группу входят процессы нагревания, выпаривания, охлаждения и конденсации.

• Массообменные процессы, скорость которых определяется законами массопередачи. Сюда относятся абсорбция, экстракция, ректификация, адсорбция, сушка и др.

• Химические процессы, связанные с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.

• Механические процессы, скорость определяется теми устройствами, в которых происходят эти процессы.

Основной (общий) закон для всех процессов:

Скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.

Основными целями расчета химических процессов и аппаратов являются:

• Определение весовых потоков перерабатываемых материалов

• Определение энергетических затрат, необходимых для осуществления процессов

• Вычисление основных размеров машин и аппаратов

По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические и непрерывные

Периодические процессы-процессы, которые происходят в одном аппарате, в одном месте, но в разные промежутки времени.

Непрерывные процессы-процессы, которые происходят в разных аппаратах, но в одно и то же время.

Преимущества непрерывных процессов:

• Высокая производительность

• Возможность применения стандартного оборудования

• Получение высокого качества продукта

Непрерывно действующие аппараты в зависимости от характера движущихся сред и изменения параметров этих сред делятся на:

Аппараты полного вытеснения

Аппараты полного смешения

Аппараты промежуточного типа

Наибольшая величина движущей силы соответствует аппаратам полного вытеснения, наименьшая -полного смешения и промежуточная-промежуточного типа.

Условия однозначности включают:

• Геометрические условия, характеризующие размеры и форму объема, в котором протекает процесс

• Физические свойства среды, существенные для рассматриваемого процесса

• Граничные условия, характеризующие взаимодействие среды с телами, ограничивающими объем, в котором протекает процесс

• Начальное состояние системы, т.е. ее состояние в момент, когда начинается изучение процесса

Теория подобия

Два физических явления называются подобными, если величины, характеризующие одно явление могут быть получены из соответствующих величин другого путем умножения на одинаковый во всех точках множитель, называемый коэффициентом (критерием) подобия.

Подобные явления – явления, полностью повторяющие друг друга в различных масштабах.

Подобие однозначности включает:

1. геометрическое подобие систем

2. временное подобие

3. подобие физических величин, характеризующих процесс

4. подобие граничных и начальных условий

Геометрическое подобие соблюдается тогда, когда отношение всех сходственных размеров двух сравниваемых величин одинаковы.

Временное подобие соблюдается тогда, когда отношение между сходственными интервалами времени сохраняют постоянное значение.

Сходственные интервалы – это интервалы, в течение которых завершаются аналогичные стадии рассматриваемых процессов.

Временное подобие процессов называется гомохронностью (однородностью во времени).

Если процессы происходят в одно и то же время(протекают одновременно)-то такие процессы называются синхронными.

Подобие физических величин соблюдается тогда, когда отношение значений физических величин для подобных процессов сходственны в моменты времени является величиной постоянной.

Подобие граничных условий означает, что соотношение всех величин на границе в сходственные моменты времени является величиной постоянной.

Таким образом для соблюдения подобия нужно (необходимо и достаточно) найти и выбрать условие, при котором умножение переменных на постоянный множитель не меняло бы уравнение.

Представление о теории подобия позволяет установить:

1. условие экспериментальных работ, при которых число необходимых опытов будет минимальным

2. определить наименьшее число величин, которое нужно измерить

3. установить области, на которых можно распространить полученные результаты

Анализ размерности можно применять только тогда, когда в результате теоретического анализа при проведении эксперимента удается установить параметры существенно влияющие на процесс.

Количество чисел подобия можно установить с помощью -теоремы, которая гласит: если общая функциональная зависимость связывает между собой размерных величин, при составлении которых использовано  первичных единиц измерения, то эта функциональная зависимость может быть представлена в виде уравнения подобия, содержащего  чисел подобия, составленных из величин, которые входят в общую функциональную зависимость.

В гидрокинетике рассматриваются процессы:

Перемешивание

Фильтрование

Осаждение

Параметры системы:

Концентрации дисперсной фазы

Дисперсный состав. распределение частиц по размерам

Гидромеханические процессы и аппараты

В химических и нефтехимических производствах многие процессы приводят к образованию неоднородных смесей, которые в дальнейшем подлежат разделению.

Гидрокинетика - часть гидродинамики, которая составляет теоретические основы для определения кинетических закономерностей процессов осаждения и фильтрования.

Гидрокинетика рассматривает следующие основные задачи:

• Обтекание падающего в жидкой среде тела (внешняя задача)

• Движение по каналам (внутренняя задача)

Решая эти задачи применительно к конкретным условиям, можно находить скорости процессов разделения или получения неоднородных смесей.

Свойства жидких неоднородных смесей или жидких неоднородных систем зависят от их состава и характера фаз.

Неоднородные системы состоят из двух фаз:

• Внутренней или дисперсной фазы, находящейся в тонко раздробленном состоянии

• Внешней фазы или дисперсионной среды, окружающей частицы внутренней дисперсной фазы

Неоднородные системы:

• Пыль-система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размерами 5-50 мкм, она образуется преимущественно при дроблении и транспорте твердых материалов

• Дым - система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размерами 0.3-5 мкм, получающихся при конденсации и отвердевании

• Туман - система, состоящая из газа и распределенных в нем капель жидкости размерами 0.3-3 мкм, образовавшихся в результате конденсации

• Суспензия - система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. Различают суспензии: грубые с частицами размером >100 мкм; тонкие, твердые частицы которых имеют размеры 100-0,1 мкм, и коллоидные растворы, содержащие твердые частицы размерами 0,1 мкм и меньше.

• Эмульсия - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой

• Пена - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа

Название фаза среда

Пыль Т газ

Дым Т газ

Туман Ж газ

Суспензии Т Ж

Эмульсии Ж Ж

Пена Г Ж

Неоднородные системы характеризуются весовым или объемным соотношением дисперсной и дисперсионной фаз и размерами частиц дисперсной фазы. В большинстве случаев размеры частиц не одинаковы. Дисперсную фазу принято характеризовать фракционным, или дисперсным составом, т е процентным содержанием частиц различного размера. Фракционный состав определяют рассеиванием пробы дисперсной фазы на ситах, различающихся размерами отверстий.

К числу важнейших гидромеханических процессов относятся:

• Осаждение

• Фильтрование

• Псевдоожижение твердого зернистого материала

• Перемешивание в жидкой среде

Результатом проведения гидромеханических процессов может быть в одном случае разделение неоднородных смесей, а в другом – их образование путем смешения.

При отсутствии потерь материальный баланс можно представить равенствами:

Для всех продуктов Gc=Gф+Go

Для взвешенных продуктов GcXс=GфXф+GoXо

Gc-количество исходной смеси(вес суспензии), кг

Gф - количество фильтрата(очищенного продукта), кг

Go – количество осадка, кг

Xс – концентрация взвешенных частиц в исходной смеси, вес%

Xф - концентрация взвешенных частиц в очищенном продукте, вес%

Xо - концентрация взвешенных частиц в осадке, вес%

Осаждение

Осаждение в широком понимании – это процесс разделения жидких или газовых неоднородных систем путем выделения из жидкой или газовой фазы твердых или жидких взвешенных частиц; такое выделение осуществляется под действием сил тяжести или центробежной силы, а также под действием сил электрического поля.

Соответственно различают:

• Отстаивание

• Циклонный процесс

• Отстойное центрифугирование

• Электроочистка

Гравитационное осаждение – процесс разделения неоднородных систем (пылей, суспензий и эмульсий) под действием разности плотностей сплошной и дисперсной фаз. Гравитационное осаждение характеризуется небольшой скоростью осаждения, поэтому и используется преимущественно для частичного разделения неоднородных систем.

Гравитационное осаждение (отстаивание) является простейшим методом разделения, отличающимся малыми энергозатратами.

Сущность отстаивания заключается в том, что пыль, суспензию или эмульсию пропускают через камеру, на дно которой под действием силы тяжести осаждаются взвешенные частицы.

При отстаивании должны соблюдаться 2 основных требования:

1) время пребывания элемента потока в аппарате должно быть равно или больше времени осаждения частиц;

2) линейная скорость потока в аппарате должна быть значительно меньше, чем скорость осаждения.

Несоблюдение первого требования приводит к тому, что частицы не успевают осесть, а второго – возникающие вихревые токи поднимают осаждающиеся частицы.

Кинетика осаждения

Рассмотрим процесс осаждения твердой шарообразной частицы диаметром d , плотность которой ρт, в жидкости с плотностью ρж. В данном случае примем ρт > ρж .

Баланс сил, действующих на нее, можно представить уравнением T - A - R = J ,

T =(πd³/6)ρтg - сила тяжести, действующая на частицу;

A =(πd³/6)ρжg - выталкивающая сила, равная по закону Архимеда весу объема вытесненной частицей жидкости;

R =(πd²/4)(w²ос/2) ρж– сила сопротивления, отнесенная к поперечному сечению частицы

F= πd²/4

J = m(dwос/dτ)= (πd³/6)ρт(dwос/dτ) - сила инерции.

Здесь: m – масса частицы; φ – коэффициент сопротивления; wос –скорость осаждения частицы;

τ – время.

С увеличением в начальный момент скорости возрастает сила сопротивления, которая уменьшает ускорение частицы. Через некоторый момент времени можно считать ускорение практически

равным нулю. При условии постоянства скорости осаждения уравнение действующих на частицу сил будет иметь вид Т - А - R = 0 .

(πd³/6)ρтg-(πd³/6)ρжg- (πd²/4)(w²ос/2) ρж=0