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Verfahren und Apparate der chemischen Technik
1. Gegenstand und Ziele der Lehrveranstaltung „Verfahren und Apparate der Chemischen Technik“
1.1 Ziele des PAKT-Kurses
1.2 Einteilung der Hauptprozesse der chemischen Technologie
2. Theoretische Grundlagen verfahrenstechnischer Verfahren
2.1 Grundgesetze der Wissenschaft über Prozesse und Apparate
2.2 Übertragungsphänomene
3. Gesetze des thermodynamischen Gleichgewichts
4. Impulsübertragung
Hauptliteratur
1. Gegenstand und Ziele der Lehrveranstaltung „Verfahren und Apparate der Chemischen Technik“
Unter Prozessen versteht man unter bestimmten Bedingungen auftretende Zustandsänderungen von natürlichen und technischen Stoffen. Prozesse können in natürliche Prozesse unterteilt werden (dazu gehören die Verdunstung von Wasser von den Oberflächen von Stauseen, Erwärmung und Abkühlung der Erdoberfläche usw.), deren Untersuchung Gegenstand und Aufgabe der Physik, Chemie, Mechanik und anderer natürlicher Prozesse ist Wissenschaften und Produktion oder Technologie, deren Studium Gegenstand und Aufgabe der Technologie ist (dh Kunst, Handwerk, Fähigkeit).
Technik ist eine Wissenschaft, die die Bedingungen für die praktische Anwendung der Gesetze der Naturwissenschaften (Physik, Chemie ...) bestimmt, d.h. eine Reihe von Verfahren zur Verarbeitung, Herstellung, Änderung des Zustands, der Eigenschaften, der Zusammensetzung eines Stoffes, der Form von Rohstoffen, Materialien oder Halbfertigprodukten, die im Prozess der Herstellung von Produkten durchgeführt werden. Die Produktionstechnologie umfasst eine Reihe ähnlicher physikalischer und physikalisch-chemischer Prozesse, die durch gemeinsame Muster gekennzeichnet sind. Diese Prozesse in verschiedenen Industrien werden in Vorrichtungen durchgeführt, die im Funktionsprinzip ähnlich sind. Die den verschiedenen Zweigen der chemischen Industrie gemeinsamen Prozesse und Apparate werden als Hauptprozesse und Apparate der chemischen Technologie bezeichnet.
Die PAH-Disziplin besteht aus zwei Teilen:
· Theoretische Grundlagen der chemischen Technologie;
· Standardverfahren und -geräte der chemischen Technik.
Der erste Teil skizziert die allgemeinen theoretischen Muster typischer Prozesse; Grundlagen der Methodik des Vorgehens zur Lösung theoretischer und angewandter Probleme; Analyse des Mechanismus der Hauptprozesse und Identifizierung allgemeiner Muster ihres Verlaufs; verallgemeinerte Methoden der physikalischen und mathematischen Modellierung und Berechnung von Prozessen und Geräten werden formuliert. technologischer chemischer apparat thermodynamisch
Der zweite Teil besteht aus drei Hauptabschnitten:
· hydromechanische Prozesse und Geräte;
thermische Prozesse und Geräte;
Massentransferverfahren und -geräte.
In diesen Abschnitten werden theoretische Begründungen für jeden typischen technologischen Prozess gegeben, die Hauptkonstruktionen von Apparaten und die Methode ihrer Berechnung betrachtet.
1.1 Ziele des PAKT-Kurses
1. Bestimmung des optimalen technologischen Regimes für die Durchführung von chemisch-technologischen Prozessen an bestimmten Geräten.
2. Berechnung und Entwurf des Entwurfs von Geräten zur Durchführung des technologischen Prozesses.
1.2 Einteilung der Hauptprozesse der chemischen Technologie
Abhängig von den Gesetzen, die die Geschwindigkeit der Prozesse bestimmen, werden sie in fünf Gruppen eingeteilt:
Hydrodynamische Prozesse, deren Geschwindigkeit durch die Gesetze der Hydromechanik bestimmt wird (Bewegung von Flüssigkeiten, Kompression und Bewegung von Gasen, Trennung von heterogenen Flüssigkeits- und Gassystemen - Sedimentation, Filtration, Zentrifugation usw.).
Thermische Prozesse, deren Geschwindigkeit durch die Gesetze der Wärmeübertragung (Erwärmung, Abkühlung, Dampfkondensation, Verdampfung) bestimmt wird.
Stofftransportprozesse, deren Geschwindigkeit durch die Gesetze des Stofftransports von einer Phase zur anderen durch die Phasengrenzfläche bestimmt wird (Absorption, Rektifikation, Extraktion usw.).
Chemische Prozesse. Die Geschwindigkeit chemischer Prozesse wird durch die Gesetze der chemischen Kinetik bestimmt.
Mechanische Prozesse werden durch die Gesetze der Festkörpermechanik beschrieben und umfassen das Mahlen, Transportieren, Sortieren (Klassifizieren nach Größe) und Mischen von Feststoffen.
Alle Prozesse nach der Organisationsmethode sind in periodisch, kontinuierlich und kombiniert unterteilt. Periodische Prozesse finden im selben Apparat statt, aber zu unterschiedlichen Zeiten. Kontinuierliche Prozesse laufen gleichzeitig ab, sind aber räumlich getrennt.
Die Prozesse der chemischen Technologie sind stationär (eingeschwungen) und instationär (nicht stationär).
Wenn sich die Parameter (Temperatur, Druck usw.) des Prozesses bei einer Änderung der Raumkoordinaten im Apparat ändern, bleiben sie an jedem Punkt (Raum) des Apparates zeitlich konstant – ein stationärer Prozess. Wenn die Prozessparameter Funktionen von Koordinaten sind und sich zu jedem Zeitpunkt ändern – ein instationärer Prozess.
Ein kombiniertes Verfahren ist entweder ein kontinuierliches Verfahren, dessen einzelne Stufen periodisch durchgeführt werden, oder ein solches diskontinuierliches Verfahren, dessen eine oder mehrere Stufen kontinuierlich durchgeführt werden.
Die meisten chemisch-technologischen Prozesse umfassen mehrere aufeinanderfolgende Stufen. Normalerweise läuft eine der Stufen langsamer ab als die anderen, was die Geschwindigkeit des gesamten Prozesses begrenzt. Um die Gesamtgeschwindigkeit des Prozesses zu erhöhen, muss zunächst die Begrenzungsstufe beeinflusst werden. Laufen die Stufen des Prozesses parallel, so ist es notwendig, die produktivste Stufe zu beeinflussen, da diese limitierend ist. Die Kenntnis des Grenzstadiums des Prozesses ermöglicht es uns, die Beschreibung des Prozesses zu vereinfachen und den Prozess zu intensivieren.
2. Theoretische Grundlagen verfahrenstechnischer Verfahren
2.1 Grundgesetze der Wissenschaft über Prozesse und Apparate
Die theoretische Grundlage der Wissenschaft von den Verfahren und Apparaten der chemischen Technik sind folgende Grundgesetze der Natur:
Die Erhaltungssätze von Masse, Impuls und Energie (Stoff), wonach die Einnahme eines Stoffes gleich seinem Verbrauch ist. Erhaltungssätze haben die Form von Bilanzgleichungen, deren Aufstellung ein wichtiger Bestandteil der Analyse und Berechnung chemischer und technologischer Prozesse ist.
Die Gesetze der Masse-, Impuls- und Energieübertragung bestimmen die Flussdichte eines jeden Stoffes. Die Übertragungsgesetze ermöglichen es, die Intensität der ablaufenden Prozesse und letztlich die Produktivität der eingesetzten Geräte zu bestimmen.
Die Gesetze des thermodynamischen Gleichgewichts bestimmen die Bedingungen, unter denen die Übertragung eines Stoffes endet. Der Zustand des Systems, in dem kein irreversibler Stoffübergang stattfindet, wird als Gleichgewicht bezeichnet. Die Kenntnis der Gleichgewichtsbedingungen ermöglicht es, die Richtung des Übertragungsprozesses, die Grenzen des Prozessflusses und die Größe der treibenden Kraft des Prozesses zu bestimmen.
2.2 Übertragungsphänomene
Jeder Prozess der chemischen Technologie ist durch die Übertragung einer oder mehrerer Stoffarten bedingt: Masse, Impuls, Energie. Wir betrachten die Mechanismen des Stofftransfers, die Bedingungen, unter denen der Transfer stattfindet, sowie die Transfergleichungen für jede Art von Stoff.
Übertragungsmechanismen
Es gibt drei Mechanismen des Stofftransports: molekular, konvektiv und turbulent. Die Energieübertragung kann zusätzlich durch Strahlung erfolgen.
Molekularer Mechanismus. Der molekulare Mechanismus des Stoffübergangs beruht auf der thermischen Bewegung von Molekülen oder anderen mikroskopischen Teilchen (Ionen in Elektrolyten und Kristallen, Elektronen in Metallen).
konvektiver Mechanismus. Der konvektive Mechanismus des Stofftransports beruht auf der Bewegung makroskopischer Volumina des gesamten Mediums. Der Satz von Werten einer physikalischen Größe, die an jedem Punkt eines bestimmten Teils des Raums eindeutig definiert ist, wird als Feld einer bestimmten Größe bezeichnet (das Feld der Dichte, Konzentrationen, Drücke, Geschwindigkeiten, Temperaturen usw.).
Die Bewegung makroskopischer Volumina des Mediums führt zu einem Stoffaustausch mit, Schwung mit und Energie cE Einheitsvolumen ( mit - Dichte oder Masse einer Volumeneinheit, cW- Impuls des Einheitsvolumens, mitE ist die Energie einer Volumeneinheit).
Abhängig von den Ursachen der Konvektionsbewegung wird zwischen freier und erzwungener Konvektion unterschieden. Die Übertragung eines Stoffes unter Bedingungen freier Konvektion beruht auf dem Unterschied der Dichte an verschiedenen Punkten im Volumen des Mediums aufgrund des Temperaturunterschieds an diesen Punkten. Erzwungene Konvektion tritt auf, wenn das gesamte Volumen des Mediums in Bewegung versetzt wird (z. B. durch eine Pumpe oder wenn es mit einem Rührer gemischt wird).
Turbulenter Mechanismus. Der turbulente Transportmechanismus nimmt auf der Raum-Zeit-Skala eine Zwischenstellung zwischen den molekularen und den konvektiven Mechanismen ein. Turbulente Bewegung tritt nur unter bestimmten Bedingungen konvektiver Bewegung auf: ausreichender Abstand von der Phasengrenze und Inhomogenität des Geschwindigkeitsfeldes.
Bei geringen Bewegungsgeschwindigkeiten des Mediums (Gas oder Flüssigkeit) relativ zur Phasengrenze bewegen sich dessen Schichten regelmäßig parallel zueinander. Eine solche Bewegung heißt laminar. Wenn die Inhomogenität der Geschwindigkeit und des Abstands von der Phasengrenze einen bestimmten Wert überschreitet, ist die Stabilität der Bewegung verletzt. Es entsteht eine unregelmäßige chaotische Bewegung einzelner Volumen des Mediums (Wirbel). Eine solche Bewegung heißt turbulent.
Die ersten Studien zu Bewegungsmodi wurden 1883 von dem englischen Physiker O. Reynolds durchgeführt, der die Bewegung von Wasser in einem Rohr untersuchte. Während der laminaren Bewegung vermischte sich ein dünner getönter Strom nicht mit der Hauptmasse der sich bewegenden Flüssigkeit und hatte eine geradlinige Flugbahn. Mit zunehmender Durchflussmenge oder Rohrdurchmesser nahm das Rinnsal eine wellenförmige Bewegung an, was auf das Auftreten von Störungen hindeutet. Bei einer weiteren Erhöhung der obigen Parameter vermischte sich das Rinnsal mit der Masse der Flüssigkeit, und der farbige Indikator wurde über den gesamten Querschnitt des Rohrs verwischt.
Hier wird das Konzept der Turbulenzskala verwendet, die die Größe der Wirbel bestimmt. Anders als beispielsweise Moleküle sind Wirbel keine stabilen, räumlich klar begrenzten Gebilde. Sie entstehen, zerfallen in kleinere Wirbel und zerfallen beim Übergang von Energie in Wärme (Energiedissipation). Daher ist das Ausmaß der Turbulenz ein gemittelter statistischer Wert. Zur Beschreibung turbulenter Bewegungen sind verschiedene Ansätze möglich.
Einer der Ansätze besteht in der zeitlichen Mittelung der Werte physikalischer Größen (Geschwindigkeiten, Konzentrationen, Temperaturen) über Intervalle, die die charakteristischen Perioden von Schwankungen auch großräumiger Wirbel deutlich überschreiten.
3. Gesetze des thermodynamischen Gleichgewichts
Befindet sich das System im Gleichgewichtszustand, so werden keine makroskopischen Erscheinungen des Stoffübergangs beobachtet. Trotz der thermischen Bewegung von Molekülen, die jeweils Masse, Impuls und Energie übertragen, gibt es aufgrund der Gleichwahrscheinlichkeit der Übertragung in jede Richtung keine makroskopischen Stoffströme.
Das Gleichgewicht in einem Einphasensystem, das keinen äußeren Kräften ausgesetzt ist, wird durch die Gleichheit der Werte an jedem Punkt im Raum makroskopischer Größen hergestellt, die die Eigenschaften des Systems charakterisieren: Geschwindigkeit -
(x,y,z,t) = konst;
Temperatur - T(x,y,z,t) = const; chemische Potenziale von Komponenten
- m ich(x,y,z,t) = konst.
Es ist möglich, die Bedingungen des hydromechanischen, thermischen und Konzentrationsgleichgewichts getrennt zu unterscheiden.
Hydromechanisches Gleichgewicht:
Thermisches (thermisches) Gleichgewicht:
T=konst;
Konzentrationsbilanz:
mich= konstant,
Hier ist der Differentialoperator operator nabla
Die Bedingung für die Manifestation von Transferprozessen und die Entstehung makroskopischer Massen-, Impuls- und Energieflüsse ist das Nichtgleichgewicht des Systems. Die Richtung der Übertragungsvorgänge wird durch das spontane Streben des Systems nach einem Gleichgewichtszustand bestimmt, d.h. Transferprozesse führen zum Ausgleich von Geschwindigkeit, Temperatur und chemischen Potentialen der Systemkomponenten. Die Inhomogenitäten dieser Größen sind notwendige Bedingungen für den Ablauf von Übertragungsprozessen und werden als solche bezeichnet Antriebskräfte.
Zur Durchführung des Verfahrens ist es notwendig, das System aus dem Gleichgewicht zu bringen, d.h. Einfluss von außen. Dies ist durch die Zufuhr von Masse oder Energie in das System oder durch das Einwirken äußerer Kräfte möglich. Beispielsweise erfolgt im Schwerefeld ein Absetzen, bei Wärmezufuhr Verdunstung und beim Einbringen eines Absorbers in das System eine Absorption.
Transportgleichungen
Stofffluss- die Stoffmenge, die pro Zeiteinheit durch eine Oberflächeneinheit übertragen wird.
Massentransfer
konvektiver Mechanismus. Der Massenstrom aufgrund des Konvektionsmechanismus steht in Beziehung zur Konvektionsgeschwindigkeit durch die folgende Beziehung
[kg/m2s] (2)
Es ist oft bequemer, den Stofffluss anstelle der Masse zu verwenden
[kmol/m 2 s] (3)
hier m ich- Molmasse der Komponente ich[kg/kmol], c ich- molare Konzentration [kmol / m 3].
Molekularer Mechanismus. Das Hauptgesetz des molekularen Mechanismus des Stofftransports ist das erste Ficksche Gesetz, das für ein Zweikomponentensystem die Form hat:
, n=2 (4)
wo D ij- Koeffizient der binären (gegenseitigen) Diffusion ( D ij= D ji) .
Turbulenter Mechanismus. Turbulenter Stofftransport kann in Analogie zum molekularen Transport als Folge der chaotischen Bewegung von Wirbeln betrachtet werden. Der Koeffizient der turbulenten Diffusion wird eingeführt D t, die sowohl von den Eigenschaften des Mediums als auch von der Inhomogenität der Geschwindigkeit und dem Abstand von der Grenzfläche abhängt.
. (5)
Das Verhältnis der Koeffizienten von turbulenter und molekularer Diffusion im wandnahen Bereich erreicht D t/D ich ~ 10 2 - 10 5 .
Energieübertragung
Die Energie des Systems kann unterteilt werden: mikroskopisch und makroskopisch. Mikroskopisch, was ein Maß für die innere Energie der Moleküle selbst, ihre thermische Bewegung und Wechselwirkung ist, wird als innere Energie des Systems bezeichnet ( U). Die makroskopische Energie ist die Summe der kinetischen Energie ( E k), aufgrund der konvektiven Bewegung des Mediums und der potentiellen Energie des Systems im Feld äußerer Kräfte ( E P). Somit kann die Gesamtenergie des Systems pro Masseneinheit dargestellt werden als
E" = U" + E" k+E" P[J/kg] (6)
Der Strich bedeutet, dass die Energie pro Masseneinheit ist.
Energie kann in Form von Wärme oder Arbeit übertragen werden. Wärme ist eine Form der Energieübertragung auf mikroskopischer Ebene, Arbeit auf makroskopischer Ebene.
konvektiver Mechanismus. Der vom Konvektionsmechanismus getragene Energiefluss hat die Form
[J/m2s] = [W/m2] (7)
Dies ist die Energiemenge, die von einem sich bewegenden makroskopischen Volumen pro Zeiteinheit durch eine Oberflächeneinheit übertragen wird.
Molekularer Mechanismus. Der molekulare Mechanismus führt die Energieübertragung auf mikroskopischer Ebene durch, d.h. in Form von Wärme. Der Wärmefluss aufgrund des molekularen Mechanismus unter Bedingungen des mechanischen und Konzentrationsgleichgewichts kann dargestellt werden als
, (8)
wo ist der Koeffizient der molekularen Wärmeleitfähigkeit [W/mK].
Diese Gleichung heißt Fourier-Gesetz.
Turbulenter Mechanismus. Die turbulente Energieübertragung kann in Analogie zur molekularen Energieübertragung durch Einführung des turbulenten Wärmeleitkoeffizienten betrachtet werden
t (9)
Wie der turbulente Diffusionskoeffizient t wird durch die Eigenschaften des Systems und den Bewegungsmodus bestimmt. Der Gesamtenergiefluss im Laborbezugssystem kann geschrieben werden
.
4. Impulsübertragung
konvektiver Transport. Betrachten Sie den Fall, wenn sich das Medium mit einer gewissen Konvektionsgeschwindigkeit bewegt W x in Achsrichtung X. In diesem Fall ist der Impuls oder Impuls einer Volumeneinheit gleich W x. Dann die Bewegungsmenge W x, aufgrund des konvektiven Mechanismus in Richtung der Achse übertragen X pro Zeiteinheit durch eine Oberflächeneinheit gleich sein wird
= [Pa] (10)
X, pro Zeiteinheit durch eine Einheitsfläche entlang der Achse übertragen Ja, wird gleich sein
(11)
In ähnlicher Weise ergibt die Impulsübertragung in alle Richtungen 9 Komponenten des Tensors des konvektiven Impulsflusses,
(12)
(13)
Molekularer Transfer. Betrag der Bewegung entlang der Achse X, (W x), entlang der Achse übertragen Y pro Zeiteinheit durch eine Einheitsoberfläche aufgrund des molekularen Mechanismus dargestellt werden als
(14)
wo m[Pa s] und [m2/s] sind die Koeffizienten der dynamischen bzw. kinematischen molekularen Viskosität. Diese Gleichung heißt Newtonsches Viskositätsgesetz. Wenn die Viskositätskoeffizienten nicht vom Wert der Ableitung abhängen W x/ j, d.h. Sucht xy aus W x/ j linear, das Medium heißt Newtonsch. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist - nicht Newtonsch. Letztere umfassen Polymere, Pasten, Suspensionen und eine Reihe anderer Materialien, die in der Industrie verwendet werden.
turbulenter Transport. Die Impulsübertragung aufgrund des turbulenten Mechanismus kann in Analogie zum molekularen betrachtet werden.
(15)
wo m t und t- dynamische und kinematische Koeffizienten der turbulenten Viskosität, bestimmt durch die Eigenschaften des Mediums und die Bewegungsart t~D t.
Der Gesamtimpulsfluss kann geschrieben werden
(16),
wo ist der viskose Spannungstensor, dessen Elemente sowohl molekulare als auch turbulente Impulsübertragung umfassen
(17).
Es werden also die Übertragungsgleichungen von Masse, Energie und Impuls betrachtet. Es ist leicht, die Analogie dieser Gleichungen zu verifizieren. Der Konvektionsfluss repräsentiert das Produkt der übertragenen Substanz in einer Volumeneinheit (mit,E", mit) auf Konvektionsgeschwindigkeit. Strömungen aufgrund molekularer oder turbulenter Mechanismen sind das Produkt des entsprechenden Transportkoeffizienten (D, m, m t) zur treibenden Kraft des Prozesses. Diese Analogie ermöglicht es, die Ergebnisse der Untersuchung einiger Prozesse zu verwenden, um andere zu beschreiben.
Hauptliteratur
1. Dytnersky Yu.I. Verfahren und Apparate der chemischen Technik. Moskau: Chemie, 2002. Vol. 1-400 p. T.2-368 p.
2. Kasatkin A.G. Grundlegende Verfahren und Apparate der chemischen Technik. 9. Aufl. Moskau: Chemie, 1973. 750 p.
3. Pavlov K. F., Romankov P. G., Noskov A. A. Beispiele und Aufgabenstellungen im Ablauf von Verfahren und Apparaten der Chemischen Technik. L.: Chemie, 1987. 576 S.
4. Razinov A.I., Dyakonov G.S. Übertragungsphänomene. Kazan, Verlag der KSTU, 2002. 136 p.
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