При проектировании установок для проведения типовых процессов химической технологии, выбора принципа расчета и необходимого оборудования основное значение имеют химические процессы.

Основные процессы и аппараты химической технологии

Все справочные данные и общие сведения о химическом производстве содержатся в пособии по проектированию под редакцией Дытнерского Ю.И «Основные процессы и аппараты химической технологии».

В пособии рассказывается:

• о расчетах теплообменных и массообменных аппаратов;
• о работе выпарной, ректификационной и адсорбционной установок;
• о механических расчетах основных узлов и деталей химических устройств;
• о гидравлических расчетах.

В издании приведены принципы работы установок мембранного разделения и данные по кристаллизации.

Виды химических процессов и технологий

Для производства готовой продукции и промежуточных веществ с помощью химической переработки исходного материала используются разные методики и приборы. В основе большинства операций лежит перенос какого-либо вещества.

Исходя из будущего предназначения и эксплуатации, выделяют следующие типы процессов:

• гидромеханические используются для механического разделения неоднородных смесей жидкостей и газов, их очистки от твердых частиц, например, отстаивание и осаждение в центрифуге;
• тепловые, в основе которых лежит перенос тепла (испарение, конденсация, нагревание, охлаждение);
• массообменные заключаются в переносе вещества с совместным переносом импульса и тепла (абсорбция, адсорбция);
• химические и биохимические происходят при варьировании химического содержания и свойств (ионные реакции, гликолиз, брожение).

Технологические процессы по длительности подразделяются на:

• периодические;
• непрерывные;
• комбинированные.

Периодические процессы протекают непостоянно, так как происходит цикличное закладывание исходных материалов. Совместная загрузка сырья и выгрузка продукции характеризует непрерывный процесс. Комбинированные процессы состоят из двух типов операций или нескольких раздельных стадий совместно.

В химическом производстве упор делается на использование непрерывных процессов, которые полностью механизированы и управляют с помощью автоматике. Непрерывные процессы по сравнению с периодическими операциями более практичны. В непрерывном процессе за счет постоянного протекания операций финансовые, ресурсные и трудовые расходы снижены.

Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии

Комплекс мер по бережному и эффективному применению элементов производства составляет энерго- и ресурсосбережение, которое достигаются в результате применения различных методов:

• уменьшения фондоемкости и расхода готовой продукции;
• роста продуктивности;
• увеличения качества продукции.

Ресурсосберегающие мероприятия позволяют обеспечить производство готовой продукции с минимумом применения топлива и другого исходного сырья, компонентов, топлива, воздуха, воды и иных источников для технологических нужд.

К технологиям ресурсосбережения относятся:

• закрытая система водообеспечения;
• применение вторичных ресурсов;
• переработка отходов.

Ресурсосберегающие технологии экономят использование материалов и снижают воздействие вредных факторов производства на окружающую среду.

Проектирование и расчет процессов и аппаратов химической технологии

Расчет химического оборудования и проектирование проходят в следующей последовательности:

• анализируются исходные данные, выявляется направление течения процесса;
• составляется материальный баланс и определяются количественные величины материальных потоков. Материальный баланс является тождеством прихода и расхода массовых потоков элементов в одном оборудовании;
• исходя из теплового баланса, определяют расходы теплоты в реакции или расходы теплоносителей. Тепловой баланс представляет равенство прихода и расхода тепловых потоков в оборудовании;
• определяется движущая сила процесса исходя из закона равновесия;
• рассчитывается коэффициент скорости К, который обратно пропорционален сопротивлению соответствующей операции;
• величину аппарата вычисляют по главной кинетической закономерности. Этим размером чаще всего приходится поверхность аппарата. По расчетной величине с помощью специальных каталогов либо нормалей, выбирают ближайший стандартный типоразмер проектируемого оборудования.

Компании с исследовательскими группами химических процессов

Компании с исследовательскими группами химических процессов - это крупные организации с большим штатом химических экспертов. Одной из таких организация является «Модкон Системс», которая разрабатывает продукцию, ведет техническую политику для обеспечения всех типов исследовательских мероприятий, а также осуществляет комплексную оптимизацию процессов в сфере нефтепереработки, трубопроводов, биотехнологии и химии.

Лабораторный комплекс научно-инжинирингового центра ГК «Миррико» включает исследовательские и испытательные лаборатории, которые разрабатывают новые виды продуктов и технологии для разных целей.

НИЦ ГК «Миррико» включает в себя следующие отраслевые научно-исследовательские лаборатории (НИЛ):

• НИЛ «Реагенты для бурения и добычи»;
• НИЛ дивизиона «Добыча»;
• НИЛ нефтегазопереработки и нефтехимии «Процессы»;
• НИЛ «Буровые растворы и технологии»;
• НИЛ «Вода».

Производители химических аппаратов

Для реализации химических превращений в нефтехимической сфере необходимы химические реакторы и аппараты. Химический реактор - это аппарат с тремя стенками, который находится под давлением или вакуумом с разными методами нагрева, обладает быстроходными и тихоходными мешалками. Исходя из величины температуры нагрева и необходимости ее контроля, выбирается теплоноситель.

Завод «ЮВС» занимается разработкой и изготовлением реакторов разных конструкций, исходя из разряда реакции в оборудовании, физического состояния компонентов, необходимого режима теплоты, давления, объема, характера течения процесса. Для того чтобы ускорить тепловой и массообменный процесс реакторы оснащают дополнительными элементами, которые перемешивают. Качество выпускаемого оборудования строго контролируется из-за повышенной техники безопасности. Механическая прочность, стойкость к коррозийному действию перерабатываемого сырья и соответствующие физические характеристики являются требованиями, предъявляемыми к химическим реакторам.

Другая компания ООО «СибМашПолимер» рассчитывают и изготавливают химические реакторы, а также дает гарантии на высокое качество производимых аппаратов. Компания осуществляет испытания своей продукции в лаборатории, оснащенной радиографическим контролем аппаратов.

Промышленное объединение «Химстройпроект» производит энергосберегающие и теплообменные аппараты, согласно критериям Технического Регламента Таможенного Союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (ТР ТС 032/2013).

Современная химическая технология связана с измельчением, дроблением, перевозкой различных материалов. Часть их превращается в процессе обработки в аэрозольную форму, образующаяся пыль вместе с вентиляционными и технологическими газами попадает в атмосферу. Рассмотрим основы химической технологии, применяемой в настоящее время в производстве.

Аппараты для очистки от пыли газообразных веществ

У пылевых частичек высокая суммарная поверхность, в результате они проявляют повышенную биологическую и химическую активность. У части веществ, находящихся в аэродисперсном виде, появляются новые свойства, к примеру, они способны самопроизвольно взрываться. Существуют различные аппараты химической технологии, применяемые для очистки образующихся в производстве газообразных веществ от разнообразных по размерам и форме частичек пыли.

Несмотря на существенные различия в оформлении, принцип их действия базируется на задержке взвешенной фазы.

Циклон и пылеосадительные камеры

Анализируя разнообразные процессы и аппараты химической технологии, остановимся на группе пылеулавливающих аппаратов, к которым относятся:

• ротационные пылеулавливатели;
• циклоны;
• жалюзные модели;
• пылеосадительные камеры.

Среди достоинств подобных аппаратов отметим простоту их конструкции, благодаря чему их производят на неспециализированных предприятиях.

В качестве минуса подобных аппаратов профессионалы отмечают недостаточную эффективность, необходимость проведения повторной очистки. Все виды пылеулавливающих аппаратов функционируют на основе центробежных сил, отличаются мощностью и скоростью осаждения частичек пыли.

Например, классическая химическая технология производства серной кислоты предполагает применение циклона для очистки от примесей печного газа, образующегося при обжиге пирита. Газ, в котором присутствуют частички огарка (смешанного оксида железа), входит в циклон через специальный тангенциальный патрубок, затем вращается вдоль внутренних стенок аппарата. Накопление и осаждение пыли осуществляется в пылесборном бункере, а очищенный газ поднимается вверх, уходит в следующий аппарат через центральную трубу.

Химическая технология связана с применением циклона в тех случаях, когда к получаемому газообразному веществу не выдвигают высоких требований.

Аппараты мокрой очистки

Мокрый способ в современном производстве считается одним из самых результативных и простых видов очистки промышленных газов от разнообразных взвешенных частичек. Процессы и аппараты химической технологии, связанные с мокрой очисткой газов, в настоящее время востребованы не только в отечественной, но и в зарубежной промышленности. Помимо взвешенных частиц, они способны улавливать газообразные и парообразные компоненты, снижающие качество выпускаемой продукции.

Существует подразделение таких аппаратов на насадочные полые, пенные и барботажные, турбулентные и центробежные виды.

Дезинтегратор состоит из ротора и статора, снабженного специальными направляющими лопатками. Жидкость подают во вращающийся ротор через сопла. Благодаря газовому потоку, движущемуся между кольцами статора и ротора, осуществляется измельчение ее на отдельные капли, в результате чего повышается контакт газов с улавливаемыми частичками жидкости. Благодаря центробежным силам пыль отбрасывается к стенкам аппарата, потом выводится из него, а очищенные газообразные вещества попадают в следующий аппарат, либо выбрасываются в атмосферу.

Пористые фильтры

Часто химическая технология предполагает осуществление фильтрации веществ через специальные пористые перегородки. Данный способ предполагает высокую степень очистки от разнообразных взвешенных частичек, поэтому пористые фильтры востребованы в химическом производстве.

Их основными недостатками считают необходимость проведения систематической замены фильтрующих компонентов, а также большие габариты аппаратов.

Промышленные фильтры подразделяют на зернистые и тканевые классы. Они предназначены для очистки промышленных газообразных веществ, имеющих высокую концентрацию дисперсной фазы. Для осуществления периодического удаления накопляющихся частиц в аппаратах установлены специальные регенерирующие устройства.

Особенности нефтепереработки

Тонкие химические технологии, связанные с очисткой продуктов нефтепереработки от механических примесей и повышенной влажности, основываются именно на процессах фильтрации.

Среди тех процессов и аппаратов, которые применяются в настоящее время в нефтехимической отрасли, выделяют фильтрование через коалесцирующие перегородки, ультразвук. С помощью центробежных сепараторов, коалесцентных фильтров, систем отстаивания, проводится предварительная ступень очистки.

Для того чтобы осуществлять комплексную очистку нефтепродуктов, в настоящее время применяют пористые полимерные композиции в качестве

Они подтвердили свою эффективность, прочность, надежность, поэтому их все больше использует общая химическая технология.

Электрические фильтры

В технологии производства серной кислоты предполагают использование именно этого аппарата. Эффективность очистки в них составляет от 90 до 99,9 процента. Электрофильтры способны улавливать жидкие и твердые частицы разных размеров, функционируют приборы в диапазоне температур 400-5000 градусов по Цельсию.

Благодаря незначительным эксплуатационным затратам эти аппараты получили существенное распространение в современном химическом производстве. Среди основных недостатков, характерных для подобного оборудования, выделим существенные первоначальные затраты на их сооружение, а также необходимость выделения большого пространства для установки.

С экономической точки зрения их целесообразно использовать при проведении очистки существенных объемов, в противном случае применение электрофильтров будет затратным мероприятием.

Контактный аппарат

Химия и химическая технология предполагает применение разнообразных аппаратов и устройств. Такое изобретение как контактный аппарат предназначено для осуществления каталитических процессов. В качестве примера можно привести реакцию окисления оксида серы (4) в сернистый ангидрид, являющуюся одним из этапов технологического производства серной кислоты.

Благодаря радиально-спиральному году газ проходит через слой с катализатором, расположенным на специальных перегородках. Благодаря контактному аппарату существенно повышается экономичность каталитических окислений, упрощается обслуживание прибора.

Специальная съемная корзина, имеющая защитный слой катализатора, позволяет без особых проблем осуществлять его замену.

Печь для обжига

Этот аппарат применяется при производстве серной кислоты из Химическая реакция протекает при температуре 700 °С. Благодаря принципу противотока, предполагающего подачу в противоположных направлениях кислорода воздуха и железного колчедана, образуется так называемый кипящий слой. Суть в том, что частички минерала располагаются равномерно по объему кислорода, что гарантирует качественное прохождение процесса окисления.

После завершения процесса окисления, образующийся «огарок» (оксид железа) попадает в специальный бункер, из которого он периодически удаляется. Образующийся печной газ (оксид серы 4) направляется на очистку от пыли, затем осушается.

Современные печи для обжига, используемые в химическом производстве, позволяют существенно снизить потери продуктов реакции, одновременно увеличив качество получаемого печного газа.

Для того чтобы ускорить процесс окисления пирита в печи для обжига, в производстве серной кислоты исходное сырье предварительно измельчают.

Шахтенные печи

К таким реакторам относят доменные печи, составляющие основу черной металлургии. Шихта попадает внутрь печи, контактирует с подаваемым через специальные отверстия кислородом, затем осуществляется охлаждение полученного чугуна.

Разнообразные модификации таких аппаратов нашли свое применение в переработке не только железных, но и медных руд, обработке соединений кальция.

Заключение

Трудно представить полноценную жизнь современного человека без использования им продуктом химического производства. Химическая отрасль, в свою очередь, не может полноценно работать без использования автоматизированных и механических технологий, применения специального оборудования. В настоящее время химическое производство представляет собой сложнейший комплекс оборудования и машин, которые предназначены для химико-физических и химических процессов, автоматизированного оборудования для фасовки и транспортировки готовой продукции.

Среди основных машин и аппаратов, востребованных в подобном производстве, выделяют те, которые позволяют увеличивать рабочую поверхность процесса, осуществлять качественную фильтрацию, полноценный теплообмен, повышать выход продуктов реакции, снижать энергозатраты.

Предисловие.

Дисциплина «Процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ) является одной из фундаментальных общеинженерных дисциплин. Она является завершающей в общеинженерной подготовке студента и основополагающей в специальной подготовке.

Технология производства разнообразия химических продуктов и материалов 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 разных отраслей химической промышленности, получили название основных процессы 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.

Вторая часть состоит из трех основных разделов, содержание которых раскрывает прикладные инженерные вопросы основ химической технологии:

· 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. Лекции, лабораторные и практические занятия, курсовое проектирование, самостоятельная работа студентов и общеинженерская производственная практика обеспечивают приобретение знаний, навыков и умений, необходимых как для дальнейшего обучения, так и для работы на производстве.

Введение.

1.1 Предметы и задачи курса.

Технология (techne-искусство, мастерство)- совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката в процессе производства.

Изучение технологических процессов составляет предмет курса. Технология, как наука, определяет условия практического применения законов естественных наук (физики, химии, механики и др.) для наиболее эффективного проведения разнообразных технологических процессов. Технология непосредственно связана с производством, а производство постоянно находиться в состоянии изменения и развития.

Основная задача курса: выявление общих закономерностей процессов переноса и сохранения различных субстанций; разработка методов расчета технологических процессов и аппаратов для их проведения; ознакомление с конструкциями аппаратов и машин, их характеристиками.

В результате освоения дисциплины студенты должны знать:

1. Теоретические основы процессов химической технологии; законы; их описывающие; физическую сущность процессов, схемы установок; конструкции аппаратов и принцип их работы; методику расчета процессов и аппаратов, в том числе, с использованием ЭВМ.

2. Принципы моделирования и масштабного перехода, правильного выбора аппаратуры для проведения соответствующих процессов и возможности их интенсификации.

3. Современные достижения науки и техники в области химической технологии.

Умения, которыми должны овладеть студенты:

1. Правильно применять теоретические знания при решении конкретных задач обоснованного выбора:

а) конструкции аппаратов для проведения определенных процессов;

б) режимных параметров работы аппаратов;

в) схемы проведения процессов.

2. Самостоятельно проводить расчеты аппаратов.

3. Самостоятельно работать на лабораторных исследовательских установках, обрабатывать экспериментальные данные, получать эмпирические зависимости, анализировать расчетные методики.

4. Проектировать типовые процессы и аппараты, пользоваться технической литературой и ГОСТами, заполнять техническую документацию в соответствии с ЕСКД.

1.2 Классификация основных процессов химической технологии.

Современная химическая технология изучает процессы производства различных кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений, продуктов переработки нефти и каменного угля, органических соединений, полимеров и др. Однако, несмотря на огромное разнообразие химических продуктов, получение их связано с проведением ряда однотипных процессов (перемещение жидкостей и газов, нагревание и охлаждение, сушка, химическое взаимодействие и.т.д.). Итак, в зависимости от законов, определяющих скорость протекания процессов, они могут быть объединены в следующие группы:

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидромеханики. Сюда относятся транспортирование жидкостей и газов, получение и разделение неоднородных систем и др.

2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты (охлаждение и нагревание жидкостей и газов, конденсация паров, кипение жидкостей и т.п.).

3. Массообменные процессы, скорость которых определяется законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз (абсорбция, адсорбция, экстракция, перегонка жидкостей, сушка и др.)

4. Химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики.

5. Механические процессы, которые описываются законами механики твердых тел (измельчение, сортировка, смешение твердых материалов и др.).

Перечисленные процессы составляют основу большинства химических производств и поэтому называются основными (типовыми) процессами химической технологии.

ПАХТ изучает первые три группы, четвертую группу изучает дисциплина ОХТ, пятая группа – предмет специальных дисциплин профилирующих кафедр.

В зависимости от того, изменяются или не изменяются во времени параметры процессов (скорости движения потока, температура, давление и.т.д.) их подразделяют на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). Если обозначить какой-нибудь параметр через U , тогда:

Стационарный процесс U(x,y,z)

Нестационарный процесс U(x,y,z,t)

Периодический процесс характеризуется единством места проведения его отдельных стадий. Процесс нестационарный.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий. Процесс установившийся (стационарный).

Встречаются комбинированные процессы - отдельные стадии проводятся непрерывно, отдельные периодически.

Однако курс ПАХТ построен не как изложение отдельных вышеперечисленных групп. Общетеоретические основы химической технологии изучаются отдельно, далее излагаются типовые процессы и аппараты химической технологии.

1.3 Гипотеза сплошности среды .

Жидкая среда заполняет тот или иной объем без каких-либо свободных промежутков, сплошным образом, или является сплошной средой. При описании таких сред предполагают, что они состоят из частиц. Причем под частицей сплошной среды подразумевают не любую сколь угодно малую часть ее объема, а весьма небольшую его часть, содержащую внутри себя миллиарды молекул. В общем случае минимальная цена деления макроскопического масштаба пространственной Δl или временной Δt координаты должна быть достаточно малой, чтобы пренебречь изменением макроскопических физических величин в пределах Δl или Δt, и достаточно большой, чтобы, пренебречь флуктуациями микроскопических величин, полученных осреднением этих величин по времени Δt или объему частицы Δl 3 . Выбор минимальной цены деления макроскопического масштаба определяется характером решаемой задачи.

Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы, импульса и энергии.

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.