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Processos e aparelhos de tecnologia química
1. Tema e objetivos do curso "Processos e aparelhos de tecnologia química"
1.1 Objetivos do curso PAKT
1.2 Classificação dos principais processos de tecnologia química
2. Fundamentos teóricos dos processos de engenharia química
2.1 Leis básicas da ciência sobre processos e aparelhos
2.2 Fenômenos de transferência
3. Leis do equilíbrio termodinâmico
4. Transferência de impulso
Literatura principal
1. Tema e objetivos do curso "Processos e aparelhos de tecnologia química"
Processos são entendidos como mudanças no estado de substâncias naturais e tecnológicas que ocorrem sob certas condições. Os processos podem ser divididos em naturais (estes incluem a evaporação da água das superfícies dos reservatórios, aquecimento e resfriamento da superfície da terra, etc.), cujo estudo é objeto e tarefa da física, química, mecânica e outros processos naturais. ciências e produção ou tecnológica, cujo estudo é o assunto e a tarefa da tecnologia (ou seja, arte, artesanato, habilidade).
A tecnologia é uma ciência que determina as condições para a aplicação prática das leis das ciências naturais (física, química ...), ou seja, um conjunto de métodos de processamento, fabricação, alteração do estado, propriedades, composição de uma substância, a forma de matérias-primas, materiais ou produtos semi-acabados, realizados no processo de fabricação de produtos. A tecnologia de produção inclui vários processos físicos e físico-químicos semelhantes caracterizados por padrões comuns. Esses processos em várias indústrias são realizados em dispositivos semelhantes em princípio de operação. Os processos e aparelhos comuns a vários ramos da indústria química são chamados de principais processos e aparelhos da tecnologia química.
A disciplina PAH consiste em duas partes:
· bases teóricas da tecnologia química;
· processos e dispositivos padrão de tecnologia química.
A primeira parte descreve os padrões teóricos gerais de processos típicos; fundamentos da metodologia da abordagem à resolução de problemas teóricos e aplicados; análise do mecanismo dos principais processos e identificação de padrões gerais de seu curso; métodos generalizados de modelagem física e matemática e cálculo de processos e dispositivos são formulados. aparelho químico tecnológico termodinâmico
A segunda parte consiste em três seções principais:
· processos e dispositivos hidromecânicos;
processos e dispositivos térmicos;
Processos e dispositivos de transferência em massa.
Nestas seções, são dadas as fundamentações teóricas de cada processo tecnológico típico, os principais projetos de aparelhos e o método de seu cálculo são considerados.
1.1 Objetivos do curso PAKT
1. Determinação do regime tecnológico ótimo para a realização de processos de tecnologia química em equipamentos específicos.
2. Cálculo e projeto do projeto de dispositivos para a realização do processo tecnológico.
1.2 Classificação dos principais processos de tecnologia química
Dependendo das leis que determinam a velocidade dos processos, eles são divididos em cinco grupos:
Processos hidrodinâmicos, cuja velocidade é determinada pelas leis da hidromecânica (movimento de líquidos, compressão e movimento de gases, separação de sistemas heterogêneos de líquido e gás - sedimentação, filtração, centrifugação, etc.).
Processos térmicos, cuja taxa é determinada pelas leis de transferência de calor (aquecimento, resfriamento, condensação de vapor, evaporação).
Processos de transferência de massa, cuja taxa é determinada pelas leis de transferência de massa de uma fase para outra através da interface de fase (absorção, retificação, extração, etc.).
Processos químicos. A velocidade dos processos químicos é determinada pelas leis da cinética química.
Os processos mecânicos são descritos pelas leis da mecânica dos sólidos e incluem moagem, transporte, classificação (classificação por tamanho) e mistura de sólidos.
Todos os processos de acordo com o método de organização são divididos em periódicos, contínuos e combinados. Processos periódicos ocorrem no mesmo aparelho, mas em momentos diferentes. Processos contínuos ocorrem simultaneamente, mas são separados no espaço.
Os processos da tecnologia química são estacionários (assentados) e não estacionários (não estacionários).
Se os parâmetros (temperatura, pressão, etc.) do processo mudam com uma mudança nas coordenadas espaciais no aparelho, permanecendo constantes no tempo em cada ponto (espaço) do aparelho - um processo estável. Se os parâmetros do processo são funções de coordenadas e mudam a cada ponto no tempo - um processo instável.
Um processo combinado é um processo contínuo, cujos estágios individuais são realizados periodicamente, ou um processo em lote, um ou mais estágios dos quais são realizados continuamente.
A maioria dos processos químico-tecnológicos inclui várias etapas sucessivas. Normalmente uma das etapas avança mais lentamente que as outras, limitando a velocidade de todo o processo. Para aumentar a velocidade geral do processo, é necessário influenciar, em primeiro lugar, a etapa limitante. Se as etapas do processo ocorrerem em paralelo, é necessário influenciar a etapa mais produtiva, pois ela é limitante. O conhecimento da etapa limitante do processo nos permite simplificar a descrição do processo e intensificar o processo.
2. Fundamentos teóricos dos processos de engenharia química
2.1 Leis básicas da ciência sobre processos e aparelhos
A base teórica da ciência dos processos e aparelhos da tecnologia química são as seguintes leis básicas da natureza:
As leis de conservação de massa, momento e energia (substância), segundo as quais a renda de uma substância é igual ao seu consumo. As leis de conservação assumem a forma de equações de equilíbrio, cuja formulação é uma parte importante da análise e cálculo de processos químico-tecnológicos.
As leis de massa, momento e transferência de energia determinam a densidade de fluxo de qualquer substância. As leis de transferência permitem determinar a intensidade dos processos em andamento e, em última análise, a produtividade dos dispositivos utilizados.
As leis do equilíbrio termodinâmico determinam as condições sob as quais a transferência de qualquer substância chega ao fim. O estado do sistema, no qual não há processo irreversível de transferência de substância, é chamado de equilíbrio. O conhecimento das condições de equilíbrio torna possível determinar a direção do processo de transferência, os limites do fluxo do processo e a magnitude da força motriz do processo.
2.2 Fenômenos de transferência
Qualquer processo de tecnologia química é condicionado pela transferência de um ou vários tipos de substância: massa, momento, energia. Consideraremos os mecanismos de transferência de substâncias, as condições sob as quais a transferência é realizada, bem como as equações de transferência para cada tipo de substância.
Mecanismos de transferência
Existem três mecanismos de transferência de substâncias: molecular, convectivo e turbulento. A transferência de energia pode ser realizada, além disso, devido à radiação.
Mecanismo molecular. O mecanismo molecular de transferência de substâncias é devido ao movimento térmico de moléculas ou outras partículas microscópicas (íons em eletrólitos e cristais, elétrons em metais).
mecanismo convectivo. O mecanismo convectivo de transferência de substância é devido ao movimento de volumes macroscópicos do meio como um todo. O conjunto de valores de uma quantidade física, definido de forma única em cada ponto de uma determinada parte do espaço, é chamado de campo de uma determinada quantidade (o campo de densidade, concentrações, pressões, velocidades, temperaturas, etc.).
O movimento de volumes macroscópicos do meio leva à transferência de massa com, impulso com e energia cE volume unitário ( com - densidade ou massa de uma unidade de volume, cW- momento da unidade de volume, comEé a energia de uma unidade de volume).
Dependendo das causas do movimento convectivo, a convecção livre e forçada são distinguidas. A transferência de uma substância em condições de convecção livre se deve à diferença de densidades em vários pontos do volume do meio devido à diferença de temperaturas nesses pontos. A convecção forçada ocorre quando todo o volume do meio é forçado a se mover (por exemplo, por uma bomba ou se for misturado com um agitador).
Mecanismo turbulento. O mecanismo de transporte turbulento ocupa um lugar intermediário entre os mecanismos molecular e convectivo em termos de escala espaço-temporal. O movimento turbulento ocorre apenas sob certas condições de movimento convectivo: distância suficiente do limite de fase e não homogeneidade do campo de velocidade.
Em baixas velocidades de movimento do meio (gás ou líquido) em relação ao limite de fase, suas camadas se movem regularmente, paralelas umas às outras. Tal movimento é chamado laminar. Se a não homogeneidade da velocidade e a distância do limite de fase exceder um determinado valor, a estabilidade do movimento é violada. Desenvolve-se um movimento caótico irregular de volumes individuais do meio (vórtices). Tal movimento é chamado turbulento.
Os primeiros estudos dos modos de movimento foram realizados em 1883 pelo físico inglês O. Reynolds, que estudou o movimento da água em um cano. Durante o movimento laminar, uma fina corrente tingida não se misturou com a massa principal do líquido em movimento e teve uma trajetória retilínea. Com o aumento da vazão ou do diâmetro do tubo, o gotejamento adquire um movimento ondulatório, o que indica a ocorrência de distúrbios. Com um aumento adicional nos parâmetros acima, o gotejamento se misturou com a maior parte do líquido e o indicador colorido ficou borrado em toda a seção transversal do tubo.
Aqui é usado o conceito de escala de turbulência, que determina o tamanho dos vórtices. Ao contrário, por exemplo, das moléculas, os vórtices não são formações estáveis claramente limitadas no espaço. Eles nascem, se dividem em vórtices menores e decaem com a transição de energia para calor (dissipação de energia). Portanto, a escala de turbulência é um valor estatístico médio. Várias abordagens para a descrição do movimento turbulento são possíveis.
Uma das abordagens consiste na média temporal dos valores das grandezas físicas (velocidades, concentrações, temperaturas) em intervalos que excedem significativamente os períodos característicos de flutuações mesmo de vórtices de grande escala.
3. Leis do equilíbrio termodinâmico
Se o sistema está em estado de equilíbrio, não são observadas manifestações macroscópicas de transferência de substância. Apesar do movimento térmico das moléculas, cada uma das quais transfere massa, momento e energia, não há fluxos macroscópicos de substância devido à equiprobabilidade de transferência em cada direção.
O equilíbrio em um sistema monofásico, não sujeito a forças externas, é estabelecido com a igualdade de valores em cada ponto no espaço de grandezas macroscópicas que caracterizam as propriedades do sistema: velocidade -
(x,y,z,t) = const;
temperatura - T(x,y,z,t) = const; potenciais químicos dos componentes
- m eu(x,y,z,t) = const.
É possível distinguir separadamente as condições de equilíbrio hidromecânico, térmico e de concentração.
Equilíbrio hidromecânico:
Equilíbrio térmico (térmico):
T=const;
Equilíbrio de concentração:
meu= const,
Aqui está o operador diferencial nabla
A condição para a manifestação dos processos de transferência e o surgimento de fluxos macroscópicos de massa, momento e energia é o não equilíbrio do sistema. A direção dos processos de transferência é determinada pela aspiração espontânea do sistema a um estado de equilíbrio, ou seja, processos de transferência levam à equalização da velocidade, temperatura e potenciais químicos dos componentes do sistema. As não homogeneidades dessas quantidades são condições necessárias para o fluxo dos processos de transferência e são chamadas de Forças dirigentes.
Para realizar o processo, é necessário trazer o sistema para fora do equilíbrio, ou seja, influência de fora. Isso é possível devido ao fornecimento de massa ou energia ao sistema ou a ação de forças externas. Por exemplo, a sedimentação ocorre no campo de gravidade, a evaporação ocorre quando o calor é fornecido e a absorção ocorre quando um absorvedor é introduzido no sistema.
Equações de transporte
Fluxo de substâncias- a quantidade de substância transferida por unidade de tempo através de uma unidade de superfície.
Transferência de massa
mecanismo convectivo. O fluxo de massa devido ao mecanismo convectivo está relacionado com a velocidade convectiva pela seguinte relação
[kg/m 2 s] (2)
Muitas vezes é mais conveniente usar o fluxo de matéria em vez de massa
[kmol/m 2 s] (3)
aqui m eu- massa molar do componente eu[kg/kmol], c eu- concentração molar [kmol / m 3].
Mecanismo molecular. A principal lei do mecanismo molecular de transferência de massa é a primeira lei de Fick, que para um sistema de dois componentes tem a forma:
, n=2 (4)
Onde D eu j- coeficiente de difusão binária (mútua) ( D eu j= D ji) .
Mecanismo turbulento. A transferência de massa turbulenta pode ser considerada por analogia com a transferência molecular como consequência do movimento caótico dos vórtices. O coeficiente de difusão turbulenta é introduzido D t, que depende tanto das propriedades do meio, quanto da heterogeneidade da velocidade e da distância da superfície interfacial.
. (5)
A razão dos coeficientes de difusão turbulenta e molecular na região próxima à parede atinge D t/D eu ~ 10 2 - 10 5 .
Transferencia de energia
A energia do sistema pode ser subdividida: microscópica e macroscópica. A microscópica, que é uma medida da energia interna das próprias moléculas, seu movimento térmico e interação, é chamada de energia interna do sistema. você). A energia macroscópica é a soma da energia cinética ( E k), devido ao movimento convectivo do meio, e a energia potencial do sistema no campo de forças externas ( E P). Assim, a energia total do sistema por unidade de massa pode ser representada como
E" = U" + E" k+E" P[J/kg] (6)
O primo significa que a energia é por unidade de massa.
A energia pode ser transferida na forma de calor ou trabalho. O calor é uma forma de transferência de energia no nível microscópico, o trabalho está no nível macroscópico.
mecanismo convectivo. O fluxo de energia transportado pelo mecanismo convectivo tem a forma
[J/m2s] = [W/m2] (7)
Esta é a quantidade de energia transferida por um volume macroscópico em movimento por unidade de tempo através de uma unidade de superfície.
Mecanismo molecular. O mecanismo molecular realiza a transferência de energia no nível microscópico, ou seja, na forma de calor. O fluxo de calor devido ao mecanismo molecular em condições de equilíbrio mecânico e de concentração pode ser representado como
, (8)
onde é o coeficiente de condutividade térmica molecular [W/mK].
Essa equação é chamada Lei de Fourier.
Mecanismo turbulento. A transferência de energia turbulenta pode ser considerada por analogia com a transferência de energia molecular, introduzindo o coeficiente de condutividade térmica turbulenta
t (9)
Como o coeficiente de difusão turbulenta t será determinado pelas propriedades do sistema e o modo de movimento. O fluxo total de energia no referencial do laboratório pode ser escrito
.
4. Transferência de impulso
transporte convectivo. Considere o caso em que o meio se move com alguma velocidade convectiva C x na direção do eixo X. Neste caso, o momento ou momento de uma unidade de volume será igual a C x. Então a quantidade de movimento C x, transferido devido ao mecanismo convectivo na direção do eixo X por unidade de tempo através de uma unidade de superfície será igual a
= [Pa] (10)
X, transferido por unidade de tempo através de uma superfície unitária ao longo do eixo Y, será igual a
(11)
Da mesma forma, a transferência de momento em todas as direções fornece 9 componentes do tensor de fluxo de momento convectivo,
(12)
(13)
Transferência molecular. Quantidade de movimento direcionado ao longo do eixo X, (C x), transferido ao longo do eixo S por unidade de tempo através de uma superfície unitária devido ao mecanismo molecular, pode ser representado como
(14)
Onde m[Pa s] e [m2/s] são os coeficientes de viscosidade molecular dinâmica e cinemática, respectivamente. Essa equação é chamada Lei da viscosidade de Newton. Se os coeficientes de viscosidade não dependem do valor da derivada C x/ y, ou seja vício xy a partir de C x/ y linear, o meio é chamado newtoniano. Se esta condição não for atendida - não newtoniana. Estes últimos incluem polímeros, pastas, suspensões e vários outros materiais usados na indústria.
transporte turbulento. A transferência de momento devido ao mecanismo turbulento pode ser considerada por analogia com o mecanismo molecular.
(15)
Onde m t e t- coeficientes dinâmicos e cinemáticos de viscosidade turbulenta, determinados pelas propriedades do meio e o modo de movimento t~D t.
O fluxo de momento total pode ser escrito
(16),
onde é o tensor de tensão viscosa cujos elementos incluem transferência de momento molecular e turbulenta
(17).
Assim, as equações de transferência de massa, energia e momento são consideradas. É fácil verificar a analogia dessas equações. O fluxo convectivo representa o produto da substância transferida em uma unidade de volume (com,E", com) à velocidade convectiva. Fluxos devido a mecanismos moleculares ou turbulentos é o produto do coeficiente de transporte correspondente (D, m, m t) à força motriz do processo. Essa analogia torna possível usar os resultados do estudo de alguns processos para descrever outros.
Literatura principal
1. Dytnersky Yu.I. Processos e aparelhos de tecnologia química. Moscou: Química, 2002. Vol. 1-400 p. T.2-368 p.
2. Kasatkin A.G. Processos e aparelhos básicos de tecnologia química. 9ª edição. Moscou: Química, 1973. 750 p.
3. Pavlov K.F., Romankov P.G., Noskov A.A. Exemplos e tarefas no decorrer de processos e aparelhos de tecnologia química. L.: Química, 1987. 576 pág.
4. Razinov A.I., Dyakonov G.S. fenômenos de transferência. Kazan, editora de KSTU, 2002. 136 p.
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Prefácio
Introdução
1. O assunto da tecnologia química e os objetivos do curso
2. Classificação de processos
3. Cálculos de materiais e energia
Conceitos gerais de equilíbrio material. Saída. Atuação. A intensidade dos processos de produção. Equilíbrio energético. Potência e eficiência.
4. Dimensão das quantidades físicas
PARTE UM. PROCESSOS HIDRODINÂMICOS
Capítulo um. Fundamentos de hidraulica
A. Hidrostática)
