Лекции по процессам и аппаратам химической технологии
1.Введение. Основные понятия и закономерности дисциплины процессы и аппараты химической технологии. Классификация процессов. Непрерывные и периодические, стационарные и нестационарные процессы. Жидкости и газы. Идеальная жидкость. Силы, действующие в жидкости. Напряжения в жидкостях и газах (тангенциальные и нормальные). Модель непрерывной среды. Понятие физического элементарного объема. Дифференциальная и интегральная форма уравнения неразрывности.
2.Баланс сил при движении вязкой несжимаемой жидкости. Уравнение Навье-Стокса и его физический смысл. Уравнение движения идеальной жидкости Эйлера. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера. Гидростатика. Практические приложения основного уравнения гидростатики.
3.Гидродинамика. Энергетический баланс стационарного движения идеальной жидкости. Уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкости. Его практические приложения (истечение жидкостей, трубка Пито-Прандтля). Принципы измерения скоростей и расходов жидкости дроссельными приборами и пневмометрическими трубками. Определение расходов при истечении жидкостей через отверстия или насадки.
4.Основные понятия гидродинамики. Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр. Гидродинамические режимы движения жидкостей: ламинарный и турбулентный. Опыты Рейнольдса. Число Рейнольдса и его критические значения. Понятие турбулентности. Представления о гидродинамическом пограничном слое при течении по трубам и каналам и при обтекании тел. Распределение скоростей по радиусу трубы постоянного сечения при ламинарном стационарном течении. Уравнение Пуазейля. Эпюры скоростей при ламинарном и турбулентном течении жидкости в трубе.
5.Гидродинамическое сопротивление при течении жидкостей и газов. Расчет потерь на трение (уравнение Дарси-Вейсбаха) и на местные сопротивления. Расчет напора для перемещения жидкостей через систему трубопроводов и аппаратов. Расчет диаметра трубопроводов и аппаратов; выбор скоростей потоков и оптимального диаметра трубопроводов.
6.Элементы теории подобия в гидродинамике. Подобное преобразование уравнения Навье-Стокса. Безразмерные переменные - критерии гидродинамического подобия (Эйлера, Рейнольдса, Фруда, гомохронности), их физический смысл. Критериальное уравнение движения вязкой жидкости.
7.Насосы. Основные параметры работы насосов: производительность, напор, мощность, кпд. Расчет напора насоса. Определение допустимой высоты всасывания. Явление кавитации и его предотвращение. Характеристики центробежных и плунжерных насосов. Работа центробежных насосов на гидравлическую сеть.
8.Классификация насосов. Объемные и динамические насосы. Расчет производительности поршневых насосв простого и двойного действия. Схемы, изображения, достоинства и недостатки следующих насосов: поршневого, плунжерного, диафрагмового (мембранного), шестеренчатого, центробежного, осевого, а также монтежю.
9.Общие вопросы теплопередачи. Уравнение теплового баланса без изменения и при изменении агрегатного состояния. Закон Фурье.
10.Потенциал переноса. Уравнение Фурье-Кирхгофа. Элементы теории подобия в теплообмене.
11.Теплопроводность через плоские и цилиндрические стенки. Коэффициенты теплопроводности газов, жидкостей, твердых тел. Перенос тепла излучением. Лучеиспускание газов. Расчет толщины тепловой изоляции.
12.Теплопередача в поверхностных теплообменниках. Аддитивность термических сопротивлений.
13.Расчет коэффициентов теплоотдачи в процессах теплообмена без изменения и с изменением агрегатного состояния.
14.Расчет средней движущей силы процесса теплопередачи. Влияние взаимного направления движения теплоносителей на движущую силу теплопередачи.
15.Промышленные теплоносители: дымовые газы, водяной пар, пары высокотемпературных органических теплоносителей, вода, минеральные масла, высокотемпературные органические теплоносители. Нагрев электрическим током. Теплоносители для охлаждения (хладагенты): воздух, вода, холодильные рассолы, аммиак, фреоны (хладоны).
16.Теплообменные аппараты химических производств. Кожухотрубчатые теплообменники. Пластинчатые теплообменники. Двухтрубные теплообменники. Оросительные теплообменники. Погружные теплообменники. Оребрённые
теплообменники. Спиральные теплообменники. Аппараты с двойными стенками
(рубашками). |
Блочные |
теплообменники. |
Градирни. |
Регенеративные |
теплообменники. |
|
|
|
|
|
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ |
||
Время – |
|
t, с |
|
Координаты – |
x, y, z |
||
Нормаль- |
|
|
|
Длина- |
|
l |
(L) , м |
Ширина- |
|
b, м |
|
Высота- |
|
h, м |
|
Радиус- |
|
r (R) , м |
|
Диаметр- |
|
d (D) , м |
|
Толщина - |
|
δ , м |
|
Сечение (потока, трубопровода, колонны) – S, м2 |
|||
Поверхность (т/п; м/п) – |
A, м2 |
||
Объем- |
|
Ѵ, м3 |
|
удельный объем - |
v, м |
||
Скорость: |
локальная |
u, м/с |
|
|
cредняя |
, м/с |
|
Масса- |
|
m, кг |
|
Молярная масса- |
M, кг/кмоль |
||
Сила- |
|
F, н |
|
Ускорение – |
a; g , м/с2 |
||
Напряжения: |
|
|
|
нормальные- |
τn , н/м2 |
||
касательные- |
τS, н/м2 |
||
Плотность – |
, кг/м3 |
||
Вязкость: |
кинематическая – |
, м2/с |
|
|
динамическая – |
|
µ, Па с |
Давление – |
|
p, P, Па |
|
Температура – |
T (K,oC) |
||
Энтальпия – |
H, Дж |
||
Теплоемкость- |
сP, сV, Дж/(кг К) |
||
Энергия – |
E, Дж |
|
|||||||||
Работа - |
W (над окружающей средой |
-W) |
|||||||||
Мощность - |
N, Вт |
|
|||||||||
Потоки (расходы): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- массовый |
̇[кг/с] |
|
|||||||||
- мольный (молярный-) |
̇[кмоль/с] |
|
|||||||||
- объемный- |
|
̇ |
|
|
|
||||||
[м /с] |
|
||||||||||
Межфазные потоки (или между теплоносителями) |
|
||||||||||
- тепловой |
̇[Вт] |
|
|||||||||
- массовый |
|
|
[кг/с] , [кмоль/с] |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- плотность потока (на единицу поверхности) |
|
||||||||||
|
[кг/(м с)] |
|
|||||||||
|
|
[кмоль/(м с)] |
|
||||||||
|
[Вт/(м )] |
|
|||||||||
Концентрации |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- мольные доли |
|
x, y |
|
||||||||
- массовые доли- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x, у |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
-относительные- |
|
X ,Y ; X ,Y |
|
||||||||
Коэффициенты: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- полезного действия – |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
- трения - |
λ |
|
|
|
|
|
|
|
|||
- сопротивления |
(дзета) |
|
|||||||||
- теплопроводности- |
λ Т |
|
|
|
|
|
|
|
|||
-температуропроводности - a
-теплопередачи/теплоотдачи –К /α1, α2
-массопередачи/массоотдачи – Ky,Kx / x, y
ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КУРСА
«ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ» УРАВНЕНИЕ НЕРАЗРЫВНОСТИ
В курсе «Процессы и аппараты химической технологии» изучаются физико-
химическая сущность и теория процессов, характерных для всех отраслей химической технологии, а также принципы устройства и инженерные методы расчета аппаратов,
предназначенных для проведения химико-технологических процессов.
На основе данных, полученных в результате изучения естественных процессов и учета достижений науки и техники, разрабатываются и реализуются многочисленные промышленные процессы с целью переработки сырьевых продуктов природы в средства производства и предметы потребления. Такие процессы называются технологическими.
Овладение наукой о процессах и аппаратах позволяет решать следующие задачи инженерной химии.
1.При эксплуатации действующих производств выбирать наилучшие технологические режимы, повышать производительность аппаратов и качество продукции, решать экологические вопросы.
2.При проектировании новых производств разрабатывать высокоэффективные и малоотходные технологические схемы и выбирать наиболее рациональные типы аппаратов.
Процессы химической технологии разделяют в зависимости от закономерностей,
характеризующих их протекание, на пять основных групп.
Первая группа – гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики. К ним относятся осаждение взвешенных в жидкой или газообразной среде частиц под действием силы тяжести, центробежной силы или сил электрического поля, фильтрование жидкостей или газов через пористые перегородки или слой зернистого материала под действием разности давлений, перемешивание в жидкой среде, псевдоожижение твердого зернистого материала.
Вторая группа – тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи. В эту группу входят процессы нагревания, охлаждения, конденсации и выпаривания.
1