Классификация процессов по организационно-техническому принципу.

· Периодические процессы протекают с изменением технологической переменной во времени

А+В=С

Процесс происходит последовательно:

1 загрузка,

2 обработка,

3 выгрузка,

4 очистка

 

1 – 4 цикл периодического

τ процесса

 

Все материальные и тепловые балансы для периодических процессов рассчитываются на одну операцию.

· Непрерывные процессы характеризуются отсутствием изменения технологической переменной во времени в данной точке пространства.

Выгоднее, чем периодический, т.к. он обеспечивает более высокую производительность, постоянство качества продукта, возможность автоматизации процесса.

 

τ

· Стационарный процесс – процесс, в котором параметры состояния остаются неизменными во времени в данной точке пространства. Примером стационарного процесса является непрерывный процесс.

· Нестационарный процесс – изменение технологической переменной во времени.

Классификация непрерывно действующих аппаратов.

Основные типы:

1. Аппараты вытеснения.

Теплообменник «труба в трубе»

Материальный поток от начала к концу, поршневой процесс движения.

∆t_ср – средняя движущая сила процесса.

¨ Если , то берется среднее арифметическое ;

¨ Если , то берется среднее логарифмическое

2. Аппараты смешения.

 

 

Скорость в аппаратах вытеснения выше, чем в емкостном аппарате смешения.

Чтобы приблизить по эффективности аппараты смешения к аппаратам вытеснения их устанавливают каскадом

Гидромеханические процессы.

Большинство химико-технологических процессов (ХТП) связано с движением жидкости или газов, перемещением, разделением неоднородных смесей путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования и т.д.

Скорость всех этих процессов определяется законами гидромеханики: гидростатики и гидродинамики.

Гидростатика изучает законы равновесия в состоянии покоя.

Гидродинамика изучает законы движения жидкостей и газов. Гидродинамика оказывает значительное влияние на скорость процессов тепло- и массопередачи.

Понятия и определения.

Жидкость – собственно жидкость, газы и пары. При выводе основных законов вводят понятие идеальной жидкости. Предполагается, что идеальная жидкость (далее и.ж.) абсолютно не сжимаема, не изменяет плотности при изменении внешних условий, не обладает вязкостью.

Реальные жидкости: капельные и упругие.

Капельные – собственно жидкости. Практически не сжимаемы, не изменяют объема при нагревании.

Упругие – газы и пары – существенно меняют плотность и объем при изменении внешних условий.

Некоторые физические свойства жидкостей.

1.Плотность

[ρ]=[кг/м³]
2.Уднльный вес – вес единицы объема

[γ]=[Н/м³]

3.

Плотность любого газа:

Как правило имеем дело со смесью газов. ρ_см находится по правилу аддитивности:

ρ_см=ρ₁y₁+ρ₂y₂+……………………………

y_i – мольная доля

ЛЕКЦИЯ 3.

Вязкость.

При движении реальных жидкостей или газов в них возникают силы внутреннего трения, которые оказывают сопротивление движению потока. Свойство жидкости или газа оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение частиц, называется вязкость.

Материальный поток в виде жидкости или газа движется слоями:

 

 

За счет разности скоростей движения слоев возникает касательная сила, которую нужно приложить, чтобы относительно сдвинуть эти слои.

Величина Т пропорциональна поверхности контакта слоев F и отношению приращения величины скорости к расстоянию между слоями.

μ – коэффициент пропорциональности – динамический коэффициент вязкости (динамическая вязкость).

Сила сопротивления сдвигу – напряжение внутреннего трения.

Напряжение внутреннего трения, возникающие между слоями жидкости, пропорционально градиенту скорости.

В системе единиц СГС вязкость измеряется в пуазах (П) или сантипуазах (сП). Единица динамической вязкости в системе СИ в Па·с. Пересчетная формула: 1 Па·с = 10³ сП.

Динамическая вязкость – справочная величина.

Кинематическая вязкость n связана с динамической вязкостью соотношением:

В системе СГС единица кинематической вязкости 1 стокс (ст), в системе СИ 1 м²/с; пересчетная формула: 1 м²/с = 10⁴ ст.

Вязкость зависит от температуры, причем, для капельных жидкостей повышение температуры приводит к снижению вязкости, для газов при повышении температуры вязкость возрастает.

Те жидкости, которые подчиняются закону Ньютона, называются ньютоновскими.

Вязкость газов на практике – вязкость смеси.

,

 

где m1,m2 … mn -	вязкость компонентов смеси, Па·с;
mсм -	вязкость смеси газов, Па·с;
М1 ,М2…Мn, Мсм -	молекулярная масса компонентов смеси и самой смеси, кг/кмоль;
у1 , у2 …уn -	объемная или мольная доля компонентов;
Мсм -	молекулярная масса смеси газов, г/моль.

 

Молекулярная масса смеси газов рассчитывается по формуле:

Вязкость газа при любой температуре находится по уравнению Сутерленда.

,

где m0 -	вязкость при нормальных условиях (обычно берется из справочной литературы);
С -	константа Сутерленда
T -	абсолютная температура, К.

Гидростатика.

Давление.

Жидкость оказывает давление на дно и стенки сосуда, в котором она находится, а также на поверхность погруженного в нее тела.

Сила давления будет оказывать влияние по всем трем направлениям и направлена по нормали к площадке, на которую она действует. Давление в любой точке жидкости одинакого по всем направлениям (в противном случае происходило бы перемещение жидкости) и направлено по нормали к площадке, на которую оно действует.

В системе СИ давление измеряется в паскалях (Па).

1 Паскаль (Па) = 1 н/м². В системе МКГСС давление измеряется в кгс/м². Давление можно также выражать в метрах столба жидкости, что связано с методами измерения давления. Пересчетная формула:

,

где р -	давление в паскалях, Па;
r -	плотность жидкости, кг/м3;
g -	ускорение свободного падения, м/с2;
Н -	высота столба жидкости в метрах, м.

Разнообразные единицы давления и формулы для их пересчета приведены в литературе. Приведем наиболее важные расчетные соотношения:

1 атм (физическая) = 1,013 ·10⁵ Па = 10 м вод.ст.=1,033 кгс/см² = 760 мм рт.ст.

1 ат (техническая) = 9,81·10⁴ Па = 10 м вод.ст. = 1кгс/см² = 735 мм рт.ст.

1 мм вод.ст = 9,81 Па; 1 мм рт.ст = 133,3 Па.

1бар=10⁵Па.

 

Наиболее часто давление измеряют дифференциальными манометрами, которые представляют собой U-образную стеклянную трубку, заполненную рабочей жидкостью (вода, спирт, ртуть). Один конец трубки находится внутри аппарата или устройства, а второй открытый конец связан с атмосферой. Рассмотрим две возможные ситуации.

В первом случае, когда столб жидкости в левом колене трубки ниже, чем в правом, в аппарате создается избыточное давление и именно его измеряет манометр. Разность уровней жидкости в левом и правом коленах соответствует разности:

Dр = (р_атм + р_изб) – р_атм = р_изб

Аппарат   ратм – рразр

Аппарат   ратм + ризб

Рат

Рат

Dр = ризб

Dр = рразр

 

Во втором случае столбик жидкости в левом колене выше, чем в правом, р_атм выше, чем давление в аппарате. Тогда

Dр = р_атм - (р_атм - р_разр) = р_разр

Отсюда важный вывод: манометр никогда не показывает истинное (абсолютное) давление в аппарате, а показывает либо избыточное давление (то есть сверх атмосферного), либо разряжение (то есть недостающее до атмосферного давления).

Таким образом, для получения абсолютного давления в аппарате в первом случае к атмосферному добавляется избыточное давление, измеренное манометром, т.е.

р_абс = р_атм + р_изб,

а во втором случае

р_абс = р_атм – р_разр.

Если в условиях задачи приводится избыточное давление, либо разряжение, значит для получения истинного абсолютного давления их необходимо пересчитать.

 

В гидростатике рассматривается равновесие жидкостей, находящихся в покое, при котором в жидкости отсутствует перемещение слоев относительно друг друга. В этом случае жидкости могут быть рассмотрены как идеальные.

Покой бывает: относительный и абсолютный.

Независимо от вида покоя на жидкость действуют сила давления и сила тяжести.

Зависимость между силами, действующими на жидкость, находящуюся в состоянии покоя, и определяющими условия равновесия жидкости, выражается дифференциальными уравнениями Эйлера.

Согласно основному принципу статики, сумма проекций на оси координат всех сил, действующих на элементарный объем жидкости, находящийся в равновесии, равно нулю. В противном случае происходило бы перемещение жидкости.

Ось z:

 

-gdm Аналогично записываем проекции сил по всем осям

Эти уравнения показывают, что давление в покоящейся жидкости изменяется только по вертикали, остальное одинаково в любой точке горизонтальной плоскости; изменение по оси X и Y равны нулю.

Для получения закона распределения давления во всем объеме покоящейся жидкости следует проинтегрировать данную систему уравнений, интегралом которой является основное уравнение гидростатики.

ЛЕКЦИЯ 4.