Классификация основных процессов и аппаратов

Предмет и задачи курса

 

Абсолютно все вещества, получаемые в химической промышленности, производятся в результате проведения тех или иных технологических процессов. Технологическим процессом называется процесс переработки сырья в предмет потребления или средства производства путём физико-химических изменений данного вещества.

В химической технологии существует большое разнообразие технологических процессов, которые можно определить в определённые группы и рассмотреть общее начало, лежащее в основе процессов каждой группы. Их можно назвать одинаковыми или типовыми для различных производств. Таким образом, изучение закономерностей протекания данных процессов и составляет основную задачу курса ПАХП, которая лежит в основе расчётов и конструирования аппаратов, в которых эти процессы происходят.

Так, как многие процессы можно обобщить, т.е. назвать основными, аналогично, машины и аппараты, обслуживающие протекание процесса, можно назвать основными (типовыми), в основе методики расчёта которых лежат основные фундаментальные законы физики, химии, термодинамики и др. наук. Т.е. аппарат - это устройство, служащее для осуществления конкретного технологического процесса.

 

 

Управляющие потоки

 

	Входные потоки				Выходные потоки

 

 

 

 

 

Управляющие потоки - катализаторы, подвод тепла и др. которые значительно интенсифицируют ТХ процесс.

Основным параметром работы аппарата является производительность Q по исходному (перерабатываемому) сырью или по готовому (полученному) продукту.

 

Q_m = m/t, (кг/ч) - массовая

 

Q_v = V\t, (м³/ч) – объёмная

 

Классификация гетерогенных систем

 

Существует два вида систем:

Гомогенная - состоящая из одной фазы, т.е. газовой, жидкой или газообразной (химические и физические свойства одинаковы). Может быть многокомпонентной. Двухкомпонентные смеси называются бинарными.

Гетерогенная - состоит из двух и более фаз, т.е. из фазы, преобладающей в системе по количеству (дисперсионная среда), и фазы, содержащейся в системе в меньшем количестве (дисперсная среда).

Двухфазные системы могут быть следующих типов:

Г + Ж (газ + жидкость) - аэрозоли, туман, пена - образуются на поверхности жидкости пузырями газа, всплывшими в жидкости.

Ж + Г - пена или барботаш - образуется под действием архимедовой силы.

Г + Т - пыли, дымы, мелкие твердые частицы размером 0,30-70 мкм.

Ж + Т - суспензии (грубые > 100 мкм, тонкие - 0,50-100 мкм, мути < 0,50 мкм, коллоидные растворы - размеры молекул).

Грубые - молотый кофе

Тонкие - масляная краска

Мути - чернила

Коллоидный раствор - раствор желатина

Ж + Ж - эмульсии, состоящие из дисперсной жидкой системы и капелек жидкости, нерастворимых друг в друге. Обладают качеством инверсии или обращения фаз.

 

Гидромеханические процессы

 

1.Основы гидравлики

Все гидромеханические процессы основаны на использовании законов гидравлики.

Гидравлика - наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и газов и разрабатывающая методы практического применения этих законов в технике. Гидравлика делится на гидростатику и гидродинамику. Гидростатика описывает законы равновесия жидкостей, гидродинамика изучает законы движения жидкостей.

 

2. Классификация жидкостей и газов.

В зависимости от поведения жидкостей и газов под действием давлений и касательных напряжений принята следующая классификация:

1). Капельные (несжимаемые жидкости), которые не изменяют свой объем с увеличением давления (вода, масла, эмульсии, суспензии).

2). Упругие (сжимаемые) - газы, изменяют свой объем при увеличении давления и уменьшением температуры. Это видно из уравнения состояния идеального газа Менделеева - Клапейрона:

 

P*V = (m/M)*RT

 

В зависимости от поведения при движении все жидкости разделяются на три класса: идеальные, вязкие, неньютоновские.

Идеальные - у которых при движении не возникают силы внутреннего трения, т.е. отсутствует касательное напряжение. Это позволяет упрощать законы движения жидкостей.

 

Основной закон гидростатики

 

На жидкость, находящуюся в неподвижном сосуде действует сила тяжести. Выделим в жидкости элементарную площадку на глубине Z от межфазной поверхности и построим параллелепипед. Тогда на верхнюю его площадку будет действовать давление газа Р0. Сила давления газа будет равна dP = Po dF На нижнюю площадку кроме того будет действовать еще и вес находящийся над площадкой dF жидкости, равной:

Определяет распределение давления в покоящейся жидкости, которая всегда действует по нормали к выделенной площадке по направлению внутрь.

 

 

P₀

 

Z

 

ddddddF

 

 

dmg = ρg dV

Общая сила, действующая на нижнюю площадку, равна:

dP = P_odF + ρg dV

Очевидно, что V столба жидкости равен:

dV = dF Z, тогда давление жидкости на глубине Z, определяется как:

р = dP/dF = P_o + ρg Z (*)

Уравнение (*) выражает основной закон гидростатики: давление в любой точке покоящейся жидкости равно сумме внешнего давления на свободной межфазной поверхности и веса столба жидкости над данной точкой. Если разделить все члены уравнения (*) на ρg - удельный вес, то получим:

ρ/ ρg = Р_о/ ρg + Z, где

Z-геометрическая высота

Р_о/ ρg – пьезометрическая высота.

Пьезометрический напор – высота столбца жидкости, которая создает в данной точке жидкости давление, равное Р. Значит, давление можно измерять в единицах высоты столбца жидкости.

Давление в жидкостях определяется с помощью приборов, называемых манометрами.

 

Ризб.= Р - Ратм. Р + ph0g = Ратм * pрт hg, отсюда Ризб = g(pРтh - ph0), где pРт - это плотность ртути, p - плотность жидкости в сосуде. Если давление на свободной поверхности жидкости Р0 изменить на величину ΔP0, то на основании уравнения (*), получим: P = p0 + pqh + Δp0 (1)

Простейшим является U-образная трубка, заполненная ртутью.

Следовательно, на эту величину изменяется давление в любой точке покоящейся жидкости; это уравнение выражает закон Паскаля: давление на поверхность жидкости, покоящееся в состоянии равновесия, передается без изменения величины одинаково по всем направлениям.

P₂

P1

 

1, 2 - цилиндры;

3, 4 - поршни (плунжеры);

5 - соединительный канал.

 

Сила давления, действующая на малый плунжер, создает давление р в жидкости, находящейся в цилиндре 2.

 

Давление создается торцевой поверхностью плунжера малого диаметра:

р=Р₁/F₁,

где F₁=πd²/4 - площадь поперечного сечения плунжера

Это давление, согласно закону Паскаля, передается на трубке 5 в цилиндр 1 и действует на торец плунжера 3 с помощью поперечного сечения F₂=πD²/4.

Сила, с которой плунжер 3 действует на изделие, находится следующим образом:

Р₂ = рF₂ = P₁F₂/F₁ = P₁ *D₂²/d₂²

Таким образом, сила прессования в жидкости прямо пропорциональна отношению D²/d₂ и может достигать очень высоких значений.

 

Гидродинамика. Основные понятия

Режимы движения жидкости

 

Существует два режима течения:

1. Ламинарный

2. Турбулентный

Различные течения можно проследить, если ввести в поток струйку подкрашенной жидкости (англ. ученый Рейнольдс).

Многочисленные опыты показали, что при небольших скоростях жидкости, частицы ее движутся параллельными слоями, не перемешиваясь один с другим. Это ламинарный режим.

При дальнейшем увеличении движения скорости частицы увеличиваются, и частицы начинают двигаться беспорядочно, причем эти направления все время изменяются, т.е. наступает турбулентный режим.

И Рейнольдс установил, что тот или иной режим течения можно охарактеризовать безразмерной зависимостью между скоростью движения жидкости, диаметром трубы, вязкостью и плотностью.

 

Re=Vdp/M - критерий Рейнольдса

 

Переход от ламинарного к турбулентному режиму происходит при критическом значении Re, которое равно Reкр = 2320.

Re<Re - ламинарный;

Re>Reкр - турбулентный;

Re>10⁴ - развитый турбулентный режим.

 

Параметры потоков жидкости

 

Движение жидкости характеризуется определенными кинематическими и геометрическими переменными величинами и постоянными геометрическими параметрами.

Основная кинематическая величина движения жидкости - ее скорость;

Скорость движения является функцией координат пространства и времени.

Различают два вида движения жидкости: стационарное и нестационарное.

Стационарным называется такое движение жидкости, при котором скорость изменяется только в пространстве, но постоянна во времени.

Нестационарное движение - при котором скорость изменяется в пространстве и во времени.

Нестационарное движение имеет место в периодических процессах, а стационарное - в непрерывных.

Геометрическими характеристиками движения жидкости являются линии тока.

Линия тока - это касательная, проведенная к векторам скорости, соответствующим различным положениям движущейся частицы жидкости в пространстве.

Линией тока будет М1 М4, вдоль которой движутся частицы жидкости при стационарном движении.

 

 

U₁

U₂

U₃

M₂ M₃ U₄

M₁ M₄

 

 

Совокупность линий тока образует элементарную струйку, которая ограничена замкнутой поверхностью.

 

U

 

 

Элементарная струйка

dF

 

Совокупность элементарных струек образует поток жидкости.

 

2 F₂ U₂

F1

1

F 2

Поток жидкости

 

Одним из геометрических параметров потока жидкости служит площадь живого сечения, т.е. площадь поперечного сечения потока, проведенного нормалью к линиям тока (F1 и F2).

Другой геометрический параметр потока - гидравлический радиус Rr - отношение площади живого сечения потока к его смоченному периметру П, которым является линия соприкосновения живого сечения с твердыми стенками, ограничивающими поток:

Rr=F/П

 

Для течения в круглой трубе: Rr = d/4,

Rr = вН/(в + 2Н),

где в - ширина канала, Н - высота жидкости.

 

Для течения жидкости в аппаратах некруглого сечения вводят понятие эквивалентного диаметра:

d_экв = 4R_r = 4F/П,

здесь d - диаметр трубы.

 

Уравнение неразрывности

 

Уравнение неразрывности является гидравлической интерпретацией закона сохранения материи.

Введем понятие о расходе жидкости, которым называется количество жидкости, протекающей в единицу времени через данное живое сечение потока.

Различают массовый и объемный расход жидкости.

 

Массовый расход - это масса жидкости, протекающая в единицу времени:

q_m = m/t кг/с.

 

Объемный расход - объем жидкости, протекающий в единицу времени:

q_v = V/t м³/с

 

Так как m = V, то q_m = q_v.

 

Скорость в разных точках живого сечения потока различны по величине, поэтому вводят понятие о средней скорости потока.

 

Средняя скорость потока - это такая фиктивная, постоянная по всему живому сечению, скорость, при которой через него протекает такой же объемный расход жидкости, как и при реальном распределении скоростей. Средняя скорость равна:

 

V = q_v/F м/с, следовательно q_v = VF.

 

Таким образом, объемный расход несжимаемой жидкости равен произведению средней скорости на площадь живого сечения потока. Согласно закону сохранения массы, количество жидкости, втекающее в сечение 1-1 потока, будет равно количеству жидкости, вытекающему через сечение 2-2, и является величиной постоянной, что можно записать в виде:

 

		qm =ρ1qv1 = ρ2 qv2 или qm =ρ1U1F1 = ρ2U2F2 = const

 

1 2

 

F₁ 2

		F2

 

Это уравнение называется уравнением неразрывности сжимаемой жидкости. Если жидкость несжимаема и =const, то уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости имеет вид: qv = V₁F₁ = V₂F₂ = const (2).

 

Объемный расход несжимаемой жидкости есть величина постоянная и равна произведению средней скорости потока на площадь его живого сечения. Из уравнения (2) следует, что V₁/V₂ = F₂/F₁, т.е. средние скорости обратно пропорциональны отношению площадей живых сечений потока жидкости.

Предмет и задачи курса

 

Абсолютно все вещества, получаемые в химической промышленности, производятся в результате проведения тех или иных технологических процессов. Технологическим процессом называется процесс переработки сырья в предмет потребления или средства производства путём физико-химических изменений данного вещества.

В химической технологии существует большое разнообразие технологических процессов, которые можно определить в определённые группы и рассмотреть общее начало, лежащее в основе процессов каждой группы. Их можно назвать одинаковыми или типовыми для различных производств. Таким образом, изучение закономерностей протекания данных процессов и составляет основную задачу курса ПАХП, которая лежит в основе расчётов и конструирования аппаратов, в которых эти процессы происходят.

Так, как многие процессы можно обобщить, т.е. назвать основными, аналогично, машины и аппараты, обслуживающие протекание процесса, можно назвать основными (типовыми), в основе методики расчёта которых лежат основные фундаментальные законы физики, химии, термодинамики и др. наук. Т.е. аппарат - это устройство, служащее для осуществления конкретного технологического процесса.

 

 

Управляющие потоки

 

	Входные потоки				Выходные потоки

 

 

 

 

 

Управляющие потоки - катализаторы, подвод тепла и др. которые значительно интенсифицируют ТХ процесс.

Основным параметром работы аппарата является производительность Q по исходному (перерабатываемому) сырью или по готовому (полученному) продукту.

 

Q_m = m/t, (кг/ч) - массовая

 

Q_v = V\t, (м³/ч) – объёмная

 

Классификация основных процессов и аппаратов

 

1) По технологическим признакам:

а). Гидромеханические процессы - подчиняются законам гидродинамики (Эйлера, Навье-Стокса, Бернулли), т.е. связаны с перемещением жидкостей и газов перемешиванием, с разделением неоднородных систем. Это - отстаивание, осаждение, центрифугирование, фильтрование, циклонирование. Движущей силой этих процессов является перепад давлений.

б). Тепловые процессы - определяются законами теплопередачи (Фурье, Кирхгофа, Ньютона). Это нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание различных растворов. Действие их основано на переходе тепла от одного тела к другому. Движущей силой является разность температур (зависит от гидродинамических процессов, т. е. от режима движения, скорости протекания процесса).

в). Массообменные - связанные с переходом вещества из одной фазы в другую путём массопередачи или диффузии. К ним относятся:

* абсорбция - поглощение газов жидкостью

* адсорбция - поглощение газов твёрдыми веществами

* экстракция - извлечение жидкостью вещества из другой жидкости

* ректификация - разгонка многокомпонентной смеси на составляющие компоненты

* сушка.

г) механические - связанные с законами механики твёрдых тел: дробление, транспортировка, гранулирование, сортировка.

 

2) По характеру протекания - организационно-технологической структуре:

а). Периодические - протекают в одном аппарате и все параметры, характеризующие этот процесс, меняются во время его протекания. При периодическом процессе необходимое сырьё загружается в аппарат и выдерживается в течении какого-то времени, затем выгружается готовый продукт. Цикл снова повторяется.

б). Непрерывные - протекают в аппарате при неизменных во времени параметрах. Отдельные стадии непрерывного процесса протекают одновременно, но в различных аппаратах.

 

Непрерывный процесс имеет следующие преимущества:

* возможность автоматизировать процесс

* стабильность качества выпускаемого продукта

* компактность оборудования

* возможность использования замкнутого цикла в производстве

* уменьшение эксплуатационных расходов.

 

в). Комбинированный - непрерывный, отдельные стадии которого проводятся периодически, или периодический, отдельные стадии которого проводятся непрерывно.