Основные процессы химической технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донецкий национальный технический университет

Кафедра "Прикладная экология и охрана окружающей среды"

Курс лекций

для студентов заочников

"Основы технологических процессов"

Составил доц. А.В. Булавин

Донецк 2008

Задачей курса "Основы технологических процессов" является изучение основных процессов химической технологии, и методов их расчета, знакомство с конструкциями аппаратов, применяемых в этих процессах.

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, последние могут быть разделены на следующие группы:

Механические процессы, применяемые для переработки твердых материалов и подчиняющиеся законам механики твердого тела. К таким процессам относятся: перемещение материалов, измельчение, классификация (сортировка) материалов по крупности, их дозирование и смешивание.

Гидромеханические процессы, используемые при переработке жидкостей и газов, а также неоднородных систем, состоящих из жидкости и мелкоизмельченных твердых частиц, взвешенных в жидкости (суспензий). Движение жидкостей, газов и суспензий характеризуется законами механики жидких тел гидромеханики. К числу гидромеханических процессов относятся: перемещение жидкостей и газов, перемешивание в жидкой среде, разделение жидких неоднородных систем (отстаивание, фильтрование, центрифугирование), очистка газов от пыли.

Тепловые процессы, связанные с теплообменом, т. е. переходом тепла от одного вещества к другому. К этим процессам относятся: нагревание, охлаждение, процессы, протекающие с изменением агрегатного состояния вещества, -- испарение, конденсация, плавление и затвердевание, а также процессы выпаривания, кристаллизации и получения искусственного холода.

Массообменные процессы, заключающиеся в переходе вещества (массы) из одной фазы в другую путем диффузии. К этой группе относятся следующие процессы перехода веществ: сушка твердых материалов, ректификация и сорбция (поглощение газов жидкостями или твердыми веществами).

Ректификация - разделение системы на отдельные компоненты.

Процессы химической технологии проводятся периодически или непрерывно. В периодическом процессе исходные вещества загружаются в аппарат и реагируют или обрабатываются в нем, после чего полученные продукты выгружают, и аппарат загружают вновь. При этом все стадии процесса протекают во всем объеме аппарата, но условия взаимодействия или обработки веществ внутри аппарата -- температура, давление, концентрация и т. д. -- изменяются во времени. В непрерывном процессе загрузка аппарата и выгрузка производятся непрерывно. При этом все стадии процесса протекают одновременно, но в разных точках объема аппарата, причем в каждой его точке температура, давление и другие параметры процесса остаются неизменными во времени. Применение непрерывных процессов позволяет значительно повысить производительность аппаратуры, облегчает автоматизацию и механизацию производства, и дает возможность улучшить качество и однородность получаемых продуктов. Аппараты непрерывного действия компактнее периодически действующих аппаратов, требуют меньших капитальных затрат и меньших эксплуатационных расходов. Благодаря этим серьезным достоинствам непрерывные процессы вытесняют периодические, которые применяются в настоящее время преимущественно в производствах небольшого масштаба и при разнообразном ассортименте выпускаемой продукции.

Процессы химической технологии связаны с разнообразными физическими и химическими явлениями. Однако большинство этих процессов характеризуется сравнительно ограниченным числом физических законов.

Материальный баланс. По закону сохранения массы, количество веществ, поступающих на переработку (УG_нач.), равно количеству веществ, получаемых в результате переработки (УG_кон), т. е. приход вещества равен расходу. Это можно представить в виде уравнения материального баланса:

УG_нач = УG_кон

Энергетический баланс. По закону сохранения энергии, количество энергии, введенной в процесс, равно количеству ее, полученному в результате проведения процесса, т. е. приход энергии равен расходу ее.

Условие равновесия. Любой процесс протекает до тех пор, пока не установится состояние его равновесия. Так, жидкость перетекает из сосуда с более высоким уровнем ее в сосуд с более низким уровнем до тех пор, пока уровни жидкости в обоих сосудах не сравняются. Тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока температура обоих тел не станет одинаковой. Соль растворяется в воде до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Подобных примеров можно привести бесчисленное множество. Условия равновесия характеризуют так называемую статику процесса и показывают пределы, до которых может протекать данный процесс.

Условия равновесия выражаются разными законами; к ним относятся второй закон термодинамики и законы, характеризующие соотношение между концентрациями компонента в различных фазах системы.

Скорость процесса. Скорость процесса - это производительность, отнесенная к единице длины, массы, объёма. В большинстве случаев скорость процесса пропорциональна движущей силе. Если какая-либо система не находится в состоянии равновесия, то обязательно возникает процесс, стремящийся привести эту систему к равновесию. При этом обычно скорость процесса тем больше, чем больше отклонение системы от состояния равновесия. Отклонение системы от состояния равновесия выражает, таким образом, движущую силу процесса, Следовательно, чем больше движущая сила, тем больше скорость процесса. По мере приближения к равновесию движущая сила и скорость процесса уменьшаются, достигая нуля в состоянии равновесия. Вблизи состояния равновесия скорость процесса весьма мала и продолжает уменьшаться при приближении к равновесию, поэтому для его достижения требуется бесконечно большое время. Однако обычно может быть сравнительно быстро достигнуто состояние, столь близкое к равновесию, что практически его можно рассматривать как равновесное.

Для практических расчетов весьма важно знать скорость процесса в различных его стадиях, или так называемую кинетику процесса. Во многих случаях скорость процесса пропорциональна движущей силе. Такая простая зависимость наблюдается при фильтровании, при передаче тепла путем теплопроводности и конвекции, в процессах массопередачи. В этих случаях уравнение скорости процесса имеет следующий вид:

N/ (Fф) = К Д

где N -- количество вещества или тепла, передаваемое через поверхность за время ф;

К -- коэффициент пропорциональности (коэффициент скорости процесса);

Д -- движущая сила процесса.

В тепловых процессах через F обозначают поверхность теплообмена, т. е. поверхность, через которую передается тепло (стр. 363), в процессах массопередачи F--поверхность соприкосновения фаз.

Левая часть уравнения представляет собой скорость процесса.

Коэффициент скорости процесса К обычно находят из опыта, расчетное определение его в ряде случаев представляет значительные трудности.

1. ГИДРАВЛИКА

При исследовании различных вопросов гидравлики вводят понятие о реально не существующей, идеальной жидкости. Такая жидкость абсолютно несжимаема и не обладает внутренним трением между частицами (вязкостью). В действительности жидкости в той или иной мере сжимаемы и обладают вязкостью; они называются реальными, или вязкими, жидкостями.

Реальные жидкости делятся на собственно жидкости, называемые капельными, и упругие жидкости -- газы, обладающие сжимаемостью, или упругостью, т. е. способные изменять свой объем с изменением давления. Сжимаемость капельных жидкостей крайне незначительна; например, объем воды при увеличении давления от 1 до 100 am уменьшается только на 7гоо первоначальной величины.

Плотность и удельный вес

Масса жидкости, заключенная в единице ее объема, называется плотностью и обозначается через с:

с = m/ V

где m -- масса жидкости, кг; V -- объем жидкости, м³.

Удельным весом называется вес единицы объема жидкости и связан с вязкостью соотношением

г = сg (н/ м³)

Плотность капельных жидкостей незначительно увеличивается с повышением давления и обычно несколько уменьшается с возрастанием температуры. Объем, занимаемый единицей массы тела, называется удельным объемом. Удельный объем является величиной, обратной плотности, т. е. х =1/с

Гидравлика делится на гидростатику и гидродинамику.

Гидростатика изучает покоящиеся жидкости.

Гидростатическое давление

Рст = сgН = гН ,

где Н - высота слоя жидкости, с - ее плотность.

Рст/сg = Нст - статический напор (пъезометрический).

Давление в аппаратах измеряется манометрами, разрежение вакумметрами.

1 (атм) = 760 мм рт.ст = 760 *13,6 = 10330 мм вод.ст =( 10,33 м вод.ст) =

Давление в аппаратах - Ризб. измеряется по отношению к атмосферному:

Рабс = Ратм + Ризб,

Рабс = Ратм - Рвак - остаточное давление - разрежение в аппарате.

Гидродинамика

Гидродинамика изучает перемещение жидкости

Вязкость

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Вязкость - сила внутреннего трения, т.е. сила сцепления между соседними слоями жидкости, препятствующая их взаимному перемещению. По закону Ньютона

Ртр = - м F dW/dl,

где Ртр - сила трения,

F - поверхность,

dW/dl - градиент скорости по нормали, т.е. относительное изменение скорости на единицу расстояния между слоями по направлению, перпендикулярному к направлению течения жидкости.

Входящий в уравнение коэффициент пропорциональности м зависит только от физических свойств жидкости и называется динамическим коэффициентом вязкости, или просто вязкостью.

Получим размерность вязкости в системе единиц СИ:

м = Ртр dl / dW - F = н* м/ м/с*м² = н*с/ м² = Па*с

Часто вязкость выражают в сантипуазах:

1сПз = 0,01 Пз = 10^-3 Па*с

Отношение вязкости к плотности с жидкости называется кинематическим, коэффициентом вязкости, или просто кинематической вязкостью Единица кинематической вязкости -- стокс (cm) равен 1 см²/сек. Единица кинематической вязкости, в 100 раз меньше стокса, называется сантистоксом (сст).

н = м/с

н = (н*с *м ³)/(м² кг) = (кг*м/с²) с *м ³)/(м^{2 *}кг) = м²/с

н = см²/с = Ст

Вязкость капельных жидкостей с повышением температуры уменьшается, вязкость газов увеличивается. Изменение вязкости в зависимости от давления незначительно и обычно не учитывается (исключая область весьма высоких давлений).

Характеристики:

1. Расход жидкости:

Объемный расход - V, м³/с

Массовый расход - G, кг/с

2. Скорость движения жидкости

Объемная скорость

w_об = V/ S - м/с

Массовая скорость

w_мас = G / S = V с/ S

w_мас =w_об с

3 Установившийся поток - скорость и расход в какой-либо точке с течением времени не изменяется.

Кинетическая энергия жидкости, движущейся со скоростью w, определяется по формуле:

Рдин = mw²/2

Уравнение Бернулли

Сумма Е_пот и Е_кин в любом сечении потока идеальной жидкости есть величина постоянная.

Р_ст + Р_геом + Р_дин = const

Р_геом - геометрическое (нивелирное) давление, характеризующее Е_пот жидкости, принятую на высоте Z.

Р_{ст I} + Р_{геом I} + Р_{дин I} = Р_{ст II} + Р_{геом II} + Р_{дин II}

Для реальных жидкостей сумма Р_I всегда меньше суммы Р_II.

? Р_I>?Р_II

Р_{ст I} + Р_{геом I} + Р_{дин I} = Р_{ст II} + Р_{геом II} + Р_{дин II}+ДР

ДР-потеря давления

Разделим каждое слагаемое на сg:

- статический напор (пьезометрический)

-геометрический напор (нивелирный)

-потери напора (м)

-динамический напор (м)

6. Режимы движения вязкой жидкости

При течении жидкости характер, или режим, ее движения может быть ламинарным или турбулентным.

При ламинарном режиме, наблюдающемся при малых скоростях или значительной вязкости жидкости, она движется отдельными параллельными струйками, не смешивающимися друг с другом. Струйки обладают различными скоростями, но скорость каждой струйки постоянна и направлена вдоль оси потока



Рис. 6-10. Распределение скоростей в трубе при различных режимах движения жидкости: а --ламинарное движение; б --турбулентное движение.

При ламинарном движении (рис. 6-10, а) скорость частиц по сечению трубы изменяется по параболе от нуля у стенок трубы до максимума на ее оси. При этом средняя скорость жидкости равна половине максимальной w_ср. =0,5 w_max. Такое распределение скоростей устанавливается на некотором расстоянии от входа жидкости в трубу.

При турбулентном режиме частицы жидкости движутся с большими скоростями в различных направлениях, по пересекающимся путям. Движение носит беспорядочный характер, причем частицы движутся как в осевом, так и в радиальном направлении. В каждой точке потока происходят быстрые изменения скорости во времени -- так называемые пульсации скорости. Однако значения мгновенных скоростей колеблются вокруг некоторой средней скорости.

Но и при турбулентном движении (рис. 6-10,6) в очень тонком граничном слое у стенок трубы движение носит ламинарный характер. Этот слой толщиной 5 называется ламинарным пограничным слоем. В остальной части (ядре) потока, вследствие перемешивания жидкости, распределение скоростей более равномерно, чем при ламинарном движении, причем w_ср. =0,85 w_max.

Два различных режима движения и возможность взаимного перехода одного режима в другой можно наблюдать, пропуская в трубу воду с различными скоростями и вводя по оси трубы тонкую струйку окрашенной жидкости. При малых скоростях движения окрашенная струйка движется в воде, не перемешиваясь с нею. С увеличением скорости воды окрашенная струйка становится колеблющейся и по достижении некоторой критической скорости полностью размывается, окрашивая воду. Резкое изменение течения окрашенной струйки характеризует переход ламинарного режима движения жидкости в турбулентный.

Опыты, проведенные в 1883 г. О. Рейнольдсом, показали, что характер движения жидкости зависит от средней скорости w жидкости, от диаметра d трубы и от кинематической вязкости v жидкости. Переход одного вида движения в другой происходит при определенном значении комплекса перечисленных величин, названного критерием Рейнольдса:

Rе = wd/н

Критерий Рейнольдса является безразмерной величиной, что легко доказать, подставив входящие в него величины в одинаковой системе единиц, например в системе СИ:

Rе=[м/с*м/м²/сек]

На основе соотношений (6-9) и (6-19) могут быть получены различные выражения критерия Рейнольдса, которымипользуются в технических расчетах:

Re = wd/н= wdс/м

Где v -- кинематическая вязкость; р -- плотность; м -- динамическая вязкость.

Из этих выражений следует, что турбулентное движение возникает с увеличением диаметра трубы, скорости движения и плотности жидкости или с уменьшением вязкости жидкости.

Величина Re, соответствующая переходу одного вида движения в другой, называется критическим значением критерия Рейнольдса, причем для прямых труб Re_Kp. ~ 2300. Движение жидкости в прямых трубах при Re < 2300 является устойчивым ламинарным. При Re > 2300 движение турбулентно, однако устойчивый (развитый) турбулентный характер оно приобретает -при Re > 10 000. В пределах Re от 2300 до 10 000 турбулентное движение является недостаточно устойчивым (переходная область).

При движении жидкости в трубах или каналах некруглого сечения в выражение критерия Re вместо диаметра подставляют величину эквивалентного диаметра:

d_экв. =4S/П

где S -- площадь сечения потока;

П -- периметр, смоченный жидкостью.

Движение жидкости по трубопроводам

Размещено на http://www.allbest.ru/

Р₁ = Р₂ +ДР

где ДР - потери давления на трение.

ДР =

Где -л - коэффициент гидродинамического трения.

л = f (Re, е),

где е - относительная шероховатость стенок трубопроводов.

Для ламинарного потока л зависит только от величины Re и определяется по формуле

л = 64/Re

Для турбулентного потока л можно определяется по сложным зависимостям, либо по уже рассчитанным графикам.

Местные сопротивления

1. Потери давления, обусловленные изменением направления потока

2. Потери давления, связанные с изменением сечения

3. Потери давления, обусловленные изменением направления и скорости

а) запарные (регулировочные) приспособления: задвижка, вентиль

б) Приборы КИП: термометр, диафрагма

Таким образом, потери давления на движение по трубопроводам с учетом местных сопротивлений можно выразить так:

ДР =

Теплопередача

Теплопередача - учение о процессах распространения или передачи тепла.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции или лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путем переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передается от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности. Передача тепла лучеиспусканием происходит путем переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен).

Тепловой баланс

Для передачи тепла в любой среде необходима разность температур (движущая сила процесса).

Пусть в аппарате происходит охлаждение горячего теплоносителя от t^гор₁ до от t^гор₂, то количество отданного тепла можно рассчитать по формуле:

Q^гор = G^гор c^гор(t^гор₁ - t^гор₂)

где - G^гор - количество горячего теплоносителя кг (моль)

С -- удельная теплоемкость Дж/кг град (Дж/ моль град).

Удельная теплоемкость -- это количество тепла, сообщаемое единице массы вещества (1 кг, 1 м³, 1 моль) для изменения его температуры на 1°С.

При этом происходит нагрев холодного теплоносителя от t^хол₂ до t^хол₁, то количество отданного тепла можно рассчитать по формуле

Q^хол = G^хол c^хол(t^хол₂ - t^хол₁)

В соответствии с законом сохранения энергии количество тепла отданного горячим теплоносителем равно количеству тепла принятому холодным теплоносителем, т.е.

Q^гор = Q^хол

Однако в реальных процессах часть тепла расходуется на теплообмен с окружающей средой (потери тепла). Тогда

Q^гор = Q^хол + Q^пот

В современных теплообменных аппаратах потери тепла обычно невелики и составляют не более 2--5 %.

При изменении агрегатного состояния вещества (плавление-кристаллизация, испарение-конденсация) изменения температуры не происходит, поэтому количество тепла принятое (отданное) может быть рассчитано по формуле

Q = G r,

где r - теплота испарения(конденсации) Дж/кг (Дж/ моль).

Q = G q,

где q - удельная теплота плавления (кристаллизации) Дж/кг (Дж/ моль).

Рассчитать время для испарения 1 кг льда, взятого при температуре -20 С электрокипятильником мощностью 1 кВт.

1) Количество тепла, затрачиваемого на нагревание льда (с -20 до 0°С):

Q₁=

Q=1

C=2,14 кДж/кг К

Q₁=

2) Количество тепла, затрачиваемого на плавление:

Q₂=G r =

3) Количество тепла, затрачиваемого на нагрев воды:

С=4,19 кДж/кг К

Q₃=

4) Q₄ = G r

r= 2260 кДж/кг

Q₄ =

5) Q=42,8+380,7+419+2260=3102,5 кДж

N=

Уравнение теплопередачи

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т -- температура горячего теплоносителя, a t -- температура холодного теплоносителя, то температурный напор

Д t = T - t

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причем количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному (т. е. тепловая нагрузка аппарата), пропорционально поверхности теплообмена F, температурному напору Д t и времени ф:

Q = kF Д t ф

Здесь k -- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопередачи и представляющий собой количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени при температурнбм напоре, равном единице. Если Q выражено в дж, F в м², ф в сек и Д t в град, то коэффициент теплопередачи имеет размерность

k = Дж/м² сек град =Вт/ м² град

k = f(l,d,c,с,м….)

Он ориентировочно принимается по справочным данным или рассчитывается по сложным зависимостям.

При непрерывных процессах под тепловой нагрузкой Q понимают количество тепла, передаваемое за единицу времени (вт); тогда уравнение (11-8) можно написать в виде:

Q = kF Д t

Уравнение теплопроводности

Если тепло переносится путем теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки Дt_ст = t_ст1- t_ст2 времени ф и обратно пропорционально толщине стенки д:

Q = л F Д t_ст ф/ д

где t_ст1и t_ст2 --температуры поверхностей стенки.

Коэффициент пропорциональности л называется коэффициентом теплопроводности (или просто теплопроводностью) и имеет размерность

л = Дж м/м² сек град =Вт/ м град

Коэффициент теплопроводности представляет собой количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу поверхности при разности температур 1°С на единицу толщины стенки. Этот коэффициент зависит от свойств материала стенки и от ее температуры.

Для непрерывного процесса уравнение можно представить в виде:



Передача тепла через стенку

Плоская стенка

Рассмотрим сложный процесс передачи тепла через плоскую стенку от горячего теплоносителя к холодному. Характер изменения температур показан на рис. 1 В слое горячего теплоносителя температура изменяется от t₁ до t_ст1 по толщине стенки от t_ст1 до t_ст2 и в слое холодного теплоносителя от t_ст2 до t₂

Напишем уравнения передачи тепла конвекцией от горячего теплоносителя к стенке, путем теплопроводности через стенку и конвекцией от стенки к холодному теплоносителю:

-- коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю.

Поверхность теплообмена F равна поверхности стенки и при плоской стенке является постоянной величиной.

При установившемся процессе количества тепла, передаваемые от горячего теплоносителя к стенке (Q₁), через стенку (Q_CT.) и от стенки к холодному теплоносителю (Q₂), должны быть равны между собой, т. е.

Q₁ = Q_CT. = Q₂ = Q

Тогда:

- коэффициент теплопередачи (Вт/м² град)

б₁ и б₂ - коэффициенты теплоотдачи при конвективных процессах

тепловое сопротивление

Если стенка состоит из нескольких слоев толщиной д₁, д₂ д₃ с теплопроводностями л₁, л₂, л₃ то тепловые сопротивления будут равны д₁/ л₁

д₂/ л₂ и д₃/ л₃, а тепловые сопротивления всей стенки составит

Передача тепла при переменной разности температур

При непрерывном процессе теплоносители всегда находятся во взаимном движении, направления которого могут быть различны. Основными видами движения теплоносителей являются прямоток и противоток.



При прямотоке оба теплоносителя движутся вдоль поверхности теплообмена в одном и том же направлении; характер изменения их температур показан на рис. 2а.

При противотоке теплоносители движутся в противоположных направлениях рис. 2 б.

При прямотоке и противотоке средний температурный напор определяется как среднелогарифмическое из значений максимального Д t_мах и минимального Д t _min температурных напоров;

Д t_ср =

Если отношение Д t_мах /Д t _min ?2, то с достаточной точностью (ошибка менее 4%) можно пользоваться среднеарифметическим значением:

Д t_ср = Д t_мах + Д t _min /2

Выбор и расчет теплообменников

Тепловой расчет теплообменников заключается в определении необходимой поверхности теплопередачи, исходя из основного уравнения теплопередачи

F = Q /к Д t_ст

Выпаривание

Выпаривание - процесс повышения концентрации нелетучего или трудно летучего соединения в летучем растворителе путем перехода последнего в парообразное состояние при кипении.

Чтобы процесс выпаривания шел непрерывно необходимо:

- непрерывный подвод тепла;

- непрерывный отвод выделяющихся паров.

Для обогрева выпарных аппаратов применяют чаще всего водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев.

Методы отвода паров:

- выпаривание раствора под атмосферным давлением. Образующийся при этом так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым.

- выпаривание под пониженным давлением (при разрежении). В аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса

- выпаривание веществ, которые разлагаются при повышенных температурах;

- применение теплоносителя с более низких параметров;

- уменьшение размеров аппаратов.

- выпаривание под повышенным давлением. Вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления и т. п., а также для различных технологических нужд.

Материальный баланс выпарного аппарата

Обозначим начальное (до выпарки) и конечное (после выпарки) количество раствора (в кг) через G₁ и G₂, его начальную и конечную концентрацию (в весовых долях) через с₁ и с₂ и количество выпаренной воды (в кг) через W.

Тогда можно написать уравнения материального баланса по всему количеству вещества:

G₁ = G₂ +W

и по растворенному веществу

G₁с₁ = G₂с₂

В приведенные уравнения входят пять величин; три величины должны быть заданы, а остальные две можно определить из этих уравнений. Обычно бывают известны G₁ a₁ и а₂, тогда, решая совместно уравнения (13-5) и (13-6), находим

G₂ = G₁с₁ / с₂

W = G₁- G₂ = G₁(1 - с₁ / с₂)

Уравнение дает возможность определить количество выпаренной воды.

Тепловой баланс выпарного аппарата

Для обогрева выпарных аппаратов чаще всего используется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при повышенной температуре, применяют топочные газы и специальные высокотемпературные теплоносители (например, АМТ-300), и в особых случаях используют электрический обогрев. Составим уравнение теплового баланса выпарного аппарата для выпариваемого раствора:



Приход тепла

Отдается нагревающим агентом

Q_гр.п= G_гр.п i_гр.п

С поступающим раствором G₁с₁ t₁

Расход тепла

С вторичным паром Wi_в.п

С уходящим раствором G₂c₂t₂

Потери в окружающую среду Q_n

С конденсатом вторичного пара G_конд c _кондt _конд

Таким образом

Q_nр = Q_расх

G_гр.п i_гр.п + G₁с₁ t₁ = Wi_в.п + G₂c₂t₂ + G _гр.п c _кондt _конд + Q_n

G_гр.п i_гр.п - G _гр.п c _кондt _конд = Wi_в.п + G₂c₂t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n

где с₁ и с₂--удельные теплоемкости поступающего и уходящего растворов, дж/кг-град;

t₁ и t₂ -- температуры поступающего и уходящего растворов, град;

i_в.п --энтальпия вторичного пара, дж/кг.

Потери тепла принимаются 3-5 % от полезно затрачиваемого тепла , а затем рассчитывается изоляция (0,03-0,05 Q_nр).

G_гр.п = (Wi_в.п + G₂c₂t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n )/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

Рассматривая поступающий раствор как смесь упаренного раствора и испаренной воды, можно написать:

G₁с₁ t₂= G₂c₂t₂+ Wс_в. t₂

откуда

G₂c₂ = G₁с₁ -- Wc_B

где с_в -- удельная теплоемкость воды, дж/кг * град.

Подставляя значение G₂c₂ в уравнение (13-10), получим

G_гр.п = (Wi_в.п + (G₁с₁ -- Wc_B) t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n )/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

G_гр.п = (Wi_в.п + G₁с₁ t₂-- Wc_B t₂ - G₁с₁ t₁ + Q_n )/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

G_гр.п = (W(i_в.п -- c_B t₂)+ G₁с₁ (t₂ - t₁) + Q_n )/ (i_гр.п - c _кондt _конд)

Расчет выпарных аппаратов

Температура кипения растворов

Давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем давление над чистым растворителем. Вследствие этого температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, вода кипит под атмосферным давлением при 100° С, так как давление ее пара при этой температуре равно 1 am; для 30% раствора NaOH давление водяного пара над раствором будет при 100° С ниже 1 am, и раствор закипит при более высокой температуре (117°С), когда давление пара над ним достигнет 1 am. Разность между температурами кипения раствора (t) и чистого растворителя (г)) называется температурной депрессией:

Д t_ДЕПР =t_{раствор} -t_{растворитель}

Температурная депрессия зависит от свойств растворенного вещества и растворителя; она повышается с увеличением концентрации раствора и давления. Определяется температурная, депрессия опытным путем (большинство опытных данных относится к температурной депрессии при атмосферном давлении).

Гидростатическая депрессия Д t" вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой температуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев). Если, например, нагревать при атмосферном давлении воду до температуры кипения в трубе высотой 10 м, то верхний слой воды закипит при температуре 100° С, а нижний слой, находящийся под давлением 2 am, при температуре ~120^оС. В данном случае гидростатическая депрессия изменяется по высоте трубы от 0°С (вверху) до 20° С (внизу) и в среднем составляет 10° С. Расчет гидростатической депрессии в выпарных аппаратах невозможен, так как жидкость в них (в основном в виде парожидкостной смеси) находится в движении. С повышением уровня жидкости в аппарате гидростатическая депрессия возрастает. В среднем она составляет 1--3°С.

Гидравлическая депрессия Д t "' учитывает повышение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара через ловушку и выходной трубопровод. При расчетах Д t "' принимают равной 1 С.

Полная депрессия Дt равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессий:

Дt = Д t ' + Дt" + Д t "'

Температура кипения раствора t определяетсяпо формуле:

t_{раствоитель} =t_{раствоитель}+Дt

Пример 13-1. Определить температуру кипения 40%-ного раствора NaOH при абсолютном давлении 0,196 бар (0,2 am).

Д^'=28°С при атмосферном давлении

Д^'= k=0,76 при 0,2 атм

Д^'=

Д^''=2°С

Д^'''=1°С

Д=15,2+2+1=24,28°С

t_{кип.р-ля}(Н₂О)=60°С при Р=0,2 атм

t_{кип.р-ля}=24,28+60=84,28

химический гидромеханический абсорбция ректификация

Общие сведения о массообменных процессах

В химической технике и экологической практике широко применяют массообменные процессы: абсорбцию, экстракцию, ректификацию, адсорбцию и сушку.

Абсорбция -- избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем (абсорбентом). Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы, в жидкую.

Экстракция -- извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью. Этот процесс представляет собой переход вещества из одной жидкой фазы в другую.

Ректификация -- разделение жидкой смеси на компоненты путем противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Этот процесс включает переходы вещества из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Адсорбция -- избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ поверхностью пористого твердого поглотителя (адсорбента), способного поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фаз в пористый твердый материал.

Сушка -- удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Скорость перечисленных процессов определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую (скоростью массопередачи).

2. АБСОРБЦИЯ

Абсорбцией называется процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс -- выделение поглощенного газа из поглотителя -- называется десорбцией.

В промышленности абсорбция с последующей десорбцией широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов (например, для извлечения из коксового газа аммиака, бензола и др.), для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей (например, при очистке их от сероводорода), для санитарной очистки газов (например, отходящих газов от сернистого ангидрида) и т. д.

Равновесие при абсорбции

Подобно тому как передача тепла протекает лишь при отклонении от состояния равновесия, т. е. при наличии разности температур между теплоносителями, так и переход вещества из одной фазы в другую происходит при отсутствии равновесия между фазами.

Пусть имеются две фазы G и L, причем распределяемое вещество вначале находится только в первой фазе G и имеет концентрацию У. Если привести фазы в соприкосновение, то распределяемое вещество начнет переходить в фазу L. С момента появления распределяемого вещества в фазе L начнется и обратный переход его в фазу G. Скорость обратного перехода будет увеличиваться по мере повышения концентрации распределяемого вещества в фазе L. В некоторый момент скорости перехода вещества из фазы и обратно станут одинаковыми. При этом установится состояние равновесия между фазами, при котором явного переноса вещества из одной фазы в другую происходить не будет. В состоянии равновесия существует определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в этих фазах. Т. е. при Р-const и t-const,

x*=f(y) y*=f(x)

x* и y* - равновесные концентрации распределенного вещества соответственно в жидкой и газовой фазе.

Существует следующая зависимость:

y*=m_x m=

Однако чаще всего: y*=m'xⁿ

m'= ,

где m и m' - коэффициенты распределения

y m'x_n - кривые распределения

Порциальное давление компонента подчиняется закону Дальтона:

Р=Р_общ - закон Дальтона

Растворимость газов в жидкостях зависит от свойств и жидкости, от температуры и парциального давления растворяющегося газа (компонента) в газовой смеси.

Зависимость между растворимостью газа и его парциальным давлением характеризуется законом Генри, согласно которому равновесное парциальное давление р* пропорционально содержанию растворенного газа в растворе X (в кг/кг поглотителя):

,

где Ш - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность давления и зависящей от свойств растворенного газа и поглотителя и от температуры (Приложение XVI).

х- концентрация компонента, кг/кг поглотителя

В усложненных условиях (хемосорбция, хорошая растворимость газов) растворимость многих газов значительно отклоняется от закона Генри и приходится пользоваться экспериментальными данными.

Для протекания процесса необходима движущая сила:

ДР=Р_г-Р_ж

Р_г>Р_ж - абсорбция

Р_г<Р_ж - десорбция

Материальный баланс процессов массообмена

Рассмотрим схему движения потоков в противоточном аппарате для массообмена (рис. 16-2). В аппарат поступают фазы G (например, газ) и L (например, жидкость). Пусть расход носителя в фазе G составляет G кг/сек, а в фазе L равен L кг\сек. Содержание распределяемого компонента, выраженное в виде относительных весовых составов, в фазе G обозначим через У, в фазе L -- через X.

Предположим, что распределяемый компонент переходит из фазы G в фазу L (например, абсорбируется из газовой смеси жидкостью), причем содержание этого компонента в фазе G уменьшается от Y₁ (на входе в аппарат) до У₂ (на выходе из аппарата). Соответственно содержание этого же компонента в фазе L увеличивается от Х₂ (при входе в аппарат) до Xi (на выходе из аппарата).

Носители не участвуют в процессе массообмена; следовательно, их количества G и L не изменяются по длине аппарата. Тогда количество компонента, перешедшего из фазы G, составит:

М = О Y_x - О У₂ = О (Y_x -- Y₂) кг/сек

и количество компонента, перешедшего в фазу L:

M=LX_X -- LX₂ = L {Х_х -- Х₂) кг/сек

Оба эти количества равны, поэтому можно записать уравнение материального баланса в следующем виде:

y₁-y₂=l(x₂-x₁)

y= f(x) - уравнение рабочей линии

Уравнение рабочей линии представляет собой прямолинейную зависимость

y=a+bx, где , а=y₁-lx₂, a=y₂-lx₁

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет расхода поглотителя

Степень очистки (извлечения) - это отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству поглощенного при полном извлечении.

з

- степень извлечения

Размещено на http://www.allbest.ru/

При уменьшении угла наклона рабочей линии уменьшается расход поглотителя.

Минимальный расход поглотителя соответствует линии ВА''.

На практике расход поглотителя принимается на 10-20% больше. Тогда:

Где Z - коэффициент избытка поглотителя, Z = 1,1-1,2

Механизм и скорость процесса абсорбции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Согласно пленочной теории, сопротивление процессу массопередачи сводится к сопротивлению очень тонких слоев на границе раздела фаз. Тогда скорость процесса массопередачи имеет вид:

R - сопротивление процессу массопередачи

При массопередаче в газовой фазе скорость процесса равна:

r - сопротивление газовой пленки, или:

в_г= - коэффициент массоотдачи в газовой фазе

Скорость массопереноса для жидкой фазы:



в_ж= - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.

В условиях равновесия у* = mx. Следовательно, х=

На границе раздела фаз: у_гр = mx_гр. Следовательно, x_гр=

Тогда для жидкой фазы:

Суммарный массоперенос через обе фазы:

- уравнение скорости массопередачи

-коэффициент массопередачи

Расчет в_г и в_ж представляет собой сложный и длительный процесс.

Средняя движущая сила и методы расчета процессов массопередачи.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Средняя движущая сила процесса изменяется по высоте аппарата, поэтому в расчетные формулы подставляется величина средней движущей силы.

- средняя логарифмическая движущая сила

Если , то формулу можно упростить:

Однако, часто средняя логарифмическая движущая сила не отражает процессов, происходящих в аппарате, так как, например, линия равновесия не всегда является прямой.

Число единиц переноса

Обозначим рабочую высоту аппарата через Н. Площадь поперечного сечения - S. Удельная поверхность соприкосновения фаз в единице объема аппарата f, м²/м³. Тогда V_{раб. пов-ти} аппарата:



Поверхность соприкосновения фаз:

Подставляя значение f в уравнение массопередачи получим:

Приравнивая выражение к уравнению материального баланса:

Откуда рабочая высота аппарата:

Множитель представляет собой изменение рабочей концентрации на единицу движущей силы и называется числом единиц переноса.

Одна единица переноса (n=1) соответствует участку аппарата, на котором изменение рабочей концентрации равно средней движущей силе на данном участке.



Множитель представляет собой высоту участка, соответствующую одной единице переноса, и называется высотой единицы переноса:

Тогда высота аппарата: H=n

3. СУШКА

Тепловая сушка, или просто сушка, представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых и пастообразных материалов и проводится двумя основными способами:

путем непосредственного соприкосновения сушильного агента (нагретого воздуха, топочных газов) с высушиваемым материалом -- конвективная сушка;

путем нагревания высушиваемого материала тем или иным теплоносителем через стенку, проводящую тепло, -- кон тактная сушка.

Специальная сушка производится путем нагревания высушиваемых материалов токами высокой частоты (диэлектрическая сушка) и инфракрасными лучами (радиационная сушка).

В особых случаях применяется сушка некоторых продуктов в замороженном состоянии при глубоком вакууме -- сушка возгонкой или сублимацией.

Свойства влажного газа (воздуха)

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров. В ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара, поэтому свойства влажного воздуха с некоторым приближением характеризуются законами идеальных газов.

Количество водяных паров, содержащихся в 1 м³ влажного воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха. Водяной пар занимает весь объем смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна массе 1 м^г водяного пара, или плотности пара с в кг/м³.

При достаточном охлаждении или увлажнении воздуха находящийся в нем водяной пар становится насыщенным. С этого момента дальнейшее понижение температуры воздуха или увеличение содержания влаги в нем приводит к конденсации из воздуха избыточного количества водяных паров. Поэтому количество пара, содержащегося в насыщенном воздухе, является предельно возможным при данной температуре. Оно равно массе 1 м³ пара в состоянии насыщения, или плотности насыщенного пара с_н в кг/м³. Отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству пара в 1 м³ воздуха, при той же температуре и данном барометрическом давлении, характеризует степень насыщения воздуха влагой и называется относительной влажность воздуха. Относительную влажность можно выразить отношением давлений:

ц= (21-4)

При сушке меняются объем воздуха над влажным материалом и абсолютная влажность воздуха, так как он отдает тепло, необходимое для испарения влаги, и охлаждается, поглощая влагу, испаренную из материала. Поэтому влажность воздуха относят к величине, постоянной в процессе сушки, -- к массе абсолютно сухого воздуха, находящегося во влажном воздухе.

Количество водяного пара в кг, приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха и обозначается х. Величина х характеризует относительный весовой состав влажного воздуха.

Х=0,622

Порциальное давление пара: Р_вл=

Х=0,622

Влажный воздух, как теплоноситель, характеризуется энтальпией (теплосодержанием), равной сумме энтальпии сухого воздуха и водяного пара:

і_вл.в= , где

с_{с. в.} -- удельная теплоемкость сухого воздуха, дж/кг- град;, t -- температура воздуха, °С; i_n -- энтальпия перегретого пара, дж/кг.

Диаграмма, на которой определены параметры влажного и сухого воздуха, как правило называется диаграммой Рамзина (энтальпия-влагосодержание).

Материальный и тепловой балансы сушки

Материальный баланс

Пусть количество влажного материала, поступающего в сушилку, равно G₁ кг/сек, а его влажность w₁ (вес. долей). В результате сушки получается G₂ кг/сек высушенного материала (влажностью w₂ вес. долей) и W кг/сек испаренной влаги.

Тогда материальный баланс по всему количеству вещества выразится равенством:

G₁= G₂+ W

Баланс по абсолютно сухому веществу, количество которого не меняется в процессе сушки:

G₁ (1-w₁) = G₂ (1-w₂)

Из этих уравнений определяют количества высушенного материала G₂ и испаренной влаги W.

G₂=G₁

W= G₁-G₂ =G₁- G₁= G₁(1-)= G₁()=G₁()

Размещено на Allbest.ru