Процессы и аппараты химической технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процессы и аппараты химической технологии



Содержание

1. Предмет и задачи курса "Процессы и аппараты химической технологии"

1.1 Задачи курса ПАХТ

1.2 Классификация основных процессов химической технологии

2. Теоретические основы процессов химической технологии

2.1 Основные законы науки о процессах и аппаратах

2.2 Явления переноса

3. Законы термодинамического равновесия

4. Перенос импульса

Основная литература



1. Предмет и задачи курса "Процессы и аппараты химической технологии"

Под процессами понимают изменения состояния природных и технологических веществ, происходящие в тех или иных условиях. Процессы можно разделить на естественные (к ним относятся испарение воды с поверхностей водоемов, нагрев и охлаждение поверхности земли и т.д.), изучение которых составляет предмет и задачу физики, химии, механики и др. естественных наук, и на производственные или технологические, изучение которых составляет предмет и задачу технологии (т.е. искусство, мастерство, умение).

Технология - это наука, определяющая условия практического применения законов естественных наук (физики, химии…), т.е. совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, состава вещества, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции. Технология производства включает ряд однотипных физических и физико-химических процессов, характеризуемых общими закономерностями. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия аппаратах. Процессы и аппараты, общие для различных отраслей химической промышленности, получили название основных процессов и аппаратов химической технологии.

Дисциплина ПАХТ состоит из двух частей:

· теоретические основы химической технологии;

· типовые процессы и аппараты химической технологии.

В первой части излагаются общие теоретические закономерности типовых процессов; основы методологии подхода к решению теоретических и прикладных задач; анализ механизма основных процессов и выявление общих закономерностей их протекания; формулируются обобщенные методы физического и математического моделирования и расчета процессов и аппаратов. технологический химический аппарат термодинамический

Вторая часть состоит из трех основных разделов:

· гидромеханические процессы и аппараты;

· тепловые процессы и аппараты;

· массообменные процессы и аппараты.

В этих разделах даются теоретические обоснования каждого типового технологического процесса, рассматриваются основные конструкции аппаратов и методика их расчета.

1.1 Задачи курса ПАХТ

1. Определение оптимального технологического режима проведения процессов химической технологии на конкретном оборудовании.

2. Расчет и проектирование конструкции аппаратов для проведения технологического процесса.

1.2 Классификация основных процессов химической технологии

В зависимости от законов, которые определяют скорость протекания процессов, их подразделяют на пять групп:

Гидродинамические процессы, скорость которых определяется законами гидромеханики (перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем - отстаивание, фильтрование, центрифугирование и т.д.).

Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты (нагревание, охлаждение, конденсация паров, выпаривание).

Массообменные процессы, скорость протекания которых определяется законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз (абсорбция, ректификация, экстракция и др.).

Химические процессы. Скорость протекания химических процессов определяется законами химической кинетики.

Механические процессы, описываются законами механики твердых веществ и включают в себя измельчение, транспортирование, сортировку (классификацию по размерам) и смешение твердых веществ.

Все процессы по способу организации подразделяются на периодические, непрерывные и комбинированные. Периодические процессы протекают в одном аппарате, но в разное время. Непрерывные процессы протекают одновременно, но разнесены в пространстве.

Процессы химической технологии бывают стационарными (установившимися) и нестационарными (неустановившимися).

Если параметры (температура, давление и др.) процесса меняются с изменением пространственных координат в аппарате, оставаясь в каждой точке (пространства) аппарата постоянными во времени - установившийся процесс. Если параметры процесса являются функциями координат и изменяются в каждой точке во времени - неустановившийся процесс.

Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий, которого проводятся непрерывно.

Большинство химико-технологических процессов включают несколько последовательных стадий. Обычно одна из стадий протекает медленнее остальных, лимитируя скорость протекания всего процесса. Чтобы увеличить общую скорость процесса, надо воздействовать, прежде всего, на лимитирующую стадию. Если стадии процесса протекают параллельно, то воздействовать нужно на самую производительную стадию, так как она лимитирующая. Знание лимитирующей стадии процесса позволяет упростить описание процесса и интенсифицировать процесс.



2. Теоретические основы процессов химической технологии

2.1 Основные законы науки о процессах и аппаратах

Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах химической технологии являются следующие основные законы природы:

Законы сохранения массы, импульса и энергии (субстанции), согласно которым приход субстанции равняется его расходу. Законы сохранения принимают форму уравнений балансов, составление которых является важной частью анализа и расчета химико-технологических процессов.

Законы переноса массы, импульса и энергии определяют плотность потока любой субстанции. Законы переноса позволяют определить интенсивность протекающих процессов и, в конечном счете, производительность используемых аппаратов.

Законы термодинамического равновесия определяют условия, при которых перенос любой субстанции приходит к своему завершению. Состояние системы, при котором необратимый процесс переноса субстанции отсутствует, называется равновесным. Знание условий равновесия позволяет определять направление процесса переноса, границы течения процесса и величину движущей силы процесса.

2.2 Явления переноса

Любой процесс химической технологии обусловлен переносом одного или нескольких видов субстанции: массы, импульса, энергии. Будем рассматривать механизмы переноса субстанции, условия при которых перенос осуществляется, а также уравнения переноса для каждого вида субстанции.

Механизмы переноса

Различают три механизма переноса субстанции: молекулярный, конвективный и турбулентный. Перенос энергии может осуществляться, кроме того, за счет излучения.

Молекулярный механизм. Молекулярный механизм переноса субстанции обусловлен тепловым движением молекул или иных микроскопических частиц (ионов в электролитах и кристаллах, электронов в металлах).

Конвективный механизм. Конвективный механизм переноса субстанции обусловлен движением макроскопических объемов среды как целого. Совокупность значений физической величины, однозначно определенных в каждой точке некоторой части пространства, называется полем данной величины (поле плотности, концентраций, давлений, скоростей, температур и т.д.).

Движение макроскопических объемов среды приводит к переносу массы с, импульса с и энергии сE единичного объема (с - плотность или масса единичного объема, сW - импульс единичного объема, сE -энергия единичного объема).

В зависимости от причин, вызывающих конвективное движение, различают свободную и вынужденную конвекцию. Перенос субстанции в условиях свободной конвекции обусловлен разностью плотностей в различных точках объема среды из-за различия температур в этих точках. Вынужденная конвекция имеет место при принудительном движении всего объема среды (например, насосом или в случае перемешивания ее мешалкой).

Турбулентный механизм. Турбулентный механизм переноса занимает промежуточное место между молекулярным и конвективным механизмами с точки зрения пространственно - временного масштаба. Турбулентное движение возникает лишь при определенных условиях конвективного движения: достаточная удаленность от границы раздела фаз и неоднородность поля скорости.

При малых скоростях движения среды (газа или жидкости) относительно границы раздела фаз ее слои движутся регулярно, параллельно друг другу. Такое движение называется ламинарным. Если неоднородность скорости и удаленность от границы раздела фаз превышает определенное значение, устойчивость движения нарушается. Происходит развитие нерегулярного хаотического движения отдельных объемов среды (вихрей). Такое движение называется турбулентным.

Первые исследования режимов движения осуществил в 1883 г. английский физик О. Рейнольдс, изучавший движение воды в трубе. При ламинарном движении тонкая подкрашенная струйка не смешивалась с основной массой движущейся жидкости и имела прямолинейную траекторию. При увеличении скорости потока или диаметра трубы струйка приобретала волнообразное движение, что свидетельствует о возникновении возмущений. При дальнейшем увеличении вышеназванных параметров струйка смешивалась с основной массой жидкости, и окрашенный индикатор размывался по всему поперечному сечению трубы.

Здесь используется понятие масштаба турбулентности, определяющего размер вихрей. В отличие, например, от молекул вихри не являются устойчивыми, четко ограниченными в пространстве образованьями. Они зарождаются, распадаются на более мелкие вихри, затухают с переходом энергии в теплоту (диссипация энергии). Поэтому масштаб турбулентности является осредненной статистической величиной. Возможны различные подходы к описанию турбулентного движения.

Один из подходов состоит во временном осреднении значений физических величин (скоростей, концентраций, температур) на интервалах, значительно превышающих характерные периоды пульсаций даже крупномасштабных вихрей.



3. Законы термодинамического равновесия

Если система находится в состоянии равновесия, то макроскопических проявлений переноса субстанции не наблюдается. Не смотря на тепловое движение молекул, каждая из которых переносит массу, импульс и энергию, макроскопические потоки субстанции при этом отсутствуют вследствие равновероятности переноса в каждом направлении.

Равновесие в однофазной системе, не подверженной воздействию внешних сил, устанавливается при равенстве значений в каждой точке пространства макроскопических величин, характеризующих свойства системы: скорости -

(x,y,z,t) = const;

температуры - T(x,y,z,t) = const; химических потенциалов компонентов

- м_i(x,y,z,t) = const.

Можно выделить отдельно условия гидромеханического, теплового и концентрационного равновесия.

Гидромеханическое равновесие :

=const

Тепловое (термическое) равновесие :

Т=const;

Концентрационное равновесие :

мi =const,

Здесь - дифференциальный оператор оператор набла

(1)

Условием проявления процессов переноса и возникновения макроскопических потоков массы, импульса и энергии является неравновесность системы. Направленность процессов переноса определяется самопроизвольным стремлением системы к состоянию равновесия, т.е. процессы переноса приводят к выравниванию скорости, температуры и химических потенциалов компонентов системы. Неоднородности указанных величин являются необходимыми условиями протекания процессов переноса и называются их движущими силами.

Для того, чтобы осуществить процесс необходимо вывести систему из состояния равновесия, т.е. оказать воздействие извне. Это возможно за счет подвода массы или энергии к системе либо действия внешних сил. Например, отстаивание происходит в поле сил тяжести, выпаривание - при подводе тепла, абсорбция - при введении в систему поглотителя.

Уравнения переноса

Поток субстанции - количество субстанции, переносимое за единицу времени, через единицу поверхности.

Перенос массы

Конвективный механизм. Поток массы за счет конвективного механизма связан с конвективной скоростью следующим соотношением

[кг/м²с] (2)

Часто удобнее использовать поток вещества, а не массы

[кмоль/м²с] (3)

здесь m_i - мольная масса компонента i [кг/кмоль], c_i - мольная концентрация [кмоль/м³].

Молекулярный механизм. Основным законом молекулярного механизма переноса массы является первый закон Фика, который для двухкомпонентной системы имеет вид:

, n=2 (4)

где D_ij - коэффициент бинарной (взаимной) диффузии (D_ij=D_ji).

Турбулентный механизм. Турбулентный перенос массы можно рассматривать по аналогии с молекулярным переносом как следствие хаотического перемещения вихрей. Вводится коэффициент турбулентной диффузии D_т, зависящий как от свойств среды, так и от неоднородности скорости, и удаленности от межфазной поверхности.

. (5)

Отношение коэффициентов турбулентной и молекулярной диффузии в пристенной области достигают D_т/D_i ~ 10²- 10⁵.

Переноса энергии

Энергию системы можно подразделить: микроскопическую и макроскопическую. Микроскопическая, являющаяся мерой внутренней энергии самих молекул, их теплового движения и взаимодействия, называется внутренней энергией системы (U). Макроскопическая складывается из кинетической энергии (Е_k), обусловленной конвективным движением среды, и потенциальной энергии системы в поле внешних сил (Е_п). Таким образом, полную энергию системы, приходящуюся на единицу массы можно представить

E' = U' + Е'_k + Е'_п [Дж/кг] (6)

Штрих означает, что энергия отнесена на единицу массы.

Энергия может передаваться в форме теплоты или работы. Теплота - форма передачи энергии на микроскопическом уровне, работа - на макроскопическом уровне.

Конвективный механизм. Поток энергии переносимый конвективным механизмом имеет вид

[Дж/м2с] = [Вт/м2] (7)

Это количество энергии, переносимое движущимся макроскопическим объемом за единицу времени через единицу поверхности.

Молекулярный механизм. Молекулярным механизмом осуществляется перенос энергии на микроскопическом уровне, т.е. в форме тепла. Поток тепла за счет молекулярного механизма в условиях механического и концентрационного равновесия может быть представлен

, (8)

где - коэффициент молекулярной теплопроводности [Вт/мК].

Это уравнение носит название закона Фурье.

Турбулентный механизм. Турбулентный перенос энергии можно рассмотреть по аналогии с молекулярным, вводя коэффициент турбулентной теплопроводности

_т (9)

Как и коэффициент турбулентной диффузии _т будет определяться свойствами системы и режимом движения. Суммарный поток энергии в лабораторной системе отсчета может быть записан

.



4. Перенос импульса

Конвективный перенос. Рассмотрим случай, когда среда движется с некоторой конвективной скоростью W_x в направлении оси Х. При этом импульс или количество движения единичного объема будет равен W_x. Тогда количество движения W_x , переносимого за счет конвективного механизма в направлении оси Х за единицу времени через единицу поверхности будет равно

[H/м2] = [Пa] (10)

Количество движения, направленное вдоль оси Х, переносимое за единицу времени через единичную поверхность по оси Y, будет равно

(11)

Аналогично перенос импульса по всем направлениям дает 9 компонентов тензора конвективного потока импульса ,

(12)

(13)

Молекулярный перенос. Количество движения, направленное вдоль оси Х, (W_x), переносимое вдоль оси Y за единицу времени через единицу поверхности за счет молекулярного механизма, можно представить как



(14)

где м [Па с] и [м2/с] - коэффициенты динамической и кинематической молекулярной вязкости соответственно. Это уравнение носит название закона вязкости Ньютона. В случае, если коэффициенты вязкости не зависят от величины производной W_x/y, т.е. зависимость _xy от W_x/y линейна, среда называется ньютоновской. Если же это условие не выполняется - неньютоновской. К последним относятся полимеры, пасты, суспензии и ряд других, используемых в промышленности материалов.

Турбулентный перенос. Перенос импульса за счет турбулентного механизма может рассматриваться по аналогии с молекулярным.

(15)

где м_т и _т - динамический и кинематический коэффициенты турбулентной вязкости, определяющиеся свойствами среды и режимом движения _т ~ D_т.

Суммарный поток импульса можно записать

(16),

где - тензор вязких напряжений, элементы которого включают как молекулярный, так и турбулентный перенос импульса

(17).

Итак, рассмотрены уравнения переноса массы, энергии и импульса. Нетрудно убедиться в аналогии этих уравнений. Конвективный поток представляет произведение переносимой субстанции в единичном объеме (с, Е', с) на конвективную скорость. Потоки за счет молекулярного или турбулентного механизмов есть произведение соответствующего коэффициента переноса (D, м, м_т) на движущую силу процесса. Эта аналогия позволяет использовать результаты исследования одних процессов для описания других.



Основная литература

1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 2002. Т.1-400 с. Т.2-368 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд. М.: Химия, 1973. 750 с.

3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия,1987. 576 с.

4. Разинов А.И., Дьяконов Г.С. Явления переноса. Казань, изд-во КГТУ, 2002. 136 с.

Размещено на Allbest.ru