Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Некоторые вопросы по курсу общей физики

Контрольные вопросы

1. Перечислите все виды передачи тепла от одного тела к другому. Физическая сущность их

Теплообмен между телами может протекать самопроизвольно или с затратой механической работы. Тепло передается без затраты работы извне только от тел с высшей температурой к телам с низшей температурой. Это положение является основным для осуществления передачи тепла, так как согласно второму закону термодинамики переход тепла от тела с низкой температурой к телу, обладающему более высокой температурой, без затраты механической энергии невозможен.

В технологических процессах требуется или возможно лучшая теплопередача или, наоборот, возможно лучшее предохранение тел от теплообмена. К первому случаю относится передача тепла в нагревательных и холодильных устройствах, а ко второму - защита от потерь тепла или изоляция для предотвращения термического воздействия.

Переход тепла из одной части пространства в другую может происходить действием теплопроводности, излучением и конвенцией.

Теплопроводность. Этот вид теплообмена возможен в условиях тесного соприкосновения между отдельными частицами тела и заключается в том, что тепловая энергия распространяется внутри тела от одной частицы к другой, соседней, находящейся в непосредственной близости, вследствие их колебательного движения. Частицы более нагретой части тела, сталкиваясь при колебательном движении с соседними частицами , сообщают им часть своей кинетической энергии и таким образом тепловая энергия распространяется по всему телу. Этот процесс будет происходить до тех пор, пока не наступит полное равенство температуры во всем теле.

Тепловое излучение. При теплообмене излучением тепло распространяется в виде лучистой энергии, которая распространяется в пространстве, и в каком либо другом месте полностью или частично превращается вновь в тепловую энергию.

Конвекция. Под конвекцией понимают перенос тепла частицами капельных жидкостей и газов путем их перемещения из одной части пространства в другую. Это происходит при движении капельных жидкостей и газов, которое возникает либо вследствие различия удельных весов в разных точках их объема (из-за неравномерности температур в нем), либо в результате механических воздействий извне.

Различают естественную конвекцию, или свободное движение жидкости, и конвекцию принудительную, или вынужденное движение. Под принудительной конвекцией понимают движение жидкости, обусловленное приложением внешней механической энергии, например перемещение жидкости с помощью насоса, мешалки и т.п. Под естественной конвекцией понимают движение жидкости, обусловленное разностью ее удельных объемов в различных точках и возникающее при неодинаковой температуре в этих точках.

Практически все виды теплообмена редко наблюдаются раздельно; в большинстве случаев они связаны между собой и проявляются одновременно.

2. Написать уравнение теплопроводности через плоскую и цилиндрическую стенки

Уравнение теплопроводности плоской стенки при установившемся состоянии процесса теплообмена

,

где л-теплопроводность материала стенки в ккал/м·час·°С;

- разность температур наружных поверхностей стенки в·°С; F - поверхность стенки в м²; ф - время в час.

Если стенка составлена из n слоев, отличающихся друг от друга теплопроводностью и толщиной, то уравнение принимает вид:

,

где i - порядковый номер слоя стенки, n - число слоев

Теплопроводность цилиндрической стенки при установившемся тепловом потоке:

,

где л-теплопроводность материала стенки; L - длина стенки; r_в - внутренний радиус стенки; r_н - наружный радиус стенки;

теплопроводность конвекция теплообмен теплопередача

Для n-слойной цилиндрической стенки можно написать:

,

где i - порядковый номер слоя стенки.

3. Написать уравнение передачи тепла конвекцией (теплоотдачей) в общем виде, объяснить физический смысл составляющих переменных и провести сравнение его с уравнением теплопроводности

Вследствие сложности точного расчета теплоотдачи ее определяют по упрощенному закону. В качестве основного закона теплоотдачи принимают закон охлаждения Ньютона, по которому количество тепла dQ, отданное элементом поверхности тела dF с температурой t_ст в окружающую среду с температурой t_ж за время dф прямо пропорционально разности температур (t_ст-t_ж) и величинами dF и dф:

dQ=б(t_ст-t_ж) dF dф ,

а при установившемся состоянии процесса теплоотдачи, когда температура жидкости и стенки остаются неизменными:

Q=б(t_ст-t_ж)•F•ф ккал,

Где б - коэффициент пропорциональности, который определяется опытным путем; его называют коэффициентом теплоотдачи.

При:

F=1 м²; ф=1 ч; t_ст-t_ж=1є

Получаем:

Q=б,

То есть коэффициент теплоотдачи б показывает, какое количество тепла отдает стенка с поверхностью 1 м² в окружающую среду (или, наоборот, воспринимает от окружающей среды) за время 1 час при разности 1є. Величина коэффициента теплоотдачи б зависит от большого числа факторов и является функцией нескольких переменных. В первую очередь величину коэффициента теплоотдачи обуславливают следующие факторы:

- род жидкости (газ, пар, капельная жидкость);

- характер течения жидкости (вынужденное или свободное течение);

- форма стенки (линейные размеры, L, d);

- состояние и свойства жидкости (температура t_ж, давление р, плотность с или удельный вес г, теплоемкость с, теплопроводность л, вязкость м);

- параметры движения (скорость щ);

- температура стенки t_ст.

Таким образом:

б=f(L, d,…, t_ж, с, р, с, л, м, щ, t_ст)

Зависимость коэффициента теплоотдачи от большого числа факторов не позволяет дать общую формулу для его определения и в каждом частном случае необходимо прибегать к опытным исследованиям. В связи с этим изучение процессов конвективного теплообмена проводят с применением метода подобия.

Уравнение теплопроводности, в отличие от уравнения теплоотдачи можно рассчитать без применения теории подобия и для коэффициента теплопередачи л=f(t) можно определить расчетным путем.

4. Написать уравнение теплопередачи, объяснить его физический смысл. Как выражается коэффициент теплопередачи через коэффициент теплоотдачи? Как рассчитывается средняя разность температур?

Среди процессов переноса тепла один из наиболее распространенных в инженерной практике является процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному через разделительную стенку (процесс теплопередачи). Тепловой поток от горячего теплоносителя с расходом G₁ и начальной температурой t₁ передается через стенку, толщиной д_к холодному продукту в аппарате в количестве G₂ и начальной температурой t₂. Таким образом, процесс теплопередачи состоит из процесса теплоотдачи потока от горячего теплоносителя к поверхности стенки, процесса переноса тепла через стенку и процесса теплоотдачи от поверхности стенки к холодному теплоносителю. В процессе передачи тепла на поверхности стенки устанавливаются температуры, равные t_с1 и t_с2. В обоих теплоносителях в слое, прилежащем к стенке, формируется тепловой пограничный слой, в котором температура жидкости переменна и изменяется от ее значения в ядре потока и до значения температур на поверхностях стенки. Плотность теплового потока в процессах теплоотдачи определяется по закону Ньютона-Рихмана:

q=б•(t-t_с), Вт/м²

Тогда мощность теплового потока будет равна:

Q=q•F=б•(t-t_с)•F, Вт

где F- площадь поверхности стенки, омываемая теплоносителями, м². Коэффициент пропорциональности б, называемый коэффициентом теплоотдачи, характеризует интенсивность процесса теплоотдачи. По физическому смыслу б численно равен количеству тепла в Дж, которое отдается теплоносителем к стенке или от стенки к теплоносителю при площади 1 м², при разности температур между жидкостью и стенкой в 1 К за время 1 с. Отсюда следует, что единица измерения коэффициента теплоотдачи будет Дж/м²•К•с или Вт/м²•К. Выражение для теплового потока в процессе теплопередачи имеет вид (основное уравнение теплопередачи):

q=k•(t₁-t₂), Вт/м²

а для мощности теплового потока:

Q=q•F=k•(t₁-t₂)•F, Вт

Коэффициент пропорциональности k, называемый коэффициентом теплопередачи, характеризует интенсивность процесса передачи тепла. В свою очередь:

Из уравнения видно, что коэффициент теплопередачи тесно связан с величинами коэффициентов теплоотдачи и термическим сопротивлением стенки. Конкретно, чем больше б₁, б₂, , и коэффициент теплопроводности материала стенки л, тем больше величина k и тем больше количество передаваемого тепла. Физический смысл коэффициента теплопередачи следующий: k численно равен количеству тепла, которое передается от одной жидкости к другой через стенку площадью 1 м² при разности температур между теплоносителями в 1 К, за время 1 с. Поэтому единицей измерения м² является Дж/м²•К•с или Вт/м²•К.

Величина разностей температур (t-t_с) и (t₁-t₂) является движущей силой процессов теплопередачи или температурным напором. Если разность температур на входе в аппарат превышает разность на выходе не более чем в два раза, т.е. Дt_б/Дt_м?2 среднюю разность определяют как среднюю арифметическую:



Если разности температур отличаются более чем в два раза, т.е. Дt_б/Дt_м?2 среднюю разность определяют как среднюю логарифмическую:

5. Критерии теплового подобия, их физический смысл. Какой критерий является определяемым и какая величина рассчитывается из этого критерия?

Критерий Фурье Fо - соотношение между конвективным пеерносом теплоты и теплопроводностью. Критерий Фурье является аналогом критерия гомохромности Но и характеризует условия подобия неустановившихся процессов теплоотдачи:

,

где б - коэффициент теплоотдачи; ф - время; l - определяющий размер.

Критерий Пекле Ре характеризует соотношение между интенсивностью переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в движущем потоке:

,

где щ - скорость потока жидкости относительно поверхности теплообмена; l - характерный линейный размер поверхности теплообмена; б - коэффициент теплоотдачи; с - теплоемкость при постоянном давлении; с - плотность жидкости; л - коэффициент теплопроводности. Критерий Пекле часто представляют в виде произведения двух безразмерных комплексов:

Ре=Rе•Рr

Критерий Нуссельта Nu характеризует отношение суммарного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (т.е. теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью (l - определяющий размер):

Поскольку коэффициент б в Nu в условия однозначности не входит, этот критерий является определяемым и может быть выражен через другие критерии:

Nu=f(Рr, Ре, Fr)

Или, когда явлением силы тяжести можно пренебречь (например при движении жидкостей по трубам) критерий Фруда может быть исключен:

Nu=f(Рr, Rе) или Nu=А•Rе^m•Рrⁿ

Критерий Архимеда Аr характеризует влияние на силу тяжести плотности потока при естественной конвекции

,

где g - ускорение свободного падения, l - определяющий размер; н - кинематический коэффициент вязкости; с - плотность.

Критерий Галилея Gа характеризует влияние сил тяжести и инерции при естественной конвекции

Критерий Грасгофа Gr показывает отношение сил вязкости к произведению подъемной силы, определяемой разностью плотностей в различных точках неизотермического потока и силы инерции. Критерий Грасгофа является аналогом критерия Фруда и определяющим критерием теплового подобия при естественной конвекции.

Критерий Прандтля Рr - мера постоянства соотношений физических свойств жидкостей (газов) в подобных потоках; мера подобия профилей скоростей и концентраций в процессах массоотдачи:

6. Перечислить и дать краткую характеристику способов нагревания и охлаждения. перечислить основные виды теплообменной аппаратуры

Наиболее простым способом передачи тепла является нагревание «острым» паром, т.е. паром, который вводят непосредственно в нагреваемую жидкость.

Нагревание насыщенным паром широко применяется в химической технологии. При таком нагревании можно точно регулировать температуру нагрева путем изменения давления пара; вследствие хорошей теплоотдачи от насыщенного пара аппараты могут иметь значительно меньшие поверхности нагрева, чем при нагревании, например, дымовыми газами.

Нагревание горячей водой применяют реже, чем водяным паром, что объясняется тем, что для нагрева необходимы пар или дымовые газы, причем вода должна иметь более высокую начальную температуру, чем пар, т.к. она охлаждается в процессе нагревания, а пар отдает скрытую теплоту конденсации при постоянной температуре.

Нагревание специальными теплоносителями. Для получения температур выше 180°С наиболее рационально использовать пары высококипящих жидкостей, обладающих низкой упругостью, и пары термически стойких жидкостей, отличающихся высокой теплоемкостью. Применяют органические теплоносители - дифенил и дифениловый эфир и др., а также ртуть, смеси солей, расплавленные металлы. Эти вещества предварительно нагревают или испаряют при помощи дымовых газов или электрического тока, после чего нагретые вещества отдают тепло нагреваемому материалу через стенки аппарата.

Теплообменники:

- аппараты с рубашками.

- змеевиковые обменники

- двухтрубные теплообменники

- кожухотрубные теплообменники

- спиральные теплообменники

- теплообменники с двойными трубами

- теплообменники с ребристой поверхностью

Нагревание электрическим током производят в электрических печах. В зависимости от способа превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления, дуговые и индукционные

Охлаждение и конденсация

1) охлаждение до обыкновенных температур

- охлаждение естественным путем вследствие отдачи тепла в окружающую среду.

- охлаждение путем самоиспарения

- охлаждение путем непосредственного введения льда и воды;

- охлаждение в поверхностных холодильниках;

2) конденсация паров

- в поверхностных конденсаторах

- в конденсаторах смешения

7. Прямоточное или противоточное направление теплоносителей в теплообменнике более целесообразно?

Противоточные процессы имеют преимущества в сравнении с прямоточными. Помимо более равномерного распределения разности температур вдоль поверхности нагрева при противотоке достигается более полное использование горячего теплоносителя. При противотоке более холодный теплоноситель с той же начальной температурой, что и при прямотоке, может нагреться до более высокой температуры, близкой к начальной температуре более нагретого теплоносителя. Это позволяет сократить расход более холодного теплоносителя, но одновременно приводит к некоторому уменьшению средней разности температур и соответственно - к увеличению потребной поверхности теплообмена при противотоке по сравнению с прямотоком. Однако экономический эффект, достигаемый вследствие уменьшения расхода теплоносителя при противотоке, превышает дополнительные затраты, связанные с увеличением размеров

8. Описать порядок расчета поверхности теплообменника .Типы конденсаторов смешения и принципы их работы

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют их основного уравнения теплопередачи:

F=Q/(KДt_ср)

Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями находят из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей. Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, тепловую нагрузку вычисляют по уравнению:

Q=G_i·с_i·[t_iн-t_iк], i=1,2;

Тепловые потери при наличии теплоизоляции незначительны, поэтому при записи этих уравнений не учитывались.

Если агрегатное состояние теплоносителя не меняется, его среднюю температуру можно определить как среднеарифметическую между начальной и конечной температурами:

t_i=(t_iн+t_iк)/2, i=1,2;

Более точное значение средней температуры одного из теплоносителей можно получить, используя среднюю разность температур:

t_i=t_j±Дt_ср,

где t_j - среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена.

В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

Дt_ср=(Дt_б-Дt_м)/ln(Дt_б/Дt_м)

Для определения поверхности теплопередачи и выбора варианта конструкции теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи. Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока

1/К=1/б₁+д_ст/л_ст+r_з1+r_з2+1/б₂,

где б₁ и б₂ - коэффициенты теплоотдачи со стороны теплоносителей; л_ст - теплопроводность материала стенки; д_ст - толщина стенки; r_з1, r_з2 - термическое сопротивление слоев загрязнений с обеих сторон стенки.

Это уравнение справедливо для передачи тепла через плоскую или цилиндрическую стенку при условии, что R_н/R_в<2 (где R_н и R_в - наружный и внутренний радиусы цилиндра).

Однако на этой стадии расчета невозможно точное определение коэффициента теплопередачи, так как б₁ и б₂ зависят от параметров конструкции рассчитываемого теплообменного аппарата. Поэтому сначала на основании ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи приходится приближенно определить поверхность и выбрать конкретный вариант конструкции, а затем провести уточненный расчет коэффициента теплопередачи и требуемой поверхности.

Сопоставление ее с поверхностью выбранного нормализованного варианта теплообменника дает ответ на вопрос о пригодности выбранного варианта для заданной технологической задачи.

Типы конденсаторов смешения и принципы их работы. В конденсаторах смешения пар и охлаждающая вода смешиваются путем впрыскивания воды в паровое пространство; при этом пар отдает скрытое тепло холодной воде, нагревает ее и конденсируется. Конденсаторы смешения могут применяться только для сжижения паров воды и других жидкостей, не представляющих ценности; в тех случаях, когда требуется выделить конденсат в чистом виде или конденсировать пары какой-нибудь ценной жидкости, конденсаторы смешения непригодны.

По способу действия различают конденсаторы смешения мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах охлаждающая вода, конденсат и газы откачиваются совместно одним мокровоздушным насосом; в сухих или барометрических конденсаторах вода и конденсат стекают самотеком по одной трубе, воздух же и газы откачиваются из верхней части конденсатора воздушным вакуум-насосом.

В зависимости от взаимного направления движения пара и воды различают противоточные и прямоточные конденсаторы, а в зависимости от высоты расположения - конденсаторы низкого и высокого уровня.

9. Поверхностные конденсаторы. Определение средней разности температур для каждой зоны конденсатора

Поверхностные конденсаторы могут быть разделены на три группы:

- с водяным охлаждением;

- с воздушным охлаждением;

- с орошением

В поверхностных конденсаторах теплообмен между паром и охлаждающей водой (или воздухом) совершается через разделяющую их теплопроводную стенку; при этом пространство, в котором происходит конденсация может находиться под атмосферным или другим давлением. Если конденсационная установка работает под вакуумом, необходимо создать разрежение в том аппарате, откуда поступает на конденсацию пар, и постоянно поддерживать это разрежение, а также возвращать для использования конденсат при более высокой температуре.

В зоне охлаждения перегретого пара начальная разность температур:

конечна я разность температур

средняя разность температур:

В зоне конденсации начальная разность температур:

конечная разность температур:

средняя разность температур:

В зоне охлаждения конденсата начальная разность температур:

конечная разность температур:

средняя разность температур:

где t_1н - начальная температура пара в °С; t_нас.- температура насыщения в °С; t_1к - конечная температура конденсата в °С; t_2н - начальная температура охлаждающей воды в °С; t_2к - конечна температура охлаждающей воды°С;

Для обозначения величин, относящихся к разным зонам вводят следующие индексы:

[ⁱ] - для зоны охлаждения перегретого пара

[^к] - для зоны конденсации

[^х] - для зоны охлаждения конденсата

10. Зачем ставятся перегородки в теплообменниках?

Поверхностные теплообменники передают тепло за счёт перегородок, выполненных из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности. наибольшее распространение получили именно поверхностные теплообменники. Они так же имеют две разновидности: рекуперативную и регенеративную. В первой теплообмен между носителями осуществляется за счёт перегородок, причём направление теплового потока постоянно в любой точке перегородки. В теплообменниках регенеративного типа носители поочередно контактируют с одной нагреваемой поверхностью, а направление потока постоянно меняется.

На сегодня самыми распространенными являются поверхностные теплообменники рекуперативного типа.

В кожухотрубчатых теплообменниках устанавливают поперечные и продольные перегородки.

Поперечные перегородки, размещаемые в межтрубном пространстве теплообменников, предназначены для организации движения теплоносителя в направлении, перпендикулярном оси труб и увеличения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве. В обоих случаях возрастает коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности труб.

Поперечные перегородки устанавливают и в межтрубном пространстве; конденсаторов и испарителей, в которых коэффициент теплоотдачи наружной поверхности труб на порядок выше коэффициента их внутренней поверхности. В этом случае перегородки выполняют роль опор трубного пучка, фиксируя трубы на заданном расстоянии одна от другой, а также уменьшают вибрацию труб.

Интенсификация теплообмена поперечными перегородками может Значительно снижаться из-за утечек теплоносителя в зазорах между корпусом и перегородками. Для уменьшения утечек устанавливают следующие ограничения: при наружном диаметре кожуха аппарата, не более 600 мм зазор между корпусом и перегородкой не должен превышать 1,5 мм. В остальных случаях диаметр поперечных перегородок выбирают по соответствующим нормативным документам.

11. Перечислить типовые массообменные процессы и объяснить их физическую сущность

Процессом массообмена называется диффузионный переход одного или нескольких компонентов бинарных и многокомпонентных смесей из одной фазы в другую: из газовой (паровой) в жидкую или твердую, из жидкой в твердую или в другую жидкую, а также в обратном направлении. Различают два варианта массообмена: односторонний и двухсторонний. В первом варианте процесс завершается переходом вещества из одной фазы в другую, а во втором - встречным переходом веществ из каждой фазу в другую.

Массообмен включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз) классификацию и взаимосвязь массообменных процессов можно видеть на рисунке 5.

Рис.5. Классификация массообменных процессов

Типовые массообменные процессы: абсорбция, дистилляция (частный случай - ректификация), экстракция, адсорбция, кристаллизация, сушка, ионный обмен

Абсорбция - процесс поглощения газа жидким поглотителем, в котором газ растворим в той или иной степени. Обратный процесс - десорбция - выделение растворенного газа из раствора.

Ректификация - тепломассообменный процесс, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При ректификации потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях, многократно контактируют друг с другом в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадка, тарелки), причём часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость -- менее летучими.

Дистилляция - процесс разделения жидкостей на отличающиеся по составу фракции, основанный на различии температур кипения компонентов жидкости; то же, что перегонка.

Экстракция (от позднелат. extractio - извлечение), перевод одного или нескольких компонентов раствора из одной жидкой фазы в контактирующую и не смешивающуюся с ней другую жидкую фазу, содержащую избирательный растворитель (экстрагент)

Адсорбция - (от лат. ad-на, при и sorbeo-поглощаю), изменение (обычно - повышение) концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз ("поглощение на поверхности"). В общем случае причина адсорбции - нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбционного силового поля. Тело, создающее такое поле, наз. адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, - адсорбтивом, уже адсорбировавшееся вещество - адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией.

Кристаллизация - переход вещества из газообразного (парообразного), жидкого или твердого аморфного состояния в кристаллическое, а также из одного кристаллического состояния в другое (рекристаллизация, или вторичная кристаллизация); фазовый переход первого рода.

Ионный обмен - обратимый процесс стехиометрического обмена ионами между двумя контактирующими фазами. Обычно одна из фаз раствор электролита, другая - ионит.

Сушка - высушивание, удаление жидкости (обычно влаги) из твёрдых, жидких и газообразных тел.

12. Написать (в общем виде) и изобразить в координатах у (концентрация одного вещества в одной фазе) - х (его концентрация в другой фазе) уравнение равновесной и рабочей линии массообмена; показать движущую силу процесса и написать выражение для ее расчета

Изменение рабочих концентраций по поверхности массообмена описывается уравнением рабочих линий. Эти линии используют для определения движущей силы процесса по всей поверхности F массопередачи, а также для определения высоты Н массообменных аппаратов.

Процесс массопереноса протекает самопроизвольно при наличии разности между рабочими и равновесными концентрациями (при данных условиях температуры и давления), которые можно выразить через концентрации у и у* фазы Ф_у, а также х и х* для фазы Ф_х.

Движущая сила массообменных процессов есть разность между рабочими и равновесными концентрациями.

Движущая сила в концентрациях фазы Ф_у: Ду=у?у* (при у?у*) или Ду=у*?у (при у?у*), в концентрациях Ф_х: Дх=х?х* (при х?х*) или Дх=х*?х (при х?х*). Таким образом, движущая сила характеризует степень отклонения системы от равновесия.

Для всей поверхности фазового контакта при установившемся состоянии процесса материальный баланс выражается уравнением:

или

В каждом конкретном случае величины G_у, G_х, у_к и х_н известны и постоянны и, следовательно уравнение материального баланса является уравнением прямой:

у=Ах+В

которая также называется рабочей линией процесса. Для любого случая массообмена и любого сечения диффузионного аппарата движущую силу массопередачи можно выразить графически путем нанесения на диаграмму у-х линии равновесия у_р=f(х) и линии рабочих концентраций у=ц(х), как это показано на рисунке 6.

На диаграммах I и II представлен случай, когда у*?у и х?х* и распределяемый между фазами компонент переходит из фазы Ф_х в фазу Ф_у, а на диаграммах III и IV этого же рисунка - случай, когда у*?у и х*?х и распределяемый между фазами компонент переходит из фазы Ф_у в фазу Ф_х. Распределяемый между фазами компонент переходит в ту фазу, рабочая концентрация которой меньше равновесной.

Рис. 6. Графическое представление движущей силы массопередачи. Равновесные и рабочие линии концентрации

13. Общее выражение массопередачи и объяснить значение его составляющих. Сопоставить его с уравнением теплопередачи и провести аналогию

В соответствии с двумя возможными способами выражения движущей силы процесса массопередачи - газовой фазе (Ду=у*?у) или по жидкой фазе (Дх=х?х*) - уравнение массопередачи, аналогичное уравнению теплопередачи, может быть написано в двух видах:

М=К_уДу_срFф

Или

М=К_хДх_срFф,

где М - расход компонента, переходящего из одной фазы в другую, кмоль/с; F - площадь поверхности массопередачи, м²; К_у - коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе Ду, выраженной через мольные доли компонента в газовой фазе, кмоль/(м²•с); К_х - коэффициент массопередачи, отнесенный к движущей силе Дх, выраженной через мольные доли компонента в жидкой фазе, кмоль/(м²•с); Ду_ср и Дх_ср - соответствующие средние для всего процесса движущие силы.

Подобно теплообмену массообмен характеризуется количеством вещества М, переходящего из от одной фазы в другую (диффузионный поток) за время ф, пропорционально движущей силе процесса Ду_ср (Дх_ср) и площади поверхности F. Величины М, F и ф связаны между собой коэффициентом пропорциональности К, носящим название коэффициента массопередачи.

14. Написать основные критерии подобия массообменных процессов и объяснить их физический смысл. Какой критерий является определяемым и какая величина рассчитывается из этого критерия? Сопоставить критерии массопередачи с критериями теплопередачи

Общность дифференциальных уравнений конвективного теплообмена и массопередачи позволяет считать, что основные критерии подобия диффузионных процессов должны иметь одинаковый вид с критериями подобия тепловых процессов.

Критерий , характеризующий обмен вещества на границе фаз, по своей структуре совершенно аналогичен критерию Нуссельта (Nu), характеризующему теплообмен на границе:

И поэтому его обозначают :

,

где К_у - коэффициент массопередачи, м/ч; l - характерный линейный размер, м; D - коэффициент диффузии, м³/ч

Критерий характеризует обмен вещества в движущейся среде, аналогичен критерию Пекле , и поэтому его обозначают:

Вместо критерия Ре' удобно ввести аналог теплового критерия Прандля:

или

Если действием объемных сил (сил тяжести) можно принебречь, то критериальное уравнение массопередачи записывается как:

Nu'=f(Rе, Рr') или

Вид этой функции находят опытным путем, для чего его преобразовывают:



И числовые значения коэффициентов А, m, n находят из опытных данных. В этом уравнении критерии Rе и Рr' являются определяющими, а Nu' - определяемым.

Критерий Вебера Wе учитывает зависимость массопередачи от поверхностного натяжения у:

Однако эта зависимость не вытекает непосредственно из дифференциальных уравнений диффузии и недостаточно согласуется с опытными данными

Из совместного решения уравнения для процесса теплоотдачи в вынужденном потоке и массопередачи в тех же гигротерммических условиях имеем:

Таким образом, результаты исследования процессов массопередачи можно переносить на процессы теплопередачи, протекающие в подобных условиях, и, наоборот, результаты исследования процессов теплоотдачи на процессы массопередачи.

15. Написать выражение коэффициента массопередачи через коэффициенты массоотдачи и объяснить их физическую сущность

При определенных допущениях (отсутствие диффузионного сопротивления при переходе компонента через поверхность раздела фаз, существование равновесия на этой поверхности, линейность уравнения равновесия у*=mх или у*=mх+b) получаются следующие зависимости между коэффициентами массопередачи К_у и К_х и фазовыми коэффициентами массоотдачи в_у и в_х:

,

где m - тангенс угла наклона линии равновесия. Коэффициенты массоотдачи и массопередачи выражены в кмоль/(м²•с)

знаменатели этих уравнений представляют собой общее диффузионное сопротивление, равное сумме диффузионных сопротивлений газовой и жидкой фаз.

Когда основное диффузионное сопротивление сосредоточено в газовой фазе, т.е. при ??, К_у?в_у

Когда основное диффузионное сопротивление сосредоточено в жидкой фазе, т.е. при ??, К_у?К_х/m

16. Написать уравнения линий рабочих концентраций процесса ректификации и графически изобразить их в координатах у?х, показать расчет ректификационной колонны с помощью числа ступеней и изменения концентраций

Поскольку условия работы укрепляющей и исчерпывающей частей ректификационной колонны различны, уравнения рабочих линий для них различны.

Для верхней (укрепляющей) части колонны:

Для нижней (исчерпывающей) части колонны:

В ректификационной колонне принимают на основании теоретических предпосылок постоянными по высоте колонны общие мольные расходы пара и жидкости. В соответствии с этим в уравнениях рабочих линий применяются мольные расходы и концентрации.

Рис. 7. Графическое определение числа теоретических тарелок; ОE - равновесная кривая; АВ и ВС - рабочие линии для укрепляющей в исчерпывающей частей колонны; 1-6 - тарелки.

Для анализа работы колонны, расчета состава дистиллята и остатка и распределения концентраций легколетучего компонента по высоте аппарата используют понятие о теоретической ступени разделения, или теоретической тарелке. Такая ступень (тарелка) соответствует некоторому гипотетическому участку аппарата, где жидкость и покидающий ступень пар находятся в равновесии. Число теоретических тарелок (n_т), необходимое для получения дистиллята и остатка заданного состава, можно найти графически с помощью у-х-диаграммы (рис. 7), описывающей зависимость между равновесными молярными концентрациями паровой (у*) и жидкой (х) фаз. Для определения n_т на графике строят ступенчатую линию между равновесной кривой у* = f(х) и ломаной линией AВС. Линия АВ отвечает уравнению рабочей линии дляверхней части колонны, линия ВС-- уравнению рабочей линии в нижней части колонны. Из рисунка видно, что для разделения исходной смеси на дистиллят состава x_D и остаток состава x_W требуется по 3 теоретических тарелки в укрепляющей и исчерпывающей частях колонны. Более точный метод расчета составов дистиллята и остатка при известном числе теоретических тарелок основан на последовательном вычислении составов пара и жидкости на каждой тарелке с использованием уравнений рабочих линий и теплового баланса. Учитываются также изменения потоков по высоте колонны вследствие неравенства теплот испарения компонентов.

Зная число теоретических тарелок можно определить высоту тарельчатой ректификационной колонны или расстояние Н_т между верхней и нижней тарелками:

Н_т=(n_т?1)h,

где h - расстояние между тарелками.

17. Статическая и динамическая активность адсорбента. Расчет времени защитного действия слоя адсорбента

Основной характеристикой адсорбента является его активность, определяемая весовым количеством вещества, поглощенного единицей объема или веса поглотителя. Различают активность статическую и динамическую.

Статическая активность адсорбента характеризуется максимальным количеством вещества, адсорбированного к моменту достижения равновесия весовой или объемной единицей адсорбента при данной температуре и концентрации адсорбируемого вещества в газово-воздушной смеси.

Динамическая активность является характеристикой адсорбента при протекании паро-воздушной смеси через слой адсорбента до момента проскока адсорбируемого газа.

Если газовая смесь проходит через слой адсорбента, то в начальный период процесса адсорбтив полностью извлекается из газовой смеси. По истечении определенного промежутка времени в газовой смеси, уходящей из поглотителя, начинают появляться заметные, все возрастающие количества адсорбтива (проскок), и к концу процесса концентрация уходящего газа становится равной начальной концентрации паро-воздушной смеси. Время от начала процесса до момента проскока называют временем защитного действия и рассчитывают по уравнению:

,

Где ф' - продолжительность поглощения при бесконечно большой скорости поглощения, с; а - количество вещества, поглощаемое единицей объема адсорбента, в кгс/м³; L - высота слоя адсорбента в м; щ_у - скорость газового потока, м/с; С₀ - начальное содержание поглощаемого вещества в газовой фазе, кгс/м³.

Фактическое время защитного действия ф слоя адсорбента длиной Д всегда меньше ф'. Разность ф₀=ф'?ф называется потерей защитного действия. Тогда:

 или или

Где - коэффициент защитного действия слоя; h - величина, характеризующая неиспользованную статическую активность слоя адсорбента.

Соответственно потеря времени защитного действия слоя получится из равенства:

Процесс адсорбции в неподвижном слое адсорбента является неустановившимся, поэтому определение времени защитного действия слоя адсорбента и изменения концентрации газа по высоте слоя представляет собой весьма сложную задачу.

18. Какой размер массообменного аппарата (высота, диаметр) влияет на производительность и какой на качество (на эффективность массопередачи)?

При проведении технологических расчетов массообменных аппаратов определяют их диаметр (если аппараты цилиндрической формы) и высоту (или длину). Диаметр или сечение аппарата отражают его производительность, а высота - интенсивность протекающих в аппарате процессов.

Обычно диаметр или поперечное сечение S массообменного аппарата определяют по уравнению расхода:

Q=S•щ₀.

Где Q - объемный расход сплошно1 фазы, м³/с; щ₀ - приведенная (или фиктивная) скорость той же фазы, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с.

Для аппаратов круглого поперечного сечения диаметром D:

откуда

Рабочую высоту массообменного аппарата Н принципиально можно найти по основному уравнению массопередачи:

М=К_уД_уF=К_хД_хF

F=НSа

где а - количество вещества, поглощаемое единицей объема адсорбента, в кгс/м³; Н - высота аппарата; S - поперечное сечение аппарата (при круглом сечении S=рD²/4).

Тогда:

После некоторых преобразований:

Таким образом, число n_у - характеризует массообменную способность (эффективность) аппарата; оно называется числом единиц переноса.

19. Изобразить на диаграмме Рамзина, как по показаниям сухого и мокрого термометров находится точка, соответствующая этим параметрам воздуха. Для полученной точки показать, как находится влагосодержание, теплосодержание, относительная влажность, парциальное давление паров и температура точки росы

Состояние влажного воздуха характеризуется на I-х-диаграмме пересечением четырех линий: постоянной температуры (изотермы) t, постоянного влагосодеожания х, постоянной относительной влажности ц и постоянного теплосодержания (энтальпии) I (рис. 8). По оси ординат откладывают энтальпию на 1 кг сухого воздуха, а по оси абсцисс - влагосодержание воздуха (в г на 1 кг сухого воздуха). I-х-диаграмма построена в косоугольной системе координат с углом между осями 135є. Такая система позволяет расширить на диаграмме область ненасыщенного влажного воздуха, что делает ее удобной для графических построений. Линии постоянной энтальпии (I=соnst) проходят под углом 135є к ординатам, а линии влагосодержания (х=соnst) располагаются параллельно оси ординат.

Рис. 8. Диаграмма Рамзина

Рис.9. Определение относительной влажности воздуха по показаниям сухого и мокрого термометров

На рисунке 8 показан порядок определения относительной влажности воздуха по показаниям сухого и мокрого термометров: находим на диаграмме точку пересечения изотермы t_м с линией ц= соnst (т. А на рис. 9); из этой точки, двигаясь по линии постоянной температуры мокрого термометра (t_м=соnst) доходим до пересечения с изотермой t. В точке пересечения В находим искомое значение относительной влажности ц. Линии t_м=соnst на диаграмме Рамзина обычно не нанесены, и искомую относительную влажность воздуха можно приближенно определить, двигаясь из т. А по линии I=соnst до пересечения ее с изотермой t. Линии t_м=соnst и I=соnst близки и, при небольших значениях разности (t-t_м) погрешность при таком приближении невелика.

Чтобы найти влагосодержание воздуха, соответствующего таким показаниям, следует из т. В опустить перпендикуляр на ось х. двигаясь из т. В по линии I=соnst находим теплосодержание, а проецируя эту же точку на линию «парциальное давление пара» и откладывая перпендикуляр на вторую ось ординат (справа) ? парциальное давление водяных паров.

Точка росы соответствует той температуре, при которой паровоздушная смесь с данным влагосодержанием становится насыщенной водяным паром. при охлаждении влажного воздуха ниже этой температуры происходит конденсация водяных паров. Для определения точки росы необходимо из точки, характеризующей состояние воздуха опуститься по линии х=соnst до пересечения с кривой ц=100%, т.е. до линии насыщения, откуда по изотерме находим температуру точки росы.

Размещено на Allbest