Ответы на экзамен ПАХТ. 1. Классификация основных процессов химической технологии может. В зависимости от основных законов, определяющих скорость процессов

• Название: 1. Классификация основных процессов химической технологии может. В зависимости от основных законов, определяющих скорость процессов
• Анкор: Ответы на экзамен ПАХТ.doc
• Дата: 05.01.2018
• Размер: 1.17 Mb.
• Имя файла: Ответы на экзамен ПАХТ.doc
• Тип: Документы; #13688
• страница: 2 из 5

11. Уравне́ния Навье́ — Сто́кса — система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая движение вязкой ньютоновскойжидкости. Уравнения Навье — Стокса являются одними из важнейших в гидродинамике и применяются в математическом моделировании многих природных явлений и технических задач. Названы по имени французского физика Анри Навье и британского математика Джорджа Стокса.

Система состоит из двух уравнений:

• 
  уравнения движения,
  
• 
  уравнения неразрывности.
  

В векторном виде для несжимаемой жидкости они записываются следующим образом:



где  — оператор Гамильтона,  — оператор Лапласа,  — время,  — коэффициент кинематической вязкости,  — плотность,  — давление,  — векторное поле скоростей,  — векторное поле массовых сил. Неизвестные  и  являются функциями времени  и координаты , где ,  — плоская или трёхмерная область, в которой движется жидкость.

Применение
Будучи дополненной уравнениями переноса тепла и переноса массы, а также соответствующих массовых сил, система уравнений Навье — Стокса может описывать конвекцию,термодиффузию в жидкостях, поведение многокомпонентных смесей различных жидкостей и т. п.

Если же в уравнение в качестве массовой силы ввести силу Лоренца, и дополнить систему уравнениями Максвелла для поля в сплошной среде, то модель позволяет описывать явления электро- и магнитогидродинамики. В частности, такие модели успешно применяются при моделировании поведения плазмы, межзвёздного газа.

Одним из применений системы уравнений Навье — Стокса является описание течений в мантии Земли («проблема динамо»).

Также вариации уравнения Навье — Стокса используются для описания движения воздушных масс атмосферы, в частности при формировании прогноза погоды. Для описания реальных течений в различных технических устройствах приемлемую точность численного решения можно получить только при такой расчётной сетке, ячейки которой меньше самого мелкого вихря. Это требует очень больших затрат расчётного времени на современных компьютерах. Поэтому были созданы различные модели турбулентности, упрощающие расчёт реальных потоков.

12. Уравнение Эйлера — одно из основных уравнений гидродинамики идеальной жидкости. Названо в честь Л. Эйлера, получившего это уравнение в 1752 году (опубликовано в 1757 году). По своей сути является уравнением движения жидкости.
 уравнение Эйлера для движения идеальной жидкости в поле тяжести:

где  — плотность жидкости,
 — давление в жидкости,
 — вектор скорости жидкости,
 — вектор напряжённости силового поля,
 — оператор набла для трёхмерного пространства.

13. Уравнение Бернулли.

Основное уравнение гидродинамики.

В геометрической форме:



дин.напор полный статич.напор

В энергетической форме:



дин. дав. в точке давление. При установившемся движении идеальной жидкости сумма динамического и статического напора (полный гидравлический напор) есть величина постоянная, не зависящая от поперечного сечения трубопровода.

Является частным случаем закона сохранения сохранения энергии, который показывает, что сумма кинетической и полной потенциальной энергий при движении идеальной жидкости по трубопроводу не изменяется

Для реальной жидкости



При установившемся движении реальной жидкости по трубопроводу переменного сечения полный гидродинамический напор есть величина не постоянная, а отличается на величину потерь на трение

Практическое применение : водонапорные башни

14. гидравлическое сопротивление.

Это сопротив движениея тела со стороны обтекающей его жидкости или сопротивление движения жидкости вызванной влиянием стенок труб ,каналов

h_n=h_тр+h_MC

h_тр-появляется при движении жидкости по всей длине трубопровода. на величину сопротивления оказывает влияние режим течения h_МС-возникает при любых изменениях скорости или направления движения

Формула Дaреи



-коэф трения

l- трубы длинна

d-диаметр

- средняя скорость потока

g-ускорение своб падения

-коэф сопротивления.



Расчет потерь давления на терние и местные сопротивления:

15. перемещение жидкости

При перемещении жидкости по горизонтальному трубопроводу и с низкого уровня на высщий применяют насосы. Насосы-это гидравличиские машины приобразуюзие механ энергию движения в энергию перемещаемой жидкости ,повышая её давление .классификация насосов :
1)динамические –жидкость перемещается при воздействии сил на не замкнутый v жидкости не прирывно сообщающейся со входом и выходом из него.
2)объёмные жидкость перемещается при переодическом изменении замкнутого v-ма жидкости ,которая переодически сообщается со входом в насос и выходом из него.по виду сил на жидкость различают
а)лопастные :центробежные и осевые.
б)насосы трения.

Основные параметры: производительность,напор и мощность. производит-определяется объёмом жидкости ,подаваемой насосом нагнетатель трубопровода в ед.времени.(Q)=м³/сек.

Напор H (м)- характеризуется удельной энергией , которая сообщается насосом единицы веса прекачиваемой жидкости.

Мощность полезная N_k-затрачивается насосом на сообщение жидкости энергии.

18.Телообменные процессы и аппараты.

Тепловая энергия представляет собой кинетическую энергию беспорядочно движущихся частиц. В жидкостях и газах это поступательное, вращательное и колебательное движение микрочастиц. В твердых телах поступательное движение отсутствует. Передача тепловой энергии от более нагретых тел к менее нагретым называется теплообменом. Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями. Могут быть горячие и холодные теплоносители.

Количество теплоты, передаваемое в процессе теплообмена за единицу времени называется тепловой нагрузкой или тепловым потоком - ;[ кал ], [ ккал ] - это количество тепла. количество тепла в единицу времени.

Тепловой поток , проходящий через единицу поверхности теплообмена называется удельный тепловой поток либо удельная тепловая нагрузка

.

Температурное поле. Изотермы.

При расчетах теплообменных аппаратов необходимо знать распределение температур по сечению аппарата т.е. температурное поле . Если в температурном поле соединить точки, имеющие одинаковую температуру, то мы получим поверхность уровня, проекция которой на плоскость, называется изотермой , т.е. линией постоянной температуры.
На рис. средняя кривая (изотерма)- t,

верхняя изотерма , кратчайшее расстояние между изотермами (по нормали)- . Вычтем из ( )-(t) и отнеся к ; предел этого отношения при наз. градиентом (t) температур.


Поскольку тепло переносится от большей температуры к меньшей, то тепловой поток пропорционален отрицательной величине градиента. Этот градиент является вектором, направление которого соответствует повышению температуры. Величина температурного градиента характеризует наибольшую скорость изменения температуры в данной точке температурного поля.



Температурное поле зависит от пространственных координат точки и времени в этом случае осуществляется нестационарный процесс. Эта зависимость представляет собой уравнение нестационарного теплообмена. Если время равно 0 т.е. температурное поле зависит от пространственных координат точки- процесс стационарный . Расчет температурного поля сложный и осуществляется путем интегрирования сложных уравнений.


19. Тепловые балансы.
Если, фазового перехода при нагревании или охлаждении не происходит, то тепловой поток определяется - , [Вт].

Зная, изменение температуры горячего теплоносителя от t₁ до t₂ (охлаждении) можем записать, что. Этот же тепловой поток передается холодному теплоносителю который изменяет температуру от до , можем записать наоборот, т.к. тело нагревается.

Тепловой баланс аппарата записывается: .

Потери тепла в расчетах составляют - 3 5 % (чаще гораздо больше).

Количество тепла, расходуемое для нагревания и охлаждения теплоносителя можно рассчитать через энтальпию, и тогда.

В том случае, когда теплоноситель меняет свое агрегатное состояние в процессе нагрева или охлаждения следует использовать только энтальпийную форму записи. Разность (энтальпия) обозначается -( )-называется удельная теплота фазового перехода или удельная теплота парообразования или конденсации.

- таблицы 56,57(задачник).

Перенос тепла от одного теплоносителя к другому может происходить путем теплопроводности, конвекции и излучения.

1) Теплопроводность - это перенос тепла вследствие теплового движения молекул (это молекулярная диффузия).

В жидкостях и газах - теплопроводность возникает при движении атомов и молекул. В твердых телах - за счет колебательного движения атомов в узлах элементарной решетки.

2) Конвекция - это перенос тепла струями движущейся жидкости или газа. Если конвекция обусловлена разностью плоскостей, возникающих в точках с разной температурой, наблюдается естественная конвекция.

Конвективный перенос, осуществляемый с помощью насосов либо вентиляторов называется вынужденной конвекцией (когда струйки созданы искусственно).

3) Излучение - передается путем электромагнитных колебаний с различной длиной волны. Тепловой поток при излучение зависит от четвертой степени температуры. Обычно перенос тепла осуществляется комбинированно, когда имеют место и теплопроводность, и конвекция, и излучение. Такой сложный процесс называется - теплопередача .


20. Теплопроводность - диффузионный перенос количества тепла, в следствии движения молекул, (аналог переноса электрического тока). Симбатные свойства (подобные), которые описываются одними и теми же уравнениями.

Количество тепла передаваемое через поверхность перпендикулярную тепловому потоку прямо пропорционально градиенту температур - закон Фурье.



где : -тепловой поток,

-элементарная поверхность теплообмена,

-время протекания процесса,

-градиент температур.

Удельный тепловой поток пропорционален градиенту температур.



В этих уравнениях -коэффициент теплопроводности.

В уравнении Фурье коэффициент теплопроводности () показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности. Величина, характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

Знак (-) в уравнение Фурье стоит так как тепловой поток и градиент температур направлены в противоположные стороны (то есть тепло перемещается в сторону падения температуры). При обычных температурах и давлении лучшими проводниками тепла являются металлы и худшими - газы.

Теплопроводность газов меньше чем у капельных жидкостей.

При нагревании газов увеличивается, жидкостей - уменьшается. У металлов теплопроводность наиболее высокая.

Увлажнение пористых материалов вызывает рост величины вследствие вытеснения воздуха водой, отличающихся более высокой теплопроводностью. При этом влажного материала часто превышает значения для сухого материала и воды в отдельности.

Теплопроводность теплоизоляционных материалов близок к газам. Это объясняется пористой структурой материалов. В порах содержится воздух. Важное значение имеет критический радиус пор, чем больше размер пор, тем большую долю теплового переноса занимает конвекция, снижая тем самым теплоизоляционные свойства.



22. Закон Стефана - Больцмана.

Количество энергии, излучаемое телом в единицу времени, единицей поверхности (S), характеризует лучеиспускательную способность (Е) тела.

,

где: - энергия, излучаемая телом.

Интенсивность излучения - это отношение лучеиспускательной способности к длине волны.



Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела () пропорциональна четверной степени абсолютной температуры его поверхности.



где Т - абсолютная температура поверхности тела [⁰K] ;

; - константа лучеиспускания абсолютно черного тела. Или тепловой поток излучением:



Для удобства расчетов это уравнение записывается следующим образом:

,

Этот закон абсолютно справедлив для абсолютно черных тел.

Для серых тел в уравнение вводится степень черноты ( ) ;



где - степень черноты серого тела ( = );

- лучеиспускательная способность абсолютно черного тела;

- лучеиспускательная способность серого тела.

Закон Кирхгофа.

Для серых тел необходимо знать зависимость между их излучательной и поглощательной способностью.

,

где Е - лучеиспускательная способность тела;

А - лучепоглощательная способность тела.

Отношение лучеиспускательной способности тела к его лучепоглощательной способности, есть величина постоянная, равная лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

Взаимное излучение двух твердых тел.

Если тело, излучающее энергию, находится внутри другого тела, которое тоже излучает энергию, то тепловой поток взаимного излучения можно определить на основании закона Стефана-Больцмана.

Количество тепла (), передаваемое посредством излучения от более нагретого тела, имеющего температуру , к менее нагретому телу с температурой , определяется по уравнению:

₁₂
,

где и - абсолютные температуры взаимоизлучающихся тел;

₁ и ₂ - степень черноты этих тел;

- обобщенный коэффициент взаимного излучения

- угловой коэффициент, характеризующий угол атаки лучей;

- время;

S - поверхность излучения.

В действительности же тепло переносится совместно конвекцией, диффузией и излучением. Такой процесс называют теплопередачей.

23. Конвективный теплообмен.
Обязательным элементом конвективного переноса количества тепла, является движение макроскопических струй теплового потока. Конвективный теплообмен между потоком теплоносителя и поверхностью твердой стенки называется теплоотдачей. Интенсивность этого процесса зависит от многих параметров, характеризующих свойства, состояние и режим перемещения среды, а также форму и размеры твердого тела. Так как математическое описание процесса конвективного теплообмена встречает непреодолимые затруднения, при его изучении за основу принимают более простую общую закономерность, называемую уравнением Ньютона:

.

тепловой поток при конвективном теплообмене пропорционален разности температур поверхности твердого тела и соприкасающейся с ней среды, поверхности соприкосновения и продолжительности процесса.

- выражает количество тепла, отданного единицей поверхности в единицу времени при разности температур 1 град. Кельвина.

Величина - термическое сопротивление теплоотдачи ( -не является постоянной величиной). - зависит от следующих факторов:

1. 
   физических свойств теплоносителя (плотность, вязкость, v- скорость).
   
2. 
   тепловых свойств(с - теплоемкость, - температура, -теплопроводность).
   

1. 
   геометрических параметров твердого тела и его шероховатости (- длина, -диаметр, -абсолютная шероховатость).
   

25. Теплопередача.

Это перенос количества тепла от более нагретого теплоносителя, к более холодному, через разделяющую поверхность. (Взяли друг друга за руки- теплопередача, положили бумагу между руками - теплопередача).

Отдача- при непосредственном контакте. Передача- через стенку. (Отдайте рубль кому-то - отдача, отдайте рубль через кого-то - передача).

Теплопередача - сложный процесс, который включает в себя:

1 - теплоотдача от горячего теплоносителя к стенке;

2 - теплопроводность внутри стенки;

3 - теплоотдача от стенки холодному теплоносителю.

Движущей силой теплопередачи является разность температур горячего и холодного теплоносителей. Эта величина носит название температурный напор.

Возьмем стенку толщиной , коэффициент теплопроводности стенки - .

Слева от стенки - горячий теплоноситель, справа - холодный. Интенсивность теплопереноса характеризуется:

1 - стадия теплоотдача от горячего теплоносителя к стенке; температура изменяется от до ( коэффициент теплоотдачи ).

2- стадия теплопроводность () от до .
3 - теплоотдача от стенки к холодному теплоносителю; температура

изменяется до (коэффициент теплоотдачи ).

Запишем удельные тепловые потоки каждой стадии переноса тепла:

1. Стадия

2. Стадия

3. Стадия

При постоянных температурах теплоносителей - уравнение теплопередачи:



где - тепловой поток;

- коэффициент теплопередачи ;

S - поверхность теплообмена[м²];

- температурный напор.

- коэффициент теплопередачи, характеризует количество тепла, переносимое через единицу поверхности в единицу времени при разности температур в1кельвин.

-описывает интенсивность теплопередачи



- термическое сопротивление теплопередачи.
26. Теплообменные аппараты

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников.

1.Поверхностные, в которых перенос тепла между обменивающимися

теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена (глухую стенку). К ним относятся: кожухотрубчатые теплообменники, двухтрубчатые теплообменники типа "труба в трубе", пластинчатые, оребренные и другие.

2.Теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

3.Регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твердыми

телами- насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагреваемой другим телом.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены и их конструкции весьма разнообразны.
Классификация и выбор теплоносителей.
Нагревание и охлаждение жидкостей, а так же конденсация паров, осуществляется в теплообменных аппаратах.

Теплоноситель, имеющий более высокую температуру называется нагревающим агентом, и более низкую - охлаждающим. В качестве прямых источников тепла используют дымовые газы (продукты сгорания топлива) и электроэнергию. Вещества, получающие тепло от прямых источников и отдающие его нагреваемой жидкости, называются промежуточными теплоносителями, к их числу относятся: водяной пар, горячая вода, высокотемпературные теплоносители (а именно перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости и их пары, расплавленные соли, жидкие металлы). В качестве охлаждающих агентов применяют : воду, воздух.

Выбор теплоносителя зависит от требуемой температуры. Теплоноситель должен обеспечивать высокую интенсивность теплообмена при небольших расходах, он должен обладать малой вязкостью, но высокой плотностью, он должен быть не горюч, не токсичен, термически стоек, обладать антикоррозийными свойствами и вместе с тем должен быть доступен и дешев.

1). Вода. Наиболее рационально применять воду как теплоноситель при температурах до100⁰С, так как при создании высокого давления и более высоких температурах вода менее экономична по сравнению с другими теплоносителями. Коэффициент теплоотдачи воды () ниже чем у пара. Воду получают в водогрейных котлах, обогреваемых паром или топочными газами или в паровых водоподогревателях, которые называются Бойлеры.

Горячую воду как теплоноситель широко применяют для отопительных целей, подогрева сырьевых материалов.

27. Тепловой расчет теплообменных аппаратов

1. Составление теплового баланса (с целью определения требуемого для процесса количества тепла).

2. Рассчитывают средний температурный напор с учетом взаимной

направленности теплоносителей.

3. По правилу аддитивности определяют коэффициент теплопередачи.

4. По основному уравнению теплопередачи рассчитывают необходимую поверхность теплообмена.

5. Рассчитывают необходимое число труб.

6. Рассчитывают поверхность оребрения.

7. Производят гидравлический расчет для выбора насоса.

8. Экономический расчет аппарата.
29. Классификация массообменных процессов.

1.Абсорбция- поглощение газового компонента из смеси газов жидким поглотителем, обратный процесс называется десорбция.

2.Экстракция- разделение гомогенных жидких смесей другой жидкостью, в которой одна из смесей растворяется, а остальные не смешиваются (не реагируют).

3.Перегонка и ректификация- это разделение гомогенной жидкой смеси путем перевода пар-жидкость. Перегонка- однократный переход. Ректификация- многократный переход. Продукт ректификации называется - ректификат.

4.Адсорбция-поглощение компонента газа, пара или жидкости твердым поглотителем, то есть переход распределяемого компонента из газовой или жидкой фазы в твердую. Обратный процесс-десорбция.

Если процесс адсорбции происходит с ионным обменом то он называется ионосорбция .

Если процесс адсорбции происходит с химической реакцией то он называется хемосорбция.

Пример адсорбции- (противогаз) активированный уголь, селикогель.

5.Кристаллизация- выделение твердой фазы из растворов или расплавов. Обратный процесс- растворение или расплавление.

6.Сушка- процесс удаление влаги из твердого материала путем ее испарения при повышенной температуре, обратный процесс- увлажнение.

Компонент, переходящий из одной фазы в другую называется распределяемым компонентом.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем диффузии, поэтому массообменные процессы часто называют диффузионными. Из теории переноса следует, что количество вещества, диффундирующее в пределах фазы прямо пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе переноса.

Движущей силой массообменных процессов является разность химических потенциалов, поскольку распределяемый компонент переносится от точки с большей концентрацией к точке с меньшей концентрацией; в газовой фазе может быть выражена через парциальные давления, либо для всех случаев- разность концентраций.

Любой массообменный процесс стремится к равновесию- когда движущая сила становится равной нулю. В массообмене принимают участие минимум две фазы и распределяемый компонент, который переносится из фазы в фазу.
2.2. Способы выражения состава фаз.

Концентрация распределяемого компонента в газовой фазе обозначается- ( ); в жидкой фазе или в твердой буквой-( ).

Концентрации бывают: массовые и мольные, мольные обозначаются чертой над знаком концентрации.

1.Объемные концентрации обозначаются буквой (С)- это есть масса распределяемого компонента приходящаяся на единицу объема фазы.

или

2.Массовая или мольная доля - обозначается ( )- это масса данного

компонента, отнесенная к массе всей фазы ()[], .

3.Относительные концентрации: Y,X- масса распределяемого компонента, отнесенная к массе носителя, то есть одной фазы, [],

.

Правило фаз Гиббса.

Ф+С=К+2,
30. Равновесие при массообмене
При равновесии достигается определенная зависимость между предельными или равновесными концентрациями распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления при которых осуществляется процесс массопередачи. Равновесная концентрация обозначается (*) звездочкой.

В условиях равновесия некоторому значению (рабочей концентрации) отвечает строго определенная концентрация в другой фазе, которую обозначаем *. Соответственно концентрации отвечает равновесная концентрация *. В самом общем виде связь между концентрациями распределяемого вещества в фазах при равновесии выражается зависимостью: *= или *=. Любая из этих зависимостей изображается графически линией равновесия (1)-линия на рисунке.

Отношение концентраций фаз при равновесии называется коэффициентом распределения ( ).



Коэффициент распределения выражает тангенс угла наклона линии равновесия и для кривой линии равновесия, является величиной переменной.

Линия(2)-выражается уравнением

= и называется рабочей линией. Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений.

Линия(2)-выражается уравнением

= и называется рабочей линией. Рабочие концентрации распределяемого вещества не равны равновесным и в действующих аппаратах никогда не достигают равновесных значений.

В


ид функции = или уравнение рабочей линии в его общем виде, является одинаковым для всех массообменных процессов и получается из их материальных балансов.
Определение направленности массопереноса.

Распределяемое вещество всегда переходит из фазы, где его содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого вещества ниже равновесной. Направление переноса распределяемого вещества, то есть направление массопередачи, можно определить с помощью линии равновесия и рабочей линии.