курсовая процессы и аппараты. 1 Введение (Автосохраненный). Протекающие процессы разделяют на группы
 Скачать 22.9 Kb.
|
|
1 Введение. Современная химическая технология изучает процессы производства минеральных кислот и удобрений, щелочей и солей, процессы синтеза разнообразных органических соединений из природных газов и продуктов переработки каменного угля и нефти, а так же многие другие процессы химической переработки синтетических и природных веществ. Несмотря на разнообразие методов химической технологии, получение различных химических процессов: нагревание, охлаждение, перемешивание, фильтрование, сушка и т.д. В физико-химических основах процессов, используемых во всех отраслях химической технологии, рассматриваются принципы устройства и методы расчёта аппаратов, предназначенных для проведения этих процессов. Овладение этой наукой позволяет осуществлять в производственных условиях наилучшие технологические режимы, повышать производительность аппаратуры и улучшать качество продукции. Применяемые в химических производствах вещества обычно измельчаются, транспортируются, нагреваются, охлаждаются, реагируют друг с другом, причём взаимодействие их часто сопровождается испарением, растворением и другими процессами, связанными с переходом веществ из одной фазы в другую: массообмен или с образованием новых химических продуктов. Процессы эти подчиняются законам химической кинетики, гидромеханики, теплопередачи, массопередачи. Простейший случай процесса может быть охарактеризован лишь одним законом – законом движения жидкости. Это движение сопровождается теплообменом, массообменом, и другими явлениями, т.е. протекание сложного процесса зависит от целого ряда факторов, которые оказывают на ход процесса совместное действие. В « Процессах и аппаратах» изучаются принципы химической технологии, основанные на законах гидромеханики, теплопередачи, массопередачи и механике твёрдых тел (измельчение и смешивание). Протекающие процессы разделяют на группы. Механические процессы применяются для переработки твёрдых материалов и подчиняются закону механики твёрдых тел. Гидромеханические процессы применяются для переработки жидкостей и газов. Этот процесс характеризуется законом механики жидких тел. К их числу относятся отстаивание, фильтрование, центрофугирование, очистка газов от пыли. Тепловые процессы, связанные с теплообменом (переход тепла от донного вещества к другому). Нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, затвердевание и плавление, кристаллизация и получение искусственного холода – относятся к тепловым процессам. Массообменные процессы. К ним относятся следующие группы перехода веществ из одной фазы в другую: из твёрдой фазы в жидкую и наоборот – кристаллизация; из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу – экстракция; из жидкой фазы в газообразную – испарение жидкости, или из газообразной фазы в жидкую – конденсация паров из его смеси с газами, адсорбция газа жидкостью; из жидкой фазы в парообразную – ректификация; из твёрдой фазы в газообразную – возгонка, десорбция газов из твёрдых тел или из газообразной фазы на поверхность твёрдых тел – адсорбция газов твёрдыми телами. Важнейшие массообменные процессы: сушка твёрдых материалов, ректификация и сорбция – поглощение газов жидкостями или твёрдыми веществами. Все указанные процессы широко применяются в химических производствах и называются основными процессами химической технологии. В конце XIX – XX вв. с изобретением электропривода и паровой турбины появилась возможность создания быстроходных машин: центрифуг, центробежных насосов, турбокомпрессоров. В связи с значительным увеличением масштабов производства химической продукции большое внимание стали уделять разработке непрерывных процессов. В этот период начинает развиваться техника низких температур и высоких давлений. Развитие химической техники неразрывно связано с интенсификацией физических процессов, применяемых в химической технологии. Известно, что скорость ряда процессов возрастает с увеличением скорости движения и поверхности соприкосновения реагентов. Поэтому в последние годы в химической промышленности стали применять новые высокопроизводительные аппараты, в которых тепло- и массообмена возрастают во много раз благодаря тонкому распылению жидкостей, интенсивному перемешиванию реагентов, проведению процессов в кипящем (псевдоожиженном) слое твёрдого сыпучего материала и т.д. В результате интенсификации технологических процессов, внедрение непрерывных методов производства, автоматизации и механизации значительно возросли производственные мощности химической промышленности и повысился её технический уровень. Успехи в области машиностроения и металлургии, освоившей производство разнообразных сплавов (обладающих химической стойкостью и высокой механической прочностью, устойчивых к износу, к действию высоких температур), а также все расширяющееся применение пластических масс в качестве конструкционных материалов позволили значительно усовершенствовать многие аппараты и машины, используемые в химической промышленности. В решении всех этих задач важную роль сыграла наука о процессах и аппаратах химической технологи. 2 Виды передачи тепла. Уравнение теплопередачи. При тепловых процессах тепло передаётся от одного вещества к другому. Для переноса самопроизвольного тепла одно из этих веществ должно быть нагрето, чем другое. Теплоносителями называются вещества, участвующие в процессе перехода тепла (теплообмене). Вещество с высокой температурой, которое называется горячим теплоносителем, отдаёт тепло в процессе теплообмена веществу с более низкой температурой, называемым холодным теплоносителем. 2.1 Существует два основных способа проведения тепловых процессов: путём непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители. Процесс передачи тепла непосредственным соприкосновением ,где теплоносители смешиваются друг с другом, применяются сравнительно редко, так как смешивание теплоносителей не всегда допустимо, но этот способ значительно проще в аппаратурном оформлении, а при передачи тепла через стенку теплоносителей не смешиваются друг с другом, так как каждый из них движется по отдельному каналу, и их поверхность используется для передачи тепла, называемым поверхностью теплообмена. Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом и неизменяемой температурой в каждой точке аппарата во времени; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия (при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы). При неустановившемся процессе температуры изменяются во времени. Передача тепла может происходить посредством теплопроводнос- ти, конвекции и лучеиспускания. Теплопроводностью передача тепла осуществляется путём переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела и определяется формулой: F( tст1 – tст2) F 0ст Q= = Где tст1 и tст2 – температуры поверхностей стенки, - коэффициент пропорциональности или коэффициент теплопроводности и имеет размерность: Конвекцией – происходит только в жидкостях и газах путём перемешиванием их частиц. Перемешивание частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), или разностью плотностей жидкости в разных точках объёма, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, естественная конвекция). Передача тепла конвекцией определяется формулой: Q= F 0част. ( вт/м2 * град). Передача тепла лучеиспусканием происходит путём переноса энергии в виде электромагнитных волн, где тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим теплом (поглощение). Передача тепла лучеиспусканием определяется по закону Стефана – Больцмана: Q= CF( )4. Где C – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом лучеиспускания. Если Q выражено в вт, а F в м2, то размерность коэффициента лучеиспускания: [C]= 2.2 Уравнение теплопередачи. Для протекании процесса передачи тепла необходимо наличие разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором: 0=T-t, Где Т – температура горячего теплоносителя, t – температура холодного теплоносителя и 0 – температурный напор. Чем больше температурный напор, тем выше скорость теплопередачи и количество тепла, передаваемого от горячего к холодному, т.е. тепловая нагрузка аппарата, пропорционально поверхности Fтеплообмена, температурному напору 0 и времени : Q= k * F0 , Где k – коэффициент пропорциональности (коэффициент теплопередачи) и представляет собой количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре, равном единице. Если Q выражено в Дж, F в м2, в сек. и 0 в град, то коэффициент теплопередачи имеет размерность: 2.2.1 Средний температурный напор определяется при прямотоке и противотоке, как среднее арифметическое из значений максимального (tmax) и минимального (tmin) температурных напоров: tmax – tmin tср= tmax 2,3 Lg tmin Если отношение tmax < 2, то можно пользоваться среднеарифметичес- tmin ким : tmax + tmin tср= 2 2.2.2 Тепловая нагрузка при охлаждении и нагревании без изменении агрегатного состояния определяется по формуле: Qгор= G*С*(Т1 – Т2) = W* T Где Qгор – тепловая нагрузка горячего теплоносителя, G – количество теплоносителей, С – удельная теплоёмкость горячего теплоносителя ( Дж/кг*град), Т1 и Т2 – температура теплоносителей на входе и выходе из аппарата. При нагревании холодного теплоносителя: Qхол= g*c*(t2-t1) = w* t Где с – удельная теплоёмкость теплоносителей(Дж/кг*град) 2.2.3 коэффициент теплопроводности представляет собой количества тепла, проходящее в единицу времени через единицу поверхности при разности температур 1оС на единицу толщины стенки. Зависит этот коэффициент от свойств материала стенки и от её температуры: 1 k = Где и - коэффициенты теплопередачи, - толщина стенки, - теплопроводность стенки. 2.2.4 Величины r1= и r2= , обратные коэффициентам теплоотдачи, называют термическими (тепловыми) сопротивлениями при переходе тепла через пограничный слой теплоносителя. Аналогично rст= будет термическим сопротивлением стенки, а r = - будет общим термическим сопротивлением при переходе тепла от одного теплоносителя к другому. Размерность термического сопротивления – м2*град/вт. |