Ответы на экзамен ПАХТ. 1. Классификация основных процессов химической технологии может. В зависимости от основных законов, определяющих скорость процессов
 Скачать 1.17 Mb.
|
|
1. Классификация основных процессов химической технологии может.В зависимости от основных законов, определяющих скорость процессов:1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики - науки о движении жидкостей и газов. К этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), .а. также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи – науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров,процессы охлаждения до температур более низких, чем температура окружающей среды (процессы умеренного и глубокого охлаждения.Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения)), при которых осуществляется перенос тепла м/у обменивающимися.: теплом средами.3. Массообменные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Наиболее медленной и поэтому обычно лимитирующей стадией массообменных процессов, является молекулярная диффузия распределяемого вещества. К этой группе процессов относятся абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция из растворов; растворение.Протекание процессов массообмена тесно связано с гидродинамическими условиями в фазах и на границе их раздела и часто - с сопутствующими массообмену процессами переноса тепла (теплообмена).4. Химические (реакционные) процессы, которые протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики. Однако химическим реакциям обычно сопутствует перенос массы и энергии, и соответственно скорость химических процессов зависит также от гидродинамических условий. Вследствие этого скорость реакций подчиняется законам макрокинетики и определяется наиболее медленным из последовательно протекающих химического взаимодействия и диффузии.5.Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел. Эти процессы применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для транспортирования кусковых и сыпучих материалов.Относятся измельчение, транспортирование, сортировка (классификация) и смешение твердых веществ. По способу организации 1)Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Все его стадии протекают в одном месте(в одном аппарате),но в разное время.2)Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производятся одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляется в различных частях одного аппарата или же в различных аппаратах, составляющих данную установку.3)комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекают непрерывно. По распределению времен пребывания различают две теоретические модели аппаратов непрерывного действия: идеального вытеснения и идеального смешения. В аппаратах идеального вытеснения все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока. Все частицы равномерно распределены по площади поперечного сечения такого аппарата и действуют при движении подобно твердому поршню. Время пребывания всех частиц в аппарате идеального вытеснения одинаково. В аппаратах идеального смешения поступающие частицы сразу же полностью перемешиваются с находящимися там частицами, т. е. равномерно распределяются в объеме аппарата. В результате во всех точках объема мгновенно выравниваются значения параметров, характеризующих процесс. Время пребывания частиц в аппарате идеального смешения неодинаково. . 2. Цель расчета процессов и аппаратов: а) определение условий предельного, или равновесного, состояния системы; б) вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, а также количеств потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей; в) определение оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхности или рабочего объема аппаратов; г) вычисление основных размеров аппаратов. Материальный баланс. По закону сохранения массы масса поступающих веществ ∑GH должна быть равна массе веществ ∑GK, получаемых в результате проведения процесса, т. е. без учета потерь. ∑GH=∑GK.Однако в практических условиях неизбежны необратимые, потери веществ, обозначая которые через ∑Gп, находим следующее общее выражение материального баланса: ∑GH=∑Gк+∑Gп Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. Так, материальный баланс процесса сушки составляют как по всему влажному материалу, поступающему на сушку, так и по одному из его компонентов - массе абсолютно сухого вещества или массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале. Баланс составляют либо за единицу времени, например за 1 ч, за сутки (или за одну операцию в периодическом процессе) либо в расчете на единицу массы исходных или конечных продуктов.На основе материального баланса определяют выход продукта, под которым понимают выраженное в процентах отношение полученного количества (массы) продукта к максимальному, т. е. теоретически возможному. Энергетический баланс. Этот баланс составляют на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделившейся энергии, т. е. приход энергии равен ее расходу. Проведение химико-технологических процессов обычно связано с затратой различных видов энергии - механической, электрической и др. Эти процессы часто сопровождаются изменением энтальпии системы, в частности, вследствие изменения агрегатного состояния веществ (испарения, конденсации, плавления и т. д.). В химических процессах очень большое значение может иметь тепловой эффект протекающих реакций. Частью энергетического баланса является тепловой баланс, который в общем виде выражается уравнением ■ ∑QH=∑Qк+∑Qп При этом вводимое тепло: ∑QH=Q1+Q2+Q3 где Q1 - тепло, вводимое с исходными веществами; Q2 - тепло, подводимое извне теплоносителем, обогревающим аппарат; Q3 - тепловой эффект физических или химических превращений.Отводимое тепло ∑Qк складывается из тепла,удаляющегося с конечными продуктами и отводимого с теплоносителем (с охлаждающим агентом). В энергетическом балансе, кроме тепла, учитываются приход и расход всех видов энергии, например затраты механической энергии на перемещение жидкостей или сжатие и транспортирование газов. На основании теплового баланса находят расход водяного пара, воды и других теплоносителей, а по данным энергетического баланса - общий расход энергии на осуществление процесса. 3. Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов. Исследование процессов и аппаратов в масштабах и условиях промышленного производства - сложный процесс. В связи с этим большое значение имеет моделирование — изучение закономерностей процессов на моделях Заключительным этапом моделирования процессов является их оптимизация — выбор наилучших, или оптимальных, условий проведения процесса. Определение этих условий связано с выбором критерия оптимизации, который может зависеть от оптимальных значений ряда параметров (например, температуры, давления, степени извлечения и др. Задача оптимизации сводится к нахождению наиболее выгодного компромисса между значениями параметров влияющих на процесс. Наиболее универсальны экономические критерии оптимизации, интегрально отражающие (в стоимостном выражении) не только основные технические характеристики, но и затраты на энергию, рабочую силу и т. д. Оптимизация на основе экономических критериев связана с наличием гибкой системы цен, оперативно отражающих изменение стоимости продуктов (в том числе промежуточных) с развитием науки и технического прогресса. В зависимости от конкретных условий применяют также технологические, термодинамические, статистические и другие критерии оптимизации. Для оптимизации процессов широко используют кибернетические методы и при экспериментальном изучении - статистические методы планирования экспериментов, позволяющие на основе предварительного математического анализа сократить число опытов до минимально необходимого. Типы моделей Модели можно различать по ряду признаков: характеру моделируемых объектов, сферам приложения, глубине моделирования, средствам моделирования. По последнему признаку методы моделирования делятся на две группы: материальное (предметное) и идеальное. Материальное моделирование, основывающееся на материальной аналогии моделируемого объекта и модели, осуществляется с помощью воспроизведения основных геометрических, физических, других функциональных характеристик изучаемого объекта. Частным случаем материального моделирования является физическое моделирование, по отношению к которому, в свою очередь, частным случаем является аналоговое моделирование. Оно основано на аналогии явлений, имеющих различную физическую природу, но описываемых одинаковыми математическими соотношениями. Пример аналогового моделирования – изучение механических колебаний с помощью электрической системы, описываемой теми же дифференциальными уравнениями. Так как эксперименты с электрической системой обычно проще и дешевле, она исследуется в качестве аналога механической системы. Идеальное моделирование отличается от материального принципиально. Оно основано на идеальной, или мыслимой, аналогии. В экономических исследованиях это основной вид моделирования. Идеальное моделирование, в свою очередь, разбивается на два подкласса: знаковое (формализованное) и интуитивное. Интуитивное моделирование встречается в тех областях науки, где познавательный процесс находится на начальной стадии или имеют место очень сложные системные взаимосвязи. Такие исследования называют мысленными экспериментами. В экономике до последнего времени в основном применялось интуитивное моделирование; оно описывает практический опыт работников. При знаковом моделировании моделями служат схемы, графики, чертежи, формулы. Важнейшим видом знакового моделирования является математическое моделирование, осуществляемое средствами логико-математических построений. 5. конста и inv. Подобия. Критерии подобия Константа подобя выражает отношения различных одноимённых величин в модели и оригенале для различных сходственных точек подобных систем, в измененяются в зависимости от размеров модели и оригинала.inv подобия – отношению некоторых велечин в относительных ед.   Критерий подобия – inv который выражается комплексами , получ при образ диф у-ний описыв данный проц.: 1) определяющие – критерий которые составлены только из величин , входящих в условие однозначности. 2)определяемое – критер которые включ величины не являющиеся необходимым для однозначности ха-ки и зависит от условий.физич смысл – являются мерой соотнош между 2мя эффектами.(силами , энергиями.) 7. гидростатика. Это раздел гидравлики , в котором изуч равновес и воздействие жидкости на погружаемые в неё тела.основн задача – изучение распределения давления а жид.диф Ур-е эллера.-определяет соотношение между силами действующих на жидкость ,которая наход в состоянии покоя и определения условий равновесия жидкости.  Основное Ур-е гидростатики из Ур-я эллера следует что давление жид-ти находящ в покое изменяется по вертикале.,т.е.      Основное Ур-е гидростатики является частным случаем заков сохранения энергии и утверждает что удельная потенц энергия покоющейся во всех точках жидкости есть величина постоянная  практич применение основного Ур-я гидростатики Давление жидкости на дно и стенки сосуда     Таким образом давление на горизонтальное дно сосуда не зависит от формы сосуда и v-ма жидкости в нём,определяется лиш высотой столба жидкости в сосуде. 8. основные хар – ки движ жидкости. 1) Скорость потока и расхода жидкости расход это колич жид ,протекающий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени: -объёмныйV=w*s(M3/сек) -массовый –М=р*w*s(кг/сек) метная скорость изменяется по сечению Средняя скорость : W=V/S 2)гидравлический радиус и эквивалентный диаметр гидравлич радис – отношении площади затопленного сечения тркбопровода к смоченному периметру rг=s/п. dэ=4s/п 3.)режим движ жидкости Re<2320 –ламинарный (> 10000 – турбулентный. 4)установившийся и не установившиеся потоки движение жид являются установиш ,или стационарным если скорость частиц потока и другие факторы (Т Р плотность) не изменяются во времени в каждой фиксированной точке пространства  для нестационарных  Закон внутрен трения ньютона. напряжение внутрен трения возникает между слоями жидк и её течением прямо пропорционально градиенту скорости  –  -динам коэф вязкости  Закон вязкости (внутреннего трения) Ньютона — математическое выражение, связывающее напряжение внутреннего трения τ (вязкость) и изменение скорости среды v в пространстве (скорость деформации) для текучих тел (жидкостей и газов):  ,где величина η называется коэффициентом внутреннего трения или динамическим коэффициентом вязкости (единица СГС — пуаз)- с физической точки зрения представляет собой удельную силу трения при градиенте скорости равном единице. Кинематическим коэффициентом вязкости называется величина μ = η / ρ (единица СГС — Стокс, ρ − плотность среды). Закон Ньютона может быть получен аналитически приемами физической кинетики, где вязкость рассматривается обычно одновременно с теплопроводностью и соответствующим законом Фурье для теплопроводности. В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле  ,где — средняя скорость теплового движения молекул, − средняя длина свободного пробега. 9 - 10. режимы движения жидкости Re=  (мера соотнош между силами вязкости и инерции в движ потоке)>10000 – турбулентное – не упоряд движ ,при котором отдельные частиц жид жвижутся по запутанным траекториям,в то время как вся масса жид перемещ в одном направлении <2320 –ламинарное – движ при котор все чатиц жид движ по паралельн траекториям. Wсреднее= 0,,5 Wмакс ламинарное wсред =0,8,,0,5Wмакс-турбулентное .границы между ядром потока турбулентного движения и подслоем ламинарного движения наз погранич динам слоем 2320 Основные хар – ки движ жидкости. 1) Скорость потока и расхода жидкости расход это колич жид ,протекающий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени: -объёмный V=w*s(M3/сек) -массовый – М=р*w*s(кг/сек) метная скорость изменяется по сечению Средняя скорость : W=V/S 2)гидравлический радиус и эквивалентный диаметр гидравлич радис – отношении площади затопленного сечения тркбопровода к смоченному периметру rг=s/п. dэ=4s/п 3.)режим движ жидкости Re<2320 –ламинарный (> 10000 – турбулентный. 4)установившийся и не установившиеся потоки движение жид являются установиш ,или стационарным если скорость частиц потока и другие факторы (Т Р плотность) не изменяются во времени в каждой фиксированной точке пространства для нестационарных Закон внутрен трения ньютона. напряжение внутрен трения возникает между слоями жидк и её течением прямо пропорционально градиенту скорости – -динам коэф вязкости При движении вдоль трубы у стенок образуетсягидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно нарастает. Нарастание толщины пограничного, слоя приводит к слиянию пограничных слоев, и в трубе устанавливается постоянное распределение скоростей, характерное для данного режима тече – ния. |