авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

1. Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине

1.1. Вид деятельности выпускника (для направления 240100):

- производственно-технологическая;

-

организационно-управленческая;

- научно-исследовательская;

- проектная.

Область профессиональной деятельности бакалавров включает:

- методы, способы и средства получения веществ и материалов с

помощью физических, физико-химических и химических процессов,

производство на их основе изделий различного назначения с учетом обеспечения минимального воздействия на окружающую среду;

- создание, внедрение и эксплуатацию малоотходных промышленных производств основных неорганических веществ, продуктов основного и тонкого органического и неорганического синтеза, полимерных материалов, продуктов переработки минерального сырья, энергонасыщенных материалов и изделий на их основе.

1.2. Задачи профессиональной деятельности выпускника Производственно-технологическая деятельность:

- организация рабочих мест, их техническое оснащение, размещение технологического оборудования;

- организация входного контроля сырья и материалов;

- контроль за соблюдением технологической дисциплины;

- контроль качества выпускаемой продукции с использованием типовых методов;

- исследование причин брака в производстве и разработка мероприятий по его предупреждению и устранению;

- участие в работах по доводке и освоению технологических процессов в ходе подготовки производства новой продукции;

- участие в работе по наладке, настройке и опытной проверке оборудования и программных средств;

- проверка технического состояния и остаточного ресурса оборудования, организация профилактических осмотров и текущего ремонта;

- приемка и освоение вводимого оборудования;

- составление заявок на оборудование и запасные части, подготовка технической документации на ремонт.

Научно-исследовательская деятельность:

- изучение научно-технической информации, отечественного и зарубежного опыта по ресурсосбережению и экологической безопасности электрохимических производств;

- математическое моделирование процессов и объектов на базе стандартных пакетов автоматизированного проектирования и пакетов прикладных программ для научных исследований;

- проведение экспериментов по заданной методике, составление описания проводимых исследований и анализ их результатов;

- подготовка данных для составления обзоров, отчетов и научных публикаций;

- составление отчета по выполненному заданию, участие во внедрении результатов исследований и разработок;

- проведение мероприятий по защите объектов интеллектуальной собственности и результатов исследований и разработок как коммерческой тайны предприятия.

Организационно-управленческая деятельность:

- составление технической документации (графиков работ, инструкций, планов, смет, заявок на материалы и оборудование), а также составление отчетности по утвержденным формам;

- выполнение работ по стандартизации и подготовке к сертификации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов с учетом ресурсосбережения;

- организация работы коллектива в условиях действующего производства;

- планирование работы персонала и фондов оплаты труда;

- подготовка исходных данных для выбора и обоснования научно технических и организационных решений на основе экономического анализа;

- подготовка документации для создания системы менеджмента качества предприятия;

- проведение организационно-плановых расчетов по созданию (реорганизации) производственных участков;

- разработка оперативных планов работы первичных производственных подразделений;

- проведение анализа затрат и результатов деятельности производственных подразделений;

- планирование и выполнение мероприятий по предупреждению производственного травматизма, профессиональных заболеваний и экологических нарушений.

Проектная деятельность:

- сбор и анализ информационных исходных данных для проектирования технологических процессов и установок;

- расчет и проектирование отдельных стадий технологического процесса с использованием стандартных средств автоматизации проектирования;

- участие в разработке проектной и рабочей технической документации;

- контроль соответствия разрабатываемых проектов и технической документации стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам.

1.3. Перечень компетенций, установленных ФГОС Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у обучающегося следующие компетенции:

- осознание социальной значимости своей будущей профессии, мотивации к выполнению профессиональной деятельности (ОК- 9);

- способность и готовность осуществлять технологический процесс в соответствии с регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров технологического процесса, свойств сырья и продукции (ПК-7);

- составлять математические модели типовых профессиональных задач, находить способы их решений и интерпретировать профессиональный (физический) смысл полученного математического результата (ПК-8);

- способность обосновывать принятие конкретного технического решения при разработке технологических процессов;

выбирать технические средства и технологии с учетом экологических последствий их применения (ПК-11);

- способность анализировать технологический процесс как объект управления (ПК-17);

- использовать знания основных физических теорий для решения возникающих физических задач, самостоятельного приобретения физических знаний, для понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе выходящих за пределы компетентности конкретного направления (ПК-24);

- проектировать технологические процессы, с использованием автоматизированных систем технологической подготовки производства, в составе авторского коллектива (ПК-28).

1.4. Перечень умений и знаний установленных ФГОС В результате освоения программы дисциплины студент должен уметь:

- выполнять и читать чертежи технических изделий и схем технологических процессов, использовать средства компьютерной графики для изготовления чертежей;

- определять характер движения жидкостей и газов, основные характеристики процессов тепло- и массопередачи;

- рассчитывать технологические параметры процессов и основные размеры химической аппаратуры, осуществлять выбор основного и вспомогательного технологического оборудования для конкретного химико технологического процесса;

знать:

- основы теории переноса импульса, тепла и массы;

- принципы физического и математического моделирования химико технологических процессов;

- основные уравнения движения жидкостей, основы теории теплопередачи, основы теории массопередачи в системах со свободной и неподвижной границей раздела фаз;

- типовые процессы химической технологии, соответствующие аппараты и методы их расчета;

владеть:

- навыками постановки экспериментальных исследований и методами обработки опытных данных;

- современными методами технологических расчетов основных размеров химико-технологического оборудования;

2. Цели и задачи освоения программы дисциплины Целью изучения дисциплины является приобретение теоретических знаний и практических навыков в области процессов и аппаратов химической технологии для проектирования, организации и управления производственными процессами химической технологии и их совершенствования.

При овладении необходимым минимумом знаний по процессам и аппаратам химической технологии у студентов формируется способность правильно использовать профессиональный язык и технические знания при общении со специалистами, работающими в области технологии электрохимических производств, и для решения научных и производственных задач.

Владение основной информацией по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» является обязательным компонентом профессиональной подготовки современного специалиста в области химической технологии.

3. Место дисциплины в структуре ООП Для изучения дисциплины, необходимо освоение содержание дисциплин: математика;

физика;

химия;

информатика;

физическая химия;

поверхностные явления и дисперсные системы;

начертательная геометрия и инженерная графика;

теоретическая механика;

сопротивление материалов;

Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии», будут использоваться во всех профилирующих дисциплинах.

4. Компетенции обучающегося, формируемые при освоении дисциплины При освоении дисциплины формируются профессиональные компетенции:

- способность правильно использовать технические знания, полученные при изучении дисциплины, для решения конкретных производственных задач в практической деятельности;

- методами компьютерного проектирования технологических аппаратов химических производств;

- принципами выбора основного и вспомогательного оборудования, составления рациональных технологических схем химико-технологических процессов.

- информацией о современном уровне развития основных процессов и аппаратов, способами и средствами получения, хранения научной и технической информации в области химической технологии.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

знать:

- теоретические основы протекания химико-технологических процессов;

- принципы устройства и работы аппаратов и машин, используемых в процессах химической технологии;

- меры безопасного ведения технологических процессов;

уметь:

- анализировать показатели технологических процессов и их влияние на протекания этих процессов;

- использовать методы математического и физического моделирования для изучения и совершенствования технологических процессов;

владеть:

- методами компьютерного проектирования технологических аппаратов химических производств;

- принципами выбора основного и вспомогательного оборудования, составления рациональных технологических схем химико-технологических процессов.

- информацией о современном уровне развития основных процессов и аппаратов, способами и средствами получения, хранения научной и технической информации в области химической технологии.

5. Основная структура дисциплины Профиль подготовки 204100-5 «Технология электрохимических производств».

Вид учебной работы Трудоемкость, часов Всего Семестр №4 № Общая трудоемкость дисциплины 360 142 Аудиторные занятия, в том числе: 175 90 лекции 70 36 лабораторные работы 70 36 практические занятия 35 18 Самостоятельная работа (в том числе 185 52 курсовое проектирование) Вид промежуточной аттестации зачет экзамен (итогового контроля по дисциплине), в том числе курсовое проектирование зачет 6. Содержание дисциплины 6.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины Раздел 1. Введение, основы теории физического и математического моделирования 1.1. Предмет курса, его история, задачи и методы их решения.

Классификация основных процессов химической технологии.

1.2. Общие принципы расчета химической аппаратуры. Уравнения материального и теплового балансов. Понятие физического и математического моделирования.

Раздел 2. Общие вопросы прикладной гидравлики, гидромеханические и механические процессы 2.1. Гидростатика. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера.

Основное уравнение гидростатики.

2.2. Гидродинамика. Дифференциальные уравнения Эйлера и Навье Стокса движения идеальной и реальной жидкости. Уравнение Бернулли и его графическая интерпретация.

2.3. Основы теории подобия. Гидродинамическое подобие. Теоремы подобия. Метод анализа размерностей.

2.4. Внутренняя задача гидродинамики. Гидравлическое сопротивление в трубопроводах и аппаратах.

2.5. Перемещение жидкостей. Классификация насосов, основные параметры насосов, характеристика насоса. Совместная работа насоса и трубопроводной сети. Устройство поршневых, центробежных и других типов насосов. Перемещение и сжатие газов.

2.6. Общие сведения и классификация процессов разделения гетерогенных (неоднородных) систем. Внешняя задача гидродинамики.

Гравитационное осаждение. Конструкции отстойников.

2.7. Центробежное осаждение, циклонный процесс. Центрифугирование, устройство и расчет центрифуг. Электроосаждение.

2.8. Фильтрование, виды и цели фильтрования. Гидравлическое сопротивление при фильтровании, уравнения фильтрования. Классификация и конструкции фильтров.

2.9. Перемешивание жидкостей. Способы и характеристики процесса перемешивания. Типы и расчет механических мешалок.

2.10. Псевдоожижение, гидродинамика и скорость псевдоожижения.

Аппараты с взвешенным («кипящим») слоем.

2.11. Механические процессы. Транспортирование, дробление и измельчение, дозирование, сортировка и смешение твердых сыпучих материалов.

Раздел 3. Основы теории теплопередачи и теплообменные процессы 3.1. Общие сведения о теплообменных процессах, температурное поле, градиент температуры. Способы переноса тепла – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Движущая сила теплообменных процессов.

Основное уравнение теплопередачи.

3.2. Передача тепла теплопроводностью. Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье. Теплопередача через плоские и цилиндрические однослойные и многослойные стенки.

3.3. Конвективный теплообмен, уравнение Фурье-Кирхгофа. Критерии теплового подобия, критериальные уравнения теплоотдачи.

3.4. Теплопередача при постоянной температуре теплоносителей. Связь коэффициента теплопередачи с коэффициентами теплоотдачи. Средняя разность температур при теплопередачи.

3.5. Теплообмен при изменении агрегатного состояния теплоносителей.

Кипение жидкостей и конденсация паров. Нагревание и охлаждение.

Нагревающие и охлаждающий агенты.

3.6. Классификация, устройство и расчет теплообменных аппаратов.

3.7. Выпаривание, способы выпаривания. Материальный и тепловой балансы однокорпусного выпаривания. Температурные потери при выпаривании.

3.8. Многокорпусное выпаривание, схемы многокорпусных выпарных установок. Материальный и тепловой балансы многокорпусных установок.

3.9. Классификация, устройство и расчет выпарных аппаратов.

Раздел 4. Основы теории массопередачи и массообменные процессы.

4.1. Назначение, общие сведения и классификация массообменных процессов. Способы переноса вещества, закон Фика, уравнения массоотдачи.

Фазовое равновесие, равновесная линия.

4.2. Материальный баланс и уравнение рабочей линии массопередачи.

Основное уравнение массопередачи.

4.3. Механизм процессов массопередачи. Дифференциальное уравнение конвективной диффузии. Подобие процессов массопереноса. Критерии подобия.

4.4. Зависимость между коэффициентами массопередачи и массоотдачи.

4.5. Расчет средней движущей силы массообменных процессов. Число и высота единиц переноса.

4.6. Конструкции колонных аппаратов. Гидродинамические режимы работы насадочных и тарельчатых колонн. Расчет основных размеров массообменных аппаратов.

4.7. Абсорбция. Законы Генри и Дальтона. Материальный и тепловой балансы абсорбции. Уравнение рабочей линии абсорбции, расход поглотителя при абсорбции. Конструкции абсорберов.

4.8. Дистилляционные процессы, общие сведения, законы Рауля и Дальтона. Диаграммы бинарных смесей.

4.9. Простая перегонка, материальный баланс. Схема установки простой перегонки.

4.10. Ректификация, схема непрерывной ректификации бинарной смеси.

Материальный баланс и уравнения рабочей линии ректификации. Тепловой баланс.

4.11. Влияние флегмового числа на процесс ректификации.

Многокомпонентная ректификация и специальные виды перегонки.

Конструкции ректификационных колонн.

4.12. Кристаллизация. Равновесие при кристаллизации. Скорость и способы кристаллизации. Устройство и расчет кристаллизаторов.

4.13. Адсорбция, физическая сущность. Адсорбенты, изотерма адсорбции, активность адсорбента, конструкции адсорберов.

4.14. Жидкостная экстракция, назначение и сущность. Треугольная диаграмма. Материальный баланс и расход экстрагента. Многоступенчатая экстракция. Конструкции экстракторов.

4.15. Сушка, способы сушки. Конвективная сушка, основные параметры сушильных агентов. Диаграмма влажного воздуха Рамзина и ее свойства.

Равновесная влажность, изотерма сушки. Схемы сушильных процессов.

Материальный и тепловой баланс сушки. Кинетика сушки, кривая сушки, кривая скорости сушки. Конструкции конвективных и контактных сушилок.

4.16. Физико-химические основы мембранных процессов. Обратный осмос, ультрафильтрация, разделение через мембрану. Мембраны.

Конструкции мембранных аппаратов.

6.2. Краткое описание теоретической части разделов и тем дисциплины Раздел 1. Введение, основы теории физического и математического моделирования Тема 1.1. Предмет курса, его история, задачи и методы их решения Дисциплина «Процессы и аппараты химических производств» относится к общеинженерной дисциплине и является теоретической основой химико технологических процессов химических производств.

Идея об общности основных процессов и аппаратов химических производств была высказана в России еще в 1828 г. профессором Ф.А.Денисовым. Принципы же построения науки о процессах и аппаратах были сформулированы Д.И.Менделеевым в книгах «Основы фабрично заводской промышленности» (1897 г.) и «К познанию России» (1906 г.).

Основоположниками курса «Процессы и аппараты химической технологии»

в нашей стране являются А.К. Крупский проф. Петербургского технологического института издавший книгу «Начальные главы учения о проектировании по химической технологии» (1909 г.) и проф. И.А.Тищенко, читавший подобный курс в Московском высшем техническом училище ( г.). В США аналогичный труд Уокера, Льюиса и Мак-Адамса «Принципы науки о процессах и аппаратах» вышел в свет в 1923 г.

Основными задачами курса являются:

- выявление физико-химической сущности и общих закономерностей протекания химико-технологических процессов и перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным;

- определение материальных и энергетических затрат на проведение технологических процессов;

- разработка методов расчета основных технологических параметров процессов и размеров химической аппаратуры;

- разработка высокоэффективных и малоотходных технологических схем и рациональных типов аппаратов химических производств.

Для решения этих задач используются ряд групп законов:

- законы сохранения массы вещества, энергии и импульса;

- законы термодинамического равновесия;

- законы переноса массы, энергии и импульса или кинетические законы.

Первая группы законов позволяет определять материальные и энергетические затраты на основе материального и теплового балансов.

Законы равновесия позволяют выявить направление протекания процесса и его движущую силу, которой является величина отклонения процесса от состояния равновесия. Кинетические законы определяют скорость протекания процессов, от которой зависят размеры аппаратов. Увеличение скорости протекания процесса позволяет уменьшить размеры аппарата для осуществления данного процесса.

Основная кинетическая закономерность гласит: «Скорость любого процесса всегда прямо пропорциональна движущей силы и обратно пропорциональна возникающему сопротивлению». Эта закономерность позволяет выявлять аналогию различных по физической сущности процессов и разрабатывать единые методы расчета различных технологических процессов и химических аппаратов.

Классификация основных процессов химической технологии В зависимости от характера движущей силы все процессы химической технологии делятся на пять основных групп:

1. Гидромеханические процессы, движущей силой которых является разность давлений Р. 2. Тепловые процессы, движущей силой которых является разность температур t. Они связаны с переносом тепла от одной среды к другой т подчиняются законам термодинамики и теплопередачи. К ним относятся – нагревание, охлаждение, кипение жидкостей, конденсация паров, выпаривание;

3. Массообменные (диффузионные) процессы, движущей силой которых является разность концентраций с. Они связаны с переносом вещества из одной фазы в другую. К ним относятся – сорбционные процессы (абсорбция, адсорбция, десорбция), дистилляционные процессы (перегонка и ректификация), кристаллизация, экстракция, сушка, мембранные процессы (ультрафильтрация, обратный осмос, диализ, испарение через мембрану);

4. Химические процессы, движущей силой которых является разность химических потенциалов. Они связаны с химическим превращением веществ. К ним относятся реакционные химические процессы, которые изучаются в курсе общей химической технологии и спецкурсах соответствующих специальностей направления химической технологии.

5. Механические процессы, движущей силой которых является механическая сила. Они связаны с переработкой твердых сыпучих материалов. К ним относятся – транспортировка, дробление и измельчение, дозирование, классификация и смешение твердых сыпучих и порошкообразных материалов.

В зависимости от способа организации процессы делятся на периодические и непрерывные. В зависимости от изменения определяющих параметров процесса во времени, процессы делятся на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). В стационарных процессах параметры не изменяются во времени ( Г / 0 ), а в нестационарных процессах они изменяются во времени ( Г / 0 ).

Тема 1. 2. Общие принципы расчета химической аппаратуры.

Уравнения материального и теплового балансов.

Учитывая, что все процессы химической технологии подчиняются общей кинетической закономерности, разработана методика проектного расчета химической аппаратуры, которая, несмотря на многообразие процессов, имеет общую основу. Расчет ведется в следующем порядке:

- проводится анализ исходных данных, определяется направление протекание процесса и расчетная задача;

- на основе материального баланса определяются количественные значения материальных потоков, участвующих в процессе. Материальный баланс - это равенство прихода и расхода массовых потоков веществ в аппарате. Баланс может быть общим или по отдельному веществу. В общем случае уравнение материального баланса имеет вид М пр М расх ;

- на основе теплового баланса определяются расходы теплоты в процессе или расходы теплоносителей. Тепловой баланс – это равенство прихода и расхода потоков теплоты в аппарате. В общем случае уравнение теплового баланса имеет вид Qпр Qхим.пр Q расх Qп, где Qхим.пр – теплота выделяемая или поглощаемая в результате физико-химических превращений;

Qп – потери тепла в окружающую среду, которые принимаются в пределах 3-5% от общего расхода тепла;

- используя законы равновесия, определяется движущая сила процесса;

- используя законы, определяющие скорость протекание процесса, рассчитывается коэффициент скорости К, который является величиной обратной сопротивлению соответствующего процесса;

- из основной кинетической закономерности определяется размер аппарата. Таким размером часто является величина поверхности аппараа (сечения канала, осаждения, фильтрования, теплопередачи, контакта фаз и.т.д.),.

По расчетной поверхности, используя специальные каталоги или нормали, выбирается ближайший стандартизованный типоразмер проектируемого аппарата.

Понятие физического и математического моделирования При разработке промышленных аппаратов необходимо располагать основными закономерностями, определяющими размеры аппарата и его производительность при заданных требованиях к качеству продуктов.

Основой получения этих закономерностей являются экспериментальные исследования процессов, протекающих в этих аппаратах. Для таких исследований используется моделирование процессов и аппаратов.

Моделирование бывает физическим и математическим. Физическое моделирование заключается в исследовании основных закономерностей процесса на реальных рабочих системах и при рабочих параметрах, характерных для промышленных условий и может сочетаться с гидравлическим моделированием.

Под математическим моделированием понимают разработку и анализ систем уравнений процесса при соответствующих начальных и граничных условиях для определения оптимальных условий проведения процесса или работы аппарата. Такое моделирование широко использует возможности компьютерных систем и является ценным дополнением к физическому моделированию.

Если уравнения модели достаточно хорошо разработаны в форме, удобной для расчетной инженерной практики, то определяют параметры соответствующих уравнений на основе экспериментальных данных.

Раздел 2. Общие вопросы прикладной гидравлики, гидромеханические и механические процессы Тема 2.1.Общие вопросы прикладной гидравлики. Основные понятия и определения Многие технологические процессы химической промышленности связаны с движением жидкостей, газов или паров. Это движение описывается законами гидромеханики, поэтому такие процессы называют гидромеханическими. Законы гидромеханики и их практическое применение изучаются в курсе гидравлики. Гидравлика состоит из двух разделов – гидростатики и гидродинамики. Гидростатика изучает законы равновесия в состоянии покоя, а гидродинамика – законы движения жидкостей и газов.

В гидравлике принято под словом жидкость понимать как капельно жидкое состояние среды, так и газообразное (парообразное). В гидравлике используются понятия идеальной и реальной жидкостей. Идеальная жидкость, в отличии от реальной (вязкой), абсолютно несжимаема под действием давления, не изменяет своей плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью.

Гидростатика. Дифференциальное уравнение равновесия Эйлера В гидростатике изучается равновесие жидкостей, находящихся в состоянии относительного покоя. При этом силы внутреннего трения отсутствуют. Независимо от вида покоя на жидкость действуют сила тяжести и силы давления. Предел отношения силы давления Р к площадке F, на которую она действует, при условии, что размер площадки стремится к нулю называется напряжением гидростатического давления или просто давлением Условия равновесия жидкости выражаются дифференциальными уравнениями Эйлера.

Состояние покоя создается вследствие равенства всех сил, действующих на жидкость. Такими силами являются силы давления, действующие со всех сторон и сила тяжести, действующей сверху вниз.

Рассматривая баланс сил, действующих по осям координат на элементарный объем жидкости (очень малый, но сохраняющий все свойства жидкости) с постоянной плотностью в виде параллелепипеда получим систему из трех дифференциальных уравнений:

p / x 0 ;

p / y 0 ;

p / z g.

Система этих уравнений называется дифференциальным уравнением Эйлера равновесия жидкости.

Основное уравнение гидростатики Из уравнения Эйлера следует, что давление в покоящейся жидкости изменяется только по вертикали (вдоль оси Z), оставаясь одинаковым во всех точках любой горизонтальной плоскости. В связи с этим, частную производную в уравнении Эйлера по оси Z, можно заменить на дифференциал. После преобразований и интегрирования получим уравнение p const, z g которое называется основным уравнением гидростатики. В нем z – удельная энергия положения (геометрический напор или нивелирная высота), м.

Величина р/g является удельной энергией давления (статический или пьезометрический напор), м.

Основное уравнение гидростатики показывает, что для любого элемента покоящейся жидкости сумма удельных энергий положение и давления (геометрического и статического напоров) есть величина постоянная.

Тогда для двух произвольных сечений или точек можно записать p1 p z1 z2 g g или p2 p1 ( z1 z2 ) g p1 gh.

Это уравнение выражат закон Паскаля, согласно которого давление, создаваемое в любой точке покоящейся несжимаемой жидкости, передается одинаково всем ее точкам без изменения. Основное уравнение гидростатики на практике применяется для расчета гидрозатворов, уровней жидкостей в аппаратах и в сообщающихся сосудах, для измерения давлений, в гидравлических и пневматических прессах и в других случаях.

Тема 2.2. Гидродинамика. Дифференциальные уравнения Эйлера движения идеальной жидкости Гидродинамика изучает законы движения жидкости. Различают установившееся движение, когда скорость не изменяется во времени, но изменяется в пространстве и неустановившееся, при котором скорость изменяется во времени и в пространстве.

Полное изменение скорости в пространстве и во времени характеризуется субстанциональной производной, которая имеет вид dw w w w w wz.

wx wy d x y z Изменение скорости во времени отражает локальное изменение скорости в точке. Изменение в пространстве или конвективное изменение скорости учитывается как сумма частных изменений скоростей в направлениях по осям X, Y, Z.

В движущейся идеальной жидкости действуют силы давления и сила тяжести, а равнодействующей этих сил является сила инерции. Баланс этих сил описывается уравнением Эйлера, которое редставляет систему уравнений dw p p p dwx dw ;

y ;

z g.

d d d x z y Правые части в каждом из этих уравнени являются субстанциональными производными.

Уравнение Бернулли Домножив правые и левые части уравнения Эйлера соответственно на dx, dy, dz, разделив на плотность и сделав преобразования, получим зависимость, которая называется уравнением Бернулли для идеальной p w жидкости z const. В этом уравнении член w2 / 2 g - это скоростной g 2g или динамический напор, м. Это кинетическая энергия движущейся жидкости. ( z p / g ) представляет потенциальную энергию жидкости.

Согласно уравнения Бернулли для любого элемента движущейся идеальной жидкости сумма удельной энергий положения (z), давления (р/g) и кинетической энергии ( w2 / 2 g ) есть величина постоянная.

Уравнение Бернулли есть частное выражение закона сохранения энергии. Для двух произвольных точек или элементов жидкости это p1 w12 w p уравнение примет вид z2 2 2. Уравнение Бернулли z1 g 2g g 2g справедливо только для неразрывного потока. Для такого потока массовый расход жидкости, проходящей через любое сечение потока постоянен, и должно соблюдаться условие М = w1S1 1 w2 S2 2. Если жидкость несжимаемая, то 1 = 2 и тогда неразрывность потока подтверждается уравнением объемного расхода V w1S1 w2 S2.

Уравнение Бернулли используется в дроссельных приборах для измерения расхода или скорости жидкости, для расчета центробежных насосов и других целей. Дроссельные приборы – это сужающие устройства, к которым относятся диафрагма, сопло и труба Вентури. Принцип измерений в них основан на измерении перепада давления при резком или плавном сужении потока.

Дифференциальное уравнение Навье-Стокса движения реальной жидкости Реальные жидкости отличаются от идеальных тем, что они обладают внутренним трением (вязкостью) и сжимаемостью. Жидкость представляют в виде большого количества тонких слоев движущихся относительно друг друга с различной скоростью. Чтобы сдвинуть один слой относительно другого необходимо приложить некоторую касательную силу сдвига Т.

Ньютон выдвинул гипотезу, что эта сила прямо пропорциональна поверхности соприкосновения слоев и градиенту изменения скорости по dw нормали к поверхности T F. Коэффициент пропорциональности в dn этом уравнении называется коэффициентом динамической вязкости.

dw Силе сдвига Т противодействует сила трения T F. Отношение dn этой силы к поверхности называется напряжением внутреннего трения или dw касательным напряжением (напряжением сдвига).

dn Равнодействующая сил трения в направлении оси Х с учетом закона 2 wx 2 wx 2 wx внутреннего трения Ньютона имеет вид 2 2 2 dxdydz. Сумма x y z вторых производных по трем осям координат носит название оператора Лапласа и обозначается 2 wx.

Рассмотрев баланс сил в реальной жидкости для каждой оси, получим (в сокращенном виде) дифференциальное уравнение Навье-Стокса движения реальной жидкости в виде системы уравнений dwy p p p dwx dw 2 wx ;

2 wy ;

z g 2 wz.

d d d x y z Уравнение Навье-Стокса в силу того, что оно составлено в частных производных и включает большое число переменных решение его чрезвычайно сложно и в общем виде решено быть не может. В большинстве же наиболее важных для промышленной практики случаев применение уравнения Навье-Стокса становится возможным либо при ряде упрощающих допущений, либо при преобразовании этих уравнений с помощью теории подобия.

Тема 2.3. Основы теории подобия Подобными называются явления, для которых постоянны отношения характеризующих их сходственных величин. Один из основных принципов теории подобия заключается в выделении из широкого класса явлений группы подобных явлений. Любое частное явление выделяется из общего класса с помощью условий однозначности, которые включают в себя:

важные геометрические характеристики;

существенные физико-химические свойства;

начальные условия – распределение переменных в начальный момент времени;

граничные условия – значения зависимых переменных, определяемых значениями независимых параметров.

Существуют различные виды подобия – временное, геометрическое, физическое и т.д. Простейшим примером подобия является геометрическое подобие, в котором для выявления подобия сравниваются соотношения геометрических размеров. Явления считаются подобными, если отношение одноименных величин в сходственных точках различных систем есть величины постоянные. Эти величины называются константами подобия.

Отношение одноименных величин друг к другу, в разных точках одной и той же системы, называются инвариантами подобия. Инварианты, выраженные простыми, однородными величинами называются симплексами подобия (например, l/d – симплекс геометрического подобия и др.).

Инварианты, выраженные сложными, разнородными величинами называются комплексами или критериями подобия. Критерии подобия всегда имеют физический смысл, являясь мерой соотношения между какими-то двумя эффектами (силами, количествами, размерами и т.д.). Критерии и симплексы подобия – всегда безразмерные величины. Критерии, как правило, обозначаются латинскими буквами начала фамилий известных ученых, но иногда обозначаются по физическому смыслу (например, критерий гомохронности Но).

Подобие процессов широко используется для постановки эксперимента, обработки экспериментальных данных, переноса и распространения полученных результатов на другие подобные явления.

Гидродинамическое подобие Гидродинамическое подобие базируется на преобразовании дифференциального уравнения Навье-Стокса с помощью теории подобия. В результате получают критерии гидродинамического подобия.

w Критерий гомохронности (критерий Струхаля Sh) Ho( Sh), который l характеризует соотношение сил инерции при локальном и конвективном изменениях скорости.

При соотношении сил давления и сил инерции получаем критерий p Эйлера Eu. Соотношением сил инерции и силы тяжести получаем w w критерий Фруда Fr. Соотношение сил инерции и сил вязкости gl wl определяет критерий Рейнольдса Re.

Полученные критерии характеризуют гидродинамическое подобие, которой одновременно предполагает и геометрическое подобие, которое определяется симплексом подобия l/d.

Теоремы подобия Использование критериев подобия основано на трех теоремах подобия.

Первая теорема (Ньютона-Бертрана). Подобные явления характеризуются численно равными критериями подобия.

Вторая теорема (Бекингема-Федермана). Любую зависимость между переменными можно представить в виде зависимости между критериями, составленными из этих переменных. Она позволяет вместо уравнений между параметрами использовать адекватные уравнения между критериями, которые называются критериальными и в общем случае имеют вид Eu f (Re, Fr, Но,...l / d ).

Конкретный вид таких зависимостей определяется опытным путем, с учетом особенностей протекающих процессов и представляется в виде степенных уравнений типа Eu A Rea Fr b Hoc...(l / d )e.

Критерий, стоящий в левой части называется определяющим, а все остальные – определяемые. Коэффициент А и показатели степеней (а, b, c, e ) определяются опытным путем.

Третья теорема (Кирпичева-Гухмана). Явления будут подобны, если подобны условия однозначности, а критерии подобия равны.

Это положение указывает, на какие явления можно распространять полученные опытные зависимости. Эта теорема позволяет умножать и делить критерии друг на друга и безразмерные комплексы, при этом получать другие критерии. Например, умножим критерий Рейнольдса на себя и Re Re w2l 2 2 gl gl разделим произведение на критерий Фруда 2 2 Ga.

2 Fr w Полученный критерий называется критерием Галилея и характеризует действие сил тяжести (объемных сил) и трения ( – кинематическая вязкость, = /).

Умножив критерий Галилея на безразмерный комплекс (1 – 2)/ gl 3 1 получим критерий Архимеда Ar. Этот критерий характеризует действие объемных сил за счет разности плотностей.

В критериях гидродинамического подобия используется величина l, которая называется характерным линейным размером. Им может быть длина, толщина, высота, диаметр и др. Если диаметр канала имеет не круглое сечение, то в качестве характерного линейного размера используется эквивалентный диаметр dэ. Эквивалентный диаметр определяется как отношение учетверенной площади сечения потока к смоченному периметру 4F канала или четырем гидравлическим радиусам d э 4rг, где rг – П гидравлический радиус.

Метод анализа размерностей Теоремы подобия можно применять в тех случаях, когда имеется математическое описание процесса. В некоторых случаях для определения математического описания процесса используется метод анализа размерностей.

Его сущность заключается в том, что используя функциональную зависимость определяемого параметра от других в общем виде, заменяя ее на зависимость между размерностями этих параметров, получают математическое описание процесса, в том числе и в критериальном виде.

Функциональная зависимость устанавливается опытным путем.

Например, для перепада давления при движении жидкости по прямым каналам, общая функциональная зависимость имеет вид P f ( w,,, l, d ).

На её основе методом анализа размерностей получено e e b b l P 1 l или Eu.

A A w wd d Re d В зависимости от состояния перемешивания движущейся жидкости различают ламинарное (плавное) и турбулентное (завихренное) течение.

Состояние перемешивание жидкости зависит от соотношения сил инерции и вязкости, которое определяет величину критерия Рейнольдса. Установлено, что при Re 2300 существует ламинарное течение;

при Re 10 возникает развитое турбулентное течение (автомодельная область). В области 2300 Re 10 000 существует переходный режим турбулентного течения.

Используя метод анализа размерностей, получено уравнение Пуазейля Pd, 128 l которое определяет расход жидкости при ламинарном течении.

Тема 2.4. Внутренняя задача гидродинамики. Гидравлическое сопротивление в трубопроводах и аппаратах.

Движение жидкости и газа внутри трубопроводов и каналов является внутренней задачей гидродинамики. Уравнение справедливо только для идеальной жидкости. При движении реальной жидкости происходит потеря напора hп. Она складывается из двух величин – потери напора на трение и потери напора на местные сопротивления hп hтр hмс.

l w Потери напора на трение определяются уравнением Дарси hтр.

d 2g В нем коэффициент трения является функцией критерия Рейнольдса, то есть зависит от режима движения. Для ламинарного режима при Re 2300 64 / Re. В переходном режим, при 10000 Re 2300, когда относительная шереховатость труб соответствует гидравлически гладким трубам, коэффициепнт сопротивления рассчитывается по уравнению 0, Блаузиса, которое справедливо при Re от 3000 до 100 000.

Re0, Для этого же режима, но для шроховатых труб зависит от критерия Рейнольдса и от шероховатости труб. С увеличением шероховатости коэффициент сопротивления возрастает. Его можно рассчитать по уравнению 0,5lg[( / 3, 7) (6,81/ Re)0,9 ].

В автомодельной области турбулентного режима, когда Re 10000, коэффициент сопротивления не зависит от режима течения, а только от шероховатости 1/ [1,14 2 lg(1/ )].

Потеря напора на местные сопротивления выражается как доля w, где мс скоростного напора и рассчитывается по формуле hмс мс 2g коэффициент местного сопротивления.

К местным сопротивлениям относится все, что изменяет скорость жидкости по величине и направлении. Это сужения, расширения каналов, отводы, запорная арматура и т.д. Сведения о коэффициентах местного сопротивления приводятся в справочной литературе. Если на технологической линии находится несколько местных сопротивлений, то рассчитывается суммарный коэфффициент местных сопротивлений.

Тема 2.5. Перемещение жидкостей Для перемещения жидкостей применяются насосы. Насосы – это машины, которые сообщают жидкости дополнительную энергию. По принципу действия различают лопастные (центробежные), объемные, вихревые и осевые насосы. К объемным насосам относятся поршневые и ротационные (шестеренчатые, пластинчатые и винтовые) насосы. Кроме этого используют струнные насосы, газлифты и монтежю.

Основным параметрамиам насосов являются производительность (подача) Q, напор Н, мощность N, коэффициент полезного действия, высота всасывания, высота нагнетания.

Напор насоса – энергия, которая сообщается насосом единице веса перекачиваемой жидкости. Производительность насоса или подача Q – это объем жидкости перекачиваемой в единицу времени.

Высота всасывания – это высота, на которую жидкость поднимается от резервуара до насоса. Высота нагнетания – это высота подъема жидкости от насоса до аппарата. Мощность насоса бывает полезной и потребляемой.

Полезная мощность определяется напором и подачей насоса N п HQ g.

Потребляемая мощность отличается от полезной величиной к.п.д. насосной уставновки N N n / HQ g /1000. Общий коэффициент полезного действия насосной установки является произведением трех к.п.д - кп.д. насоса, к.п.д.

передачи и к.п.д двигателя нпердв.

Графическая зависимость напора, потребляемой мощности и к.п.д.

насоса от производительности (подачи) называется характеристикой насоса и используется для выбора насоса по заданной производительности с учетом необходимого напора при максимальном к.п.д. При работе насоса в сети используется совместная характеристика работы насоса и сети. Это зависимость гидравлического сопротивления сети P и напора насоса от подачи. Точка пересечения кривых определяет максимальную производительность насоса в сети.

Перемещение и сжатие газов Для перемещения и сжатия газов используются компрессорные машины, к которым относятся вентиляторы, газодувки, компрессоры и вакуум-насосы отличающиеся степенью сжатия газа. Степенью сжатия называется отношение давления нагнетания к давлению всасывания Рн /Рвс. Вентиляторы имеют степень сжатия меньше 1,1, газодувки 1,1 – 3,0, компрессорные машины более 3, а вакуум-насосы используются для отсасывания газов при давлении ниже атмосферного.

По принципу действия компрессорные машины делятся на центробежные, поршневые, ротационные и осевые. В поршневых машинах сжатие газов происходит в результате уменьшения объема, в котором заключен газ, при возвратно-поступательном движении поршня. В центробежных машинах сжатие происходит под действием центробежных сил, возникающих при вращении рабочего колеса. Сжатие газа в ротационных машинах происходит при вращении эксцентрично расположенного ротора. В осевых машинах газ сжимается при движении его вдоль оси рабочего колеса и направляющих лопастей. В химической промышленности применяются также струйные компрессоры и вакуум насосы.

Теоретически возможны два предельных случая сжатия газа:

изотермический процесс сжатия, при котором все выделяющееся при сжатии тепло отводится, и температура газа остается неизменной;

адиабатический процесс сжатия, при котором полностью отсутствует теплообмен с окружающей средой и все выделяющееся тепло затрачивается на увеличении внутренней энергии газа, повышая его температуру.

В реальных процессах при сжатии наряду с изменением объема и давления происходит изменение температуры и одновременно часть выделяющегося тепла отводится в окружающую среду. Такой процесс называется политропным.

Тема 2.6. Процессы разделения неоднородных систем.

Неоднородной системой называется смесь состоящая, как минимум из двух фаз, одна из которых является сплошной (дисперсной), а другая мелкораздробленной (дисперсионной). Различают следующие неоднородные (гетерогенные) системы: пыль (сплошная фаза - газ, раздробленная - твердые частицы 3 мкм);

дым (сплошная фаза - газ, раздробленная твердые частицы 3 мкм);

туман (сплошная фаза – газ, раздробленная – капли жидкости);

суспензия (сплошная фаза - жидкая, а раздробленная – твердая);

эмульсия (сплошная фаза – жидкая, раздробленная – жидкая);

пена (газожидкостная эмульсия, в которой сплошная фаза – жидкость, а раздробленная – газ в виде пузырьков ).

К процессам разделения неоднородных систем относятся – осаждение и фильтровние, которые называются процессами гидрокинетики. Осаждение может протекать под действием силы тяжести (гравитационное осаждение или седиментация), под действием центробежных сил (центробежное осаждение, к которому относятся циклонный процесс и центрифугирование).

Внешняя задача гидродинамики. Гравитационное осаждение Обтекание тела жидкость или газом является внешней задачей гидродинамики, что и происходит при осаждении частицы.

При гравитационном осаждении на частицу сверху вниз действует сила тяжести, а противоположно ей силы сопротивления среды и выталкивающая (Архимедова) сила. Вначале частица движется ускоренно за счет действия силы тяжести. С увеличением скорости осаждения растет сила сопротивления, и скорость осаждения падает. В результате наступает такой момент, когда сила сопротивления в сумме с Архимедовой силой и сила тяжести уравновешивают друг друга. В этих условиях частица начинает двигаться равномерно, т.е с постоянной скоростью, которая принимается за скорость осаждения. Эту скорость можно найти из условия равенства действующих сил. Этот баланс сил приводит к уравнению Re2 Ar.

Так как критерий Рейнольдса определяет различные режимы течения жидкости, существуют различные режимы осаждения. Для ламинарного режима Re 2, а критерий Архимеда Ar 36. При турбулентном значении Re 500, критерий Арохимеда Ar 83000. Для значений Ar между 36 и 83 наблюдается переходный режим.

Установлено, что при ламинарном режиме коэффициент сопротивления 24 / Re, в переходном режиме 18,5 / Re0,6, а при турбулентном течепнии 0, 44. Таким образом, рассчитав критерий Архимеда по исходным значениям диаметра частиц, плотности среды и частицы, вязкости среды определяем режим осаждения, и рассчитав находим критерий Рейнольса.

Из критерия Рейнольдса рассчитываем скорость осаждения.

Конструкции отстойников Аппараты для гравитационного осаждения называются отстойниками.

Для очистки газов от пыли используются отстойный газоход и пылеосадительная камера. Эти аппараты используются для предварительного осаждения сильно запыленных газов. Эффективность очистки в них в пределах 40-50%. Простейший отстойник это горизонтальный резурвуар небольшой высоты, но с большой поверхностью осаждения. Если площадь такого отстойника F и за время образовался слой осветленной жидкости высотой h, то производительность отстойника будет V Fwoc. Таким образом, производительность отстойника в явном виде не зависит от глубины отстойника, а зависит от скорости осаждения. Более совершенным и производительным отстойником непрерывного действия является гребковый отстойник. Для разделения эмульсий используются отстойники в виде горизонтальных или вертикальных ёмкостных аппаратов. Разделение в них происходит за счет разной плотности компонентов смеси. Более тяжелая жидкость осаждается вниз, а легкая всплывает в верхнюю часть отстойника.

Тема 2.7. Центробежное осаждение, циклонный процесс Скорость осаждения под действием силы тяжести мала, поэтому отстойники громоздки и малопроизводительны, а эффективность разделения низкая. Скорость осаждения можно увеличить, если проводить этот процесс под действием центробежных сил. Центробежная сила возникает при вращении разделяемой смеси, и она во столько раз больше силы тяжести, во сколько центробежное ускорение больше ускорения свободного падения.

Отношение этих ускорений называется фактором разделения K p w2 / rg.

Скорость осаждения в поле центробежных сил рассчитывается с учетом фактора разделения wц.ос wос K p.

Для очистки запыленных газов широко используется циклонный процесс, который создается в аппаратах, называемых циклонами. Циклон состоит из цилиндрического корпуса и внутренней трубы для выхода очищенного газа. Эффективность разделения в циклонах тем больше, чем больше фактор разделения. При очистке больших количеств запыленного газа используют групповые и батарейные циклоны. Групповые циклоны состоят из нескольких аппаратов небольшого диаметра (от 2-х до 16-ти), имеющих общий бункер для пыли. Батарейный циклон состоит из камеры, в которой расположены до нескольких десятков и даже сотни циклонных элементов небольшого диаметра (мультициклоны). Они имеют общий бункер и общий ввод запыленного газа. Закручивание потока происходит на специальных лопастях в виде «винта» или «розетки».


Центрифугирование, устройство и расчет центрифуг Центрифугирование используется для разделения суспензий и эмульсий во вращательных аппаратах, называемых центрифугами. Центрифуги, используемые для осаждения называются отстойными, а центрифуги для фильтрования называются фильтрующими. По способу выгрузки осадка центрифуги бывают с ручной и механизированной выгрузкой. По расположению вала – вертикальные, горизонтальные и наклонные.

Центрифуги с фактором разделения меньше 3500 называются нормальными, а Кр 3500 – сверхцентрифугами. Центрифуги для разделения эмульсий называются сепараторами.

Простейшая центрифуга состоит из кожуха, вала и барабана. При вращении барабана твердые частицы из суспензии осаждаются на боковой стенке, образуя осадок. Осветленная жидкость, называемая фугатом. Осадок удаляется вручную совком, после остановки центрифуги.

Известна центрифуга НОГШ (нормальная, осадительная, горизонтальная, шнековая) непрерывного действия. Она имеет конический барабан, внутри которого расположен полый вал-шнек с винтообразной лопастью. Шнек используется для непрерывной выгрузки осадка.

Широко используются фильтрующие центрифуги – центрифуга с нижним приводом, подвесная центрифуга с нижней выгрузкой осадка, автоматическая центрифуга с ножевым съемом осадка, центрифуга с пульсирующим поршнем и другие. Из сверхцентрифуг распространена трубчатая центрифуга. Это центрифуга периодического действия с ручной выгрузкой осадка. Скорость вращения ротора достигает 30-45 тыс. об/мин и выше. Используется для тонкой очистки малозагрязненных жидкостей. Из сепараторов нашли применение жидкостные сепараторы тарельчатого типа, которые относятся к сверхцентрифугам со скоростью вращения ротора 5000 10000 об/мин. Расчет центрифуг связан с определением диаметра и высоты барабана и затрачиваемой мощности.

Электроосаждение Аппараты, в которых осаждение протекает под действием электрических сил, называются электрофильтрами. Принцип их работы основан на ионизации газа. Они в основном используются для высокоэффективной очистки больших количеств запыленных и дымовых газов. Электрофильтры состоят из двух электродов, один из которых является коронирующим, а другой – осадительным. Существуют два типа электрофильтров – трубчатые и пластинчатые. Коронирующий электрод выполнен в виде проволоки расположенной по оси осадительного электрода в виде трубы или между пластинами. Электроды подключены к источнику постоянного тока, коронирующий к отрицательному полюсу, а осадительный к положительному.

Так как поверхность коронирующего электрода мала, по сравнению с осадительным, на проволоке создается высокая плотность зарядов. Из-за этого электроны начинют перетекать на положительный электрод. По пути они сталкиваются с частицами пыли и передают им заряд. В результате частицы пыли оседают на положительном электроде. Осевшая пыль сбрасывается с электрода путем их простукивания специальными молоточками. Теоретически эффективность очистки в электрофильтрах может достигать 99,99%, однако за счет вторичных процессов на практике она может снижаться до 95-98%.

Несмотря на высокую разность потенциалов в несколько десятков тысяч вольт, затраты электроэнергии небольшие, но зато большие капитальные затраты. Поэтому электрофильтры, в основном, применяются для очистки больших количеств газа (на ТЭЦ, в цементных производствах и др.).

Тема 2.8. Фильтрование, виды и цели фильтрования. Гидравлическое сопротивление при фильтровании Фильтрование – это процесс разделения суспензий с использованием пористой перегородки, которая твердую фазу задерживает, а жидкую фазу пропускает. Оно является смешанной задачей гидродинамики, так как жидкость движется внутри пор и одновременно обтекает частицы. В зависимости от способа формирования осадка различают фильтрование с образованием осадка, когда осадок образуется на лобовой поверхности фильтрующей перегородки. Если осадок образуется внутри пор, то фильтрование называется с закупориванием пор.

Фильтрование осуществляют с целью: выделения осадка;

сгущения, т.е.

концентрирования твердой фазы в суспензии;

осветления, т.е. получения жидкости с очень низким содержанием твердой фазы.

Осадки при фильтровании бывают несжимаемые, в которых пористость не меняется при увеличении давления (например, песок) и сжимаемые – аморфные. Расчет процесса фильтрации для сжимаемых осадков чрезвычайно труден и базируется, в основном, на опытных данных.

Пористый или зернистый фильтрующий слой характеризуется размером частиц его образующий или поровых каналов, а также долей свободного объема и удельной поверхностью. Доля свободного объема или порозность – это отношение свободного пространства между частицами в общем объеме слоя Vсл Vч / Vсл, м3/м3. Удельная поверхность – это поверхность всех частиц, находящихся в единице объема слоя f, м2/м3. В качестве характерного линейного размера часто используют эквивалентный диаметр каналов слоя, который определяется как отношение учетверенная площадь поперечного сечения каналов слоя к смоченному периметру по поперечному сечению слоя d.экв 4 F / П 4 / f.

При прохождении жидкости через фильтр ей оказывает сопротивление фильтрующая перегородка и слой осадка R Rфп Rос.

Гидравлическое сопротивление перегородки или слоя осадка можно найти по известной зависимости, определяющей перепад давления при l c w движении жидкости в прямом канале (см. лекцию 7) P. Здесь dЭ коэффициент учитывает не только трение, но и местные сопротивления, возникающие из-за изменений скорости при обтекании частиц и искривлении пор. Для расчета коэффициента сопротивления предлагается опытная зависимость, которая приемлема как для ламинарного (Re 50), переходного, так и турбулентного (Re 7000) режимов фильтрования (133 / Re) 2,34. Длина каналов слоя должна определятся с учетом их кривизны и высоты слоя h, т.е l h. Скорость жидкости в каналах определяется через скорость фильтрования wo по формуле w wo /.

Уравнения фильтрования Уравнения фильтрования определяют скорость этого процесса. Под скоростью фильтрования понимается количество фильтрата проходящего через единицу поверхности перегородки в единицу времени w0 dV / ( Fd ).

Экспериментально установлено, что при фильтровании суспензий, движение жидкости через слой осадка – ламинарное, т.к. скорость фильтрования и диаметр пор очень малы. Выражая расход жидкости при ламинарном течении через уравнение Пуазейля (см. лекцию 6) для 1 м фильтрующей поверхности получают уравнение dV / ( Fd ) P / (ro h).

Данное уравнение называется уравнением фильтрования. В нем ro удельное сопротивление осадка. Удельное сопротивление включает в себя величины, которые характеризуют структуру слоя и для сжимаемых осадков определяется в основном опытным путем. Его физический смыл – потеря давления при фильтровании жидкости с вязкостью равной 1 Па·с, через слой высотой равной 1 м со скоростью 1 м/с.

Различают 4 режима фильтрования: фильтрование при постоянном давлении P const, wo const ;

фильтрование при постоянной скорости P const, wo const ;

фильтрование при переменных значениях P const, wo const ;

фильтрование при постоянных значениях P const, wo const.

Последний режим относится к процессу промывки осадка, когда h = соnst. Применяя уравнение фильтрования для 1, 2 и 3 режимов получим уравнения для расчета фильтров, соответствующие условиям этих режимов.

В отечественной литературе уравнение фильтрования в общем виде (с учетом сопротивления перегородки и осадка) известно, как уравнение Дарси P dV.

Fd Rос Rфп Классификация и конструкции фильтров В зависимости от движущей силы фильтры делятся на фильтры, работающие под гидростатическим давлением, работающие под вакуумом, работающие под избыточным давлением.

Фильтры первого типа просты по устройству, в них мала движущая сила и производительность. Простейшим вакуумным фильтром периодического действия является нутч-фильтр. В нем под перегородкой создается вакуум, что увеличивает движущую силу. Они бывают открытого и закрытого типов.

Более производительными аппаратами непрерывного действия являются ленточные, барабанные, дисковые и карусельные вакуум-фильтры.

Барабанный вакуум-фильтр состоит из горизонтального перфорированного барабана, который опущен приблизительно на в корыто с суспензией и медленно вращается по часовой стрелке. На поверхности барабана закреплена фильтрующая ткань. Дисковый и карусельный (ковшовый) вакуум-фильтры по принципу действия подобны барабанному.

К фильтрам, работающим под избыточным давлением, относятся – рамный фильтр-пресс, ФПАКМ, патронный фильтр. Рамный фильтр-пресс состоит из чередующихся рам и плит, которые зажимаются с помощью стяжки между неподвижной и подвижной плитами. Между рамами и плитами вставляются фильтровальные перегородки (ткань, бумага, картон).

Суспензия под давлением проходит через фильтровальную перегородку и по рифленой поверхности плит стекает вниз в поддон.

Патронный фильтр состоит из пакета закрепленных вертикально керамических патронов. Суспензия продавливается во внутрь патронов.

Осадок формируется на наружной поверхности патрона. Съем осадка происходит за счет подачи во внутрь патронов импульса сжатого воздуха или жидкости. Их применяют, в основном, в качестве сгустителей.

ФПАКМ – фильтр-пресс автоматический камерный используется для большой производительности. Это сочетание нутч-фильтра с ленточным вакуум-фильтром. Он занимает большую площадь. Все операции механизированы и автоматизированы.

Для очистки запыленных газов используют тканевые фильтры. Наиболее распространен рукавный фильтр. Рукавные фильтры обладают высокой степенью очистки от тонкодисперсной пыли, которая может достигать 99,9%.

Фильтр состоит из корпуса, в котором вертикально размещены тканевые рукава. Пыль проходит изнутри наружу. По мере накопления осадка возрастает гидравлическое сопротивление. Поэтому рукава периодически регенерируются, т.е освобождаются от осевшей пыли. Для этого используется механическое встряхивание и другие способы (струйная или импульсная продувки, качание рукавов, обратная продувка и др.) В качестве рукавов применяют высокопрочные и теплостойкие ткани – шерстяную байку с добавкой капроновых волокон, ткани из орлона, стекловолокно, лавсан и др.


Тема 2.9. Перемешивание жидкостей.

Цель перемешивания определяется назначением процесса.

Перемешивание применяют для выравнивания температур и концентраций, интенсификации процессов тепло- и массообмена за счет увеличения поверхности контакта фаз и турбулентности среды.

Существуют следующие способы перемешивания: механическое, с помощью механических мешалок различных конструкций;

пневматическое, за счет сжатого газа;

циркуляционное, путем создания замкнутого циркуляционного контура с помощью насосов или сопел.

Пневматическое перемешивание является малоинтенсивным и может сопровождаться окислением веществ (за счет воздуха), частичным брызгоуносом или теплообменом. Наиболее распространенным способом является механическое перемешивание, которое сводится к внешней задаче гидродинамики – обтекание тела потоком жидкости.

В качестве характерного линейного размера используется диаметр мешалки dм (диаметр, описываемый лопостями вращающейся мешалки).

Механические мешалки бывают вращающиеся и вибрационные.

Основными типами вращающихся механических мешалок являются:

лопастная;

пропеллерная (винтовая);

рамная;

якорная;

ленточная;

турбинные (открытая и закрытая). Вибрационные мешалки – дисковые и пружинные.

Все мешалки делятся на тихоходные (скорость до 1 м/с) и быстроходные (скорость до 10 м/с). Винтовые и турбинные – быстроходные;

лопастные, якорные, рамные, ленточные, в основном - тихоходные.

Для усиления эффекта перемешивания используются цилиндры, диффузоры, конфузоры или перегородки на стенке аппаратов.

Основными характеристиками процесса перемешивания являются:

интенсивность или степень перемешивания, которая определяется модифицированным критерием Рейнольдса Re м d м n / ;

затраты энергии или мощности на перемешивание, которые определяются Np модифицированным критерием Эйлера или критерием мощности K м.

d n м Экспериментально установлено, что между критерием мощности и модифицированным критерием Рейнольдса существует следующая зависимость K N A Re m, где постоянные A и m, определяются опытным путем для каждого типа мешалки и приводится в справочной литературе, в том числе в виде графической зависимости.

Расчет мешалок сводится к определению мощности двигателя по рабочей мощности мешалки, с учетом к.п.д., пускового момента и поправочных эмпирических коэффициентов fi по формуле N дв 1,3 N p f м f ш f зм f г f H / 1000, кВт.

Тема 2.10. Псевдоожижение Псевдоожижение это процесс взаимодействия восходящего потока жидкости или газа с сыпучим или зернистым матералом, при котором этот материал переходит во взвешенное состояние. При этом материал хаотически витает в слое, напоминая внешне кипящую жидкость. Поэтому такой слой называется псевдоожиженным, кипящим или взвешенным.

Псевдоожиженный слой может существовать лишь в определенном диапазоне скоростей гаха или жидкости. Скорость начала перехода из неподвижного состояния в псевдоожиженное называется первой критической скоростью wкр1. Вторая критическая скорость wкр2, соответствует разрушению псевдоожиженного слоя и началу его уноса из слоя. Отношение рабочей скорости потока к первой критической скорости называется числом псевдоожижения K по w / wкр1.

За счет интенсивного перемещения частиц в слое увеличивается поверхность контакта фаз, увеличивается скорость, химических, тепло- и массообменных процессов.

Состояние псевдоожижения (ПО) наступает тогда, когда сила гидродинамического давления потока становится равной весу частиц слоя, то есть при условии Pf сл Gч, где fсл – площадь поперечного сечения слоя.

С учетом выталкивающей силы, направленной вверх, вес частиц слоя G ч g ч 1 0 H o f сл, где о и Но – порозность высота неподвижного слоя.

Тогда гидравлическое сопротивление ПО слоя будет равно P g ч 1 o H o g ( ч )(1 ) H сл, так как величина 1 H сл остается неизменным и 1 o H o 1 H сл. Это значит, что гидравлическое сопротивление при псевдоожижении с изменением скорости остается постоянным. Графическая зависимость P от скорости называется кривой псевдоожижения.

При достижении второй критической скорости наступает унос частиц.

Этот процесс уноса используется для транспортировки сыпучих материалов и называется гидро- или пневмотранспортом.

Первую критическую скорость можно рассчитать из критериального уравнения О.М. Тодеса Reкр1 Ar / (1400 5, 22 Ar ). Критерий Рейнольдса Re кр1 wкр1d /, определяется уравнением а критерий Архимеда Ar ( gd / ) ч /. Здесь d – диаметр частиц.

3 Вторая критическая скорость (или скорость витания) определяется по аналогичному уравнению Reкр1 Ar / (18 0, 61 Ar ), при условии, что 1.

Область существования псевдоожиженного слоя сильно зависит от гранулометрического состава частиц слоя и может изменяться в значительных пределах. Однородность кипящего (ПО, взвешенного) слоя не всегда легко достижима и зависит от скорости среды, диаметра аппараты и высоты слоя, формы и гранулометрического состава частиц, плотности частиц и среды. ПО слой может быть с образованием газовых пузырей, с поршне- или каналообразованием. Псевдоожижение широко используется для процессов сушки твердых сыпучих и порошкообразных материалов, в адсорбционных и различных каталитических процессах переработки нефти.

Разновидностью сушилок с псевдоожиженным слоем является сушилка с «фонтанирующим» слоем. В ней корпус имеет вид усеченной перевернутой пирамиды. Внизу скорость потока превышает скорость уноса, а вверху меньше скорости псевдоожижения, поэтому в аппарате возникает фонтан. По оси материал выбрасывается вверх, а по стенкам ссыпается вниз.

Высушенный материал уносится потоком и затем улавливается.

Тема 2.11. Механические процессы Механические процессы связаны с обработкой твердых, сыпучих и порошкообразных материалов для проведения основных химико технологических процессов. К этим процессам относятся перемещение, дробление и измельчение твердых кусковых материалов, сортировка, дозирование и смешение таких материалов.

Для горизонтального перемещения материалов используются ленточные, скребковые, пластинчатые и шнековые траспортеры. Для вертикального перемещения используются элеваторы, которые бывают ковшовые и чешуйчатые. Для перемещения сыпучих материалов используется пневмо- и гидротранспорт. Пневмотранспорт бывает низко- (до 100 мм.вод.ст. с концентрацией взвеси 0,5-2 кг/кг воздуха), средне- (0,5- 1, ат с концентрацией 5-40 кг/кг) и высоконапорным (до 8 ат с концентрациенй взвеси до 400 кг/кг). Транспортировка может происходить в разряженной фазе, когда скорость потока больше скорости уноса частиц и в плотной фазе, когда w wун.

Дробление бывает крупное, среднее, мелкое. Измельчение бывает грубое среднее, тонкое и коллоидное.Для оценки измельчения используют показатель степени измельчения, который определяется отношением поверхностей частица до и после помола i Fк / Fн. Он также может быть линейным i d н / d к или объемным i d н3 / d к3. Для крупных кусков степень помола может составлять 3-8, а для мелких 10-30 и более. Дробимый материал характеризуется прочностью и твердостью. Твердость или абразивность оценивается по 10-бальной шкале Мооса. 0 баллов – тальк, баллов – алмаз. У графита – 1, доломита – (3-4), мрамора – (4-5), кварца – 7.

Дробление и измельчение очень энергоемкий процесс, поэтому если есть возможность не дробить, лучше не дробить. Существуют следующие способы измельчения: раздавливание;

раскалывание;

разламывание;

резание;

распиливание;

истирание;

стесненный удар;

свободный удар. Для дробления используются щековые, конусные, молотковые и валковые дробилки.

Валковые дробилки бывают зубовалковые и гладковалковые. Для измельчения используются барабанные (шаровые,трубные, стержневые, вибрационные), струйные и коллоидные мельницы, а также дезинтеграторы и дисмембраторы.

Сортировка или классификация – это разделение сыпучего материала по размерам кусков или частиц с заданным дисперсным (гранулометрическим) составом. Для разделения используются: грохочение или рассев на ситах;

воздушная (пневматическая) сепарация;

гидравлическая классификация.

Грохоты бывают плоские и барабанные (цилиндрические). Плоские могут быть односитовые, многоситовые, с горизонтальным расположен6ием сит или вертикальным. Они бывают неподвижные с наклоном 30-50о, качающиеся, гирационныые (вращающиеся с помощью эксцентрикового вала), вибрационные. Пневмоклассификаторы или воздушные сепараторы основаны на разделении сыпучего материала под действием гравитационных или центробежных сил (циклоны), Гидроклассификаторы используются для мокрого разделения. Для этого используются гидроциклоны и конические, реечные, спиральные (шнековые) классификаторы.

Дозирование – это подача материала в заданном количестве или дозе.

Для этого используются дозаторы и питатели. К дозаторам можно отнести (условно) устройства для прерывистой подачи, а к питателям устройства непрерывной подачи. Для подачи используются барабанные, барабанные секторные дозаторы, лотковые ленточные, шнековые, тарельчатые и электровибрационные питатели. Для выгрузки сыпучих материалов используются затворы. Они бывают плоские (простые рычажные и реечные), мигалки (плоские и конические), шлюзовые (лопастные), шнековые, шиберные и шаровые затворы.

Для смешения сыпучих и пастообразных материалов используются смесители. К ним относятся смесители с мешалками, барабанные смесители, смесительные валки и бегуны, гравитационные. Скоростныеы смесители бывают с пропеллерной и плоской мешалкой с нижним приводом, с вертикально наклонной планетарно-шнековой мешалкой, двухлопастной с Z образными лопастями. Барабанные смеители бывают вращающиеся на горизонтальном или вертикальном валу, многогранные, цилиндрические, валкового типа (шнековые и двухчервячные).

Раздел 3. Основы теории теплопередчи и теплообменные процессы.

Тема 3.1. Общие сведения, способы передачи тепла Тепловые процессы связаны с переносом тепла. К ним относятся – ло нагревание, охлаждение, испарение (кипение) жидкости, конденсация паров и выпаривание. Движущей силой этих процессов является разность температур t. Скорость протекания тепловых процессов зависит от характера движения среды, поэтому задача теплообмена решается совместно с задачами гидродинамики.

Предел отношения изменения температуры к расстоянию по нормали называется градиентом температуры t / n. Передача тепла от одной среды к другой называется теплопередачей, которая может включать несколько стадий – подвод тепла к стенке (теплоотдача), передачу тепла через стенку и отвод тепла от противоположной стенки к другой среде (теплоотдача).

Существует три элементарных способа распространения тепла – теплопроводность, конвекция и тепловое излучение (лучеиспускание).

Теплопроводность – перенос теплоты за счет хаотического движения молекул вещества. В твердых телах, неподвижных и поперек ламинарно движущихся средах теплота переносится только теплопроводностью.

Фурье установил, что количество тепла (Дж), переданное за счет теплопроводности через единицу поверхности за единицу времени прямо t пропорционально градиенту температуры, т.е. dQ dFd, где n коэффициент теплопроводности, который является коэффициентом скорости передачи тепла при разности температур в один градус на расстояние в один метр, Вт/(м·К). Он зависит от природы вещества и температуры, а для газов и от давления. Знак «минус» в уравнении Фурье указывает на то, что тепло распространяется в сторону меньших температур.

Конвекция – перенос теплоты за счет движения макроскопических объемов среды, то есть за счет любого перемещения или перемешивания.

Конвекция бывает естественной, обусловленной разностью плотностей в среде, возникающей из-за разности температур и вынужденной (принудительной) за счет напорных или перемешивающих устройств.

Перенос теплоты от стенки к среде или наоборот называется теплоотдачей. Исследуя этот процесс, Ньютон сформулировал закон охлаждения (закон теплоотдачи), согласно которого количество тепла переходящего от нагретой стенки к среде или от среды к стенке пропорционально поверхности, времени и разности температур среды и стенки по абсолютной величине dQ dFd (tст t ), где – коэффициент теплоотдачи, который является коэффициентом скорости перехода теплоты от стенке к среде или наоборот, Вт/(м2·К). Он зависит от физических свойств и режима движения среды.

Тепловое излучение – перенос теплоты за счет распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, возникающих в результате теплового движения атомов и молекул излучающего тела.

Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела порциональна абсолютной температуре в четвертой степени, поэтому роль теплового излучения возрастает с увеличением температуры Eo K oT 4, где Ко – константа лучеиспускания абсолютно черного тела, Ко = 5,67·10-8 Вт/(м2·К4).

Абсолютно черное тело – тело, которое полностью поглощает все падающие на него лучи. Тела, полностью отражающие падающие на него лучи называются абсолютно белыми. Все остальные тела – серые.

В реальных условия тепло передается всеми тремя способами сразу.

Доля каждого способа при этом зависит от температуры и гидродинамики процесса, физических свойств тел и сред. При обычных температурах более интенсивным способом является конвекция, особенно вынужденная.

Основное уравнение теплопередачи В соответствии с основной кинетической закономерностью количество теплоты, переданное от одной среды к другой, через единицу поверхности за единицу времени, пропорционально движущей силе процесса t и обратно пропорционально тепловому сопротивлению Rт, т.е. dQ / dFd t / Rm.

Величина обратная сопротивлению 1/Rт является коэффициентом скорости, обозначается буквой К и называется коэффициентом теплопередачи. Тогда dQ KdFdt. Это основное уравнение теплопередачи, записанной в дифференциальном виде. Для получения интегрального вида необходимо усреднить движущую силу процесса вдоль всей поверхности теплообмена Q KFtср.

При установившемся процессе теплопередачи количество переносимого тепла не изменяется во времени, тогда получаем уравнение, определяющее тепловую нагрузку процесса теплопередачи Q / Q KF tср. Это уравнение используется для расчета поверхности теплопередачи F Q / K tср, зная которую, по каталогам или нормалям выбирают стандартизованный типоразмер теплообменного аппарата.

Тема 3.2. Передача тепла теплопроводностью. Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье Закон распределения температур в среде, в которой передача тепла осуществляется за счет теплопроводности, описывается дифференциальным уравнением теплопроводности Фурье.

Рассматривая накопление тепла в однородном и изотропном элементарном объеме в виде параллелепипеда, помещенного в трехмерную систему координат, получаем, что общее количество «накопленного» тепла в 2t 2 t dQ 2 2 2 dxdydzd 2t dxdydzd, объеме будет равно где x y z 2t оператор Лапласа по температуре (сумма вторых производных).

Вследствие накопления тепла изменится теплосодержание за счет изменения температуры во времени. Изменение теплосодержания составит t c величину dxdydz. Это изменение теплосодержания будет равно количеству «накопленного» тепла, поэтому их можно приравнять t c dxdydz 2tdxdydzd. После сокращения одинаковых величин получим в упрощенном виде дифференциальное уравнение Фурье t / a 2t, где a / (c ) коэффициент температуропроводности. Уравнение Фурье описывает закон изменения температуры в пространстве и во времени при передаче тепла за счет теплопроводности.

Передача тепла через плоские и цилиндрические стенки Рассмотрим передачу тепла через плоскую неограниченно распространенную стенку (у которой толщина значительно больше двух других размеров). Для такой стенки можно считать, что перенос тепла происходит лишь в одном направлении, через толщину. В этом случае дифференциальное уравнение Фурье для установившегося процесса запишется d 2t / dx 2 0. После интегрирования получим t C1 x C2, где С1 и С – постоянные интегрирования. При этом С2 = tcm1, а C1 (tст 2 tст1 ) /.

Подставим найденные константы в конечное уравнение, получим tст 2 tст x tст1. Из уравнения видно, что температура в стенке меняется по t линейному закону. Дробь, стоящая в правой части уравнения – это градиент температуры. Подставив его в уравнение Фурье, определяющее количество переносимого тепла, получим уравнение теплопроводности для стенки t dQ dFd dFd (tст1 tст 2 ) или Q ( / ) F (tст1 tст 2 ). Отношение / n называется тепловой проводимостью, а обратная величина / термическим сопротивлением стенки.

Для многослойной стенки уравнение теплопроводности имеет вид n n Q (tст1 tст 2 ) F / i / i, / i термическое где сопротивление i 1 многослойной стенки. Для цилиндрической многослойной стенки уравнение Q 2 L (tст1 tст 2 ) / ln(di 1 / di ) / i.

теплопроводности Для однослойной цилиндрической стенки n = 1. Если отношение / d внутр. 2, то расчет можно вести как для плоской стенки.

Тема 3.3. Конвективный теплообмен, уравнение Фурье-Кирхгофа В движущейся среде тепло передается одновременно конвекцией и теплопроводностью, поэтому в элементарном объеме, помещенном в трехмерную систему координат, «накопление» тепла будет дополнительно происходить и за счет конвекции. Определим это количества тепла. Через левую грань параллелепипеда за время d войдет следующее количество Qx wx dydz ctd.

Вследствие изменения температуры, за счет прихода тепла в направлении оси Х, через правую грань параллелепипеда выйдет следующее t количество тепла Qx dx wx dydz c(t dx)d. Тогда за счет конвекции в x t направлении оси Х будет «накоплено» тепла dQx wx dxdydz c.

x Аналогично определяется накопление тепла и по двум другим осям.

Общее количество тепла, «накопленное» за счет конвекции t t t dQk c( wx wy wz )dxdydzd.

x y z Суммарное «накопление» за счет конвекции и теплопроводности составит 2t 2 t 2 t t t t t c( wx wy wz )dxdydzd 2 2 2 dxdydzd c dxdydzd.

x y z x y z После сокращений получим дифференциальное уравнение конвективного теплообмена Фурье-Кирхгофа t t t t ( wx wy wz ) a 2t.

x y z Это уравнение выражает в общем виде распределение температур в движущейся жидкости. Уравнение Фурье-Кирхгофа необходимо решать совместно с уравнением Навье-Стокса, определяющим гидродинамику процесса. Решить аналитически уравнение Фурье-Кирхгофа для большинства практически важных случаев невозможно, поэтому его преобразовывают с помощью теории подобия с целью получения критериев подобия.

Критерии теплового подобия, критериальные уравнения теплоотдачи.

Запишем уравнение Фурье-Кирхгофа в следующем виде t t 2t wx... a 2...

x x Для преобразования опустим в данном уравнении все знаки дифференцирования и индексы, а х, заменим на неориентированный t tw t линейный размер l, тогда... a 2.... Разделив третий член на первый, l l получим критерий Фурье Fo a / l, который определяет стационарность теплового процесса.

Разделив второй член на третий, получим критерий Пекле Pe wl / a, который определяет соотношение, между теплом переданное за счет конвекции к теплу, переданному теплопроводностью.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.