Комплект лекций по дисциплине «процессы и аппараты» введение 2 часа

Сущность дисциплины "Процессы и аппараты" и ее роль в области интенсификации химических производственных процессов, обеспечения выпуска качественной продукции, охраны окружающей среды.

Классификация основных процессов и аппаратов. Принципы анализа и расчетов процессов и аппаратов. Использование теории подобия при расчетах.

Введение

Промышленное производство характеризуется разнообразием технологических процессов – результатом целенаправленной деятельности человека для получения определенных продуктов, предметов и материалов. Аппараты – технические объекты для осуществления технологических процессов.

Предмет, задачи и содержание курса

Курс «Процессы и аппараты» строится на основе выявления аналогии между различными стадиями того или иного процесса и функциями аппаратов для осуществления этих стадий независимо от отрасли промышленности.

Таким образом, предметом курса являются процессы и аппараты однотипных стадий производств.

Задачей курса является изучение:

• теории основных технологических процессов;

• принципов устройства и работы аппаратов и машин для осуществления технологических процессов;

• методов расчета основных характеристик аппаратов и машин;

• проблем и закономерностей перехода от лабораторных процессов и моделей к промышленным процессам и аппаратам (моделирование).

Наука о процессах и аппаратах возникла на базе одной из ведущих отраслей тяжелой индустрии – химической промышленности, объединяющей целый комплекс производств и методов переработки сырья и материалов. Инициатива в создании курса процессов и аппаратов химической технологии принадлежит профессору И. А. Тищенко, впервые начавшему преподавать этот курс на химическом факультете МВТУ им. Н. Э. Баумана в 1911 г. Большое значение для его разработки имели работы профессора Санкт-Петербургского технологического института А. К. Крупского.

Усилия профессоров и преподавателей МТИ им. Д. И. Менделеева И. А. Тищенко, Н. Ф. Юшкевича, Н. Н. Ворожцова-старшего, Б.С. Швецова, Я. И. Михайленко, М. П. Дукельского, П. П. Шорыгина и других по повышению инженерного уровня технологического образования были поддержаны профессурой других вузов, особенно академиком Д. П. Коноваловым, автором учебного

руководства «Материалы и процессы химической технологии» (1924-1925), и профессором Л. Ф. Фокиным, автором книги «Методы и орудия химической техники» (1923) (одновременно в США вышла монография В. Уокера, В. Льюиса, В. Мак-Адамса «Принципы инженерной химии»).

В 1935 -1937 гг. профессор МХТИ А. Г. Касаткин опубликовал учебник «Основные процессы химической технологии», получивший широкое распространение в нашей стране и за рубежом. По последовательному изменению содержания этого учебника (выдержавшего 9 изданий и переведенного на немецкий, венгерский, польский, чешский, румынский, болгарский, китайский и другие языки) можно судить о ходе развития науки о процессах и аппаратах химической технологии. Учебник А. Г. Касаткина дополнило учебное пособие для вузов К. Ф. Павлова, П. Г. Романкова, А.А. Носкова «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии», выдержавшее 10 изданий и переведенное на 12 иностранных языков.

Для эволюции науки о процессах и аппаратах оказались весьма значимыми работы профессора А.А. Гухмана, академика М. В. Кирпичева и других ученых в области теории физического моделирования, что открыло возможности для обобщения и утверждения общих взглядов на природу и механизм некоторых технологических процессов.

Большой вклад в развитие науки о процессах и аппаратах внесли академики Н. М. Жаворонков, В. В. Кафаров, чл.-корр. АН СССР П. Г. Романков, профессора А. Н. Плановский, В. Н. Ста6ников, Ю. И. Дытнерский и многие другие выдающиеся отечественные ученые.

В большинстве химико-технологических, технологических, машиностроительных и политехнических высших и средних учебных заведений курс «Процессы и аппараты» - основная инженерная дисциплина, закладывающая фундамент общей технической подготовки будущих специалистов – технологов и механиков.

Классификация основных процессов и аппаратов

По общепринятой классификации, основанной на кинетической (скоростной) закономерности процессов, различают:

• гидромеханические процессы, скорость j_г которых определяется законами гидродинамики:

где V – объем перемещаемой среды; F- площадь сечения аппа­рата; т - время; К, - коэффициент скорости процесса (величина, обратная гидравлическому сопротивлению R_i); 4р - перепад давлений (движущая сила процесса).

К гидромеханическим относятся процессы перемещения жид­костей и газов, осаждения, фильтрования, центрифугирования, псевдоожижения*, перемешивания в жидких средах и др.;

• тепловые процессы, скорость j_Т которых определяется закона­ми теплопередачи:

где Q – количество переданной теплоты; F – поверхность тепло­обмена; К₂ – коэффициент теплопередачи (величина, обратная термическому сопротивлению R₂); Δt – разность температур между обменивающимися теплотой материалами (движущая сила процесса).

К тепловым относятся процессы нагревания, охлаждения, кипения, конденсации, выпаривания и др.;

• массообменные (диффузионные) процессы, скорость j_M которых определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую:

где М - количество вещества, перенесенного из одной фазы в другую; F – поверхность контакта фаз; К₃ – коэффициент массопередачи (величина, обратная диффузионному сопротивлению R3); Δс - разность между равновесной и рабочей концентрациями вещества в фазах (движущая сила процесса).

К массообменным относятся процессы абсорбции, ректификации, экстракции, адсорбции, сушки, кристаллизации и др.;

• механические процесс , скорость которых определяется законами физики твердого тела.

К механическим относятся процессы измельчения, классификации, дозирования, смешивания твердых материалов, их перемещения и др.;

• химические процессы, связанные с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость j_х этих процессов определяется закономерностями химической кинетики:

где М – количество прореагировавшего в химическом процессе вещества; V_p – объем реактора; К₄ – коэффициент скорости химического процесса; f(с) – движущая сила процесса, которая является функцией концентраций реагирующих веществ.

Принципы анализа и расчета

Анализ процесса начинается с определения условий равнове­сия системы с учетом законов гидродинамики, термодинамики и массоо6мена. Наибольшее число параметров, которые можно из­менять, не нарушая равновесия, определяют с помощью правила фаз ги66са для различных систем

Ф + С = К + 2, (В.4)

где Ф - число фаз; С - число степеней свободы, Т. е. число неза­висимых переменных, значение которых можно произвольно из­менять без нарушения числа или состава фаз в системе; К - чис­ло компонентов системы.

По характерным равновесным и рабочим параметрам опреде­ляют движущую силу процесса, используемую для расчета основных размеров проектируемого аппарата.

По данным о равновесии составляют материальный баланс прихода и расхода веществ в рассматриваемом процессе

где ΣМ_Н и ΣМ_К – число исходных (начальных) и конечных веществ соответственно.

Изменение тепловой энергии системы можно описать уравне­нием теплового баланса

где ΣQ_Н и ΣQ_К – теплоты, поступающие в аппарат с исходными материалами и отводимые из аппарата с конечными продуктами соответственно; Q_p – тепловой эффект процесса (реакция); Q_П – потери теплоты в окружающую среду.

По полученным в результате изучения статики и кинетики данным, используя, например, соотношения (В.1)-(В.3), определяют основной размер соответствующего аппарата (площадь по­перечного сечения, поверхность теплопередачи, диаметр и высоту массоо6менного аппарата), являющийся целью осуществляемого технологического расчета.

Большую роль при анализе и расчете процессов и аппаратов

имеют их математические модели, которые позволяют целенаправленно исследовать механизм процесса в целом, изучать его отдельные стороны и явления, влияние начальных параметров и факторов на его конечные результаты, а также определить такое сочетание режимов функционирования, которое обеспечит оптимальные условия его проведения.

Однако в ряде случаев математические модели, учитывающие максимальное число влияющих на процесс величин, настолько усложняются, что их точное решение становится затруднительным, а иногда и вообще невозможным.

Практика инженерной деятельности привела к созданию научно обоснованного метода, формирующего условия проведения экспериментов, а также обработки опытных данных с возможностью распространения результатов на группу подобных явлений – теории подобия.

Основы теории подобия

При разработке новых технологических процессов и аппаратов для их осуществления очень часто необходимо использовать экспериментальные данные, характеризующие конкретное производство. Исследователю при этом необходимо решить ряд задач.

1) Каким образом от лабораторных результатов и размеров моделирующего стенда перейти к промышленному процессу и установке?

2) Какое минимальное число величин, характеризующих процесс, необходимо измерять в ходе лабораторного эксперимента, не теряя при этом его физической достоверности?

3) Какое минимальное число экспериментов необходимо провести для получения реальной физической картины осуществляемого процесса?

На все эти вопросы помогает ответить теория подобия, которая устанавливает связь между группами подобных явлений.

Выводы теории подобия строятся на основании анализа дифференциальных уравнений, описывающих исследуемый процесс.

Однако одни и те же дифференциальные уравнения, как правило, описывают целый класс различных по своему характеру процессов. Для того чтобы рассмотреть математическую модель изучаемого явления, необходимо дополнить ее параметрами, кон­кретизирующими условия осуществления процесса, отличающего его от других (сходных) процессов.

Эти параметры называются условиями однозначности и включают:

• геометрические условия, характеризующие размеры и форму аппарата, в котором осуществляется процесс;

• физические свойства сред, взаимодействующих в процессе;

• граничные условия, характеризующие взаимодействие сред с телами, ограничивающими объем протекающего процесса;

• параметры, характеризующие начальное состояние рассматриваемой системы. В соответствии с теоремой Кирпичева – Гухмана подобны явления, описываемые одной и той же системой дифференциальных уравнений, у которых соблюдается подобие условий однозначности.

Отсюда следует, что подобные явления повторяют себя в различных масштабах, включающих геометрическое подобие систем, временное подобие, подобие физических величин, характеризующих процесс, подобие граничных и начальных условий.

Таким образом, в подобных процессах должны выполняться следующие условия:

• геометрическое подобие:

где l₁, l₂, l₃ - характерные размеры первого аппарата; L₁, ₂, L₃ – характерные размеры второго аппарата, сходственные с размерами первого аппарата; К₁ – коэффициент подобия линейных размеров (соответствующие углы подобных конструкций должны быть равны);

• временное подобие:

где τ₁^’, τ₁^’, τ₁^’ – интервалы времени, характеризующие стадии первого процесса; τ₁^’’, τ₁^’’, τ₁^’’ – интервалы времени, характеризующие сходные стадии подобного процесса; К_τ - коэффициент временного подобия (гомохронности). При К_τ = 1 процессы называются синхронными;

• подобие физических величин:

где j₁^’, j₂^’, j₃^’ – характерные физические величины в первом процессе (плотность, вязкость, теплоемкость и т.д.); j₁^”, j₂^’’, j₃^’’ – сходные физические величины во втором процессе; К_j - коэффициент подобия физических величин;

• подобие начальных и граничных условий предполагает постоянство отношения основных параметров в начале и на границе реального процесса и модели, т. е. соблюдение геометрического, временного и физического подобия.

Отношение двух одноименных физических величин называется параметрическими критериями, или симплексами.

Выбор критериев для подобных процессов не является произ­вольным. Покажем это на примере второго закона механики

где f – сила; т – масса; w – скорость; τ – время.

в случае рассмотрения двух подобных процессов оба они описываются уравнением (В.6), нос разными характерными параметрами

Выраженные в безразмерном виде уравнения (В.7) запишутся

Входящие в них основные переменные в этом случае могут быть выражены в соответствии с подобием условий однозначности как

После подстановки их в соответствующее безразмерное выражение получаем

Поскольку второй сомножитель равен единице (уравнение (В.8)), для подобных процессов должно выполняться условие:

Если заменить в уравнении (В.9) коэффициенты подобия отношением самих величин, то получим

Данные безразмерные комплексы носят название критериев подобия и обычно обозначаются первыми двумя буквами фамилий ученых, получивших их. Так безразмерный комплекс (В.10) называется критерием Ньютона

При этом следует помнить, что для подобных процессов сами параметры, входящие в критерии, могут меняться во времени и пространстве, но в сходственных точках объема и времени они принимают одно и то же значение.

При применении теории подобия различают определяемые и определяющие критерии. Первые нельзя определить, используя величины, входящие в условия однозначности, вторые – можно определить с помощью этих величин.

Целью проведения и обработки экспериментальных исследований является установление функциональной зависимости между определяемыми и определяющими критериями.

Критерии подобия обычно получают следующим образом:

записывают дифференциальное уравнение, описывающее рассматриваемый процесс (В.6);

приводят его к безразмерному виду путем деления одной части уравнения на другую, либо всех слагаемых на одно из выбранных (В.8);

опускают символы дифференцирования. При этом степени дифференциалов при переменных сохраняются (В.11).

Таким образом, анализ процесса с позиций теории подобия позволяет:

определить влияющие на процесс параметры, которые следует измерять в ходе эксперимента;

планировать и проводить эксперимент, варьируя критерии подобия;

распространять результаты экспериментальных исследований на подобные процессы.

При этом следует помнить, что теорию подобия можно применять только к процессам, для которых известны описывающие их дифференциальные уравнения.

В противном случае необходимо использовать другие методы

обработки результатов эксперимента (методы анализа размерностей, регрессионный и т.д.).