Гидромеханические процессы

Основы гидравлики

К гидромеханическим процессам относятся: гидродинамические, разделение жидких и газовых неоднородных систем, перемешивание материалов и др. Эти процессы широко распространены в химической и нефтехимической промышленности:

• движение газов, паров и жидкостей в трубопроводах и аппаратах

• разделение путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования и т. д.

все эти процессы основаны на общих законах движения потоков. Скорость их описывается законами гидромеханики.

Гидромеханика – это раздел механики, изучающий движение жидких и газообразных сред. По величине число Кнудсена

К_n= ,

где длина свободного пробега, - размер обтекаемого тела

можно выделить 3 области, изучаемой гидромеханикой.

1. К_n <0,01 т.е.

В этой области среда рассматривается как сплошная. Молекулы среды как бы прилипают к стенке, поэтому W_ст = 0. Это классическая гидродинамика.

2. 0,01<К_n<1.

Это переходная область, в которой среду еще можно рассматривать как сплошную, но на стенке молекулы проскальзывают, т.е. W_ст

3. К_n>1

В этой области среднестатистическая молекула соприкасается со стенкой только один раз. Это механика разряженного газа

Практическое приложение законов гидромеханике изучаются в гидравлике, которая состоит из двух разделов:

• гидростатики (учение о равновесии жидкостей),

• гидродинамики (учение о движении жидкостей).

Гидравлику важно знать не только потому, что ее законы лежат в основе вышеуказанных процессов. Скорость движения среды, направление, режим движения и др. факторы оказывают большое влияние на скорость химических реакций, протекающих в технологических аппаратах, скорость передачи тепла в теплообменном аппарате, скорость массообменных процессов.

Некоторые свойства жидкостей и газов

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары единым названием «жидкость». Это объясняется тем, что законы движения жидкостей и газов практически одинаковы, если их скорости не превышают скорости звука.

Жидкостью называются все вещества, обладающие текучестью, принимающие всегда форму того объема, в котором они находятся.

При выводе основных закономерностей в гидравлике вводят понятие о гипотетической (реально не существующей) идеальной жидкости.

Свойства идеальной жидкости:

1. Несжимаема под действием давления.

2. Не изменяет плотности при изменении температуры.

3. Не обладает вязкостью, обусловленной трением частиц друг с другом.

Реальные жидкости делятся на собственно жидкости, называемые капельными и упругими (газы или пары)

Капельные жидкости (газы) практически несжимаемы (вода 1-200 атм. V уменьшается на 1/200), обладают очень малым коэффициентом объемного расширения при нагревании или охлаждении.

Упругие жидкости (газы), напротив, обладают очень большой сжимаемостью или упругостью (изменением объема при изменении давления) и сравнительно большим коэффициентом объемного расширения.

Рассмотрим некоторые свойства жидкостей и газов.

1. Плотность и удельный вес

Масса единицы объема называется плотностью

ρ ; СИ: [кг/м³] MKS: [кг]

Вес единицы объема жидкости называется удельным весом:

Плотность и удельный вес капельных жидкостей значительно выше, чем упругих.

Плотность газов может быть выражена через мольный объем: 1 кмоль газа при 0⁰С и 760 мм рт. ст. занимает 22,4 м³

При изменении условий по уравнению Клайперона получаем:

Плотность смеси газов подчиняется правилу аддитивности (сложения)

2. Поверхностное натяжение. ПАВ

Подвижная поверхность раздела фаз стремится к минимуму под действием поверхностных сил. Это объясняется тем, что молекулы жидкости внутри ее объема испытывают примерно одинаковые воздействия соседних молекул, а молекулы, находящиеся непосредственно у поверхности раздела фаз, притягиваются молекулами внутренних слоев жидкости сильнее, чем молекулами окружающей среды. В результате этого на поверхности жидкости возникает давление, направленное внутрь жидкости по нормали к ее поверхности. Это давление стремится уменьшить поверхность раздела фаз до минимальной величины.

Для создания новой поверхности необходимо затратить энергию. Работу, необходимую для образования единицы новой поверхности, называется поверхностным натяжением.

Это сила, действующая на единице длинны поверхности раздела.

Поверхность натяжения уменьшается с увеличением температуры. Оно оказывает большое влияние на процессы барботажа, конденсации, экстракции (граничное натяжение для не смешивающихся жидкостей).

Вода – воздух

вода – бензол

3. Вязкость

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Эти силы действуют между соседними слоями жидкости, перемещающимися друг относительно друга, и зависят от сил сцепления между молекулами.

Свойство реальной жидкости оказывать сопротивление относительному перемещению частиц, называется вязкостью.

Выделим в потоке жидкости два параллельно текущих на расстоянии dn слоя площадью F каждая. Нижний слой движется со скоростью w. Если на верхний слой подействует сила Т, преодолевающая сопротивление, то он приобретет скорость (w + dw)

Ньютон установил, что сила внутреннего трения, проявляющаяся при перемещении двух слоев жидкости, прямо пропорциональна градиенту скорости и поверхности соприкосновения слоев:

Возникающая внутри жидкости сила сопротивления равна приложенной силе Т и направлена в противоположную сторону.

На единицу поверхности:

Знак минус означает, что сила внутреннего трения направлена в сторону, противоположную градиенту скорости.

Напряжение внутреннего трения (касательное напряжение) прямо пропорционально градиенту скорости.

Коэффициент пропорциональности называется динамическим коэффициентом вязкости или динамической вязкостью (или просто вязкостью).

(СИ);