Донецкий национальный технический университет

Кафедра “Прикладная экология и охрана окружающей среды”

Курс лекций

“Основы технологических процессов”

для студентов, обучающихся по направлению подготовки “Экология”

специальности 7.070801 “Екологія то охорона навколишнього середовища” специализации “Управління екологічною безпекою”

Составил доц. А.В. Булавин

Донецк 2006

Задачей курса «Основы технологических процессов» является изучение основных процессов химической технологии, и методов их расчета, знакомство с конструкциями аппаратов, применяемых в этих процессах.

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, последние могут быть разделены на следующие группы:

1. Механические процессы, применяемые для переработки твердых материалов и подчиняющиеся законам механики твердого тела. К таким процессам относятся: перемещение материалов, измельчение, классификация (сортировка) материалов по крупности, их дозирование и смешивание.

2. Гидромеханические процессы, используемые при переработке жидкостей и газов, а также неоднородных систем, состоящих из жидкости и мелкоизмельченных твердых частиц, взвешенных в жидкости (суспензий). Движение жидкостей, газов и суспензий характеризуется законами механики жидких тел гидромеханики. К числу гидромеханических процессов относятся: перемещение жидкостей и газов, перемешивание в жидкой среде, разделение жидких неоднородных систем (отстаивание, фильтрование, центрифугирование), очистка газов от пыли.

3. Тепловые процессы, связанные с теплообменом, т. е. переходом тепла от одного вещества к другому. К этим процессам относятся: нагревание, охлаждение, процессы, протекающие с изменением агрегатного состояния вещества, — испарение, конденсация, плавление и затвердевание, а также процессы выпаривания, кристаллизации и получения искусственного холода.

4. Массообменные процессы, заключающиеся в переходе вещества (массы) из одной фазы в другую путем диффузии. К этой группе относятся следующие процессы перехода веществ: сушка твердых материалов, ректификация и сорбция (поглощение газов жидкостями или твердыми веществами).

Ректификация – разделение системы на отдельные компоненты.

Процессы химической технологии проводятся периодически или непрерывно. В периодическом процессе исходные вещества загружаются в аппарат и реагируют или обрабатываются в нем, после чего полученные продукты выгружают, и аппарат загружают вновь. При этом все стадии процесса протекают во всем объеме аппарата, но условия взаимодействия или обработки веществ внутри аппарата — температура, давление, концентрация и т. д. — изменяются во времени. В непрерывном процессе загрузка аппарата и выгрузка производятся непрерывно. При этом все стадии процесса протекают одновременно, но в разных точках объема аппарата, причем в каждой его точке температура, давление и другие параметры процесса остаются неизменными во времени. Применение непрерывных процессов позволяет значительно повысить производительность аппаратуры, облегчает автоматизацию и механизацию производства, и дает возможность улучшить качество и однородность получаемых продуктов. Аппараты непрерывного действия компактнее периодически действующих аппаратов, требуют меньших капитальных затрат и меньших эксплуатационных расходов. Благодаря этим серьезным достоинствам непрерывные процессы вытесняют периодические, которые применяются в настоящее время преимущественно в производствах небольшого масштаба и при разнообразном ассортименте выпускаемой продукции.

Процессы химической технологии связаны с разнообразными физическими и химическими явлениями. Однако большинство этих процессов характеризуется сравнительно ограниченным числом физических законов.

Материальный баланс. По закону сохранения массы, количество веществ, поступающих на переработку (ΣG_нач.), равно количеству веществ, получаемых в результате переработки (ΣG_кон), т. е. приход вещества равен расходу. Это можно представить в виде уравнения материального баланса:

ΣG_нач = ΣG_кон

Энергетический баланс. По закону сохранения энергии, количество энергии, введенной в процесс, равно количеству ее, полученному в результате проведения процесса, т. е. приход энергии равен расходу ее.

Условие равновесия. Любой процесс протекает до тех пор, пока не установится состояние его равновесия. Так, жидкость перетекает из сосуда с более высоким уровнем ее в сосуд с более низким уровнем до тех пор, пока уровни жидкости в обоих сосудах не сравняются. Тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока температура обоих тел не станет одинаковой. Соль растворяется в воде до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Подобных примеров можно привести бесчисленное множество. Условия равновесия характеризуют так называемую статику процесса и показывают пределы, до которых может протекать данный процесс.

Условия равновесия выражаются разными законами; к ним относятся второй закон термодинамики и законы, характеризующие соотношение между концентрациями компонента в различных фазах системы.

Скорость процесса. Скорость процесса – это производительность, отнесенная к единице длины, массы, объёма. В большинстве случаев скорость процесса пропорциональна движущей силе. Если какая-либо система не находится в состоянии равновесия, то обязательно возникает процесс, стремящийся привести эту систему к равновесию. При этом обычно скорость процесса тем больше, чем больше отклонение системы от состояния равновесия. Отклонение системы от состояния равновесия выражает, таким образом, движущую силу процесса, Следовательно, чем больше движущая сила, тем больше скорость процесса. По мере приближения к равновесию движущая сила и скорость процесса уменьшаются, достигая нуля в состоянии равновесия. Вблизи состояния равновесия скорость процесса весьма мала и продолжает уменьшаться при приближении к равновесию, поэтому для его достижения требуется бесконечно большое время. Однако обычно может быть сравнительно быстро достигнуто состояние, столь близкое к равновесию, что прак­тически его можно рассматривать как равновесное.

Для практических расчетов весьма важно знать скорость процесса в различных его стадиях, или так называемую кинетику процесса. Во многих случаях скорость процесса пропорциональна движущей силе. Такая простая зависимость наблюдается при фильтровании, при передаче тепла путем теплопроводности и конвекции, в процессах массопередачи. В этих случаях уравнение скорости процесса имеет следующий вид:

N/ (Fτ) = К Δ

где N — количество вещества или тепла, передаваемое через по­верхность за время τ;

К — коэффициент пропорциональности (коэффициент скорости процесса);

Δ — движущая сила процесса.

В тепловых процессах через F обозначают поверхность теплообмена, т. е. поверхность, через которую передается тепло (стр. 363), в процессах массопередачи F—поверхность соприкосновения фаз.

Левая часть уравнения представляет собой скорость процесса.

Коэффициент скорости процесса К обычно находят из опыта, расчетное определение его в ряде случаев представляет значи­тельные трудности.

Гидравлика

При исследовании различных вопросов гидравлики вводят понятие о реально не существующей, идеальной жидкости. Такая жидкость абсолютно несжимаема и не обладает внутренним трением между частицами (вязкостью). В действительности жидкости в той или иной мере сжимаемы и обладают вязкостью; они называются реальными, или вязкими, жидкостями.

Реальные жидкости делятся на собственно жидкости, называемые капельными, и упругие жидкости — газы, обладающие сжимаемостью, или упругостью, т. е. способные изменять свой объем с изменением давления. Сжимаемость капельных жид­костей крайне незначительна; например, объем воды при увели­чении давления от 1 до 100 am уменьшается только на 7гоо пер­воначальной величины.

Плотность и удельный вес

Масса жидкости, заключенная в единице ее объема, назы­вается плотностью и обозначается через ρ:

ρ = m/ V

где m — масса жидкости, кг; V — объем жидкости, м³.

Удельным весом называется вес единицы объема жидкости и связан с вязкостью соотношением

γ = ρg (н/ м³)

Плотность капельных жидкостей незначительно увеличивается с повышением давления и обычно несколько уменьшается с возрастанием температуры.

Объем, занимаемый единицей массы тела, называется удельным объемом. Удельный объем является величиной, обратной плотности, т. е.

υ =1/ρ

Гидравлика делится на гидростатику и гидродинамику.

Гидростатика изучает покоящиеся жидкости.

Гидростатическое давление

Рст = ρgН = γН ,

где Н – высота слоя жидкости, ρ – ее плотность.

Рст/ρg = Нст – статический напор (пъезометрический).

Давление в аппаратах измеряется манометрами, разрежение вакумметрами.

1 (атм) = 760 мм рт.ст = 760 *13,6 = 10330 мм вод.ст =( 10,33 м вод.ст) =

Давление в аппаратах - Ризб. измеряется по отношению к атмосферному:

Рабс = Ратм + Ризб,

Рабс = Ратм – Рвак – остаточное давление

разрежениее в аппарате

Гидродинамика

Гидродинамика изучает перемещение жидкости

Вязкость

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Вязкость – сила внутреннего трения, т.е. сила сцепления между соседними слоями жидкости, препятствующая их взаимному перемещению. По закону Ньютона

Ртр = - μ F dW/dl,

где Ртр – сила трения,

F – поверхность,

dW/dl – градиент скорости по нормали, т.е. относительное изменение скорости на единицу расстояния между слоями по направлению, перпендикулярному к направлению течения жидкости.

Входящий в уравнение коэффициент пропорциональности μ зависит только от физических свойств жидкости и называется динамическим коэффициентом вязкости, или просто вязкостью.

Получим размерность вязкости в системе единиц СИ:

μ = Ртр dl / dW - F = н* м/ м/с*м² = н*с/ м² = Па*с

Часто вязкость выражают в сантипуазах:

1сПз = 0,01 Пз = 10^-3 Па*с

Отношение вязкости к плотности ρ жидкости называется кинематическим, коэффициентом вязкости, или просто кинематической вязкостью Единица кинематической вязкости — стокс (cm) равен 1 см²/сек. Единица кинематической вязкости, в 100 раз меньше стокса, называется сантистоксом (сст).

ν = μ/ρ

ν = (н*с *м ³)/(м² кг) = (кг*м/с²) с *м ³)/(м^{2 *}кг) = м²/с

ν = см²/с = Ст

Вязкость капельных жидкостей с повышением температуры уменьшается, вязкость газов увеличивается. Изменение вязкости в зависимости от давления незначительно и обычно не учитывается (исключая область весьма высоких давлений).

Характеристики:

1. Расход жидкости:

Объемный расход – V, м³/с

Массовый расход – G, кг/с

2. Скорость движения жидкости

Объемная скорость w_об = V/ S – м/с

Массовая скорость w_мас = G / S = V ρ/ S

w_мас =w_об ρ

3 Установившийся поток – скорость и расход в какой-либо точке с течением времени не изменяется.

Кинетическая энергия жидкости, движущейся со скоростью w, определяется по формуле:

Рдин = mw²/2

Рдин = кг* м²/с²= (н*с²/м)* м²/с² =