1. Цели и задачи курса. Классификация основных процессов химической технологии.

Изучение технологических процессов составляет предмет дисциплины. Технология (techne – искусство, мастерство) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката в процессе производства.

Основная задача дисциплины: выявление общих закономерностей процессов переноса и сохранения различных субстанций; разработка методов расчета технологических процессов и аппаратов для их проведения; ознакомление конструкциями аппаратов и машин, их характеристиками.

Итак, в зависимости от законов, определяющих скорость протекания процессов, они могут быть объединены в следующие группы:

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидромеханики. Сюда относятся транспортировка жидкостей и газов, получение и разделение неоднородных систем и др.

2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты (охлаждение и нагревание жидкостей и газов, конденсаций паров, кипение жидкостей и др.).

3. Массообменные процессы, скорость которых определяется законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз (абсорбция, адсорбция, экстракция, перегонка жидкостей, сушка и т.д.).

4. Химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики.

5. Механические процессы, которые описываются законами механики твердых тел (измельчение, сортировка, смешение твердых материалов и др.)

В зависимости от того, как изменяются или не изменяются во времени параметры процессов (скорость движения потока, температура, давление и т.д.) их подразделяют на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). Обозначим параметры как U, тогда

- стационарные процессы, U(x,y,z)

- нестационарные, U(x,y,z,t)

Периодический процесс характеризуется единством место проведения отдельных его стадий. Процесс нестационарный.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий. Процесс установившийся (стационарный).

Встречаются комбинированные процессы – отдельные стадии проводятся непрерывно, отдельные – периодически.

2. Силы и напряжения, действующие в жидких средах. Режим движения жидкости.

Силы, действующие в жидкости, делятся на массовые и поверхностные.

Поверхностные силы действуют на поверхностях отделяющий данный объем от окружающей среды. Поверхностные силы могут быть нормальные (сжимающие и растягивающие), касательные (рис. 1.1.) и поверхностного натяжения. Сопротивлением жидкости, растягивающим силам можно пренебречь. Поверхностные силы непрерывно распределены по поверхности.

Рис. 1.1. Схема сил.

,, (1.2)

где - нормальная сила или сила давления; - касательная сила или сила трения. Сила создает давление в жидкости:

или давление в точки , (1.3)

где F- площадь.

Гидростатическое давление в точке одинаково по всем направлениям и зависит только от положения точки внутри жидкости, т.е. p = f (x,y,z). Для случая гидродинамики давление в точке определяется так:

, (1.4)

где p_{1, 2, 3} – главные нормальные напряжения в точке.

Отношение касательной силы к величине площади, на которую эта сила действуют, называется касательным напряжением:

или касательное напряжение в точке . (1.5)

Сила поверхностного натяжения. На межфазной поверхности жидкости существует тонкий слой, в котором возникает натяжение, т.к. молекулы жидкости, находящиеся на поверхности сильнее притягиваются молекулами внутренних слоев, чем молекулами другой фазы на межфазной поверхности. Действие сил поверхностного натяжения проявляется в стремлении жидкости уменьшить свою поверхность. На создание новой поверхности F необходимо затратить некоторую работу A. Величина работы A, которую нужно затратить для образования единицы новой поверхности жидкости при постоянной температуры, называется коэффициентом поверхностного натяжения:

. (1.6)

Вследствие поверхностного натяжения на любой искривленной межфазной поверхности жидкости возникает давление. Величина этого давления определяется формулой Лапласа:

, (1.7)

где R – радиус кривизны поверхности. Для плоской поверхности R =  и =0.

Массовые силы действуют на каждую частицу данного объема жидкости. К ним относятся: сила тяжести, центробежная сила, сила инерции и сила Кориолиса:

сила тяжести Pт = Mg, сила центробежная Pцб = M r, сила инерции Pин = Ma, сила Кориолиса Pкор. = 2M wотн.,

(1.8.)

где M – масса, g – ускорение силы тяжести, - угловая скорость вращения, r – радиус вращения, a – ускорение, w_отн – относительная скорость.

При течение жидкой среды (жидкости) реализуется 2 режима:

-ламинарный,

-турбулентный.

При ламинарным режиме жидкость течет малой скоростью, отдельными струйками, не смешиваясь, параллельно стенкам канала. При этом траектории отдельных частиц не пересекаются, все частицы имеют лишь продольную составляющую скорости.

С увеличением скорости движения потока жидкости картина качественно меняется. Траектории частиц представляют сложные, хаотичные кривые, пересекающие между собой. Во всех точках потока скорость и давление нерегулярно изменяются с течением времени, пульсируют вокруг некоторых своих средних значений, возникают поперечные составляющие скорости. Этот режим движения жидкости называется турбулентным. Режим может меняться с изменением диаметра канала и вязкости жидкости. В турбулентном потоке можно говорить не об актуальных, но только об осредненных за достаточно протяженный отрезок времени величинах скорости и давления.

Между ламинарными и турбулентными режимами движения жидкости находится область развития турбулентности. В этой область турбулентность имеет переменную интенсивность, увеличивающуюся с ростом скорости.

При турбулентном режиме малые возмущения, возникающие в реальных условиях, не затухают, происходит развитие нерегулярного хаотичного движения отдельных объемов среды (вихрей). Вихри не являются устойчивыми, четко ограниченными в пространстве образованиями. Они зарождаются, распадаются на более мелкие вихри, затухают с переходом механической энергии в тепловую.

При выполнении расчетов гидравлических сопротивлений, тепловых и массообменных процессов, происходящих в аппаратах и машинах, необходимо знать режимы течения жидкостей, поскольку для ламинарного режима характерны одни закономерности, а для турбулентного – другие.

Количественно режим течения определяется по критерию Рейнольдса:

,

- характерный линейный размер потока; - соответственно коэффициенты динамической и кинематической молекулярной вязкости. Для круглой трубы = d. Установлено, что для круглой трубы 0 < Re < 2320 – ламинарный режим, 2320 < Re < 10⁴ – происходит развитие турбулентности, Re > 10⁴ – развитый турбулентный режим.

Для круглой трубы Re_кр = 2320. Для каждого типа движения существует свое критическое число.