Законы сохранения 1

1.Законы сохранения массы, энергии и импульса. 1

2.Законы термодинамического равновесия 1

3.Законы переноса массы, энергии и импульса 1

Закон сохранения массы 2

Закон сохранения энергии 2

Законы равновесия 2

Условия термодинамического равновесия 2

Гидравлика 2

Основные характеристики потока 3

Виды движения 3

Режимы движения 3

Основные характеристики турбулентного движения 3

Основные уравнения переноса субстанций 4

Уравнение неразрывности потока 5

Моделирование химико - технологических процессов 6

Гидромеханические процессы 9

Давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда 9

Уравнение Бернулли 10

Законы сохранения

( Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах химических технологий является следующие основные законы природы).

1.Законы сохранения массы, энергии и импульса.

Эти законы допускают только такие превращения, при которых суммы массы, энергии и импульса внутри системы остаются неизменными .Эти законы принимают форму уравнений балансов (материальных, тепловых).

2.Законы термодинамического равновесия

определяют условия, при которых процесс переноса массы, энергии и импульса приходит к своему завершению (состоянию равновесия). Знание условий равновесия позволяет определить направление процесса переноса, границы его течения, рассчитать движущую силу процесса.

3.Законы переноса массы, энергии и импульса

определяют плотность потока любой из этих субстанций в зависимости от градиента сопряженного с ней потенциала переноса. Потенциалом в случае переноса массы является плотность или концентрация ; переноса энергии - энтальпия , в случае переноса импульса – количество движения единицы объема жидкости ( ).

Таким образом, законы сохранения энергии определяют интенсивность протекания химико-технологических процессов и, в конечном счете, – производительность используемых аппаратов.

Эти законы являются теоретической основой всех технологических процессов – гидромеханических, тепловых, массообменных.

Субстанция (масса, энергия, импульс) проходит через границу области пространства, в пределах которой они могут изменяться. Эту область называют контрольным объемом, а ограничивающую поверхность – контрольной поверхностью. На эту область могут действовать внешние силы. Размеры области могут быть конечными или бесконечными. Для полного определения задают систему координат, по отношению к которой он движется или покоится.

Закон сохранения массы

-сумма масс всех компонентов равна массе всей системы .

Закон сохранения энергии

(количества движения).

.( первый закон термодинамики)

Законы равновесия

Основной задачей химико-технологических процессов является направленное изменение макроскопических свойств веществ, состава, агрегатного состояния, и . Для этого на систему воздействуют подачей или отводом тепла, внешними силовыми полями, давлением, что приводит к переносу субстанций – массы, энергии, импульса. Предельным состоянием системы является подвижное равновесие.

Условия термодинамического равновесия

В процессе переноса тепла (тепловое равновесие) условие равновесия определяется простым измерением соприкасающихся фаз.

При переносе импульса (механическое равновесие) условие равновесия определяется измерением давления в соприкасающихся фазах.

Намного сложнее определение равновесия в процессах переноса массы. В замкнутой системе, которая состоит из двух и более фаз, переход возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока не установится подвижное равновесие. Когда система достигла равновесия, она может находиться в нем сколь угодно долго, пока какое-либо воздействие не выведет её из данного состояния.

Таким образом, равновесное состояние изолированной системы определяется только внутренними условиями:

; ; , где температура, Р – давление, химический потенциал i-го компонента

Все самопроизвольные процессы протекают в направлении достижения состояния равновесия. Чем больше система отклоняется от равновесия, тем выше скорость переноса субстанций. На практике: к открытым системам подводят вещество или энергию, тем самым осуществляют процесс переноса.

Законы переноса количества движения (импульса), энергии (теплоты) и массы

В химической технологии процессы переноса наиболее часто протекают в жидких, газовых и паро-газовых фазах при их движении или перемешивании. Скорость переноса зависит от гидродинамических условий в аппарате. Поэтому рассмотрим некоторые понятия гидравлики.

Гидравлика

- наука, изучающая законы равновесия и движения различных жидкостей.

Гидравлика подразделяется на гидростатику (изучает законы равновесия жидкости в состоянии покоя) и гидродинамику (изучает законы движения жидкости ). (жидкости - это газы, пары, жидкости), то есть все вещества обладающие текучестью.

Идеальная жидкость - абсолютно несжимаемая жидкость, не обладающая вязкостью.

Реальные жидкости - капельные и упругие. Капельные жидкости можно считать практически несжимаемыми.

Основные характеристики потока

Расход жидкости-объем жидкости, протекающий через какое-либо сечение потока в единицу времени называется объемным расходом жидкости. ; (м³/с)

В разных точках сечения потока скорость частиц жидкости неодинакова - на оси -max , у стенки=0. Поэтому в инженерных расчетах используют среднюю скорость, допуская, что все частицы потока движутся с одинаковой скоростью.

(м/с); (1) S- площадь сечения потока

Массовый расход жидкости: (2)

(1) и (2)- называются уравнениями расхода.

Виды движения

При установившемся движении ; Скорость не зависит от времени , т.е. скорость является функцией только координат. .

При неустановившемся движении и

(неустановившееся движение – истечение жидкости из отверстия в сосуде).

Режимы движения

.Существуют 2 принципиально различных вида движения - ламинарный и турбулентный. Переход от ламинарного движения к турбулентному зависит не только от скорости , но и от физических свойств жидкости .

Безразмерный комплекс, который называется критерием Рейнольдса, позволяет судить о режиме движения ;

л аминарное движение;

турбулентное движение.

2300 10000- переходный режим (движение неустойчиво).

(гладкие трубы). При шероховатости _кр может снижаться.

Когда жидкость движется по каналам некруглого сечения, вместо используют диаметр _э. _, где s- сечение потока; - смоченный периметр.

Основные характеристики турбулентного движения

Структура турбулентного потока определяется скоростью движения потока, физическими свойствами жидкости, формой и размерами канала и др.

В процессе турбулентного движения непрерывно возникают и распадаются вихри различных масштабов. При турбулентном движении кривая распределения скоростей отличается от ламинарного большей сглаженностью. При турбулентном режиме основное изменение происходит в 1% радиуса.

Несмотря на малую толщину, условия переноса в этой области очень сильно сказывается на интенсивности переноса.

Осредненная по времени скорость в данной точке определяется

Вязкость - характеризует сопротивление жидкости смещению ее слоев ( является одним из основных физических свойств жидкости)

Сопротивление турбулентной жидкости характеризуется коэффициентом турбулентной вязкости или (всех параметров характеризующих турбулентность, в т.ч. и скорости).

. Турбулентный поток условно может подразделить на ядро и пограничный слой, в котором происходит переход турбулентного движения в ламинарное.

Пограничный слой 1%. Однако, именно здесь происходят резкие изменение в протекании химико-технологических процессов, т.к. интенсивный перенос субстанций в ядре турбулентного потока сменяется на медленный молекулярный перенос в пограничном слое.