Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Тамбовский государственный технический университет»

Н. Ц. Гатапова, А. Н. Колиух, В. А. Набатов, Н. В. Орлова

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ

ИТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Ча с т ь 1

Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия для обучающихся

по программам бакалавриата и программам магистратуры по направлению «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»

Учебное электронное издание комплексного распространения

Тамбов Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

2015

1

ВВЕДЕНИЕ

Основными задачами учебного пособия являются выявление общих закономерностей процессов переноса и сохранения; освоение методов расчёта технологических процессов и аппаратов для их проведения; ознакомление с конструкциями аппаратов и их характеристиками.

Учебное пособие «Процессы и аппараты химической технологии» позволяет сформировать знания о теоретических основах процессов химической технологии и конструкциях аппаратов для их проведения, обучить технологии выбора оптимальных режимных параметров протекающих процессов и расчёта основных размеров соответствующих аппаратов, способам применения полученных знаний для решения практических задач, раскрытию сущности процессов, происходящих в промышленных аппаратах.

Курс «Процессы и аппараты химической технологии» является связующим звеном между естественнонаучными и специальными дисциплинами. В данном курсе изучаются типовые процессы химической технологии, а также аппараты, в которых эти процессы протекают.

Изданные в 1970 – 1980-е годы учебники А. Г. Касаткина «Основные процессы и аппараты химической технологии», А. Н. Плановского, П. И. Николаева «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии», Н. И. Гельперина «Основные процессы и аппараты химической технологии» стали классическими, хотя и отличаются друг от друга в зависимости от методологии изучения курса.

Учебное пособие «Процессы и аппараты химической технологии» написано на основе лекций, читаемых преподавателями кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» (ранее кафедра «Процессы и аппараты химической технологии») в течение ряда лет в Тамбовском государственном техническом университете. В данном пособии основные положения и последовательность изложения разделов курса «Процессы и аппараты химической технологии» сохраняются такими же, как и в перечисленных учебниках.

Учебное пособие состоит из трёх частей.

Вчасти 1 рассматриваются основы гидравлики, которые позволяют применить теорию при расчёте и анализе процессов перемещения жидкости и газа в трубопроводах или через технологические аппараты; при истечении жидкости и газа через отверстия и насадки; при разделении неоднородных систем путём осаждения, фильтрования и т.д.

Вчасти 2 рассматриваются гидромеханические процессы: разделение неоднородных систем и перемешивание жидких, пастообразных и сыпучих материалов.

Вчасти 3 изучаются тепловые процессы: нагревание и охлаждение, выпаривание.

3

Учебное пособие «Процессы и аппараты химической технологии» является важным фактором подготовки выпускника бакалавриата к выполнению следующих видов деятельности и способствует успешности решения следующих профессиональных задач:

•производственно-технологическая деятельность: организация обслуживания и управления технологическими процессами; участие в эксплуатации автоматизированных систем управления технологическими процессами; участие в реализации новых технологических процессов;

•научно-исследовательская деятельность: математическое моделирование технологических процессов с использованием стандартных пакетов автоматизированного расчёта и проектирования; математическое моделирование технологических процессов с использованием стандартных пакетов автоматизированного расчёта и проектирования; систематизация данных для составления обзоров, отчетов и научных публикаций, составление отчёта по выполненному заданию, участие во внедрении результатов исследований и разработок;

•проектная деятельность: расчёт и проектирование отдельных стадий технологического процесса в соответствии с техническим заданием, учётом эколого-экономических ограничений и требований промышленной безопасности.

Историческая справка. В России основателями курса ПАХТ считаются профессор МГУ Двигубский Иван Алексеевич, который читал курс «Технология ремесел» в 1807 г., и профессор Санкт-Петербургского технологического института Крупский Александр Кириллович (1909), а также профессор МВТУ Тищенко Иван Александрович (1912). За рубежом первым создателем курса часто называют инженера Девиса (Англия), который выпустил справочник в двух томах «Chemical Engineering» (1898 – 1904). В 1923 году в США Уокер, Льюис и Мак-Адамс издали учебник «Principles of chemical engineering». Это издание было переведено

в1935 г. под редакцией К. Ф. Павлова «Типовая химическая аппаратура». В 1935 году был выпущен учебник профессора А. Г. Касаткина «Основные ПАХТ».

В дисциплине ПАХТ изучаются физико-химическая сущность процессов, принципы выбора и методы расчёта аппаратов, статика, кинетика и динамика основных процессов химической технологии и типичная аппаратура. На этой основе ставятся и решаются задачи проектирования и эксплуатации ПАХТ с нахождением оптимальных решений (выбор метода, условий проведения и аппаратурного оформления).

Процессом называют изменение состояния вещества в определённых условиях. Различают естественные и технологические процессы. Про-

мышленные процессы, осуществляемые с целью переработки сырья и получения готового продукта, называют технологическими.

4

Современный курс ПАХТ по сути является отраслью технологической физики и инженерной химии и включает в себя также разделы высшей и прикладной математики, информатики, теории и практики технологического эксперимента.

Классификация ПАХТ проводится по многочисленным признакам и имеет большое значение в связи с огромными объёмами информации, а также большим познавательным значением. (Четкой классификации не бывает)

1. По целевому назначению:

–процессы превращения (например, химические реакции, физикохимические реакции, ядерные превращения);

–процессы разделения продуктов химических реакций, а также разнообразного сырья (например, фильтрование, абсорбция, мембранное разделение);

–процессы измельчения, классификации и смешения;

–процессы вспомогательные (нагрев–охлаждение, испарение– конденсация);

–процессы переработки химических продуктов в выпускные формы для транспортировки, хранения и последующего использования (гранулирование, фасовка и т.д.).

2. По физической сущности:

– процессы механические (измельчение, классификация);

– процессы гидромеханические (фильтрование, перемешивание);

– процессы тепловые и холодильные;

– процессы диффузионные (абсорбция, сушка);

– процессы химические.

3. По способу организации различают периодические, комбинированные и непрерывные процессы.

Периодические характеризуются последовательным выполнением операций в одном и том же аппарате (загрузка сырья, целевая операция, одна или несколько вспомогательных операций, выгрузка полученных продуктов и подготовка аппарата к новому циклу).

Непрерывные процессы включают основные и вспомогательные операции, выполняемые одновременно в разных аппаратах или в одном аппарате проточного типа.

Достоинства периодических аппаратов:

1)простота конструктивного оформления;

2)универсальность (возможность использования в различных производствах);

3)возможность осуществления уникальных процессов при высокой классификации аппаратчика.

Недостатки:

1)простой оборудования при загрузке и выгрузке;

2)потери рабочего времени при выходе на режим и при остановке аппарата;

5

3)часто ручной труд при загрузке и выгрузке аппарата;

4)сложность автоматизации, поэтому большинство периодических процессов требуют ручного управления;

5)сильная зависимость качества получаемых продуктов от квалификации обслуживающего персонала.

Применение периодических процессов:

1)при малых объёмах производства (1…3 тыс. т в год);

2)при освоении новых продуктов;

3)при невозможности организации непрерывного процесса из-за конструктивной или технологической особенности.

4.По числу компонентов и фаз рабочих сред в аппарате:

1)однокомпонентные процессы (А);

2)двухкомпонентные (А + Б) – бинарные;

3)трёхкомпонентные (А + Б + С);

4)многокомпонентные;

5)непрерывные смеси, т.е. смеси, содержащие трудно идентифицируемые компоненты (нефть).

Основные фазы – характеризуются агрегатным состоянием и взаимной растворимостью: газ (пар) (Г), жидкость (Ж), твёрдая (Т).

Г– Ж, Г – Т, Ж1 – Ж2 (нерастворимые друг в друге жидкости), Ж – Т – гетерогенные системы.

Для гетерогенных систем характерно наличие поверхности раздела фаз.

В В

в)

6