13

ЛЕКЦИЯ 1

Историческая справка. Основные задачи, решаемые курсом ПАХТ. Классификация процессов в зависимости от преобладания переноса той или иной субстанции. Классификация процессов по характеру действия во времени. Виды задач, решаемые в курсе ПАХТ.

Прообразом курса «Процессы и аппараты химических технологий» в России считают опубликованный в 1909 г. труд профессора Петербургского технологического института Александра Кириловича Крупского «Начальные главы учения о проектировании химической технологии». В этом учебном пособии излагались вопросы технологического расчёта химической аппаратуры.

В это же время начал работу над курсом "Процессы и аппараты" профессор Иван Александрович Тищенко, который ввёл его в 1912 г. в качестве самостоятельной дисциплины на химическом факультете МВТУ.

Учеником Тищенко был Нисон Ильич Гельперин, который основал кафедру ПАХТ в МИТХТ в сороковых годах прошлого столетия. В настоящее время кафедра носит его имя. В 1981 году Н.И. Гельперин опубликовал учебник «Основные процессы и аппараты химической технологии»

Ближайшим учеником Н.И. Гельперина был Виктор Герцевич Айнштейн. Под редакцией В.Г.Айнштейна кафедра ПАХТ выпустила учебник «Общий курс процессов и аппаратов химической технологии»

Курс процессов и аппаратов базируется на основных законах физики и химии. Основные задачи, решаемые курсом ПАХТ:

- проанализировать и рассчитать процесс и найти наивыгоднейшие его параметры;

- разработать и рассчитать аппаратуру, необходимую для реализации процесса.

Одна из классификаций процессов химической технологии базируется на понятии «субстанция». Понятие субстанции (сущность) в настоящее время трактуется достаточно широко. В курсе ПАХТ в основном оперируют такими субстанциями как импульс (количество движения), количество теплоты, масса вещества.

В зависимости от преобладания переноса той или иной субстанции в курсе ПАХТ выделяют и изучают следующие группы процессов:

гидромеханические, где основные явления связаны с переносом импульса (количества движения) в жидкостных и газовых потоках, реже – в системах с твердыми телами; примерами таких процессов являются: движение жидкостей и газов в трубопроводах; разделение суспензий и пылей способами осаждения или фильтрования; к гидромеханическим процессам примыкают механические процессы, базирующиеся в основном на законах механики твердого тела; примеры: измельчение, дробление, транспортировка, классификация, дозировка, смешение;

тепловые, где наблюдаются явления, связанные с различными формами переноса теплоты в областях различных температур; при этом обычно приходится учитывать и закономерности переноса импульса, поскольку он сопутствует переносу теплоты; примеры тепловых процессов: нагревание, охлаждение, кипение, конденсация, отвердевание;

массообменные, куда относят многочисленные процессы, связанные с переносом вещества; при этом обычно приходится учитывать и закономерности переноса импульса и часто – теплоты; примеры: ректификация, экстракция, абсорбция, сушка, десорбция, фракционная кристаллизация.

Приведенная классификации не является единственно возможной.

Классификация процессов по характеру действия во времени. При неизменных во времени характеристиках процесса в каждой точке технологического аппарата говорят о стационарном (установившемся) процессе; при этом упомянутые характеристики могут изменятся от одной точки аппарата к другой. Такая ситуация характерна для непрерывных процессов.

При изменяющихся во времени характеристиках в аппарате в целом, или в каких-либо его точках говорят о нестационарном (неустановившемся) процессе – такая ситуация характерна для периодических процессов.

С точки зрения постановки организационно - расчетных проблем различают задачи:

- проектные здесь известны (заданы) начальные (входные) потоки и их параметры, заданы некоторые конечные (выходные) параметры целевого потока; требуется определить конечные (выходные) параметры остальных потоков и основные конструктивные характеристики (объемы, поверхности, форму, габариты) проектируемого аппарата. Пример: определение теплообменной поверхности, необходимой для нагрева одного из теплоносителей до заданной температуры, если потоки и начальные температуры обоих теплоносителей известны.

- Эксплуатационные : здесь речь идет о готовом аппарате с известными конструктивными характеристиками, направлением потоков, заданными начальными (входными) потоками и их параметрами; требуется определить результаты процесса – на выходе из аппарата или в конечный момент времени. Пример: надо определить конечные температуры теплоносителей в теплообменнике с известной поверхностью теплообмена при заданных начальных температурах и режимных характеристиках работы аппарата.

Уравнения баланса.

Среди разнообразных соотношений, встречающихся в химической технологии, часто используются уравнения баланса. Эти уравнения нередко выступают как математическое выражение законов сохранения какой – либо субстанции (массы, количества движения, теплоты). Однако балансовые соотношения можно записать и для других ситуаций, когда законы сохранения не действуют.

Сущность метода балансов и последовательность составления балансовых соотношений заключается в следующем:

а) определяют, для какой субстанции необходимо записать баланс;

б) выделяют пространственный контур, для которого составляется баланс;

в) устанавливают временной интервал (есть исключения), для которого будет составлен баланс.

Затем обозначают и выражают потоки субстанции, входящие в контур (Приход Пр) и выходящие из него (Уход Ух); Источники субстанции (Ис) и ее стоки (Ст) внутри контура; Накопление субстанции (Нак) или Результат процесса (Рез) в контуре за исследуемый временной интервал. Далее записывают Основное балансовое соотношение (ОБС):

+Пр - Ух + Ис - Ст = Нак (Рез) (1)

ОБС может быть записано для любой характеристики объекта, относящейся к экстенсивным величинам (экстенсивные величины пропорциональны количеству субстанции). Т.е. по существу, с этого момента эта величина в рамках ОБС становится субстанцией.

Основные цели составления баланса:

- нахождение неизвестного элемента баланса, здесь должны быть известны все элементы баланса, кроме определяемого;

- отыскание функциональной связи между элементами балансового соотношения (непосредственно или в результате математических преобразований).

В качестве субстанции, для которой записывается балансовое соотношение, может выступать масса (или поток массы). В этом случае чаще всего предполагается справедливость закона сохранения массы. Баланс импульса (количества движения) часто используется для изучения механических и гидромеханических процессов. Следует иметь в виду, что эти балансовые выражения, отнесенные к единице времени, приобретают форму балансов взаимодействующих сил. Существенно, что при переносе импульса в поле внешних массовых сил причины их появления лежат за пределами выделенного контура; поэтому внешние массовые силы трактуются как Источники или Стоки импульса внутри контура. Кроме того, в этом случае обычно говорят не о Накоплении, что физически оправдано для количества движения, а о Результате (Рез) – изменении ситуации под влиянием равнодействующей сил. При составлении энергетического баланса в качестве субстанции целесообразно (если это допустимо) выделить какой либо определенный вид энергии, например, тепловой; тогда энергетический баланс превращается тепловой; в других ситуациях приходиться использовать полный энергетический баланс.

Пространственный контур выделяет из технологической системы один аппарат, несколько аппаратов или часть аппарата (возможно, бесконечно малую его часть). После выделения контура все потоки, пересекающие его границы, трактуются как Приходы субстанции в контур или ее Уходы из него.

В качестве временного интервала можно выбрать время протекания всего процесса от начала до конца либо от начала до некоторого состояния. Для периодических процессов нередко приходится начинать с составления баланса в дифференциальной форме – для бесконечно малого промежутка времени dτ. Для стационарных процессов за временной интервал чаще выбирают единицу времени (1 с).

В качестве Прихода и Ухода могут выступать потоки субстанции в единицу времени (в непрерывных стационарных процессах) либо ее количество (в периодических нестационарных процессах) – конечные (за весь процесс или часть его) или бесконечно малые (за элементарный промежуток времени d).

Источники и Стоки вводятся в балансовые уравнения, когда в изучаемой ситуации для субстанции отсутствует закон сохранения. Это тоже могут быть субстанции (в единицу времени) либо ее количества (за конечный или бесконечно малый промежуток времени).

В результате алгебраического сложения Приходов, Уходов, Источников и Стоков количество рассматриваемой субстанции в пределах контура может изменяться или не изменяться: происходит или не происходит Накопление субстанции. В стационарных процессах таких изменений не наблюдается, так что здесь Накопление субстанции равно 0. Для нестационарных процессов типично изменение количества балансируемой субстанции внутри контура. При этом накопление всегда есть разность между конечным и начальным количествами субстанции.

В практических ситуациях ОБС нередко может быть упрощено. Так для стационарных процессов (Нак = 0) оно принимает вид

+Пр - Ух + Ис - Ст = 0

В условиях действия закона сохранения из ОБС выпадают Источники и Стоки:

+Пр - Ух = Нак

А если речь идет еще и о стационарных процессах, то

+Пр - Ух = 0

Гидромеханические процессы в этом курсе рассматриваются на основах технической гидравлики.

ГИДРАВЛИКА

Гидравлика – наука об условиях и законах равновесия и движения жидкостей и способах применения этих законов к решению практических задач.

Гидравлика состоит из двух основных разделов: гидростатика и гидродинамика и промежуточного – кинематики жидкости

Общие определения (ньютоновская жидкость,капельные жидкости, газообразные жидкости, идеальная жидкость, вязкая жидкость, масса, плотность, удельный объем, скорость жидкости, си́ла, второй закон Ньютона, классификацию сил (массовые, поверхностные, линейные, единичная массовая сила, внешняя массовая сила, внутренняя массовая сила).

Жидкостью (ньютоновской) называется такое физическое тело, которое не может находится в состоянии равновесия, если на него действуют касательные усилия даже любой малой величины и подчиняющееся закону Ньютона.

Жидкости делятся на два класса. К первому классу относятся капельные жидкости или просто жидкости, практически несжимаемые и принимающие форму того сосуда, в который они помещены и обладающая свободной поверхностью. Ко второму классу относятся газообразные жидкости или просто газы, занимающие весь предоставленный им объем.

Идеальная жидкость – это жидкость лишенная вязкости, т.е. жидкость, не сопротивляющаяся усилиям сдвига (обладающая абсолютной текучестью и полным отсутствием сил сцепления, значит. – вязкости и липкости) и абсолютно сопротивляющаяся сжатию (т.е. абсолютно несжимаема). Реальные жидкости , как правило, близки к идеальным в смысле несжимаемости, однако, могут значительно сопротивляться сдвигу (свойство вязкости). Газы

существенно сжимаемы, сопротивляются сдвигу, хотя не столь сильно, как реальные жидкости

Масса m – важнейшая физическая характеристика рабочего тела, определяющая его инерционные свойства. В механике масса является коэффициентом пропорциональности между действующей на тело силой и его ускорением, размерность в СИ – кг.

Плотность и удельный объем. Масса, содержащаяся в единице объема, называется плотностью, кг/м³; Величина, обратная плотности и представляющая собой объем, занимаемый единицей массы, называется удельным объемом

Скоростью w называется путь, отнесенный к единице времени; для стационарного процесса это

Для нестационарного процесса – мгновенное значение скорости

Силы. Си́ла — векторная величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Согласно второго закона Ньютона скорость изменения импульса материальной точки равна приложенной силе

Поэтому в механике, гидравлике и ряде других разделов анализ взаимодействия сил равнозначен (в аспекте получаемых результатов) анализу потоков импульса (количества движения). Единица измерения силы в СИ – ньютон или кг*м/с².

Обычно используют следующую классификацию сил: массовые (объемные), поверхностные, линейные. Пример массовых сил: силы гравитации; центробежные силы; инерционные силы. Если источник массовых сил лежит вне тела, то говорят о внешних силах (источник веса тела – притяжение Земли); если силы проявляются независимо от внешних воздействий, то это внутренние массовые силы (силы инерции). Массовые силы пропорциональны массе рабочего тела P = ma. Здесь ускорение выступает как единичная (удельная) массовая сила, т.е. отнесенная к единице массы: a = P/m. В ходе анализа будет будет удобно использовать суммы проекций единичных массовых сил на оси координат: P_x,P_y,P_z.

Поверхностные силы – действуют на поверхности и пропорциональные ей. Они могут быть направлены нормально к поверхности – нормальные поверхностные силы (сила давления – нормально направленная поверхностная сила) и тангенциальные – направленные вдоль поверхности (сила трения – тангенциально направленная). Их пропорциональность величине поверхности выражается соотношениями в дифференциальной и интегральной форме соответственно

dP_н = pdf; P_н = pf;

где - локальное или среднее напряжение сдвига или касательное напряжение.

Примером линейных сил является сила поверхностного натяжения, действующая по периметру П и пропорциональная ему. , где - коэффициент поверхностного натяжения Н/м

ГИДРОСТАТИКА