Kalishuk_D_G_PiAKhT_2011

УДК 66.02(075.8) ББК 35.11я73

К17

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра гидравлики и гидравлических машин Белорусского государственного аграрно-технического университета

(кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой

А. М. Кравцов);

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры пожарной аварийно-спасательной техники Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь

И. В. Карпенчук

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или ее части не может быть осуществлено без разрешения учреждения образования «Белорусский государственный тех- нологический университет».

Калишук, Д. Г.

К17 Процессы и аппараты химической технологии : учеб.-метод. пособие для студентов специальностей 1-48 01 01 «Химическая технология неорганиче- ских веществ, материалов и изделий», 1-48 01 02 «Химическая технология ор- ганических веществ, материалов и изделий», 1-48 01 04 «Технология элек- трохимических производств», 1-48 02 01 «Биотехнология» / Д. Г. Калишук, Н. П. Саевич, А. И. Вилькоцкий. – Минск : БГТУ, 2011. – 426 с.

ISBN 978-985-530-084-8.

Учебно-методическое пособие представляет собой комплексную работу: руковод- ство по изучению теоретического курса дисциплины «Процессы и аппараты химиче- ской технологии» и сборник контрольных заданий по указанной дисциплине для сту- дентов химико-технологических специальностей. В нем изложены содержание и про- грамма дисциплины с описанием учебного плана. При этом названы виды занятий, формы контроля знаний. В пособии также даны указания и рекомендации к изуче- нию дисциплины в целом и выполнению контрольных заданий. Представлены задачи к двум контрольным работам. К контрольным задачам дан необходимый теоретиче- ский и справочный материал, а также описания алгоритмов их решения.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Процессы и аппараты химической технологии» для студентов специальностей 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, ма- териалов и изделий», 1-48 01 02 «Химическая технология органических веществ, материалов и изделий», 1-48 01 04 «Технология электрохимических производств», 1- 48 01 05 «Химическая технология переработки древесины», 1-48 02 01 «Биотехноло- гия» и 1-57 01 01 «Охрана окружающей среды и рациональное использование при- родных ресурсов» входит в цикл общепрофессиональных и специальных дисцип- лин. При подготовке инженеров-химиков-технологов и инженеров-химиков- экологов изучение дисциплины позволяет приобрести знания в области процессов

иаппаратов, являющихся общими в технологиях производства и переработки раз- личных химических и биологических продуктов, материалов и веществ, а также применяемых в технологиях защиты окружающей среды от неблагоприятных тех- ногенных воздействий, при переработке и утилизации производственных и быто- вых отходов. В ходе изучения процессов и аппаратов химической технологии студен- ты овладевают вопросами их фундаментальной теории и практической технической реализации (конструкции, принцип действия и особенности применения типовых

иперспективных аппаратов и установок для химических и смежных производств), методиками и методами их расчетов и технологического проектирования, основами их исследования, моделирования и анализа.

Содержание дисциплины в основном было сформировано в 50–60-х гг. XX ст. советской школой химико-технологического образования. Ведущую роль при этом сыграли Ленинградский технологический институт имени Ленсовета, Московский химико-технологический институт имени Д. И. Менделеева и Московский инсти- тут химического машиностроения. Современное, постоянно развивающееся произ- водство требует применения усовершенствованных, а в ряде случаев и принципи- ально новых процессов и аппаратов химической технологии. В связи с этим содержание дисциплины неуклонно обогащается и расширяется.

Изучение процессов и аппаратов химической технологии базируется на блоке естественнонаучных дисциплин: математики, физики, химии (неорганической, ор- ганической, физической, коллоидной). На современном этапе очень велика роль информатики. Внедрение информационных технологий позволяет более эффектив- но проводить изучение, расчеты, проектирование, моделирование (в том числе вир- туальное взамен физического) и анализ процессов и аппаратов, облегчает и ускоря- ет поиск соответствующей научно-технической информации.

«Процессы и аппараты химической технологии» совместно с дисциплинами «Общая химическая технология» и «Теплотехника химических производств» закла- дывают базис для изучения ряда специальных дисциплин. В зависимости

3

от специальности и специализации основными из них являются «Моделирование

иоптимизация химико-технологических процессов», «Автоматика, автоматизация и автоматизированные системы управления технологическими процессами», «Обору- дование и проектирование предприятий подотрасли», «Проектирование предпри- ятий с основами систем автоматизированного проектирования», «Оборудование и основы проектирования предприятий резиновой промышленности», «Оборудование

иосновы проектирования предприятий по производству пластмасс», «Оборудование

иосновы проектирования современных лакокрасочных производств», «Оборудова- ние и проектирование предприятий микробиологической и фармацевтической промышленности», «Оборудование предприятий целлюлозно-бумажных произ- водств», «Инженерная охрана окружающей среды», «Теплотехнические процессы в технологии силикатных производств», «Теплотехнические установки и агрегаты предприятий вяжущих веществ и строительных материалов на их основе». Знания процессов и аппаратов химической технологии актуальны и востребованы также при выполнении студентами дипломных проектов и работ.

Вданной работе содержатся учебная (рабочая) программа дисциплины для студентов заочной формы обучения, методические рекомендации по самостоя- тельному изучению учебного материала, задачи контрольных заданий (работ), методические указания к решению этих задач, требования к оформлению выпол- няемых контрольных заданий и представлению их на рецензию. Кроме того, в пособии приведен обширный список учебной и справочной литературы. Объем изложенного справочного материала достаточен для решения контрольных за- дач. Методические указания к решению задач включают наиболее важные рас- четные зависимости, пояснения к сложным для студенческого восприятия во- просам и методам, описания алгоритмов и отдельных процедур расчетов. Также даны ссылки на примеры решений подобных задач, приведенные в доступной учебной литературе.

Авторы считают своим долгом выразить благодарность основателю кафедры процессов и аппаратов химических производств Белорусского государственного технологического университета, заслуженному деятелю науки Республики Беларусь, лауреату Государственной премии БССР, доктору технических наук, профессору Ершову Александру Ивановичу. Как создатель и организатор белорус- ской научно-педагогической школы по процессам и аппаратам, как опытный и вы- сококвалифицированный методист и наставник, он вдохновил нас на написание данного пособия.

4

1.СОДЕРЖАНИЕ

ИПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

1.1.СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

Содержание учебного материала изложено в соответствии с типовой учебной программой «Процессы и аппараты химической технологии», утвержденной 14 ап- реля 2010 г., регистрационный № ТД-1.363/тип.

1.1.1. Введение

Предмет и задачи дисциплины «Процессы и аппараты химической техноло- гии». Значение процессов и аппаратов химической технологии в решении народно- хозяйственных и экологических проблем. Краткие исторические сведения о разви- тии дисциплины процессов и аппаратов химической технологии. Современная химическая техника и ее роль в дальнейшем развитии химической промышленно- сти. Классификация основных процессов химической технологии.

Общие принципы расчета процессов и аппаратов. Материальные и энергетиче- ские балансы. Статика и кинетика процессов. Направление протекания и движу- щая сила процессов. Основные кинетические уравнения. Основные концепции оценки энергоемкости технологических процессов, капитальных затрат на их ап- паратурное оформление, оптимизация процессов и аппаратов по технико-экономи- ческим показателям. Стандартизация, нормализация и унификация химических аппаратов.

1.1.2. Раздел 1. Гидромеханические процессы и аппараты

1.1.2.1. Основы технической гидравлики. Гидростатика. Физические свой-

ства жидкостей и газов. Понятие об идеальной жидкости. Силы, действующие в реальной жидкости. Дифференциальное уравнение равновесия Эйлера. Основ- ное уравнение гидростатики и практическое его применение. Сила давления на дно и стенки сосуда.

Гидродинамика однофазных потоков. Внутренняя, внешняя и смешанная за- дачи гидродинамики. Установившееся и неустановившееся движение жидкости. Понятие о поле скоростей в потоке жидкости. Уравнение расхода. Уравнение не- разрывности (сплошности) потока. Дифференциальное уравнение движения Эй- лера. Уравнение Навье – Стокса для реальной жидкости. Уравнение Бернулли и его энергетический смысл. Практическое использование уравнения Бернулли

5

(движение жидкости через насадки, приспособления для измерения расхода

ит. д.). Режимы движения жидкости. Опыты Рейнольдса. Гидравлический ради- ус, эквивалентный диаметр. Распределение скоростей и расход жидкости (газа) при установившемся ламинарном потоке. Некоторые характеристики турбулент- ного потока.

Моделирование процессов. Общие сведения о моделировании. Значение моде- лирования при исследовании и проектировании химико-технологических процес- сов. Физическое моделирование. Основы теории подобия. Преобразование диффе- ренциальных уравнений методом подобия. Понятие о математической модели

ипринципах ее построения. Вывод критериев гидродинамического подобия и их физический смысл.

Гидравлическое сопротивление трубопроводов и аппаратов и их расчет.

1.1.2.2.Элементы гидродинамики двухфазных потоков. Методы диспер-

гирования жидкостей и газов. Движение твердых частиц, капель жидкости и пу- зырьков в средах. Движение потоков газ – жидкость в каналах. Расчет гидравли- ческого сопротивления при движении двухфазных потоков. Движение газа через слой жидкости. Основные характеристики пен и эмульсий. Движение жидкости (газа) через неподвижные слои и пористые перегородки. Основные характеристики слоев (дисперсность, порозность, удельная поверхность, эквивалентный диаметр). Виды «кипящего» (псевдоожиженного) состояния. Гидродинамика «кипящих» зер- нистых слоев. Пневмо- и гидротранспорт твердых материалов.

Структура потоков и распределение времени их нахождения в аппаратах. Продольное перемешивание, степень перемешивания.

1.1.2.3.Перемещение жидкостей и газов. Перемещение жидкостей. Клас-

сификация насосов. Основные параметры насосов: производительность, напор, расход энергии, КПД. Высоты всасывания и нагнетания. Кавитация в насосах. Центробежные насосы. Принцип действия и устройство. Уравнение Эйлера для центробежных машин. Формулы пропорциональности. Связь между производи- тельностью, давлением и мощностью. Работа насосов на сеть и рабочая точка. Ре- гулирование производительности. Работа насосов на сеть при параллельном и по- следовательном соединении. Поршневые насосы. Принцип действия и устройство. Насосы простого, двойного, тройного и четверного действий. Графики подачи. Вы- равнивание подачи воздушными колпаками. Регулирование производительности. Специальные виды насосов: осевые, вихревые, шестеренчатые, струйные и др. Сравнительная характеристика и области применения насосов. Оптимизация ра- боты насосных установок (агрегатов).

Классификация машин для сжатия и перемещения газов. Области примене- ния. Основы одно- и многоступенчатого сжатия. Центробежные машины. Вентиля- торы, турбокомпрессоры, их основные характеристики. Поршневые компрессоры. Степень сжатия. Индикаторная диаграмма. Многоступенчатое сжатие и распреде- ление давления между ступенями. Охлаждение машин. Методы регулирования производительности. Расход энергии. Другие типы машин для сжатия и транспор- тирования газов. Сравнительная характеристика машин для сжатия и транспор- тирования газов и области их применения. Выбор и оптимизация работы компрес- сорных машин.

Вакуум-насосы. Классификация вакуум-насосов. Основные характеристики. Поршневые вакуум-насосы. Продолжительность вакуумирования сосудов. Ротаци-

6

онные вакуум-насосы. Водокольцевые вакуум-насосы. Другие типы вакуум-насосов (струйные вакуум-насосы, одно- и многоступенчатые и т. д.). Конструкции вакуум- насосов для получения глубокого вакуума.

1.1.2.4.Гидромеханические методы разделения неоднородных систем.

Классификация гетерогенных систем. Их роль и место в химико-технологических процессах.

Классификация технических методов разделения. Материальный баланс разделения.

Разделение под действием силы тяжести. Расчет скорости осаждения дис- персной фазы. Определение основных размеров отстойников. Конструкции от- стойников.

Фильтрование. Основное уравнение фильтрования. Сжимаемые и несжимае- мые осадки, удельное сопротивление осадка, способы промывки. Виды фильтро- вальных перегородок. Скорость фильтрования и ее зависимость от основных фак- торов (перепада давления, температуры, структуры осадка). Конструкции и расчет фильтров.

Разделение фаз под действием инерционных сил. Центробежное отстаивание

ицентробежное фильтрование. Фактор разделения. Циклонный процесс. Прямо- точные, противоточные циклоны, батарейные циклоны. Классификация центри- фуг. Факторы, определяющие выбор центрифуг. Расчет производительности цен- трифуг и расхода энергии на центрифугирование. Конструкции центрифуг.

Специальные методы разделения. Мокрая очистка газов. Конструкции основ- ных типов мокрых пылеуловителей. Электрическая очистка газов. Конструкции электрофильтров.

Выбор метода разделения. Оптимизация процессов разделения. Методы рас- чета аппаратов и интенсификации процессов разделения.

1.1.2.5.Перемешивание в жидких средах. Назначение процесса. Виды пе-

ремешивания. Интенсивность и эффективность перемешивания. Мощность, по- требляемая при механическом перемешивании. Устройства для перемешивания. Расчет устройств для перемешивания. Оптимизация режима и аппаратурного оформления перемешивания.

1.1.3. Раздел 2. Тепловые процессы и аппараты

1.1.3.1. Основы теории теплообмена. Значение процессов теплообмена в химической и других отраслях промышленности. Способы переноса теплоты. Температурное поле, градиент температур, тепловой поток, изотермические по- верхности. Принципы составления тепловых балансов.

Теплопроводность. Уравнение закона Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности в неподвижной среде. Теплопроводность плоских и цилиндриче- ских стенок (одно- и многослойных) при установившемся теплообмене.

Конвективный перенос теплоты, теплоотдача. Тепловой пограничный слой, профиль температур. Уравнение теплоотдачи. Дифференциальное уравнение кон- вективного теплообмена (уравнение Фурье – Кирхгофа). Подобие процессов тепло- обмена, критерии подобия и их физический смысл. Теплоотдача при вынужденной и естественной конвекции. Теплоотдача в пленке жидкости. Теплоотдача при кон- денсации и кипении.

7

Сложный теплообмен. Тепловое излучение тел и газов. Теплообмен при излучении. Теплопередача. Уравнение теплопередачи для плоской и цилиндрической стенок (одно- и многослойных) при постоянной температуре теплоносителей. Связь между коэффициентами теплоотдачи и коэффициентами теплопередачи. Теплопе- редача при переменных температурах теплоносителей. Движущая сила теплопе- редачи, средняя движущая сила. Взаимное направление движения теплоносите-

лей, его выбор.

Понятие о нестационарном теплообмене. Основы расчета теплообмена при не- стационарном переносе теплоты.

1.1.3.2.Нагревание и охлаждение. Нагревающие агенты и способы нагрева- ния. Охлаждающие агенты, способы охлаждения. Основные требования к теплоно- сителям. Конструкции теплообменных аппаратов и методики их расчета и оптими- зации. Расчет теплоизоляции оборудования, технико-экономическое обоснование толщины теплоизоляции.

1.1.3.3.Выпаривание. Общие сведения о процессе, области его применения. Методы проведения выпаривания. Одно- и многокорпусные выпарные установки. Температурные потери в выпарной установке. Материальные и тепловые балансы одно- и многокорпусной выпарных установок. Распределение полезной разности температур по корпусам. Оптимальное число корпусов в многокорпусной выпарной установке и его технико-экономическое обоснование. Расчет одно- и многокорпус- ных выпарных установок. Рекомендации по аппаратурно-технологическому оформ- лению выпаривания термочувствительных, кристаллизующихся и других растворов. Выпарные аппараты. Классификация и конструкции основных типов выпарных ап- паратов (с естественной и принудительной циркуляцией, пленочные, с погружны- ми горелками и др.). Стандартизация выпарных аппаратов.

1.1.4. Раздел 3. Массообменные процессы и аппараты

1.1.4.1. Основы массопередачи. Значение массообменных процессов в хи- мической технологии, а также при решении экологических проблем. Классифика- ция и общая характеристика массообменных процессов. Способы выражения соста- ва фаз. Законы фазового равновесия. Скорость массообмена. Молекулярная, турбулентная диффузия.

Материальный баланс и уравнение линии рабочих концентраций. Движущая сила массообменных процессов. Направления протекания массообменных процессов.

Конвекция и массоотдача. Профиль концентраций в турбулентном потоке. Гидродинамический и диффузионный пограничные слои. Теоретические модели массопереноса. Дифференциальное уравнение конвективной диффузии. Уравне- ние массоотдачи. Преобразование дифференциальных уравнений переноса массы методами теории подобия. Критериальные уравнения массоотдачи. Основное уравнение массопередачи. Выражение коэффициента массопередачи через коэф- фициенты массоотдачи (уравнение аддитивности фазовых сопротивлений). Сред- няя движущая сила процессов массопередачи. Влияние гидродинамической струк- туры потоков на величину средней движущей силы процесса массопередачи.

Объемные коэффициенты массопередачи. Число единиц переноса. Высота единиц переноса. Теоретическая ступень изменения концентраций (теоретическая тарелка). Высота, эквивалентная теоретической ступени изменения концентраций.

8

Коэффициент массопередачи и число единиц переноса, отнесенные к рабочей площади тарелки. Эффективность ступени контакта по Мерфри. Построение кине- тической кривой. Потарельчатый расчет массообменных аппаратов. Продольное перемешивание фаз в массообменных аппаратах. Явление брызгоуноса в аппара- тах и методы его устранения. Расчет основных размеров массообменных аппаратов. Гидродинамические режимы в колоннах (насадочных, пленочных, тарельчатых). Выбор рабочей скорости движения сплошной фазы в аппарате. Пути интенсифи- кации массообменных процессов в колонных аппаратах.

Особенности массопередачи в системах с твердой фазой. Массоперенос во внешней фазе. Массоперенос в твердой фазе. Массопроводность. Основные ха- рактеристики пористых тел (форма пор, их взаимное расположение и соединение, пористость, распределение пор по размерам, удельная поверхность и коэффициент извилистости пор). Основные виды элементарных процессов массопереноса в по- ристых телах. Уравнения массопроводности. Критериальное уравнение массоотда- чи для массопереноса в твердой фазе. Уравнение массопередачи для систем с уча- стием твердого тела.

1.1.4.2.Абсорбция. Общие сведения о процессе и области его практического применения. Равновесие при абсорбции. Закон Генри. Материальный баланс аб- сорбции. Уравнение линии рабочих концентраций. Минимальный и оптимальный расходы абсорбента. Технико-экономическое обоснование режимов проведения процесса абсорбции и его аппаратурного оформления. Экзотермическая абсорбция. Многокомпонентная абсорбция. Абсорбция, сопровождающаяся химической реак- цией. Методы проведения десорбции.

Принципиальные схемы абсорбционно-десорбционных установок. Класси- фикация абсорберов. Конструкции абсорберов. Пленочные и насадочные ко- лонны. Виды насадок, их характеристики. Выбор насадки. Тарельчатые ко- лонны с организованным и неорганизованным сливом жидкости (ситчатые, провальные и др.). Абсорберы с разбрызгиванием жидкости. Сравнительная характеристика абсорберов, их выбор и совершенствование. Последователь- ность расчета абсорберов.

1.1.4.3.Адсорбция. Общие сведения о процессе и области его применения. Основные промышленные адсорбенты, их структура и свойства. Равновесие при адсорбции. Изотермы адсорбции. Материальный баланс адсорбции. Динамика равновесной и неравновесной адсорбции. Конструкции адсорберов. Аппараты с не- подвижным, псевдоожиженным и плотно движущимся слоем зернистого материа- ла. Расчет адсорберов. Десорбция, способы ее проведения и расчет. Схемы прове- дения периодического и непрерывного процессов адсорбции.

1.1.4.4.Ионный обмен. Равновесие при ионном обмене. Динамика ионного обмена. Ионообменные материалы и аппараты ионного обмена. Расчет ионообмен- ных аппаратов.

1.1.4.5.Перегонка жидкостей. Общие сведения о процессе и области его практического применения. Виды перегонки: простая перегонка и ректификация. Равновесие в системе пар – жидкость. Закон Рауля. Уравнение линии равновесия.

Простая перегонка. Простая перегонка с дефлегмацией. Материальный ба- ланс простой перегонки. Молекулярная дистилляция. Перегонка с водяным паром. Определение температуры перегонки и расхода водяного пара.

9

Ректификация. Принцип ректификации. Схемы установок периодической и непрерывной ректификации. Материальный баланс непрерывной ректификации бинарных смесей. Уравнение линий рабочих концентраций укрепляющей и исчер- пывающих частей ректификационной колонны. Тепловой баланс ректификацион- ной установки. Технико-экономическое обоснование флегмового числа (оптимиза- ция размеров и энергопотребления ректификационной колонны). Совместный тепломассоперенос при ректификации. Основы расчета непрерывной и периодиче- ской ректификации бинарных смесей.

Экстрактивная и азеотропная ректификация. Физико-химические основы этих процессов. Схемы установок для проведения экстрактивной и азеотропной ректи- фикации. Ректификация многокомпонентных смесей.

Конструкции ректификационных аппаратов. Особенности устройства ректи- фикационных колонн.

1.1.4.6. Жидкостная экстракция. Общие сведения о процессе и области его практического применения. Основные схемы проведения экстракционных процес- сов (без регенерации и с регенерацией экстрагента, сочетание экстракции с реэкс- тракцией и др.). Равновесие в системе жидкость – жидкость. Материальный ба- ланс. Методы экстракции. Массопередача при экстракции. Особенности расчета экстракционных аппаратов. Пути интенсификации процессов экстракции.

Конструкции экстракторов. Классификация. Гравитационные экстракторы с непрерывным контактом фаз: распылительные, насадочные. Экстракторы со сту- пенчатым контактом фаз. Механические экстракторы с непрерывным контактом фаз (роторные, пульсационные и др.). Выбор типа экстрактора. Сравнительная ха- рактеристика экстракторов и тенденции их совершенствования.

1.1.4.7. Растворение и экстрагирование в системе твердое тело – жид-

кость. Общие сведения о процессах и области их практического применения. Рас- творение. Условия равновесия при растворении. Уравнения кинетики растворения. Определение времени полного растворения. Экстрагирование твердого вещества. Способы экстрагирования и растворения: замкнутый периодический процесс; пря- моточный и противоточный процессы; процесс в неподвижном слое. Аппараты для проведения процессов экстрагирования и растворения (смесительно-отстойные, ка- русельный и др.).

1.1.4.8. Кристаллизация из растворов и расплавов. Общие сведения о процессе и области применения. Методы проведения кристаллизации. Равнове- сие при кристаллизации. Материальный и тепловой балансы кристаллизации. Кинетика кристаллизации. Скорости образования и роста кристаллов. Способы разделения смесей кристаллизацией, многократной перекристаллизацией мето- дами дробной (фракционированной) и противоточной кристаллизации.

Конструкции кристаллизаторов. Классификация. Кристаллизаторы с удале- нием части растворителя. Кристаллизаторы с охлаждением раствора. Барабанные кристаллизаторы. Вакуум-кристаллизаторы. Кристаллизаторы с псевдоожижен- ным слоем. Пути интенсификации процессов кристаллизации.

1.1.4.9. Мембранные процессы. Общие сведения о процессах и области их практического применения. Классификация мембранных процессов и мем- бран. Виды мембранных процессов (баромембранные, диффузионно-мембран- ные, электромембранные). Основы механизма мембранных процессов. Кинетика

10