- •Гидравлика и теплотехника
- •Оглавление
- •1. Общие положения изучаемой дисциплины 10
- •2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы 22
- •3. Тепловые процессы и аппараты 118
- •4. Массообменные процессы и аппараты 162
- •5. Мембранные процессы 283
- •Условные обозначения
- •Введение
- •1. Общие положения изучаемой дисциплины
- •1.1. Классификация основных процессов и аппаратов
- •1.2. Кинетические закономерности основных процессов
- •1.3. Общие принципы расчёта химических машин и аппаратов
- •1.4. Применение метода моделирования для исследования и расчета процессов и аппаратов
- •2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы
- •2.1. Физические свойства жидкостей и газов
- •2.2. Основные уравнения покоя и движения жидкостей
- •2.2.1. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера для покоящейся жидкости
- •2.2.2. Практическое приложение уравнений гидростатики
- •2.2.3. Основные характеристики движения жидкостей
- •2.2.4. Уравнение неразрывности (сплошности) потока
- •2.2.5. Режимы движения жидкостей
- •2.2.6. Турбулентный режим
- •2.2.7. Дифференциальные уравнения движения жидкости
- •2.2.8. Дифференциальные уравнения движения Навье-Стокса
- •2.2.9. Уравнение Бернулли
- •2.2.10. Гидродинамическое подобие
- •2.2.11. Гидравлические сопротивления в трубопроводах и каналах
- •2.2.12. Движение тел в жидкостях
- •2.2.13. Движение жидкостей через неподвижные пористые слои
- •2.2.14. Гидродинамика псевдоожиженных слоев
- •2.3. Перемещение жидкостей (насосы)
- •2.3.1. Классификация и области применения насосов
- •2.3.2. Параметры насосов
- •2.3.3. Насосная установка
- •2.3.4. Основное уравнение лопастных машин (уравнение Эйлера)
- •2.3.5. Характеристики центробежных насосов
- •2.4. Сжатие и перемещение газов (компрессоры)
- •2.4.1. Классификация компрессоров
- •2.4.2. Поршневые компрессоры
- •2.4.3. Теоретический и рабочий процесс в поршневом компрессоре
- •2.4.4. Производительность действительного поршневого компрессора
- •2.4.5. Роторные компрессоры
- •2.4.6. Принцип действия, классификация и устройство турбокомпрессоров
- •2.5. Процессы разделения неоднородных смесей
- •2.5.1. Классификация неоднородных систем и способов их разделения
- •2.5.2. Материальные балансы процессов разделения
- •2.6. Осаждение
- •2.7. Фильтрование
- •2.8. Перемешивание в жидких средах
- •3. Тепловые процессы и аппараты
- •3.1. Способы передачи теплоты
- •3.2. Тепловые балансы
- •3.3. Температурное поле и температурный градиент
- •3.4. Передача тепла теплопроводностью
- •3.5. Тепловое излучение
- •3.6. Конвективный теплообмен
- •3.6.1. Теплоотдача
- •3.6.2. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена
- •3.6.3. Подобие процессов теплообмена
- •3.6.4. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости
- •3.6.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния
- •3.7. Сложный теплообмен
- •3.8. Процессы нагревания, охлаждения и конденсации
- •3.9. Теплообменные аппараты
- •3.9.1. Классификация и типы теплообменных аппаратов
- •3.9.2. Расчет теплообменных аппаратов
- •3.9.3. Выбор и проектирование поверхностных теплообменников
- •4. Массообменные процессы и аппараты
- •4.1. Основы массопередачи
- •4.1.1. Общие сведения о массообменных процессах
- •4.1.2. Основные расчетные зависимости массообменных процессов
- •4.1.3. Материальный баланс массообменных процессов
- •4.1.4. Движущая сила массообменных процессов
- •4.1.5. Модифицированные уравнения массопередачи
- •4.1.6. Основные законы массопередачи
- •4.1.7. Подобие процессов переноса массы
- •4.1.8. Связь коэффициентов массопередачи и массоотдачи
- •4.1.9. Массопередача с твердой фазой
- •4.2. Абсорбция
- •4.2.1. Равновесие при абсорбции
- •4.2.2. Материальный, тепловой балансы и кинетические закономерности абсорбции
- •4.2.3. Принципиальные схемы абсорбции
- •4.2.4. Конструкции колонных абсорбционных аппаратов
- •4.2.5. Десорбция
- •4.3. Перегонка жидкостей
- •4.3.1. Идеальные и неидеальные смеси
- •4.3.2. Простая перегонка
- •4.3.3. Ректификация
- •4.3.4. Ректификация многокомпонентных смесей
- •4.3.5. Тепловой баланс процесса ректификации
- •4.3.6. Специальные виды перегонки
- •4.3.7. Устройство ректификационных аппаратов
- •4.4. Экстракция
- •4.4.1. Жидкостная экстракция
- •4.4.2. Равновесие при экстракции
- •4.4.3. Материальный баланс экстракции
- •4.4.4. Кинетические закономерности процесса экстракции
- •4.4.5. Принципиальные схемы процесса экстракции
- •4.4.6. Конструкции экстракторов
- •4.5. Адсорбция
- •4.5.1. Равновесие в процессах адсорбции
- •4.5.2. Промышленные адсорбенты
- •4.5.3. Конструкции адсорбционных аппаратов и методы проведения адсорбционно-десорбционных процессов
- •4.6. Сушка
- •4.6.1. Равновесие в процессах сушки
- •4.6.2. Конструкции сушилок и области их применения
- •4.6.3. Материальный и тепловой балансы сушки
- •Количество влаги, удаляемой в сушилке:
- •4.7. Кристаллизация и растворение
- •4.7.1. Общие сведения
- •4.7.2. Равновесие при кристаллизации
- •4.7.3. Кинетика процесса кристаллизации
- •4.7.4. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации
- •4.7.5. Материальный и тепловой балансы кристаллизации
- •4.7.6. Кристаллизаторы
- •5. Мембранные процессы
- •5.1 . Процессы мембранного разделения смесей. Сущность процесса мембранного разделения смесей
- •5.2. Кинетика процессов мембранного разделения смесей
- •5.3. Влияние различных факторов на мембранное разделение
- •5.4. Мембраны
- •5.4.1. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны
- •5.4.2. Мембраны с жесткой структурой
- •5.4.3. Жидкие мембраны
- •5.5. Физико-химические основы мембранных процессов
- •5.6. Баромембранные процессы
- •5.7. Диффузионно-мембранные процессы
- •5.8. Электромембранные процессы
- •5.9. Термомембранные процессы
- •5.10. Расчет мембранных процессов и аппаратов
- •5.11. Мембранные аппараты
- •Библиографический список
- •Гидравлика и теплотехника
4.7.2. Равновесие при кристаллизации
Поведение системы кристалл-раствор или кристалл-расплав в широком интервале температур, давлений и концентраций отображает диаграмма состояния, или фазовая диаграмма, на которой графически изображается равновесие между различными фазами данной системы. Число степеней свободы в условиях равновесия системы устанавливается правилом фаз Гиббса
,
где – число степей свободы системы; К, – число компонентов и фаз, образующих систему.
Число степеней свободы данной системы соответствует числу независимых параметров, характеризующих эту систему (температура, давление, концентрация).
Фазовое равновесие однокомпонентной системы определяется двумя параметрами: температурой и давлением. В соответствии с правилом фаз число степеней свободы однокомпонентной системы при условии равновесия фаз равно единице и, следовательно, в однокомпонентной системе только один параметр может независимо изменяться без изменения числа фаз – давление или температура. На рис. 4.60 приведена диаграмма состояния для нафталина, отражающая равновесные соотношения между паром, жидкостью и твердой фазой.
оС
Рис. 4.60. Диаграмма состояния для нафталина
Область П под кривой соответствует парообразному нафталину. Область, ограниченная кривой, соответствует области, в которой жидкая фаза стабильна. Область, ограниченная кривой, соответствует области давлений и температур, при которых твердая фаза стабильна.
Точка (тройная точка) соответствует давлению и температуре, при которых в равновесии находятся три фазы: жидкая, твердая и газообразная. В соответствии с правилом фаз в этом случае0 и изменение параметров приводит к исчезновению одной или двух фаз.
Для двухкомпонентной системы (2), какой обычно является солевой раствор, число степеней свободы или число независимых параметров, характеризующих эту систему, являются температура, давление и концентрация. При кристаллизации из растворов основной интерес представляют жидкая и твердая фазы данной системы. Поскольку давление незначительно влияет на равновесие между жидкой и твердой фазами, фазовые превращения целесообразнее всего представлять на диаграмме температура-концентрация.
На рис. 4.61 приведена фазовая диаграмма двухкомпонентной системы . Линияна диаграмме является геометрическим местом точек, соответствующих насыщенным растворам. Линиясоответствует равновесию с твердой фазой (льдом). Таким образом, линияявляется кривой растворимостив воде, а линиясоответствует условиям выделения льда в системе соль-вода. Точкаявляется эвтектической точкой системы, в которой раствор находится в равновесии с двумя твердыми фазами: солью и льдом. В водных системах эвтектическую смесь называюткриогидратом, а эвтектическую точку – криогидратной точкой.
Т
оС
Рис. 4.61. Фазовая диаграмма для двухкомпонентной системы
По фазовой диаграмме можно определить превращения в системах кристалл-раствор и кристалл-расплав. На рис. 4.61 изображена фазовая диаграмма для бинарной системы, составленной из чистых компонентов. Если охлаждать раствор с параметрами, характеризуемыми точкой А, то он достигнет состояния, характеризуемого точкой В на кривой растворимости. При этом из раствора начнет выделяться твердая фаза в виде кристаллов. При дальнейшем охлаждении (точкаС) твердая фаза будет находиться в равновесии с насыщенным раствором состава.
Относительное количество кристаллов и раствора в этой точке определяется по «правилу рычага»
,
где и– массы кристаллов и насыщенного раствора составасоответственно;и– отрезки на фазовой диаграмме.
Можно также записать равенство
.
В этом равенстве левая часть характеризует отношение массы образовавшихся кристаллов к массевзятого исходного раствораА.
Удаление из системы А растворителя путем испарения характеризуется перемещением по горизонтали. В точке появляется равновесная твердая фаза, количество которой в процессе испарения растворителя увеличивается. Точкасоответствует безводной соли. В промежуточной точкеотношение массы кристалловк массеисходного раствора составаА определяется соотношением
,
а отношение массы кристаллов к массеоставшегося насыщенного раствора составаопределяется соотношением
.
При рассмотрении процесса кристаллизации двухкомпонентных систем часто используют не полную фазовую диаграмму, а только одну из равновесных линий – кривую растворимости. При этом по оси абсцисс откладывают концентрацию, а по оси ординат – температуру (рис. 4.62).
Кристаллизацию можно осуществить различными способами: путем охлаждения растворов, расплавов и паров (при кристаллизации из водных растворов этот способ называют изогидрической кристаллизацией); путем удаления из раствора части растворителя; высаливанием; в результате химической реакции.
Наибольшее распространение в промышленности получили первые два способа, которые изображены на диаграмме растворимости (рис. 4.63).
Начальное состояние исходного раствора определяется точкой А. Линия изображает процесс изогидрической кристаллизации, а линия – метод удаления части растворителя. В первом случае движущая сила процесса определяется отрезком , во втором –.
В случае кристаллизации комбинированным способом рабочая линия процесса изображается отрезком , а движущая сила – отрезком.
При кристаллизации высаливанием пересыщение в растворе может создаваться путем добавления в систему какого-либо вещества, снижающего растворимость основного вещества в растворителе. Добавляемое вещество называют высаливателем. В качестве примера можно привести процесс кристаллизации хлороксида циркония. В результате химической реакции получают раствор хлороксида циркония в воде. К полученному раствору добавляют соляную кислоту, при этом растворимость хлороксида циркония снижается, и он выпадает из раствора в виде кристаллов.
Иногда в результате химической реакции исходный раствор становится пересыщенным по отношению к продукту реакции. Примером может служить процесс извлечения аммиака из коксовых газов путем перевода его в сульфат аммония в результате взаимодействия коксовых газов с серной кислотой. При этом сульфат аммония выпадает в виде кристаллов. Этот способ называют кристаллизацией в результате химической реакции.