Литература от Абакумова ч1 / 0917183_820FF_lekcii_po_processam_i_apparatam_himicheskih_tehnologiy

1.Теплообмен. Основные понятия

1.2Основные уравнение теплообмена

1.3Промышленные способы нагревания

1.4Промышленные способы охлаждения

1.5Конструкции теплообменных аппаратов

1.5.1 Трубчатые теплообменники 9 стр

1.5.2 Спиральные теплообменники 12 стр

1.5.3 Сравнительная характеристика теплообменных аппаратов 13 стр

1.6Кондуктивный теплообмен в плоской стенке 14 стр

1.7Кондуктивный теплообмен в цилиндрической стенке 16 стр

1.8Конвективный теплообмен в плоском пограничном слое и трубах при ламинарном и турбулентном режимах течения. 18 стр

1.9Теплообмен с телами сложной формы. 22 стр

1.10Теплообмен при изменении теплофизических характеристик теплоносителя и его фазового состояния. 23 стр

1.11Теплоотдача при конденсации пара. 24 стр

1.12b Теплоотдача при кипении жидкостей. 26 стр

Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей. 28 стр

4.1.7.Радиационно-конвективная теплоотдача. Тепловое излучение. 31 стр Теплообмен при излучении 32 стр

4.1.8.Оптимизация и интенсификация теплообмена 33 стр

Выпаривание 34 стр

4.3.1.Классификация и конструкция выпарных установок 35 стр Конструкции выпарных аппаратов 37 стр

4.3.2.Однокорпусное (однократное) выпаривание 38 стр

4.3.3.Температурные потери. 40 стр

4.3.4.Многокорпусное выпаривание. Материальный баланс. 41 стр Тепловой баланс: 42 стр

4.3.5.Полезная разность температур в многокорпусной установке и ее распределение по корпусам. 43 стр

Виды процессов массопередачи. Весовые и мольные доли Объемная концентрация и весовые доли. Относительные концентрации, весовые и мольные доли Парциальные давления 45 стр

1

2.Равновесие при массопередаче 49 стр Фазовое равновесие. Линия равновесия 50 стр Материальный баланс 51 стр

3.Скорость массопередачи Молекулярная диффузия. Турбулентная диффузия. Конвективный перенос. Термодиффузия. 53 стр

Механизм процессов массопереноса 58 стр Модели процессов массопереноса. 59 стр Уравнение массоотдачи. 63 стр

Влияние направления диффузии на массоотдачу. 65 стр Уравнение массопередачи. 66 стр

4. Движущая сила процессов массопередачи. 67 стр

2. Абсорбция 63 стр

Устройство и принцип работы аппаратов для проведения абсорбции и десорбции Трубчатые абсорберы Аппараты с плоскопараллельной насадкой

Аппараты с восходящим движением пленки Насадочные 74 стр Современные нерегулярные насадки 78 стр Современные регулярные насадки. 79 стр Гидродинамика в насадочных колоннах 81 стр Гидродинамические режимы тарельчатых аппаратов с перекрестным движением фаз 83 стр тарелки 84 стр Распыливающие аппараты 87 стр ПЕРЕГОНКА 88 стр

Равновесие в двухкомпонентных парожидкостных системах 89 стр Простая перегонка (дистилляция) 91 стр Однократная дистилляция 92 стр Непрерывная ректификация 93 стр Материальный баланс, рабочие линии 96 стр Тепловой баланс 99 стр Выбор флегмового числа 101 стр

Периодическая ректификация 104 стр

2

Ректификация многокомпонентных смесей 106 стр

5. Экстракция. 108 стр

5.2.Дифференциально-контактные экстракторы. 109 стр

5.3.Центробежные экстракторы. 110 стр

7. Десорбция. 8. Ионнообменные процессы. 111 стр

9.Сушка. 112 стр

10.Кристаллизация. 1. Общие сведения 112 стр

2.Основные параметры влажного газа 114 стр

3.I — х-диаграмма влажного воздуха 117 стр

4.Равновесие при сушке 122 стр

5.Материальный и тепловой балансы сушки 125 стр

6.Скорость сушки 130 стр

2. Конвективные сушилки с неподвижным или движущимся плотным слоем материала.

2.1.Камерные сушилки. 140 стр

2.2.Туннельные сушилки. 141 стр

2.3.Ленточные сушилки. 142 стр

2.4.Петлевые сушилки. 143 стр

3.Конвективные сушилки с перемешиванием слоя материала. 3.1. Барабанные сушилки. 144 стр

4.Конвективные сушилки со взвешенным слоем материала.

4.1.Сушилки с кипящим (псевдоожиженным) слоем. 145 стр

4.2.Распылительные сушилки. 146 стр

5.Конвективные сушилки с пневмотранспортом материала. 5.1. Пневматические сушилки.

147стр

6.Контактные сушилки. 6.1. Вакуум-сушильные шкафы. 148 стр

6.3. Вальцовые сушилки. 149 стр Специальные виды сушки. 7.1 Терморадиационные сушилки. 149 стр

7.2Высокочастотные (диэлектрические) сушилки. 150 стр

7.3Сублимационные сушилки. 150 стр

3

1.1 Основные понятия

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущая сила любого процесса теплообмена — разность температур более и менее нагретого тел. При наличии такой разности тепло самопроизвольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Теплообмен представляет собой обмен энергией между молекулами, атомами и свободными электронами. В результате теплообмена интенсивность движения частиц более нагретого тела снижается, а менее — возрастает.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Теплопередача — наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов и имеют большое значение для проведения многих массообменных и реакционных процессов химической технологии, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три элементарных способа передачи тепла.

1)Теплопроводность — перенос тепла вследствие теплового движения микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теплопроводность — основной способ распространения тепла.

2)Конвекция — перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости. Различают свободную (естественную) конвекцию, обусловленную разностью плотностей в различных точках объема жидкости или газа за счет разности температур, и вынужденную конвекцию, происходящую при принудительном движении всего объема.

3)Тепловое излучение — распространение электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать и поглощать энергию, таким образом осуществляется лучистый теплообмен.

В реальных условиях тепло передается комбинированным путем. Например, теплообмен между стенкой и газовой средой осуществляется одновременно конвекцией, теплопроводностью и излучением. Однако во многих процессах преобладающим является какой-то один вид переноса тепла.

Перенос тепла от стенки к газообразной или жидкой среде или в обратном направлении называется теплоотдачей. Процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости или газу через разделяющую их поверхность или твердую стенку называется теплопередачей.

Расчет теплообменной аппаратуры включает:

1)Определение теплового потока — количества тепла Q, которое должно быть передано за определенное время от одного теплоносителя к другому. Тепловой поток вычисляется путем составления и решения тепловых балансов.

2)Определение поверхности теплообмена F аппарата, обеспечивающей передачу требуемого количества тепла в заданное время. Величина поверхности теплообмена определяется скоростью теплопередачи, зависящей от механизмов передачи тепла и их сочетанием друг с другом. Поверхность теплообмена находят из основного уравнения теплопередачи.

4

1.2 Основные уравнение теплообмена

Основное уравнение теплопередачи выражает общую зависимость для процессов теплопередачи, выражающее связь между тепловым потоком Q’ и поверхностью теплообмена F:

Q’ = KF tср

K — коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена; tср — средняя разность температур между теплоносителями, определяющая среднюю движущую силу процесса теплопередчи, или температурный напор; — время.

Физический смысл уравнения: количество тепла, передаваемое от более нагретого к менее нагретому теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена F, среднему температурному напору tср и времени .

Для непрерывных процессов теплообмена:

Q = Q’/ = KF tср

Отсюда коэффициент теплопередачи: K = Q / (F t) == ккал / (м2∙ч∙град)

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла (в Дж) переходит за 1 секунду от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через поверхность теплообмена 1 м3 при средней разности температур между теплоносителями 1 градус.

В основе расчета теплопроводности лежит закон Фурье: dQ = - (∂t/∂n)dFdt

То есть, количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dt прямо порпорционально температурному градиенту ∂t/∂n поверхности dF и времени dt.

Количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени:

q = Q / F = - ∂t/∂n

Здесь q — плотность теплового потока. Знак минус указывает на то, что тепло перемещается в сторону падения температуры.

Количество переданного тепла: dQ = - [(tст2 – tст1) / ] dFd

Q = ( / ) (tст1 – tст2) F

Здесь — тольщина стенки, м; tст1 – tст2 — разность температур поверхностей стенки, град; F — площадь поверхности стенки, м2; — время, с.

Для непрерывного процесса передачи тепла теплопроводностью при =1: Q = ( / ) (tст1 – tст2) F

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплопроводности.

5

Коэффициент теплопроводности показывает, какое количество тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности. Его величина зависит от природы вещества, его структуры, температуры и некоторых других факторов. При обычных температурах и давлениях лучшими проводниками тепла являются металлы, худшими — газы. Коэффициенты теплопроводности газов возрастают с повышением температуры и незначительно зависят от давления. Для большинства жидкостей с увеличением температуры уменьшается, за исключением воды. Для воды коэффициент теплопроводности до 130°С увеличивается, но затем также начинает понижаться. Для большинства металлов с возрастанием температуры коэффициенты теплопроводности уменьшаются.

При определении количества тепла, передаваемого через слой газа или капельной жидкости вследствие теплопроводности часто бывает нужно учитывать влияние конвекции или излучения.

В основе расчета теплоотдачи лежит закон охлаждения Ньютона: dQ= dF(tст – tж)d

То есть: количество тепла dQ, отдаваемое за время d поверхностью стенки dF, имеющей температуур tст, к жидкости с температурой tж, прямо пропорционально dF и разности температур tст – tж.

Применительно к поверхности теплообмена всего аппарата F для непрерывного процесса теплоотдачи это уравнение принимает вид:

Q = F(tст – tж)

Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом теплоотдачи. Величина его характеризует интенсивность переноса тепла между поверхностью тела и окружающей средой. Он выражается следующим образом: [ ]=[Q/(F(tст – tж))]=[Дж/(м2∙сек∙град)]=[Вт/(м2∙град)]

То есть, коэффициент теплоотдачи показывает, какое количество тепла передается от 1 м2 поверхности стенки к жидкости (или наоборот) в течение 1 секунды при разности температур между стенкой и жидкостью 1 градус.

Вследствие сложной структуры потоков, особенно в условиях турбулентного движения, величина является сложной функцией многих переменных. Коэффициент теплоотдачи зависит от:

—скорости жидкости, ее плотности и вязкости,

—тепловых свойств жидкости (удельная теплоемкость, теплопроводность) и коэффициента объемного расширения,

—геометрических параметров — формы и определяющих размеров стенки (для труб – от размера и диаметра) и шероховатости стенки.

Вследствие этого невозможно получить расчетное уравнение для коэффициента теплоотдачи, пригодное для всех случаев. Лишь путем обобщения опытных данных с помощью теории подобия можно получить критериальные уравнения

6

для типовых случаев, позволяющие рассчитать для условий конкретной задачи.

При сопоставлении уравнений теплопроводности и теплоотдачи получаем следующее выражение для установившегося процесса теплообмена:

- (∂t/∂ ) = (tст – tж) = t

После преобразований получим:

l/ = Nu

Nu — критерий Нуссельта. Равенство критериев Нуссельта характеризует подобие процессов теплопереноса на границе между стенкой и потоком жидкости. Он является мерой соотношения толщины пограничного слоя и определяющего геометрического размера.

1.3 Промышленные способы нагревания

Вхимической промышленности широко распространены тепловые процессы — нагревание и охлаждение жидкостей и газов и конденсация паров, которые проводятся в теплообменных аппаратах (теплообменниках).

Теплообменники — аппараты, предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, участвующие в процессе передачи тепла, называются теплоносителями. Теплоносители, имеющие более высокую температуру и отдающие тепло, называются нагревающими агентами, теплоносители с более низкой температурой называются охлаждающими агентами.

Вкачестве прямых источников тепла в химической технологии используют главным образом дымовые газы и электрическую энергию. Вещества, получающие тепло от этих источников и отдающие его через стенку теплообменника нагреваемой среде называются промежуточными теплоносителями. Это, например, водяной пар и горячая вода, перегретая вода, минеральные масла, органические жидкости и их пары, расплавленные соли, жидкие металлы и сплавы.

Охлаждающие агенты до температур 10-30°С — как правило, вода и воздух. Выбор теплоносителя зависит в первую очередь от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости ее регулирования. Кроме того, важна достаточно высокая интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных расходах теплоносителя. Соответственно, теплоноситель должен обладать малой вязкостью, высокой плотностью, теплоемкостью и теплотой парообразования. Желательно, чтобы он был не горюч, нетоксичен, термостоек и не оказывал на материал теплообменника разрушающего воздействия. Немаловажным фактором также является его стоимость и доступность.

Во многих случаях экономически целесообразна утилизация тепла некоторых полупродуктов, продуктов и отходов производства, которые используются в качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах.

7

Нагревание водяным паром.

Это один из наиболее широко применяемых греющих агентов. В результате конденсации пара получают большие количества тепла при относительно небольшом расходе. Вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи от конденсирующегося пара сопротивление переносу тепла со стороны пара мало, что позволяет проводить процесс нагревания при малой поверхности теплообмена.

Основной недостаток — значительное возрастание давления с повышением температуры. Вследствие этого температуры, до которых можно проводить нагревание водяным паром, не превышают 180-190°С и давления пара 10-12 атмосфер.

Наиболее распространено нагревание глухим паром, при котором тепло передается посредством стенок теплообменного аппарата. Нагревание острым паром применяется в тех случаях, когда допустимо смешение нагреваемой жидкости с паровым конденсатом. Способ нагревания острым паром значительно эффективнее и проще, чем глухим, поскольку паровой конденсат смешивается с нагреваемой жидкостью, и их температуры выравниваются.

Нагревание горячей водой.

Горячая вода в качесвте нагревающего агента обладает некоторыми недостатками по сравнению с паром. Коэффициенты теплоотдачи от воды ниже, температура снижается вдоль поверхности теплообмена и т.д. Вода обычно применяется для нагрева до температур не более 100°С. Для более высоких температур воду требуется подавать под избыточным давлением.

Горячую воду получают в водогрейных котлах и паровых водонагревателях (бойлерах). Иногда используется конденсат водяного пара.

Нагревание топочными газами.

Дымовые (топочные) газы относятся к числу наиболее давно применяемых нагревательных агентов. Они позволяют осуществлять нагревание до высоких температур (1000-1100°С) при незначительном избыточном давлении в теплообменнике со стороны газов. Чаще всего их используют для нагревания через стенку других нагревательных агентов.

Наиболее существенные недостатки: неравномерность нагрева, обусловленная быстрым охлаждением газов в процессе теплообмена, трудность регулирования температуры обогрева, низкие коэффициенты теплоотдачи, возможность загрязнения нагреваемого материала продуктами неполного сгорания топлива. Кроме того, значительные перепады температур создают жесткие суловия нагревания, недопустимые для многих продуктов. Низкая удельная теплоемкость газов обуславливает большой объемный расход. Поэтому топочные газы обычно используют прямо на месте их получения.

Топочные газы получают, сжигая твердое, жидкое или газообразное топливо, например, уголь, нефть, природные газы.

Нагревание высокотемпературными теплоносителями.

В процессах химической технологии обогрев часто осуществляется высокотемпературными теплоносителями. Они получают тепло от топочных

8

газов или электрического тока и передают его нагреваемому материалу. Такие теплоносители обеспечивают равномерность обогрева и безопасные условия работы.

Нагревание перегретой водой используется при давлениях до 225 атмосфер и температур до 374°С. С ее помощью возможно нагревание материалов до 350°С. Однако такое нагревание связано с применением высоких давлений, что значительно усложняет и удорожает нагревательную установку и повышает стоимость ее эксплуатации. Поэтому в настоящее время этот метод вытесняется более современными способами.

Нагревание минеральными маслами позволяет нагревать агенты до 310°С.

Минеральные масла являются одним из старейших промежуточных теплоносителей, используемых для равномерного нагревания. Нагрев производится размещением теплоиспользующего аппарата с рубашкой, заполненной маслом, в печь, в которой тепло передается маслу топочными газами, либо внутри масляной рубашки устанавливается электронагреватель. Иногда во избежание возгораний и взрывов нагрев масла производится вне теплоизоляционного аппарата в установках с принудительной циркуляцией.

Масла являются наиболее дешевым органическим высокотемпературным теплоносителем. Однако, помимо относительно небольших температур, они обладают низкими коэффициентами теплоотдачи, которые еще более снижаются при термическом разложении и окислении масел. Эти процессы, кроме того, приводят к загрязнению поверхности теплообмена и еще более снижают коэффициенты теплоотдачи. Поэтому для получения достаточных тепловых нагрузок разность температур между маслом и нагреваемым аппаратом должна быть не ниже 15-20 градусов.

Нагревание высококипящими органическими жидкостями и их парами

применяется для температур до 400°С.Это глицерин, этиленгликоль, нафталин и его замещенные, а также некоторые производные ароматических углеводородов, продукты хлорирования дифенила и полифенолов и т.д. Наибольшее промышленное применение получила дифенильная смесь, состоящая из 26,5% дифенила и 73,5% дифенилового эфира.

Нагревание расплавленными солями используется для температур до 500-540°С.

Наибольшее распространение получила тройная эвтектическая нитритнитратная смесь, содержащая 40% масс. азотистокислого натрия, 7% масс. азотнокислого натрия и 53% масс. азотнокислого калия. Смесь практически не вызывает коррозию углеродистых сталей при температурах до 450°С.

Нагревание ртутью и жидкими металлами используется для температур до

800°С. Применяются ртуть, расплавы натрия, калия, свинца и других легкоплавких металлов, а также их сплавы. Эти теплоносители отличаются большой плотностью, термической стойкостью, хорошей теплопроводностью и высокими коэффициентами теплоотдачи.

Ртуть, кроме того, является единственным металлическим теплоносителем, используемым в парообразном состоянии, причем давление паров очень низкое

— около 2 атмосфер при 400°С.

9

Однако пары металлических теплоносителей крайне ядовиты. Поэтому нагревательные установки с применением металлических теплоносителей должны быть абсолютно герметичны и снабжены мощной вентиляцией.

Нагревание электрическим током производится в очень широком диапазоне температур, причем возможно точно поддерживать и регулировать температуру нагрева в соответствии с заданным технологическим режимом. Такие нагреватели компактны, просты и удобны для обслуживания. Однако применение электричества для нагревания пока относительно дорого, что связано с многоступенчатостью преобразования химической энергии топлива в электроэнергию.

Различают следующие виды нагревания электрическим током:

—омический нагрев (нагревание электрическими сопротивлениями),

—индукционное нагревание, основанное на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко, возникающими в толще стенок стального аппарата под воздействием переменного электрического тока,

—высокочастотное нагревание, применяемое для нагревания материалов, не проводящих электрический ток; принцип заключается в том, что молекулы такого материала, помещенные в переменное электрическое поле, начинают колебаться с частотой этого поля и при этом поляризуются. Колебательная энегргия частиц затрачивается на преодоление трения между молекулами и превращается в тепло непосредственно в массе нагреваемого метариала,

—нагревание электрической дугой, производится в дуговых печах, где электроэнергия превращается в тепло за счет пламени дуги. Электрическая дуга позволяет сосредоточить большую электрическую мощность в малом объеме, внутри которого раскаленные газы и пары переходят в состояние плазмы, в результате получают температуры до 1500-3000°С.

1.4 Промышленные способы охлаждения

Охлаждение до обычных температур достигается путем использования широко доступных охлаждающих агентов — воды и воздуха. По сравнению с воздухом вода отличается большой теплоемкостью, более высокими коэффициентами теплоотдачи и позволяет охлаждать до более низких температур.

Применяют речную, озерную, прудовую или артезианскую воду. Часто применяют оборотную воду — отработанную охлаждающую воду теплообменных устройств. Охлаждают ее путем частичного испарения в открытых бассейнах — градирнях, после чего повторно направляют на использование в качестве хладагента.

Температуры охлаждения зависят от начальной температуры воды, а следовательно, и от времени года.

Охлаждение до низких температур часто достигается путем введения льда или холодной воды непосредственно в охлаждаемую жидкость. Кроме того, применяют холодильные агенты, представляющие собой пары низкокипящих жидкостей, сжиженные газы или холодильные рассолы.

10