Теплота- форма передачи энергии, которая возникает при взаимодействии тел с разной температурой (Дж)

Процесс переноса тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом

Тепловой поток - количество теплоты, передаваемое в единицу времени (Дж/с = Вт)

Плотность теплового потока (q ) - тепловой поток, проходящий через единицу площади поверхности в единицу времени

Движущей силой является разность температур между более и менее нагретыми телами

Тела , участвующие в теплообмене, называются теплоносителями

Различают три способа распространения тепла:

Теплопроводность – процесспереноса тепла вследствие теплового движения ивзаимодействия микрочастиц , непосредственно соприкасающихся друг с другом

Конвекцией называют перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости

Тепловое излучение - процесс распространения электро-магнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела

В зависимости от целей технологии происходят следующие тепловые процессы:

а) нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред;

б) конденсация паров химически однородных жидкостей и их смесей;

в) испарение воды в парогазовую среду (увлажнение воздуха, сушка материалов);

г) кипение жидкостей.

Передача тепла теплопроводностью

Теплопроводность представляет собой перенос тепла от более к менее нагретым участкам тела вследствие теплового движения и взаимодействия микрочастиц, непосредственно соприкасающихся друг с другом

Температурное поле – совокупность температур во всех точках тела в данный момент времени.

Процесс передачи тепла теплопроводностью описывается с помощью закона Фурье, согласно которому количество теплаdQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхностиdF, перпендикулярный тепловому потоку, за времяdτ пропорционально температурному градиентуdt / dn , поверхности dF и времениdτ

λ – теплопроводность тела, Вт/(м·К)

показывает, какое количество тепла переносится путем теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности

Конвективный теплообмен (теплоотдача) - процесс передачи теплоты от стенки к газообразной (жидкой) среде или в обратном направлении.

Перенос тепла происходит одновременно конвекцией и теплопроводностью.

По природе возникновения различают 2 вида конвекции:

свободная обусловлено разностью плотностей нагретых и холодных частиц среды в поле тяжести;

вынужденная возникает при работе насоса, вентилятора

Закон конвективного теплообмена Ньютона-Рихмана - позволяет определить тепловой поток от нагретой поверхности стенки в окруж. среду или от нагретой среды к поверхности стенки

или α - коэффициент теплоотдачи, который показывает какое количество тепла передается от 1 м 2 поверхности стенки к жидкости в течение 1 сек при разности температур между стенкой и жидкостью 1 град

Дифференциальное уравнение Фурье-Кирхгофа- характеризует распределение температур в движущейся жидкости при подводе теплоты

Это уравнение можно решить лишь в редких случаях, поэтому пользуются теорией подобия и выводят критерии подобия. Конвективный теплообмен записывается в виде обобщенного уравнения в форме зависимости м/у критериев подобия

Тепловое подобие

критерий Нуссельта:

Необходимыми условиями подобия переноса тепла является соблюдение гидродинамического игеометрического подобия . Первое характеризуется равенством критериевRe в сходственных точках подобных потоков, второе – постоянством отношения основных геометрических размеров стенкиL1,L2,…,Ln к некоторому характерному размеру

Критериальное уравнение конвективного теплообмена

Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов и молекул излучающего тела

Закон излучения Кирхгофа

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуредля даннойчастотыи не зависит от их формы и химической природы

По определению, абсолютно чёрное телопоглощает всё падающее на него излучение, то есть для него. Поэтому функциясовпадает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела, описываемойзаконом Стефана - Больцмана, вследствие чего излучательная способность любого тела может быть найдена исходя лишь из его поглощательной способности.

Теплопередача через плоскую стенку

Теплопередача - это процесс передачи тепла от более нагретой к менее нагретой жидкости (газу) через разделяющую их поверхность или твердую стенку

Количество тепла Q передаваемое в единицу времени от горячего теплоносителя с температуройt1 к холодному с температурой t2 через разделяющую их стенку толщинойδ и коэффициентом теплопроводностиλ. Температуры поверхностей стенкиtст1 и tст2 соответственно. Коэффициенты теплоотдачи для горячего теплоносителяα1, а холодного– α2.

Примем, что процесс теплоотдачи установившийся.

Движущая сила теплообменных процессов

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур теплоносителей

При простейших случаях теплопередачи - прямотоке и противотоке, средняя разность температур определяется по уравнению Грасгофа как средняя логарифмическая

Для прямотока:

1.Классификация основных процессов и аппаратов

Классификация процессов по способу создания движущей силы:

Массообменные

Гидромеханические

Механические

Тепловые

Химические

1) Массообменные - переход вещества из одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии.

В зависимости от перехода из фазы в фазу процесс называется:

тв → ж (плавление) г → ж (конденсация, абсорбция)

ж → тв (кристаллизация) тв → г (возгонка)

ж → ж (экстракция) г → тв (адсорбция)

ж → г (испарение, десорбция) ж ↔ п (ректификация)

Движущей силой в массообменных процессах является разность концентраций, а скорость процесса определяется законами массопередачи.

2) Гидромеханические – связаны с переработкой суспензий (неоднородная система, состоящая из

жидкостей или газов и взвешенных в ней частиц ж/тв. тела.

Перемещение жидкости или газа;

Перемешивание в жидкой среде;

Разделение жидких неоднородных систем (осаждение, фильтрование, центрифугирование);

Очистка газов от пыли;

Движущей силой таких процессов является разность давлений, обусловленная разность плотностей обрабатываемых материалов, а скорость определяем по законам гидромеханики неоднородных систем.

3) Механические – связаны с обработкой и перемещением твердого тела. Включают в себя: измельчение, дозирование, смешение, отсеивание, транспортирование. Движущая сила – разность сил, давлений, или градиент напряжения (сжатия, сдвига, растяжения). Скорость процесса определяется законами механики твердого тела.

4) Тепловые процессы связаны с переходом тепла от одного тела к другому. Нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, плавление, затвердение, выпаривание, кристаллизация. Скорость определяется законами теплопередачи. Движущая сила – разность температур.

5) Химические – связаны с химическими превращениями участвующих в процессе веществ и получение новых соединений. Включают в себя каталитический крекинг, гидроочистка, риформинг, пиролиз, коксование, полимеризация, алкилирование. Движущая сила – разность концентраций реагирующих веществ. Скорость процесса определяется законами химической кинетики. По способу осуществления различных процессов во времени:

Аппараты имеют такую же классификацию, что и процессы:

1) Массообменные - абсорберы, адсорберы, десорберы, ректификационные колонны, экстракторы, сушилки, кристаллизаторы.

2) Гидромеханические – фильтры, циклоны, электродегидраторы, отстойники, центрифуги, мешалки

3) Механические – дробилки, сито, смесители, дозаторы.

4) Тепловые – теплообменники, холодильники, испарители, конденсаторы, плавильные печи.

5) Химические – реакторы разного вида (с неподвижным слоем катализатора, с псевдоожиженным слоем, с фонтанирующим слоем).

2.Основные признаки массообменных процессов

Основными признаками массообменных процессов являются:

Применяются для разделения смесей

Участвуют минимум 2 фазы

Вещество переходит из одной фазы в другую за счет диффузии

Движущая сила – разность концентраций

Все процессы обратимы, направление процесса определяется законами фазового равновесия, фактическими концентрациями компонента в фазах и внешними условиями (P, t).

Переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия.

3.Основное уравнение массопередачи

Скорость массообменного процесса равна, где - масса вещества, переданная через 1-цу поверхности в 1-цу времени

Движущая сила, - сопротивление массопереноса, - коэф массопередачи, характеризует массу вещества, переданную из фазы в фазу через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе, равной единице. Чем больше К, тем меньших размеров нужен аппарат для передачи заданного количества вещества.

то же самое для жидкой фазы.

Основное уравнение массопередачи, используется для нахождения поверхности контакта фаз, рабочего объема аппарата, числа теор.тарелок

4.Материальный баланс массообменного процесса

Проведение любого процесса в химической технологии связано с использованием различных материалов и видов энергии, передаваемых в форме теплоты. Материальный баланс основан на законе сохранения массы. Цель составления состоит в выявлении всех участвующих в процессе потоков вещества и энергии с учетом потерь. Мат.баланс позволяет рассчитать внешние потоки вещества и энергии (потоки, входящие в данную систему и покидающие ее).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Донецкий национальный технический университет

Кафедра "Прикладная экология и охрана окружающей среды"

Курс лекций

для студентов заочников

"Основы технологических процессов"

Составил доц. А.В. Булавин

Донецк 2008

Задачей курса "Основы технологических процессов" является изучение основных процессов химической технологии, и методов их расчета, знакомство с конструкциями аппаратов, применяемых в этих процессах.

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, последние могут быть разделены на следующие группы:

Механические процессы, применяемые для переработки твердых материалов и подчиняющиеся законам механики твердого тела. К таким процессам относятся: перемещение материалов, измельчение, классификация (сортировка) материалов по крупности, их дозирование и смешивание.

Гидромеханические процессы, используемые при переработке жидкостей и газов, а также неоднородных систем, состоящих из жидкости и мелкоизмельченных твердых частиц, взвешенных в жидкости (суспензий). Движение жидкостей, газов и суспензий характеризуется законами механики жидких тел гидромеханики. К числу гидромеханических процессов относятся: перемещение жидкостей и газов, перемешивание в жидкой среде, разделение жидких неоднородных систем (отстаивание, фильтрование, центрифугирование), очистка газов от пыли.

Тепловые процессы, связанные с теплообменом, т. е. переходом тепла от одного вещества к другому. К этим процессам относятся: нагревание, охлаждение, процессы, протекающие с изменением агрегатного состояния вещества, -- испарение, конденсация, плавление и затвердевание, а также процессы выпаривания, кристаллизации и получения искусственного холода.

Массообменные процессы, заключающиеся в переходе вещества (массы) из одной фазы в другую путем диффузии. К этой группе относятся следующие процессы перехода веществ: сушка твердых материалов, ректификация и сорбция (поглощение газов жидкостями или твердыми веществами).

Ректификация - разделение системы на отдельные компоненты.

Процессы химической технологии проводятся периодически или непрерывно. В периодическом процессе исходные вещества загружаются в аппарат и реагируют или обрабатываются в нем, после чего полученные продукты выгружают, и аппарат загружают вновь. При этом все стадии процесса протекают во всем объеме аппарата, но условия взаимодействия или обработки веществ внутри аппарата -- температура, давление, концентрация и т. д. -- изменяются во времени. В непрерывном процессе загрузка аппарата и выгрузка производятся непрерывно. При этом все стадии процесса протекают одновременно, но в разных точках объема аппарата, причем в каждой его точке температура, давление и другие параметры процесса остаются неизменными во времени. Применение непрерывных процессов позволяет значительно повысить производительность аппаратуры, облегчает автоматизацию и механизацию производства, и дает возможность улучшить качество и однородность получаемых продуктов. Аппараты непрерывного действия компактнее периодически действующих аппаратов, требуют меньших капитальных затрат и меньших эксплуатационных расходов. Благодаря этим серьезным достоинствам непрерывные процессы вытесняют периодические, которые применяются в настоящее время преимущественно в производствах небольшого масштаба и при разнообразном ассортименте выпускаемой продукции.

Процессы химической технологии связаны с разнообразными физическими и химическими явлениями. Однако большинство этих процессов характеризуется сравнительно ограниченным числом физических законов.

Материальный баланс. По закону сохранения массы, количество веществ, поступающих на переработку (УG нач.), равно количеству веществ, получаемых в результате переработки (УG кон), т. е. приход вещества равен расходу. Это можно представить в виде уравнения материального баланса:

УG нач = УG кон

Энергетический баланс. По закону сохранения энергии, количество энергии, введенной в процесс, равно количеству ее, полученному в результате проведения процесса, т. е. приход энергии равен расходу ее.

Условие равновесия. Любой процесс протекает до тех пор, пока не установится состояние его равновесия. Так, жидкость перетекает из сосуда с более высоким уровнем ее в сосуд с более низким уровнем до тех пор, пока уровни жидкости в обоих сосудах не сравняются. Тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому до тех пор, пока температура обоих тел не станет одинаковой. Соль растворяется в воде до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Подобных примеров можно привести бесчисленное множество. Условия равновесия характеризуют так называемую статику процесса и показывают пределы, до которых может протекать данный процесс.

Условия равновесия выражаются разными законами; к ним относятся второй закон термодинамики и законы, характеризующие соотношение между концентрациями компонента в различных фазах системы.

Скорость процесса. Скорость процесса - это производительность, отнесенная к единице длины, массы, объёма. В большинстве случаев скорость процесса пропорциональна движущей силе. Если какая-либо система не находится в состоянии равновесия, то обязательно возникает процесс, стремящийся привести эту систему к равновесию. При этом обычно скорость процесса тем больше, чем больше отклонение системы от состояния равновесия. Отклонение системы от состояния равновесия выражает, таким образом, движущую силу процесса, Следовательно, чем больше движущая сила, тем больше скорость процесса. По мере приближения к равновесию движущая сила и скорость процесса уменьшаются, достигая нуля в состоянии равновесия. Вблизи состояния равновесия скорость процесса весьма мала и продолжает уменьшаться при приближении к равновесию, поэтому для его достижения требуется бесконечно большое время. Однако обычно может быть сравнительно быстро достигнуто состояние, столь близкое к равновесию, что практически его можно рассматривать как равновесное.

Для практических расчетов весьма важно знать скорость процесса в различных его стадиях, или так называемую кинетику процесса. Во многих случаях скорость процесса пропорциональна движущей силе. Такая простая зависимость наблюдается при фильтровании, при передаче тепла путем теплопроводности и конвекции, в процессах массопередачи. В этих случаях уравнение скорости процесса имеет следующий вид:

N/ (Fф) = К Д

где N -- количество вещества или тепла, передаваемое через поверхность за время ф;

К -- коэффициент пропорциональности (коэффициент скорости процесса);

Д -- движущая сила процесса.

В тепловых процессах через F обозначают поверхность теплообмена, т. е. поверхность, через которую передается тепло (стр. 363), в процессах массопередачи F--поверхность соприкосновения фаз.

Левая часть уравнения представляет собой скорость процесса.

Коэффициент скорости процесса К обычно находят из опыта, расчетное определение его в ряде случаев представляет значительные трудности.

1. ГИДРАВЛИКА

При исследовании различных вопросов гидравлики вводят понятие о реально не существующей, идеальной жидкости. Такая жидкость абсолютно несжимаема и не обладает внутренним трением между частицами (вязкостью). В действительности жидкости в той или иной мере сжимаемы и обладают вязкостью; они называются реальными, или вязкими, жидкостями.

Реальные жидкости делятся на собственно жидкости, называемые капельными, и упругие жидкости -- газы, обладающие сжимаемостью, или упругостью, т. е. способные изменять свой объем с изменением давления. Сжимаемость капельных жидкостей крайне незначительна; например, объем воды при увеличении давления от 1 до 100 am уменьшается только на 7гоо первоначальной величины.

Плотность и удельный вес

Масса жидкости, заключенная в единице ее объема, называется плотностью и обозначается через с:

где m -- масса жидкости, кг; V -- объем жидкости, м 3 .

Удельным весом называется вес единицы объема жидкости и связан с вязкостью соотношением

г = сg (н/ м 3)

Плотность капельных жидкостей незначительно увеличивается с повышением давления и обычно несколько уменьшается с возрастанием температуры. Объем, занимаемый единицей массы тела, называется удельным объемом. Удельный объем является величиной, обратной плотности, т. е. х =1/с

Гидравлика делится на гидростатику и гидродинамику.

Гидростатика изучает покоящиеся жидкости.

Гидростатическое давление

Рст = сgН = гН,

где Н - высота слоя жидкости, с - ее плотность.

Рст/сg = Нст - статический напор (пъезометрический).

Давление в аппаратах измеряется манометрами, разрежение вакумметрами.

1 (атм) = 760 мм рт.ст = 760 *13,6 = 10330 мм вод.ст =(10,33 м вод.ст) =

Давление в аппаратах - Ризб. измеряется по отношению к атмосферному:

Рабс = Ратм + Ризб,

Рабс = Ратм - Рвак - остаточное давление - разрежение в аппарате.

Гидродинамика

Гидродинамика изучает перемещение жидкости

Вязкость

При движении реальной жидкости в ней возникают силы внутреннего трения, оказывающие сопротивление движению. Вязкость - сила внутреннего трения, т.е. сила сцепления между соседними слоями жидкости, препятствующая их взаимному перемещению. По закону Ньютона

Ртр = - м F dW/dl,

где Ртр - сила трения,

F - поверхность,

dW/dl - градиент скорости по нормали, т.е. относительное изменение скорости на единицу расстояния между слоями по направлению, перпендикулярному к направлению течения жидкости.

Входящий в уравнение коэффициент пропорциональности м зависит только от физических свойств жидкости и называется динамическим коэффициентом вязкости, или просто вязкостью.

Получим размерность вязкости в системе единиц СИ:

м = Ртр dl / dW - F = н* м/ м/с*м 2 = н*с/ м 2 = Па*с

Часто вязкость выражают в сантипуазах:

1сПз = 0,01 Пз = 10 -3 Па*с

Отношение вязкости к плотности с жидкости называется кинематическим, коэффициентом вязкости, или просто кинематической вязкостью Единица кинематической вязкости -- стокс (cm) равен 1 см 2 /сек. Единица кинематической вязкости, в 100 раз меньше стокса, называется сантистоксом (сст).

н = (н*с *м 3)/(м 2 кг) = (кг*м/с 2) с *м 3)/(м 2 * кг) = м 2 /с

н = см 2 /с = Ст

Вязкость капельных жидкостей с повышением температуры уменьшается, вязкость газов увеличивается. Изменение вязкости в зависимости от давления незначительно и обычно не учитывается (исключая область весьма высоких давлений).

Характеристики:

1. Расход жидкости:

Объемный расход - V, м 3 /с

Массовый расход - G, кг/с

2. Скорость движения жидкости

Объемная скорость

w об = V/ S - м/с

Массовая скорость

w мас = G / S = V с/ S

w мас =w об с

3 Установившийся поток - скорость и расход в какой-либо точке с течением времени не изменяется.

Кинетическая энергия жидкости, движущейся со скоростью w, определяется по формуле:

Рдин = mw 2 /2

Уравнение Бернулли

Сумма Е пот и Е кин в любом сечении потока идеальной жидкости есть величина постоянная.

Р ст + Р геом + Р дин = const

Р геом - геометрическое (нивелирное) давление, характеризующее Е пот жидкости, принятую на высоте Z.

Р ст I + Р геом I + Р дин I = Р ст II + Р геом II + Р дин II

Для реальных жидкостей сумма Р I всегда меньше суммы Р II .

Р I >?Р II

Р ст I + Р геом I + Р дин I = Р ст II + Р геом II + Р дин II +ДР

ДР-потеря давления

Разделим каждое слагаемое на сg:

Статический напор (пьезометрический)

Геометрический напор (нивелирный)

Потери напора (м)

Динамический напор (м)

6. Режимы движения вязкой жидкости

При течении жидкости характер, или режим, ее движения может быть ламинарным или турбулентным.

При ламинарном режиме, наблюдающемся при малых скоростях или значительной вязкости жидкости, она движется отдельными параллельными струйками, не смешивающимися друг с другом. Струйки обладают различными скоростями, но скорость каждой струйки постоянна и направлена вдоль оси потока

Рис. 6-10. Распределение скоростей в трубе при различных режимах движения жидкости: а --ламинарное движение; б --турбулентное движение.

При ламинарном движении (рис. 6-10, а) скорость частиц по сечению трубы изменяется по параболе от нуля у стенок трубы до максимума на ее оси. При этом средняя скорость жидкости равна половине максимальной w ср. =0,5 w max . Такое распределение скоростей устанавливается на некотором расстоянии от входа жидкости в трубу.

При турбулентном режиме частицы жидкости движутся с большими скоростями в различных направлениях, по пересекающимся путям. Движение носит беспорядочный характер, причем частицы движутся как в осевом, так и в радиальном направлении. В каждой точке потока происходят быстрые изменения скорости во времени -- так называемые пульсации скорости. Однако значения мгновенных скоростей колеблются вокруг некоторой средней скорости.

Но и при турбулентном движении (рис. 6-10,6) в очень тонком граничном слое у стенок трубы движение носит ламинарный характер. Этот слой толщиной 5 называется ламинарным пограничным слоем. В остальной части (ядре) потока, вследствие перемешивания жидкости, распределение скоростей более равномерно, чем при ламинарном движении, причем w ср. =0,85 w max .

Два различных режима движения и возможность взаимного перехода одного режима в другой можно наблюдать, пропуская в трубу воду с различными скоростями и вводя по оси трубы тонкую струйку окрашенной жидкости. При малых скоростях движения окрашенная струйка движется в воде, не перемешиваясь с нею. С увеличением скорости воды окрашенная струйка становится колеблющейся и по достижении некоторой критической скорости полностью размывается, окрашивая воду. Резкое изменение течения окрашенной струйки характеризует переход ламинарного режима движения жидкости в турбулентный.

Опыты, проведенные в 1883 г. О. Рейнольдсом, показали, что характер движения жидкости зависит от средней скорости w жидкости, от диаметра d трубы и от кинематической вязкости v жидкости. Переход одного вида движения в другой происходит при определенном значении комплекса перечисленных величин, названного критерием Рейнольдса:

Критерий Рейнольдса является безразмерной величиной, что легко доказать, подставив входящие в него величины в одинаковой системе единиц, например в системе СИ:

Rе=[м/с*м/м 2 /сек]

На основе соотношений (6-9) и (6-19) могут быть получены различные выражения критерия Рейнольдса, которымипользуются в технических расчетах:

Re = wd/н= wdс/м

Где v -- кинематическая вязкость; р -- плотность; м -- динамическая вязкость.

Из этих выражений следует, что турбулентное движение возникает с увеличением диаметра трубы, скорости движения и плотности жидкости или с уменьшением вязкости жидкости.

Величина Re, соответствующая переходу одного вида движения в другой, называется критическим значением критерия Рейнольдса, причем для прямых труб Re Kp . ~ 2300. Движение жидкости в прямых трубах при Re < 2300 является устойчивым ламинарным. При Re > 2300 движение турбулентно, однако устойчивый (развитый) турбулентный характер оно приобретает -при Re > 10 000. В пределах Re от 2300 до 10 000 турбулентное движение является недостаточно устойчивым (переходная область).

При движении жидкости в трубах или каналах некруглого сечения в выражение критерия Re вместо диаметра подставляют величину эквивалентного диаметра:

d экв. =4S/П

где S -- площадь сечения потока;

П -- периметр, смоченный жидкостью.

Движение жидкости по трубопроводам

Размещено на http://www.allbest.ru/

Р 1 = Р 2 +ДР

где ДР - потери давления на трение.

Где -л - коэффициент гидродинамического трения.

л = f (Re, е),

где е - относительная шероховатость стенок трубопроводов.

Для ламинарного потока л зависит только от величины Re и определяется по формуле

Для турбулентного потока л можно определяется по сложным зависимостям, либо по уже рассчитанным графикам.

Местные сопротивления

1. Потери давления, обусловленные изменением направления потока

2. Потери давления, связанные с изменением сечения

3. Потери давления, обусловленные изменением направления и скорости

а) запарные (регулировочные) приспособления: задвижка, вентиль

б) Приборы КИП: термометр, диафрагма

Таким образом, потери давления на движение по трубопроводам с учетом местных сопротивлений можно выразить так:

Теплопередача

Теплопередача - учение о процессах распространения или передачи тепла.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции или лучеиспускания.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путем переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передается от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности. Передача тепла лучеиспусканием происходит путем переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен).

Тепловой баланс

Для передачи тепла в любой среде необходима разность температур (движущая сила процесса).

Пусть в аппарате происходит охлаждение горячего теплоносителя от t гор 1 до от t гор 2 , то количество отданного тепла можно рассчитать по формуле:

Q гор = G гор c гор (t гор 1 - t гор 2)

где - G гор - количество горячего теплоносителя кг (моль)

С -- удельная теплоемкость Дж/кг град (Дж/ моль град).

Удельная теплоемкость -- это количество тепла, сообщаемое единице массы вещества (1 кг, 1 м 3 , 1 моль) для изменения его температуры на 1°С.

При этом происходит нагрев холодного теплоносителя от t хол 2 до t хол 1 , то количество отданного тепла можно рассчитать по формуле

Q хол = G хол c хол (t хол 2 - t хол 1)

В соответствии с законом сохранения энергии количество тепла отданного горячим теплоносителем равно количеству тепла принятому холодным теплоносителем, т.е.

Q гор = Q хол

Однако в реальных процессах часть тепла расходуется на теплообмен с окружающей средой (потери тепла). Тогда

Q гор = Q хол + Q пот

В современных теплообменных аппаратах потери тепла обычно невелики и составляют не более 2--5 %.

При изменении агрегатного состояния вещества (плавление-кристаллизация, испарение-конденсация) изменения температуры не происходит, поэтому количество тепла принятое (отданное) может быть рассчитано по формуле

где r - теплота испарения(конденсации) Дж/кг (Дж/ моль).

где q - удельная теплота плавления (кристаллизации) Дж/кг (Дж/ моль).

1) Количество тепла, затрачиваемого на нагревание льда (с -20 до 0°С):

C=2,14 кДж/кг К

2) Количество тепла, затрачиваемого на плавление:

3) Количество тепла, затрачиваемого на нагрев воды:

С=4,19 кДж/кг К

r= 2260 кДж/кг

5) Q=42,8+380,7+419+2260=3102,5 кДж

Уравнение теплопередачи

Для протекания процесса передачи тепла необходимо наличие некоторой разности температур между горячим и холодным теплоносителями. Эта разность температур является движущей силой процесса теплопередачи и называется температурным напором. Если Т -- температура горячего теплоносителя, a t -- температура холодного теплоносителя, то температурный напор

Чем больше температурный напор, тем выше скорость передачи тепла, причем количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному (т. е. тепловая нагрузка аппарата), пропорционально поверхности теплообмена F, температурному напору Д t и времени ф:

Здесь k -- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопередачи и представляющий собой количество тепла, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени при температурнбм напоре, равном единице. Если Q выражено в дж, F в м 2 , ф в сек и Д t в град, то коэффициент теплопередачи имеет размерность

k = Дж/м 2 сек град =Вт/ м 2 град

k = f(l,d,c,с,м….)

Он ориентировочно принимается по справочным данным или рассчитывается по сложным зависимостям.

При непрерывных процессах под тепловой нагрузкой Q понимают количество тепла, передаваемое за единицу времени (вт); тогда уравнение (11-8) можно написать в виде:

Уравнение теплопроводности

Если тепло переносится путем теплопроводности через стенку, то, согласно закону Фурье, количество передаваемого тепла пропорционально поверхности F, разности температур между обеими поверхностями стенки Дt ст = t ст1 - t ст2 времени ф и обратно пропорционально толщине стенки д:

Q = л F Д t ст ф/ д

где t ст1 и t ст2 --температуры поверхностей стенки.

Коэффициент пропорциональности л называется коэффициентом теплопроводности (или просто теплопроводностью) и имеет размерность

л = Дж м/м 2 сек град =Вт/ м град

Коэффициент теплопроводности представляет собой количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу поверхности при разности температур 1°С на единицу толщины стенки. Этот коэффициент зависит от свойств материала стенки и от ее температуры.

Для непрерывного процесса уравнение можно представить в виде:

Передача тепла через стенку

Плоская стенка

Рассмотрим сложный процесс передачи тепла через плоскую стенку от горячего теплоносителя к холодному. Характер изменения температур показан на рис. 1 В слое горячего теплоносителя температура изменяется от t 1 до t ст1 по толщине стенки от t ст1 до t ст2 и в слое холодного теплоносителя от t ст2 до t 2

Напишем уравнения передачи тепла конвекцией от горячего теплоносителя к стенке, путем теплопроводности через стенку и конвекцией от стенки к холодному теплоносителю:

Коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному теплоносителю.

Поверхность теплообмена F равна поверхности стенки и при плоской стенке является постоянной величиной.

При установившемся процессе количества тепла, передаваемые от горячего теплоносителя к стенке (Q 1), через стенку (Q CT .) и от стенки к холодному теплоносителю (Q 2), должны быть равны между собой, т. е.

Q 1 = Q CT . = Q 2 = Q

Коэффициент теплопередачи (Вт/м 2 град)

б 1 и б 2 - коэффициенты теплоотдачи при конвективных процессах

тепловое сопротивление

Если стенка состоит из нескольких слоев толщиной д 1 , д 2 д 3 с теплопроводностями л 1 , л 2 , л 3 то тепловые сопротивления будут равны д 1 / л 1

д 2 / л 2 и д 3 / л 3 , а тепловые сопротивления всей стенки составит

Передача тепла при переменной разности температур

При непрерывном процессе теплоносители всегда находятся во взаимном движении, направления которого могут быть различны. Основными видами движения теплоносителей являются прямоток и противоток.

При прямотоке оба теплоносителя движутся вдоль поверхности теплообмена в одном и том же направлении; характер изменения их температур показан на рис. 2а.

При противотоке теплоносители движутся в противоположных направлениях рис. 2 б.

При прямотоке и противотоке средний температурный напор определяется как среднелогарифмическое из значений максимального Д t мах и минимального Д t min температурных напоров;

Если отношение Д t мах /Д t min ?2, то с достаточной точностью (ошибка менее 4%) можно пользоваться среднеарифметическим значением:

Д t ср = Д t мах + Д t min /2

Выбор и расчет теплообменников

Тепловой расчет теплообменников заключается в определении необходимой поверхности теплопередачи, исходя из основного уравнения теплопередачи

F = Q /к Д t ст

Выпаривание

Выпаривание - процесс повышения концентрации нелетучего или трудно летучего соединения в летучем растворителе путем перехода последнего в парообразное состояние при кипении.

Чтобы процесс выпаривания шел непрерывно необходимо:

Непрерывный подвод тепла;

Непрерывный отвод выделяющихся паров.

Для обогрева выпарных аппаратов применяют чаще всего водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев.

Методы отвода паров:

Выпаривание раствора под атмосферным давлением. Образующийся при этом так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым.

Выпаривание под пониженным давлением (при разрежении). В аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса

Выпаривание веществ, которые разлагаются при повышенных температурах;

Применение теплоносителя с более низких параметров;

Уменьшение размеров аппаратов.

Выпаривание под повышенным давлением. Вторичный пар может быть использован как нагревающий агент в подогревателях, для отопления и т. п., а также для различных технологических нужд.

Материальный баланс выпарного аппарата

Обозначим начальное (до выпарки) и конечное (после выпарки) количество раствора (в кг) через G 1 и G 2 , его начальную и конечную концентрацию (в весовых долях) через с 1 и с 2 и количество выпаренной воды (в кг) через W.

Тогда можно написать уравнения материального баланса по всему количеству вещества:

и по растворенному веществу

G 1 с 1 = G 2 с 2

В приведенные уравнения входят пять величин; три величины должны быть заданы, а остальные две можно определить из этих уравнений. Обычно бывают известны G 1 a 1 и а 2 , тогда, решая совместно уравнения (13-5) и (13-6), находим

G 2 = G 1 с 1 / с 2

W = G 1 - G 2 = G 1 (1 - с 1 / с 2)

Уравнение дает возможность определить количество выпаренной воды.

Тепловой баланс выпарного аппарата

Для обогрева выпарных аппаратов чаще всего используется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при повышенной температуре, применяют топочные газы и специальные высокотемпературные теплоносители (например, АМТ-300), и в особых случаях используют электрический обогрев. Составим уравнение теплового баланса выпарного аппарата для выпариваемого раствора:

Приход тепла

Отдается нагревающим агентом

Q гр.п = G гр.п i гр.п

С поступающим раствором G 1 с 1 t 1

Расход тепла

С вторичным паром Wi в.п

С уходящим раствором G 2 c 2 t 2

Потери в окружающую среду Q n

С конденсатом вторичного пара G конд c конд t конд

Таким образом

Q n р = Q расх

G гр.п i гр.п + G 1 с 1 t 1 = Wi в.п + G 2 c 2 t 2 + G гр.п c конд t конд + Q n

G гр.п i гр.п - G гр.п c конд t конд = Wi в.п + G 2 c 2 t 2 - G 1 с 1 t 1 + Q n

где с 1 и с 2 --удельные теплоемкости поступающего и уходящего растворов, дж/кг-град;

t 1 и t 2 -- температуры поступающего и уходящего растворов, град;

i в.п --энтальпия вторичного пара, дж/кг.

Потери тепла принимаются 3-5 % от полезно затрачиваемого тепла, а затем рассчитывается изоляция (0,03-0,05 Q n р).

G гр.п = (Wi в.п + G 2 c 2 t 2 - G 1 с 1 t 1 + Q n)/ (i гр.п - c конд t конд)

Рассматривая поступающий раствор как смесь упаренного раствора и испаренной воды, можно написать:

G 1 с 1 t 2 = G 2 c 2 t 2 + Wс в. t 2

G 2 c 2 = G 1 с 1 -- Wc B

где с в -- удельная теплоемкость воды, дж/кг * град.

Подставляя значение G 2 c 2 в уравнение (13-10), получим

G гр.п = (Wi в.п + (G 1 с 1 -- Wc B) t 2 - G 1 с 1 t 1 + Q n)/ (i гр.п - c конд t конд)

G гр.п = (Wi в.п + G 1 с 1 t 2 -- Wc B t 2 - G 1 с 1 t 1 + Q n)/ (i гр.п - c конд t конд)

G гр.п = (W(i в.п -- c B t 2)+ G 1 с 1 (t 2 - t 1) + Q n)/ (i гр.п - c конд t конд)

Расчет выпарных аппаратов

Температура кипения растворов

Давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем давление над чистым растворителем. Вследствие этого температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя при том же давлении. Например, вода кипит под атмосферным давлением при 100° С, так как давление ее пара при этой температуре равно 1 am; для 30% раствора NaOH давление водяного пара над раствором будет при 100° С ниже 1 am, и раствор закипит при более высокой температуре (117°С), когда давление пара над ним достигнет 1 am. Разность между температурами кипения раствора (t) и чистого растворителя (г)) называется температурной депрессией:

Д t ДЕПР =t раствор -t растворитель

Температурная депрессия зависит от свойств растворенного вещества и растворителя; она повышается с увеличением концентрации раствора и давления. Определяется температурная, депрессия опытным путем (большинство опытных данных относится к температурной депрессии при атмосферном давлении).

Гидростатическая депрессия Д t" вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой температуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев). Если, например, нагревать при атмосферном давлении воду до температуры кипения в трубе высотой 10 м, то верхний слой воды закипит при температуре 100° С, а нижний слой, находящийся под давлением 2 am, при температуре ~120 о С. В данном случае гидростатическая депрессия изменяется по высоте трубы от 0°С (вверху) до 20° С (внизу) и в среднем составляет 10° С. Расчет гидростатической депрессии в выпарных аппаратах невозможен, так как жидкость в них (в основном в виде парожидкостной смеси) находится в движении. С повышением уровня жидкости в аппарате гидростатическая депрессия возрастает. В среднем она составляет 1--3°С.

Гидравлическая депрессия Д t "" учитывает повышение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара через ловушку и выходной трубопровод. При расчетах Д t "" принимают равной 1 С.

Полная депрессия Дt равна сумме температурной, гидростатической и гидравлической депрессий:

Дt = Д t " + Дt" + Д t ""

Температура кипения раствора t определяетсяпо формуле:

t раствоитель =t раствоитель +Дt

Пример 13-1. Определить температуру кипения 40%-ного раствора NaOH при абсолютном давлении 0,196 бар (0,2 am).

Д " =28°С при атмосферном давлении

Д " = k=0,76 при 0,2 атм

Д=15,2+2+1=24,28°С

t кип.р-ля (Н 2 О)=60°С при Р=0,2 атм

t кип.р-ля =24,28+60=84,28

химический гидромеханический абсорбция ректификация

Общие сведения о массообменных процессах

В химической технике и экологической практике широко применяют массообменные процессы: абсорбцию, экстракцию, ректификацию, адсорбцию и сушку.

Абсорбция -- избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем (абсорбентом). Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы, в жидкую.

Экстракция -- извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью. Этот процесс представляет собой переход вещества из одной жидкой фазы в другую.

Ректификация -- разделение жидкой смеси на компоненты путем противоточного взаимодействия потоков пара и жидкости. Этот процесс включает переходы вещества из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Адсорбция -- избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ поверхностью пористого твердого поглотителя (адсорбента), способного поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фаз в пористый твердый материал.

Сушка -- удаление влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в паровую или газовую фазу.

Скорость перечисленных процессов определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую (скоростью массопередачи).

2. АБСОРБЦИЯ

Абсорбцией называется процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем (абсорбентом). Обратный процесс -- выделение поглощенного газа из поглотителя -- называется десорбцией.

В промышленности абсорбция с последующей десорбцией широко применяется для выделения из газовых смесей ценных компонентов (например, для извлечения из коксового газа аммиака, бензола и др.), для очистки технологических и горючих газов от вредных примесей (например, при очистке их от сероводорода), для санитарной очистки газов (например, отходящих газов от сернистого ангидрида) и т. д.

Равновесие при абсорбции

Подобно тому как передача тепла протекает лишь при отклонении от состояния равновесия, т. е. при наличии разности температур между теплоносителями, так и переход вещества из одной фазы в другую происходит при отсутствии равновесия между фазами.

Пусть имеются две фазы G и L, причем распределяемое вещество вначале находится только в первой фазе G и имеет концентрацию У. Если привести фазы в соприкосновение, то распределяемое вещество начнет переходить в фазу L. С момента появления распределяемого вещества в фазе L начнется и обратный переход его в фазу G. Скорость обратного перехода будет увеличиваться по мере повышения концентрации распределяемого вещества в фазе L. В некоторый момент скорости перехода вещества из фазы и обратно станут одинаковыми. При этом установится состояние равновесия между фазами, при котором явного переноса вещества из одной фазы в другую происходить не будет. В состоянии равновесия существует определенная зависимость между концентрациями распределяемого вещества в этих фазах. Т. е. при Р-const и t-const,

x* и y* - равновесные концентрации распределенного вещества соответственно в жидкой и газовой фазе.

Существует следующая зависимость:

Однако чаще всего: y*=m"x n

где m и m" - коэффициенты распределения

y m"x n - кривые распределения

Порциальное давление компонента подчиняется закону Дальтона:

Р=Р общ - закон Дальтона

Растворимость газов в жидкостях зависит от свойств и жидкости, от температуры и парциального давления растворяющегося газа (компонента) в газовой смеси.

Зависимость между растворимостью газа и его парциальным давлением характеризуется законом Генри, согласно которому равновесное парциальное давление р* пропорционально содержанию растворенного газа в растворе X (в кг/кг поглотителя):

где Ш - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность давления и зависящей от свойств растворенного газа и поглотителя и от температуры (Приложение XVI).

х- концентрация компонента, кг/кг поглотителя

В усложненных условиях (хемосорбция, хорошая растворимость газов) растворимость многих газов значительно отклоняется от закона Генри и приходится пользоваться экспериментальными данными.

Для протекания процесса необходима движущая сила:

ДР=Р г -Р ж

Р г >Р ж - абсорбция

Р г <Р ж - десорбция

Материальный баланс процессов массообмена

Рассмотрим схему движения потоков в противоточном аппарате для массообмена (рис. 16-2). В аппарат поступают фазы G (например, газ) и L (например, жидкость). Пусть расход носителя в фазе G составляет G кг/сек, а в фазе L равен L кг\сек. Содержание распределяемого компонента, выраженное в виде относительных весовых составов, в фазе G обозначим через У, в фазе L -- через X.

Предположим, что распределяемый компонент переходит из фазы G в фазу L (например, абсорбируется из газовой смеси жидкостью), причем содержание этого компонента в фазе G уменьшается от Y 1 (на входе в аппарат) до У 2 (на выходе из аппарата). Соответственно содержание этого же компонента в фазе L увеличивается от Х 2 (при входе в аппарат) до Xi (на выходе из аппарата).

Носители не участвуют в процессе массообмена; следовательно, их количества G и L не изменяются по длине аппарата. Тогда количество компонента, перешедшего из фазы G, составит:

М = О Y x - О У 2 = О (Y x -- Y 2) кг/сек

и количество компонента, перешедшего в фазу L:

M=LX X -- LX 2 = L {Х х -- Х 2) кг/сек

Оба эти количества равны, поэтому можно записать уравнение материального баланса в следующем виде:

y 1 -y 2 =l(x 2 -x 1)

y= f(x) - уравнение рабочей линии

Уравнение рабочей линии представляет собой прямолинейную зависимость

y=a+bx, где, а=y 1 -lx 2 , a=y 2 -lx 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет расхода поглотителя

Степень очистки (извлечения) - это отношение количества фактически поглощенного компонента к количеству поглощенного при полном извлечении.

Степень извлечения

Размещено на http://www.allbest.ru/

При уменьшении угла наклона рабочей линии уменьшается расход поглотителя.

Минимальный расход поглотителя соответствует линии ВА"".

На практике расход поглотителя принимается на 10-20% больше. Тогда:

Где Z - коэффициент избытка поглотителя, Z = 1,1-1,2

Механизм и скорость процесса абсорбции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Согласно пленочной теории, сопротивление процессу массопередачи сводится к сопротивлению очень тонких слоев на границе раздела фаз. Тогда скорость процесса массопередачи имеет вид:

R - сопротивление процессу массопередачи

При массопередаче в газовой фазе скорость процесса равна:

r - сопротивление газовой пленки, или:

в г = - коэффициент массоотдачи в газовой фазе

Скорость массопереноса для жидкой фазы:

в ж = - коэффициент массоотдачи в жидкой фазе.

В условиях равновесия у* = mx. Следовательно, х=

На границе раздела фаз: у гр = mx гр. Следовательно, x гр =

Тогда для жидкой фазы:

Суммарный массоперенос через обе фазы:

Уравнение скорости массопередачи

Коэффициент массопередачи

Расчет в г и в ж представляет собой сложный и длительный процесс.

Средняя движущая сила и методы расчета процессов массопередачи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Средняя движущая сила процесса изменяется по высоте аппарата, поэтому в расчетные формулы подставляется величина средней движущей силы.

Средняя логарифмическая движущая сила

Если, то формулу можно упростить:

Однако, часто средняя логарифмическая движущая сила не отражает процессов, происходящих в аппарате, так как, например, линия равновесия не всегда является прямой.

Число единиц переноса

Обозначим рабочую высоту аппарата через Н. Площадь поперечного сечения - S. Удельная поверхность соприкосновения фаз в единице объема аппарата f, м 2 /м 3 . Тогда V раб. пов-ти аппарата:

Поверхность соприкосновения фаз:

Подставляя значение f в уравнение массопередачи получим:

Приравнивая выражение к уравнению материального баланса:

Откуда рабочая высота аппарата:

Множитель представляет собой изменение рабочей концентрации на единицу движущей силы и называется числом единиц переноса.

Одна единица переноса (n=1) соответствует участку аппарата, на котором изменение рабочей концентрации равно средней движущей силе на данном участке.

Множитель представляет собой высоту участка, соответствующую одной единице переноса, и называется высотой единицы переноса:

Тогда высота аппарата: H=n

Тепловая сушка, или просто сушка, представляет собой процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых и пастообразных материалов и проводится двумя основными способами:

путем непосредственного соприкосновения сушильного агента (нагретого воздуха, топочных газов) с высушиваемым материалом -- конвективная сушка;

путем нагревания высушиваемого материала тем или иным теплоносителем через стенку, проводящую тепло, -- кон тактная сушка.

Специальная сушка производится путем нагревания высушиваемых материалов токами высокой частоты (диэлектрическая сушка) и инфракрасными лучами (радиационная сушка).

В особых случаях применяется сушка некоторых продуктов в замороженном состоянии при глубоком вакууме -- сушка возгонкой или сублимацией.

Свойства влажного газа (воздуха)

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяных паров. В ненасыщенном воздухе влага находится в состоянии перегретого пара, поэтому свойства влажного воздуха с некоторым приближением характеризуются законами идеальных газов.

Количество водяных паров, содержащихся в 1 м 3 влажного воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха. Водяной пар занимает весь объем смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна массе 1 м г водяного пара, или плотности пара с в кг/м 3 .

При достаточном охлаждении или увлажнении воздуха находящийся в нем водяной пар становится насыщенным. С этого момента дальнейшее понижение температуры воздуха или увеличение содержания влаги в нем приводит к конденсации из воздуха избыточного количества водяных паров. Поэтому количество пара, содержащегося в насыщенном воздухе, является предельно возможным при данной температуре. Оно равно массе 1 м 3 пара в состоянии насыщения, или плотности насыщенного пара с н в кг/м 3 . Отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству пара в 1 м 3 воздуха, при той же температуре и данном барометрическом давлении, характеризует степень насыщения воздуха влагой и называется относительной влажность воздуха. Относительную влажность можно выразить отношением давлений:

При сушке меняются объем воздуха над влажным материалом и абсолютная влажность воздуха, так как он отдает тепло, необходимое для испарения влаги, и охлаждается, поглощая влагу, испаренную из материала. Поэтому влажность воздуха относят к величине, постоянной в процессе сушки, -- к массе абсолютно сухого воздуха, находящегося во влажном воздухе.

Количество водяного пара в кг, приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха и обозначается х. Величина х характеризует относительный весовой состав влажного воздуха.

Порциальное давление пара: Р вл =

Влажный воздух, как теплоноситель, характеризуется энтальпией (теплосодержанием), равной сумме энтальпии сухого воздуха и водяного пара:

і вл.в = , где

с с. в. -- удельная теплоемкость сухого воздуха, дж/кг- град;, t -- температура воздуха, °С; i n -- энтальпия перегретого пара, дж/кг.

Диаграмма, на которой определены параметры влажного и сухого воздуха, как правило называется диаграммой Рамзина (энтальпия-влагосодержание).

Материальный и тепловой балансы сушки

Материальный баланс

Пусть количество влажного материала, поступающего в сушилку, равно G 1 кг/сек, а его влажность w 1 (вес. долей). В результате сушки получается G 2 кг/сек высушенного материала (влажностью w 2 вес. долей) и W кг/сек испаренной влаги.

Тогда материальный баланс по всему количеству вещества выразится равенством:

Баланс по абсолютно сухому веществу, количество которого не меняется в процессе сушки:

G 1 (1-w 1) = G 2 (1-w 2)

Из этих уравнений определяют количества высушенного материала G 2 и испаренной влаги W.

W= G 1 -G 2 =G 1 - G 1 = G 1 (1-)= G 1 ()=G 1 ()

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Обзор механических процессов химической технологии: сортирования, измельчения, прессования, дозирования. Особенности процесса и способов перемешивания. Виды смеси. Строение и использование лопастных, листовых, пропеллерных, турбинных, специальных мешалок.

курсовая работа , добавлен 09.01.2013


Общая классификация основных процессов химической технологии. Общие сведения о гидравлике, течение идеальных жидкостей. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера и Бернулли. Ламинарное и турбулентное движение жидкости. Уравнение сплошности потока.

презентация , добавлен 29.09.2013


Изучение законов науки о процессах пищевых производств. Рассмотрение механических, гидромеханических и массообменных процессов на примере работы оборудования для переработки зерна, смесителя жидких продуктов и сушки в сушилках. Решение основных задач.

контрольная работа , добавлен 05.07.2014


Схема действия процессов химической завивки на волосы. Изменение структуры волоса во время химической завивки. Действие дополнительных препаратов для улучшения качества химической завивки. Группы средств для химической завивки и их характеристика.

презентация , добавлен 27.03.2013


Понятие химической технологии и нефтехимии. Циклонные пылеуловители как инструмента обеспечения технологического процесса. Принципы действия, формулы для расчета характеристик установки. Конструкция и эффективность ее работы, достоинства и недостатки.

презентация , добавлен 10.09.2014


Принципы управления производством. Определение управляющей системы. Типовые схемы контроля, регулирования, сигнализации. Разработка функциональных схем автоматизации производства. Автоматизация гидромеханических, тепловых, массообменных процессов.

учебное пособие , добавлен 09.04.2009


Изучение закономерностей развития и основ стандартизации технологии. Рассмотрение особенностей технологических процессов в химической, металлургической сферах, машиностроении и строительстве. Анализ прогрессивных технологий информатизации производства.

курс лекций , добавлен 17.03.2010


Сушка - технологический процесс, используемый в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Основные виды сушки. Распылительная сублимационная сушка. Эффективность применения вакуума при сушке сублимацией. Определение эвтектических температур.

курсовая работа , добавлен 23.02.2011


Химико-технологические процессы, в которых основную роль играет перенос вещества из одной фазы в другую (массообменные). Разность химических потенциалов как движущая сила массообменных процессов. Использование массообменных процессов в промышленности.

презентация , добавлен 10.08.2013


Переработка сырьевых материалов и получение продуктов, которые сопровождаются изменением химического состава веществ. Предмет и основные задачи химической технологии. Переработка углеводородов, устройство коксовой печи. Нагрузка печей угольной шихтой.

Введение

Механические процессы химической технологии

Процессы перемешивания

1 Основные характеристики процесса перемешивания

3 Способы перемешивания

Перемешивающие устройства

1 Лопастные мешалки

2 Листовые мешалки

3 Пропеллерные мешалки

4 Турбинные мешалки

5 Специальные мешалки

6 Выбор мешалки

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

Любая технология, в том числе и химическая, - это наука о методах переработки сырья в готовую продукцию. Методы переработки должны быть экономически и экологически выгодными и обоснованными.

Химическая технология возникла в конце 18 века и почти до 30-х годов 20 века состояла из описания отдельных химических производств, их основного оборудования, материальных и энергетических балансов. По мере развития химической промышленности и возрастания числа химических производств возникла необходимость изучения и установления общих закономерностей построения оптимальных химико-технологических процессов, их промышленной реализации и рациональной эксплуатации. В химической технологии необходимо четко выделять потоки веществ, с которыми происходит трансформация, сначала от сырья, затем постадийно образующимися промежуточными продуктами до получения конечного целевого продукта.

Основная задача химической технологии - сочетание в единой технологической системе разнообразных химически превращений с физико-химическими и механическими процессами: измельчением и сортировкой твёрдых материалов, образованием и разделением гетерогенных систем, массообменном и теплообменом, фазовыми превращениями, и т.д.

Механические процессы занимают одно из главных мест на производстве, так как участвуют на каждой его стадии. В данной работе особое место отведено самому распространенному процессу - механическому перемешиванию. В зависимости от условий проведения процесса на производстве применяют емкости и аппараты с перемешивающими устройствами (мешалками) различных конструкций.

Главными целями работы являются подробное изучение основных механических процессов, перемешивающих устройств, их эксплуатация и технологическое назначение.

1. Механические процессы химической технологии

К механическим относят процессы, основу которых составляет механическое воздействие на продукт, а именно:

Сортирование.

Различают два вида разделения продукта: сортирование ни качеству в зависимости от органолептических свойств (цвет, состояние поверхности, консистенция) и разделение по величине на отдельные фракции (сортирование по крупицам и форме).

В первом случае операцию производят путем органолептического осмотра продуктов, во втором - путем просеивания.

Сортирование путем просеивания применяют для удаления посторонних примесей. При просеивании через отверстия проходят частицы продукта, размеры которых меньше отверстий сит (проход), а на сите в виде отходов остаются частицы с размерами, превышающими размеры отверстий сит.

Для просеивания применяют: металлические сита со штампованными отверстиями; проволочные из круглой металлической проволоки, а также сита из шелковых, капроновых нитей и других материалов.

Сита из шелка обладают высокой гигроскопичностью и имеют сравнительно быструю изнашиваемость. Капроновые малочувствительны к изменению температуры, относительной влажности воздуха и просеиваемых продуктов; прочность капроновых нитей выше шелковых.

Измельчение.

Измельчением называют процесс механического деления обрабатываемого продукта на части с целью лучшего его технологического использования. В зависимости от вида сырья и его структурно-механических свойств используют в основном два способа измельчения: дробление и резание. Дроблению подвергают продукты с незначительной влажностью, резанию - продукты, обладающие высокой влажностью.

Дробление с целью получения крупного, среднего и мелкого измельчения производят на размолочных машинах, тонкое и коллоидное - на специальных кавитационных и коллоидных мельницах.

В процессе резания осуществляют разделение продукта па части определенной или произвольной формы (куски, пласты, кубики, брусочки и др.), а также приготовление мелкоизмельченных видов продуктов.

Для измельчения твердых продуктов, обладающих высокой механической прочностью применяют ленточные и дисковые пилы, куттеры.

Прессование.

Процессы прессования продуктов применяют в основном для разделения их на две фракции: жидкую и плотную. В процессе прессования разрушается структура продукта. Осуществляют прессование с помощью шнековых прессов непрерывного действия (экстракторы различных конструкций).

Перемешивание.

Перемешивание способствует интенсификации тепловых биохимических и химических процессов вследствие увеличения поверхностного взаимодействия между частицами смеси. От продолжительности перемешивания смесей зависят их консистенция и физические свойства.

Дозирование и формирование.

Производство продукции предприятий и ее отпуск осуществляются в соответствии с ГОСТами или ТУ или внутренними технологическими каратами и сборниками рецептур, с нормами закладки сырья и выхода готовой продукции (масса, объем). В связи с этим существенное значение имеют процессы деления продукта на порции (дозирование) и придания им определенной формы (формование). Процессы дозирования и формования осуществляются вручную или с помощью машин в зависимости от производства.

2. Процессы перемешивания

.1 Основные характеристики

Перемешивание - один из самых распространенных процессов на предприятиях пищевой и химической промышленности. При перемешивании частицы жидкости или сыпучего материала многократно перемещаются в объеме аппарата или емкости друг относительно друга под действием импульса, который передается перемешиваемой среде от механической мешалки или струи жидкости, газа или пара

Цели перемешивания:

ускорение течения химических реакций или процессов;

обеспечение равномерного распределения твердых частиц в жидкости;

обеспечение равномерного распределения жидкости в жидкости;

интенсификация нагревания или охлаждения;

обеспечение стабильной температуры по всей жидкости.

Существует много конструкций перемешивающих устройств, но наиболее распространены механические мешалки с вращательным движением перемешивающих органов. Наряду с этим осуществляется перемешивание газом или паром, перемешивание циркуляцией жидкости, вибрационное или пульсационное перемешивание.

Каждый из перечисленных типов перемешивающих устройств имеет свои специфические преимущества и недостатки и определенную область применения.

При подборе перемешивающего устройства или способа перемешивания используются следующие основные понятия:

Степень перемешивания или степень взаимного распределения двух или более веществ или жидкостей после окончания перемешивания всей системы. Степень перемешивания, иногда называемая показателем однородности, определяется опытным путем на основании взятых проб и используется для определения эффективности перемешивания.

Интенсивность перемешивания, выражаемая с помощью определенных величин, таких как частота вращения мешалки, расходуемая на перемешивание мощность, приведенная к единице объема или плотности продукта. На практике интенсивность перемешивания определяется временем достижения конкретного технологического результата, т.е. равномерности перемешивания.

Эффективность перемешивания, определяемая возможностью достижения требуемого качества перемешивания за кратчайшее время и с минимальными затратами энергии. Таким образом, из двух аппаратов с мешалками более эффективно работает тот, в котором результат достигается с наименьшими затратами энергии.

2.2 Смеси

Любое сырье и промежуточные продукты представляют собой определенные технические продукты, которые подвергаются переработке: разделение на чистые вещества или наоборот, добавление к ним других компонентов для создания новых смесей.

Смеси веществ делятся на гомогенные (однородные) и гетерогенные (неоднородные). В таблице-1 представлены примеры различных смесей.

Агрегатное состояние составных частей (до образования смеси)Гомогенная смесь (гомогенная система)Гетерогенная смесь (гетерогенная система)Твёрдое - твёрдоеТвёрдые растворы, сплавы (например латунь, бронза)Горные породы (например гранит, минералосодержащие руды и др.)Жидкое - жидкоеЖидкие растворы (например, уксус - раствор уксусной кислоты в воде) Двух- и многослойные жидкие системы, эмульсии (например, молоко - капли жидкого жира в воде)Агрегатное состояние составных частей (до образования смеси)Гомогенная смесь (гомогенная система)Гетерогенная смесь (гетерогенная система) Твёрдое - жидкоеЖидкие растворы (например, водные растворы солей)Твёрдое в жидком - суспензии или взвеси (например, частицы глины в воде, коллоидные растворы) Жидкое в твёрдом - жидкость в пористых телах (например, почвы, грунты)Твёрдое - газообразноеХемосорбированный водород в платине, палладии, сталяхТвёрдое в газообразном - порошки, аэрозоли, в том числе дым, пыль, смог Газообразное в твёрдом - пористые материалы (например, кирпич, пемза)Жидкое - твёрдоеТвёрдые жидкости (например, стекло - твёрдое, но всё же жидкость)Может принимать разную форму и фиксировать её (например, посуда - разной формы и цвета)Жидкое - газообразноеЖидкие растворы (например, раствор диоксида углерода в воде)Жидкое в газообразном - аэрозоли жидкости в газе, в том числе туманы Газообразное в жидком - пены (например, мыльная пена)Газообразное - газообразноеГазовые растворы (смеси любых количеств и любого числа газов), напр. воздух.Гетерогенная система невозможна

В гомогенных смесях составные части нельзя обнаружить ни визуально, ни с помощью оптических приборов, поскольку вещества находятся в раздробленном состоянии на микроуровне. Гомогенными смесями являются смеси любых газов и истинные растворы, а также смеси некоторых жидкостей и твёрдых веществ, например сплавы.

В гетерогенных смесях либо визуально, либо с помощью оптических приборов можно различить области (агрегаты) разных веществ, разграниченные поверхностью раздела; каждая из этих областей внутри себя гомогенна. Такие области называются фазой.

Гомогенная смесь состоит из одной фазы, гетерогенная смесь состоит из двух или большего числа фаз. Гетерогенные смеси, в которых одна фаза в виде отдельных частиц распределена в другой, называются дисперсными системами. В таких системах различают дисперсионную среду (распределяющую среду) и дисперсную фазу (раздробленное в дисперсионной среде вещество).

Необходимо различать смеси и сложные вещества. Смеси в отличие от сложных веществ:

образуются с помощью физического процесса-смешивания чистых веществ;

свойства чистых веществ, из которых составлена смесь, остаются неизменными;

чистые вещества (простые и сложные) могут находиться в смеси в любом массовом соотношении.

Смеси образуются в результате смешения различных компонентов. Смешение является одним из наиболее распространенных процессов химической технологии и смежных с ней отраслей промышленности. Смешение может протекать:

под действием внешних сил, создаваемых рабочими органами смесительных машин;

в результате действия обоих факторов.

Смешение и перемешивание являются словами синонимами. Принято для твердых сыпучих и пастообразных материалов применять термин смешение. Для жидких сред и газообразных веществ используют термин перемешивание.

При смешении распределение частиц отдельных компонентов в смешиваемой среде случайно и происходит под действием множества сил, например сил тяжести, инерционных и различных гидродинамических и механических сил. При этом одновременно может происходить их дистанцирование и сегрегация, распределение в объеме и седиментация.

При перемешивании стремятся достигнуть совершенного взаимного распределения частиц. Совершенным, или полным, называют такое перемешивание, в результате которого бесконечно малые пробы смеси, отобранные в любом месте перемешиваемой системы, будут иметь одинаковый состав или одинаковую температуру. Поскольку достичь такого состояния не представляется возможным, на практике для качественной характеристики процесса смешения используют различные критерии качества смеси.

Готовые смеси чаще всего представлены растворами, эмульсиями, суспензиями, пастами, зернистыми композициями, газожидкостными смесями.

Растворы - гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другой растворимым веществом, это также система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия.

Эмульсии - дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой и жидкой (реже газовой) дисперсной фазой.

Суспензии - грубодисперсные системы с твёрдой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой.

Зернистые смеси - смеси, состоящие из большого количества зернистых частиц.

Газожидкостные смеси - многофазные дисперсные системы, физико-химические свойства которых зависят от объемного соотношения жидкой и газообразной фаз в смеси.

2.3 Способы перемешивания

Способы перемешивания в зависимости от физического состояния перемешиваемых компонентов.

1.Циркуляционное и поточное перемешивание.

При транспортировании жидкости по данным трубам с большой скоростью происходит интенсивное перемешивание - турбулизация потока. Поэтому для перемешивания жидкостей, содержащихся в аппарате, достаточно поставить рядом с аппаратом циркуляционный насос, который в течение некоторого времени будет перекачивать жидкость. Такое перемешивание называют циркуляционным. Эффективность перемешивания значительно возрастает, если жидкость в аппарате распыляется или вводится тангенциально. Интенсивность циркуляционного перемешивания зависит от расхода жидкости в циркуляционном насосе и объёма самого аппарата. Для смешивания чистых жидкостей, например, спирта-сырца и воды при ректификации спирта, используют струйные насосы. При этом перемешивание происходит в потоке и называется поточным. Для перемешивания невязких жидкостей в трубопроводах устраивают смесители, рабочий орган которых выполнен из последовательно установленных разно закрученных шнеков или турбинок. Поточное перемешивание осуществляется за счёт кинетической энергии потоков. Эти же устройства можно использовать для перемешивания жидкостей и газов.

В бродильных производствах применяют полочные смесители. На полках смешивается патока и вода. При этом холодная и горячая вода подаётся на разные полки по зонам, что позволяет поддерживать заданную температуру.

2.Гравитационное перемешивание

В подготовительных цехах химических производств часто требуется составить смесь из нескольких сухих сыпучих компонентов. При этом твердый сыпучий материал поднимается на определенную высоту и опускается под действием сил тяжести, описывая более или менее сложные траектории, перемешиваясь при этом. Наиболее распространены для этих целей шнековые смесители, рабочим органом которых является один или несколько шнеков. Хорошее перемешивание сыпучих материалов достигается во вращающихся барабанах. Ось вращения барабана наклонена к горизонту, и это обеспечивает перемещение материала не только в вертикальной плоскости, но и вдоль оси барабана. Барабаны вращаются, как правило, с малой частотой (5…10 об/мин). Для увеличения высоты подъёма материала на внутренней поверхности барабана устраивают специальные лопатки. Процессы перемешивания сыпучих материалов можно интенсифицировать, применяя механические вибрации, сопровождающие перемешивание шнеками, или вращающимися на валу лопатками. Такие устройства называют вибросмесителями.

3.Механическое перемешивание.

Механическое перемешивание является самым распространенным способом перемешивания в жидких средах. Оно производится при помощи специальных устройств - пропеллерных, лопастных, турбинных, якорных и рамных мешалок. Как правило, технические жидкости имеют различные характеристики, поэтому и механизмы для перемешивания отличаются по своим характеристикам и рабочим параметрам.

Пневматическое перемешивание

Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом используют, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки. Перемешивание сжатым газом является малоинтенсивным процессом. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Пневматическое перемешивание не применяют для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта. Перемешивание воздухом может сопровождаться окислением или осмолением веществ. Перемешивание сжатым газом проводят в аппаратах, снабженных специальными устройствами - барботером или центральной циркуляционной трубой. Барботер представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости. При циркуляционном (эрлифтном) перемешивании газ подают в циркуляционную трубу. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости.

Электромагнитное перемешивание

Данный тип перемешивания может быть использован в способах интенсификации технологических процессов в жидких металлах. Согласно предлагаемому способу перемешивание электропроводных расплавов в миксерах, печах осуществляют одновременным воздействием бегущего электромагнитного поля и одного или нескольких пульсирующих электромагнитных полей, расположенных в зоне бегущего поля, действующих по всей высоте столба расплава с боковой стороны миксера. Воздействующие на расплав поля создают его движение в одну или попеременно в одну и другую стороны на протяжении всего времени перемешивания в плоскости, параллельной боковой стороне миксера или печи. Посредством варьирования интенсивности пульсирующих электромагнитных полей на входе и выходе бегущего электромагнитного поля, можно изменять траекторию движения электропроводного расплава в процессе перемешивания. Электромагнитное перемешивание в открытых либо закрытых стеклянных сосудах осуществляют часто с помощью электромагнитных мешалок. Принцип функционирования этих мешалок основан на том, что укрепленный на оси вертикально расположенного мотора электромагнит при вращении с частотой до 24с-1 приводит в движение якорь из мягкого железа. Последний помещают в графитовую, стеклянную или полимерную ампулу, которую запаивают и помещают на дно аппарата. Электромагнитные мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (при гидрировании, электролизе, титровании и т.д.), при работе в глубоком вакууме и др. При необходимости изолировать реакционную смесь от действия воды и воздуха, а также для предотвращения утечки летучих веществ мешалки герметизируют резиновыми или корковыми пробками, жидкостными затворами (ртутными или глицериновыми), цилиндрическими стеклянными шлифами.

Недостатками данного способа являются:

) низкая эффективность перемешивания расплава в "мертвой зоне" между входом и выходом канала и в углах миксера, печи;

) устройства, реализующие способ, в частности тонкостенный канал или металлопрокат, имеют низкую надежность при воздействии на них высокотемпературных металлических расплавов.

Способы перемешивания в зависимости от организации самого процесса.

При периодическом перемешивании все отдельные стадии процесса протекают последовательно, в разное время. Характер изменения концентраций реагирующих веществ одинаков во всех точках реакционного объема, но различен по времени для одной и той же точки объема. В таком процессе продолжительность реакции можно измерить непосредственно, так как время реакции и время пребывания реагентов в реакционном объеме одинаковы. Параметры процесса изменяются во времени.

При непрерывном перемешивании все отдельные стадии процесса биохимического превращения вещества (подача реагирующих веществ, биохимические реакции, вывод конечного продукта) осуществляются параллельно, одновременно. Характер изменения концентраций реагирующих веществ в реакционном объеме различен в каждый момент времени в разных точках объема аппарата, но постоянен во времени для одной и той же точки объема. Параметры процесса постоянны во времени.

При полунепрерывном перемешивании один из реагентов поступает непрерывно, а другой - периодически. Возможны варианты, когда реагенты поступают периодически, а продукты реакции выгружаются непрерывно. Данный способ применяется, когда изменение скорости подачи реагентов позволяет регулировать скорость процесса.

сортирование смесь перемешивание мешалка

3. Перемешивающие устройства

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: собственно мешалки, вала и привода. Мешалка является рабочим элементом устройства, закрепляемым на вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. Привод может быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для быстроходных мешалок), либо через редуктор или клиноременную передачу. По устройству лопастей различают мешалки лопастные, листовые, пропеллерные, турбинные и специальные. По типу создаваемого мешалкой потока жидкости в аппарате различают мешалки, обеспечивающие преимущественно тангенциальное, радиальное и осевое течения. При тангенциальном течении жидкость в аппарате движется преимущественно по концентрическим окружностям, параллельным плоскости вращения мешалки. Перемешивание происходит за счет вихрей, возникающих на кромках мешалки. Качество перемешивания будет наихудшим, когда скорость вращения жидкости равна скорости вращения мешалки.

Радиальное течение характеризуется направленным движением жидкости от мешалки к стенкам аппарата перпендикулярно оси вращения мешалки. Осевое течение жидкости направлено параллельно оси вращения мешалки определяют области их применения.

При высоких скоростях вращения мешалок перемешиваемая жидкость вовлекается в круговое движение и вокруг вала образуется воронка, глубина которой увеличивается с возрастанием числа оборотов и уменьшением плотности и вязкости среды. Для предотвращения образования воронки в аппарате помещают отражательные перегородки, которые, кроме того, способствуют возникновению вихрей и увеличению турбулентности системы. Образование воронки можно предотвратить и при полном заполнении жидкостью аппарата, т. е. при отсутствии воздушной прослойки между перемешиваемой жидкостью и крышкой аппарата, а также при установке вала мешалки эксцентрично к оси аппарата или применении аппарата прямоугольного сечения. Помимо этого, отражательные перегородки устанавливают во всех случаях при перемешивании в системах газ-жидкость. Применение отражательных перегородок, а также эксцентричное или наклонное расположение вала мешалки приводит к увеличению потребляемой ею мощности.

3.1 Лопастные мешалки

Лопастными мешалками называются устройства, состоящие из двух или большего числа лопастей прямоугольного сечения, закрепленных на вращающемся вертикальном или наклонном валу (рис. 1). К лопастным мешалкам относятся также и некоторые мешалки специального назначения: якорные, рамные и листовые. Вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки.

Развитие турбулентности в объеме перемешиваемой жидкости происходит медленно, циркуляция жидкости невелика. Поэтому лопастные мешалки применяют для перемешивания жидкостей, вязкость которых не превышает 103 мн. сек/м 2. Эти мешалки непригодны для перемешивания в протоке, например в аппаратах непрерывного действия. Некоторое увеличение осевого потока жидкости достигается при наклоне лопастей под углом 30-45° к оси вала. Такая мешалка способна удерживать во взвешенном состоянии частицы, скорость осаждения которых невелика. С целью увеличения турбулентности среды при перемешивании лопастными мешалками в аппаратах с большим отношением высоты к диаметру используют многорядные двухлопастные мешалки с установкой на валу нескольких рядов мешалок, повернутых друг относительно друга на 90°. Расстояние между отдельными рядами выбирают в пределах (0,3-0,8d) , где d - диаметр мешалки, в зависимости от вязкости перемешиваемой среды.

Для перемешивания жидкостей вязкостью не более 104 мн. сек/м 2, а также для перемешивания в аппаратах, обогреваемых с помощью рубашки или внутренних змеевиков, в тех случаях, когда возможно выпадение осадка или загрязнение теплопередающей поверхности, применяют якорные (рис.2) или рамные (рис.3) мешалки. Они имеют форму, соответствующую внутренней форме аппарата, и диаметр, близкий к внутреннему диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки очищают стенки и дно аппарата от налипающих загрязнений.

Достоинства лопастных мешалок:

) простота устройства и дешевизна изготовления;

) вполне удовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей.

Недостатки:

) малая интенсивность перемешивания вязких жидкостей;

) непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.

Основные области применения лопастных мешалок:

) перемешивание жидкостей небольшой вязкости;

) растворение и суспендирование твердых веществ;

) грубое смешение жидкостей.

Рисунок 1 - Лопастная мешалка

Рисунок 2 - Якорная мешалка

Рисунок 3 - Рамная мешалка

3.2 Листовые мешалки

Листовые мешалки (рис.4) имеют лопасти большей ширины, чем у лопастных мешалок, и относятся к мешалкам, обеспечивающим тангенциальное течение перемешиваемой среды. Кроме чисто тангенциального потока, который является преобладающим, верхние и нижние кромки мешалки создают вихревые потоки, подобные тем, которые возникают при обтекании жидкостью плоской пластины с острыми краями. При больших скоростях вращения листовой мешалки на тангенциальный поток накладывается радиальное течение, вызванное центробежными силами. Листовые мешалки применяют для перемешивания маловязких жидкостей (вязкостью менее 50 мн. сек/м 2), интенсификации процессов теплообмена, при растворении. Для процессов растворения используют листовые мешалки с отверстиями в лопастях. При вращении такой мешалки на выходе из отверстий образуются струи, способствующие растворению твердых материалов. Основные размеры лопастных мешалок изменяются в зависимости от вязкости среды. Обычно для лопастных мешалок принимают следующие соотношения размеров: диаметр мешалки d = (0,66-0,9)D (D- внутренний диаметр аппарата), ширина лопасти мешалки b = (0,1 - 0,2)D, высота уровня жидкости в сосуде H = (0,8-1,3)D, расстояние от мешалки до дна сосуда h d 0,3D. Для листовых мешалок d = (0,3-0,5) D, b = (0,5-1,0)D, h = (0,2-0,5) D. Окружная скорость лопастных и листовых мешалок в зависимости от вязкости перемешиваемой среды может изменяться в широких пределах (от 0,5 - 5,0 сек-1), причем с увеличением вязкости и ширины лопасти скорость вращения мешалки уменьшается. При высоких скоростях вращения лопастных мешалок в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Листовые мешалки, как правило, без отражательных перегородок не применяют.

Рисунок 4 - Листовая мешалка

3.3 Пропеллерные мешалки

Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер (рис.5) - устройство с несколькими фасонными лопастями, изогнутыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение получили трехлопастные пропеллеры. На валу мешалки, который может быть расположен вертикально, горизонтально или наклонно, в зависимости от высоты слоя жидкости устанавливают один или несколько пропеллеров. Вследствие более обтекаемой формы пропеллерные мешалки при одинаковом числе Рейнольдса потребляют меньшую мощность, чем мешалки прочих типов.

Рисунок 5 - Пропеллерная мешалка

Корпус аппарата

Пропеллер

Диффузор

Рисунок 6 - Пропеллерная мешалка с диффузором:

Для улучшения перемешивания больших объемов жидкостей и организации направленного течения жидкости (при большом отношении высоты к диаметру аппарата) в сосудах устанавливают направляющий аппарат, или диффузор (рис. 6). Диффузор представляет собой короткий цилиндрический или конический стакан, внутри которого помещают мешалку. При больших скоростях вращения мешалки в отсутствие диффузора в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Пропеллерные мешалки применяют для перемешивания жидкостей вязкостью не более 2.103 мн. сек/м 2, для растворения, образования взвесей, быстрого перемешивания, образования маловязких эмульсий и гомогенизации больших объемов жидкости. Для пропеллерных мешалок принимают следующие соотношения основных размеров: диаметр мешалки d= (0,2-0,5) D, шаг винта s=(1,0- 3,0) D, расстояние от мешалки до дна сосуда h=(0,5-1,0) d, высота уровня жидкости в сосуде Н=(0,8-1,2)D. Число оборотов пропеллерных мешалок достигает 40 в секунду, окружная скорость - 15 м/сек.

Достоинства пропеллерных мешалок:

) интенсивное перемешивание;

) умеренный расход энергии, даже при значительном числе оборотов;

) невысокая стоимость.

Недостатки:

) малая эффективность перемешивания вязких жидкостей;

) ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости.

Пропеллерные мешалки применяются главным образом для следующих, целей:

) интенсивное перемешивание маловязких жидкостей;

) приготовление суспензий и эмульсий;

) взмучивание осадков, содержащих до 10% твердой фазы, состоящей из частиц размером до 0,15 мм.

3.4 Турбинные мешалки

Эти мешалки имеют форму колес водяных турбин с плоскими, наклонными или криволинейными лопатками, укрепленными, как правило, на вертикальном валу (рис. 7). В аппаратах с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные потоки жидкости. При работе турбинных мешалок с большим числом оборотов наряду с радиальным потоком возможно возникновение тангенциального (кругового) течения содержимого аппарата и образование воронки. В этом случае в аппарате устанавливают отражательные перегородки. Закрытые турбинные мешалки (рис. 7) в отличие от открытых (рис. 7 а, б, в) создают более четко выраженный радиальный поток. Закрытые мешалки имеют два диска с отверстиями в центре для прохода жидкости; диски сверху и снизу привариваются к плоским лопастям. Жидкость поступает в мешалку параллельно оси вала, выбрасывается мешалкой в радиальном направлении и достигает наиболее удаленных точек аппарата. Турбинные мешалки обеспечивают интенсивное перемешивание во всем объеме аппарата. При больших значениях отношения высоты к диаметру аппарата применяют многорядные турбинные мешалки. Мощность, потребляемая турбинными мешалками, работающими в аппаратах с отражательными перегородками, при турбулентном режиме перемешивания практически не зависит от вязкости среды. Поэтому мешалки этого типа могут применяться для смесей, вязкость которых во время перемешивания изменяется.

Турбинные мешалки широко применяют для образования взвесей (размер частиц для закрытых мешалок может достигать 25 мм.), растворения, абсорбции газов и интенсификации теплообмена. Для перемешивания в больших объемах (например, при гомогенизации жидкостей в хранилищах, объем которых достигает 2500 м3 и более) турбинные мешалки менее пригодны, чем пропеллерные мешалки или сопла. В зависимости от области применения турбинные мешалки обычно имеют диаметр d = (0,15-0,65) D при отношении высоты уровня жидкости к диаметру аппарата не более двух. При больших значениях этого отношения используют многорядные мешалки. Число оборотов мешалки колеблется в пределах 2-5 в секунду, а окружная скорость составляет 3-8 м/сек.

а - открытая с прямыми лопатками

б - открытая криволинейными лопатками

в - открытая с наклонными лопатками

г - закрытая с направляющим аппаратом

Турбинная мешалка

Направляющий аппарат

Рисунок 7 - Турбинная мешалка

Достоинства турбинных мешалок:

) быстрота перемешивания и растворения;

) эффективное перемешивание вязких жидкостей;

) пригодность для непрерывных процессов.

Недостатком турбинных мешалок является сравнительная сложность и высокая стоимость изготовления. Области применения турбинных мешалок:

) интенсивное перемешивание и смешивание жидкостей различной вязкости, которая может изменяться в широких пределах (мешалки открытого типа до 105 спз., мешалки закрытого типа до 5 * 105 спз);

) тонкое диспергирование и быстрое растворение;

) взмучивание осадков в жидкостях, содержащих 60% и более твердой фазы (для открытых мешалок - до 60%); допустимые размеры твердых частиц: до 1,5 мм для открытых мешалок, до 25 мм для закрытых мешалок.

3.5 Специальные мешалки

К этой группе относятся мешалки, имеющие более ограниченное применение, чем мешалки рассмотренных выше типов.

Барабанные мешалки (рис. 8) состоят из двух цилиндрических колец, соединенных между собой вертикальными лопастями прямоугольного сечения. Высота мешалки составляет 1,5-1,6 ее диаметра. Мешалки этой конструкции создают значительный осевой поток и применяются (при отношении высоты столба жидкости в аппарате к диаметру барабана не менее 10) для проведения газожидкостных реакций, получения эмульсий и взмучивания осадков.

Рисунок 8 - Барабанная мешалка.

Дисковые мешалки (рис.9) представляют собой один или несколько гладких дисков, вращающихся с большой скоростью на вертикальном валу. Течение жидкости в аппарате происходит в тангенциальном направлении за счет трения жидкости о диск, причем сужающиеся диски создают также осевой поток. Иногда края диска делают зубчатыми. Диаметр диска составляет 0,1-0,15 диаметра аппарата. Окружная скорость равна 35 м/сек, что при небольших размерах диска соответствует очень высоким числам оборотов. Потребление энергии колеблется от 0,5 кВт для маловязких сред до 20 кВт для вязких смесей. Дисковые мешалки применяются для перемешивания жидкостей в объемах до 4 м3.

Рисунок 9 - Дисковая мешалка

Вибрационные мешалки имеют вал с закрепленными на нем одним или несколькими перфорированными дисками (рис. 10). Диски совершают возвратно-поступательное движение, при котором достигается интенсивное перемешивание содержимого аппарата. Энергия, потребляемая мешалками этого типа, невелика. Они используются для перемешивания жидких смесей и суспензий преимущественно в аппаратах, работающих под давлением. Время, необходимое для растворения, гомогенизации, диспергирования при использовании вибрационных мешалок, значительно сокращается. Поверхность жидкости при перемешивании этими мешалками остается спокойной, воронки не образуется. Вибрационные мешалки изготовляются диаметром до 300 мм и применяются в аппаратах емкостью не более 3 м3.

Рисунок 10 - Устройство дисков вибрационных мешалок

3.6 Выбор мешалки

Выбор того или иного типа мешалок определяется целевым назначением перемешивающих устройств и конкретными условиями протекания процесса. Какие-либо четкие рекомендации по этому вопросу пока не могут быть сформулированы. Поэтому при выборе того или иного типа перемешивающих устройств можно использовать ориентировочные характеристики условий целесообразного применения различных типов мешалок, приведенных в таблице 2.

Таблица 2 - Ориентировочные характеристики для выбора мешалки

Тип мешалокОбъем жидкости, перемешиваемой одной мешалкой, м3Содержание твердой фазы при суспенди ровании, %Динамическая вязкость перемешиваемой жидкости, кг/(м*с)Окружная скорость мешалки, м/сЧастота вращения мешалкиЛопастные<1,5<5< 0,011,7-5,00,3-1,35Пропеллерные<4,0<10<0,064,5-17,08,5-20,0Турбинные: - Открытые - Закрытые <10,0 <20,0 <60 60 и больше <1,00 <5,00 1,8-13,0 2,1-8,0 0,7-10,0 1,7-6,0Специальные<20,0<75< 5,006,0-30,01,7-25,0Заключение

В процессе перемешивания происходит тесное соприкосновение частиц и непрерывное обновление поверхности взаимодействия веществ. Вследствие этого при перемешивание значительно ускоряются процессы массообменная, например такие, как растворение в жидкости твердых веществ, протекание большинства химических реакций и процесс теплообмена. Перемешивание способствует процессу ускорения абсорбции, выпаривания и основных процессов химических технологий.

Перемешивание - это процесс многократного перемещения частиц неоднородной текучей среды друг относительно друга во всем объеме емкости или аппарата, происходящий за счет импульсов, среде с мешалкой, струей жидкости или газа. Перемешивание с помощью мешалки - обязательное условие успешного проведения многих самых разнообразных технологических операций. На производстве перемешивание с помощью мешалки осуществляют в целях:

а) обеспечения равномерного распределения и дробления, измельчения до заданной дисперсности (диспергирование) газа в жидкости или жидкости в жидкости, а также равномерного распределения твердых частиц в объеме жидкости;

б) интенсификации нагревания или охлаждения обрабатываемых масс в емкости или аппарате, а также обеспечения равномерного распределения температуры в перемешиваемой емкости или аппарате;

в) интенсификации массообмена в перемешиваемой среде, а также равномерного распределения растворенного вещества в перемешиваемой массе.

Таким образом, перемешивание с помощью механической мешалки оказывает решающее влияние и на скорость различных процессов химических превращений, поскольку в промышленных условиях скорость этих процессов определяется не только химической кинетикой, а в значительной мере условиями передачи теплоты и массы.

В зависимости от целей и условий проведения процесса применяют емкости и аппараты с перемешивающими устройствами различных конструкций.

Процесс перемешивания с помощью мешалки широко используется во многих отраслях промышленности в таких как химическая, лакокрасочная, энергетика, нефтяная, асфальтовая, пищевая и других для изготовления и приготовления суспензий, взвесей, растворов, реагентов и эмульсий, проведение реакций, гомогенизирование, суспендирование, растворение, смешение, взмучивание и т.п.

Список использованных источников

1.#"justify">2.#"justify">. Кафаров В.В., Дорохов И.Н., Арутюнов С.Ю., Системный анализ процессов химической технологии. М.: Химия, 1988. - 214-298 с.

. #"justify">. #"center">Приложение А

Таблица 1 - Варианты смеси веществ в разных агрегатных состояниях

Агрегатное состояние составных частей (до образования смеси)Гомогенная смесь (гомогенная система)Гетерогенная смесь (гетерогенная система)Твёрдое - твёрдоеТвёрдые растворы, сплавы (например латунь, бронза)Горные породы (например гранит, минералосодержащие руды и др.)Жидкое - жидкоеЖидкие растворы (например, уксус - раствор уксусной кислоты в воде) Двух- и многослойные жидкие системы, эмульсии (например, молоко - капли жидкого жира в воде)Твёрдое - жидкоеЖидкие растворы (например, водные растворы солей)Твёрдое в жидком - суспензии или взвеси (например, частицы глины в воде, коллоидные растворы) Жидкое в твёрдом - жидкость в пористых телах (например, почвы, грунты)Твёрдое - газообразноеХемосорбированный водород в платине, палладии, сталяхТвёрдое в газообразном - порошки, аэрозоли, в том числе дым, пыль, смог Газообразное в твёрдом - пористые материалы (например, кирпич, пемза)Жидкое - твёрдоеТвёрдые жидкости (например, стекло - твёрдое, но всё же жидкость)Может принимать разную форму и фиксировать её (например, посуда - разной формы и цвета)Жидкое - газообразноеЖидкие растворы (например, раствор диоксида углерода в воде)Жидкое в газообразном - аэрозоли жидкости в газе, в том числе туманы Газообразное в жидком - пены (например, мыльная пена)Газообразное - газообразноеГазовые растворы (смеси любых количеств и любого числа газов), напр. воздух.Гетерогенная система невозможнаПриложение Б

Пример расчета материальных потоков при смешивании растворов

Задача. Смешивают 50 мл 45 % -го раствора NaOH (r = 1,480 г/мл) и 70 мл 1,8Н раствора Na2CO3 (r = 1,180 г/мл). Рассчитать материальный поток.

Решение.

моль.

моль

моль

моль/л

моль/л

моль/кг

моль/кг

моль∙экв/л

моль∙экв/л

Наименование компонентаМасса, гn, мольω i , % χ i , %NaOH 33,3000,83321,311,8Na 2 CO 3 13,3560,1268,51,8H 2 O 109,9446,10870,286,4Итого156,6007,067100100

Материальный баланс смешивания растворов

загруженополученонаименование компонентамасса, г.наименование компонентамасса, г.техническаяв 100% исчислениятехническаяв 100% исчисленияА) Сырье, в том числе: 1) р-р NaOH H

К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и др. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты - теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение.

Теплопроводность - перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.

Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.

Конвективный перенос теплоты (конвекция) - процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газу) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом, он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвекцию. При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы - разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром). При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.

Тепловое излучение - перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы - электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.

На практике теплота чаще всего передается одновременно двумя (или даже тремя) способами, однако превалирующее значение обычно имеет какой-либо один способ передачи теплоты.

При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды - теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передача теплоты стенке нагретой средой (теплоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты от нагретой стенки в холодную среду (теплоотдача).

На практике широко применяются следующие разновидности тепловых процессов:

Процессы нагревания и охлаждения;

Процессы выпаривания, испарения, конденсации;

Процессы искусственного охлаждения;

Плавление и кристаллизация.

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах, называемых теплообменниками.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники, представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе», в которых одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая - в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубами.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективно применение со стороны газа оребренных теплообменных поверхностей (например, в радиаторах автомобилей, некоторых типах батарей водяного отопления).

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар. Для нагревания до температур более 180-200 ° С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получае-

мыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

Для охлаждения сред используют вещества, называемые хладагентами.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Однако в связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование в данном качестве воздуха. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность), поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем к воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха для увеличения коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, увеличивая поверхность теплообмена, а также распыляют в воздух воду, испарение которой понижает температуру воздуха и увеличивает за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Выпаривание - процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при его кипении. Выпаривание применяется для выделения нелетучих веществ в твердом виде, концентрирования их растворов, а также получения чистого растворителя (последнее осуществляется, например, опреснительными установками).

Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителем служит водяной пар. Движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах.

Испарение - процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева или создания иных условий для испарения.

Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В частности, в методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими (обычно - отрицательными) температурами кипения.

Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум-сушке для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, в котором они образуются, в закрытый аппарат, охлаждаемый водой или воздухом и служащий для сбора паров-конденсатов.

Процесс конденсации осуществляется в конденсаторах смешения или поверхностных конденсаторах.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента, и если он представляет ценность, используют.

Процессы искусственного охлаждения применяют при некоторых процессах абсорбции, при кристаллизации, разделении газов, сублимационной сушке, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях. Так, используя глубокое охлаждение, путем частичного или полного сжижения разделяют газовые смеси для получения многих технологически важных газов (например, азот, кислород и др.).

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, что требует затрат энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода. Оно достигается следующими основными методами:

Испарением низкокилящих жидкостей. При испарении такие жидкости, имеющие обычно отрицательные температуры кипения, охлаждаются до температуры кипения;

Расширением газов дросселированием, путем пропускания их через устройство, вызывающее сужение потока (шайбу с отверстием, вентиль) с последующим его расширением. Энергия, необходимая для расширения газа (для преодоления сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет потока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа;

Расширением газа в детандере - машине, устроенной подобно поршневому или турбокомпрессору, - газовом двигателе, который одновременно совершает внешнюю работу (перекачивает жидкости, нагнетает газы). Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом с окружающей средой. При этом совершаемая газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.

Плавление используется для подготовки полимеров к формованию (прессованию, литью под давлением, экструзии и т.д.), металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и выполнения многих других технологических процессов.

Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта.

В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии (индукционный, высокочастотный нагрев и т.д.), сжатием.

Кристаллизация - процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Это процесс, обратный плавлению. Таким образом, тепловой эффект кристаллизации равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления. Каждому химическому соединению соответствует одна, а чаще несколько кристаллических форм, отличающихся положением и числом осей симметрии (металлы, сплавы металлов). Это явление носит название полиморфизма (аллотропии).

Обычно кристаллизацию осуществляют из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Использование данного способа характерно для производства минеральных удобрений, солей, получения ряда полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, так как испарение из растворов идет при постоянной температуре.

Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом. Из кристаллизующихся материалов (металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе) получают разнообразные изделия методами прессования, литья, экструзии и т.д.

4.2.4. Массообменные процессы

В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи. Они характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Подобно теплопередаче, массопередача - сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, через поверхность (границу) раздела фаз и в пределах другой фазы. Эта граница может быть подвижной (массопередача в системах «газ - жидкость», «пар - жидкость», «жидкость - жидкость») либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

Для массообменных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

На практике используются следующие виды процессов массо-передачи: абсорбция, перегонка, адсорбция, сушка, экстракция.

Абсорбция - процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорб-тив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. Па этом ее свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или очистки этих смесей от вредных веществ, примесей: абсорбция SO 3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция NH 3 . паров С 6 Н 6 , H 2 S и других компонентов из коксового газа; очистка топочных газов от SO 2 ; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.д.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопе-редачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому такие аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В ре-

зультате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.

Различают два вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

Дистилляция - процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.

Ректификация - процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном (на специальных перегородках (тарелках) или непрерывном контакте фаз (в объеме аппарата).

Процессы перегонки широко применяются в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет важное значение в производствах органического синтеза полимеров, полупроводников и т.д., в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Адсорбция - процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсор-батом, или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров (например, при очистке аммиака перед контактным окислением, осушке природного газа, выделении и очистке мономеров в производствах синтетического каучука, пластмасс и т.д.).

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсор-бата и адсорбента. При химической адсорбции, или хемо-сорбции, возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.

В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью нор, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты). Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание - тепловой сушкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. При этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

конвективная - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

контактная - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

радиационная - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

диэлектрическая - путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала;

сублимационная - сушка, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние, при глубоком вакууме и низких температурах. Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: 1) снижение давления в сушильной камере, при котором происходят быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом; 2) удаление основной части влаги сублимацией; 3) удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

При любом методе высушиваемый материал находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом.

Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера и толщины материала, внешних факторов и т.д.

Экстракция - процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии исходной смеси с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные.

Процессы экстракции в системах «жидкость-жидкость» находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д.

Экстракция в системах «жидкость-жидкость» представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).

Для повышения скорости процесса исходный раствор и эк-страгент приводят в тесный контакт перемешиванием, распылением и т.д. В результате взаимодействия фаз получаются экстракт - раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафи-нат - остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими гидромеханическими

способами, после чего производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

Основное достоинство процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделения жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) - низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной.