Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Цель: воспитание любви к Родине, чувства гордости за созданные памятники культуры и искусства нашими предками, формирование положительной мотивации и...полностью>>
'Закон'
С целью выработки Конституции в 1787 году был созван Конгресс Представителей Штатов,который в течении 5 месяцев рассматривал предложенные проекты зак...полностью>>
'Документ'
Навчально-методичний комплекс з дисципліни “Податкове право” затверджений на засіданні кафедри економічних та фінансово-правових дисциплін, протокол ...полностью>>
'Литература'
Рассказ учителя о родах и жанрах античной литературы. Записи в тетрадях. Индивидуальные сообщения учащимися сведений о жизни Эсхила и его пьесах &quo...полностью>>

Программа курса «Процессы и аппараты химической технологии»

Главная > Программа курса
Сохрани ссылку в одной из сетей:

2.2. Тепловые процессы и аппараты

2.2.1. Теоретические основы теплообменных процессов

Тепловые процессы в химической технологии, их роль и значение в проведении химико-технологических процессов. Классификация способов переноса теплоты. Стационарный и нестационарный процессы теплопереноса. Основные понятия: температурное поле, температурный градиент, тепловой поток. Движущие силы процессов теплообмена. Основные задачи статики и кинетики процессов теплообмена, тепловые балансы.

Теплопроводность. Уравнение теплопроводности Фурье и дифференциальное уравнение теплопроводности. Решение дифференциального уравнения теплопроводности для плоской и цилиндрических стенок в условиях стационарности процесса без внутренних источников теплоты.

Конвективный теплоперенос. Естественная и вынужденная конвекция. Уравнение теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи и движущая сила. Механизм процесса конвективного теплообмена в условиях ламинарного и турбулентного потоков. Тепловой пограничный слой. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена Фурье-Кирхгоффа. Тепловое подобие и основные критерии теплового подобия. Общий вид критериальных уравнений.

Теплоотдача в условиях естественной и вынужденной конвекции без изменения агрегатного состояния теплоносителей. Методика расчета кинетики процесса.

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния теплоносителей. (Конденсация паров и кипение жидкостей). Методика расчета кинетики процесса.

Теплообмен излучением. Виды излучений. Физическая сущность процесса инфракрасного излучения и основные законы (Кирхгоффа и Стефана-Больцмана). Использование лучистого теплообмена на практике.

Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи при постоянных и переменных температурах теплоносителей. Расчет коэффициентов теплопередачи. Движущая сила процессов теплопередачи. Влияние внешних и внутренних факторов на скорость процесса теплопередачи.

      1. Теплообменные аппараты

Промышленные способы подвода и отвода теплоты в аппаратах химической технологии. Классификация теплоносителей, их сравнительная характеристика и области применения: перегретый и насыщенный пар, нагретая и перегретая вода, высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ), ионные теплоносители, расплавы металлов.

Классификация теплообменных аппаратов, их конструктивные характеристики и особенности практического их использования. Каталоги на теплообменную аппаратуру.

Методы теплового расчета теплообменных аппаратов: проектный и поверочный расчеты. Основные тенденции совершенствования конструкций теплообменных аппаратов.

Пояснения к разделу 2.2.

Изучение раздела теплообменных процессов и аппаратов целесообразно начать со знакомства с материалами главы «Теплопередача», т.к. правильное представление о физической сущности процесса переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному позволяет более осмысленно подходить к изучению отдельных разделов, посвященных теории процесса теплопередачи в целом: переноса теплоты теплопроводностью, конвекцией и излучением.

При этом следует усвоить, что при теплообмене, с точки зрения термодинамики, происходит перенос энергии в форме теплоты и движущей силой такого переноса является разность температур: теплота переносится от точек с большей температурой к точкам с меньшей температурой самопроизвольно. Обратный же процесс возможен только при совершении внешней работы над рабочим телом (на этом принципе основаны холодильные процессы).

Главными вопросами теории процесса теплообмена являются следующие: определение тепловых потоков, движущих сил, скорости процесса и установления взаимосвязи между указанными параметрами и геометрическими характеристиками теплообменных аппаратов. Эта взаимосвязь осуществляется с помощью уравнений теплопроводности, теплоотдачи и теплопередачи.

Определение тепловых потоков и движущих сил процесса составляет основную задачу статики теплообмена. Тепловой поток определяется на основе составления и решения уравнений тепловых балансов. При изучении данного вопроса особое внимание следует уделить тепловым балансам для процессов теплообмена, происходящих как с изменением агрегатного состояния теплоносителей, так и без него.

Способы определения движущих сил процессов теплообмена всецело обусловливаются механизмом и способом переноса теплоты. В каждом конкретном случае (теплопроводность или конвективный теплообмен) в объеме рабочих тел формируется определенное температурное поле и, только зная его математическое описание, представляется возможным определение движущих сил.

В задачу кинетики процессов теплообмена входит определение скорости процессов теплопереноса, что также обусловливается механизмом и способами переноса теплоты.

Ознакомившись с физической сущностью и представлениями о процессах теплопередачи, следует перейти к изучению отдельных разделов: теплопроводности, конвективного теплообмена и излучения.

В разделе теплопроводность следует обратить внимание на формулировку задачи определения движущей силы: определение температурного поля (дифференциальное уравнение теплопроводности) и его решение применительно к практическим задачам (определение теплового потока через плоские и цилиндрические стенки).

В разделе конвективного теплообмена особое внимание необходимо уделить дифференциальному уравнению Фурье-Кирхгоффа и его решению, совместно с уравнением теплоотдачи, с помощью основных теорем подобия. Необходимо достаточно уверенно научиться пользоваться критериальными уравнениями для расчета коэффициентов теплоотдачи. В этом разделе определенного внимания требуют вопросы изучения теплоотдачи при конденсации насыщенных паров и при кипении жидкости. Следует обратить особое внимание на аналитическое решение вопроса об интенсивности процесса конвективного теплообмена при плёночной конденсации насыщенных паров, который представляет собой классический образец аналитического совместного решения дифференциальных уравнений гидродинамики и теплообмена: дифференциальных уравнений неразрывности потока, уравнений движения Навье-Стокса и конвективного теплообмена Фурье-Кирхгофа.

Заключительным этапом изучения теории процессов теплопереноса является изучение раздела теплопередачи, ознакомление с основными типовыми конструкциями теплообменных аппаратов, основными видами теплоносителей и освоение методик теплового расчета. Следует обратить внимание на вопросы повышения эффективности работы теплообменных аппаратов.

Вопросы для самоконтроля

  1. Какие виды переноса теплоты участвуют в теплообмене?

  2. Составьте тепловые балансы для теплообмена для случаев: теплообмен между двумя жидкостями; теплообмен между жидкостью и насыщенным паром; теплообмен между жидкостью и перегретым паром (конденсат пара в этом варианте отводится при температуре ниже температуры конденсации).

  3. Выведите уравнение теплопроводности и проанализируйте полученные уравнения с точки зрения регулирования теплового потока:

а) для однослойной и многослойной плоской стенки;

б) для однослойной и многослойной цилиндрической стенки.

  1. Запишите основные критерии подобия: Рейнольдса, Нуссельта, Прандтля, Грасгофа и определите их физический смысл.

  2. Составьте алгоритм решения задачи определения коэффициента теплоотдачи при теплообмене без изменения агрегатного состояния теплоносителей.

  3. Какими методами можно интенсифицировать процессы конвективного теплообмена?

  4. В чем состоит особенность процесса теплоотдачи при конденсации насыщенных паров?

  5. Составьте алгоритм решения задачи определения коэффициента теплоотдачи при теплообмене при конденсации насыщенных паров.

  6. Почему коэффициент теплоотдачи при кипении жидкостей зависит от количества подводимого тепла?

  7. Запишите основное уравнение теплопередачи и проанализируйте его с точки зрения разработки алгоритма его решения для определения величины теплопередающей поверхности.

  8. Дайте классификацию теплообменных аппаратов.

  9. Охарактеризуйте устройство кожухотрубных теплообменников, предназначенных для нагревания и охлаждения жидкостей.

  10. Что такое компенсаторы температурных напряжений?

  11. В каких случаях используются оребренные теплообменники и почему?

  12. Назовите основные преимущества и недостатки пластинчатых и спиральных теплообменников.

  13. Составьте схему поверочного расчета теплообменных аппаратов.

2.3. Выпаривание

Назначение и сущность процессов выпаривания. Движущая сила процесса. Однократный и многократный процессы выпаривания. Схемы многократных выпарных установок и основные типовые конструкции выпарных аппаратов. Материальный и тепловой балансы процессов выпаривания. Располагаемая и общая полезная разность температур. Виды температурных потерь и способы их расчета. Влияние температурных потерь на движущую силу процесса. Особенности расчета кинетических параметров процесса. Основные принципы оптимизации работы выпарных аппаратов и установок в целом.

Конструкции выпарных аппаратов и схемы выпарных установок. Основные принципы организации оптимальных режимов процессов выпаривания в различных отраслях промышленности, включая химическую, химико-фармацевтическую и пищевую отрасли. Современные тенденции в области совершенствования аппаратурного оформления процессов выпаривания.

Пояснения к разделу 2.3.

Процессы выпаривания по существу являются теплообменными процессами, особенность которых заключается в том, что с обеих сторон теплопередающей поверхности происходит теплообмен с изменениями агрегатного состояния теплоносителей. С одной стороны поверхности происходит конденсация первичного греющего пара, а с другой – парообразование при кипении растворов. Следует усвоить, что процесс выпаривания это процесс концентрирования растворов, при котором в результате кипения растворитель переходит в пар, а растворенное вещество остается в растворе. При этом все физико-химические свойства растворов (плотность, вязкость, теплопроводность, теплоемкость и т.д.) непрерывно изменяются, что существенно затрудняет решение задач связанных с определением коэффициента теплоотдачи. По этой причине известно достаточно большое число методов расчета, основанных на эмпирических данных, которые часто не согласуются между собой.

Перед изучением теории процесса выпаривания рекомендуется вначале познакомиться с общими сведениями о процессе, с принципами устройства выпарных аппаратов и организацией схем многокорпусных выпарных установок.

Далее следует перейти к изучению теории процесса. При этом следует помнить, что для успешного усвоения данной темы необходимы основательные знания процессов теплопередачи.

Одними из основных задач теории процесса выпаривания являются разработка методов расчета движущих сил процесса, применительно к однокорпусным и многокорпусным схемам и расчет коэффициента теплоотдачи со стороны кипящего раствора. При определении движущих сил процесса следует особое внимание уделить вопросам температурных потерь в выпарных установках и методам их снижения.

На заключительном этапе помимо изучения конструкций выпарных аппаратов следует разобраться в постановке задачи теплового расчета выпарных установок и разработке алгоритма их решения.

Вопросы для самоконтроля

  1. Поясните сущность процесса выпаривания и приведите схему выпарного аппарата и установки в целом.

  2. Что является движущей силой процесса выпаривания?

  3. Что является располагаемой разностью температур в выпарной установке?

  4. Что понимается под общей полезной разностью температур в выпарной установке и по каким принципам производится ее распределение по корпусам?

  5. Как определяются: физико-химическая, гидростатическая и гидравлическая температурные депрессии? Какое влияние они оказывают на характеристики выпарных аппаратов и установок в целом?

  6. Составьте материальный и тепловой балансы выпарного аппарата.

  7. Что понимается под явлением самоиспарения и когда оно имеет место?

  8. Чем определяется предельное число корпусов в выпарных установках?

  9. С какой целью используется процесс выпаривания с тепловым насосом?

  10. Дайте классификацию выпарных аппаратов и сравните их между собой по признаку практического применения.

  11. Опишите устройство барометрического конденсатора смешения, принцип его работы и назначение?

  12. Назовите основные принципы повышения эффективности процессов выпаривания.

Контрольные задания к разделу приведены ниже.

3. Массообменные процессы и аппараты

3.1. Основы теории массообменных процессов

Значение процессов массопереноса в химической технологии. Классификация и общая характеристика процессов массобмена с участием газовой, жидкой и твердой фаз: абсорбция (десорбция), адсорбция, перегонка (дистилляция), экстракция, кристаллизация, сушка. Роль этих процессов в решении экологических проблем.

Статика процессов массопереноса. Задачи статики. Способы выражения составов фаз. Движущие силы процессов массопереноса. Основные законы межфазного равновесия (правило фаз Гиббса, Дальтона, Генри, Рауля). Материальный баланс процессов массопереноса и уравнения линий рабочих концентраций при прямоточном и противоточном взаимодействии фаз. Направление массопереноса и способы регулирования.

Кинетика процессов массопереноса. Задачи кинетики. Молекулярная и конвективная диффузия (1-ый и 2-ой законы Фика, дифференциальное уравнение конвективного массообмена). Основные модели механизмов массопереноса. Коэффициент массоотдачи.

Подобие процессов массопереноса. Основные диффузионные критерии подобия и критериальные уравнения.

Массопередача. Уравнение массопередачи, средняя движущая сила процесса массопередачи, коэффициент массопередачи и способы их расчета. Использование уравнения массопередачи для расчета массообменных аппаратов.

Теоретические основы расчета массообменных аппаратов. Типовые конструкции аппаратов колонного типа: аппараты со свободной поверхностью контакта фаз (с непрерывной или фиксированоой поверхностью); аппараты со ступенчатой поверхностью контакта фаз (или со ступенчатым контактом) и плёночные массообменные аппараты. Общие принципы устройства, принципы работы и основы расчета геометрических размеров колонных аппаратов (диаметра и высоты аппаратов).

Аппараты с непрерывным контактом фаз. Число единиц переноса, высота единицы переноса. Способы расчета кинетических параметров.

Аппараты со ступенчатым контактом фаз. Определение теоретической ступени изменения концентраций (теоретической тарелки). Коэффициент полезного действия по Мэрфри. Кинетическая кривая процесса и реальная ступень изменения концентраций. Графоаналитический расчет числа теоретических и действительных тарелок. Метод расчёта от тарелки к тарелке.

Расчет диаметра колонных аппаратов. Гидродинамические режимы работы контактных устройств. Оптимальные режимы работы аппаратов и определение рабочей скорости газовых потоков.

Пояснения к разделу 3.1.

В начале изучения следует достаточно подробно рассмотреть классификацию массообменных процессов и их физическую сущность. Для лучшего понимания и освоения материала целесообразно использовать аналогию между процессами переноса теплоты и процессами переноса массы, как на отдельных стадиях, так и процессов в целом. Также как и при изучении процессов теплопереноса, главными вопросами теории массообменных процессов являются: определение массовых потоков, определение движущих сил процессов, скорости их протекания и взаимосвязи указанных параметров с геометрическими характеристиками массообменных аппаратов.

Определение массовых потоков и движущих сил массообменных процессов составляют основную задачу статики. Прежде чем приступить к изучению статики массообменных процессов следует основательно освоить способы выражения составов (концентраций) фаз. Далее следует приступить к изучению свойств равновесных систем, включая использование основных законов равновесия для расчета и построения линии равновесия.

Следующим этапом является усвоение принципов составления уравнений материальных балансов и определение основных их задач. Особое внимание при этом следует обратить на описание уравнений линий рабочих концентраций фаз для прямоточного и противоточного их взаимодействия.

На заключительном этапе изучения статики процессов массообмена следует детально рассмотреть методы определения движущих сил процессов массопередачи.

При изучении кинетики массообменных процессов требуется внимательно изучить математическое описание процессов молекулярной и конвективной диффузии. Одним из центральных вопросов теории кинетики является разработка методов расчета кинетических показателей: коэффициентов молекулярной диффузии, коэффициентов массоотдачи и массопередачи.

На этапе изучения раздела теоретических основ расчетов массообменных аппаратов после ознакомления с их основными типовыми конструкциями особое внимание необходимо уделить особенностям расчета аппаратов с непрерывным и ступенчатым формированием поверхности контакта фаз. При рассмотрении вопросов расчета следует достаточно хорошо разобраться в вопросах использования таких параметров, как число единиц переноса и высота единицы переноса, высота эквивалентная теоретической ступени изменения концентраций, коэффициент полезного действия по Мерфри, понятия о теоретической и действительной тарелках. Кроме этого, одним из важнейших вопросов теоретических основ расчета является вопрос о методах расчета высоты массообменных аппаратов.

3.2. Абсорбция

Характеристика процесса и области применения. Изотермический и адиабатический процессы абсорбции. Равновесие между фазами. Выбор условий проведения процесса. Материальный баланс и уравнения линий рабочих концентраций, определение минимального и действительного расходов абсорбентов. Основные показатели процесса абсорбции. Аппаратурное оформление процесса и сравнительная характеристика.

Общая методика расчета абсорбционных аппаратов. Основные тенденции поиска оптимальных режимно-технологических и конструктивных параметров процесса абсорбции.

Особенности адиабатического процесса абсорбции.

Химическая абсорбция. Особенности технологии и расчёта процессов хемосорбции.

Технологические варианты процессов абсорбции.

Десорбция. Назначение процессов десорбции и конструктивные схемы аппаратов для десорбции (десорберов).

Пояснения к разделу 3.2.

При изучении вопросов физической абсорбции пристальное внимание следует уделить вопросам использования единиц измерений концентраций фаз при проведении материальных расчетов. С целью линеаризации уравнений линий рабочих концентраций (для упрощения расчетов) используется относительные массовые или относительные мольные концентрации. В этом случае расходы газовой и жидкой фаз выражают через расходы инертных носителей: абсорбента и инертного газа – носителя.

Следует достаточно хорошо разобраться в расчетах и построении линии равновесия в системе газ-жидкость, в вопросах использования таких параметров как минимальный и действительный расходы абсорбента, коэффициент избытка абсорбента, степень извлечения, эффективность извлечения, коэффициент полезного действия по Мерфри, понятия теоретической ступени и теоретической тарелки. Особого внимания требует вопрос расчета и построения кинетической линии процесса в условиях изотермической и неизотермической абсорбции.

Заключительным этапом изучения процессов абсорбции является изучение типовых контактных устройств и конструкций аппаратов для проведения физической абсорбции.

3.3. Простая и сложная перегонка (дистилляционные процессы)

Физико-химическая сущность процессов массопереноса в системах жидкость-пар. Равновесие в системах. Основные типы бинарных смесей (по данным Торманна). Законы Коновалова и Вревского. Диаграммы состояний (t-x-y, y-x и энтальпийные диаграммы) бинарных смесей. Классификация бинарных смесей по Торману.

Простая перегонка. Виды простой перегонки (простая, фракционная, с дефлегмацией и без дефлегмации, с водяным паром и инертным носителем). Материальный баланс процесса. Расчет выхода продукта и среднего его состава.

Сложная перегонка (ректификация). Определение и физико-химические основы ректификационного разделения жидких смесей. Схемы установок непрерывной и периодической ректификации. Материальный и тепловой балансы. Флегмовое число и расходный коэффициент. Уравнения линий рабочих концентраций фаз. Влияние флегмового числа на характеристики ректификационных колонн и процесса ректификации. Способы питания ректификационных колонн: орошение колонн, способы ввода исходной смеси, способы питания колонн паром.

Основные методы расчета ректификационных установок. Выбор вспомогательного оборудования. Способы интенсификации процессов ректификации.

Общие сведения о ректификации многокомпонентных смесей, азеотропных смесей и др.

Пояснения к разделу 3.3.

Изучение дистилляционных процессов целесообразно начинать с рассмотрения физической сущности и отличительных особенностей процессов массопередачи в системе жидкость-пар. Необходимо внимательно изучить диаграммы состояния равновесных бинарных систем и использование основных законов равновесия для определения методов смещения состояния равновесия в заданном направлении. Следует помнить, что основным методом при этом является отвод и подвод теплоты.

Особенностью дистилляционных процессов является то, что вследствие близости значений удельных мольных теплот испарения компонентов смесей, неограниченно растворимых друг в друге, жидкая и паровая фазы обмениваются между собой компонентами в эквимолекулярном соотношении. Из этого следует, что расходы фаз по высоте аппаратов, выраженные в числе молей (или киломолей) в единицу времени, не изменяются. Поэтому все расчеты процессов перегонки и ректификации, как правило, проводят с использованием мольных расходов и мольных концентраций.

При изучении процессов ректификации особое внимание следует уделить на составление материального и теплового балансов, на уравнения линий рабочих концентраций, на определение минимального и оптимального значений флегмового числа. Следует проанализировать влияние флегмового числа на геометрические характеристики ректификационных колонн и затраты теплоты на проведение процесса.

На заключительном этапе изучения данного раздела необходимо разобраться в основных способах питания ректификационных колонн: исходной смесью, орошение флегмой и подачи пара в куб колонны. Кроме того, следует познакомиться с отличительными особенностями процессов ректификации в установках периодического действия, а так же процессов ректификации многокомпонентных смесей.

3.4. Процессы экстракции

Краткие сведения и общая характеристика процессов экстракции в системах жидкость + жидкость и жидкость + твердое тело. Области применения.

Равновесие в системе жидкость + жидкость. Выбор экстрагента, материальный баланс процесса жидкостной экстракции. Кинетика процесса экстракции. Основные способы реализации процесса жидкостной экстракции на практике.

Основные конструкции экстракторов (дифференциально-контактные экстракторы): распылительные и насадочные экстракторы, тарельчатые, роторно-дисковые и центробежные экстракторы. Пульсационные и вибрационные экстракторы. Основы теории расчёта экстракторов: определение диаметра и высоты экстракционных аппаратов.

Процессы экстракции из твёрдых материалов. Основные закономерности избирательного растворения. Равновесие в системах жидкость + твёрдое. Материальный баланс и основные показатели эффективности процесса. Аппаратурное оформление процессов жидкостной экстракции из твёрдых материалов. Особенности процессов экстрагирования в химико-фармацевтической промышленности. Способы интенсификации процесса.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 17. 08 «Процессы и аппараты химических технологий» по техническим, химическим и физико-математическим наукам

    Программа-минимум
    В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: системный анализ и математическое моделирование процессов химической технологии; физико-химическая гидродинамика; механика твердых дисперсных систем; теория тепло- и массопереноса,
  2. Методические рекомендации к курсовому проекту по процессам и аппаратам химических и пищевых технологий для студентов специальностей 240706, 260601, 240701, 240702, 260204, 240901 дневной, вечерней и заочной форм обучения

    Методические рекомендации
    Резанов К.Р. Общие требования к содержанию, организации выполнения и оформлению курсового проекта (работы) по курсам процессов и аппаратов химических и пищевых технологий: методические рекомендации к курсовому проекту по процессам
  3. Образовательный стандарт направление 550800 «Химическая технология и биотехнология» рабочая программа по дисциплине «Процессы и аппараты химической и пищевой технологии» Факультет автомеханический

    Образовательный стандарт
    Рабочая программа составлена на основании программы для высших заведений по дисциплине «Процессы и аппараты химической и пищевой технологии» и утверждено учебно-методическим управлением по высшему образованию и стандарта предмета утвержденного
  4. Вакуумно-кондуктивная сушка пиломатериалов с периодическим подводом тепловой энергии 05. 17. 08 Процессы и аппараты химических технологий

    Автореферат
    Защита состоится «16» июня 2008 г. в 14.00 час. на заседании совета по защите кандидатских и докторских диссертаций Д 212.063.05 в Ивановском государственном химико-технологическом универ­ситете по адресу: 153 , г.
  5. Программа вступительных испытаний в форме мдэ для обучения по программам магистратуры по направлению 241000. 68 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии 2012 г

    Программа
    Применение первого закона термодинамики к химическим процессам. Термохимия. Закон Гесса. Следствия, вытекающие из закона Гесса. Использование их для определения тепловых эффектов химических реакций.

Другие похожие документы..