Гатапова Н.Ц., Нечаев В.М., и др. Процессы и аппараты химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы

Подождите немного. Документ загружается.

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

♦ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ ♦

Министерство образования и науки Российской Федерации

Тамбовский государственный технический университет

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Тамбов

♦ Издательство ТГТУ ♦

2004

УДК 66.0(076)

ББК Л113я73-5

П84

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

Р е ц е н з е н т

Доктор технических наук, профессор

П.С. Беляев

Процессы и аппараты химической технологии.

Гидромеханические и тепловые процессы: Программа,

метод. указания и контр. работы / Сост.: Н.Ц. Гатапо-

ва, В.М. Нечаев, А.Н. Пахомов, А.Н. Колиух / Под

ред. В.И. Коновалова. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн.

ун-та, 2004. 20 с.

Даны программа, методические указания и кон-

трольные работы по курсу "Процессы и аппараты хи-

мической технологии. Гидромеханические и тепловые

процессы".

Предназначены для студентов специальностей

240801, 220301 заочной формы обучения.

УДК 66.0(076)

ББК Л113я73-5

 Тамбовский государст-

венный

технический университет (ТГТУ),

2004

 Гатапова Н.Ц., Нечаев В.М.,

Пахомов А.Н., Колиух А.Н.,

2004

Учебное издание

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

Методические указания

С о с т а в и т е л и:

ГАТАПОВА Наталья Цибиковна

НЕЧАЕВ Василий Михайлович

ПАХОМОВ Андрей Николаевич

КОЛИУХ Александр Николаевич

Редактор Т.М. Федченко

Инженер по компьютерному макетированию М.Н. Рыжкова

Подписано к печати 20.10.2004

Формат 60

× 84/16. Бумага газетная. Печать офсетная

Гарнитура Тimes New Roman. Объем: 1,16 усл. печ. л.; 1,12 уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. С. 704

Издательско-полиграфический центр

Тамбовского государственного технического университета

392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина "Процессы и аппараты химической технологии" предусматривает изучение основных

химико-технологические процессов, их физической сущности, теоретических основ, принципиальных

схем осуществления этих процессов, конструкций типовых машин и аппаратов и методов их расчета,

методов повышения производительности оборудования, способов интенсификации технологических

процессов.

Для успешного усвоения этих вопросов студенты должны иметь подготовку в объеме вузовских

программ по следующим дисциплинам: высшая математика, общая физика, общая и физическая химия,

машиностроительное черчение, теоретическая механика, гидравлика, термодинамика и теплопередача,

детали машин и сопротивление материалов, алгоритмические языки и вычислительная техника.

Изучение дисциплины "Процессы и аппараты химической технологии" завершает общеинженерную

подготовку студентов и является переходной ступенью к специальным дисциплинам. Курс рассчитан на

два семестра и, соответственно, подразделяется на две части. Первая часть включает гидромеханиче-

ские и тепловые процессы, вторая – массообменные и механические.

Основным руководством при самостоятельном изучении дисциплины студентом-заочником являет-

ся учебник [1, 2] и задачник [3, 4], структура и объем которых в наибольшей степени согласуются с

программой курса, а приведенные в справочных приложениях данные позволяют выполнить контроль-

ные работы и сделать расчеты по лабораторным работам.

Р а з д е л 1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПРОГРАММА

Предмет и методы дисциплины. История возникновения и развития дисциплины.

Классификация основных технологических процессов и аппаратов.

Разновидности методов проектирования, исследования, описания и расчета ПАХТ. Общие принци-

пы расчета аппаратов химической технологии.

Единые кинетические закономерности (ЕКЗ) основных химико-технологических процессов. Поня-

тие о скорости процесса, движущей силе и сопротивлении. ЕКЗ гидромеханических, тепловых и диффу-

зионных процессов.

Основы теории переноса энергии и вещества: перенос импульса, энергии, массы. Структура диффе-

ренциальных уравнений полей скоростей, температур и концентраций в ПАХТ. Субстанциональная

производная, локальная и конвективные составляющие. Линейные дифференциальные уравнения по-

лей. Оператор Лапласа. Нелинейные процессы и уравнения переноса и превращения энергии и вещест-

ва.

Теория подобия (ТП). 1-я теорема подобия. Получение критериев подобия из дифференциальных

уравнений: операция приведения (ОП) дифференциальных уравнений. Критерии гидромеханического

подобия.

2-я теорема подобия.

Анализ размерностей (АР) физических величин. Получение критериев подобия методом анализа

размерностей. Первичные и вторичные размерности. Критерии гидромеханического подобия. Число

критериев.

π-теорема Бэкингема. Достоинства и недостатки получения критериев методами АР и ОП.

Критериальные уравнения. Определяемые и определяющие критерии. Параметрические критерии.

Производные и групповые критерии. Критерии-аналоги. Получение явного вида критериальных урав-

нений обработкой экспериментальных или расчетных данных. Графическая обработка. Статистическая

обработка.

Физическое моделирование и эксперимент. Техника физического эксперимента и моделирования.

Правила обеспечения подобия в модели и в образце. Аналогия дифференциальных уравнений переноса.

Методы аналогии.

Общий порядок расчета ПАХТ. Проектные и поверочные расчеты. Статика, материальные и тепло-

вые балансы. Усреднение движущей силы. Кинетика, частные и общие кинетические коэффициенты

скорости переноса. Примеры.

Оптимизация ПАХТ. Критерии оптимизации. Варьируемые параметры. Ограничения. Однокрите-

риальная однопараметрическая оптимизация с неформализованными ограничениями. Примеры инже-

нерной оптимизации ПАХТ.

Методические указания

Изучая материалы первого раздела необходимо уделить особое внимание вопросу классификации

химико-технологических процессов, ее основным принципам (по целевому назначению; по физической

сущности; по способу организации, выделив особенности и недостатки периодических и непрерывных

процессов по: числу фаз и компонентов в технологических аппаратах; числу и направлению взаимодей-

ствующих потоков; характеру и структуре движущихся потоков).

Необходимо хорошо представлять основные кинетические закономерности течения процесса, иметь

четкое представление о движущей силе и коэффициенте скорости технологических процессов.

Необходимо хорошо усвоить основные положения и сущность теории подобия, принципы модели-

рования и оптимизации процессов и аппаратов химической технологии и их значение для решения ин-

женерных задач.

Контрольные вопросы

1 Запишите градиентные уравнения вязкого трения, теплопроводности и диффузии. Укажите их

аналогию и различия.

2 Охарактеризуйте понятие субстанциональной производной и ее использование в дифференци-

альных уравнениях полей скоростей, температур и концентраций.

3 Перечислите основные соотношения, замыкающие систему дифференциальных уравнений пере-

носа тепла и массы.

4 Назовите достоинства и недостатки теории подобия.

5 Запишите основные критерии подобия гидродинамических процессов. Поясните их физический

смысл. Выделите определяющие и определяемые критерии.

6 Перечислите основные способы моделирования технологических процессов, укажите их сходст-

ва и различия, достоинства и недостатки. Приведите примеры их применения.

Р а з д е л 2 ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ПРОГРАММА

Виды дисперсных систем. Методы их получения и разделения. Влияние поверхностно-активных

веществ.

Гидрокинетика осаждения. Осаждение частиц сложной формы. Осаждение в системах жидкость –

жидкость и жидкость – газ. Стесненное осаждение.

Расчет отстойников и осадительных камер. Размеры. Производительность. Пути повышения произ-

водительности. Конструкции отстойников для пылей, суспензий и эмульсий. Обеспечение равномерно-

сти потоков. Предельные скорости течения.

Циклоны. Фактор разделения. Разновидности циклонов. Гидроциклоны.

Электрофильтры. Достоинства, недостатки, применение. Нарушения режима.

Фильтрование и его применение в промышленности. Примеры. Виды осадков. Фильтрующие пере-

городки. Рабочий цикл периодических и непрерывных процессов фильтрования. Промывка осадка. Ре-

пульпация.

Гидрокинетика фильтрования при постоянном давлении и при постоянном расходе. Уравнение Рут-

са. Экспериментальное и расчетное определение констант фильтрования. Оптимальное время фильтро-

вания. Максимальная производительность. Оптимизация фильтров.

Конструкции фильтровальной аппаратуры для жидкостей и газов.

Центрифугирование и его применение в промышленности. Примеры. Историческая справка. Разно-

видности центрифуг и сепараторов. Гидрокинетика центрифугирования. Фактор разделения. Мощность

привода центрифуг. Резонанс и балансировка. Техника безопасности. Блокировки.

Перемешивание жидкостей. Конструкции механических мешалок. Критериальные уравнения для

расчета мощности. Циркуляционное перемешивание. Пневматическое перемешивание.

Взвешенный слой и его применение в промышленности. Особенности гидрокинетики. Расчет. На-

рушения режима кипения во взвешенном слое и методы борьбы с ними. Разновидности аппаратов со

взвешенным слоем.

Методические указания

При изучении данного раздела необходимо получить четкое представление о неоднородных систе-

мах, подвергаемых гидромеханическому разделению, научиться составлять материальный баланс любо-

го процесса разделения, изучить и понять кинетику процессов осаждения, фильтрования, центрифуги-

рования, определять движущую силу этих процессов и сопротивление, изучить критерии гидромехани-

ческого подобия.

В процессах осаждения, фильтрования и перемешивания необходимо понять их физическую сущ-

ность, принципиальные схемы их проведения, конструкции и методы расчета аппаратуры (осадитель-

ных камер, отстойников, фильтров, центрифуг, циклонов, мешалок).

Студент должен уметь изобразить принципиальные схемы аппаратов для гидромеханических про-

цессов разделения с пояснением их основных достоинств и недостатков.

Для закрепления материала данного раздела и приобретения расчетных навыков необходимо ре-

шить не менее 2–3 задач по каждому процессу.

Контрольные вопросы

1 Опишите распределение скоростей по сечению потока при ламинарном и турбулентном режимах

движения жидкости в круглой трубе. Как определяют расход и среднюю скорость потока?

2 Под действием каких сил могут проводиться процессы осаждения и фильтрования? Приведите

примеры соответствующего технологического оборудования.

3 В каких случаях целесообразно применять пылеосадительные камеры, электрофильтры или ци-

клоны для очистки газов от пыли, отстойники или фильтры для разделения суспензий?

4 Как определить скорость осаждения частиц при различных режимах осаждения?

5 Получите уравнение для расчета поверхности осаждения отстойника.

6 Дайте сравнительную характеристику нутч-фильтров, рамных фильтр-прессов и ленточных ва-

куум-фильтров.

7 Какие фильтры непригодны для очистки влажных газов?

8 Назовите характерные скорости псевдоожижающего агента и способы их определения.

9 Предложите возможные области применения псевдоожижения. Обоснуйте его преимущества и

влияние на качество обрабатываемых продуктов.

Р а з д е л 3 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

ПРОГРАММА

Тепловые процессы. Разновидности. Одно- и многооперационные тепловые и холодильные процес-

сы. Применение в промышленности.

Теплопроводность. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Нестационарная теплопровод-

ность. Пример интегрирования дифференциального равнения теплопроводности.

Конвективный теплоперенос. Закон Ньютона. Коэффициенты теплоотдачи.

Тепловое излучение. Закон Стефана-Больцмана. Степень черноты. Угловые коэффициенты.

Способы нагрева и охлаждения. Требования к теплоносителям. Нагрев водяным паром. Отвод кон-

денсата и неконденсирующихся газов.

Основное уравнение теплопередачи. Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи. Средняя дви-

жущая сила теплопередачи. Температурные графики.

Критериальные уравнения теплоотдачи для процессов без изменения агрегатного состояния и с изме-

нением агрегатного состояния теплоносителя.

Конструкции теплообменников. Поверхностные теплообменники (рекуператоры). Теплообменники с

теплоаккумулирующей насадкой (регенераторы). Теплообменники смешения. Достоинства и недостатки.

Применение.

Выпаривание и его применение в промышленности. Примеры применения. Физико-химические и

технологические свойства растворов. Накипеобразование. Пенообразование.

Полезная разность температур при выпаривании. Виды температурных потерь. Многокорпусное

выпаривание. Предельное число корпусов. Экономия тепла при выпаривании. Выпаривание с тепловым

насосом.

Конструкции выпарных аппаратов и установок.

Оптимизация выпарных установок. Распределение полезной разности температур по корпусам вы-

парных установок.

Холодильные процессы. Разновидности. Применение в промышленности и быту. Разновидности

хладоагентов. Обратный цикл Карно.

Умеренное охлаждение. Холодильный коэффициент. Дросселирование. Парокомпрессионные хо-

лодильные машины. Циклы.

Глубокое охлаждение. Детандеры. Особенности рабочих циклов.

Методические указания

Изучение материала этого раздела следует начать с повторения основных положений теплопереда-

чи, необходимо вспомнить типовые случаи теплообмена и научиться критически выбирать расчетную

зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи, а также знать критерии теплового подобия.

Изучая процессы нагревания, охлаждения и конденсации необходимо обратить внимание на выбор

теплоносителей, на схему их движения в теплообменной аппаратуре, характеристики и сравнительные

оценки различных теплоносителей. Кроме того, надо уметь составлять тепловой баланс, знать конст-

рукции теплообменников и методы расчета.

По теме "Выпаривание" необходимо уяснить физику изучаемого процесса, изображать принципи-

альные схемы процессов выпаривания, конструкции выпарного оборудования, знать методику расчета

выпарных установок и способы повышения экономичности данного процесса.

При изучении материала, относящегося к холодильным процессам, необходимо ясно представлять

термодинамическую сущность получения холода, знать основные схемы холодильных машин как для

получения умеренного, так и глубокого холода, уметь строить циклы работы холодильных машин в T–S

и P–I диаграммах, рассчитывать холодопроизводительность машины и холодильный коэффициент.

Для закрепления материала данного раздела необходимо решить

3–4 задачи по каждой теме.

Контрольные вопросы

1 Получите уравнение теплопередачи при постоянных температурах теплоносителей для

многослойной стенки.

2 Укажите различия в уравнениях для определения коэффициентов теплоотдачи при вынужденной

и естественной конвекции.

3 Как можно интенсифицировать процесс теплоотдачи в движущемся потоке, если агрегатное со-

стояние теплоносителя не изменяется?

4 Сопоставьте среднюю движущую силу и расход теплоносителя при организации прямоточного и

противоточного движения теплоносителей в одном и том же теплообменнике.

5 Назовите основные виды промышленных теплоносителей, их достоинства и недостатки.

6 Дайте классификацию теплообменников.

7 Сравните поверхностные и смесительные теплообменники по интенсивности теплопереноса.

8 Запишите уравнения проектного и поверочного расчета теплообменников.

9 Назовите конструктивные особенности выпарных аппаратов в отличие от теплообменников.

10 В чем различие расчетов средней движущей силы в теплообменниках и в выпарных аппаратах?

11 Каким образом и с какой целью организуется циркуляционный контур в выпарных аппаратах?

12 Что такое температурные потери и как они рассчитываются?

КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Целью заданий является развитие у студентов навыка в самостоятельном решении практических за-

дач расчетного и графического характера, закрепление теоретических знаний, выработка умений поль-

зоваться специальной и справочной литературой, методами расчетов основных процессов, типовых ап-

паратов и машин химических производств.

Выполняемый вариант контрольной работы выдается индивидуально каждому студенту с указани-

ем необходимой литературы.

Контрольные работы должны быть выполнены аккуратно, в единой системе единиц (СИ), с указа-

нием размерностей всех величин, встречающихся в задании, и подписаны автором на титульном листе.

Контрольная работа должна содержать титульный лист (название кафедры, номер контрольной ра-

боты, фамилию, имя, отчество студента, специальность, шифр, название работы, номер варианта, дату);

полное изложение задачи с численными данными выполняемого варианта, технологическую схему про-

цесса или эскиз аппарата с указанием направлений движения материальных или тепловых потоков; тех-

нологический расчет, подбор рассчитанного аппарата по соответствующему каталогу; эскиз стандарт-

ного аппарата с нанесенными на него основными размерами; список используемых источников и при-

ложения (рисунки диаграмм, вспомогательные графики и т.д.).

Графическую часть контрольной работы желательно выполнить на миллиметровой бумаге каран-

дашом, а текстовую часть – на двух сторонах листа с отведенными полями, где преподаватель мог бы

отметить обнаруженные ошибки и дать соответствующие указания.

Приступая к выполнению контрольной работы, надо наметить путь решения, разбив задачу на ряд

частных вопросов, далее необходимо найти нужные физические константы из справочной литературы.

Для выполнения расчетов необходимо владеть техникой инженерных вычислений, приемами ли-

нейного интерполирования табличных данных, а также научиться пользоваться диаграммами и номо-

граммами, уметь правильно находить по ним значения тех или иных величин и оценить точность полу-

ченных данных.

Контрольная работа № 1

З а д а ч а № 1. Определить площадь осаждения и расстояние между полками пылеосадительной ка-

меры для очистки V (м

/ч) запыленного газа плотностью ρ

(кг/м

) (расход газа, плотность дана при нор-

мальных условиях). Температура поступающего газа t (°С) и вязкость µ

(Па ⋅ с). Эквивалентный диаметр

взвешенных в газе частиц d (мкм), плотность их ρ

(кг/м

). Размеры пылеосадительной камеры: длина L

(м), ширина B (м), высота H (м).

При решении задач принять, что действительная скорость осаждения в два раза меньше теоретиче-

ской.

1 Исходные данные к задаче № 1

№ V

⋅ 1

L B H

100

1,0 100 0,02 10

500

4,0 2,5 4,1

150

1,0 120 0,021 10

500

4,0 2,0 4,1

170

1,0 140 0,022 10

500

4,0 2,3 3,8

190

1,0 160 0,023 10

500

4,3 2,5 4,1

210

1,0 180 0,024 10

500

4,0 2,5 4,0

250

1,2 200 0,025 20

450

5,1 2,8 5,2

7 270 1,2 220 0,025 20 450 5,2 3,0 5,4

0 0

290

1,2 240 0,028 20

450

5,4 3,2 5,6

310

1,2 260 0,028 20

450

5,6 3,4 5,8

330

1,2 280 0,028 20

450

5,8 3,6 6

350

1,5 300 0,03 25

300

6,0 3,7 6,1

370

1,5 320 0,03 25

300

6,1 3,8 6,2

390

1,5 340 0,032 25

300

6,2 3,9 6,3

400

1,5 360 0,033 25

300

6,3 4,1 6,4

420

1,5 380 0,035 25

300

6,4 4,2 6,5

440

1,5 100 0,025 15

500

6,5 4,3 6,6

460

1,8 100 0,025 15

500

6,6 4,4 6,7

480

1,8 100 0,025 15

500

6,7 4,5 6,8

500

1,8 100 0,025 15

500

6,8 4,6 6,9

530

1,8 140 0,025 15

500

6,9 4,7 7,0

550

1,8 140 0,018 30

250

7,0 4,8 7,1

570

1,7 140 0,018 30

250

7,1 4,9 7,2

590

1,7 140 0,018 30

250

7,2 5,0 7,3

610

1,7 140 0,018 30

250

7,3 5,1 7,4

630

1,7 160 0,018 30

250

7,4 5,2 7,5

650

1,7 160 0,02 30

250

7,5 5,3 7,6

670

1,6 160 0,02 35

280

7,6 5,4 7,7

690

1,6 160 0,02 35

280

7,7 5,5 7,8

700

1,6 160 0,02 35

280

7,8 5,5 7,9

720

1,6 90 0,02 35

280

7,9 5,5 7,9

Продолжение табл. 1

№ V

⋅ 1

L B H

740

1,3 90 0,015 10

280

7,9 5,5 7,9,

760

1,3 90 0,015 10

400

7,9 5,5 7,9

790

1,3 90 0,015 11

400

7,9 5,5 7,9

200

1,1 90 0,018 11

450

3,1 2,0 3,0

100

1,1 90 0,018 11

450

3,1 2,0 2,8

150

1,1 90 0,018 11

450

2,8 2,0 2,8

300

1,1 80 0,017 12

450

4,1 2,8 4,0

350

1,1 80 0,017 12

430

4,5 2,9 4,2

300

1,3 80 0,017 12

430

4,6 2,5 4,1

400

1,3 80 0,017 12

430

4,8 2,9 4,7

500

1,3 80 0,017 12

430

5,0 3,6 5,1

600

1,3 70 0,015 12

430

5,5 3,9 5,5

650

1,3 70 0,015 13

430

5,8 4,0 5,8

550

1,2 70 0,015 13

410

5,3 4,0 5,1

450

1,2 70 0,015 13

410

5,1 3,8 5,0

350

1,2 70 0,015 13

410

4,9 2,8 4,8

250

1,2 60 0,013 13

410

4,5 2,5 4,2

230

1,2 60 0,013 13

410

4,1 2,5 4,0

210

1,4 60 0,013 13

400

4,0 2,3 4,0

190

1,4 60 0,013 13

400

3,8 2,3 3,8

180

1,4 60 0,013 14

400

3,7 2,2 3,7

150

1,4 100 0,019 14

360

3,5 2,3 3,5

140

1,4 100 0,019 14

360

3,2 2,1 3,1

120

1,4 100 0,019 14

340

3,2 2,1 3,1

100

1,5 150 0,022 14

340

3,0 2,0 3,0

110

1,5 150 0,022 14

320

3,5 2,5 3,5

130

1,5 150 0,022 14

320

3,5 2,6 3,4

58 150 1,5 150 0,022 16 310 3,6 2,6 3,6