Тепловые процессы и аппараты.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Утверждаю
Декан ХТФ
______ В.М. Погребенков
«____» __________ 2009г.
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
базовая программа для подготовки бакалавров химиков и инженеров химиковтехнологов на химико-технологическом факультете
Томск 2000
Программа составлена на основании типовой программы «Основные процессы и
аппараты химических производств».
Составитель:
к.т.н., доцент В.П. Гусев
Рецензент:
д.т.н., профессор В.И. Косинцев
Программа рассмотрена и рекомендована к изданию методическим семинаром
кафедры общей химической технологии «_____» _____________ 2009г.
Зав. каф. ОХТ, д.т.н., профессор
В.В. Коробочкин
Одобрено учебно-методической комиссией ХТФ
Председатель учебно-методической
комиссии,
2
Предисловие
При переходе на многоуровневую систему подготовки специалистов в
области высшего образования в существенной степени повышается роль
общепрофессиональных дисциплин. В этой связи особая роль в высшем химикотехнологическом образовании отводится курсу Основные процессы и аппараты
химической технологии , который наряду с курсом общей химической технологии
является одним из теоретических основ химической технологии.
Настоящая программа составлена на основе типовой программы курса,
разработанной комиссией по процессам и аппаратам научно-методического совета
по высшему химико-технологическому образованию, а так же с учетом требований
стандартов специалистов различного профиля.
Данная программа отражает содержание всего курса процессов и аппаратов
в целом и поэтому является базовой для разработки и формирования рабочих
программ курса для подготовки бакалавров-химиков органического и
неорганического профилей, а так же инженеров-химиков технологов .
Отличительной особенностью данной программы является то, что в ней
предусматривается
более углубленное изучение теоретических процессов и
аппаратов химической технологии с целью фундаментализации знаний по данной
дисциплине, учитывая, что она является одной из основных обязательных
общепрофессиональных дисциплин химико-технологического образования.
В соответствии с программой изучение курса процессов и аппаратов
предусматривается
на лекционных и лабораторно-практических занятиях в
аудиторное время а так же во внеаудиторное время в форме самостоятельной работы
при выполнении индивидуальных расчетных заданий и курсовых проектов.
При разработке программы учитывались глубокая взаимосвязь курса с
другими
фундаментальными
общетеоретическими,
общеинженерными
и
специальными ( профилирующими ) дисциплинами ,необходимость обеспечения
должной преемственности и устранения дублирования в преподавании, основные
научные и практические достижения последнего времени в области процессов и
аппаратов химической технологии, а так же
перспективы интенсификации
действующих и разработки новых более эффективных процессов и аппаратов, их
моделирования и оптимизации.
В основе методологии подхода к решению теоретических и прикладных
проблем в курсе “ Процессы и аппараты” лежит анализ механизмов основных
процессов, выявление общих закономерностей их протекания в химической
аппаратуре, разработка обобщенных методов расчета процессов и аппаратов. В
связи с этим в программе специально выделен раздел “Основные закономерности
процессов
и общие принципы расчета аппаратов химической технологии”,
содержание которого должно пронизывать изложение материала по всем основным
разделам курса.
Следует подчеркнуть, что последовательность расположения материала в
программе не предполагает обязательно той же последовательности его изложения
в лекционном курсе, определяемой календарным и рабочим планами учебных
3
занятий. Важно, что при составлении таких планов для всех видов занятий было бы
обеспечено отражение в них основных программных вопросов. При этом
немаловажное значение для усвоения программного материала имеет
последовательность изучения не только всего курса в целом, но и отдельных его
разделов.
Так, большую часть раздела программы “Основные закономерности“
целесообразно не только затронуть на первых лекциях, а обращаться к ним по ходу
изложения содержания других разделов курса. Например, к вопросам теории
процесса переноса, аналогии и особенности явлении переноса импульса, тепла и
массы следует привлекать внимание студентов неоднократно- при изложении теории
гидромеханических, тепловых и массообменных процессов. Это же относится к
реализации принципов составления математических описаний, анализа и расчета
процессов и аппаратов, к изложению путей их исследования и расчета, принципов их
моделирования и оптимизации в различных разделах курса. В частности, практика
показывает, что основные положения теории обобщенных переменных ( теория
подобия ) и анализа размерностей лучше усваиваются студентами при
первоначальном изложении этих вопросов с непосредственным приложением к
гидродинамическим проблемам, то есть в разделе “ Гидромеханические процессы и
аппараты “, а материал, касающийся различных аспектов структуры потоков и
распределения времени пребывания в аппаратах выигрывает с точки зрения его
практической наглядности, понимания и усвоения при первоначальном его
изложении после изучения тепловых процессов, когда студенты познакомились с
общими принципами устройства и работы теплообменных аппаратов различного
назначения - представителей типового химико-технологического оборудования.
В соответствии с учебными планами подготовки бакалавров и инженеровхимиков технологов в ТПУ на изучение курса “ Основные процессы и аппараты
химической технологии “ отводится неодинаковое число часов, которое колеблется в
довольно широком интервале: от 64 до 360 часов, в зависимости от специальностей
и формы обучения. Изучение курса предусматривается в течении 4, 5 и 6-го
семестров для студентов ФТФ и 5, 6 и 7-го семестров для студентов ХТФ очной
формы обучения. Студенты заочной формы обучения изучают курс в течении 7, 8 и
9-го семестров.
Содержание курса “ Основные процессы и аппараты химической технологии.”
Под процессами обычно понимается изменение состояния тех или иных
систем, связанных с превращением и изменением свойств входящих в них веществ, в
тех или иных условиях. Если эти условия являются природными, то процессы
называются естественными. Если условия искусственно созданы человеком, то такие
процессы называются производственными или технологическими.
Изучение технологических процессов составляет основной предмет и
задачи технологии - науки, разрабатывающей теорию и практику применения
фундаментальных законов механики, физики химии с целью их применения для
расчета и проектирования производственных процессов.
4
Современная химическая технология в своей совокупности изучает
процессы производства продуктов неорганического и органического синтеза (
кислот, щелочей, минеральных удобрений, продуктов переработки нефти и газа,
производство полимеров и т. д. ). Несмотря на большое разнообразие продуктов, их
получение связано с проведением ряда типовых процессов: перемещение жидкостей
и газов, нагревание и охлаждение, проведение массообменных процессов и т. д. Все
эти процессы в основе своей характеризуются общими законами гидромеханики,
физики, физической химии, химической кинетики, термодинамики, механики
твердых тел.
Сходство проявляется не только в описании этих процессов общими
законами, но и в аппаратурном оформлении процессов. Типовые процессы,
используемые в различных производствах, реализуются на практике и в типовых
аппаратах: теплообменные аппараты, выпарные установки, сушильные установки и
т. д., которые в большинстве случаев могут различаться только размерами.
Поэтому, выявление общих закономерностей протекания процессов,
разработка общих методов их расчета и составляет основной предмет науки о
процессах и аппаратах химической технологии. В целом успешное овладевание
данной наукой позволяет на практике будущим специалистам решать следующие
задачи:
1. Определение оптимальных режимно-технологических параметров
проведения процесса на действующих производственных установках.
2. Создание высокоэффективных и малоотходных производств с высокой
рентабельностью.
3. Проведение на высоком техническом и научно-обоснованном уровне
проектных и технологических расчетов с использованием современных средств
вычислительной техники.
4. Проведение научно-исследовательских работ с целью выявления
механизмов протекающих процессов и разработки методов их расчета с целью
внедрения результатов исследований в производство.
Введение: Предмет и задачи курса” Основные процессы и аппараты
химической технологии”.
Значение курса «Основные процессы и аппараты химической технологии» в
системе подготовки специалистов широкого профиля - бакалавров химиков и
инженеров химиков-технологов. Принципиальные особенности курса и его связь с
другими фундаментальными общетеоретическими и специальными дисциплинами.
Роль науки о процессах и аппаратах в разработке оптимальных условий проведения
процессов и создания высокоэффективной промышленной аппаратуры.
Краткие исторические сведения о развитии курса “Процессы и аппараты”
Вклад отечественных и зарубежных ученых в развитие науки о процессах и
аппаратах.
5
Основные закономерности процессов и общие принципы расчета аппаратов
химической технологии.
Классификация основных процессов химической технологии. Роль и
взаимосвязь типовых процессов в химической технологии.
Непрерывные и периодические процессы. Стационарные и нестационарные
процессы. Поля скоростей, температур
и концентраций в стационарных и
нестационарных процессах.
Теория явлений переноса в сплошных средах - основа анализа и
моделирования типовых процессов химической технологии. Перенос импульса
(количества движения), теплоты и массы. Аналогия этих процессов. Особенности
процессов переноса в жидкостях и твердых телах. Молекулярный и турбулентный
перенос. Перенос через границу раздела фаз. Понятие о межфазной границе и ее
гидродинамическом состоянии. Влияние гидродинамической структуры потоков на
процессы межфазного переноса.
Основные принципы составления математических описаний, анализа и
расчета типовых процессов и аппаратов. Балансы количества движения, теплоты и
массы. Дифференциальные уравнения, описывающие поля скоростей, температур и
концентраций. Аналогия между ними. Методы анализа этих уравнений. Начальные и
граничные условия и их физическое содержание. Условия равновесия и определение
направления процесса переноса. Движущие силы и кинетические коэффициенты
процессов переноса. Понятие о лимитирующих стадиях скорости процесса переноса.
Общий вид уравнений скорости процессов переноса. Цель и задачи инженерного
расчета аппаратов.
Основные методы исследования типовых процессов и аппаратов
химической технологии. Место и роль теоретических и экспериментальных
исследований в задачах химической технологии. Системный подход к изучению и
созданию новых процессов и аппаратов. Исследование механизмов процессов на
микро- и макроуровнях.
Основы теории обобщенных переменных ( теория подобия) и теории
анализа размерностей, принципы физического моделирования. Подобие и аналогия
физических явлений и процессов. Основные теоремы подобия и их практическое
применение при решении задач гидромеханики, тепловых и массообменных
процессов.
Математическое моделирование. Статистические и детерминированные
модели и принципы их составления и получения. Использование компьютерной
техники при моделировании. Сравнительная характеристика физического и
математического моделирования при решении химико-технологических задач:
анализ и выявление механизмов протекания процессов, решение проектных задач и
оптимизация режимно-технологических и конструктивных параметров процессов.
Гидромеханические процессы и аппараты.
Основы гидравлики. Введение в гидравлику. Основные понятия. термины и
определения: гидродинамическое понятие точки, элементарного объема,
6
элементарной поверхности, элементарной частицы. Классификация действующих
сил. Скалярные и векторные величины. Понятие о градиенте. Представление о
жидкостях как о сплошных средах. Основные физические свойства жидкостей:
сжимаемость, свойство жидкости к расширению,
поверхностное натяжение,
плотность и удельный вес, вязкость жидкостей. Понятие о критических параметрах:
температуре и давлении.
Гидростатика.
Основные задачи гидростатики. Абсолютный и
относительный покой. Основные законы гидростатики и известные их формы
записи: дифференциальное уравнение равновесия Эйзера, закон гидростатики и
закон Паскаля, уравнение поверхности уровня. Практическое приложение основных
законов гидростатики.
Гидродинамика. Внутренняя и внешняя задачи гидродинамики. Смешанная
задача. Поле скоростей. Идеальные и реальные жидкости. Закон внутреннего трения
Ньютона . Вязкость жидкости и ее физическая сущность-перенос количества
движения. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Реология жидкостей.
Гидродинамические режимы течения жидкостей в условиях внутренней и
внешней задачи гидродинамики. Число Рейнольдса. Понятие о характерном
геометрическом размере ( гидравлический радиус, эквивалентный диаметр и др.).
Структура ламинарного и турбулентного потоков.
Основные уравнения гидродинамики. Уравнение неразрывности потока и
уравнение движения жидкости Навье-Стокса и известные формы их записи.
Способы совместного решения уравнений неразрывности потока и уравнения
движения Навье-Стокса. Основные закономерности ламинарных и турбулентных
потоков для ньютоновских и неньютоновских жидкостей: распределение скоростей
и напряжений. Пленочное течение жидкостей.
Объемный и массовый расход жидкости. Уравнение Бернулли для реальных
жидкостей Расход энергии на транспортировку жидкостей.
Решение уравнения Навьье-Стокса с помощью основных теорем подобия.
Основные, производные и модифицированные критерии гидродинамического
подобия. Приближенное моделирование процессов.
Гидравлическое сопротивление трубопроводов и аппаратов. Потери
давления на трение и местные сопротивления и их расчет. Особенности течения
неньютоновских жидкостей и определение напора для них. Гидравлическое
сопротивление типовых тепло и массообменных аппаратов.
Движение тел в сплошных средах. Сопротивление движению тела при
различных гидродинамических режимах. Основы теории осаждения. Расчет
скорости свободного и стесненного осаждения частиц в поле действия массовых
сил. Обтекание тела потоком.
Движение жидкостей через неподвижные зернистые слои и пористые
перегородки. Значение гидродинамики зернистых слоев в процессах химической
технологии. Основные характеристики этих слоев: дисперсность, удельная
поверхность, эквивалентный диаметр каналов. Расчет гидравлического
7
сопротивления слоя. Гидравлическое сопротивление слоев насадок промышленных
массо- и теплообменных аппаратов.
Гидродинамика псевдоожиженных ( кипящих) зернистых слоев. Основные
характеристики псевдоожиженного состояния слоя. Гидравлическое сопротивление.
Расчет скоростей псевдоожижения, витания и уноса. Однородное и неоднородное
псевдоожижение. Пневмо- и гидротранспорт зернистых и твердых материалов.
Элементы гидродинамики двухфазовых потоков в системах газ( пар) жидкость и жидкость-жидкость. Классификация двухфазных потоков. Взаимное
направление движения фаз. Относительная скорость движения. Поверхностные (
межфазные) явления. Расчет гидравлического сопротивления при движении
двухфазных потоков в аппаратах. Движение газа через слой жидкости. Движение
капель жидкости в жидкости и газе. Методы диспергирования газов и жидкостей.
Основные характеристики пен и эмульсий. Свободное и стесненное движение
пузырей и капель.
Структура потоков и распределение времени их пребывания в аппаратах.
Поля скоростей и распределение ( структура) потоков при их движениях в
промышленных аппаратах. Оценка степени перемешивания по распределению
времени пребывания. Сигнал и отклик системы. Дифференциальные и интегральные
функции распределения и экспериментальные методы их установления. Модели
идеального вытеснения и идеального смешения. Физическое представление о
моделях и их математическая интерпретация. Продольное (аксиальное) и
поперечное (радиальное) перемешивание. Диффузионная и ячеечная модели.
Понятие о гидравлическом моделировании промышленных аппаратов.
Неоднородные системы и гидромеханические процессы их разделения
Классификация неоднородных систем и методов их разделения. Особое значение
способов и эффективности их разделения при решении экологических проблем
современного производства. Принципы выбора и оценки эффективности методов
разделения. Материальный баланс процесса разделения.
Разделение осаждением в поле действия гравитационных сил ( отстаивание).
Физико-химические основы процесса отстаивания и основные методы расчета.
Принципы устройства сгустителей и пылеосадительных камер.
Разделение осаждением в поле действия ц/б сил. Основные характеристики
и принципы создания ц/б поля. Фактор разделения. Циклонирование и
центрифугирование. Основные типовые конструкции циклонов и осадительных
центрифуг. Теория расчета процессов разделения неоднородных систем осаждением
в ц/б поле.
Разделение неоднородных систем фильтрованием. Физическая сущность,
виды и методы фильтрования. Способы создания движущей силы процесса.
Фильтрование суспензий и очистка
газов на фильтрах. Вывод уравнения
фильтрования на основе совместного решения уравнений движения Навье-Стокса и
неразрывности потока. Фильтрование при постоянной разности давлений и
постоянной скорости процесса. Использование уравнений фильтрования на
практике. Фильтровальные перегородки и требования, предъявляемые к ним.
8
Принципиальные устройства фильтров, работающих в непрерывном и
периодическом режимах под давлением и вакуумом. Фильтрование в ц/б поле.
Особенности процесса и основные типовые конструкции фильтрующих центрифуг.
Разделение неоднородных систем в электрическом поле. Механизм
процесса разделения. Электродегидраторы для разделения жидких неоднородных
систем и электрофильтры для разделения газов и аэрозолей.
Мокрая очистка запыленных газов. Конструктивные типы мокрых
пылеуловителей (насадочные, пенные, струйные и др.).
Интенсификация процессов разделения неоднородных систем и тенденции
совершенствования их аппаратурного оформления.
Перемешивание в жидких средах. Технические способы получения
однородных и неоднородных смесей. Виды перемешивания. Эффективность и
интенсивность перемешивания и методы их оценки. Гидродинамические структуры
потоков в аппаратах с перемешиванием. Расчет мощности на механическое
перемешивание. Конструкции мешалок, их характеристики, выбор и области
применения. Пневматическое перемешивание. Определение давления и расхода газа.
Циркуляционное и другие виды перемешивания. Основные пути интенсификации
перемешивания в жидких средах.
Перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов. Перемещение
жидкостей. Классификация насосов и основные их параметры: производительность,
напор, мощность, к.п.д. Процессы всасывания и нагнетания. Графики подачи.
Формулы пропорциональности. Работа насоса на сеть и его рабочая точка. Пуск и
остановка насоса. Сравнительная характеристика основных типов насосов и области
их применения. Подбор насоса. Конструкции насосов: поршневые, ц/б, осевые,
шестеренчатые, винтовые и др.
Сжатие и перемещение газов. Принцип действия и классификация машин
для сжатия и перемещения газов. P-V диаграмма. Объемный к.п.д. и
производительность. Многоступенчатое сжатие. Пуск и остановка машины.
Конструкции машин: поршневые, ц/б, осевые, струйные и др. Сравнительная
характеристика машин для сжатия и области применеия.Выбор конструктивного
типа машин.
Тепловые процессы и аппараты.
Теплопередача в химической аппаратуре. Значение процессов теплообмена
в химической промышленности. Стационарный и нестационарный процесс переноса
теплоты. Основные понятия и определения (температурное поле, температурной
градиент, тепловой поток). Механизм переноса тепла (теплопроводность, конвекция,
излучение). Тепловые балансы.
Теплопроводность. Теплопроводность и температуропроводность твердых
материалов, жидкостей и газов. Закон Фурье и дифференциальное уравнение
теплопроводности. Решения дифференциального уравнения теплопроводности для
плоской, цилиндрической и сферической стенок при установившемся режиме
9
процесса. Нестационарная теплопроводность. Основные задачи и принципы их
решения.
Конвективный перенос теплоты. Естественная и вынужденная конвекция.
Уравнение теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи и движущая сила. Механизмы
поперечного и продольного конвективного переноса в ламинарном и турбулентном
потоках. Тепловой пограничный слой. Дифференциальное уравнение конвективного
переноса теплоты (уравнение Фурье-Кирхгоффа). Решение уравнения ФурьеКирхгоффа с использованием основных положений теории подобия.
Основные критерии теплового подобия и их физический смысл. Общий вид
уравнения связи между критериями гидродинамического и теплового подобия для
решения задач конвективного теплообмена.
Теплоотдача в условиях вынужденной и естественной конвекции без
изменения агрегатного состояния теплоносителей для внутренней и внешней задач
гидродинамики.
Теплоотдача в условиях пленочного движения теплоносителей.
Теплоотдача при изменении агрегатного состояния теплоносителей: кипение
жидкостей и конденсации паров (вывод уравнения для расчета коэффициента
теплоотдачи при пленочной конденсации паров как пример аналитического решения
вопроса совместного решения уравнений неразрывности потока,
движения
жидкости Навье-Стокса и конвективного теплообмена Фурье-Киргоффа).
Теплообмен излучением. Физические основы лучистого теплообмена и
основные законы (Планка, Вина, Кирхгоффа, Стефана-Больцмана). Использование
лучистого теплообмена на практике. Способы расчета. Совместный перенос тепла
конвекцией и излучением. Расчет тепловой изоляции.
Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент
теплопередачи. Связь между коэффициентом теплопередачи и коэффициентами
теплоотдачи. Распределение температур вдоль поверхности теплопередачи.
Движущая сила процесса (средняя разность температур теплоносителей). Взаимное
направление движения теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток,
перекрестный ток), его оптимальный выбор и влияние на среднюю разность
температур. Влияние гидродинамической структуры потоков на среднюю движущую
силу процесса теплопередачи.
Понятие о нестационарном процессе переноса тепла. Основы расчета
теплопередачи в нестационарных процессах. Определение времени, необходимого
для
нагрева или охлаждения теплоносителей до заданной температуры.
Определение поверхности теплопередачи при переменном значении коэффициента
теплопередачи
(графическое интегрирование дифференциального уравнения
теплопередачи).
Теплопередача
при
непосредственном
соприкосновении
теплоносителей.
Математические модели процессов переноса тепла в теплообменной
аппаратуре.
Промышленные способы подвода и отвода тепла в химической аппаратуре.
Классификация промышленных способов подвода и отвода тепла. Требования,
10
предъявляемые к теплоносителям, их сравнительные характеристики и области
применения. Определение требуемого расхода теплоносителей.
Обогрев водяным паром и высокотемпературными органическими
теплоносителями (ВОТ), водой, и другими жидкостями; схемы установок.
Нагревание топочными газами. Использование технологических установок и
отходящих газов в качестве теплоносителей. Способы нагревания электрическим
током.
Отвод тепла водой, воздухом и низкотемпературными теплоносителями.
Водооборотные циклы химических производств.
Теплообменные
аппараты,
их
классификация.
Поверхностные
теплообменники (змеевиковые, кожухотрубчатые, с оребренными поверхностями,
пластинчатые, спиральные и др.). Смесительные (контактные) теплообменники
(конденсаторы смешения, аппараты с барботажем пара и газа, с погруженными
горелками и др.). Регенеративные теплообменники. Сравнительная характеристика,
принцип выбора и области применения теплообменных аппаратов различных
конструкций. Основные тенденции совершенствования конструкций теплообменных
аппаратов.
Основы расчета теплообменников и оптимальных режимов их работы.
Поверочный расчет теплообменных аппаратов. Использование ЭВМ при
оптимальном проектировании теплообменных аппаратов.
Искусственное охлаждение. Значение и использование техники низких
температур в химической промышленности. Основные способы получения
искусственного холода. Умеренное и глубокое охлаждение. Обратный цикл Карно.
Основные схемы холодильных установок с детандированием и дросселированием
газов. Холодопроизводительность. Цикл Капицы. Хладоагенты и требования,
предъявляемые к ним.
Выпаривание. Назначение и физико-химическая сущность процессов
выпаривания. Движущая сила процесса выпаривания. Однократный и многократный
процесс выпаривания. Материальный и тепловой балансы процессов. Располагаемая
и
общая полезная разность температур выпарных установок и принципы
распределения ее по корпусам. Основные типы выпарных аппаратов с естественной
и принудительной циркуляцией растворов. Теплопередача в выпарных аппаратах.
Движущая сила процесса. Природа температурных потерь и их влияние на
движущую силу процесса. Особенности процессов теплопередачи и теплоотдачи в
выпарных аппаратах с учетом изменения физико-химических свойств растворов.
Основные принципы оптимизации конструктивного оформления процессов
выпаривания и повышения эффективности их работы. Цель и методика расчета
выпарных установок.
Массообменные процессы и аппараты
Место и роль массообмена в химической технологии. Классификация и
общая характеристика. Современная роль этих процессов в задачах охраны
окружающей среды.
11
Основы теории массопередачи.
Статика массообменных процессов. Задачи статики. Способы выражения
составов фаз.
Законы фазового равновесия. Коэффициент распределения.
Материальный
баланс
и
уравнения рабочих линий при прямоточном,
противоточном и перекрестном движении фаз.
Направление процессов
массопереноса, их обратимость.
Кинетика массообменных процессов. Задачи кинетики. Основные понятия.
Механизмы переноса массы. Молекулярная диффузия. Законы диффузии (законы
Фика). Коэффициенты молекулярной диффузии. Дифференциальное уравнение
переноса массы в потоке. Турбулентная диффузия. Диффузионный пограничный
слой. Теоретические модели переноса массы (пленочная, пограничного слоя,
обновления поверхности и др.).
Уравнение массоотдачи.
Движущая сила процесса. Преобразование
дифференциального уравнения переноса массы и получение обобщенных
переменных. Основные критерии диффузионного подобия и их физический смысл.
Обобщенное уравнение массоотдачи.
Массопередача. Основное уравнение массопередачи. Коэффициенты
массопередачи и их выражения. Связь между коэффициентами массопередачи и
коэффициентами массоотдачи. Средняя движущая сила процесса массопередачи.
Влияние гидродинамической структуры потоков на величину средней движущей
силы массопередачи.
Аналогия между процессами тепло- и массопереноса в химической
аппаратуре.
Общие методы интенсификации процесса массопередачи. Роль и значение
гидродинамики процесса.
Принципы построения математических моделей массообменных процессов.
Особенности массопередачи в системах с твердой фазой. Физические
модели и механизмы переноса массы в твердых телах. Нестационарность
массопереноса в твердых телах. Расчет скорости процесса и определение его
лимитирующей стадии. Способы интенсификации массопередачи в системах с
твердой фазой.
Основы расчета массообменных аппаратов. Непрерывный и ступенчатый
контакт фаз в массообменных аппаратах. Расчет рабочей высоты массообменных
аппаратов.
Аппараты с непрерывным контактом фаз (насадочные, пленочные). Число
единиц переноса. Высота единиц переноса. Способы расчета единиц переноса:
графическое интегрирование, аналитический расчет.
Аппарат со ступенчатым контактом фаз (тарельчатые). Ступень изменения
концентрации (теоретическая тарелка). Коэффициент обогащения. Коэффициент
полезного действия колонного аппарата. Кинетическая кривая. Графоаналитический расчет числа тарелок.
12
Расчет диаметра массообменных аппаратов. Различные гидродинамические
режимы работы насадочных и тарельчатых аппаратов. Выбор рабочей и предельнодопустимой скорости движения сплошной фазы.
Основные пути интенсификации массообменных процессов со свободной
раздела фаз.
Процессы массообмена в системах со свободной границей раздела фаз (система
газ (пар) - жидкость).
Абсорбция.
Характеристика процесса и области его применения. Выбор абсорбента.
Физическая абсорбция и абсорбция,
сопровождаемая химической реакцией
(хемосорбция).
Равновесие между фазами. Влияние температуры и давления на равновесие.
Материальный баланс и уравнение рабочей линии. Удельный расход абсорбента, его
минимальное и экономически оптимальное значение. Тепловой баланс процесса
неизотермической абсорбции. Методы отвода тепла. Многокомпонентная
абсорбция. Математическая модель процесса абсорбции в насадочном аппарате.
Использование ЭВМ при расчете абсорбции.
Десорбция и способы ее проведения. Принципиальная схема абсорбционнодесорбционных установок.
Абсорберы. Классификация. Пленочные и насадочные колонны, виды
насадок, их характеристики и принцип выбора; основные конструкции тарелок
(колпачковые, клапанные, ситчатые, провальные, с однонаправленным движением
фаз и др.). Абсорберы с разбрызгиванием жидкости.
Сравнительная характеристика и области применения аппаратов различных
конструкций. Основные тенденции их совершенствования. Принципы выбора
контактных устройств и оптимальных режимов их работы.
Дистилляция. (простая и сложная перегонка). Физико-химическая сущность
процессов массопередачи в системе пар-жидкость. Использование процессов
дистилляции в химической промышленности. Основные типы бинарных смесей.
Законы Коновалова и Вревского. Диаграммы состояния (t-x-y и y-x диаграммы
бинарных смесей), энтальпийные диаграммы.
Простая и фракционная дистилляция (перегонка). Материальный баланс
простой перегонки. Расчет выхода продукта и среднего его состава. Перегонка под
вакуумом. Молекулярная дистилляция. Перегонка с водяным паром и в токе
инертного носителя.
Ректификация. Определение и физические основы ректификационного
разделения жидких смесей. Схемы установок для непрерывной и периодической
ректификации бинарных смесей. Материальный и тепловой балансы. Уравнения
линий рабочих концентраций. Флегмовое число, пределы его изменения и влияния
на характеристики процесса ректификации. Способы ввода исходной смеси в
ректификационную колонну. Способы создания потоков пара и флегмы в
промышленных установках. Основные методы расчета процесса непрерывной
13
ректификации (аналитический расчет, графоаналитический метод расчета с
использованием У-Х и энтальпийной диаграмм. Математическая модель процесса
непрерывной ректификации в тарельчатом аппарате. Периодическая ректификация
бинарных смесей. Варианты проведения процесса при переменном и постоянном
составе дистиллята.
Принципы анализа и расчета ректификации многокомпонентных смесей.
Применение ЭВМ для расчета.
Экстрактивная и азеотропная ректификация. Физико-химические основы
этих процессов. Разделение смесей с близкими температурами кипения и
азеотропных смесей.
Понятие о солевой ректификации.
Использование низких температур для разделения парогазовых и газовых
смесей. Ректификация жидкого воздуха.
Особенности конструктивного оформления ректификационных аппаратов и
установок.
Экстракция. Характеристика процесса и области его применения.
Физические основы и принципы выбора экстрагента. Физическая экстракция и
экстракция, сопровождаемая химической реакцией. Условия равновесия для систем
с различной взаимной растворимостью. Материальный баланс. Определение расхода
экстрагента. Одноступенчатая и многоступенчатая противоточная экстракция.
Графо-аналитические расчеты противоточной многоступенчатой экстракции.
Математическая модель процесса экстракции в аппарате колонного типа. Методы
регенерации экстрагентов.
Экстракторы. Классификация,
основные конструктивные типы
(смесительно-отстойные, колонные, с подводом энергии и др.). Сравнительная
характеристика и выбор типа аппарата. Пути совершенствования их конструкции.
Расчет основных размеров экстрактов.
Процессы массообмена с фиксированной границей раздела фаз (система газ
(жидкость) - твердое тело).
Адсорбция. Характеристика процесса и области его применения для
разделения и выделения веществ из газовых, паровых и жидких смесей.
Промышленные адсорбенты, их основные свойства и области применения.
Основные модели равновесия при адсорбции. Изотерма адсорбции. Тепловой
эффект адсорбции. Неизотермическая адсорбция. Материальный беланс адсорбции.
Динамическая активность адсорбента. Формирование и перенос
концентрационного фронта, зона массопередачи, время защитного действия слоя.
Пути интенсификации адсорбционных процессов. Математическая модель процесса
адсорбции в зернистом слое адсорбента.
Методика расчета аппаратов с неподвижным слоем адсорбента.
Десорбция, способы ее проведения.
Адсорберы. Классификация и общие принципы устройства. Аппараты с
неподвижным и взвешенным слоем, с плотным движущимся слоем. Сравнительные
14
характеристики и принципы выбора типа аппарата. Тенденции совершенствования
адсорбционной аппаратуры.
Принципиальные схемы адсорбционно-десорбционных установок.
Ионный обмен. Характеристика процесса и области применения.
Ионообменные материалы,
классификация, основные свойства и области
применения.
Основные теории ионного обмена. Равновесие, механизм и кинетика
процесса. Электродиффузионный потенциал. Методика расчета ионообменного
аппарата с неподвижным слоем ионита.
Математическая модель процесса в неподвижном слое.
Особенности конструктивного оформления аппаратов для проведения
ионного обмена. Принципиальные схемы для ионообменных установок.
Сушка. Общая характеристика процесса и области его применения.
Состояние высушиваемых материалов. Равновесная и свободная влажность. Методы
сушки (конвективная, контактная, специальная).
Конвективная сушка. Статика процесса. Характеристики влажного воздуха.
Диаграмма I-Х состояния влажного воздуха (диаграмма Рамзина).
Материальный и тепловой балансы. Удельные расходы воздуха и тепла.
Теоретическая и действительная сушилка. Основные варианты конвективной сушки,
их изображение и анализ на I-Х диаграмме.
Кинетика процесса сушки. Тепло- и массообмен между воздухом и
материалом. Типовые кинетические кривые сушки. Периоды постоянной и
падающей скоростей. Критическое влагосодержание. Уравнение скорости сушки и
его константы. Пути интенсификации и повышения экономичности процесса
конвективной сушки. Математическая модель процесса конвективной сушки.
Основные конструкции конвективных сушилок. Их классификация, сравнительная
оценка и выбор тенденции развития и совершенствования сушильных аппаратов.
Контактная сушилка. Материальный и тепловой баланс. Сушка под вакуумом.
Расход тепла. Типовые конструкции сушилок.
Сублимацинная сушка. Сушка инфракрасными лучами (радиационная).
Сушка токами высокой частоты. Сушка со спутником.
Экстрагирование и растворение. Общая характеристика экстрагирования и
растворения, области их применения. Физическое растворение и выщелачивание при
наличии химической реакции. Условия равновесия, материальный баланс.
Особенности кинетики. Основные кинетические уравнения. Математические модели
процессов экстрагирования и растворения.
Аппаратурное оформление процессов. Классификация, области применения,
сравнение, выбор. Типовые конструкции (с неподвижным, движущимся,
взвешенным слоем, механическим перемешиванием и др.).
Методика расчета аппаратов со взвешенным слоем и механическим
перемешиванием.
Интенсификация процессов и тенденции совершенствования их
аппаратурного оформления.
15
Принципиальные схемы установок.
Кристаллизация из растворов и расплавов. Общая характеристика процессов
и области их применения. Методы кристаллизации и их классификация: с
охлаждением раствора или расплава, с удалением части растворителя из раствора,
комбинированные методы. Способы охлаждения растворов (через стенку,
испарительное под вакуумом). Адиабатная вакуум-кристаллизация. Материальный и
тепловой баланс кристаллизации, определение расхода охлаждающего агента и
затрат энергии. Основы кинетики кристаллизации. Скорости образования и роста
кристаллов. Влияние условий кристаллизации на скорость процесса и
характеристики кристаллов. Методика расчета кристаллизатора. Математическая
модель процессов кристаллизации в аппарате колонного типа.
Пути интенсификации процесса.
Кристаллизаторы: с охлаждением раствора (аппараты с мешалками,
вальцовые), с воздушным испарением и испарением под вакуумом, с
псевдоожиженным слоем. Сравнительные характеристики и области применения
кристаллизаторов различных конструкций, основные принципы их выбора и
тенденции совершенствования конструкций.
Мембранные процессы. Классификация мембранных процессов. Обратный
осмос, ультрафильтрация, диализ, электродиализ, испарение через мембрану,
диффузионное разделение газов. Роль, значение и области применения мембранных
процессов в современной науке и технике. Типы мембран (пористые, непористые
перегородки) их основные свойства и характеристики. Механизмы переноса через
пористые и непористые перегородки при разделении газовых и жидких смесей.
Кинетика мембранных процессов. Основные кинетические уравнения. Методика
расчета мембранных процессов и аппаратов. Пути интенсификации процессов
массообмена через мембраны.
Аппаратура. Классификация и основные конструктивные типы:
(плоскорамные, рулонные, трубчатые, с полыми волокнами). Принципиальные
схемы мембранных установок.
Механические процессы и аппараты
Общие представления о механических процессах: измельчение,
классификация, дозирование, смешивание, процессы гранулирования (формования).
Измельчение. Сущность и назначение процессов измельчения. Сухой и
мокрый способы измельчения. Степень измельчения. Основные типы машин для
крупного, среднего и тонкого измельчения.
Классификация и перемешивание твердых материалов. Сущность и
основные методы классификации по крупности. Сита и ситовый анализ. Основные
типы машин для классификации: грохота, триеры, воздушные сепараторы. Машины
для дозирования и перемешивания твердых материалов: объемные и весовые
дозаторы, ленточные, шнековые и др. транспортеры. Пневмотранспорт.
16
Гранулирование. Назначение процессов гранулирования. Основные
способы: таблетирование (прессование), экструдирование и гранулирование
окатыванием. Основные типы гранулирующих устройств.
Заключение
Современные проблемы химической технологии. Проблемы масштабного
перехода и интенсификации. Увеличение мощности единичных аппаратов. Новые
процессы и аппараты. Развитие методов кибернетики применительно к задачам
анализа и синтеза химико-технологических систем.
Основные темы практических занятий
1. Гидромеханические процессы. Основные системы единиц измерений,
система СИ. Основные физические свойства жидкостей и газов (способы
определения и расчета).
2. Основы гидравлики. Практическое применение законов гидростатики:
определение давления в точке объема покоящейся жидкости, сила давления на дно и
стенки сосудов,
практическое измерение пьезометрического (статического)
давления.
3. Гидродинамика. Практическое применение законов гидродинамики
(уравнение неразрывности потоков, уравнение Навье-Стокса) определение
скоростей течения жидкостей, расчет гидродинамических режимов течения в
условиях внутренней и внешних задач гидродинамики.
4. Гидравлическое сопротивление трубопроводов и аппаратов. Расчет
гидравлического сопротивления и подбор насосов и вентиляторов.
5. Разделение неоднородных систем. Осаждение под действием
гравитационных сил.
6. Разделение осаждением в ц/б полях.
7. Разделение неоднородных систем фильтрованием
8. Тепловые процессы. Основные теплофизические свойства веществ:
теплоемкость, энтальпия, теплота фазового перехода, теплопроводность. Тепловые
балансы.
9. Расчет процесса передачи теплоты теплопроводностью.
10. Расчет процесса конвективного теплообмена в условиях без изменения
агрегатного состояния теплоносителей.
11. Расчет процесса конвективного теплообмена в условиях изменения
агрегатного состояния теплоносителей.
12. Теплопередача. Расчет скорости процесса теплопередачи и определение
необходимой поверхности.
13. Выпаривание. Материальный и тепловой балансы процесса.
Определение температурных потерь.
17
14. Массообменные процессы. Способы выражения состава фаз. Расчет
линий равновесия в системах газ+жидкость и пар+жидкость (практическое
применение правила фаз Гиббса, законов Дальтона, Генри, Рауля).
15. Абсорбция. Материальный баланс, расчет движущей силы процесса,
определение расхода абсорбента.
16. Определение основных геометрических размеров абсорберов.
17. Перегонка и ректификация. Технологический процесса: материальный
баланс, определение оптимального флегмового числа, расчет и построение линий
равновесия и рабочих линий процесса.
18. Определение основных геометрических размеров ректификационной
колонны.
19. Сушка. Основные параметры состояния влажного воздуха. I-Х
диаграмма влажного воздуха и ее практическое использование.
20. Материальный и тепловой балансы сушильных установок.
Список лабораторного практикума
1. Определение гидравлических сопротивлений трубопровода.
2. Исследование гидравлики взвешенного слоя.
3. Изучение работы циклона-пылеуловителя.
4. Исследование работы лабораторного фильтр-пресса.
5. Изучение процесса теплопередачи в теплообменнике "труба в трубе".
6. Исследование процесса теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике.
7. Испытание выпарного аппарата.
8. Испытание выпарного аппарата с прямым электрическим нагревателем.
9. Испытание ректификационной колонны периодического действия.
10. Испытание ректификационной колонны непрерывного действия.
11. Исследование кинетики процесса сушки материалов.
12. Определение коэффициента испарения при сушке.
Самостоятельная работа
Основные темы расчетных заданий
1. Расчет теплообменников- конденсаторов.
2. Расчет теплообменников-холодильников.
3. Расчет выпарных установок.
4. Расчет процесса непрерывной ректификации.
Выполнение расчетных индивидуальных заданий проводится во
внеаудиторное время с использованием компьютерной техники по обучающим
программам, работающих в диалоговом режиме. Основное содержание расчетных
работ: - главным образом технологический расчет установок (расчет статики и
кинетики процессов с определением основных режимно-технологических и
конструктивных параметров). Общий объем внеаудиторной самостоятельной работы
составляет до 50% объема лабораторно-практических занятий, что соответствует 6070 часам.
18
Курсовое проектирование
Темы курсовых проектов:
1. Расчет теплообменных аппаратов.
2. Расчет выпарных установок.
3. Расчет абсорбционных установок.
4. Расчет ректификационных установок.
5. Расчет сушилок.
Основное содержание курсовых проектов:
- Введение (технико-экономическое обоснование).
- Технологический расчет (материальный и тепловой расчеты, определение
основных геометрических размеров).
- Конструктивно-механический расчет.
- Гидравлический расчет.
- Расчет тепловой изоляции.
- Контроль и автоматическое регулирование параметров процесса.
Литература
Основная
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9е изд. -М: Химия, 1973 -750с.
2. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии.
- М.: Химия, 1981. Кн. 1 и 2 . 812с.
3. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии:
Учебник для вузов. Изд. 2-е в 2-х книгах. М.: Химия, 1995.
4. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу
процессов и аппаратов химической технологии. 9-е изд.Л.: Химия, 1981.-560с.
5. Основные процессы и аппараты (пособие по проектированию). Под
редакцией Ю.И. Дытнерского.- М.: Химия, 1983.-272с.
6. Руководство к практическим занятиям по лаборатории процессов и
аппаратов химической технологии. Под ред. П.Г. Романкова. 5-е изд.- Л.: Химия,
1979.-256с.
Дополнительная
1. ПлановскийА.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и
нефтехимической технологии, 2-е изд.-М.:Химия, 1972. -496с.
2. Берд Р., Стьюарт В., Лаитфут Е. Явление перноса.-М.:Химия, 1974. 688с.
3. Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии.Л.: Химия, 1977.-592с.
4. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической
технологии. 3-е изд.-Л.: Химия, 1982.-288с.
19
5. Черкасский В.М., Романова Т.М., Кауль Р.А. Насосы, компрессоры, вентиляторы.
М.: Госэнергоиздат, 1968.-304с.
6. Жужиков В.А. Фильтрование.- М. Химия, 1980.-440с.
7. Соколов В.И. Центрифугирование.- М.: Химия, 1976.- 408с.
8. Штербачек З., Труск П. Перемешивание в химической промышленности.- Л.:
Госхимиздат, 1963.-416с.
9. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. 4-е изд.-М.: Энергия,
1981.
10. Кафаров В.В. Основы масопередачи.- М.: Высшая школа, 1979.-439с.
11. Рамм В.М. Абсорбция газов.- М.:Химия,1976.-655с.
12. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. М.:
Химия,19778.-280с.
13. Ягодин Г.А., Каган С.З., Тарасов В.В. и др. Основы жидкостной экстракции.М.:Химия,1981.-400с.
14. Гельперин Н.И., Пебалк В.Л., Костанян А.Е. Структура потоков и эффективность
колонных аппаратов химической промышленности.
15. Аксельруд Г.А., Молчанов А.Д. Растворение твердых веществ.- М.: Химия,
1977.-272с.
16. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники.- М.: Химия,1976.-512с.
17. Синевин М.М. Ионный обмен в технологии и анализе неорганических веществ.М.:Химия,1980.-272с.
18 Лыков М.В. Сушка в химической промышленности.- М.: Химия, 1970.-432с.
19. Матусевич Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности.М..:Химия,1968.-304с.
20. Гельперин Н.И., Носов Г.А. Основы техники кристаллизации расплавов.М.:Химия,1975.-352с.
21. Хван С.Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения.-М.:Химия,1981.464с.
22. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация.- М.: Химия, 1978.- 252с
Программа составлена на основании типовой программы «Основные процессы и
аппараты химических производств».
Составитель:
к.т.н., доцент В.П. Гусев
Рецензент:
д.т.н., профессор В.И. Косинцев
20
Подписано к печати
. .2009. Формат 60х84/16.
Бумага «Снегурочка».
Печать Xerox. Усл. печ. л. 0,67. Уч.-изд. л. 0,58.
Заказ
. Тираж
экз.
Томский политехнический университет
Система менеджмента качества
Томского политехнического
университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по
стандарту ISO 9001:2000
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
21