Тепловые процессы и аппараты химической технологии. Программа модуля «Тепловые процессы. Основные термины и понятия

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

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

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

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

Движущей силой является разность температур между более и менее нагретыми телами

Тела , участвующие в теплообмене, называются теплоносителями

Различают три способа распространения тепла:

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

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

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

В зависимости от целей технологии происходят следующие тепловые процессы:

а) нагревание и охлаждение однофазных и многофазных сред;

б) конденсация паров химически однородных жидкостей и их смесей;

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

г) кипение жидкостей.

Передача тепла теплопроводностью

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

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

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

λ – теплопроводность тела, Вт/(м·К)

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

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

Перенос тепла происходит одновременно конвекцией и теплопроводностью.

По природе возникновения различают 2 вида конвекции:

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

вынужденная возникает при работе насоса, вентилятора

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

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

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

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

Тепловое подобие

критерий Нуссельта:

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

Критериальное уравнение конвективного теплообмена

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

Закон излучения Кирхгофа

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

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

Теплопередача через плоскую стенку

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

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

Примем, что процесс теплоотдачи установившийся.

Движущая сила теплообменных процессов

Движущей силой процесса теплообмена является разность температур теплоносителей

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

Для прямотока:

В зависимости от закономерностей , характеризующих протекание, процессы химической технологии делят на пять основных групп.

1. Механические процессы , скорость которых связана с законами физики твёрдого тела. К ним относятся: измельчение, классификация, дозирование и смешение твёрдых сыпучих материалов.

2. Гидромеханические процессы , скорость протекания которых определяется законами гидромеханики. К ним относятся: сжатие и перемещение газов, перемещения жидкостей, твердых материалов, осаждение, фильтрование, перемешивание в жидкой фазе, псевдоожижение и т. п.

3. Тепловые процессы , скорость протекания которых определяется законами теплопередачи. К ним следует отнести процессы: нагревания, выпаривания, охлаждения (естественного и искусственного), конденсации и кипения.

4. Массообменные (диффузионные) процессы , интенсивностькоторых определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка и др.

5. Химические процессы связаны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.

В соответствии с перечисленным делением процессов химические аппараты классифицируют следующим образом:

– измельчающие и классифицирующие машины;

– гидромеханические, тепловые, массообменныеаппараты;

– оборудование для осуществления химических превращений – реакторы.

По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические и непрерывные.

В периодическом процессе отдельные стадии (операции) осуществляются в одном месте (аппарате, машине), но в разное время (рис.1.1). В непрерывном процессе (рис.1.2) отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (аппаратах или машинах).

Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими, состоящими ввозможности специализации аппаратуры для каждой стадии, улучшения качества продукта, стабилизации процесса во времени, простоте регулирования, возможности автоматизации и т.п.

При проведении процессов в любом из перечисленных аппаратов изменяются значения параметров перерабатываемых материалов. Параметрами, характеризующими процесс, являются давление, температура, концентрация, плотность, скорость потока, энтальпия и др.

В зависимости от характера движения потоков и изменения параметров веществ, поступающих в аппарат, все аппараты могут быть разделены на три группы: аппараты идеального (полного ) смешения , аппараты идеального (полного ) вытеснения и аппараты промежуточного типа .

Наиболее удобно продемонстрировать особенности потока различной структуры на примере теплообменников непрерывного действия различной конструкции. На рис.1.3,а представлена схема теплообменника, работающего по принципу идеального вытеснения. Принимается, что в этом аппарате происходит «поршневое» течение потока без перемешивания. Температура одного из теплоносителй меняется по длине аппарата от начальной температуры до конечной в результате того, что протекающие через аппарат последующие объёмы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их. Температура второго теплоносителя принята постоянной (конденсирующийся пар).

В аппарате идеального смешения последующие и предыдущие объёмы жидкости идеально перемешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной (рис. 1.3,б).

В реальных аппаратах не могут быть обеспечены ни условия идеального смешения, ни идеального вытеснения. На практике можно достигнуть только достаточно близкого приближения к этим схемам, поэтому реальные аппараты – это аппараты промежуточного типа (рис. 1.3,в).

Рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса:

1 –сырье; 2 –готовый продукт;3 –пар;4 –конденсат;5 –охлаждающая вода

Рис. 1.2. Аппарат для проведения непрерывного процесса:

1– теплообменник-нагреватель; 2 – аппарат с мешалкой; 3 – теплообменник-холодильник; I –сырье; II –готовый продукт;III –пар;IV –конденсат;
V –охлаждающая вода

Рис. 1.3. Изменение температуры при нагревании жидкости в аппаратах различных типов: а – полного вытеснения; б –полного смешения; в – промежуточного типа

Движущая сила рассматриваемого процесса нагревания жидкости для любого элемента аппарата представляет разность между температурами греющего пара и нагреваемой жидкости.

Разница в протекании процессов в каждом из типов аппаратов становится особенно ясной, если рассмотреть, как изменяется движущая сила процесса в каждом из типов аппаратов. Из сравнения графиков следует, что максимальная движущая сила имеет место в аппаратах полного вытеснения, минимальная –в аппаратах полного смешения.

Следует отметить, что движущая сила процессов в непрерывно действующих аппаратах идеального смешения может быть значительноувеличена путём разделения рабочего объёма аппарата на ряд секций.

Если объём аппарата идеального смешения разделить на n аппаратов и в них провести процесс, то движущая сила увеличится (рис. 1.4).

При увеличении числа секций в аппаратах идеального смешения значение движущей силы приближается к её значению в аппаратах идеального вытеснения, и при большом числе секций (порядка 8–12) движущие силы в аппаратах того и другого типа становятся приблизительно одинаковыми.

Рис. 1.4. Изменение движущей силы процесса при секционировании

Лекция 1.

Классификация основных процессов химической технологии может быть проведена на основе различных признаков.

В зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов, различают:

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики науки о движении жидкостей и газов. К этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), а также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей

2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров. К тепловым процессам могут быть отнесены и процессы охлаждения до температур более низких, чем температура окружающей среды (процессы умеренного и глубокого охлаждения). Однако вследствие многих специфических особенностей эти процессы выделены ниже в отдельную группу холодильных процессов.

Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамнческнх условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами.

3. Массообмснные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Наиболее медленной стадией массообменных процессов является молекулярная диффузия распределяемого вещества. К этой группе процессов, описываемых законами массопередачи, относятся абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция из растворов, растворение и экстракция из пористых твердых тел, кристаллизация, адсорбция, сушка, мембранные процессы. Протекание процессов массообмена тесно связано с гидродинамическиими условиями в фазах и на границе их раздела и часто - с сопутствующими массообмену процессами теплообмена.

4. Химические (реакционные) процессы протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики. Однако химическим реакциям обычно сопутствует перенос массы и энергии, и соответственно скорость химических процессов (особенно промышленных) зависит также от гидродинамических условий. Общие закономерности протекании химических процессов и принципы устройства реакторов рассматриваются в специальной литературе".

5. Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел. Эти процессы применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для транспортирования кусковых и сыпучих материалов, К механическим процессам относится измельчение, транспортирование, сортировка (классификация) и смешение твердых веществ.

Особую группу механических процессов составляют процессы переработки химических продуктов в изделия прессование, литье, экструзия и др. Эти процессы и машины для их проведения специфичны для производств синтетических материалов и рассматриваются в специальных курсах.

По способу организации основные процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные .

Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производится одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляется в различных частях одного аппарата или же в различных аппаратах, составляющих данную установку.

Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекают непрерывно.

Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими следующие: I) нет перерывов в выпуске конечных продуктов, т. е. отсутствуют затраты времени на загрузку аппаратуры исходными материалами и выгрузку из нее продукции; 2) более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной механизации; 3) устойчивость режимов проведения и соответственно большая стабильность качества получаемых продуктов; 4) большая компактность оборудования, что сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы (на ремонты и пр.); 5) более полное использование подводимого (или отводимого) тепла при отсутствии перерывов в работе аппаратов; возможность использования (рекуперации) отходящего тепла.

Благодаря указанным достоинствам непрерывных процессов при их проведении увеличивается производительность аппаратуры, уменьшается потребность в обслуживающем персонале, улучшаются условия труда и повышается качество продукции. По этим причинам в химических производствах осуществляют преимущественно непрерывные процессы.

Периодические процессы сохраняют свое значение в производствах небольшого масштаба (в том числе в опытных), где их применение позволяет достичь большой гибкости в использовании оборудования при меньших капитальных затратах.

Процессы могут быть также классифицированы в зависимости от изменения их параметров (скоростей, температур, концентраций и др.) во времени. По этому признаку процессы делятся на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные, или переходные).

В установившихся процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс, постоянны во времени, а в неустановившихся переменны, т. е. являются функциями не только положения каждой точки в пространстве, но и времени.

Непрерывные процессы отличаются от периодических по распределению времени пребывания частиц среды в аппарате. В периодически действующем аппарате все частицы среды находятся одинаковое время, в то время как в непрерывно действующем аппарате времена пребывания их могут значительно различаться. По распределению времен пребывания и связанных с ним изменений во времени других факторов, влияющих на процесс (температур, концентраций н др.), различают две теоретических (предельных) модели аппаратов непрерывного действия: идеального вытеснения и идеального смешения .

В аппаратах идеального вытеснения все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока. Все частицы равномерно распределены по площади поперечного сечения аппарата и действуют при движении подобно твердому поршню. Время пребывания всех частиц в аппарате идеального вытеснения одинаково.

В аппаратах идеального смешении поступающие частицы сразу же полностью перемешиваются с находящимися там частицами, т. е. равномерно распределяются в объеме аппарата. В результате во всех точках объема мгновенно выравниваются значения параметров, характеризующих процесс. Время пребывания частиц в аппарате идеального смешения неодинаково.

Реальные непрерывно действующие аппараты представляют собой аппараты промежуточного типа. В них время пребывания частиц распределяется несколько более равномерно, чем в аппаратах идеального смешения, но никогда не выравнивается, как в аппаратах идеального вытеснения.

Роль тепловых процессов в химической технологии. Особенности тепловых процессов

Промышленные способы подвода и отвода тепла . Виды теплоносителей и области их применения. Нагревание водяным паром. Особенности использования насыщенного пара в качестве греющего агента, основные достоинства и область применения. Тепловые балансы при нагревании «острым» и «глухим» паром. Нагревание горячими жидкостями, достоинства и недостатки. Нагревание топочными газами. Нагревание электрическим током. Охлаждающие агенты.

Теплообменные аппараты. Классификация теплообменных аппаратов. Кожухотрубчатые теплообменники: конструкция, сравнительные характеристики. Змеевиковые теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Теплообменники с плоской поверхностью: конструкции, достоинства и недостатки. Смесительные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Регенеративные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки.

Расчет поверхностных теплообменников. Выбор теплообменных аппаратов. Проектный расчет теплообменников. Проверочный расчет теплообменников. Выбор оптимального режима теплообменных аппаратов.

Выпаривание . Назначение процесса. Классификация выпарных процессов и аппаратов. Однократное выпаривание: принцип действия, схемы, достоинства и недостатки. Многократное выпаривание: принцип действия, схемы, достоинства и недостатки. Выпаривание с тепловым насосом.

Выпарные аппараты. Классификация выпарных аппаратов. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией: конструкции, достоинства и недостатки. Пленочные выпарные аппараты: конструкции, достоинства и недостатки.

Выбор выпарных аппаратов. Расчет непрерывно действующей выпарной установки. Пути повышения экономичности выпарных установок. Назначение конденсатора, барометрической трубы, вакуум-насоса, конденсатоотводчика.

Материал, изученный в предыдущем семестре

(повторение)

Общие сведения. Виды тепловых процессов. Движущая сила. Температурное поле, температурный градиент. Стационарный и нестационарный перенос тепла. Три способа распространения тепла. Тепловой баланс.

Теплопроводность. Закон Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности: физический смысл, единицы измерения. Теплопроводность плоской, цилиндрической, однослойной и многослойной стенок.

Тепловое излучение. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа.

Конвективный перенос тепла. Механизмы продольного и поперечного конвективного переноса в ламинарном и турбулентном потоках. Температурный пограничный слой. Закон теплоотдачи Ньютона. Коэффициент теплоотдачи. Тепловое подобие: критерии теплового подобия. Критериальное уравнение конвективного теплообмена. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния (конденсация пара, кипение жидкостей).

Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Термические сопротивления. Движущая сила процесса, средний температурный напор. Выбор взаимного направления теплоносителей.

Объем модуля и виды учебных занятий

Перечень необходимых средств для выполнения

Программы модуля

Лабораторные установки

«Изучение процесса теплообмена в теплообменнике типа «труба в трубе»

«Испытание двухкорпусной выпарной установки»

3.4.2 Учебники

3.4.3 ЭВМ с соответствующим программным обеспечением (электронная экспертно-обучающая система см. Приложение Е)

План-график изучения модуля «Тепловые процессы»

План-график модуля составлен, исходя из того, что студент еженедельно 4…5 часов самостоятельно выполняет задания, и представлен в таблице 1.1.

Планы практических занятий

Основные правила проведения занятий изложены в Приложении А.

Занятие №1

Тема : Теоретические основы теплопередачи.

Цель занятия : Изучить основные закономерности процесса теплопередачи.

План проведения занятия:

– методы составления тепловых балансов

а) при изменении агрегатного состояния теплоносителя;

б) без изменения агрегатного состояния теплоносителя;

– движущая сила теплопереноса: расчет, влияние различных факторов;

– скорость теплопереноса: лимитирующие стадия и факторы, влияющие на нее;

– способы интенсификации процессов теплопереноса.

2. Решение задач: 4-40, 42, 45 .

Таблица 1.1 – План-график изучения модуля

№ недели	№ лекции	Тема лекции	Практические занятия (п. 1.6)	Лабораторные работы	Самостоятельная работа студента	Форма контроля
		Тепловые процессы и аппараты: классификация, область применения, значение в ХТ. Нагревающие агенты и способы нагрева.	Занятие №1: «Теоретические основы теплопередачи»		1. Подготовка к занятиям. 2. Повторение раздела «Основы теплопередачи»	Проверка конспектов, зарисовок схем аппаратов, устный опрос на практических занятиях, проведение и защита лабораторных работ, выполнение и защита ИРЗ, занятия с электронной экспертно-обучающей системой, модульный экзамен
		Теплообменные аппараты: классификация, достоинства и недостатки. Выбор и расчет теплообменников.	Занятие №2: «Конструкция, выбор и расчет теплообменников	1. Изучение работы теплообменника типа «труба в трубе»	1. Подготовка к занятиям (изучение литературы, составление конспектов, зарисовка схем аппаратов,
		Выпаривание: общие положения, значение в ХТ. Классификация выпарных аппаратов. Расчет однокорпусных выпарных аппаратов.	Занятие №3: «ОВУ: принцип расчета»		1. Подготовка к занятиям (изучение литературы, составление конспектов, зарисовка
		Многокорпусные выпарные установки: принцип действия, схемы. Особенности расчета. Выпарные установки с тепловым насосом.	Занятие №4: «МВУ: принцип расчета»	2. Изучение работы двухкорпусной выпарной установки	1. Подготовка к занятиям. 2. Выполнение ИРЗ
5 Консультации
5 Модульный экзамен

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 293-299, стр. 318-332.

2. Выучить определения терминов и понятий (см. Приложение Г).

3. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №1 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

капельная конденсация пара;

конвекция;

коэффициент теплопередачи;

коэффициент теплоотдачи;

коэффициент теплопроводности;

критерии теплового подобия;

лимитирующая стадия;

основное уравнение теплопередачи;

пленочная конденсация пара;

пленочное кипение;

пузырьковое кипение;

скорость тепловых процессов;

средняя разность температур;

теплообмен;

теплоотдача;

теплопередача;

теплопроводность;

термическое сопротивление системы;

удельная теплота фазовых превращений;

удельная теплоемкость.

Занятие №2

Тема : Конструкции, выбор и расчет теплообменников.

Цель занятия: Получить навыки выбора и расчета теплообменной аппаратуры.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– технические теплоносители и области их применения;

– классификация теплообменников и их выбор;

– расчет теплообменников; интенсификация работы теплообменников.

2. Решение задач: 4- 38, 44, 52 .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 333-355.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций теплообменников: рисунки №№ 13.1, 13.4, 13.6, 13.7, 13.8, 13.10, 13.13, 13.14, 13.15, 13.17, 13.18, 13.19.

4. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №2 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

водоотводчик;

водяной пар;

«глухой» пар;

критический коэффициент теплоотдачи;

критический температурный напор;

оптимизирующие факторы;

оптимизация;

«острый» пар;

поверхностные теплообменники;

пролетный водяной пар;

промежуточный теплоноситель;

проектный расчет теплообменников;

проверочный расчет теплообменников;

регенеративные теплообменники;

смесительные теплообменники;

температура точки росы.

Занятие №3

Тема: Однокорпусные выпарные установки (ОВУ).

Цель занятия: Изучить конструкции выпарных аппаратов. Получить практические навыки расчета однокорпусных выпарных установок.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– сущность процесса выпаривания, области применения. С какой целью в выпарных аппаратах создают условия для циркуляции выпариваемого раствора?

– классификация выпарных аппаратов, области применения выпарных аппаратов различных конструкций;

– негативные процессы, сопровождающие выпаривание;

– факторы, которые следует учитывать при выборе выпарного аппарата;

– расчет однокорпусных выпарных аппаратов.

2. Решение задач: 5-3, 15, 18, 21, 25 .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 359-365.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций выпарных аппаратов: рисунки №№ 14.1, 14.7, 14.8, 14.9, 14.10, 14.11.

3. Выучить определения терминов и понятий (см. Приложение Г).

4. . Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №3 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

вторичный пар;

выпаривание;

гидравлическая депрессия;

гидростатическая депрессия;

греющий пар;

ионный обмен;

концентрация вещества;

многокорпусная выпарная установка;

однокорпусная выпарная установка;

полезная разность температур;

полная депрессия;

самоиспарение;

температурная депрессия;

экстра-пар;

Занятие №4

Тема: Многокорпусные выпарные установки (МВУ).

Цель занятия: Изучить факторы, определяющие выбор схемы выпарной установки. Получить практические навыки расчета МВУ.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– сущность, области эффективного применения, различные способы повышения экономичности работы выпарных установок:

Выпарные установки с тепловым насосом;

Использование компенсирующего теплового насоса;

Отбор экстра-пара.

– факторы, определяющие выбор схемы МВУ;

– последовательность расчета МВУ.

2. Решение задач: 5-29, 30, 33, 34* .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебниках , стр. 365-374.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций выпарных аппаратов: рисунки №№ 14.2, 14.6.

3. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №4 (см. Приложение Б).

Планы лабораторных занятий

План лабораторных занятий, правила и требования к студентам при подготовке к ним, выполнении и защите лабораторных работ изложены в Приложении А данного учебного пособия, а также в учебнике .

Особая значимость лабораторных занятий при изучении модуля определяется тем, что экспериментальная часть является логическим завершением всех работ по модулю и позволяет не только подтвердить экспериментально ранее изученные базовые зависимости процессов, но и получить практические навыки работы с тепловым оборудованием.

Хорошо успевающим студентам преподаватель может предложить проведение индивидуальной научно-исследовательской работы по теме, являющейся составной частью научной проблематики кафедры, и, в случае ее успешного завершения, студенту засчитывается максимальное количество баллов по экспериментальной части модуля.

3.8 Индивидуальное расчетное задание (ИРЗ)

Целью выполнения ИРЗ является получение практических навыков анализа и расчета основных параметров и количественных характеристик тепловых процессов и аппаратов, работы с учебной и справочной литературой, оформления текстовых документов.

Последовательность работы над выполнением ИРЗ:

● этап 1 : рассмотрение физической сущности и назначения процесса, анализ задания и всех имеющихся данных для его выполнения, отсев избыточных и определение недостающих характеристик;

● этап 2 : выбор соответствующей схемы процесса и конструкции аппарата, что предполагает не только знание факторов, влияющих на технико-экономические показатели процесса, и характера этого влияния, но и умение находить оптимальное решение;

● этап 3 : расчет заданных параметров процесса и аппарата. Выполнение этого этапа следует начать с анализа и выбора метода расчета (расчетной модели). При этом особое внимание следует уделить определению области применения того или иного метода расчета и сопоставлению ее с заданными условиями;

● этап 4 : анализ полученных результатов, определение возможных путей интенсификации и совершенствования процесса и его аппаратурного оформления;

● этап 5 : оформление пояснительной записки.

Пояснительная записка к ИРЗ оформляется на стандартных листах формата А4. Текстовые материалы оформляются, как правило, рукописным способом, причем можно использовать обе стороны листа. Терминология и определения в записке должны быть едиными и соответствовать установленным стандартам, а при их отсутствии – общепринятым в научно-технической литературе. Сокращения слов в тексте и подписях, как правило, не допускаются, за исключением сокращений, установленных стандартом.

Все расчетные формулы в пояснительной записке приводятся сначала в общем виде, нумеруются, дается объяснение обозначений и размерностей всех входящих в формулу величин. Затем в формулу подставляют численные значения величин и записывают результат расчета.

Все иллюстрации (графики, схемы, чертежи) именуются рисунками, которые так же, как уравнения и таблицы нумеруются.

Подписи под рисунками и названиями таблиц должны быть краткими.

В списке использованной литературы источники, на которые ссылаются в пояснительной записке, располагаются в порядке упоминания их в тексте или по алфавиту (по фамилии первого автора работы).

Варианты ИРЗ указаны в Приложении В.

3.9 Самостоятельная работа студентов

Изучение весьма нелегкого для студентов курса «Основные процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ) требует грамотной постановки задач, логически выдержанного хода решений, анализа найденных результатов, то есть постоянной работы на понимание.

Успешность обучения будет зависеть и от индивидуальных особенностей студентов, и от степени их подготовки к овладению данной системой знаний и умений, степени мотивации, интереса к изучаемой дисциплине, общих интеллектуальных умений, уровня и качества организации учебного процесса и других факторов.

Предусмотреть, как пойдет познавательный процесс у каждого студента, невозможно, но известно необходимое условие, которое определяет его успешность – это целенаправленная, систематическая, планомерная самостоятельная работа студента.

Современная методика преподавания ориентирована, прежде всего, на выработку комплекса определенных умений, необходимых будущему специалисту, и умений не только узкоспециальных, но и фундаментальных, таких как, например, умение учиться.

Так как выработка большинства умений возможна только при самостоятельной работе, то она по своей сути должна быть многогранной, так как одна тема или одно задание не могут способствовать выработке всего комплекса умений.

Самостоятельная работа в модульно-рейтинговой технологии обучения включена во все виды учебной работы и реализуется в виде совокупности приемов и средств, среди которых на первое место выдвигается самостоятельное изучение теоретического материала учебной программы модуля с последующим выполнением индивидуального задания.

В качестве основного методического материала при изучении модуля «Тепловые процессы» рекомендуется использовать приведенные далее структурно-логические схемы, отвечающие системному анализу раздела.

Для контроля и самоконтроля эффективности самостоятельной работы студентов используется тестовая система с применением ПЭВМ и единых баз учебных знаний.

Модульный экзамен

По завершении изучения модуля «Тепловые процессы» студент сдает промежуточный (модульный) экзамен (ПЭ). Полученные им баллы за все предыдущие и последующие промежуточные экзамены суммируются и составляют его рейтинг по курсу ПАХТ. При получении достаточной суммы баллов за все промежуточные экзамены их результаты могут записываться ему как итоговый экзамен.

Модульный экзамен проводится в письменной форме. Содержание экзаменационных заданий включает пять вопросов, соответствующих структуре модуля.

Необходимыми условиями допуска к сдаче промежуточных экзаменов являются:

– выполнение студентом планов практических и лабораторных занятий;

– успешная защита индивидуального расчетного задания;

– положительный результат (более 6 баллов) степени усвоения программного материала модуля с использованием электронного экспертно-обучающего комплекса.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Тесты к занятию №1

1. Какое из перечисленных ниже тел при прочих равных условиях быстрее нагреется, если его теплопроводность l, плотность r и удельная теплоемкость с ?

а) асбест: l = 0,151 Вт/м К; r = 600 кг/м 3 ; с = 0,84 кДж/кг К;

б) дерево: l = 0,150 Вт/м; r = 600 кг/м 3 ; с = 2,72 кДж/кг К;

в) торфоплита: l = 0,064Вт/м К; r = 220 кг/м 3 ; с=0,75 кДж/кг К.

2. Какое количество тепла (Дж) необходимо для нагревания 5 л воды от 20 до 100 0 С, если средняя теплоемкость воды составляет 4,2 кДж/кг·К; плотность r = 980 кг/м 3 ; удельная теплота парообразования воды при атмосферном давлении r = 2258,4 кДж/кг; коэффициент теплопроводности воды l = 0,65 Вт/м 2 ×К?

а) 5 × 80 × 4,2 × 10 3 = 1,68 × 10 6 ;

б) 5 × 80 × 4,2 × 980 × 10 -3 × 10 3 = 1,65 × 10 6 ;

в) 5 × 10 -3 × 980 × 2258,4 × 10 3 = 11,07 × 10 6 ;

г) 5 × 980 × 4,2 × 80 ×10 3 = 1,65 × 10 9 ;

д) 5 × 980 × 0,05 = 3,185.

3. Какое количество тепла (Дж) необходимо для испарения 5 л воды при атмосферном давлении, если удельная теплоемкость воды при температуре кипения с = 4,23 кДж/кг×К; плотность r = 958 кг/м 3 ; удельная теплота парообразования r = 2258,4 кДж/кг?

а) 5 × 4,23 × 958 × 10 -3 = 20,26;

б) 5 × 2258,4 = 11,29 × 10 3 ;

в) 5 × 958 × 2258,4 × = 10,82 × 10 6 ;

г) 5 × 958 × 2258,4 × 10 3 = 10,82 × 10 9 .

4. Какое из критериальных уравнений описывает стационарный процесс естественной теплоотдачи?

а) Nu = f (Fo,Рr,Re);

б) Nu = f (Рr,Re);

в) Nu = f (Рr,Gr);

г) Nu = f (Ре,Gr).

5. Как влияет длина вертикальной трубы на коэффициент теплоотдачи α п при конденсации на ней пара?

а) не влияет;

б) с увеличением длины трубы α п увеличивается;

в) с увеличением длины α п уменьшается.

6. Как влияет число горизонтальных труб (n) в пучке на коэффициент теплоотдачи α п при конденсации пара?

а) не влияет;

б) с увеличением n увеличивается α п;

в) с увеличением n уменьшается α п.

7. С увеличением шероховатости стенки при прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи при кипении жидкостей…

а) не изменяется;

б) увеличивается;

в) уменьшается.

8. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей в трубах будет больше в зонах …

а) «гладкого» течения;

б) «шероховатого» течения.

9. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей при прочих равных условиях больше в…

а) прямых трубах;

б) змеевиках.

10. Влияет ли длина труб на интенсивность поперечного процесса переноса тепла в движущейся в них жидкости?

а) не влияет;

б) интенсивность в коротких трубах увеличивается;

в) интенсивность в коротких трубах уменьшается.

11. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб…

а) не зависит от их взаимного расположения;

б) больше при «коридорном» расположении;

в) больше при «шахматном» расположении.

12. Средняя разность температур зависит от взаимного направления движения теплоносителей…

а) всегда;

13. Лимитирующей стадией при теплопередаче является стадия, для которой значение…

а) коэффициента теплоотдачи наименьшее;

б) коэффициента теплоотдачи наибольшее;

в) термического сопротивления наибольшее;

г) термического сопротивления наименьшее;

д) коэффициента теплопроводности наименьшее.

14. С какой стороны стенки, разделяющей холодный воздух и горячую воду, целесообразно интенсифицировать теплообмен, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи?

а) со стороны воздуха;

б) со стороны воды;

в) с обеих сторон.

15. С увеличением скорости движения теплоносителя вероятнее всего…

а) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» - капитальные и «Э» - эксплутационные) теплообменника увеличиваются;

б) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» - капитальные и «Э» - эксплутационные) теплообменника уменьшаются;

в) «К» - увеличиваются, а «Э» - уменьшаются;

г) «К» - уменьшаются, а «Э» - увеличиваются.

16. Температура поверхности стенки t ст1 , которая покрывается загрязнениями, при стационарном непрерывном процессе теплопередачи…

а) не изменяется; б) возрастает; в) уменьшается.

t ст1 t ст2 Q загрязнения

17. Повышение скорости движения теплоносителя не приводит к существенной интенсификации процесса, если…

а) этот теплоноситель – газ;

б) этот теплоноситель – жидкость;

в) термическое сопротивление стенки вследствие ее загрязнения очень велико.

18. При выборе метода интенсификации теплообмена критерием его оптимальности в большинстве случаев является…

а) его доступность;

б) влияние на коэффициент теплопередачи;

в) влияние на массу аппарата;

г) экономическая эффективность.

Тесты к занятию №2

1. При конденсации пара в процессе теплообмена движущая сила…

а) увеличивается при противотоке;

б) уменьшается при противотоке;

в) не зависит от взаимного направления теплоносителей.

2. Расход теплоносителей зависит от взаимного направления их движения…

а) всегда;

б) если изменяются температуры обоих теплоносителей;

в) если изменяется температура хотя бы одного теплоносителя.

3. Противоточное движение теплоносителей позволяет увеличить конечную температуру “холодного” теплоносителя. Это приводит…

а) к уменьшению расхода “холодного” теплоносителя G x и уменьшению движущей силы процесса Dt ср;

б) к уменьшению расхода “холодного” теплоносителя G x и увеличению движущей силы процесса Dt ср;

в) к увеличению расхода “холодного” теплоносителя G x и увеличению движущей силы процесса Dt ср.

4. Выбор теплоносителя, прежде всего, определяется…

а) доступностью, дешевизной;

б) величиной температуры нагревания;

в) конструкцией аппарата.

5. Теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплопередачи. Поэтому он должен обладать…

а) низкими значениями плотности, теплоемкости и вязкости;

б) низкими значениями плотности и теплоемкости, высокой вязкостью;

в) высокими значениями плотности, теплоемкости и вязкости;

г) высокими значениями плотности и теплоемкости, низкой вязкостью.

6. Недостатком насыщенного водяного пара как теплоносителя является…

а) низкий коэффициент теплоотдачи;

б) зависимость давления пара от температуры;

в) равномерность обогрева;

г) невозможность передачи пара на большие расстояния.

7. Присутствие неконденсирующихся газов (N 2 , O 2 , CO 2 и т.д.) в паровом пространстве аппарата …

а) приводит к повышению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке;

б) приводит к снижению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке;

в) не влияет на величину коэффициента теплоотдачи.

8. Основным преимуществом высокотемпературных органических теплоносителей является…

а) доступность, дешевизна;

б) равномерность нагревания;

в) возможность получения высоких рабочих температур;

г) высокий коэффициент теплоотдачи.

9. Какое движение теплоносителей в кожухотрубчатом теплообменнике наиболее эффективно:

а) горячий теплоноситель – снизу, холодный – сверху (противоток);

б) горячий теплоноситель – сверху, холодный – сверху (прямоток);

в) горячий теплоноситель – сверху, холодный – снизу (противоток)?

10. В каких случаях применяют многоходовые кожухотрубчатые теплообменники?

а) при небольшой скорости движения теплоносителя;

б) при большом расходе теплоносителя;

в) для увеличения производительности;

г) для снижения стоимости установки?

11. В многоходовых теплообменниках по сравнению с противоточными движущая сила …

а) увеличивается;

б) уменьшается.

12. Кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции применяют…

а) при большой разности температур труб и кожуха;

б) при использовании высоких давлений;

в) для повышения эффективности теплообмена;

г) для снижения капитальных затрат.

13. Для увеличения коэффициента теплоотдачи в змеевиковых теплообменниках повышают скорость движения жидкости. Этого достигают…

а) увеличением количества витков змеевика;

б) уменьшением диаметра змеевика;

в) установкой внутри змеевика стакана.

14. Оросительные теплообменники в основном применяют для…

а) нагревания жидкостей и газов;

б) охлаждения жидкостей и газов.

15. Какие теплообменники целесообразно применить в случае, если коэффициенты теплоотдачи резко отличаются по величине по обе стороны поверхности теплопередачи?

а) кожухотрубчатые;

б) змеевиковые;

в) смесительные;

г) оребренные.

16. Пластинчатые и спиральные теплообменники нельзя применять, если…

а) требуется создать высокое давление;

б) необходима высокая скорость теплоносителей;

в) один из теплоносителей имеет слишком низкую температуру.

17. В смесительных теплообменниках используется…

а) «острый» пар;

б) «глухой» пар;

в) горячая вода.

18. Какой параметр не задается при проектном расчете теплообменника?

а) расход одного из теплоносителей;

б) начальная и конечная температуры одного теплоносителя;

в) начальная температура второго теплоносителя;

г) поверхность теплообмена.

19. Целью проверочного расчета теплообменника является определение …

а) поверхности теплообмена;

б) количества передаваемой теплоты;

в) режима работы теплообменника;

г) конечных температур теплоносителей.

20. При решении задач выбора оптимального теплообменника критерием оптимальности чаще всего является…

а) экономическая эффективность аппарата;

б) масса аппарата;

в) расход теплоносителей.

21. В кожухотрубчатом теплообменнике теплоноситель, выделяющий загрязнения, целесообразно направить…

а) в трубное пространство;

б) в межтрубное пространство.

Тесты к занятию №3

1. Какое условие необходимо для процесса выпаривания?

а) разность температур;

б) перемещение тепла;

в) температура выше 0 о С.

2. Тепло, необходимое для выпаривания чаще всего подводится …

а) топочными газами;

б) насыщенным водяным паром;

в) кипящей жидкостью;

г) любым из перечисленных способов.

3. Пар, образующийся при выпаривании растворов, называют..

а) греющим;

б) насыщенным;

в) перегретым;

г) вторичным.

4. Наименее экономичным способом является выпаривание …

а) под избыточным давлением;

б) под вакуумом;

в) под атмосферным давлением.

5. Выпаривание под избыточным давлением чаще всего применяют для удаления растворителя из …

а) термически стойких растворов;

б) термически нестойких растворов;

в) любых растворов.

6. Экстра-пар – это ….

а) свежий пар, подаваемый в первый корпус;

б) вторичный пар, используемый для нагрева последующего корпуса;

в) вторичный пар, используемый для других нужд.

7. В выпарных аппаратах непрерывного действия гидродинамическая структура потоков близка к…

а) модели идеального смешения;

б) модели идеального вытеснения;

в) ячеечной модели;

г) диффузионной модели.

8. В процессе выпаривания температура кипения раствора …

а) остается неизменной;

б) уменьшается;

в) увеличивается.

9. При выпаривании по мере роста концентрации раствора значение коэффициента теплоотдачи от поверхности нагрева к кипящему раствору …

а) увеличивается;

б) уменьшается;

в) остается неизменным.

10. Как записывается материальный баланс для непрерывного процесса выпаривания?

a) G K = G H + W;

б) G H = G K – W;

в) G H = G K + W;

где G H ,G K – расходы соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с;

W – выход вторичного пара, кг/с.

11. Тепловой баланс выпарной установки, как правило, применяется для определения…

а) конечной температуры раствора;

б) расхода греющего пара;

в) температурных потерь.

12. Движущей силой процесса выпаривания является…

а) средняя разность температур;

б) полная (общая) разность температур;

в) полезная разность температур.

13. Движущая сила процесса выпаривания находится как разность между температурой греющего пара и …

а) начальной температурой раствора;

б) температурой вторичного пара;

в) температурой кипящего раствора.

14. Температурная депрессия представляет собой разность между…

а) температурами раствора посередине высоты греющих труб и на поверхности;

б) температурами кипения раствора и чистого растворителя;

в) температурами образующегося вторичного пара и вторичного пара в конце паропровода.

15. Возрастание температурных потерь …

а) приводит к увеличению ∆t пол;

б) приводит к уменьшению ∆t пол;

в) не влияет на ∆t пол.

16. В процессе выпаривания с повышением концентрации и вязкости раствора значение коэффициента теплопередачи …

а) остается неизменным;

б) увеличивается;

в) уменьшается.

17. Циркуляция раствора в выпарном аппарате способствует интенсификации теплообмена в первую очередь со стороны…

а) разделяющей стенки;

б) греющего пара;

в) кипящего раствора.

18. Для нетермостойких растворов целесообразно использовать…

19. Для выпаривания высоковязких и кристаллизующихся растворов лучше всего применить…

а) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

б) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

в) пленочные выпарные аппараты;

г) барботажные выпарные аппараты.

20. Наиболее подходящими для выпаривания агрессивных жидкостей являются…

а) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

б) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

в) пленочные выпарные аппараты;

г) барботажные выпарные аппараты.

Тесты к занятию №4

1. Температура кипения раствора во втором корпусе многокорпусной выпарной установки…

а) равна температуре кипения раствора в первом корпусе;

б) выше, чем в первом корпусе;

в) ниже, чем в первом корпусе.

2. На каком рисунке изображена противоточная выпарная установка?

а)

б)

3. Чему равно количество греющего пара, поступающего в корпус m многократного выпаривания?

а) ∆ m = W m -1 - E m -1 ;

б) ∆ m = E m -1 - W m -1 ;

в) ∆ m = W m -1 + E m -1 .

где W m -1 – количество воды;

E m -1 – экстра-пар.

4. Вторичный пар из последнего корпуса…

а) идет на технологические нужды;

б) подается насосом в первый корпус;

в) отводится в барометрический конденсатор.

5. Число корпусов установки многократного выпаривания определяется…

а) суммой затрат на проведение процесса;

б) амортизационными расходами;

в) затратами по производству пара;

г) причинами, указанными в а), б) и в).

6. Недостатками прямоточной схемы многокорпусной выпарной установки являются…

а) понижение температуры кипения и понижение концентрации раствора от 1-го корпуса к последующему;

б) повышение температуры кипения и понижение концентрации раствора от первого корпуса к последующему;

в) повышение температуры кипения и повышение концентрации раствора;

г) понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора.

7. Многокорпусные установки могут быть…

а) прямоточные;

б) противоточные;

в) комбинированные;

г) все вышеперечисленные.

8. Общая поверхность нагрева двухкорпусной выпарной установки может быть выражена как…

а) ;

б) ;

в) .

9. Преимуществами прямоточной многокорпусной выпарной установки являются…

а) раствор идет самотеком;

ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

В производстве промышленной продукции широко используются физические процессы химической техноло­гии - дробление сырья, перемещение жидкостей и газов по трубопроводам, нагревание и охлаждение, разделение однородных и неоднородных систем и т. п.

На любой стадии производства (подготовительной, основной или завершающей) физические процессы вы­полняют вспомогательную или основную функцию.

Например, на стадии подготовки нефти к переработке используются процессы перемещения нефти по трубопро­водам, процессы разделения неоднородных систем (уда­ление из нефти песка, глины, воды и попутного газа от­стаиванием, электрообезвоживанием), процессы нагрева­ния нефти до температуры кипения. На основной стадии перегонки нефти на фракции имеют место дистилляция, ректификация, охлаждение и конденсация паров. На за­вершающей стадии (очистке нефтепродуктов) исполь­зуются сорбционные процессы удаления примесей с по­мощью твердых и жидких поглотителей.

Подобные примеры широкого использования физиче­ских процессов характерны для любой отрасли промыш­ленности. Так, в добывающей промышленности - это дробление и измельчение минерального сырья, удаление пустой породы флотацией, электромагнитной или иной сепарацией, в металлургии - тепловые и массообменные процессы (нагревание шихты, плавление и кристаллиза­ция металла, термическая и химико-термическая обра­ботка стали), в машиностроении и радиоэлектронике - конденсация паров расплавленных металлов на поверх­ность деталей и изделий, в производстве строительных и лакокрасочных материалов, пищевых продуктов - тон­кое и сверхтонкое измельчение, сушка и т. д.

Большое значение приобретают физические процессы в природоохранных мероприятиях по чистке сточных вод и газовых выбросов от вредных примесей, а также по ре­куперации промышленных и бытовых отходов (сухая и мокрая очистка газов, безреагентные методы перера­ботки производственных стоков и т. п.).

Физические процессы химической технологии подраз­деляются на физико-механические (дробление, измельче­ние), гидромеханические (перемещение жидкостей и газов, разделение неоднородных систем), тепловые (нагревание, охлаждение и конденсация паров) и массообменные (со­рбция, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректифика­ция, экстракция, разделение однородных систем с по­мощью полупроницаемых мембран).

ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Физико-механические процессы

Измельчение. В промышленности для интенси­фикации химических взаимодействий, особенно для ге­терогенных и твердофазных процессов производства строительных материалов, металлов, минеральных удо­брений и т. д., чрезвычайно важно увеличение поверхно­сти контакта фаз, достигаемое путем механического из­мельчения. Процессы измельчения сводятся к разруше­нию первоначальной структуры вещества путем разда­вливания, раскалывания, истирания или удара. В зависи­мости от механических свойств исходных материалов и начальных размеров кусков применяются различные типы воздействия. Например, твердые и хрупкие веще­ства измельчают раскалыванием, ударом, а пластичные вещества хорошо поддаются истиранию. Чем тверже и пластичнее материал, тем его труднее измельчить.

Измельчение может осуществляться как сухим, так и мокрым способом - в воде или других жидкостях, что исключает пылеобразование и повышает эффективность процесса. Измельчающие машины подразделяют на дро­билки крупного, среднего и мелкого дробления, а также мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения. Машины для измельчения работают в открытом и замкнутом ци­клах; последний позволяет значительно снизить расход энергии на измельчение и повысить эффективность про­цесса.

Тепловые процессы

Перенос энергии в форме теплоты, происходящий ме­жду телами, имеющими различную температуру, назы­вается теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее нагретым телом. Существуют три принципиально различных способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность - перенос теплоты вслед­ствие беспорядочного теплового движения атомов и мо­лекул, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теплопроводность является основным видом переноса теплоты, в то время как в газах и жидко­стях процесс распространения теплоты осуществляется также и другими способами. На коэффициент теплопро­водности влияет природа и структура вещества, темпера­тура и влажность материалов и т. д.; наивысшей тепло­проводностью отличаются металлы: сталь - 4,6, алюми­ний-210, медь - 380 Вт/(м К), а наиболее низкой - вода - 0,6 Вт/(м К). Воздух имеет теплопроводность 0,03 Вт/(м К).

Конвекция - процесс переноса теплоты вслед­ствие движения и перемешивания макроскопических ча­стей газов или жидкостей. Перенос теплоты может осу­ществляться путем естественной (свободной) конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точ­ках объема жидкости или газа, возникающей вследствие разности температур в этих точках, а также вынужден­ной конвекции при механическом перемещении всего объема газа или жидкости.

Тепловое излучение - процесс распростране­ния электромагнитных колебаний с различными длинами волн, который возникает вследствие теплового движения атомов и молекул излучающего тела. Эти тела испу­скают электромагнитную энергию, которая поглощается другими, более холодными телами и превращается в теплоту.

В реальных условиях теплота передается не каким-ли­бо одним из указанных выше способов, а комбиниро­ванным путем, который называется теплопередачей. В не­прерывно действующих аппаратах теплообмен протекает в стационарном (установившемся) режиме, в периодиче­ских - в нестационарном. Эффективность теплопередачи зависит от коэффициента, который показывает, какое ко­личество теплоты переходит в единицу времени от более нагретой к менее нагретой среде через разделяющую их плоскую стенку площадью 1 м 2 при средней разности температур между теплоносителями в 1°. Средняя раз­ность температур зависит от направления движения те­плоносителей. Выбор правильного направления движения тепловых потоков (прямоток, противоток, перекрестный ток) значительно сказывается на эффективности процесса теплопередачи и экономии теплоты.

Главными тепловыми процессами в промышленности являются процессы нагревания водяным паром, топочны­ми газами, теплоносителями и электрическим током, а также процессы охлаждения, в том числе ниже - 200 °С.

Массообменные процессы

Большое значение в химической технологии имеют массообменные процессы, основанные на переходе одно­го или нескольких веществ из одной фазы в другую. В промышленности в основном применяют процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также ме­жду двумя жидкими фазами. К таким процессам отно­сятся: абсорбция, адсорбция, перегонка и ректификация, кристаллизация, сушка и др.

Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности молекулярной диффузии, т. е. способности самопроизвольного проникновения одного вещества в другое за счет беспорядочного движения мо­лекул. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будут достигнуты усло­вия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи, ее эффективность может быть выражена в любых едини­цах, применяемых для определения состава фаз, однако наиболее часто движущая сила процесса выражается че­рез разницу между рабочими и равновесными концентра­циями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно. Количество массы, передаваемое из одной фазы в другую, зависит от поверхности раздела фаз, продолжительности процесса и разности концентра­ций.

Повышение эффективности процессов массопередачи может быть достигнуто за счет увеличения поверхности контакта фаз, возрастания скорости потока и его турбулизации, а также снижения диффузионного сопротивле­ния среды (например, в процессе абсорбции случай по­глощения плохорастворимого газа). Ниже приводятся примеры основных процессов массопередачи.

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем. Абсорбция характери­зуется избирательностью (селективностью), т. е. каждое вещество поглощается определенным поглотителем. Раз­личают абсорбцию простую, основанную на физическом поглощении компонента жидким поглотителем, и хемосорбцию, которая сопровождается химической реакцией между извлекаемым компонентом и жидким поглотите­лем. Примером простой абсорбции служит производство соляной кислоты, хемосорбция широко применяется в производстве серной и азотной кислот, азотных удо­брений и т. д. Абсорбция протекает в аппаратах колонно­го типа (насадочные, тарельчатые и др.).

Адсорбция есть процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой смеси твердым поглотителем - адсорбентом. Механизм про­цесса адсорбции, отличающийся от механизма абсорб­ции, практически аналогичен механизму других процес­сов массопередачи с участием твердой фазы. Наиболее универсальной теорией адсорбции является разработан­ная М. М. Дубининым теория объемного заполнения микропор, где учитывается притяжение молекул поглощае­мого вещества с адсорбентом на основе зависимости равновесия от структуры пор адсорбента. В качестве ад­сорбентов широко применяют твердые вещества с высо­коразвитой поверхностью и высокой пористостью (ак­тивные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты - водные алюмосиликаты кальция и натрия, ионообменные смолы и др.). Адсорбция применяется в промышленности для очистки и сушки жидкостей и газов, для разделения сме­сей различных жидких и газообразных веществ, извлече­ния летучих растворителей, осветления растворов, для очистки воды и др. Адсорбция используется в химиче­ской, нефтяной, лакокрасочной, полиграфической и дру­гих отраслях промышленности.

Перегонка и ректификация применяются для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух и более летучих компонентов, и основаны на различной температуре кипения компонентов, т. е. на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Если исходную смесь, состоящую из жидкостей с различными температурами кипения, частич­но испарять, а полученные пары конденсировать, то кон­денсат будет отличаться по своему составу более высо­ким содержанием низкокипящего компонента (НК), а оставшаяся исходная смесь будет обогащена трудноле­тучим высококипящим компонентом (ВК). Эта жидкость называется остатком, а конденсат - дистиллятом или ре­ктификатом. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ре­ктификация.

Ректификация представляет собой разделение смесей жидкостей, основанное на многократном испарении жид­кости и конденсации паров. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Процесс осуществляют в аппаратах колонного типа (например, наса­дочные и тарельчатые ректификационные колонны не­прерывного действия и др.). Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химиче­ской и спиртовой промышленности, в производстве ле­карственных препаратов, в нефтеперерабатывающей про­мышленности и т. д.

Кристаллизацией называется выделение твер­дой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация начинается с образования центров (или зародышей) кристаллизации. Скорость их образования зависит от температуры, скорости перемешивания и т. д. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается, однако это приводит к образованию бо­лее мелких кристаллов и часто вызывает снижение дви­жущей силы процесса. Крупные кристаллы легче полу­чить при медленном их росте без перемешивания и небольших степенях пересыщения растворов, однако это снижает производительность процесса кристаллиза­ции. Нахождение оптимальной скорости кристаллизации и составляет одну из основных задач этого процесса.

Широко применяются несколько способов кристалли­зации: кристаллизация с охлаждением, кристаллизация с удалением части растворителя, а также вакуум-кристал­лизация. В зависимости от способа кристаллизации при­меняют кристаллизаторы периодического и непрерывно­го действия.

Кристаллизация лежит в основе металлургических и литейных процессов, получения покрытий, пленок, применяемых в микроэлектронике, а также используется в химической, фармацевтической, пищевой и других от­раслях промышленности. Кристаллизация является за­вершающей стадией в производстве минеральных солей, удобрений, органических и особо чистых веществ. Особое значение в промышленности имеет процесс кристаллиза­ции металлов из расплавов.

Сушкой называют процесс удаления влаги из раз­личных (твердых, жидких и газообразных) материалов. Влага может быть удалена испарением, сублимацией, вы­мораживанием, токами высокой частоты, адсорбцией и т. д. Однако наиболее распространена сушка испарением за счет подвода теплоты. Более экономичным является последовательное удаление влаги фильтрацией, центри­фугированием (с содержанием остаточной влаги 10 - 40%), а затем тепловой сушкой.

Различают контактную и конвективную сушку. В кон­тактной сушке передача теплоты к высушиваемому мате­риалу осуществляется через стенку аппарата. Конвектив­ная сушка основана на непосредственной передаче теплоты материалу от нагретого воздуха, топочных га­зов, перегретого пара и т. д.

Скорость сушки определяется количеством влаги, уда­ляемой с единицы поверхности высушиваемого материа­ла в единицу времени. Скорость сушки, условия ее прове­дения и аппаратурное оформление в значительной степени зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера кусков, толщины слоя материала, влагосодержания материала, внешних факторов (температуры, давления, влажности) и т. д.

Традиционными сушилками, применяемыми в про­изводстве строительных материалов, минеральных солей, красителей и т. д., являются сушилки непрерывного дей­ствия (барабанные, туннельные, конвейерные, пневмати­ческие с кипящим слоем) и периодического действия (ямные, шкафные, камерные и т. д.). Наиболее эффек­тивны распыливающие сушилки с кипящим слоем. Для улучшения качества высушиваемых материалов, увеличе­ния скорости высушивания и улучшения технико-эконо­мических показателей применяется сушка вакуумная, ин­фракрасная, криогенная, ультразвуковая, СВЧ.