Роль тепловых процессов в химической технологии. Индивидуальные расчетные задания

Введение

Механические процессы химической технологии

Процессы перемешивания

1 Основные характеристики процесса перемешивания

3 Способы перемешивания

Перемешивающие устройства

1 Лопастные мешалки

2 Листовые мешалки

3 Пропеллерные мешалки

4 Турбинные мешалки

5 Специальные мешалки

6 Выбор мешалки

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

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

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

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

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

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

1. Механические процессы химической технологии

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

Сортирование.

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

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

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

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

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

Измельчение.

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

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

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

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

Прессование.

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

Перемешивание.

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

Дозирование и формирование.

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

2. Процессы перемешивания

.1 Основные характеристики

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

Цели перемешивания:

ускорение течения химических реакций или процессов;

обеспечение равномерного распределения твердых частиц в жидкости;

обеспечение равномерного распределения жидкости в жидкости;

интенсификация нагревания или охлаждения;

обеспечение стабильной температуры по всей жидкости.

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

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

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

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

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

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

2.2 Смеси

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

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

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

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

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

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

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

образуются с помощью физического процесса-смешивания чистых веществ;

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

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

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

под действием внешних сил, создаваемых рабочими органами смесительных машин;

в результате действия обоих факторов.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.3 Способы перемешивания

Способы перемешивания в зависимости от физического состояния перемешиваемых компонентов.

1.Циркуляционное и поточное перемешивание.

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

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

2.Гравитационное перемешивание

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

3.Механическое перемешивание.

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

Пневматическое перемешивание

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

Электромагнитное перемешивание

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

Недостатками данного способа являются:

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

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

Способы перемешивания в зависимости от организации самого процесса.

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

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

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

сортирование смесь перемешивание мешалка

3. Перемешивающие устройства

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

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

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

3.1 Лопастные мешалки

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

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

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

Достоинства лопастных мешалок:

) простота устройства и дешевизна изготовления;

) вполне удовлетворительное перемешивание умеренно вязких жидкостей.

Недостатки:

) малая интенсивность перемешивания вязких жидкостей;

) непригодность для перемешивания легко расслаивающихся веществ.

Основные области применения лопастных мешалок:

) перемешивание жидкостей небольшой вязкости;

) растворение и суспендирование твердых веществ;

) грубое смешение жидкостей.

Рисунок 1 - Лопастная мешалка

Рисунок 2 - Якорная мешалка

Рисунок 3 - Рамная мешалка

3.2 Листовые мешалки

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

Рисунок 4 - Листовая мешалка

3.3 Пропеллерные мешалки

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

Рисунок 5 - Пропеллерная мешалка

Корпус аппарата

Пропеллер

Диффузор

Рисунок 6 - Пропеллерная мешалка с диффузором:

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

Достоинства пропеллерных мешалок:

) интенсивное перемешивание;

) умеренный расход энергии, даже при значительном числе оборотов;

) невысокая стоимость.

Недостатки:

) малая эффективность перемешивания вязких жидкостей;

) ограниченный объем интенсивно перемешиваемой жидкости.

Пропеллерные мешалки применяются главным образом для следующих, целей:

) интенсивное перемешивание маловязких жидкостей;

) приготовление суспензий и эмульсий;

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

3.4 Турбинные мешалки

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

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

а - открытая с прямыми лопатками

б - открытая криволинейными лопатками

в - открытая с наклонными лопатками

г - закрытая с направляющим аппаратом

Турбинная мешалка

Направляющий аппарат

Рисунок 7 - Турбинная мешалка

Достоинства турбинных мешалок:

) быстрота перемешивания и растворения;

) эффективное перемешивание вязких жидкостей;

) пригодность для непрерывных процессов.

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

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

) тонкое диспергирование и быстрое растворение;

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

3.5 Специальные мешалки

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

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

Рисунок 8 - Барабанная мешалка.

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

Рисунок 9 - Дисковая мешалка

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

Рисунок 10 - Устройство дисков вибрационных мешалок

3.6 Выбор мешалки

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

Таблица 2 - Ориентировочные характеристики для выбора мешалки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список использованных источников

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

. #"justify">. #"center">Приложение А

Таблица 1 - Варианты смеси веществ в разных агрегатных состояниях

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

Пример расчета материальных потоков при смешивании растворов

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

Решение.

моль.

моль

моль

моль/л

моль/л

моль/кг

моль/кг

моль∙экв/л

моль∙экв/л

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

Материальный баланс смешивания растворов

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

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.

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;

К РАЗДЕЛУ «ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ»

Программа раздела

Роль тепловых процессов в химической технологии.

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 области 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: 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. Проектные расчет теплообменников. Проверочный расчет теплообменников. Выбор оптимального режима теплообменных аппаратов.

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

ВАРИАНТЫ РАСЧЕТНОГО ЗАДАНИЯ

Задача 1

Определить необходимую поверхность теплообмена и длину труб кожухотрубчатого теплообменника с числом ходов , для осуществления процесса при массовом расходе А в трубном пространстве . Температура теплоносителя в подогревателе и холодильнике изменяется от до при среднем давлении . В испарителе и конденсаторе температура теплоносителя равна температуре кипения или конденсации при давлении .

В межтрубное пространство подается теплоноситель . Его температура меняется от до , в испарителе и конденсаторе его температура равна температуре конденсации или кипения при давлении .

Общее число труб в теплообменнике , диаметр труб равен 25x2,5 мм, диаметр кожуха . Необходимо также определить гидравлическое сопротивление аппарата, изобразить график изменения температур теплоносителей, схему кожухотрубчатого теплообменника. Исходные данные для решения задачи предоставлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Последняя цифра зачетки	Теплоноситель	Тип теплообменника	Параметры теплоносителя	Предпоследняя цифра зачетки	Расход теплоносителя , кг/с	Характеристика теплообменника
, 0 С	, 0 С	, МПа	, 0 С	, 0 С	, МПа
Число труб,	Число ходов,	Диаметр кожуха , мм
	Вода/дифенил	холодильник			-			-		2,3			2,0
	Вода/водяной пар	испаритель	-	-	1,0	-	-	2,6		4,6			0,8
	Ацетон/вода	нагреватель			-			-					1,3
	Хлорбензол/вода	конденсатор	-	-	0,6			-		7,8			0,6
	Вода/толуол	холодильник			-			-		3,4			1,0
	Метиловый спирт/вода	нагреватель			-			-		6,4			1,4
	Нафталин/водяной пар	испаритель	-	-	0,4	-	-	1,5		5,1			0,4
	Аммиак/вода	конденсатор	-	-	0,27			-		9,3			1,2
	Этиловый спирт/вода	холодильник			-			-		3,7			0,6
	Четыреххлористый углерод/вода	нагреватель			-			-		5,8			1,0

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: