ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Химические процессы

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ • Химические процессы (собственно химические реакции) представляют собой основную, но не самую трудоемкую часть технологической схемы производства. Например, различные потоки необходимо перемещать по трубопроводам, нагревать или охлаждать, подвергать сушке др. Поэтому возникла необходимость изучать группы различных технологических процессов, подчиняющихся общим закономерностям и аппаратов в которых эти процессы протекают. Эти процессы изучаются в курсе «Процессы и аппараты химической технологии»

Данный курс позволяет решать следующие вопросы: • Определять массовые расходы потоков в технологических линиях и аппаратах; • Определять количество энергии необходимой для проведения процесса; • Определять скорость протекания процессов в оптимальных режимах • Рассчитывать основные размеры аппаратов.

Основные группы процессов химической технологии : – – – Гидромеханические процессы (движущая сила – разность давлений ΔP ) Тепловые процессы (движущая сила - разность температур ΔT ) Массообменные процессы (движущая сила – разность концентраций ΔC ) Химические процессы – протекают по закону химической кинетики. Механические процессы – требуют приложения энергии извне.

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ • Гидравлика изучает законы равновесия (гидростатика) и движения (гидродинамика) жидкостей. • Собственно жидкости характеризуются почти полной не сжимаемостью, а газы и пары (упругие жидкости) меняют плотность при изменении температуры и давления. • ρ= f (p, t) - для упругих жидкостей • ρ≠ f(p, t)- для капельных жидкостей • При выводе основных закономерностей в гидравлике используют понятие идеальной жидкости, которая абсолютно несжимаема под действием давления, не меняет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью.

Основные свойства жидкостей Плотность – масса единицы объема ρ=m/V (кг/м 3) Давление - отношение силы гидростатического давления к поверхности р=P/F (н/м 2) • • • Давление в любой точке покоящейся жидкости одинаково по всем направлениям. Единицы измерения давления: Па=н/м 2 1 ат(техн. ) = 1 к. Г/cм 2=735, 6 мм. рт. ст. =10 м. вод. ст 1 атм(физич. )=1, 033 к. Г/см 2=760 мм. рт. ст. =10, 33 м. вод. ст.

• Вязкость –свойство жидкости оказывать сопротивление усилиям, вызывающим относительное перемещение ее слоев • μ –динамическая вязкость (н∙сек/м 2) • ν- кинематическая вязкость ν=μ/ρ (м 2/сек) • Закон внутреннего трения Ньютона T=μ∙F∙dw/dn • T- касательная сила. dw/dn – градиент скорости • Поверхностное натяжение- работа необходимая для создания единицы новой поверхности жидкости; • σ-поверхностное натяжение (н/м)

ГИДРОСТАТИКА • Гидростатика изучает законы равновесия жидкостей, находящихся в состоянии относительного покоя • Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера описывают распределение давления в объеме покоящейся жидкости

Основное уравнение гидростатики При интегрировании уравнений Эйлера получаем основное уравнение гидростатики для несжимаемой однородной жидкости.

p 0 p 1 z 0 z 1 • z 1 и z 0 -высоты расположения двух точек в жидкости относительно выбранной плоскости сравнения (нивелирная высота); • p 1 и p 0 -гидростатическое давление в этих точках • р/ρg –напор давления или пьезометрический напор. • Для каждой точки покоящейся жидкости сумма нивелирной высоты и пьезометрического напора есть величина постоянная.

Практическое применение основного уравнения гидростатики • Определение условий равновесия жидкостей в сообщающихся сосудах • Расчет гидравлического пресса • Расчет давления на дно и стенки сосудов • Измерение количества жидкостей в резервуарах.

ГИДРОДИНАМИКА • Изучает законы движения жидкостей • Движущая сила процессов гидродинамики – разность давлений Δр • Различают внутреннюю и внешнюю задачи гидродинамики; внутренняя задача связана с анализом движения жидкостей внутри труб, внешняя с обтеканием жидкостями различных тел. • Расход жидкости – количество жидкости протекающей через поперечное сечение потока в единицу времени • Объемный расход – G, м 3/сек • Массовый расход – М, кг/сек М=G∙ρ

Средняя (фиктивная) скорость – отношение объемного секундного расхода к поперечному сечению потока, w=G/S, м/сек Гидравлический радиус или эквивалентный диаметротношение площади затопленного сечения трубопровода к смоченному периметру – rг=S/П. Dэ=4 S/П Пример: dэ=D - d

Режимы движения жидкостей • Опыт Рейнольдса • Ламинарное (струйчатое) течение –все частицы движутся по параллельным траекториям, струйка жидкости не размыта. • Турбулентное течение –частицы жидкости движутся по запутанным хаотичным траекториям

Критерий Рейнольдса – мера соотношения между силами вязкости и инерции в движущемся потоке. Для прямы гладких труб существуют критические значения критерия Re. Re <2320 – область ламинарного течения; 2320 < Re < 10000 – область неустойчивого турбулентного или переходного режима; Re>10000 – область устойчивого турбулентного режима При турбулентном режиме происходит выравнивание скоростей по сечению потока за счет турбулентных пульсаций. Истинная скорость не остается постоянной во времени из-за хаотичного движения частиц. Ее мгновенные значения испытывают попереречные пульсации.

Профили скоростей для ламинарного и турбулентного потоков Re<2320 Re>10000 • Турбулентное движение в чистом виде не существует, оно всегда сопровождается ламинарным. Различают ядро потока и тонкий ламинарный подслой у стенки трубы, который характеризуется очень малой толщиной

Параболическое распределение скоростей в сечении трубопровода при ламинарном режиме. Параболический закон Стокса • Уравнение подтверждает параболический профиль при ламинарном движении жидкости • wr – текущая скорость потока; • wmax- максимальная скорость потока; • R и r – радиус трубопровода и текущий радиус

Уравнение Пуазейля • Используя закон Стокса и уравнение расхода можно получить уравнение, описывающее расход жидкости при установившемся ламинарном потоке, известное как уравнение Пуазейля, где d –диаметр трубопровода; Δp – перепад давлений, на концах трубопровода; l – длина трубопровода

Уравнение неразрывности потока для установившегося движения wx, wy, wz – проекции скоростей движения потока жидкости на оси x, y, и z соответственно; При интегрировании этого уравнения для переменной площади сечения трубопровода получим уравнение неразрывности в интегральном виде.

• Это уравнение неразрывности потока для установившегося движения. Если ρ=const, то уравнение неразрывности потока примет вид: • Скорости капельной жидкости в различных поперечных сечениях трубопровода обратно пропорциональны площадям этих сечений

Дифференциальное уравнение движения Эйлера • Это дифференциальные уравнения движения Эйлера для установившегося потока идеальной жидкости • Путем преобразований уравнений Эйлера может быть получено уравнение Бернулли

Уравнение Бернулли для идеальной жидкости • • Z – нивелирная высота; P/ρg – статический напор; w 2/2 g – динамический напор (скоростной напор) При установившемся движении идеальной жидкости сумма статического напора, динамического напора и нивелирной высоты не меняется при переходе от одного поперечного сечения потока к другому.

Уравнение Бернулли для реальной жидкости • hпот- потерянный напор, характеризует удельную энергию, расходуемую на преодоление гидравлического сопротивления при движении реальной жидкости

Графическая интерпретация уравнения Бернулли p 1/pg H p 2/pg p 3/pg w 12/2 g w 22/2 g w 32/2 g z 1 z 2 z 3

Определение потерь энергии потока • Потери напора в трубопроводе обуславливаются сопротивлением трения и местными сопротивлениями. • Сопротивление трения (hтр) – возникает по всей длине трубопровода. На его величину оказывает влияние режим течения жидкости (Re) и состояние поверхности. • Местные сопротивления (hм. с. ) – возникают при любых изменениях скорости по величине или направлению. (Вход и выход из трубы, внезапное расширение или сужение, регулирующие устройства и др. ) hпот= hтр+ hм. с. • Потерянный напор выражается в долях от скоростного напора

Уравнение Дарси • • λ- коэффициент трения, в ламинарном режиме λ=64/Re l –длина трубопровода D –диаметр трубопровода Σξ – сумма коэффициентов местных сопротивлений

• λ в ламинарном режиме зависит только от режима течения жидкости, а в турбулентном от режима течения и от состояния поверхности трубопровода(шероховатости); • Местные сопротивления ξ обычно находят опытным путем. • При движении реальных жидкостей в потоке помимо сил давления и тяжести также действуют силы трения • - касательное напряжение, возникающее вследствие действия сил трения; • =Т/F

Примеры практического использования уравнения Бернулли • 1. Измерение расхода жидкости и газа с помощью диафрагмы. Используют дроссельные приборы (диафрагма, сопло, труба Вентури). Скорость жидкости в трубопроводе пропорциональна перепадам уровней жидкости в дифференциальном манометре d 1>d 2 ω1<ω2 p 1 -p 2=∆p=ρgh

Уравнения движения вязкой капельной жидкости Навье-Стокса μ – вязкость жидкости • Уравнения Навье – Стокса могут быть решены для частных случаев, но в общем виде решения не имеют. Эти уравнения используют в гидродинамике, преобразуя их методами теории подобия. В результате мы получаем гидродинамические критерии подобия и представляем уравнения Навье - Стокса в критериальном виде, причем единственным определяемым критерием является критерий Нуссельта (Nu)

Гидродинамическое подобие. Подобное преобразование уравнений Навье Стокса

Перемещение жидкостей. Насосы.

NП[Вт] NП Ne Ne Н NП Н

Напор насоса. Высота всасывания насоса Схема насосной установки

Напор насоса

Высота всасывания насоса

.

Производительность поршневого насоса

Характеристика поршневого насоса Характеристика насоса это зависимость напора от производительности. Производительность поршневого насоса есть величина постоянная. Реальна характеристика отклоняется от прямой за счет увеличения утечек жидкости. Подача меняется в соответствии с законом движения поршня. Н Q

Характеристика центробежных насосов. Законы пропорциональности H, N, N H Q

Работа насоса на сеть Н Насос Сеть hп Hg Q Сеть это совокупность трубопроводов и аппаратов через которые перекачивается жидкость. Характеристика сети это зависимость между расходом жидкости и напором необходимым для перемещения жидкости по данной сети. Совмещение характеристик сети и насоса дает рабочую точку А, которая соответствует максимальной производительности насоса.

Классификация насосов 1. Объемные возвратно поступательные поршневые насосы. 2. Объемные возвратно-поступательные плунжерные насосы. 3. Объемные возвратно поступательные мембранные насосы. 4. Объемные вращательные шестеренные насосы. 5. Объемные вращательные пластинчатые насосы. 6. Винтовые насосы. 7. Монтежю. 8. Динамические лопастные центробежные насосы (герметические, погружные) 9. Динамические лопастные осевые насосы 10. Динамические струйные насосы трения 11. Динамические вихревые насосы

Горизонтальный поршневой насос простого действия 1 — рабочая камера; 2 — поршень; 3 — цилиндр; 4 — шток; 5 — крейцкопф; 6 — шатун; 7 — маховик; Кн — нагнетательный клапан; Кв — всасывающий клапан.

Работа поршневого насоса При движении поршня слева направо в цилиндре возникает разрежение, через всасывающий клапан поднимается жидкость и по всасывающему трубопроводу поступает в цилиндр и движется за поршнем. При ходе поршня справа налево в цилиндре создается избыточное давление, под действием которого закрывается всасывающий клапан.

Поршневые насосы двойного действия

Области применения поршневых насосов • Достоинства: 1) Высокий КПД; 2) Возможность дозирования жидкости (в т. ч. высоковязких) под любым заданным давлением. • Недостатки: 1) Неравномерность подачи; 2) Наличие легко изнашиваемых клапанов; 3) Сложность соединений с двигателем; 4) Тихоходность; 5) Большие размеры и масса (установка на специальных фундаментах) • Применение: 1) При сравнительно небольших подачах и высоких давлениях (50 - 1000 ат и выше); 2) Для перекачивания высоковязких, огне- и взрывоопасных жидкостей; 3) При дозировании сред.

Плунжерный вертикальный насос простого действия 1 – цилиндр; 2 – плунжер (скалка); 3 – сальник; 4 – всасывающий клапан; 5 – нагнетательный клапан.

Плунжерные насосы • В плунжерном насосе всасывание и нагнетание жидкости происходит вследствие возвратно – поступательного движения плунжера (скалки) в цилиндре. Уплотнение плунжера осуществляется с помощью сальника. • В химической промышленности плунжерные насосы распространены более широко, чем поршневые, поскольку требуют менее тщательной обработки внутренней поверхности цилиндра и проще уплотняются (подтягиванием или заменой набивки).

Применения плунжерных насосов Достоинства: 1) Высокий КПД; 2) Возможность подачи жидкостей (в т. ч. высоковязких) под любым заданным давлением; 3) Проще в эксплуатации; 4) Не требуют тщательной обработки внутренней поверхности цилиндра. Недостатки: 1) Неравномерность подачи; 2) Наличие легко изнашиваемых клапанов; 3) Сложность соединений с двигателем; 4) Тихоходность; 5) Большие размеры и масса. Применение: 1) Перекачивание высоковязких, загрязненных жидкостей; 2) Создание высоких давлений.

Диафрагмовый (мембранный) насос 1 – корпус; 2 – клапаны; 3 – цилиндр; 4 – плунжер; 5 – диафрагма.

Мембранный насос • Рабочее тело (плунжер) отделен от перекачиваемой жидкости гибкой перегородкой - диафрагмой (мембраной) из резины или специальной стали. При ходе плунжера вверх диафрагма под действием разности давлений по обе ее стороны прогибается вправо, открывается всасывающий клапан, и жидкость поступает в насос. При ходе плунжера вниз диафрагма прогибается влево, открывается нагнетательный клапан (всасывающий клапан при этом закрывается), и жидкость поступает в нагнетательный трубопровод.

Мембранный насос • Все части насоса, соприкасающиеся с перекачиваемой жидкостью – корпус, клапанные коробки, шаровые клапаны, изготавливают из кислотостойких материалов или защищают кислотостойкими покрытиями. • Используют для перекачивания загрязненных и химически агрессивных жидкостей.

Шестеренный насос

Шестеренный насос

Шестеренные насосы

Пластинчатый ротационный насос ротор корпус пластины рабочее пространство

Пластинчатый ротационный насос

Пластинчатые насосы • Достоинства: 1) Обеспечивают плавную подачу жидкости. • Применение: 1) Перемещение чистых, не содержащих твердых примесей жидкостей при производительностях и напорах. умеренных 12. 3. 57

Винтовой насос ведущий винт ведомые винты

Винтовые насосы имеют ведущий винт и несколько ведомых винтов, расположенных внутри корпуса в кожухе. Винты имеют специальный профиль – такой, что линия зацепления между ними обеспечивает полную герметизацию области нагнетания от области всасывания. Направление нарезки ведомых винтов противоположно нарезке ведущего. Винты помещены в кожух с гладкой цилиндрической поверхностью. При вращении винтов жидкость, заполняющая впадины в нарезках, перемещается вдоль оси насоса и вытесняется в линию нагнетания.

Винтовые насосы • Достоинства: 1) Конструктивно более просты; 2) Обеспечивают плавную подачу жидкости; 3) Быстроходность; 4) Компактность; 5) Бесшумность; 6) Достаточно высокий КПД (0, 75 – 0, 8). • Применение: 1) Перекачивание малых количеств вязких жидкостей, топлив, нефтепродуктов; 2) В области подач до 300 куб. м. /час и давлений до 175 ат при скорости вращения до 3000 об. /мин. 12. 3. 60

Монтежю 1 – корпус; 2 – линия подачи перекачиваемой жидкости; 3 – линия подачи сжатого газа; 4 – воздушник; 5 - линия вакуума; 6 – нагнетательный трубопровод.

Насосы Монтежю представляет собой резервуар 1, заполняемый самотеком перекачиваемой жидкостью с помощью трубопровода 2; при этом вентиль на линии 4 открыт. Если жидкость самотеком подавать в корпус нельзя, открывается вакуумная линия 5; при этом все остальные линии, кроме линии 2 (т. е. 3, 4 и 6) должны быть закрыты. Для перекачивания используют сжатый газ (обычно воздух), поступающий в резервуар через трубопровод 3. При этом перекрываются линии 2, 4, 5. Под действием давлением сжатого газа жидкость перетекает из корпуса в нагнетательный трубопровод 6. После опорожнения монтежю перекрываются линии 3, 5, 6 и открывается линия 4 для сообщения резервуара с атмосферой.

Насосы Монтежю • Достоинства: 1) Отсутствие движущихся частей; 2) Простота устройства; 3) Легкость чистки. • Недостатки: 1) Низкий КПД; 2) Периодичность работы; 3) Громоздкость; 4) Необходимость постоянного наблюдения. • Применение: 1) На производствах, где недопустимо наличие движущихся частей; 2) Перекачивание загрязненных, химически агрессивных и радиоактивных жидкостей.

Центробежный насос 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – лопатки; 4 – линия для залива насоса перед пуском. 5 – всасывающий трубопровод; 6 – обратный клапан; 7 – фильтр; 8 – нагнетательный трубопровод; 9 – вал; 10 – сальник. 12. 3. 64

Центробежные насосы Основным рабочим органом является свободно вращающееся внутри улиткообразного корпуса колесо, насаженное на вал. Между дисками колеса находятся лопасти (лопатки), плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопаток образуют межлопастные каналы колеса, которые при работе заполнены перекачиваемой жидкостью. Всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении колеса.

Центробежные насосы • Достоинства: 1) Высокий КПД; 2) Высокая производительность и равномерная подача; 3) Простота устройства, высокая надежность и долговечность; 4) Перекачивание загрязненных жидкостей и жидкостей, содержащих твердые взвешенные частицы; 5) Компактность и быстроходность. • Недостатки: 1) Низкий напор; 2) Уменьшение производительности при увеличении сопротивления сети; 3) Снижение КПД при уменьшении производительности; 4) Непригодность при перекачивания высоковязких жидкостей; • Применение: 1) Являются основными насосами химической промышленности.

Погружные насосы В погружном насосе рабочее колесо погружено в перекачиваемую жидкость, привод насоса размещен значительно выше уровня жидкости в приемной емкости. Жидкость засасывается через всасывающий патрубок и подается по напорной трубе.

Осевой насос 1 – рабочее колесо; 2 – корпус; 3 – направляющий аппарат.

Осевой насос. Распределение давления.

Осевые насосы • Рабочее колесо 1 с лопатками винтового профиля при вращении в корпусе 2 сообщает жидкости движение в осевом направлении. При этом поток несколько закручивается. Для преобразования вращательного движения жидкости на выходе из колеса в поступательное в корпусе 2 устанавливают направляющий аппарат 3.

Осевые насосы • Достоинства: 1) Высокий КПД; 2) Плавная, непрерывная и высокая подача; 3) Простота устройства; 4) Высокая надежность и долговечность; 5) Компактность и быстроходность. • Недостатки: 1) Небольшие напоры. • Применение: 1) Перемещение больших объемов жидкостей при невысоких напорах; 2) Перемещение загрязненных и кристаллизующихся жидкостей; 3) В области больших подач (до 1500 куб. м/мин) при небольших напорах (до 10 – 15 м).

Струйный насос

Струйные насосы • В струйных насосах рабочая жидкость (обычно вода или водяной пар) с большой скоростью из сопла 1 поступает в камеру смешения 2. при этом за счет поверхностного трения в камере смешения создается разрежение, достаточное для подъема жидкости из перекачиваемого резервуара в насос. Засасываемая жидкость быстро смешивается с рабочей, и смесь поступает вначале в конфузор 3, в котором скорость движения смеси плавно увеличивается, достигая в горловине 4 максимального значения. В диффузоре 5 скорость потока уменьшается и кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию давления, вследствие чего смесь поступает в нагнетательный трубопровод под напором.

Струйные насосы • Достоинства: 1) Отсутствие движущихся частей; 2) Простота устройства; 3) Перекачивание химически агрессивных жидкостей; 4) Высокая надежность. • Недостатки: 1) Низкий КПД; 2) Необходимость подачи большого количества рабочей жидкости под давлением. • Применение: 1) Если допустимо смешение рабочей и перекачиваемой жидкостей и низкий напор; 2) Подача воды в паровые котлы; 3) Откачка воды из котлованов, скважин.