Introducere
Procese mecanice ale tehnologiei chimice
Procese de amestecare
1 Principalele caracteristici ale procesului de amestecare
3 Metode de amestecare
Dispozitive de amestecare
1 Mixere cu palete
Mixere cu 2 foi
3 mixere cu elice
4 mixere cu turbine
5 agitatoare speciale
6 Selectarea unui agitator
Concluzie
Lista surselor utilizate
Aplicații
Introducere
Orice tehnologie, inclusiv tehnologia chimică, este știința metodelor de prelucrare a materiilor prime în produse finite. Metodele de reciclare trebuie să fie benefice din punct de vedere economic și ecologic și justificate.
Tehnologia chimică a apărut la sfârșitul secolului al XVIII-lea și aproape până în anii 30 ai secolului al XX-lea a constat într-o descriere a instalațiilor individuale de producție chimică, echipamentele lor principale, bilanțele materiale și energetice. Odată cu dezvoltarea industriei chimice și creșterea numărului de instalații de producție chimică, a apărut necesitatea studierii și stabilirii principiilor generale pentru construirea proceselor tehnologice chimice optime, implementarea lor industrială și funcționarea rațională. În tehnologia chimică este necesar să se distingă clar fluxurile de substanțe cu care se produce transformarea, mai întâi din materii prime, apoi prin formarea pas cu pas a produselor intermediare până la obținerea produsului final țintă.
Sarcina principală a tehnologiei chimice este combinarea într-un singur sistem tehnologic a diferitelor transformări chimice cu procese fizice, chimice și mecanice: măcinarea și sortarea materialelor solide, formarea și separarea sistemelor eterogene, transferul de masă și căldură, transformări de fază etc.
Procesele mecanice ocupă unul dintre locurile principale în producție, deoarece sunt implicate în fiecare etapă. În această lucrare, un loc special este acordat celui mai comun proces - amestecarea mecanică. În funcție de condițiile procesului, în producție se folosesc recipiente și aparate cu dispozitive de amestecare (agitatoare) de diferite modele.
Obiectivele principale ale lucrării sunt un studiu detaliat al proceselor mecanice de bază, a dispozitivelor de amestecare, a funcționării acestora și a scopului tehnologic.
1. Procese mecanice ale tehnologiei chimice
Procesele mecanice includ procese care se bazează pe efecte mecanice asupra produsului, și anume:
Triere.
Există două tipuri de separare a produselor: sortarea după calitate în funcție de proprietățile organoleptice (culoare, starea suprafeței, consistență) și separarea după dimensiune în fracții separate (sortarea după boabe și formă).
În primul caz, operațiunea se realizează prin examinarea organoleptică a produselor, în al doilea - prin cernere.
Sortarea prin cernere este folosită pentru îndepărtarea impurităților străine. La cernere, particulele de produs ale căror dimensiuni sunt mai mici decât orificiile sitei trec prin orificii (pasaj), iar particulele cu dimensiuni mai mari decât orificiile sitei rămân pe sită ca deșeuri.
Pentru cernere se folosesc: site metalice cu orificii ștanțate; site de sarma din sarma metalica rotunda, precum si site din matase, fire de nailon si alte materiale.
Sitele de mătase sunt foarte higroscopice și se uzează relativ repede. Nailonul este insensibil la schimbările de temperatură, umiditatea relativă și produsele cernute; Rezistența firelor de nailon este mai mare decât mătasea.
Măcinare.
Măcinarea este procesul de împărțire mecanică a produsului prelucrat în părți în scopul unei mai bune utilizări tehnologice a acestuia. În funcție de tipul de materie primă și de proprietățile sale structurale și mecanice, se folosesc în principal două metode de măcinare: zdrobire și tăiere. Produsele cu conținut scăzut de umiditate sunt zdrobite, iar produsele cu conținut ridicat de umiditate sunt tăiate.
Maruntirea pentru a obtine macinarea grosiera, medie si fina se efectueaza pe masini de macinat, fin si coloidal - pe mori speciale de cavitatie si coloidale.
În timpul procesului de tăiere, produsul este împărțit în părți de o formă determinată sau arbitrară (bucăți, straturi, cuburi, bețe etc.), precum și pregătirea unor tipuri de produse fin măcinate.
Pentru a șlefui produse solide cu rezistență mecanică ridicată, se folosesc ferăstraie cu bandă și circulare și freze.
Presare.
Procesele de presare a produselor sunt utilizate în principal pentru a le separa în două fracții: lichid și dens. În timpul procesului de presare, structura produsului este distrusă. Presarea se realizează folosind prese cu șurub continue (extractoare de diferite modele).
Amestecarea.
Amestecarea favorizează intensificarea proceselor biochimice și chimice termice datorită creșterii interacțiunii de suprafață între particulele amestecului. Durata amestecării amestecurilor determină consistența și proprietățile fizice ale acestora.
Dozare și formare.
Producția de produse de întreprindere și lansarea acestora se realizează în conformitate cu GOST-urile sau specificațiile tehnice sau standardele tehnologice interne și colecțiile de rețete, cu standarde pentru așezarea materiilor prime și randamentul produselor finite (greutate, volum). În acest sens, procesele de împărțire a produsului în porții (dozare) și de a le conferi o anumită formă (mulare) sunt esențiale. Procesele de dozare și formare se realizează manual sau cu ajutorul mașinilor în funcție de producție.
2. Procese de amestecare
.1 Principalele caracteristici
Amestecarea este unul dintre cele mai comune procese în industria alimentară și chimică. La amestecare, particulele dintr-un material lichid sau în vrac se mișcă în mod repetat în volumul aparatului sau al recipientului una față de alta sub acțiunea unui impuls care este transmis mediului agitat de la un agitator mecanic sau un jet de lichid, gaz sau abur.
Scopuri de amestecare:
accelerarea reacțiilor sau proceselor chimice;
asigurarea distribuției uniforme a particulelor solide în lichid;
asigurarea distribuției uniforme a lichidului în lichid;
intensificarea încălzirii sau răcirii;
asigurând o temperatură stabilă în întregul lichid.
Există multe modele de dispozitive de amestecare, dar cele mai comune sunt malaxoarele mecanice cu mișcare rotativă a elementelor de amestecare. Odată cu aceasta se realizează amestecarea cu gaz sau abur, amestecarea prin lichid circulant, amestecarea prin vibrații sau pulsații.
Fiecare dintre tipurile enumerate de dispozitive de amestecare are propriile sale avantaje și dezavantaje specifice și un domeniu specific de aplicare.
Atunci când selectați un dispozitiv de amestecare sau o metodă de amestecare, sunt utilizate următoarele concepte de bază:
Gradul de amestecare sau gradul în care două sau mai multe substanțe sau lichide sunt distribuite reciproc după ce întregul sistem a fost amestecat. Gradul de amestecare, numit uneori indice de omogenitate, este determinat experimental din probele prelevate și este utilizat pentru a determina eficacitatea amestecării.
Intensitatea amestecării, exprimată folosind anumite cantități, cum ar fi viteza de rotație a mixerului, puterea consumată pentru amestecare, redusă la o unitate de volum sau densitate a produsului. În practică, intensitatea amestecării este determinată de timpul de realizare a unui rezultat tehnologic specific, adică. amestecare uniformă.
Eficiența amestecării, determinată de capacitatea de a obține calitatea necesară a amestecării în cel mai scurt timp și cu un consum minim de energie. Astfel, din doua aparate cu mixere functioneaza mai eficient cea in care rezultatul se obtine cu cel mai mic consum de energie.
2.2 Amestecuri
Orice materii prime și produse intermediare sunt anumite produse tehnice care sunt prelucrate: separarea în substanțe pure sau invers, adăugarea altor componente la acestea pentru a crea noi amestecuri.
Amestecuri de substanțe se împart în omogene (omogene) și eterogene (eterogene). Tabelul 1 oferă exemple de diferite amestecuri.
Starea agregată a părților constitutive (înainte de formarea amestecului) Amestecul omogen (sistem omogen) Amestec eterogen (sistem eterogen) Solid - solid Soluții solide, aliaje (de exemplu, alamă, bronz) Roci (de exemplu, granit, care conțin minerale) minereuri etc.) Lichid - lichid Soluții lichide (de exemplu, oțet - o soluție de acid acetic în apă) Sisteme lichide cu două și mai multe straturi, emulsii (de exemplu, lapte - picături de grăsime lichidă în apă) Starea agregată a părțile constitutive (înainte de formarea amestecului) Amestecul omogen (sistem omogen) Amestec eterogen (sistem eterogen) Solid - lichid Soluții lichide (de exemplu, soluții apoase de săruri) Solid în lichid - suspensii sau suspensii (de exemplu, particule de argilă în apă, soluții coloidale) Lichid în solid - lichid în corpuri poroase (de exemplu, soluri, soluri) Solid - gazos Hidrogen chimisorbit în platină, paladiu, oțel Solid în gaz - pulberi, aerosoli, inclusiv fum, praf, smog Gazos în solid - materiale poroase (de exemplu, cărămidă, piatră ponce) Lichid - solid Lichide solide (de exemplu, sticlă - solid, dar încă lichid) Poate lua diferite forme și le poate fixa (de exemplu, vase - diferite forme și culori) Lichid - gazos Soluții lichide (de exemplu, o soluție de dioxid de carbon în apă) Lichid în gaz - aerosoli de lichid în gaz, inclusiv ceață Gazos în lichid - spumă (de exemplu, spumă de săpun) Gazos - gazosSoluții gazoase (amestecuri de orice cantități și orice număr de gaze ), de exemplu. aerul Un sistem eterogen este imposibil
În amestecurile omogene, părțile constitutive nu pot fi detectate nici vizual, nici cu ajutorul instrumentelor optice, deoarece substanțele sunt în stare fragmentată la nivel micro. Amestecuri omogene sunt amestecuri de orice gaze și soluții adevărate, precum și amestecuri de anumite lichide și solide, cum ar fi aliajele.
În amestecurile eterogene, fie vizual, fie folosind instrumente optice, se pot distinge zone (agregate) de diferite substanțe delimitate de interfață; fiecare dintre aceste zone este omogenă în sine. Astfel de zone se numesc faza.
Un amestec omogen constă dintr-o fază, un amestec eterogen este format din două sau mai multe faze. Amestecuri eterogene în care o fază sub formă de particule individuale este distribuită într-o alta se numesc sisteme dispersate. În astfel de sisteme, se face distincția între un mediu de dispersie (mediu de distribuție) și o fază dispersată (substanță zdrobită în mediul de dispersie).
Este necesar să se facă distincția între amestecuri și substanțe complexe. Amestecuri, spre deosebire de substanțe complexe:
se formează printr-un proces fizic - amestecarea substanțelor pure;
proprietățile substanțelor pure din care este compus amestecul rămân neschimbate;
substanțele pure (simple și complexe) pot fi prezente într-un amestec în orice raport de masă.
Amestecuri se formează prin amestecarea diferitelor componente. Amestecarea este unul dintre cele mai comune procese în tehnologia chimică și în industriile conexe. Amestecarea poate avea loc:
sub influența forțelor externe create de corpurile de lucru ale mașinilor de amestecare;
ca urmare a ambilor factori.
Amestecarea și amestecarea sunt cuvinte sinonime. Se obișnuiește să se folosească termenul de amestecare pentru materialele solide în vrac și păstoase. Pentru mediile lichide și substanțele gazoase se folosește termenul agitare.
La amestecare, distribuția particulelor componentelor individuale în mediul amestecat este aleatorie și are loc sub influența multor forțe, cum ar fi forțele gravitaționale, inerțiale și diferite hidrodinamice și mecanice. În acest caz, distanțarea și segregarea lor, distribuția în volum și sedimentarea pot avea loc simultan.
La amestecare, ei se străduiesc să obțină o distribuție reciprocă perfectă a particulelor. Amestecarea perfectă sau completă este o astfel de amestecare, ca urmare a căreia mostre infinitezimale ale amestecului prelevate oriunde în sistemul mixt vor avea aceeași compoziție sau aceeași temperatură. Întrucât nu este posibilă atingerea unei astfel de stări, în practică, se folosesc diverse criterii de calitate a amestecului pentru a caracteriza calitativ procesul de amestecare.
Amestecuri gata preparate sunt cel mai adesea reprezentate de soluții, emulsii, suspensii, paste, compoziții granulare și amestecuri gaz-lichid.
Soluțiile sunt un amestec omogen (omogen) format din cel puțin două componente, dintre care unul se numește solvent și celălalt substanță solubilă este, de asemenea, un sistem de compoziție variabilă care se află în stare de echilibru chimic;
Emulsiile sunt sisteme dispersate cu un mediu de dispersie lichid și o fază dispersată lichidă (mai rar gazoasă).
Suspensiile sunt sisteme grosiere cu o fază solidă dispersată și un mediu lichid de dispersie.
Amestecuri granulare sunt amestecuri formate dintr-un număr mare de particule granulare.
Amestecurile gaz-lichid sunt sisteme dispersate multifazice, ale căror proprietăți fizico-chimice depind de raportul de volum al fazelor lichide și gazoase din amestec.
2.3 Metode de amestecare
Metode de amestecare în funcție de starea fizică a componentelor care se amestecă.
1.Circulație și amestecare în linie. La transportul lichidului prin aceste conducte cu viteză mare are loc o amestecare intensă - turbulizarea fluxului. Prin urmare, pentru a amesteca lichidele conținute în dispozitiv, este suficient să plasați o pompă de circulație lângă dispozitiv, care va pompa lichidul pentru o perioadă de timp. Acest amestec se numește circulație. Eficiența amestecării crește semnificativ dacă lichidul din aparat este pulverizat sau introdus tangențial. Intensitatea amestecării în circulație depinde de debitul fluidului din pompa de circulație și de volumul aparatului în sine. Pompele cu jet sunt folosite pentru a amesteca lichide pure, de exemplu, alcool brut și apă în timpul rectificării alcoolului. În acest caz, amestecarea are loc într-un flux și se numește amestecare în linie. Pentru a amesteca lichide nevâscoase în conducte, sunt instalate mixere, al căror element de lucru este format din șuruburi sau turbine diferite răsucite instalate secvenţial. Amestecarea în linie se realizează datorită energiei cinetice a fluxurilor. Aceleași dispozitive pot fi folosite pentru a amesteca lichide și gaze. Mixerele cu raft sunt utilizate în industriile de fermentație. Pe rafturi se amestecă melasa și apa. În acest caz, apa rece și caldă este furnizată pe diferite rafturi în zone, ceea ce vă permite să mențineți temperatura setată. 2.Amestecare gravitațională În atelierele pregătitoare ale producției chimice este adesea necesar să se creeze un amestec de mai multe componente uscate în vrac. În acest caz, materialul solid în vrac se ridică la o anumită înălțime și cade sub influența gravitației, descriind traiectorii mai mult sau mai puțin complexe, amestecându-se în același timp. Cele mai comune în aceste scopuri sunt mixerele cu șurub, al căror corp de lucru este unul sau mai multe șuruburi. O bună amestecare a materialelor în vrac se realizează în tamburele rotative. Axa de rotație a tamburului este înclinată spre orizont, iar acest lucru asigură deplasarea materialului nu numai în plan vertical, ci și de-a lungul axei tamburului. Tamburele se rotesc, de regulă, la o frecvență joasă (5...10 rpm). Pentru a crește înălțimea de ridicare a materialului, pe suprafața interioară a tamburului sunt instalate lame speciale. Procesele de amestecare a materialelor în vrac pot fi intensificate prin utilizarea vibrațiilor mecanice care însoțesc amestecarea cu șuruburi sau lame care se rotesc pe un arbore. Astfel de dispozitive se numesc mixere vibrante. 3.Amestecare mecanică. Agitarea mecanică este cea mai comună metodă de amestecare în medii lichide. Este produs folosind dispozitive speciale - elice, pale, turbină, ancoră și mixere cu cadru. De regulă, fluidele tehnice au caracteristici diferite, prin urmare mecanismele de amestecare diferă în caracteristicile lor și parametrii de funcționare. Amestecare pneumatică Amestecarea pneumatică cu gaz inert comprimat sau aer este utilizată atunci când lichidul agitat este foarte activ din punct de vedere chimic și distruge rapid agitatoarele mecanice. Amestecarea cu gaz comprimat este un proces de intensitate redusă. Consumul de energie în cazul amestecării pneumatice este mai mare decât în cazul amestecării mecanice. Amestecarea pneumatică nu este utilizată pentru prelucrarea lichidelor volatile din cauza pierderilor semnificative ale produsului amestecat. Amestecarea cu aer poate fi însoțită de oxidarea sau gudronarea substanțelor. Amestecarea cu gaz comprimat se efectuează în dispozitive echipate cu dispozitive speciale - un barbotator sau o conductă de circulație centrală. Barbotorul este format din conducte situate de-a lungul fundului aparatului cu orificii, prin care gazul este barbotat prin stratul de lichid care este procesat. În timpul amestecării în circulație (lifting aerian), gazul este alimentat într-o conductă de circulație. Bulele de gaz transportă lichidul din vas în sus pe țeavă, care apoi cade în spațiul inelar dintre țeavă și pereții aparatului, asigurând amestecarea în circulație a lichidului. Agitarea electromagnetică Acest tip de amestecare poate fi utilizat în metode de intensificare a proceselor tehnologice în metale lichide. Conform metodei propuse, amestecarea topiturii conductoare de electricitate în mixere și cuptoare se realizează prin expunerea simultană la un câmp electromagnetic deplasare și unul sau mai multe câmpuri electromagnetice pulsatorii situate în zona câmpului de călătorie, acționând de-a lungul întregii înălțimi a coloanei de topire pe partea laterală a mixerului. Câmpurile care acționează asupra topiturii creează mișcarea acesteia într-o direcție sau alternativ într-o direcție sau alta pe parcursul întregului timp de amestecare într-un plan paralel cu partea laterală a mixerului sau cuptorului. Prin variarea intensității câmpurilor electromagnetice pulsatorii la intrarea și la ieșirea câmpului electromagnetic care se deplasează, este posibilă modificarea traiectoriei topiturii conductoare de electricitate în timpul procesului de amestecare. Agitarea electromagnetică în vase de sticlă deschise sau închise se realizează adesea folosind agitatoare electromagnetice. Principiul de funcționare al acestor mixere se bazează pe faptul că un electromagnet montat pe axa unui motor situat vertical se rotește cu o frecvență de până la 24 de secunde. -1pune în mișcare o ancoră de fier moale. Acesta din urmă este plasat într-o fiolă de grafit, sticlă sau polimer, care este sigilată și plasată pe fundul aparatului. Agitatoarele electromagnetice sunt folosite pentru amestecarea lichidelor cu vâscozitate scăzută (în timpul hidrogenării, electrolizei, titrarii etc.), când se lucrează în vid înalt etc. Dacă este necesar, izolați amestecul de reacție de acțiunea apei și a aerului, precum și pentru a preveni scurgeri de substante volatile, agitatoarele sunt sigilate cu dopuri de cauciuc sau pluta, garnituri lichide (mercur sau glicerina), sectiuni cilindrice de sticla. Dezavantajele acestei metode sunt: ) eficiență scăzută de amestecare a topiturii în „zona moartă” dintre intrarea și ieșirea canalului și în colțurile mixerului și cuptorului; ) dispozitivele care implementează metoda, în special un canal cu pereți subțiri sau metal laminat, au o fiabilitate scăzută atunci când sunt expuse la topituri de metal la temperatură înaltă. Metode de amestecare în funcție de organizarea procesului în sine. Cu amestecarea periodică, toate etapele individuale ale procesului au loc secvenţial, în momente diferite. Natura modificării concentrațiilor substanțelor care reacţionează este aceeași în toate punctele volumului de reacție, dar diferită în timp pentru același punct din volum. Într-un astfel de proces, timpul de reacție poate fi măsurat direct, deoarece timpul de reacție și timpul de rezidență al reactanților în volumul de reacție sunt aceleași. Parametrii procesului se modifică în timp. Cu agitare continuă, toate etapele individuale ale procesului de transformare biochimică a unei substanțe (furnizarea de reactanți, reacții biochimice, producția produsului final) sunt efectuate în paralel, simultan. Natura modificării concentrațiilor de substanțe care reacţionează în volumul de reacţie este diferită în fiecare moment de timp în diferite puncte ale volumului aparatului, dar este constantă în timp pentru același punct din volum. Parametrii procesului sunt constanți în timp. Cu amestecarea semi-continuă, unul dintre reactanți este furnizat continuu, iar celălalt - periodic. Opțiunile sunt posibile atunci când reactivii sunt furnizați periodic, iar produsele de reacție sunt descărcate continuu. Această metodă este utilizată atunci când modificarea ratei de alimentare cu reactivi vă permite să reglați viteza procesului. amestecul de sortare agitator agitator 3. Dispozitive de amestecare
Dispozitivele mecanice de amestecare constau din trei părți principale: mixerul în sine, arborele și antrenarea. Agitatorul este un element de lucru al dispozitivului, montat pe un arbore vertical, orizontal sau înclinat. Acționarea poate fi efectuată fie direct de la un motor electric (pentru malaxorele de mare viteză), fie printr-o cutie de viteze sau curea trapezoidale. Pe baza designului paletelor, există diferite tipuri de mixere: pale, tablă, elice, turbină și speciale. Pe baza tipului de curgere de lichid creat de agitatorul din aparat, se disting agitatoarele care asigură fluxuri predominant tangenţiale, radiale şi axiale. În curgere tangenţială, lichidul din aparat se mişcă predominant în cercuri concentrice paralele cu planul de rotaţie al malaxorului. Amestecarea are loc datorită vârtejurilor care apar la marginile mixerului. Calitatea amestecării va fi mai proastă atunci când viteza de rotație a lichidului este egală cu viteza de rotație a mixerului. Curgerea radială se caracterizează prin mișcarea direcționată a lichidului de la agitator către pereții aparatului perpendicular pe axa de rotație a agitatorului. Fluxul axial al lichidului este direcționat paralel cu axa de rotație a mixerului, ceea ce determină zonele de aplicare a acestora. La viteze mari de rotație ale mixerelor, lichidul agitat este tras într-o mișcare circulară și se formează o pâlnie în jurul arborelui, a cărei adâncime crește odată cu creșterea numărului de rotații și scăderea densității și vâscozității. mediu. Pentru a preveni formarea unei pâlnii, în aparat sunt plasate pereți despărțitori reflectorizanti, care, în plus, contribuie la apariția vârtejurilor și cresc turbulența sistemului. Formarea unei pâlnii poate fi prevenită și atunci când aparatul este complet umplut cu lichid, adică în absența unui spațiu de aer între lichidul care se amestecă și capacul aparatului, precum și atunci când arborele agitatorului este instalat excentric la axa aparatului sau când se folosește un dispozitiv de secțiune dreptunghiulară. În plus, pereții despărțitori reflectorizante sunt instalate în toate cazurile la amestecarea în sisteme gaz-lichid. Utilizarea deflectoarelor reflectorizante, precum și a unui aranjament excentric sau înclinat al arborelui mixerului, duce la creșterea consumului de energie al acestuia. 3.1 Mixere cu palete
Malaxoarele cu palete sunt dispozitive formate din două sau mai multe lame dreptunghiulare montate pe un arbore vertical sau înclinat rotativ (Fig. 1). Mixerele cu palete includ și unele mixere cu destinații speciale: ancoră, cadru și foaie. Datorită nesemnificației fluxului axial, mixerele cu palete amestecă doar acele straturi de lichid care se află în imediata apropiere a paletelor mixerului. Dezvoltarea turbulenței în volumul lichidului agitat are loc lent, iar circulația lichidului este mică. Prin urmare, mixerele cu palete sunt folosite pentru amestecarea lichidelor a căror vâscozitate nu depășește 103 ppm. sec/m 2. Aceste malaxoare nu sunt potrivite pentru amestecarea în flux, de exemplu în mașini continue. O ușoară creștere a debitului axial de fluid se realizează atunci când paletele sunt înclinate la un unghi de 30-45° față de axa arborelui. Un astfel de amestecător este capabil să mențină particulele în suspensie, a căror viteză de decantare este scăzută. Pentru a crește turbulența mediului la amestecarea cu malaxoare cu palete, în dispozitivele cu un raport mare înălțime-diametru, se folosesc malaxoare cu două lame cu mai multe rânduri cu mai multe rânduri de malaxoare instalate pe arbore, rotite la 90° relativ unul altuia. Distanța dintre rândurile individuale este aleasă în intervalul (0,3-0,8d), unde d este diametrul mixerului, în funcție de vâscozitatea mediului amestecat. Pentru amestecarea lichidelor cu o vâscozitate de cel mult 104 ppm. sec/m2, precum și pentru amestecarea în aparate încălzite cu manta sau serpentine interioare, în cazurile în care este posibilă sedimentarea sau contaminarea suprafeței de transfer termic, se folosesc mixere cu ancoră (Fig. 2) sau cadru (Fig. 3). Au o formă care se potrivește cu forma internă a aparatului și un diametru apropiat de diametrul intern al aparatului sau bobinei. Când se rotesc, aceste mixere curăță pereții și partea inferioară a aparatului de contaminanții aderați. Avantajele mixerelor cu palete: ) simplitatea dispozitivului și costul redus de producție; ) amestecare destul de satisfăcătoare a lichidelor moderat vâscoase. Defecte: ) intensitate scăzută de amestecare a lichidelor vâscoase; ) nepotrivire pentru amestecarea substanțelor ușor de separat. Principalele aplicații ale mixerelor cu palete: ) amestecarea lichidelor cu vâscozitate scăzută; ) dizolvarea și suspendarea solidelor; ) amestecarea grosieră a lichidelor. Figura 1 - Mixer cu palete Figura 2 - Agitator de ancorare Figura 3 - Mixer cadru 3.2 Mixere de foi
Malaxoarele cu plăci (Fig. 4) au palete mai largi decât malaxoarele cu palete și sunt clasificate ca malaxoare care asigură fluxul tangenţial al mediului amestecat. Pe lângă fluxul pur tangențial, care este predominant, marginile superioare și inferioare ale mixerului creează fluxuri de vortex, similare cu cele care apar atunci când lichidul curge în jurul unei plăci plane cu margini ascuțite. La viteze mari de rotație ale mixerului cu tablă, curgerea tangențială se suprapune fluxului radial cauzat de forțele centrifuge. Mixerele cu folie sunt folosite pentru amestecarea lichidelor cu vâscozitate redusă (vâscozitate mai mică de 50 ppm sec/m2), intensificând procesele de transfer de căldură în timpul dizolvării. Pentru procesele de dizolvare se folosesc mixere de foi cu orificii în palete. Când un astfel de agitator se rotește, la ieșirea din găuri se formează jeturi, favorizând dizolvarea materialelor solide. Dimensiunile principale ale mixerelor cu palete variază în funcție de vâscozitatea mediului. În mod obișnuit, pentru malaxorele cu palete sunt acceptate următoarele rapoarte de dimensiune: diametrul mixerului d = (0,66-0,9) D (D este diametrul interior al aparatului), lățimea paletei agitatorului b = (0,1 - 0,2) D, înălțimea nivelului lichidului în vas H = (0,8-1,3)D, distanța de la agitator până la fundul vasului h d 0,3D. Pentru malaxoarele cu foi d = (0,3-0,5) D, b = (0,5-1,0) D, h = (0,2-0,5) D. Viteza periferică a malaxoarelor cu palete și foi, în funcție de vâscozitatea mediului agitat, poate variază în limite largi (de la 0,5 - 5,0 sec-1), iar odată cu creșterea vâscozității și a lățimii lamei, viteza de rotație a agitatorului scade. La viteze mari de rotație ale mixerelor cu palete, în aparat sunt instalate partiții reflectorizante. Mixtoarele de foi, de regulă, nu sunt utilizate fără pereți despărțitori reflectorizanti. Figura 4 - Mixer de foi 3.3 Mixere cu elice
Partea de lucru a unui mixer cu elice este elicea (Fig. 5) - un dispozitiv cu mai multe pale de formă curbate de-a lungul profilului elicei. Elicele cu trei pale sunt cele mai comune. Pe arborele mixerului se instalează una sau mai multe elice, care pot fi amplasate vertical, orizontal sau oblic, în funcție de înălțimea stratului de lichid. Datorită formei lor mai raționalizate, mixerele cu elice consumă mai puțină energie la același număr Reynolds decât alte tipuri de mixere. Figura 5 - Mixer cu elice Corpul dispozitivului Elice Difuzor Figura 6 - Mixer cu elice cu difuzor: Pentru a îmbunătăți amestecarea unor volume mari de lichide și a organiza fluxul direcțional al lichidului (cu un raport mare dintre înălțimea și diametrul aparatului), în vase este instalat un aparat de ghidare sau difuzor (Fig. 6). Difuzorul este o sticlă scurtă cilindrică sau conică, în interiorul căreia este plasat un agitator. La viteze mari de rotație a mixerului în absența unui difuzor, în aparat sunt instalate partiții reflectorizante. Mixerele cu elice sunt utilizate pentru amestecarea lichidelor cu o vâscozitate de cel mult 2,103 ppm. sec/m2, pentru dizolvare, formare de suspensii, amestecare rapidă, formare de emulsii cu vâscozitate scăzută și omogenizare a unor volume mari de lichid. Pentru malaxoarele cu elice sunt acceptate următoarele rapoarte ale dimensiunilor principale: diametrul mixerului d= (0.2-0.5) D, pasul șurubului s=(1.0-3.0) D, distanța de la malaxor până la fundul vasului h=(0) , 5-1,0) d, înălțimea nivelului lichidului din vas H = (0,8-1,2) D. Viteza mixerelor cu elice ajunge la 40 pe secundă, viteza periferică este de 15 m/sec. Avantajele mixerelor cu elice: ) amestecare intensivă; ) consum moderat de energie, chiar și la un număr semnificativ de rotații; ) cost scăzut. Defecte: ) eficiență scăzută de amestecare a lichidelor vâscoase; ) volum limitat de lichid amestecat intens. Mixerele cu elice sunt utilizate în principal în următoarele scopuri: ) amestecarea intensivă a lichidelor cu vâscozitate scăzută; ) prepararea suspensiilor si emulsiilor; ) resuspendarea sedimentelor care conțin până la 10% din faza solidă, constând din particule de până la 0,15 mm în dimensiune. 3.4 Mixere cu turbine
Aceste malaxoare au forma unor roți de turbină de apă cu palete plate, înclinate sau curbate, de obicei montate pe un arbore vertical (Fig. 7). În dispozitivele cu malaxoare cu turbină se creează fluxuri de fluid predominant radiale. Atunci când mixerele cu turbină funcționează la viteze mari, împreună cu un flux radial, poate apărea un flux tangențial (circular) al conținutului aparatului și formarea unei pâlnii. În acest caz, în aparat sunt instalate partiții reflectorizante. Mixerele cu turbină închise (Fig. 7), spre deosebire de cele deschise (Fig. 7 a, b, c), creează un flux radial mai clar definit. Agitatoarele închise au două discuri cu orificii în centru pentru a permite trecerea lichidului; discurile de sus și de jos sunt sudate pe lamele plate. Lichidul intră în mixer paralel cu axa arborelui, este aruncat de mixer în direcția radială și ajunge în cele mai îndepărtate puncte ale aparatului. Mixerele cu turbină asigură amestecarea intensivă pe întregul volum al aparatului. Pentru valori mari ale raportului înălțime și diametru al aparatului, se folosesc mixere cu turbină cu mai multe rânduri. Puterea consumată de mixerele cu turbină care funcționează în dispozitive cu deflectoare în condiții de amestecare turbulente este practic independentă de vâscozitatea mediului. Prin urmare, acest tip de mixer poate fi folosit pentru amestecuri a căror viscozitate se modifică în timpul amestecării. Mixerele cu turbină sunt utilizate pe scară largă pentru formarea suspensiilor (dimensiunea particulelor pentru malaxoarele închise poate ajunge la 25 mm), dizolvarea, absorbția gazelor și intensificarea transferului de căldură. Pentru amestecarea în volume mari (de exemplu, la omogenizarea lichidelor în depozite cu un volum de până la 2500 m3 sau mai mult), mixerele cu turbină sunt mai puțin potrivite decât mixerele cu elice sau duzele. În funcție de aplicație, mixerele cu turbină au de obicei un diametru d = (0,15-0,65) D cu un raport dintre înălțimea nivelului lichidului și diametrul aparatului nu mai mult de doi. Pentru valori mari ale acestui raport, se folosesc mixere cu mai multe rânduri. Viteza agitatorului variază de la 2-5 pe secundă, iar viteza periferică este de 3-8 m/sec. a - deschis cu lame drepte b - deschis cu lamele curbate c - deschis cu lamele înclinate g - închis cu paletă de ghidare Mixer cu turbina Paleta de ghidare Figura 7 - Mixer cu turbină Avantajele mixerelor cu turbină: ) viteza de amestecare și dizolvare; ) amestecarea eficientă a lichidelor vâscoase; ) adecvarea pentru procese continue. Dezavantajul mixerelor cu turbină este complexitatea lor relativă și costul ridicat de producție. Domenii de aplicare ale malaxoarelor cu turbine: ) agitarea și amestecarea intensivă a lichidelor de diferite vâscozități, care pot varia într-o gamă largă (malaxeare de tip deschis până la 105 spz., mixere de tip închis până la 5 * 105 spz); ) dispersie fină și dizolvare rapidă; ) agitarea sedimentelor în lichide care conțin 60% sau mai mult fază solidă (pentru mixere deschise - până la 60%); dimensiuni admisibile ale particulelor solide: până la 1,5 mm pentru mixere deschise, până la 25 mm pentru mixere închise. 3.5 Agitatoare speciale
Acest grup include mixere care au o utilizare mai limitată decât tipurile de mixere discutate mai sus. Mixerele cu tambur (Fig. 8) constau din două inele cilindrice legate între ele prin lame verticale cu secțiune transversală dreptunghiulară. Înălțimea agitatorului este de 1,5-1,6 ori diametrul său. Mixerele cu acest design creează un flux axial semnificativ și sunt utilizate (dacă raportul dintre înălțimea coloanei de lichid din aparat și diametrul tamburului este de cel puțin 10) pentru efectuarea reacțiilor gaz-lichid, producerea emulsiilor și a sedimentelor agitate. . Figura 8 - Mixer tambur. Mixerele cu discuri (Fig. 9) sunt unul sau mai multe discuri netede care se rotesc cu viteză mare pe un arbore vertical. Fluxul de fluid în aparat are loc în direcția tangenţială datorită frecării fluidului împotriva discului, iar discurile conice creează, de asemenea, un flux axial. Uneori, marginile discului sunt zimțate. Diametrul discului este de 0,1-0,15 din diametrul aparatului. Viteza periferică este de 35 m/s, ceea ce corespunde unor viteze foarte mari cu dimensiuni mici ale discurilor. Consumul de energie variază de la 0,5 kW pentru medii cu vâscozitate scăzută până la 20 kW pentru amestecuri vâscoase. Mixerele cu discuri sunt folosite pentru amestecarea lichidelor in volume de pana la 4 m3. Figura 9 - Mixer cu discuri Mixerele cu vibrații au un arbore cu unul sau mai multe discuri perforate atașate la acesta (Fig. 10). Discurile efectuează o mișcare alternativă, care realizează amestecarea intensivă a conținutului aparatului. Energia consumată de acest tip de mixer este scăzută. Sunt utilizate pentru amestecarea amestecurilor și suspensiilor lichide, în principal în aparatele sub presiune. Timpul necesar pentru dizolvare, omogenizare, dispersie la utilizarea mixerelor vibrante este redus semnificativ. Când este amestecat cu aceste mixere, suprafața lichidului rămâne calmă și nu se formează nicio pâlnie. Mixerele cu vibrații sunt fabricate cu un diametru de până la 300 mm și sunt utilizate în dispozitive cu o capacitate de cel mult 3 m3. Figura 10 - Proiectarea discurilor mixerului vibrant 3.6 Selectarea unui agitator
Alegerea unui tip de mixer sau altul este determinată de scopul vizat al dispozitivelor de amestecare și de condițiile specifice ale procesului. Orice recomandare clară cu privire la această problemă nu poate fi încă formulată. Prin urmare, atunci când alegeți un anumit tip de dispozitiv de amestecare, puteți utiliza caracteristicile aproximative ale condițiilor pentru utilizarea corespunzătoare a diferitelor tipuri de mixere prezentate în tabelul 2. Tabelul 2 - Caracteristici aproximative pentru selectarea unui mixer Tipul malaxoare Volumul lichidului amestecat cu un mixer, m3 Conținut în fază solidă în timpul suspensiei, % Vâscozitatea dinamică a lichidului agitat, kg/(m*s) Viteza periferică a malaxorului, m/s Viteza de rotație a lamei mixerului<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< 5,006,0-30,01,7-25,0Concluzie
În timpul procesului de amestecare, există un contact strâns al particulelor și o reînnoire continuă a suprafeței de interacțiune a substanțelor. Ca rezultat, la agitare, procesele de transfer de masă sunt accelerate semnificativ, de exemplu, cum ar fi dizolvarea solidelor în lichid, apariția majorității reacțiilor chimice și procesul de transfer de căldură. Agitarea promovează procesul de accelerare a absorbției, evaporării și proceselor de bază ale tehnologiei chimice. Amestecarea este procesul de mișcare repetată a particulelor dintr-un mediu fluid eterogen unul față de celălalt de-a lungul întregului volum al unui recipient sau al unui aparat, care are loc datorită impulsurilor într-un mediu cu un agitator, un curent de lichid sau gaz. Amestecarea cu un agitator este o condiție prealabilă pentru implementarea cu succes a multor operațiuni tehnologice diferite. În producție, amestecarea cu ajutorul unui mixer se efectuează în următoarele scopuri: a) asigurarea distribuției și zdrobirii uniforme, măcinarea la o anumită dispersie (dispersie) a gazului în lichid sau lichid în lichid, precum și a distribuției uniforme a particulelor solide în volumul de lichid; b) intensificarea încălzirii sau răcirii maselor prelucrate într-un recipient sau aparat, precum și asigurarea unei distribuții uniforme a temperaturii în recipientul sau aparatul agitat; c) intensificarea transferului de masă într-un mediu agitat, precum și distribuția uniformă a substanței dizolvate în masa agitată. Astfel, agitarea cu un agitator mecanic are o influență decisivă asupra vitezei diferitelor procese de transformare chimică, deoarece în condiții industriale viteza acestor procese este determinată nu numai de cinetica chimică, ci, în mare măsură, de condițiile de transfer de căldură și masă. . În funcție de scopurile și condițiile procesului, se folosesc containere și aparate cu dispozitive de amestecare de diferite modele. Procesul de amestecare cu ajutorul unui agitator este utilizat pe scară largă în multe industrii precum chimică, vopsele și lacuri, energie, petrol, asfalt, alimente și altele pentru producerea și prepararea suspensiilor, suspensiilor, soluțiilor, reactivilor și emulsiilor, efectuarea reacțiilor, omogenizarea , suspendarea, dizolvarea, amestecarea, agitarea etc. Lista surselor utilizate
1.#"justify">2. #"justifica">. Kafarov V.V., Dorokhov I.N., Arutyunov S.Yu., Analiza de sistem a proceselor tehnologice chimice .
M.: Chimie, 1988. - 214-298 p. . #"justifica">. #"centru"> Anexa A
Tabelul 1 - Opțiuni pentru amestecuri de substanțe în diferite stări de agregare Starea agregată a părților constitutive (înainte de formarea amestecului) Amestecul omogen (sistem omogen) Amestec eterogen (sistem eterogen) Solid - solid Soluții solide, aliaje (de exemplu, alamă, bronz) Roci (de exemplu, granit, care conțin minerale) minereuri etc.) Lichid - lichid Soluții lichide (de exemplu, oțet - o soluție de acid acetic în apă) Sisteme lichide cu două și mai multe straturi, emulsii (de exemplu, lapte - picături de grăsime lichidă în apă) Solid - lichid Soluții lichide (de exemplu, soluții apoase de săruri) Solid în lichid - suspensii sau suspensii (de exemplu, particule de argilă în apă, soluții coloidale) Lichid în solid - lichid în corpuri poroase (de exemplu, soluri, soluri) Solid - gazos Chimiesorbit hidrogen în platină, paladiu, oțel Solid în gaz - pulberi, aerosoli, inclusiv fum, praf, smog Gazos în solide - materiale poroase (de exemplu, cărămidă, piatră ponce) Lichid - solide Lichide solide (de exemplu, sticlă - solide, dar încă lichid) Poate lua diferite forme și îl poate fixa (de exemplu, vase - diferite forme și culori) Lichid - gazos Soluții lichide (de exemplu, o soluție de dioxid de carbon în apă) Lichid în gaz - aerosoli de lichid în gaz, inclusiv ceață Gazos în lichid - spume (de exemplu, spumă de săpun) Gazos - gazos Soluții gazoase (amestecuri de orice cantitate și orice număr de gaze), de exemplu. aerul Un sistem eterogen este imposibil Anexa B
Un exemplu de calcul al fluxurilor de material la amestecarea soluțiilor Sarcină. Se amestecă 50 ml de soluție de NaOH 45% ( r = 1,480 g/ml) și 70 ml de soluție de Na 1,8N 2CO 3 (r = 1,180 g/ml). Calculați fluxul de material. Soluţie. cârtiță. cârtiță cârtiță mol/l mol/l mol/kg mol/kg mol∙eq/l mol∙eq/l
Numele componenteiGreutate, g n,cârtiță ω
i, %
χ
i,%NaOH33,3000,83321,311,8N / A2
CO3
13,3560,1268,51,8H2
O109.9446.10870.286.4Total156.6007.067100100 Bilanțul material al soluțiilor de amestecare încărcat primit denumirea masei componentei, g denumirea masei componentei, g tehnică în calcul 100% tehnică în calcul 100% A) Materii prime, inclusiv: 1) soluție. NaOHH
Depinde din tipare Caracterizând fluxul, procesele tehnologice chimice sunt împărțite în cinci grupe principale.
1. Procese mecanice , a cărui viteză este legată de legile fizicii stării solide. Acestea includ: măcinarea, clasificarea, dozarea și amestecarea materialelor solide în vrac.
2. Procese hidromecanice , al cărui debit este determinat de legile hidromecanicii. Acestea includ: comprimarea și mișcarea gazelor, mișcarea lichidelor, a materialelor solide, sedimentarea, filtrarea, amestecarea în fază lichidă, fluidizarea etc.
3. Procese termice , al cărui debit este determinat de legile transferului de căldură. Acestea includ următoarele procese: încălzire, evaporare, răcire (naturală și artificială), condensare și fierbere.
4. Procese de transfer de masă (difuzie). , a cărei intensitate este determinată de viteza de tranziție a unei substanțe de la o fază la alta, adică. legile transferului de masă. Procesele de difuzie includ: absorbția, rectificarea, extracția, cristalizarea, adsorbția, uscarea etc.
5. Procese chimice asociate cu transformarea substanțelor și modificări ale proprietăților lor chimice. Viteza acestor procese este determinată de legile cineticii chimice.
În conformitate cu diviziunea enumerată a proceselor, aparatele chimice sunt clasificate după cum urmează:
– mașini de șlefuit și clasificat;
– dispozitive hidromecanice, termice, de transfer de masă;
– echipamente pentru efectuarea transformărilor chimice – reactoare.
De structura organizatorica si tehnica procesele sunt împărțite în periodice și continue.
ÎN proces periodic etapele individuale (operațiile) sunt efectuate într-un singur loc (dispozitiv, mașină), dar în momente diferite (Fig. 1.1). ÎN proces continuu (Fig. 1.2) etapele individuale se desfășoară simultan, dar în locuri diferite (dispozitive sau mașini).
Procesele continue au avantaje semnificative față de procesele periodice, inclusiv posibilitatea specializării echipamentelor pentru fiecare etapă, îmbunătățirea calității produsului, stabilizarea procesului în timp, ușurința de reglementare, capabilități de automatizare etc.
Atunci când se efectuează procese în oricare dintre dispozitivele enumerate, parametrii materialelor prelucrate se modifică. Parametrii care caracterizează procesul sunt presiunea, temperatura, concentrația, densitatea, debitul, entalpia etc.
În funcție de natura mișcării fluxurilor și de modificările parametrilor substanțelor care intră în dispozitiv, toate dispozitivele pot fi împărțite în trei grupe: dispozitive ideal (deplin )amestecarea , dispozitive ideal (deplin )represiune și dispozitive tip intermediar .
Cel mai convenabil este să se demonstreze caracteristicile fluxurilor diferitelor structuri folosind exemplul schimbătoarelor de căldură continue de diferite modele. Figura 1.3a prezintă o diagramă a unui schimbător de căldură care funcționează pe principiul deplasării ideale. Se presupune că în acest aparat există un flux „piston” al fluxului fără amestecare. Temperatura unuia dintre lichidele de răcire se modifică de-a lungul lungimii aparatului de la temperatura inițială la temperatura finală ca urmare a faptului că volumele ulterioare de lichid care curge prin aparat nu se amestecă cu cele precedente, deplasându-le complet. Se presupune că temperatura celui de-al doilea lichid de răcire este constantă (abur de condensare).
În aparat amestec perfect volumele ulterioare și anterioare de lichid sunt amestecate în mod ideal, temperatura lichidului din aparat este constantă și egală cu temperatura finală (Fig. 1.3, b).
În dispozitivele reale nu pot fi asigurate nici condițiile de amestecare ideală, nici de deplasare ideală. În practică, se poate realiza doar o aproximare destul de apropiată a acestor circuite, așa că dispozitivele reale sunt dispozitive de tip intermediar (Fig. 1.3, c).
Orez. 1.1. Aparat pentru efectuarea unui proces periodic:
1 – materii prime; 2 – produs finit; 3 – abur; 4 – condens;
Orez. 1.2. Aparat pentru efectuarea unui proces continuu:
1– schimbător de căldură-încălzitor; 2 – aparat cu agitator; 3 – schimbător de căldură-frigider; I – materii prime; II – produs finit III – abur IV – condensat;
V – apă de răcire
Orez. 1.3. Schimbări de temperatură la încălzirea unui lichid în dispozitive de diferite tipuri: a – deplasare completă; b – amestecare completă; c – tip intermediar
Forța motrice a procesului de încălzire a lichidului luat în considerare pentru orice element al aparatului este diferența între temperaturile aburului de încălzire şi ale lichidului încălzit.
Diferența în cursul proceselor în fiecare tip de aparat devine deosebit de clară dacă luăm în considerare modul în care forța motrice a procesului se modifică în fiecare tip de aparat. Dintr-o comparație a graficelor rezultă că forța de antrenare maximă apare în dispozitivele de deplasare complete, minimă în dispozitivele de amestecare complete.
Trebuie remarcat faptul că forța motrice a proceselor în aparatul de amestecare ideal care funcționează continuu poate fi crescută semnificativ prin împărțirea volumului de lucru al aparatului într-un număr de secțiuni.
Dacă volumul unui aparat de amestecare ideal este împărțit în n aparate și procesul se desfășoară în ele, atunci forța motrice va crește (Fig. 1.4).
Odată cu creșterea numărului de secțiuni în aparatele de amestecare ideale, valoarea forței motrice se apropie de valoarea sa în aparatele de deplasare ideale, iar cu un număr mare de secțiuni (aproximativ 8-12), forțele motrice în aparatele de ambele tipuri devin aproximativ la fel.
Orez. 1.4. Modificarea forței motrice a procesului în timpul partiționării
Procesele chimice, în funcție de legile cinetice care caracterizează apariția lor, sunt împărțite în cinci grupe:
1. Mecanic
2. Hidromecanice
3. Procese termice
4. Procese de transfer în masă
5. Procese chimice
În funcție de organizarea producției, acestea sunt împărțite în periodice și continue.
Procesele lot sunt caracterizate prin unitatea de amplasare a tuturor etapelor procesului în ele, operația de încărcare a materiilor prime, efectuarea procesului și descărcarea materiilor prime se realizează într-un singur aparat.
Procesele continue sunt caracterizate de unitatea de timp pentru toate etapele procesului, adică. Toate etapele au loc simultan, dar în aparate diferite.
Periodicitatea procesului se caracterizează prin gradul de continuitate Xn = tao\delta tao.
tao - Durata procesului, adică timpul necesar pentru a parcurge toate etapele procesului, de la încărcarea materiilor prime până la descărcarea produselor finite.
Delta tao este perioada procesului, timpul scurs de la începerea încărcării materiilor prime până la încărcarea următorului lot de materii prime.
Procese mecanice:
1. Slefuirea materialelor dure
2. Amestecare
3. Transportul materialelor în vrac
Procese hidromecanice - aceste procese sunt utilizate în tehnologia chimică și apar în sisteme dispersate formate dintr-un mediu de dispersie și o fază dispersată. În funcție de starea agregată a mediului dispersat, acesta este împărțit în faze gazoase (cețuri, praf) și lichide (emulsie, spumă).
Procese termice Producția chimică necesită cantități mari de energie termică sunt utilizate procese termice pentru furnizarea și eliminarea căldurii: încălzire, răcire, evaporare, condensare și evaporare.
Procesele de transfer de masă sunt procese care caracterizează transferul de materie între faze; forța motrice este diferența de concentrație a substanței dintre faze. Procesele includ:
1. Adsorbția este procesul de absorbție a gazelor sau vaporilor de către absorbante solide sau un strat superficial de absorbanți de lichid.
2. Absorbție - procesul de absorbție a gazelor sau vaporilor de către absorbanții de lichide
3. Desorbția este procesul invers față de absorbție
4. Rectificarea este procesul de separare a amestecurilor lichide omogene în componentele lor constitutive.
5. Extracția este procesul de extragere a unuia sau mai multor substanțe dizolvate dintr-o fază lichidă printr-o altă fază.
6. Uscarea este procesul de îndepărtare a unei componente volatile din materialele solide prin evaporarea acesteia și eliminarea aburului rezultat.
Procesele chimice sunt procese care reprezintă una sau mai multe reacții chimice, însoțind fenomenele de schimb de căldură și de masă.
Reacții chimice:
După starea de fază: homo și eterogen
După mecanismul de interacțiune al reactivilor: omolotic și heterolitic
Prin efect termic: exotermic și endotermic
După temperatură: temperatură scăzută, temperatură ridicată
După tipul de reacție: complexă și simplă
După utilizarea catalizatorului: catalitic și necatalitic
SECȚIUNEA 5 PROCESE TERMICE ȘI DISPOZITIVE DE TEHNOLOGIE CHIMICĂ
Conceptul de procese termice
Termic sunt procese menite să transfere căldură de la un corp la altul.
Corpurile care participă la procesul termic sunt numite lichide de răcire.
Se numește un lichid de răcire care degajă căldură și este răcit în același timp Fierbinte. Un lichid de răcire care primește căldură și se încălzește se numește rece.
Forța motrice a procesului termic este diferenta de temperaturaîntre lichide de răcire.
Bazele teoriei transferului de căldură
Există trei metode fundamental diferite de transfer de căldură
Conductivitate termică;
Convecție;
Radiația.
Conductivitate termică– transfer de căldură cauzat de mișcarea termică a microparticulelor direct în contact unele cu altele. Aceasta poate fi mișcarea electronilor liberi într-un metal, mișcarea moleculelor în picături de lichide și gaze, vibrații ale ionilor în rețeaua cristalină a solidelor.
Cantitatea de flux de căldură care are loc în corp datorită conductivității termice la o anumită diferență de temperatură în puncte individuale ale corpului poate fi determinată de Ecuația Fourier
, mar. (5,1)
Legea lui Fourier sună după cum urmează:
cantitatea de căldură transferată pe unitatea de timp prin conducție prin suprafața F este direct proporțională cu dimensiunea suprafeței și cu gradientul de temperatură.
În ecuația (5.1) - coeficient de conductivitate termică, a cărui dimensiune
Coeficient de conductivitate termică arată cantitatea de căldură care trece datorită conductivității termice pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață de schimb de căldură atunci când temperatura se modifică cu un grad pe unitatea de lungime a normalului la suprafața izotermă.
Coeficientul de conductivitate termică caracterizează capacitatea unui corp de a conduce căldura și depinde de natura substanței, structură, temperatură și alți factori.
Metalele sunt de cea mai mare importanță, gazele sunt de cea mai mică importanță. Lichidele ocupă o poziție intermediară între metale și gaze. În calcule, valoarea coeficientului de conductivitate termică se determină la temperatura medie a corpului conform literaturii de referință.
Convecție– transfer de căldură datorită mișcării și amestecării macrocantităților de gaz și lichid.
Există convecție liberă (sau naturală) și forțată.
Gratuit convecția (naturală) este cauzată de mișcarea macro cantităților de gaz sau lichid datorită diferenței de densități în diferite puncte ale fluxului, care au temperaturi diferite.
La forţat convecție (forțată), mișcarea unui flux de gaz sau lichid are loc din cauza consumului de energie din exterior folosind o suflantă de gaz, pompă, mixer etc.
ecuația lui Newton vă permite să descrieți cantitativ transferul de căldură convectiv
Conform legii lui Newton:
cantitatea de căldură pe unitatea de timp transferată de la miezul fluxului, care are o temperatură, către perete de către suprafața F, care are o temperatură, (sau invers) este direct proporțională cu dimensiunea suprafeței și cu temperatura diferență.
În ecuația lui Newton (5.2) se numește coeficientul de proporționalitate coeficient de transfer termic, iar ecuația (5.2) – ecuația transferului de căldură.
Dimensiunea coeficientului de transfer termic
.
Coeficientul de transfer de căldură arată cantitatea de căldură transferată de la lichidul de răcire la 1 m de suprafața peretelui (sau de la un perete cu o suprafață de 1 m la lichidul de răcire) pe unitatea de timp când diferența de temperatură dintre lichidul de răcire și perete este de 1. grad.
Coeficientul de transfer de căldură caracterizează viteza de transfer de căldură în lichidul de răcire și depinde de mulți factori: modul hidrodinamic de mișcare și proprietățile fizice ale lichidului de răcire (vâscozitate, densitate, conductivitate termică etc.), parametri geometrici ai canalelor (diametru, lungime), starea suprafeței peretelui (aspră, netedă).
Coeficientul poate fi determinat experimental sau calculat folosind o ecuație de criteriu generalizată, care poate fi obținută prin transformare similară a ecuației diferențiale a transferului de căldură convectiv.
Ecuația criteriului de transfer de căldură pentru un proces instabil are forma:
În ecuația (5.3)
criteriul Nusselt. Caracterizează raportul dintre transferul de căldură prin convecție și căldura transferată prin conductivitate termică ( - determinarea dimensiunii geometrice; pentru un debit care se deplasează într-o țeavă - diametrul conductei);
- criteriul Reynolds;
criteriul Prandtl. Caracterizează asemănarea proprietăților fizice ale lichidului de răcire (aici - căldura specifică a lichidului de răcire, ). Pentru gaze 1; pentru lichide 10…100;
Criteriul Froude (o măsură a raportului dintre forțele inerțiale din flux și forța gravitațională);
Criteriul de homocronicitate (o măsură a raportului dintre traseul parcurs de un flux cu o viteză în timp și dimensiunea caracteristică l)
Pentru un proces de transfer de căldură în stare staționară ( =0), ecuația de transfer de căldură de criteriu are forma
. (5.4)
În cazul transferului forțat de căldură (de exemplu, în timpul mișcării sub presiune a lichidului de răcire prin țevi), influența gravitației poate fi neglijată ( = 0). Apoi
. (5.5)
sau sub forma unei legi de putere
, (5.6)
unde - sunt determinate experimental.
Astfel, pentru deplasarea forțată a lichidului de răcire în interiorul conductelor, ecuația (5.6) are forma
- în condiţii turbulente ()
. (5.7)
În cazul unei modificări semnificative a proprietăților fizice ale lichidelor de răcire în timpul procesului de schimb de căldură, se utilizează ecuația
, (5.8)
unde este criteriul Prandtl al lichidului de răcire, ale cărui proprietăți fizice sunt determinate la temperatură;
- în regim de tranziție ()
- în regim laminar ()
, (5.10)
Unde - criteriul Grashof, care ține cont de influența convecției libere asupra transferului de căldură;
Coeficientul de dilatare a volumului, grade;
Diferența dintre temperaturile peretelui și a lichidului de răcire.
Schema de calcul al coeficientului de transfer termic
Se determină modul hidrodinamic de mișcare a lichidului de răcire (Re);
Se selectează o ecuație de proiectare pentru a determina criteriul Nusselt (ecuațiile 5.7-5.10);
Coeficientul de transfer termic este determinat de formula
Radiație termala– procesul de propagare a oscilațiilor electromagnetice de diferite lungimi de undă cauzate de mișcarea termică a atomilor sau moleculelor unui corp radiant.
Ecuația de bază a transferului de căldură
Procesul de transfer de căldură de la un lichid de răcire fierbinte la unul rece prin peretele care le separă se numește transfer de căldură.
Relația dintre fluxul de căldură și suprafața de transfer de căldură F poate fi descris printr-o ecuație cinetică, care se numește ecuația de bază a transferului de căldură și pentru un proces termic constant are forma
, (5.12)
unde este fluxul de căldură (sarcina termică), W;
Forța motrice medie sau diferența medie de temperatură între lichide de răcire (diferența medie de temperatură);
Coeficient de transfer de căldură care caracterizează viteza de transfer de căldură.
Coeficient de transfer termic are dimensiune , și arată cantitatea de căldură transferată pe unitatea de timp printr-o suprafață de 1 m de la un lichid de răcire cald la unul rece cu o diferență de temperatură de 1 grad.
Pentru un perete plat, coeficientul de transfer termic poate fi determinat din ecuație
, (5.13)
unde sunt coeficienții de transfer de căldură respectiv de la lichidele de răcire calde și reci, ;
Grosimea peretelui, m,
Coeficientul de conductivitate termică a materialului peretelui, .
Diagrama transferului de căldură printr-un perete plat este prezentată în Figura 5.1.
Expresia (5.13) se numește ecuația de aditivitate a rezistențelor termice; În plus, rezistențele private pot varia foarte mult.
Schimbatoarele de caldura tip carcasa si tuburi folosesc tuburi a caror grosime a peretelui este de 2,0...2,5 mm. Prin urmare, valoarea rezistenței termice a peretelui () poate fi considerată neglijabilă. Apoi, după transformări simple, putem scrie .
Dacă presupunem că valoarea coeficientului de transfer de căldură pe partea lichidului de răcire fierbinte depășește semnificativ valoarea coeficientului de transfer de căldură pe partea lichidului de răcire rece (adică ), atunci din ultima expresie avem
acestea. coeficientul de transfer de căldură este numeric egal cu cel mai mic dintre coeficienții de transfer de căldură. În condiții reale, coeficientul de transfer de căldură este mai mic decât cel mai mic dintre coeficienții de transfer de căldură și anume
Din ultima expresie rezultă o concluzie practică: pentru a intensifica procesul termic, este necesară creșterea celui mai mic dintre coeficienții de transfer de căldură (de exemplu, prin creșterea vitezei lichidului de răcire).
Forța motrice a procesului termic sau diferenta de temperatura depinde de direcția de mișcare a lichidelor de răcire. În procesele de schimb de căldură continuu, se disting următoarele modele de mișcare relativă a lichidelor de răcire:
- flux înainte, în care lichidele de răcire se deplasează într-o direcție (Figura 5.2.a);
- contra-curent, în care lichidele de răcire se deplasează în direcții opuse (Figura 5.2b);
- curent transversal, în care lichidele de răcire se deplasează unul față de celălalt într-o direcție reciproc perpendiculară (Figura 5.2c);
- curent mixt, în care un lichid de răcire este într-o direcție, iar celălalt este alternativ atât debit direct (Figura 5.2d) cât și contracurent (Figura 5.2d).
Să luăm în considerare calculul forță motrice medie pentru un proces de transfer de căldură în stare staționară, de ex. temperatura în fiecare punct al peretelui de transfer termic rămâne constantă în timp, dar variază de-a lungul suprafeței sale. O modificare aproximativă a temperaturii de-a lungul suprafeței peretelui cu mișcarea în cocurent (a) și în contracurent (b) a lichidelor de răcire este prezentată în Figura 5.3.
Temperaturi de intrare și ieșire pentru fluide fierbinți.
Temperaturi de intrare și ieșire pentru fluide reci.
a-flux direct; b-contraflux
Figura 5.3 - Pentru a calcula forța motrice medie
Din figura 5.3 se poate observa că, cu un contracurent al lichidelor de răcire, mărimea diferenței de temperatură de-a lungul suprafeței de schimb de căldură este mai constantă, prin urmare condițiile de încălzire sau răcire a mediului sunt „mai moi”. În acest caz, lichidul de răcire rece poate fi încălzit la o temperatură mai mare decât temperatura lichidului de răcire fierbinte la ieșirea schimbătorului de căldură (), care este exclusă în cazul unui model de mișcare cu flux direct. Prin urmare (la aceleași valori de temperatură) se reduce consumul de lichid de răcire rece cu 10...15%. În plus, procesul de schimb de căldură se desfășoară mai intens.
Un factor de corecție, a cărui valoare este întotdeauna mai mică decât unitatea și este determinată în funcție de raportul dintre temperaturile lichidului de răcire și modelul mișcării acestora.
Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos
Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.
Universitatea Națională Tehnică Donețk
Departamentul de Ecologie Aplicată și Protecția Mediului
Curs de curs
pentru studenții cu fracțiune de normă
„Fundamentele proceselor tehnologice”
Întocmită de conf. univ. A.V. Bulavin
Donețk 2008
Obiectivul cursului „Fundamentele proceselor tehnologice” este de a studia procesele de bază ale tehnologiei chimice și metodele de calcul a acestora, familiarizarea cu proiectarea dispozitivelor utilizate în aceste procese.
În funcție de tiparele care caracterizează apariția proceselor, acestea din urmă pot fi împărțite în următoarele grupuri:
Procese mecanice utilizate pentru prelucrarea materialelor solide și supuse legilor mecanicii solide. Astfel de procese includ: mișcarea materialelor, măcinarea, clasificarea (sortarea) materialelor după dimensiune, dozarea și amestecarea acestora.
Procese hidromecanice utilizate în prelucrarea lichidelor și gazelor, precum și a sistemelor neomogene formate din particule lichide și solide măcinate fin suspendate în lichid (suspensii). Mișcarea lichidelor, gazelor și suspensiilor este caracterizată de legile mecanicii fluidelor și hidromecanicii. Procesele hidromecanice includ: deplasarea lichidelor și gazelor, amestecarea într-un mediu lichid, separarea sistemelor lichide eterogene (decantare, filtrare, centrifugare), purificarea gazelor din praf.
Procese termice asociate cu schimbul de căldură, adică transferul de căldură de la o substanță la alta. Aceste procese includ: încălzirea, răcirea, procesele care apar odată cu modificarea stării de agregare a unei substanțe - evaporarea, condensarea, topirea și solidificarea, precum și procesele de evaporare, cristalizare și producerea de frig artificial.
Procese de transfer de masă constând în trecerea unei substanțe (masă) de la o fază la alta prin difuzie. Această grupă include următoarele procese de tranziție a substanțelor: uscarea materialelor solide, rectificarea și sorbția (absorbția gazelor de către lichide sau solide).
Rectificarea este împărțirea unui sistem în componente individuale.
Procesele tehnologice chimice sunt efectuate periodic sau continuu. Într-un proces discontinuu, materiile prime sunt încărcate într-un aparat și reacționează sau procesate în acesta, după care produsele rezultate sunt descărcate și aparatul este încărcat din nou. În acest caz, toate etapele procesului au loc pe întregul volum al aparatului, dar condițiile de interacțiune sau prelucrare a substanțelor din interiorul aparatului - temperatură, presiune, concentrație etc. - se modifică în timp. Într-un proces continuu, mașina este încărcată și descărcată continuu. În acest caz, toate etapele procesului au loc simultan, dar în puncte diferite ale volumului aparatului, iar în fiecare punct temperatura, presiunea și alți parametri ai procesului rămân neschimbați în timp. Utilizarea proceselor continue poate crește semnificativ productivitatea echipamentelor, facilitează automatizarea și mecanizarea producției și face posibilă îmbunătățirea calității și uniformității produselor rezultate. Dispozitivele continue sunt mai compacte decât dispozitivele intermitente, necesită costuri de capital mai mici și costuri de operare mai mici. Datorită acestor avantaje serioase, procesele continue le înlocuiesc pe cele pe lot, care sunt utilizate în prezent în principal în producția la scară mică și cu o gamă diversă de produse.
Procesele tehnologice chimice sunt asociate cu o varietate de fenomene fizice și chimice. Cu toate acestea, majoritatea acestor procese sunt caracterizate de un număr relativ limitat de legi fizice.
Bilanțul material. Conform legii conservării masei, cantitatea de substanțe care intră în procesare (UG inițial) este egală cu cantitatea de substanțe obținute în urma prelucrării (UG con), adică sosirea unei substanțe este egală cu consumul. Aceasta poate fi reprezentată ca o ecuație de bilanț material:
УG start = УG final
Bilanțul energetic. Conform legii conservării energiei, cantitatea de energie introdusă în proces este egală cu cantitatea obținută în urma procesului, adică venitul de energie este egal cu consumul acesteia.
Stare de echilibru. Orice proces continuă până la stabilirea stării sale de echilibru. Astfel, lichidul curge dintr-un vas cu un nivel mai mare într-un vas cu un nivel mai scăzut până când nivelurile de lichid din ambele vase sunt egale. Căldura este transferată de la un corp mai încălzit la unul mai puțin încălzit până când temperatura ambelor corpuri devine aceeași. Sarea se dizolvă în apă până când soluția devine saturată. Există nenumărate exemple similare. Condițiile de echilibru caracterizează așa-numita statică a procesului și arată limitele până la care poate trece un anumit proces.
Condițiile de echilibru sunt exprimate prin legi diferite; acestea includ a doua lege a termodinamicii și legile care caracterizează relația dintre concentrațiile unei componente în diferite faze ale sistemului.
Viteza procesului. Viteza procesului este productivitatea pe unitatea de lungime, masă, volum. În cele mai multe cazuri, viteza procesului este proporțională cu forța motrice. Dacă orice sistem nu este într-o stare de echilibru, atunci apare în mod necesar un proces care tinde să aducă acest sistem la echilibru. În acest caz, viteza procesului este de obicei mai mare, cu atât abaterea sistemului de la starea de echilibru este mai mare. Abaterea sistemului de la starea de echilibru exprimă astfel forța motrice a procesului. Prin urmare, cu cât forța motrice este mai mare, cu atât viteza procesului este mai mare. Pe măsură ce se apropie echilibrul, forța motrice și viteza procesului scad, ajungând la zero la echilibru. Aproape de starea de echilibru, rata procesului este foarte mică și continuă să scadă pe măsură ce se apropie de echilibru, deci este nevoie de un timp infinit de mult pentru a-l atinge. Cu toate acestea, o stare atât de aproape de echilibru poate fi de obicei atinsă relativ repede încât poate fi considerată practic echilibru.
Pentru calcule practice, este foarte important să se cunoască viteza procesului în diferitele sale etape, sau așa-numita cinetică a procesului. În multe cazuri, viteza procesului este proporțională cu forța motrice. O astfel de relație simplă se observă în timpul filtrării, în timpul transferului de căldură prin conducție și convecție și în procesele de transfer de masă. În aceste cazuri, ecuația vitezei de proces are următoarea formă:
N/ (Fф) = K D
unde N este cantitatea de substanță sau căldură transferată prin suprafață în timpul f;
K -- coeficient de proporționalitate (coeficient de viteză a procesului);
D este forța motrice a procesului.
În procesele termice, F desemnează suprafața de schimb de căldură, adică suprafața prin care este transferată căldura (p. 363 în procesele de transfer de masă, F este suprafața de contact a fazelor);
Partea stângă a ecuației reprezintă rata procesului.
Coeficientul de viteză a procesului K este de obicei găsit din experiență.
1. HIDRAULICA
Când se studiază diverse probleme ale hidraulicei, este introdus conceptul de fluid ideal, cu adevărat inexistent. Un astfel de lichid este absolut incompresibil și nu are frecare internă între particule (vâscozitate). În realitate, lichidele sunt mai mult sau mai puțin compresibile și au vâscozitate; se numesc lichide reale sau vâscoase.
Lichidele reale sunt împărțite în lichide reale, numite lichide cu picături, și lichide elastice - gaze care au compresibilitate sau elasticitate, adică capabile să-și schimbe volumul cu modificările presiunii. Compresibilitatea lichidelor cu picături este extrem de nesemnificativă; de exemplu, volumul de apă cu o creștere a presiunii de la 1 la 100 am scade doar cu 700 din valoarea sa inițială.
Densitatea și greutatea specifică
Masa unui lichid conținută într-o unitate a volumului său se numește densitate și se notează cu c:
unde m este masa lichidului, kg; V—volum de lichid, m3.
Greutatea specifică este greutatea unei unități de volum de lichid și este legată de viscozitate prin relație
g = cg (n/m 3)
Densitatea picăturilor de lichide crește ușor odată cu creșterea presiunii și, de obicei, scade ușor odată cu creșterea temperaturii. Volumul ocupat de o unitate de masă corporală se numește volum specific. Volumul specific este reciproca densității, adică x = 1/s
Hidraulica este împărțită în hidrostatică și hidrodinamică.
Hidrostatica studiază fluidele în repaus.
Presiune hidrostatica
Рst = сgН = gН,
unde H este înălțimea stratului lichid, c este densitatea acestuia.
Рst/сg = Нст - presiune statică (piezometrică).
Presiunea din dispozitive este măsurată cu manometre, vidul cu vacuometre.
1 (atm) = 760 mm Hg = 760 *13,6 = 10330 mm coloană de apă = (10,33 m coloană de apă) =
Presiunea în dispozitive - Rizb. măsurată în raport cu atmosferă:
Rabs = Ratm + Rizb,
Rabs = Ratm - Rvac - presiune reziduala - vid in aparat.
Hidrodinamică
Hidrodinamica studiază mișcarea fluidelor
Viscozitate
Când un fluid real se mișcă, în el apar forțe de frecare interioare, oferind rezistență la mișcare. Vâscozitatea este forța de frecare internă, adică. forța de aderență între straturile adiacente de lichid, împiedicând mișcarea lor reciprocă. Conform legii lui Newton
Rtr = - m F dW/dl,
unde Rtr este forța de frecare,
F - suprafață,
dW/dl - gradient de viteză de-a lungul normalului, adică modificarea relativă a vitezei pe unitatea de distanță dintre straturi într-o direcție perpendiculară pe direcția curgerii fluidului.
Coeficientul de proporționalitate m inclus în ecuație depinde doar de proprietățile fizice ale lichidului și se numește coeficient de vâscozitate dinamică, sau pur și simplu vâscozitate.
Să obținem dimensiunea vâscozității în sistemul SI de unități:
m = Рtr dl / dW - F = n* m/ m/s*m 2 = n*s/ m 2 = Pa*s
Vâscozitatea este adesea exprimată în centipoise:
1cPz = 0,01 Pz = 10 -3 Pa*s
Raportul dintre vâscozitate și densitate a unui lichid se numește cinematic, coeficient de vâscozitate sau pur și simplu vâscozitate cinematică. Unitatea de vâscozitate cinematică, de 100 de ori mai mică decât Stokes, se numește centistokes (cst).
n = (n*s *m 3)/(m 2 kg) = (kg*m/s 2) s *m 3)/(m 2 * kg) = m 2 /s
n = cm 2 / s = St
Vâscozitatea lichidelor în picături scade odată cu creșterea temperaturii, în timp ce vâscozitatea gazelor crește. Modificarea vâscozității în funcție de presiune este nesemnificativă și de obicei nu este luată în considerare (cu excepția zonei presiunilor foarte mari).
Caracteristici:
1. Consumul de lichide:
Debitul volumic - V, m 3 /s
Debitul masic - G, kg/s
2. Viteza fluidului
Viteza volumului
w rev = V/ S - m/s
Viteza de masă
w masa = G / S = V s / S
w masa =w aproximativ s
3 Debit constant - viteza și debitul în orice punct nu se modifică în timp.
Energia cinetică a unui fluid care se mișcă cu viteza w este determinată de formula:
Rdin = mw 2 /2
ecuația lui Bernoulli
Suma Epot și Ekin în orice secțiune transversală a unui flux ideal de fluid este o valoare constantă.
Р st + Р geom + Р din = const
P geom - presiune geometrică (de nivelare) care caracterizează fluxul E de lichid prelevat la înălțimea Z.
Р st I + Р geom I + Р din I = Р st II + Р geom II + Р din II
Pentru lichidele reale, suma P I este întotdeauna mai mică decât suma P II.
Р I >?Р II
R st I + R geom I + R din I = R st II + R geom II + R din II + DR
DR-pierdere de presiune
Să împărțim fiecare termen la сg:
Cap static (piezometric)
Cap geometric (nivelare)
Pierderea capului (m)
Cap dinamic (m)
6. Moduri de mișcare ale unui fluid vâscos
Atunci când un lichid curge, natura sau modul de mișcare a acestuia poate fi laminară sau turbulentă.
În modul laminar, observat la viteze mici sau la vâscozitate semnificativă a lichidului, acesta se mișcă în fluxuri paralele separate care nu se amestecă între ele. Fluxurile au viteze diferite, dar viteza fiecărui flux este constantă și direcționată de-a lungul axei fluxului.
Orez. 6-10. Distribuția vitezelor în conductă în diferite moduri de mișcare a fluidului: a --mișcare laminară; b - miscare turbulenta.
Cu mișcarea laminară (Fig. 6-10, a), viteza particulelor de-a lungul secțiunii transversale a țevii se modifică de-a lungul unei parabole de la zero la pereții țevii la un maxim pe axa acesteia. În acest caz, viteza medie a fluidului este egală cu jumătate din w avg maximă. =0,5 w max. Această distribuție a vitezei este stabilită la o anumită distanță de intrarea lichidului în conductă.
În condiții turbulente, particulele de fluid se mișcă cu viteze mari în direcții diferite de-a lungul căilor care se intersectează. Mișcarea este aleatorie, particulele care se deplasează atât în direcții axiale, cât și radiale. În fiecare punct al fluxului, în timp au loc schimbări rapide de viteză - așa-numitele pulsații de viteză. Cu toate acestea, valorile vitezelor instantanee fluctuează în jurul unei anumite viteze medii.
Dar chiar și în cazul mișcării turbulente (Fig. 6-10.6) într-un strat limită foarte subțire lângă pereții țevii, mișcarea este de natură laminară. Acest strat de 5 grosime se numește strat limită laminar. În partea rămasă (miez) a fluxului, datorită amestecării lichidului, distribuția vitezei este mai uniformă decât în cazul mișcării laminare, iar w avg. =0,85 w max.
Două moduri diferite de mișcare și posibilitatea de tranziție reciprocă de la un mod la altul pot fi observate prin trecerea apei în conductă cu viteze diferite și introducerea unui flux subțire de lichid colorat de-a lungul axei conductei. La viteze mici, fluxul colorat se deplasează în apă fără a se amesteca cu el. Pe măsură ce viteza apei crește, fluxul colorat devine oscilant și, la atingerea unei anumite viteze critice, este complet spălat, colorând apa. O schimbare bruscă a fluxului unui flux colorat caracterizează trecerea de la un mod laminar de mișcare a fluidului la unul turbulent.
Experimentele efectuate în 1883 de O. Reynolds au arătat că natura mișcării fluidului depinde de viteza medie w a fluidului, de diametrul d al conductei și de vâscozitatea cinematică v a fluidului. Trecerea de la un tip de mișcare la altul are loc la o anumită valoare a complexului de mărimi enumerate, numită criteriul Reynolds:
Criteriul Reynolds este o mărime adimensională, care este ușor de demonstrat prin înlocuirea mărimilor incluse în el în același sistem de unități, de exemplu în sistemul SI:
Re=[m/s*m/m 2 /sec]
Pe baza relațiilor (6-9) și (6-19), pot fi obținute diverse expresii pentru criteriul Reynolds, care sunt utilizate în calculele tehnice:
Re = wd/n= wdс/m
unde v este vâscozitatea cinematică; p—densitate; m - vâscozitate dinamică.
Din aceste expresii rezultă că mișcarea turbulentă are loc odată cu creșterea diametrului conductei, a vitezei de mișcare și a densității lichidului sau cu scăderea vâscozității lichidului.
Valoarea lui Re corespunzătoare trecerii de la un tip de mișcare la altul se numește valoarea critică a criteriului Reynolds, iar pentru țevi drepte Re Kp. ~ 2300. Mişcarea fluidului în ţevi drepte la Re< 2300 является устойчивым ламинарным. При Re >Mișcarea 2300 este turbulentă, dar capătă un caracter turbulent stabil (dezvoltat) la Re > 10.000 În cadrul Re de la 2300 la 10.000, mișcarea turbulentă nu este suficient de stabilă (regiune de tranziție).
Când fluidul se deplasează în conducte sau canale cu secțiune transversală necirculară, înlocuiți valoarea diametrului echivalent în locul diametrului în expresia criteriului Re:
d eq. =4S/P
unde S este aria secțiunii transversale a fluxului;
P - perimetrul umezit cu lichid.
Mișcarea fluidului prin conducte
Postat pe http://www.allbest.ru/
P1 = P2 +DR
unde DR este pierderea de presiune din cauza frecării.
Unde -l este coeficientul de frecare hidrodinamică.
l = f (Re, e),
unde e este rugozitatea relativă a pereților conductei.
Pentru fluxul laminar, l depinde numai de valoarea lui Re și este determinat de formula
Pentru un flux turbulent, l poate fi determinat din dependențe complexe sau din grafice deja calculate.
Rezistența locală
1. Pierderea de presiune datorată schimbării direcției de curgere
2. Pierderea de presiune asociată cu o modificare a secțiunii transversale
3. Pierderea de presiune din cauza schimbărilor de direcție și viteză
a) aparate de aburire (reglare): robinet, robinet
b) Dispozitive de instrumentare: termometru, diafragmă
Astfel, pierderea de presiune pentru deplasarea prin conducte, ținând cont de rezistențele locale, poate fi exprimată după cum urmează:
Transfer de căldură
Transferul de căldură este studiul proceselor de distribuție sau transfer de căldură.
Transferul de căldură de la un corp la altul poate avea loc prin conducție, convecție sau radiație.
Transferul de căldură prin conductivitate termică se realizează prin transferul de căldură prin contactul direct al particulelor individuale ale corpului. În acest caz, energia este transferată de la o particulă la alta ca rezultat al mișcării oscilatorii a particulelor, fără ca acestea să se miște unele față de altele.
Transferul de căldură prin convecție are loc numai în lichide și gaze prin mișcarea particulelor acestora. Mișcarea particulelor este cauzată de mișcarea întregii mase de lichid sau gaz (convecție forțată sau forțată), sau de diferența de densitate a lichidului în diferite puncte ale volumului cauzată de distribuția neuniformă a temperaturii în masă. de lichid sau gaz (convecție liberă sau naturală). Convecția este întotdeauna însoțită de transfer de căldură prin conducție. Transferul de căldură prin radiație are loc prin transferul de energie sub formă de unde electromagnetice. În acest caz, energia termică este transformată în energie radiantă (radiație), care călătorește prin spațiu și apoi este convertită înapoi în energie termică atunci când energia este absorbită de un alt corp (absorbție).
Tipurile de transfer de căldură luate în considerare se găsesc rar în forma lor pură; de obicei se însoțesc între ele (schimb de căldură complex).
Echilibru termic
Pentru a transfera căldură în orice mediu, este necesară o diferență de temperatură (forța motrice a procesului).
Lăsați lichidul de răcire fierbinte să se răcească în aparat de la t fierbinte 1 la t fierbinte 2, apoi cantitatea de căldură eliberată poate fi calculată folosind formula:
Q munți = G munți c munți (t munți 1 - t munți 2)
unde - G munți - cantitatea de lichid de răcire fierbinte kg (mol)
C -- capacitatea termică specifică J/kg deg (J/mol deg).
Capacitatea termică specifică este cantitatea de căldură transmisă unei unități de masă a unei substanțe (1 kg, 1 m 3, 1 mol) pentru a-și schimba temperatura cu 1 ° C.
În acest caz, lichidul de răcire rece este încălzit de la t cool 2 la t cool 1, apoi cantitatea de căldură degajată poate fi calculată folosind formula
Q rece = G rece c rece (t rece 2 - t rece 1)
În conformitate cu legea conservării energiei, cantitatea de căldură degajată de lichidul de răcire fierbinte este egală cu cantitatea de căldură primită de lichidul de răcire rece, adică.
Q cald = Q rece
Cu toate acestea, în procesele reale, o parte din căldură este cheltuită pentru schimbul de căldură cu mediul (pierderi de căldură). Apoi
Q cald = Q rece + Q transpirație
În schimbătoarele de căldură moderne, pierderile de căldură sunt de obicei mici și nu depășesc 2-5%.
Când starea de agregare a unei substanțe se modifică (topire-cristalizare, evaporare-condensare), temperatura nu se modifică, prin urmare cantitatea de căldură primită (dată) poate fi calculată folosind formula
unde r este căldura de evaporare (condensare) J/kg (J/mol).
unde q este căldura specifică de fuziune (cristalizare) J/kg (J/mol).
1) Cantitatea de căldură consumată pentru încălzirea gheții (de la -20 la 0°C):
C=2,14 kJ/kg K
2) Cantitatea de căldură consumată la topire:
3) Cantitatea de căldură consumată pentru încălzirea apei:
С=4,19 kJ/kg K
r= 2260 kJ/kg
5) Q=42,8+380,7+419+2260=3102,5 kJ
Ecuația transferului de căldură
Pentru ca procesul de transfer de căldură să aibă loc, trebuie să existe o anumită diferență de temperatură între lichidele de răcire calde și reci. Această diferență de temperatură este forța motrice din spatele procesului de transfer de căldură și se numește diferență de temperatură. Dacă T este temperatura lichidului de răcire fierbinte și t este temperatura lichidului de răcire rece, atunci diferența de temperatură
Cu cât presiunea temperaturii este mai mare, cu atât este mai mare rata de transfer de căldură și cantitatea de căldură transferată de la lichidul de răcire fierbinte la cel rece (adică, sarcina termică a aparatului) este proporțională cu suprafața de schimb de căldură F, presiunea temperaturii. D t și timpul f:
Aici k este un coeficient de proporționalitate, numit coeficient de transfer de căldură și reprezentând cantitatea de căldură transferată printr-o unitate de suprafață pe unitatea de timp la o presiune de temperatură egală cu unu. Dacă Q este exprimat în j, F în m 2, f în sec și D t în grade, atunci coeficientul de transfer de căldură are dimensiunea
k = J/m2 sec grad = W/m2 grad
k = f(l,d,c,s,m….)
Este luat în mod provizoriu din datele de referință sau calculat folosind dependențe complexe.
În procesele continue, sarcina termică Q este înțeleasă ca cantitatea de căldură transferată pe unitatea de timp (W); atunci ecuația (11-8) poate fi scrisă ca:
Ecuația termică
Dacă căldura este transferată prin conducție termică prin perete, atunci, conform legii lui Fourier, cantitatea de căldură transferată este proporțională cu suprafața F, diferența de temperatură dintre ambele suprafețe ale peretelui Dt st = t st1 - t st2 timp f și invers proporțional cu grosimea peretelui d:
Q = l F D t st f/d
unde t st1 și t st2 sunt temperaturile suprafețelor pereților.
Coeficientul de proporționalitate l se numește coeficient de conductivitate termică (sau pur și simplu conductivitate termică) și are dimensiunea
l = J m/m 2 sec deg = W/m grad
Coeficientul de conductivitate termică este cantitatea de căldură care trece pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață la o diferență de temperatură de 1°C pe unitatea de grosime a peretelui. Acest coeficient depinde de proprietățile materialului peretelui și de temperatura acestuia.
Pentru un proces continuu, ecuația poate fi reprezentată astfel:
Transfer de căldură prin perete
Perete plat
Să luăm în considerare procesul complex de transfer de căldură printr-un perete plat de la un lichid de răcire fierbinte la unul rece. Natura schimbărilor de temperatură este prezentată în Fig. 1 În stratul de lichid de răcire cald, temperatura se modifică de la t 1 la t st1 de-a lungul grosimii peretelui de la t st1 la t st2 și în stratul de lichid de răcire rece de la t st2 la t 2
Să scriem ecuațiile pentru transferul de căldură prin convecție de la lichidul de răcire fierbinte la perete, prin conducerea căldurii prin perete și prin convecție de la perete la lichidul de răcire rece:
Coeficienții de transfer de căldură de la lichidul de răcire fierbinte la perete și de la perete la lichidul de răcire rece.
Suprafața de schimb de căldură F este egală cu suprafața peretelui și este o valoare constantă pentru un perete plat.
Într-un proces în stare staționară, cantitățile de căldură transferate de la lichidul de răcire fierbinte către perete (Q 1), prin perete (Q CT.) și de la perete către lichidul de răcire rece (Q 2) trebuie să fie egale între ele. , adică
Q 1 = Q CT . = Q 2 = Q
Coeficientul de transfer termic (W/m 2 grade)
b 1 și b 2 - coeficienții de transfer termic în timpul proceselor convective
rezistenta termica
Dacă peretele este format din mai multe straturi de grosime d 1, d 2, d 3 cu conductivități termice l 1, l 2, l 3 atunci rezistențele termice vor fi egale cu d 1 / l 1
d 2 / l 2 și d 3 / l 3, iar rezistența termică a întregului perete va fi
Transfer de căldură la diferențe variabile de temperatură
Într-un proces continuu, lichidele de răcire sunt întotdeauna în mișcare reciprocă, ale căror direcții pot fi diferite. Principalele tipuri de mișcare a lichidului de răcire sunt fluxul înainte și fluxul invers.
În flux direct, ambii lichide de răcire se deplasează de-a lungul suprafeței de schimb de căldură în aceeași direcție; natura modificărilor lor de temperatură este prezentată în Fig. 2a.
În contracurent, lichidele de răcire se deplasează în direcții opuse (Fig. 2 b.
Cu înainte și contracurent, diferența medie de temperatură este determinată ca media logaritmică a valorilor diferențelor de temperatură maxime D t max și minime D t min;
Dacă raportul D t max /D t min ?2, atunci cu o precizie suficientă (eroare mai mică de 4%) puteți utiliza valoarea medie aritmetică:
D t av = D t max + D t min /2
Alegerea si calculul schimbatoarelor de caldura
Calculul termic al schimbătoarelor de căldură constă în determinarea suprafeței de transfer termic necesară pe baza ecuației de bază a transferului de căldură
F = Q /k D t st
Evaporare
Evaporarea este procesul de creștere a concentrației unui compus nevolatil sau greu de volatil într-un solvent volatil prin transformarea acestuia din urmă într-o stare de vapori în timpul fierberii.
Pentru ca procesul de evaporare să se deruleze continuu, este necesar:
Furnizare continuă de căldură;
Îndepărtarea continuă a vaporilor eliberați.
Aburul de apă este cel mai adesea folosit pentru încălzirea evaporatoarelor. În unele cazuri, când este necesar să se efectueze evaporarea la temperaturi ridicate, se folosesc gaze de ardere și agenți de încălzire la temperatură înaltă (amestec de difenil, apă supraîncălzită, ulei); Uneori se folosește încălzirea electrică.
Metode de îndepărtare a vaporilor:
Evaporarea soluției la presiunea atmosferică. Așa-numitul abur secundar (de suc) rezultat este eliberat în atmosferă. Această metodă de evaporare este cea mai simplă.
Evaporare sub presiune redusă (sub vid). Un vid este creat în aparat prin condensarea aburului secundar într-un condensator special și aspirarea gazelor necondensabile din acesta folosind o pompă de vid
Evaporarea substanțelor care se descompun la temperaturi ridicate;
Utilizarea lichidului de răcire cu parametri mai mici;
Reducerea dimensiunii dispozitivelor.
Evaporare sub presiune mare. Aburul secundar poate fi folosit ca agent de încălzire în încălzitoare, pentru încălzire etc., precum și pentru diverse necesități tehnologice.
Bilanțul materialului vaporizatorului
Să notăm cantitatea inițială (înainte de evaporare) și finală (după evaporare) de soluție (în kg) cu G 1 și G 2, concentrația inițială și finală (în fracțiuni de greutate) cu c 1 și c 2 și cantitatea de apă evaporată (în kg) cu W.
Apoi putem scrie ecuațiile bilanțului materialului pentru întreaga cantitate de materie:
și prin dizolvat
G 1 cu 1 = G 2 cu 2
Ecuațiile date includ cinci mărimi; trebuie date trei mărimi, iar celelalte două pot fi determinate din aceste ecuații. De obicei G 1 a 1 și a 2 sunt cunoscute, atunci, rezolvând împreună ecuațiile (13-5) și (13-6), găsim
G 2 = G 1 s 1 / s 2
W = G 1 - G 2 = G 1 (1 - s 1 / s 2)
Ecuația face posibilă determinarea cantității de apă evaporată.
Echilibrul termic al vaporizatorului
Aburul de apă este cel mai adesea folosit pentru încălzirea evaporatoarelor. În unele cazuri, când este necesar să se efectueze evaporarea la temperaturi ridicate, se folosesc gaze de ardere și lichide de răcire speciale la temperatură înaltă (de exemplu, AMT-300), iar în cazuri speciale se utilizează încălzire electrică. Să creăm o ecuație pentru echilibrul termic al evaporatorului pentru soluția evaporată:
Sosirea căldurii
Livrat prin agent termic
Q gr.p = G gr.p i gr.p
Cu soluția de intrare G 1 s 1 t 1
Consumul de căldură
Cu abur secundar Wi v.p.
Cu soluție rămasă G 2 c 2 t 2
Pierderi pentru mediu Q n
Cu condensat secundar de abur G cond c cond t cond
Prin urmare
Q n р = Q consum
G gr.p i gr.p + G 1 s 1 t 1 = Wi v.p + G 2 c 2 t 2 + G gr.p c cond t cond + Q n
G gr.p i gr.p - G gr.p c cond t cond = Wi v.p + G 2 c 2 t 2 - G 1 c 1 t 1 + Q n
unde c 1 și c 2 sunt capacități termice specifice ale soluțiilor de intrare și de ieșire, J/kg-deg;
t 1 și t 2 -- temperaturi ale soluțiilor de intrare și de ieșire, grade;
i v.p --entalpia aburului secundar, J/kg.
Se presupune că pierderile de căldură sunt de 3-5% din căldura utilă consumată și apoi se calculează izolația (0,03-0,05 Q n p).
G gr.p = (Wi v.p + G 2 c 2 t 2 - G 1 c 1 t 1 + Q n)/ (i gr.p - c cond t cond)
Considerând soluția de intrare ca un amestec de soluție evaporată și apă evaporată, putem scrie:
G 1 c 1 t 2 = G 2 c 2 t 2 + Wc c. t 2
G 2 c 2 = G 1 c 1 -- Wc B
unde c in este capacitatea termică specifică a apei, J/kg * deg.
Înlocuind valoarea lui G 2 c 2 în ecuația (13-10), obținem
G gr.p = (Wi v.p + (G 1 s 1 -- Wc B) t 2 - G 1 s 1 t 1 + Q n)/ (i gr.p - c cond t cond)
G gr.p = (Wi v.p + G 1 s 1 t 2 -- Wc B t 2 - G 1 s 1 t 1 + Q n)/ (i gr.p - c cond t cond)
G gr.p = (W(i v.p -- c B t 2)+ G 1 s 1 (t 2 - t 1) + Q n)/ (i gr.p - c cond t cond)
Calculul evaporatoarelor
Punctul de fierbere al soluțiilor
Presiunea de vapori a unui solvent deasupra unei soluții este întotdeauna mai mică decât presiunea deasupra unui solvent pur. Ca urmare, punctul de fierbere al soluției este mai mare decât punctul de fierbere al unui solvent pur la aceeași presiune. De exemplu, apa fierbe sub presiunea atmosferică la 100 ° C, deoarece presiunea sa de vapori la această temperatură este de 1 am; pentru o soluție de NaOH 30%, presiunea vaporilor de apă deasupra soluției va fi sub 1 am la 100°C, iar soluția va fierbe la o temperatură mai ridicată (117°C) când presiunea vaporilor de deasupra acesteia ajunge la 1 am. Diferența dintre punctele de fierbere ale soluției (t) și solventului pur (d)) se numește depresie de temperatură:
D t DEPR =t solutie -t solvent
Scăderea temperaturii depinde de proprietățile solutului și solventului; crește odată cu creșterea concentrației și presiunii soluției. Scăderea temperaturii este determinată experimental (majoritatea datelor experimentale se referă la scăderea temperaturii la presiunea atmosferică).
Depresiunea hidrostatică D t" este cauzată de faptul că straturile inferioare de lichid din aparat fierb la o temperatură mai mare decât cele superioare (datorită presiunii hidrostatice a straturilor superioare). Dacă, de exemplu, apa este încălzită la temperatura atmosferică. presiune până la punctul de fierbere într-o țeavă de 10 m înălțime, apoi stratul superior de apă va fierbe la o temperatură de 100 ° C, iar stratul inferior, la o presiune de 2 am, la o temperatură de ~ 120 ° C. în acest caz, depresiunea hidrostatică variază de-a lungul înălțimii conductei de la 0 ° C (sus) la 20 ° C (jos) și, în medie, este de 10 ° C. Calcularea depresiunii hidrostatice în evaporatoare este imposibil, deoarece lichidul din ele ( în principal sub formă de amestec vapori-lichid) este în mișcare Odată cu creșterea nivelului de lichid în aparat, depresiunea hidrostatică este în medie de 1--3.
Depresiunea hidraulica D t "" tine cont de cresterea presiunii in aparat datorita pierderilor hidraulice in timpul trecerii aburului secundar prin sifon si conducta de evacuare. Când se calculează D t "" este considerat egal cu 1 C.
Depresiunea totală Dt este egală cu suma depresiunilor de temperatură, hidrostatice și hidraulice:
Дt = Дt "+ Дt" + Дt ""
Punctul de fierbere al soluției t este determinat de formula:
t solvent =t solvent +Dt
Exemplul 13-1. Se determină punctul de fierbere al unei soluții de NaOH 40% la o presiune absolută de 0,196 bar (0,2 am).
D "=28°C la presiunea atmosferică
D"= k=0,76 la 0,2 atm
D=15,2+2+1=24,28°C
tbp (H2O) = 60°C la P = 0,2 atm
t bp =24,28+60=84,28
rectificare chimica hidromecanica absorbtie
Informații generale despre procesele de transfer de masă
În inginerie chimică și practica mediului, procesele de transfer de masă sunt utilizate pe scară largă: absorbție, extracție, rectificare, adsorbție și uscare.
Absorbția este absorbția selectivă a gazelor sau vaporilor de către un absorbant de lichid (absorbant). Acest proces este tranziția unei substanțe din faza gazoasă sau de vapori la cea lichidă.
Extracția este extracția unei substanțe dizolvate într-un lichid de către un alt lichid. Acest proces este tranziția unei substanțe de la o fază lichidă la alta.
Rectificarea este separarea unui amestec lichid în componente prin interacțiunea în contracurent a fluxurilor de vapori și lichid. Acest proces implică tranziții ale unei substanțe din faza lichidă la faza de vapori și de la vapori la lichid.
Adsorbția este absorbția selectivă a gazelor, vaporilor sau substanțelor dizolvate într-un lichid de către suprafața unui absorbant solid poros (adsorbant) capabil să absoarbă una sau mai multe substanțe din amestecul lor. Acest proces este tranziția unei substanțe din fazele gazoase, vapori sau lichide într-un material solid poros.
Uscarea este eliminarea umezelii din materialele solide umede prin evaporare. Acest proces este tranziția umidității de la un material solid umed în faza de vapori sau gaz.
Viteza proceselor enumerate este determinată de viteza de tranziție a unei substanțe de la o fază la alta (rata de transfer de masă).
2. ABSORBȚIA
Absorbția este procesul de absorbție a gazului sau vaporilor de către un absorbant lichid (absorbant). Procesul invers - eliberarea gazului absorbit din absorbant - se numește desorbție.
În industrie, absorbția urmată de desorbție este utilizată pe scară largă pentru a separa componente valoroase din amestecurile de gaze (de exemplu, pentru a extrage amoniacul, benzenul etc. din gazul cuptorului de cocs), pentru a purifica gazele de proces și combustibile din impuritățile dăunătoare (de exemplu, la purificare). acestea din hidrogen sulfurat), pentru epurarea sanitară a gazelor (de exemplu, gazele reziduale din dioxid de sulf) etc.
Echilibrul la absorbție
Așa cum transferul de căldură are loc numai atunci când există o abatere de la starea de echilibru, adică în prezența unei diferențe de temperatură între lichidele de răcire, la fel trecerea unei substanțe de la o fază la alta are loc în absența echilibrului între faze. .
Să fie două faze G și L, iar substanța care se distribuie este inițial doar în prima fază G și are o concentrație Y. Dacă fazele sunt aduse în contact, substanța care se distribuie va începe să treacă la faza L. în momentul în care substanța distribuită apare în faza L, tranziția inversă o va începe în faza G. Viteza tranziției inverse va crește pe măsură ce concentrația substanței distribuite în faza L crește La un moment dat, ratele de tranziție ale substanța din fază și înapoi va deveni aceeași. În acest caz, se va stabili o stare de echilibru între faze, în care nu va avea loc un transfer evident de substanță de la o fază la alta. Într-o stare de echilibru, există o anumită relație între concentrațiile substanței distribuite în aceste faze. Adică pentru P-const și t-const,
x* și y* sunt concentrațiile de echilibru ale substanței distribuite în faza lichidă și respectiv gazoasă.
Există următoarea dependență:
Cu toate acestea, cel mai adesea: y*=m"x n
unde m și m" sunt coeficienți de distribuție
y m"x n - curbele de distribuție
Presiunea parțială a unei componente respectă legea lui Dalton:
P = P total - legea lui Dalton
Solubilitatea gazelor în lichide depinde de proprietățile lichidului, de temperatura și presiunea parțială a gazului de dizolvare (component) din amestecul de gaze.
Relația dintre solubilitatea unui gaz și presiunea sa parțială este caracterizată de legea lui Henry, conform căreia presiunea parțială de echilibru p* este proporțională cu conținutul de gaz dizolvat în soluția X (în kg/kg de absorbant):
unde Ш este un coeficient de proporționalitate, care are dimensiunea presiunii și depinde de proprietățile gazului dizolvat și ale absorbantului și de temperatură (Anexa XVI).
x - concentratia componentelor, kg/kg absorbant
În condiții complicate (chimisorbție, solubilitate bună a gazelor), solubilitatea multor gaze se abate semnificativ de la legea lui Henry și este necesară utilizarea datelor experimentale.
Pentru ca procesul să continue, este necesară o forță motrice:
DR=R g -R w
R g > R w - absorbție
R g<Р ж - десорбция
Bilanțul material al proceselor de transfer de masă
Să luăm în considerare diagrama de flux într-un aparat în contracurent pentru transfer de masă (Fig. 16-2). Aparatul primește fazele G (de exemplu, gaz) și L (de exemplu, lichid). Fie debitul purtătorului în faza G să fie G kg/sec, iar în faza L egal cu L kg/sec. Conținutul de componentă distribuită, exprimat sub formă de compoziții în greutate relativă, în faza G va fi notat cu Y, în faza L cu X.
Să presupunem că componenta distribuită trece din faza G în faza L (de exemplu, este absorbită dintr-un amestec de gaz de către un lichid), iar conținutul acestei componente în faza G scade de la Y 1 (la intrarea în aparat) la Y 2 (la iesirea din aparat). În consecință, conținutul aceleiași componente în faza L crește de la X 2 (la intrarea în aparat) la Xi (la ieșirea din aparat).
Transportatorii nu participă la procesul de transfer în masă; prin urmare, cantitățile lor G și L nu se modifică pe lungimea aparatului. Atunci cantitatea de componentă transferată din faza G va fi:
M = O Y x - O Y 2 = O (Y x -- Y 2) kg/sec
și cantitatea de componentă care a trecut în faza L:
M=LX X -- LX 2 = L (X x -- X 2) kg/sec
Ambele cantități sunt egale, așa că putem scrie ecuația bilanțului material sub următoarea formă:
y 1 -y 2 =l(x 2 -x 1)
y= f(x) - ecuația liniei de operare
Ecuația liniei de operare este o relație liniară
y=a+bx, unde, a=y 1 -lx 2, a=y 2 -lx 1
Postat pe http://www.allbest.ru/
Calculul debitului de absorbant
Gradul de purificare (extracție) este raportul dintre cantitatea de component efectiv absorbită și cantitatea absorbită la extracția completă.
Viteza de extracție
Postat pe http://www.allbest.ru/
Pe măsură ce unghiul de înclinare al liniei de lucru scade, consumul absorbantului scade.
Debitul minim al absorbantului corespunde liniei VA"".
În practică, se presupune că consumul de absorbant este cu 10-20% mai mare. Apoi:
Unde Z este coeficientul de exces de absorbant, Z = 1,1-1,2
Mecanismul și viteza procesului de absorbție
Postat pe http://www.allbest.ru/
Conform teoriei filmului, rezistența la procesul de transfer de masă este redusă la rezistența straturilor foarte subțiri de la interfață. Atunci viteza procesului de transfer de masă are forma:
R - rezistența la procesul de transfer de masă
În timpul transferului de masă în faza gazoasă, viteza procesului este egală cu:
r este rezistența peliculei de gaz sau:
în g = - coeficientul de transfer de masă în faza gazoasă
Viteza de transfer de masă pentru faza lichidă:
în l = - coeficientul de transfer de masă în faza lichidă.
În condiții de echilibru, y* = mx. Prin urmare x=
La limita fazei: y gr = mx gr. Prin urmare, x gr =
Apoi, pentru faza lichidă:
Transferul total de masă prin ambele faze:
Ecuația ratei de transfer de masă
Coeficientul de transfer de masă
Calculul în g și v w este un proces complex și lung.
Forța motrice medie și metode de calcul al proceselor de transfer de masă.
Postat pe http://www.allbest.ru/
Forța motrice medie a procesului se modifică de-a lungul înălțimii aparatului, prin urmare, valoarea forței motrice medii este înlocuită în formulele de calcul.
Forța motrice logaritmică medie
Dacă, atunci formula poate fi simplificată:
Cu toate acestea, adesea forța motrice logaritmică medie nu reflectă procesele care au loc în aparat, deoarece, de exemplu, linia de echilibru nu este întotdeauna dreaptă.
Numărul de unități de transfer
Să notăm înălțimea de lucru a aparatului cu H. Aria secțiunii transversale este S. Suprafața specifică a contactului de fază per unitate de volum a aparatului este f, m 2 /m 3 . Apoi V sclav. cea mai mare parte a dispozitivului:
Suprafața de contact de fază:
Înlocuind valoarea lui f în ecuația de transfer de masă obținem:
Echivalarea expresiei cu ecuația bilanțului material:
De unde provine înălțimea de lucru a dispozitivului:
Multiplicatorul reprezintă modificarea concentrației de lucru pe unitatea de forță motrice și se numește numărul de unități de transfer.
O unitate de transfer (n=1) corespunde unei secțiuni a aparatului în care modificarea concentrației de lucru este egală cu forța motrice medie din această secțiune.
Multiplicatorul reprezintă înălțimea zonei corespunzătoare unei unități de transfer și se numește înălțimea unității de transfer:
Apoi înălțimea dispozitivului: H=n
Uscarea la căldură, sau pur și simplu uscarea, este procesul de îndepărtare a umidității din materialele umede solide prin evaporarea acesteia și eliminarea vaporilor rezultați. Uscarea este cea mai comună metodă de îndepărtare a umezelii din materialele solide și păstoase și se realizează în două moduri principale:
prin contactul direct al agentului de uscare (aer încălzit, gaze de ardere) cu materialul care se usucă - uscare convectivă;
prin încălzirea materialului de uscat cu unul sau altul lichid de răcire printr-un perete care conduce căldură - uscare de contact.
Uscarea specială se realizează prin încălzirea materialelor uscate cu curenți de înaltă frecvență (uscare dielectrică) și raze infraroșii (uscare prin radiații).
În cazuri speciale, se folosește uscarea unor produse în stare congelată în vid profund - uscare prin sublimare sau sublimare.
Proprietățile gazului umed (aer)
Aerul umed este un amestec de aer uscat și vapori de apă. În aerul nesaturat, umiditatea este în stare de vapori supraîncălziți, prin urmare proprietățile aerului umed sunt caracterizate, într-o oarecare aproximare, de legile gazelor ideale.
Cantitatea de vapori de apă conținută în 1 m 3 de aer umed se numește umiditate absolută a aerului. Vaporii de apă ocupă întregul volum al amestecului, deci umiditatea absolută a aerului este egală cu masa de 1 mg de vapori de apă, sau cu densitatea aburului c în kg/m3.
Când aerul este suficient de răcit sau umidificat, vaporii de apă din el devin saturati. Din acest moment, o scădere suplimentară a temperaturii aerului sau o creștere a conținutului de umiditate în acesta duce la condensarea excesului de vapori de apă din aer. Prin urmare, cantitatea de abur conținută în aerul saturat este maximă posibilă la o anumită temperatură. Este egal cu masa a 1 m 3 de abur în stare de saturație sau cu densitatea aburului saturat cu n în kg/m 3. Raportul dintre umiditatea absolută și cantitatea maximă posibilă de abur în 1 m 3 de aer, la aceeași temperatură și presiune barometrică dată, caracterizează gradul de saturație a aerului cu umiditate și se numește umiditate relativă a aerului. Umiditatea relativă poate fi exprimată ca raport de presiune:
La uscare, volumul de aer deasupra materialului umed și umiditatea absolută a aerului se modifică, deoarece degajă căldura necesară evaporării umidității și se răcește, absorbind umiditatea evaporată din material. Prin urmare, umiditatea aerului este denumită o valoare constantă în timpul procesului de uscare - la masa de aer absolut uscat situată în aerul umed.
Cantitatea de vapori de apă în kg per 1 kg de aer absolut uscat se numește conținutul de umiditate al aerului și se notează cu x. Valoarea x caracterizează compoziția în greutate relativă a aerului umed.
Presiune porțională a aburului: P vl =
Aerul umed, ca agent de răcire, se caracterizează prin entalpie (conținutul de căldură) egal cu suma entalpiei aerului uscat și a vaporilor de apă:
i vl.v = , unde
cu s. V. -- capacitatea termică specifică a aerului uscat, J/kg-deg t -- temperatura aerului, °C; i n -- entalpia aburului supraîncălzit, J/kg.
Diagrama pe care se determină parametrii aerului umed și uscat se numește de obicei diagrama Ramzin (conținut de entalpie-umiditate).
Bilanțurile materiale și termice de uscare
Bilanțul material
Fie cantitatea de material umed care intră în uscător să fie de G 1 kg/sec, iar conținutul său de umiditate w 1 (fracție de greutate). Ca rezultat al uscării, se obțin G 2 kg/sec de material uscat (cu un conținut de umiditate de w 2 fracții în greutate) și W kg/sec de umiditate evaporată.
Apoi bilanţul material pentru întreaga cantitate de materie va fi exprimat prin egalitatea:
Echilibrul de substanță absolut uscată, a cărei cantitate nu se modifică în timpul procesului de uscare:
G 1 (1-w 1) = G 2 (1-w 2)
Din aceste ecuații se determină cantitățile de material uscat G2 și umiditatea evaporată W.
W= G 1 -G 2 =G 1 - G 1 = G 1 (1-)= G 1 ()=G 1 ()
Postat pe Allbest.ru
Documente similare
Trecerea în revistă a proceselor mecanice ale tehnologiei chimice: sortare, măcinare, presare, dozare. Caracteristicile procesului și metodelor de amestecare. Tipuri de amestec. Structura și utilizarea paletelor, tablei, elicei, turbinei și mixerelor speciale.
lucrare de curs, adăugată 01.09.2013
Clasificarea generală a principalelor procese ale tehnologiei chimice. Informații generale despre hidraulică, debitul fluidelor ideale. Ecuații de echilibru diferențial ale lui Euler și Bernoulli. Mișcarea fluidului laminar și turbulent. Ecuația continuității fluxului.
prezentare, adaugat 29.09.2013
Studierea legilor științei despre procesele de producție a alimentelor. Luarea în considerare a proceselor mecanice, hidromecanice și de transfer de masă folosind exemplul de funcționare a echipamentelor pentru prelucrarea cerealelor, un mixer de produse lichide și uscare în uscător. Rezolvarea problemelor de bază.
test, adaugat 07.05.2014
Schema acțiunii proceselor de permanentă asupra părului. Modificări ale structurii părului în timpul perm. Efectul medicamentelor suplimentare pentru a îmbunătăți calitatea perm. Grupuri de produse permanente și caracteristicile acestora.
prezentare, adaugat 27.03.2013
Conceptul de tehnologie chimică și petrochimie. Colectori de praf ciclon ca instrument tehnologic de sprijinire a procesului. Principii de funcționare, formule de calcul a caracteristicilor instalației. Proiectarea și eficiența funcționării sale, avantaje și dezavantaje.
prezentare, adaugat 09.10.2014
Principiile managementului producției. Definirea sistemului de control. Scheme tipice de control, reglare, semnalizare. Elaborarea de diagrame funcționale pentru automatizarea producției. Automatizarea proceselor hidromecanice, termice, de transfer de masă.
tutorial, adăugat 04/09/2009
Studierea modelelor de dezvoltare și a fundamentelor standardizării tehnologiei. Luarea în considerare a caracteristicilor proceselor tehnologice din domeniile chimic, metalurgic, inginerie mecanică și construcții. Analiza tehnologiilor avansate de informatizare a producţiei.
curs de prelegeri, adăugat 17.03.2010
Uscarea este un proces tehnologic utilizat în industria chimică, farmaceutică și alimentară. Principalele tipuri de uscare. Liofilizare prin pulverizare. Eficiența utilizării vidului în uscare prin congelare. Determinarea temperaturilor eutectice.
lucrare de curs, adăugată 23.02.2011
Procese chimico-tehnologice în care rolul principal îl joacă transferul de substanţe dintr-o fază în alta (transfer de masă). Diferența de potențial chimic ca forță motrice a proceselor de transfer de masă. Utilizarea proceselor de transfer de masă în industrie.
prezentare, adaugat 08.10.2013
Prelucrarea materiilor prime și producerea de produse care sunt însoțite de modificări ale compoziției chimice a substanțelor. Obiectul și sarcinile principale ale tehnologiei chimice. Prelucrare hidrocarburi, constructie cuptoare de cocs. Încărcare cuptoare cu încărcătură de cărbune.