Metod-Z

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КИЇВСКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСІТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

ПРОЦЕСИ І АПАРАТИ ХІМІЧНИХ ВИРОБНИЦТВ

Програма курсу, методичні рекомендації до самостійної роботи, самоперевірки та контрольні завдання для студентів денної, заочної та дистанційної форми навчання напрямів підготовки

6.051301 – хімічна технологія, 6.120201 – фармація

Затверджено На засіданні кафедри ТМОП

Протокол № 4 від 7 грудня

2011 року

Київ 2012

ВСТУП

Розвиток хімії і хімічної технології в значній мірі визначає темпи науковотехнічного прогресу в багатьох галузях промисловості. Хімія дозволяє комплексно використовувати багаті природні ресурси, забезпечує, взаємозамінність сировини при виробництві різноманітних продуктів, відкриває широкі можливості для утилізації промислових відходів.

Застосування у виробництві синтетичних матеріалів дозволяє заощаджувати дорогоцінні і дефіцитні природні матеріали, поліпшити якість виробів, удосконалювати технологію виробництва та технологічні процеси, а також дає можливість впровадження комплексної механізації та автоматизації технологічних процесів.

Сучасний розвиток хімічної і легкої промисловості ґрунтується на впровадженні нової техніки, безперервних методів виробництва, інтенсифікації технологічних процесів.

Розробка і впровадження нових прогресивних технологічних процесів та апаратів хімічної технології робить необхідним посилення і удосконалення науки про основні процеси та апарати.

Вивчення загальних основ хімічної технології складає предмет і завдання курсу „Процеси та апарати хімічних виробництв”.

Згідно цього завдання програма курсу „Процеси та апарати хімічних виробництв” розрахована на підготовку спеціалістів з „технології переробки полімерів”, „хімічної технології і обладнання опорядкувального виробництва”, „технології обробки шкіри та хутра”. Програма охоплює всі типові процеси хімічної технології з точки зору їх теоретичного обґрунтування та принципів вибору типів і розмірів апаратів, методики розрахунку оптимальних параметрів процесів.

Курс навчає методам доцільного промислового використання хімічного обладнання для досягнення максимальної продуктивності за мінімальних витрат.

Курс складається з чотирьох розділів: І. Гідромеханічні процеси

ІІ.Теплові процеси (у тому числі холодильні)

ІІІ. Масообмінні процеси ІV. Механічні процеси

Перш за все студент повинен з’ясувати суть і задачі курсу, одержати загальні відомості про предмет, ознайомитися з історією розвитку науки про процеси та апарати, з класифікацією основних процесів хімічної технології, після чого почати вивчення його у тій послідовності, яка викладена в методичних вказівках.

Спочатку кожну тему треба прочитати в підручнику з використанням конспекту. Отримавши загальне уявлення з теми, необхідно розібрати приклади, наведені в підручнику. Далі рекомендується відповісти на питання для самоперевірки, які наведені в методичних вказівках. Потім всю тему прочитати знову і доповнити конспект.

3

Якщо після повторного читання виникнуть питання, труднощі, то необхідно звернутись за консультацією до викладача.

Студентам заочної форми навчання крім того необхідно виконати три контрольні роботи.

Вимоги до виконання контрольних робіт.

1.Умови кожного завдання необхідно чітко записати.

2.В тексті рішень необхідно дати попередні пояснення перед кожним розрахунком. Якщо треба навести схему або малюнок, спочатку їх малюють і потім чітко дають пояснення.

3.При розрахунках спочатку записується формула, потім всі величини в цифрових значеннях і розмірностях; після чого в формулу підставляють числа і визначається результат розрахунку з наведенням розмірності.

В зошитах залишаються поля та одна-дві сторінки в кінці для поміток рецензента.

Варіант завдання визначається викладачем.

Засвоєнню дисципліни „Процеси та апарати хімічних виробництв” сприяє вивчення курсів механіки, теплотехніки, фізичної хімії і паралельне вивчення курсу загальної хімічної технології.

На екзамені з процесів та апаратів хімічних виробництв вимагається точне знання фізико-хімічних основ типових процесів, їх математична інтерпретація і схеми типових машин та апаратів.

Курс вивчається протягом двох семестрів і в третьому семестрі виконується курсовий проект.

Завдання на курсове проектування і методичні вказівки до курсового проектування видаються викладачем.

При захисті курсового проекту студент повинен виявити знання по всіх розділах курсу, які стосуються теми курсового завдання.

До кожного розділу курсу в методичних вказівках наведені посилання на літературу, загальний список якої наведено в кінці. Завдання з проектування має індивідуальний характер. Студент повинен виконати одне комплексне завдання, що охоплює важливі розділи курсу.

Правила оформлення курсового проекту наведені в [8].

4

ПОГРАМА КУРСУ

ВСТУП

Предмет курсу „Процеси і апарати хімічної технології” та його задачі. Короткий історичний нарис розвитку науки про процеси і апарати. Роль сучасної хімічної технології у розвитку хімічної промисловості.

1. Гідромеханічні процеси

Тема 1. Основи гідравліки Гідростатика. Стислива і нестислива рідина. Гідростатичний тиск. Дифе-

ренціальні рівняння рівноваги рідини. Основне рівняння гідростатики. Гідродинаміка. Ньютонівська і пластична (неньютонівська) рідина. Закон Ньютона. Динамічний і кінематичний коефіцієнти в’язкості. Вплив температури і тиску на в’язкість рідини і газу. Правило лінійності однозначних хіміко-технічних функцій Павлова. Рух рідини усталений і неусталений. Режими течії в’язкої рідини. Критерій Рейнольдса.

Поняття місцевої та середньої швидкості руху рідини. Поле швидкостей у трубі. Гідравлічний радіус та еквівалентний діаметр. Рівняння витрати рідини. Рівняння суцільності або нерозривності потоку.

Диференціальні рівняння руху нев’язкої і в’язкої рідини. Питома механічна енергія потоку. Статичний та динамічний напір і їх вимірювання. Енергетичний баланс потоку. Рівняння Бернуллі та його практичне використання.

Визначення витрат енергії на переміщення рідини та газу по трубах. Виведення формул для знаходження втрат напору на подолання тертя при ламінарному та турбулентному режимах руху рідини. Основи теорії подібності. Суть моделювання процесів. Теореми подібності. Гідродинамічна подібність. Перетворення диференціальних рівнянь методами теорії подібності. Виведення критеріїв гідродинамічної подібності. Фізична суть критеріїв подібності. Метод аналізу розмірностей. Опір тертя в гладких та шорстких трубах. Місцеві опори. Втрати тиску на подолання місцевих опорів. Розрахунок трубопроводів. Гідродинаміка шару зернистих матеріалів. Нерухомий, завислий, псевдозріджений (киплячий) шар. Пневмотранспорт. Опір шару зернистих матеріалів. Швидкість псевдозрідження. Критична швидкість потоку, швидкість виносу. Елементи гідродинаміки двохфазних потоків.

Тема 2. Переміщення рідин (насоси)

Загальні відомості. Класифікація насосів. Основні параметри насосів. Висота всмоктування. Відцентрові насоси. Основне рівняння відцентрових машин. Закони пропорційності. Робочі характеристики насосів. Робота відцентрових насосів на мережу. Багатоступеневі насоси.

Поршневі насоси. Принцип дії та типи поршневих насосів. Продуктивність. Характеристики насосів. Діаграма подачі. Індикаторна діаграма. Насоси простої та подвійної дії. Спеціальні типи поршневих та відцентрових насосів. Осьові насоси, вихрові насоси, лабірінтні, шестеренчаті, гвинтові насоси,

5

струменеві насоси, монтежю, повітряні підйомники. Порівняння та сфери застосування насосів різних типів.

Тема 3. Переміщення та стискання газів (компресорні машини)

Загальні відомості. Класифікація машин для стискання та переміщення газів. Термодинамічні основи стискання газів. Робота стискання та споживана, потужність. Поршневі компресори. Індикаторна діаграма компресора. Продуктивність. Коефіцієнт подачі. Об’ємний коефіцієнт. Межа одноступеневого стискання. Багатоступеневе стискання. Основні типи та конструкції поршневих компресорів.

Ротаційні компресори і газодувки. Відцентрові машини. Вентилятори. Турбогазодувки. Турбокомпресори. Осьові вентилятори і компресори.

Вакуум-насоси (поршневі, ротаційні, пластинчаті, водокільцеві та струменеві).

Порівняння та сфери застосування компресорних машин різних типів.

Тема 4. Розділення газових та рідких неоднорідних систем Класифікація і характеристика неоднорідних систем. Розділення рідких

систем. Матеріальний баланс. Розділення під дією сили тяжіння.

Відстоювання.

Продуктивність відстійних апаратів. Конструкції відстійників.

Фільтрування.

Загальні відомості. Рівняння фільтрування, швидкість фільтрування. Режими фільтрування. Визначення постійних (констант) в рівняннях фільтрування. Фільтрувальні перегородки. Будова фільтрів. Нутч фільтри, фільтрпреси. Листові фільтри. Патронні фільтри. Барабанні вакуум-фільтри. Дискові вакуумфільтри. Карусельні фільтри. Стрічкові фільтри. Інтенсифікація роботи фільтрів.

Центрифугування.

Основні положення. Відцентрова сила і фактор розділення. Процеси у відстійних центрифугах. Процеси у фільтруючих центрифугах. Будова центрифуг.

Очищення газів.

Загальні відомості. Гравітаційне очищення газів. Очищення газів під дією інерційних та відцентрових сил.

Очищення газів фільтруванням. Фільтри з гнучкими пористими перегородками. Фільтри з напівжорсткими пористими перегородками.

Мокре очищення газів. Скрубери. Барботажні пиловловлювачі. Електрична очистка газів.

Будова електрофільтрів. Коагуляція та укрупнення частинок, які відокремлюються при очищенні газів. Порівняльна характеристика та вибір гозоочисної апаратури.

Тема 5. Перемішування рідин.

Способи перемішування. Механічне перемішування. Механічні перемішуючі пристрої. Лопатеві, пропелерні, турбінні, спеціальні мішалки.

6

Пневматичне перемішування. Перемішування в трубопроводах. Перемішування за допомогою сопел та насосів. Визначення потужності, яка споживається при механічному перемішуванні.

Методичні вказівки до розділу 1

Тема 1.

Технічна гідравліка, яка становить предмет першої теми даного розділу – це наука про рівновагу та переміщення рідин. В усіх хімічних виробництвах зберігання і переміщення рідин, це важливі ланки технологічних процесів, тому механічна гідравліка має велике самостійне значення як дисципліна, з допомогою якої можна вести розрахунок сховищ та трубопроводів, часу заповнення і звільнення посудин, а також розрахунки приладів для вимірювання тиску, густини та витрат рідини. Технічна гідравліка водночас є теоретичною базою для розрахунків рідинних насосів, процесів теплообміну, механічної обробки рідинних неоднорідних систем та багатьох масообмінних процесів.

Вищесказане визначає важливість цієї теми. На початку вивчення цього розділу студент повинен зрозуміти фізичний сенс і технічні розмірності основних параметрів реальних рідин (густина, питома вага, питомий об’єм, тиск, в’язкість, поверхневий натяг, стисливість та інші).

Особливу увагу необхідно приділити встановленню співвідношень між різними одиницями вимірів та відповідному перетворенню розрахункових формул. Найважливішою умовою правильного і швидкого розрахунку є вільне володіння розмірностями основних величин. Практика показує, що більшість помилок під час розв’язання задач зв’язана саме з розмірностями.

В розділі гідростатики слід звернути увагу на методику застосування основного рівняння гідростатики для визначення тиску, що створює стовп рідини, та форми поверхні рідини при її абсолютному і відносному спокої. Засвоєння математичного виведення основних рівнянь гідродинаміки важливе не тільки для розуміння фізичного смислу, але й для подальшого застосування їх у практичній діяльності.

Велике значення в гідродинаміці мають: рівняння Бернуллі, закони ламінарної та турбулентної течії рідини, умови і критерії гідродинамічної подібності, розрахунок трубопроводів, закони витікання рідин із отворів і насадок.

Засвоївши матеріал першої теми необхідно також засвоїти основи розрахунку оптимального діаметра трубопроводу, використовуючи технікоскономічний підхід.

Тема 2.

Вивчаються машини і пристрої для перекачування рідин. Розібравшись конструктивно в схемах та в принципі дії відцентрових, поршневих і струйних насосів слід перейти до теоретичних основ переміщення рідин. При цьому особливу увагу необхідно приділити основному рівнянню відцентрових насосів та витікаючої з нього залежності між продуктивністю, напором, потужністю і числом обертів, визначенню висот всмоктування. Необхідно добре засвоїти

7

смисл індикаторних діаграм поршневих насосів, графічні характеристики відцентрових та поршневих насосів.

Велике значення має засвоєння способу визначення продуктивності та напору при паралельному та послідовному з’єднанні відцентрових насосів (сумісна робота насосів на мережу).

Тема 3.

Для успішного засвоєння цієї теми внеобхідно відновлення в пам’яті відомостей з технічної термодинаміки про рівняння стану ідеального газу, а також витікаючи з цього рівняння формули для визначення роботи розширювання і стиснення газів в ізобарному, адіабатному і політропному процесах. Вивченню теоретичної і розрахункової частини цієї теми повинно передувати ознайомлення з основними конструкціями різних типів компресорів і вакуум-насосів.

Студент повинен засвоїти метод визначення витрат роботи для стискання газів, використовуючи аналітичний спосіб і з допомогою теплових діаграм. Необхідно знати: як впливає шкідливий простір і ступінь стискання на роботу поршневих компресорів, яка залежність між тиском, витратою, продуктивністю, потужністю і числом обертів. Важливо зрозуміти принципи визначення числа ступенів багатоступінчастих компресорів, методи визначення початкового і кінцевого тиску для кожної окремої ступені, випадки де необхідне паралельне чи послідовне з’єднання турбомашин.

Тема 4.

Розглядаються питання розділення неоднорідних рідинних систем, які мають велике значення в хімічній технології, а також питання очищення газів механічними і електричними способами. Розглядаються типові конструкції пилоуловлювачів, розрахунок їх основних розмірів.

По своєму апаратному оформленню найбільш простим вважається процес природного відстоювання. Теорію цього процесу необхідно добре засвоїти, бо вона дає можливість кращого засвоєння більш складного процесу центрифугування. Ще більш складними є теорії та апаратне оформлення процесів фільтрації, які будуються на законах гідродинаміки.

Конструктивні схеми фільтрів періодичної та безперервної дії, методи розрахунку швидкості фільтрації, необхідна різниця тисків, продуктивність та методи розрахунків основних розмірів фільтрів повинні бути добре засвоєні. Особливу увагу необхідно звернути також на методику лабораторного визначення фільтраційних характеристик, завдяки яким можливий правильний вибір параметрів робочого режиму і розрахунку фільтрів.

Центрифугування при сучасному стані машинобудування є самим інтенсивним процесом розділення рідких неоднорідних систем навіть при великій дисперсності твердої фази і незначній різниці густин рідкої і твердої фази. Крім того, цей процес з успіхом використовується навіть для розділення рідинних сумішей. Тому теорії центрифугування, конструкціям відстійних і фільтруючих центрифуг і методам їх розрахунку необхідно приділити певну увагу. Зокрема, студент повинен добре опанувати методи розрахунку потрібної колової швид-

8

кості, основних розмірів центрифуги, тривалості центрифугування і витрат потужності.

Тема 5.

Ця тема присвячена механічному перемішуванню в рідких середовищах. Механічне перемішування рідин дуже розповсюджена операція в хімічно-

му виробництві. Воно здійснюється за допомогою мішалок самих різних конструкцій. Знання найбільш вдалих конструкцій і вміння визначити витрати потужності має велике значення при проведенні, хіміко-технологічних процесів.

Запитання для самоперевірки до тем 1 – 5: №№ 1–100, стор. 16-19.

2. Теплові процеси.

Тема 6. Теплопередача в хімічній апаратурі.

Основи теплопередачі в хімічній апаратурі. Загальні відомості. Рушійна сила процесу теплопередачі. Теплові баланси. Способи передачі тепла (теплопровідність, конвекція, випромінювання).

Температурне поле і температурний градієнт. Передача тепла теплопровідністю. Закони Фур’є. Теплопровідність твердих матеріалів, рідин і газів. Теплопровідність одношарових і багатошарових стінок при усталеному режимі.

Теплове випромінювання. Абсолютно чорне тіло. Закони Планка, СтефанаБольцмана, Кирхгофа. Реальні тіла. Ступінь чорноти. Взаємне випромінювання двох твердих тіл. Випромінювання газів.

Передача тепла конвекцією (конвективний теплообмін). Диференціальні рівняння конвективного теплообміну. Теплова подібність. Критерії теплової подібності. Загальний вигляд критеріального рівняння для конвективного теплообміну. Тепловіддача без зміни агрегатного стану при вимушеному русі. Тепловіддача при вимушеному русі у середині і зовні труб. Тепловіддача при вільному русі (природна конвекція). Тепловіддача при перемішуванні рідини. Тепловіддача при зміні агрегатного стану. Конденсація пари. Конденсація парогазових сумішей. Кипіння рідин. Криза кипіння. Критична різниця температур і критичне питоме теплове навантаження.

Складний теплообмін. Коефіцієнт теплопередачі. Основне рівняння теплопередачі. Теплопередача при постійних та змінних різницях температурах. Вибір напрямку руху теплоносіїв. Прямотечія, протитечія, змішана течія. Середня різниця температур. Температура стінки. Визначення втрат тепла і вибір теплоізоляції. Поняття про теплопередачу при неусталеному режимі.

Теплообмін при безпосередньому контакті фаз. Безпосередній контакт рідин і газів. Безпосередній контакт газу і твердого зернистого матеріалу, Теплообмін в нерухомому зернистому шарі і псевдозрідженому (киплячому) шарі.

Тема 7. Нагрівання, охолодження, конденсація.

Загальні відомості. Джерела тепла, методи нагрівання і їх технікоекономічні характеристики. Нагрівання водяною парою (глуха, гостра), гарячою водою, топковими газами, високотемпературними теплоносіями. Нагрівання електричним струмом.

9

Охолоджуючі агенти, способи охолодження і конденсації. Конструкції теплообмінних апаратів. Поверхневі теплообмінники. Трубчаті теплообмінники (кожухотрубні, двотрубні, елементні). Змійовикові, зрошувальні, оребрені, спіральні, пластинчасті теплообмінники. Змішувальні теплообмінники.

Теплообмінне обладнання реакційних апаратів. Порівняльна характеристика теплообмінних апаратів.

Конденсатори змішування та поверхневі конденсатори. Розрахунок теплообмінних апаратів.

Тема 8. Випарювання.

Загальні відомості. Однокорпусні випарні установки. Матеріальний та тепловий баланси однокорпусних випарних установок. Багатокорпусні випарні установки. Основні схеми багатокорпусних установок. Матеріальний і тепловий баланси багатокорпусних випарних установок.

Вибір числа корпусів. Будова випарних апаратів, їх розрахунок.

Методичні вказівки до розділу 2 (теми 6, 7, 8).

Тема 6.

Вивчається теорія теплопередачі, яка знаходиться в основі усіх процесів теплообміну між твердими, рідкими і газоподібними тілами.

Ознайомившись з методами теплопередачі, основними параметрами цього процесу, засвоїв їх фізичну суть і технічні розмірності, необхідно перейти до вивчення теорії теплопровідності в усталених і неусталених процесах. Необхідно чітко засвоїти основний закон передачі тепла теплопровідністю (закон Фур’є). Особливу увагу слід звернути на теплопровідність багатошарових стінок різної форми і на теорію теплопровідності при усталеному процесі.

В теорії теплового випромінювання треба добре засвоїти суть процесу випромінювання при теплообміні між твердими тілами і способи визначення кількості тепла, яке випромінюється газами.

Найбільш розповсюдженим видом теплообміну в хімічній апаратурі є конвективний теплообмін.

Засвоїв диференціальне рівняння конвективного теплообміну і умови теплової подібності, слід перейти до вправ по визначенню коефіцієнтів тепловіддачі та робочої різниці температур при різних схемах теплообміну.

Практичне застосування теорії теплопередачі відображене в темах 7 і 8 цього розділу.

Тема 7.

а) Нагріваючи агенти і способи нагрівання. Серед цих питань особливо слід відмітити нагрівання парою і висококиплячими органічними рідинами в зв’язку з тим, що саме ці способи широко використовуються в промисловості хімічних волокон, в сучасній техніці побутового обслуговування і на багатьох підприємствах легкої промисловості.

Порівняльна характеристика гріючих агентів, способів нагрівання повинна стати практичним керівництвом майбутнього спеціаліста;

10