Иерархия основных классов технологических процессов

Иерархия основных классов технологических процессов 7 СОЦИАЛЬНЫЕ 7 Развитие общества в пространстве и во времени 6 БИОЛОГИЧЕСКИЕ 6 Биологическое превращение вещества в пространстве и во времени 5 ХИМИЧЕСКИЕ 5 Химическое превращение вещества в пространстве и во времени 4 МАССООБМЕННЫЕ 4 Перемещение массы вещества в пространстве и во времени 3 ТЕПЛОВЫЕ 3 Перемещение тепла в пространстве и во времени 2 ГЕТЕРОГЕННЫЕ 2 Перемещение двух или более фаз в пространстве и во времени 1 МЕХАНИЧЕСКИЕ 1 Перемещение тел в пространстве и во времени 2 ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 2 Перемещение двух или более фаз в пространстве и во времени 1 МЕХАНИЧЕСКИЕ 1 Перемещение тел в пространстве и во времени 2 ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ФАЗЫ И НАИМЕНОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМ Внешняя среда Внутренняя среда Газ Газ Жидкость Твердая Пены Жидкость Твердая Туманы Пыли Дыма Эмульсии Пенопласты Жидкопласты Суспензии Мути Сплавы 2 ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ. ПРОЦЕССЫ СВЯЗАННЫЕ С ПОЛУЧЕНИЕМ И РАЗДЕЛЕНИЕМ НЕОДНОРОДНЫХ (ГЕТЕРОГЕННЫХ) СИСТЕМ 2.1 ПРОЦЕССЫ СВЯЗАННЫЕ С ПОЛУЧЕНИЕМ Всевозможные перемешивающие устройства: 1 Механические, которые используют различные вращающие устройства. 2 Пневматические (барботажные), осуществляются за счет пропускания газа через слой жидкости. 3 Гидравлические осуществляются при совместном движении смешиваемых потоков в трубопроводе, насосе или специальных смесителях 2 Гетерогенные процессы 2.1 ПРОЦЕССЫ СВЯЗАННЫЕ С ПОЛУЧЕНИЕМ 2.1.1 Механические: Турбинные Лопастная Пропеллерные 2 Гетерогенные процессы 2.1 ПРОЦЕССЫ СВЯЗАННЫЕ С ПОЛУЧЕНИЕМ 2.1.1 Механические: Якорные Рамные Ж Шнековые 2 Гетерогенные процессы 2.1 МЕХАНИЧЕСКИЕ Конструкция якорной мешалки 2.1.2 Схемы барботажного перемешивания 2.1.3 Гидравлические смесители Смеситель – реактор фирмы Sulzer 1 –корпус; 2 –статический смеситель; 3 –распределительная камера; 4 –перегородка. Потоки: I –вход теплоносителя; II –исходное сырье; III –выход теплоносителя; IV –продукты реакции. 2.1.3 Схемы циркуляционных смесителей а –смеситель с циркуляционным насосом 3 б –смеситель с циркуляционным насосом и смесителем 1 –ёмкость; 2 –разбрызгиватель; 3 – циркуляционный насос; 4 –эжектор. 2 Гетерогенные процессы 2.2 Разделение неоднородных (гетерогенных) систем 2.2.1 Осаждение (отстаивание): а) под действием силы тяжести; в) под действием центробежных сил; с) под действием электрического поля; 2.2.2 Фильтрация: а) под действием силы тяжести; в) под действием центробежных сил; с) под действием давления; 2.2.1 Осаждение (отстаивание): а) под действием силы тяжести; Возьмем частицу в виде шара и поместим её в среду. Gа На частицу помещенную в среду действуют следующие силы: Сила тяжести, которая определяется как Gт=mч∙g=π∙d3/6∙ ρч ∙g Gт (2.1) Сила выталкивания (Архимедова), которая определяется как Gа=mс∙g=π∙d3/6∙ ρс∙g (2.2) где mч – масса частицы; d – диаметр частицы; ρч – плотность частицы; g – ускорение свободного падения; ρс – плотность среды; π – число Пифагора; Направление движения частицы 2.2.1 Осаждение (отстаивание): В зависимости от того которая из сил больше частица будет двигаться вниз или вверх, например, пусть вниз, тогда при движении вниз на частицу действует среда. Она оказывает сопротивление Gа (2.3) R = ∙ S ∙ ρ ∙w2/2 с где w – скорость движения частицы; S – поверхность на которую действует сила;  – коэффициент трения; R С учетом, что силы трения действуют под углом к Gт поверхности, S можно заменить на сечение шара т.е. (2.4) R = ∙ π∙d2 ∙ ρс∙w2/(2∙4) По закону Ньютона (2.5) m ∙dw/d = Gт-Gа-R При установившемся режиме то есть w=const, Gт-Gа-R =0, левая часть равна нулю или подставляя значения сил из уравнений (2.1), (2.2), (2.4) получим 2.2.1 Осаждение (отстаивание): а) под действием силы тяжести; Направление движения частицы π∙d3∙ ρч ∙g /6 -π∙d3∙ ρс∙g /6 - ∙ π∙d2 ∙ ρч∙w2/(2∙4)=0. Поделим все уравнение на π и d2 и помножим на 2 d∙ ρч ∙g /3 - d ∙ ρс∙g /3 -  ∙ ρс∙w2/4=0. Gт Решим последнее относительно w2 4∙d∙g∙(ρч- ρс) /(3∙ ∙ρс)= w2 R Gа w2 = 4∙ (ρч- ρс) ∙ d∙g 3∙ ρс ∙  (2.6) (2.7) Или скорость движения частицы равна 4∙ (ρч- ρс) ∙ d∙g w= (2.8) 3∙ ρс ∙  В зависимости от режима движения  будет иметь различные значения. 2 2.2.1 Осаждение (отстаивание): а) под действием силы тяжести;  При Re < 2 (2.9) При 2< Re < 500  =18,5/Re0,6 При Re > 500 2 500 Re Рисунок 2-1 Зависимость коэффициента сопротивления от значения числа Рейнольдса  = 24/Re  = 0,44 Порядок расчёта 1 Задаёмся скоростью. 2 Рассчитываем Re=w∙d∙ρ/. 3 По условию (2.9) выбираем и рассчитываем . 4 Проверяем заданную скорость по уравнению (2.8). 5 В случае не совпадения берем и подставляем её в п. 1 2.2.1 Осаждение (отстаивание): а) под действием силы тяжести; Скорость осаждения по критериальным уравнениям Для непосредственного определения скорости осаждения 4∙ (ρч- ρс) ∙ d∙g 2 из уравнения (2.7) w = выразим  , т.е. 3∙ ρс ∙  4∙ (ρч- ρс) ∙ d∙g = 3∙ ρс ∙ w 2 Помножим обе чести уравнения на Re2 2∙d2∙ρ 2 w 4∙ (ρ ρ ) ∙ d∙g c ч с 2 Re ∙ = 2 3∙ ρс ∙ w 2 3∙g 4∙(ρ ρ )∙ρ ∙ d ч с c Это есть критерий Архимеда Re2∙ = 2 3 ∙  4 2 Ar Re ∙ = 3 или Re = 2 4 Ar 3  (2.10) 2.2.1 Осаждение (отстаивание): а) под действием силы тяжести; Скорость осаждения по критериальным уравнениям Используя преобразования (2.10) для определения  из 4 условий (2.9) 2 (2.10) Ar Re ∙ =  3 При Re = 2  = 24/Re имеем 4 2 Ar = 36 Ar 2 ∙24/2 = 3 При Re = 500  = 0,44 имеем 4 Ar 2 Ar = 82500 500 ∙0,44 = 3 36 2 При Ar < 36  = 24/Re Ar 82500 При 36< Ar < 82500  =18,5/Re0,6 (2.11) 500 Re При Ar > 82500  = 0,44 Рисунок 2-2 Зависимость коэффициента сопротивления от значения числа Архимеда 2.2.1 Осаждение (отстаивание): а) под действием силы тяжести; Порядок расчета скорость осаждения по критериальным уравнениям 1 Вычисляем значение Архимеда. (ρч- ρс)∙ρc ∙ d3∙g Ar = 2 2 По значению числа Архимеда по условиям (2.11) выбираем . 3 Вычисляем значение Re по уравнению (2.9) . w∙d∙ρc Re=  4 Рассчитываем скорость осаждения из Re∙ w= d∙ρc Для расчётов так же использована единая интерполяционная формула справедливая для всех режимов движения Ar (2.12) Re= 18+0,61√Ar 2.2.1 Осаждение (отстаивание): а) под действием силы тяжести; В промышленности чаще всего осаждение частиц происходит при большой концентрации дисперсной фазы, т.е. в условиях , когда частицы могут влиять на движение друг друга. Уменьшение скорости осаждения при стесненном осаждении можно объяснить тормозящим действием дисперсной среды, вытесняемой осаждающими частицами, которая движется в направлении обратном движению частиц. С учетом стесненного осаждения уравнение (2.12) запишется как Ar∙4,75 (2.13) Re= 18+0,61√Ar∙4,75 Для не шарообразных частиц wч =∙w. Для полидисперсных систем d=1/(xi/di), хi - массовая доля частиц диаметром di 2 ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ 2.2.1 Осаждение. а) под действием силы тяжести Скорость осаждения – прямо пропорциональна размерам частиц, разности плотности частиц и среды. Обратно пропорциональна вязкости среды. Производительность отстойника Обозначим: G – производительность отстойника, м3/с  – время пребывания среды в объеме, с В – ширина, м Н – высота, м L – длина, м t – время осаждения, с w– скорость осаждения, м/с 2 ГЕТЕРОГЕННЫЕ 2.2.1 Осаждение под действием силы тяжести Время пребывания частиц в рассматриваемом объеме определится как  = Н∙В∙L/G. Время осаждения определится как t = H/w. Условие осаждение частицы Н∙В∙L/G = H/w , отсюда G =В∙L∙w В∙L = F – называется зеркало осаждения G =F∙w ≥t Н (2.14) L 2 Гетерогенные процессы 2.2 Разделение неоднородных (гетерогенных) систем 2.2.1 Осаждение. а) под действием силы тяжести Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой 2.2.1 Осаждение. а) под действием силы тяжести Отстойник для эмульсии Hл – высота вывода легкой фазы от уровня раздела фаз; Hт – высота вывода тяжелой фазы от уровня раздела фаз; ρт – плотность тяжелой фазы; ρл – плотность легкой фазы. Эмульсия Hл Hт = ρт ρл (2.15) Легкая фаза Условие вывода фаз Тяжелая фаза Hт Hл Пылеосадительная камера 2.2.1 Осаждение. в) под действием центробежной силы W=0 При не больших скоростях вращения При больших скоростях вращения При вращении возникает центробежная сила С, направленная по радиусу от оси вращения. Центробежная сила (С) равна произведению массы (m) тела на квадрат окружной скорости (w), деленному на радиус вращения. С=m∙w2/r (2.16). С учетом, что m=G/g, где G – сила тяжести , а g- ускорение свободного падения, получим w2 (2.17) С= G∙ g∙r Из выражения (2.17) определим центробежный фактор (КЦ), который показывает во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести С w2 (2.18) КЦ = = G g∙r Выражая окружную скорость через угловую (), как w=∙r, или через число оборотов в минуту (n), как w= 2∙π∙r∙n/60 , представим значение центробежного фактора в виде С w2 2∙r 22∙π2r∙n2 r ∙n2 КЦ = = ≈ = = g∙3600 G g∙r g 900 (2.19) Для расчета скорости осаждения в поле центробежных сил используют те же положения, которые были рассмотрены в процессе осаждения под действием силы тяжести, заменяя силу тяжести центробежной силой (центробежным фактором (КЦ) Выражение скорости осаждения будут иметь вид 4∙ (ρч- ρс) ∙ d∙g∙КЦ wЦ = (2.20) 3∙ ρс ∙  Критериальные уравнения для центробежного осаждения имеют вид 2 4 Ar КЦ 4 2 (2.21) Ar∙КЦ или Re = Re2∙ = 3  3 Для расчётов так же использована единая интерполяционная формула справедливая для всех режимов движения Ar∙КЦ (2.22) Re= 18+0,61√Ar∙КЦ в) под действием центробежных сил; Схема отстойной центрифуги для разделения суспензии: 1 – питающая загрузочная труба; 2 – закраина ротора; 3 – ротор; 4 – кожух. Потоки: I – суспензия; II – фугат; III – осадок. Схема центрифуги для разделения эмульсий: 1 – кольцевая диафрагма; 2 – закраина ротора; 3 – ротор. Потоки: I – эмульсия; II – тяжелая жидкость; III – легкая жидкость. 2 Гетерогенные процессы 2.2 Разделение неоднородных (гетерогенных) систем 2.2.1.Осаждение. в) под действием центробежных сил 2 Гетерогенные процессы 2.2 Разделение неоднородных (гетерогенных) систем 2.2 1 Осаждение. в) под действием центробежной силы Принципиальная схема циклона 2 Разделение неоднородных (гетерогенных) систем 2.2 1 Осаждение. в) под действием центробежной силы Принципиальная схема мультициклона 2 Гетерогенные процессы 2.2 Разделение неоднородных (гетерогенных) систем 2.2 1 Осаждение. в) под действием центробежной силы Осадительная центрифуга со шнековой выгрузкой осадка 2 Гетерогенные процессы 2.2 Разделение неоднородных (гетерогенных) систем 2.2.1 Осаждение. с) под действием электрического поля Разделение эмульсий Система, например, нефть вода очень стойкая эмульсия за счет двойного электрического слоя. Для примера рассмотрим систему вода в нефти. В нефти есть металлоорганические соединения, которые имеют следующую структурную формулу R , где Ме - металл; R – углеводородный радикал. Ме За счёт смещения электронов это металлоорганическое соединение – есть диполь, условно эту молекулу можно изобразить следующим образом + Так как металл гидрофильный, а углеводородный радикал – гидрофобный, то эта молекула будет иметь самое выгодное расположение на поверхности капельки (ПАВ) - - или когда ПАВ много имеем, - а рядом какая же капелька ядро + + - они отталкиваются друг от друга. - - - - - - - Разделение эмульсий Такие системы помещают в электродегидраторы в которых поддерживается переменное электрическое поле ( с частотой 50 гц.) высокого напряжения порядка 30 000 в. Для усиления эффекта добавляем еще ПАВ. + -- -+ - - ++ - - - - - - - + S - - - - Во время смены полярности создаются моменты когда частицы могут притягиваться друг к другу и слипаются. Как только размер частицы достигает достаточных для осаждения размеров, частица просто осаждается. Далее для лучшего осаждения требуется низкая вязкость среды, а это достигается поддержанием температуры порядка 70 – 100 оС. Для того, чтобы не было испарения легких фракций нефти в электродегидраторах поддерживают давление 0,7 -1,0 МПа . 2.2.1 Осаждение. с) под действием электрического поля Осаждение аэрозолей и туманов Для разделения этих систем используют неоднородное электрическое поле. В темноте видно коронное свечение. В неоднородном электрическом поле образуется ток ионов. По мере движения твердой или жидкой частицы на её сорбируются ионы. Так как всё это находится в поле постоянного напряжения, заряженная частица начинает двигаться к положительному электроду. Подойдя к электроду частица отдает заряд и становится нейтральной. По мере накопления частиц, они под действием силы тяжести падают в низ. А Получим пробой. 2 Гетерогенные процессы 2.2.1Разделение неоднородных (гетерогенных) систем Принципиальная схема электрофильтра фильтра Схемы трубчатых а и пластинчатых б электродов 1 – Коронирующие электроды; 2 – Трубчатые осадительные электроды; 3 – Силовые линии; 4 – Пластинчатые осадительные электроды. Потоки I – исходный газ; II – очищенный газ. 2.2.2 Фильтрация: Фильтрацией называется процесс разделения суспензий и аэрозолей с использованием пористых перегородок, на которых задерживаются взвешенные в жидкости или газе твердые частицы, образующие на перегородке слой осадка. Жидкость отделённая от осадка, называется фильтратом. Схема прохождения жидкости через слой осадка и фильтрующую перегородку 2.2.2 Фильтрация: Виды фильтрующих перегородок Насыпные, состоящие из слоя мелкозернистых материалов (гравий, песок и др.), обладающие высокой полнотой разделения суспензий, но отличающиеся большим сопротивлением, поскольку осадок проникает внутрь фильтрующего слоя и требуются специальные приёмы для его отделения. Такие фильтровальные перегородки применяют для суспензий с малой концентрацией твердой фазы. Набивные, состоящие из слоя волокнистых материалов (вата хлопчатобумажная, шерстяная, шлаковая, стеклянная, углеродная и др.). Характеристика та же, что и для насыпных перегородок. 2.2.2 Фильтрация: Керамические, состоящие из пористой керамики с различными размерами пор, применяются для фильтрования кислых сред и при высоких температурах. Характеристика та же, что и для насыпных перегородок. Тканевые, представляют собой ткани из различных волокон (хлопчатобумажных, шерстяных, стеклянных, углеродных и др.) Обладают высокой степенью очистки, имеют малое сопротивление и удобные в конструктивном отношении. Плетеные, представляют собой плетеные сетки из тонкой проволоки, отличаются пониженной задерживающей способностью и поэтому в начале фильтрования пропускают в фильтрат мелкие частицы, причем первые порции мутного фильтрата возвращают на повторное фильтрование. Осадок, который откладывается в последующем, обеспечивает высокую фильтровальную способность. Плетеные перегородки часто применяют для фильтрования при высокой температуре. ВИДЫ ОСАДКОВ Важной характеристикой осадка является его пористость, влияющая на проницаемость фильтрата и обуславливающего величину сопротивления оказываемого потоку фильтрата. Осадок, который при фильтровании не зависимо от давления имеет одну и ту же величину, называется не сжимаемым и состоит обычно из твердых кристаллических частиц, размеры которых варьируются в широком интервале. Большая часть осадков, состоит из мягких (аморфных) частиц, которые с повышением давления уплотняются, вследствие чего их проницаемость уменьшается. Такие осадки называются сжимаемыми. ВИДЫ ОСАДКОВ Для оценки различных осадков при фильтровании вводится понятие об удельном сопротивлении осадка , которое определяется экспериментально. Для сжимаемых осадков принимается зависимость проницаемости от давления в виде r = r0∙∆Рm, (2.23) где m – показатель сжимаемости, лежащий в пределах 0