Процессы и аппараты химической технологии
4 чел. помогло. | скачать федеральное агентство по образованию российской федерации КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ кафедра процессов и аппаратов химической технологииПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Программа, методические указания, контрольные задания и примеры расчетов Казань 2010 Составители: доц. Н.И. Еникеева доц. Н.Б. Сосновская доц. А.Ш. Бикбулатов Процессы и аппараты химической технологии: Программа, метод. Указания и контрольные задания / Казан. Гос. Технол. Ун-т; Сост.: Н. И. Еникеева и др. Казань, 2008. с. В курсе «Процессы и аппараты химической технологии» изучается теория основных процессов, конструкции типовых аппаратов, принципы и методы расчета аппаратов, используемых для проведения этих процессов. Данные методические указания включают в себя программу курса, контрольные задания и вопросы и ставит целью правильно организовать работу студентов заочной формы обучения при изучении курса «Процессы и аппараты химической технологии», а преподавателям дать возможность контролировать ход обучения студентов и оказывать при этом необходимую помощь. Под общей редакцией проф. Г.С.Дьяконова. Печатается по решению кафедры процессов и аппаратов химической технологии. Рецензенты:__________ ^ Технология производства разнообразных химических продуктов и материалов включает ряд однотипных физических и физико-химических процессов, характеризуемых общими закономерностями. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия аппаратах. Процессы и аппараты, общие для различных отраслей химической промышленности, получили название основных процессов и аппаратов химической технологии. Дисциплина состоит из двух частей:
В первой части излагаются общие теоретические закономерности типовых процессов; основы методологии подхода к решению теоретических и прикладных задач; анализ механизма основных процессов и выявление общих закономерностей их протекания; формулируются обобщенные методы физического и математического моделирования и расчета процессов и аппаратов. Вторая часть состоит из трех основных разделов, содержание которых раскрывает прикладные инженерные вопросы основ химической технологии:
В этих разделах даются теоретические обоснования каждого типового технологического процесса, рассматриваются основные конструкции аппаратов и методика их расчета. Лекции, лабораторные и практические занятия, курсовое проектирование, самостоятельная работа студентов и общеинженерная производственная практика обеспечивают приобретение знаний, навыков и умений, необходимых как для дальнейшего обучения, так и для работы на производстве. Основная задача изучения дисциплины: выявление общих закономерностей процессов переноса и сохранения различных субстанций; разработка методов расчета технологических процессов и аппаратов для их проведения; ознакомление с конструкциями аппаратов и машин, их характеристиками. В результате изучения дисциплины студенты должны знать:
Умения, которыми должны овладеть студенты:
а) конструкции аппаратов для проведения определенных процессов; б) режимных параметров работы аппаратов; в) схемы проведения процессов.
Предмет и задачи дисциплины. Классификация основных процессов химической технологии. Стационарные и нестационарные процессы. Непрерывные и периодические процессы. Гипотеза сплошности среды. Режимы движения сред. Классификация сил и напряжений, действующих в жидких средах. Программа Введение Предмет и задачи дисциплины. Классификация основных процессов химической технологии. Стационарные и нестационарные процессы. Непрерывные и периодические процессы. Гипотеза сплошности среды. Режимы движения сред. Классификация сил и напряжений, действующих в жидких средах. ^ Основы теории переноса. Основные понятия: система и окружающая среда, разновидность систем, параметры системы. Субстанции. Потоки субстанций. Механизмы переноса субстанций. Уравнения переноса субстанций. Законы сохранения: законы сохранения массы, импульса и энергии, их математическая запись в интегральной и локальной формах, анализ полученных уравнений, частные случаи (уравнения Навье–Стокса, Эйлера, Бернулли, нестационарные уравнения Фурье–Кирхгофа, Фурье, Фика); исчерпывающее описание процессов переноса, условия однозначности; поля скорости, давления, температуры, концетраций; понятие о пограничных слоях; аналогия переноса. ^ Математическое моделирование, его основные этапы. Физическое моделирование. Основы теории подобия. Подобие гидромеханических, тепловых и массообменных процессов. Критерии и симплексы подобия. Критериальные уравнения. Проблема масштабного перехода для промышленных аппаратов. Понятие о сопряженном физическом и математическом моделировании. Роль ученых КГТУ. ^ Характеристики структуры потока: поля скоростей, время пребывания элементов потока в аппарате, функция распределения времени пребывания. Модели структуры потоков: идеального вытеснения, идеального смешения, ячеечная, диффузионная. Идентификация моделей. Кривые отклика. ^ : уравнения массо-, тепло-, и импульсоотдачи. Коэффициенты массо-, тепло-, и импульсоотдачи, аналогия этих процессов. Уравнения массо-, тепло- и импульсопередачи, определение соответствующих коэффициентов. ^ Прикладная гидромеханика. Гидростатика. Основное уравнение гидростатики. Сила давления жидкости на стенки сосудов (плоские и криволинейные поверхности). Гидродинамика. Классификация жидкостей. Виды движения жидкости. Поток жидкости и его геометрические элементы и гидравлические параметры. Уравнение Бернулли для потока вязкой жидкости. Гидравлическое сопротивление аппаратов и трубопроводов. Сопротивление круглых трубопроводов по длине. Формулы Пуазейля и Дарси-Вейсбаха. График Никурадзе. Движение жидкости в некруглых трубах. Местные гидравлические сопротивления. Расчет простых и сложных трубопроводов. Определение оптимального диаметра трубопровода. Особенности течения газа. Основы динамики двухфазных потоков. Система жидкость (газ) – твердое тело. Течение жидкости через неподвижные зернистые слои и пористые перегородки. Режимы взаимодействия жидкости с зернистым слоем. Сопротивление неподвижного зернистого слоя. Расчет скорости псевдоожижения, витания (осаждения) и уноса. Гидро- и пневмотранспорт. Элементы гидродинамики систем газ (пар) – жидкость, жидкость – жидкость. Пленочное течение жидкости, барботаж, движение капель жидкости в сплошной среде. ^ Виды перемешивания. Интенсивность и эффективность перемешивания. Механическое перемешивание. Конструкции мешалок. Расход энергии на перемешивание. Расчет мешалок. ^ Неоднородные системы и методы их разделения. Отстаивание, конструкции отстойников, схема их расчета. Осаждение под действием центробежных сил. Циклоны, их конструкции и расчет. Осадительные центрифуги, их конструкции и расчет. Фильтрование суспензий. Виды осадков. Конструкции фильтров, фильтрующих центрифуг. Уравнения фильтрования. Расчет аппаратов для фильтрования. Очистка газов фильтрованием. Мокрая очистка газов, конструкция скрубберов. Очистка газов в электрическом поле. Выбор аппаратов для разделения неоднородных систем. ^ Измельчение твердых материалов. Расход энергии. Крупное, среднее и мелкое дробление. Тонкое и сверхтонкое измельчение. Классификация и сортировка. Смешение твердых сыпучих материалов. ^ Теплообмен. Кондуктивный теплообмен в плоской и цилиндрической стенке. Конвективный теплообмен в плоском пограничном слое и трубах при ламинарном и турбулентном режимах течения. Теплообмен с телами сложной формы. Теплообмен при изменении теплофизических характеристик теплоносителя и его фазового состояния. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей. Радиационно-конвективная теплоотдача. Оптимизация и интенсификация теплообмена. ^ Виды теплоносителей. Классификация и конструкции теплообменников. Методика расчета теплообменника. Выпаривание. Способы выпаривания. Классификация и конструкции выпарных аппаратов. Схемы многокорпусных выпарных установок. Материальный и тепловой балансы выпарной установки. Температурные потери. Способы распределения полезной разности температур по корпусам. Методика расчета многокорпусной выпарной установки. ^ Массообмен. Фазовые равновесия. Уравнения материального баланса, рабочих и равновесных линий. Модификации уравнений массопередачи: основное уравнение массопередачи, объемные коэффициенты массоотдачи и массопередачи, число и высота единиц переноса. Аналогия тепло- и массообмена. Упрощенные модели массоотдачи. Классификация и основы расчета массообменных аппаратов. Технологический расчет аппаратов с непрерывным контактом фаз, теоретические тарелки, эффективность по Мерфри, аналитический и графический способы определения числа тарелок. Абсорбция. Общие сведения, схема установки. Равновесие при абсорбции, закон Генри. Прямоток и противоток: уравнения рабочих линий, минимальный и оптимальный расход абсорбента. Конструкции абсорберов. Перегонка. Общие сведения. Равновесие в системе пар – жидкость, закон Рауля. Простая перегонка, перегонка с дефлегмацией, схемы установок. Ректификация. Схемы установок непрерывной и периодической ректификации. Непрерывная бинарная ректификация: материальный баланс, допущения, рабочие линии, минимальное и оптимальное флегмовые числа, тепловой баланс. Особенности периодической ректификации. Ректификация многокомпонентных смесей. Экстрактивная и азеотропная ректификация. Схемы установок. Конструкции ректификационных колонн. Экстракция. Общие сведения. Схема установки, равновесие в системе жидкость – жидкость. Одноступенчатая экстракция, материальный баланс, рабочая линия. Многоступенчатая и противоточная непрерывные экстракции. Конструкции жидкостных экстракторов. Экстрагирование в системе твердое тело – жидкость, кинетика процесса, аппаратурное оформление. Сушка. Общие сведения, виды сушки. Параметры влажного воздуха, диаграмма состояния, изображение процессов. Равновесие при сушке, формы связи влаги с материалом. Материальный и тепловой балансы, линия реальной сушки. Кинетика процесса. Классификация и конструкции сушилок. Адсорбция. Общие сведения. Равновесие при адсорбции. Кинетика процесса, схемы и стадии процесса адсорбции. Классификация и конструкции адсорберов. Ионообмен. Кристаллизация. Общие сведения. Равновесие в системе кристалл – раствор. Кинетика процесса. Конструкции кристаллизаторов. ^ Общие сведения. Типы мембран. Механизм и кинетика мембранных процессов. Конструкции мембранных аппаратов. Лабораторные работы
Курсовой проект Цель выполнения курсового проекта – научиться рассчитывать и проектировать типовые аппараты химической технологии, оформлять проектную документацию, составлять технологические и функциональные схемы установок. Курсовой проект по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии» выполняется и оформляется в соответствии с требованиями ЕСКД на технический проект (ГОСТ–2.120–73) и состоит из пояснительной записки и графической части. Пояснительная записка содержит технологический, конструктивный, гидравлический и механический расчеты аппарата. Графическая часть проекта включает в себя технологическую (функциональную) схему (формат А2 или А3), чертеж общего вида аппарата (формат А1). Основная литература
Дополнительная литература
^ Студенты заочных факультетов выполняют контрольные работы, которые включают в себя решение задач и ответы на вопросы. До выполнения задания по расчету студент должен обязательно ознакомиться с теоретическими положениями по разделу курса, соответствующему содержанию решаемой задачи. В тех случаях, когда необходимо использовать малоизвестные формулы, необходимо дать ссылку на соответствующий литературный источник. Ссылку необходимо также давать при использовании данных по физическим параметрам (например, вязкость, плотность, теплоемкость и т.п.). С целью выработки навыков для решения задач по данному курсу перед выполнением каждой контрольной работы необходимо решить два-три примера на соответствующе темы, по книге К. Ф. Павлова, П. Г. Ромашова, А. А. Носкова "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии", изд. 10-е, 1987. Ниже в перечне тем заданий будут рекомендованы стандартные задачи и их решения, которые могут быть использованы при выполнении контрольных работ. Отчёты по контрольным заданиям обязательно должны быть написаны чернилами на листах бумаги формата А4 или в тетрадях (с полями: левая сторона - 2 см, правая сторона- 2,5-зсм). Ответы на вопросы должны быть конкретными, исчерпывающими и при необходимости сопровождаться схемами или рисунками. При выполнении задания нельзя сокращать слова кроме общепринятых. Задания должны быть датированы и подписаны студентом. Задания зачитываются, если они не содержат ошибок принципиального характера. Если задание оказалось незачтённым, то студент его переделывает заново в соответствии с замечаниями рецензента и посылает в институт вместе с первоначальным (незачтённым). Не разрешается исправлять ошибки в первоначальном тексте, который уже был проверен рецензентом. Для удобства выполнения контрольных работ, весь объем материал курса, по которому решаются задачи и делаются ответы на вопросы, подразделен на темы: Тема I. "Гидромеханические процессы". Задачи и вопросы для контрольных работ: 1-10, 1-20. Стандартные задачи: 3.4, 3.6, 3,10, 3.18, 3.23 [3, Глава 3]. Теория - глава 5 [1]. 1-5. Необходимо рассчитать скорость отстаивания, подтвердить соответствие примененной формулы режиму отстаивания. 6-10. Необходимо вычислить скорость осаждения твердой части в центробежном поле, проверить соответствие режиму примененной формулы. Тема 2 . "Теплопередача в химической аппаратуре. Нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание." Задачи и вопросы для контрольных работ 11 - 30 , 21 - 60. Стандартные задачи 4.22, 4,25, 4.II 4.IV. Пример расчета трехкорпусной выпарной установки в главе V [З], главе IV и V [3]. Теория - главы VII, VIII, IX [1]. 11-20. Составить тепловой баланс теплообменника в системе: конденсация насыщенного водяного пара – нагревание жидкости. Рассчитать коэффициенты теплоотдачи α1, α2 обоих теплоносителей и коэффициент теплопередачи. Проверить выполнение теплового соотношения относительно удельных тепловых потоков (  ). При вычислении необходимой стандартной поверхности теплообменника использовать данные табл. 4.1221-30. Составить материальный баланс установки и по корпусам, определить депрессии, вычислить температуру кипения растворов в корпусах. Рассчитать коэффициент теплопередачи  в I корпусе, определение  и  производится с использованием соотношения  . Записать тепловые балансы по корпусам и рассчитать полезную разность температур и поверхность аппаратов. Рассчитанные данные свести в таблицу температур по корпусам.Тема 3. «Основы массопередачи. Абсорбция. Перегонка и ректификация» (задачи 31-50, вопросы 51-80). Стандартные задачи: гл. 6. Задачи 6.1; 6.3; 6.6; 6.8; 6.12; 6.14; гл.7. 7.10, пример расчета тарельчатой ректификационной колонны, с. 351, [3]. 31-40. Рассчитать скорость движения газовой смеси, исходя из максимальной величины в точке захлебывания, вычислить коэффициент массоотдачи в жидкой и газовой фазах. Следует конкретизировать размерность величин, входящих в уравнения материального баланса, средней движущей силы, массопередачи. Определить диаметр и высоту аппарата. 41-50. Составить материальный баланс РК. Построить диаграмму X-Y для заданной смеси. Вычислить рабочее флегмовые число и скорость движения пара в колонне в зависимости от типа тарелок (следует привести эти формулы из Ю. И. Дытнерского) и затем диаметр аппарата. Высоту аппарата вычислить с использованием числа теоретических тарелок и КПД тарелки (график прил. 3). Определить расходы тепла в теплообменнике. Тема 4. "Сушка. Адсорбция" (Задачи 51-70, вопросы 81-110). Стандартные задачи: 9.1; 9.3; 9.4; 10.4; 10.16; 10.21; 10.24. Теория - главы IX, Х. [3]. 51-60. Составить материальный и тепловой балансы конвективной сушилки. Построить график теоретической и реальной сушилки на Y-D – диаграмме. При вычислении теплового баланса реальной сушки учесть затраты тепла на нагрев материала, потери тепла в окружающее пространство, затраты тепла на испарение влаги из материала и п. 8 из указаний. Контрольные задания выполняются по вариантам, причём номер варианта определяется последней цифрой шифра. Если, например, шифр 31254, то выполняется 4 вариант. Распределение тем по контрольным работам производится следующим образом: Контрольным работам I, 2 для студентов, механических специальностей соответствуют темы I и 2 (табл. I); контрольной работе 3 - тема 3 (табл. 2); контрольной работе 4 - тема 4 (табл. 3). Для студентов технологических специальностей: Контрольной работе I соответствует тема 2 (табл. 1а); контрольной работе 2 - тема 3 (табл. 2); контрольной работе 3 - тема 4 (табл. 3). Порядок изложения материала в контрольной работе следующий: в первой части приводится решение всех задач соответствующего варианта, а во второй части - ответы на вопросы, условие задачи и вопросы полностью переписываются из данного пособия в отчёт по контрольной работе. Таблица I Контрольная работа I
Таблица I а Контрольная работа I
Таблица 2 Контрольная работа 2
Таблица 3 Контрольная работа 3
^
^ 1-5. Определить высоту и число полок пылеосадительной камеры полочного типа, в которой происходит отстаивание частиц твердого тела из воздуха. Минимальный размер улавливаемых твердых частиц d, мкм. Средняя температура в камере Т, К, давление атмосферное. Расход воздуха V, м3/с. Размеры камеры: длина L, м, ширина В, м. Расстояние между полками h, м.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
плохо
1отлично
6 Разместите кнопку на своём сайте или блоге: