Расчет трубчатого теплообменника

При турбулентном движении и вынужденной конвекции (при Re>10000):

Nu = 0,021 Re^0,8Pr^0,43(Pr/Pr_с)^0,25ε_l

где ε_l - коэффициент длины, обычно равный единице; Re – критерий Рейнольдса, характеризующий режим движения жидкости; Pr – критерий Прандтля, определяющий физические свойства жидкости. В множителе (Pr/Pr_c)^0,25, который входит в уравнение подобия конвективного теплообмена, Pr и Pr_c – числа Прандтля среды при средних температурах пограничного слоя t_m и наружной поверхности емкости t_c

изменения происходят: при конденсации, плавлении и отвердевании, замораживании и размораживании, при кипении жидкостей.

 

41. Массоопередача, массоотдача и массопроводность. Основное уравнение массопередачи.

Массопередача - массообмен через поверхность раздела или проницаемую стенку между двумя веществами или фазами.

Массоотдача - конвективный массообмен между движущейся средой и поверхностью раздела с др. средой ( твердым телом, жидкостью или газом).

Массопроводность (диффузия) - объектом изучения является распределение концентрации ρ(x,t) ключевого вещества в некоторой среде. Главным образом, рассматриваются распределения жидкости в другой жидкости или газа в другом газе. Хорошей наглядной моделью является диффузия чернил в воде, где концентрация чернил соответствует «темноте» чернильно-водяной смеси.

Основное уравнение  массопередачи.

Известны два вида переноса вещества – молекулярная и конвективная диффузия Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или ламинарных пограничных слоях. 
           Скорость переноса вещества из одной фазы в другую dM пропорциональна движущей силе процесса D, характеризующей степень отклонения систем от состояния равновесия, и поверхности контакта фаз dF .

Следовательно: 
 ( 4 ) 
где К коэффициент масссопередачи.( аналогично с теплопередачей) 
            Коэффициент массопередачи характеризует массу вещества, переданную из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе процесса, равной единице. 
             Коэффициент массопередачи отражает уровень интенсификации процесса: чем больше величина К, тем меньше их размеров требуется аппарат для передачи заданного количества вещества. Одновременно следует воздействовать и на величину поверхности контакта фаз, стремясь ее максимальному развитию и обновлению в единице объема аппарата. Наибольшее влияние на интенсивность массоперенос оказывают гидродинамические и конструктивные факторы. 

42. Перемешивание.  Критерий мощности.

Перемешивание - способ получения однородных смесей и(или) интенсификации тепло- и массообмена в хим. аппаратуре. В соответствии с агрегатным состоянием B-B или материалов различают Перемешивание жидких сред и перемешивание твердых сыпучих материалов. П. производится преим. в емкостных аппаратах с перемешивающими устройствами (обычно мешалками). Процесс заключается в распределении растворенных в-в, взвешенных частиц и теплоты, а также в диспергировании капель и пузырьков в жидкости путем приведения ее в вынужденное движение. При этом возникает циркуляц. течение жидкости по окружности и(или) в меридиональном направлении, сопровождающееся появлением напряжений сдвига. Характер и интенсивность перемешивания зависят от конструкций аппаратов и мешалок.

ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Перемешивающие устройства применяются в химической промышленности для следующих целей:

• получение однородных растворов;
• получение эмульсий и суспензий;
• увеличение поверхности межфазного контакта;
• интенсификация процессов тепло- и массопередачи.

Известны три основных способа перемешивания:

1. Пневматическое.
2. Гидравлическое.
3. Механическое.

Критерий мощности.

p - плотность среды, кг/м³

u - скорость тела

 

43. Основные  положения расчета теплообменных  аппаратов.

Диаметр корпуса  цилиндрического кожухотрубного теплообменника

D=(1,3…1,5)(b-1)dн+4 dн ,

где b – число труб, расположенных по диагонали наибольшего шести-

угольника; b=2а-1 (здесь а – количество труб, расположенных

по стороне наибольшего  шестиугольника);

dн – наружный диаметр трубы.

Общее количество и длина труб в теплообменнике

n=3a(a-1)+1.

Длина труб в при известном диаметре определяется в зависимости

от площади поверхности  теплообмена:

L=F/(π dcрn).

Расход греющего пара

D=Q/(i"-i'),

где Q - количество теплоты, переданной потребителям;

i";i' –энтальпия пара и конденсата соответственно.

Гидравлическое  сопротивление теплообменника

ΔР=(λl/d+Σε)V2ρ/2,

где λ – коэффициент трения;

l – длина трубы;

d – диаметр трубы;

Σε – сумма коэффициентов местных сопротивлений;

V – скорость среды;

ρ – плотность среды.

Классификация теплообменных  аппаратов:

- рекуперативные теплообменники

- теплообменники типа "труба в трубе"

- погружные змеевиковые  теплообменники

- оросительные теплообменники

- пластичные теплообменники

- регенеративные теплообменники

 

44. Основное  уравнение массопередачи.

Известны два вида переноса вещества – молекулярная и конвективная диффузия Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или ламинарных пограничных слоях. 
           Скорость переноса вещества из одной фазы в другую dM пропорциональна движущей силе процесса D, характеризующей степень отклонения систем от состояния равновесия, и поверхности контакта фаз dF .

Следовательно: 
 ( 4 ) 
где К коэффициент масссопередачи.( аналогично с теплопередачей) 
            Коэффициент массопередачи характеризует массу вещества, переданную из одной фазы в другую в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе процесса, равной единице. 
             Коэффициент массопередачи отражает уровень интенсификации процесса: чем больше величина К, тем меньше их размеров требуется аппарат для передачи заданного количества вещества. Одновременно следует воздействовать и на величину поверхности контакта фаз, стремясь ее максимальному развитию и обновлению в единице объема аппарата. Наибольшее влияние на интенсивность массоперенос оказывают гидродинамические и конструктивные факторы. 

45. Отстаивание.  Назначение, сущность и способы  осуществления процесса.

Отстаивание - медленное расслоение жидкой дисперсной системы (суспензии, эмульсии, пены) на составляющие её фазы: дисперсионную среду и диспергированное вещество (дисперсную фазу), происходящее под действием силы тяжести. В процессе отстаивания частицы дисперсной фазы оседают или всплывают, скапливаясь соответственно у дна сосуда или у поверхности жидкости. Концентрированный слой из отдельных капелек у поверхности, возникший при О., называют сливками. Частицы суспензии или капли эмульсии, скопившиеся у дна, образуют осадок. 

Отстаивание - распространённый способ очистки жидкостей от грубодисперсных  механических примесей.  Его используют при подготовке воды для технологических и бытовых нужд, обработке канализационных стоков, обезвоживании и обессоливании сырой нефти, во многих процессах химической технологии. Оно является важным этапом в естественном самоочищении природных и искусственных водоёмов. О. применяется также для выделения диспергированных в жидких средах различных продуктов промышленного производства или природного происхождения.

Отстаивание – это  частный случай разделения неоднородных жидких или газообразных систем в  результате выделения твердых или жидких частиц под действием гравитационного поля.

Осаждение применяется  для грубого разделения суспензий, эмульсий и пыли. Этот способ разделения характеризуется низкой скоростью  процесса. Осаждением не удается полностью разделить неоднородную смесь на дисперсную и дисперсионную фазы.

Рассмотрим процесс  отстаивания неоднородной системы, при котором наблюдается постепенное  увеличение концентрации частиц в аппарате по направлению сверху вниз. Осаждение  протекает в несколько стадий.

При этом в аппарате образуются четыре зоны: зона 1 – слой осадка; зона 2

– сгущенная суспензия; зона 3 – свободного осаждения; зона 4 – осветленная жидкость.В зоне сгущенной суспензии проходит стесненное осаждение частиц, сопровождающееся трением и взаимными столкновениями. При этом мелкие частицы тормозят движение более крупных.

В начале отстаивания  осаждаются преимущественно крупные  частицы, вызывающие наиболее интенсивное  обратное движение жидкости. Однако по мере уменьшения концентрации этих частиц тормозящее влияние обратного тока жидкости ослабевает и скорость отстаивания возрастает до момента установления динамического равновесия между действующей силой и силой сопротивления жидкости. В последующий период времени совместное осаждение частиц происходит с постоянной скоростью.

 

46) Циклы и способы измельчения

ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ - разрушение твердых тел до требуемых размеров. По размеру (крупности) измельченного продукта различают: грубое (300-100 мм), среднее (100-25 мм) и мелкое (25-1 мм) дробление; грубый (1000-500 мкм), средний (500-100 мкм), тонкий (100-40 мкм) и сверхтонкий ( < 40 мкм) помол. Цель дробления - получение кускового продукта необходимой крупности и гранулометрического, или фракционного, состава, подготовка к помолу. Цель помола - увеличение дисперсности твердого материала, придание ему определенных гранулометрич. состава и формы частиц (остроугольные, скатанные, чешуйчатые и т. п.), дезагрегирование. Измельчение. способствует: улучшению однородности смесей (напр., произ-во СК); ускорению и повышению глубины протекания гетерог. хим. р-ций (в произ-ве минер. удобрений, ультрамарина и др.); повышению интенсивности сочетаемых с ним др. технол. процессов (перемешивание, сушка, обжиг, хим. р-ции); снижению применяемых т-р и давлений (напр., при варке стекла); улучшению физ.-мех. св-в и структуры материалов и изделий (твердые сплавы, бетон, керамика, огнеупоры и т. п.); повышению красящей способности пигментов и красителей, активности адсорбентов и катализаторов; переработке полимерных композиций, включающих высокодисперсные наполнители (напр., сажу, слюду, хим. и иные волокна), отходов произ-ва, бракованных и изношенных изделий (резиновые шины, термо- и реактопласты и др.) и т. д. Осн. характеристики процесса: изменение дисперсности; степень Измельчения. - отношение среднего размера кусков (зерен) исходного материала к среднему размеру кусков (зерен, частиц) измельченного продукта; уд. энергетич. затраты (в кВт. ч на 1 т продукта). Главные характеристики продукта И. - гранулометрич. состав (в %) и уд. пов-сть (в см 2/г). Измельчение. может быть сухим (как правило, при грубом и среднем дроблении) и мокрым (часто при мелком дроблении и помоле). Сухое Измельчение. проводят в воздушной среде или в инертных газах (при переработке окисляющихся, пожаро- и взрывоопасных, а также токсичных материалов). Мокрое Измельчение. (исходный материал смешивают с жидкостью, преим. с водой) применяют при обогащении руд методомфлотации, при послед. обработке измельченного материала в виде суспензии (напр., в произ-ве ТiO2), при повыш. влажности материала и наличии в нем комкующих примесей, при необходимости исключить пылеобразование. Измельчение. может осуществляться периодически либо непрерывно. Периодич. процесс применяют при небольших масштабах произ-ва, т. к. он сравнительно малоэкономичен, сопровождается сильными нагреванием (Измельчение. происходит в замкнутом объеме) и агрегированием обрабатываемого материала и дает возможность получать продукт только широкого гранулометрич. состава, содержащий значит. кол-ва мелких и крупных фракций. Непрерывный процесс осуществляют по двум осн. схемам. При работе в открытом цикле, используемом чаще всего для грубого и среднего Измельчения., материал проходит через измельчитель только один раз, не возвращаясь в него, и также характеризуется широким гранулометрич. составом. Наилучшие показатели по качеству продукта, производительности измельчителя и энергетич. затратам достигаются в случае И. в замкнутом цикле с непрерывным отбором тонкой фракции. Тонкое дробление (или помол) производят, как правило, в замкнутом цикле "И. - классификация". В нем материал с размерами кусков больше допустимого предела многократно возвращается в машину на доизмельчение, а целевая фракция отбирается в результате послед. классификации с помощью: 1) грохотов при дроблении, 2) гидравлических либо воздушных сепараторов соотв. при сухом и мокром помоле. При содержании в исходном материале не менее 30-40% требуемого тонкого продукта измельчения. в открытом или замкнутом цикле проводят с предварит. классификацией сырья. При высокой степени измельчения. резко возрастает расход энергии. С целью его снижения процесс осуществляют в неск. стадий (обычно в две, реже в три), направляя материал в установленные последовательно дробилки или мельницы для грубого, среднего и тонкого Измельчения. Для измельчения. используют разл. способы. В пром. измельчителях чаще всего применяют след. виды мех. воздействий: свободный удар, раздавливание, истирание, а также их комбинации. Выбор усилия зависит от крупности и прочности материала. Машины для измельчения. подразделяют на дробилки и мельницы.. Дробление производят в осн. с помощью дробилок четырех типов: щековых, конусных, валковых, роторных. Щековые дробилки служат для грубого и среднего дробления, напр., серного колчедана в произ-ве H2SO4. В них материал раздавливается между неподвижной и подвижной плитами, наз. щеками, рабочие пов-сти к-рых имеют зубчатую форму; расстояние между щеками уменьшается в направлении движения материала. Осн. достоинства: высокая производительность, простота конструкции, широкая область применения (в т. ч. для дробления крупнокусковых материалов большой твердости), компактность, легкость обслуживания; недостатки: периодичность воздействия на материал (только при сближении щек), неполная уравновешенность движущихся масс, что является причиной шума и сотрясений зданий, где работают дробилки.

 

 

48) Осаждение неоднородных  систем под действием центробежных  сил

Осаждение неоднородных систем под  действием центробежных сил называется центрифугированием.

Центробежное поле создается двумя  способами:

вращением потока при неподвижном  корпусе аппарата (циклонный процесс);

вращением потока вместе с вращением  корпуса аппарата (центрифугирование).

По первому способу осаждение  жидкости происходит в гидроциклонах. Несмотря на более простое устройство, скорость осаждения в них невелика, а гидравлическое сопротивление более высокое. По указанным причинам степень очистки в гидроциклонах небольшая и они в промышленности используются ограниченно. В данном учебном пособии этот способ не рассматривается.

По второму способу осаждение  жидких неоднородных систем происходит под действием центробежных сил  в осадительных центрифугах. Осадительные центрифуги применяются для разделения суспензий с концентрацией твердой фазы до 40 % и диаметром частиц 0,005... 10 мкм и для разделения эмульсий. После разделения суспензий образуется осадок с небольшим содержанием жидкости и фугат.

Важной характеристикой центрифуг  является отношение центробежного  ускорения и2/r к ускорению силы тяжести g, которое равно отношению центробежной силы к силе тяжести данного тела. Это отношение называется фактором разделения:

Кр = w2/rg = щr/g = 4р2n2r/g = 4n2r.

неоднородный химический жидкий осаждение  центробежный

Осаждение под действием центробежных сил проводится в барабанах, вращающихся со скоростью щ и имеющих радиус вращения r. Жидкая неоднородная система вводится в барабан снизу. Под действием центробежной силы и силы тяжести свободная поверхность жидкости принимает форму параболоида вращения.

Различают центробежное осветление и  центробежное отстаивание.

Центробежное осветление проводится для очистки жидкостей, содержащих небольшое количество твердых частиц (тонкие суспензии, коллоидные растворы). При малой концентрации дисперсной фазы четкой границы между фугатом и осадком нет. По физической сущности центробежное осветление можно рассматривать как свободное осаждение частиц в поле центробежных сил.

Центробежное отстаивание проводится для разделения суспензий и эмульсий. При повышении концентрации твердых частиц в суспензии образуется четкая граница раздела фаз. На первом этапе процесса происходит образование осадка, на втором -- его уплотнение.

Отличием процессов осаждения  под действием сил тяжести  от центробежных сил является то, что центробежная сила не постоянна по сечению барабана: она увеличивается с увеличением радиуса вращения. Кроме того, в отстойниках частицы проходят через постоянные поперечные сечения аппарата, а в центрифугах -- через возрастающие по радиусу поперечные сечения кольцевого слоя.