Тепловые процессы и аппараты химической технологии. Общая характеристика процессов и аппаратов химической технологии. Объем модуля и виды учебных занятий

К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и др. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты - теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение.

Теплопроводность - перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.

Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.

Конвективный перенос теплоты (конвекция) - процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газу) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом, он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвекцию. При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы - разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром). При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.

Тепловое излучение - перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы - электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.

На практике теплота чаще всего передается одновременно двумя (или даже тремя) способами, однако превалирующее значение обычно имеет какой-либо один способ передачи теплоты.

При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды - теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передача теплоты стенке нагретой средой (теплоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты от нагретой стенки в холодную среду (теплоотдача).

На практике широко применяются следующие разновидности тепловых процессов:

Процессы нагревания и охлаждения;

Процессы выпаривания, испарения, конденсации;

Процессы искусственного охлаждения;

Плавление и кристаллизация.

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах, называемых теплообменниками.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники, представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе», в которых одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая - в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубами.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективно применение со стороны газа оребренных теплообменных поверхностей (например, в радиаторах автомобилей, некоторых типах батарей водяного отопления).

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар. Для нагревания до температур более 180-200 ° С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получае-

мыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, химической и целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

Для охлаждения сред используют вещества, называемые хладагентами.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Однако в связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование в данном качестве воздуха. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность), поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем к воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха для увеличения коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, увеличивая поверхность теплообмена, а также распыляют в воздух воду, испарение которой понижает температуру воздуха и увеличивает за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Выпаривание - процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при его кипении. Выпаривание применяется для выделения нелетучих веществ в твердом виде, концентрирования их растворов, а также получения чистого растворителя (последнее осуществляется, например, опреснительными установками).

Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителем служит водяной пар. Движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах.

Испарение - процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева или создания иных условий для испарения.

Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В частности, в методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими (обычно - отрицательными) температурами кипения.

Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум-сушке для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, в котором они образуются, в закрытый аппарат, охлаждаемый водой или воздухом и служащий для сбора паров-конденсатов.

Процесс конденсации осуществляется в конденсаторах смешения или поверхностных конденсаторах.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента, и если он представляет ценность, используют.

Процессы искусственного охлаждения применяют при некоторых процессах абсорбции, при кристаллизации, разделении газов, сублимационной сушке, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях. Так, используя глубокое охлаждение, путем частичного или полного сжижения разделяют газовые смеси для получения многих технологически важных газов (например, азот, кислород и др.).

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, что требует затрат энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода. Оно достигается следующими основными методами:

Испарением низкокилящих жидкостей. При испарении такие жидкости, имеющие обычно отрицательные температуры кипения, охлаждаются до температуры кипения;

Расширением газов дросселированием, путем пропускания их через устройство, вызывающее сужение потока (шайбу с отверстием, вентиль) с последующим его расширением. Энергия, необходимая для расширения газа (для преодоления сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет потока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа;

Расширением газа в детандере - машине, устроенной подобно поршневому или турбокомпрессору, - газовом двигателе, который одновременно совершает внешнюю работу (перекачивает жидкости, нагнетает газы). Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом с окружающей средой. При этом совершаемая газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.

Плавление используется для подготовки полимеров к формованию (прессованию, литью под давлением, экструзии и т.д.), металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и выполнения многих других технологических процессов.

Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта.

В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии (индукционный, высокочастотный нагрев и т.д.), сжатием.

Кристаллизация - процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Это процесс, обратный плавлению. Таким образом, тепловой эффект кристаллизации равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления. Каждому химическому соединению соответствует одна, а чаще несколько кристаллических форм, отличающихся положением и числом осей симметрии (металлы, сплавы металлов). Это явление носит название полиморфизма (аллотропии).

Обычно кристаллизацию осуществляют из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Использование данного способа характерно для производства минеральных удобрений, солей, получения ряда полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, так как испарение из растворов идет при постоянной температуре.

Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом. Из кристаллизующихся материалов (металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе) получают разнообразные изделия методами прессования, литья, экструзии и т.д.

4.2.4. Массообменные процессы

В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи. Они характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Подобно теплопередаче, массопередача - сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, через поверхность (границу) раздела фаз и в пределах другой фазы. Эта граница может быть подвижной (массопередача в системах «газ - жидкость», «пар - жидкость», «жидкость - жидкость») либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

Для массообменных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

На практике используются следующие виды процессов массо-передачи: абсорбция, перегонка, адсорбция, сушка, экстракция.

Абсорбция - процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорб-тив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. Па этом ее свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора - десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или очистки этих смесей от вредных веществ, примесей: абсорбция SO 3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция NH 3 . паров С 6 Н 6 , H 2 S и других компонентов из коксового газа; очистка топочных газов от SO 2 ; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.д.

Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопе-редачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому такие аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В ре-

зультате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.

Различают два вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

Дистилляция - процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.

Ректификация - процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном (на специальных перегородках (тарелках) или непрерывном контакте фаз (в объеме аппарата).

Процессы перегонки широко применяются в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет важное значение в производствах органического синтеза полимеров, полупроводников и т.д., в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Адсорбция - процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом - адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсор-батом, или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров (например, при очистке аммиака перед контактным окислением, осушке природного газа, выделении и очистке мономеров в производствах синтетического каучука, пластмасс и т.д.).

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсор-бата и адсорбента. При химической адсорбции, или хемо-сорбции, возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.

В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью нор, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты). Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание - тепловой сушкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. При этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

конвективная - путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

контактная - путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

радиационная - путем передачи тепла инфракрасными лучами;

диэлектрическая - путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала;

сублимационная - сушка, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние, при глубоком вакууме и низких температурах. Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: 1) снижение давления в сушильной камере, при котором происходят быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом; 2) удаление основной части влаги сублимацией; 3) удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

При любом методе высушиваемый материал находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом.

Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера и толщины материала, внешних факторов и т.д.

Экстракция - процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии исходной смеси с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные.

Процессы экстракции в системах «жидкость-жидкость» находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д.

Экстракция в системах «жидкость-жидкость» представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).

Для повышения скорости процесса исходный раствор и эк-страгент приводят в тесный контакт перемешиванием, распылением и т.д. В результате взаимодействия фаз получаются экстракт - раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафи-нат - остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими гидромеханическими

способами, после чего производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

Основное достоинство процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделения жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) - низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной.

1.Классификация основных процессов и аппаратов

Классификация процессов по способу создания движущей силы:

Массообменные

Гидромеханические

Механические

Тепловые

Химические

1) Массообменные - переход вещества из одной фазы в другую осуществляется за счет диффузии.

В зависимости от перехода из фазы в фазу процесс называется:

тв → ж (плавление) г → ж (конденсация, абсорбция)

ж → тв (кристаллизация) тв → г (возгонка)

ж → ж (экстракция) г → тв (адсорбция)

ж → г (испарение, десорбция) ж ↔ п (ректификация)

Движущей силой в массообменных процессах является разность концентраций, а скорость процесса определяется законами массопередачи.

2) Гидромеханические – связаны с переработкой суспензий (неоднородная система, состоящая из

жидкостей или газов и взвешенных в ней частиц ж/тв. тела.

Перемещение жидкости или газа;

Перемешивание в жидкой среде;

Разделение жидких неоднородных систем (осаждение, фильтрование, центрифугирование);

Очистка газов от пыли;

Движущей силой таких процессов является разность давлений, обусловленная разность плотностей обрабатываемых материалов, а скорость определяем по законам гидромеханики неоднородных систем.

3) Механические – связаны с обработкой и перемещением твердого тела. Включают в себя: измельчение, дозирование, смешение, отсеивание, транспортирование. Движущая сила – разность сил, давлений, или градиент напряжения (сжатия, сдвига, растяжения). Скорость процесса определяется законами механики твердого тела.

4) Тепловые процессы связаны с переходом тепла от одного тела к другому. Нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, плавление, затвердение, выпаривание, кристаллизация. Скорость определяется законами теплопередачи. Движущая сила – разность температур.

5) Химические – связаны с химическими превращениями участвующих в процессе веществ и получение новых соединений. Включают в себя каталитический крекинг, гидроочистка, риформинг, пиролиз, коксование, полимеризация, алкилирование. Движущая сила – разность концентраций реагирующих веществ. Скорость процесса определяется законами химической кинетики. По способу осуществления различных процессов во времени:

Периодические. Характеризуются единством места проведения различных стадий процесса и в связи с этим неустановившимся состоянием во времени.

Непрерывные. Характеризуются единством времени проведения всех стадий процесса, каждая из которых осуществляется в специальном аппарате, характеризуются установившемся во времени режимом. При этом обеспечивается непрерывный подвод исходных материалов и вывод продуктов.

Аппараты имеют такую же классификацию, что и процессы:

1) Массообменные - абсорберы, адсорберы, десорберы, ректификационные колонны, экстракторы, сушилки, кристаллизаторы.

2) Гидромеханические – фильтры, циклоны, электродегидраторы, отстойники, центрифуги, мешалки

3) Механические – дробилки, сито, смесители, дозаторы.

4) Тепловые – теплообменники, холодильники, испарители, конденсаторы, плавильные печи.

5) Химические – реакторы разного вида (с неподвижным слоем катализатора, с псевдоожиженным слоем, с фонтанирующим слоем).

2.Основные признаки массообменных процессов

Основными признаками массообменных процессов являются:

Применяются для разделения смесей

Участвуют минимум 2 фазы

Вещество переходит из одной фазы в другую за счет диффузии

Движущая сила – разность концентраций

Все процессы обратимы, направление процесса определяется законами фазового равновесия, фактическими концентрациями компонента в фазах и внешними условиями (P, t).

Переход вещества из одной фазы в другую заканчивается при достижении динамического равновесия.

3.Основное уравнение массопередачи

Скорость массообменного процесса равна, где - масса вещества, переданная через 1-цу поверхности в 1-цу времени

Движущая сила, - сопротивление массопереноса, - коэф массопередачи, характеризует массу вещества, переданную из фазы в фазу через единицу поверхности в единицу времени при движущей силе, равной единице. Чем больше К, тем меньших размеров нужен аппарат для передачи заданного количества вещества.

то же самое для жидкой фазы.

Основное уравнение массопередачи, используется для нахождения поверхности контакта фаз, рабочего объема аппарата, числа теор.тарелок

4.Материальный баланс массообменного процесса

Проведение любого процесса в химической технологии связано с использованием различных материалов и видов энергии, передаваемых в форме теплоты. Материальный баланс основан на законе сохранения массы. Цель составления состоит в выявлении всех участвующих в процессе потоков вещества и энергии с учетом потерь. Мат.баланс позволяет рассчитать внешние потоки вещества и энергии (потоки, входящие в данную систему и покидающие ее).

ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

В производстве промышленной продукции широко используются физические процессы химической техноло­гии - дробление сырья, перемещение жидкостей и газов по трубопроводам, нагревание и охлаждение, разделение однородных и неоднородных систем и т. п.

На любой стадии производства (подготовительной, основной или завершающей) физические процессы вы­полняют вспомогательную или основную функцию.

Например, на стадии подготовки нефти к переработке используются процессы перемещения нефти по трубопро­водам, процессы разделения неоднородных систем (уда­ление из нефти песка, глины, воды и попутного газа от­стаиванием, электрообезвоживанием), процессы нагрева­ния нефти до температуры кипения. На основной стадии перегонки нефти на фракции имеют место дистилляция, ректификация, охлаждение и конденсация паров. На за­вершающей стадии (очистке нефтепродуктов) исполь­зуются сорбционные процессы удаления примесей с по­мощью твердых и жидких поглотителей.

Подобные примеры широкого использования физиче­ских процессов характерны для любой отрасли промыш­ленности. Так, в добывающей промышленности - это дробление и измельчение минерального сырья, удаление пустой породы флотацией, электромагнитной или иной сепарацией, в металлургии - тепловые и массообменные процессы (нагревание шихты, плавление и кристаллиза­ция металла, термическая и химико-термическая обра­ботка стали), в машиностроении и радиоэлектронике - конденсация паров расплавленных металлов на поверх­ность деталей и изделий, в производстве строительных и лакокрасочных материалов, пищевых продуктов - тон­кое и сверхтонкое измельчение, сушка и т. д.

Большое значение приобретают физические процессы в природоохранных мероприятиях по чистке сточных вод и газовых выбросов от вредных примесей, а также по ре­куперации промышленных и бытовых отходов (сухая и мокрая очистка газов, безреагентные методы перера­ботки производственных стоков и т. п.).

Физические процессы химической технологии подраз­деляются на физико-механические (дробление, измельче­ние), гидромеханические (перемещение жидкостей и газов, разделение неоднородных систем), тепловые (нагревание, охлаждение и конденсация паров) и массообменные (со­рбция, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректифика­ция, экстракция, разделение однородных систем с по­мощью полупроницаемых мембран).

ВИДЫ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Физико-механические процессы

Измельчение. В промышленности для интенси­фикации химических взаимодействий, особенно для ге­терогенных и твердофазных процессов производства строительных материалов, металлов, минеральных удо­брений и т. д., чрезвычайно важно увеличение поверхно­сти контакта фаз, достигаемое путем механического из­мельчения. Процессы измельчения сводятся к разруше­нию первоначальной структуры вещества путем разда­вливания, раскалывания, истирания или удара. В зависи­мости от механических свойств исходных материалов и начальных размеров кусков применяются различные типы воздействия. Например, твердые и хрупкие веще­ства измельчают раскалыванием, ударом, а пластичные вещества хорошо поддаются истиранию. Чем тверже и пластичнее материал, тем его труднее измельчить.

Измельчение может осуществляться как сухим, так и мокрым способом - в воде или других жидкостях, что исключает пылеобразование и повышает эффективность процесса. Измельчающие машины подразделяют на дро­билки крупного, среднего и мелкого дробления, а также мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения. Машины для измельчения работают в открытом и замкнутом ци­клах; последний позволяет значительно снизить расход энергии на измельчение и повысить эффективность про­цесса.

Тепловые процессы

Перенос энергии в форме теплоты, происходящий ме­жду телами, имеющими различную температуру, назы­вается теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее нагретым телом. Существуют три принципиально различных способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность - перенос теплоты вслед­ствие беспорядочного теплового движения атомов и мо­лекул, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теплопроводность является основным видом переноса теплоты, в то время как в газах и жидко­стях процесс распространения теплоты осуществляется также и другими способами. На коэффициент теплопро­водности влияет природа и структура вещества, темпера­тура и влажность материалов и т. д.; наивысшей тепло­проводностью отличаются металлы: сталь - 4,6, алюми­ний-210, медь - 380 Вт/(м К), а наиболее низкой - вода - 0,6 Вт/(м К). Воздух имеет теплопроводность 0,03 Вт/(м К).

Конвекция - процесс переноса теплоты вслед­ствие движения и перемешивания макроскопических ча­стей газов или жидкостей. Перенос теплоты может осу­ществляться путем естественной (свободной) конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точ­ках объема жидкости или газа, возникающей вследствие разности температур в этих точках, а также вынужден­ной конвекции при механическом перемещении всего объема газа или жидкости.

Тепловое излучение - процесс распростране­ния электромагнитных колебаний с различными длинами волн, который возникает вследствие теплового движения атомов и молекул излучающего тела. Эти тела испу­скают электромагнитную энергию, которая поглощается другими, более холодными телами и превращается в теплоту.

В реальных условиях теплота передается не каким-ли­бо одним из указанных выше способов, а комбиниро­ванным путем, который называется теплопередачей. В не­прерывно действующих аппаратах теплообмен протекает в стационарном (установившемся) режиме, в периодиче­ских - в нестационарном. Эффективность теплопередачи зависит от коэффициента, который показывает, какое ко­личество теплоты переходит в единицу времени от более нагретой к менее нагретой среде через разделяющую их плоскую стенку площадью 1 м 2 при средней разности температур между теплоносителями в 1°. Средняя раз­ность температур зависит от направления движения те­плоносителей. Выбор правильного направления движения тепловых потоков (прямоток, противоток, перекрестный ток) значительно сказывается на эффективности процесса теплопередачи и экономии теплоты.

Главными тепловыми процессами в промышленности являются процессы нагревания водяным паром, топочны­ми газами, теплоносителями и электрическим током, а также процессы охлаждения, в том числе ниже - 200 °С.

Массообменные процессы

Большое значение в химической технологии имеют массообменные процессы, основанные на переходе одно­го или нескольких веществ из одной фазы в другую. В промышленности в основном применяют процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также ме­жду двумя жидкими фазами. К таким процессам отно­сятся: абсорбция, адсорбция, перегонка и ректификация, кристаллизация, сушка и др.

Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности молекулярной диффузии, т. е. способности самопроизвольного проникновения одного вещества в другое за счет беспорядочного движения мо­лекул. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будут достигнуты усло­вия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи, ее эффективность может быть выражена в любых едини­цах, применяемых для определения состава фаз, однако наиболее часто движущая сила процесса выражается че­рез разницу между рабочими и равновесными концентра­циями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно. Количество массы, передаваемое из одной фазы в другую, зависит от поверхности раздела фаз, продолжительности процесса и разности концентра­ций.

Повышение эффективности процессов массопередачи может быть достигнуто за счет увеличения поверхности контакта фаз, возрастания скорости потока и его турбулизации, а также снижения диффузионного сопротивле­ния среды (например, в процессе абсорбции случай по­глощения плохорастворимого газа). Ниже приводятся примеры основных процессов массопередачи.

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем. Абсорбция характери­зуется избирательностью (селективностью), т. е. каждое вещество поглощается определенным поглотителем. Раз­личают абсорбцию простую, основанную на физическом поглощении компонента жидким поглотителем, и хемосорбцию, которая сопровождается химической реакцией между извлекаемым компонентом и жидким поглотите­лем. Примером простой абсорбции служит производство соляной кислоты, хемосорбция широко применяется в производстве серной и азотной кислот, азотных удо­брений и т. д. Абсорбция протекает в аппаратах колонно­го типа (насадочные, тарельчатые и др.).

Адсорбция есть процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой смеси твердым поглотителем - адсорбентом. Механизм про­цесса адсорбции, отличающийся от механизма абсорб­ции, практически аналогичен механизму других процес­сов массопередачи с участием твердой фазы. Наиболее универсальной теорией адсорбции является разработан­ная М. М. Дубининым теория объемного заполнения микропор, где учитывается притяжение молекул поглощае­мого вещества с адсорбентом на основе зависимости равновесия от структуры пор адсорбента. В качестве ад­сорбентов широко применяют твердые вещества с высо­коразвитой поверхностью и высокой пористостью (ак­тивные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты - водные алюмосиликаты кальция и натрия, ионообменные смолы и др.). Адсорбция применяется в промышленности для очистки и сушки жидкостей и газов, для разделения сме­сей различных жидких и газообразных веществ, извлече­ния летучих растворителей, осветления растворов, для очистки воды и др. Адсорбция используется в химиче­ской, нефтяной, лакокрасочной, полиграфической и дру­гих отраслях промышленности.

Перегонка и ректификация применяются для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух и более летучих компонентов, и основаны на различной температуре кипения компонентов, т. е. на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Если исходную смесь, состоящую из жидкостей с различными температурами кипения, частич­но испарять, а полученные пары конденсировать, то кон­денсат будет отличаться по своему составу более высо­ким содержанием низкокипящего компонента (НК), а оставшаяся исходная смесь будет обогащена трудноле­тучим высококипящим компонентом (ВК). Эта жидкость называется остатком, а конденсат - дистиллятом или ре­ктификатом. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ре­ктификация.

Ректификация представляет собой разделение смесей жидкостей, основанное на многократном испарении жид­кости и конденсации паров. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Процесс осуществляют в аппаратах колонного типа (например, наса­дочные и тарельчатые ректификационные колонны не­прерывного действия и др.). Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химиче­ской и спиртовой промышленности, в производстве ле­карственных препаратов, в нефтеперерабатывающей про­мышленности и т. д.

Кристаллизацией называется выделение твер­дой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация начинается с образования центров (или зародышей) кристаллизации. Скорость их образования зависит от температуры, скорости перемешивания и т. д. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается, однако это приводит к образованию бо­лее мелких кристаллов и часто вызывает снижение дви­жущей силы процесса. Крупные кристаллы легче полу­чить при медленном их росте без перемешивания и небольших степенях пересыщения растворов, однако это снижает производительность процесса кристаллиза­ции. Нахождение оптимальной скорости кристаллизации и составляет одну из основных задач этого процесса.

Широко применяются несколько способов кристалли­зации: кристаллизация с охлаждением, кристаллизация с удалением части растворителя, а также вакуум-кристал­лизация. В зависимости от способа кристаллизации при­меняют кристаллизаторы периодического и непрерывно­го действия.

Кристаллизация лежит в основе металлургических и литейных процессов, получения покрытий, пленок, применяемых в микроэлектронике, а также используется в химической, фармацевтической, пищевой и других от­раслях промышленности. Кристаллизация является за­вершающей стадией в производстве минеральных солей, удобрений, органических и особо чистых веществ. Особое значение в промышленности имеет процесс кристаллиза­ции металлов из расплавов.

Сушкой называют процесс удаления влаги из раз­личных (твердых, жидких и газообразных) материалов. Влага может быть удалена испарением, сублимацией, вы­мораживанием, токами высокой частоты, адсорбцией и т. д. Однако наиболее распространена сушка испарением за счет подвода теплоты. Более экономичным является последовательное удаление влаги фильтрацией, центри­фугированием (с содержанием остаточной влаги 10 - 40%), а затем тепловой сушкой.

Различают контактную и конвективную сушку. В кон­тактной сушке передача теплоты к высушиваемому мате­риалу осуществляется через стенку аппарата. Конвектив­ная сушка основана на непосредственной передаче теплоты материалу от нагретого воздуха, топочных га­зов, перегретого пара и т. д.

Скорость сушки определяется количеством влаги, уда­ляемой с единицы поверхности высушиваемого материа­ла в единицу времени. Скорость сушки, условия ее прове­дения и аппаратурное оформление в значительной степени зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера кусков, толщины слоя материала, влагосодержания материала, внешних факторов (температуры, давления, влажности) и т. д.

Традиционными сушилками, применяемыми в про­изводстве строительных материалов, минеральных солей, красителей и т. д., являются сушилки непрерывного дей­ствия (барабанные, туннельные, конвейерные, пневмати­ческие с кипящим слоем) и периодического действия (ямные, шкафные, камерные и т. д.). Наиболее эффек­тивны распыливающие сушилки с кипящим слоем. Для улучшения качества высушиваемых материалов, увеличе­ния скорости высушивания и улучшения технико-эконо­мических показателей применяется сушка вакуумная, ин­фракрасная, криогенная, ультразвуковая, СВЧ.

Тепловыми называются процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла. В тепловых процессах принимают участие минимум две среды с различными температурами, причем теплота передается самопроизвольно (без затраты работы) от среды с более высокой температурой T 1 к среде с более низкой температурой Т 2 , т.е. если соблюдается неравенство Т 1 >Т 2 .

При этом среда с температурой Т 1 называется теплоносителем, а среда с температурой Т 2 – хладагентом. Для тепловых процессов, используемых в химическом производстве, эти температуры колеблются в весьма широких пределах – от близких к 0К до тысяч градусов.

Основная характеристика теплового процесса – количество передаваемого тепла, по которому рассчитывается теплопередающая поверхность аппарата. Для установившегося процесса количество передаваемого тепла в единицу времени определяется по формуле:

Q = KDT*F, (10.4)

К – коэффициент теплопередачи, Т – средняя разность температур между средами,

F – поверхность теплообмена.

Движущей силой тепловых процессов является градиент температуры

DТ = Т 1 – Т 2 . (10.5)

К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и выпаривание, теплообмен.

1. Нагревание – процесс повышения температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла. Нагревание применяется в химической технологии для ускорения массообменных и химических процессов. По природе применяемого для нагревания теплоносителя различают:

– нагревание острым водяным паром через барботер или глухим водяным паром через змеевик или рубашку;

– нагревание топочными газами через стенку аппарата ил непосредственным контактом;

– нагревание предварительно нагретыми промежуточными теплоносителями водой: минеральными маслами, расплавами солей;

– нагревание электрическим током в электрических печах различного типа (индукционных, дуговых, сопротивления);

– нагревание твердым зернистым теплоносителем, в т.ч., катализатором в потоке газа.

Схема нагрева зернистым теплоносителем теплоноситель

Топочные

нагретый

компонент

холодный компонент транспортирующий

1 – топка, 2 – аппарата для нагрева зернистого материала, 3 – аппарат для нагрева газа, 4 – загрузочное устройство, 5 – сепаратор зернистого материала

2.Охлаждение – процесс понижения температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла. В качестве хладоагентов для охлаждения применяются: вода, воздух, холодильные агенты. Аппараты для охлаждения подразделяются на:

– аппараты косвенного контакта охлаждаемого материала с хладоносителем через стенку (холодильники) и

– аппараты непосредственного контакта охлаждаемого материала с хладоагентом (холодильные башни или скрубберы).

Выбор конструкции аппарата определяется природой охлаждаемого материала и хладоагента.

3.Конденсация – процесс сжижения паров вещества путем отвода от них тепла. По принципу контакта хладоагента с конденсируемым паром различают следующие виды конденсации:

– поверхностная конденсация, при которой сжижение паров происходит на поверхности охлаждаемой водой стенки аппарата, и

– конденсация смешением, при которой охлаждение и сжижение паров происходит при непосредственном контакте их с охлаждающей водой. Аппараты первого типа называются поверхностными конденсаторами, аппараты второго типа – конденсаторами смешения и барометрическими конденсаторами. Конденсация смешением применяется в тех случаях, когда испаренная жидкость не смешивается с водой.

4 .Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления из них летучего растворителя в виде пере. Выпаривание представляет собой разновидность теплового процесса испарения. Условием протекания процесса выпаривания является равенство давления пара над раствором давлению пара в рабочем объеме выпарного аппарата.

При соблюдении этого условия температура вторичного пара, образующегося над кипящим растворителем, теоретически равна температуре насыщенного пара растворителя. Выпаривание может производиться под давлением или в вакууме, что позволяет снизить температуру процесса. Выпаривание может проводиться в двух вариантах: многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом.

Многократным выпариванием называется процесс выпаривание с использованием в качестве греющего пара вторичного пара. Для этого выпаривание проводится в вакууме или с применением греющего пара высокого давления.

Число корпусов установки определяется экономическими соображениями, в частности, затратами на производство пара и на обслуживание и зависит от начальной и конечной концентрации упариваемого раствора.

Процесс выпаривания с тепловым насосом основан на том, что вторичный пар нагревается до температуры греющего пара путем сжатия его в турбокомпрессоре или инжекторе и затем вновь используется для испарения растворителя в том же выпарном аппарате.

Схема многократного выпаривания .

Конденсат конденсат

1 – первый выпарной аппарат, 2 – второй выпарной аппарат, р гр1 – давление греющего пара первого аппарата (свежего пара), р ат1 – давление вторичного пара из первого аппарата, равное р гр2 – давлению греющего пара второго аппарата, р ат2 – давление вторичного пара из второго аппарата.

Схема выпаривания с тепловым насосом .

Упариваемая жидкость

Упаренная жидкость

1 – выпарной аппарат, 2 – устройство для нагрева вторичного пара.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Химическая технология

Федеральное государственное образовательное учреждение.. высшего профессионального образования.. Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

11. 2 Основные закономерности гомогенных процессов 12.1 Характеристика гетерогенных процессов 12 Гетерогенные процессы 12.1 Характеристика гетерогенных процессов

Окружающая среда
Первоисточник удовлетворения материальных и духовных потребностей человека – природа. Она же представляет и среду его обитания – окружающую среду. В окружающей среде выделяют природ

Производственная деятельность человека и ресурсы планеты
Условием существования и развития человечества является материальное производство, т.е. общественно – практическое отношение человека к природе. Разнообразные и гигантские масштабы промышленного пр

Биосфера и ее эволюция
Окружающая среда – это сложная многокомпонентная система, компоненты которой соединены между собой многочисленными связями. Окружающая среда состоит из ряда подсистем, каждая из которых вк

Химическая промышленность
По назначению производимой продукции промышленность подразделяется на отрасли, одной из которых является химическая промышленность. Удельный вес химической и нефтехимической отраслей в общем произв

Химическая наука и производство
3.1 Химическая технология – научная основа химического производства Современное химическое производство представляет многотоннажное, автоматизированное производство, основ

Особенности химической технологии как науки
Химическая технология отличается от теоретической химии не только необходимостью учитывать экономические требования к изучаемому ею производству. Между задачами, целями и содержанием теоретической

Связь химической технологии с другими науками
Химическая технология использует материал целого ряда наук:

Химическое сырье
Сырье – один из основных элементов технологического процесса, который определяет в значительной степени экономичность процесса, выбор технологии. Сырьемназываются природные материал

Ресурсы и рациональное использование сырья
В себестоимости химической продукции доля сырья достигает 70%. Поэтому весьма актуальна проблема ресурсов и рационального использования сырья при его переработке и добыче. В химической промышленнос

Подготовка химического сырья к переработке
Сырье, предназначенное для переработки в готовую продукцию, должно удовлетворять определенным требованиям. Это достигается комплексом операций, составляющих процесс подготовки сырья к переработке.

Замена пищевого сырья не пищевым и растительного минеральным
Успехи органической химии позволяют производить ряд ценных органических веществ из разнообразного сырья. Так, например, этиловый спирт, используемый в больших количествах в производстве синтетическ

Использование воды, свойства воды
Химическая промышленность - один из крупных потребителей воды. Вода используется почти во всех химических производствах для разнообразных целей. На отдельных химических предприятиях потребление вод

Промышленная водоподготовка
Вредное влияние примесей, содержащихся в промышленной воде, зависит от их химической природы, концентрации, дисперсного состояния, а также технологии конкретного производства использования воды. Вс

Использование энергии в химической промышленности
В химической промышленности протекают разнообразные процессы, связанные или с выделением, или с затратой, или с взаимными превращениями энергии. Энергия затрачивается не только на проведение химиче

Основным источником энергии, потребляемой химической промышленностью, являются горючие ископаемые и продукты их переработки, энергия воды, биомасса и ядерное топливо. Энергетическая ценность отдель

Технико-экономические показатели химического производства
Для химической промышленности, как отрасли крупномасштабного материального производства, имеет значение не только технологии, но и тесно связанный с ней экономический аспект, от которого зависит но

Структура экономики химической промышленности
Важное значение для оценки экономической эффективности имеют и такие показатели как капитальные затраты, себестоимость продукции и производительность труда. Эти показатели зависят от структуры экон

Материальные и энергетические балансы химического производства
Исходные данные для всех количественных расчетов, производимых при организации нового производства или оценке эффективности действующего основываются на материальных и энергетических балансах. Эти

Понятие о химико-технологическом процессе
В процессе химического производства исходные вещества (сырье) перерабатываются в целевой продукт. Для этого необходимо осуществить ряд операций, включающих подготовку сырья для перевода его в реакц

Химический процесс
Химические процессы осуществляются в химическом реакторе, представляющем основной аппарат производственного процесса. От конструкции химического реактора и режима его работы зависит эффективность в

Скорость химической реакции
Скорость химической реакции, протекающей в реакторе, описывается общим уравнением: V = K* L *DC L-параметр, характеризующий состояние реагирующей системы; К- конст

Общая скорость химического процесса
Поскольку для гетерогенных систем процессы в зонах реактора 1, 3 и 2 подчиняются различным законам, они протекают с различной скоростью. Общая скорость химического процесса в реакторе определяется

Термодинамические расчеты химико-технологических процессов
При проектировании технологических процессов очень важны термодинамические расчеты химических реакций. Они позволяют сделать заключение о принципиальной возможности данного химического превращения,

Равновесие в системе
Выход целевого продукта химического процесса в реакторе определяется степенью приближения реакционной системы к состоянию устойчивого равновесия. Устойчивое равновесие отвечает следующим условиям:

Расчет равновесия по термодинамическим данным
Расчет константы равновесия и изменение энергии Гиббса позволяет определять равновесный состав реакционной смеси, а также и максимально возможное количество продукта. В основе расчета конс

Термодинамический анализ
Знание законов термодинамики необходимо инженеру не только для проведения термодинамических расчетов, но и для оценки энергетической эффективности химико-технологических процессов. Ценность анализа

Химическое производство как система
Производственные процессы в химической промышленности могут существенно различаться видами сырья и продукции, условиям их проведения, мощностью аппаратуры и т. д. Однако при всем многообразии конкр

Моделирование химико-технологической системой
Проблема масштабного перехода от лабораторного эксперимента к промышленному производству при проектировании последнего решается методом моделирования. Моделированием называется метод исследовани

Выбор схемы процесса
Организация любого ХТП включает следующие стадии: – разработку химической, принципиальной и технологической схем процесса; – выбор оптимальных технологических параметров и установ

Выбор параметров процесса
Параметры ХТП выбираются так, чтобы обеспечить максимально высокую экономическую эффективность не отдельной его операции, а всего производства в целом. Так, например, для рассмотренного выше произв

Управление химическим производством
Сложность химического производства как многофакторной и многоуровневой системы, приводит к необходимости использовать в нем разнообразные системы управления отдельными производственными процессами,

Гидромеханические процессы
Гидромеханическими процессами называются процессы, протекающие в гетерогенных, минимум двухфазных системах и подчиняющихся законам гидродинамики. Подобные системы состоят из дисперсной фазы,

Массообменные процессы
Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия (скоростью массопередачи). В процессе массоо

Принципы проектирования химических реакторов
Главная стадия химико-технологического процесса, определяющая его назначение и место в химическом производстве, реализуется в основном аппарате химико-технологической схемы, в котором протекает хим

Конструкции химических реакторов
Конструктивно химические реакторы могут иметь различную форму и устройство, т.к. в них осуществляется разнообразные химические и физические процессы, протекающие в сложных условиях массо-и теплопер

Устройство контактных аппаратов
Химические реактора для проведения гетерогенно–каталитических процессов называются контактными аппаратами. В зависимости от состояния катализатора и режима его движения в аппарате, они делятся на:

Характеристика гомогенных процессов
Гомогенные процессы, т.е. процессы, протекающие в однородной среде (жидкие или газообразные смеси, не имеющие поверхностей раздела, отделяющих части системы друг от друга), сравнительно редко встре

Гомогенные процессы в газовой фазе
Гомогенные процессы в газовой фазе широко применяются в технологии органических веществ. Для осуществления этих процессов органическое вещество испаряется, и затем его пары обрабатываются тем или и

Гомогенные процессы в жидкой фазе
Из большого числа процессов, идущих в жидкой фазе, можно отнести к гомогенным процессы нейтрализации щелочи в технологии минеральных солей без образования твердой соли. Например, получение сульфата

Основные закономерности гомогенных процессов
Гомогенные процессы, как правило, идут в кинетической области, т.е. общая скорость процесса определяется скоростью химической реакции, поэтому закономерности, установленные для реакций, применимы и

Характеристика гетерогенных процессов
Гетерогенные химические процессы основаны на реакциях между реагентами, находящимися в разных фазах. Химические реакции являются одной из стадий гетерогенного процесса и протекают после перемещения

Процессы в системе газ- жидкость (Г-Ж)
Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких реагентов, широко используются в химической промышленности. К таким процессам относятся абсорбция и десорбция газов, испарение жидкостей

Процессы в бинарных твердых, двухфазных жидких и многофазных системах
К процессам, идущим с участием только твердых фаз (Т-Т), обычно относят спекание твердых материалов при их обжиге. Спекание– это получение твердых и пористых кусков из мелких порошк

Высокотемпературные процессы и аппараты
Повышение температуры влияет на равновесие и скорость химико-технологических процессов, происходящих как в кинетической, так и в диффузионной области. Поэтому регулирование температурного режима пр

Сущность и виды катализа
Катализом называется изменение скорости химических реакций или их возбуждение в результате воздействия веществ-катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются по окончании его химически не

Свойства твердых катализаторов и их изготовление
Промышленные твердые катализаторы представляют собой сложную смесь, которая называется контактной массой. В контактной массе одни вещества являются собственно катализатором, а другие служат активат

Аппаратурное оформление каталитических процессов
Аппараты гомогенного катализа не имеют каких-либо характерных особенностей, проведение каталитических реакций в однородной среде технически легко осуществимо и не требует аппаратов специальн

Важнейшие химические производства
В н.в. известно свыше 50000 индивидуальных неорганических и около трех миллионов органических веществ. В производственных условиях получают лишь незначительную часть открытых веществ. Собственно

Применение
Высокая активность серной кислоты в сочетании со сравнительно небольшой стоимостью производства предопределило большие масштабы и чрезвычайное разнообразие ее применения. Среди минеральных

Технологические свойства серной кислоты
Безводная серная кислота (моногидрат) Н2SО4 представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, которая смешивается с водой во всех соотношениях с выделением большого количества

Способы получения
Еще в 13 веке серную кислоту получали термическим разложением железного купороса FеSО4, поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называют купоросным маслом, хотя давно уже серная к

Сырье для производства серной кислоты
Сырьем в производстве серной кислоты могут быть элементарная сера и различные серусодержащие соединения, из которых могут быть получена сера или непосредственно оксид серы. Природные залеж

Контактный способ производства серной кислоты
Контактным способом производится большое количесвто серной кислоты, воом числе оллеум. Контактный способ включает три стадии: 1) очистку газа от вредных для катализатора примесей; 2) конта

Производство серной кислоты из серы
Сжигание серы происходит значительно проще и легче, чем обжиг колчедан. Технологический процесс производства серной кислоты из элементарной серы отличается от процесса производства

Технология связанного азота
Газообразный азот представляет собой одно из самых устойчивых химических веществ. Энергия связи в молекуле азота составляет 945 кДж/моль; он обладает одной из самых высоких энтропий в рас­чете на а

Сырьевая база азотной промышленности
Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности являются атмосферный воздух и различные виды топлива. Одной из составных частей воздуха является азот, который используется в про­цессах полу

Получение технологических газов
Синтез-газ из твердого топлива. Первым из основных источников сырья для получения синтез-газа явилось твердое топливо, которое перерабатывалось в газогенераторах водяного газа по следующим р

Синтез аммиака
Рассмотрим элементарную технологическую схему современного производства аммиака при среднем давлении производительностью 1360 т/сутки. Режим ее работы характеризуется следующими параметрами: темпер

Типовые процессы солевой технологии
Большинство МУ представляет различные минеральные соли или твердые вещества с подобными солям свойствами. Технологические схемы производства МУ весьма разнообразны, но, в большинстве случаев, склад

Разложение фосфатного сырья и получение фосфорных удобрений
Природные фосфаты (апатиты, фосфориты) используют в основном для получения минеральных удобрений. Качество полученных фосфор­ных соединений оценивают по содержанию в них Р2О5

Производство фосфорной кислоты
Экстракционный методпроизводства фосфорной кислоты основан на реакции разложения природных фосфатов серной кислотой. Процесс состоит из двух стадий: разложение фосфатов и фильтровании образо

Производство простого суперфосфата
Сущность производства простого суперфосфата состоит в превращении природного фторапатита, нерастворимого в воде и почвенных растворах, в растворимые соединения, преимущественно в монокальцийфосфат

Производство двойного суперфосфата
Двойной суперфосфат - концентрированное фосфорное удобрение, получаемое разложением природных фосфатов фосфорной кислотой. Он содержит 42-50% ус­вояемого Р2О5, в том числе в в

Азотнокислотное разложение фосфатов
Получение сложных удоб­рений. Прогрессивным направлением в переработке фосфатного сырья является применение метода азотнокислотного разложения апатитов и фосфоритов. Этот метод позв

Производство азотных удобрений
Важнейшим видом минеральных удобрений являются азотные: аммиачная селитра, карбамид, сульфат аммония, водные растворы аммиака и др. Азоту принадлежит исклю­чительно важная роль в жизнедеятельности

Производство аммиачной селитры
Аммиачная селитра, или нит­рат аммония, NH4NO3 - кристаллическое вещество белого цвета, со­держащее 35% азота в аммонийной и нитратной формах, обе формы азота легко усваиваютс

Производство карбамида
Карбамид (мочевина) среди азотных удоб­рений занимает второе место по объему производства после аммиачной селитры. Рост производства карбамида обусловлен широкой сферой его применения в сельском

Производство сульфата аммония
Сульфат аммония(NН4)2SО4 – бесцветное кристаллическое вещество, содержит 21.21% азота, при нагревании до 5130С полностью разлагается на

Производство нитрата кальция
Свойства Нитрат кальция (известковая или кальциевая селитра) образует несколько кристаллогидратов. Безводная соль плавится при температуре 5610С, однако уже при 5000

Производство жидких азотных удобрений
Наряду с твердыми удобрениями применяются и жидкие азотные удобрения, представляющие собой растворы аммиачной селитры, карбамида, кальциевой селитры и их смесей в жидком аммиаке или в концентрирова

Общая характеристика
Больше 90% добываемых из недр земли и вырабатываемых заводскими методами калийных солей используют в качестве удобрений. Калийные минеральные удобрения представляют собой природные или синтетически

Получение хлористого калия
Флотационный способ производства Флотационный способ выделения хлорида калия из сильвинита основан на флотогравитационном разделении водорастворимых минералов калийной руды в среде

Типовые процессы технологии силикатных материалов
В производстве силикатных материалов используются типовые технологические процессы, что обусловлено близостью физико-химических основ их получения. В самом общем виде производство любого силикатног

Производство воздушной извести
Воздушной или строительной известью называется бессиликатный вяжущий материал на основе оксида и гидроксида кальция. Различают три вида воздушной извести: -кипелка (негашен

Процесс производства стекла
Сырьем для производства стекол служат разнообразные природные и синтетические материалы. По их роли в образовании стекла, они делятся на пять групп: 1.Стеклообразователи, создающие основу

Производство огнеупоров
Огнеупорными материалами (огнеупорами) называют неметаллические материалы, характеризующиеся повышенной огнеупорностью, т.е. способностью противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких темпера

Электролиз водных растворов хлористого натрия
При электролизе водных растворов хлористого натрия получают хлор, водород и едкий натр (каустическая сода). Хлор при атмосферном давлении и обычной температуре газ желто-зеленого цвета с у

Электролиз раствора хлористого натрия в ваннах со стальным катодом и графитовым анодом
Электролиз раствора хлористого натрия в ваннах со стальным катодом и графитовым анодом дает возможность получать едкий натр, хлор и водород в одном аппарате (электролизере). При прохождении постоян

Электролиз растворов хлористого натрия в ваннах с ртутным катодом и графитовым анодом дает возможность получать более концентрированные продукты, чем в ваннах с диафрагмой. При пропускании

Производство соляной кислоты
Соляная кислота представляет собой раствор хлористого водорода в воде. Хлористый водород – это бесцветный газ, имеющий температуру плавления –114.20С и температуру кипения –85

Электролиз расплавов. Производство алюминия
При электролизе водных растворов могут получаться только вещества, потенциал выделения которых на катоде более положителен, чем потенциал выделения водорода. В частности, такие электроотрицательные

Производство глинозема
Сущность производства глинозема заключается в отделении гидроокиси алюминия от других минералов. Это достигается применением ряда сложных технологических приемов: перевод глинозема в растворимую со

Производство алюминия
Производство алюминия осуществляется из глинозема, растворенного в криолите Nа3АlF6. Криолит, как растворитель глинозема, удобен потому, что он достаточно хорошо растворяет Аl

Металлургия
Металлургия – наука о способах получения металлов из руд и другого сырья и отрасль промышленности, производящая металлы. Металлургическое производство возникло в глубокой древности. Еще на заре раз

Руды и способы их переработки
Сырье в производстве металлов – металлические руды. За исключением небольшого числа (платина, золото, серебро) металлы находятся в природе в виде химических соединений, входящих в состав металличес

Производство чугуна
Сырьем для производства чугуна служат железные руды, подразделяющиеся на четыре группы: Руды магнитной окиси железа или магнитные железняки, содержат 50-70% железа и состоят в основ

Производство меди
Медь – металл, получивший широкое распространение в технике. В чистом виде медь имеет светло-розовый цвет. Температура плавления ее 10830С, температура кипения 23000С, она хор

Химическая переработка топлива
Топливом называют существующие в природе или искусственно изготовленные горючие органические вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности. По природе проц

Коксование каменных углей
Коксование – метод переработки топлив, преимущественно углей, заключающийся в нагревании их без доступа воздуха до 900-10500С. Топливо при этом разлагается с образованием с образованием

Производство и переработка газообразного топлива
Газообразным топливом называется топливо, находящееся в состоянии газа при температуре и давлении его эксплуатации. По происхождению газообразное топливо подразделяется на природное и синтетическое

Основной органический синтез
Основным органическим синтезом (ООС) называется совокупность производств органических веществ относительно простого строения, вырабатываемых в очень больших количествах и используемых в качестве це

Сырье и процессы ООС
Производство продуктов ООС базируется на ископаемом органическом сырье: нефти, природном газе, каменном угле и сланцах. В результате разнообразных химических и физико-химических пре

Синтезы на основе оксида углерода и водорода
Органический синтез на основе оксида углерода и водорода получил широкое промышленное развитие. Каталитический синтез углеводородов из СО и Н2 впервые осущест­влен Сабатье, синт

Синтез метилового спирта
Метиловый спирт (метанол) в течение длительного времени получали из надсмольной воды, выделяющейся при сухой перегонке древесины. Выход спирта при этом зависит от породы древесины и колеблется от 3

Производство этанола
Этанол- бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом, температура кипения 78.40С, температура плавления –115.150С, плотность 0.794 т/м3. Этанол смешивается в

Производство формальдегида
Формальдегид (метаналь, муравьиный альдегид) – бесцветный газ с острым раздражающим запахом, с температурой кипения-19.20С, температурой плавления –1180С и плотностью (в жидко

Получение карбамидо-формальдегидных смол
Типичными представителями искусственных смол являются мочевино-формальдегидные смолы, которые образуются в результате реакции поликонденсации, протекающей при взаимодействии молекул мочевины и форм

Производство ацетальдегида
Ацетальдегид (этаналь, укс

Производство уксусной кислоты и ангидрида
Уксусная кислота (этановая кислота) представляет собой бесцветную жидкость с резким запахом, с температурой кипения 118.10С, температурой плавления 16.750С и плотностью

Полимеризационные мономеры
Мономерами называются низкомолекулярные соединения преимущественно органической природы, молекулы которых способны вступать в реакцию друг с другом или с молекулами других соединений с образованием

Производство поливинилацетатной дисперсии
В СССР промышленное производство ПВАД впервые осуществлено в 1965г. Основным способом получения ПВАД в СССР являлся неперывно-каскадный, однако, имелись производства, в которых был принят периодиче

Высокомолекулярные соединения
Большое значение в народном хозяйстве имеют природные и синтетические высокомолекулярные органические соединения: целлюлоза, химические волокна, каучуки, пластмассы, резина, лаки, клеи и т.д. Как п

Производство целлюлозы
Целлюлоза – один из основных видов полимерных материалов. Более 80% древесины, идущей для химической переработки, используется для получения целлюлозы и древесной массы. Целлюлоза, иногда

Производство химических волокон
Волокнами называют тела, длина которых во много раз превышает их очень малые размеры поперечного сечения, обычно измеряемого микронами. Волокнистые материалы, т.е. вещества, состоящие из волокон, и

Производство пластических масс
К пластмассам относят обширную группу материалов, главной составной частью которых являются природные или синтетические ВМС, способные при повышенной температуре и давлению переходить в пластическо

Получение каучука и резины
К каучукам относят эластичные ВМС, способные под влиянием внешних сил значительно деформироваться и быстро возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузки. Упругие свойства

Роль тепловых процессов в химической технологии. Особенности тепловых процессов

Промышленные способы подвода и отвода тепла . Виды теплоносителей и области их применения. Нагревание водяным паром. Особенности использования насыщенного пара в качестве греющего агента, основные достоинства и область применения. Тепловые балансы при нагревании «острым» и «глухим» паром. Нагревание горячими жидкостями, достоинства и недостатки. Нагревание топочными газами. Нагревание электрическим током. Охлаждающие агенты.

Теплообменные аппараты. Классификация теплообменных аппаратов. Кожухотрубчатые теплообменники: конструкция, сравнительные характеристики. Змеевиковые теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Теплообменники с плоской поверхностью: конструкции, достоинства и недостатки. Смесительные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки. Регенеративные теплообменники: конструкции, достоинства и недостатки.

Расчет поверхностных теплообменников. Выбор теплообменных аппаратов. Проектный расчет теплообменников. Проверочный расчет теплообменников. Выбор оптимального режима теплообменных аппаратов.

Выпаривание . Назначение процесса. Классификация выпарных процессов и аппаратов. Однократное выпаривание: принцип действия, схемы, достоинства и недостатки. Многократное выпаривание: принцип действия, схемы, достоинства и недостатки. Выпаривание с тепловым насосом.

Выпарные аппараты. Классификация выпарных аппаратов. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией: конструкции, достоинства и недостатки. Пленочные выпарные аппараты: конструкции, достоинства и недостатки.

Выбор выпарных аппаратов. Расчет непрерывно действующей выпарной установки. Пути повышения экономичности выпарных установок. Назначение конденсатора, барометрической трубы, вакуум-насоса, конденсатоотводчика.

Материал, изученный в предыдущем семестре

(повторение)

Общие сведения. Виды тепловых процессов. Движущая сила. Температурное поле, температурный градиент. Стационарный и нестационарный перенос тепла. Три способа распространения тепла. Тепловой баланс.

Теплопроводность. Закон Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности: физический смысл, единицы измерения. Теплопроводность плоской, цилиндрической, однослойной и многослойной стенок.

Тепловое излучение. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа.

Конвективный перенос тепла. Механизмы продольного и поперечного конвективного переноса в ламинарном и турбулентном потоках. Температурный пограничный слой. Закон теплоотдачи Ньютона. Коэффициент теплоотдачи. Тепловое подобие: критерии теплового подобия. Критериальное уравнение конвективного теплообмена. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния (конденсация пара, кипение жидкостей).

Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Термические сопротивления. Движущая сила процесса, средний температурный напор. Выбор взаимного направления теплоносителей.

Объем модуля и виды учебных занятий

Перечень необходимых средств для выполнения

Программы модуля

Лабораторные установки

«Изучение процесса теплообмена в теплообменнике типа «труба в трубе»

«Испытание двухкорпусной выпарной установки»

3.4.2 Учебники

3.4.3 ЭВМ с соответствующим программным обеспечением (электронная экспертно-обучающая система см. Приложение Е)

План-график изучения модуля «Тепловые процессы»

План-график модуля составлен, исходя из того, что студент еженедельно 4…5 часов самостоятельно выполняет задания, и представлен в таблице 1.1.

Планы практических занятий

Основные правила проведения занятий изложены в Приложении А.

Занятие №1

Тема : Теоретические основы теплопередачи.

Цель занятия : Изучить основные закономерности процесса теплопередачи.

План проведения занятия:

– методы составления тепловых балансов

а) при изменении агрегатного состояния теплоносителя;

б) без изменения агрегатного состояния теплоносителя;

– движущая сила теплопереноса: расчет, влияние различных факторов;

– скорость теплопереноса: лимитирующие стадия и факторы, влияющие на нее;

– способы интенсификации процессов теплопереноса.

2. Решение задач: 4-40, 42, 45 .

Таблица 1.1 – План-график изучения модуля

№ недели	№ лекции	Тема лекции	Практические занятия (п. 1.6)	Лабораторные работы	Самостоятельная работа студента	Форма контроля
		Тепловые процессы и аппараты: классификация, область применения, значение в ХТ. Нагревающие агенты и способы нагрева.	Занятие №1: «Теоретические основы теплопередачи»		1. Подготовка к занятиям. 2. Повторение раздела «Основы теплопередачи»	Проверка конспектов, зарисовок схем аппаратов, устный опрос на практических занятиях, проведение и защита лабораторных работ, выполнение и защита ИРЗ, занятия с электронной экспертно-обучающей системой, модульный экзамен
		Теплообменные аппараты: классификация, достоинства и недостатки. Выбор и расчет теплообменников.	Занятие №2: «Конструкция, выбор и расчет теплообменников	1. Изучение работы теплообменника типа «труба в трубе»	1. Подготовка к занятиям (изучение литературы, составление конспектов, зарисовка схем аппаратов,
		Выпаривание: общие положения, значение в ХТ. Классификация выпарных аппаратов. Расчет однокорпусных выпарных аппаратов.	Занятие №3: «ОВУ: принцип расчета»		1. Подготовка к занятиям (изучение литературы, составление конспектов, зарисовка
		Многокорпусные выпарные установки: принцип действия, схемы. Особенности расчета. Выпарные установки с тепловым насосом.	Занятие №4: «МВУ: принцип расчета»	2. Изучение работы двухкорпусной выпарной установки	1. Подготовка к занятиям. 2. Выполнение ИРЗ
5 Консультации
5 Модульный экзамен

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 293-299, стр. 318-332.

2. Выучить определения терминов и понятий (см. Приложение Г).

3. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №1 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

капельная конденсация пара;

конвекция;

коэффициент теплопередачи;

коэффициент теплоотдачи;

коэффициент теплопроводности;

критерии теплового подобия;

лимитирующая стадия;

основное уравнение теплопередачи;

пленочная конденсация пара;

пленочное кипение;

пузырьковое кипение;

скорость тепловых процессов;

средняя разность температур;

теплообмен;

теплоотдача;

теплопередача;

теплопроводность;

термическое сопротивление системы;

удельная теплота фазовых превращений;

удельная теплоемкость.

Занятие №2

Тема : Конструкции, выбор и расчет теплообменников.

Цель занятия: Получить навыки выбора и расчета теплообменной аппаратуры.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– технические теплоносители и области их применения;

– классификация теплообменников и их выбор;

– расчет теплообменников; интенсификация работы теплообменников.

2. Решение задач: 4- 38, 44, 52 .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 333-355.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций теплообменников: рисунки №№ 13.1, 13.4, 13.6, 13.7, 13.8, 13.10, 13.13, 13.14, 13.15, 13.17, 13.18, 13.19.

4. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №2 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

водоотводчик;

водяной пар;

«глухой» пар;

критический коэффициент теплоотдачи;

критический температурный напор;

оптимизирующие факторы;

оптимизация;

«острый» пар;

поверхностные теплообменники;

пролетный водяной пар;

промежуточный теплоноситель;

проектный расчет теплообменников;

проверочный расчет теплообменников;

регенеративные теплообменники;

смесительные теплообменники;

температура точки росы.

Занятие №3

Тема: Однокорпусные выпарные установки (ОВУ).

Цель занятия: Изучить конструкции выпарных аппаратов. Получить практические навыки расчета однокорпусных выпарных установок.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– сущность процесса выпаривания, области применения. С какой целью в выпарных аппаратах создают условия для циркуляции выпариваемого раствора?

– классификация выпарных аппаратов, области применения выпарных аппаратов различных конструкций;

– негативные процессы, сопровождающие выпаривание;

– факторы, которые следует учитывать при выборе выпарного аппарата;

– расчет однокорпусных выпарных аппаратов.

2. Решение задач: 5-3, 15, 18, 21, 25 .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебнике , стр. 359-365.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций выпарных аппаратов: рисунки №№ 14.1, 14.7, 14.8, 14.9, 14.10, 14.11.

3. Выучить определения терминов и понятий (см. Приложение Г).

4. . Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №3 (см. Приложение Б).

Основные термины и понятия:

вторичный пар;

выпаривание;

гидравлическая депрессия;

гидростатическая депрессия;

греющий пар;

ионный обмен;

концентрация вещества;

многокорпусная выпарная установка;

однокорпусная выпарная установка;

полезная разность температур;

полная депрессия;

самоиспарение;

температурная депрессия;

экстра-пар;

Занятие №4

Тема: Многокорпусные выпарные установки (МВУ).

Цель занятия: Изучить факторы, определяющие выбор схемы выпарной установки. Получить практические навыки расчета МВУ.

План проведения занятия:

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

– сущность, области эффективного применения, различные способы повышения экономичности работы выпарных установок:

Выпарные установки с тепловым насосом;

Использование компенсирующего теплового насоса;

Отбор экстра-пара.

– факторы, определяющие выбор схемы МВУ;

– последовательность расчета МВУ.

2. Решение задач: 5-29, 30, 33, 34* .

Подготовка к занятию:

1. Изучить материал занятия в конспектах лекции и учебниках , стр. 365-374.

2. Изучить и зарисовать принципиальные схемы основных конструкций выпарных аппаратов: рисунки №№ 14.2, 14.6.

3. Подготовить письменные мотивированные ответы тестового задания №4 (см. Приложение Б).

Планы лабораторных занятий

План лабораторных занятий, правила и требования к студентам при подготовке к ним, выполнении и защите лабораторных работ изложены в Приложении А данного учебного пособия, а также в учебнике .

Особая значимость лабораторных занятий при изучении модуля определяется тем, что экспериментальная часть является логическим завершением всех работ по модулю и позволяет не только подтвердить экспериментально ранее изученные базовые зависимости процессов, но и получить практические навыки работы с тепловым оборудованием.

Хорошо успевающим студентам преподаватель может предложить проведение индивидуальной научно-исследовательской работы по теме, являющейся составной частью научной проблематики кафедры, и, в случае ее успешного завершения, студенту засчитывается максимальное количество баллов по экспериментальной части модуля.

3.8 Индивидуальное расчетное задание (ИРЗ)

Целью выполнения ИРЗ является получение практических навыков анализа и расчета основных параметров и количественных характеристик тепловых процессов и аппаратов, работы с учебной и справочной литературой, оформления текстовых документов.

Последовательность работы над выполнением ИРЗ:

● этап 1 : рассмотрение физической сущности и назначения процесса, анализ задания и всех имеющихся данных для его выполнения, отсев избыточных и определение недостающих характеристик;

● этап 2 : выбор соответствующей схемы процесса и конструкции аппарата, что предполагает не только знание факторов, влияющих на технико-экономические показатели процесса, и характера этого влияния, но и умение находить оптимальное решение;

● этап 3 : расчет заданных параметров процесса и аппарата. Выполнение этого этапа следует начать с анализа и выбора метода расчета (расчетной модели). При этом особое внимание следует уделить определению области применения того или иного метода расчета и сопоставлению ее с заданными условиями;

● этап 4 : анализ полученных результатов, определение возможных путей интенсификации и совершенствования процесса и его аппаратурного оформления;

● этап 5 : оформление пояснительной записки.

Пояснительная записка к ИРЗ оформляется на стандартных листах формата А4. Текстовые материалы оформляются, как правило, рукописным способом, причем можно использовать обе стороны листа. Терминология и определения в записке должны быть едиными и соответствовать установленным стандартам, а при их отсутствии – общепринятым в научно-технической литературе. Сокращения слов в тексте и подписях, как правило, не допускаются, за исключением сокращений, установленных стандартом.

Все расчетные формулы в пояснительной записке приводятся сначала в общем виде, нумеруются, дается объяснение обозначений и размерностей всех входящих в формулу величин. Затем в формулу подставляют численные значения величин и записывают результат расчета.

Все иллюстрации (графики, схемы, чертежи) именуются рисунками, которые так же, как уравнения и таблицы нумеруются.

Подписи под рисунками и названиями таблиц должны быть краткими.

В списке использованной литературы источники, на которые ссылаются в пояснительной записке, располагаются в порядке упоминания их в тексте или по алфавиту (по фамилии первого автора работы).

Варианты ИРЗ указаны в Приложении В.

3.9 Самостоятельная работа студентов

Изучение весьма нелегкого для студентов курса «Основные процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ) требует грамотной постановки задач, логически выдержанного хода решений, анализа найденных результатов, то есть постоянной работы на понимание.

Успешность обучения будет зависеть и от индивидуальных особенностей студентов, и от степени их подготовки к овладению данной системой знаний и умений, степени мотивации, интереса к изучаемой дисциплине, общих интеллектуальных умений, уровня и качества организации учебного процесса и других факторов.

Предусмотреть, как пойдет познавательный процесс у каждого студента, невозможно, но известно необходимое условие, которое определяет его успешность – это целенаправленная, систематическая, планомерная самостоятельная работа студента.

Современная методика преподавания ориентирована, прежде всего, на выработку комплекса определенных умений, необходимых будущему специалисту, и умений не только узкоспециальных, но и фундаментальных, таких как, например, умение учиться.

Так как выработка большинства умений возможна только при самостоятельной работе, то она по своей сути должна быть многогранной, так как одна тема или одно задание не могут способствовать выработке всего комплекса умений.

Самостоятельная работа в модульно-рейтинговой технологии обучения включена во все виды учебной работы и реализуется в виде совокупности приемов и средств, среди которых на первое место выдвигается самостоятельное изучение теоретического материала учебной программы модуля с последующим выполнением индивидуального задания.

В качестве основного методического материала при изучении модуля «Тепловые процессы» рекомендуется использовать приведенные далее структурно-логические схемы, отвечающие системному анализу раздела.

Для контроля и самоконтроля эффективности самостоятельной работы студентов используется тестовая система с применением ПЭВМ и единых баз учебных знаний.

Модульный экзамен

По завершении изучения модуля «Тепловые процессы» студент сдает промежуточный (модульный) экзамен (ПЭ). Полученные им баллы за все предыдущие и последующие промежуточные экзамены суммируются и составляют его рейтинг по курсу ПАХТ. При получении достаточной суммы баллов за все промежуточные экзамены их результаты могут записываться ему как итоговый экзамен.

Модульный экзамен проводится в письменной форме. Содержание экзаменационных заданий включает пять вопросов, соответствующих структуре модуля.

Необходимыми условиями допуска к сдаче промежуточных экзаменов являются:

– выполнение студентом планов практических и лабораторных занятий;

– успешная защита индивидуального расчетного задания;

– положительный результат (более 6 баллов) степени усвоения программного материала модуля с использованием электронного экспертно-обучающего комплекса.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Тесты к занятию №1

1. Какое из перечисленных ниже тел при прочих равных условиях быстрее нагреется, если его теплопроводность l, плотность r и удельная теплоемкость с ?

а) асбест: l = 0,151 Вт/м К; r = 600 кг/м 3 ; с = 0,84 кДж/кг К;

б) дерево: l = 0,150 Вт/м; r = 600 кг/м 3 ; с = 2,72 кДж/кг К;

в) торфоплита: l = 0,064Вт/м К; r = 220 кг/м 3 ; с=0,75 кДж/кг К.

2. Какое количество тепла (Дж) необходимо для нагревания 5 л воды от 20 до 100 0 С, если средняя теплоемкость воды составляет 4,2 кДж/кг·К; плотность r = 980 кг/м 3 ; удельная теплота парообразования воды при атмосферном давлении r = 2258,4 кДж/кг; коэффициент теплопроводности воды l = 0,65 Вт/м 2 ×К?

а) 5 × 80 × 4,2 × 10 3 = 1,68 × 10 6 ;

б) 5 × 80 × 4,2 × 980 × 10 -3 × 10 3 = 1,65 × 10 6 ;

в) 5 × 10 -3 × 980 × 2258,4 × 10 3 = 11,07 × 10 6 ;

г) 5 × 980 × 4,2 × 80 ×10 3 = 1,65 × 10 9 ;

д) 5 × 980 × 0,05 = 3,185.

3. Какое количество тепла (Дж) необходимо для испарения 5 л воды при атмосферном давлении, если удельная теплоемкость воды при температуре кипения с = 4,23 кДж/кг×К; плотность r = 958 кг/м 3 ; удельная теплота парообразования r = 2258,4 кДж/кг?

а) 5 × 4,23 × 958 × 10 -3 = 20,26;

б) 5 × 2258,4 = 11,29 × 10 3 ;

в) 5 × 958 × 2258,4 × = 10,82 × 10 6 ;

г) 5 × 958 × 2258,4 × 10 3 = 10,82 × 10 9 .

4. Какое из критериальных уравнений описывает стационарный процесс естественной теплоотдачи?

а) Nu = f (Fo,Рr,Re);

б) Nu = f (Рr,Re);

в) Nu = f (Рr,Gr);

г) Nu = f (Ре,Gr).

5. Как влияет длина вертикальной трубы на коэффициент теплоотдачи α п при конденсации на ней пара?

а) не влияет;

б) с увеличением длины трубы α п увеличивается;

в) с увеличением длины α п уменьшается.

6. Как влияет число горизонтальных труб (n) в пучке на коэффициент теплоотдачи α п при конденсации пара?

а) не влияет;

б) с увеличением n увеличивается α п;

в) с увеличением n уменьшается α п.

7. С увеличением шероховатости стенки при прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи при кипении жидкостей…

а) не изменяется;

б) увеличивается;

в) уменьшается.

8. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей в трубах будет больше в зонах …

а) «гладкого» течения;

б) «шероховатого» течения.

9. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей при прочих равных условиях больше в…

а) прямых трубах;

б) змеевиках.

10. Влияет ли длина труб на интенсивность поперечного процесса переноса тепла в движущейся в них жидкости?

а) не влияет;

б) интенсивность в коротких трубах увеличивается;

в) интенсивность в коротких трубах уменьшается.

11. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб…

а) не зависит от их взаимного расположения;

б) больше при «коридорном» расположении;

в) больше при «шахматном» расположении.

12. Средняя разность температур зависит от взаимного направления движения теплоносителей…

а) всегда;

13. Лимитирующей стадией при теплопередаче является стадия, для которой значение…

а) коэффициента теплоотдачи наименьшее;

б) коэффициента теплоотдачи наибольшее;

в) термического сопротивления наибольшее;

г) термического сопротивления наименьшее;

д) коэффициента теплопроводности наименьшее.

14. С какой стороны стенки, разделяющей холодный воздух и горячую воду, целесообразно интенсифицировать теплообмен, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи?

а) со стороны воздуха;

б) со стороны воды;

в) с обеих сторон.

15. С увеличением скорости движения теплоносителя вероятнее всего…

а) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» - капитальные и «Э» - эксплутационные) теплообменника увеличиваются;

б) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» - капитальные и «Э» - эксплутационные) теплообменника уменьшаются;

в) «К» - увеличиваются, а «Э» - уменьшаются;

г) «К» - уменьшаются, а «Э» - увеличиваются.

16. Температура поверхности стенки t ст1 , которая покрывается загрязнениями, при стационарном непрерывном процессе теплопередачи…

а) не изменяется; б) возрастает; в) уменьшается.

t ст1 t ст2 Q загрязнения

17. Повышение скорости движения теплоносителя не приводит к существенной интенсификации процесса, если…

а) этот теплоноситель – газ;

б) этот теплоноситель – жидкость;

в) термическое сопротивление стенки вследствие ее загрязнения очень велико.

18. При выборе метода интенсификации теплообмена критерием его оптимальности в большинстве случаев является…

а) его доступность;

б) влияние на коэффициент теплопередачи;

в) влияние на массу аппарата;

г) экономическая эффективность.

Тесты к занятию №2

1. При конденсации пара в процессе теплообмена движущая сила…

а) увеличивается при противотоке;

б) уменьшается при противотоке;

в) не зависит от взаимного направления теплоносителей.

2. Расход теплоносителей зависит от взаимного направления их движения…

а) всегда;

б) если изменяются температуры обоих теплоносителей;

в) если изменяется температура хотя бы одного теплоносителя.

3. Противоточное движение теплоносителей позволяет увеличить конечную температуру “холодного” теплоносителя. Это приводит…

а) к уменьшению расхода “холодного” теплоносителя G x и уменьшению движущей силы процесса Dt ср;

б) к уменьшению расхода “холодного” теплоносителя G x и увеличению движущей силы процесса Dt ср;

в) к увеличению расхода “холодного” теплоносителя G x и увеличению движущей силы процесса Dt ср.

4. Выбор теплоносителя, прежде всего, определяется…

а) доступностью, дешевизной;

б) величиной температуры нагревания;

в) конструкцией аппарата.

5. Теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплопередачи. Поэтому он должен обладать…

а) низкими значениями плотности, теплоемкости и вязкости;

б) низкими значениями плотности и теплоемкости, высокой вязкостью;

в) высокими значениями плотности, теплоемкости и вязкости;

г) высокими значениями плотности и теплоемкости, низкой вязкостью.

6. Недостатком насыщенного водяного пара как теплоносителя является…

а) низкий коэффициент теплоотдачи;

б) зависимость давления пара от температуры;

в) равномерность обогрева;

г) невозможность передачи пара на большие расстояния.

7. Присутствие неконденсирующихся газов (N 2 , O 2 , CO 2 и т.д.) в паровом пространстве аппарата …

а) приводит к повышению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке;

б) приводит к снижению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке;

в) не влияет на величину коэффициента теплоотдачи.

8. Основным преимуществом высокотемпературных органических теплоносителей является…

а) доступность, дешевизна;

б) равномерность нагревания;

в) возможность получения высоких рабочих температур;

г) высокий коэффициент теплоотдачи.

9. Какое движение теплоносителей в кожухотрубчатом теплообменнике наиболее эффективно:

а) горячий теплоноситель – снизу, холодный – сверху (противоток);

б) горячий теплоноситель – сверху, холодный – сверху (прямоток);

в) горячий теплоноситель – сверху, холодный – снизу (противоток)?

10. В каких случаях применяют многоходовые кожухотрубчатые теплообменники?

а) при небольшой скорости движения теплоносителя;

б) при большом расходе теплоносителя;

в) для увеличения производительности;

г) для снижения стоимости установки?

11. В многоходовых теплообменниках по сравнению с противоточными движущая сила …

а) увеличивается;

б) уменьшается.

12. Кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции применяют…

а) при большой разности температур труб и кожуха;

б) при использовании высоких давлений;

в) для повышения эффективности теплообмена;

г) для снижения капитальных затрат.

13. Для увеличения коэффициента теплоотдачи в змеевиковых теплообменниках повышают скорость движения жидкости. Этого достигают…

а) увеличением количества витков змеевика;

б) уменьшением диаметра змеевика;

в) установкой внутри змеевика стакана.

14. Оросительные теплообменники в основном применяют для…

а) нагревания жидкостей и газов;

б) охлаждения жидкостей и газов.

15. Какие теплообменники целесообразно применить в случае, если коэффициенты теплоотдачи резко отличаются по величине по обе стороны поверхности теплопередачи?

а) кожухотрубчатые;

б) змеевиковые;

в) смесительные;

г) оребренные.

16. Пластинчатые и спиральные теплообменники нельзя применять, если…

а) требуется создать высокое давление;

б) необходима высокая скорость теплоносителей;

в) один из теплоносителей имеет слишком низкую температуру.

17. В смесительных теплообменниках используется…

а) «острый» пар;

б) «глухой» пар;

в) горячая вода.

18. Какой параметр не задается при проектном расчете теплообменника?

а) расход одного из теплоносителей;

б) начальная и конечная температуры одного теплоносителя;

в) начальная температура второго теплоносителя;

г) поверхность теплообмена.

19. Целью проверочного расчета теплообменника является определение …

а) поверхности теплообмена;

б) количества передаваемой теплоты;

в) режима работы теплообменника;

г) конечных температур теплоносителей.

20. При решении задач выбора оптимального теплообменника критерием оптимальности чаще всего является…

а) экономическая эффективность аппарата;

б) масса аппарата;

в) расход теплоносителей.

21. В кожухотрубчатом теплообменнике теплоноситель, выделяющий загрязнения, целесообразно направить…

а) в трубное пространство;

б) в межтрубное пространство.

Тесты к занятию №3

1. Какое условие необходимо для процесса выпаривания?

а) разность температур;

б) перемещение тепла;

в) температура выше 0 о С.

2. Тепло, необходимое для выпаривания чаще всего подводится …

а) топочными газами;

б) насыщенным водяным паром;

в) кипящей жидкостью;

г) любым из перечисленных способов.

3. Пар, образующийся при выпаривании растворов, называют..

а) греющим;

б) насыщенным;

в) перегретым;

г) вторичным.

4. Наименее экономичным способом является выпаривание …

а) под избыточным давлением;

б) под вакуумом;

в) под атмосферным давлением.

5. Выпаривание под избыточным давлением чаще всего применяют для удаления растворителя из …

а) термически стойких растворов;

б) термически нестойких растворов;

в) любых растворов.

6. Экстра-пар – это ….

а) свежий пар, подаваемый в первый корпус;

б) вторичный пар, используемый для нагрева последующего корпуса;

в) вторичный пар, используемый для других нужд.

7. В выпарных аппаратах непрерывного действия гидродинамическая структура потоков близка к…

а) модели идеального смешения;

б) модели идеального вытеснения;

в) ячеечной модели;

г) диффузионной модели.

8. В процессе выпаривания температура кипения раствора …

а) остается неизменной;

б) уменьшается;

в) увеличивается.

9. При выпаривании по мере роста концентрации раствора значение коэффициента теплоотдачи от поверхности нагрева к кипящему раствору …

а) увеличивается;

б) уменьшается;

в) остается неизменным.

10. Как записывается материальный баланс для непрерывного процесса выпаривания?

a) G K = G H + W;

б) G H = G K – W;

в) G H = G K + W;

где G H ,G K – расходы соответственно исходного и упаренного растворов, кг/с;

W – выход вторичного пара, кг/с.

11. Тепловой баланс выпарной установки, как правило, применяется для определения…

а) конечной температуры раствора;

б) расхода греющего пара;

в) температурных потерь.

12. Движущей силой процесса выпаривания является…

а) средняя разность температур;

б) полная (общая) разность температур;

в) полезная разность температур.

13. Движущая сила процесса выпаривания находится как разность между температурой греющего пара и …

а) начальной температурой раствора;

б) температурой вторичного пара;

в) температурой кипящего раствора.

14. Температурная депрессия представляет собой разность между…

а) температурами раствора посередине высоты греющих труб и на поверхности;

б) температурами кипения раствора и чистого растворителя;

в) температурами образующегося вторичного пара и вторичного пара в конце паропровода.

15. Возрастание температурных потерь …

а) приводит к увеличению ∆t пол;

б) приводит к уменьшению ∆t пол;

в) не влияет на ∆t пол.

16. В процессе выпаривания с повышением концентрации и вязкости раствора значение коэффициента теплопередачи …

а) остается неизменным;

б) увеличивается;

в) уменьшается.

17. Циркуляция раствора в выпарном аппарате способствует интенсификации теплообмена в первую очередь со стороны…

а) разделяющей стенки;

б) греющего пара;

в) кипящего раствора.

18. Для нетермостойких растворов целесообразно использовать…

19. Для выпаривания высоковязких и кристаллизующихся растворов лучше всего применить…

а) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

б) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

в) пленочные выпарные аппараты;

г) барботажные выпарные аппараты.

20. Наиболее подходящими для выпаривания агрессивных жидкостей являются…

а) выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

б) выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;

в) пленочные выпарные аппараты;

г) барботажные выпарные аппараты.

Тесты к занятию №4

1. Температура кипения раствора во втором корпусе многокорпусной выпарной установки…

а) равна температуре кипения раствора в первом корпусе;

б) выше, чем в первом корпусе;

в) ниже, чем в первом корпусе.

2. На каком рисунке изображена противоточная выпарная установка?

а)

б)

3. Чему равно количество греющего пара, поступающего в корпус m многократного выпаривания?

а) ∆ m = W m -1 - E m -1 ;

б) ∆ m = E m -1 - W m -1 ;

в) ∆ m = W m -1 + E m -1 .

где W m -1 – количество воды;

E m -1 – экстра-пар.

4. Вторичный пар из последнего корпуса…

а) идет на технологические нужды;

б) подается насосом в первый корпус;

в) отводится в барометрический конденсатор.

5. Число корпусов установки многократного выпаривания определяется…

а) суммой затрат на проведение процесса;

б) амортизационными расходами;

в) затратами по производству пара;

г) причинами, указанными в а), б) и в).

6. Недостатками прямоточной схемы многокорпусной выпарной установки являются…

а) понижение температуры кипения и понижение концентрации раствора от 1-го корпуса к последующему;

б) повышение температуры кипения и понижение концентрации раствора от первого корпуса к последующему;

в) повышение температуры кипения и повышение концентрации раствора;

г) понижение температуры кипения и повышение концентрации раствора.

7. Многокорпусные установки могут быть…

а) прямоточные;

б) противоточные;

в) комбинированные;

г) все вышеперечисленные.

8. Общая поверхность нагрева двухкорпусной выпарной установки может быть выражена как…

а) ;

б) ;

в) .

9. Преимуществами прямоточной многокорпусной выпарной установки являются…

а) раствор идет самотеком;