post

Химично инженерство – въведение и понятия

Публикацията е на базата на лекционния материал на проф. И. Пенчев (ХТМУ – София). Измененията, допълненията и съкращенията са направени от ABRITVS.com с цел по-лесното възприемане на материала от читателите.

Химично инженерство е научна дисциплина, която използва систематизирани познания на базата на фундаменталните науки (математика, физика,  химия и биология), за проектиране и създаване на приложни химични системи и инсталации за производствени нужди с цел трансформиране на веществата. През 20-ти век химичните производства е трябвало само да бъдат икономически изгодни и относително безопасни за работещите и местното население. Днес за тях има далеч по-високи изисквания откъм безопасност и екологична устойчивост.

Всеки процес на трансформиране на веществата се състои от серия последователни елементарни процеси: химични или биохимични реакции, механично разделяне чрез утаяване, флокулация, филтруване, разделяне на крайния продукт чрез масообменни процеси между две фази (абсорбция, екстракция, ректификация, ултрафилтрация и др.).

На базата на това всеки процес на трансформация на веществата може да бъде разделен на елементарни операции наречени Основни процеси. Те могат да бъдат три главни вида

  1. Хидродинамични процеси: (транспорт на флуиди, разбъркване, смесване);
  2. Производство на топлина и на студ и топлопренасяне;
  3. Масообменни процеси:

а) Масопренасяне в системите газ-течност:

  • Изпаряване, кондензация;
  • Абсорбция, овлажняване
  • Дестилация, ректификация

б) Масопренасяне в системите твърдо тяло-флуид:

  • Кристализация, преципитация, разтваряне;
  • Топене, втвърдяване
  • Адсорбция, екстракция, излугване

в) Масопренасяне в системите газ-твърдо тяло:

  • Адсорбция;
  • Сушене, сублимация

г) Масопренасяне в системи с две несмесващи се течни фази (екстракция течност – течност)

д) Механични процеси

  •  Раздробяване, утаяване, флотация
  •  Центрофугиране
  • Флуидизация

е) Химични процеси

  • Обемни химични реакции, каталитични реакции
  • Крекинг или полимеризация

Хидродинамика и хидромеханични методи за разделяне

За да бъде направен кратък преглед на тази тема, първо трябва да се дадат няколко дефиниции.

Флуид е вещество, което няма собствена форма (непрекъснат, деформируем обект) или най-просто казано – газ или течност.

Плътност (ρ) е физична величина, която се изразява в масата на дадено вещество за единица обем. В системата SI размерността му е в [kg/m³] .

Сечeние на потока e площта перпендикулярна на посоката на течение на флуида, през която се извършва това течение. Сечeнието се означава с S и в системата SI размерността му е [m²] . В случай на течение в тръба с кръгло сечение и диаметър D  изразът е:

S=¼ΠD²

Дебит (Разход)   се нарича количеството флуид, което преминава през дадено сечение за единица време. В зависимост от това дали това количество се измерва като маса или като обем имаме масов дебит, който се означава с М и обемен дебит, който се означава с Q. Размерността на масовия дебит в системата SI е [kg/s] , а на обемния дебит [m³/s] . Връзката между двата дебита се дава от формулата:

M=Qρ

Скорост на флуида в дадена точка от течението е вектор показващ големината и посоката на движение на флуида в тази точка.

Токова линия се нарича кривата, във сяка точка на която, векторът на скоростта е допирателна.

Средна скорост на даден флуид е обемният дебит отнесен към сечението на потока. Означава се с w има размермерност в Si – [m/s] . Изчислява се по следната формула:


w=Q/S  
размерността на w = (m³/s)/m² = m/s

Средна масова скорост на даден флуид е масовият дебит отнесен към сечението на потока. Означава се с   w , а размерността ú е [kg/(m².s)]. Изчислява се по формулата:

w = M/S

връзката между двете величини:  w = wρ

 Баланс на масата на движещ се флуид

По Закона за запазване на масата (ЗЗМ), при стационарно течение (когато не се променя), масовият дебит на входа (М1) на тръбата е равен на масовия дебит (М2) на изхода на тръбата.

М12;        dM/dt= 0

В случаите, когато течението не е стационарно, скоростта на натрупване на флуида в тръбата е равна на мaсовия дебит на входа минус масовия дебит на изхода.

dM/dt= ММ2

Това уравнение е известно като интегрална форма на уравнението на непрекъснатостта на потока. То може да бъде преобразувано и опростено, въвеждайки обемния дебит и при условие, че флуидът е несвиваем и плътността му е постоянна:

w1М1=w2М2;

Основни сили действащи върху зададен обем от флуида

Основните  сили, действащи при течението на единица обем са : инерционна сила, сила на налягането, сила на вискозното триене и сила на земното притегляне.

Инерционната сила изразява конвективния поток на количество на движение и е свързана с кинетичната енергия на флуида.

Силата на налягането е тази, с която даден обем от флуида взаимодейства с окръжаващата го повърхност. Измерва се в паскали [Pa],  а в Si размерността е в [N/m²].

Сила на вискозното триене изразява триенето, което се осъществява между даден слой течност и съседните му слоеве.

Сила на земното притегляне е тази, с която земното гравитационно поле действа върху даден обем от флуид.

Силите могат да бъдат разделени на две групи – статични сили, които не зависят от скоростта, и динамични сили, които са функция на скоростта. Статични сили са силата на налягането и силата на земното притегляне, а динамични са  инерционната и вискозната сила. При това, ако сравним силата на вискозното триене с инерционната сила, ще установим че инерционната сила нараства много по-бързо с нарастване на скоростта.

Условия за равновесие на неподвижен флуид

Налягането върху дъното на съда е равно на сумата от налягането върху повърхността на течността и силата на гравитацията, действаща върху целия обем на течността. Основно уравнение на хидростатиката:

P = p + ρgh 

Баланс на механичната енергия в зададен обем от идеален флуид

Сумата от механичната енергия на входа на тръбата и работата на помпите е еквивалентна на сумата от механичната енергия на изхода на тръбата и енергията необходима да се преодолее триенето. При трнаспорт на флуиди с помпи най-често скоростите на ход и на изход от тръбопровода са приблизително равни. Падът на налягането в тръбата може да дължи на триене в правите участъци на тръбата и на триене в участъците на местните съпротивления (колена, вентили, внезапни стеснения и разширения) .

Теория на подобието

Тази теория дава условията, при които резултатите от опитите, получени при лабораторни изследвания, могат да бъдат пренесени в промишлени мащаби. Това предоставя възможност да се избегнат сложните изчисления, основаващи се на диференциални уравнения,  при решаване на прости практически задачи.

Първо трябва да се осигури геометрично подобие при изграждането на реална инсталация, но това не е достатъчно. Необходимо е да се осигури и подобие свързано с физичните явления, за което се използват безразмерни числа на подобие.

Число на Рейнолдс (Re) – Това число представлява отношение на мащаба на инерционната сила, действаща върху  единица обем  и мащаба на силата на вискозно триене действаща върху единица обем.

Число на Ойлер (Eu) – Това число представлява отношението на мащаба на силата на налягането действаща върху  единица обем  към мащаба на инерционната сила, действаща върху  единица обем.

Число на Фруд (Fr) – Това число представлява отношението на  мащаба на инерционната сила, действаща върху  единица обем  и мащаба на силата на земното притегляне действаща върху единица обем.

Режими на течение на флуидите

Ламинарен режим на течение. При този режим течнието се характеризира с токови линии, които представляват правилни криви, следващи контурите на тръбата. Името ламинарен идва от латинското lamina, което означава слой. В ламинарните потоци силата на вискозно триене и инерционната сила са от един порядък. Поради това даже и да възникнат малки флукуации в параметрите на течението те се потушават от силите на триене и течението запазва слоесия си характер.

Турбулентен режим на течение. При този режим течнието се характеризира с токови линии, които представляват хаотични криви, имащи случаен характер. Името турбулентен идва от латинското turbо, което означава вихър. При турбулентня режим на течение, който съществува при по-високи скорости на потока,  като цяло преобладава инерционната сила.

Режимът на течение се определя от стойността на числото Рейнолдс.  За течение в тръба с кръгло сечение е доказано, експериментално и теоретично, че когато стойността на числото на Рейнолдс е по малка от 2320 течението винаги е ламинарно. Преходът към турбулентен режим, обаче не е внезапен, а е постепенен и зависи от условията,  при  които се осъществява течението. Така например при специално изработени гладки тръби и  минимални вибрации ламинарния характер на течението може да се запази и до стойности на числото на Рейнолдс 100 000. В промишлената практика се счита, че имаме развито турбулентно течение, когато стойността на числото на Рейнолдс надвишава 10 000. В интервала:

2320≤Rе≤10 000

се приема, че течението е неустановено т.е. частично ламинарно, частично турбулентно и този режим се нарича преходен.

Структурата на турбулентния поток също зависи от стойността на числото на Рейнолдс и това определя по-сложния характер на зависимостта на коефициента на съпротивление от триене от числото на Рейнолдс при турбулентния режим на течение.

Топлообменни процеси

Топлината е физическо явление и форма на съществуване на енергията (кинетична енергия на молекулите), което се предава чрез топлопроводност, конвекция или излъчване. Размерността на топлината е размерността на работата и се измерва в джаули [J]. Топлинни процеси са производството на топлина и студ и обмена на топлина между отделните среди (топлообмен) – топлобмен без промяна на агрегатното състояние, изпаряване и кондензация.

Температурата е мярка за топлината на телата. Бележи се с t или T. Нейната размерност в системата SI е в Келвини [K], но в практиката се измерва в градуси по скалата на Целзий.

Специфичен топлинен капацитет е количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата с един Келвин на дадено вещество с маса един килограм. Бележи се с  Cp (при постоянно налягане) и с Cv (при постоянен обем). Размерността му може да се запиши [J/(kg.K)].

Топлинен поток  е количеството топлина, което се пренася през дадено сечение за единица време (мощност). Бележи се с Q и размерността му е  джаул за секунда [J/s] или във ватове [W].

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!