2020-08-05
185
Дисциплина
«ТЕРМОВЛАЖНОСТНЫЕ И НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ
ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ»
ЛЕКЦИЯ №1. 26.06.2020г.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в промышленности разрабатываются и внедряются новые энерго- и материалосберегающие технологии, а также технологии малоотходных производств. Зачастую, приоритетным направлением является реконструкция существующих производств с целью повышения их энергоэффективности и экономичности.
В своей практической деятельности инженер-энергетик сталкивается с необходимостью совершенствования тех или иных теплотехнологических процессов и установок.
Поэтому целью изучения курса «Термовлажностные и низкотемпературные теплотехнологические процессы и установки» является приобретение знаний в области тепло- и массообменных процессов и установок, распространенных в теплотехнологических производствах энергоемких отраслей промышленности; изучение конструктивных особенностей типовых конструкций; овладение теорией и современными методами расчета теплотехнологических схем, процессов, аппаратов и установок; формирование навыков применения энергосберегающих технологий и выбор схем при проектировании или модернизации теплотехнологического оборудования.
|
|
|
После изучения дисциплины студент должен уметь пользоваться технической и справочной литературой; использовать различные диаграммы для расчета и анализа термовлажностных и низкотемпературных процессов и установок; разрабатывать или подбирать рациональную теплотехнологическую схему; использовать современные инженерные методы расчета и выбора теплотехнологического оборудования; технически грамотно излагать результаты своей работы в отчетных документах; иметь навыки работы на ЭВМ.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Процесс производства какой-либо продукции состоит из отдельных процессов, выполняемых для данного производства в строго определенной последовательности.
Основным технологическим процессом является такой, в результате которого предметы труда превращаются в готовую продукцию, характерную для данного предприятия. Вспомогательным – технологическим процессом является такой, в результате которого получается продукция, не характерная для данного предприятия.
Классификацию основных процессов проводят по различным признакам.
В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание и законов, определяющих скорость процессов, они делятся на пять групп:
1. Гидромеханические процессы – это процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики, науки о движении жидкостей и газов.
|
|
|
К таким процессам относятся:
- перемещение жидкостей или газов под воздействием вентиляторов, насосов, компрессоров;
- образование неоднородных и однородных систем путем диспергирования их и перемешивания в жидкой или газообразной среде;
- разделение неоднородных систем (Ж-Т или Г-Т) под действием силы тяжести (осаждением), центрифугированием, фильтрованием, под действием сил электрического поля;
- псевдоожижение твердого зернистого материала (движение твердых тел в жидкости или газе).
2. Тепловые процессы – это процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи. Такими процессами являются: нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация.
3 . Массообменные (диффузионные) процессы – это процессы, скорость которых определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз, т.е. законами массопередачи. Это процессы сорбции, ректификации, экстракции, кристаллизации, сушки и др.
4. Химические процессы – это процессы, которые связанны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики (полимеризация, гидратация цемента и т.п.)
5. Механические процессы описываются законами механики твердых тел. Включают измельчение твердых материалов, классификацию сыпучих материалов и их перемешивание с помощью мешалок, транспортировку.
В соответствии с указанным делением процессов целесообразно классифицировать аппараты промышленных технологий следующим образом:
- гидромеханические;
- тепловые;
- массообменные;
- аппараты для осуществления собственно химических превращений – реакторы;
- измельчающие и классифицирующие машины.
В технологии, как правило, процессы тепло- и массообмена протекают одновременно. Типичными примерами таких процессов являются сушка, ректификация, сорбция.
Все тепломассообменные процессы и установки делят на высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные и криогенные.
К высокотемпературным относят огнетехнические процессы и установки. Наиболее распространенные высокотемпературные установки – это промышленные печи. Им соответствует рабочий диапазон температур 400…2000°С.
Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и установок (сушка, выпаривание, ректификация), находится, как правило, в пределах 150…700°С.
Низкотемпературные процессы проходят при температурах от –150 до +150°С. К установкам, в которых осуществляются низкотемпературныепроцессы относятся: установки термовлажностной обработки, кондиционеры, вентиляционные, теплонасосные и холодильные установки.
Процессы с более низкими температурами называются криогенными (разделение воздуха, ожижение газов).
По организационно-технической структуре процессы делятся на: периодические, непрерывные и комбинированные.
В периодическом процессе отдельные стадии (или операции) проводятся в одном аппарате, но в разное время.
В непрерывном процессе отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах аппарата или даже в разных аппаратах и машинах.
В комбинированных процессах – в них сочетаются периодические и непрерывные. Например, процесс непрерывный, а одна стадия проводится периодически или наоборот.
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими:
- возможность специализации аппаратуры для каждой стадии процесса;
- улучшение качества продукции за счет устойчивых режимов проведения процессов;
- стабилизация процесса во времени;
- лучшее регулирование, механизация и автоматизация процесса;
- более полное использование подводимого тепла, возможность рекуперации отводимого тепла.
|
|
|
Поэтому в промышленности всегда стараются перейти от периодических процессов к непрерывным.
Непрерывно действующие аппараты в зависимости от характера движения и изменения параметров перерабатываемого продукта делятся на аппараты (реакторы) полного (идеального) вытеснения (РИВ), полного (идеального) смешения (РИС) и промежуточного типа.
В РИВ протекающие через аппарат последующие объемы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их. В РИС - последующие и предыдущие объемы жидкости идеально смешаны.
В зависимости от изменения параметров процесса во времени бывают стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся) процессы. Встационарных процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс, постоянны во времени, а в нестационарных – переменны, т.е. являются функциями не только положения каждой точки в пространстве, но и функциями времени.
В основе классификации химико-технологических процессов лежат кинетические закономерности, без знания которых невозможно производить расчет аппаратов.
При рассмотрении гидродинамических, тепловых и массообменных процессов было замечено, что их кинетические уравнения аналогичны.
Кинетические закономерности этих процессов могут быть сформулированы в виде общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Величина, обратная сопротивлению, называется коэффициентом скорости.
Основное кинетическое уравнение для гидродинамических процессов
= 
= K 1 D Р, (1.1)
где d V – элементарный объем протекающих жидкости и газа; S – площадь сечения аппарата, dt – бесконечно малый промежуток времени; D Р – перепад давления в аппарате; R 1 – гидравлическое сопротивление, К 1 – коэффициент скорости.
Основное кинетическое уравнение для тепловых процессов
= 
= K 2 D t, (1.2)
где dQ – бесконечно малое количество тепла; S – поверхность теплообмена; dt – бесконечно малый промежуток времени; D t – средняя разность температур; R 2 – термическое сопротивление; К 2 – коэффициент теплопередачи (коэффициент скорости).
|
|
|
Основное кинетическое уравнение для массообменных процессов
= 
= K 3 D C, (1.3)
где dМ – бесконечно малое количество перенесенного вещества; S – поверхность контакта фаз; dt – бесконечно малый промежуток времени; DС – разность между равновесной и рабочей концентрациями вещества в фазах; R 3 – диффузионное сопротивление; К 3 – коэффициент массопередачи.
Коэффициенты скорости различных процессов зависят главным образом от скорости движения потоков материалов, поэтому вывод всех кинетических закономерностей основывается на законах движения материальных потоков.
При практических расчетах процессов и аппаратов можно выделить следующие основные этапы:
– определение условий равновесного состояния системы;
– определение производительности массовых потоков перерабатываемых материалов;
– определение энергетических затрат;
– установление оптимальных режимов работы аппаратов и определение их основных размеров;
– технико-экономический расчет.
Рассмотрим основные этапы расчета подробнее:
1. Исходя из законов гидродинамики или термодинамики выявляют условия равновесия и определяют направление процесса. По данным о равновесии устанавливают начальные и конечные значения параметров процессов;
2. На основании закона сохранения материи составляют материальный баланс: (в общем виде для любой установки рассчитывают расход сырья å G н, выход готовой продукции å G к и потери å G пот):
å G н = å G к + å G пот. , (1.4)
принимая å G пот = 5%
3. Энергетический (тепловой) баланс составляют на основе закона сохранения энергии:
Q и.м + Q ист + Q экз = Q м + Q пот , (1.5)
где Q и.м – теплота исходных материалов; Q ист – теплота, поступающая от источника тепла; Q экз – теплота экзотермических реакций; Q м – теплота, уходящая из установки с готовым материалом; Q пот – потери теплоты.
4. По величинам, характеризующим рабочие и равновесные параметры, определяют движущую силу процесса. На основании законов кинетики (гидромеханических, тепловых, диффузионных, химических процессов) находят коэффициент скорости процесса. По полученным данным определяют основной размер аппарата (емкость, площадь сечения, поверхность нагрева).
5. Расчет технико-экономических показателей.
