Расчет гидравлического сопротивления аппаратов и оптимизация движения в них
Расчет гидравлического сопротивления аппаратов и оптимизация движения в них - раздел Химия, ЛЕКЦИИ ПАХТ ч1. Предмет и задачи дисциплины. 3 Основные процессы химической технологии
Определение Гидравлического Сопротивления Аппаратов Необходим...
Определение гидравлического сопротивления аппаратов необходимо для нахождения затрат энергии на транспорт сред через них, а также движущей силы - перепада гидродинамического напора.
Простейшим и наиболее часто встречающимся на практике случаем является транспорт сред по трубопроводам. В этом случае гидравлическое сопротивление, характеризующееся потерянным напором hn или потерянным давлениемDрn, может быть рассчитано в соответствии с соотношениями (5.37)-(5.41):
. (5.259)
Коэффициенты гидравлического трения lг в зависимости от режима движения находятся из (5.69) или (5.103), (5.105), а при неизотермическом течении или турбулентном течении в трубопроводах с шероховатой поверхностью используются соответствующие эмпирические поправки и соотношения. Коэффициенты для всех n местных сопротивлений zм.ск, возникающих при последовательном прохождении потока через вентили, краны, задвижки, колена, врезанные расширения или сужения поперечного сечения и т.д., находятся из справочных таблиц. При изменении поперечного сечения трубопровода коэффициенты местного сопротивления относятся, как правило, к наибольшей скорости, то есть к скорости в наименьшем сечении.
Определение гидравлического сопротивления аппаратов, заполненных зернистым материалом или насадкой, производится по соотношениям (5.233), (5.235), (5.240). Расчет гидравлического сопротивления для ряда других аппаратов будет представлен ниже при рассмотрении соответствующих процессов.
Оптимизация движения в аппаратах заключается в минимизации экономических затрат на транспорт сред через них. Рассмотрим данную задачу на примере движения среды с заданным расходом по трубопроводу заданной длины. Затраты на транспорт З(критерий оптимальности) можно в этом случае представить в виде двух слагаемых, одно из которых пропорционально гидравлическому сопротивлению трубопровода Dрn, а другое – количеству материала, пошедшего на его изготовление. Последнее слагаемое при фиксированной толщине стенки будет пропорционально диаметру трубопровода, тогда
. (5.260)
Величина коэффициентаа будет зависеть от толщины и длины трубопровода, срока его службы, стоимости материала; b - от расхода среды, стоимости электроэнергии и нагнетателей, создающих избыточное давление для преодоления гидравлического сопротивления. Анализ соотношений (5.68), (5.105) показывает, что потерянное давление при фиксированных расходе и свойствах среды, а также длине трубопровода зависит лишь от его диаметра. Таким образом, единственным параметром оптимизации будет являться диаметр трубопровода. Из (5.68) следует, что при ламинарном режиме движения Dрn ~ d-4, а для турбулентного из (5.105)Dрn ~ d-4,75. Тогда график зависимости затрат от диаметра будет иметь вид, изображенный на рис. 5.21, где dопт - оптимальный диаметр трубопровода, соответствующий минимуму затрат.
Поскольку при фиксированном расходе среды ее скорость однозначно связана с внутренним диаметром трубопровода, то можно говорить об оптимальной скорости движения среды в трубопроводе.
Рис. 5.21. Зависимость затрат на транспортировку среды от диаметра трубопровода
Выбор оптимальной скорости (диаметра) аппаратов для проведения импульсо-, тепло- и массообменных процессов является более сложной задачей, так как скорость течения, как правило, влияет на кинетику соответствующего процесса и, следовательно, размер аппарата. Более подробно эти задачи будут решаться при рассмотрении соответствующих процессов.
Перемешивание в жидких средах
Виды перемешивания. Интенсивность и эффективность перемешивания. Механическое перемешивание. Конструкции мешалок. Расход энергии на перемешивание. Расчет мешалок.
Перемешивание в жидкой фазе – процесс многократного относительного перемещения макроскопических элементов жидкой среды под действием импульса, передаваемого среде механической мешалкой, потоком газа или жидкости.
Перемешивание используют для интенсификации химических и тепло – и массообменных процессов; для приготовления эмульсий, суспензий, гомогенных растворов.
Поскольку перемешивание применяют в различных технологических процессах, то и цель перемешивания определяется назначением процесса. Так, при приготовлении эмульсии для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные срезающие напряжения, зависящие от градиента скорости. В тех зонах аппарата, где градиент скорости жидкости имеет наибольшее значение, происходит наиболее интенсивное дробление дисперсной фазы.
В случае гомогенизации целью перемешивания является снижение концентрационных градиентов в объеме аппарата.
При использовании перемешивания для интенсификации тепло – и массообменных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода соответствующей субстанции к границе раздела фаз. Турбулизация системы, обычно достигаемаяпри перемешивании, приводит к возникновению дополнительного механизма переноса, что вызывает существенное ускорение процессов тепло – и массообмена.
Процесс перемешивания может осуществляться различными способами. Наиболее широко применяется способ механического перемешивания с помощью мешалок различных конструкций, создающих вращательное движение жидкости. Применяются также способы пневматического перемешивания (барботаж газа через слой жидкости); перемешивание в трубопроводах путем установки в них специальных устройств; перемешивание с помощью сопел и насосов.
Основными характеристиками процесса перемешивания являются эффективность и интенсивность перемешивания, а также расход энергии на проведение процесса.
Эффективность перемешивания характеризует технологический эффект процесса перемешивания. В зависимости от назначения процесса перемешивания эту характеристику выражают различным образом. При использовании перемешивания для интенсификации тепло – и массообменных процессов его эффективность можно оценить соотношением кинетических коэффициентов при перемешивании и без него. При получении суспензий и эмульсий эффективность перемешивания можно охарактеризовать равномерностью распределения дисперсной фазы в сплошной.
Интенсивность перемешивания определяется количеством энергии, подводимой в единицу времени N к единице объема V перемешиваемой жидкости или к единице массы перемешиваемой жидкости . Интенсивность перемешивания обусловливает характер движения жидкости в аппарате. Повышение интенсивности всегда связано с увеличением энергозатрат, а технологический эффект от увеличения интенсивности перемешивания ограничен строго определенными пределами. Поэтому оптимальную интенсивность перемешивания следует определять исходя из условий достижения необходимого технологического эффекта при минимальных затратах.
Предмет и задачи дисциплины.
В химической технологии рассматривают процессы, в которых исходные материалы изменяют свои физические и химические свойства.
Химическая технология изучает процессы производства разл
Основные процессы химической технологии
Классификация основных процессов химической технологии. Стационарные и нестационарные процессы. Непрерывные и периодические процессы. Гипотеза сплошности среды. Режимы движения сред. Классификация
Гипотеза сплошности среды.
Жидкая среда заполняет объем без каких-либо свободных промежутков, сплошным образом.
Жидкая среда, благодаря изменению расстояния между частицами, меняет внешнюю конфигурацию, т.е. деформи
Режимы движения жидких сред.
При течении жидкой среды (жидкости) реализуется два режима: ламинарный и турбулентный
Ламинарный режим - жидкость течет с малой скоростью, отдельными струй
Условия равновесия
Состояние изолированной системы при равновесии определяется только внутренними условиями. Поэтому дифференциалы интенсивных параметров должны быть равны нулю:
- усло
Молекулярный механизм
Молекулярный механизм переноса субстанции обусловлен тепловым движением молекул.Взаимодействие между молекулами можно представить как “жесткое” отталкивание на малых расстояниях между их це
Условие проявления и направления процессов переноса.
Если система находится в равновесии, то макроскопического переноса субстанции не происходит. Тепловое движение молекул на всем направлении равновероятны.
Равновесию в одноф
Перенос массы. Молекулярный механизм переноса массы.
Молекулярный перенос массы в гомогенной смеси называется молекулярной диффузией.
Направленное движение i-го компонента возникает лишь в том случае, если в среде имеется градиент ко
Турбулентный механизм переноса массы.
Турбулентный перенос массы можно рассматривать по аналогии с молекулярным, как следствие хаотического перемещения вихрей. Вместо коэффициента молекулярной диффузии Dм вво
Локальная форма закона сохранения энергии.
Локальное уравнение сохранения энергии можно получить для единичного объема следующим образом:
Переносимая субстанция – энергия единичного объемаrЕ¢. Т
Локальная форма закона сохранения импульса.
Аналогично законам сохранения массы и энергии можно получить локальную (для точки) форму закона сохранения импульса.
Отличие будет заключаться лишь в векторной природе пере
Условия однозначности.
Общее решение дифференциального уравнения описывает целый класс процессов. Для получения частного решения необходимо задание условий однозначности. Они включают:
1) геометрическую форму и
Аналогия процессов переноса.
Аналогия уравнений переноса соответствующих субстанций и законов сохранения обуславливается идентичностью механизмов переноса субстанций.
Полная аналогия, т.е. совпадение полей C
Локальная форма уравнений.
Рассмотрим элементарный участок межфазной поверхности dF, совпадающей с плоскостью XOY. Поток субстанций направлен вдоль оси Z, движение фазы по оси X.
Z
Локальная форма уравнений.
Рассмотрим перенос субстанции из фазы 1 через межфазную поверхность в фазу 2 за счет молекулярного и турбулентного механизмов. Примем , что сопротивлением переносу субстанции со стороны межфазной п
Интегральная форма уравнений.
Усреднив локальные уравнения межфазного переноса субстанций по участку поверхности F можно получить интегральную форму уравнений:
, (2.85)
, (2.86)
. (2.8
Гидродинамическое подобие
Запишем уравнение Н-С для оси z..
Если движение установившееся, то
Тогда заменим дифференциалы конечными величинами,
– определяющий размер
Проблема масштабного переходадля промышленных аппаратов.
Проектированиеи внедрение аппаратов большой единичной мощности (например, массообменных колонн до 10м в диаметре и высотой до 100м) выявило существенное снижение их эффективности с лабораторными мо
Понятие о сопряжённомфизическом и математическом моделировании.
Это метод разработан в КГТУ профессором С.Г. Дьяконовым.
Сопряжённое физическое и математическое моделирование базируется на принципе иерархичности (многоуровневости) пространственно – вре
Гидродинамическая структура потоков.
Наибольший вклад в проблему масштабного перехода вносит изменение гидродинамической структуры потоков при увеличении размеров аппарата. Отыскание поля скоростей по дифференциальным уравнениям вызыв
Модель идеального смешения (МИС).
Предполагается, что любая порция входящего в аппарат меченых элементов потока мгновенно и равномерно перемешивается во всём объёме. Таким образом, концентрация меченых элемен
Идентификация модели
Под идентификацией модели понимается определение неизвестных параметров: для диффузионной модели и число ячеек m для ячеечной модели. Для этого в основной поток на входе в аппарат вводится индикато
Модели структуры потоков
Модель идеального вытеснения (МИВ)
В аппарате идеального вытеснения частицы потока движутся параллельно друг другу с одинаковой скоростью. При этом поперечное (по сечению
Гидромеханические процессы и аппараты
Прикладная гидромеханика Гидростатика. Основное уравнение гидростатики. Сила давления жидкости на стенки сосудов (плоские и криволинейные поверхности).
Гидродинамика. Классификация
Давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда
Давление жидкости на горизонтальное дно сосуда везде одинаково. Давление же на его боковые стенки растет с увеличением глубины. Давление на дно не зависит от формы или угла наклона
Уравнение Бернулли
Интегрирование дифференциальных уравнений движения Эйлера приводит к важнейшему уравнению гидродинамики - уравнению Бернулли. Это уравнение широко используется в инженерных расчетах
Потери напора по длине турбулентного потока.График Никурадзе
Получить закон распределения местных скоростей по сечению турбулентного потока теоретически не представляется возможным,поскольку скорости в каждой точке изменяются по величине и направлению.
Характеристики турбулентности.
1. Интенсивность турбулентностиIT:
где - среднее квадратичное значение ( = ) пульсационной скорости. Обычно при движении по трубам
График Никурадзе
Формула Дарси-Вейсбаха позволяет рассчитывать потери напора по длине потока жидкости при любом режиме движения. Использование теории подобия для анализа экспериментальных данных по
Расчет простого трубопровода.Характеристика трубопроводной сети
Рассмотрим расчет простого трубопровода, решая задачу первого типа. Пусть простой трубопровод постоянного сечения имеет прямые участки суммарной длиной ℓ и диаметром d, а также несколько мест
Расчет сифонного трубопровода
Обычно при расчете сифонного трубопровода решается задача второго типа. Сифоном называется трубопровод постоянного диаметра, выполненный в виде петли, лежащей выше уровней жидкости в двух ре
Расчет сложных трубопроводов
Сложный трубопровод в общем случае состоит из простых трубопроводов с последовательным и (или) параллельным их соединением (рис. 40а) или с разветвлениями (рис 40б). Отсюда получаются сложные кольц
Расчет магистральной линии.
Магистральная линия в общем случае рассчитывается как простой трубопровод с участками различного диаметра и переменным расходом.
Участок АВ:
Диаметр трубопровод
Основы расчета газопроводов
При движении газа по трубопроводам постоянного диаметра (d = const) давление падает из-за потерь энергии на трение.
Согласно уравнению неразрывности потока для сжимаемой
жидкости
Понятие о технико–экономическом расчете трубопровода
В технике нередко возникает задача перемещения заданного расхода жидкости с наименьшими экономическими затратами.
Стоимость транспортирования обычно складывается из двух составляющих –
Псевдоожиженные слои
Слой зернистого твердого материала, пронизываемый восходящим потоком жидкости или газа, может находиться в двух качественно различных стационарных состояниях. При фиктивной скорости
Пневмотранспорт и гидротранспорт
Потоки газа и жидкости используются в ряде химических производств для перемещения зернистых материалов с целью их транспортировки на различные расстояния, а также для осуществления физических и хим
Движение жидкости в аппаратах с мешалками
Мешалка, вращающаяся в сосуде с жидкостью, передает количество движения от двигателя жидкости и вызывает тем самым ее движение, при котором происходит перемешивание. Передача количе
Физическое моделирование аппаратов с мешалками
Найти трехмерные поля скорости и давления в аппарате с мешалкой путем аналитического решения уравнения движения (2.55) и неразрывности (2.16) даже в стационарном однофазном случае н
Пневматическое перемешивание
Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом является малоэффективным процессом. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Пер
Перемешивание в трубопроводах
Перемешивание в трубопроводах является наиболее простым видом осуществления этого процесса. В этом случае используется энергия турбулентного потока жидкости (газа), движущейся в тру
Отстаивание
Отстаивание применяют в промышленности для сгущения суспензий или классификации суспензий по фракциям частиц твердой фазы, для грубой очистки газов от пылей и для разделения эмульси
Отстойники
Отстаивание проводят в аппаратах, называемых отстойниками. Отстойники для сгущения суспензий называют сгустителями, а д
Расчет отстойников.
При расчете сгустителей основываются на скорости осаждения самых мелких частиц суспензии, подлежащих отделению, а при расчете классификаторов - на скорости осаждения тех частиц, которые должны быть
Осаждение под действием центробежных сил
Проводя процесс разделения гетерогенных систем под действием центробежных сил, можно существенно интенсифицировать его по сравнению с отстаиванием благодаря увеличению движущей силы
Циклоны и отстойные центрифуги
Циклоны. Циклонный процесс получил свое название от циклонов - аппаратов для разделения пылей. Позднее начали использовать работающие
Отстойные (осадительные) центрифуги.
Эти центрифуги применяют для разделения суспензий и эмульсий путем осаждения дисперсных частиц под действием центробежной силы. Кроме отстойных центрифуг в химической технологии ис
Расчет отстойных центрифуг непрерывного действия.
При расчете центрифуги можно рассматривать как отстойники, в которых скорость осаждения частиц в Крраз больше, чем при гравитационном осаждении (п
Очистка газов в электрическом поле
Осаждение дисперсных твердых и жидких частиц в электрическом поле (электроосаждение) позволяет эффективно очистить газ от очень мелких частиц. Оно основано на иониз
Электрофильтры
По форме электродов электрофильтры делятся на трубчатыеи пластинчатые, а в зависимости от вида удаляемых из газа частиц - на сухие
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Новости и инфо для студентов