Шпоры по Процессам и аппаратам химической технологии - файл n1.docx

приобрести
Шпоры по Процессам и аппаратам химической технологии
скачать (2106.7 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.docx2107kb.15.09.2012 23:25скачать

n1.docx

1.Основные теоретические модели процесса массоотдачи (пленочная, проникновения, диффузионного пограничного слоя).

Пленочная модель:

C0 – концен.целевого компонента; Cгр* - концен.коипонента на границе раздела фаз. Основные допущения:1.Процесс стационарный; 2.Задача одномерная; 3.Движения в пленке нет(либо не движется, либо ламинарно);4.На границе существует пограничный диффузионный слой. 2.Диффузионно-пленочная модель. В этой модели сравниваются уравнение Новье-Стокса и второй закон Фика, с математической точки зрения они ничем не отличаются С упрощением эти уравнения были решены и были получены профили скорости и концентрации поперечной области(область расположенная вдали от поперечной координаты) – мера отношений импульса к переносу массы. – отношение пограничного диффузионного слоя к толщине пограничного слоя при гидродинамике равно . Pr по теплообмену и Pr диффузионный для газов близки к 1, таким образом . Для жидкости Pr близок к 100 (диффузионный)=>. 3.Модель Хигби(Теория обновления поверхности). По этой теории идут постоянные пульсации, они пробивают границы раздела фаз и приносят некоторый объем вещества и распластываются в виде лепешки на стенке, далее идет диффузия. Между пульсациями идет диффузия с новыми принесенными веществами(поток уменьшается). Локальная неизвестная- это изменение концентрации во времени. Диффузия идет через границу, темп постепенно уменьшается. Меняется только коэффициент , а суть остается прежней. Экспериментальные данные по массообмену показывают, что поток будет близок к (правда несколько выше) пр:песок и сковорода.

2.Дифференциальное уравнение ковнективно-диффузионного переноса массы.

Выделим из исследуемой среды элементарный объем. Поток входит в этот объем следовательно меняется концентрация. Поток входит не по касательной, элементарный объем должен быть менше, чем исследуемое пространство, больше чем молекулы, чтобы сохранить сплошность и непрерывность, источника внутри нет, физико-химические свойства.. Поток состоит из двух составляющих конвективной и диффузионной. Подставим в уравнение (2) уравнение (3) и перенесем всё в левую часть:

Уравнение неразрывности потока связано с ? и с изменением потока.



Были попытки усовершенствовать эту модель: 1) изменить коэффициент диффузии; 2) хотели ввести турбулентный коэффициент диффузии.

3.Движущая сила и направление масообменного процесса.

Массообменный процесс – это процесс при котором происходит переход компонента из одной фазы в другую.=> диффузионный пронос: распространение компонента из-за диффузии. Основные процессы: абсорбция, десорбция, ректификация, сушка, адсорбция, экстракция, кристаллизация, ионный обмен. Все массообменные процессы делят на 2 группы: 1.Массобменные процессы , где имеется подвижная граница раздела фаз (абсорбция, ректификация, экстракция). 2.Граница определена (сушка, ионный обмен). Так же массообмен можно разделить и по другому фактору: 1.Массообменный процесс, где один компонент А переходит из одной фазы в другую –фазы инертны.2.Переходы одной фазы в другую.( фазы не инертны – ректификация.) Движущая сила процесса – разность действительной (истинной , рабочей У) и равновесной У* концентраций целевого компонента. Чем значительнее действительная концентрация отличается от концентрации равновесной, тем больше скорость массопередачи, т.е. скорость стремления системы к состоянию равновесия. Движущая сила – мера отклонения процесса от состояния равновесия. Этот процесс идет самопроизвольно, мы можем его усилить или замедлить.Движущая сила процесса – это разность между текущей и равновесной. Для ун нужно знать хк и подставить его в Если численные значения действительных концентраций целевого компонента в двух контактирующих фазах соответствуют равновесному соотношению для рассматриваемой системы, то такая система находится в равновесном состоянии и направленного перехода компонента из одной фазы в другую не будет. Если же значения действительных концентраций в контактирующих фазах отличаются от значений, предписанных равновесным соотношением, то возникает направленный поток целевого компонента, стремящийся изменить действительные концентрации компонента в сторону приближения их к равновесному соотношению.

4.Уравнения массоотдачи и массопередачи. Связь коэффициентов массоотдачи и массопередачи.

Уравнение массоотдачи : В виду сложности механизма процессов массоотдачи в фазах для практических целей принимают, что скорость массоотдачи пропорциональна движущей силе, равной разности концентраций в ядре и на границе фазы или (в случае обратного направления переноса) – разности концентраций на границе и в ядре фазы.

5.Подобие массообменных(диффузионных) процессов.Общий вид критериального уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи.

Соблюдение геометрического и гидродинамического подобий необходимы, чтобы рассмотреть подобие массообменных процессов.1)Граница раздела фаз: заменим все x на l. Используя вторую теорему подобия, запишем это уравнение через константы: (индикатор подобия). Диффузионный критерий Нусельта: Из значения критерия Нусельта рассчитывается коэффициент массоотдачи.Может быть и по жидкой фазе и по газу . Nu – мера отношения переноса масс в следствии массоотдачи к передачи массы на границе раздела фаз диффузии. 2) В ядре два потока:. Используя вторую теорему подобия запишем через константы: Индикаторы подобия и константы подобия заменяем на параметры подобия. – диффузионный критерий Фурье, показывает стационарный процесс или нестационарный. – диффузионный критерий Пекле, это мера отношения массы перенесенной в следствии конвекции к массе перенесенной путем диффузии. Умножим числитель и знаменатель на кинематический коэффициент вязкости: Общее критериальное уравнение: .

Теория подобия не применяется широко, т.к:1)Масообменных процессов большое разнообразие. 2)Большое разнообразие аппаратного оформления.

6.Методы определения общего числа единиц переноса.

На примере абсорбции: – число единиц переноса рассчитанное по газовой фазе общее; – отношение рабочей концентрации и к текущей к средней движущей силе процесса. – известно из материального баланса. – сосчитать нельзя. текущий нельзя выразить из у равновесного в общем виде.1.Численое интегрирование.



Методом трапеции определяем поверхность



Частный случай первой позиции, если равновесная линия прямая:



. 2.Определение общего числа единиц переноса через частные единицы переноса(на примере абсорбции). методом индукции:; сложим уравнения 1,2 и 3: - по жидкой фазе, через частные единицы переноса. Ректификация: – частный коэффициент единиц переноса.3.Метод объемных концентраций. Он применяется только тогда, когда равновесная линия немного кривая . На примере абсорбции:



Определяем среднюю линию между рабочей и равновесной концентрациями: Рассмотрим .

7.Расчет насадочных колонн при линейной равновесной зависимости.





8.Расчет насадочных колонн при криволинейной равновесной зависимости.

9.Расчет тарельчатых колонн. Определение высоты и диаметра.

10.Теоретически минимальный расход жидкости на орошение абсорбционной колонны. Экономически оптимальный расход абсорбента.




11.Выбор насадки. Гидродинамические режимы работы насадочных колонн.



1-сухая насадка (положили насадку и пропускаем газ);; ОА-пленочный режим. Жидкость будет обтекать, насадка будет смачиваться, а газ на этой насадке будет взаимодействовать с вязкостью, газовая фаза сплошная.Скорость увеличивается – Режим подвисания –АВ. Жидкость подвиснет под паром, коэффициент массопередачи растет. ВС-эмольгационный режим. Вся колонна наполнена жидкостью, а газ – большими пузырьками будет проходить, через этот слой жидкости. Жидкость – сплошная фаза, коэффициент массопередачи растет.* активный пленочный режим. Насадки:1)регулярные(сетка) можно кольца Рашига уложить плотно друг к другу слоями.Очень маленькое сопротивление 50-70 Па.2) Нерегулярные(большая разность давлений, навалочные, насыпные): Кольца Рашига; Кольца Пайа; Седлообразная насадка.



Требования к насадкам: 1.Удельная поверхность насадки; 2.Сопротивление; 3.Должна быть механически прочная;4.Д.б. химически инертна; 5. Д.б. дешовой. (1.Должна обладать большой поверхностью на единицу объема; 2.Иметь большой свободный объем, в котором осуществляется контакт между жидкостью и парами;3.Оказывать малое сопротивление газовому потоку; 4.Жидкость и мельчайшие твердые частицы не должны скапливатьтся в некоторых частях объема насадки; жидкость не должна протекать между насадкой и стенками аппарата; 5.материал насадки должен быть стойким к химическому воздействию жидкости и газа, находящейся в колонне; 6.иметь малый удельный вес; 7.Обладать высокой механической прочностью при отсутствии значительных давлений. )

12. Непрерывно действующая абсорбционно-десорбционная установка.

Состоит из двух колонн: абсорбера и ректификационной колонны.



1-абсорбер;2-ректифик.колонна; 3-теплообменник основной;4-дефлегматор;5-теплообменник для охлажд. Продукта;6-насос;7-делитель флегмы.

Эта схема используется когда из газа или пара необходимо выделить ценный компонент.Абсорбируем водой или органикой, разделяем процессом ректификации. Для создания давления в абсорбере необходим насос.Теплообменник необходим для абсорбера-для охлаждения для ректификации для tкип(нагревание).

13.Как определить экспериментально коэффициент массопередачи в насадочной абсорбционной колонне?

1.Объемный расход воздуха пересчитывается в массовый расход , где плотность воздуха определяется по формуле газового состояния при давлении (?–B) и температуре tвх в нижней части колонны;2. Значения объемных (мольных) концентраций аммиака в воздухе yн и yк пересчитываются в его относительные массовые доли по определяющему соотношению .3. Определяется степень поглощения аммиака из газового потока .4. Количество отданного газовым потоком аммиака М определяется по уравнению материального баланса (4.3). М = G(Y н Y к ) = L( X к X н ),5. Массовый расход воды L вычисляется через ее объемный расход Vв и плотность ?в : . 6. Из уравнения материального баланса по количеству аммиака в жидкой фазе находится концентрация аммиака в покидающей абсорбер воде: , где полагается отсутствие аммиака в воде поступающей в аппарат, . 7. По уравнению p * = E X , находится величина парциального давления аммиака p* ( Xк ), равновесное с конечной его концентрацией в воде. Полученное значение p*пересчитывается в относительную массовую долю Y* ( X к ):

8. Среднее по слою насадки значение движущей силы процесса массопередачи

?Y ср вычисляется по логарифмической формуле (9.5). . 9. Поверхность массопередачи F принимается равной суммарной поверхности всех

колец насадки F = 0,785 D2 H?, где D = 0,100 м и H = 1,70 м – внутренний диаметр

колонны и высота слоя насадки? = 320– удельная поверхность насадки из колец

размером 15x15x2 мм. 10. Значение коэффициента массопередачи KY определяется из уравнения массопередачи (4.4). М= K F ?Y ,
14. Материальный баланс ректификационной колонны непрерывного действия.Уравнения рабочих линий.



1-колонна; а-верхняя часть колонны; в-нижняя часть колонны;2-куб колонны(м.б. спаренный, м.б. вынесенный); 3-дефлегматор(парциальный конденсатор можно поставить вместо 3); 4-гидравлический затвор; 5-делитель флегмы.

– концентрация легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке. Уравнение материального баланса: ; Уравнение рабочих линий: а) верхняя рабочая линия:



1-Колонна;2-дефлегматор. Уравнение рабочей линии – это уравнение материального баланса верхней части колонны в относительных единицах. - количество легколетучего компонента на выходе. – уравнение верхней рабочей линии. Б)Нижняя рабочая линия:



– баланс выхода и входа. – уравнение нижней рабочей линии.

15.Тепловой баланс ректификационной колонны. Определение расходов греющего пара и охлаждающей воды.



16.Теоретически минимальное и оптимальное флегмовое число.



ab – верхняя рабочая линия при min R (колонна работать не будет, т.к. движущая сила в этой точке равна 0), работает только нижняя часть колонны. Рассмотрим :

17.Влияние расхода флегмы на движущуюся силу процесса, на диаметр и высоту ректификационной колонны, на расходы греющего пара и охлаждающей воды.



1-расход греющего пара; а-высота более значима; в-увеличение диаметра; 2-кривая связана со строительством колонны(ремонт, амортизация). Если . Если , то рабочая линия будет прижиматься к диагонали, а число теоретических тарелок будет меньше, т.к. будет расти движущая сила. Между рабочей и равновесной линией высота колонны будет незначительно уменьшаться. подаем больший расход пара, т.к. больше флегмы стекает и нужно поддерживать, D незначительно увеличивается.

18.Схема ректификационной установки непрерывного действия.



1-колонна; а-верхняя часть колонны; в-нижняя часть колонны;2-куб колонны(м.б. спаренный, м.б. вынесенный); 3-дефлегматор(парциальный конденсатор можно поставить вместо 3); 4-гидравлический затвор; 5-делитель флегмы.

– концентрация легколетучего компонента в питании, дистилляте и кубовом остатке.

19.Конструкции тарелок ректификационной колонны. Коэффициент обогащения.

Ректификацию ведут как в тарельчатых, так и в насадочных колоннах. Все тарелки практически неподвижны: 1 группа(тарелки с регулируемым переливом жидкости): -колпачковая; -ситчатая; -колпачковая(прямо- и противоточная); - ситчато-клапанная; - жалюзийно-клапанные.2 группа( с нерегулируемым переливом жидкости):-провальная (щелевая, нет переточных труб).





Х-жидкая фаза; 1-ситчатая тарелка; 2- переливные трубы; -------только на этой площадке пар взаимодействует с жидкостью; 3-рабочая поверхность; 4-сливная планка; 5-сливной стакан, уменьшает вспениваемость жидкости. D отверстий – 5 и 8 мм. 5мм: для жидкостей, которые не имеют механических примесей. Сливная планка используется для равномерной подачи жидкости по рабочей поверхности (та поверхность, на которой пар взаимодействует с жидкостью). «+»ситчатых: -просты по конструкции; - фактор разделения показывает на сколько мы можем менять нагрузку.(ситчатые тарелки имеют средний диапазон), «-»: - происходит осмоление, забиваются дырки=>меняется скорость, меняется динамика. Колпачковая тарелка:



Клапанная тарелка:



Широко используются в промышленности, все эти тарелки имеют переточные трубы.

Щелевая тарелка:



По мере накопления жидкости на тарелке, в каком- то месте будет идти провал.Рабочая «+»: просты по конструкции. «-»: - если горизонтально не установить тарелку, то провал будет идти на одном участке;-забивка щелей; -менее используемы.

20.Экстрактивная и азеотропная ректификация.

- азеотроп,

- азеотроп. При этом при выходе из колонны бензол, а спирт в кубовом остатке.



1-колонна; 3-отстойник непрерывного действия; В отстойнике происходит расслоение: Бензол-вверху, вода-внизу. Бензол в виде флегмы подают обратно в колонну. К азеотропу очень трудно подобрать третий компонент:1. Бензол используют когда мало воды в исходной смеси.2.Чистый спирт получить нельзя, нужно будет очистить от бензола. При экстрактивной ректификации компоненты близки по летучести. Третий компонент резко снижает летучесть одного из компонентов. Бензол и циклогексан (их летучести близки). Добавляют фенол . Он резко снижает летучесть циклогексана. А-чистый бензол; В-циклогексан; С-фенол.



21.Простая перегонка. Перегонка с водяным паром.

Простая перегонка или однократный акт разделения жидкой смеси, состоит в том, что исходную смесь нагревают до ,после чего продолжают подводить к кипящей смеси теплоту, которая требуется на процесс парообразования.В равновесном составе образующихся паров более летучего компонента относительно больше.Эти пары непрерывно отводятся в конденсатор, где они полностью конденсируются, образуя новую жидкую смесь, обогащенную летучим компонентом по сравнению с исходной жидкой смесью. При конденсации выделяется теплота фазового перехода, поэтому для её отвода в конденсатор необходимо подавать воду или другой тепловоспринимающий агент. Идет процесс для тех систем, которые нерастворимы в воде и вода в них не растворима.Используется для очистки органических веществ от примесей (бензол, толуол).1.Бензол ; 2.Толуол ; 3.Финол ; 4.; 5.;



----вода; все точки М сместятся при Р=380 мм.рт.ст. и Перегонка с водяным паром:равновесные диаграммы для систем, компоненты которой не растворяются друг в друге.Если жидкости не растворяются друг в друге, то по уравнению Гиббса(2 жидкости+паровая фаза)=> 1 степень свободы, а система описывается 3-мя параметрами (Т,Р и составом).Если Т=const, A –легколетучий компонент.Парциальные давления=насыщенным давлениям. А и В не зависят друг от друга, П-общее давление. смеси будет ниже любого из компонентов.



Если Р=const, 1-линия кипения, 2-линия конденсации.Смесь будет кипеть при меньшей, чем компонентов.



Если желаем получить ха, то нужно изменить давление=> точка М сдвигается.

22.Материальный баланс однократной экстракции. Конструкции экстракторов.

1.Смесительно-отстойный экстрактор. Может работать непрерывно и периодически.



– первичный растворитель (х-концентрация компонента в первичном растворителе); – вторичный растворитель, 2-отстойник,1-смеситель, – рафинад, – экстракт.

; ;

2.Экстрактор ячеичного типа (противоточный). Окна для перелива жидкости сделаны на разном уровне.



3.Роторно-дисковый экстрактор.



Экстракция состоит из: 1) смешение; 2)отстаивание.



– ацетон, из него вытекают водой; – четыреххлористый углерод подается сверху, вода-. . Поверхность контакта фаз для пузырей не определить, поэтому поверхность берём через объем.

4.Пульсационные колонны.Это тарельчатые колонны большого диаметра.



23.Расчет противоточной экстракции на основе уравнения массопередачи.

концентрация компонента в первичном растворителе. По Y находим среднюю движущую силу процесса:

находим в относительных массовых концентрациях. Вторичный растворитель не содержит Y.


24.Адсорбция.Статика и кинетика. Адсорбция в неподвижном слое.

Адсорбция – избирательное поглащение компонента (компонентов) твердой поверхностью из газовой (паровой) и жидкой сред.Используется адсорбция тогда, когда концентрация компонента меньше 50 г/м3. –процесс экзотермический=> возможно снизить температуру и повысить давление. – процесс похож на гетерогенный катализ. – чем более развита поверхность твердого вещества, тем процесс идет лучше. – адсорбент-сорбент. – компонент который поглащается – сорбтив. – чем лучше сжижаемость компонента, тем процесс адсорбции идет лучше. – активация – удаление смолистых веществ из твердого. Сорбенты: - активированный уголь (получают обработкой древесины перегретым паром); -селикогель, ферогель, алюмогель. –солиты-алюмосиликаты. – цеолиты с Ме I , II Менделеева. Диаметр пор: 1.Микропоры D<1,4 нм(нано 10-9м).2.Субмикропоры D=1,4ч3,0 нм. 3.Мезопоры D=3,0ч200 нм. 4.Макропоры D>200 нм. Поверхность твердого тела, с позиции адсорбции, имеют микротрещины, микровпадины, выступы. На поверхности твердого тела есть активные участки, которые притягивают молекулы сорбтива. Теория Ленгмюра (химическая теория нач 19 в.): атом углерода на поверхности с ненасыщенной связью, которые притягивают молекулы сорбтивов.



Теория Поляни(физическая теория)- силы очень слабые, на подобие Вандервальсовых.Процесс динамический. Сорбтивы притягиваются слоями.Часть сорбентов относится к химической теории, часть к физической.



Парциальное давление не большое.



Изотерма работает для одного адсорбента и для одного сорбтива. Изотерма Френдлиха: – уравнение Генри; - концентрация компонента в газовой фазе; - концентрация компонента в твердой фазе.



Если n=0, т.е. это химическая реакция нулевого порядка – отражает теорию Ленгмюра. Существует динамическая равновесная составляющая и статическая: соотношение т.е. на 10%. Кинетика процесса: . Т.к. поверхность пор не известна, то все рассчеты ведут через объемный коэффициент. . Текущий компонент больше, чем равновесный. .



Уравнение Шилова:



- время действия защитного слоя (с), – длина (высота) слоя (м); – время потери защитного действия слоя.



-Если изотерма будет вогнутой, то при увеличении слоя сорбента эти кривые будут падать; -Если изотерма – выгнутая, то при каком – то времени будут получаться S- образные II кривые.

25.Как определить экспериментально коэффициент массопередачи в противоточном адсорбере со взвешенным слоем адсорбента.

знаем по бюретке сколько накопилось воды. Дано: . По диаграмме Рамзина, зная показатели психрометров (t мокрого и сухого воздуха)=> и парциальное давление водяного пара По формуле Клапейрона:

. По …. Определяем движение частички сорбента, т.е. знаем сколько сорбента за какое-то время подходит . Находим среднюю движущую силу по логарифмической формуле.



26. Сушильные агенты, их основные параметры и связь между ними.

В качестве сушильного агента (источник необходимой для сушки теплоты) используют топочные газы (продукты сгорания углеводородных топлив) или предварительно подогреваемый воздух. Основные параметры: 1. Относительная влажность воздуха – отношение его абсолютной влажности в данном состоянии к абсолютной влажности насыщенного водяным паром воздуха при той же температуре. где - парциальное давление паров влаги в воздухе; - давление паров в состоянии насыщения при той же темпеературе. Предельное состояние насыщенного воздуха соответствует значению 2. Абсолютное влагосодержание воздуха. Это масса водяного пара, приходящаяся на единицу массы сухой части воздуха. Каждому парциальному давлению пара соответствует вполне определенное влагосодержание. 3.Энтальпия влажного воздуха – это количество тепла в воздухе, приходящееся на единицу массы его сухой части. ().4.Температура.Температура точки росы () – температура влажного воздуха, при которой он станет насыщенным (), если его охладить при постоянном влагосодержании ()..



Температура влажного термометра – это температура паровоздушной смеси, которую она будет иметь по достижении насыщенного состояния, если смесь охладить при постоянном значении её энтальпии. Точка 0 – начальный параметр воздуха.



Диаграмму Рамзина можно использовать не только для воздуха, но и для инертных топочных газов.1-смеситель. «+» не нужно нагревать; «-» топочные газы загрязняют.



27.Материальный баланс конвективной сушки. Удельный расход сушильного агента.



1-калорифер; 2-сушилка.



0-1-нагрев воздуха в калорифере; 1-2- в сушилке; После калорифера влагосодержание не меняется: ;Воздух после сушки будет содержать больше влаги: – нагрев воздуха в калорифере. - в калорифере мы нагреваем воздух, но с увеличением температуры энтальпия 1 растет. – т.к. после сушки в воздухе много влаги. Материальный баланс:- расход влажного (высушиваемого) материала (); – расход высушенного материала (); – расход испаренной влаги; – массовая доля влаги в материале в начале и в конце. На абсолютно сухой материал: - относительная массовая концентрация влаги на материал в начале и в конце

28.Тепловой баланс конвективной сушки. Удельный расход теплоты. Тепловой КПД.

Уравнение теплового баланса процесса конвек-тивной сушки составим для наиболее простой схемы сушильной установки – для так называемого нормального сушильного варианта, в который входит калорифер (К) и сушильный аппарат (С), последовательно проходимые сушильным агентом (рис. 10.5). В калорифере сушильный агент (чаще – воздух атмосферных параметров) получает теплоту (Qкал) от какого-либо источника теплоты, например от греющего пара.

Уравнение теплового баланса непрерывного процесса сушки составляется для всей установки в целом (контур, представленный на рис. 10.5 пунктиром), для чего приравниваются все входящие в установку количества теплоты (левая часть равенства (10.11)) всем выходящим количествам теплоты (правая часть равенства):





Qкал + LI0 + GнJн + GтрJтр. н + Qдоп = LI2 + GкJк +

GтрJтр. к + Qпот,

(10.11)

где Gтр – масса поступающих в сушилку и выходящих из нее в единицу времени транспортных средств, на которых влажный материал перемещается внутри аппарата (вагонетки, ленточный транспортер и т. п.), кг/с; Jтр. н и Jтр. к – энтальпии транспортных средств на входе и выходе из сушильного аппарата, Дж/кг; Qдоп – теплота, которая может дополнительно вводиться непосредственно в сушильном аппарате, Вт; Qпот – потери теплоты в окружающую среду, Вт; Jн и Jк – энтальпии материала на входе и выходе из аппарата, Дж/(кг мат.); I0 и I2 – энтальпии сушильного агента на входе в калорифер и на выходе из сушилки, Дж/(кг сух. вх); – расход сушильного агента, кг сух. вх/с.

Уравнение теплового баланса (10.11) обычно решается относительно количества теплоты, которое необходимо подводить к сушильному агенту в калорифере Qкал:




Qкал = L(I2I0) + GкJкGнJн + Gтр(Jтр. кJтр. н) + QпотQдоп.

(10.12)

Из соотношения (10.12) следует, что теплота, которая должна быть подведена к сушильному агенту в калорифере, расходуется на повышение энтальпии сушильного агента от I0 до I2, на нагрев материала, на нагрев возможных транспортных средств, на компенсацию тепловых потерь в окружающую среду. Теплота Qдоп уменьшает необходимое количество вводимой в калорифере основной теплоты Qкал.

Обычно при конвективной сушке основным по величине является первое слагаемое уравнения теплового баланса (10.12), которое в неявной форме содержит теплоту, расходуемую на испарение влаги из высушиваемого материала. Тогда, обозначая всю группу оставшихся слагаемых символом , соотношение (10.12) можно переписать в компактном виде:




Qкал = L(I2I0) + .

(10.13)

С другой стороны, можно записать тепловой баланс отдельно для калорифера; при этом сделаем предположение о том, что с наружной поверхности калорифера не происходит потерь теплоты в окружающую среду (такое предположение основано на том обстоятельстве, что наружная поверхность хорошо теплоизолированных калориферов обычно много меньше наружной поверхности сушильного аппарата и поэтому потери теплоты Qпот с поверхности всей установки можно отнести к поверхности только одной сушилки). Тогда подводимая в калорифере теплота полностью расходуется на повышение энтальпии сушильного агента:




Qкал = L(I1I0).

(10.14)

Правые части соотношений (10.13) и (10.14) оказываются, таким образом, равными:




L(I2I0) +  = L(I1I0).

(10.15)

Из выражения  = GкJкGнJн + Gтр(Jтр. кJтр. н) + QпотQдоп следует, что вполне реальной может оказаться такая ситуация, когда дополнительно подводимая непосредственно в сушилку теплота Qдоп компенсирует затраты теплоты на нагревание материала, на нагревание транспортных средств и на потери теплоты в окружающую среду. Здесь следует еще иметь в виду, что первое и второе слагаемые в выражении для  могут быть близкими по значению, поскольку увеличение энтальпии нагретого высушенного материала (Jк Jн) частично компенсируется убылью общей массы высушенного материала (Gк Gн). Кроме того, транспортные средства во многих сушильных аппаратах отсутствуют (см. далее).

Сушильный аппарат, для которого можно принять  = 0, называется теоретической сушилкой. Для такого аппарата из равенства (10.15) следует I2 = I1, т. е. в теоретической сушилке энтальпия сушильного агента не изменяется.

На первый взгляд, это кажется не очень понятным, поскольку температура сушильного агента при прохождении им сушильного аппарата уменьшается, а значения энтальпии и воздуха, и пара пропорциональны температуре (см. соотношение (10.3)). Но одновременно с понижением температуры происходит увеличение количества водяных паров (x), приходящихся на 1 кг сухого воздуха, что и компенсирует понижение температуры сушильного агента, сохраняя постоянным значение энтальпии влажного сушильного агента, которая относится к одному килограмму сухой основы воздуха. Иными словами, в теоретической сушилке теплота, отдаваемая сушильным агентом влажному материалу, возвращается в сушильный агент в том же количестве с теплотой испаренной влаги.

При анализе сушильных процессов широко используется понятие удельного расхода теплоты (q), затрачиваемой на испарение одного килограмма влаги из материала, т. е. q = Qкал/W. Подставляя в это определяющее равенство выражение для Qкал из общего равенства (10.13), получим




q = Qкал/W = L(I2I1)/W + /W = l(I2I1) + ,

(10.16)

где l = L/W – удельный расход сушильного агента (см. соотношение (10.10)),  = /W – удельные затраты теплоты на нагревание материала, транспортных средств и на компенсацию теплопотерь, отнесенные к 1 кг испаряемой из материала влаги, Дж/(кг исп. вл.) (для теоретической сушилки  = 0).

При анализе сушильных процессов широко используется понятие удельного расхода теплоты (q), затрачиваемой на испарение одного килограмма влаги из материала, т. е. q = Qкал/W. Подставляя в это определяющее равенство выражение для Qкал из общего равенства (10.13),

получим

q = Qкал/W = L(I2 – I1)/W + ?/W = l(I2 – I1) + ?

где l = L/W – удельный расход сушильного агента, ?=?/W – удельные затраты теплоты на нагревание материала, транспортных средств и на компенсацию теплопотерь, отнесенные к 1 кг испаряемой из материала влаги, Дж/(кг исп. вл.) (для теоретической сушилки ? = 0). Значение удельного расхода теплоты q характеризует экономичность конкретного процесса сушки. Однако при термической сушке существует физический минимум, ниже которого значение удельного расхода теплоты быть не может. Это связано с величиной удельной теплоты испарения (r, Дж/кг) влаги, удаляемой из материала, поскольку при термической сушке удаляемую влагу как минимум необходимо перевес-

ти из состояния жидкой фазы в фазу паровую. Показателем экономичности процесса термической сушки является термический коэффициент полезного действия (КПД):? = r/q, где удельный расход теплоты на сушку q превышает удельную теплоту испарения влаги r на величину затрат теплоты на нагревание материала, транспортных средств, на потери теплоты с поверхности сушилки в ок-

ружающую среду и на теплоту, теряемую с отходящим из сушилки сушильным агентом. Для теоретической сушилки (? = ? = 0) неравенство q > r (т. е. ? < 1) также сохраняется за счет отвода теплоты из сушилки с отходящим сушильным агентом, имеющим температуру t2 > t0. Более того, чаще всего в процессах конвективной сушки основные потери теплоты – это потери с отходящим сушильным агентом.

29.Изображение основных вариантов сушильных процессов на диаграмме I-X.

1.Нормальный сушильный вариант (теоретическая сушка). 1-калорифер; 2-сушилка.



2.Сушка с рециркуляцией воздуха. Часть воздуха из сушки подадим до 1. .



Снижение температуры.

– уравнение описывающее прямую через 3 точки => не лежат на изотерме, они разные. 3.Сушка с промежуточным подогревом воздуха (вместо 1 мощного калорифера поставим 1 калорифер и ещё 2- всего 3).



30.Конструкции конвективных сушилок.

1.Камерная сушилка: h=2м, l=2м; ширина 2 м. Заслонка создает рециркуляцию воздуха.∙∙∙ - калориферы(подогрев воздуха промежуточный); «-» Съем влаги Сушка идет очень долгонесколько часов (ручной труд).



2.Трубчатая сушилка(барабанная сушилка.) (используется для сушки руды). А=8ч10 . Чем более специализирована сушилка, тем больше съем влаги А.Большое сооружение:



D=1ч3м; L=5ч6 м; n=0,02 об/с-число оборотов. А 10 – съем влаги; - степень заполнения барабана. 1-приемная и топочная камера (подается горючий газ, который нагревает воздух). 2- сушилка в виде трубы; 3- коронная шестерня; 4- ведущая шестерня; 5-редуктор; 6-электродвигатель; 7-крепежные обручи; 8-опорные ролики, есть упорные ролики 9-приемная камера высушенного материала. Внутри барабана есть полки, которые переколачивают куски руды.

3.Распылительная сушилка (сушит любые материалы и растворы – таблетки)



; 1- полая трубка, сверху подается концентрированный раствор.2-распылительное устройство (самое слабое звено).3-электродвигатель, который закрыт кожухом.4-тоннель по которому подается воздух.5-выгрузка материала в виде шнека, есть гребковая мешалка, которая передвигает таблетки.Есть несколько способов подачи, через форсунки для создания капель (касательно).

4.Сушка пневматической трубой (для пастообразных материалов). . Сушка несколько минут в трубе.5-загрузочное устройство.1-нагнетательный вентилятор.2-калорифер(нагрев воздуха).3-труба.4-циклон. А-несколько десятков .



5.Сушка со взвешенным слоем(слой кипящий)

31.Контактная, радиационная, высокочастотная и сублимационная сушка.

Контактная сушка мало отличается от выпаривания, обычный сушильный шкаф, передача теплоты греющим паром (электричеством) через стенку материала. Контактная сушка проводится в вакууме. «+»: -можно контролировать скорость сушки, т.к. можно понижать температуру греющего агента. – стирильность процесса. –улавливается ценный продукт.-качественный продукт сохраняет свои свайства. Сублимационная сушка – без плавления происходит испарение вещества. Давление несколько Па. Сохраняет биологические свойства высушенного материала Воду использовать нельзя, только хладагенты! Пример: получение плазмы крови, пиницилина. Вальцовая сушка(для пастообразных материалов).Пастообразный материал собирается на барабанах волков. .



Сушка ИКЛ: Длина волны – видимость света 0,3ч0,76 мкм, инфракрасное излучение 0,76ч246мкм. ИКЛ сушка зависит от интенсивности потока, и чем уже длина волны, тем лучше. Она зависит от материала, от фактуры и цвета.



1.Лучи ИКЛ проходят через материал, доходя до препятствия лучистая энергия превращается в тепловую => идет нагрев материала. Сушка идет во всем объеме равномерно.(такое бывает редко).2.Лучи доходят до поверхности и не проникают,лучистая энергия превращается в тепловую на поверхности материала. Материал коробиться, т.к. температура поверхности высокая, а в материале низкая, чтобы избежать делают так: Облучают в течении 1 минуты, а потом дают полежать 10 мин, затем снова облучают, сушка идет равномерно по всему объему. Источники ИКЛ: а)Специальная лампа накаливания – имеет узкий диапазон длины волны ИКЛ, у неё боковая поверхность зеркальная, температура нагрева на 200 градусов ниже нити накаливания 500 градусов. С помощью этой лампы сушат штучные предметы. Б) Безпламенные горелки:



Сушат штучные и габаритные предметы. Для крупногабаритных предметов ставят металлические листы, нагревают их с одной стороны и получают широкий спектр ИКЛ. Высокочастотная сушка: Предмет ставят между … Сушка идет во всем объеме равномерно, она сушит дороже чем ИКЛ, сушит штучные предметы.Тепловая энергия возникает вследствии трения- Высокочастотное поле приводит к образованию высокочастотных диполей молекул, которые за счет трения приводит к образованию теплоты.

32.Расчет времени процесса конвективной сушки.Вывод уравнений.



I-внешняя диффузия.II-внутренняя диффузия. II’-скорость диффузии воды из материала к поверхности. II’’-диффузия водяного пара еоторый образуется внутри и диффундирует на поверхность. В I периоде поверхность материала влажная и когда поверхность становится почти сухой, начинается II период.



Дифференциальное уравнение I периода: Константа скорости сушки зависит от параметров воздуха (x,t,P) и от скорости воздуха.II период: зависит от параметров материала, воздух должны подавать горячим. На II период повлиять практически нельзя

Рассмотренные простейшие формы аппроксимации опытных кривых сушки дают возможность находить общую продолжительность процесса сушки общ до требуемого конечного влагосодержания материала uк, для чего длительность процесса сушки в каждом из последовательных периодов суммируется:




общ = кр + к.

(10.35)

Время сушки в пределах первого периода от u0 до uкр находится из соотношения (10.32): кр = (u0uкр)/N, а к – время сушки материала от начала второго периода до задаваемого значения конечного влагосодержания uк – из соотношения (10.34): к.

33.Кинетика процесса конвективной сушки.

Рассмотрим влияние влагосодержания и температуры на процесс сушки.



Влагосодержание на поверхности материала больше, чем в воздухе. Направление потока влаги и направление нормали совпадают.Температура на поверхности материала больше, чем внутри материала.



Натяжение с повышением температуры падает. Натяжение справа больше, чем слева, поэтому капелька будет двигаться в право. Диффузия идет внутри материала. Суммарный поток влаги:Сложный диффузионный процесс, т.к. температура неоднозначно влияет на процесс. Кинетика процесса сушки состоит из 2-х стадий: внешняя диффузия (легко определить по диаграмме Рамзина), внутренняя диффузия. 1 стадия: параметры воздуха (x,t,P).Влагосодержание отвечает за масообмен, температура за теплообмен,парциальное давление а массо- и теплообмен. Диаграмма Рамзина:



1-2-процесс сушки; По температуре:



- температура мокрого термометра на выходе из сушилки. – потенциал воздуха на входе в сушилку. - потенциал воздуха на выходе из сушилки. . Парциальное давление: Р1-парциальное давление водяного пара на входе; Р2-парциальное давление на выходе из сушилки.;



2 Период сушки: Томас Шервуд 1821г.



I-внешняя диффузия.II-внутренняя диффузия. II’-скорость диффузии воды из материала к поверхности. II’’-диффузия водяного пара еоторый образуется внутри и диффундирует на поверхность. В I периоде поверхность материала влажная и когда поверхность становится почти сухой, начинается II период.



Дифференциальное уравнение I периода: Константа скорости сушки зависит от параметров воздуха (x,t,P) и от скорости воздуха.II период: зависит от параметров материала, воздух должны подавать горячим. На II период повлиять практически нельзя
34.Схема сушильной установки со взвешенным слоем дисперсного материала.



1-калорифер(воздух надо нагреть);2-сушилка ленточная (жидкость сверху-вниз);3-циклон для очистки воздуха, м.б. другой очистительный аппарат; 4-вентилятор нагнетательный: 5-вентилятор вытяжной. Если поставить только мощный нагнетательный вентилятор – установка будет работать, но пыль не будет вытягиваться из сушилки.Если убрать нагнетательный вентилятор и оставить вытяжной, то холодный воздух будет поступать в сушилку и менять рабочую температуру. А если поставить два вентилятора, от они должны работать синхронно.




1.Основные теоретические модели процесса массоотдачи (пленочная, проникновения, диффузионного пограничного слоя).

2.Дифференциальное уравнение ковнективно-диффузионного переноса массы.

3.Движущая сила и направление масообменного процесса.

4.Уравнения массоотдачи и массопередачи. Связь коэффициентов массоотдачи и массопередачи.

5.Подобие массообменных(диффузионных) процессов.Общий вид критериального уравнения для расчета коэффициентов массоотдачи.

6.Методы определения общего числа единиц переноса.

7.Расчет насадочных колонн при линейной равновесной зависимости.

8.Расчет насадочных колонн при криволинейной равновесной зависимости.

9.Расчет тарельчатых колонн. Определение высоты и диаметра.

10.Теоретически минимальный расход жидкости на орошение абсорбционной колонны. Экономически оптимальный расход абсорбента.

11.Выбор насадки. Гидродинамические режимы работы насадочных колонн.

12. Непрерывно действующая абсорбционно-десорбционная установка.

13.Как определить экспериментально коэффициент массопередачи в насадочной абсорбционной колонне?

14. Материальный баланс ректификационной колонны непрерывного действия.Уравнения рабочих линий.

15.Тепловой баланс ректификационной колонны. Определение расходов греющего пара и охлаждающей воды.

16.Теоретически минимальное и оптимальное флегмовое число.

17.Влияние расхода флегмы на движущуюся силу процесса, на диаметр и высоту ректификационной колонны, на расходы греющего пара и охлаждающей воды.

18.Схема ректификационной установки непрерывного действия.

19.Конструкции тарелок ректификационной колонны. Коэффициент обогащения.

20.Экстрактивная и азеотропная ректификация.

21.Простая перегонка. Перегонка с водяным паром.

22.Материальный баланс однократной экстракции. Конструкции экстракторов.

23.Расчет противоточной экстракции на основе уравнения массопередачи.

24.Адсорбция.Статика и кинетика. Адсорбция в неподвижном слое.

25.Как определить экспериментально коэффициент массопередачи в противоточном адсорбере со взвешенным слоем адсорбента.

26. Сушильные агенты, их основные параметры и связь между ними.

27.Материальный баланс конвективной сушки. Удельный расход сушильного агента.

28.Тепловой баланс конвективной сушки. Удельный расход теплоты. Тепловой КПД.

29.Изображение основных вариантов сушильных процессов на диаграмме I-X.

30.Конструкции конвективных сушилок.

31.Контактная, радиационная, высокочастотная и сублимационная сушка.

32.Расчет времени процесса конвективной сушки.Вывод уравнений.

33.Кинетика процесса конвективной сушки.

34.Схема сушильной установки со взвешенным слоем дисперсного материала.




1.Основные теоретические модели процесса массоотдачи (пленочная, проникновения, диффузионного пограничного слоя)
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации