Расчет трубчатого теплообменника

35. Массоотдача.  Закон Щукарева

Этот закон формулируется так: количество вещества, перенесенного потоком от поверхности раздела фаз (контакта фаз) в воспринимающую фазу или в обратном направлении, прямо пропорционально разности концентраций у поверхности контакта фаз и в ядре потока воспринимающей фазы, площади поверхности контакта фаз и продолжительности процесса.

Согласно теории диффузионного  пограничного слоя распределяемое вещество переносится из ядра потока жидкости к поверхности раздела фаз непосредственно конвективными потоками жидкости и молекулярной диффузией. В рассматриваемой системе различают ядро потока и пограничный диффузионный слой. В ядре перенос вещества осуществляется преимущественно потоками жидкости или газа. По мере приближения к пограничному диффузионному слою турбулентный перенос снижается и начинает увеличиваться перенос за счет молекулярной диффузии. При этом появляется градиент концентрации распределяемого вещества, растущий по мере приближения к границе. Таким образом, область пограничного диффузионного слоя — это область появления и роста градиента концентрации, область увели чения влияния скорости молекулярной диффузии на общую ско рость массопередачи.

Примем, что распределяемое вещество М переходит из фазы (1, в которой его концентрация выше равновесной, в фазу L.

Если концентрации вещества в ядрах фаз принять равными у. и Хр а концентрации на поверхности раздела фаз — соответственно \\ и х_г, то процесс массоотдачи вещества из ядра фазы G к поверхности раздела фаз и от поверхности раздела фаз в ядро фазы L можно записать так:

где Bx,By, — коэффициенты массоотдачи, характеризующие перенос вещества конао тивными и диффузионными потоками одновременно; концентрации у_τи х_τ предполаются равными равновесным, т. е. .

Коэффициент массооотдачи показывает, какое количество вещества передается от поверхности контакта фаз площадью в 1 м ' в ядро воспринимающей фазы или в обратном направлении в течение единицы времени при разности движущих сил, равной единице

36. Классификация неоднородных систем и способы их разделения

Классификация и основные характеристики неоднородных систем

Неоднородными, или гетерогенными, называют системы, состоящие, по меньшей мере, из двух фаз. При этом одна из фаз является сплошной, а другая - дисперсной, распределенной в первой в раздробленном состоянии: в виде капель, пузырей, мелких твердых частиц и т. д. Сплошную фазу часто называют дисперсионной средой.

В зависимости от физического  состояния фаз различают следующие  бинарные гетерогенные системы: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Суспензия-система, состоящая из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров частиц суспензии условно подразделяют на грубые (с частицами размером более 100 мкм), тонкие (содержащие частицы размером 0,1-100 мкм) и коллоидные растворы (с частицами менее 0,1 мкм).

Эмульсия-система, состоящая из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не растворяющейся в первой.

Пена - система, состоящая из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа.

Пыль - система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером более 5 мкм. В процессах химической технологии пыль образуется преимущественно при дроблении, смешивании и транспортировании твердых материалов.

Дым-система, состоящая из газа и распределенных в нем твердых частиц размером менее 5 мкм; образуется при горении.

Туман-система, состоящая из газа и распределенных в нем капель жидкости размером менее 5 мкм.

Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы и носят общее название - аэрозоли.

Методы разделения неоднородных систем

Процессы, связанные с  разделением неоднородных систем, играют большую роль в химической технологии при подготовке сырья и очистке  готовых продуктов, при очистке  сточных вод и отходящих газов, а также при выделении из них ценных компонентов.

Применяют следующие  основные методы разделения: осаждение, фильтрование и мокрую очистку газов.

Осаждение - процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под действием сил тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс и центрифугирование), сил инерции, электростатических сил (очистка газов в электрическом поле).

Фильтрование - процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные частицы. Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений. В случаях, когда разность давлений создается центробежными силами, процесс называют центробежным фильтрованием.

Мокрая очистка  газов - процесс разделения, основанный на улавливании взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется, как правило, под действием сил инерции.

Выбор метода разделения зависит от концентрации дисперсных частиц, их размера, требований к качеству разделения, а также от разницы плотностей дисперсной и сплошной фаз и вязкости последней.

 

37. Измельчение.  Назначение и сущность процесса. Классы и степень измельчения.

Измельче́ние — это процесс уменьшения размеров частиц твердого тела до требуемых размеров путем механического воздействия.

По размеру  измельчённого продукта измельчение  разделяют на два типа(класса):

• Дробление: грубое -крупное(300-100 мм), среднее (100-25 мм) и мелкое (25-1 мм).

Цель дробления — получение кускового продукта необходимой крупности, а также подготовка к помолу.

• Помол: грубый (1000—500 мкм), средний (500—100 мкм), тонкий (100-40 мкм) и сверхтонкий-коллоидный (< 40 мкм).

Цель помола — увеличение дисперсности твёрдого материала, придание ему определённого гранулометрического состава и формы частиц, дезагрегирование.

Граница между измельчением (помолом) и дроблением условна.

Оборудование для измельчения  также делится на дробилки и мельницы.

Так, для крупного и  среднего дробления предпочтительны  методы раздавливания и раскалывания, а для тонкого измельчения - методы удара, истирания и их сочетание

Отношение диаметров  кусков исходного и измельченного  материала dH / dK = i называется линейной степенью измельчения, а отношение dH3 / dK3 = i 0 - объемной степенью измельчения. Под dН и dK подразумеваются размеры наибольших кусков

Степенью измельчения  п называют отношение поперечного размера наиболее крупных кусков до измельчения D к поперечному размеру наиболее крупных кусков после измельчения d, или

П = D/d.

Более точно под степенью измельчения следует понимать отношение диаметра Dcp средневзвешенного исходного продукта к диаметру dcp средневзвешенного дробленого продукта.

Общее назначение процессов измельчения

• увеличение поверхности контакта измельчаемого ТМ(твердого материала) для осуществления ряда химических, физических, физико-химических процессов, если именно поверхность межфазного контакта определяет интенсивность процесса в целом (многие каталитические и некаталитические гетерогенные процессы и т.д.);
• применение ТМ в последующих конкретных технологических процессах, если их возможно осуществить с ТМ только в тонкоизмельчённом состоянии (составление композиций и др.);
• выделение ("вскрытие") целевого компонента, изначально существующего в твёрдой породе в смеси с ней (например, процессы выщелачивания в горнометаллургии или полимерных технологиях).

Сущность процесса измельчения (дробления и помола) заключается в разрыве поверхностного слоя материала, связь частиц которого определяется поверхностной энергией, и в разъединении внутренних частиц вещества, которые связаны между собой объемными силами сцепления. При дроблении крупных кусков на несколько частей поверхностная энергия в сравнении с объемными силами ничтожна. При помоле материала главное значение имеет поверхностная энергия.

 

38. Определение  средней разности температуры  при теплообмене.

Движущей силой тепловых процессов является разность температур. Любой теплообменный процесс характеризуется законом передачи теплоты, составляет сущность всех тепловых процессов проходящих без изменения/с изменением агрегатного состояния вещества, количество теплоты передаваемой за какой либо промежуток времени.

фdi (коэффициент теплопередачи, площадь поверхности, разность температур между нагреваемой средой и греющим агентом, температурный напор, продолжительность нагрева)

Количество теплоты передаваемое за промежуток времени

или

 

 

39.Материальный  баланс процесса разделения

Основными методами разделения неоднор. с-м пищевой технологии явл. осаждение и фильтрование. 
 
Осаждение – процесс разделения жидких и газовых неоднор. с-м под действием гравитац. сил (отстаивание), центробежных сил, центрифугирования и сил электр. поля.  
 
Фильтрование – процесс разделения жидких и газовых неоднор. С-м (смесей) с использованием перегородки задерживания частицы. 
 
Материальный баланс процессов разделения.

При отсутствии потерь в-ва матер. баланс процессов разделен. у  общего кол-ва в-в: Gсусп = Gпрод+Gосадка, где Gc – кол-во исходной суспензии, Gп – кол-во продукта (осветлен. жидкости), Gо – кол-во осадка.  
 
По кол-ву взвешенных частиц дисперсной фазы: Gc*xc = Gп*Хп+Gо*Хо, где Хс – концентрация дисперсн. фазы в исх. сусп. %масс или долях, Хп – содержание (концентр.) дисп. фазы в продукте (очищенном), Хо - в осадке %массы. Решение с-мы этих ур-ний получим кол-во очищенного продукта: Gп = Gc((Хо-Хс)/(Хо-Хп)), а также кол-во осадка Gо = Gc((Хс-Хп)/(Хо-Хп)).

 

40. Критериальное  уравнения для свободной и  вынужденной конвекции при ламинарном  и турбулентном движении жидкости

3 способа передачи  теплоты:

Теплопроводность – молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, вызванный разностью температур.

Конвекция – процесс переноса теплоты при перемещении макроскопических объёмов жидкости или газа из областей с одной температурой в область с другой, при этом перенос теплоты неразрывно связан с переносом вещества. Процессы конвекции сопровождаются теплопроводностью, этот совместный процесс называется конвективный теплообмен.

Тепловое излучение – процесс переноса теплоты, обусловленный превращением внутренней энергии вещества в энергию излучения, переносом её в вид электромагнитных волн и поглощением веществом.

Конвекция:

-свободная –вынужденная

При движении среды  у поверхности твердого тела за счет разности температур возникает конвективный теплообмен. Количество теплоты в этом случае определяется законом Ньютона:

 

На  теплообмен влияют режимы течения: ламинарный и турбулентный. Первый характеризуется спокойным, струйчатым движением, второй — неупорядоченным, вихревым.

Основные  критерии теплового подобия

-критерий нусельта:

-критерий Фурье:Fo=ai/l2(продолжительность, размер, температуры теплопроводность )

-критерий Пекрье:Pe=vl/а(скорость движ среды,

-критерий Прандтля: Pr=n/а(кинемат.вязкость)

-критерий Грассгофа:

Тепловые процессы происходящие без изменения агрегатного состояния(естественная конвекция)

В этом случае теплоотдача  должна зависеть от формы и размеров поверхности нагрева или охлаждения, температуры этой поверхности, физических свойств теплоносителя (μ, ρ, λ, c и др.). Очевидно, что при естественной конвекции скорость движении теплоносителя может быть выражена как функция этих факторов. Поэтому критерий Рейнольдса из обобщенного уравнения теплоотдачи при естественной конвекции может быть исключен, а критериальное уравнение для этого случая теплообмена выглядит так

Nu = A(GrPr)^m, (1.7)

Значения А и m, зависящие от режима движения среды при естественной конвекции, приведены ниже

Режим	Gr*Pr	A	m
1	1*10-3 – 5*102	1,18	1/8
2	5*102 – 2*107	0,54	1/4
3	2*107 – 1*1012	0,135	1/3

При ламинарном движении жидкости и вынужденной конвекции Re≤2300):

Nu = 0,17Gr^0,1 Re^0,35Pr^0,43(Pr/Pr_ст)^0,25 ε_l

где Gr – критерий Грасгофа, характеризующий соотношение между подъемной силой, возникающей вследствие разности плотностей неравномерно нагретой среды, и силой молекулярного трения; ε_l - поправочный коэффициент, учитывающий влияние начального термического участка трубы; Nu – число Нуссельта характеризует интенсивность теплоотдачи между твердой стенкой и жидкостью и определяет отношение термического сопротивления теплопроводности слоя жидкости некоторой толщиной к термическому сопротивлению теплоотдачи; Re – характеризует характер движения жидкости около твердой стенки и определяет соотношение сил