Гидравлика и теплотехника: Рабочая программа. Задания на контрольную работу и курсовой проект. Методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта

Министерство образования Российской Федерации Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра экологии и инженерной защиты окружающей среды

Гидравлика и теплотехника

Рабочая программа. Задания на контрольную работу и курсовой проект. Методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта

Факультет технологии веществ и материалов Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 656600 – Защита окружающей среды 330200 – Инженерная защита окружающей среды Направление подготовки бакалавра: 553500 – Защита окружающей среды

Санкт-Петербург 2002

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 66.011 ( 07 ) Гидравлика и теплотехника: Рабочая программа. Задания на контрольную работу и курсовой проект. Методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта. – СПб.: CЗТУ, 2002. – 25 с. Методический комплекс содержит рабочую программу дисциплины с контрольными вопросами по каждому разделу, список рекомендованной литературы, тематический план лекций и практических занятий, перечень лабораторных работ, задания на контрольную работу и курсовой проект и методические указания к их выполнению. Рабочая программа составлена в соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 656600 (специальность 330200) и направлению подготовки бакалавра 553500.

Рассмотрено на заседании кафедры экологии и инженерной защиты окружающей среды « 29 » апреля 2002 года, одобрено методической комиссией факультета технологии веществ и материалов « 10 » июня 2002 года. Рецензенты: кафедра экологии и инженерной защиты окружающей среды (зав.каф. Алексеев А.И., д-р техн. наук, проф.) ; кафедра технологии неорганических веществ Санкт-Петербургского государственного технологического института (зав.каф. Дмитревский Б.А., д-р техн. наук, проф.)

Составитель: С.К.Цветков, канд.техн.наук, доц.

С

Цветков С.К., 2002

3 Содержание Предисловие …………………………………………………………………....4 Рабочая программа……………………………………………………………..5 1.1.Основы теории переноса импульса, теплоты, массы ……………………5 Гидродинамика_и_гидромеханические_процес…… ………………………..6 1.2.1.Основы прикладной гидравлики…………………………………..…….6 1.2.2.Перемещение жидкостей и газов.……………………………….………7 1.2.3.Разделение жидких и газовых неоднородных систем………….……...7 1.2.4.Перемешивание в жидких средах…………………………………….…8 1.3.Тепловые процессы и аппараты…………………………………………...8 1.3.1.Основы теплопередачи……………………………………………….….9 1.3.2.Промышленные способы подвода и отвода теплоты……………….…9 1.3.3.Выпаривание…………………………………………………………….10 1.4.Массообменные процессы и аппараты…………………………………..11 1.4.1.Теоретические основы массопередачи………………………………...11 1.4.2.Массообменные процессы со свободной границей раздела фаз…….11 1.4.3.Массообменные процессы с неподвижной поверхностью контакта фаз…………………………………………………………………...12 2. Тематический план лекций ………………………………………………..14 3.Темы практических занятий………………………………...……………...15 4.Темы лабораторных работ………………………………………………….15 5. Литература…… ……………………………………………………………16 6.Методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта………………………………………………………….17 7.Задание на контрольную работу………………………………………...…20 8.Задание на курсовой проект………………………………………………..22

Предисловие В современной промышленности широко используется различное теплоэнергетическое и гидравлическое оборудование. Будущим инженерам необходимо знакомство с устройством, принципами действия, методами расчета этого оборудования и знание основных законов гидравлики и теплотехники. В настоящее время химическая промышленность включает большое число различных производств. Однако, не смотря на огромное разнообразие химических продуктов, получение их связано с проведением ряда однотипных процессов, к которым относятся перемещение жидкостей и газов по трубопроводам, перемешивание в жидких средах, разделение неоднородных систем путем отстаивания, фильтрования, центрифугирования. Скорость данных процессов определяется законами гидромеханики. Законы гидромеханики и их практические приложения изучает наука гидравлика. Большинство процессов химической технологии (нагревание, охлаждение, кипение, конденсация) протекает только при определенной температуре, которая достигается путем подвода или отвода теплоты. Скорость протекания тепловых процессов определяется законами теплопередачи. Законы гидравлики и теплотехники широко используются при создании машин и аппаратов химической промышленности. Знание общих закономерностей переноса количества движения, энергии и массы необходимо для анализа, моделирования и расчета процессов химической технологии и инженерной защиты окружающей среды. Законы переноса определяют интенсивность протекания процессов и производительность используемых для проведения этих процессов аппаратов. Таким образом, “Гидравлика и теплотехника” основывается на общих законах математики, физики, химии и относится к числу основных общеинженерных дисциплин. Изучаемая дисциплина рассматривает физико-химические закономерности и теорию гидромеханических, тепловых и массообменных процессов. Овладение наукой о гидравлике и теплотехнике позволит сделать выбор оптимальных технологических режимов и рациональных типов аппаратов, достичь высокой их производительности, решать экологические проблемы путем сведения к минимуму выбросов в атмосферу и гидросферу, разрабатывать высокоэффективные и малоотходные технологические процессы. В соответствии с учебным планом дисциплина “Гидравлика и теплотехника” изучается в течение двух семестров. Основные положения

4

данной дисциплины излагаются на лекциях (44 часа) и практических занятиях (16 часов). Для углубления и закрепления знаний, полученных на лекциях и практических занятиях, служит лабораторный практикум (24 часа), где студенты знакомятся с гидромеханическими, тепловыми и массообменными процессами , устройством и принципом действия аппаратов для их проведения. Завершается изучение дисциплины выполнением курсовой работы. Конечная цель изучения дисциплины заключается в приобретении студентами теоретических знаний и расчетных навыков, необходимых для успешной работы в области инженерной защиты окружающей среды. 1. Рабочая программа (Объём курса 255 часов) 1.1.Основы теории переноса импульса, теплоты и массы (30 часов) [1] , с.21…100 Законы сохранения массы, энергии и импульса. Материальный и энергетический балансы. Условия термодинамического равновесия. Определение направления и движущей силы процессов. Поля переноса скоростей, температур и концентраций. Потенциал переноса. Основные характеристики потока. Дифференциальные уравнения переноса количества движения, теплоты и массы. Аналогия процессов переноса. Теория физического и математического моделирования процессов переноса. Инварианты и критерии подобия. Теоремы подобия. Критериальные уравнения. Метод анализа размерностей. Гидродинамическая структура потоков и распределение времени пребывания потока в аппарате. Модели идеального вытеснения и идеального смешения. Комбинированнные модели структуры потоков. Вопросы для самопроверки 1. Выразите закон сохранения массы для многокомпонентой системы. 1. Приведите выражения материальных балансов для стационарных и нестационарных процессов. 2. Составьте уравнение теплового баланса аппарата. 3. Сформулируйте правило фаз Гиббса. 4. Напишите основное уравнение переноса массы, энергии и импульса. 5. В чем заключается принцип моделирования процессов? 6. Как преобразовывают дифференциальные уравнения, описывающие процесс, методами теориии подобия? 5

7. Перечислите определяющие и определяемые критерии теплового и гидродинамического подобия. Укажите их физический смысл. 8. Что понимают под средним временем пребывания частиц потока в аппарате, от чего оно зависит и как определяется? 9. Сопоставьте идеализированные модели структуры потоков. 1.2. Гидродинамика и гидромеханические процессы 1.2.1. Основы прикладной гидравлики (20 часов) [1], с.101…157 Основные физические свойства жидкостей и газов. Гидростатика. Практические приложения основного уравнения гидростатики. Гидродинамика. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Режимы движения реальной жидкости. Уравнение неразрывности потока. Дифференциальные уравнения движения Эйлера. Уравнение Бернулли. Закон сопротивления при движении потока. Потери давления на трение и местные сопротивления. Определение расхода энергии на транспортирование жидкостей и газов по трубам. Движение жидкости через слои зернистых материалов и насадок. Пленочное течение жидкостей. Гидродинамика барботажа. Псевдоожижение. Гидродинамика взвешенного слоя. Вопросы для самопроверки 1. Что изучает гидравлика? Сформулируйте понятия идеальной и реальной жидкостей. 2. Какие силы действуют на жидкость в условиях равновесия ? Напишите основное уравнение гидростатики. 3. Покажите графики распределения скоростей по сечению потока при различных режимах движения жидкости. 4. Дайте энергетическую интерпретацию уравнения Бернулли. 5. Напишите выражение для расчета полного гидравлического сопротивления трубопровода. 6. Приведите вид обобщенного критериального уравнения гидродинамики. В каких случаях используют производные критерии подобия? 7. В чем особенности гидродинамического режима движения жидкой пленки при стекании её по вертикальной стенке? 8. Что понимают под эквивалентным диаметром канала в слое зернистого материала? 9. Как определяют скорость начала псевдоожижения? 10. Приведите общий вид графической зависимости гидравлического сопротивления взвешенного слоя. 6

1.2.2. Перемещение жидкостей и газов (15 часов) [1], с. 174…222 Трубопроводы. Гидравлические методы измерения расхода жидкостей и газов. Экономически оптимальная скорость движения потока в трубопроводе. Расчет диаметра трубопровода. Классификация насосов. Основные параметры насосов. Центробежные насосы. Принцип действия. Характеристики центробежных насосов. Работа насосов на сеть. Законы пропорциональности. Поршневые насосы. Принцип действия и конструкции. Ротационные насосы. Струйные насосы, воздушные подъёмники, монтежю. Сравнительная характеристика насосов. Экологические проблемы при перемещении жидкостей в трубопроводах и аппаратах. Классификация машин для перемещения и сжатия газов. Центробежные вентиляторы. Турбогазодувки. Поршневые и центробежные компрессоры. Вакуум-насосы. Выбор компрессорных машин. Вопросы для самопроверки 1. Каков порядок величин скоростей жидкостей и газов в трубопроводах? 2. Как выбрать оптимальный диаметр трубопровода? 3. В чем состоит принцип гидравлических методов измерения расходов жидкостей и газов? 4. Приведите выражение для определения мощности, затрачиваемой на перемещение жидкости или газа. 5. Какие основные параметры характеризуют работу насосов и компрессоров? 6. Как рассчитать полный напор насоса? Что называется рабочей точкой при работе центробежного насоса на сеть? 7. Какие выражения называют законами пропорциональности? 8. Дайте сопоставление поршневого и центробежного насосов. В чем различие характеристик этих насосов? 9. Какие насосы используют для перемещения высоковязких жидкостей? 10. Приведите классификацию компрессорных машин по степени сжатия и величине создаваемого давления. Сопоставьте достоинства и недостатки компрессоров различных типов. 1.2.3. Разделение жидких и газовых неоднородных систем (40 часов) [ 1 ] , с.208…279 Классификация неоднородных систем и методы их разделения. Экологическое значение процессов очистки газовых и жидких производственных выбросов. Экономическое обоснование выбора метода 7

разделения неоднородных систем. Разделение суспензий и эмульсий. Отстаивание. Определение скорости осаждения. Устройство отстойников. Фильтрование. Конструкции фильтров, их выбор. Центрифугирование. Устройство и классификация центрифуг. Гидроциклоны. Сепараторы. Очистка газов от пыли. Пылеосадительные камеры. Циклоны. Фильтрование газов. Очистка газов в электрофильтрах. Мокрая очистка газов. Экологическое значение процессов очистки газовых и жидких производственных выбросов. Вопросы для самопроверки 1. Чем обусловлен выбор метода разделения неоднородных систем? 2. Как определить скорость свободного осаждения твердых частиц? Расскажите об устройстве отстойников. 3. Опишите устройство и принцип работы барабанного вакуум-фильтра? 4. Напишите основное уравнение фильтрования. Как определяют константы фильтрования? 5. Дайте сравнительную технико-экономическую оценку процессам разделения суспензий в центрифуге и на фильтре? 6. Что такое фактор разделения? Как влияют размеры циклона и скорость газового потока на степень очистки газа? 7. Назовите промышленные способы обеспыливания газов. Какую степень очистки они могут обеспечить? 8. Укажите пути интенсификации процессов разделения жидких и газовых неоднородных систем. 1.2.4. Перемешивание в жидких средах (5 часов) [ 1 ], с.159…173 Способы перемешивания. Эффективность и интенсивность перемешивания. Перемешивание механическими мешалками. Типы мешалок, их характеристики и области применения. Пневматическое перемешивание. Элементы гидродинамики при перемешивании. Обобщенное критериальное уравнение для перемешивания. Критерий мощности. Определение расхода энергии на перемешивание. Интенсификация процессов перемешивания. Вопросы для самопроверки 1. Каково промышленное значение процесса перемешивания? Сделайте сравнительный анализ способов перемешивания. 8

2. Опишите виды движения жидкости в аппарате с механической мешалкой . 3. Как определить расход энергии на перемешивание? 4. Назовите основные типы мешалок и области их применения. 1.3. Тепловые процессы и аппараты 1.3.1. Основы теплопередачи (25 часов) [1], с.282…328 Способы переноса тепла: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Тепловой баланс. Температурное поле и температурный градиент. Закон Фурье. Теплопроводность однослойных и многослойных стенок. Конвективный теплообмен. Тепловой пограничный слой. Уравнение теплоотдачи. Тепловое подобие. Критериальные уравнения конвективного теплообмена. Основное уравнение теплопередачи. Движущая сила и коэффициент теплопередачи. Выбор направления потоков теплоносителей. Вопросы для самопроверки 1. Каков физический смысл коэффициента теплопроводности? 2. Напишите уравнение теплопроводности однослойной плоской стенки. 3. Что называют теплоотдачей? В каких единицах измеряется коэффициент теплоотдачи? 4. Объясните механизм конвективного теплообмена. 5. Назовите критерии теплового подобия. 6. Укажите особенности теплоотдачи при конденсации насыщенных паров. 7. Что понимают под критической разностью температур при кипении? 8. Как влияет взаимное направление теплоносителей на движущую силу процесса теплопередачи? 1.3.2. Промышленные способы подвода и отвода теплоты (20 часов) [ 1 ], с.338…380 Теплообменные аппараты. Классификация, сравнительная характеристика и выбор теплообменных аппаратов. Принцип расчета теплообменной аппаратуры. Промышленные теплоносители. Источники энергии. Требования, предъявляемые к теплоносителям. Нагревающие агенты и способы нагревания. Охлаждающие агенты и способы охлаждения. Экологические проблемы теплообменной аппаратуры. 9

Вопросы для самопроверки 1. Назовите достоинства и недостатки насыщенного водяного пара как промышленного теплоносителя. 2. Что используют в качестве охлаждающих агентов? Как определяют расход охлаждающей воды в теплообменнике? 3. Охарактеризуйте водооборотные циклы химических предприятий. 4. Дайте классификацию теплообменных аппаратов. 5. С какой целью используют многоходовые кожухотрубчатые теплообменники? 6. Перечислите области применения спиральных и пластинчатых теплообменников, опишите их устройство. 7. Сформулируйте общие принципы расчета теплообменной аппаратуры. 8. Укажите пути повышения экономической эффективности работы теплообменников. 1.3.3. Выпаривание растворов (10 часов) [ 1 ], с.381…402 Способы выпаривания и методы повышения экономичности процесса. Материальный и тепловой балансы. Общая и полезная разности температур. Температурные потери и расчет температуры кипения раствора. Принципиальная схема однокорпусной вакуум-выпарной установки. Выпаривание с тепловым насосом. Многокорпусное выпаривание. Предельное и оптимальное число корпусов многокорпусной установки. Полезная разность температур в многокорпусной установке и ее распределение по корпусам. Классификация и основные конструктивные типы выпарных аппаратов. Сравнительная характеристика и принцип выбора конструкции выпарного аппарата. Последовательность расчета выпарного аппарата. Вопросы для самопроверки 1. Каким образом создается вакуум в выпарных установках? 2. Что понимается под полезной разностью температур выпарного аппарата? 3. Составьте материальный и тепловой балансы процесса выпаривания. 4. Назовите способы экономии греющего пара при выпаривании. 5. Как определить экономически оптимальное число корпусов в многокорпусной выпарной установке? 6. Покажите сущность выпаривания с тепловым насосом. 7. Каковы особенности выпаривания в пленочных выпарных аппаратах? 10

8. Приведите схему расчета выпарной установки. 1.4. Массообменные процессы и аппараты 1.4.1. Теоретические основы массопередачи (25 часов) [ 2 ], с.6…43 Виды процессов массопередачи, их общая характеристика. Использование массообменных процессов для решения экологических задач. Статика массообменных процессов. Способы выражения концентраций. Фазовое равновесие. Коэффициент распределения. Материальный баланс, уравнение рабочей линии. Кинетика массообменных процессов. Молекулярная диффузия. Закон Фика. Конвективная диффузия. Механизм и модели процессов массопереноса. Уравнения массоотдачи. Подобие диффузионных процессов. Обобщенное критериальное уравнение массоотдачи. Массопередача, основное уравнение массопередачи. Средняя движущая сила процесса массопередачи и число единиц переноса. Определение основных размеров массообменных аппаратов. Вопросы для самопроверки 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Раскройте физический смысл коэффициента молекулярной диффузии. Сформулируйте первый закон Фика. Охарактеризуйте основные модели массопереноса. Назовите критерии подобия массообменных процессов. Напишите уравнение массопередачи. Сформулируйте понятие движущей силы массообменных процессов. Определите высоту массообменного аппарата с помощью числа и высоты единиц переноса. 8. Определите высоту массообменного аппарата с помощью теоретической ступени изменения концентрации. 1.4.2. Массообменные процессы со свободной границей раздела фаз (35 часов) [ 2 ], с.46…86, с.104…140, с.150…165 Равновесие в системах газ-жидкость и жидкость-пар. Законы Дальтона и Рауля. Абсорбция. Закон Генри. Материальный баланс абсорбции, уравнение рабочей линии. Определение расхода абсорбента. Устройство и основные конструкции абсорбционных аппаратов. Расчет высоты слоя насадки и 11

рабочей высоты тарельчатого абсорбера. Десорбция, методы ее проведения. Экологическое значение процесса абсорбции Простая перегонка. Перегонка с дефлегмацией. Ректификация. Материальный и тепловой балансы. Расчет минимального и оптимального флегмовых чисел. Основные конструкции ректификационных колонн. Принципиальная схема ректификационной установки непрерывного действия. Жидкостная экстракция. Равновесие в системах жидкость-жидкость. Выбор экстрагента. Методы экстракционного разделения. Классификация, устройство и принцип действия экстракторов. Вопросы для самопроверки 1. Как составляется материальный баланс абсорбции? Раскройте понятие рабочей линии процесса абсорбции 2. Как определяют минимальный и оптимальный расходы абсорбента? 3. Дайте сравнительную характеристику насадочных и тарельчатых абсорберов. 4. Какие требования предъявляются к насадке? 5. Назовите виды простой перегонки. 6. Сделайте вывод уравнений рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны. 7. Составьте материальный и тепловой балансы ректификационной колонны для разделения бинарной смеси. 8. Раскройте сущность процесса жидкостной экстракции 9. Сопоставьте характеристики работы гравитационных и пульсационных экстракторов. 10. Объясните принцип действия роторно-дисковых экстракторов, перечислите их достоинства и недостатки. 1.4.3. Массообменные процессы с неподвижной поверхностью контакта фаз (30 часов) [ 2 ], с.196…246, с.328…370 Адсорбция. Промышленные адсорбенты, их характеристики. Кинетические особенности процесса адсорбции. Типовые конструкции адсорберов периодического и непрерывного действия. Принципиальные схемы адсорбционно-десорбционных установок. Экологическое значение процесса адсорбции в химической технологии. Сушка. Методы сушки. Диаграмма состояния влажного атмосферного воздуха. Равновесие при сушке. Кинетика сушки. Материальный и тепловой балансы. Констркуции сушилок, их сравнительный анализ и выбор. 12

Кристаллизация. Характеристика кристаллов и способы проведения процессов кристаллизации. Устройство кристаллизаторов. Ионообменный процесс. Иониты. Равновесие при ионном обмене. Материальный баланс ионообменных процессов. Кинетика ионного обмена. Ионообменные аппараты. Вопросы для самопроверки 1. Дайте характеристику основных промышленных адсорбентов. 2. Раскройте сущность статической и динамической активности адсорбентов. 3. Покажите устройство и принцип действия адсорберов с псевдоожиженным и плотным движущимся слоями адсорбента. 4. Как строится процесс теоретической сушки на диаграмме J-x? 5. Покажите способы выражения движущей силы процесса сушки. 6. Опишите устройство, раскройте принцип действия конвективных сушилок. 7. Дайте классификацию мембранных методов разделения. 8. Раскройте сущность диффузионномембранных процессов.

13

2. Тематический план лекций Для студентов очно-заочной формы обучения – 44 часа № п/п

Тема лекции

1

Явления переноса в процессах химической технологии. Материальный и энергетический балансы. Поля переноса скоростей, температур, концентраций. Основные положения теории подобия. Гидродинамическая структура потоков. Основное уравнение гидростатики. Гидродинамика. Режимы движения жидкости. Уравнение Бернулли и его практические приложения. Гидравлические сопротивления в трубопроводах и типовых теплои массообменных аппаратах. Перемещение жидкостей и газов. Насосы. Компрессорные машины. Классификация неоднородных систем и методов их разделения. Разделение суспензий и эмульсий. Осаждение, фильтрование, центрифугирование. Разделение пылегазовых систем. Устройство и принцип работы газоочистных аппаратов. Гидродинамика взвешенного слоя. Перемешивание в жидких средах. Способы распространения тепла. Теплопроводность. Перенос тепла конвекцией. Тепловое подобие. Уравнения теплоотдачи и теплопередачи. Расчет поверхности теплообмена. Теплообменные аппараты, их классификация и сравнительная характеристика. Расчет теплообменников. Методы выпаривания. Основные конструкции выпарных аппаратов. Основы теории массопередачи. Фазовое равновесие. Кинетика массообменных процессов. Уравнения массоотдачи и массопередачи. Определение основных размеров массообменных аппаратов. Общая характеристика промышленных массообменных процессов. Абсорбция. Простая перегонка и ректификация. Экстракция. Методы экстрагирования. Классификация экстракторов. Сушка. Изображение и анализ основных вариантов сушки на диаграмме I – x. Конструкции сушилок

2 3

4 5 6

7 8 9

10 11

14

Часы 4

4 4

4 4 4

4 4 4

4 4

3. Темы практических занятий Для студентов очно-заочной формы обучения – 16 часов № п/п 1 2 3 4 5 6 7 8

Тема занятия Часы Расчет гидравлических сопротивлений в 2 трубопроводах и аппаратах Расчет энергии на перемещение 2 жидкостей и газов. Расчет и выбор оборудования для 2 разделения неоднородных систем Расчет теплового баланса. Определение 2 средней разности температур Расчет коэффициентов теплопередачи. 2 Расчет площади поверхности теплообменных аппаратов Расчет вакуум-выпарной установки 2 Способы выражения концентраций. 2 Расчет диаметра и высоты массообменных аппаратов 2 Определение параметров влажного атмосферного воздуха. Материальный и тепловой балансы сушки

4. Темы лабораторных работ Для студентов очно-заочной формы обучения – 24 часа № п/п Тема лабораторной работы Часы 4 Определение поля скоростей в трубопроводе 1 4 Определение гидравлических сопротивлений 2 трубопроводов 4 Испытание центробежного вентилятора 3 4 Изучение теплопередачи в теплообменнике типа «труба в 4 трубе» 4 Определение коэффициента теплоотдачи от поверхности 5 теплообмена к псевдоожиженному слою зернистого материала 4 Исследование процесса сушки в конвективной сушилке 6

15

5. Литература Основная 1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. – М.: Химия, 1992. 406 с. 2. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Массообменные процессы и аппараты. – М.: Химия, 1992. - 406 с. 3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1987. 576 с. 4. Основные процессы и аппараты химической технологии : Пособие по курсовому проектированию / Под ред. Ю.И.Дытнерского. – М.: Химия, 1991. – 272 с. Дополнительная 5. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. – 752 с. 6. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. – М.: Химия, 1987. – 540 с. 7. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии. – Л.: Химия, 1982. – 288 с. 8. Романков П.Г., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. – М.: Химия, 1990. – 384 с. 9. Процессы и аппараты химической технологии(Основы инженерной химиии) : Учебник для вузов / Под ред. Н.Н.Смирнова. – СПб.: Химия, 1996. – 408 с.

16

6. Методические указания к выполнению контрольной работы и курсового проекта Выполнение контрольной работы предусмотрено при изучении 1 части курса. Контрольная работа включает три задачи, относящиеся к расчетам гидромеханических и тепловых процессов и аппаратов. К каждой задаче прилагается таблица исходных данных. Номер варианта, который необходимо выполнить, выбирается в соответствии с последней цифрой шифра студента. Приступать к решению задачи рекомендуется после изучения соответствующей темы по литературе [1,2] в объеме, предусмотренном рабочей программой. С примерами решения типовых задач можно ознакомиться в учебном пособии [3]. Наметив путь решения задачи, необходимо выбрать нужные расчетные формулы. Все используемые формулы записываются первоначально в общем виде, затем приводится расшифровка обозначений соответствующих величин с указанием единиц их измерения. Все расчеты и окончательные ответы должны быть приведены в системе СИ. Результаты расчетов следует анализировать с точки зрения соответствия реальным значениям величин. На используемые в расчетах эмпирические формулы, физико-химичесике константы и различные справочные данные необходимо давать ссылки на литературные источники с указанием порядкового номера в списке литературы и страницы. Список литературы приводится в конце контрольной работы. Контрольная работа выполняется в стандартной тетради. Сначала записываются текст задачи и выбранные по шифру исходные данные, затем изображаются соответствующий аппарат или схема установки и приводится последовательность хода решения. Исправление ошибок в проверенной преподавателем контрольной работе производится в конце этой же тетради. Зачет по контрольной работе студент получает после собеседования с преподавателем. Завершающим этапом работы студента при изучении данной дисциплины является выполнение курсового проекта. Задание на курсовой проект включает расчет одной из типовых установок: очистки газа от примесей, подачи жидкой смеси в ректификационную колонну, выпаривания под вакуумом. Предлагаемые задания включают вопросы, связанные с технологическими, тепловыми и гидравлическими расчетами. На основании проведенных расчетов требуется выбрать аппаратуру для конкретных условий ее работы и с учетом технико-экономического анализа. Необходимо также отметить экологические проблемы, возникающие при проведении рассматриваемого процесса, и указать пути их решения. 17

Расчетно-пояснительная записка должна содержать: - титульный лист с наименованием университета, факультета, кафедры и указанием шифра, фамилии, инициалов студента и преподавателя и с названием темы работы - задание на курсовой проект - оглавление, в котором перечисляются все разделы расчетнопояснительной записки с указанием страниц: 1. Введение. 2. Технологическая схема и ее описание 3. Основные свойства рабочих сред 4. Расчетная часть 5. Заключение 6. Список литературы. Во введении указывается сущность, значение и области применения рассматриваемого процесса. Необходимо также привести сравнительную характеристику аппаратов, используемых для осуществления данного процесса и обосновать выбор конструкции основного аппарата. При описании технологической схемы следует указать назначение основных аппаратов, проанализировать различные ее варианты, позволяющие интенсифицировать процесс и повысить техникоэкономические показатели. Необходимо также учитывать требования охраны окружающей среды. Технологическая схема должна оказывать возможно меньшее отрицательное воздействие на природные экосистемы, и, следовательно, при проведении рассматриваемого технологического процесса должны быть сведены к минимуму выбросы в гидросферу и атмосферу. В сводке основных свойств рабочих сред должны быть приведены химические формулы, молярные массы и физико-химические свойства соединений. Для определения этих данных рекомендуется использовать таблицы и номограммы [3, с.553-575]. Окончательно сведения о свойствах рабочих сред необходимо представить в виде таблиц. В технологических расчетах с помощью уравнений материального и теплового балансов определяют расходы рабочих сред и теплоносителей, тепловые нагрузки аппаратов. Движение жидкостей и газов требует затрат энергии на их подъем, придание потоку кинетической энергии, преодоление местных сопротивлений и сил трения. Основной задачей прикладной гидравлики является определение гидравлического сопротивления трубопровода и мощности, потребляемой насосами и газодувками. Технические характеристики машин для перемещения жидкостей и газов представлены в [4, с.38-42]. При выборе теплообменного аппарата необходимо по возможности обеспечить интенсивный процесс теплопередачи. Тепловой расчет включает 18

определение поверхности теплообмена, по величине которой выбирают аппарат [4, с.51]. В заключении излагаются основные результаты выполненного проекта и дается анализ полученных результатов. Расчетно-пояснительная записка оформляется на стандартных листа бумаги формата А4 (210х297мм). Сокращения слов в тексте не допускаются. Расчеты в записке должны сопровождаться пояснениями. Все расчетные формулы приводятся сначала в общем виде, нумеруются, затем дается наименование обозначений и указываются размерности всех входящих в формулу величин. Численные значения величин подставляют в формулу в том порядке, в каком они в ней записаны, и приводят результат расчета. Все расчеты должны быть выполнены в международной системе единиц СИ. В тексте записки указываются ссылки на использованную литературу для расчетных формул, физических констант и других справочных данных. Объем расчетно-пояснительной записки должен быть не менее 20…25 страниц. Графическая часть курсового проекта, включающая технологическую схему и эскиз общего вида основного аппарата, выполняется на листах формата А2 или А4 чертежной бумаги. Технологическая схема должна демонстрировать принцип работы установки и давать представление о взаимосвязи между ее элементами. Схема выполняется без соблюдения масштаба и содержит упрощенное изображение аппаратов, входящих в установку. Условные графические изображения аппаратов представлены в [4, с.419-421]. Показанным на схеме аппаратам, как правило, присваивается буквенное обозначение, соответствующее начальной букве их наименований. Все оборудование на схеме вычерчивается сплошными тонкими линиями толщиной 0,3-0,5 мм, а трубопроводы – сплошными основными линиями, то есть в 2-3 раза толще, чем оборудование. Линии трубопроводов следует показывать горизонтально и вертикально, параллельно линиям рамки формата. Условные изображения и обозначения трубопроводов, принятые на схеме, должны быть расшифрованы в таблице. Собственно технологическая схема размещается с левой стороны на большей части поля чертежного листа. В нижнем правом углу располагается основная надпись(штамп) по ГОСТ 2.104-68 Над основной надписью, на расстоянии не менее 12 мм, располагают таблицы с перечнем составных частей и элементов схемы. Чертеж общего вида аппарата, указанного в задании, выполняется в масштабе и с обозначением конструктивных размеров. Главный вид аппарата вычерчивают только в рабочем положении и располагают его вдоль большей стороны листа. Над основной надписью помещают таблицу составных частей аппарата, технические требования, предъявляемые к изготовлению и испытанию аппарата, техническую характеристику аппарата. 19

Более подробные пояснения к выполнению технологической схемы и к чертежам общего вида и примеры их выполнения приведены в [4, с.415-424]. 7. Задание на контрольную работу Задача 1. По горизонтальному трубопроводу из емкости с атмосферным давлением в реактор, в котором поддерживается давление Р, перемещается жидкость. Средняя скорость жидкости W, температура t. Трубопровод стальной, имеет незначительную коррозию, его длина L, внутренний диаметр d. На трубопроводе установлены нормальная диафрагма с диаметром отверстия d0, вентиль, задвижка и имеется n плавных поворотов на 90º с относительным радиусом поворота R0/d =3. Определить разность уровней жидкости в ртутном дифманометре, присоединенном к диафрагме, и общее гидравлическое сопротивление трубопровода. Представить схему измерения расхода с помощью диафрагмы. Исходные данные приведены в табл.1. Таблица 1 Варианты Параметры

Жидкость W, м/с L, м d, мм t, ºС P, МПа d0, мм n, шт.

0

1

2

3

4

5

6

а 1,0 75 90 60 0,2 60 10

б 1,4 50 120 80 0,4 75 8

в 2,0 80 75 40 0,3 55 12

г 1,5 90 100 75 0,15 80 6

д 2,3 60 64 60 0,2 50 15

е 1,8 45 82 30 0,5 65 9

ж 0,8 85 150 45 0,3 112 12

7

8

9

и з к 1,3 2,1 1,5 75 50 95 100 80 120 40 50 60 0,4 0,15 0,2 60 100 80 7 14 10

Примечание: а – бензол; б – анилин; в – ацетон; г – вода; д – бутанол; е – октан; ж – гексан; з – этанол; и – метанол; к – толуол

20

Задача 2. Определить экономическую целесообразность нагревания высоковязкой жидкости от t1 до t2 при ее перемещении по трубопроводу длиной L, включающей эквивалентную длину местных сопротивлений. Внутренний диаметр трубопровода d. Высота подачи жидкости H. КПД насосной установки составляет 0,7. Объемный расход жидкости равен V, ее плотности при температурах t1 и t2 равны ρ1 и ρ2, а вязкости µ1 и µ2 соответственно. Жидкость нагревается водяным насыщенным паром с абсолютным давлением 2 ат. Принять стоимость пара 15 рублей за 1 тонну, а стоимость электроэнергии 50 коп. за 1 кВт·ч. Исходные данные представлены в табл.2. Таблица 2 Варианты Параметры 0 V, м3/ч L, м d, мм H, м t1, ºС t2, ºC ρ1, кг/м3 ρ2, кг/м3 µ1, Па·с µ2, Па·с

1

2

3

4

5

6

7

8

9

48 36 42 32 28 50 40 45 35 25 350 300 400 450 350 280 340 420 300 450 82 100 70 125 68 100 80 125 150 75 28 22 18 12 20 25 10 20 18 15 16 25 14 18 20 25 15 40 20 25 60 45 50 40 48 50 60 50 55 45 920 980 940 960 970 910 980 950 920 960 840 920 860 870 890 830 900 840 860 890 2,0 2,6 3,2 2,4 1,8 2,3 2,7 3,0 2,4 2,8 0,10 0,16 0,20 0,12 0,10 0,14 0,16 0,20 0,14 0,18

Задача 3. В трубном пространстве горизонтального кожухотрубчатого теплообменника нагревается раствор гидроксида натрия. Массовая доля NаОН в растворе составляет Х. Средняя температура раствора в трубном пространстве равна tср. Температура поверхности стенки со стороны раствора равна tст. Скорость движения раствора в трубках составляет W. Внутренний диаметр труб d=21 мм, общее число труб N, их длина L. Внутренний диаметр штуцеров равен 200мм. Теплообменник имеет число ходов Z. Определить гидравлическое сопротивление трубного пространства теплообменника и коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору гидроксида натрия. Исходные данные представлены в табл.3. 21

Таблица 3 Варианты Параметры

Х, %(масс.) tср., ºС tст., ºС W, м/с N, шт. L, м Z

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

20 60 80 0,5 240 4 2

30 50 65 0,8 196 2 6

50 80 90 0,3 404 3 4

40 60 75 0,6 100 6 2

25 75 95 0,2 642 4 6

10 55 80 0,4 206 2 4

30 70 90 1,2 56 3 2

15 50 75 0,8 384 2 6

35 40 55 0,5 442 4 2

45 60 80 0,1 986 6 4

8. Задание на курсовой проект Студент выполняет одно из трех представленных заданий на курсовую работу. Каждое задание состоит из десяти вариантов. Выбор номера задания и его варианта производится в соответствии с двумя последними цифрами шифра студента. По последней цифре шифра выбирается номер задания: Последняя цифра шифра Номер задания

0,1,2 1

3,4,5,6 2

7,8,9 3

Значения исходных для расчетов данных представлены в таблицах, прилагаемых к заданиям. Номер варианта исходных данных соответствует предпоследней цифре шифра студента. Задание 1. Рассчитать установку для подачи двухкомпонентной смеси в ректификационную колонну, работающую под атмосферным давлением. Расход исходной смеси GF, давление греющего пара Р. Точка подачи жидкости в колонну расположена на высоте Н. Исходная смесь, содержащая xF низкокипящего компонента, имеет температуру t1 и перед подачей в колонну подогревается в кожухотрубчатом теплообменнике до температуры t2. Внутренний диаметр трубопровода d, его длина от резервуара с исходной смесью до теплообменника L1. На этом участке установлены нормальная диафрагма с диаметром отверстия d0 = 48 мм, две задвижки и имеется 5 плавных поворотов на 90º при R0/d =4. На участке 22

трубопровода L2 от теплообменника до ректификационной колонны установлен вентиль и имеется один поворот на 120º при R0/d =3. Требуется выбрать насос для подачи исходной смеси в ректификационную колонну и теплообменник для ее подогрева. Представить схему установки и выполнить чертеж теплообменного аппарата. Исходные данные представлены в табл.4. Таблица 4 Варианты Параметры

Исходная смесь GF, кг/с Р, МПа Н, м ХF, %(мол.) t1, ºС t2, ºС d, мм L1, м L2, м

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

а 3,0 0,2 10 40 15 95 60 130 7

б 2,5 0,1 8 30 10 70 80 200 5

в 5,0 0,3 5 20 20 80 72 250 10

г 2,0 0,1 12 40 25 59 64 140 12

д 4,0 0,2 6 50 10 60 75 180 8

е 3,5 0,3 8 40 15 90 59 125 6

ж 1,5 0,4 12 20 20 110 62 160 7

з 4,5 0,2 7 50 30 90 78 230 10

и 3,0 0,1 10 15 25 79 81 180 16

к 1,0 0,2 9 30 15 65 64 150 9

Примечание: а – бензол-толуол; б – ацетон-бензол; в – метанол-вода; г– сероуглерод-тетрахлорид углерода; д – ацетон-вода ; е – бензол-уксусная кислота; ж – вода-уксусная кислота; з – тетрахлорид углерода-толуол; и – хлороформ-бензол; к – ацетон - этанол; Задание 2. Рассчитать установку для очистки воздуха от примесей. Расход воздуха V (при нормальных условиях), его начальная температура t1. Воздух предварительно обеспыливается в циклоне марки ЦН-15, затем охлаждается водой в кожухотрубчатом теплообменнике до температуры абсорбции t2. Трубопровод стальной, с незначительной коррозией, его внутренний диаметр d. Наибольший по протяженности участок гидравлической сети от начала трубопровода до теплообменника имеет длину l1. На этом участке имеются n1 задвижек и n2 плавных поворота на 90º при относительном 23

радиусе поворота R0/d =4. Длина трубопровода от теплообменника до абсорбера l2, и на этом участке установлены нормальная диафрагма с модулем m, задвижка и имеются два поворота на 120º при R0/d =3. После охлаждения воздух поступает на абсорбцию в колонный насадочный абсорбер, работающий под атмосферным давлением. Диаметр абсорбера D, его высота H. Абсорбер заполнен керамическими кольцами размером 25х25х3 мм и орошается водой, расход которой равен L. Рассчитать циклон, теплообменник для охлаждения воздуха и газодувку, обеспечивающую заданный расход воздуха. Представить схему установки и выполнить чертеж циклона. Исходные данные приведены в табл. 5 Таблица 5 Варианты Параметры

V, м3/с t1, ºС t2, ºС d, мм l1, м l2, м n1, шт. n2, шт. m D, м H, м L, кг/с

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0,4 150 25 200 150 25 4 6 0,4 0,8 10 2,0

0,6 180 30 250 200 40 2 8 0,6 1,2 10 4,5

1,2 250 20 400 250 30 5 12 0,3 1,6 6 9,0

0,7 200 35 300 180 15 3 8 0,5 1,2 12 5,0

1,5 160 25 450 160 50 6 14 0,4 1,8 9 12

1,0 240 30 375 240 35 4 10 0,7 1,6 5 8,0

0,5 120 28 225 140 20 2 6 0,6 0,8 11 2,5

0,8 200 40 350 180 45 5 12 0,4 1,0 15 4,0

1,4 150 35 425 220 30 3 8 0,6 1,8 8 10

0,9 220 30 375 120 25 4 10 0,3 1,4 12 6,0

Задание 3. Выполнить проект однокорпусной выпарной установки для концентрирования водного раствора. Производительность по исходному раствору Gн. Раствор упаривается от концентрации Xн до Хк. Давление греющего пара Р, давление в барометрическом конденсаторе Ро. Коэффициент теплопередачи от конденсирующегося пара к кипящему раствору равен К. Исходный раствор перед подачей в выпарной аппарат подогревается греющим паром в кожухотрубчатом теплообменнике от температуры tн до температуры кипения. 24

Рассчитать поверхности нагрева выпарного аппарата и теплообменника для подогрева разбавленного раствора. Выполнить расчет барометрического конденсатора. Представить схему однокорпусной вакуум-выпарной установки и выполнить чертеж выпарного аппарата. Исходные данные приведены в табл. 6. Таблица 6 Варианты Параметры 0 Растворенное вещество Gн, кг/с Хн, %(масс.) Хк, %(масс.) Р, МПа Ро, МПа К, Вт/м2⋅К tн, ºС

1

2

3

4

5

6

7

8

9

и з ж е д г в б а к 4,5 5,0 5,5 4,0 4,5 5,0 6,0 4,5 5,5 5,0 5 10 5 10 10 5 10 10 5 15 15 30 20 25 30 20 30 25 20 35 0,25 0,20 0,15 0,2 0,25 0,35 0,2 0,25 0,15 0,5 0,02 0,04 900 0,04 0,02 0,03 0,04 0,03 0,02 0,03 950 800 920 850 950 875 925 800 900 950 30 25 20 15 25 10 20 25 15 15

Примечание: а – NaCl; б – CaCl2; в – NH4NO3; г – KCl; д – Na2CO3; е – NaOH; ж – MgCl2; з – NaNO3; и – KNO3; к – NaOH

25

ЛР № 0202080от 14.02.97 Редактор А.В.Алехина Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Б.кн.-журн. П.л. Б.Л. РТП РИО СЗТУ Тираж Заказ Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полтграфической Ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул.Миллионная,5