Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции по Гидравлике и теплотехнике - файл Гидравлика и теплотехника в печать.doc


Лекции по Гидравлике и теплотехнике
скачать (2809.4 kb.)

Доступные файлы (1):

Гидравлика и теплотехника в печать.doc7364kb.08.03.2007 17:55скачать

содержание

Гидравлика и теплотехника в печать.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19

ВВЕДЕНИЕ



На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновляемых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так как на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы – той части нашей планеты, в которой существует жизнь.

Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете. Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них – газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете.

Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже почти половину его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы.

В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере. Поэтому одной из наиболее важных задач современности является охрана окружающей среды. Воздействия человека, промышленности, сельского хозяйства на природу многообразны.

Наибольший удельный вес по загрязнению атмосферного воздуха падает на ТЭЦ (27 %), предприятия черной металлургии (24,3 %) , нефтехимии (15,5 %), автотранспорт (13,1 %), предприятия цветной металлургии (10,5%), промышленности строительных материалов (8,1 %) и химической промышленности
(1,3 %). Они загрязняют воздух сернистым газом, окисью углерода и аэрозолями различного состава.

Следует говорить не только о прямых стоках и выбросах газообразных, жидких, твёрдых отходах, шумовом, тепловом, радиозагрязнении окружающей среды, но и о том, как сделать производство таким, чтобы как можно меньше было потерь производственных ресурсов и энергии. Поэтому становится важным создание технологий, вписывающихся в среду обитания человека, принципиально не оказывающих на природу неблагоприятного воздействия – экологических технологий.

Экологические технологии – это в первую очередь создание безотходной технологии на основе глубокого анализа существующих производств, создание новых совершенных технологических процессов, не образующих отходы и обладающих большими технологическими и экономическими преимуществами по сравнению с существующими.

Большое место в разработке экологических технологий занимает разработка технологий, отличающихся рациональным использованием природных ресурсов. Этот вариант экологических технологий, в отличие от традиционной малоотходной и безотходной технологии, сокращает отрицательное воздействие на природу потому, что увеличивается полнота использования природных богатств, значит, сокращает удельный объём природопользования. Большие возможности для улучшения природопользования дают рациональные способы переработки древесины, разработка месторождений полезных ископаемых, совершенствование металлургических и химико-технологических процессов, комплексное использование сырья.

Другим важным направлением экологических технологий является утилизация отходов промышленности. При этом отпадает необходимость их захоронения и открывается возможность получения ценных материалов и изделий в результате переработки.

Экологические технологические процессы имеют решающее преимущество перед обычными схемами охраны природы, так как они одновременно дают большую непосредственную технико-экономическую отдачу.

В последние годы деятельность людей, направленная на сохранение окружающей природной среды, особенно активизировалась. Тем не менее во всём мире нередки случаи, когда подрывается сама возможность природы к воспроизводству возобновляемых ресурсов, когда в некоторых районах нарушается экологическое равновесие. Важную роль в уменьшении засорения окружающей среды должна сыграть промышленная технология, в первую очередь химическая.

Химическая технология охватывает множество производств, таких как основная химическая промышленность, металлургия, переработка топлива, тяжёлый органический синтез и другие.

Давая сравнительную экологическую оценку технологическим процессам, следует еще раз отметить, что наибольший вред окружающей среде наносят технологии, основанные на химических методах. В настоящее время особенно остро стоит вопрос о разработке безотходных или малоотходных технологических процессов. По мнению специалистов в области охраны окружающей среды, безотходные технологические процессы являются единственным радикальным средством, позволяющим сохранить и рационально использовать природные ресурсы.

Дисциплина «Гидравлика и теплотехника» базируется на фундаментальных законах физики и химии, включает в себя разделы, связанные с изучением единичных процессов и аппаратов, наиболее широко используемых в химической технологии, называемых основными. Для осуществления безотходных и малоотходных технологий условимся называть их основными экологическими процессами.

Содержание разделов этой дисциплины во многом определяется задачами подготовки специалистов широкого профиля, способных не только представлять сложные физико-химические процессы в виде уравнений, но и воплощать их в конкретном технологическом и аппаратном оформлении, обеспечивающем строгие требования к качеству целевых продуктов, ресурсосбережению и экологической безопасности производств.

Настоящее учебное пособие подготовлено в соответствии с Государственными образовательными стандартами для бакалавров направления 280200.62 “Защита окружающей среды”; студентов специальностей 280201 “Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов” и 280202 “Инженерная защита окружающей среды”.

^

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗУЧАЕМОЙ ДИСЦИПЛИНЫ



Совокупность тел, взаимодействующих между собой, представляет систему. Изменение состояния какой-либо системы, ее беспрерывное движение и развитие, происходящие в природе, производстве, лаборатории, обществе, представляют собой процесс.

Нами будут рассматриваться процессы, применяемые в определенных технологических целях.

Технология – наука о практическом применении законов физики, химии, биологии и других базисных наук для проведения технологических процессов. Эта наука возникла как самостоятельная отрасль знания в конце XVIII века в связи с ростом крупного машинного производства.

В технологии условно выделяют механическую и химическую технологии. Условно, потому что в современной промышленности сложно провести границу между двумя этими видами технологии.

Механическая технология изучает процессы, в которых изменяются только физические свойства или форма перерабатываемых материалов.

Химическая технология представляет собой набор физических и химических процессов и средств, с помощью которых исходное сырье превращается в целевые продукты (в промежуточное сырье, продукты потребления).

Химическая технология – наука широко разветвленная. Предметом ее изучения является производство кислот, щелочей, солей, продуктов переработки нефти, каменного угля, сухой перегонки дерева, отходов производства и др.

^

1.1. Классификация основных процессов и аппаратов



В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание, процессы как химической, так и экологической технологий делят на пять основных групп.

^ Механические процессы, скорость которых связана с законами физики твёрдого тела. К ним относятся: измельчение, классификация, дозирование и смешение твёрдых сыпучих материалов. В настоящем учебном пособии эти процессы не рассматриваются. Следует отметить, что для осуществления безотходных и ресурсосберегающих технологических процессов, механические процессы имеют существенное значение для осуществления экологических технологий, например, при переработке отходов или вторичного сырья из пластических масс. Более подробные сведения о механических процессах следует искать в специальной литературе (например, в [20]).

^ Гидромеханические процессы, скорость протекания которых определяется законами гидромеханики. К ним относятся: сжатие и перемещение газов, перемещения жидкостей, твердых материалов, осаждение, фильтрование, перемешивание в жидкой фазе, псевдоожижение и т. п.

^ Тепловые процессы, скорость протекания которых определяется законами теплопередачи. К ним следует отнести процессы: нагревания, выпаривания, охлаждения (естественного и искусственного), конденсации и кипения.

^ Массообменные (диффузионные) процессы, интенсивность которых определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка и др.

^ Химические процессы связаны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.

В научном и прикладном плане химические процессы совместно со всеми вышеперечисленными процессами в целом и определяют химико-технологи-ческие процессы, без которых невозможны безотходные технологии. Любой химический процесс сопровождается переносом импульса, теплоты, вещества; в ряде случаев именно явление переноса, а не собственно химическое превращение, определяет течение химического процесса и успех его в осуществлении.

Общие закономерности протекания химических процессов и принципы устройства реакторов рассматриваются в специальных дисциплинах.

В соответствии с перечисленным делением процессов аппараты классифицируют следующим образом: измельчающие и классифицирующие машины; гидромеханические, тепловые, массообменные аппараты; оборудование для осуществления химических превращений – реакторы.

По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические и непрерывные.

В периодическом процессе отдельные стадии (операции) осуществляются в одном месте (аппарате, машине), но в разное время (рис. 1.1). В непрерывном процессе (рис. 1.2) отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (аппаратах или машинах).

Непрерывные процессы имеют значительные преимущества: возможность специализации аппаратуры для каждой стадии, улучшение качества продукта, стабилизация процесса во времени, простота регулирования, возможность автоматизации и т.п.

При проведении процессов в любом из перечисленных аппаратов изменяются значения параметров перерабатываемых материалов. Параметрами, характеризующими процесс, являются давление, температура, концентрация, плотность, скорость потока, энтальпия и др.

Непрерывные процессы получили широкое и преимущественное распространение на всех крупных предприятиях химической и нефтехимической промышленности.

В зависимости от характера движения потоков и изменения параметров веществ, поступающих в аппарат, все аппараты могут быть разделены на три группы: аппараты идеального (полного) смешения, аппараты идеального (полного) вытеснения и аппараты промежуточного типа. Параметрами, определяющими состояние вещества в аппарате, называются величины, характерные для данного процесса, например: температура, давление, концентрация и т.п.

Наиболее удобно продемонстрировать особенности потока различной структуры на примере теплообменников непрерывного действия. На рис. 1.1 представлена схема теплообменника, работающего по принципу идеального вытеснения. Принимается, что в этом аппарате происходит «поршневое» течение потока без перемешивания. Температура одного из теплоносителей меняется по длине аппарата от начальной температуры до конечной в результате того, что протекающие через аппарат последующие объёмы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их. Температура второго теплоносителя принята постоянной (конденсирующийся пар).

Рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса:

1 – сырье; 2 – готовый продукт;

3 – пар; 4 – конденсат; 5 – хлаждающая вода


В аппарате идеального смешения последующие и предыдущие объёмы жидкости идеально перемешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Аппарат для проведения непрерывного процесса:

1 – теплообменник-нагреватель; 2 – аппарат с мешалкой;

3 – теплообменник-холодильник; I – сырье; II – готовый продукт; III – пар;

IV – конденсат; V – охлаждающая вода
В реальных аппаратах не могут быть обеспечены ни условия идеального смешения, ни идеального вытеснения. На практике можно достигнуть только достаточно близкого приближения к этим схемам, поэтому реальные аппараты – это аппараты промежуточного типа (рис. 1.3).


а) б) в)
Рис. 1.3. Изменение температуры при нагревании жидкости в аппаратах различных типов: а – полного вытеснения; б – полного смешения; в – промежуточного типа
Движущая сила рассматриваемого процесса нагревания жидкости для любого элемента аппарата представляет разность между температурами греющего пара и нагреваемой жидкости.

Разница в протекании процессов в каждом из типов аппаратов становится особенно ясной, если рассмотреть, как изменяется движущая сила процесса в каждом из типов аппаратов. Из сравнения графиков следует, что максимальная движущая сила имеет место в аппаратах полного вытеснения, минимальная – в аппаратах полного смешения.


Рис. 1.4. Изменение движущей силы процесса при секционировании
Следует отметить, что движущая сила процессов в непрерывно действующих аппаратах идеального смешения может быть значительно увеличена путём разделения рабочего объёма аппарата на ряд секций.

Если объём аппарата идеального смешения разделить на n аппаратов и в них провести процесс, то движущая сила увеличится (рис. 1.4).

При увеличении числа секций в аппаратах идеального смешения значение движущей силы приближается к её значению в аппаратах идеального вытеснения, и при большом числе секций (порядка 8–12) движущие силы в аппаратах того и другого типа становятся приблизительно одинаковыми.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   19



Скачать файл (2809.4 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации