Основные принципы анализа и расчета процессов и аппаратов

Расчеты процессов и аппаратов имеют следующие основные цели: а) определение условий предельного, или равновесного, состояния системы; б) вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, а также количеств потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей; в) определение оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхности; г) вычисление основных размеров аппаратов.

Материальных баланс. По закону сохранения массы количество поступающих веществ ΣG_Н должно быть равно количеству веществ ΣG_К , получаемых в результате проведения процесса, а также неизбежные потери ΣG_П

ΣG_H = ΣG_К + ΣG_П

Энергетический баланс. Этот баланс составляют на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процессе, равно количеству выделившейся энергии.

Частью энергетического баланса является тепловой баланс. При этом количество вводимого тепла:

ΣQ_H = Q₁ + Q₂ + Q₃

где Q₁ – тепло, вводимое с исходным веществом;

Q₂ – количество тепла, подводимого извне, например с теплоносителем, обогревающим аппарат;

Q₃ – тепловой эффект физических или химических превращений.

Количество отводимого тепла ΣQ_К складывается из тепла, удаляющегося с конечными продуктами, и отводимого с теплоносителем.

Интенсивность процессов и аппаратов. Интенсивность процесса всегда пропорциональна движущей силе Δ и обратно пропорциональна сопротивлению R:

где М – количество перенесенного вещества;

τ – время процесса;

А – интенсивность процесса.

Определение основных размеров аппаратов

Пользуясь уравнением:

М=КАΔτ (1)

где М – количество перенесенного вещества или тепла, пропорционален движущей силе Δ, времени τ и некоторой величине А, к которой относят интенсивность процесса, К – коэффициента пропорциональности; вычисляют основные размеры аппаратов.

Если известен объём среды, протекающей через аппарат в единицу времени V_сек , и задана или принята ее линейная скорость ω, то площадь поперечного сечения аппарата .

По величина S определяют один из основных размеров аппарата, его диаметр D. Другим основным размером является высота Н. Из уравнения (1) находят А (в данном случае А зависит от F).

F – поверхность необходимая для проведения процесса. Зная F и пользуясь зависимостью F = a·V, а – поверхность, приходящаяся на единицу объема аппарата (удельная поверхность), рассчитывают его рабочий объем. По величине V находят высоту Н, применяя соотношение V = S·H.

Оптимизация – выбор наилучших, или оптимальных условий проведения процесса. Определение этих условий связано с выбором критерия оптимизации, который может зависеть от оптимальных значений ряда параметров (температура, давление). Между этими параметрами обычно существует сложная взаимосвязь, что сильно затрудняет выбор единого критерия. Задача сводится к поиску экстремальных значений целевой функции, выражающей зависимость величины выбранного критерия оптимизации от влияющих на него факторов.

Моделирование – изучение закономерностей процессов на моделях при условиях, допускающих распространение полученных результатов на все процессы, подобные изученному, независимо от масштаба аппарата.

Правила моделирования:

1. необходимо, чтобы процессы в модели и аппарате натуральной величины (оригинале) описывались одинаковыми дифференциальными уравнениями;

2. модель должна быть геометрически подобна оригиналу;

3. численные значения начальных и граничных условий, выраженных в безразмерной форме, для модели и оригинала должны быть равны;

4. необходимо, чтобы все безразмерные комплексы физических и геометрических величин, влияющих на процесс (критерии подобия), были равны во всех сходственных точках модели и оригинала.

Моделирование процессов можно также осуществлять на основе математической аналогии – одинаковой формы уравнений, описывающих физически различные явления.

Гидромеханика

Многие технологические процессы химической промышленности связаны с движением жидкостей, газов или паров, перемешиванием в жидких средах, а также с разделением неоднородных смесей путем отстаивания, фильтрования и центрифугирования. Скорость всех указанных физических процессов определяется законами гидромеханики.

Законы гидромеханики подразделяются на: гидростатика – рассматривает законы равновесия в состоянии покоя, и гидродинамика – законы движения жидкостей и газов.

Гидродинамика

Движущей силой при течении жидкостей является разность давлений, которая создается с помощью насосов или компрессоров либо вследствие разности уровней или плотностей жидкости. Различают внутреннюю и внешнюю задачи гидродинамики.