Click here to load reader

III r. EiP (Technologia Chemiczna)galaxy.agh.edu.pl/~czepir/pdf/ICHP18-19W01.pdf · Procesy podstawowe:-wyjaśnia mechanizmy znanych procesów na tle praw fizyki-klasyfikacja procesów

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of III r. EiP (Technologia Chemiczna)galaxy.agh.edu.pl/~czepir/pdf/ICHP18-19W01.pdf · Procesy...

AKADEMIA GRNICZO HUTNICZA

WYDZIA ENERGETYKI I PALIW

INYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA(przenoszenie pdu)

III r. EiP (Technologia Chemiczna)

Prof. dr hab. Leszek CZEPIRSKI

Konsultacje:Wtorek: 9.30 11.00

roda: 9.30 11.00

Kontakt: A4, p. 424

Tel. 12 617 46 36

email: [email protected]

III r. EiP (Technologia Chemiczna)INYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA

(przenoszenie pdu)

Wykad 30h (egzamin) prof. dr hab. Leszek Czepirski

wiczenia 30h (zaliczenie) - dr in. Katarzyna Czerw

WARUNKI ZALICZENIA

Uzyskanie pozytywnej oceny z wicze rachunkowych i egzaminu kocowego

EGZAMIN: pisemny (teoria z elementami oblicze)

Ocena kocowa = 0.4*ocena wicze + 0.6*ocena egzaminu

ZAKRES MATERIAU

III r. EiP (technologia chemiczna)INYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pdu)

Przepyw pynw.

Podstawowe pojcia dotyczce przepywu pynw (ilociowe okrelanie przepywu, przepyw ustalony i

nieustalony). Bilans masowy przepywu pynw doskonaych i rzeczywistych (rwnanie cigoci

strumienia). Bilans energetyczny strumienia (rwnanie Bernoulliego dla pynw doskonaych i

rzeczywistych). Graficzna interpretacja rwnania Bernoulliego. Zastosowania rwnania Bernoulliego

(ustalony i nieustalony wypyw cieczy ze zbiornikw, czas oprniania zbiornikw o rnym ksztacie,

uoglnione rwnanie Bernoulliego).

Rodzaje przepyww (ruch laminarny i burzliwy, liczba Reynoldsa jako kryterium ruchu pynu,

rozkady prdkoci pynu w rurocigu). Opory przepywu pynu. Rwnanie Darcy-Weisbacha.

Wspczynnik oporu dla ruchu uwarstwionego i burzliwego. Przepyw w gadkich przewodach

cylindrycznych. Promie hydrauliczny i zastpcza rednica rurocigu. Opory lokalne w czasie ruchu

pynw w przewodach. Przepyw przez rury szorstkie, przewenia, kolana i zawory. Przepyw przez

wownice. Dugo zastpcza rurocigu. Cakowity opr przetaczania. Obliczanie przepustowoci

rurocigu (wzr Pohlego). Obliczanie rurocigu dla pynw ciliwych - przepyw izotermiczny i

adiabatyczny. Optymalna rednica rurocigu. Wpyw efektw cieplnych na opory przepywu.

ZAKRES MATERIAU

III r. EiP (technologia chemiczna)INYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pdu)

Procesy dwufazowe ciao stae - pyn.

Ruch czstek staych w polu si masowych i odrodkowych. Opr orodka. Opadanie grawitacyjne.

Wzory Stokesa, Allena i Newtona na prdko opadania. Graniczne rednice opadajcych czstek dla

trzech zakresw opadania. Uproszczona metoda obliczania prdkoci opadania i rednicy opadajcej

czstki. Opadanie zakcone. Zastosowanie praw opadania w procesach rozdziau ukadw ciao stae

pyn (klasyfikacja hydrauliczna, odpylanie gazw, sedymentacja naturalna i wymuszona).

Przepyw pynu przez warstw usypanego materiau staego. Powierzchnia waciwa ziarna,

porowato zoa, rednica zastpcza i ksztat ziarna. Opory przepywu pynu przez zoe ziarnistego

materiau. Fluidyzacja. Minimalna i maksymalna prdko fluidyzacji, ekspansja zoa, transport

pneumatyczny i hydrauliczny.

Filtracja (opr filtracji, rwnanie Rutha, filtracja przy staej i zmiennej gruboci warstwy osadu).

Przepyw dwufazowy gaz - ciecz przez nieruchome wypenienie. Charakterystyka wypenie. Zastpcze

liczby Reynoldsa. Dozwolona prdko przepywu fazy gazowej. Spadek cinienia fazy gazowej na

wypenieniu zraszanym ciecz.

Przepyw gazu przez warstw cieczy (barbota). Ruch pcherzykw gazu w cieczy. Barbota swobodny

i acuchowy. Wyznaczanie prdkoci i rednicy pcherzyka w barbotau acuchowym. Powierzchnia

kontaktu faz i straty cinienia przy barbotau. Pienienie i zachystywanie przy barbotau.

ZALECANE PODRCZNIKI

III r. EiP (technologia chemiczna)INYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pdu)

1. Z.Kembowski, S.Michaowski, C.Strumio, R.Zarzycki, Podstawy teoretyczne inynierii chemicznej i procesowej,

WNT W-wa 1985.

2. Zbir zada z podstaw teoretycznych inynierii chemicznej i procesowej, (praca zbiorowa pod redakcj T.Kudry),

WNT W-wa 1985.

3. S.Wroski, R.Pohorecki, Termodynamika i kinetyka procesw inynierii chemicznej, WNT W-wa 1979.

4. S.Wroski, R.Pohorecki, J.Siwiski, Przykady oblicze z termodynamiki i kinetyki procesw inynierii

chemicznej, WNT, W-wa 1979.

5. K.F.Pawow, P.G.Romankow, A.A.Noskow. Przykady i zadania z zakresu aparatury i inynierii chemicznej, WNT

W-wa 1988.

6. W.Ciesielczyk. K.Kupiec, A. Wiechowski, Przykady i zadania z zakresu inynierii chemicznej i procesowej, cz. I, II,

skrypt Politechniki Krakowskiej. 1989.

7. Zadania rachunkowe z inynierii chemicznej, (pr. zbiorowa pod red. R.Zarzyckiego), PWN W-wa 1980.

8. M.Serwiski, Zasady inynierii chemicznej i procesowej, WNT W-wa 1982.

9. Podstawowe procesy inynierii chemicznej. Przenoszenie pdu, ciepa i masy, (pr. zbiorowa pod red.

Z.Zikowskiego), PWN W-wa 1982.

10. J.Ciborowski, Inynieria chemiczna. Inynieria procesowa, WNT W-wa 1973.

11. J.Ciborowski, Podstawy inynierii chemicznej, WNT W-wa 1965.

12. C.O.Bennet, J.E.Myers, Przenoszenie pdu, ciepa i masy, WNT W-wa 1967.

13. R.Koch, A,Noworyta, Procesy mechaniczne w inynierii chemicznej, WNT W-wa, 1995.

14. A.Selecki, M.Grado, Podstawowe procesy przemysu chemicznego, WNT W-wa 1985.

15. A.Kozio, Kinetyka procesw, mechanicznych, cieplnych i dyfuzyjnych, (skrypt Politechniki Wrocawskiej), 1979.

16. J.Piko, Aparatura chemiczna, PWN W-wa 1983.

Definicja inynierii

Inynieria to umiejtno tworzenia artefaktw

Pocztkowo pojcie inynierii sprowadzao si do umiejtnocitworzenia budowli.

Wszelkie przedmioty lub zjawiska nie bdcewytworem przyrody, do ktrych powstaniaprzyczyni si czowiek

Inynieria to dziedzina wiedzy teoretycznej i praktycznej,a take okrelony obszar umiejtnoci praktycznych,dotyczcy projektowania, a take optymalnego stosowaniarnego rodzaju procesw technologicznych oraz operacjijednostkowych w procesach technologicznych technologiichemicznej i pokrewnych.

PROCESY a OPERACJE JEDNOSTKOWE

Operacja jednostkowa zjawisko o charakterze fizycznym lubfizykochemicznym, w ktrym nie wystpuje reakcja chemiczna.

Proces produkcyjny w przemyle chemicznym sekwencja operacjijednostkowych i procesw chemicznych.

Procesy (w tym, procesy technologiczne), to wzajemniepowizane i pozostajce pod kontrol, dziaania (operacjejednostkowe), gdy ma miejsce przeksztacenie okrelonychparametrw, lub waciwoci wejciowych, w inne podaneparametry, lub waciwoci wyjciowe.

Opis operacji jednostkowych

1. Zasada zachowania masy w rozwaanym ukadzie zamknitymsuma mas poszczeglnych skadnikw przed procesem i po jegozakoczeniu jest wielkoci sta sporzdzanie bilanswmasowych

2. Zasada zachowania energii w rozwaanym ukadziezamknitym suma wszystkich rodzajw energii jest wielkocista sporzdzanie bilansw energetycznych

Zamiana jednej postaci energii na inn nie zmienia staoci sumy energii caego ukadu.

3. Rwnowaga ukadu (mechaniczna, termiczna, fizykochemiczna) w stanie rwnowagi waciwoci caego ukadu s niezmienne w czasie.

4. Kinetyka przebiegu danej operacji w ukadzie okrela szybko, zjak ukad dy do stanu rwnowagi. Szybko przebiegu operacjizaley od wartoci siy napdowej (np. rnica cinie, temperatur,ste) oraz od wartoci siy oporu, wystpujcej w przebieguoperacji (np. sia tarcia, opr termiczny, opr dyfuzyjny).

Czym jest Inynieria Chemiczna i Procesowa (Chemical and Process Engineering)?

Co wchodzi w jej skad ?

INYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA

Procesy podstawowe:- wyjania mechanizmy znanychprocesw na tle praw fizyki- klasyfikacja procesw

Aparaturoznawstwo procesowe- umiejtno wyboru odpowiedniejaparatury do danego procesu

Termodynamika procesowa- Metody oblicze waciwoci pynw - Rwnowagi fazowe procesw

Kinetyka procesowa:- Mechanika pynw- Przenikanie ciepa i masy z reakcj chemiczn

W nauce o ruchu pynw tj. gazw i cieczy, traktujemy pyn jako orodek ostrukturze cigej

Rniczkowa objto pynu o dowolnie maych rozmiarach (w granicybdzie to punkt) moe by zatem rozpatrywana jako jednorodnaprbka o waciwociach fizycznych caego orodka, w oderwaniu odrzeczywistej struktury czsteczkowej.

Zakres stosowalnoci tego modelu jest ograniczony i nie obejmuje ruchu gazw rozrzedzonych w warunkach w ktrych rednia droga swobodna czsteczki jest porwnywalna do rednicy przewodu.

Przepywy MOLEKULARNE lub KNUDSENOWSKIE

okrela mas przepywajcego pynu w jednostce czasu

s

m

kg

m

s

kg 33

okrela objto przepywajcego pynu w jednostce czasu

sm

kg

ms

kg22

1

okrela mas pynu przepywajcego w jednostce czasu przez jednostk pola przekroju strumienia

s

m

ms

m

2

3 1

Kryteria przepywu ustalonego:

Jeeli wemiemy pod uwag dwa przekroje tego samego strumienia, gdzie natenia przepywu wynosz G1 i G2, wwczas przy przepywie ustalonym w czasie natenia te s jednakowe oraz nie zmieniaj si w czasie.

21 GG

UOGLNIONE RWNANIE BERNOULLIego

2211 UEQLUE

2

2

22221

2

1111 u

2

wvpgzqlu

2

wvpgz

m

Ll

m

Qq

2

ww)zg(z)i(iql

2

1

2

21212

2211 UEQLUE

2

2

2

2

221

2

1

1

11

22U

w

pgzQLU

w

pgz

Pompa toczy wod ze stawu do zbiornika pooonego o 35 m wyej, dobrze izolowanym

przewodem o rednicy wewntrznej 80 mm z szybkoci 48 m3/h. Cinienie w zbiorniku jest

stae i wynosi 3 at. Zapotrzebowanie mocy przez pomp o sprawnoci 0.7 wynosi 23 kW.

Obliczy temperatur wody na wlocie do zbiornika, jeeli jej temperatura w stawie wynosi

17oC.

1). Woda jest pynem nieciliwym (praktycznie staa

gsto przy niewielkich zmianach temperatury), i

przepywa przewodem o staej rednicy (S= const.)

Dlatego w warunkach ustalonych: w1 = w2

2). Q = 0 - przepyw adiabatyczny

02121

21

L)U(U

pp)zg(z

Ilo pracy przekazanej przez pomp na 1

kg wody:

G

NL o

VG

L = 1.27 kJ/kg

kg/s 13.3G

L

pp)zg(z)U(U

212112

Zmiana energii wewntrznej:

(U2 - U1) = 673 J/kg

vc

UUtt 1212 )(

(t2 - t1) = 17.16oC

)( 1212 ttc)U(U v

Zmiana energii wewntrznej:

WYPYW USTALONY CIECZY PRZEZ OTWR W DNIE

ZBIORNIKA hg

p

2

wgh

p

2

w 2

oo

2

o

oo

oo wS

Sw wSwS

p

2

whg

p

2

w

S

S2

oo

2

o

2

o

hgpp

S

S1

2

w 02

o

2

o

2

o

o

o

S

S1

hgpp

2

w

0ho

0S

So ppo

gh2wo

goTorricelle wzr

1

VV

VV

gh2SV

teoretrzecz

teoretrzecz

o

Straty energii pomidzy przekrojami (rodzaj, ksztat otworu

wypywowego) powoduj e rzeczywiste objtociowe natenie

wypywu jest mniejsze od teoretycznego:

NIEUSTALONY WYPYW CIECZY ZE ZBIORNIKA

Nieustalony wypyw cieczy ma miejsce wtedy gdy cinienie

hydrostatyczne cieczy w zbiorniku ulega zmianie. W zbiorniku

otwartym jest to rwnowane zmianie wysokoci cieczy w

zbiorniku (maleje objtociowe natenie wypywu). Wypyw

naley traktowa jako quasi-ustalony tzn. w danej chwili mona

stosowa zalenoci jak dla przepywu ustalonego a wynika to z

faktu bardzo maego przekroju otworu wylotowego w stosunku do

pola przekroju zbiornika.

CZAS OPRNIANIA ZBIORNIKA )h(fS

dhSdV dQdV v

gh2wo

dgh2SdV o

oov wSQ

dgh2SdhS o

dhh

1

g2

1

S

Sd

2

1

h

ho0

dhh

1

g2

1

S

S 1

2

h

ho

21

o

hhg2

2

S

S

h

g2

2

S

S

o

)0(h2

Czas cakowitego oprniania zbiornika:

Zasada dziaania inektora wodno - wodnego

Zasada dziaania inektora wodno - wodnego

Model matematyczny przepywu cieczy doskonaej

Rwnanie Newtona:d

dwmf Ciao znajduje si w ruchu, jeeli suma rzutw

wszystkich si dziaajcych na dane ciao

rwna jest iloczynowi masy tego ciaa i

przyspieszenia

Siy dziaajce na zewntrzne

powierzchnie rwnolegocianu:

1). Sia cikoci: gdxdydzgVmg

2). Siy cinienia (dziaajce wzdu osi z):

dxdydz)z

pg(f

dxdy)dzz

pp(pdxdygdxdydzf

z

z

dxdydzx

pf x

dxdydz

y

pf y

d

dwdxdydzdxdydz)

z

pg(

d

dwdxdydzdxdydz

y

p

d

dwdxdydzdxdydz

x

p

z

y

x

d

dw)z

pg(

d

dw

y

p

d

dw

x

p

z

y

x

Skadowe prdkoci s funkcjami parametrw wsprzdnych i czasu:

),z,y,x(fw

Poniewa przyspieszenie jest sum wektorow trzech skadowych przyspieszenia

wzdu osi wsprzdnych mona wykaza, e:

xxx wx

w

d

dw

i analogicznie dla pozostaych osi, a std:

Rniczkowe rwnanie przepywu Eulera

x

ww

x

p xx

y

ww

y

p yy

z

ww)

z

pg( zz

Rwnania Eulera obrazuj dziaanie si w jednym punkcie poruszajcego si pynu

(przy zaoeniu, e elementarna objto pynu zbliona jest do punktu). Dla okrelenia

si dziaajcych na caej powierzchni elementarnego rwnolegocianu naley wic obie

strony rwna Eulera pomnoy przez dugoci odpowiednich krawdzi i zsumowa dla

uzyskania dziaania si w caej objtoci:

dzz

wwdz)

z

pg(

dyy

wwdy

y

p

dxx

wwdx

x

p

z

z

y

y

xx

dzz

wwdy

y

wwdx

x

ww

gdzdzz

pdy

y

pdx

x

p

z

z

y

yx

x

2

wddwwdz

z

wwdy

y

wwdx

x

ww

dpdzz

pdy

y

pdx

x

p

2

z

z

y

yx

x

02

wddpgdz

2

0g2

w

g

pzd

2

Po zcakowaniu: constg2

w

g

pz

2

Rwnanie Bernoulliego !!!

Rwnanie Bernoulliego jest zatem rozwizaniem

(cak rwna Eulera)

Elementy dynamiki przepywu pynw rzeczywistych

Elementy teorii podobiestwa

Analiza wymiarowa

Analiza wymiarowa

Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego

Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego

Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego

Cechy charakterystyczne ruchu burzliwego

Promie hydrauliczny i rednica zastpcza przewodw

Opory podczas przepywu pynw przez przewody

Opory podczas przepywu pynw przez przewody

Opory podczas przepywu pynw przez przewody

Optymalna rednica rurocigu

Optymalna rednica rurocigu

Optymalna rednica rurocigu

Optymalna rednica rurocigu