Inżynieria chemiczna - chem.pg.edu.pl · Selecki, L. Gradoń: Podstawowe procesy przemysłu chemicznego. WNT 1985. 4. P. Lewicki: Inżynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego

Inżynieria chemiczna

Literatura podstawowa1. M. Serwiński: Zasady inżynierii chemicznej. WNT 1982.2. J. Ciborowski: Podstawy inżynierii chemicznej. WNT 1965.3. A. Selecki, L. Gradoń: Podstawowe procesy przemysłu chemicznego. WNT 1985.4. P. Lewicki: Inżynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego. WNT 20055. R. Zarzycki: Wymiana ciepła i ruch masy w inżynierii środowiska. WNT 2010Literatura uzupełniająca1. Z. Orzechowski, J. Prywer, R. Zarzycki: Mechanika płynów w inżynierii i ochronie środowiska. 1. Z. Orzechowski, J. Prywer, R. Zarzycki: Mechanika płynów w inżynierii i ochronie środowiska. WNT 2009.2. Z. Orzechowski: Przepływy dwufazowe. PWN 1990.3. R. Koch, A. Noworyta: Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. WNT 1992.4. T. Hobler: Ruch ciepła i wymienniki. WNT 1986.

Inżynieria chemicznaOperacja jednostkowa – zjawisko o charakterze fizycznym lub

fizykochemicznym, w którym nie występuje reakcja chemiczna.

Proces produkcyjny w przemyśle chemicznym – sekwencja operacji jednostkowych iprocesów chemicznych.

Klasyfikacja operacji jednostkowych1. Operacje dynamiczne – zachodzące na skutek działania siły

- przepływ płynów- przepływ płynów- opadanie cząstek ciał stałych w płynach- filtracja- mieszanie

2. Operacje cieplne – związane z ruchem ciepła- ruch ciepła przez przewodzenie, wnikanie i promieniowanie- przenikanie ciepła- zatężanie roztworów w aparatach wyparnych

3. Operacje dyfuzyjne – dyfuzyjny ruch masy- destylacja i rektyfikacja- absorpcja- ekstrakcja i ługowanie- nawilżanie i suszenie powietrza, suszenie materiałów stałych- krystalizacja

Inżynieria chemicznaOpis operacji jednostkowych

1. Zasada zachowania masy – w rozważanym układzie zamkniętym suma masposzczególnych składników przed procesem i po jego zakończeniu jest wielkościąstałą sporządzanie bilansów masowych

2. Zasada zachowania energii – w rozważanym układzie zamkniętym suma

wszystkich rodzajów energii jest stałą sporządzanie bilansów energrtycznychZamiana jednej postaci energii na inną nie zmienia stałości sumy energii całegoZamiana jednej postaci energii na inną nie zmienia stałości sumy energii całegoukładu.

3. Równowaga układu mechaniczna, termiczna, fizykochemiczna – w stanierównowagi właściwości całego układu są niezmienne w czasie

4. Kinetyka przebiegu danej operacji w układzie określa szybkość, z jaką układ dążydo stanu równowagi.Szybkość przebiegu operacji zależy od wartości siły napędowej (np. różnicaciśnień, temperatur, stężeń) oraz od wartości siły oporu, wystepującej w przebieguoperacji (np. siła tarcia, opór termiczny, opór dyfuzyjny).

Inżynieria chemicznaPojęcia podstawowe:

•Płyn - substancja, która może płynąć, a zatem zmieniać swoje rozmiary i kształt: ciecze i gazy

•Płyn doskonały – nielepki – pozbawiony tarcia wewnętrznego, nieściśliwy -nie zmieniający swojej objętości pod wpływem zmian ciśnienia i temperatury

•Ciśnienie P [Pa] – siła działająca na jednostkę powierzchni prostopadłej do

Wykład nr 1. Przepływ płynów

•Ciśnienie P [Pa] – siła działająca na jednostkę powierzchni prostopadłej do siły powierzchniowej. Dla płynów w stanie statycznym ciśnienie jest wielkością skalarną, zawsze prostopadłą do powierzchni płynu

•Przepływ ustalony – ruch płynu jest ustalony, kiedy prędkość płynu w danym punkcie jest stała i niezmienna w czasie. Prędkość jest funkcją położenia.

•Przepływ nieustalony – prędkość płynu w danym punkcie jest funkcją położenia i czasu


u1, A1, p1

u2, A2, p2

h1


A – pole przekroju poprzecznego, m2

Przekrój poprzeczny jest to przekrój prostopadły do kierunku przepływu płynu

h – wysokość położenia, m

h1

h2h=0


mW

s

kg

Wielkości będące miarą przepływu:

W - strumień masy, masowe natężenie przepływu– masa płynu m o gęstości , przepływająca przez dany przekrój A w jednostce czasu :


- strumień objętości, objętościowe natężenie przepływu– objętość płynu V, która przepływa przez dany przekrój A w jednostce czasu :

VV

V

s

m3


A

Vu

s

m

Wielkości będące miarą przepływu:

u – średnia liniowa prędkość przepływu płynu:


w – masowa prędkość przepływu płynu:

A

Ww

sm

kg2


AuVAwW

uw uw


AuV


Równanie ciągłości strumienia:Strumień masy płynu przepływającego w sposób ustalony przez przewód jest stały w każdym dowolnym przekroju przewodu (prostopadłym do kierunku ruchu płynu):

21 WW

.constW


21 WW

W przypadku nieściśliwego płynu, tzn. gdy jego gęstość jest stała, strumień objętości też jest stały. Dla dwóch dowolnych przekrojów przewodu A1 i A2można napisać zależność:

2211

21

AuAu

constVV


h2

ciepło

2 u2, 2

Bilans energetyczny układu licząc na 1 kg płynu:

Uwzględnić należy: •doprowadzenie i odprowadzenie energii potencjalnej Ep

•kinetycznej Ek

•objętościowej E0

•wewnętrznej U

2

22

s

m

kg

ms

mkg

kg

mN

kg

J


h1

praca

1 u1, 1

0

•wewnętrznej U•doprowadzone ciepło Q •pracę L

2022210111 UEEEQLUEEE kpkp (1)


Energia kinetyczna Ek :

2

2umEk

Dla jednego kilograma płynu:

2

2uEk

Wartość prędkości płynu jest zmienna w przekroju poprzecznym strumienia.u jest średnią wartością prędkości liniowej.


u jest średnią wartością prędkości liniowej.

Aby uzyskać poprawną wartości średniej energii kinetycznej 1 kg płynu płynącego całym przekrojem, wprowadza się współczynnik poprawkowy α (0.5-1)

2

2uEk

Inżynieria chemicznaEnergia potencjalna Ep jest równa iloczynowi wysokości h, oraz siły ciężkości działającej na masę 1 kg płynu. Siła ta jest iloczynem tej masy i przyśpieszeniaziemskiego g ( 9,81 m/s2 ).

ghEp


Energia objętościowa E0 jest równa pracy potrzebnej do wytworzenia objętości Vzajętej przez 1 kg płynu pod ciśnieniem p.

VpE 0

Dla płynu nielepkiego i nieściśliwego nie mamy wkładu pracy: 0L


Równanie (1) zapiszemy w postaci:

21221121

22

21

22UUVpVpghgh

uuQ

Dla przekrojów oddalonych od siebie o różniczkowo małą odległość:

dUpVdgdhu

ddQ

2

2

dUVdppdVgdhu

ddQ

2

2


Rozwijając różniczkę d(pV): VdppdVpVd


1V

Dla płynu doskonałego, podczas przepływu którego nie występuje tarcie wewnętrzne α = 1. Z punktu widzenia termodynamiki taki przepływ jest odwracalny, a dla procesu odwracalnego I zasada termodynamiki wyraża się równaniem:

oraz uwzględniając, że dla 1 kg płynu:

pdVdUdQ

02

2

dpgdh

du


Róniczkowa postać równania Bernoulliego

(2)


Równanie Bernoulliego wyraża związek, jaki zachodzi między położeniem

(3)

Całkując równanie (2) między przekrojami 1 i 2 otrzymujemy:

constp

ghup

ghu

2

2

221

1

21

22


Równanie Bernoulliego wyraża związek, jaki zachodzi między położeniem płynącego elementu płynu h, ciśnieniem p i prędkością przepływu u

Każdy człon równania (3) ma wymiar fizyczny ; możemy powiedzieć, że w czasie ustalonego przepływu płynu doskonałego suma energii kinetycznej, energii potencjalnej położenia i energii ciśnienia dla jednostki masy płynącej strugi jest wielkością stałą.

2

2

s

m


constpghu

pghu

22

22

11

21

22

(4)

Inne postaci algebraiczne równania Bernoulliego:

2

2uCiśnienie dynamiczne, Pa


Ciśnienie statyczne – ciśnienie panujące w płynie pozostającym w spoczynku, jest to ciśnienie wskazywane przez przyrząd poruszający się w strumieniu płynu z taką samą prędkością i w tym samym kierunku – prędkość względna przyrządu i płynu jest równa zeru

2

gh

p Ciśnienie statyczne, Pa

Ciśnienie hydrostatyczne, Pa


constg

ph

g

u

g

ph

g

u

2

2

221

1

21

22

22

(5a)

Inne postaci algebraiczne równania Bernoulliego:

constp

hg

uph

g

u

2

2

221

1

21

22

g

u

2

2


(5b)

p

g

p h

wysokość prędkości, m

wysokość ciśnienia, m wysokość położenia, m


h1

h2


Przykłady zastosowania równania Bernoulliego dla płynów doskonałych:

•Wypływ cieczy ze zbiornika przez otwór o małym przekroju•Pomiar prędkości przepływu płynu za pomocą kryzy pomiarowej•Pomiar prędkości płynu za pomocą rurki Prandtla

Inżynieria chemicznaWypływ cieczy ze zbiornika:

A1

A2

Obliczyć, z jaką prędkością będzieprzepływać woda przez mały otwórznajdujący się w ściance zbiornika. Nadzwierciadłem wody w zbiorniku i nawylocie z otworu panuje ciśnienieatmosferyczne. Otwór znajduje się naatmosferyczne. Otwór znajduje się nagłębokości h poniżej lustra cieczy wzbiorniku. Poziom wody w zbiorniku jeststały.

g

ph

g

u

g

ph

g

u

2

2

221

1

21

22

hh 1

02 h

g

p

g

u

g

ph

g

u

2

221

21

22


222

211

22

2

21

1

2211

44

dudu

du

du

AuAu

Jeżeli pole przekroju zbiornika jest znacznie większe od pola przekroju wylotu otworu: 01

21

21

u

uu

AA

g

p

g

u

g

ph

g

u

2

221

21

22

atmppp 21

ghu 22

hpp

gu

pp

21

2

21

2


Wypływ cieczy ze zbiornika:

ghu 22

Równanie (6) dotyczy przepływu płynu doskonałego i nie uwzględnia stratprzepływu występujących między przekrojami 1 i 2 spowodowanych lepkościąpłynu. W przypadku płynów lepkich prędkość wypływu jest mniejsza od

(6)

płynu. W przypadku płynów lepkich prędkość wypływu jest mniejsza odteoretycznej. Związek pomiędzy prędkością rzeczywistą a teoretyczną przyjętowyrażać w formie iloczynu:

- współczynnik prędkości, = 0.96 ÷0.99.uurzecz


Zjawisko kontrakcji strumienia - bezwładność poruszających się elementów płynu powoduje, że w niewielkiej odległości za otworem występuje przewężenie strumienia.

- współczynnik kontrakcji - iloraznajmniejszego przekroju strumienia A0 donajmniejszego przekroju strumienia A0 doprzekroju otworu A:

A

A0

Wartość zależy od ostrości krawędzi otworu,od kształtu i usytuowania otworu.Dla otworów kołowych o ostrych krawędziach: β = 0.60 ÷ 0.64.


Współczynnik wypływu (przepływu) - iloraz rzeczywistego strumienia objętości do strumienia teoretycznego

AA

uurzecz

0VVrzecz

objętości do strumienia teoretycznego W prosty sposób można udowodnić, że:

Wartość współczynnika przepływu przy wypływie z otworu o ostrych krawędziach zależy głównie od wartości współczynnika kontrakcji i mieści się w granicach = 0.60 ÷ 0.62.

uurzecz

Inżynieria chemicznaCzas wypływu cieczy ze zbiornika:

dopłodpł

dHAd

dgHAdHA

udAdHA

VV

0

10

10

2

P0,u0, A0

H

K

P

HH

HHH

dHA

gAd

gHAd

0

10

1

2

1

2

H – poziom lustra cieczy nad otworem odpływowym, m

P1,u1, A1

P

K

HH

HHH

dHA

gA

0

1 2

1


1) A0=const

HH

H

dH

gA

AP

21

0

KP

HH

HH

,

HH

HHgA

A

dHHgA

A

HgA

P

K

K

2

2

2

2

1

0

50

1

0

1

HH,

H ,, 2150

1 15050


constA. 02

H

P0,u0, A0

P1,u1, A1

r

PHH

HHH

dHA

gA

0

1 2

1

25

123

1 123

23

HHH

220

20

tgHA

H

rtg

rA

25

25

1

2

23

1

2

22

1

25

2

2

2

1

KP

HH

HH

HH

HH

HHgA

tg

dHHgA

tg

H

dHtgH

gA

P

K

P

K

KHH

HgA1 2


constA 0

H

H

H

Inżynieria chemicznaPomiar prędkości płynu za pomocą rurki Prandtla:

1 2

zjawisko spiętrzenia - całkowite zahamowanie przepływu płynu

01 u uu 2

Ciśnienia w poruszającym się płynie:2

2upppp sdsc

21 hh

01 u uu 2

Inżynieria chemicznaPomiar prędkości płynu za pomocą rurki Prandtla:

ghpu

ghpu

22

22

11

21

22

21 hh

01 u

cpp 1

uu 2

spp 2

2

2upp sc

sc ppu

2

scd ppp

12 3

Inżynieria chemicznaPomiar prędkości przepływu płynu za pomocą kryzy:

3

231

21

22

pupu

g

pphM

31

ppp

3

3

231

1

21

22

pgh

upgh

u 31 hh

ΔP=P1-P3

Mghup

upp

uu 222 21

21

3121

23

21

23

1

3

3

1

d

d

A

A

u

u 4

1

3

3

1

2

d

d

ghu M

4

1

2

2

1

2

d

d

ghCu M

12

12

d

l,

d

d,RefC 4

1

21

d

d

C

Mghu 22

Documents

Inżynieria chemiczna - chem.pg.edu.pl · Selecki, L. Gradoń: Podstawowe procesy przemysłu chemicznego. WNT 1985. 4. P. Lewicki: Inżynieria procesowa i aparatura przemysłu spożywczego