AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA
WYDZIAŁ ENERGETYKI I PALIW
INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA(przenoszenie pędu)
III r. EiP (Technologia Chemiczna)
Prof. dr hab. Leszek CZEPIRSKI
Konsultacje:Wtorek: 9.30 – 11.00
Środa: 9.30 – 11.00
Kontakt: A4, p. 424
Tel. 12 617 46 36
email: [email protected]
III r. EiP (Technologia Chemiczna)INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA
(przenoszenie pędu)
Wykład 30h (egzamin) – prof. dr hab. Leszek Czepirski
Ćwiczenia 30h (zaliczenie) - dr inż. Katarzyna Czerw
WARUNKI ZALICZENIA
Uzyskanie pozytywnej oceny z ćwiczeń rachunkowych i egzaminu końcowego
EGZAMIN: pisemny (teoria z elementami obliczeń)
Ocena końcowa = 0.4*ocena ćwiczeń + 0.6*ocena egzaminu
ZAKRES MATERIAŁU
III r. EiP (technologia chemiczna)INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pędu)
Przepływ płynów.
Podstawowe pojęcia dotyczące przepływu płynów (ilościowe określanie przepływu, przepływ ustalony i
nieustalony). Bilans masowy przepływu płynów doskonałych i rzeczywistych (równanie ciągłości
strumienia). Bilans energetyczny strumienia (równanie Bernoulli’ego dla płynów doskonałych i
rzeczywistych). Graficzna interpretacja równania Bernoulli’ego. Zastosowania równania Bernoulli’ego
(ustalony i nieustalony wypływ cieczy ze zbiorników, czas opróżniania zbiorników o różnym kształcie,
uogólnione równanie Bernoulli’ego).
Rodzaje przepływów (ruch laminarny i burzliwy, liczba Reynoldsa jako kryterium ruchu płynu,
rozkłady prędkości płynu w rurociągu). Opory przepływu płynu. Równanie Darcy-Weisbacha.
Współczynnik oporu dla ruchu uwarstwionego i burzliwego. Przepływ w gładkich przewodach
cylindrycznych. Promień hydrauliczny i zastępcza średnica rurociągu. Opory lokalne w czasie ruchu
płynów w przewodach. Przepływ przez rury szorstkie, przewężenia, kolana i zawory. Przepływ przez
wężownice. Długość zastępcza rurociągu. Całkowity opór przetłaczania. Obliczanie przepustowości
rurociągu (wzór Pohlego). Obliczanie rurociągu dla płynów ściśliwych - przepływ izotermiczny i
adiabatyczny. Optymalna średnica rurociągu. Wpływ efektów cieplnych na opory przepływu.
ZAKRES MATERIAŁU
III r. EiP (technologia chemiczna)INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pędu)
Procesy dwufazowe ciało stałe - płyn.
Ruch cząstek stałych w polu sił masowych i odśrodkowych. Opór ośrodka. Opadanie grawitacyjne.
Wzory Stokesa, Allena i Newtona na prędkość opadania. Graniczne średnice opadających cząstek dla
trzech zakresów opadania. Uproszczona metoda obliczania prędkości opadania i średnicy opadającej
cząstki. Opadanie zakłócone. Zastosowanie praw opadania w procesach rozdziału układów ciało stałe –
płyn (klasyfikacja hydrauliczna, odpylanie gazów, sedymentacja naturalna i wymuszona).
Przepływ płynu przez warstwę usypanego materiału stałego. Powierzchnia właściwa ziarna,
porowatość złoża, średnica zastępcza i kształt ziarna. Opory przepływu płynu przez złoże ziarnistego
materiału. Fluidyzacja. Minimalna i maksymalna prędkość fluidyzacji, ekspansja złoża, transport
pneumatyczny i hydrauliczny.
Filtracja (opór filtracji, równanie Rutha, filtracja przy stałej i zmiennej grubości warstwy osadu).
Przepływ dwufazowy gaz - ciecz przez nieruchome wypełnienie. Charakterystyka wypełnień. Zastępcze
liczby Reynoldsa. Dozwolona prędkość przepływu fazy gazowej. Spadek ciśnienia fazy gazowej na
wypełnieniu zraszanym cieczą.
Przepływ gazu przez warstwę cieczy (barbotaż). Ruch pęcherzyków gazu w cieczy. Barbotaż swobodny
i łańcuchowy. Wyznaczanie prędkości i średnicy pęcherzyka w barbotażu łańcuchowym. Powierzchnia
kontaktu faz i straty ciśnienia przy barbotażu. Pienienie i zachłystywanie przy barbotażu.
ZALECANE PODRĘCZNIKI
III r. EiP (technologia chemiczna)INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pędu)
1. Z.Kembłowski, S.Michałowski, C.Strumiłło, R.Zarzycki, Podstawy teoretyczne inżynierii chemicznej i procesowej,
WNT W-wa 1985.
2. Zbiór zadań z podstaw teoretycznych inżynierii chemicznej i procesowej, (praca zbiorowa pod redakcją T.Kudry),
WNT W-wa 1985.
3. S.Wroński, R.Pohorecki, Termodynamika i kinetyka procesów inżynierii chemicznej, WNT W-wa 1979.
4. S.Wroński, R.Pohorecki, J.Siwiński, Przykłady obliczeń z termodynamiki i kinetyki procesów inżynierii
chemicznej, WNT, W-wa 1979.
5. K.F.Pawłow, P.G.Romankow, A.A.Noskow. Przykłady i zadania z zakresu aparatury i inżynierii chemicznej, WNT
W-wa 1988.
6. W.Ciesielczyk. K.Kupiec, A. Wiechowski, Przykłady i zadania z zakresu inżynierii chemicznej i procesowej, cz. I, II,
skrypt Politechniki Krakowskiej. 1989.
7. Zadania rachunkowe z inżynierii chemicznej, (pr. zbiorowa pod red. R.Zarzyckiego), PWN W-wa 1980.
8. M.Serwiński, Zasady inżynierii chemicznej i procesowej, WNT W-wa 1982.
9. Podstawowe procesy inżynierii chemicznej. Przenoszenie pędu, ciepła i masy, (pr. zbiorowa pod red.
Z.Ziółkowskiego), PWN W-wa 1982.
10. J.Ciborowski, Inżynieria chemiczna. Inżynieria procesowa, WNT W-wa 1973.
11. J.Ciborowski, Podstawy inżynierii chemicznej, WNT W-wa 1965.
12. C.O.Bennet, J.E.Myers, Przenoszenie pędu, ciepła i masy, WNT W-wa 1967.
13. R.Koch, A,Noworyta, Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT W-wa, 1995.
14. A.Selecki, M.Gradoń, Podstawowe procesy przemysłu chemicznego, WNT W-wa 1985.
15. A.Kozioł, Kinetyka procesów, mechanicznych, cieplnych i dyfuzyjnych, (skrypt Politechniki Wrocławskiej), 1979.
16. J.Pikoń, Aparatura chemiczna, PWN W-wa 1983.
Definicja inżynierii
Inżynieria to umiejętność tworzenia artefaktów
Początkowo pojęcie inżynierii sprowadzało się do umiejętnościtworzenia budowli.
Wszelkie przedmioty lub zjawiska nie będącewytworem przyrody, do których powstaniaprzyczynił się człowiek
Inżynieria to dziedzina wiedzy teoretycznej i praktycznej,a także określony obszar umiejętności praktycznych,dotyczący projektowania, a także optymalnego stosowaniaróżnego rodzaju procesów technologicznych oraz operacjijednostkowych w procesach technologicznych technologiichemicznej i pokrewnych.
PROCESY a OPERACJE JEDNOSTKOWE
Operacja jednostkowa – zjawisko o charakterze fizycznym lubfizykochemicznym, w którym nie występuje reakcja chemiczna.
Proces produkcyjny w przemyśle chemicznym – sekwencja operacjijednostkowych i procesów chemicznych.
Procesy (w tym, „procesy technologiczne”), to wzajemniepowiązane i pozostające pod kontrolą, „działania” („operacjejednostkowe”), gdy ma miejsce przekształcenie określonychparametrów, lub właściwości wejściowych, w inne – pożądaneparametry, lub właściwości wyjściowe.
Opis operacji jednostkowych
1. Zasada zachowania masy – w rozważanym układzie zamkniętymsuma mas poszczególnych składników przed procesem i po jegozakończeniu jest wielkością stałą sporządzanie bilansówmasowych
2. Zasada zachowania energii – w rozważanym układzie
zamkniętym suma wszystkich rodzajów energii jest wielkościąstałą sporządzanie bilansów energetycznych
Zamiana jednej postaci energii na inną nie zmienia stałości sumy energii całego układu.
3. Równowaga układu (mechaniczna, termiczna, fizykochemiczna) – w stanie równowagi właściwości całego układu są niezmienne w czasie.
4. Kinetyka przebiegu danej operacji w układzie określa szybkość, zjaką układ dąży do stanu równowagi. Szybkość przebiegu operacjizależy od wartości siły napędowej (np. różnica ciśnień, temperatur,stężeń) oraz od wartości siły oporu, występującej w przebieguoperacji (np. siła tarcia, opór termiczny, opór dyfuzyjny).
Czym jest Inżynieria Chemiczna i Procesowa (Chemical and Process Engineering)?
Co wchodzi w jej skład ?
INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA
Procesy podstawowe:- wyjaśnia mechanizmy znanychprocesów na tle praw fizyki- klasyfikacja procesów
Aparaturoznawstwo procesowe- umiejętność wyboru odpowiedniejaparatury do danego procesu
Termodynamika procesowa- Metody obliczeń właściwości płynów - Równowagi fazowe procesów
Kinetyka procesowa:- Mechanika płynów- Przenikanie ciepła i masy z reakcją chemiczną
W nauce o ruchu płynów tj. gazów i cieczy, traktujemy płyn jako ośrodek ostrukturze ciągłej
Różniczkowa objętość płynu o dowolnie małych rozmiarach (w granicybędzie to punkt) może być zatem rozpatrywana jako jednorodnapróbka o właściwościach fizycznych całego ośrodka, w oderwaniu odrzeczywistej struktury cząsteczkowej.
Zakres stosowalności tego modelu jest ograniczony i nie obejmuje ruchu gazów rozrzedzonych w warunkach w których średnia droga swobodna cząsteczki jest porównywalna do średnicy przewodu.
Przepływy MOLEKULARNE lub KNUDSENOWSKIE
określa masę przepływającego płynu w jednostce czasu
s
m
kg
m
s
kg 33
określa objętość przepływającego płynu w jednostce czasu
sm
kg
ms
kg22
1
określa masę płynu przepływającego w jednostce czasu przez jednostkę pola przekroju strumienia
s
m
ms
m
2
3 1
Kryteria przepływu ustalonego:
Jeżeli weźmiemy pod uwagę dwa przekroje tego samego strumienia, gdzie natężenia przepływu wynoszą G1 i G2, wówczas przy przepływie ustalonym w czasie natężenia te są jednakowe oraz nie zmieniają się w czasie.
21 GG
UOGÓLNIONE RÓWNANIE BERNOULLI’ego
2211 UEQLUE
2
2
22221
2
1111 u
2
wvpgzqlu
2
wvpgz
m
Ll
m
2
ww)zg(z)i(iql
2
1
2
21212
2211 UEQLUE
2
2
2
2
221
2
1
1
11
22U
w
ρ
pgzQLU
w
ρ
pgz
Pompa tłoczy wodę ze stawu do zbiornika położonego o 35 m wyżej, dobrze izolowanym
przewodem o średnicy wewnętrznej 80 mm z szybkością 48 m3/h. Ciśnienie w zbiorniku jest
stałe i wynosi 3 at. Zapotrzebowanie mocy przez pompę o sprawności 0.7 wynosi 23 kW.
Obliczyć temperaturę wody na wlocie do zbiornika, jeżeli jej temperatura w stawie wynosi
17oC.
1). Woda jest płynem nieściśliwym (praktycznie stała
gęstość przy niewielkich zmianach temperatury), i
przepływa przewodem o stałej średnicy (S= const.)
Dlatego w warunkach ustalonych: w1 = w2
2). Q = 0 - przepływ adiabatyczny
02121
21
L)U(Uρ
pp)zg(z
Ilość pracy przekazanej przez pompę na 1
kg wody:
G
NL o
VG
L = 1.27 kJ/kg
kg/s 13.3G
Lρ
pp)zg(z)U(U
21
2112
Zmiana energii wewnętrznej:
(U2 - U1) = 673 J/kg
vc
UUtt 1212 )(
(t2 - t1) = 17.16oC
)( 1212 ttc)U(U v
Zmiana energii wewnętrznej:
WYPŁYW USTALONY CIECZY PRZEZ OTWÓR 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 0
2
o
2
o
2
o
o
o
S
S1
hgpp
2
w
0ho
0S
So ppo
gh2wo
goTorricelle wzór
1
VV
VV
gh2SV
teoretrzecz
teoretrzecz
o
Straty energii pomiędzy przekrojami (rodzaj, kształt otworu
wypływowego) powodują że rzeczywiste objętościowe natężenie
wypływu jest mniejsze od teoretycznego:
NIEUSTALONY WYPŁYW CIECZY ZE ZBIORNIKA
Nieustalony wypływ cieczy ma miejsce wtedy gdy ciśnienie
hydrostatyczne cieczy w zbiorniku ulega zmianie. W zbiorniku
otwartym jest to równoważne zmianie wysokości cieczy w
zbiorniku (maleje objętościowe natężenie wypływu). Wypływ
należy traktować jako quasi-ustalony tzn. w danej chwili można
stosować zależności jak dla przepływu ustalonego a wynika to z
faktu bardzo małego przekroju otworu wylotowego w stosunku do
pola przekroju zbiornika.
CZAS OPRÓŻNIANIA 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 całkowitego opróżniania zbiornika:
Zasada działania inżektora wodno - wodnego
Zasada działania inżektora wodno - wodnego
Model matematyczny przepływu cieczy doskonałej
Równanie Newtona:d
dwmf Ciało znajduje się w ruchu, jeżeli suma rzutów
wszystkich sił działających na dane ciało
równa jest iloczynowi masy tego ciała i
przyspieszenia
Siły działające na zewnętrzne
powierzchnie równoległościanu:
1). Siła ciężkości: gdxdydzgVmg
2). Siły ciśnienia (działające wzdłuż 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
Składowe prędkości są funkcjami parametrów współrzędnych i czasu:
),z,y,x(fw
Ponieważ przyspieszenie jest sumą wektorową trzech składowych przyspieszenia
wzdłuż osi współrzędnych można wykazać, że:
xxx wx
w
d
dw
i analogicznie dla pozostałych osi, a stąd:
Różniczkowe równanie przepływu Eulera
x
ww
x
p xx
y
ww
y
p yy
z
ww)
z
pg( z
z
Równania Eulera obrazują działanie sił w jednym punkcie poruszającego się płynu
(przy założeniu, że elementarna objętość płynu zbliżona jest do punktu). Dla określenia
sił działających na całej powierzchni elementarnego równoległościanu należy więc obie
strony równań Eulera pomnożyć przez długości odpowiednich krawędzi i zsumować dla
uzyskania działania sił w całej objętości:
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 zcałkowaniu: constg2
w
g
pz
2
Równanie Bernoulli’ego !!!
Równanie Bernoulli’ego jest zatem rozwiązaniem
(całką równań Eulera)
Elementy dynamiki przepływu płynów rzeczywistych
Elementy teorii podobieństwa
Analiza wymiarowa
Analiza wymiarowa
Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego
Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego
Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego
Cechy charakterystyczne ruchu burzliwego
Promień hydrauliczny i średnica zastępcza przewodów
Opory podczas przepływu płynów przez przewody
Opory podczas przepływu płynów przez przewody
Opory podczas przepływu płynów przez przewody
Optymalna średnica rurociągu
Optymalna średnica rurociągu
Optymalna średnica rurociągu
Optymalna średnica rurociągu
Recommended
