1. Негізгі түсініктер

Гидравликада сұйықтықтарды, газдары және буларды бір ұғымға – сұйықтықтарға біріктірген. Бұл сұйықтықтар мен газдардың (булардың) қозғалу заңдылықтарының бірдейлігімен түсіндіріледі. Сондықтан, әрі қарай сұйықтықтар деп оларға әлсіз күш салғанның өзінде ағу қасиетіне ие болатын барлық заттар аталады.

Сұйықтықтардың тепе-теңдік және қозғалуы заңдары әдетте сұйықтықты біркелкі тұтас орта деп қарастыру барысында алынатын дифференциалдық теңдеулер түрінде өрнектеледі. Бұл жағдайда сұйықтықтың элементарлық көлемі бір-бірінен арақашықтықта орналасқан молекулалар жиынтығы болып табылатынын ескермейді. Себебі элементарлы көлемнің өлшемдері молекуланың орташа жолының жылдамдығынан едәуір артық болады.

Біркелкілік қасиеті деп сұйықтықтың жеке бөлшектерін де айтады және гидравликада қолданылатын «бөлшек» ұғымына молекула сияқты микробөлшектерді жатқызбайды, ал макробөлшектерді айтады. Мұндай бөлшектер бір-бірі арқылы ағында қозғала алады, бірақ, олардың әрқайсысы тұтас жылжиды

Гидравликада негізгі заңдылықтарды қортқанда нағыз (тұтқыр) сұйықтықпен салыстырғанда қысымның әсерінен сығылмайтын, температура өзгергенде тығыздығы өзгермейтін және тұтқыр емес гипотетикалық түрдегі идеалды сұйықтық ұғымын енгізеді.

Нағыз сұйықтықтар тамшылы және серіппелі (газдар мен булар) деп бөлінеді. Тамшылы сұйықтықтар мүлдем сығылмайтындығымен және өте аз көлемдік ұлғаю коэффициентімен сипатталады. Серіппелі сұйықтықтардың көлемі температура мен қысым өзгерген сайын қатты өзгереді.

2.Сұйықтықтардың кейбір физикалық қасиеттері

Сұйықтықтардың кейбір физикалық қасиеттерін, сондай-ақ, тыныштықта және қозғалыста жүретін химиялық технологияның процестерін есептеу барысында қолданылатын параметрлерді қарастырамыз.

Тығыздық және меншікті салмақ. Сұйықтық көлем бірлігінің массасы тығыздық деп аталады және r әріпімен белгіленеді:

(II,1)

Мұндағы, m — сұйықтық массасы ; V — сұйықтық көлемі.

СИ бірліктерінде тығыздық кг/м³, ал масса кгс×сек²/м, өлшенетін МКГСС жүйесінде, тығыздық бірлігі кгс×сек²/м⁴-ға тең болады.

Сұйықтық көлемінің салмақ бірлігі меншікті салмақ деп аталады және g арқылы белгіленеді:

(II,2)

СИ бірліктерінде меншікті салмақ н/м³-мен өлшенеді, ал салмақ бірлігі кгс болатын МКГСС жүйесінде — кгс/м³.

Масса мен салмақ өзара мына қатынас арқылы байланысқан:

Мұндағы, g — еркін түсу үдеуі, м/сек².

Массаның бұл мәнін (II,1) тәуелділігіне қойып, (II,2) өрнегін ескере отырып, меншікті салмақ пен тығыздық арасындағы қатынасты аламыз:

g=rg (II,3)

Тамшылы сұйықтықтардың тығыздығы мен меншікті салмағы серіппелі сұйықтықтардыкімен (газдар) салыстырғанда едәуір жоғары болады және температура мен қысымның әсерінен көп өзгермейді. Газдардың тығыздығы азды-көпті сенімділік дәрежесімен идеалды газдар күйінің теңдеуі арқылы есептелуі мүмкін:

(II,4)

Мұндағы, тем­пература Т в °К , М в кг/кмоль, универсалды газ тұрақтысы R = 8314 дж/(кмоль×град).

(II,4) теңдеуінен келесі өрнек алынады:

(II,5)

Газдың масса бірлігі алатын көлем немесе тығыздыққа кері шама меншікті көлем деп аталады және n арқылы белгіленеді:

(II,6)

Қысым. Сұйықтық өзі құйылған ыдыстың қабырғасы мен түбіне және оған енгізілген кез келген дененің бетіне қысым көрсетеді. Тыныштықтағы сұйықтық көлемі ішінен қандай да бір элементарлы алаңды F қарастыралық. Көлемнің берілген нүктесіндегі алаңның орнына байланыссыз сұйықтық оған Р-ға тең және әсер ететін алаңға жанама бағытталған күшпен әсер етеді. Оны гидростатикалық қысым деп атайды. P/F қатынасы орташа гидростатикалық қысымға тең болады, ал бұл қатынастың F®0 ұмытылғандағы шегі нүктедегі гид­ростатикалық қысым немесе жәй қысым деп аталады:

(II,7)

Сұйықтық ішіндегі әрбір нүкте арқылы элементарлы алаңдардың шексіз саны өтуі мүмкін. Бұл жағдайда кез келген нүктедегі күш Р өзі әсер ететін әрбір алаңға жанама бағытталған. Бұл күшті алаң жазықтығының параллельді және жанамалы бөліктеріне бөлуге болар еді,онда параллельді құрам бөлігі сұйықтық қабаттарының жылжуын тудырар еді, бірақ бұл мүмкін емес, себебі алғашқы шарт бойынша сұйықтық тыныштық күйде болуы қажет. Сұйықтықтың кез келген нүктесіндегі қысым барлық бағыт бойынша бірдей болады, себебі олай болмаған жағдайда сұйықтықтың көлем ішіндегі қозғалысы болар еді.

Қысым анықтамасынан оның СИ жүйесіндегі өлшем бірлігі в н/м² өрнектелетінін, ал МКГСС— в кгс/м².

Есептеулерде қысымды жиі физикалық және техникалық атмосфера өлшемімен немесе молнометрлік сұйықтық (су, сынап) биіктігімен өрнектейді.

в н/м², ( кгс/м²) өлшемімен өрнектелген және сұйықтық биіктік деңгейі арқылы өрнектелген қысымдар арасында қарапайым байланыс бар:

r = gH = rgH (II,8)

Осыған байланысты қысымның әртүрлі өлшем бірліктері арасында келесі қатынастарды орнатуға болады:

1 физикалық атмосфера (1 атм) = 760 мм сын.бағ. = 10,33 м су. бағ. = 1,033 кгс/см² = 10 330 кгс/м² = 101 300 н/м²;

1 техникалық атмосфера (1 ат) = 735,6 мм сын. бағ. ст. = 10 м су.бағ. = 1 кгс/см² = 10 000 кгс/м² = 98 100 н/м².

Қысымды өлшейтін құралдар (манометрлер немесе вакуумметрлер) абсолюттік қысымды емес, атмосфералық (немесе барометрлік) және абсолюттік қысым арасындағы айырымды өлшейді. р_атм. Бұл айырманы егер қысым көлемде атмосфералықтан артық болса артық қысым р_арт, деп, ал атмосфералықтан төмен болса (жүйеде вакуум) төмен қысым деп атайды. Сонымен,

(II,9)

және

(II,10)

Тқтқырлық. Нағыз сұйықтықтардың қозғалысы барысында, жылжуға кедергі жасайтын онда ішкі үйкеліс күштері пайда болады. Бұл күштер бірі-бірі арқылы қозғалатын сұйықтықтың көршілес қабаттары арасында әсер етеді. Сұйықтықтың оның бөлшектерінің жылжуы үшін қажет күштерге кедергі көрсету қасиеті тұтқырлық деп аталады.

Сурет. II-1. Тұтқырлық сипаттамасына.

Екі параллель горизанталь пластиналар арасындағы сұйықтық қабатын қарастыралық (сурет II-1,а). Жоғарғы пластинаны төменгісімен салыстыра тұрақты жылдамдықпен жылжыту үшін белгілі бір тұрақты жанама күш жұмсау қажет, себебі, тұтқырлы сұйықтық мұндай жылжуға кдергі жасайды. Яғни, сұйықтықта жоғарыдағыдай жылжу процесі барысында оның жеке қабаттары арасында жанама кернеу пайда болады. Пластиналар арасында орналасқан сұйықтықтың барлық қабатын әрқайсысының қалыңдығы dn –ға тең болатын шексіз элементарлы қабаттар санынан тұрады деп қарастыруға болады. Кез келген екі көршілес қабаттар арасында олардың жанасу беті бойындағы үйкелістің нәтижесінде жылжу кернеуінің пайда болатыны айқын. II-1, б суретінде әрқайсысының ауданы F болатын осындай екі параллель қабат келтірілген, бұл жағдайда үстінде орналасқан қабат (w + dw) жылдамдығымен, яғни төменгі қабаттың жылдамдығынан шексіз аз dw шамасына артық жылдамдықпен жылжиды.

Жоғарғы қабаттың төменгі қабат бойынша біркелкі жылжуы үшін жұмсалатын жанама күштің (Т) мәні қабаттар арасындағы арақашықтық бірлігіне келетін жылдамдықтың өзгеруін сипаттайтын жылдамдық градиенті үлкен болған сайын жоғары болатынын тәжірибе көрсетеді. Сондай-ақ, әрбір Т күші қабаттардың жанасу ауданына F тура пропорционал, яғни

(II, 11)

мұндағы, m — берілген сұйықтыққа тән пропорционалдық коэффициенті.

Отношение величины |T| шамасының қабаттардың жанасу бетіне қатынасын t деп белгілеп, ішкі үйкелу кернеуі, қозғалу кернеуі деп немесе жанама кернеуі деп атайды. Онда (II,11) теңдеуі келесі түрге келеді:

(II, 12)

t шамасы үнемі оң болғандықтан, емес, қатынасы бар теңдеудің оң жағындағы белгісі жылдамдық градиентінің белгісіне тәуелсіз болады. Бір-бірі арқылы өзара жылжитын сұйықтық қабаттары бетіне Ғ барлық жағдайда да жылдамдықтың кему бағытында жанама жүргіземіз деп келіселік. (сур. II,1). Онда жылдамдық градиенті әрдайым теріс болады және (II, 12) теңдеуі келесі түрге өзгереді:

(II, 12a)

(II, 12), немесе (II, 12а), теңдеулері Ньютонның ішкі үйкелу заңын білдіреді. Бұл заң бойынша сұйықтық ағу барысында оның қабаттары арасында пайда болатын ішкі үйкелу күші жылдамдық градиентіне тура пропорционал болады.

(II, 12а) теңдеуінің оң жағындағы теріс белгісі жоғарыда аталған тұжырым бойынша жанама кернеу жоғары жылдамдықпен жылжитын қабатты баяулататынын көрсетеді (немесе салыстырмалы жай жылжитын қабатты жылдамдатады). Ньютон заңы өрнегінің (II, 12а) теңдеуі бойынша басқаша негіздемесі төменірек, бұл заңның тағы да бір физикалық мағынасын қарастыру барысында келтіріледі.

(II, 11), немесе (II,12) теңдеулеріндегі пропорционалдық коэффициенті m тұтқырлықтың динамикалық коэффициенті немесе динамикалық тұтқырлық немесе жай тұтқырлық деп аталады.

СИ жүйесі бойынша тұтқырлық төмендегідей бірлікпен өлшенеді:

Ал СГС жүйесінде:

Анықтамалық әдебиеттерде тұтқырлықтың мәні көп жағдайда пуазбен (пз) емес, 0,01 п-ға тең сантипуазбен көрсетіледі.

СИ және СГС жүйелері бойынша тұтқырлық өлшем бірліктерінің арасындағы қатынас төмендегідей:

СГС жүйесі бойынша техникалық тұтқырлық пен тұтқырлық арасындағы қатынас:

Кейбір жағдайларда сұйықтықтардың тұтқырлығын тұтқырлықтың кинематикалық коэффициентімен немесе кинематкиалық тұтқырлықпен сипаттайды:

(II,13)

СГС жүйесі бойынша кинеамтикалық тұтқырлықтың өлшем бірлігі 1см²/сек, немесе100 сантистоксқа (сст) тең стокс (cm) болып саналады.

СИ және МКГСС жүйелері бойынша кинематикалық тұтқырлықтың өлшемі 1 м²/сек = 10⁴ ст.тең.

Тамшылы сұйықтықтардың тұтқырлығы кең аралықтарда ауытқиды. Мысалы бөлме температурасындағы судың тұтқырлығы ~1 спз-ға тең, ал глицериннің тұтқырлығы — шамамен 1500 спз. Газдардың тұтқырлығы едәуір төмен: мысалы, ауаның тұтқырлығы судың тұтқырлығынан шамамен 50 есе төмен.

Тамшылы сұйықтықтардың тұтқырлығы температура артқан сайын төмендейді. Газдардың тұтқырлығы керісінше, температура артқан сайын көтеріледі. Қысымның орташа мәнінде газдардың тұтқырлығы оған тәуелсіз болады, бірақ қысымның белгілі бір мәнінен бастап, қысым артқан сайын өседі.

Темпаратураның газдар мен тамшылы сұйықтықтардың тұтқырлығына және жоғарыда көрсетілгендей қысымның газдардың тұтқырлығына әртүрлі әсері газдардың тұтқырлығының табиғаты молекулалы-кинетикалық болатынында, ал тамшылы сұйықтықтардың тұтқырлығы негізінен молекулалар арасындағы өзара тартылу күшіне байланысты болатынымен түсіндіріледі.

Газдар мен тамшылы сұйықтықтардың тұтқырлықтары анықтамалық әдебиеттерде кездеседі, бірақ таза заттар мен қоспалар үшін есептеу арқылы да анықтауға болады.

(II, 12а) теңдеуіне басқа да физикалық мән беруге болады. Жылжитын жоғарғы пластинаға жақын, массасы т сұйықтық қабаты (сур. II, 1), белгілі бір жылдамдыққа ие болады, яғни, қозғалу бағыты бойынша екпін (mw) алады. Бұл қабат келесі қабатты, оған өз екпінінің бір бөлігін беріп қозғалысқа әкелед, осылай әрі қарай қабаттан қабатқа жалғасады. Яғни, сұйықтық аққанда сұйықтық жылдамдығының бағытына перпендикуляр бағытта қозғалыс мөлшерінің (екпіннің) берілуі жүреді. Сәйкесінше жанама кернеу t (н/м²) екпіннің меншікті ағыны деп, немесе уақыт бірлігіндегі аудан бірлігі арқылы берілетін қозғалыс мөлшері деп қарастырылуы мүмкін:

Сонымен, (II, 12а) теңдеулеріне сәйкес қозғалыстың меншікті ағынының мөлшері жылдамдық градиентіне тура пропорционал болады.

Бұл теңдеудегі теріс таңбасы қозғалыс мөлерінің берілуі жылдамдықтың төмендеуі бағытында іске асатынын көрсетеді (екпін ағынының бағыты мен жылдамдықтың артуы қарама-қарсы). Бұл жағдайда жылдамдық градиентін екпін берілуінің қозғаушы күші деп есептеуге болады.

(II,12а) теңдеуінің мұндай түсініктемесі механикалық қозғалыстың (үйкелу), жылу және массаның берілуі арасындағы ұқсастықты анықтауға мүмкіндік береді. Сондай-ақ, ол ішкі үйкелу заңының негізі болатын физикалық механизмге жауап береді. Газ жылдамдықтары бір-бірінен өзгеше (олардың арасында градиент болады) екі көршілес элеметралы қабаттар ағынында жылжығанда молекулалардың барлық бағытта хосты түрде жылжуы нәтижесінде олардың біраз бөлігі тез жылжитын қабаттан баяу қабатқа түсіп, молекулаларымен соқтығысып, оларды жылдамдатады. Ал керісінше баяу қабаттағы молекулалар көршілес жылдам қабатқа өтіп оның жылдамдығын төмендетеді. Қабаттар арасындағы молекула алмасу қабаттар жылдамдығына қиылыса жылжу санын өткізуді тудырады, бұл жағдайда қабаттар арасындағы үйкеліс кедергісін жеңу үшін белгілі күш жұмсау қажет болады.

Сұйықтықтар көп жағдайда Ньютонның ішкі үйкеліс заңына бағынады. Мұндай сұйықтықтарды нормаль сұйықтықтар немесе ньютондық сұйықтықтар деп атайды. Бірақ, өнеркәсіптік тәжірибеде аномальды қасиеттері бар ньютондық емес сұйықтықтар да кездеседі. Ньютон заңына көптеген полимерлердің ерітінділері, коллоидты ерітінділер, қою суспензиялар, пасталар және т.б. бағынбайды.

Сұйықтықтардың ағу режиміне және олардың жылжуы барысында кездесетін кедергілерге тұтқырлық өте үлкен әсерін тигізеді. Сондықтан көптеген гидродинамикалық, жылулық және массаалмасу процестерін жылдамдату ортаның тұтқырлығын азайту, мысалы, тамшылы сұйықтықтардың температурасын арттыру арқылы іске асырылады.

Беттік керілу. Химиялық технологиядағы кейбір процестер барысында тамшылы сұйықтық қозғалыс барысында газбен (немесе бумен) немесе біріншімен мүлдем араласпайтын басқа тамшылы сұйықтықпен жанасады. Фазалар арасындағы бөліну беті беттік күштер әсерінен минимумға ұмытылады. Сәйкесінше газдағы (будағы) немесе басқа сұйықтықтағы тамшылар және сұйықтықтағы көпіршіктер азды-көпті шар тәріздеске жақын пішінге ие болады. Бұл сұйықтық молекулалары оның көлемі ішінде көршілес молекулалардың бірдей әсеріне ұшырайды да, ал тікелей фазалар бөліну бетінде орналасқан молекулалар қоршаған орта молекулаларымен салыстырғанда сұйықтықтың ішкі қабаты молекулаларының тарапынан күштірек тартылысқа ұшырау себебімен түсіндіріледі. Нәтижесінде сұйықтық бетінде оның беткі қабатына нормаль бойынша бағытталған қысым пайда болады және ол осы бетті минимумға дейін азайтуға ұмытылады.

Сонымен, беткі қабатты арттыру үшін, яғни жаңа қабаттың пайда болуы үшін қандай да бір энергияны жұмсау қажет болады. Жаңа беткі қабаттың пайда болуын іске асыру үшін қажет жұмысты фазаралық немесе беттік керіліс деп атайды және s арқылы белгілейді.

Беттік керіліс келесі бірліктерде өрнектеледі:

СИ жүйесінде

СГС жүйесінде [s] = [эрг/см²] = [дин/см²]

МКГСС жүйесінде [s] = [кгс·м/м²] = [кгс/м]

Келтірілген өрнектер бойынша беттік керілісті сұйықтық бетіне және онымен әсерлесетін орта әсер ететін күш деп те қарастыруға болады.

Беттік керіліс температура артқан сайын төмендейді. Қатты материалдардың тамшылы сұйықтықтармен суландыру сипаттамалары s шамасымен тығыз байланысты. Суландыру (смачивание) абсорбциялы және ректификациялы аппараттарда, конденсаторларда және т.б. аппараттарда процестердің гидродинамикалық жүру шарттарына көп әсерін тигізеді.

Анықтамалық әдебиеттерде әдетте сұйықтық-ауа шегарасындағы беттік керіліс мәндері келтіріледі. Тамшылы, араласпайтын (немесе жартылай араласатын) сұйықтықтар арасында пайда болатын керілісті сондай-ақ, шегаралы керіліс деп те атайды. Ол әдетте сұйықтық-газ арасындағы беттік керілістен едәуір төмен болады. Мысалы, су-ауа шегарасындағы беттік керіліс s = 73 дин/см (20 °С), ал су-бензол шегарасында бұл шама s » 35 дин/см құрайды.

Шегаралық керіліс бір сұйықтықтың араласпайтын екінші сұйықтықтағы диспергирленуіне ықпалын тигізеді, сондықтан сұйықтықты экстракциялау процесінің гидродинамикалық жағдайларына әсер етеді.

Негізгі әдебиет.

1. Касаткин А.Г. Процессы и аппараты химической технологии. Изд.9-е, М.: Химия. 1973 – 754 с.

2.Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Изд. 2-е, М.: Химия. 1972 – 493 с.

3.Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского. Изд. 2-е, М.: Химия. 1991 – 496 с.

4. Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. М:1990.

5. Основы химической технологии/под ред. И.П. Мухленова М:1991.

6. Ключников Н.Г. Практические занятия по химической технологии. М:1972.

7. Ключников Н.Г. Практические занятия по химической технологии. М:1978.

8. Аранская О.С. Сборник задач и упражнений по химической технологии и биотехнологии. Минск.1989.

9.Иванов Г.Н., Лопатинский В.П. Основные методы расчета промышленных реакторов. Томск. 1985.

10. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов технологических производств. М: 1991.

11.Лапшеников Г., Полоцкий Л.М. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности. М:1988.

12.Одабашян Г.В., Швец В.Ф. Лабораторный практикум по химии и технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М: 1992.

13.Позин М.Е. Технология минеральных удобрений. Л: 1983.

Аксартов М.М. Процессы и аппараты химической технологии. Караганда : 2006 -268с.

14.Соколов Р.С. Химическая технология: в 2-х т. М: 2000.

15.Соколов Р.С. Лабораторный практикум по химической технологии М:1985.

Қосымша әдебиет

16.Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М: 1985.

17.Бакластов А.М. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепло- и массообменных установок.- М.:Высшая школа,1981.-426с.

18.Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок. М.: Химия, 1989.-208с.

19. БатунерЛ.М. Процессы и аппараты органического синтеза и хи­мической технологии. — М.: Машиностроение, 1966. — 324с.

20.БатунерЛ.М., Позин М.Е. Математические методы в химической технике. — М.: Химия, 1968. — 586 с.

21.Безденежных А,А. Инженерные методы составления уравнений скоростей реакций и расчета кинетических констант.—Л., 1973.-256с.

22. Беннет К.О., МаиерсДж.Е. Гидродинамика, теплообмен и массо-обмен/ Пер. с англ. — М.; Недра, 1966. — 726 с.