- •Гидравлика и теплотехника
- •Оглавление
- •1. Общие положения изучаемой дисциплины 10
- •2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы 22
- •3. Тепловые процессы и аппараты 118
- •4. Массообменные процессы и аппараты 162
- •5. Мембранные процессы 283
- •Условные обозначения
- •Введение
- •1. Общие положения изучаемой дисциплины
- •1.1. Классификация основных процессов и аппаратов
- •1.2. Кинетические закономерности основных процессов
- •1.3. Общие принципы расчёта химических машин и аппаратов
- •1.4. Применение метода моделирования для исследования и расчета процессов и аппаратов
- •2. Гидродинамика и ГиДродинамические процессы
- •2.1. Физические свойства жидкостей и газов
- •2.2. Основные уравнения покоя и движения жидкостей
- •2.2.1. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера для покоящейся жидкости
- •2.2.2. Практическое приложение уравнений гидростатики
- •2.2.3. Основные характеристики движения жидкостей
- •2.2.4. Уравнение неразрывности (сплошности) потока
- •2.2.5. Режимы движения жидкостей
- •2.2.6. Турбулентный режим
- •2.2.7. Дифференциальные уравнения движения жидкости
- •2.2.8. Дифференциальные уравнения движения Навье-Стокса
- •2.2.9. Уравнение Бернулли
- •2.2.10. Гидродинамическое подобие
- •2.2.11. Гидравлические сопротивления в трубопроводах и каналах
- •2.2.12. Движение тел в жидкостях
- •2.2.13. Движение жидкостей через неподвижные пористые слои
- •2.2.14. Гидродинамика псевдоожиженных слоев
- •2.3. Перемещение жидкостей (насосы)
- •2.3.1. Классификация и области применения насосов
- •2.3.2. Параметры насосов
- •2.3.3. Насосная установка
- •2.3.4. Основное уравнение лопастных машин (уравнение Эйлера)
- •2.3.5. Характеристики центробежных насосов
- •2.4. Сжатие и перемещение газов (компрессоры)
- •2.4.1. Классификация компрессоров
- •2.4.2. Поршневые компрессоры
- •2.4.3. Теоретический и рабочий процесс в поршневом компрессоре
- •2.4.4. Производительность действительного поршневого компрессора
- •2.4.5. Роторные компрессоры
- •2.4.6. Принцип действия, классификация и устройство турбокомпрессоров
- •2.5. Процессы разделения неоднородных смесей
- •2.5.1. Классификация неоднородных систем и способов их разделения
- •2.5.2. Материальные балансы процессов разделения
- •2.6. Осаждение
- •2.7. Фильтрование
- •2.8. Перемешивание в жидких средах
- •3. Тепловые процессы и аппараты
- •3.1. Способы передачи теплоты
- •3.2. Тепловые балансы
- •3.3. Температурное поле и температурный градиент
- •3.4. Передача тепла теплопроводностью
- •3.5. Тепловое излучение
- •3.6. Конвективный теплообмен
- •3.6.1. Теплоотдача
- •3.6.2. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена
- •3.6.3. Подобие процессов теплообмена
- •3.6.4. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости
- •3.6.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния
- •3.7. Сложный теплообмен
- •3.8. Процессы нагревания, охлаждения и конденсации
- •3.9. Теплообменные аппараты
- •3.9.1. Классификация и типы теплообменных аппаратов
- •3.9.2. Расчет теплообменных аппаратов
- •3.9.3. Выбор и проектирование поверхностных теплообменников
- •4. Массообменные процессы и аппараты
- •4.1. Основы массопередачи
- •4.1.1. Общие сведения о массообменных процессах
- •4.1.2. Основные расчетные зависимости массообменных процессов
- •4.1.3. Материальный баланс массообменных процессов
- •4.1.4. Движущая сила массообменных процессов
- •4.1.5. Модифицированные уравнения массопередачи
- •4.1.6. Основные законы массопередачи
- •4.1.7. Подобие процессов переноса массы
- •4.1.8. Связь коэффициентов массопередачи и массоотдачи
- •4.1.9. Массопередача с твердой фазой
- •4.2. Абсорбция
- •4.2.1. Равновесие при абсорбции
- •4.2.2. Материальный, тепловой балансы и кинетические закономерности абсорбции
- •4.2.3. Принципиальные схемы абсорбции
- •4.2.4. Конструкции колонных абсорбционных аппаратов
- •4.2.5. Десорбция
- •4.3. Перегонка жидкостей
- •4.3.1. Идеальные и неидеальные смеси
- •4.3.2. Простая перегонка
- •4.3.3. Ректификация
- •4.3.4. Ректификация многокомпонентных смесей
- •4.3.5. Тепловой баланс процесса ректификации
- •4.3.6. Специальные виды перегонки
- •4.3.7. Устройство ректификационных аппаратов
- •4.4. Экстракция
- •4.4.1. Жидкостная экстракция
- •4.4.2. Равновесие при экстракции
- •4.4.3. Материальный баланс экстракции
- •4.4.4. Кинетические закономерности процесса экстракции
- •4.4.5. Принципиальные схемы процесса экстракции
- •4.4.6. Конструкции экстракторов
- •4.5. Адсорбция
- •4.5.1. Равновесие в процессах адсорбции
- •4.5.2. Промышленные адсорбенты
- •4.5.3. Конструкции адсорбционных аппаратов и методы проведения адсорбционно-десорбционных процессов
- •4.6. Сушка
- •4.6.1. Равновесие в процессах сушки
- •4.6.2. Конструкции сушилок и области их применения
- •4.6.3. Материальный и тепловой балансы сушки
- •Количество влаги, удаляемой в сушилке:
- •4.7. Кристаллизация и растворение
- •4.7.1. Общие сведения
- •4.7.2. Равновесие при кристаллизации
- •4.7.3. Кинетика процесса кристаллизации
- •4.7.4. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации
- •4.7.5. Материальный и тепловой балансы кристаллизации
- •4.7.6. Кристаллизаторы
- •5. Мембранные процессы
- •5.1 . Процессы мембранного разделения смесей. Сущность процесса мембранного разделения смесей
- •5.2. Кинетика процессов мембранного разделения смесей
- •5.3. Влияние различных факторов на мембранное разделение
- •5.4. Мембраны
- •5.4.1. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны
- •5.4.2. Мембраны с жесткой структурой
- •5.4.3. Жидкие мембраны
- •5.5. Физико-химические основы мембранных процессов
- •5.6. Баромембранные процессы
- •5.7. Диффузионно-мембранные процессы
- •5.8. Электромембранные процессы
- •5.9. Термомембранные процессы
- •5.10. Расчет мембранных процессов и аппаратов
- •5.11. Мембранные аппараты
- •Библиографический список
- •Гидравлика и теплотехника
4.1.3. Материальный баланс массообменных процессов
Материальный
баланс массообменных процессов может
быть составлен на основании следующих
рассуждений. Рассмотрим взаимодействие
двух движущихся фаз с массовыми расходами
G
– газообразной
и L
– жидкой, с концентрациями распределяемого
компонента
и
кг/кг инертных компонентов распределяющих
фаз.
При
>
и отсутствии потерь в процессе
взаимодействия фаз при параллельных
потоках вдоль поверхности раздела
концентрация распределяемого компонента
в газовой фазе
уменьшается, а в жидкой
– увеличивается
(рис. 4.2).
Для
элемента поверхности
:
.
(4.3)
Интегрируя
уравнение (4.3) в пределах от начальных
,
до
конечных значений концентраций
и
,
получим

или
.
(4.4)
Интегрируя
уравнение (4.3) в пределах от начальных
до текущих значений концентраций
и
,
получим
,
откуда
.
(4.5)

Рис. 4.2. Изменение концентраций распределяемого компонента
при прямоточном движении фаз
Аналогично для противоточного взаимодействия фаз можно получить уравнение:
,
(4.6)
,
,
.
Так
как расходы инертных компонентов
носителей газообразной и жидкой фаз
постоянны (
),
из уравнений (4.5) и (4.6) следует, что
рабочие концентрации распределяемого
вещества в фазахG
и
L
связаны
линейной зависимостью. Поэтому процессы
массообмена удобно представлять
графически в координатах
![]()
(рис.
4.3).

Рис. 4.3. Уравнение рабочей линии процесса
Уравнение прямой, выражающее зависимость между рабочими концентрациями, называется рабочей линией процесса.
4.1.4. Движущая сила массообменных процессов
Движущей силой массообменных процессов является разность между рабочей и равновесной концентрациямиили наоборот. Это зависит от того, какая из указанных концентраций больше.
На рис. 4.4 приведены возможные варианты выражения движущей силы массообменного процесса при одном и том же направлении перехода распределяемого вещества.
При этом движущую силу можно выражать либо через концентрации распределяемого вещества в фазе G либо L. В этой связи уравнения массопередачи, записанные по фазам, имеют вид:
,
.
(4.7)
Индексы
у коэффициента скорости процесса
показывают, какие концентрации приняты
для выражения движущей силы. В общем
случае
и![]()
![]()
,
но всегда выполняется равенство
. (4.8)
Из
рис. 4.4. следует, что движущая сила
меняется с изменением рабочих концентраций.
В этой связи для всего процесса
массообмена, протекающего в пределах
изменения концентраций от начальных
до конечных, должна быть определена
средняя движущая силапо газовой
фазе
или жидкой
.




а) б)
Рис. 4.4. Движущая сила массообменного процесса для участка аппарата:
а – по газовой фазе; б – по жидкой фазе
С учетом средней движущей силы процесса основное уравнение массопередачи для всей поверхности контакта фаз может быть записано в виде:
,
(4.9)
.
(4.10)
При определении движущей силы возможны два случая:
– зависимость
между равновесными концентрациями не
линейна и определяется функциональной
зависимостью самого общего вида типа
;
– зависимость
между равновесными концентрациями
линейная –
(
представляет собой постоянную величину).
Определим среднюю движущую силу по фазе Gдля случая перехода распределяемого компонента из газовой в жидкую фазу. Для элемента поверхности имеем:
;
.
Из сопоставления равенств
![]()
.
для элементарной поверхности фазового контакта имеем
.
После
интегрирования в пределах 0
– F
и
получим
.
(4.11)
Изменим границы
интегрирования с целью исключения
отрицательного знака перед интегралом
и вставим равенство для
:
.
(4.12)
При выражении движущей силы для жидкой фазы получим аналогичное выражение
.
(4.13)
При сравнении уравнений (4.9) и (4.10) с уравнениями (4.12) и (4.13) составим выражения для средних движущих сил по газовой и жидкой фазам:
,
(4.14)
.
(4.15)
Интегралы, стоящие в правой части равенств (4.14) и (4.15), называют числами единиц переноса – сокращенно ЧЕП.
Отсюда выражение для ЧЕП в газовой фазе
,
а выражение для ЧЕП в жидкой фазе
.
Число единиц переноса, как следует из уравнений (4.14) и (4.15), можно определять по средней движущей силе процесса:
;
.
Физический смысл ЧЕП состоит в том, что эта величина характеризует изменение рабочей концентрации фазы, приходящееся на единицу движущей силы.
Эти соотношения справедливы для всех случаев, когда между рабочими и равновесными концентрациями имеют место линейные и нелинейные зависимости.
Числа
единиц переноса выражаются интегралами,
которые не могут быть решены аналитически,
так как вид функции
или
в каждом конкретном случае различен. В
связи с этим число единиц переноса
и
определяют методом графического или
численного интегрирования.
При
графическом интегрировании (рис. 4.5)
задаются рядом значений
,
промежуточных между величинами
и
.

Рис. 4.5. К расчету числа единиц переноса
методом графического интегрирования
yн
yк
Строят
кривую зависимости
от
.
Измеряют площадь, ограниченную крайними
ординатами, соответствующими
и
,
и осью абсцисс (площадь
,
заштрихованная на рисунке). После этого
находят величину искомого интеграла с
учетом масштабов
и
осей ординат и абсцисс:
.
Аналогично,
пользуясь графиком зависимости
от
,
определяют величину
.
Для случаев, когда между равновесными концентрациями существует прямолинейная зависимость, при определении средней движущей силы используются более простые зависимости, вывод которых приведен в учебной литературе. Например, при расположении рабочей линии процесса выше линии равновесной для газовой и жидкой фаз зависимости для расчета средней движущей силы имеют вид:
;
![]()
а для вычисления ЧЕП:
;
,
где
и
– тангенсы угла наклона рабочих и
равновесных линий изменения концентраций.
