История развития теории в области тепло и массообменных процессов

История развития теории в области тепло и массообменных процессов

                                               Введение

Современная химическая промышленность характеризуется весьма большим числом разнообразных производств, различающихся условиями протекания технологических процессов и многообразием физико-химических свойств перерабатываемых веществ и выпускаемой продукции. Вместе с тем технологические процессы различных производств представляют собой комбинацию сравнительно небольшого числа типовых процессов (нагревание, охлаждение, фильтрование и т.д.).

За последние десятилетия развитие химической технологии не только привело к появлению принципиально новых процессов (например, мембранных), но и поставило науку о процессах и аппаратах химической технологии (в англоязычных странах Chemical Engineering-химическая инженерия) на качественно более высокий уровень. Этому способствовало также бурное развитие вычислительной техники, которая создает невиданные до недавнего времени возможности для исследования, моделирования и расчета процессов и аппаратов химической технологии.

Изучение технологических процессов составляет предмет и задачу технологии - науки, определяющей условия практического применения законов естественных наук (физики, химии, механики и др.) для наиболее эффективного проведения разнообразных технологических процессов. Технология непосредственно связана с производством, а производство постоянно находится в состоянии изменения и развития. Поэтому существующая форма известного технологического процесса не может рассматриваться и трактоваться как окончательная.

В химической технологии, в отличие от механической, рассматриваются процессы, в которых исходные материалы претерпевают превращения, не только вызывающие изменения физических свойств вещества, но и приводящие к образованию веществ другого состава, с новыми химическими свойствами, что может сопровождаться изменением их агрегатного состояния. При выборе аппаратов для проведения этих процессов необходим учет важнейших факторов: температуры, давления, химических свойств вещества и других определяющих условий реализации химико-технологических процессов. Так, многие процессы могут быть реализованы различными методами (например, процесс разделения многокомпонентных систем-методами ректификации, экстракции, мембранным) в соответствующем аппаратурном оформлении. Окончательный выбор метода, условий проведения и аппаратурного оформления процесса осуществляют на основе критериев оптимизации.

Современная химическая технология изучает процессы производства различных кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений, продуктов переработки нефти и каменного угля, многочисленных органических соединений, полимерных и многих других материалов. Однако, несмотря на огромное разнообразие химических продуктов, получение их связано с проведением ряда однотипных процессов-таких как перемещение жидкостей и газов, нагревание и охлаждение, сушка, химическое взаимодействие и т.д. Эти процессы характеризуются общими законами гидромеханики, физики, физической химии, химической кинетики, механики твердых тел.

За последние десятилетия существенно возросли экологические проблемы, стоящие перед человечеством. Человек построил производство как открытую систему-открытую на входе (общественное производство начинается с вовлечения в него определенных природных ресурсов); открытую в самом процессе производства (подвод энергии, воды и т. п.); открытую на выходе (человек получает необходимую продукцию и выбрасывает на свалки продукты природы, не переработанные в предметы потребления и средства производства,-так называемые отходы производства, к которым могут относиться вторичные-нецелевые-продукты промышленности; на свалки уходит также значительная часть отслуживших хозяйственных предметов). Такое (открытое) производство может существовать достаточно продолжительное время лишь в малых масштабах. Если же производство начинает неуклонно расти, то рано или поздно оно приходит в противоречие с общим принципом, на котором строится жизнь на нашей планете,- принципом замкнутого цикла.

Несмотря на огромное многообразие процессов химической технологии, все они, в зависимости от законов, определяющих скорость их протекания, могут быть объединены в следующие группы.

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидромеханики. К этим процессам относятся транспортирование жидкостей и газов, получение и разделение жидких и газовых неоднородных систем и др.
2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса теплоты. К этим процессам относятся нагревание и охлаждение жидкостей и газов, конденсация паров, кипение жидкостей. Обычно на скорость тепловых процессов большое влияние оказывают гидродинамические условия в теплообменных аппаратах.
3. Массообменные процессы, скорость которых определяется законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. К этим процессам относятся, например, абсорбция, адсорбция, экстракция, перегонка жидкостей, сушка. Обычно на скорость переноса массы существенно влияют гидродинамические условия в массообменных аппаратах, а также скорость подвода к взаимодействующим фазам (или отвода от них) теплоты.
4. Химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики. Часто скорость химических процессов существенно зависит от скорости переноса массы и теплоты в системе, а следовательно, и от гидродинамических условий в химическом аппарате (реакторе).
5. Механические процессы, которые описываются законами механики твердых тел. К ним относятся измельчение, сортировка (классификация) и смешение твердых материалов.

Перечисленные процессы составляют основу большинства химических производств и поэтому называются основными (или типовыми) процессами химической технологии.

Общим для первых четырех групп процессов является то, что их протекание связано с переносом субстанций-количества движения (импульса), энергии или массы.

В данной работе исследования будут посвящены тепло и массобменным процессам. Данная тематика рассматривалась в таких трудах как:

1. Кэйс В.М. Конвективный тепло - и массообмен

2. Annaratone D. Engineering Heat Transfer

3. Белоглазов И.Н., Дубовиков О.А. Тепломассообмен

4. Бельский А.П., Лакомкин В.Ю. Специальные вопросы тепломассообмена в       энергетических и теплотехнологических процессах и установках

и тд.

Исследованиями и разработкой теории тепломассообменных процессов при внепечной обработке металла посвящено значительное количество теоретических и экспериментальных исследований. Наибольший вклад в развитие науки внесли работы Явойского В.И., Меджибожского М.Я., Цимбал В.П., Казачкова Е.А., Морозова А.Н., Поволоцкого Д.Я., Кудрина В.А., Вишкарева А.Ф., Новика Л.М., Григоряна В.А., Попеля С.И., Стомахина А.Я., Бигеева A.M., Лыкова А.В., Кнюппеля Г., Кейкса В.М. и др. Накоплен огромный объем теоретических и экспериментальных данных, выявлены закономерности процессов. В развитие математического моделирования основной вклад внесли Цимбал В.П., Явойский В.И., Меджибожский М.Я.,Яковлев Ю.Н., Окороков Б.Н., Аделыдтейн Д.Ю., Козлов В.Н., Щербаков В.А., Абрамович С.М. и др.

Актуальность темы

Оценка ведущих тенденций развития пищевой промышленности показывает, что вопросы увеличения выпуска и расширения ассортимента при одновременном повышении качества продукции связаны с выбором видов производства и рациональных режимов проведения процессов, с созданием эффективных конструкций машин и аппаратов.

Определяющее значение в большинстве пищевых производств имеют массообменные процессы. К ним в частности относятся: ректификация спирта, отгонка органических растворителей из экстрактов; технологическая и санитарная очистка промышленных газов абсорбцией и т.д.

Поэтому разработка высокоэффективных массообменных процессов и надежного оборудования для их осуществления является одной из важнейших задач.

Отличительная особенность массообменных процессов - сложность механизма и гидродинамической структуры взаимодействующих фаз, широкие диапазоны изменения физико-химических свойств, существенная взаимосвязь режимных и конструктивных параметров.

Одним из перспективных видов оборудования для проведения массообменных процессов в системах газ (пар) - жидкость являются роторные распылительные аппараты с многократной циркуляцией и диспергированием жидкости (РРА). В РРА процессы массообмена осуществляются при многократной циркуляции и диспергировании жидкости в поле центробежных сил, что обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление, незначительный расход рабочей жидкости, высокую эффективность процесса, компактность аппарата и низкие удельные энергозатраты.

Однако недостаточная изученность гидродинамики, массообменных характеристик, и вследствие этого несовершенство методов расчета препятствуют широкому использованию РРА в пищевой и смежных отраслях промышленности.

Из вышеизложенного следует, что исследование массообменных характеристик РРА с целью разработки более совершенных конструкций и методов расчета является важной задачей, непосредственно связанной с разработкой эффективного и интенсивного оборудования для проведения процессов массообмена в пищевой промышленности.

Цели и задачи

Целью работы является создание высокоэффективного массообменого аппарата с улучшенными эксплуатационными характеристиками и разработка обоснованных методов его расчета.  Исходя из поставленной цели в диссертации необходимо решить следующие задачи: 
- разработка и анализ гидродинамических особенностей движения вращающихся пленок вязкой жидкости

-разработка модели теплоотдачи между газом(паром) и вращающейся пленкой вязкой жидкости

- разработка модели массоотдачи между газом(паром) и вращающейся пленкой вязкой жидкости

-разработка и проектирование  экспериментального стенда для  определения толщины пленки жидкости  при различных скоростях вращения  пленки

-проведение экспериментов по  теплоотдаче между газом (паром) и вращающейся пленкой вязкой  жидкости

- проведение экспериментов по массоотдаче между газом (паром) и вращающейся пленкой вязкой жидкости

2.Основная часть

2.1. Технологические критерии эффективности процесса

Основные понятия массообмена

В природе наблюдается аналогия процессов переноса теплоты и массы, поэтому определения основных параметров и законов массообмена аналогичны определениям параметров и законов теплообмена.

При наличии в среде неоднородного поля концентраций i – го компонента смеси происходит самопроизвольный и необратимый процесс переноса массы этого компонента в направлении уменьшения его концентрации, т.е. происходит процесс массообмена. Расчет массообмена заключается в определении поля концентраций компонент смеси и потоков массы компонент смеси.

Массообменные процессы – такие технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую конвективной и молекулярной диффузией. Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций распределяемого вещества во взаимодействующих фазах. 
Массообменные процессы классифицируют по трем основным признакам: агрегатному состоянию  вещества, способу контакта фаз и  характеру их взаимодействия. 
По  агрегатному состоянию вещества можно представить основные фазы: «газ – жидкость» (Г - Ж), «газ – твердое тело» (Г – Тв.т), «жидкость – жидкость» (Ж–Ж), «жидкость – твердое тело» (Ж – Тв.т) и др. В зависимости от сочетания фаз имеются способы их разделения. Так, при сочетании Г–Ж разделение возможно дистилляцией, ректификацией, абсорбцией и десорбцией, сушкой и увлажнением; Г – Тв.т – сублимационной сушкой, адсорбцией, ионным обменом, фракционной адсорбцией; Ж – Ж–жидкостной экстракцией; Ж–Тв.т – фракционной кристаллизацией, экстрагированием, адсорбцией, ионным обменом. 
Перенос распределяемого вещества происходит всегда из фазы, в которой его  содержание выше равновесного, в фазу, в которой концентрация этого  вещества ниже равновесной.  
По способу контакта фаз массообменные процессы разделяют на процессы с непосредственным контактом фаз, контактом через мембраны и без видимой (четкой) границы фаз. 
По  характеру взаимодействия массообменные  процессы и аппараты разделяют на периодические и непрерывные. В непрерывных процессах возможна организация прямоточного, противоточного, перекрестного и комбинированного движения компонентов. 

Тепломассообмен (ТМО) – наука о самопроизвольных необратимых процессах распространения теплоты и массы в пространстве в переменном поле температур и переменном поле концентраций.

Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс передачи теплоты и массы направлен в сторону уменьшения температуры и концентрации данного компонента смеси. В отличие от термодинамики ТМО рассматривает развитие процессов в пространстве и времени. В результате расчета процессов тепломассообмена находят распределения температур, концентраций компонентов смеси, а также потоков теплоты и массы как функции координат и времени.