III r. EiP (Technologia Chemiczna)

Transkrypt

1 AKADEMIA GÓRNICZO HUTNICZA WYDZIAŁ ENERGETYKI I PALIW III r. EiP (Technologia Chemiczna) INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pędu) Prof. dr hab. Leszek CZEPIRSKI Kontakt: A4, p. 44 Tel czepir@agh.edu.pl Konsultacje: Wtorek: Środa:

2 III r. EiP (Technologia Chemiczna) INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pędu) Wykład 30h (egzamin) prof. dr hab. Leszek Czepirski Ćiczenia 30h (zaliczenie) - dr inż. Katarzyna Czer WARUNKI ZALICZENIA Uzyskanie pozytynej oceny z ćiczeń rachunkoych i egzaminu końcoego EGZAMIN: pisemny (teoria z elementami obliczeń) Ocena końcoa = 0.4*ocena ćiczeń + 0.6*ocena egzaminu

3 III r. EiP (technologia chemiczna) INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pędu) ZAKRES MATERIAŁU Przepły płynó. Podstaoe pojęcia dotyczące przepłyu płynó (ilościoe określanie przepłyu, przepły ustalony i nieustalony). Bilans masoy przepłyu płynó doskonałych i rzeczyistych (rónanie ciągłości strumienia). Bilans energetyczny strumienia (rónanie Bernoulli ego dla płynó doskonałych i rzeczyistych). Graficzna interpretacja rónania Bernoulli ego. Zastosoania rónania Bernoulli ego (ustalony i nieustalony ypły cieczy ze zbiornikó, czas opróżniania zbiornikó o różnym kształcie, uogólnione rónanie Bernoulli ego). Rodzaje przepłyó (ruch laminarny i burzliy, liczba Reynoldsa jako kryterium ruchu płynu, rozkłady prędkości płynu rurociągu). Opory przepłyu płynu. Rónanie Darcy-Weisbacha. Współczynnik oporu dla ruchu uarstionego i burzliego. Przepły gładkich przeodach cylindrycznych. Promień hydrauliczny i zastępcza średnica rurociągu. Opory lokalne czasie ruchu płynó przeodach. Przepły przez rury szorstkie, przeężenia, kolana i zaory. Przepły przez ężonice. Długość zastępcza rurociągu. Całkoity opór przetłaczania. Obliczanie przepustoości rurociągu (zór Pohlego). Obliczanie rurociągu dla płynó ściśliych - przepły izotermiczny i adiabatyczny. Optymalna średnica rurociągu. Wpły efektó cieplnych na opory przepłyu.

4 III r. EiP (technologia chemiczna) INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pędu) ZAKRES MATERIAŁU Procesy dufazoe ciało stałe - płyn. Ruch cząstek stałych polu sił masoych i odśrodkoych. Opór ośrodka. Opadanie graitacyjne. Wzory Stokesa, Allena i Netona na prędkość opadania. Graniczne średnice opadających cząstek dla trzech zakresó opadania. Uproszczona metoda obliczania prędkości opadania i średnicy opadającej cząstki. Opadanie zakłócone. Zastosoanie pra opadania procesach rozdziału układó ciało stałe płyn (klasyfikacja hydrauliczna, odpylanie gazó, sedymentacja naturalna i ymuszona). Przepły płynu przez arstę usypanego materiału stałego. Poierzchnia łaścia ziarna, poroatość złoża, średnica zastępcza i kształt ziarna. Opory przepłyu płynu przez złoże ziarnistego materiału. Fluidyzacja. Minimalna i maksymalna prędkość fluidyzacji, ekspansja złoża, transport pneumatyczny i hydrauliczny. Filtracja (opór filtracji, rónanie Rutha, filtracja przy stałej i zmiennej grubości arsty osadu). Przepły dufazoy gaz - ciecz przez nieruchome ypełnienie. Charakterystyka ypełnień. Zastępcze liczby Reynoldsa. Dozolona prędkość przepłyu fazy gazoej. Spadek ciśnienia fazy gazoej na ypełnieniu zraszanym cieczą. Przepły gazu przez arstę cieczy (barbotaż). Ruch pęcherzykó gazu cieczy. Barbotaż sobodny i łańcuchoy. Wyznaczanie prędkości i średnicy pęcherzyka barbotażu łańcuchoym. Poierzchnia kontaktu faz i straty ciśnienia przy barbotażu. Pienienie i zachłystyanie przy barbotażu.

5 III r. EiP (technologia chemiczna) INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA (przenoszenie pędu) ZALECANE PODRĘCZNIKI 1. Z.Kembłoski, S.Michałoski, C.Strumiłło, R.Zarzycki, Podstay teoretyczne inżynierii chemicznej i procesoej, WNT W-a Zbiór zadań z podsta teoretycznych inżynierii chemicznej i procesoej, (praca zbioroa pod redakcją T.Kudry), WNT W-a S.Wroński, R.Pohorecki, Termodynamika i kinetyka procesó inżynierii chemicznej, WNT W-a S.Wroński, R.Pohorecki, J.Siiński, Przykłady obliczeń z termodynamiki i kinetyki procesó inżynierii chemicznej, WNT, W-a K.F.Pało, P.G.Romanko, A.A.Nosko. Przykłady i zadania z zakresu aparatury i inżynierii chemicznej, WNT W-a W.Ciesielczyk. K.Kupiec, A. Wiechoski, Przykłady i zadania z zakresu inżynierii chemicznej i procesoej, cz. I, II, skrypt Politechniki Krakoskiej Zadania rachunkoe z inżynierii chemicznej, (pr. zbioroa pod red. R.Zarzyckiego), PWN W-a M.Seriński, Zasady inżynierii chemicznej i procesoej, WNT W-a Podstaoe procesy inżynierii chemicznej. Przenoszenie pędu, ciepła i masy, (pr. zbioroa pod red. Z.Ziółkoskiego), PWN W-a J.Ciboroski, Inżynieria chemiczna. Inżynieria procesoa, WNT W-a J.Ciboroski, Podstay inżynierii chemicznej, WNT W-a C.O.Bennet, J.E.Myers, Przenoszenie pędu, ciepła i masy, WNT W-a R.Koch, A,Nooryta, Procesy mechaniczne inżynierii chemicznej, WNT W-a, A.Selecki, M.Gradoń, Podstaoe procesy przemysłu chemicznego, WNT W-a A.Kozioł, Kinetyka procesó, mechanicznych, cieplnych i dyfuzyjnych, (skrypt Politechniki Wrocłaskiej), J.Pikoń, Aparatura chemiczna, PWN W-a1983.

6 Definicja inżynierii Inżynieria to umiejętność torzenia artefaktó Wszelkie przedmioty lub zjaiska nie będące ytorem przyrody, do których postania przyczynił się człoiek Początkoo pojęcie inżynierii sproadzało się do umiejętności torzenia budoli. Inżynieria to dziedzina iedzy teoretycznej i praktycznej, a także określony obszar umiejętności praktycznych, dotyczący projektoania, a także optymalnego stosoania różnego rodzaju procesó technologicznych oraz operacji jednostkoych procesach technologicznych technologii chemicznej i pokrenych.

7

8

9 PROCESY a OPERACJE JEDNOSTKOWE Procesy ( tym, procesy technologiczne ), to zajemnie poiązane i pozostające pod kontrolą, działania ( operacje jednostkoe ), gdy ma miejsce przekształcenie określonych parametró, lub łaściości ejścioych, inne pożądane parametry, lub łaściości yjścioe. Proces produkcyjny przemyśle chemicznym sekencja operacji jednostkoych i procesó chemicznych. Operacja jednostkoa zjaisko o charakterze fizycznym lub fizykochemicznym, którym nie ystępuje reakcja chemiczna.

10

11

12 Opis operacji jednostkoych 1. Zasada zachoania masy rozażanym układzie zamkniętym suma mas poszczególnych składnikó przed procesem i po jego zakończeniu jest ielkością stałą sporządzanie bilansó masoych. Zasada zachoania energii rozażanym układzie zamkniętym suma szystkich rodzajó energii jest ielkością stałą sporządzanie bilansó energetycznych Zamiana jednej postaci energii na inną nie zmienia stałości sumy energii całego układu. 3. Rónoaga układu (mechaniczna, termiczna, fizykochemiczna) stanie rónoagi łaściości całego układu są niezmienne czasie. 4. Kinetyka przebiegu danej operacji układzie określa szybkość, z jaką układ dąży do stanu rónoagi. Szybkość przebiegu operacji zależy od artości siły napędoej (np. różnica ciśnień, temperatur, stężeń) oraz od artości siły oporu, ystępującej przebiegu operacji (np. siła tarcia, opór termiczny, opór dyfuzyjny).

13 Czym jest Inżynieria Chemiczna i Procesoa (Chemical and Process Engineering)? Co chodzi jej skład? Termodynamika procesoa - Metody obliczeń łaściości płynó - Rónoagi fazoe procesó Kinetyka procesoa: - Mechanika płynó - Przenikanie ciepła i masy z reakcją chemiczną INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA Procesy podstaoe: - yjaśnia mechanizmy znanych procesó na tle pra fizyki - klasyfikacja procesó Aparaturoznasto procesoe - umiejętność yboru odpoiedniej aparatury do danego procesu

14

15

16 W nauce o ruchu płynó tj. gazó i cieczy, traktujemy płyn jako ośrodek o strukturze ciągłej Różniczkoa objętość płynu o doolnie małych rozmiarach ( granicy będzie to punkt) może być zatem rozpatryana jako jednorodna próbka o łaściościach fizycznych całego ośrodka, oderaniu od rzeczyistej struktury cząsteczkoej. Zakres stosoalności tego modelu jest ograniczony i nie obejmuje ruchu gazó rozrzedzonych arunkach których średnia droga sobodna cząsteczki jest porónyalna do średnicy przeodu. Przepłyy MOLEKULARNE lub KNUDSENOWSKIE

17 określa masę przepłyającego płynu jednostce czasu określa objętość przepłyającego płynu jednostce czasu kg s kg s 1 m 3 m kg kg m s określa masę płynu przepłyającego jednostce czasu przez jednostkę pola przekroju strumienia m s 3 m s 3 1 m m s

18 Kryteria przepłyu ustalonego: Jeżeli eźmiemy pod uagę da przekroje tego samego strumienia, gdzie natężenia przepłyu ynoszą G 1 i G, óczas przy przepłyie ustalonym czasie natężenia te są jednakoe oraz nie zmieniają się czasie. G1 G

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29 UOGÓLNIONE RÓWNANIE BERNOULLI ego 1 1 U E Q L U E u v p gz q l u v p gz m L l m Q q ) z g(z ) i (i q l 1 1 1

30 Pompa tłoczy odę ze stau do zbiornika położonego o 35 m yżej, dobrze izoloanym przeodem o średnicy enętrznej 80 mm z szybkością 48 m 3 /h. Ciśnienie zbiorniku jest stałe i ynosi 3 at. Zapotrzeboanie mocy przez pompę o spraności 0.7 ynosi 3 kw. Obliczyć temperaturę ody na locie do zbiornika, jeżeli jej temperatura staie ynosi 17 o C. E U L Q E 1 1 U gz 1 p ρ U 1 L Q gz p ρ U 1). Woda jest płynem nieściśliym (praktycznie stała gęstość przy nieielkich zmianach temperatury), i przepłya przeodem o stałej średnicy (S= const.) Dlatego arunkach ustalonych: 1 = ). Q = 0 - przepły adiabatyczny g(z z ) p p ρ (U U ) L Ilość pracy przekazanej przez pompę na 1 kg ody: o N L G L = 1.7 kj/kg 0 G V G 13.3 kg/s

31 Zmiana energii enętrznej: p1 p (U U1 ) g(z1 z ) L ρ (U - U 1 ) = 673 J/kg Zmiana energii enętrznej: (U U ) c ( t ) v 1 1 t ( U U 1 t t1) c v (t - t 1 ) = o C

32 WYPŁYW USTALONY CIECZY PRZEZ OTWÓR W DNIE ZBIORNIKA o po p ho g hg h o 0 So So o S S o S S o o po hg o p o p o p 1 S S o hg o So p p 1 0 S o gh zór Torricellego hg S o S 0 p o p

33 Straty energii pomiędzy przekrojami (rodzaj, kształt otoru ypłyoego) poodują że rzeczyiste objętościoe natężenie ypłyu jest mniejsze od teoretycznego: V V V rzecz S rzecz o V V 1 gh teoret teoret

34 NIEUSTALONY WYPŁYW CIECZY ZE ZBIORNIKA Nieustalony ypły cieczy ma miejsce tedy gdy ciśnienie hydrostatyczne cieczy zbiorniku ulega zmianie. W zbiorniku otartym jest to rónoażne zmianie ysokości cieczy zbiorniku (maleje objętościoe natężenie ypłyu). Wypły należy traktoać jako quasi-ustalony tzn. danej chili można stosoać zależności jak dla przepłyu ustalonego a ynika to z faktu bardzo małego przekroju otoru ylotoego stosunku do pola przekroju zbiornika.

35 CZAS OPRÓŻNIANIA ZBIORNIKA S f ( h ) dv S dh dv Q v d Q v S o o o gh dv So gh d S dh So gh d S S o 1 g h 1 h 1 dh h 0 d S S o 1 g h h 1 1 dh h Czas całkoitego opróżniania zbiornika: (h 0 ) S S o g h 1 h S So g h

36 Zasada działania inżektora odno - odnego

37 Zasada działania inżektora odno - odnego

38 Model matematyczny przepłyu cieczy doskonałej Rónanie Netona: d f m d Siły działające na zenętrzne poierzchnie rónoległościanu: 1). Siła ciężkości: mg gv gdxdydz ). Siły ciśnienia (działające zdłuż osi z): f z p gdxdydz pdxdy ( p dz )dxdy z p f z ( g )dxdydz z p p dxdydz f dxdydz x y y f x Ciało znajduje się ruchu, jeżeli suma rzutó szystkich sił działających na dane ciało róna jest iloczynoi masy tego ciała i przyspieszenia

39 d d dxdydz )dxdydz z p g ( d d dxdydz dxdydz y p d d dxdydz dxdydz x p z y x d d ) z p g ( d d y p d d x p z y x Składoe prędkości są funkcjami parametró spółrzędnych i czasu: ) y,z, x, ( f Ponieaż przyspieszenie jest sumą ektoroą trzech składoych przyspieszenia zdłuż osi spółrzędnych można ykazać, że: x x x x d d i analogicznie dla pozostałych osi, a stąd: Różniczkoe rónanie przepłyu Eulera x x p x x y y p y y z ) z p g ( z z

40 Rónania Eulera obrazują działanie sił jednym punkcie poruszającego się płynu (przy założeniu, że elementarna objętość płynu zbliżona jest do punktu). Dla określenia sił działających na całej poierzchni elementarnego rónoległościanu należy ięc obie strony rónań Eulera pomnożyć przez długości odpoiednich kraędzi i zsumoać dla uzyskania działania sił całej objętości: dz z )dz z p g ( dy y dy y p dx x dx x p z z y y x x dz z dy y dx x gdz dz z p dy y p dx x p z z y y x x d d dz z dy y dx x dp dz z p dy y p dx x p z z y y x x

41 gdz dp d 0 d z p g g 0 Po zcałkoaniu: z p g g const Rónanie Bernoulli ego!!! Rónanie Bernoulli ego jest zatem roziązaniem (całką rónań Eulera)

42 Elementy dynamiki przepłyu płynó rzeczyistych

43 Elementy teorii podobieństa

44

45

46 Analiza ymiaroa

47 Analiza ymiaroa

48 Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego

49 Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego

50 Cechy charakterystyczne ruchu laminarnego

51 Cechy charakterystyczne ruchu burzliego

52

53

54 Promień hydrauliczny i średnica zastępcza przeodó

55 Opory podczas przepłyu płynó przez przeody

56 Opory podczas przepłyu płynó przez przeody

57

58

59 Opory podczas przepłyu płynó przez przeody

60

61

62

63

64

65

66 Optymalna średnica rurociągu

67 Optymalna średnica rurociągu

68 Optymalna średnica rurociągu

69 Optymalna średnica rurociągu

70

71

72

73

74