Характеристика неоднородных систем

Гидромеханическими процессами называются процессы обработки жидких и газовых неоднородных систем, направленные на разделение этих систем или их получение. Разделение жидких систем может проводиться под действием силы тяжести (отстаивание), центробежной силы (отстойное центрифугирование и центробежная фильтрация) или давления (фильтрация). Кроме того, применяется отстаи­вание с предварительным укрупнением частиц электрическими силами.

Для газовых неоднородных систем применяются те же методы разделения, а также осаждение в электрическом поле (электроочистка газов) и мокрое разделение (мокрая очистка газов). Жидкие неоднородные системы получаются при перемешивании, хотя перемешивание очень часто является не самоцелью, а подсобным процессом для интенсификации теплопередачи, растворения, экстрагирования твердых тел, химических реакций.

Неоднородными системами или суспензиями называются жидкости и газы, содержащие взвешенные в них твердые частицы или капельки другой жидкости.

Жидкая суспензия именуется эмульсией, если представляет взвесь капелек жидкости в среде другой жидкости; взвесь твердых частиц п газе называется пылью или дымом, жидких мелких капелек в газе — туманом.

Неоднородные системы характеризуются концентрацией взвешенного вещества и размером частиц. От концентрации: зависят выходы продуктом при разделении суспензий. При составлении материальных балансов разделения жидких неоднородных систем обычно задают начальную концентрацию взвешенного вещества (дисперсной фазы) н суспензии, а конечная может быть принята сообразно процессу и составу дисперсной фазы; осадок же твердого вещества всегда удерживает некоторое количество жидкости, составляющем так называемую влажность осадка.

В газовых системах концентрацию пыли и тумана обычно задают в г/м³ газа и при подсчетах объема газов ее можно не учитывать. Рассчитывая же объем осажденной пыли, надо иметь в виду, что она содержит много газа и что ее объемный вес, определяемый опытом, значительно меньше (иногда в несколько раз) истинного удельного веса твердого вещества.

Размеры частиц весьма существенно влияют на процесс разделения: неоднородные системы разделяются тем труднее, чем мельче частицы. Очень мелкие частицы (менее 0,5 мк) становятся уже чувствительными к ударам молекул жидкости и газа при Броуновском движении последних; из-за этого они не могут, например, отделяться отстаиванием. Для газовых суспензий размер частиц зависит от их происхождения: пыль и брызги механического происхождения образовавшиеся, например, при дроблении, пересыпании и т. д., состоят из сравнительно крупных частиц, размерами порядка десятков микронов; дым и туман, образующиеся в результате конденсации паров каких-либо веществ (легкоплавких металлов, смол, кислот) или в результате химических реакций в газовой среде, состоят из очень мелких частиц размерами в несколько микроноа или даже долей микрона.

ОТСТАИВАНИЕ

Разделение суспензии отстаиванием происходит под действием силы земного притяжения при наличии разницы в удельных весах взвешенных частиц и жидкой с роды (в газах такая разница всегда имеется). Частицы движутся но вертикали вниз и, достигнув ограничивающей поверхности, при отсутствии чрезмерной турбулентности потока образуют слои осадка. В эмульсиях частицы распределенной жидкости тонут или всплывают в среде основной жидкости и, сливаясь, образуют сплошной слой; затем обе жидкости могут быть выведены раздельно.

ФИЛЬТРАЦИЯ

Фильтрацией называется разделение суспензий пропусканием их через пористые перегородки, задерживающие взвешенные в жидкостях или газах твердые частицы. Последние образуют па перегородке слой осадка; очищенная жидкость называется фильтратом.

Для прохода жидкости или газа через фильтрующую перегородку, а в дальнейшем через перегородку и слой осадка, представляющие сопротивление потоку, требуется перепад давления, который и является движущей силой процесса фильтрации. Перепад давления может создаваться весом столба жидкости над фильтрующей перегородкой (гидростатическая фильтрация), избыточным давлением жидкости, например при подаче ее насосом (фильтрация под давлением), или, наконец, путем создания разрежения под фильтрующей перегородкой при помощи вакуум-насоса (фильтрация под вакуумом), причем в последнем случае движущей силой процесса будет разность между давлением над перегородкой атмосферы или среды инертного газа и абсолютным давлением под перегородкой, т. е. в конечном счете величина вакуума.

Виды фильтрующих перегородок

Для фильтрации могут применяться следующие виды перегородок:

насыпные фильтры, состоящие из слоя мелкозернистых материалов (гравий, песок, кокс), хорошие в отношении полноты разделения суспензий, по с большим сопротивлением; осадок проникает внутрь фильтрующего слоя и с трудом от него отделяется; фильтр применим для суспензий с очень малой концентрацией нсутилизируемого-осадка;

набивные фильтры — из слоя волокнистых материалов (вата хлопчатобумажная, шерстяная, шлаковая, стеклянная, асбестовое волокно и т. д.); характеристика та же, что и насыпных фильтров;

керамические фильтры — перегородки из плоских пористых кислотоупорных плиток, трубы из пористой керамики (поролитоные фильтры и др.); характеристика та же; применяются для фильтрации кислых сред;

тканевые фильтры — с относительно малым сопротивлением и конструктивно наиболее удобные; имеют наибольшее распространение;

проволочные плетеные фильтры—сетки из тонкой проволоки и.; цветных металлов и сплавов; задерживающая способность низкая, но так как через небольшое время после начала фильтрации фильтрующей перегородкой становится отложившийся осадок, сетчатые фильтры все же находят применение, причем первые порции мутного фильтрата возвращают на повторную фильтрацию.

ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ОСАЖДЕНИЕ И ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Создать центробежную силу практически можно двояко:

1) привести во вращение от механического привода сосуде заключенной в нем жидкостью, затрачивая на это механическую работу;

2) заставить вращаться в аппарате специальной формы поток жидкости или газа, вводимый в аппарат с большой скоростью, т. е.

получить вращение за счет скоростного напора, что эквивалентно

использованию перепада давления.

3)Аппараты с вращающимся сосудом (барабаном, ротором) носят название центрифуг; неподвижные аппараты с вращающимся в них потоком газа или жидкости называются циклонами и гидроциклонами.

Смотри:

Процессы и аппараты химической технологии, Дытнерский Ю.И. том 1, Москва, Химия, 2002, стр. 208-212,217, 219,230-231

Процессы и аппараты химической технологии, Скобло А.И., Москва, 1961,стр. 317-319

Билет № 8

Вопрос № 3

Теплоты образования и сгорания органических веществ. Тепловые эффекты экзо- и эндотермических реакций органических веществ.

Изменение химического состава реагирующей смеси приводит к изменению ее теплосодержания ∆Н_Т, которое можно рассчитать через энтальпии образования компонентов (∆Н_Т)_обр:

∆Н_Т= ∑ν_i(∆Н_Т)_обр.i.

Если энтальпия (теплосодержание) образования продуктов меньше, чем энтальпия образования исходных веществ, (∆Н_Т<0), то выделяется теплотаQ_Р= -∆Н_Т, называемаятеплотой реакции. Если при химическом превращении теплосодержание смеси увеличивается (∆Н_Т>0), то происходит поглощение теплоты.

В зависимости от знака ∆Н (или Q) реакции бываютэкзотермические(∆Н<0,Q_Р>0, с выделением теплоты) иэндотермические(∆Н>0,Q_Р<0, с поглощением теплоты).

Количество выделенной или поглощенной в результате реакции теплоты называют тепловым эффектом реакции.

Тепловой эффект реакции входит в запись термохимического уравнения, представляющего собой стереохимическое уравнение с указанием его теплового результата

ν_АА + ν_ВВ + …= ν_RR+ν_SS+…+Q_Р

Значение Q_Рв уравнении зависит от записи химического уравнения, поэтому в справочной литературеQ_Рприводят прямо в уравнениях или указывают изменение энтальпии, соответствующие превращению 1 моля вещества.

Знание теплового эффекта необходимо для определения тепловых явлений в технологических процессах. Количество выделившейся или поглощенной теплоты q_рзависит от количества превратившегося вещества ∆N. ЕслиQ_Рпредставлена в записи уравнения, то

q_р=Q_Р∆N_А/ ν_А

В зависимости от знака Q_Р(экзо- и эндотермическая реакция) теплота в ходе протекания процесса будет выделятся или поглощаться.

Общая химическая технология, Бесков В.С., Москва, Академкнига, 2005, стр.57-58

Пособие по химии для поступающих в ВУЗы, Москва, Новая волна, 2002, стр.20

Основными технологическими характеристиками топлива являются теплота сгорания(теплотворность) – это теплота реакции горения топлива, то есть количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива (кДж/кг) или 1 м³газообразного топлива (кДж/м²) и при охлаждении продуктов горения до начальной температуры процесса. Различают низшуюQ_Ни высшуюQ_Втеплоту сгорания топлива. Низшей теплотой сгорания называется количество теплоты, выделившейся при сгорании 1 кг водорода с образованием водяного пара, высшей теплотой – количество теплоты, выделившейся при сгорании 1 кг водорода с образованием воды. В практических расчетах применяют обычноQ_Н.

Общая химическая технология, Кутепов А.М., Москва, Высшая школа, 1990, стр.253

Количество теплоты, которое выделяется при образовании 1 моля соединения из простых веществ, называется теплотой образованияданного соединения.

Общая химия, Глинка И.Л.

Энтальпией (теплотой) образованияназывают тепловой эффект 1 моль вещества из простых веществ, устойчивых при 298К и давлении 100 кПа.

Теплотой сгорания топливаназывается тепловой эффект реакции окисления кислородом элементов, входящих в состав вещества, до образования высших оксидов.

Теплоту сгорания обычно относят к стандартному состоянию (давление 100 кПа), одному молю топлива и называют стандартной теплотой сгорания.

Общая химия, Коровин Н.В., Москва, Высшая школа, 1998, стр. 122, 128, 439

Билет № 9

Вопрос № 2

Механизмы переноса тепла. Основное уравнение теплоотдачи (закон сохранения Ньютона). Теплопроводность (закон Фурье). Передача тепла через многослойную стенку.

Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты (нагревание, охлаждение, испарение (или кипение), конденсация и др.), называют тепловыми. Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого и менее нагретого тела (температурный напор). Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы, называютсятеплообменниками.

Различают три вида переноса теплоты: теплопроводность, тепловое излучение и конвекция.

Явление теплопроводностисостоит в том, что перенос теплоты происходит путем непосредственного соприкосновения между микрочастицами (молекулами, атомами, электронами) – от частиц с большей энергией к частицам с меньшей энергией, то есть процесс переноса теплоты теплопроводностью протекает помолекулярному механизму. В подвижных средах (жидкость, газ) при турбулентном режиме движения потока молекулярный механизм переноса теплоты, то есть теплопроводность, имеет существенное значение в тонких, пограничных с твердой стенкой слоях. При ламинарном движении потока или в неподвижной жидкости теплопроводность может быть основным видом переноса теплоты. Поскольку теплопроводность – явление молекулярное, то на скорость процесса переноса теплоты теплопроводностью существенное влияние оказывают структура и свойства вещества (например, для подвижных сред – вязкость, плотность и др.). В твердых телах, например в диэлектриках, перенос энергии осуществляется фотонами, в металлах электронами.

Явление теплового излучения– это процесс распространения энергии с помощью электромагнитных колебаний. Источником этих колебаний являются заряженные частицы – электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. Твердые тела и жидкости излучают волны всех длин, то есть дают сплошной спектр излучения. При переносе теплоты излучением тепловая энергия вначале превращается в лучистую, а затем обратно: встречая на своем пути какое-либо тело, лучистая превращается в тепловую.

Явление конвекциисостоит в том, что перенос теплоты осуществляется вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. При этом очень большое значение имеют состояние и характер движения жидкости или газа. Наряду с этим в движущейся жидкости из-за наличия градиента температур происходит перенос теплоты перемещающимися частицами жидкости из зоны с большой температурой в зону с меньшей, то есть за счет теплопроводности. Таким образом,конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Если массовое перемещение жидкости вызвано разностью плотностей в различных точках жидкости или газа (вследствие разности температур в этих точках), такую конвекцию называютестественной. Если перемещение жидкости или газа возникает вследствие затраты на это механической энергии (насос, мешалка и т.д.), такую конвекцию называютпринудительной. Конвекция – явлениемакроскопическое

Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называюттеплоносителями: более нагретый – горячий теплоноситель, менее нагретый – холодный теплоноситель.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся(стационарном) процессе температура является функцией только системы координат, то есть не зависит от времени (установившийся режим в аппаратах непрерывного действия). Принеустановившемся(нестационарном) процессе температура изменяется в пространстве и во времени (аппараты периодического действия, остановка и пуск аппаратов непрерывного действия).

В практических условиях конвективный теплообмен между поверхностью твердой стенки и омывающей ее жидкостью (газом) называют теплоотдачей.

Расчет скорости процесса теплоотдачи осуществляется с помощью эмпирического закона охлаждения Ньютона (уравнение теплоотдачи). При установившемся процессе уравнение имеет вид:

Q=αF(t_ж–t_ст)τ

где: Q– тепловой поток;

α– коэффициент теплоотдачи (показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м²поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м² к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1°). Характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. Зависит от многих факторов: режима движения, физических свойств теплоносителя (вязкость, плотность, теплопроводность), геометрических параметров каналов, состояния поверхности стенки.

F– поверхность теплоотдачи

t_ж– температура жидкости

t_ст– температура стенки

τ – время

Рассматривается процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердой стенке. Обязательное условие такого процесса: разность температур поверхностей стенки. При этом образуется поток теплоты направленный от поверхности стенки с большей температурой к поверхности стенки с меньшей температурой.

При установившемся процессе закон Фурье имеет вид:

Q=λF(t'_ст–t''_ст)/δ

где: Q– тепловой поток;

λ– коэффициент теплопроводности (показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1° на единицу длины нормали к изотермической поверхности), физическая характеристика вещества, определяющая способность тела проводить теплоту, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

F– поверхность стенки

t'_ст–t''_ст– температурный напор, разность температур поверхностей стенки

δ – толщина стенки

Рассмотрим передачу теплоты сквозь многослойную плоскую стенку от горячего теплоносителя к холодному

В слое горячего теплоносителя температура изменяется от t₁доt_ст1, по толщине стенки отt_ст1доt_ст2 и в слое холодного теплоносителя отt_ст2 доt₂.

Теплопроводности слоев равны: λ₁,λ_2.

Тепловые сопротивления будут равны: δ₁/λ₁, δ₂/λ₂

Тепловое сопротивление всей стенки составит

R_ст= δ₁/λ₁ + δ₂/λ₂+ …=∑δ/λ

Коэффициент теплопередачи (всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи α) будет равен:

К = 1/ (1/α₁+∑δ/λ+ 1/α₂)

Количество теплоты при передаче через многослойную стенку будет равно:

Q= КF(t₁–t₂)τ

Смотри:

Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии, том 1, Москва, 2002, стр. 264-278

Айнштейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, книга 1, Москва, стр. 66, 469-470,472,481,482

Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи, Москва, Высшая школа, 1983, стр257-267

ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕНОСА

Теплоперенос, иначе — перенос теплоты от тела к телу, от объекта к объекту, от точки к точке занимает особое место среди явлений и процессов переноса.

Во-первых, он широко распространен в химической технологии (в тепловых процессах, во многих процессах разделения, в собственно химических процессах), так что устанавливаемые в этой и следующих главах понятия и закономерности, а также полученные в них соотношения будут прямо использованы при изучении ряда последующих глав (выпаривание, дистилляция и ректификация, сушка и др.) и учебных дисциплин (АСУ ТП, спецтехнологии и т.д.). Этими понятиями, закономерностями, соотношениями очень часто пользуются исследователи, проектировщики, производственники.

Во-вторых, несмотря на множество еще не разрешенных проблем, описание явлений и процессов теплопереноса зача­стую проще, нежели массопереноса (во многих проявлениях проще и переноса импульса) в силу линейности значительного числа задач — из-за существенного постоянства входящих в них теплофизических величин. Поэтому подходы здесь нагляднее, легче усваиваются, а сами задачи чаще удается довести до аналитических решений.

И в-третьих, подходы и решения задач теплопереноса нередко служат основой и отправной точкой при анализе более сложных задач — переноса вещества и других субстанций.

Основные цели теплопереноса обусловлены характером техно­логического процесса. Наиболее часто они связаны со следую­щими моментами:

— подвод теплоты к системе, рабочему телу (целевому про­дукту, теплоносителю, хладоагенту) для повышения (или от­вод — для понижения) температуры либо изменения агрегатного состояния (плавления — затвердевания, кипения — конденса­ции и т.п.); здесь цель — сам теплоперенос;

Сущность самого технологического процесса, заключающегося в подводе (отводе) теплоты, иногда — в изменении агрегатного состояния; здесь без теплопереноса процесс простоневозможен;

Выделение (поглощение) теплоты в ходе химических превращений (экзо- и эндотермические реакции), так что необходимо обеспечивать отвод и подвод теплоты реакции либо учитывать влияние накопления теплоты на изменение температуры и ход этой реакции.

Часто в осуществлении химико-технологического процесса реализуются все или несколько из этих целей.

Нередко теплопереносу сопутствует перенос вещества (из одной системы в другую, из одной фазы в другую); как правило, теплоперенос связан с переносом количества движения (импульса) — эту связь учитывают при описании процессов теплопереноса.

В наиболее распространенных случаях (далее будут рассматриваться и другие ситуации) поток теплоты передается от теп­лоносителя с высокой температурой Т к теплоносителю с низ­кой — t через теплопередающую стенку. Принципиальная схема такого теплопереноса для фрагмента теплообменного аппарата представлена на рис.

Общая схема теплопереноса:

1 — теплопередаюшая стенка (поверхность), 2 — по­граничные пленки, 3 — области движения теплоносителей вдоль поверхности;

Теплота (ее поток изображен левой вертикальной стрелкой) вводится в исследуемый фрагмент теплообменника с потоком горячего теплоносителя под действием постороннего побудителя (например, насоса). Далее поток теплоты через пограничную пленку, примыкающую к поверхности со стороны горячего теплоносителя, передается к границе поверхности, проходит через поверхность (стенку), затем через пограничную пленку со стороны холодного теплоносителя (эти потоки теплоты изображены горизонтальными стрелками). Наконец, теплота выводится из исследуемого фрагмента с холодным теплоносителем (правая вертикальная стрелка).

Происходящие в ходе переноса теплоты процессы — в целом или на отдельных стадиях — именуются по-разному. В целях большей четкости разграничения понятий в учебнике принята следующая терминология (она выдержана и для процессов массопереноса).

Теплопереносом (иначе — тепловым процессом) именуется любое явление (процесс), связанное с переносом теплоты на любой стадии или в целом.

Элементом (видом, способом) процесса теплопереноса называется стадия (акт), относящаяся к какой-либо одной составляющей теплопереноса: через пограничную пленку — теплоотдача; в твердой стенке или другой среде возможен кондуктивный перенос; теплоперенос излучением (на схеме не показан); потоковый теплоперенос с движущимся теплоносителем.

Под теплопередачей будем понимать перенос теплоты через теплопередающую поверхность (нормально к ней); для схемы на рис. 6.1 это три стадии: перенос теплоты через пограничные пленки и через стенку.

Под теплообменом будем понимать теплоперенос в целом, включающий отвод (подвод) теплоты с горячим и холодным теплоносителями; для схемы на рис. теплообмен включает пять стадий: три стадии теплопередачи и две — переноса теплоты с потоками теплоносителей.

Рассматриваются явления и процессы переноса теплоты, относящиеся к отдельным стадиям.

Айнштейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, книга 1, Москва, стр. 66, 469-470,472,481,482

Основным законом передачи тепла теплопроводностью явл. закон Фурье,согласно которомукол-во тепла dQ ,передаваемое посдедством теплопроводности ч/з элемент поверхности dF, перпендикулярный тепловому потоку, за время dt прямо пропорционально температурному градиенту dt/dn поверхности dF и времени dt:

dQ = - λ dt/dn dF dt (1)

или кол-во тепла, передаваемое ч/з единицу поверхности в единицу времени

q=Q/Ft= - λdt/dn(2)

Величина q называется плотностью теплового потока.

Знак «минус», стоящий перед правой частью уравнений (1) и (2), указывает на то, что тепло перемещается в сторону падения температуры,

Коэффициент пропорциональности λ называется коэффициентом теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности λ показывает, какое кол-во тепла проходит вследствие теплопроводности в единицу времени ч/з единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1 град на единицу длины нормали к изотермической поверхности.

Величина λ характеризующая способность тела проводить тепло путем теплопроводности, зависит от природы в-ва, его структуры, температуры и некоторых других факторов.

А.Г.Касаткин «ОПиАХТ»,Москва, химия,1971, стр.278-279

Билет № 9

Вопрос № 3

Критерии оценки эффективности химического производства.

Для описания хода и оценки результатов процесса используется несколько величин.

Перерабатывающей способностьюустановки называется максимальное количество сырья (или, например, одного исходного вещества), которое можно переработать в данной установке в единицу времени.

Производительная способность (производительность) установки – это максимальное количество продукта, которое можно получить, в единицу времени в установке.

Степень превращения αопределяется как отношение количества превращенного исходного вещества к количеству исходного вещества в питании:

α = (n₀ – n) / n₀ = (m₀ – m) / m₀ =(G₀ – G) / G₀

где величины с индексом «0» относятся к начальному моменту превращения, а величины без индекса – к конечному.

Когда исходные вещества берутся в стехиометрическом соотношении, степени превращения каждого из них одинаковы. Если исходные вещества вступают в реакции не в стехиометрическом соотношении, то значение, степени превращения α зависит от того, для какого вещества эта величина рассчитывается. Например, для вещества К

α _k= (n_k0–n_k) /n_k0

Иногда безразмерную величину α умножают на 100 и выражают в процентах.

Пример. Предположим, что реакция взаимодействия этилена с водородом происходит по уравнению С₂Н₄ + Н₂ = С₂Н₆. Допустим, реагирует половина подведенного этилена. Когда этилен и водород берутся в стехиометрическом соотношении (по 1 моль)

α С₂Н₄= (1 – 0,5) / 1 = 0,5

α Н₂= (1 – 0,5) / 1 = 0,5

Если же смесь содержит 100% избытка водорода (на 1 моль этилена приходится 2 моль водорода), то

α С₂Н₄ = (1 – 0,5) / 1 = 0,5

α Н₂ = (2 – 1,5) / 2 = 0,25

Абсолютный выход Анаходится как отношение количества продуктаm_pк количеству исходного вещества (или сырья)m_s, израсходованного для получения этого количества продукта:

А= m_p/m_s

Величина А может быть безразмерной, когда количества продукта и исходного вещества выражены в одних и тех же единицах, но может иметь также единицы измерения м³/кг, т/м³и так далее.

Относительный выход Wявляется мерой правильности проведения процесса. Он определяется как отношение количества продукта, полученного в действительности, к максимальному количеству продукта, которое можно получить теоретически из того же количества исходного вещества:

W= А /А_макс

Безразмерная величина Wменьше единицы (иногда относительный выход умножают на 100 и выражают в процентах).

Производительность аппарата L– это количество продукта, полученного в аппарате (например, реакторе) в единицу времени:

L=QA

где Q– количество продукта, получаемое в единицу времени; А – выход.

Производительность установки, рассчитанная для всего процесса, - это количество продукта, получаемое на установке в единицу времени.

Общие основы химической технологии. Под ред. Романкова П.Г., Ленинград, Химия, 1977

Билет № 10

Вопрос № 2

Теплопередача. Основные понятия. Направление движения теплоносителей: прямоток, противоток, смешанный ток.

Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в теплопередаче, называюттеплоносителями: более нагретый – горячий теплоноситель, менее нагретый – холодный теплоноситель.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи. При установившемся(стационарном) процессе температура является функцией только системы координат, то есть не зависит от времени (установившийся режим в аппаратах непрерывного действия). Принеустановившемся(нестационарном) процессе температура изменяется в пространстве и во времени (аппараты периодического действия, остановка и пуск аппаратов непрерывного действия).

Необходимым условием передачи тепла является неравенство температур в различных точках данного тела или пространства. Поэтому величина теплового потока, возникающего в среде, зависит от распределения температур в среде или характера температурного поля. Под температурным полемпонимают совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемой среды.

Геометрическое место всех точек с одинаковой температурой представляет собой изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются друг с другом, они замыкаются или заканчиваются на границах рассматриваемого тела.

Пусть температура одной изотермической поверхности t, а другой, близлежащей изотермической поверхностиt + ∆t. Предел отношения разности температур ∆tэтих двух поверхностей к расстоянию по нормали∆lмежду ними

lim (∆t / ∆l) = ∂t / ∂l = grad t

называют температурным градиентом, который представляет собой производную от температуры по нормали к изотермической поверхности. При ∂t / ∂l=0 наступает равновесие- поток теплоты прекращается. Температурный градиент является мерой интенсивности изменения температуры в данной точке. Направление теплового потока всегда совпадает с направлением падения температуры в данной точке. Тогдаудельный поток теплотыq(количество теплоты, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени) будет равенq≈(∂t / ∂l). Таким образом, в отличие от температуры, которая является скаляром, плотность потока теплоты представляет собой векторную величину.

Для расчета теплообменных аппаратов широко используется кинетическое уравнение, которое выражает связь между тепловым потоком Qи поверхностьюFтеплопередачи, называемоеосновным уравнением теплопередачи:

Q=KF∆t_срτ

K– коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость переноса тепла

∆t_ср– средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор), по поверхности теплопередачиF,

τ– время.

Количество тепла, передаваемое от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена, среднему температурному напору и времени.

Для непрерывного процесса теплопередачи:

Q=KF∆t_ср

Коэффициент теплопередачи Kпоказывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м²стенки при разности температур между теплоносителями, равной 1°.

Большое влияние на процесс теплообмена оказывает относительное движение теплоносителей. В непрерывных процессах теплообмена различают:

1. прямоток(или параллельный ток), при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении

2. противоток, при котором теплоносители движутся в противоположных направлениях

3. перекрестный ток, при котором теплоносители движутся по отношению друг к другу во взаимно перпендикулярном направлении

4. смешанный ток(простой и многократный), при котором один теплоноситель движется в одном направлении, а другой – попеременно как прямотоком, так и противотоком.

Относительное движение теплоносителей оказывает существенное влияние на величину движущей силы процесса теплообмена. Кроме того, выбор схемы движения теплоносителей может привести к заметным технологическим эффектам (экономия теплоносителя, более «мягкие» условия нагрева или охлаждения сред и др.).

Средний температурный напор (средняя движущая сила) при прямотоке:

∆t_ср= (∆t_н- ∆t_к)/(ln(∆t_н/ ∆t_к))

Тепловой поток при прямотоке равен:

Q=KF((∆t_н- ∆t_к)/(ln(∆t_н/ ∆t_к)))

Q=KF∆t_ср

Средний температурный напор (средняя движущая сила) при противотоке:

∆t_ср= (∆t_б- ∆t_м)/(ln(∆t_б/ ∆t_м))

Тепловой поток при противотоке равен:

Q=KF((∆t_б- ∆t_м)/(ln(∆t_б/ ∆t_м)))

Q=KF∆t_ср

Где ∆t_би ∆t_м– большая и меньшая разности температур теплоносителей на концах теплообменников.

t

Для перекрестного и смешанного токов точный расчет величины ∆t_срзатруднителен, поэтому его проводят по упрощенной схеме, основываясь на относительно простой определяемой величине ∆t_срдля противотока и вводя соответствующую поправку ε, то есть ∆t_ср= ε∆t_{ср. прот.}

Поправочный коэффициент ε всегда меньше единицы и находится по справочникам.

Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии, том 1, Москва, 2002, стр. 264-265, 302-306

Теплопереносом(иначетепловым процессом) именуется любое явление (процесс), связанное с переносом теплоты на любой стадии или в целом.

Элементом(видом,способом) процесса теплопереноса называется стадия (акт), относящаяся к какой-либо одной составляющей теплопереноса: через пограничную пленку –теплоотдача; в твердой стенке или другой среде возможен кондуктивный перенос; теплоперенос излучением;потоковыйперенос вместе с носителем.

Под теплопередачейпонимают теплоперенос теплоты через теплопередающую поверхность (нормально к ней); для схемы это три стадии: перенос теплоты через пограничные пленки и через стенку.

1 – теплопередающая стенка (поверхность)

2 – пограничные пленки

3 - области движения теплоносителей вдоль поверхности

I, II – области горячего и холодного теплоносителей.

Под теплообменом понимают теплоперенос в целом, включающий отвод (подвод) теплоты с горячим и холодным теплоносителями. Включает пять стадий: три стадии теплопередачи и две – переноса теплоты с потоками теплоносителей.

Основополагающим в теплопереносе является понятие температуры. СогласноIIзакону термодинамики теплоперенос самопроизвольно (без затрат механической энергии) происходит от тела (области) с большей температурой к телу (области) с меньшей. Именно разность температур является причиной направленного переноса. Эта разность температур –температурный напор– выступает в качестведвижущей силытеплопереноса. В ходе теплопереноса может происходить. В ходе теплопереноса может происходить изменение температуры (от точки к точке, во времени и т.п.). При выравнивании температур наступает тепловое равновесие. Совокупность температур даеттемпературное полес различными (локальными) температурами в различных точках пространства. Если наблюдается изменение температур во времени, то говорят еще омгновенных(в данный момент) температурах.

Кардинальной проблемой теплопереноса является установление закономерностей изменения температур в пространстве и во времени, решение этих проблем позволяет решать практические задачи, связанные с количествами переданной теплоты в системе, в аппарате, со временем процесса, с размерами теплопередающих поверхностей, конечными температурами теплоносителей и др.

Температуры обычно обозначают Т, t. θ. Отсчитывают их (как от нуля) от температуры таяния льда (градусы Цельсия, °С) или от абсолютного нуля (градусы Кельвина, К). Градусы Цельсия и Кельвина лишь смещены друг от друга на 273,16 градуса. Цена деления в обеих системах одинакова. Поэтому разности температур и численные значения величин, приходящихся на 1 градус, в этих шкалах совпадают.

Различают:

• перенос с потоками теплоносителей(потоковый перенос); при этом происходит изменение температур в направлении движения теплоносителя ΔТ = Т´ - Т´´ и Δt=t´´ -t´ либо изменение его агрегатного состояния – это цель и результат теплопереноса;

• перенос между потоками теплоносителей(нормально к их движению); он возникает при наличии температурного напора Δ = Т –t

В ходе анализа процессов оперируют различными теплофизическими свойствами рабочих тел:

• поле температур

• изотермические поверхности

• градиент температур ∂t / ∂n

• коэффициент теплопроводности

• удельный тепловой поток

• теплоемкость

• удельная теплота плавления (затвердевания)

• удельная теплота конденсации (испарения, парообразование)

• теплота сублимации

• энтальпия

Смотри:

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, Айнштейн В.Г, том 1, Москва, 2003, стр. 527-529,546

Билет № 10

Вопрос № 3

Классификация топлив. Эксплуатационные свойства моторных топлив. Октановое число бензинов. Цетановое число дизтоплив.

Нефтяные топлива делятся на 8 групп:

1. бензины автомобильные

2. бензины авиационные

3. реактивные топлива

4. дизельные топлива

5. котельные топлива

6. тяжелые моторные топлива

7. газотурбинные топлива

8. печное топливо

Эксплуатационными свойстваминазываются свойства, проявляющиеся при применении нефтепродуктов или при эксплуатации механизмов в которых нефтепродукты применяются.

Эксплуатационные свойства карбюраторных топлив (бензинов)

Бензин – смесь легкокипящих жидких у/в различного строения, преимущественно С₄– С₁₂с температурой кипения 40-200°С для автомобильного и 40-180°С для авиационных бензинов.

Требования к бензинам:

1. Топливо должно создавать однородную топливно-воздушную смесь необходимого состава при любых температурных условиях. Хорошо испаряться, иметь хорошие пусковые свойства, обеспечивать быстрый прогрев двигателя, не оказывать влияние на износ цилиндров, не образовывать отложений.

2. Топливно-воздушная смесь должна сгорать с возможно большей теплотой за отведенное время, то есть иметь высокую теплоту сгорания, сгорать с нормальной скоростью без возникновения детонации, сгорать полностью, образовывать минимальное количество токсичных продуктов горения, не образовывать нагара, не образовывать коррозионно-агрессивных продуктов сгорания.

3. должно хорошо транспортироваться, храниться и подаваться в систему питания двигателя в любых климатических условиях, то есть не окисляться при хранении, иметь низкую температуру застывания и помутнения, не содержать механических примесей, воды, не образовывать паровых пробок, не образовывать отложений.

4. Топливо должно быть недорогим, максимально нетоксичным. Производство должно быть обеспечено широкими сырьевыми ресурсами.

Основными показателямикачества являются детонационная стойкость, фракционный состав, давление насыщенных паров и химическая стабильность.

Мерой детонационной стойкости бензинов является октановое число. Октановым числомназывается число, выражающее объемную долю изооктана в смеси с гептаном.

Для изооктана детонационная стойкость принята равной 100%, а для нормального гептана – 0%. Если, например, испытуемый бензин по своей детонационной стойкости оказался при испытаниях эквивалентным смеси из 80% изооктана и 20% нормального гептана, то октановое число считается равным 80.

Чем выше цифра по октановому числу, тем лучше бензин, так как бензин наиболее близок к чистому изооктану.

Методы определения октанового числа: моторный и исследовательский

Моторный методприменяется для бензинов, которые применяются для двигателей с малой степенью сжатия, то есть для менее ответственной техники.

Исследовательский метод применяется для бензинов, которые применяются для двигателей с высокой степенью сжатия (для двигателей, работающих в условиях города, в условиях частых остановок, частых торможений, неравномерных нагрузок).

Полученные разными методами ОЧ отличаются друг от друга. Разность между ними называют чувствительностью бензинов. Эта величина характеризует возможные отклонения детонационной стойкости в реальных условиях эксплуатации от стойкости, определяемой лабораторными методами. Чем выше чувствительность бензина, тем выше его детонационная стойкость (2÷12 единиц).

Фракционный состав

От фракционного состава карбюраторных топлив зависят условия пуска, длительность прогрева, износостойкость двигателя, полнота сгорания топлива. Для характеристики фракционного состава бензина в стандарте указывается температура, при которой перегоняется 10, 50, 90% бензина, а также температура начала и конца перегонки. Ограничивается количество бензина, которое не перегоняется (остаток в колбе), количество бензина, которое улетучивается процессе перегонки.

По температуре перегонки 10%бензина судят о наличии в нем головных (пусковых) фракций, от которых зависит легкость пуска холодного двигателя. Чем ниже температура, тем легче и быстрее можно пустить холодный двигатель, так как большое количество бензина будет попадать в цилиндры в паровой фазе. Особенно важно, чтобы температура перегонки 10% была невысокой у бензинов, используемых при низких температурах воздуха.

После пуска двигателя интенсивность его прогрева, устойчивость работы на малой частоте вращения вала и приемистость (интенсивность разгона автомобиля) зависят главным образом от температуры перегонки 50% бензина. Чем ниже эта температура, тем легче испаряются средние фракции бензина, обеспечивая поступление в непрогретый еще двигатель горючей смеси необходимого состава, устойчивую его работу на малой частоте вращения вала двигателя и хорошую приемистость

По температуре перегонки 90% и температуре конца кипениясудят о наличии в бензине тяжелых, трудноиспаряющихся фракций, об интенсивности и полноте сгорания рабочей смеси, о мощности, развиваемой двигателем, о количестве расходуемого топлива. Желательно, чтобы температура была по возможности более низкой для обеспечения испарения всего бензина, поступающего в цилиндры двигателя. Применение бензина с высокой температурой конца кипения приводит к повышению износа цилиндров и поршневой группы. Для нормальной работы двигателя важное значение имеет равномерность распределения рабочей смеси по отдельным цилиндрам. Она обеспечивается полнотой испарения бензина и характеризуется температурами выкипания 90% и концом кипения бензина. При высоких значениях этих температур наиболее высококипящие фракции бензина не успевают испариться во впускном трубопроводе двигателя и в виде жидкой пленки поступают в цилиндры. Вследствие неполного сгорания бензина в камере сгорания повышается его расход и снижается экономичность и мощность двигателя.

По величине потерь при перегонке судят о склонности его к испарению при транспортировке и хранении. Бензин с повышенными потерями при перегонке интенсивно испаряется в жаркое время года.

Давление насыщенных паров.

ДНП (упругость насыщенного пара) – давление пара, находящегося в равновесии с жидкостью или твердым телом при данной температуре. Является одним из показателей испаряемости моторных топлив. По ДНП можно судить:

• О наличии легкоиспаряющихся фракций в бензине, способных образовывать паровые пробки, чем выше давление насыщенных паров, тем больше опасность образования паровых пробок при работе двигателя;

• О пусковых свойствах бензина: чем выше ДНП, тем лучше пусковые качества бензина;

• О возможных потерях бензина при хранении;

• Об огнеопасности.

ДНП зависит от температуры перегонки, уменьшаясь с ее повышением.

Химическая стабильность

В процессах хранения, транспортирования и применения карбюраторных топлив возможны изменения в их химическом составе, вызываемые, в первую очередь, реакциями окисления и полимеризации. Химическую стабильность автомобильных бензинов характеризуют длительностью индукционного периода, содержанием смол. Высокой химической стабильностью обладают компоненты, не содержащие алкенов – прямогонные бензины, бензины каталитического риформинга, алкилаты. В бензинах коксования, термического и каталитического крекингов, наоборот, в заметных количествах содержатся алкены. При хранении и транспортировании эти компоненты товарного бензина легко окисляются с образованием смол. Для повышения химической стабильности к топливам, добавляют антиокислительные присадки.

Теплота сгорания

Является одной из важных характеристик топлив. Она выражается количеством тепла, выделяемого при полном сгорании 1 кг топлива в кислороде, и определяет энергию, которое сообщает топливо двигателю. Это количество тепла зависит от относительного содержания углерода и водорода в топливе, то есть от его элементного, углеводородного состава. Наибольшей теплотой сгорания обладает водород 121100 кДж/кг (углерод 34100кДж/кг). Поэтому углеводороды богатые водородом (например, парафиновые) имеют большую массовую теплоту сгорания, чем углеводороды с меньшим содержанием водорода (ароматические). Теплота сгорания различных марок бензина разного компонентного состава практически одинакова и в настоящее время не определяется.

Эксплуатационные свойства авиационных топлив

К топливам для авиационных двигателей предъявляются следующие требования: должны обеспечивать дальность беспосадочного перелета; высоту полета; возможность брать большой груз; низкий расход топлива; топливо не должно давать нагара, коррозии; не содержать механических примесей и воды; быть калорийным для создания необходимой мощности; топливо должно быть доступным и экологически чистым.

Чаще всего используются фракции 120-280 °С.

Основные нормируемые показатели:

1. Плотность – чем выше плотность, тем большая масса продуктов сгорания образуется, тем большее количество тепла образуется. Самолет может взять лишь определенный объем топлива, значит, в одно и то же количество баков мы набираем большее количество топлива по массе;

2. Нормируется теплота сгорания топлива – характеризует энергетические возможности самолета;

3. Фракционный состав – углеводороды выкипающие ниже 150°С не обеспечивают необходимую калорийность, углеводороды выше 250°С не сгорят;

4. Кинематическая вязкость – зависит надежность работы и долговечность топливной аппаратуры, возможность использования топлива при низких температурах; процесс испарения и сгорания топлива. Топливо, обладающее малой вязкостью, может переобогощать горючую смесь в отдельных зонах, что приводит к уменьшению химической полноты сгорания из-за недостатка кислорода. При повышенной вязкости топлива уменьшается физическая полнота сгорания топлива из-за невозможности полного испарения крупнораспыленного топлива на всем протяжении камеры сгорания.

5. Температура начала кристаллизации – не выше -60°С. Обеспечивается фракционным составом. Необходимо для обеспечения высоты полета, а там холодно.

6. Содержание аренов – нагарообразующие углеводороды, плохо сгорают даже при избытке кислорода

7. Йодное число – характеризует содержание непредельных углеводородов алкенов (полимеризуются, циклизуются и дают нагары).

8. Содержание общей серы, содержание ССС (элементарной серы, меркаптановой серы). Топливо должно быть экологически чистым, не выбрасывать в атмосферу продуктов неполного сгорания SO₂,SO₃.

9. Содержание фактических смол – забивают систему подачи топлива. Попадают в топливо при перегонке с нефтью.

10. Высота некоптящего пламени – характеризует присутствие плохосгораемых углеводородов.

11. Люминометрическое число – как и октановое число, характеризует яркость пламени. Чем ярче пламя, тем интенсивнее светятся раскаленные частицы сажи.

12. Содержание воды и механических примесей- категорически недопустимы, кристаллы льда и механические примеси забивают систему подачи топлива.

13. Термоокислительная стабильность – выражает образование осадков в результате окисления.

Эксплуатационные свойства дизельных топлив

Должно отвечать следующим требованиям: бесперебойно поступать в цилиндры при любых температурах и обеспечивать легкий пуск двигателя; обеспечивать хорошее распыление и смесеобразование в цилиндрах двигателя; легко воспламеняться и плавно сгорать, обеспечивая легкую бездымную работу двигателя; образовывать минимальное количество нагара, отложений и не вызывать коррозии и коррозионных износов деталей.

К основным эксплуатационным характеристикам дизельных топлив относят: воспламеняемость, фракционный состав, вязкость, коксуемость, температуру вспышки, температуру помутнения, температуру застывания0 содержание смол.

В дизельных двигателях топливо впрыскивается в сжатый и нагретый воздух под большим давлением. Капли топлива переходят в парообразное состояние и распределяются в воздухе. Через некоторое время топливо самовоспламеняется и сгорает. Время между началом впрыска и самовоспламенением называют периодом задержки самовоспламенения. Некоторые топлива воспламеняются сразу же (сгорание происходит с постоянной скоростью), другие – спустя некоторое время (в цилиндр успевает поступить большое количество топлива, оно воспламеняется одновременно, сгорание носит взрывной характер, по внешнему виду напоминает детонацию). Взрывное сгорание дизельного топлива называют жестким сгоранием. Признаки и последствия такие же, как и у детонации. Причиной жесткой работы двигателя является наличие аренов. Хороши алканы – хорошо воспламеняются, чем их больше, тем двигатель работает спокойнее.

Склонность дизельного топлива к жесткой работе характеризуется цетановым числом. Цетановое число – это число, которое показывает объемную долю цетана в смеси с альфаметилнафталином, причем эта смесь сгорает с такой же жесткостью, что и исследуемое дизельное топливо. Цетан С₁₆Н₃₄принят за идеальное топливо для дизельного двигателя. Цетановое число его равно 100, а у альфаметилнафталина Цетановое число равно 0, так как он тяжелый арен, не способный самовоспламеняться.

Химия и физика нефти и газа. Курс лекций. И.В. Мозговой, Г.М. Давидан, Л.Н. Олейник. Омск. 2005, 142, 147

Смотри:

Химия и технология нефти и газа, Эрих В.Н., Ленинград, Химия, 1985, стр. 70-86

Билет № 11

Вопрос № 2

Теплопередача конвекцией. Коэффициент теплопередачи и число Нуссельта. Теплоперенос излучением. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа.

Конвекциейназывается перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Перенос тепла возможен в условиях естественной, или свободной, конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точках объема жидкости (или газа), возникающей вследствие разности температур в этих точках или в условияхвынужденной конвекциипри принудительном движении всего объема жидкости, например, в случае перемешивания ее мешалкой.

Перенос тепла тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости и чем энергичнее осуществляется перемешивание ее частиц. Таким образом, конвекция связана с механическим переносом тепла и сильно зависит от гидродинамических условий течения жидкости.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией, причем совместный перенос тепла этими способами называется конвективным теплообменом(конвективной теплоотдачей). По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи стенки образуетсятепловой пограничный слой.

За пределами внешней границы теплового пограничного слоя преобладающее влияние на теплообмен оказывает турбулентный перенос, то в самом слое, по мере приближения к стенке, все большее значение приобретает теплопроводность, а в непосредственной близости от стенки (в весьма тонком тепловом подслое) перенос тепла по нормали к стенке осуществляется только теплопроводностью.

Для расчета теплообменных аппаратов широко используется кинетическое уравнение, которое выражает связь между тепловым потоком Qи поверхностьюFтеплопередачи, называемоеосновным уравнением теплопередачи:

Q=KF∆t_срτ

K–коэффициент теплопередачи, характеризующий скорость переноса тепла

∆t_ср– средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор), по поверхности теплопередачиF,

τ– время.

Для непрерывного процесса теплопередачи:

Q=KF∆t_ср

Коэффициент теплопередачи Kпоказывает, какое количество теплоты (в Дж) передается от горячего теплоносителя к холодному за 1 с через 1 м²стенки при разности температур между теплоносителями, равной 1°.

Критерий Nu(величина безразмерная) характеризует отношение суммарного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (то есть теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью (l– определяющий геометрический размер: например, для потоков, движущихся в трубе, - диаметр трубы).

Nu= αl/ λ

Nuявляется мерой соотношения толщины пограничного слоя δ и определяющего геометрического размера.

В критерий Nuвходит обычно определяемая в задачах по конвективному теплоомену величина α.

α– коэффициент теплоотдачи (показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м²поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м² к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой 1°).Характеризует скорость переноса теплоты в теплоносителе. Зависит от многих факторов: режима движения, физических свойств теплоносителя (вязкость, плотность, теплопроводность), геометрических параметров каналов, состояния поверхности стенки.

λ– коэффициент теплопроводности (показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на 1° на единицу длины нормали к изотермической поверхности), физическая характеристика вещества, определяющая способность тела проводить теплоту, зависит от природы вещества, его структуры, температуры и других факторов.

Тепловое излучение– это процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела. Все тела способны излучать энергию, которая поглощается другими телами и снова превращается в тепло. Таким образом, осуществляется лучистый теплообмен; он складывается из процессов лучеиспускания и лучепоглощения.

Возникновение потока лучей в результате превращения тепловой энергии в лучистую называют излучением. По физической сущности тепловое излучение аналогично излучению света и следует одним и тем же законам отражения, преломления и поглощения, отличаясь лишь длиной волны.

Твердые тела обладают сплошным спектром излучения, поэтому они испускают волны всех длин при любой температуре.

Полное количество энергии, излучаемое в единицу единицей поверхности тела, называют излучательной способностьюЕ данного тела.

Е = Q_И/Fτ

F– поверхность тела

τ – время

Q_И– энергия, излучаемая телом.

Лучеиспускательная способность, отнесенная к длинам волн от λ до λ+ dλ, то есть к интервалу длин волн dλ, называется интенсивностью излученияи выражается отношением

I= dЕ / dλ

Закон Стефана-Больцмана– лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры его поверхности:

Е₀= С₀Т⁴

Т – абсолютная температура поверхности тела

С₀– константа лучеиспускания абсолютно черного тела (С₀= 5,67∙10^-8Вт/(м²°К⁴)

В технических расчетах применяют в другой форме:

Е₀= С₀(Т/100)⁴

Закон Стефана-Больцмана для серых тел:

Е₀= εС₀(Т/100)⁴

ε = С/С₀– относительный коэффициент лучеиспускания, или степень черноты серого тела, С – коэффициент лучеиспускания серого тела.

ε всегда меньше 1.

Закон Кирхгофа– отношение лучеиспускательной способности любого тела к его лучепоглощательной способности при той же температуре является величиной постоянной, равной лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

Е/А = Е₁/А₁= Е₂/А₂=…=. Е₀=f(Т)

Тепловые лучи, попадая на шероховатую поверхность, многократно отражаются от нее, что приводит к лучшему поглощению лучистой энергии по сравнению с поглощением гладкой поверхностью. Тогда в соответствии с законом Кирхгофа, шероховатые поверхности должны обладать также большей лучеиспускательной способностью, чем гладкие. Наоборот, лучеиспускательная способность полированных поверхностей, хорошо отражающих падающие лучи, в соответствии с законом Кирхгофа, должна быть низкой.

Смотри:

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, том 1, Айнштейн В.Г, Москва, 2003, стр. 475-476,485-487,509,512

Процессы и аппараты химической технологии, Дытнерский Ю.И. том 1, Москва, Химия, 2002, стр. 273-274

Основные процессы и аппараты химической технологии, Касаткин А.Г. ,Москва, Альянс, 2005, 260-261, 270-273

Билет № 11

Вопрос № 3

Эксплуатационные свойства масел. Понятие об индексе вязкости. Классификации моторных масел: отечественная, SAE, ASEA.

СМАЗОЧНЫЕ МАСЛА

Смазочные масла, применяемые практически во всех областях техники, в зависимости от назначения выполняют следующие основные функции: уменьшают коэффициент трения между трущимися поверхностями, снижают интенсивность изнашивания, защищают металлы от коррозии, охлаждают трущиеся детали, уплотняют зазоры между сопряженными деталями, удаляют с трущихся поверхностей загрязнения и продукты изнашивания. Масла служат рабочими жидкостями в гидравлических переда­чах, электроизоляционной средой в трансформаторах, конденсаторах, кабелях, масляных выключателях, используются для приготовления смазок, присадок и т. п.

По области применения масла разделяют на моторные (для карбюраторных, дизельных и авиационных двигателей), трансмиссионные, турбинные, компрессорные (для воздушных и холодильных компрессоров), электроизоляционные, индустриальные (общего назначения, для гидросистем, зубчатых передач, направляющих скольжения, специальные), приборные.

В товарном ассортименте более 400 марок масел различного назначения, однако широко распространено ограниченное ихколичество.

По источнику сырья масла подразделяют на минеральные (нефтяного происхождения), синтетические, а по способу получения — на дистиллятные, остаточные (получаемые из остатка перегонки нефти — гудрона) и компаундированные (смешанные из дистиллятного и остаточного компонентов).

По способу очистки различают неочищенные масла (продукты прямой перегонки нефти), масла кислотно-щелочной, кислотно-контактной, селективной и адсорбционной очистки, гидрокрекинга. Основное количество масел производят с использованием процессов селективной очистки (очистки избирательными растворителями).

Качество масел различного назначения определяется показателями физико-химических и эксплуатационных свойств. К ним относятся вязкость и вязкостно-температурные свойства, температура застывания; коксуемость (для остаточных масел), цвет, фракционный состав и температура вспышки. Среди эксплуатационных свойств для большинства масел наиболее важны стабильность к окислению, смазочная способность; защитные и антикоррозионные свойства. Кроме того, к различным группам масел предъявляются и специфические требования в зависимости от назначения и условий применения масел.

Вязкость масел определяет надежность режима смазывания в условиях жидкостного трения. От вязкостно-температурных свойств наряду с температурой застывания, зависит тот интервал температур, в котором работоспособно масло. Кроме того, такой показатель, как индекс вязкости (ИВ), одновременно (наряду с цветом и коксуемостью) характеризует глубину очистки масел. Чем выше ИВ (и чем ниже показатели цвета и коксуемости), тем больше глубина очистки масел, лучше его химический состав и, следовательно, выше эксплуатационные свойства.

Фракционный состав и температура вспышки характеризуют испаряемость в условиях эксплуатации при высокой температуре. Чем ниже испаряемость, тем стабильнее свойства масла.

Стабильность к окислению, высокие моющие свойства особенно важны для моторных и других масел, многократно прокачиваемых при высокой температуре через узлы трения или предназначенных для длительного применения без замены и дозаправки.

Противоизносные свойства характеризуют способность масел обеспечивать малое сопротивление граничных пленок тангенциальным перемещениям и высокое сопротивление контакту поверхностей под действием нормальной нагрузки, снижение их износа.

Для улучшения вязкостных, моющих, противоизносных, антиокислительных и других свойств масел к ним добавляют присадки или композиции различных присадок.

Моторные масла

Принятая система обозначения моторных масел (кроме авиационных) основана на вязкости и эксплуатационных свойствах масел (ГОСТ 17479.1—85).

В зависимости от значения кинематической вязкости моторные масла делят на классы.

Значения кинематической вязкости указывают в марке масел. Для загущенных масел предусмотрена двойная маркировка: в числителе класс вязкости при —18 °С и буква «з», указываю­щая на наличие загущающей присадки, в знаменателе — средняя вязкость при 100 °С.

По эксплуатационным свойствам предусмотрено деление масел на 6 групп в зависимости от эффективности и концентрации введенных присадок (табл. 4.9).

Маслам для карбюраторных двигателей присваивается индекс 1, для дизелей — 2. Универсальные масла, пригодные для использования в дизелях и карбюраторных двигателях, индекса не имеют.

В мировой практике широкое распространение получили классификации по вязкости SАЕ (Американского общества автомобильных инженеров) и эксплуатационным свойствам АРI (Американского нефтяного института)

Моторные масла получают компаундированием базовых масел с комплексом присадок: моющих, диспергирующих, антиокислительных, депрессорных, вязкостных и др. Все указанные масла получают с использованием процессов се­лективной очистки. Кроме базовых масел селективной очистки, некоторое количество масел вырабатывается кислотно-контактной и кислотно-щелочной очисткой. Специальных технических условий на них нет, их изготавливают в соответствии с требованиями на товарные масла с присадками.

Масла для карбюраторных двигателей

Выпускаются масла шести классов вязкости (6, 8, 10, 12, 4з/6, 6 з/10) и трех групп по условиям эксплуатации (А, В₁, Г₁). Масла группы А содержат незначительное количество присадок, улучшающих моющие и антиокислительные свойства, понижающих температуру застывания. Для всесезонной эксплуатации среднефорсированных автомобильных двигателей предназначено масло М-8В₁ с комплексом эффективных присадок. Масла группы Г₁ используют в высокофорсированных двигателях современных легковых автомобилей.

Дизельные масла

Масла, вырабатываемые как без присадок, так и с композициями присадок различной эффективности, применяют в зависимости от степени форсирования двигателей, их конструкции, качества топлива. В соответствии с классификацией моторных масел вырабатывают дизельные масла всех групп.

Авиационные масла

Авиационные смазочные масла делят на масла для поршневых двигателей, для газотурбинных двигателей и для вертолетов.

С целью обеспечения работы поршневых двигателей винтомоторных самолетов и вертолетов, характеризующейся высокими рабочими температурами, давлениями, скоростями, применяют высоковязкие масла специальной очистки (табл. 4.13) без присадок. Эти масла должны иметь высокие смазывающую способность, стойкость к окислению при высокой температуре и в условиях хранения, не должны вызывать коррозии конструкционных материалов. Кроме основного назначения, эти масла могут быть использованы в составе маслосмесей для турбовинтовых двигателей, в шарнирах винтов, редукторах и других узлах вертолетов; находят применение они и в регуляторах частоты вращения дизелей с автономными маслосистемами и картерах газомото-компрессоров (МС-20).

Газотурбинные двигатели делят на два типа -.— турбореактивные и турбовинтовые. Для турбореактивных, в отличие от поршневых двигателей применяют масла меньшей вязкости. Здесь масла смазывают подшипники турбины и компрессоров, коробки приводов, вспомогательные и другие механизмы. При работе и остановке двигателя развивается высокая температура, особенно в области подшипников турбины и компрессора. Прокачка масла в газотурбинных двигателях в 2—3 раза меньше, чем в поршнвых, а кратность циркуляции в 5 раз и более выше.

Основные требования к маслам: обеспечение запуска при низкой температуре, высокая термоокислительная стабильность, достаточные смазывающие свойства и стабильность при хранении, малая летучесть при высокой температуре, низкая корро-зионность.

Характеристика минеральных масел для турбореактивных двигателей приведена в табл. 4.14, а синтетических — в табл. 4.15.

В турбовинтовых двигателях применяют нефтяные и синтетические масла. Широко используют в них маслосмеси, приготовляемые из стандартных масел МК-8 и МС-20 или МС-20с. Применяют также нефтяное (МН-7,5у) и синтетическое (ВНИИ НП-7) масла, содержащие загущающую, противоизносную и антиокислительную присадки.

В вертолетах масла смазывают двигатели, редукторы, шарниры винтов. В зависимости от типа двигателя применяют масла МС-20, МК-22, Б-ЗВ. В редукторах применяют, кроме перечисленных, гипоидное масло или его смесь с жидкостью АМГ-10. В шарнирах винтов употребляют масла МС-20, МК-22, МС-14, гипоидное масло и его смесь с АМГ-10, а также масло ВНИИ НП-25 — нефтяное низкозастывающее, загущенное высоковязким компонентом и содержащее антиокислительную присадку.

Трансмиссионные масла

Трансмиссионные масла предназначены для предотвращения или снижения износа используемых в редукторах и трансмиссиях элементов пар трения, для снижения потерь энергии на трение, отвода тепла от пар трения, уменьшения вибрации и шума шестерен, защиты их от ударных нагрузок, удаления из зоны трения продуктов износа и других загрязняющих масло примесей.

Согласно ГОСТ 17479.2—85, в зависимости от напряженности работы передач, трансмиссионные масла можно разделить на группы, а по величине кинематической вязкости при 100 °С — на классы.

Осевые масла

Предназначены эти масла для смазывания осей колесных пар железнодорожных вагонов и тепловозов, тендеров парово­зов с подшипниками скольжения, подшипников электровозов и других узлов трения подвижного состава железнодорожного транспорта и некоторых промышленных механизмов. Представ­ляют собой неочищенные мазуты эмбенских, ярегских и некоторых других нефтей. Изготовляют масла без присадок следующих марок: летнее «Л», зимнее «3» с температурой застывания не выше —40 °С и северное «С» с температурой застывания не выше —55 °С. На базе масла «С» путем добавления трикрезил-фосфата приготавливают масло осевое «Сп».

Рабочие жидкости для гидравлических систем (гидравлические масла)

Жидкости для гидравлических систем в зависимости от экс плуатационных свойств делят на группы (по ГОСТ 174793— 85У

1) не имеющие присадок или содержащие только загущающие присадки, область применения - малонапряженные гидравлические системы с давлением 15 МПа и рабочей температурой до 70ºС

2) содержащие ингибиторы коррозии и окисления и применяемые в гидросистемах средней напряженности (до 25 МГЫ при температуре до 90 °С; '

3) содержащие, кроме ингибиторов коррозии и окисления противоизносные и другие присадки и применяемые в гидросистемах высокой напряженности (свыше 25 МПа) при температуре 90ºС

По назначению рабочие жидкости подразделяются на жидкости Для гидросистем летательных аппаратов, подвижной наземной и корабельной техники, гидротормозные и амортизаторные жидкости на нефтяной и синтетической основе. Эти жидкости содержат в качестве основы, главным образом, дистиллятные масла.

Энергетические масла

К группе энергетических относятся турбинные, компрессорные, электроизоляционные масла. ^Р

Турбинные масла применяют для смазывания и охлаждения подшипников турбоагрегатов, в системах регулирования турбоагрегатов, маслонапорных установках гидротурбин, механизмах судовых паротурбинных установок и др.

Турбинные масла должны обладать хорошей стабильностью против окисления при рабочей температуре (60—100 °С и выше)-обеспечивать длительную бессменную (несколько лет) работу без выделения продуктов окисления (осадков и агрессивных соединении); иметь низкую стойкость эмульсии с водой, проникающей в систему смазки при эксплуатации, не образовывать пены Такие свойства турбинных масел могут быть обеспечены глубокой селективной или кислотно-земельной очисткой, а также введением композиции присадок, улучшающих антиокислительные антикоррозионные, деэмульгирующие, антипенные и прочие свойств.

Основной ассортимент турбинных масел составляют (табл 4 20) масла селективной очистки из сернистых нефтей с антикоррозионными, антиокислительными (антикоррозионной и противоизноснои) присадками, деэмульгатором. К маслам с присадками относится и масло для судовых газовых турбин на базе трансформаторного масла с противозадирной и антиокислительной присадками. Аналогичные свойства и область применения имеют масла Т₂₂, Т₃₀, Т₄₆, Т₅₇ кислотно-земельной очистки из малосернистых беспарафинистых нефтей. Однако область их использования сокращается в связи с неперспективностью сырья.

Компрессорные масла используют для смазывания деталей (цилиндров, клапанов) компрессорных машин, а также в качестве уплотняющей среды для герметизации камеры сжатия. Детали механизма движения обычно смазывают индустриальными маслами. В компрессорах с единой системой смазки цилиндров и кривошипно-шатунного механизма применяют только компрессорные масла. Компрессорные масла можно разделить на две группы: для поршневых и ротационных компрессоров и для компрессоров холодильных машин.

Электроизоляционные масла, являясь жидкими диэлектриками, должны обеспечивать изоляцию токонесущих частей электрооборудования, служить теплоотводящей средой, способство­вать быстрому гашению дуги в выключателях.

Цилиндровые масла

Предназначены, в основном, для смазывания горячих деталей паровых машин. Масла -представляют собой дистилляты щелочной очистки или остаточные масла сернокислотной или селективной очистки без присадок. Легкие масла цилиндровые 11, 24 (цифра показывает значение вязкости при 100 °С) предназначены для смазывания цилиндров и золотников паровых машин, работающих насыщенным паром. Они могут быть использованы и в тяжелонагруженных зубчатых передачах. Тяжелые цилиндровые масла 38 и 52 используют для машин, работающих перегретым паром (первое до 350 °С, второе — выше 350 °С).

Вакуумные масла

Это хорошо очищенные минеральные масла, применяемые в качестве рабочего тела вакуумных насосов. Отличаются узким фракционным составом, малой испаряемостью, высокой стабильностью против окисления; присадок не содержат. Вырабатывают следующие марки вакуумных масел: ВМ-1, ВМ-3, ВМ-4, ВМ-5, ВМ-6 и масло для вспомогательных пароструйных насосов. По­лучают их разгонкой очищенных масел в вакуумных дистилля-ционных аппаратах. Масла разных марок отличаются друг от друга вязкостью (от 10 у масла ВМ-3 до 70 мм²/с при 50 °С у масла ВМ-5), температурой вспышки (180 и 230 °С соответственно). От масел всех других типов вакуумные отличаются низким дав­лением насыщенных паров: от 5-10~⁵ до 2-10~⁹ мм рт. ст. при 20 °С в зависимости от марки масла.

Масла для прокатных станов

Предназначены для смазывания тяжелых зубчатых передач прокатных станов, а также подшипников жидкостного трения. К их числу относятся: П-28 — остаточное масло сернокислотной очистки, П-28, ПС-28 — остаточные масла селективной очистки, П-8П — смесь дистиллятного и остаточного масел. Масло П-8П содержит комплекс присадок, улучшающих противозадирные и противоизносные свойства и депрессатор, понижающий его тем­пературу застывания до —25 °С. Остальные масла этой группы присадок не содержат.

Индустриальные масла

В зависимости от области применения индустриальные масла, предназначенные для смазывания различного промышленного оборудования, можно подразделить на две группы — общего и специального назначения. За последние годы в связи с разработкой легированных индустриальных масел объем производства и ассортимент индустриальных масел существенно возросли. Сейчас из группы масел общего назначения выделяют такие, как масла для высокоскоростных механизмов, гидравлических систем и зубчатых передач промышленного оборудования, направляю­щих скольжения станочного оборудования.

В марках всех индустриальных масел цифра показывает значение кинематической вязкости при 50 °С.

Индустриальные масла общего назначения служат для смазывания наиболее широко распространенных узлов и механизмов оборудования различных отраслей промышленности. Представляют собой очищенные дистиллятные и остаточные или смесь дистиллятных и остаточных масел без присадок.

Масла И-5А, И-8А используют в малонагруженных высокоскоростных механизмах, контрольно-измерительных приборах, а также на различных технологических линиях (изготовления кремов, жирования кож и т. д.). Наибольшее распространение имеет масло И-12А: узлы трения текстильных машин, металлорежущих станков, работающих с частотой вращения до 5000 мин~\ подшипники электродвигателей, объемные гидро­приводы и т. д. Масла И-20А, И-ЗОА, И-40А, И-50А находят применение в гидросистемах различного станочного оборудования, мало- и средненагруженных зубчатых передач, гидросистемах промышленного оборудования, строительно-дорожных и другихмашин.

Масла для высокоскоростных механизмов (текстильных машин, металлорежущих станков, сепараторов и др.). Для этих целей используют маловязкие масла И-5А, И-8А общего назначения, а также масла ИГП-2, ИГП-4, ИГП-6, ИГП-8, ИГП-14, эксплуа­тационные свойства которых улучшены антиокислительной, противоизносной, антикоррозионной присадками.

Масла для гидравлических систем промышленного оборудова­ния. Гидравлический привод используется в промышленности чрезвычайно широко. В малонагруженных системах, не предъявляющих высоких требований к качеству масел, используют масла общего назначения требуемой вязкости. Значительно выше эксплуатационные свойства масел серии ИГП за счет антиокислительной, противоизносной, антиржавейной присадок.

Масла ИГП-18, ИГП-30, ИГП-38, ИГП-49 обеспечивают надежную работу гидросистем станков, автоматических линий, прессов, различного типа редукторов, вариаторов. Более вязкие масла ИГП-72, ИГП-91, ИГП-114 используют в гидросистемах тяжелого прессового оборудования, тяжелых зубчатых и червячных редукторах. Для гидросистем станков и автоматических линий могут быть также использованы масла ВНИИ НП-403 и ВНИИ НП-406 (аналоги масел ИГП-30 и ИГП-49).

Масла для зубчатых передач и червячных механизмов. Условия работы передач очень разнообразны, поэтому необходим широ­кий ассортимент масел. Здесь могут быть применены различной вязкости индустриальные масла общего назначения, серии ИГП. Кроме того, существуют специализированные масла ИРп-40, ИРп-75, ИРп-150 с присадками, улучшающими противозадирные, противоизносные, антиокислительные и антифрикционные свойства. Их используют в зубчатых передачах, работающих при высоких нагрузках, в том числе ударных, а также в циркуляционных системах.

Повышенной смазочной способностью обладают масла серии ИСП (ИСП-25, ИСП-40, ИСП-65, ИСП-110). Их применяют в ко­робках скоростей и подач, редукторах, моторредукторах и других механизмах станочного оборудования и автоматических линий. Аналогично назначение тяжелых масел ИГП-152, ИГП-182.

Для смазывания тяжелонагруженных зубчатых и червячных редукторов, коробок скоростей, подшипников узлов, работающих при высоких нагрузках и температуре, используют вязкие масла серии ИТП (ИТП-200, ИТП-300) с противозадирной, антифрикционной и антиокислительной присадками.

Для малонагруженных зубчатых передач, включая открытые, промышленного оборудования, подъемно-транспортных машин используют масло трансмиссионное (нигрол) летнее и зимнее с мини­мальной рабочей температурой соответственно —10 и —20 °С

Масла для направляющих скольжения используют там, где нужно получить равномерные (без скачков) медленные и точные установочные перемещения сопрягаемых поверхностей суппор­тов, столов и других узлов станков. Масла для направляющих скольжения серии ИНСп в своем составе содержат противоскачковую, адгезионную, противозадирную, солюбилизирующую при­садки. Масло ИНСп-40 используют для горизонтальных направляющих станков, ИНСп-65—для тяжелонагруженных горизонтальных, вертикальных направляющих при общей системе смазки, ИНСп-110—для вертикальных и горизонтальных направляющих, в том числе горизонтальных с вертикальными гранями большой площади.

Для гидросистем и направляющих скольжения металлорежущих станков при подаче масла из общего резервуара предназначены масла ИГНСп-20, ИГНСп-40. Для направляющих скольжения и высокоскоростных прядильных машин используютмасло ВНИИ НП-401.

Масла индустриальные специального назначения предназначены для использования в узких или специфических областях.

Приборные масла

Эти масла, условно делят на три подгруппы — общего, специального назначения, часовые.

Защитные масла

Предназначены для защиты от коррозии поверхностей деталей и механизмов в различных условиях хранения. Выпускаются защитные масла на базе дистиллятных и остаточных масел селективной очистки с композициями присадок, улучшающими антикоррозионные и антиржавейные свойства. Вырабатываются масла марок НГ-203, НГ-204у, НГ-207, НГ-210, РЖ, К-17.

Смотри:

Справочник нефтепереработчика, Ластовкин В.А, Ленинград, Химия, 1986, 437-438

Мозговой И.В. и др. Химия и физика нефти и газа, Омск, 2005, стр. 150-155, 195

Билет № 12

Вопрос № 2

Печи и их классификация. Устройство. Применение в нефтепереработке и нефтехимии.

ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ

Назначение трубчатых печей

Трубчатые печи предназначены для огневого нагрева, испарения и разложения нефти и вторичных продуктов ее переработки. В трубчатых печах сжигается жидкое и газообразное топливо. Распыл мазута обычно осуществляется паром или воздухом.

Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, откуда направляются в утилизатор тепла дымовых газов (воздухоподогреватель, котел-утилизатор) и через дымоход по дымовой трубе уходят в атмосферу.

Змеевик трубчатой печи в большинстве случаев составляется из прямых труб, соединенных между собой калачами. Нагреваемая среда одним или несколькими потоками поступает в трубы кон-вективного змеевика, затем в трубы радиантных экранов и, нагретая до необходимой температуры, выходит из печи.

В промышленности применяют трубчатые печи с поверхностью нагрева радиантных труб 15—2000 м². Теплопроизводительность трубчатых печей составляет от 0,12 до 240 МВт, а производитель­ность по нагреваемой среде достигает 8-10⁵ кг/ч. Температура на­греваемой среды на входе и выходе из печи в зависимости от технологического процесса изменяется в широком диапазоне — от 70 до 900 °С, а давление — от О до 30 МПа.

В большинстве случаев трубчатые печи одного типоразмера могут быть использованы в различных технологических процессах. В таких печах, называемых печами общего назначения, типовая конструкция не меняется, а трубный змеевик разрабатывается в соответствии с конкретными требованиями данного техноло­гического процесса. В случае же трубчатых печей специального назначения и конструкция, и змеевик могут быть использованы только для одного процесса.

Классификация типовых трубчатых печей

Трубчатые печи в зависимости от тешюпроизводительности, температуры и давления нагреваемой среды на входе и выходе, вида топлива, физико-химических свойств нагреваемой среды и равномерности нагрева, а также от других особенностей техно­логического процесса могут различаться как по конструкции самой печи, так и по конструкции ее трубного змеевика.

Конструктивные схемы основных трубчатых печей приводятся

на рис. 3.1—3.5.

Трубчатые печи различных типоразмеров, но с равными по­верхностями нагрева радиантных труб, могут отличаться следую­щими основными признаками:

1) формой — ширококамерные, узкокамерные, цилиндриче­ские, кольцевые и др.;

2) относительным расположением осей факела и труб — парал­лельное, перпендикулярное;

3) расположением труб радиации и конвекции — вертикальное, горизонтальное, винтовое и др.;

4) расположением конвекционной камеры относительно радиантной — верхнее, нижнее, боковое, среднее;

5) способом сжигания топлива — беспламенное с щелевыми или туннельными горелками или с резервным жидким топливом, со свободным или настильным пламенем, с дифференциальным подводом воздуха или газа по высоте факела;

6) числом секций или камер в зоне радиации;

7) длиной радиантных и конвекционных труб;

8) видом обмуровки — подвесной кирпич, легковесный кир­пич, бетон легковесный блочный, торкрет-бетон, волокнистые материалы или блоки;

9) типом применяемых горелок.

Обозначение типоразмера трубчатой печи

В условном обозначении трубчатой печи первая буква шифра объединяет несколько признаков: ширококамерным трубчатым печам присвоена буква «Ш», узкокамерным трубчатым печам с верхним отводом дымовых газов и горизонтальными трубами — буква «Г», узкокамерным трубчатым печам с нижним отводом дымовых газов и горизонтальным расположением труб — буква «Б», узкокамерным трубчатым печам с вертикальными трубами — буква «В» и цилиндрическим трубчатым печам — буква «Ц». Вторая буква обозначения трубчатой печи говорит о способе сжигания топлива:

свободный факел С

свободный факел с позонным подводом газа по высоте фа­кела Г

свободный факел с позонным подводом воздуха В

настильный факел Н

настильный факел с дифференциальным подводом воз­духа

по высоте факела Д

беспламенное горение со стенами из панельных горелок Б

беспламенное горение со стенами из щелевых панельных горелок Щ

Цифра после буквенного обозначения соответствует числу радиантных камер или секций печи.

Последние цифры обозначают: числитель — поверхность ра­диантных труб, знаменатель — длину топки. В большинстве случаев длина топки совпадает с длиной радиантных труб.

Например, условное обозначение ГС1 1050/24 расшифровы­вается так: узкокамерная трубчатая печь с горизонтальным рас­положением труб, верхним отводом дымовых газов и подовыми горелками; способ сжигания — свободный факел; камера одна; поверхность нагрева радиантных труб Н_р = 1050 м'²; длина ра­диантных труб 24 м.

ТРУБЧАТЫЕ ПЕЧИ

Назначение и основные характеристики огневых нагревателей

Трубчатая печь является аппаратом, предназначенным для пере­дачи сырью тепла, выделяющегося при сжигании топлива, непосред­ственно в этом же аппарате.

Трубчатые печи широко распространены в нефтеперерабатывающей промышленности, они являются составной частью многих заводских установок и применяются для различных технологических процессов, таких, как перегонка нефти и мазута, термический и каталитический крекинги, очистка масел и др.

В начале развития нефтеперерабатывающей промышленности для нагрева сырья использовались кубы; однако они имеют много суще­ственных недостатков, поэтому в настоящее время применяются ограниченно.

Трубчатые печи получили широкое распространение благодаря следующим особенностям.

1. В трубчатых печах осуществляется принцип однократного испарения, что позволяет обеспечить более глубокий отгон при данной, конечной температуре нагрева сырья или иметь более низкую темпера­туру нагрева для достижения заданного отгона; последнее обстоя­тельство ведет к меньшему расходу топлива.

2. Они отличаются высокой тснлшкш эффективностью, так как в печах значительная часть тепла передастся излучением, а вслед­ствие сравнительно высокой скорости движения дымовых газов и конвекцией.

3. По сравнению с кубами, трубчатые печи являются более ком­пактными аппаратами и обеспечивают более полное использование тепла; коэффициент полезного действия их значительно выше.

4. Трубчатые печи могут сооружаться высокой тепловой мощности.

5. Продолжительность пребывания сырья в зоне высоких темпе­ратур в трубчатых печах не превышает нескольких минут, что умень­шает возможность разложения сырья и коксоотложения в трубах и таким образом позволяет нагревать сырье при необходимости до более высокой температуры.

6. Печи удобны в эксплуатации, процесс легче автоматизируется',, для обслуживания печей требуется меньший по численности персонал.

7. В трубчатых печах в зоне нагрева находится единовременно относительно небольшое количество нефтепродукта, поэтому такие аппараты представляют меньшую пожарную опасность. В случае прогара труб возможность пожара легче устраняется.

Теплообмен в трубчатой печи

Рассмотрим механизм процесса передачи тепла, протекающего в од­ной из трубчатых печей современной конструкции.

Трубчатая печь имеет камеры радиации и конвекции. В камере радиации (топочной камере) размещена радиантная поверхность (экран), поглощающая лучистое тепло; там же сжигается топливо.

В камере конвекции расположены конвекционные трубы, воспри­нимающие тепло главным образом путем конвекции — при сопри­косновении дымовых газов с, понорхпостью нагрева.

Сырье последовательно проходит через конвекционные и ради-антные трубы и поглощает тепло; обычно радиантная поверхность воспринимает большую часть тепла, выделяемого при сгорании топлива.

Лучистое тепло эффективно передается при охлаждении дымовых газов до 700 900". Снижение температуры дымовых газов до более низких пеличин часто не оправдывается, так как при этом требуется значительно увеличивать поверхность радиантных труб.

Эффективность теплопередачи конвекцией в меньшей степени зави сит от температуры дымовых газов, поэтому таким способом тепло передают тогда, когда передача тепла излучением оказывается нера­циональной. Таким образом, конвекционная поверхность испольсует тепло дымовых газов и обеспечивает их охлаждение до температуры, при которой величина коэффициента полезного действия аппарата будет экономически оправдана.

Если тепло дымовых газов может быть использовано для иных целей, например для подогрева воздуха, наличие конвекционной поверхности для нагрева сырья не является обязательным или раз­меры этой конвекционной поверхности могут быть существенно умень­шены. Иногда при небольшой производительности применяют печи без конвекционной поверхности, более простые в конструктивном отношении, но работающие с пониженным коэффициентом полезного действия.

Смотри:

Химия и технология нефти и газа, Эрих В.Н., Ленинград, Химия, 1985, стр. 125-129

Фарамазов С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация, Москва, Химия, 1978, стр.202-205

Справочник нефтепереработчика, Ластовкин В.А, Ленинград, Химия, 1986, 302-305

Основы химической технологии, Мухленов И.П., Москва, 1975, стр 131-141

Билет № 12

Вопрос № 3

Присадки к маслам. Назначение. Виды. Примеры присадок различного назначения.

ПРИСАДКИ К МАСЛАМ

Развитие и совершенствование различных видов техники предъявляет все более высокие требования к качеству масел. Необходимый уровень эксплуатационных свойств масел современного и перспективного ассортимента может быть обеспечен только сочетанием высококачественного базового масла с эффективными присадками. К их числу относятся:

антиокислительные, повышающие стойкость масел к окислению при высокой температуре;

антикоррозионные, защищающие металлические поверхности от воздействия агрессивных веществ,

антиржавейные, защищающие от атмосферной коррозии;

детергентно-диспергирующие, предотвращающие отложение продуктов окисления на нагретых деталях двигателей и других механизмов;

противоизносные и противозадирные, улучшающие смазочные свойства масел; депрессорные, понижающие температуру застывания масел;

вязко­стные, улучшающие вязкостно-температурные свойства масел; антипенные, предотвращающие вспенивание масел.

Некоторые присадки являются многофункциональными, так как улучшают одновременно несколько свойств масел.

Окисление масел предотвращают введением антиокислитель­ных присадок — ингибиторов окисления.

В качестве антикоррозионных присадок используют различные серу- и фосфорсодержащие соединения, способные образовывать на металле стабильные защитные пленки.

Антикоррозионным действием обладают и многие антиокислительные при­садки. Антиржавейное действие оказывают непредельные жирные кислоты и их эфиры, соли нефтяных сульфокислот, окисленный петролатум..

Типичными моющими присадками являются соли щелочноземельных металлов с длинными алифатическими цепями, содер­жащие полярные группы кислого характера. В зависимости от содержания металлического компонента различают нейтральные, среднещелочные и высокощелочные присадки. К числу моющих относятся сульфонатные, алкилфенольные, алкилсалицилатные

присадки.

В отличие от моющих диспергирующие присадки преиму­щественно представлены беззольными (не содержащими металла) соединениями, имеющими в молекуле азотсодержащую основную группу.

Кроме специальных противоизносных и противозадирных присадок (табл. 4.30), противоизносные свойства масел улучшаются также высокотемпературными антиокислителями — произво­ными диэфиров дитиофосфорных кислот (ДФ-11, ДФ-1, МНИ-ИП-22к, ИНХП-21, ВНИИ НП-354).

Ассортимент депрессорных присадок представлен в табл. 4.31.

Вязкостные присадки представляют собой полимеры двух основных типов: полиизобутилены и полиметакрилаты (в виде рас­творов в дистиллятных маслах). Полиизобутилены: КП-5 — рас­твор полимера М = 40004-6000; К.П-10 — М = 9000^-15000; КП-20 — М = 15 000-20 000. Полиметакрилаты (ПМА) полу­чают полимеризацией эфиров метакриловой кислоты и смеси первичных синтетических спиртов фракции С₇—С₁₂ нормального строения. ПМА «В-1» представляет собой раствор полимера М = 3000—4300, ПМА «В-2» — М = 12 000-М 7 000.

Пенообразование смазочных масел возникает вследствие их энергичного перемешивания с воздухом в процессе эксплуатации, перекачки, налива. Образованию устойчивой пены могут способ­ствовать и некоторые присадки, являющиеся поверхностноактивными веществами. Для борьбы со вспениванием масла используют противопенную присадку ПМС-200А, представляющую собой поли-метилсилоксан. Ее вводят в масла в количестве 0,001—0,005%.

При разработке ряда масел, особенно моторных, которые отвечали бы требованиям современного и перспективного двигателе-строения, следует иметь в виду, что отдельные присадки не в состоянии обеспечить всю совокупность эксплуатационных свойств. Создание композиций присадок является сложной задачей — необходимо сочетать присадки по их функциональному действию, учитывать возможность эффектов антагонизма или синергизма присадок по отношению друг к другу.

Ответ

Присадки к маслам

Технический прогресс и проблемы защиты окружающей среды предъявляют все более жесткие требования к качеству масел. Эта задача на практике решается сочетанием углубления очистки базовых масел и применени­ем высокоэффективных присадок.

Основные требования к присадкам таковы:

а) сохранять исходные свойства масел;

б) облагородить масла с точки зрения уменьшения коррозии, окисления, нагарообразования;

в) придать маслам новые физические свойства, например изменить вязкость, температуру застывания и т. д.;

г) стабилизировать химический состав масла.

В настоящее время известно множество разнообразных присадок различного назначения, которые подразделяются на группы. Среди большого разнообразия присадок необходимо выделить следующие из них: антиокис­лительные, антикоррозионные, депрессорные, вязкостные, моющие, проти-возадирные, антипенные, загущающие и др.

Далее рассмотрим основные из них более подробно.

Антиокислительные присадки. Добавка таких присадок к маслам типа трансформаторного, турбинного и подобным им, которые подвергаются окислению в объеме, значительно увеличивает срок эксплуатации без замены этих масел. Присутствие таких присадок (лучше в пакете с другими типами присадок) в моторных маслах, окисляющихся в тонком слое, повышает термоокислительную стабильность масел. С ионолом готовят трансформаторные, турбинные, индустриальные и другие масла. Присадка ДФ-11 используется для приготовления моторных трансмиссионных, гидравлических и других масел.

Антикоррозионные присадки. Моторные масла без присадок могут обладать коррелирующими свойствами. Кроме того, в этом случаи также накапливают в своем объеме продукты коррозии. Для снижения такого отрицательного действия масел используют антикоррозийные присадки. Сульфиды алкилфенолов, эфиры фосфористой кислоты, соли органических сульфокислот, а также окисленный петролатум. Следует отметить, что анти­коррозионными свойствами обладают и некоторые антиокислительные при­садки, например ДФ-11, которая в своей молекуле содержит и серу, и фосфор. Общим свойством антикоррозионных присадок является способность образовывать на металлических поверхностях стойкие защитные пленки.

Моющие, антинагарные или диспергирующие присадки.

Известно, что масла для двигателей внутреннего сгорания эксплуатируются в условиях, способствующих их глубокому окислению и термическому разложению. Эти явления приводят к нагаро- и осадкообразованию, возникновению лаковых пленок на поверхности деталей двигателей. Многие поверхностно-активные вещества снижают нагаро- , лако- и осадкообразование. Типичными представителями этой группы присадок являются соли щелоч-но-земельных металлов с длинными алифатическими цепочками, содержа­щие кислые полярные группы. В зависимости от доли металла в таких соединениях различают нейтральные, слабощелочные и высокощелочные присадки. Главным свойством этих присадок является диспергирующая способность, что позволяет им удерживать во взвешенном состоянии мелкодисперсные твердые частицы, образующиеся при эксплуатации масел. При этом такие присадки препятствуют укрупнению твердых частиц, адсорбируясь на твердой поверхности. В итоге образуется стабильная суспензия типа масло -нагар.

В качестве моющих присадок нашли промышленное применение представители различных классов органических соединений.

1. Соли ароматических сульфокислот - сульфонаты. Обычно - это соли бария или кальция, например сульфонат бария который полу­чают путем сульфирования дизельного масла (присадка СБ-3). Другие при­садки этого типа представляют собой кальциевые или бариевые соли диалкилнафталинсульфокислоты .

2. Алкилфеноляты бария или кальция, (присадка ВНИИНП-350).

3. Бариевая соль продукта конденсации алкшфенола с формальдегидом (присадка БФК).

Депрессорные присадки. Задача депрессорных присадок заключается в снижении вязкости и температуры застывания масел, улучшении их прокачиваемости при низких температурах. Добавка этих присадок, а также некоторых других, например Д (ПМА «Д»} - продукта полимеризации эфира метакриловой кислоты и смеси жирных синтетических спиртов С₁₂-С₁₈ нормального строения - значительно улучшает вязкостно-температурные свойства масел. В ряде случаев достигается снижение температуры застывания на 20 - 30 °С и даже больше. Некоторые из депрессорных присадок обладают и другими полезными свойствами. Например, присадка АзНИИ - ЦИАТИМ- 1, кроме депрессорной является еще и моющей и антикоррозионной присадкой.

Противошносные (противозадирные) присадки. В условиях граничной смазки, при которых детали машин и механизмов испытывают огромные давления, повышающие их износ и так называемый задир, к мас­лам добавляют специальные присадки, повышающие смазывающую способность масел. В особенности это касается трансмиссионных масел, предназначенных для смазывания зубчатых, червячных и других передач, в которых развивается давление до 3000 МПа.

В качестве подобных присадок используют разнообразные поверхностно-активные вещества, например высшие жирные кислоты (олеиновую, стеариновую, пальмитиновую и др.) Для этой цели могут применяться также природные жиры и масла, и синтетические присадки, например, ксантогенатной природы.

Вязкостные присадки. Назначение этих присадок - повышать вязкость масел при положительных температурах и не оказывать существенного влияния на них при отрицательных температурах. Обычно их применяют к маслам с невысокой вязкостью.

Как правило, присадки данного типа являются полимерными веществами, обладающими высокой вязкостью, и хорошо смешиваются с маслами. Среди подобных присадок наибольшее распространение получили полиизо-бутилены и полиметакрилаты с молекулярной массой от 4000 до 25000. При этом следует отметить, что чем выше молекулярная масса присадки, тем лучше она растворима в масле, тем выше ее термостабильность. Присадкам на основе полиизобутилена присвоена серия КП (КП-5, КП-10. КП-20). При этом чем выше цифра в маркировке, тем выше молекулярная масса присад­ки. Полиметилметакрилаты готовят путем сополимеризации эфиров метак-риловой кислоты и спиртов С? - Си нормального строения. Имеется две марки присадки подобного типа: ПМА «5-7» и ПМА «В-2» с молекулярной массой от 3000 до 4000 и от 12000 до 17000 соответственно.

Противопенные присадки. В процессе перекачки, налива и других операций со смазочными маслами, когда имеет место их контакт с воздухом, возникает явление пенообразования. Повышенному пенообразова-нию могут способствовать и другие присадки, введенные в масло, например антиокислительные и моющие, обладающие поверхностно-активными свойствами. Для борьбы со вспениванием вводят антипенные присадки, которые не только предупреждают образование пены, но и разрушают эту воздушно-масляную коллоидную систему. Механизм действия таких присадок состоит в снижении прочности поверхностных пленок в результате адсорбции на них молекул противопенных присадок. Лучшими присадками этого типа счита­ются кремнийорганические соединения - силиконы или силоксаны. Одним из примеров такой присадки является присадка ПМС-200А полиметилсшоксан, которая вводится в масло в микроколичествах ((1 ...5)-10'³ %):

Многофункциональные присадки. Было отмечено, что ряд присадок обладает многофункциональными свойствами. Такие присадки вводить в масла удобнее, чем отдельно несколько разных присадок. Это тем более предпочтительно, если учесть тот факт, что некоторые присадки подавляют полезные свойства других. Многофункциональные присадки могут быть или заранее приготовлен­ным пакетом присадок разного действия, или одной многофункциональной присадкой, содержащей в своем химическом строении одновременно серу, фосфор, металлы и различные полярные функциональные группы.

Одной из таких многофункциональных присадок является упоминавшаяся ранее присадка ДФ-11, обладающая одновременно моющими, противоизносными, противокоррозионными, антинагарными и антиокислитель­ными свойствами.

Смотри:

Химия и технология нефти и газа, Эрих В.Н., Ленинград, Химия, 1985, стр. 355-359

Мозговой И.В. и др. Химия и физика нефти и газа, Омск, 2005, стр. 160-167

Билет № 13

Вопрос № 2

Механизмы массообменных процессов. Молекулярная диффузия, конвективный перенос. Рабочая линия процесса. Направление массопередачи.

Наибольшее распространение получили следующие массообменные процессы.

1. Абсорбция - избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход в-ва из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.

Процесс, обратный абсорбции, т.е. выделение растворенного газа из жидкости, наз. десорбцией.

2. Перегонка и ректификация-разделение жидких гомогенных смесей на компоненты при взаимодействии потоков жидкости и пара, полученного испарением разделяемой смеси. Этот процесс представляет собой переход компонента из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую. Процесс ректификации используется для разделения жидких смесей на составляющие их компоненты, получение сверхчистых жидкостей и для др. целей.

3. Экстракция (жидкостная) – извлечение растворенного в одной жидкости в-ва другой жидкостью, практически не смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого в-ва из одной жидкой фазы в другую . Процесс применяют для извлечения раст-го в-ва или группы в-в сравнительно невысоких концентраций.

4. Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или раст-ых в жидкости в-в твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько в-в из смеси. Этот процесс представляет собой переход в-в из газовой, паровой или жидкой в твердую. Применяют для извлечения того или иного в-ва (или в-в) достаточно низкой концентрации из их смеси.

5. Ионный обмен – избирательное извлечение ионов из р-ов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого в-ва из жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения в-в из р-ов, в которых эти в-ва находятся при низких концентрациях.

6. Сушка – удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Сушку широко применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых в-в или обезвоживания готового продукта.

7. Кристаллизация – выделение твердой фазы в виде кристаллов из р-ов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход в-ва из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения в-в повышенной чистоты.

8. Мембранные процессы – избирательное извлечение комп. Смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки- мембраны. Эти процессы представляют собой переход в-ва (или в-в) из одной фазы в другую ч/з разделяющую их мембрану. Применяется для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.

Молекулярная диффузия.

Молекулярной диффузией называется перенос распределяемого в-ва, обусловленный беспорядочным движением самих молекул. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому кол-во в-ва dМ продиффундировавшего за время dt ч/з элементарную поверхность dF (нормальную к направлению диффузии) пропорционально градиенту концентрации

dn/dn этого в-ва:

dМ = - DdFdtdc/dn (1)

или

M = - DFtdc/dn (2).

Коэффициент пропорциональности D в выражении закона Фика называется коэффициентом молекулярной диффузии, или просто коэффициентом диффузии. Знак минус перед правой частью первого закона Фика указывает на то, что молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации распределяемого компонента.

Смотри:

Процессы и аппараты химической технологии, Дытнерский Ю.И. том , Москва, Химия, 2002, стр. 14-20

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, том 1, Айнштейн В.Г, Москва, 2003, стр. 793-805

Билет № 13

Вопрос № 3

Желательные компоненты в моторных топливах.

Эксплуатационные свойства моторных топлив

Эксплуатационные свойства топлив определяют их поведение в механизмах, в которых они непосредственно применяются.

Как правило, товарные топлива готовят путем компаундирования анало­гичных фракций различных процессов нефтепереработки. Необходимость такого подхода к производству товарных бензинов, дизельных топлив, авиационного керосина и т. д. заключается, прежде всего, в том, что те или иные фракции одного процесса или не отвечают требованиям стандарта, или про­изводятся в небольших количествах. Другая причина необходимости смешения различных фракций в процессе приготовления товарных топлив лежит в экономической плоскости, которая связана с различной себестоимостью бензиновых фракций разных процессов.

Для более глубокого понимания этой проблемы представляется необхо­димым рассмотреть подробнее основные показатели топлив, определяющие качество товарных продуктов.

Автомобильный бензин

Товарные бензины — это смесь легкокипящих жидких углеводородов, преимущественно С₅ – С₁₂ различного строения с температурой кипения 40-195°С.

Основные требования к автомобильным топливам. Все тре­бования, которые предъявляют карбюраторные двигатели к качеству приме­няемого топлива, можно разделить на четыре группы.

1. Топливо должно обеспечивать создание однородной топливо-воздушной смеси необходимого состава при любых температурных условиях. При этом оно должно легко испаряться и иметь хорошие пусковые свойства. Топливо должно обеспечивать быстрый прогрев холодного двигателя, не вызывая обледенения карбюратора, не оказывать вредного влияния на износ цилиндров поршневой группы при всех режимах работы двигателя, не образовывать отложений на впускной системе двигателя.

2. Топливно-воздушная смесь должна сгорать с выделением возможно большей теплоты за отведенный промежуток времени. Для достижения этой цели топливо должно иметь наибольшую удельную теплоту сгорания. Другое требование к топливу - это горение с требуемой скоростью без возникновения детонации при всех режимах работы двигателя в любых климатических условиях. При этом должна быть полнота сгорания с минимальным образованием токсичных и канцерогенных веществ в отработанных газах и на­гара, а также коррозионно-агрессивных продуктов.

3. Качество топлива должно обеспечивать без затруднений транспорти­ровку, хранение и подачу топлива по системе питания в двигатель при любых климатических условиях. Для обеспечения этих требований топливо должно сохранять свои эксплуатационные свойства во времени, иметь низкие температуры застывания и помутнения. В топливе предполагается отсутствие механических примесей, коррозионно-агрессивных- соединений, вероятность образования которых возможна в нем при длительном хранении. Топливо должно содержать минимальные количества воды и воздуха в растворенном состоянии, не создавать паровых пробок при высоких температурах и не образовывать отложений на деталях системы питания.

4. Топливо должно иметь минимальную себестоимость, быть нетоксичным, и его производство должно обеспечиваться широкими сырьевыми ресурсами.

Основными показателями качества карбюраторных топлив, обеспечивающими перечисленные требования, являются детонационная стойкость, концентрация серы, фракционный состав, давление насыщенных паров и химическая стабильность.

Детонационная стойкость для бензинов - это основной показатель качества. Важность этой характеристики связана с режимом сгорания топлива в двигателе. Известно, что характер сгорания топлива может быть нормальным и детонационным. При нормальном режиме горения топлива достигается температура 2000 °С. При этом рабочее давление в 6 МПа достигается плавно, без скачков, а скорость распространения пламени составляет 20 - 30 м/с. Детонационное горение топлива происходит при той же температуре, но сопровождается скачкообразным ростом давления до 6 МПа и выше. При этом скорость распространения пламени может достигать 1500 -2500 м/с. Такое горение топлива называют также взрывным.

Взрывное горение называется детонацией. Оно возникает в том случае, когда после воспламенения топливно-воздушной смеси сгорает только часть топлива. Остаток (до 20 %) топлива мгновенно самовоспламеняется и при этом скорость распространения пламени растет до 1500 - 2500 м/с, вместо 20 - 30 м/с, а давление при этом поднимается скачками. Резкий перепад давления приводит к образованию детонационной волны, которая ударяет о стенки цилиндра двигателя.

Признаками детонации являются: а) металлический стук в цилиндрах, который вызывается многократным отражением детонационной волны от стенок цилиндра; б) вибрация; в) появление в выхлопных газах черного дыма; г) резкое повышение температуры стенок цилиндра.

Следствиями детонации могут быть: а) прогорание поршней и выхлоп­ных клапанов; б) ускорение износа двигателя; в) сокращение межремонтного пробега автомобиля; г) возрастание расхода топлива; д) падение мощности двигателя и скорости автомобиля.

Детонация зависит от химического состава бензинов. Явление детонации связано с особенностями окисления и горения углеводородов различных классов. Во время всасывания углеводороды топлива вступают в реакцию окисления с кислородом воздуха, образуя пероксиды и гидропероксиды. Они распадаются с выделением свободных радикалов, которые реагируют с но­выми молекулами. Реакция приобретает цепной характер. После воспламе­нения рабочей смеси от искры реакция окисления еще более ускоряется за счет возрастания температуры и давления. При нормальной работе двигателя концентрация пероксидов и скорость реакции поддерживаются постоянными. В неотрегулированном двигателе, либо при некачественном топливе часть топлива остается несгоревшей и в ней нарастает концентрация пероксидов. При достижении некоторой предельной их концентрации реакция пероксидов приобретает взрывной характер, несгоревшая часть топлива мгно­венно самовоспламеняется, и происходит детонационное горение.

Радикалы обладают огромной реакционной способностью и поэтому долго не живут, а бурно реагируют друг с другом. При этом выделяется колоссальное количество тепла, которое и становится причиной детонации. Отсюда следует вывод: во избежание детонации бензин должен содержать минимум нормальных алканов. Однако совсем без них бензин не бывает, т. к. отсутствие н-алканов приводит к плохому горению топлива.

Циклоалканы, и в особенности голоядерные, детонируют значительно меньше. Практически совсем не детонируют арены. В большей степени это касается голоядерных аренов и аренов с короткими заместителями. Однако увлекаться большим содержанием аренов в топливе нельзя, ибо арены в принципе горят плохо, т. к. в них много углерода и мало водорода.

Единственными углеводородами, которые хорошо горят и не дают де­тонации являются изоалканы (от С₅ до С₁₀).

Так как детонационную стойкость топлива определяет октановое число (ОЧ), то этому показателю отводят наибольшее внимание. Октановое число - это число, выражающее объемную долю изооктана в смеси с п-гептаном. Для изооктана детонационная стойкость принята за 100, а для и-гептана - за 0. Например, если испытуемый бензин по своей детонационной стойкости оказался при испытаниях эквивалентным смеси из 80 % изооктана и 20 % л-гептана, то его октановое число составляет 80 пунктов. Чем выше октано­вое число бензина, тем выше его качество.

Существуют два метода определения октанового числа: моторный и исследовательский.

Моторный метод применяют для бензинов, предназначенных для двигателей с малой степенью сжатия. Исследовательский метод, наоборот, используют для двигателей с высокой степенью сжатия, работающих в условиях города, где имеют место частые остановки, торможения и неравномерные нагрузки.

Полученные разными методами значения октановых чисел для одного образца бензина отличаются. Поэтому в их шифр вводят соответствующие индексы: ОЧМ- по моторному методу или ОЧИ -по исследовательскому.

Разность значений октановых чисел, измеренных по моторному и исследовательскому методам, называется чувствительностью топлива и записывается следующим образом:

∆ОЧ=ОЧ_им-ОЧ_мм

Эта величина характеризует возможные отклонения детонационной стойкости в реальных условиях эксплуатации от стойкости, определяемой лабораторными методами. Среднеарифметическое значение между октано­выми числами, измеренными по моторному и исследователькому методам, называют дорожным октановым числом.

Известно, что понижение октанового числа ниже требований стандарта на данную марку ведет к неполному горению топлива, неустойчивой работе двигателя, что выражается во взрывном характере горения топлива, скачкообразном изменении давления в топливной системе, образовании ударной волны и появлении стука в двигателе. Наблюдается черный дым в выхлоп­ных газах. Все эти явления в итоге приводят к преждевременному износу двигателя и загрязнению окружающей среды.

Величина октанового числа углеводородного топлива зависит от его химического строения.

Концентрация сернистых соединений является еще одним важным показателем качества топлив. Ограничения по этому показателю связаны в основном с двумя факторами: высокой коррозионной способно­стью сернистых соединений и влиянием на окружающую среду.

В последние 10-15 лет вопросы экологии в ведущих мировых держа­вах вышли на первый план. Иллюстрацией к сказанному может служить снижение содержания серы в бензинах, % масс.: 1990 г. - 0,1; 1995 г. - 0,05; 2000 - 0,015. Прогноз на ближайшие 10-15 лет предполагает еще более вы­сокие темпы снижения содержания серы в товарных бензинах. В 2010 г. этот показатель должен составить 0,0005 %, в 2015 г. - 0,0002 %.

Фракционный состав бензинов тесно связан с качеством режи­ма работы автомобильного двигателя. Так температуры начала кипения и 10 % отгона характеризуют пусковые свойства двигателя, испаряемость топ­лива, легкость запуска двигателя. Эти требования достигаются включением в состав бензина легких компонентов (алкилата, изомеризата, МТБЭ и др.). Стандартные требования для автобензина равны для температуры начала кипения - >35 °С, а 10 % должны перегоняться при температуре <70 °С.

Температура 50 % отгона топлива влияет на скорость разогрева двигате­ля, качество воздушно-топливной смеси в нагретом двигателе, плавный пе­реход работы двигателя с режима на режим, равномерность распределения топлива по цилиндрам. Для разных марок бензинов ее нормируют либо <100, либо < 115 °С. Евростандарт (ЕОС) ограничивает долю отгона при 100 °С 50 процентами, а при 150 °С 80 процентами.

Температуры 90 % отгона и конца кипения бензина характеризуют на­личие в бензине тяжелых, трудноиспаряемых компонентов, мощность двига­теля, расход и полноту сгорания топлива. Российский стандарт и требования нормативных актов США предусматривают, что 90 % отгона товарного бензина не должно превышать 180 °С, а конец кипения для разных сортов бензина - от 185 до 195 °С. Повышение температуры конца кипения бензина приводит к неполному горению топлива, повышенному износу цилиндров и поршневой группы, вследствие смывания масла со стенок цилиндров и его разложения в картере, а также неравномерному распределению рабочей сме­си по цилиндрам.

Давление насыщенных паров. В российских нормативных документах этот показатель не регламентируется. Однако, важность его несомненна. Дело в том, что при низких давлениях паров бензина затруднен пуск двигателя, а при высоких давлениях паров могут образовываться газовые пробки в топливной системе и имеют место значительные потери топлива от испарения при хранении и транспорте.

Нормативные акты США ограничивают величину давления насыщенных паров автобензина 50 кПа, западноевропейские - 60 кПа.

Химическая стабильность топлива обеспечивается ограниче­нием содержания в нем непредельных соединений и смол. Такое ограничение состоит в том, что при длительном хранении и транспортировке эти вещества гюлимеризуются со всеми вытекающими отрицательными последствиями. Высокой стабильностью отличаются бензины риформинга, алкили-рования, изомеризации, гидрокрекинга. В них практически полностью от­сутствуют как непредельные соединения, так и смолы. Напротив, бензин»! каталитического крекинга, пиролиза, коксования характеризуются наличием значительного количества непредельных веществ.

Российские нормативы предусматривают ограничение смол в бензине от 3 до 5 мг/100 мл для разных марок топлива. Стандарты США ограничи­вают суммарное содержание олефинов до 6 %, а Западной Европы - до 10 %•

Вместе с ограничением концентрации непредельных углеводородов И-смол стабилизация топлива может быть осуществлена добавлением в него антиокислительных присадок.

Содержание ароматических углеводородов. В последнее деся­тилетие в нормативную документацию ведущих мировых держав внесены ограничения по содержанию ароматических углеводородов и бензола. По бензолу допускаемый порог ограничен величиной в 1 %. Суммарная концен­трация ароматических соединений нормативами США лимитирована 25 %, а Западной Европы - 35 %. Российские бензины содержат ароматические углеводороды в количестве 50 % и более.

Ограничение по содержанию ароматических веществ связано с экологической безопасностью. Научно доказано, что ароматические углеводороды по причине неполного горения служат источником канцерогенных выбросов в окружающую среду.

Анализ качества бензиновых фракций различных процессов и изменений мировых требований к качеству товарных бензинов позволяет обосновать ограничения в использовании тех или иных компонентов в приготовлении товарных топлив.

Ограничение прямогонных бензинов, бензинов коксования и висбрекин-га связано с их низкими октановыми числами и большим содержанием серы.

Бензин-риформат содержит большое количество ароматических углево­дородов (70-90 %).

Бензины каталитического крекинга, пиролиза и коксования включаю! значительное количество непредельных углеводородов. Небольшое количество бензина-алкилата, бензина-изомеризата, бензи-на-полимеризата, а также кислородсодержащих добавок (МТБЭ и др.) в то­варных бензинах связано с ограниченностью их ресурсов и экономическими факторами.

Приготовление товарных бензинов в резервуарах предполагает наличие так называемого базового компонента. Основным фактором при его выборе являются ресурсы и качество компонента. Ведущие нефтеперерабатывающие страны в качестве базового компонента используют либо бензин-риформат (Россия в том числе), либо бензин каталитического крекинга. Базовый компонент первым закачивают в резервуар, а затем к нему добавляют в том или ином количестве другие компоненты (в зависимости от наличия ресурсов и марки выпускаемого топлива), а затем перемешивают методом циркуляции.

Дизельное топливо

Дизельные топлива в последнее время находят все более широкое применение в качестве моторного топлива. Достаточно отметить, что начато использование дизтоплив даже в легковых автомобилях. Особенно в этом преуспела Западная Европа.

В производстве дизельных топлив применяют нефтяные фракции 160- 360 °С Источниками этих фракций являются процессы первичной перегонки нефти, легкие газойли каталитического и гидрокрекинга, гидрообла-гороженные газойлевые фракции коксования, висбрекинга и пиролиза, тяже­лый алкилат процесса алкилирования изобутана, продукты депарафинизации масел.

Цетановое число. Основным показателем качества товарного дизельного топлива для всех марок является цетановое число. Этот показа­тель является количественной оценкой воспламеняемости дизельного топ­лива. Методика определения цетанового числа в качестве эталонов для его расчета принимает за 100 воспламеняемость «-цетана (н-С₁₆Н₃₄), а за 0 - вос­пламеняемость а -метилнафталина. Поэтому величина цетанового числа ди­зельного топлива эквивалентна цетановому числу соответствующей эталон­ной смеси н-цетана и а -метилнафталина.

Для двигателей разной конструкции существуют свои оптимальные значения цетанового числа. Как правило, они находятся в пределах 45 ~ 60. При низких значениях цетанового числа топлива двигатель работает в жестком режиме, т. е. резко возрастает давление в камерах сгорания топлива, возрастает износ деталей. При слишком большом цетановом числе топливо сгорает сразу после впрыска в камеру, плохо смешивается с воздухом, в итоге падает экономичность двигателя и растет дымность выбросов. Величина цетанового числа топлива определяется его химическим составом.

Известно, что наименьшими температурами самовоспламенения среди углеводородов различных классов обладают к-алканы, а наибольшими -арены. Поэтому, как следует из данных табл. 14.3, н-алканы имеют самые большие значения цетановых чисел, а бициклические арены - наименьшие.

Изоалканы, алкены, циклоалканы и моноциклические арены имеют проме­жуточные значения цетановых чисел. Отсюда вытекает, что в дизельном то­пливе предпочтительнее иметь н-алканы и нежелательно присутствие аре-нов, особенно бициклических.

Нормативные акты ведущих нефтеперерабатывающих стран предусматривали в 1998 г. следующие минимальные значения цетанового числа дизтоп-лив: США - 48 (Калифорния - 50), Западная Европа - 49 (Швеция - 53), Россия - 45. Требования Европейской Ассоциации Автомобилестроителей (ЕАА) планировали минимум цетанового числа в 2003 г. в размере 58 пунктов.

Содержание серы - второй по значимости показатель качества дизтоплив. Значения данного свойства тоже связано с экологией. По данным ЕАА, требования к доле серы в дизтопливе в 2000 г. составляли 0,035 %, а уже в 2003 г. - 0,003 %, т. е. ужесточились более чем в 10 раз. Еще более жесткие требования к этому показателю в Швеции (1998 г. -0,0005 %). Такие же требования существуют и в Калифорнии. Интересно отметить, что калифорнийское законодательство впервые в мире установило ограничения и по содержанию азота (Н0~⁵ %). Прогнозируемый уровень требований к серосодержанию планирует достичь концентрации серы в диз­топливе в 2005 г. до 0,003 %, в 2010 г. - 0,0005 % и в 2015 г - 0,0003 %. Для российской нефтепереработки приведенные цифры представляются фанта­стическими. Достаточно отметить, что по состоянию на начало 2001 г. 75 % всего выпускаемого в России дизтоплива имело концентрацию серы до 0,2, 14 % - до 0,5 % и лишь 6,5 % - не более 0,05 %. Ожидается, что в 2005 г. производство дизельных топлив с содержанием серы от 0,2 до 0,5 % будет прекращено; при этом доля дизтоплив с концентрацией серы до 0,05 % составит 25 %.

Температура застывания и вязкость. Эти показатели связаны с условиями хранения, транспортировки, а также прокачиваемости дизтоплив в системе подачи в камеры сгорания двигателей. Российские стандарты пре­дусматривают максимальные значения температуры застывания: -10 "С для топлива марки «Л», -35 °С для марки «3» и -55 °С для марки «А». Кинема­тическая вязкость при 20 °С должна быть в пределах, мм²/с: 3-6 для марки <с/7», 1,8-5 для марки «3» и 1,5-4 для марки «А». Сравнивать уровень требо­ваний российских и зарубежных нормативных актов к вязкостно-температурным свойствам дизтоплив не корректно из-за огромной разницы в климатических условиях России и стран Западной Европы, США и Японии.

Фракционный состав. Принятая ранее на российских НПЗ прак­тика утяжеления состава дизельного топлива с повышением температуры конца его кипения до 380 °С (для увеличения выхода и «глубины переработки») пришла в противоречие с требованиями рынка к качеству дизтоплив. Это касается, прежде всего, его противодымных свойств, содержанию в нем серы и ароматических углеводородов. Нормативные требования США ограничивают температуру конца кипения 360 °С (калифорнийские - 338 °С), общеевропейские — 350 °С (Швеция - 330 °С). Российское законодательство до сих пор не регламентирует температуру конца кипения дизельного топлива, ограничивая показатель 96 % отгона для всех марок 360 ºС.

Содержание ароматических углеводородов. В связи с тем. что арены являются главным источником чернодымных выбросов в атмосферу и имеют наименьшие значения цетанового числа, зарубежные нормативы ограничивают их содержание в дизельном топливе. Федеральный стандарт США допускает долю ароматических углеводородов в дизтопливе до 20 % (калифорнийский до 10 %), общеевропейский - 20 % (в Швеции - 10 %). К этому следует добавить, что нормативные требования штата Калифорния допускают содержание полициклических аренов в дизтопливе в не более 1,4 %, а Швеции и того меньше (0,1 %). Вместо этого показателя российские стандарты ограничивают содержание смол величиной 40 мг/100 мл для летнего дизтоплива и 30 мг/100 мл для зимнего и арктического дизтоплив.

Качество дизельных топлив повышается путем добавления в него разнообразных присадок, например, депрессорных, цетаноповышающих, моющих, противоизносных, антидымных и др.

Авиационное топливо

Авиационное топливо можно разделить по назначению на два вида: авиационные бензины для поршневых двигателей и топливо для реактивных двигателей (ТС-1 и РТ соответственно).

Авиационные бензины производятся в небольших объемах, т. к. поршневые двигатели в настоящее время применяются ограниченно и главным образом в так называемой малой авиации. Основные требования к авиацион­ным бензинам - это высокая детонационная стойкость на бедной и богатой топливно-воздушной смеси, фракционный состав 40-180 °С, температура на­чала кристаллизации не выше минус 60 °С, давление насыщенных паров — не выше 29,3 кПа.

При подготовке товарного РТ или перед применением в него могут вводиться антиокислительные, противоизносные, антистатические и проти-вообледенительные присадки. Антиоксидантом в отечественной топливной промышленности служит в основном 2,6-ди-трет-4-метилфенол (Агидол) в количестве 0,003-0,004 % масс.

Противоизносными присадками к реактивному топливу служат Ствол и Сигбол в композиции с ПМАМ-2 (полиметаклатная). Известно также приме­нение для этой цели отечественной присадки типа «Л» и импортной Хайтек, которые добавляют в реактивное топливо в количестве 0,003 - 0,0035 %. Присадка Сигбол, обладающая комплексом полезных свойств, используется и как антистатическая присадка. Для этой цели она становится эффективной уже в концентрации 0,00005 %.

Фракционный состав. Это основной показатель, фактически определяющий все остальные свойства реактивного топлива. Стандарт ог­раничивает температуру начала кипения топлива РТ 135-155 °С, а ТС-1 - не выше 150 "С. 10 % топлива отгоняется при температуре не более 175 °С (РТ) и не более 165 °С (ТС-1). Для сравнения: 10 % авиакеросина ^1А отгоняется при температуре не более 205 °С. 98 % топлива РТ отгоняется при темпера-туре не выше 280 °С (97 % топлива ^( А отгоняется при температуре не более 300 "О.) Таким образом, российское реактивное топливо отличается от американского топлива более легким фракционным составом.

Плотность. Более легкий фракционный состав российского реактивного топлива обуславливает и его более низкую плотность в сравнении с зарубежными аналогами. Топливо РТ при 20 °С должно иметь плотность не менее 775 кг/м³, ТС-1 - не менее 780 кг/м³. Для топлива № А установлены пределы плотности в 772-837 кг/м³, для топлива Л1 В - 748 - 799 кг/м³. Не­обходимо отметить, что плотность определяет энергетические возможности реактивных двигателей, величину загрузки авиалайнера топливом и возможную дальность его полета.

Вязкость. Надежную работу системы подачи топлива в двигатели обеспечивает низкая вязкость топлива. При 20 °С она должна быть не менее 1,25 мм²/с, а при минус 40 °С - не более 10 мм²/с для ТС-1 и 16 мм²/с для РТ. При этом ограничение нижнего предела вязкости обусловлено тем, что при более низкой вязкости ухудшается работа топливной аппаратуры вследствие износа трущихся деталей. Лимит верхнего предела вязкости обусловлен тем, что аэродинамика подачи топлива при больших значениях вяз­кости ухудшается.

Температура кристаллизации. Аналогичную задачу выполняет требование иметь низкую температуру кристаллизации. Для ТС-1 она должна быть не более минус 50 °С, а для РТ не более минус 55 °С.

Содержание аренов. Ограничение содержания аренов, особенно нафталинового ряда, в РТ обусловлено стремлением снизить в процессе го­рения топлива интенсивность образования сажи, которая отлагается на стен­ках труб камер сгорания и распылителей форсунок, нарушая при этом аэро­динамику потока газа в камере сгорания. Кроме того, образующиеся частич­ки раскаленного кокса увеличивают излучающую способность пламени, что может привести к прогару камер сгорания и сопел. Поэтому стандарты Рос­сии предусматривают ограничение доли аренов в топливе до 22 %. По этим же причинам высота некоптящего пламени должна быть не менее 20 мм, а люминометрическое число не менее 55 пунктов (к сведению: для тетралина оно принято за 0, а для н-октана - за 100).

Содержание серы в реактивных топливах России не должно превышать в ТС-1 0,2 %, а в РТ— 0,1 %. Американские стандарты допускают величину содержания серы в топливе 0,3 %.

Реактивное топливо марки Т-6 отличается от топлив марок ТС-1 и РТ более высокой плотностью (не менее 840 кг/м³), тяжелым фракционным со­ставом (195-315 °С), повышенной вязкостью (кинематическая вязкость при 20 °С должна быть не менее 4,5 мм²/с). Кроме того, Т-6 имеет в своем соста­ве пониженное содержание серы (0,05 %).

192

Топливо Т-6 получают из газойлевых фракций различных первичных и вторичных процессов нефтепереработки после их глубокой очистки и стаби­лизации путем интенсивного гидрирования.

Смотри:

Химия и технология нефти и газа, Эрих В.Н., Ленинград, Химия, 1985, стр. 79-81

Билет № 14

Вопрос № 2

Средняя движущая сила массопередачи и число единиц переноса. Определение числа единиц переноса. Влияние перемешивания на среднюю движущую силу.

Средняя движущая сила процессов массопередачи.

Как и в теплопередаче, движение потоков в процессах массообмена может происходить при противотоке, прямотоке и перекрестном токе фаз. Кроме того, возможны другие, весьма разнообразные виды взаимного направления движения фаз, связанные с перемешиванием и распределением потоков.

Независимо от взаимного направления движения фаз контакт их можно осуществить непрерывно или ступенчато.

При ступенчатом контакте апп. состоит из нескольких секций, соединенных м/у собой тем или иным способом, причем в каждой секции возможен любой из указанных выше видов взаимного направления движения фаз. К апп. со ступенчатым контактом относятся тарельчатые колонны.

От взаимного направления движения фаз и вида их контакта зависит величина движущей силы процессов массопередачи. Обычно концентрация фаз изменяются при их движении вдоль поверхности раздела. Поэтому в общее уравнение массопередачи входит величина среднейдвижущей силы.

Выражение средней движущей силы зависит от того, явл. ли линия равновесия (при прочих равных условиях) кривой или прямой. стр.433-437

Определение числа единиц переноса.

ЧЕП выражаются интегралами, которые не могут быть решены аналитически, т.к. вид функции у* = f(x) или х* = φ(у) в каждом конкретном случае различен. В связи с этим ЧЕП n_ох и n_оуопределяют методам графического интегрирования.

ЧЕП м/б найдено более простым графическим методом, если равновесная линия на всех участках, соответствующих одной единице переноса, является прямой или имеет малую кривизну, а рабочая линия прямая. Стр 437-438

Влияние перемешивания на среднюю движушую силу.

При выводе уравнений для расчета средней движущей силы предполагалось, что потоки фаз равномерно распределены по поперечному сечению апп., перемешивание отсутствует и все частицы каждой фазы движутся с одинаковыми скоростями. При этом концентрации фаз постоянны по поперечному сечению апп. и изменяются только по его высоте. Как известно, такое движение представляет собой поршневой поток, или поток с идеальным вытеснением.При движении каждой из фаз в режиме идеального вытеснения градиент концентраций явл. наибольшим и ср. движущаяся сила процесса массопередачи – максимальной.

Физическая картина движения потоков в массообменных апп., как правило, значительно сложнее вследствие перемешивания. В этих апп. перемешивание вдоль оси потока обусловлено турбулентной диффузией и разными другими причинами. К числу их относятся увлечение одной из фаз некоторой части другой фазы, движущейся противотоком к первой (например, захват брызг жидкости поднимающимися пузырьками газа или пара при барботаже), различие скоростей по поперечному сечению потока, приводящее к байпасированию части потока (в результате каналообразования), образования застойных зон и т.д.

В апп. ступенчатого типа (тарельчатых колоннах), обратное перемешивание возникает, в частности, вследствие брызгоуноса,при котором брызги увлекаются газом (или паром) в направлении, противоположном движению основной массы жидкости.

Влияние перемешивания на изменение концентраций по высоте (длине)Н массообменного апп. с непрерывным контактом фаз

Вставить рисунок.

Обратное перемешивание, уменьшая ср. дв. Силу, тем самым, при прочих равных условиях, снижает эффективность массобмена, характеризуемую кол-ом в-ва, переходящего в единицу времени из фазы в фазу. Это снижение эквивалентно уменьшению ЧЕП в аппарате.

А.Г.Касаткин «ОПиАХТ»,Москва, химия,1971, стр.441-445

Смотри:

Процессы и аппараты химической технологии, Скобло А.И., Москва, 1961,стр. 20-26

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, том 1, Айнштейн В.Г, Москва, 2003, стр. 809-810

Билет № 14

Вопрос № 3

Прием, транспортировка и хранение органических жидкостей и газов.

Ответ

ТРАНСПОРТИРОВКА ЖИДКОСТЕЙ

Безопасная транспортировка жидкостей осуществляется в герметичных трубопроводах с использованием вакуума или при помощи специальных насосов. Для легколетучих огнеопасных жид­костей применим способ передавливания инертным газом или пере­качки насосами. Некоторые особо опасные жидкости, не смешивающиеся с водой (например, сероуглерод), хранят в цистернах под слоем воды и перелавливают водой; при этом снижаются заряды статического электричества, возникающие при движении жидкостей-диэлектриков по трубам. Недостатком этого способа хранения и транспортировки жидкости является опасность замерзания воды в трубопроводах в зимнее время.

При перекачках насосами во избежание подсоса воздуха всасывающие линии постоянно держат под заливом.

Для перевозки сжиженных газов (хлора, аммиака, углеводородов), олеума, азотной кислоты и других химических продуктов применяют специализированные железнодорожные цистерны емкостью до 50 т. Цистерны для сжиженных газов рассчитывают и изготовляют аналогично сосудам, работающим под давлением (см. гл. XV). Всю арматуру во время передвижения цистерны за­крывают защитным колпаком, который пломбируют. Цистерны, предназначенные для перевозки сжатых и сжиженных газов, имеют термоизоляцию или металлический защитный теневой кожух. Цистерны для химических продуктов, как правило, разгружаются при помощи сифонных труб, расположенных в верхней части цистерны; таким образом исключается опасность пролива жидкости при неисправности приспособлений для нижнего слива. Азотную кислоту, имеющую концентрацию выше 60%, перевозят в алюминиевых цистернах. Олеум и другие легко застывающие и кристаллизующиеся вещества перевозят в цистернах, имеющих паровую рубашку или тепловую изоляцию. Безводный хлористый водород и некоторые другие сжиженные газы перевозят в цистер­нах, охлаждаемых специальной холодильной установкой, работаю­щей на углекислом газе. Соляную кислоту (не ингибированную) перевозят в гуммированных цистернах. Специализированные ци­стерны окрашивают в определенный цвет и на них делают четкую надпись, для какого вещества они предназначены. Внутри цистерн укрепляют поперечные перегородки с отверстиями — волноломы, предназначенные для восприятия гидравлических ударов жидкости при толчках и резких изменениях скорости движения (рис. 116).

На станциях налива и слива цистерны устанавливают в оборудованных тупиках и под скаты подкладывают «башмаки». Трубопроводы, соединяющие цистерну со складскими емкостями, выполняют в виде спиральных или лирообразных компенсаторов. Для заземления цистерн применяют специальные устройства (см. гл. IX). Перед заполнением цистерны тщательно очищают и осматривают.

УСЛОВИЯ БЕЗОПАСНОСТИ НА СКЛАДАХ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

При строительстве и эксплуатации складов необходимо: соблю­дать правила совместного хранения опасных веществ (нельзя хранить вместе вещества, реагирующие друг с другом), механи­зировать розлив и транспортировку, обеспечить достаточную огне­стойкость складских зданий, соблюдать безопасные разрывы, ограничивать емкости складов, снабжать склады эффективными огнегасительными средствами и т. п,

Совместно хранить можно только отдельные вещества, входящие в определенную группу. Различают 8 групп таких веществ:

I группа — взрывчатые вещества;

II группа — селитры, хлораты, перхлораты, нитропродукты;

III группа — сжа-ше и сжиженные газы (горючие, поддерживающие горение иинертные);

IV группа — вещества, самовозгорающиеся при контакте с воздухом или водой

(карбиды, щелочные металлы, фосфор);

V группа — легковоспламеняющиеся жидкости;

V1 группа — отравляющие вещества (мышьяковистые соединения, цианистые и , ртутные соли, хлор);

VII группа —вещества, способные вызвать воспламенение (азотная и крепкая

серная кислота, бром, хромовая кислота, перманганаты);

VШ группа — легкогорючие материалы (нафталин, вата, древесная стружка).

Совместное хранение веществ одной группы с веществами другойй группы не допускается. Кроме того, каждое из веществ VII >уппы также должно храниться изолированно. Отдельно следует Хранить горючие газы и газы, поддерживающие горение (кислород, пор).

Склады по взрыво- и пожароопасности хранящихся в них ве­еств и материалов по аналогии с производственными зданиями Подразделяются на категории А, Б, В, Г и Д.

Склады легковоспламеняющихся и горючих жидкостей

При хранении легковоспламеняющихся и горючих жидкостей Особенно опасно выделение их паров в воздух, а также проливы жидкости. Резервуары и хранилища для таких жидкостей могут быть:

а) подземные с уровнем жидкости на 0,2 м ниже прилегающей территории;

б) полуподземные с заглублением резервуаров и хранилищ не менее чем на половину их высоты и уровнем жидкости не более чем на 2 м выше прилегающей территории ;

в) наземные.

Способ хранения в подземных хранилищах наиболее без­опасный. В случае пожара на поверхности земли в подземныххранилищах в течение длительного времени (до 24 ч) можно поддерживать безопасную температуру (50°С) при наличии слоя:земли толщиной 0,5 м, покрывающего хранилище.

Склады сжиженных горючих газов

К сжиженным горючим газам относятся бутадиен, бутан, бу­тилен, пропан, пропилен и другие жидкости с низкими температу­рами кипения, которые могут находиться в жидком состоянии лишь при хранении их под давлением.

Повышенная пожаро- и взрывоопасность горючих сжиженных. Газов объясняется низкой температурой кипения, высокой упругостью паров, крайне низким нижним пределом взрываемости их в смеси с воздухом и сравнительно большой плотностью по воздуху. Вследствие большой плотности и плохой рассеиваемости газы при утечке из оборудования и емкостей, расположенных под от­крытым небом, могут воспламеняться от теплоизлучения печей или других импульсов на значительном расстоянии от места утечки (несколько сотен метров).

Следует также иметь в виду, что названные сжиженные газы являются диэлектриками и при кипении, истечении через неплот­ности, сливе и наливе электризуются, воспламеняясь от искрового разряда статического электричества (см. гл. IX).

Пожары и взрывы на складах сжиженных горючих газов охва­тывают большие площади, сопровождаются гибелью людей и боль­шим материальным ущербом.

В практике пока еще не решены вопросы обеспечения безопас­ного хранения сжиженных горючих газов и не найдены эффективные средства предупреждения и тушения пожаров при их воспла­менении. Поэтому хранить на складах следует лишь минимально необходимые количества сжиженных горючих газов, обеспечив их подачу по трубопроводам с нефтеперерабатывающих на химиче­ские заводы.

Склады баллонов со сжатыми и сжиженными газами

Баллоны с газами можно хранить в специальных помещениях и на открытых площадках. Здания для постоянного хранения балло­нов должны быть I или II степени огнестойкости, одноэтажные, бесчердачные, с легкими несгораемыми покрытиями и открывающимися наружу дверями и окнами. При хранении баллонов на открытом воздухе устраивают навесы для их защиты от непосредственного действия солнечных лучей. Расстояния от складов до соседних сооружений устанавливают в зависимости от емкости склада от 20 до 30 м, до жилых домов — не менее 50 м. Для баллонов, снабженных «башмаками», оборудуют соответствующие стеллажи и гнезда для хранения их в вертикальном положении и закрепляют для предохранения от падения. Баллоны, не имею­щие «башмаков», могут храниться в горизонтальном положении в соответствующих ячейках. Помещения складов должны иметь естественную или искусственную вентиляцию для предотвращения образования взрывоопасных смесей и опасных для здоровья кон­центраций вредных газов. Конструкция баллонов для различных веществ, освидетельствование их, отличительная окраска и пр, должны отвечать специальным требованиям (см, гл. XV),

Смотри:

Охрана труда в химической промышленности, Соловьев Н.В., Москва, Химия, 1969, стр. 354-356,414-419

Билет № 15

Вопрос №

Процессы гидратации в органическом синтезе. Производство этанола прямой гидратацией этилена. Химизм процесса. Катализаторы.

Этанол C₂H₅OH является одним из крупномасштабных продуктов основного орг. синтеза. Он используется в пр-ве альдегида, в качестве раст-ля в лакокрасочной, фармацевтической пром-ти, в производстве взрывчатых в-в, сырья для пр-ва каучука, компонентов ракетного топлива и других орг. продуктов.

Основным способом синтеза этилового спирта явл. гидратация этилена. Метод прямой каталитической гидратации этилена перегретым водяным паром является наиболее экономичным.

Процесс основан на обратимой реакции, протекающей с увеличением обьема и выделением теплоты:

CH₂=CH₂(г)+H₂O=C₂H₅OH(г)+кДж.

Константа равновесия этой реакции уменьшается с ростом температуры Т и повышается пропорционально давлению Р:

lg К_р = 2093/T – 6.304 +(103/T-62.5*10³/T²) *р.

Согласно последнему уравнению равновесие может быть сдвинуто в сторону образования спирта применением высокого давления и понижением температуры. Однако применение высокого давления повышает затраты, а низкие температуры снижают скорость реакции.

В качестве катализатора используют фосфорную кислоту, нанесенную на пористые носители (силикагель, алюмосиликат). Катализ осуществляется в пленке кислоты, находящейся в жидком состоянии на поверхности носителя.

При высоком давлении усиливается адсорбция водяных паров фосфорной к-ты, концентрация её снижается, и это тоже один из факторов, отриц, влияния повышенного давления.

Оптимальными условиями проведения процесса явл.: Т-550-590К; Р-7-8Мпа; соотношение H₂O:C₂H₄= 0,6:1; объёмная скорость парогазовой смеси 1800-2500 ч^-1; время контакта-18-20с. Выход этанола-95%,диэтилового эфира-2-3%,ацетальдегида-1-2%, полимеров-1-2%.Процесс осуществляется по циркуляционной схеме, при которой реакционную массу многократно пропускают ч/з слой катализатора. Концентрация этилена-98-99%. Нижний предел-85%.Из цирк-ей реакц-ой массы требуется непрерывный отвод полученного этанола. Он осущ-ся методом конденсации, при этом вода, как правило менее летучий комп. конденсируется с большей полнотой. Вода нежелательный комп.,т.к. пропадает активность kt. Поэтому актуальным явл. возможно полная утилизация тепла непрореагировавшего в. п посредством т/обмена м/у потоками, выход. из реактора и вход. в него газ. смесями. Необходимо вести непрерывную подпитку H₃PO₄для компенсации её потерь при уносе с газообразными продуктами. Kt могут служить разб. (10-30%) р-ры H₂SO₄и H₃PO₄ в условиях высоких Т и Р. Но в этих условиях данные к-ты обладают очень большой агрессивностью в отношении корр.

Смотри:

Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза, Лебедев Н.Н., Москва, Химия, 1981, стр. 182-187, 191-193

Билет № 15

Вопрос № 3

Химическое производство как система. Понятие о системах и подсистемах, связях и операторах в ХТС.

Хим. пр-во представляет собой совокупность большого числа взаимосвязанных технических аппаратов, предназначенных для переработки сырья в продукты потребления и средства пр-ва. Хим. пр-во можно представить в виде отдельных систем (подсистем) взаимодействие м/у которыми соответствуют иерарх. структуре:

1 ступень - типовые технологические процессы: механические, тепловые, дифф., хим.;

2 ступень- ХТС, соответствует цехам или участкам;

3 ступень – ХТС отвечает пр-вам целевых или промежуточных продуктов;

4 ступень- хим. предприятия в целом.

Существует определенное взаимодействие м/у отдельными элементами (тех. операторами) ХТС. Это вз-ие обеспечивается наличием технических связей м/у ними.

Технологический оператор ХТС – это элемент ХТС, в котором происходит кач-ое или кол-ое преобразование физ. параметров вход. материальных или энергетических потоков, кот. явл. результатом протекающих в них хим. или физ. процессов. Подразделяются на основные и вспомогательные.

Последовательная связь, т.е. типичная схема с открытой цепью, характерна тем, что выход. из элемента ХТС поток целиком поступает в следующий элемент. Все потоки пребывают в элементе один раз.

Последовательно- отводная (байпас). Операторы хим. превращения соед. последовательно. Один поток последовательно проходит ч/з все ступени реактора. Второй смешивается с продуктами, выход. из первой ступени и полученная смесь направляется на следующую ступень.

Параллельные связи- применяют, когда ставится задача увеличения производительности и мощности ХТС без увеличения степени превращения и мощности отдельных реакторов.

Обратная связь закл. в том, что имеется обратный технологический поток, кот. связывает выход. поток какого-либо последовательного элемента ХТС со входом одного из предыдущихъ элементов.

Перекрестная связь осуществляется с целью эффективного использования энергии в ХТС. Применяется для утилизации отходящих газов или продуктов р-ии для нагрева поступающего сырья.

Разомкнутые ХТС, т.е. системы с открытой цепью(потоки проходят один раз ч/з элементы системы).Комбинируют последовательные, параллельные, байпасные связи.

Замкнутые ХТС, циклические системы, содержащие одну обратную связь по потокам массы или энергии, кот. образует замкнутый контур, состоящий из отдельных элементов системы. В ХТС м/б включен не один, а несколько подобных замкнутых контуров.

Смотри:

Химическая технология, Соколов Р.С., Том 1, Москва, 2000, стр. 138-139

Билет № 16

Вопрос № 2

Абсорбция. Законы Рауля – Дальтона и Генри. Расход абсорбента. Технологические варианты абсорбции. Батарейный абсорбер, схема с циркуляцией(нет материала).

Абсорбцией наз. процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем- абсорбентом. Если поглощаемый газ- абсортив- хим. не взаимодействует с абсорбентом, то такую абсорбцию наз. физической (непоглощаемую составную часть газовой смеси наз. инертом, или инертным газом). Если же абсортив образует с абсорбентом хим. соединение, то такой процесс наз. хемосорбцией.

Физ. абсорбция обычно обратима. На этом св-ве абсорбционных процессов основано выделение поглощенного газа из р-ов- десорбция.

В пром-ти абсорбцию применяют для решения следующих основных задач:

1. для получения готового продукта (например абсорбция SO₃ в пр-ве серной к-ты и т.д.); при этом абсорбцию проводятбез десорбции;

2. для выделения ценных комп. Из газовых смесей (например, абсорбция бензола из коксового газа и т.д.); при этом абсорбцию проводят в сочетании с десорбцией;

3. для очистки газовых выбросов от вредных примесей (например очистка топочных газов от SO₂ и т.д.); Очистку газов от вредных примесей абсорбцией используют также применительно к технологическим газам, когда присутствие примесей недопустимо для дальнейшей переработки газа (например, очистка коксового и нефтяного газов отH₂S и т.д.).В этих случаях извлекаемые из газовых смесей комп. обычно используют, поэтому их выделяют десорбцией;

4. для осушки газов, когда в абсорбционных процессах (абсорбция, десорбция) участвуют две фазы- жидкая и газовая- и происходит переход в-ва из газовой фазы в жидкую (абсорбция) или наоборот, из жидкой в газовую (десорбция), причем инертный газ и поглотитель явл. только носителями комп. соответственно в газовой и жидкой фазах и в этом смысле в массопереносе не участвуют.

Простейший технологический вариант процесса физ. абсорбции сводится к непрерывному или ступенчатому контакту встречных или однонаправленных потоков газа и абсорбента при их прохождении ч/з апп. В тех случаях, когда требуемая высота апп. очень велика и не может быть реализована по практическим причинам, устанавливают несколько последовательно соединенных апп. (батарейные абсорберы), сохраняя принятые в расчете направления потоков.

Источник неизвестен

В хим. технике используют следующие принципиальные схемы абсорбционных процессов: прямоточные, противоточные, одноступенчатые с рециркуляцией и многоступенчатые с рециркуляцией.

Прямоточная схема взаимодействия в-в в процессе абсорбции. В этом случае потоки газа и абсорбента движутся параллельно друг другу; при этом газ с большей концентрацией распределяемого в-ва приводится в контакт с жидкостью, имеющей меньшую концентрацию распределяемого в-ва, а газ с меньшей концентрацией взаимодействует на выходе из апп. С жидкостью, имеющей большую концентрацию распределяемого в-ва.

Противоточная схема. По этой схеме в одном конце апп. Приводятся в контакт газ и жидкость, имеющие большие концентрации распределяемого в-ва, а в противоположном конце – меньшие.

Схемы с рециркуляциейпредусматривают многократный возврат в апп. Либо жидкости, либо газа.

Газ проходит ч/з апп. Снизу вверх, и концентрация распределяемого в-ва в нем изменяется от Y_Н доY_к. Поглощающая жидкость подводится к верхней части апп. При концентрации распределяемого в-ва Х_н, затем смешивается с выходящей из апп. Жидкостью, в результате чего концентрация повышается до Х_с. Рабочая линия представляется на диаграмме отрезком прямой; крайние точки его имеют координатыY_Н,

Х_ниY_к, Х_ссоответственно. Значение Х_слегко найти из уравнения материального баланса.

«G(YН-Yк) =L( Х_н-Х_с),

где G-поток газовой смеси, кмоль/ч инертного газа;L- поток абсорбента, кмоль/ч абсорбента».

Одноступенчатые схемы с рециркуляцией м/б противоточными и прямоточными.

Многоступенчатые схемы с рециркуляцией могут включать прямой ток, противоток, рециркуляцию жидкости и рециркуляцию газа.

14.01.07, А.Н. Плановский, П.И.Николаев «процессы и апп. Химической и нефтехимической технологии»,Москва,химия,1987, стр.262-265

Смотри:

Процессы и аппараты химической технологии, Дытнерский Ю.И. том , Москва, Химия, 2002, стр. 43-44,47-49,101-014

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, том 2, Айнштейн В.Г, Москва, 2003, стр. 907-967

Билет № 16

Вопрос № 3

Процессы дегидрирования в нефтепереработке и органическом синтезе. Синтез стирола и бутадиена. Характеристика производства по выделению бутадиена на ОАО «Омский каучук».

Ответ

Смотри:

Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза, Лебедев Н.Н., Москва, Химия, 1981, стр. 456-458, 478-485

Билет № 17

Вопрос № 2

Сущность процессов перегонки и ректификации. Рабочие линии ректификации. Флегмовое число и его определение. Зависимость между флегмовым числом и размерами колонны.

Перегонка жидкостей представляет собой процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется. В результате получают жидкость-конденсат, состав которой отличается от состава начальной смеси.

Перегонку подразделяют на два основных вида: простую перегонку и ректификкацию. К простой перегонке относят также перегонку с водяным паром и молекулярную дистилляцию.

Под простой перегонкой понимают процесс однократного испарения исходной жидкой смеси и конденсации образующихся при этом паров. Ее применяют для разделения смесей, представляющих собой легколетучее в-во с некоторым содержанием весьма труднолетучих в-в.

Ректификация- наиболее полное разделение смесей жидкостей, целиком или частично растворимых друг в друге.

Процесс закл. в многократном взаимодействии паров с жидкостью-флегмой, полученной при частичной конденсации паров.

Понятие о флегмовом числе введено для удобства анализа и расчета ректификации.R- флегмовое число- отношение кол-ва киломолей флегмы Ф, приходящейся на 1 киломоль отбираемого дистиллята Р.

Рабочие линии располагаются ниже линии равновесия. Анализ положения рабочих линий в зависимости от величины флегмового числа позволяет найти пределы изменения значений R и его выбор для оптимальной организации процесса. Практически флегмовое число не бывает задано, и его нужно правильно выбрать. Необходимо учитывать и эксплуатационные затраты на проведение процесса, которые вносят существенный вклад в общую стоимость процесса с повышением флегмового числа,число теоретических тарелок уменьшается.

Смотри:

Процессы и аппараты химической технологии, Дытнерский Ю.И. том 2, Москва, Химия, 2002, стр. 99-101,118-126

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, Айнштейн В.Г, том 2, Москва, 2003, стр. 1010-1018

Сущность процесса ректификации можно характеризовать как разделение жидкой смеси на дистиллят и остаток в результате противоточного взаимодействия жидкости и пара.

Кол-во дистиллята, полученного в конденсаторе, равно кол-ву пара, направляющемуся в это устройство. Полученный в конденсаторе дистиллят делится на две части – одна часть направляется обратно в колонну (флегма), другая явл. отбираемым продуктом (дистиллят).

Пусть для получения 1 кмоль дистиллята необходимы испарение Dкмоль жидкости и возврат в апп. Путем конденсации для взаимодействия с паровым потокомRкмоль. Последнюю величину назовемфлегмовым числом;она представляет собой отношение кол-ва возвращенного в колонну дистиллята (флегмы) к кол-ву отобранного дистиллята в виде продукта.

Для определения ф.ч. и вывода уравнений линий рабочих концентраций необходимо рассмотреть мат. баланс ректификации.

С уменьшениемф.ч. и, следовательно, затрат тепла на проведение процесса уменьшается движущаяся сила и наоборот.

Оптимальное (рабочее) флегмовое число можно найти, исходя из минимального объема колонны.

Кол-во пара, проходящего ч/з ректификационную колонну, равно G_P (R+1), а объемная скорость его

V_{G =} G_P (R+1)/(3600ρ_G).

где V_G- объемная скорость пара в колонне, м³/с;ρ_G– плотность смеси, кг/ м³;G_P– кол-во дистиллята, кг/ч.

14.01.07,А.Н.Плановский, П.И.Николаев, «Процессы и апп. хим. нефтехим. технологии». Москва, химия,1987,стр.270-275

Билет № 17

Вопрос № 3

Классификация ректификационных колонн. Основные типы колонн и их элементы.

Ректификационными колоннами наз. вертикальные цилиндрические апп., предназначенные для четкого разделения смеси двух взаимно растворимых жидкостей с получением целевых продуктов требуемой концентрации. Такое разделение беспечивается в результате процесса ректификации, под которым понимают двухсторонний массообмен м/у двумя фазами р-ов, одна из которых паровая, другая- жидкая. Диффузионный процесс разделения жидкостей ректификацией возможен при условии, что температуры кипения жидкостей различны.Для осуществления диффузии пары и жидкости должны как можно лучше контактировать м/у собой, двигаясь в рект. колонне навстречу друг другу: жидкость под собственным весом сверху вниз, пары- снизу вверх.

Для обеспечения эффективного контактирования фаз ректификационные колонны снабжапются внутренними устройствами. В зависимости от конструкции этих устройств осуществляется непрерывное (в насадочных колоннах) и ступенчатое (в тарельчатых колоннах) контактирование фаз. В результате противоточного контактиравания паровая фаза обогащается низкокипящими компонентами, а жидкая- высококипящими

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Ректификация — массообменный процесс разделения однородной смеси летучих компонентов, осуществляемый путем про-тивоточного многократного взаимодействия паров, образующихся при перегонке, с жидкостью, образующейся при конденсации этих паров.

Разделение жидкой смеси основано на различной летучести веществ. При ректификации исходная смесь делится на две части: дистиллят — смесь, обогащенную низкокипящим компо­нентом (НК), и кубовый остаток — смесь, обогащенную высоко­кипящим компонентом (ВК).

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке (см. рис. 9.8) основным аппаратом которой является ректификационная колонна, в которой пары перегоняемой жид­кости поднимаются снизу, а навстречу парам стекает жидкость, подаваемая в виде флегмы в верхнюю часть аппарата.

Процесс ректификации может протекать при атмосферном давлении, а также при давлениях выше и ниже атмосферного. Под вакуумом ректификацию проводят, когда разделению под­лежат высококипящие жидкие смеси. Повышенное давление применяют для разделения смесей, находящихся в газообразном состоянии при более низком давлении. Атмосферное давление принимают при разделении смесей, имеющих температуру ки­пения от 30 до 150°С.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

Классификация ректификационных колонн

Ректификационные колонны могут быть классифицированы в зависимости от: а) внутреннего устройства, обеспечивающего контакт между паром и жидкостью; б) давления, применяемого в процессе ректификации; в) назначения колонны.

По внутреннему устройству ректификационные колонны под­разделяются на две основные группы: тарельчатые и насадочные. В тарельчатых колоннах контакт между жидкой и паровой фазами в основном происходит ступенчато в слое жидкости на тарелке и частично в межтарельчатом пространстве.

В насадочпой колонне контакт между массообменивающимися потоками происходит непрерывно по высоте слоя насадки. Тарельчатые ректификационные колонны подразделяются на колпачковые и бесколпачковые (ситчатые, решетчатые, дырчатые и др.).

В зависимости от способа перетока жидкости с тарелки на тарелку бесколпачковые тарелки могут быть провального типа, в которых жидкость стекает на нижележащие тарелки через отверстия в тарелке, или с переливами, как и у колпачковых тарелок.

Насадочпые колонны различаются по типу применяемой насадки, а также по способу заполнения ко­лонны насадкой — сплошным слоем по всей высоте колонны или отдельными слоями, размещенными на специальных поддерживаю­щих распределительных решетках (тарелках).

В зависимости от применяемого давления ректификационные колонны подразделяются на вакуумные, атмосферные и колонны, работающие под давлением.

Под атмосферными колоннами обычно подразумевают колонны, в которых давление незначительно превышает атмосферное. Давление в этих колоннах зависит от величины сопротивления внутренних устройств колонны, а также от сопротивления коммуникаций и аппаратуры, расположенной после колонны, на потоке паров ректификата.

Степень разделения смеси жидкостей на составляющие компоненты и чистота получаемых дистиллята и кубового остатка зависят от того, насколько развита поверхность контакта фаз, от количества подаваемой на орошение флегмы и устройства ректификационной колонны.

В промышленности применяют тарельчатые, насадочные, пленочные трубчатые и центробежные пленочные аппараты. Они различаются в основном конструкцией внутреннего устройства аппарата, назначение которого — обеспечение взаимодействия жидкости и пара.

Преимущественное использование тарельчатых колонн в процессах перегонки объясняется их значительно большей производительностью по сравнению с насадочными.

При выборе ректификационной колонны для проектируемого разделения следует иметь ввиду, что тарельчатые колонны очень малого диаметра значительно дороже соответствующих насадочных колонн, однако по мере увеличения диаметра стоимость насадочных колонн возрастает значительно быстрее. Приблизительно можно считать, что стоимость насадочной колонны растет пропорционально квадрату диаметра, а колпачковой — диаметру в первой степени. Следовательно, за пределами некоторого гра­ничного значения диаметра использование тарельчатых колонн должно быть более экономичным.

Длительный опыт промышленной эксплуатации насадочных колонн показал целесообразность их использования при диа­метрах не более 0,8 м. При дальнейшем увеличении диаметра насадочной колонны ухудшается равномерное распределение флегмы по насадке, образуются каналы, по которым преимущественно устремляется флегма, и эффективность колонны резко снижается.

Наиболее распространены колпачковые тарельчатые колонны, хотя в последнее время получили преимущество ситчатые, клапанные, чешуйчатые и другие более эффективные виды барботажных устройств, главным назначением которых является максимальное развитие межфазного контакта, что способствует интенсификации массообмена между парами и флегмой. Помимо этого выбор типа контактного устройства определяется и та­кими факторами, как экономия материала, стоимость, легкость изготовления, чистки и ремонта, стойкость к коррозии, малое падение напора при прохождении паров, широта диапазона устойчивой работы тарелки.

Типы тарелок

Типы

1 ситчатые

2 ситчато-кла-панные

3 клапанные; колпачковыс

4 - - жалюзиппо-клапаппые

5 -— колпачковые

Смотри:

Фарамазов С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация, Москва, Химия, 1978, стр. 121-144

Химия и технология нефти и газа, Эрих В.Н., Ленинград, Химия, 1985, стр. 125-129

Справочник нефтепереработчика, Ластовкин В.А, Ленинград, Химия, 1986, 326-334

Билет № 18

Вопрос № 2

Виды сушки. Параметры влажного воздуха. Устройство сушилок.

Сушка- процесс удаления влажности из в-в (обычно тв. тел) путем ее испарения и отвода образующихся паров.

По способу подвода теплоты их различают:

• конвективную- непосредственно контакт материала или агента. Подвод теплоты осуществляется газовой фазой, кот. в процессе сушки охлаждается с увеличением своего влагосодержания;

• контактную- реализуется путем передачи теплоты от т/носителя к материалу ч/з разделяющюю их стенку;

• радиационную- путем передачи теплоты инфракрасным излучением;

• сублимационную- влага удаляется из материала в замороженном состоянии (обычно в вакууме);

• диэлектрическая- при которой материал высушивается в поле токов высокой частоты.

Смесь сухого газа с парами жидкости называют влажным газом.Влажный газ характеризуют следующими параметры: Т, Р, плотность, относительная и абсолютная влажность, т/емкость, энтальпия.

Влажный воздух, кот. наиболее часто используют в кач-ве сушильного агента, можно считать при небольших Р и положительных Т бинарной смесью идеальных газов: воздуха и в.п.

Абсолютная влажность- это масса в.п. в единицу объема влажного воздуха.

Относительная влажность- это отношение кол-ва паров жидкости в газе к мах возможному при данной Т и общем Р или отношение плотности пара (p_п) при данных условиях к плотности насыщенного пара (p_н.п.) при тех же условиях.

φ=p_п/_pн.п.

Влагосодержание- кол-во пара жидкости (в кг), приходящаяся на 1 кг абсолютно сухого газа

Х=G_П/L.