Методические указания.

Значительное количество производственных процессов химической промышленности осуществляется в емкостном оборудовании. Это процессы нагрева, охлаждения, смешения жидкостей, разбавления растворов, растворения гранулированных или сыпучих материалов, кристаллизации, отгонки, химические превращения, догрузка и частичная разгрузка, а так же различные комбинации этих процессов.

Как правило, все эти операции протекают в нестационарных температурных режимах.

В каждом конкретном случае лимитирующим по длительности может быть тепловой или массообменный процесс. Как правило, лимитирующие процессы бывают и самыми энергозатратными. Снижение длительности лимитирующих процессов повышает производительность оборудования, снижает энергозатарты и себестоимость продукции.

Интенсивность тепло- и массообменных процессов в жидких продуктах определяется гидродинамической обстановкой в аппарате. Перемешивание резко увеличивает значения коэффициентов тепло- и массоотдачи, что, в свою очередь снижает время осуществления соответствующих процессов.

Теплоноситель в рубашке может отдавать тепло либо охлаждаясь, либо совершая фазовый переход (конденсируясь). При определенных условиях теплоотдача от теплоносителя в рубашке может лимитировать производственный процесс в целом.

Лимитирует процесс теплопередачи теплоноситель, для которого коэффициент теплоотдачи наименьший.

В емкостных аппаратах коэффициент теплоотдачи между перемешиваемой жидкостью и стенкой аппарата зависит от типа перемешивающего устройства:

-                     для турбинных мешалок

                                                        (1)

-                     для пропеллерных мешалок

                                                     (2)

-                     для лопастных мешалок

                             (3)

где    d и D - диаметры мешалки и аппарата соответственно, b - высота лопасти мешалки.

При наличии встроенных змеевиковых теплообменников в емкостных аппаратах коэффициент теплоотдачи между перемешиваемой жидкостью и встроенным змеевиковым теплообменником зависит от типа перемешивающего устройства:

-                     для турбинных мешалок

                                                      (4)

-                     для пропеллерных мешалок

                                                     (5)

-                     для лопастных мешалок

                                                       (6)

Здесь

n - частота вращения мешалки, об/мин;

d_м - диаметр мешалки;

в критерий Nu входит внешний диаметр трубки змеевика.

При турбулентном режиме движения теплоносителя в каналах                  

                                                           (7)

При пленочной конденсации на вертикальной поверхности коэффициент теплоотдачи зависит от расстояния х до верхней кромки

                                                                          (8)

усредненное по высоте значение коэффициента теплоотдачи определяется по уравнению:

                                                                                     (9)

         При наличии неконденсирующихся примесей

                                                                                            (10)

         где    a_пр - коэффициент теплоотдачи при наличии неконденсирующихся примесей,

                    p_пр - массовый процент неконденсирующихся примесей.

         При конденсации пара на окисленных и шероховатых поверхностях коэффициент теплоотдачи уменьшается на 30%.

 При развитом пузырьковом кипении в большом объеме коэффициент теплоотдачи может быть рассчитан по формуле:

                                                        (11)

 Теплоотдача при свободной конвекции для вертикальных пластин и труб

                                                                                       (12)

 значения C и N определяются следующим образом:

Интенсивность теплообмена в рубашке аппарата несколько снижается из-за наличия конденсата при обогреве паром и наличия застойных зон при охлаждении движущегося теплоносителя в отсутствии фазовых переходов.

В формулах (1) - (12) приняты типовые обозначения:

критерий Нуссельта:

критерий Прандтля:

критерий Галилея:

критерий Грасгофа:

 - теплофизические характеристики теплоносителя при его температуре: динамическая и кинематическая вязкости, теплопроводность, теплоемкость и плотность соответственно,

  - удельная теплота фазового перехода,

- коэффициент поверхностного натяжения,

 - коэффициент объемного расширения,

 - модуль разности температур теплоносителя и омываемой поверхности,

индекс cm означает, что значение характеристики берется при температуре стенки, которая в первом приближении может быть принята как среднее арифметическое температур теплоносителей.

Размерность всех физических величин - СИ.