Процессы и аппараты химической технологии в технике защиты окружающей среды

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

К. Р. ТАРАНЦЕВА, К. В. ТАРАНЦЕВ

ПРОЦЕССЫ И ДППДРДТЫ 
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕКИ ОООЕИИ 
в ТЕХНИКЕ ЗДП1ИТЫ 
ОКРУЖАЮ 01 ЕЙ СРЕДЫ

Учебное пособие

Жидкость

ПЕНЗА 2006

Ф ЕД ЕРА Л ЬН О Е А ГЕН ТС ТВ О  ПО О БРА ЗО ВА Н И Ю

Государственное образовательное учреждение 
высшего профессионального образования 
«Пензенский государственный университет»

К. Р. Таранцева, К. В. Таранцев

Процессы и аппараты 
химической технологии 
в технике защиты окружающей среды

Допущено 
учебно-методическим 
объединением 
вузов 
по университетскому политехническому образованию в качестве 
учебного 
пособия 
для 
студентов 
высших 
учебных 
заведений, 
обучающихся по направлению 656600 (280200) -  Защита окружающей 
среды (специальности 330200 -  Инженерная защита окружающей 
среды)

Издательство 
Пензенского государственного 
университета 
Пенза 2006

УДК 628.5 

ББК 20.1 

Т19

Рецензенты:

Кафедра «Экология и безопасность жизнедеятельности» Пензенского 
государственного университета 

Кандидат технических наук, профессор 
Российского государственного технологического 
университета им. К. Э. Циолковского (МАТИ), 
член УМК по специальности 330200 «Инженерная защита окружающей среды» 
объединенного совета направлений 656500, 656600, 553500 
«Техносферная безопасность»

П. П. Кукин

Т19 
Таранцева, К. Р.

Процессы и аппараты химической технологии в технике защиты окружающей среды : учеб. пособие / К. Р. Таранцева, К. В. Таранцев. -  
Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. -  484 с. : ил. -  Библиогр. : с. 482.

Рассмотрены теоретические основы гидромеханических, тепловых и массообменных процессов химической технологии, применяемых в природоохранной технике. Показаны схемы и принцип действия аппаратов для их 
проведения. Даны методы расчета типовых процессов и аппаратов.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Инженерная экология» 
и предназначено для студентов направления 655600 «Безопасность жизнедеятельности» (специальности 330200 «Инженерная защита окружающей 
среды»),

УДК 628.5 

ББК 20.1

© Таранцева К. Р., Таранцев К. В., 2006

© Издательство Пензенского государственного 
университета, 2006

Предисловие........................................................................................................................... 4

1. Основы теории переноса импульса, теплоты, м ассы ........................................... 5

2. Теория подобия...............................................................................................................  24

3. Гидродинамика и гидродинамические процессы.................................................... 42

4. Тепловые процессы и аппараты .................................................................................. 193

5. Массообменные процессы и аппараты в системах со свободной границей 
раздела фаз ....................................................................................................................................294

6. Массообменные процессы с неподвижной поверхностью контакта ф а з  
383

Предисловие

Для студентов, обучающихся по направлению 656600 (280200) 
«Защита окружающей среды» (специальность 330200 «Инженерная 
защита окружающей среды»), крайне необходимо изучение физической сущности и основ процессов и аппаратов химической технологии, позволяющих снижать вредные выбросы от различных технологических производств.

Учебное пособие «Процессы и аппараты химической технологии 
в технике защиты окружающей среды» построено таким образом, 
чтобы при переходе от раздела к разделу сохранялась одинаковая 
структура изложения. Первый раздел «Основы теории переноса импульса, теплоты, массы» является фундаментом, теоретической базой 
курса; он связывает последующие разделы в единое целое. Во втором 
разделе предложены основы теории подобия, представляющей собой 
основное направление обобщенного анализа рассматриваемых процессов. Каждый из последующих разделов (гидромеханические, тепловые массообменные процессы и аппараты) начинается с главы, которая является теоретической основой типовых процессов данного 
класса. В остальных главах рассмотрены физико-химическая сущность, условия равновесия, принцип составления и примеры материальных балансов, 
кинетика конкретного процесса, а также устройство, принцип действия соответствующих аппаратов.

Данное учебное пособие может быть рекомендовано при изучении студентами дисциплин «Гидравлика и теплотехника», «Процессы и аппараты защиты окружающей среды», а также ряда дисциплин 
для специальности 280202(65) «Защита окружающей среды».

1. Основы теории переноса импульса, 
теплоты, массы

1.1. Возникновение и развитие науки 
о процессах и аппаратах защиты 
окружающей среды

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

Проблемой получения веществ без каких-либо отходов занимается нанотехнология -  новое направление науки, изучающее принципы 
«построения», или «складывания», из атомов веществ с заданными 
свойствами практически любых, в том числе и таких, которых пока 
нет в природе (для этого необходима лишь техника, которая установит данный атом в нужное положение в данной молекуле). Таким 
методом можно создавать из атомов «мозаики» и получать любые 
композиции (как сейчас мы используем кирпич и цемент, чтобы построить дом). Но нанотехнология пока делает лишь первые шаги, и 
ее практические результаты -  дело относительно далекого будущего. 
В решении сегодняшних экологических проблем значительная роль 
принадлежит процессам и аппаратам химической технологии (как 
при разработке новых малоотходных производств, так и при разра

ботке методов очистки сточных вод и газовых выбросов действующих производств).

Таким образом, овладение наукой о процессах и аппаратах позволяет:

-  при эксплуатации действующих производств выбирать наилучшие (оптимальные) технологические режимы, добиваться высокой 
производительности аппаратов, повышать качество продукции, успешно решать экологические проблемы;

-  при проектировании новых производств разрабатывать высокоэффективные и малоотходные технологические схемы и выбирать 
наиболее рациональные типы аппаратов;

-производить технически грамотный и научно обоснованный 
расчет выбранных аппаратов с использованием современных вычислительных средств, а также разрабатывать принципиально новые методы расчета процессов и аппаратов химической технологии;

-  при проведении научно-исследовательских работ изучать основные факторы, определяющие течение процессов, получать обобщенные зависимости для их расчета и быстро внедрять результаты 
лабораторных исследований в производство.

Курс «Процессы и аппараты защиты окружающей среды» базируется на курсе «Процессы и аппараты химической технологии». Создание химической технологии как науки в нашей стране началось в 
середине XVIII столетия и связано с именем М. В. Ломоносова, который впервые начал применять научные достижения на практике. 
Российские химики оказались впереди и в постановке курса процессов и аппаратов химической технологии. Мысль о создании такого 
курса в вузах России возникла давно. Профессор И. К. Коссов (Московская земледельческая академия) на съезде естествоиспытателей в 
России в 1869 г. впервые предложил выяснить общие закономерности в химических процессах. Эта идея была поддержана профессором М. Я. Китарры. Инициатива в создании курса процессов и аппаратов химической технологии принадлежит профессору И. А. Тищенко, впервые начавшему читать этот курс на химическом факультете МВТУ в 1911 г. Большое значение для его разработки имели 
труды профессора СПТИ А. К. Крупского.

Введение указанного курса в учебные планы МТИ им. Д. И. Менделеева и других технологических институтов позволило работникам 
высшей школы готовить инженера нового типа -  широкого профиля, 
знающего химическую технику и способного при необходимости 
эффективно переключаться с одного производства на другое.

Усилия профессоров и преподавателей МТИ им. Д. И. Менделеева: И. А. Тищенко, Н. Ф. Юшкевича, Н. Н. Ворожцова-ст., Б. С. Швецова, Я. И. Михайленко, М. П. Дукельского, П. П. Шорыгина и др. по 
повышению инженерного уровня технологического образования -  
были поддержаны прогрессивной профессурой других вузов, особенно академиком Д. П. Коноваловым, автором учебного руководства «Материалы и процессы химической технологии» (1924-1925) и 
профессором JI. Ф. Фокиным, автором книги «Методы и орудия химической техники» (1923) (одновременно в США вышла монография 
В. Уокера, В. Льюиса, В. Мак-Адамса «Принципы инженерной химии», впоследствии переведенная на русский язык).

Эти работы, а также книги «Аппаратура и основные процессы химической технологии» профессора А. А. Кирова (1927), «Методы 
расчета типовой химической аппаратуры» Л. Ф. Фокина и К. Ф. Павлова (1929) в течение многих лет использовались для инженерной 
подготовки студентов в отечественных технологических вузах. В 
этих курсах к практическим расчетам типовых химических аппаратов применены законы термодинамики и физической химии. Во втором издании книги «Методы расчета типовой химической аппаратуры» (1932) К. Ф. Павлов продолжил развитие теории таких процессов, как ректификация, получение холода и др. Им было проведено 
широкое обобщение условий линейности химико-технологических 
функций, известное в литературе как правило линейности Павлова.

К 1928-1929 гг., когда был восстановлен довоенный уровень промышленности страны, высшая школа уже обладала хорошо отработанной системой обучения студентов. К этому времени контингент 
студентов-химиков в вузах СССР на 2 тыс. человек превысил контингент студентов-химиков в такой развитой в химическом отношении стране, как Германия (всего в это время в СССР обучалось 8 тыс. 
студентов-химиков). Развитие отечественной химической промышленности в годы первых пятилеток потребовало от ученых расшире

ния проектных и научно-исследовательских работ, а также увеличения выпуска высококвалифицированных химиков-технологов и механиков. В начале 30-х гг. правительством СССР была проведена 
реорганизация высшего технического образования: разукрупнение 
технологических и политехнических вузов и создание специализированных отраслевых вузов (в том числе химико-технологического 
профиля). Так, в Москве из единого Московского химико-технологического института были выделены Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева (МХТИ), Московский институт 
химического машиностроения (МИХМ), Московский институт тонкой 
химической технологии им. М. В. Ломоносова (МИТХТ), Военно-химическая академия и химический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова.

В 1935-1937 гг. профессор МХТИ А. Г. Касаткин опубликовал 
учебник «Основные процессы химической технологии», получивший 
широкое распространение у нас в стране и за рубежом. По последовательному изменению содержания этого учебника (выдержавшего 
9 изданий и переведенного на немецкий, венгерский, польский, чешский, румынский, болгарский, китайский и другие языки) можно судить о ходе развития науки о процессах и аппаратах химической технологии. Учебник А. Г. Касаткина дополнила книга К. Ф. Павлова, 
П. Г. Романкова, А. А. Носкова «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии», выдержавшая 10 изданий 
и переведенная на 12 иностранных языков.

Для эволюции науки о процессах и аппаратах оказались весьма 
значимыми работы профессора А. А. Гухмана, академика М. В. Кир- 
пичева и других ученых в области теории физического моделирования, что открыло возможности для обобщения и утверждения общих 
взглядов на природу и механизм некоторых явлений.

Начиная с 50-х гг., химическая технология перешла на новый этап 
своего развития, характеризуемый увеличением темпов и масштабов 
роста промышленности, резким увеличением единичной мощности 
агрегатов и поточных линий, автоматизацией управления процессами. Стали ведущими проблемы создания теории непрерывных химических процессов, единых кинетических закономерностей, химических реакторов и т. д., включая вопросы инженерной экологии и 
энергосбережения. В настоящее время в большинстве химико-техно

логических, технологических, машиностроительных и политехнических вузов курс процессов и аппаратов -  основная инженерная дисциплина, закладывающая фундамент общей технической подготовки 
будущих специалистов-технологов и механиков. В этом курсе изучают 
теорию основных процессов, принципы устройства и методы расчета 
типичных аппаратов и машин, в которых осуществляются эти процессы 
на основе фундаментальных законов физики, химии, математики, термодинамики и других наук; кроме того, широко привлекаются методы 
математического моделирования, оптимизации и системного анализа.

Также необходимо отметить, что специальность «Процессы и аппараты химической технологии» является одной из главных в системе подготовки кадров высшей квалификации -  кандидатов и докторов наук по группе технологических специальностей.

Большое значение для развития отечественной науки о процессах 
и аппаратах химической технологии имеют академические и отраслевые периодические издания, такие как «Теоретические основы химической технологии», «Журнал прикладной химии», «Химическое и 
нефтегазовое машиностроение», «Химическая промышленность» и др.

1.2. Классификация основных процессов 
химической технологии

К одним из важнейших принципов науки о процессах и аппаратах химической технологии относятся теоретическое и технологическое обобщения и выявление физико-химических аналогий основных процессов.

По общепринятой классификации, основанной на кинетических 
закономерностях процессов, различают:

1. 
Гидромеханические процессы (рис. 1.1), скорость которых определяется законами гидродинамики:

у г “
= ^ г  = * 1Ар> 
0 -1)
Fax 
Щ

где jy  -  скорость гидромеханических процессов; V -  объем протекающей жидкости; F -  площадь сечения аппарата; т -  время; К\ -  коэффициент скорости процесса (величина, обратная гидравлическому сопротивлению R\ ); Ар -  перепад давления (движущая сила процесса).