книги / Процессы и аппараты в технологии строительных материалов
..pdfФедеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
Б.С. Баталин
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ В ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Конспект лекций
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
УДК 691
ББК 38.3
Б28
Рецензенты:
доцент, канд. техн. наук С.В. Раскопин (Пермский государственный технический университет);
д-р техн. наук профессор И.А. Семериков (УГТУ – УПИ)
Баталин, Б.С.
Б28 Процессы и аппараты в технологии строительных материалов: конспект лекций / Б.С. Баталин. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 97 с.
ISBN 978-588151-915-5
Изложены теоретические основы технологических процессов в производстве строительных материалов и изделий, основы теории подобия, теории моделирования, основные сведения об элементарных процессах в технологии строительных материалов.
Предназначен для студентов-заочников специальности «Производство строительныхматериалов,изделийиконструкций»испециалистоввобласти производствастроительныхматериалов.
УДК 691
ББК 38.3
ISBN978-588151-915-5 |
© ГОУ ВПО «Пермский |
|
государственный технический |
|
университет», 2008 |
|
Содержание |
|
ВВЕДЕНИЕ..................................................................................... |
5 |
|
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССАХ |
|
|
И АППАРАТАХ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ |
|
|
МАТЕРИАЛОВ............................................................................... |
7 |
|
|
1.1. Классификация основных процессов................................. |
8 |
|
1.2. Расчет процессов и аппаратов............................................ |
10 |
|
1.3. Интенсивность процессов и аппаратов............................. |
12 |
|
1.4. Определение основных размеров аппарата...................... |
13 |
2. |
ПОДОБИЕ ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ.......................... |
15 |
|
2.1. Теорема подобия.................................................................. |
15 |
|
2.2. Метод анализа размерностей.............................................. |
23 |
|
2.3. Моделирование процессов и аппаратов............................ |
25 |
3. |
Механические процессы.......................................... |
31 |
4. |
ГИДРОДИНАМИКА................................................................. |
34 |
5. |
ТЕПЛООБМЕН......................................................................... |
39 |
6. |
МАССООБМЕН........................................................................ |
41 |
7. |
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС |
|
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЕРАЦИИ.................................... |
44 |
|
|
7.1. Элементы системного подхода........................................... |
44 |
|
7.1.1. Предприятие строительных материалов |
|
|
как система............................................................................. |
44 |
|
7.1.2. Функциональная модель............................................. |
49 |
|
7.1.3. Структурная модель.................................................... |
52 |
|
7.2. Технологические операции и элементарные процессы... |
54 |
|
7.2.1. Измельчение................................................................. |
54 |
|
7.2.2. Перемешивание........................................................... |
55 |
|
7.2.2.1. аппараты с мешалками – смесители...................... |
55 |
|
7.2.2.2. Гидродинамика смешивания................................... |
56 |
7.2.2.4. Методы оценки качества смеси............................... |
62 |
7.2.3. Формование.................................................................. |
63 |
7.2.3.1. Теоретические основы формования....................... |
63 |
7.2.3.2. Способы формирования........................................... |
68 |
7.2.4. Тепловая обработка строительных материалов........ |
73 |
7.2.4.1. Сушка......................................................................... |
73 |
7.2.4.2. Пропаривание и автоклавирование........................ |
77 |
7.2.4.3. Обжиг........................................................................ |
78 |
7.3. Основные задачи автоматизации технологических |
|
процессов.......................................................................................... |
82 |
Список рекомендуемой литературы.............................................. |
96 |
ВВЕДЕНИЕ
Предмет курса «Процессы и аппараты»
В производстве строительных материалов осуществляются разнообразные технологические процессы, приводящие к глубокимизменениямагрегатногосостояния,структурыисоставаисходных веществ: химические реакции, физические (в т.ч. механические) процессы, физико-химические превращения. Все это связано с такими воздействиями на вещество, как перемещение жидкостей и твердых материалов, дробление, помол, классификация (сортировка), нагревание и охлаждение, обжиг, сушка, перемешивание.
Эффективность и рентабельность производства зависит от способа проведения этих процессов.
Приведем несколько примеров самых общих технологических схем производства наиболее широко применяемых строительных материалов:
Производство цемента: дробление – помол – смешивание – об- жиг–помол.
Производство кирпича: дробление – смешивание – формование – обжиг.
Производствобетонныхизделий:смешивание–формование– пропаривание.
Производствощебня:дробление–классификация(грохочение). Производство пластмассовых изделий: смешивание – нагре-
вание – формование.
Производство различных материалов включает однотипные процессы, характеризуемые одинаковыми закономерностями. Эти процесы проводятся в аналогичных по принципам действия машинах и аппаратах.
Процессы и аппараты, общие для различных отраслей промышленности строительных материалов, называют основными процессами и аппаратами.
Дробилки и мельницы, транспортеры пневматические и гидравлические, мешалки, обжиговые печи и т.п. применяются при производстве самых различных материалов.
Вкурсе«Процессыиаппараты»изучаюттеориюосновныхпроцессов,принципыустройстваиметодырасчетааппаратовимашин.
Задачей курса является выявление аналогий в прохождении внешне разнородных процессов, в устройстве аппаратов независимо от отрасли промышленности стройматериалов, в которой они применяются, на основе анализа закономерностей, присущих этим процессам и аппаратам. При этом используются фундаментальные законы физики, химии, физхимии, термодинамики, теории твердого тела, теории моделирования и подобия, экономики и т.д., и т.п.
Вкурсе изучаются также закономерности перехода от лабораторных процессов и установок к промышленным. Процессы, изученные в лаборатории, не всегда могут быть без изменений перенесены в промышленные условия. Даже такой технологически простой процесс, как твердение бетона в лаборатории, отличается от твердения бетона того же состава в теле плотины. Здесь, помимо химической сущности процесса, сказываются такие факторы, как тепловыделение бетона, скорость теплопередачи через бетон, скорость высыхания и т.п. Все эти факторы определяют макрокинетику процесса.
Именно макрокинетику и изучает курс. При этом используются данные микрокинетики, т.е. кинетики процессов, протекающих элементарно на молекулярном уровне.
Таким образом, курс «Процессы и аппараты» – важный раздел теоретических основ технологии строительных материалов, теоретическая технология.
Курс тесно связан с химической технологией, т.к. почти все процессы технологии строительных материалов на элементарном уровне могут быть сведены к химическим и физико-химическим процессам.
Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах
В России идея об общности различных процессов и аппаратов в химической технологии впервые была высказана в 1828 г. профессором Ф.А. Денисовым. Основанная на этой идее дисциплина была введена в 90-е гг XIX в. В Петербургском технологическом институ-
те профессором А.К. Крупским и несколько позднее – профессором И.А. Тищенко в Московском высшем техническом училище. Они являютсяосновоположникамикурсавнашейстране.
Учебник А.К. Крупского вышел в 1909 г. В США аналогичный труд вышел в 1923 г. (Уокер, Льюис, Мак-Адамс).
Большой вклад в науку о процессах и аппаратах внесли Д.П. Коновалов, А.Ф. Фокин, К.Ф. Павлов. Из зарубежных авторов следует отметить американцев В. Бреджера и В. Мак-Кэба (книга на русском языке появилась в 1933 г.).
Наука о процессах и аппаратах в течение последних 50 лет интенсивно развивалась. Но ее развитие шло в основном в приложении кхимическойтехнологииивтеснойсвязисней.Однаковпоследние годытеорияпроцессовиаппаратовнашлаприменениеидляпроектированияпроизводствавтехнологиистроительныхматериалов.
В наше время значительный вклад в развитие науки о процессах и аппаратах и становление методики преподавания этого курса внесли профессора В.А. Вознесенский, Н.Ф. Еремин, Ш.М. Рахимбаев другие ученые-педагоги.
Развитие компьютерной техники, возникновение компьютерных технологий позволяет теперь быстро и эффективно решать задачи, связанные с оптимизацией технологических процессов, аппаратов для их осуществления. Компьютерные технологии позволяют применять новые современные методы моделирования технологических объектов, реализовать перенос данных, полученных в лабораторных условиях, в условия реального производства. Компьютер становится повседневным орудием труда технолога.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССАХ И АППАРАТАХ
ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Цель изучения раздела: Результатом изучения главы должно быть знание классификации процессов и аппаратов, умение составить уравнение материального баланса и кинетическое уравнение процесса, а также умение составить уравнение для вычисления основного размера аппарата.
1.1.Классификация основных процессов
Взависимости от законов, определяющих скорость протекания процессов, различают:
1. Гидромеханические процессы – скорость их определяется законами гидродинамики.
2. Тепловые процессы – скорость определяется законами теплопередачи.
3. Массообменные процессы (диффузионные) – скорость их определяется скоростью переноса одного или нескольких компонентов смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз (законы массопереноса) (растворение, кристаллизация, сушка, гидратация вяжущих). Массообмен тесно связан с гидродинамическими условиями и теплопереносом.
4. Химические (реакционные) процессы – протекающие со скоростью, определяемой законами химической кинетики. Однако химическим реакциям обязательно сопутствует перенос массы и энергии, а следовательно, скорость химических реакций зависит и от гидродинамических условий и теплопередачи.
5. Механические процессы – описываются законами механики твердых тел (дробление, помол, сортировка, смешивание твердых компонентов).
Особая группа механических процессов связана с переработкой материалов в изделия – прессование, литье, экструзия и т.п.
По способу организации процессы делятся на периодические и непрерывные.
Периодические процессы проводят в аппаратах, в которые загружают исходные продукты, после их обработки выгружают готовые конечные продукты процесса. Затем весь цикл повторяется сначала. Таким образом в периодическом процессе все его стадии проходят в одном аппарате (одном месте), но в разное время (смешивание бетонной смеси).
Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах.
Поступление исходных продуктов и выгрузка конечных идет непрерывно и одновременно. Поэтому в непрерывном процессе все стадии проходят в одно время, но в разных точках пространства (зонах аппарата) (обжиг керамзита).
Существуют еще и комбинированные процессы. Это непрерывные процессы, некоторые стадии которых проводятся периодически, или периодические процессы, ряд стадий в которых проходят непрерывно.
Непрерывные процессы имеют целый ряд преимуществ перед периодическими:
1) нет перерывов в выпуске конечных продуктов (отсутствуют затратыназагрузкуисходныхпродуктовивыгрузкуконечных);
2) возможностьболееполнойавтоматизацииимеханизации; 3) устойчивость режимов и более стабильное качество ко-
нечных продуктов; 4) большая компактность оборудования (меньшие произ-
водственные площади на единицу продукции, т.е. меньше капитальные и эксплуатационные затраты);
5) более полное использование подводимого или отводимого тепла,возможностьиспользования(рекуперации)отводимоготепла.
Таким образом, непрерывные процессы выгоднее и технологически и экономически. Периодические же сохраняют свое значение в мелкомасштабном производстве или при выпуске небольших партий (серий) продукции.
Взависимости от изменения параметров процессов во времени (скоростей, температур, концентраций и т.п.) их можно разделить также на установившиеся (стационарные), неустановившиеся (нестационарные) и переходные.
Вустановившихся процессах значения каждого параметра постоянны во времени; в неустановившихся – переменны, т.е. изменяют свои значения и в пространстве, и во времени. Неустановившимися являются периодические процессы. Непрерывныепроцессыявляютсястационарными,анестационарны они только в период пуска (короткий промежуток времени).
Непрерывные процессы отличаются от периодических временем пребывания различных частиц в аппарате (реакционной зоне). В периодических аппаратах все частицы пребывают одно
ито же время. В непрерывных это время может быть сильно отличным для разных частиц.
С этим связано изменение и других факторов, влияющих на процесс (температур, концентраций и т.п.). По этим признакам
различают две теоретические модели аппаратов непрерывного действия: идеального вытеснения и идеального смешения.
Ваппаратах идеального вытеснения все частицы движутся
взаданном направлении не перемешиваясь и все время вытесняя движущиеся впереди частицы. Здесь время пребывания всех частиц в аппарате одинаково, они равномерно распределены по сечению аппарата.
Ваппаратах идеального смешения поступающие частицы сразу смешиваются с уже находящимися в аппарате, т.е. равномерно распределяются в объеме аппарата. За счет этого в любой точке объема параметры, характеризующие процесс, мгновенно выравниваются. Время пребывания в аппарате для разных частиц различно.
Реальные аппараты непрерывного действия – аппараты промежуточного типа. В них время пребывания частиц более равномерно, чем при идеальном смешении, но никогда не выравнивается как при идеальном вытеснении.
1.2. Расчет процессов и аппаратов
Расчет процессов и аппаратов имеет следующие цели:
1. Определение условий предельного или равновесного состояния системы.
2. Вычисление расхода исходных материалов и количества конечных продуктов, а также количества энергии (тепла) и количества теплоносителей.
3. Определение оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхности (или объема) аппарата.
4. Вычисление основных размеров аппарата.
Отсюда вытекает содержание расчетов и их последовательность.
Началом расчетов является определение и анализ статики процесса, т.е. рассмотрение данных о равновесном состоянии системы, на основе которых определяют направление протекания процесса и возможные пределы его существования. По этим данным находят предельные значения параметров процесса, необходимые для вычисления его движущей силы.
10