1.Prednáška ___________________________________________________________________________________________________ _________________________________ ÚVOD do predmetu Chemické inžinierstvo Chemické inžinierstvo - návrh, projekcia, riadenie výrobných postupov a zariadení... Uplatnenie chemický priemysel, ropný priemysel, priemysel palív a energetiky, banícky a hutnícky priemysel, stavebný priemysel, potravinársky a spotrebný priemysel, poľnohospodárstvo.... Napriek rozdielnosti chemických výrob, ich skladba pozostáva zo zariadení a operácií, ktoré sa vyznačujú rovnakou fyzikálnou podstatou Koncept jednotkových operácií Jednotková operácia – základný fyzikálny proces, ktorý sa v rôznych postupoch opakuje, jeho podstata je rovnaká (usadzovanie, filtrácia, fluidizácia, miešanie...) Mechanické operácie – odovzdávanie hybnosti (transport tekutín; oddeľovanie tuhých častíc filtráciou, usadzovaním a inými postupmi...) Delenie jednotkových operácií: Tepelné operácie – prestup tepla (odovzdávanie tepla medzi dvoma tekutinami, zahusťovanie roztokov pri teplote varu...) Difúzne operácie – prestup látky (destilácia, extrakcia, absorpcia, adsorpcia...) Prvotné podklady návrhu výrobného zariadenia V procese prevádzkovania - kvantifikácia technologických problémov, a komplexné analýzy Bilancie – základ rozboru výrobného procesu Bilancovateľné veličiny Hmotnosť (Zákon zachovania hmotnosti) Energia (Zákon zachovania energie) Hybnosť (Zákon zachovania hybnosti) Bilančná sústava (systém) Časť priestoru od okolia oddelená skutočnými, alebo fiktívnymi hranicami Uzavretá Otvorená Bilančné obdobie časový interval v ktorom sa zostavuje bilančná súvaha Neprietokový systém – dej sa realizuje jednorazovo Prietokový systém – dej sa uskutočňuje nepretržite sústava je vždy v neustálenom stave - niektoré z fyzikálnych veličín sa časovo menia začiatok a koniec procesu ak je sústava v ustálenom stave, fyzikálne veličiny nezávisia od času 1s, 1h, 1deň... Látkové (materiálové) bilancie v makrosústave Bilancie v neprietokových (vsádzkových) a prietokových sústavách Množstvo látky vstupujúce do bil. sústavy = Množstvo látky z bil. sústavy vystupujúce + Akumulácia látky v bil. sústave – množstvo vlastnosti hromadiace sa v systéme v priebehu deja Vyjadrenie zloženia zmesí: xA , wA, XA, WA, cA, Vlastnosti zmesí: Mzm , rzm Zdrojové členy: x, Xj Neprietokový systém: Látkové množstvo, hmotnosť Prietokový systém: Tok látkového množstva, hustota toku látkového množstva; tok hmotnosti, hustota toku hmotnosti Energetické bilancie v makrosústave !!! Aplikácia I. ZT pre uzavretú sústavu a pre otvorenú sústavu Sústava Uzavretá Otvorená Energetická bilan. Tepelná bilancia dQ=dU+dw dQ=dU [V] dQ=dH [P] dQ=dH+dws dQ=dH Energia sústavy pri začatí deja + teplo do sústavy dodané = Energia sústavy po ukončení procesu + práca sústavou vykonaná Bilancie v neprietokových (vsádzkových) sústavách Súčet energií a tepla do systému privedených = Súčtu energií a práce zo systému odvedených + Akumuláciaenergie Bilancie v prietokových sústavách E:\Moja zlatá manželka\CHI I\Obrazky CHI-1\O2.JPG Q = (U2-U1) + (Ek2-Ek1) + (Ep2-Ep1) + (P2V2-P1V1) + Ws U2-U1 zmena vnútornej energie prúdiacej tekutiny Ek2-Ek1 zmena kinetickej energie prúdiacej tekutiny Ep2-Ep1 zmena potenciálovej energie prúdiacej tekutiny P1V1 objemová práca vykonaná pri vtláčaní objemu V1 proti tlaku P1 P2V2 objemová práca, ktorú vykoná tekutina pri výstupe z potrubia Ws práca dodaná tekutine (odobraná turbínou...) Entalpia: H=U+PV Ak kinetický a potenciálový člen môžeme zanedbať a práca je nulová, potom Q=DH platnosť bez obmedzenia!!! I. ZT pre otvorenú sústavu Bilančné rovnice – matematická formulácia kvantitatívnych väzieb – zostavené sú na základe zákonov zachovania Integrálne bilančné rovnice (spriemernené hodnoty fyz. veličín) Integrálna sústava – makrosústava, sústava konečných rozmerov Diferenciálna sústava – mikrosústava, sústava nekonečne malej dimenzie Diferenciálne bilančné rovnice (opisujú polia závisle premenných veličín) Bilancie v diferenciálnej sústave Cieľ: opísať polia závisle premenných veličín v zariadení (koncentračné, teplotné a rýchlostné polia) Opis: cez lokálny elementárny objem dV bilančnej mikrosústavy prúdi spojité prostredie Okamžitá rýchlosť akumulácie veličiny v lokálnom element. objeme dV kontinua = Okamžitá rýchlosť vstupu veličiny do lokál. element. objemu dV kontinua prúdením + Okamžitá rýchlosť vstupu veličiny do element. objemu dV kontinua molekulárnym transportom Okamžitá rýchl. tvorby veličiny vo vnútri objemu dV kontinua + Len informatívne Bilancované veličiny: extenzitná veličina: m, E, (mv) intenzitná veličina: r , e, (r v) Bilancia hmotnosti v mikrosústave ! príspevok mol. transportu hmotnosti a zdrojový člen je nulový, (ZZH) Rovnica kontinuity v- lokálna rýchlosť spojitého prostredia v=v(t, x, y, z) r - objemová hmotnosť, (rv) – objemová hybnosť Dôsledok priestorovej nehomogenity Divergencia vektora lokálnej rýchlosti prúdenia tekutiny Dôsledok neustálenosti poľa hustoty Ustálené pole ® Priestorovo homogénne pole ® Nestlačiteľná tekutina Aplikácia - potrubie ® vyvinutý ustálený tok tekutiny v smere osi potrubia z Rovnica kontinuity pre potrubie Bilancia hmotnostného toku v potrubí Dutý valec objemu ΔV, polomeru r , hrúbky Δr a dĺžky Δz rez – medzikružie, !!! Rovnosť platí ak súčin (rvz) cez určitú plochu medzikružia je konštantný Priemerná rýchlosť prúdiacej tekutiny v potrubí Δz r r+Δr Bilancia hmotnostného toku v rozvetvených potrubiach Obr. Tok tekutiny v rozvetvenom potrubí r1 w1 S1 r3 w3 S3 r4 w4 S4 r2, w2, S2 Rovnica kontinuity pre uvedený makrosystém má tvar Bernoulli_Daniel