Классификация основных процессов
Классификация основных процессов химической технологии может быть проведена на основе различных признаков.
I В основу классифицирующего признака положены основные законы, определяющие скорость протекания процессов:
I.1 Гидромеханические процессы
I.2 Тепловые процессы
I.3 Массообменные процессы
I.4 Химические процессы
I.5 Механические процессы
II В основу классифицирующего признака положен способ организации:
II.1 Периодические
II.2 Непрерывные
II.3 Комбинированные
III Классифицирующим признаком является изменение параметров ХТП во времени:
III.1 Установившиеся (стационарные)
III.2 Неустановившиеся (нестационарные)
IV В основу классифицирующего признака положен тип модели аппаратов непрерывного действия:
IV.1 Аппарат идеального вытеснения
IV.2 Аппарат идеального смешения
IV.3 Аппарат промежуточного типа
Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов
Расчеты процессов и аппаратов обычно имеют следующие основные цели:
а) определение условий предельного (равновесного) состояния системы;
б) вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, а также количеств потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей;
в) определение оптимальных режимов работы и соответствующих им рабочих поверхностей/объема аппарата;
г) вычисление основных размеров аппарата.
Эти задачи определяют содержание и последовательность расчетов:
1) Исходным этапом является изучение статики (равновесия) процесса, на котором определяют:
- движущую силу;
- направление протекания процесса;
- материальный и тепловой балансы.
2) Второй этап - исследование кинетики процесса, на этом этапе определяют скорость процесса.
3) По данным о скорости и движущей силе при выбранном оптимальном режиме работы аппарата находят его рабочую поверхность или объе м.
4) Зная величину рабочей поверхности/объема, определяют основные размеры аппарата.
Все процессы могут протекать только под действием движущей силы:
- для гидродинамических процессов – это разность давлений;
- для теплообменных процессов – разность температур;
- для массообменных процессов – разность концентраций веществ.
Здесь часто формулы получены на основании одного эмпирического правила, сформулируем его с помощью всем известного закона Ома.
| Сила тока I на участке цепи равна отношению напряжения U на этом участке к его сопротивлению R. |
Тогда способ создания движущей силы процесса может стать классифицирующим признаком.
| Массообменные (диффузионные) | Гидромеханические (гидродинамические) | Механические | Тепловые | Химические |
| Движущая сила – разность концентраций или градиент концентраций между соответствующими областями системы | Движущая сила – разность давлений или градиент давлений между соответствующими областями системы | Движущая сила – разность сил, давлений или градиент напряжений (сжатия, сдвига, растяжения) | Движущая сила – разность температур или градиент температур между соответствующими областями системы | Движущая сила – разность концентраций реагирующих веществ |
| Скорость процесса определяется: | ||||
| законами массопередачи | законами гидродинамики неоднородных систем | законами механики твердых тел | законами теплопередачи | законами химической кинетики |
| Особенности: всегда 2 или более фазы | Особенности: | Особенности: | Особенности: | Особенности: исходные вещества претерпевают коренные изменения, приводящие к появлению в системе новых вещ-в |
Во многих случаях в одном аппарате могут одновременно протекать несколько типовых процессов. Поэтому в основу классификации аппаратов / машин заложен основной (целевой) процесс (процесс определяющий назначение аппарата / машины).
Определение: Баланс [фр. balance буквально весы] – система показателей, характеризующая какое-либо явление путем сопоставления или противопоставления отдельных его сторон.
Сущность метода балансов:
а) определяют для какой именно субстанции необходимо записать баланс;
б) выделяют пространственный контур, для которого составляют баланс;
в) устанавливаю временной интерва л, для которого будет составлен баланс.
В качестве субстанции, для которой записывается балансовое соотношение, могут выступать, например,
- масса (материальный баланс),
- импульс (баланс импульсов (количества движения)),
- энергия (энергетический баланс).
Материальный баланс основан на законе сохранения массы.
Энергетический баланс основан на законе сохранения энергии.
Тепловой баланс является частью энергетического, где в качестве субстанции рассматривается тепло. В энергетическом балансе, кроме тепла, учитываются приход и расход всех видов энергии, например, затраты механической энергии на перемещение жидкостей.
Приход = Расход
Временной интервал. Для периодических процессов нередко баланс составляют для процесса от начала до конца или для бесконечно малого (элементарного) промежутка времени dτ. Для стационарных непрерывных процессов удобнее выбирать единицу времени 1 с.
Внимание: Без выбора субстанции, определения пространственного контура и установления временного интервала составление баланса лишено смысла.
Понятие: Система обладает симметрией, если в результате происходящих в ней изменений какая-то характеристика системы остается постоянной (инвариантной).
| 1) Однородность пространства | 2) Изотропность прстратранства | 3) Однородность времени |
| - это эквивалентность всех точек физического пространства | - это эквивалентность всех направлений в пространтсве | - это эквивалентность всех моментов времени |
| Отражает симметрию физической системы относительно паралелльного сдвига системы в любом направлении, не влияющему на характер протекающих в системе процессов | Отражает симметрию физической системы относительно её произвольного поворота, не влияющему на характер протекающих в системе процессов | Отражает симметрию физической системы относительно к сдвигу времени, не влияющему на характер протекающих в системе процессов |
Литература
1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. – М.: Альянс, 2004. – 750 с.
2. Скобло А.И. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. – М.: ООО «Недра-бизнесцентр», 2000. – 677 с.
3. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов.- М.: ООО»РусМедиаКонсалт», 2004. – 576 с.
4. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник, в 2-х кн./ Под ред. В.Г. Айнштейна. – М: Логос, Высшая школа, 2003