Лекция 1.
Автор Титов А.А.
Предмет и задачи курса
«Процессы и аппараты химической технологии».
Классификация химико-технологических процессов
Современная химическая технология изучает производства самых различных веществ: продуктов переработки нефти, каменного угля и природного газа, органических и неорганических веществ, полимерных и других материалов. В перечисленных и многих других технологиях, помимо собственно химических превращений, используются и новые процессы перемещения жидкостей и газов (паров), разделения гетерогенных, газовых (паровых) и жидких смесей, нагревания и охлаждения, разделения, обезвоживания капиллярно-пористых материалов, растворения, кристаллизации и др. Все эти процессы имеют одинаковую физическую и физико-химическую основу независимо от свойств взаимодействующих веществ. Поэтому методы анализа и расчетов, аппаратурное оформление также оказываются одинаковыми.
Процессы и аппараты, которые являются общими для различных отраслей промышленности, получили название «основные процессы и аппараты».
Процессами обычно называют изменения состояния веществ, происходящие при тех или иных условиях.
В окружающей нас природной среде наблюдаются явления, которые называются естественными процессами. К ним относятся, например, испарение воды с поверхности водоемов, нагрев и охлаждение поверхности земли под действием различных факторов и многие другие.
На основе данных, полученных в результате изучения естественных процессов и учета достижений науки и техники, разрабатываются и реализуются многочисленные промышленные процессы с целью переработки сырьевых продуктов природы в средства производства и предметы потребления. Такие процессы называются технологическими.
Выявление общности различных процессов и аппаратов и обобщение методов их расчета является важным элементом науки о процессах и аппаратах химической технологии. В предлагаемом курсе «Процессы и аппараты химической технологии» изучаются физико-химическая сущность и теория процессов, характерных для всех отраслей химической технологии, а также принципы устройства и инженерные методы расчета аппаратов, предназначенных для проведения химико-технологических процессов.
Курс процессов и аппаратов химической технологии призван дать студентам химико-технологического вуза достаточно широкие сведения, позволяющие ему в дальнейшем самостоятельно ориентироваться в конкретных технологических процессах – в их анализе, математическом описании и инженерном расчете, в подходах к выбору наиболее эффективной аппаратуры.
Теоретический фундамент учебной дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии» - это физика – наука об основных законах природы. Наиболее общие законы – это законы сохранения массы, энергии и количества движения.
Другая группа законов физики, широко используемая в настоящей дисциплине, - это кинетические законы переноса массы, энергии и количества движения. Эти законы определяют связи между количествами переносимой субстанции (потоком массы, энергии и количества движения), условиями, вызывающими эти потоки, и свойствами среды проводить эти потоки.
Поимо общих законов сохранения и кинетических законов переноса субстанции большое значение имеют сведения о термодинамических и физико-химических закономерностях поведения одно- и многофазных систем, в частности, об условиях равновесия систем, содержащих один или несколько компонентов.
Овладение наукой о процессах и аппаратах позволяет решать следующие задачи инженерной химии.
1. При эксплуатации действующих производств выбирать наилучшие технологические режимы, повышать производительность аппаратов и качество продукции, решать экологические вопросы.
2. При проектировании новых производств разрабатывать высокоэффективные и малоотходные технологические схемы и выбирать наиболее рациональные типы аппаратов.
Процессы химической технологии разделяют в зависимости от закономерностей, характеризующих их протекание, на пять основных групп.
Первая группа – гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики. К ним относятся осаждение взвешенных в жидкой или газообразной среде частиц под действием силы тяжести, центробежной силы или сил электрического поля, фильтрование жидкостей или газов через слой зернистого материала под действием разности давлений, перемешивание в жидкой среде, псевдоожижение твердого зернистого материала.
Вторая группа – тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи. В эту группу входят процессы нагревания, выпаривания, охлаждения и конденсации.
Третья группа – массообменные (диффузионные) процессы. Скорость этих процессов определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся абсорбция, ректификация, экстракция, сублимация, кристаллизация, адсорбция, сушка и др.
Четвертая группа – химические процессы, связанные с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.
Пятая группа – механические процессы – включает измельчение твердых материалов, классификацию сыпучих материалов и смешение их.
Общим для всех выше перечисленных групп процессов является перенос некоторой субстанции из одной точки в другую в пределах одной фазы или из одной фазы в другую через разделяющую их поверхность. Законы переноса количества движения, теплоты и массы, имеющие основополагающее значение для процессов химической технологии, характеризуются глубокой аналогией на молекулярном уровне. Аналогичны также закономерности переноса теплоты и массы между двумя взаимодействующими фазами (потоками).
При этом коэффициенты скорости различных процессов зависят в определенной степени от скорости движения потоков материалов, поэтому вывод всех кинетических закономерностей осуществляется с учетом законов движения материальных потоков.
В зависимости от того, изменяются или не изменяются во времени параметры процессов (скорости движения потока, температуры, давления, концентрации и т.д.), их подразделяют на стационарные (установившиеся) и нестационарные (неустановившиеся). Если обозначить совокупность параметров, влияющих на процесс, через U, то при стационарном процессе dU/dτ = 0, т.е. эти параметры могут изменяться в пространстве, но не изменяются во времени τ. При нестационарном процессе dU/dτ = 0, т.е. параметры, влияющие на процесс, изменяются не только в пространстве, но и во времени. Нестационарное состояние процесса возникает, например, в период пуска и изменения режима работы установок непрерывного действия.
Стационарные процессы отличаются стабильностью как ситуации в технологическом аппарате, так и характеристик получаемого продукта; они легко контролируются и управляются; для них обычно характерна высокая производительность.
По способу организации химико-технологические процессы подразделяют на периодические и непрерывные. Периодический процесс характеризуется единством места протекания отдельных его стадий и неустановившимся состоянием во времени (температура, давление, концентрация и другие параметры в ходе процесса изменяются). При этом исходные вещества периодически загружаются в аппарат и обрабатываются, а готовый продукт выгружается, т.е. все стадии процесса обычно осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Таким образом, все периодические процессы нестационарны.
Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием, непрерывной загрузкой исходных материалов и выгрузкой конечного продукта. При этом все стадии процесса протекают одновременно, но в разных точках аппарата (или аппаратов), причем в каждой его точке параметры процесса во времени не изменяются.
Непрерывные процессы обязательно осуществляются в открытых системах, т.е. в системах, обменивающихся веществом с окружающей средой.
Периодические процессы могут протекать как в замкнутых системах, не обменивающихся веществом с окружающей средой, так и в открытых системах.
Комбинированные процессы представляют собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий которого проводятся непрерывно.
Периодические процессы целесообразно применять в производствах небольшого масштаба, при часто меняющемся ассортименте выпускаемой продукции. Проведение процессов по непрерывному принципу позволяет значительно повысить производительность аппаратуры и качество получаемых продуктов, полностью автоматизировать и механизировать производство. Поэтому в промышленности, особенно в многотоннажных производствах, периодические процессы повсеместно вытесняются непрерывными. Применение периодических процессов оправдано в малотоннажных производствах с часто меняющимся ассортиментом выпускаемой продукции.