ГЛАВА I . КЛАССИФИКАЦИЯ И СПОСОБЫ ВЕДЕНИЯ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Методы переработки, применяемые при получении многочислен­ных химических продуктов и изделий, весьма разнообразны. Харак­терной особенностью технологических процессов в химических произ­водствах являются химические превращения, происходящие в ре­зультате химических реакций и приводящие к образованию веществ с отличными от исходных продуктов свойствами. Исходное сырье превращается в целевой продукт в результате химического взаимо­действия, сопровождающегося изменением физико-химических свойств, структуры и агрегатного состояния вещества. Химическое превращение сопровождается физическими, химическими и тепло­выми процессами, которые вместе с химической реакцией состав­ляют химико-технологический процесс.

Химико-технологический процесс помимо собственно химическо­го взаимодействия включает перемещение жидкостей и твердых ма­териалов, измельчение твердых тел, хранение, сжатие и перемеще­ние газов, нагревание и охлаждение веществ, разделение жидких и газовых неоднородных смесей, сушку и ряд других процессов. При этом способ проведения этих процессов часто определяет эф­фективность всего производства. Все стадии технологического про­цесса базируются на фундаментальных законах переноса массы, импульса и энергии, а также закономерностях химии, физики, ме­ханики и других разделов науки и техники.

Это позволяет классифицировать производственные процессы получения различных химических продуктов по принципу физиче­ской аналогии и рассматривать однотипные процессы, а также ап­параты для их проведения в специальной технической дисципли­не «Процессы и аппараты химической промышленности». В этом курсе изучаются основные химико-технологические процессы, типо­вые конструкции и принципы работы машин и аппаратов, в которых эти процессы проводятся. На основе этих знаний разрабатываются новые технологические процессы, осуществляются их проверка в лабораторных условиях и промышленное внедрение.

Как и любая другая техническая дисциплина, курс «Процессы и аппараты химической промышленности» претерпел значительные изменения со времени своего появления. В конце прошлого века и в начале нашего столетия ассортимент выпускавшихся химической промышленностью продуктов был невелик. Поэтому изучение ос­новных процессов и аппаратов сводилось лишь к накоплению дан­ных по отдельным производствам. Постепенное расширение ассор-

4

тимента продукции, разработка новых способов производства, необ­ходимость интенсификации промышленных процессов потребовали объединения разрозненных сведений по отдельным технологическим процессам. Это привело к образованию самостоятельной техниче­ской дисциплины, основы которой излагаются в настоящем по­собии.

Процессы химической технологии принято классифицировать в соответствии с законами, лежащими в их основе. Такая классифи­кация позволяет выделить следующие группы процессов: гидроме­ханические, тепловые, массообменные, механические и химические.

Гидромеханические процессы, — в разделе «Гидростатика» рас­сматривают вопросы равновесия жидкостей в состоянии покоя, «Гидродинамика» — изучают движение жидкостей и газов, разде­ление жидких, газовых неоднородных систем, перемещение их че­рез пористые перегородки и др.

Тепловые процессы включают нагревание, охлаждение реакци­онных масс, выпаривание растворов, конденсацию паров и ряд дру­гих процессов, протекающих при подводе или отводе тепла. Тепло­вые процессы изучаются на основе законов теплопередачи — науки о способах распространения теплоты в различных телах.

Массообменные и диффузионные процессы характеризуются пе­реносом компонентов исходной смеси внутри фазы и из одной фа­зы в другую посредством диффузии. К этой группе относятся про­цессы абсорбции, перегонки, экстракции, кристаллизации, адсорб­ции, сушки. Их протекание описывается законами массопередачи и зависит от гидродинамических и температурных условий.

Механические процессы измельчения твердых тел, транспорти­ровки, смешения и разделения сыпучих материалов подчиняются законам механики твердых тел.

Химические процессы протекают в соответствии с законами хи­мической кинетики и в ряде случаев зависят от процессов тепло- и массопереноса. Поэтому условия проведения химических процессов и их скорость определяются гидродинамическими и тепловыми па­раметрами.

Процессы химической технологии в зависимости от способа ор­ганизации делятся на периодические и непрерывные. Периодиче­ские процессы проводятся в аппаратах, которые работают в цик­лическом режиме. Цикл начинается с загрузки аппарата исходны­ми веществами. В аппарате ведется процесс переработки, и через определенный промежуток времени, достаточный для окончания процесса, готовые продукты выгружаются из аппарата. Разгрузка аппарата является окончанием цикла, который затем повторяется. Периодические процессы характеризуются тем, что все их стадии протекают в одном месте, но в разное время.

Непрерывные процессы осуществляются в условиях непрерыв­ной загрузки исходных материалов в аппарат и выгрузки продуктов переработки из аппарата. Все стадии непрерывного процесса проте­кают одновременно, но в различных частях технологической уста­новки.

5

В некоторых случаях используются комбинированные процес­сы, в которых отдельные стадии проводятся периодически, а поступ­ление сырья и выход продуктов переработки осуществляются не­прерывно.

Организация производства по непрерывно действующей схеме имеет ряд преимуществ: стабильность качества получаемого про­дукта, отсутствие потерь времени на загрузку и выгрузку аппара­тов, компактность оборудования, снижение энергетических потерь. Кроме того, непрерывные процессы легче поддаются автоматическо­му контролю и управлению. По этим причинам все многотоннажные производства организуются как непрерывно действующие. Однако организация и разработка непрерывного процесса более сложна и требует большего времени. Это связано с необходимостью учета уве­личения масштаба производства, условий перемешивания, подвода или отвода тепла и т. д.

Периодические процессы применяются в производствах неболь­шого масштаба при получении отдельных опытных партий, боль­шом ассортименте выпускаемой продукции.

Непрерывно действующие аппараты работают в одном из двух режимов. При первом режиме все поступающие в аппарат частицы движутся в заданном направлении без перемешивания при равно­мерном распределении по всему поперечному сечению аппарата. Время пребывания в аппарате одинаково для всех частиц. Движе­ние частиц в этом режиме подобно движению твердого порш­ня, поэтому такие аппараты называются аппаратами идеально­го вытеснения. Второй режим работы непрерывно действующего аппарата заключается в том, что поступающие в аппарат частицы материала полностью перемешиваются с находящимся там мате­риалом, равномерно распределяясь по всему объему. Время пре­бывания отдельных частиц в аппарате различно. Такие аппараты носят название аппаратов идеального смешения. Режимы работы реальных аппаратов занимают промежуточное положение между идеальным вытеснением и идеальным смешением, приближаясь к одному из них в большей или меньшей степени.

Основными исходными данными для эксплуатации действующих и расчета проектируемых аппаратов являются уравнения матери­ального и теплового балансов. Они устанавливают соотношение между количеством материала, поступающего на переработку, и ко­личеством полученного в результате переработки вещества. Из за­кона сохранения массы следует: Gi = G 2 + G ₃ , где G _{— количество поступающего материала; G ₂— количество полученного материала; G₃— потери материала. Величина G₃в уравнении материального баланса учитывает неполноту проведения основной, целевой хими­ческой реакции и механические потери, происходящие в реальных аппаратах. Уравнение материального баланса составляют как при расчете отдельных аппаратов, так и для сложных технологических схем.

Уравнение теплового баланса аппаратов записывается на осно­вании закона сохранения энергии. Левая часть уравнения представ-6

ляет собой количество подведенной к аппарату теплоты, правая — сумму отведенной теплоты и тепловых потерь. В общем виде урав­нение теплового баланса записывается как Qi + Q2+Q3 = Q4+Q5>где Qi— количество теплоты, вносимой с исходными веществами; Q ₂— количество подведенной теплоты; Q₃— количество выделяю­щейся в аппарате теплоты; Q₄—количество теплоты, отведенной с продуктами переработки; Qs— тепловые потери.

Важными характеристиками являются также выход продукта и производительность аппарата. Выход продукта представляет собой отношение количества полученного продукта к количеству продук­та, загруженного в аппарат: A ^ GJGi . Величина выхода продукта А всегда меньше единицы, так как в реальных аппаратах происхо­дят потери веществ, как следует из уравнения материального ба­ланса.

Производительность аппаратов и машин выражают количеством материалов, поступающих на переработку в единицу времени или полученных в результате переработки также в единицу времени. Производительность может выражаться в единицах массы, объема или в штуках (при выработке штучных изделий). Например, про­изводительность дробилок может быть выражена в кг/ч или т/ч. при выработке штучных изделий — соответственно в шт/ч или шт/сут и т. д.

Для сравнения однотипных аппаратов производительность от­носят к какой-либо основной единице, характеризующей данный ап­парат, и полученный показатель называют интенсивностью. Так, производительность выпарного аппарата характеризуется количе­ством воды, выпариваемой в единицу времени с 1 м² поверхности нагрева, и соответственно выражается в кг/(м²-ч); интенсивность работы сушилки характеризуется количеством влаги, удаляемой из 1 м³ объема аппарата в час [кг/(м³-ч)].

Организация новых производственных процессов, как правило, начинается с разработки и проверки их в лабораторном масштабе. Однако точное воспроизведение всех условий процесса, проведен­ного в лаборатории, и перенос его в производственный масштаб вы­зывают ряд затруднений. Так, перемешивание, нагрев, диффузия, химические превращения в большом масштабе протекают иначе, чем в лабораторных условиях. Поэтому промышленному внедрению сложных технологических процессов предшествует проверка расче­тов и результатов лабораторных экспериментов на полупромыш­ленных опытных установках. Такие установки позволяют получать данные, которые по масштабу близки к производственным; только после этого проектируются заводские установки. Этот метод обла­дает высокой надежностью, но требует больших затрат времени и средств на проектирование, пуск и получение необходимых пока­зателей.

В некоторых случаях возможен другой подход к решению слож­ной задачи переноса из малого лабораторного в большой производ­ственный масштаб. Он заключается в том, что на основании дан­ных лабораторных опытов, значений физико-химических констант

7

всех перерабатываемых веществ и учета необходимых изменений в процессе при масштабном переходе составляют математическое описание процесса. При условии соблюдения геометрического подо­бия аппаратов, гидравлического и теплового подобия процессов ма­тематическое описание воспроизводит процесс, протекающий в больших объемах. Такой масштабный переход, выполненный на основе математического описания, называется математическим мо­ делированием. Ввиду сложности полученных уравнений для реше­ния применяют электронные вычислительные машины.

При разработке новых производственных процессов большое внимание уделяют выбору оптимальных условий их проведения, обеспечивающих получение наиболее качественных продуктов при наименьших затратах сырья, энергии и труда. Разработка этих тре­бований, определяющих экономически наиболее выгодные условия проведения процессов, пазывается оптимизацией процессов.

Все необходимые расчеты по проектированию и эксплуатации производственной аппаратуры проводятся на основе заданных в определенной системе исходных величин.

Измерения проводятся в соответствии с принятой в СССР СИ. В основе этой системы приняты четыре основные единицы: метр (м), килограмм (кг), секунда (с) и кельвин (К). Все технологические, тепловые и механические расчеты проводятся на основе этих или производных от них единиц. Если в технической литературе встре­чаются единицы других систем, такие, как калория (кал), техни­ческая атмосфера (ат), лошадиная сила (л.с.) и др., при проведении расчетов необходимо применять соответствующие коэффициенты для перевода величин из одной системы в другую.

Вопросы для повторения. 1. Что называется технологическим процессом? 2. Что является предметом изучения дисциплины «Процессы и аппараты хими­ческой промышленности»? 3. Какие основные разделы рассматриваются в курсе «Процессы и аппараты химической промышленности»? 4. Какие непрерывные и периодические процессы вам известны и в чем их различие? 5. Что называется материальным балансом? 6. Из каких статей прихода и расхода складывается тепловой баланс непрерывно действующего аппарата? 7. Что называется выхо­дом продукта? 8. Как выражается производительность аппаратов и установок? 9. Что такое интенсивность аппарата?

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: