35.Общие принципы анализа, расчета и выбора технологического оборудования.

Последовательность выбора типа оборудования для каждой стадии технологической схемы:

• исследуют (отраслевые НИИ) или определяют по справочной литературе физико-химические свойства перерабатываемого материала и готового продукта;

• на основании требований технологии и экономики выбирают рациональный способ реализации процесса;

• предварительно выбирают на основании литературно-патентного обзора тип или несколько типов аппаратов для осуществления процесса стадии;

• окончательный выбор делают на базе технико-экономического анализа, а при необходимости (для крупнотоннажных производств) с учетом результатов исследований отраслевых НИИ.

Далее рассмотрим общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов.

К одним из важнейших принципов науки о процессах и аппаратах химической технологии относятся теоретические и технологические обобщения и выявление физико-химических аналогий основных процессов.

При исследовании и расчете процессов и аппаратов важно знать кинетические закономерности основных процессов химической технологии.

Кинетика - это учение о механизмах и скоростях процессов, в том числе гидродинамических, тепло- и массообменных. Кинетика является научной основой создания новых и совершенствования действующих аппаратов химической технологии.

По общепринятой классификации, основанной на кинетических закономерностях процессов, различают [14, 15]:

• Гидромеханические процессы (рис. 10), скорость которых определяется законами гидродинамики:

dV Ap _{k А}

j

(3.12)

г _ — = -^ = ^kl^AP^, Fdr R,

где j_r - скорость процесса; V - объем протекающей жидкости; F - площадь сечения аппарата; ^r - время; k_j - коэффициент скорости процесса (величина, обратная гидравлическому сопротивлению R_j); Ар - перепад давления (движущая сила процесса).

• Теплообменные процессы (рис. 11), скорость которых определяется законами теплопередачи:

где ]_Т - скорость процесса; Q - количество переданного тепла; F - поверхность теплообмена; ^т - время; к₂ - коэффициент теплопередачи (величина, обратная термическому сопротивлению R₂); At - средняя разность температур между обменивающимися теплом материалами (движущая сила процесса).

• Массообменные (диффузионные) процессы (рис. 12), скорость которых определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую:

d

(3.14)

M Ac , ₄ ^jM = _FdT ⁼ R ^{= k}3^AC Fdr R₃

где ]_М - скорость процесса; М - количество вещества, перенесенного из одной фазы в другую; F - поверхность контакта фаз; ^т - время; к₃ - коэффициент массопередачи (величина, обратная диффузионному

сопротивлению R₃); Ас -разность между равновесной и рабочей концентрациями вещества в фазах (движущая сила процесса).

3.4.2 Электроосмос

• Механические процессы (рис. 13), скорость которых определяется законами физики твердого тела.

• Химические процессы, связанные с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики:

■ ^dM _{k f()}

Jx =^~г ^{= k}4 ^f

^Vp^dT (3.15)

где Jx - скорость процесса; М - количество прореагировавшего в химическом процессе вещества; V - объем реактора; ^т - время; k₄ - коэффициент скорости химического процесса; Дс) - движущая сила процесса, которая является функцией концентраций реагирующих веществ.

• Биохимические процессы, связанные с синтезом веществ и осуществляемые под воздействием и при непосредственном участии живых микроорганизмов и выделенных из них ферментов (биологических катализаторов). Скорость биохимических процессов, как и в предыдущем случае, определяется скоростью роста культуры от концентрации одного или нескольких наиболее важных компонентов среды, обеспечивающих основу метаболизма. Эти компоненты получили название лимитирующих субстратов.

Приведённая классификационная система основных процессов химической технологии удобна тем, что позволяет устанавливать единую номенклатуру типовой аппаратуры, используемой для этих процессов. Так, например, при классификации химических реакторов можно руководствоваться несколькими классификационными признаками:

1. способом организации процесса;

2. фазовым составом смеси;

3. гидродинамическими условиями проведения процесса в реакторе;

4. теплообменными условиями процесса в реакторе;

5. временными изменениями процесса;

6. конструктивными особенностями реактора;

7. агрегатным состоянием фазы и др.

По первому признаку (по способу подвода сырья и отвода продукта) различают периодические, полупериодические (полунепрерывные)

непрерывно действующие аппараты-реакторы.

По второму для проведения гетерогенных процессов выделяются системы газ - жидкость, жидкость - твёрдое и газ - твёрдое; для проведения гомогенных процессов - газо- и жидкофазные; отдельно рассматриваются реакторы для гетеро-каталитических процессов.

По третьему признаку за основу классификации берётся режим движения агентов в аппарате. В зависимости от гидродинамических условий аппараты для осуществления химических реакций разделяют на реакторы смешения (аппараты с мешалками), вытеснения (трубчатые) и промежуточного типа.

По четвёртому признаку учитываются тепловые эффекты процессов и рассматриваются реакторы адиабатические (без теплообмена с окружающей средой), автотермические (необходимая для процесса температура поддерживается без внешних источников тепла), изотермические (постоянная температура в аппарате поддерживается за счёт внешних источников теплоты) и с промежуточными тепловыми режимами.

По пятому признаку в реакторах могут быть реализованы стационарные (статические) и нестационарные (динамические) режимы работы.

По шестому признаку - конструктивному различают реакторы емкостные (аппараты с мешалкой, автоклавы, барботажные и пр.), колонные (с насадкой или тарелками); организация теплообмена (трубчатые, плёночные и пр.); со взвешенным, движущимся и неподвижным слоем катализатора; аппараты высокого давления и температуры, электролизёры и прочее.

Классификация реакционных аппаратов по седьмому признаку - агрегатному состоянию основной фазы в реакторе перекликается с классификацией по второму признаку: различают аппараты с газовой, жидкой и твёрдой фазой. Первые в свою очередь разделяют на контактные (с неподвижным и движущимся слоем катализатора) и высокотемпературные; вторые делят по конструктивным признакам на емкостные (вертикальные и горизонтальные), колонные (насадочные, тарельчатые и пустотелые) и змеевиковые; третьи - на камерные, барабанные, лопастные и с псевдоожиженным слоем.

Анализ технологического процесса начинается с определения условий равновесия системы в соответствии с законами гидродинамики и термодинамики. Наибольшее число N переменных (параметров), которое можно изменять не нарушая равновесия, определяют с помощью правила фаз Гиббса для различных систем:

N_K + 2 - Ф,

где Ф - число фаз, K - число компонентов системы, N - число степеней свободы, т.е. число независимых переменных, значения которых можно произвольно изменять без изменения числа или вида (состава) фаз в системе.

Итак, для расчета аппарата, в соответствии с уравнениями приведенными выше, необходимо знать материальные и тепловые потоки, движущую силу процесса, кинетические коэффициенты.

Последовательность расчета такова:

• на основании закона сохранения материи составляют материальный баланс процесса: ^УМн _ ^УМк,

У м_н , У м_к

• где ^ ^ ^к - количество исходных и конечных веществ,

соответственно.

• на основании закона сохранения энергии составляют тепловой баланс процесса: ^{У Q}" + ^{У Qр} _ ^{У Qk} + ^{У Qпот},

где ^{У Q}"^{, У Qk} - теплота, поступающая в аппарат с исходными материалами и теплота, отводимая из аппарата с конечными продуктами,

соответственно; ^УQ - тепловой эффект процесса; ^У<^^пот - потери теплоты в окружающую среду.

• используя законы термодинамики, определяют направление процесса и условия равновесия;

• исходя из условий равновесия и заданной технологии, выбирают начальные и конечные рабочие параметры процесса;

• на основании равновесных и рабочих параметров определяют движущую силу процесса;

• используя законы химической, тепловой или диффузионной кинетики находят коэффициент скорости процесса;

• исходя из полученных выше данных, рассчитывают основной размер аппарата (емкость, площадь поперечного сечения, поверхность

теплообмена, высоту), используя зависимости (3.12) - (3.15). Конкретные

решения по расчету и конструированию оборудования даны в специальной литературе. В качестве примера можно привести один из трех справочников А.С. Тимонина [27].

Определив основной размер, выбирают стандартное оборудование или разрабатывают его как нестандартное. Ранее отмечалось, что проектирование - итерационный процесс, поэтому при выборе оборудования проектировщику иногда приходится вновь возвращаться на стадию выбора типа аппарата.

Нахождение численных значений движущей силы и коэффициента скорости процесса является самой сложной частью расчета технологической аппаратуры. При этом необходимо обоснованно решать вопросы масштабного перехода - распространения данных, полученных в лабораторных исследованиях, на промышленные объекты.