2. Общие принципы классификации технологических процессов

Как отмечалось ранее, технологический процесс, будучи основой любого производственного процесса, является реализацией естественных (производственных) процессов в рамках сложившейся производственной системы.

Исходя из этого, любую производственную технологию можно рассматривать как естественный (природный) процесс, воспроизведенный в искусственных (т.е. созданных человеком) условиях производства.

Такой подход позволяет дать общую классификацию технологических процессов, используемых в производстве, с точки зрения их естественной (природной) сущности и свести все многообразие технологических процессов в основные группы, особенностью каждой из которых будет способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе его целенаправленного преобразования в продукт труда.

Все многообразие технологических процессов, используемых в производственной деятельности с точки зрения их естественной (природной) сущности и можно свести условно в три основные группы:

- физические процессы;

- химические процессы;

- биологические процессы.

Такая упрощенная классификация не исключает реализацию более сложных по своей сути процессов: физико-химических, биохимических и т.д.

Физические процессы связаны с такими преобразованиями сырья в продукт, при которых существенных изменений с химической структурой исходных веществ не происходит.

(вода в форме льда, жидкости, пара имеет одну и ту же химическую формулу – Н₂О, хотя свойства этих веществ значительно отличаются друг от друга).

Все многообразие физических процессов, используемых в технологии можно подразделить, в свою очередь, на следующие подгруппы:

- механические процессы;

- гидромеханические процессы;

- тепловые процессы;

- массообменные процессы.

Подробнее об этих процессах - в разделе 3.

Химические процессы связаны с глубокими и, как правило, необратимыми изменениями химической структуры (формулы) исходных веществ и, следовательно, их свойств.

Подробнее об этих процессах – в разделе 4.

Биологические процессы связаны:

- либо с использованием живых микроорганизмов с целью получения требуемых продуктов (традиционная биотехнология),

- либо с воспроизведением в искусственных условиях процессов, протекающих в живой клетке (современная биотехнология).

Подробнее о биологических процессах – в разделе 5.

3. Общая характеристика физических процессов, используемых в производственных технологиях

Механические процессы

Механические процессы связаны с преобразованием исходных веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии.

Это преобразование связано с изменением положения, формы, размеров, соотношения твердых тел в смесях.

Исходя из этого, выделяют следующие разновидности механических процессов:

- транспортные процессы;

- процессы формообразования и формоизменения твердых тел;

- процессы соединения твердых тел;

- процессы изменения размеров твердых тел;

- процессы сортировки, смешивания, дозирования.

Объединяет все эти процессы механический способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе получения продукции.

Транспортные процессы предназначены для перемещения насыпных и штучных грузов по заданной трассе без остановок для загрузки и разгрузки. Транспортные процессы являются неотъемлемой частью технологического процесса и делятся на две большие группы:

- процессы непрерывного транспорта (ленточные, пластинчатые, винтовые транспортеры, элеваторы и т.д.);

- процессы дискетного транспорта (вагоны, вагонетки и т.д.).

По направлению и трассе перемещения грузов машины непрерывного транспорта могут быть вертикальными, горизонтальными и пространственными. Транспортирующие установки могут быть стационарными, подвижными, переносными и передвижными.

Процессы формообразования и формоизменения твердых тел подразделяются на две больших группы:

• процессы, основанные на использовании методов пластической деформации (обработка давлением);

• процессы, основанные на механическом изменении формы, размеров твердых тел путем снятия поверхностного слоя с обрабатываемого материала (обработка резанием)

Обработка материалов давлением заготовок деталей машин является одним из распространенных и прогрессивных способов обработки, так как по сравнению с другими способами обеспечивает меньше потери металла, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, увеличение прочности металла, широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов.

Методами пластической деформации получают заготовки и детали из стали, цветных металлов и их сплавов, пластмасс, резины, многих керамических материалов, стекла, химических волокон, пластиков и др. Подробнее сущность процессов обработки металлов давлением будет рассмотрена в лекции про машиностроение и металлообработку.

Высокой точности и малой шероховатости поверхности деталей можно достичь с помощью механической обработки резанием, т. е. обработки со снятием слоя материала и образованием стружки.

Процесс резания осуществляется рабочими движениями. Главным рабочим движением называется то, при котором образуется стружка, вспомогательным (движением подачи) – которое обеспечивает процесс резания на всей обрабатываемой поверхности.

Подробнее сущность процессов обработки материалов резанием будет рассмотрена отдельно.

Процессы соединения твердых тел нашли широкое применение в современном производстве. Строго говоря, по своей сути они не являются чистыми представителями механических процессов (в ходе их осуществления происходят более сложные физические (тепловые и диффузионные) и физико-химические явления). Они условно отнесены в эту группу с точки зрения получаемого результата в сопоставлении с такими механическими процессами, как формообразование и формоизменение твердых тел.

В различных конструкциях изделий и сооружений используют подвижные и неподвижные соединения отдельных их частей и деталей, а также разъемные и неразъемные соединения.

К разъемным (демонтируемым) соединениям относят такие, которые могут быть полностью разобраны без повреждения составляющих их частей и крепежных деталей.

Остальные относят к неразъемным соединениям, которые, в свою очередь, можно разделить на две группы.

К первой группе относят соединения с гарантированным натягом, получаемым без дополнительных средств крепления. Они используются, как правило, при сборке готовых деталей.

Ко второй группе относят соединения, осуществляемые с помощью сварки, пайки, склеивания, клепки. Их широко используют, как при сборке, так и в заготовительном производстве.

Подробнее сущность процессов получения разъёмных и неразъёмных соединений будет рассмотрена отдельно.

Процессы изменения размеров твердых тел условно подразделяют на:

- дробление (крупное, среднее, мелкое);

- измельчение (тонкое и сверхтонкое).

В зависимости от физико-механических свойств и размеров кусков измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких – раздавливанием и истиранием.

Дробление материалов обычно осуществляется сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды). При мокром измельчении не наблюдается пылеобразования и облегчается транспортирование измельченных продуктов.

По своему назначению измельчающие машины условно делятся на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления и мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения.

Процессы сортировки, смешивания и дозирования.

Сортировка или разделение твердых зернистых материалов на классы по крупности кусков или зерен называется классификацией.

Существуют два основных способа классификации:

1) ситовая (грохочение) – механическое разделение на ситах;

2) гидравлическая – разделение смеси на классы зерен, обладающих одинаковой скоростью осаждения в воде или воздухе.

Разделение смеси зерен на классы в воздушной среде называется воздушной сепарацией.

Процессы гидравлической классификации и воздушной сепарации будут рассмотрены в группе гидромеханических процессов.

Классификация может иметь самостоятельное значение – для приготовления готовых продуктов определенных сортов (сортировка) или быть вспомогательной операцией для предварительной подготовки материала к последующей обработке. Наиболее широко классификация используется совместно с процессами измельчения.

Основная часть аппаратов для грохочения (грохотов) - рабочая поверхность, изготовляемая в виде проволочных сеток (сит), стальных перфорированных листов (решет) или параллельных стержней (колосников).

Под эффективностью классификации понимается отношение массы материала, прошедшего через сито (подрешето продукта), к массе материала данной крупности, содержащегося в исходном продукте.

Эффективность классификации зависит от большого число факторов, в том числе, от конструкции машины и свойств материала.

Смешивание – это процесс образования однородных систем из сыпучих материалов. Смешивание осуществляют механическим, гидравлическим, пневматическим и некоторыми другими способами. Машины, применяемые для перемешивания, называются смесителями.

Механизм действия процесса смешивания является весьма сложным, зависит от большого количества факторов и главным образом от конструкции смесителя и режима его работы.

Идеально в результате смешивания должна получиться такая смесь материала, что в любой ее точке (пробе) к каждой частичке одного из компонентов примыкают частицы другого компонента в количествах, определяемых заданными соотношениями. Однако такое идеальное расположение частиц в смеси в реальных условиях не наблюдается.

К пневмосмесителям относятся аппараты, в которых смешивание осуществляется в слое псевдоожиженного газом (воздухом) зернистого материала. Такие аппараты отличаются высокой эффективностью, малым временем смешения, отсутствием вращающихся частей, но требуют установки пылеулавливающих устройств.

Находят широкое применение вибросмесители, в которых необходимая циркуляция сыпучего материала достигается с помощью вибрации.

Процессы дозирования твердых материалов применяются в химической, пищевой промышленности строительных материалов и во многих других отраслях промышленности и осуществляются дозаторами. От точности дозирования во многом зависит качество продукции и рациональное расходование материала.

Дозирование материалов можно производить по объему и по массе. Оборудование для объемного дозирования проще по устройству, но точность его работы ниже, чем весовых дозаторов, т.к. в этом случае сказывается влияние изменения плотности материала.

По режиму работы различают дозаторы циклического и непрерывного действия.

Весовые автоматические дозаторы являются наиболее совершенными, в результате их применения устраняется ручной труд, сокращается время дозирования, появляется возможность автоматизировать работу смежного технологического оборудования. Главным рабочим органом всех весовых дозаторов являются весовые механизмы, которые можно разделить на поворотные и рычажные.

Гидромеханические процессы

Гидромеханические процессы связаны с одновременной переработкой веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном), так называемых неоднородных систем. При этом, как правило, химическое взаимодействие между этими веществами не происходит.

Гидромеханические процессы можно условно подразделить на следующие группы:

- процессы получения неоднородных систем;

- процессы разделения неоднородных систем;

- процессы транспортирования жидкостей и газов.

Процессы получения неоднородных систем.

Неоднородными или гетерогенными системами называют системы, состоящие из двух и более нескольких фаз.

Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких фаз (Г-Ж), широко используются в химической и смежных с ней отраслях промышленности. Процессы с участием твердых и жидких фаз также служат основой многих производств.

Любая неоднородная бинарная система состоит из дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной среды или сплошной (внешней) фазы, в которой распределены частицы дисперсионной фазы.

В зависимости от физического состояния фаз различают: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы.

Суспензии – неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц (МКМ) суспензии условно делят на грубые (более 100), тонкие (0,5-100) и мелкие (0,1-0,5).

Эмульсии – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, но при незначительных размерах капель (менее 0,4 – 0,5 МКМ) или при добавлении стабилизаторов эмульсии становятся устойчивыми и долго не расслаиваются.

Пены – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа, эти газо-жидкостные системы по своим свойствам близки к эмульсиям.

Пыли и дымы – системы, состоящие из газа и распределенных в нем частиц твердого вещества. Пыли образуются обычно при механическом распределении частиц в газе (при давлении, смешивании, транспортировке твердых материалов и др.). Размеры частиц пылей – 3 – 70 МКМ. Дымы получаются в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое состояние или твердое, при этом образуются твердые взвешенные в газе частицы 0,3 – 5 МКМ. При образовании дисперсной фазы из частиц жидкости примерно таких же размеров (0,3 – 5 МКМ) возникают системы, называемые туманами. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, называемые аэрозолями.

Для получения неоднородных систем (эмульсий, суспензий, пены) широко применяется перемешивание в жидких средах.

Способы перемешивания определяются агрегатным состоянием перемешиваемых материалов и целью перемешивания.

Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью (газ, жидкость или твердое сыпучее вещество), различают два основных способа перемешивания:

- механический (с помощью мешалок различных конструкций);

- пневматический (сжатым воздухом или инертным газом).

Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах, куда помещают винтовые насадки, специальные вставки и с помощью сопел и насосов.

Разделение неоднородных систем проводится с одной из следующих целей:

1) очистка жидкой или газовой фазы от примесей;

2) выделение ценных продуктов, диспергированных в жидкой или газовой фазе.

Выбор метода разделения обусловлен, главным образом, размером частиц, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, вязкостью сплошной фазы.

Применяют следующие основные методы разделения:

- отстаивание;

- фильтрование;

- центрифугирование.

Рассмотрим процессы разделения жидких и газовых систем из-за их специфических особенностей раздельно.

Отстаивание – осаждение, происходящее под действием силы тяжести. Отстаивание в основном применяется для предварительного грубого разделения; его проводят в аппаратах, называемых отстойниками или сгустителями.

Отстаивание является самым дешевым способом разделения и он наиболее эффективен при разделении грубых суспензий и эмульсий.

Фильтрование – процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкость (газ), но задерживать взвешенные в среде твердые частицы.

Под действием разности давлений жидкости по обе стороны от фильтрующей перегородки, жидкость проходит через ее поры, а твердые частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка.

От правильного выбора фильтровальной перегородки во многом зависит производительность фильтра, чистота получаемого фильтрата.

Число конструкций фильтровального оборудования велико. К наиболее распространенным относятся барабанный вакуум-фильтр, ленточный вакуум-фильтр, карусельный фильтр, фильтровальные патроны.

Центрифугирование – процесс разделения эмульсий и суспензий в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок.

Процессы центрифугирования проводят в центрифугах.

Основная часть любой центрифуги – барабан со сплошными или перфорированными стенками, вращающийся в основном неподвижном кожухе. Внутренняя поверхность ротора с перфорированными стенками часто покрывается фильтровальной тканью или тонкой металлической сеткой.

Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу - фугат.

Центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими.

В отстойных центрифугах со сплошными стенками производят разделения суспензий и эмульсий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. Разделение эмульсий в отстойных центрифугах называют сепарацией, а устройства, где осуществляют этот процесс – сепараторами. Пример такого процесса – отделение сливок от молока.

В фильтрующих центрифугах с проницаемыми стенками разделение суспензий осуществляют по принципу фильтрования, где вместо разности давлений используется действие центробежной силы.

Разделение жидких неоднородных систем под действием центробежных сил осуществляют и в аппаратах, не имеющих вращающих частей – гидроциклонах.

Их достоинством является высокая производительность, отсутствие в них движущихся частей, компактность, простота и легкость обслуживания, невысокая стоимость, широкая область применения (сгущение, осветление, классификация). Недостатками: быстрый износ корпуса, для чего его часто изготавливают со сложной футеровкой из износостойких материалов (резины, керамики, металлических сплавов и др.), высокая влажность осадка.

Транспортирование жидкостей и газов в промышленности осуществляется в основном по трубопроводам. Различают магистральные и промышленные трубопроводы. Трубопроводный транспорт прогрессивен, экономичен, выгоден. Для него характерны: отсутствие потерь материалов в ходе транспортировки; возможность автоматизации процесса транспорта.

В систему трубопроводного транспорта входят: 1 - трубопроводы; 2 - резервуары-хранилища; 3 - транспортирующие машины, которые в случае перемещения жидкостей называются насосами, а при перемещении газов - компрессорами.

Насосы и компрессоры служат для создания перепада давления на концах трубопроводов, благодаря которому и происходит перемещение жидких и газообразных сред.

Для регулирования потоков жидкостей и газов по трубопроводам на них устанавливают так называемую трубопроводную арматуру: краны; вентили; задвижки.

В настоящее время широко распространено транспортирование сыпучих материалов с помощью движущегося потока воздуха. Такой вид транспортирования называют пневмотранспортом.

Пневмотранспортирующие установки могут быть всасывающими (вакуум – транспорт) и нагнетательными (пневмотранспорт).

Принципиальной разницы между ними нет, поскольку в обоих случаях движущей силой является разность давлений на входе и выходе из трубопровода, обеспечивающая нужную скорость воздушного потока. Таким образом перемещают пылевидные, порошкообразные, зернистые, мелкокусковые грузы: цемент, гипс, соду, мел, полиэтилен и т.д.

Широкое распространение пневмотранспорта особенно на предприятиях по переработке пластмасс, строительных материалов, объясняется следующими причинами:

- возможностью перемещения материалов в горизонтальном наклонном, вертикальном направлениях;

- герметичностью трубопроводов и отсутствием потерь транспортируемых материалов;

- сравнительной простотой конструкции, обслуживания и эксплуатации при незначительных занимаемых площадях;

- возможностью полной автоматизации процесса транспортирования и распределения материала по бункерам;

- возможностью совмещения транспортирования материала с его одновременной сушкой подогретым воздухом.

Тепловые процессы

К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и другие. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д.

По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты:

- теплопроводность,

- конвективный перенос,

- тепловое излучение.

Теплопроводность – перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении.

Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной.

Конвективный перенос теплоты – процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газа) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом, он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции.

В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвенцию.

При вынужденной конвекции движение обусловлено действием внешней силы – разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром).

При естественной конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением.

Тепловое излучение – перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы – электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом.

На практике, теплота чаще всего передается одновременно двумя или даже тремя способами. Однако обычно превалирующее значение имеет какой-нибудь один способ передачи теплоты.

При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи.

В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды - теплоносителями.

Процесс теплопередачи состоит из трех стадий:

1 - передача теплоты нагретом средой стенке (теплоотдача);

2 - перенос теплоты в стенке (теплопроводность);

3 - перенос теплоты к холодной среде от нагретой стенки (теплоотдача).

На практике широкое применение нашли следующие разновидности тепловых процессов:

- процессы нагревания и охлаждения;

- процессы выпаривания, испарения, конденсации;

- плавление и кристаллизация;

- процессы получение искусственного холода.

Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах называемых теплообменниками.

Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе». В них одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая – в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубой.

В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективным приемом является применение оребренных теплообменных поверхностей со стороны газа. Типичный пример: радиатор автомобиля, некоторые типы батарей водяного отопления.

Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями.

Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар.

Для нагревания до температур более 180-2000С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла.

Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получаемыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, в химической целлюлозно-бумажной промышленности.

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Однако в связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование в качестве хладагента воздуха. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность). Поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем в воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха, что вызывает увеличение коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, что увеличивает поверхность теплообмена, распыляют в воздух воду, испарение которой понижает температуру воздуха и увеличивает за счет этого движущую силу процесса теплообмена.

Выпаривание – процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при кипении этого раствора. Выпаривание применяется для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения нелетучих веществ в твердом виде, а также для получения чистого растворителя. Последняя задача решается, например, в опреснительных установках.

Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителей служит водяной пар. Как и для всех тепловых процессов движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах.

Испарение – процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева, или создания иных условий для испарения.

Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими, обычно отрицательными, температурами кипения.

Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум – сушке, для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, в котором они образуются, в закрытый аппарат, охлаждаемый водой или воздухом и служащий для сбора паров-конденсатов.

Процесс конденсации осуществляется в конденсаторах смешения или поверхностных конденсаторах.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента и если он представляет ценность, то может быть использован.

Плавление – необходимо для подготовки полимеров к формованию (прессованию, литью под давлением, экструзии и т.д.), металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и выполнения многих других технологических процессов.

Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла теплопроводностью через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта.

В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии (индукционный, высокочастотный и т.д.) и плавление сжатием.

Кристаллизация - процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Кристаллизация – процесс обратный плавлению и т.о. тепловой эффект ее равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления. Каждому химическому соединению соответствует одна, а чаще несколько кристаллических форм, отличающихся положением и числом осей симметрии (металлы, сплавы металлов). Это явление носит название полиморфизма (аллотропии).

Кристаллизацию обычно осуществляют из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Такой способ характерен для производства минеральных удобрений, солей, таким же образом получают ряд органических полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, т.к. испарение из растворов идет при постоянной температуре.

Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом и т.о. получают разнообразные изделия из кристаллизующихся материалов: металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе методами прессования, литья, экструзии и т.д.

Процессы получения искусственного холода применяют при некоторых процессах абсорбции, при кристаллизации, разделении газов, сублимационной сушки, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях. Так, используя глубокое охлаждение разделяют газовые смеси путем их частичного или полного сжижения и получают многие технологически важные газы, например, азот, кислород и другие газы.

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, а такой процесс требует затраты энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода и достигается это следующими основными методами:

- испарением низкокипящих жидкостей. При испарении такие жидкости, имеющие обычно отрицательные температуры кипения охлаждаются до температуры кипения при давлении испарения;

- расширением газов дросселированием, путем пропускания его через устройство вызывающее сужение потока (шайбу с отверстием, вентиль) с последующим его расширением. Энергия, необходимая для расширения газа (против сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет потока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа;

- расширение газа в детандере - машине, устроенной подобно поршневому или турбокомпрессору – газовом двигателе, который одновременно совершает внешнюю работу – перекачивает жидкости, нагнетает газы. Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом с окружающей средой, и совершаемая при этом газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается.

Массообменные процессы

В технологии широко распространены и имеют большое значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Подобно теплопередаче массопередача – это сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Эта граница может быть либо подвижной (массопередача в системах газ – жидкость, пар – жидкость, жидкость - жидкость), либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

Для массообменных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

На практике используются следующие виды процессов массопередачи: абсорбция, перегонка, адсорбция, сушка, экстракция.

Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных веществ, примесей: абсорбция SO₃ в производстве серной кислоты; абсорбция HCl с получением соляной кислоты; абсорбция NH₃, паров C₆H₆, H₂S и других компонентов из коксового газа; очистка топочных газов от SO₂; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся в производстве минеральных удобрений и т.д.

Аппараты, в которых осуществляется абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом.

Адсорбция – процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсорбатом или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров. Например, очистка аммиака перед контактным окислением, осушка природного газа, выделения и очистки мономеров в производствах синтетического каучука, пластмасс и для многих других целей.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента. При химической адсорбции или хемосорбции возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.

В количестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной или адсорбционной способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты).

Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которой летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара.

Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.

Различают следующие виды перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация.

Дистилляция – процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.

Ректификация – процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и тепло- обмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном или непрерывном контакте фаз.

Процессы перегонки находят широкое применение в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет важное значение в производствах органического синтеза полимеров, полупроводников и т.д., в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д.

Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаивание, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание достигается тепловой сушкой.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду, при этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

- конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом;

- контактная сушка – путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

- радиационная сушка – путем передачи тепла инфракрасными лучами;

- диэлектрическая сушка – путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала.

- сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар минуя жидкое состояние при глубоком вакууме и при низких температурах. Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: 1 - снижение давления в сушильной камере, при этом происходит быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом, 2 - удаление основной части влаги сублимацией, 3 - удаление остаточной влаги тепловой сушкой.

Высушиваемый материал при любом методе находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом.

Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материал, характера связи влаги с материалом, размера и толщины материала, внешних факторов и т.д.

Экстракция – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные компоненты исходной смеси.

Процессы экстракции в системах жидкость-жидкость находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д.

Экстракция в системах жидкость-жидкость представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ).

Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный контакт перемешиванием, распылением, с использованием насадок и т.д. В результате взаимодействия фаз получается экстракт-раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафинат-остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы (экстракт и рафинат) отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими и гидромеханическими способами.

После этого производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината.

Основное достоинство процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделение жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) является низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной.