книги из ГПНТБ / Романков, П. Г. Гидромеханические процессы химической технологии

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Со времени выхода в свет первого издания этой книги прошло свыше двух десятилетий. За этот период наука о процессах и аппа­ ратах химической технологии получила значительное развитие. Особенно ярким событием в науке явилось применение метода ма­ тематического моделирования к анализу и оптимизации процессов химической технологии при помощи ЭВМ. Этот метод, как извест­ но, позволил значительно развить теорию химических реакторов и обеспечить быстрейший переход от лабораторных исследований к промышленному производству. Использование методов математи­ ческого и физического моделирования (теории подобия) служит хорошей основой для дальнейшего обобщения экспериментальных данных, особенно в области кинетики основных процессов хими­ ческой технологии и моделирования химической аппаратуры.

Нельзя, однако, забывать, что в основе методов моделирования должна лежать надежная информация о механизме исследуемого процесса, о его кинетике и граничных условиях. Другими словами, в химической технологии наиболее мощным средством исследова­ ния по-прежнему является объединенный метод — теоретический и экспериментальный.

В настоящем издании сохранен основной принцип изложения материала — обобщение новейших теоретических и эксперимен­ тальных данных по гидромеханическим процессам химической тех­ нологии с точки зрения единых кинетических закономерностей. Ввиду обилия новых данных, появившихся за последние годы в этой важнейшей области химической технологии, книга была на­ писана практически заново, сохранен лишь принцип обобщения по основным задачам гидродинамики (внутренняя, внешняя, сме­ шанная).

В новом издании рассмотрены также вопросы течения неныотоновских жидкостей, двухфазные потоки, псевдоожижение, новые гидродинамические режимы и получили развитие методы модели­ рования. Впервые изложены принципы классификации процессов химической технологии.

Ограниченный объем книги не позволил авторам уделить над­ лежащее внимание конструкциям аппаратов и некоторым деталям теоретического анализа. Поэтому в каждой главе приведена боль­ шая библиография основных монографий и журнальных статей, в

7

Г л а в а 1

КЛАССИФИКАЦИЯ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ КЛАССИФИКАЦИИ

Самая общая классификация науки как системы знаний отно­ сится к области философско-логических задач. Исследованию структуры науки с этих позиций посвящены крупные работы Б. М. Кедрова [1, 2], П. Оже [3], М. Кораха [4] и многих других ученых. Однако с инженерной точки зрения не менее важна клас­ сификация науки как области человеческой деятельности. Распро­ страненной является схема, согласно которой обобщение прове­ денных наблюдений завершается созданием теории, а полученные исследователем опытные данные, как правило, используются в про­ мышленной практике.

Кроме такого простого деления науки на теоретическую и при­ кладную в литературе нет единой, упорядоченной схемы классифи­ кации.

Теория классификации требует, чтобы, во-первых, каждой сту­ пени классификации соответствовал один определенный классифи­ кационный признак (основание деления), во-вторых, предлагаемая классификация должна быть исчерпывающей (сумма ступеней классификации должна составлять целое) и, в-третьих, классифи­ кация должна быть исключающей, т. е. не должна допускать по­ вторений. Классификационных схем,отвечающих этим условиям*, может быть несколько (например, при классификации фильтров могут быть выбраны различные классификационные признаки: принцип действия, движущая сила, технологические признаки, ма­ териал фильтрующей перегородки и др.), поэтому задача выбора наиболее удачной классификации в условиях ее обязательной це­ ленаправленности предполагает существование оптимума.

Вхимической технологии основные процессы по своей природе традиционно разделяются на пять классов.

1.Гидромеханические процессы.

2.Тепловые процессы.

3.Массообменные процессы.

4.Механические (механотехнологические) процессы.

5.Химические процессы.

Вкаждом из этих классов объединены химико-технологические процессы, характеризуемые законами, относящимися к данной об­

ласти науки. Если процесс носит признаки двух начал (например,

* Как правило, одному или двум условиям, очень редко — всем трем.

9

массообмена и термодинамики), то принадлежность его к тому или иному классу определяется целенаправленностью процесса. Так, например, сушка является одновременно и массообменным и теп­ ловым процессом, однако цель его заключается в диффузионном удалении влаги, на основании чего сушка включается в класс мас­

сообменных процессов.

Классы делятся на подклассы, различающиеся по физико-хими­ ческой (или физической) сущности процессов. Так, класс «Гидро­ механические процессы» может быть разделен на подклассы:

1)образование неоднородных систем;

2)разделение жидких неоднородных систем;

3)разделение газовых неоднородных систем;

4)перемещение жидких и газовых систем.

Подклассы в свою очередь делятся на группы процессов, отли­ чающиеся способом осуществления или целенаправленностью. На­ пример, подкласс «Образование неоднородных систем» разделяется на следующие группы:

а) перемешивание; б) диспергирование; в) псевдоожижение; г) пенообразование.

Группы процессов делятся на подгруппы по способу осущест­ вления или отличию агрегатного состояния вещества в начале или конце процесса. Например, группа «Перемешивание» включает подгруппы: перемешивание циркуляционное, перемешивание пнев­ матическое, перемешивание механическое.

Подгруппы процессов делятся на виды по условиям проведения процесса или различию его аппаратурного оформления. Например, подгруппа «Центрифугирование осадительное» включает следую­ щие виды процессов: центрифугирование осадительное периодиче­ ское и центрифугирование осадительное непрерывное.

На последней классификационной ступени виду аппарата соот­ ветствует название типа аппарата, в котором данный процесс осу­ ществляется.

Такая классификационная система [5, 6] основных процессов химической технологии удобна также тем, что дает возможность установить единую номенклатуру типовой химической аппаратуры, используемой для проведения этих процессов, и может служить основой для составления классификации машин и аппаратов хими­ ческой технологии.

Четкая классификация необходима для планирования научных исследований, при оценке полноты (или ограничении) информации и для решения целого ряда экономических задач (при планирова­ нии закупок, поставок и др.).

ВОПРОСЫ УПОРЯДОЧЕНИЯ ТЕРМИНОЛОГИИ

Классификация тесно связана с терминологией, обеспечивающей взаимопонимание. Еще Декарт говорил: «Определяйте значения слов, и вы избавите человечество от многих заблуждений!».

10

При составлении терминологии основным фактором также яв­ ляется целенаправленность. Упорядочение терминологии должно приводить к уточнению понятий. При этом необходимо учитывать большую сложность этой проблемы и ее тесную связь с теорией познания. Кроме методов логики, лингвистики, при отборе терми­ нов необходимо хорошо владеть знанием соответствующего раз­ дела науки. Вопросам составления научно-технической терминоло­ гии большое внимание уделяет АН СССР. При ней существует спе­ циальный Комитет научно-технической терминологии (КНТТ) [7, 8]. Схема упорядочения терминологии, разработанная КНТТ, вклю­ чает два этапа: 1) выявление системы необходимых для данного раздела науки понятий; 2) построение упорядоченной системы тер­ минов (в форме стандарта, нормали, сборника рекомендуемых тер­ минов и т. п.). На первом этапе работу начинают обычно с состав­ ления словника, причем предварительно проводят группировку понятий на привлеченные и собственные. Привлеченные понятия (общего характера) вводят в специальную терминологию только в том случае, если их толкование не однозначно. Собственные по­ нятия, как правило, делят на фундаментальные, основные и более узкие.

При составлении терминологии по курсу процессов и аппаратов химической технологии или по отдельным (основным) процессам химической технологии соблюдение этого правила имеет особенно важное значение. Сложность проблемы характеризует хотя бы тот факт, что до сих пор не было серьезных попыток упорядочить тер­ минологию химической технологии с инженерных позиций.

В самом общем плане упорядочения терминологии необходимо четко определить, что такое понятие и что такое термин *, так как терминология должна содержать термины и их определение (или, как иногда пишут, их содержание).

Понятие включает в себя наименование (термин) и его опреде­ ление. Отсюда следует, что термин — это словесное выражение по­ нятия (в системе понятий данной области науки). Такое толкова­ ние не очень точно с точки зрения лексикографии, но зато логично (хотя как раз в логике проблема понятия еще недостаточно изу­ чена).

Таким образом, понятия основных процессов химической техно­ логии должны быть представлены терминами в форме имени суще­ ствительного или в виде словосочетания (существительное с опреде­ лением, например взвешенный слой, гидравлическое сопротивление и т. п.). Некоторые привлеченные понятия, входящие в терми­ нологию основных процессов химической технологии, представляют

* Очень часто в рекомендательной литературе и даже в рамках техниче­

11

особый интерес, так как они не являются однозначными даже в данной области науки. Характерным примером в данном случае будут термины операция и процесс. В отечественной технической литературе под операцией* понимается механическое воздействие на обрабатываемый материал или продукт, не приводящее к изме­ нению его физико-химических свойств (например, обрубка, упа­ ковка и т. п.), в то время как в иностранной литературе термин операция соответствует нашему термину процесс (например, Unit Operations). Процесс** — это последовательные и закономерные изменения в системе, приводящие к возникновению в ней новых свойств. Под основными процессами химической технологии сле­ дует понимать наиболее распространенные процессы химической технологии, составляющие основу технологического производства. Их можно разделить на две группы: 1) процессы, идущие без из­ менения молекулярного состава вещества (или физические про­ цессы); 2) процессы, идущие с изменением молекулярного состава перерабатываемых веществ (или химические процессы, реакции).

Очень часто возникает необходимость в уточнении понятий ма­ шина и аппарат. Машина — это механизм (или сочетание меха­ низмов), предназначенный для преобразования энергии в полез­ ную работу (например, холодильная машина, дробилка, мельница и т. п.), тогда как аппарат — это приспособление, предназначенное для проведения процесса. Так, например, в литературе нет единого мнения по поводу того, является центрифуга машиной или аппа­ ратом, поскольку, с одной стороны, в ней энергия вращения преоб­ разуется в полезную работу по разделению неоднородной системы, а с другой, идет процесс фильтрования или осаждения под дей­ ствием центробежной силы. В данном случае следует учитывать целенаправленность действия центрифуги: основное ее назначение не преобразование энергии, а разделение неоднородной системы. Следовательно, центрифуги можно считать аппаратами, хотя в специальной литературе их часто относят к классу машин.

Таким образом, в каждой научно-технической терминологии ос­ новные понятия должны быть приведены в полную ясность и обос­ нованы, и только после этого можно строить ту или иную класси­ фикационную систему.

КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Деление гидромеханических (гидродинамических или гидравли­ ческих) процессов (по принципу целенаправленности) на процессы, протекающие с образованием неоднородных систем (перемешива­ ние, диспергирование, псевдоожижение, пенообразование), разде­ лением этих систем (осаждение, классификация, фильтрование, центрифугирование и др.), а также с перемещением потоков в

*От латинского operatlo — действие.

**От латинского processus — прохождение.

12

трубопроводах или аппаратах, связано с различием видов и способов движения жидкостей, газов, твердых частиц и их смесей.

В связи с этим классификацию гидромеханических процессов целесообразно подчинить другому классификационному призна­ ку— закономерностям, характеризующим условия движения пото­ ков. Такая классификация дает возможность связать теоретические обобщения с инженерной практикой.

Теоретическая гидродинамика рассматривает две группы гидро­

(например, движение частицы, осаждающейся в среде под дей­ ствием силы тяжести). Процессы, связанные с движением потока через слой (например, фильтрование), составляют третью группу,

жидкости (газа) по каналам, образованным твердой фазой (ча­ стицами осадка или насадочными элементами); 2) как обтекание частиц (или элементов насадки) жидкостью или газом.

Согласно такой классификации, в соответствии с условиями движения потоков, гидромеханические процессы делятся на три группы.

1. В н у т р е н н я я з а д а ч а г и д р о д и н а м и к и — движение жидкостей и газов в трубопроводах и аппаратах. В этом разделе рассматривается также движение потоков в змеевиках, рубашках,

втрубном и межтрубном пространствах теплообменников, а также

ваппаратах типа ректификационных, экстракционных и абсорб­ ционных колонн, выпарных и сушильных установках, печах.

2. В н е ш н я я з а д а ч а г и д р о д и н а м и к и — движение ча­ стиц в газообразной или жидкой среде. В этом разделе исследуют­

в отстойниках, гидроциклонах, осадительных центрифугах и сепа­ раторах, а также гидравлический и пневматический транспорт, гидравлическая классификация и пневмоклассификация, барботаж. К этой же группе процессов относится перемешивание твердых ча­ стиц с жидкостью и другие способы образования неоднородных си­ стем— диспергирование жидкости при распылении в газовой или

нистых материалов). В зависимости от высоты слоя Я различают два случая:

1) Н — const (процессы, связанные с движением газа в абсор­ берах, теплообменниках регенеративного типа, реакторах с непо­ движным слоем катализатора, адсорберах, сушилках и печах, а

13

Г л а в а 2

ПРИНЦИПЫ

МОДЕЛИРОВАНИЯ

МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Химическая технология переживает сейчас свое второе рожде­ ние. Она стремительно развивается на основе достижений совре­ менной науки и является своеобразным сплавом самых различных областей знания, в первую очередь — химии, физики, математики и экономики.

Учение о процессах и аппаратах химической технологии служит прочной базой научно-технической революции в отраслях промыш­ ленности, занимающихся переработкой сырых материалов в про­ дукты потребления или средства производства. Создание новых или интенсификация известных производственных процессов опи­ рается на общие теоретические зависимости, установленные с по­ мощью различных экспериментальных методов. От точности этих методов, таким образом, зависит темп технического прогресса.

Следует отметить также, что с начала своего существования как науки химическая технология ставила основной задачей разра­ ботку производственных процессов применительно к наивыгодней­ шим условиям их проведения. Другими словами, процессы химиче­ ской технологии и их аппаратурное оформление всегда рассчиты­ вались и проектировались исходя из принципа оптимальности, хотя его соблюдение и в настоящее время еще не всегда гарантируется состоянием общей теории того или иного процесса.

Путь от научно-исследовательской лаборатории до промышлен­ ного предприятия долог и сложен.

Разработка нового технологического процесса, проведенная в лабораторных условиях, может дать лишь принципиальную схему будущего производства. Обычно полученные опытным путем дан­ ные проверяются на так называемых пилотных (модельных) уста­ новках с целью определения удельных расходных коэффициентов, расчетных констант и выходов продуктов, а также подбора аппа­ ратов, машин, конструкционных материалов. Однако такая схема

проверки результатов лабораторного эксперимента и сразу вы­ давать необходимые для проектирования промышленного аппа­ рата данные. Для этого необходимо: во-первых, знание основных

15

кинетических закономерностей процесса и их математическое опи­ сание, во-вторых, наличие надежной теории масштабирования.

Глубокое исследование механизма основных процессов химиче­ ской технологии с целью их математического описания представ­ ляет собой трудную задачу, так как кроме исчерпывающей инфор­ мации о влиянии большого числа различных факторов необходимо иметь точные методы их теоретического обобщения. Итак, только единство экспериментального и теоретического методов исследо­ вания позволит добиться наилучшего эффекта при создании и экс­ плуатации современного химического предприятия.

С древнейших времен человек использует для познания слож­ ного явления или процесса его сходство либо с другим явлением, либо с процессом, но более известным или простым. Уже первые аналогии и первые модели школы Пифагора демонстрировали силу этого метода, не исчерпав его возможностей. В средние века Лео­ нардо да Винчи и Галилео Галилей сделали первые попытки обос­ новать использование моделей для раскрытия законов природы. В XIX веке Кельвин, Дж. Максвелл и многие другие естествоиспы­ татели признали, наконец, что моделирование из чисто интуитив­ ного проведения аналогий стало научным методом.

С середины XIX века моделирование получило широкое рас­ пространение на базе теории подобия. Общие идеи теории подобия были выражены еще И. Ньютоном, затем Ж. Бертраном и нашли практическое применение в судостроении (работы В. Фруда), транспортировании по трубам (исследования О. Рейнольдса) и в других случаях, главным образом, в области гидроили аэроди­ намики. Основные, наиболее важные работы по теории подобия принадлежат русским ученым — В. Л. Кирпичеву, А. Федерману, Н. Н. Павловскому, А. Н. Крылову и другим. Общее учение о мо­ делировании применительно к самым различным областям науки развито представителями советской школы, созданной академиком М. В. Кирпичевым [I]. Наиболее подробные разработки, получив­ шие широкое практическое использование, относятся главным об­ разом к тепловым, а также отдельным гидромеханическим процес­ сам и аппаратам.

Получив мощную поддержку со стороны математики и логики, моделирование в последние годы стало играть ведущую роль в тех­ ническом прогрессе. Известные методы электрогидравлических и электрических аналогий [2] стали эффективно применяться для ре­ шения широкого ряда практических задач.

Теория моделирования развивается сейчас в двух направле­ ниях: 1) по пути изучения современных сложных технологических процессов с помощью моделей с анализом влияния отдельных фи­ зических параметров и линейных размеров (так называемое физи­ ческое моделирование) и 2) по пути исследования математической модели процесса с помощью электронных вычислительных машин (так называемое математическое моделирование).

Оба направления [3] ведут к одной общей цели — к созданию точного метода теоретического и экспериментального исследоеа-

19