Разинов (диск) / Учебник для студентов / 4 ВВЕДЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Среди множества процессов, осуществляемых в химической технологии, можно выделить наиболее часто применяемые. Они называются основными или типовыми, а наука, изучающая эти процессы и аппараты для их промышленного проведения, – «Процессы и аппараты химической технологии». Необходимо отметить, что эти же процессы применяются не только в химической, но и пищевой, микробиологической, легкой, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности. В зарождении науки, а затем и учебной дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии» большая роль принадлежит российским ученым. Идею об общности основных процессов и аппаратов химических производств сформулировал еще в 1828 г. профессор Ф.А. Денисов. На рубеже 19-го и 20-го веков профессорами А.К. Крупским и И.А. Тищенко были разработаны и стали преподаваться учебные дисциплины, которые можно считать прообразом современной – «Процессы и аппараты химической технологии».

Под процессом понимается последовательная смена состояний системы. Для проведения процесса необходимо вывести систему из состояния равновесия, т.е. оказать на нее воздействие извне. При этом будет осуществляться перенос одного или нескольких субстанций: массы, импульса, энергии. В зависимости от того, скорость переноса какой субстанции определяет скорость протекания процессов, изучаемых в данной дисциплине, они подразделяются на следующие:

- гидромеханические (импульсообменные), определяющиеся скоростью переноса импульса;

- теплообменные, определяющиеся скоростью переноса энергии;

- массообменные, определяющиеся скоростью переноса массы.

При этом следует иметь в виду, что скорость переноса одного вида субстанции зачастую влияет на скорость переноса другого.

К гидромеханическим процессам относятся перемещение газов и жидкостей, разделение неоднородных (гетерогенных) систем, перемешивание в жидких средах.

Энергия, необходимая для перемещения по трубопроводам, аппаратам и т.д. жидкости, сообщается ей гидравлическими машинами, называемыми насосами. Сжатие и транспортировка газов осуществляется с помощью компрессорных машин.

Для разделения неоднородных систем, состоящих из двух и более фаз, мелкие частицы которых (дисперсные фазы) распределены внутри другой (сплошной фазы), применяются следующие процессы: осаждение, фильтрование и мокрая очистка газов.

Осаждение это процесс разделения неоднородных систем за счет различного действия сил на элементы сплошной и дисперсной фаз. В зависимости от действующих сил можно выделить виды осаждения: под действием силы тяжести (отстаивание), центробежной силы (циклонный процесс, центрифугирование), электростатических сил (очистка газов в электрическом поле).

Фильтрование это процесс разделения при помощи пористой перегородки, способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в них твердые частицы. Движущей силой является разность давлений. Если разность давления создается под действием центробежной силы, процесс называют центробежным фильтрованием.

Мокрая очистка газов это процесс улавливания взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется как под действием сил инерции, так и под действием сил тяжести.

Перемешиванием в жидких средах называется процесс многократного относительного перемещения макроскопических элементов жидкости под действием импульса, передаваемого среде механической мешалкой, потоком газа или жидкости.

В теплообменных процессах энергия в форме теплоты передается от одних сред к другим, имеющих общее название теплоносители и подразделяющихся на нагревающие агенты (отдающие теплоту) и охлаждающие агенты (воспринимающие теплоту).

К теплообменным процессам относятся нагревание, охлаждение, испарение и конденсация. Нагревание процесс увеличения температуры среды. Охлаждение процесс уменьшения температуры. Конденсация переход вещества из парового состояния в конденсированное (жидкое или твердое). Испарение переход вещества из жидкого или твердого состояния в паровое. Парообразование может осуществляться на поверхности жидкости (зачастую именно этот процесс называют испарением) или в ее объеме (кипение). Как частный случай испарения может рассматриваться выпаривание увеличение концентрации растворов малолетучих веществ в жидких летучих растворителях за счет испарения последних.

Массообменными называют процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую. Распределяемым называется компонент переходящий из одной фазы в другую, инертным компонент, не переходящий через границу раздела фаз.

К основным относят следующие массообменные процессы:

Абсорбция избирательное поглощение компонентов паровых или газовых смесей жидким поглотителем. При этом осуществляется переход одного или нескольких компонентов смеси из газовой фазы в жидкую. Обратный процесс перехода отдельных компонентов жидкой смеси в газовую фазу называется десорбцией.

Перегонка процесс разделения жидкой смеси с различной летучестью компонентов, осуществляемый путем частичного ее испарения с последующей конденсацией пара, в результате чего образуются продукты с преобладанием доли более летучих и менее летучих компонентов по сравнению с исходной смесью. Перегонка подразделяется на простую перегонку, или дистилляцию, и ректификацию.

Простая перегонка (дистилляция) разделение жидкой смеси за счет ее частичного испарения с последующей конденсацией равновесного пара. Применяется при существенно различных летучестях компонентов. Осуществляется последовательный переход вещества из жидкой фазы в паровую и из паровой в жидкую.

Ректификация процесс разделения жидкой смеси за счет взаимодействия неравновесных потоков жидкости и пара, в результате которого пар обогащается более летучими, а жидкость менее летучими компонентами. Происходит перенос легколетучих компонентов из жидкой фазы в паровую, а труднолетучих – из паровой в жидкую. Применяется при необходимости высокой степени разделения, а также при незначительном отличии в летучестях компонентов.

Экстракция извлечение компонентов, растворенных в одной жидкости, с помощью другой, которая не смешивается или частично смешивается с первой. Осуществляется перенос распределяемых компонентов из одной жидкой фазы в другую.

Экстрагирование (выщелачивание) избирательное извлечение компонентов из твердой фазы жидкостью. Происходит переход компонентов из твердой фазы в жидкую.

Адсорбция избирательное поглощение компонентов газовых, паровых или жидких смесей твердым поглотителем. Происходит переход распределяемых компонентов в твердую фазу.

Ионообмен обмен ионами между жидким раствором и твердым телом (ионитом).Одни ионы переходят из жидкой фазы в твердую, а другие - из твердой в жидкую.

Сушка удаление влаги из твердых материалов за счет ее испарения. Осуществляется перенос влаги из твердой фазы в газовую. Сушку и экстрагирование можно считать процессами, обратными адсорбции.

Кристаллизация выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Перенос вещества осуществляется из жидкой фазы в твердую. Обратный процесс перехода вещества с поверхности твердого тела в раствор называется растворением.

Мембранное разделение разделение газовых, паровых или жидких смесей с помощью полупроницаемых перегородок (мембран), обладающих избирательной пропускной способностью. Происходит перенос распределяемых компонентов из одной фазы в другую через разделяющую их мембрану.

Процессы могут подразделяться не только по виду переносимой субстанции, определяющей скорость их протекания, но и по ряду других признаков. В зависимости от изменения параметров процесса во времени различают стационарные процессы, в которых параметры (температура, давление, скорость и т.д.) для любой фиксированной точки пространства не меняются во времени, и нестационарные, в которых такие изменения происходят. По способу организации процессов во времени их подразделяют на периодические и непрерывные. В периодических процессах, являющихся нестационарными, все стадии протекают в одном месте, но в различное время (загрузка, обработка, выгрузка). В непрерывных процессах, являющихся, как правило, стационарными, все стадии осуществляются одновременно, но разделены в пространстве.

Один и тот же результат, например, разделение неоднородных систем, может достигаться с использованием различных процессов (отстаиванием, циклонным процессом, центрифугированием, фильтрованием), проводиться в аппаратах различной конструкции, действующих как непрерывно, так и периодически. Задача инженера заключается в выборе оптимального варианта достижения необходимого результата на основе технико-экономических расчетов, с использованием в качестве критерия оптимальности экономических затрат на осуществление процесса, включающих в себя стоимость оборудования и его эксплуатации. Чтобы грамотно решить эту задачу, необходимо хорошо представлять суть процессов, конструкции аппаратов, влияние различных факторов на скорость протекания процессов, уметь составлять их математическое описание.

- 17 -