Раздел 1 введение. Основные понятия и определения

1.1 Предмет и задачи курса. Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах химической технологии

В современной химической промышленности перерабатывается сырье различных видов и производится большое количество продуктов. Технологическое оформление производственных процессов крайне многообразно. Но все производственные процессы базируются на относительно небольшом числе сравнительно простых основных процессов, протекающих в однотипной аппаратуре. Например, в разных производственных процессах успешно используются однотипные теплообменные аппараты, ректификационные колонны, абсорберы, фильтры, центрифуги, экстракторы и др.

Задачами данного курса является изучение

- теоретических основ типовых процессов химической технологии;

- конструкций аппаратов для осуществления этих процессов;

- методов расчета процессов и аппаратов химической технологии.

Мысль об обобщении основных процессов и аппаратов, применяемых в различных производствах, была высказана еще в 1828 году профессором Ф.А. Денисовым.

Основанная на этой идее новая учебная дисциплина была введена профессором А.К. Крупским в петербургском технологическом институте в конце 90-х годов 19 века и несколько позднее профессором Тищенко в Московском высшем техническом училище.

Наука о процессах и аппаратах постоянно развивалась. Возрастали ее роль и значение в разработке аппаратурно-технологического оформления химических производств, их интенсификация и создании новых производств. Например, еще в 30-х годах прошлого века жидкостная экстракция использовалась в химической технологии в основном для аналитических целей и не рассматривалась в литературе по процессам и аппаратам того времени как один из основных процессов. В настоящее время этот эффективный метод разделения жидких смесей получил значительное промышленное применение и для его осуществления, как будет рассмотрено далее, разработана разнообразная аппаратура.

Еще один пример. После того, как академик Зелинский изобрел универсальный угольный противогаз (1915г), заложенный в основу работы противогаза метод адсорбции применялся в промышленности в основном для рекуперации паров бензола, ацетона и других летучих растворителей из воздуха производственных помещений. Процесс проводился в громоздких периодически действующих аппаратах с неподвижным слоем адсорбента, в качестве которого применялся активированный уголь.

Сейчас процессы адсорбции широко применяются в промышленности как для очистки газовых и жидких смесей, так и для выделения индивидуальных веществ из смесей. Адсорбционные процессы стали более эффективными в связи с созданием новых типов адсорбентов как молекулярные сита, ионообменные смолы.

В настоящее время наука о процессах и аппаратах обогащается как разработкой новых процессов и аппаратов, так и усовершенствованием старых.

1.2 Классификация процессов и аппаратов химической технологии

Основные процессы и аппараты химической технологии можно классифицировать по ряду признаков.

1 По назначению все процессы разделяются на пять групп:

- массообменные или диффузионные, предназначенные для разделения гомогенных смесей компонентов и сопровождающиеся переходом вещества из одной фазы в другую. Процессы диффузионного массообмена могут протекать между твердой, жидкой и газообразными фазами. Протекание таких процессов зависит от скорости диффузии. К этой группе процессов относятся перегонка, ректификация, адсорбция, абсорбция, экстракция, сушка, кристаллизация, растворение;

- гидромеханические, предназначенные для разделения неоднородных систем. К ним относятся:

-- осаждение

под действием сил тяжести;

под действием центробежных сил;

под действием сил электрического поля (электроосаждение);

под действием ультразвука;

-- фильтрование

под действием сил тяжести;

под действием центробежных сил;

-- мокрые методы разделения газовых суспензий;

- механические процессы для измельчения, классификации, сортировки и транспортировки твердых материалов;

- тепловые процессы, связанные с передачей тепла от одной среды к другой. К ним относится нагревание, испарение, конденсация, охлаждение, плавление.

- химические процессы для получения новых соединений в результате химического превращения новых веществ.

Точно также по назначению классифицируются и аппараты. Имеются аппараты для ведения массообменных, гидромеханических, механических, тепловых и химических процессов.

2 По аппаратурно-техническому оформлению все процессы и аппараты можно разделить на

- периодические;

- непрерывные;

- смешанные.

Периодические процессы характеризуются единством места протекания процесса и неустановившимся во времени изменением параметров. Работа периодического аппарата складывается из отдельных стадий. Рабочий цикл ( - время первого рабочего цикла) складывается из времени основной стадии и вспомогательных стадий . Можно записать

, час (1.1)

Вспомогательные стадии включают время на загрузку исходных продуктов, нагревание, испарение или охлаждение (в зависимости от технологического процесса), на удаление продуктов технологического процесса, на подготовку аппарата к следующему рабочему циклу. Суточное число циклов работы определяется как

. (1.2)

Периодические процессы и аппараты применяются в малотоннажных производствах химической технологии, в фармацевтической промышленности. В химической технологии в периодически действующих процессах устанавливают как минимум два аппарата (работа каждого аппарата периодическая, но в целом технологический процесс протекает непрерывно).

Непрерывные процессы характеризуются установившимся во времени изменением рабочих параметров и применяются в многотоннажных производствах. В эти аппараты постоянно вводится сырье, и постоянно выводятся конечные продукты.

Смешанные процессы - это периодические, отдельные стадии которых непрерывны (отстойник, в который постоянно вводится исходный продукт (вода с твердыми частицами), постоянно отводится жидкая фаза, а осадок отводится периодически по мере накопления).

1.3 Основные понятия и определения

Часть пространства, обладающая какими-либо свойствами, называется телом.

Совокупность тел называется системой. Если систему мысленно выделить из окружающего пространства с целью изучения, то такая система называется изолированной. Всё окружающее изолирующую систему, называется внешней средой. Любая система характеризуется свойствами, которые можно разделить на

- экстенсивные;

- интенсивные.

К экстенсивным относятся свойства, пропорциональные массе тел (вес, объем, число молей вещества и т.д.). Экстенсивные свойства системы определяются суммированием аналогичных свойств тел, составляющих систему

. (1.3)

Интенсивные свойства не зависят от массы тел. Наиболее часто к ним относят давление, температуру и состав. Интенсивные свойства системы способны выравниваться. Они характеризуют состояние системы, поэтому называются параметрами состояния.

Системы можно классифицировать

- по числу фаз

-- гомогенные (или однофазные);

-- гетерогенные (или неоднородные);

- по числу компонентов

-- однокомпонентные;

-- бинарные;

-- многокомпонентные.

1.4 Общие положения о составлении материального и энергетического балансов

Материальные и энергетические балансы записываются для всего процесса в целом, для отдельного аппарата или для какой-то части или секции аппарата. В основу уравнений положены законы сохранения массы вещества и энергии. Для установившегося процесса уравнение материального баланса в общем виде выглядит следующим образом

, (1.4)

где - сумма материальных потоков соответственно входящих в процесс (аппарат) и покидающих процесс (аппарат).

Для непрерывного процесса уравнение (1.4) читается так: сумма материальных потоков, входящих в процесс или аппарат в единицу времени равна сумме материальных потоков, покидающих процесс или аппарат за тот же промежуток времени.

Уравнение теплового баланса идеального процесса имеет вид

, (1.5)

где - сумма энергетических потоков соответственно входящих в процесс (аппарат) и покидающих процесс (аппарат).

Если имеют место потери тепла в окружающую среду ( ), то уравнение теплового баланса записывается в виде

. (1.6)

1.5 Назначение расчета

Различают технологический, гидравлический и механический расчеты технологического оборудования.

При технологическом расчете определяются рабочие параметры процесса, составляются уравнения материального и теплового балансов и определяются расходные показатели, рассчитываются основные геометрические размеры аппарата.

Гидравлический расчет позволяет определить гидравлическое сопротивление аппарата в целом и его отдельных элементов с целью подбора оборудования для перемещения материальных потоков.

Механический расчет позволяет выбрать материал для изготовления аппарата, конструкцию крышек и днища на основе ранее выполненных расчетов, определить толщину стенок аппарата, выбрать вид соединения корпуса и крышек и другие величины, обеспечивающие долговременную и безопасную работу оборудования.