1.2.4. Способы организации процесса

По способу организации химико-технологические процессы делятся на периодические и непрерывные.

При периодическом процессепереработка исходного сырья в конечный продукт осуществляется порциями, илиоперациями. Особенностью периодического процесса является отсутствие постоянного транспорта реакционной массы через систему. Соответственно, состав и свойства реакционной массы изменяется во времени. Соответственно, от операции к операции будет изменяться и качество конечной продукции. Реактор периодического процесса работает по определенному температурному графику.

Основания для выбора периодического способа производства:

 Малый масштаб производства

Это характерно для малотоннажных производств в случае процессов тонкого органического синтеза и для практически всех производств в случае лекарственных препаратов и косметических средств.

 Невысокая скорость химической реакции

Среднее время пребывания составляет несколько часов (более 1 часа). В случае производства фармацевтических препаратов (не субстанций) и косметических средств химические процессы не протекают, и данный показатель не имеет большого значения.

 Специфические свойства исходных компонентов и реакционных масс, затрудняющих их транспорт через систему

Сюда относятся гетерофазность реакционных масс, их высокая вязкость и т.д. Очевидно, все это характерно именно для производств фармацевтических препаратов и косметических средств.

 Жесткие условия проведения процесса

Здесь имеется в виду высокая температура или давление, сильная коррозия. Для фармацевтических и косметических производств эти факторы не столь важны. Вместе с тем, эти производства характеризуются наличием в химико-технологическом процессе ряда разнородных и практически несовместимых друг с другом стадий.

Таким образом, мы можем сделать вывод, что при организации производства фармацевтических препаратов и косметических средств, в основном, следует использовать периодический способ производства. Для проведения периодических процессов применяются емкостные аппараты: вертикальные и горизонтальные. Как правило, эти аппараты снабжаются перемешивающими устройствами, элементами теплообмена, устройствами для загрузки и выгрузки. Принципиальная схема технологического узла для проведения процесса периодическим способом представлена на рисунке 1.

Периодический процесс протекает по определенному температурному графику. Для произвольного превращения А+В → Сэтот график может быть представлен следующим образом (рис. 2):

I- загрузка вещества А

II- нагревание

III- загрузка вещества В

IV- нагревание

V- выдержка

VI- охлаждение

VII- выгрузка

Сумма всех стадий по времени дает время всей операции в целом.

Преимущества периодических процессов

• простота оборудования, КИП, обслуживания и ремонта оборудования

• простота пуска и остановки процесса

• возможность проведения в одном технологическом узле или аппарате нескольких стадий

• использование совмещенных схем

Недостатки периодических процессов

• низкая производительность (длительная подготовка к началу процесса и его завершению, выгрузке продукции)

• изменение параметров процесса во времени (влечет за собой изменение качества конечного продукта от операции к операции)

• невозможность полной автоматизации процесса (влечет за собой возможность изменения параметров процесса в разных операциях, что приводит к нестабильности качества продукции).

При непрерывном процессе переработка исходных веществ в конечный продукт ведется непрерывно. Существует постоянный транспорт реакционной массы через систему. В производстве фармацевтических препаратов и косметических средств непрерывная организация процесса также имеет место. Примером может служить водоподготовка. В непрерывных процессах реакторы более разнообразны. Некоторые из них представлены на рисунке 3. Выбор аппарата определяется необходимым временем пребывания.

Преимущества непрерывных процессов

• высокая интенсивность процесса и высокая производительность аппарата

• стабилизация параметров процесса при установившемся режиме (обеспечивает стабильность качества конечного продукта)

• возможность полной автоматизации процесса

• простота обслуживания процесса

Недостатки непрерывных процессов

• сложность пуска и остановки системы (до нескольких суток)

• значительное удорожание разработки процесса, оборудования, КИП, средств автоматизации

• сложность конструкции КИП и средств автоматизации

5. Последовательность разработки химико-технологических процессов

Процесс разработки химико-технологического процесса складывается из следующих этапов:

 Лабораторный опыт

Проводятся лабораторные исследования по получению целевого продукта

 Лабораторный реактор

Процесс изучается в идеальных с точки зрения гидродинамики условиях. Изучается химизм процесса. Получают кинетические уравнения. Определяется диапазон температур и давлений. Подбираются растворители, катализаторы, вспомогательные вещества.

 Опытный реактор

На основании лабораторных исследований выбирается опытный реактор. Если процесс осуществляется периодическим способом, то опытный реактор представляет собой, как правило, емкостной аппарат объемом 10-15 л. Если выбирается непрерывный метод производства, то изучается гидродинамика процесса и составляется математическая модель процесса. Математическая модель используется для количественного описания системы. Математическая модель представляет собой совокупность математических уравнений, отражающих сущность процесса и связывающих выходные параметры с входными параметрами, параметрами возмущения и управления и конструктивными особенностями аппарата.

Основными математическими уравнениями являются следующие:

• уравнения гидродинамики и кинетики (структура потока)

• уравнения теплообмена

• уравнения массообмена

Процесс математического моделирования состоит из нескольких стадий:

• составление математической модели

• определение адекватности модели объекту

• определение алгоритма решения модели и непосредственное решение

• оптимизация процесса с использованием математической модели

 Пилотная установка

 Опытно-промышленная установка

 Типовая промышленная установка

Общее время разработки процесса составляет около 10 лет.

Вопросы по теме 1.

1. Дайте определение понятию химико-технологический процессихимико-технологическая стадия.

2. Каким образом могут быть классифицированы химико-технологические стадии? Приведите конкретные примеры.

3. Дайте определение понятиям технологический узелихимико-технологическая система.

4. Охарактеризуйте основные тенденции развития химической технологии.

5. Что такое совмещенная технологическая схема. В чем ее преимущества? Приведите конкретные примеры.

6. Охарактеризуйте условия, определяющие выбор аппаратурного оформления технологического процесса.

7. Охарактеризуйте условия, определяющие необходимость выбора периодического способа производства.

8. Предложите принципиальную схему технологического узла для организации производства периодическим способом.

9. Что такое температурный график процесса.

10. Какое оборудование используется для организации производства периодическим способом?

11. В чем состоят преимущества периодических процессов?

12. В чем заключаются недостатки периодических процессов?

13. Дайте характеристику непрерывных процессов.

14. Какие аппараты используются при непрерывной организации процесса?

15. Охарактеризуйте преимущества и недостатки непрерывных процессов.

16. Какова последовательность разработки химико-технологического процесса?

17. Что представляет собой опытный реактор?

18. Какие основные уравнения описывают модель опытного реактора?