1.1.3. Закономерности переноса массы и энергии

Экономическая эффективность любого производства в значительной степени зависит от скорости протекания технологических процессов. Эта скорость тем больше, чем больше движущая сила, и тем меньше, чем больше сопротивление этому действию:

(1.6)

где L – скорость протекания процесса,

R – сопротивление переносу,

Δ – движущая сила.

Это выражение носит название основного кинетического уравнения. Зная движущую силу, можно получить основное уравнение для любого процесса.

Для процесса теплопередачи:

q = k ΔТ , (1.7)

где q – скорость переноса теплоты, удельный тепловой поток, Дж/(м² ∙с);

k – коэффициент теплопередачи, Дж/(м² ∙К∙с);

ΔТ – движущая сила, т.е. средняя разность температур, К (или ^оС).

Вместе с тем тепловой поток – это количество теплоты, переносимое через единицу поверхности в единицу времени:

(1.8)

где Q – количество теплоты, Дж;

F – площадь поверхности, через которую передается теплота, м²;

τ – время, с.

Для процесса массопередачи удельный поток массы [кг/(м² ∙ с)] равен:

m= K_mΔC , или (1.9)

где K_m– коэффициент массопередачи, размерность которого зависит от размерности концентрации, например, кг/[м² ∙(кг/м³)с] либо м/с;

ΔC – движущая сила – средняя разность концентраций, кг/м³;

М – количество переносимого вещества, кг.

Для гидродинамических процессов, например для фильтрации, кинетическое уравнение примет следующий вид (уравнение фильтрования Дарси):

(1.10)

где V – объем получаемого фильтрата, м³;

F – площадь, через которую осуществляется фильтрование, м²;

τ – время, с;

v – скорость фильтрования, м³/м² ∙с, или м/с;

К – коэффициент, характеризующий проводимость фильтрующей перегородки, м³/(м² ∙с∙Па), или м² ∙с/кг;

Δp – разность давлений, Па.

1.1.4. Классификация и принципы оптимизации основных

технологических процессов

Все технологические процессы защиты окружающей среды делятся по движущей силе и типу переноса [1]. Пример такого разделения приведен в табл.1.1.

Таблица 1.1

Классификация основных процессов природоохранных технологий

Тип переноса	Движущая сила	Процессы	Технологические операции
Перенос количества движения	Механическая сила, давление	Механические, гидромеханические	Дробление, резание, сортирование, прессование, отстаивание, фильтрование
Перенос теплоты	Разность температур	Тепловые	Нагревание, охлаждение, выпаривание, конденсация
Перенос массы	Разность концентраций	Массообменные	Сушка, экстракция, адсорбция, абсорбция, кристаллизация, растворение, перегонка

Технологический процесс может осуществляться при различных параметрах. При этом затраты энергии, скорость процесса, а следовательно, выход продукции, затраты живого труда, материалов и т.д. будут различными. Совершенствование производства направлено на поиск таких режимов, при которых затраты были бы наименьшими, а природоохранный эффект – наибольшим. Такой поиск называется оптимизацией, а режим работы аппарата в наилучших условиях – оптимальным. Для оценки эффективности процесса на основании экспериментальных и теоретических исследований выводится критерий оптимизации, куда входят параметры, противоположно влияющие на процесс. Оптимизация при этом будет означать поиск компромисса между этими параметрами.

Первый принцип оптимизации формулируется следующим образом: «оптимально организованный процесс» – это, как правило, непрерывный, автоматически управляемый процесс.

Второй принцип – оптимальным является противоточное движение взаимодействующих веществ.

Третий принцип – процесс тем лучше, чем выше турбулизация потоков и скорость их движения.

Четвертый принцип – оптимизация процессов предполагает максимальную утилизацию теплоты.

Пятый принцип – оптимизация процессов тесно связана с созданием замкнутых малоотходных энергосберегающих технологий, с полной утилизацией энергии и отходов.