Основные процессы и аппараты химической технологии

Введение

Под процессами подразумеваются какие-либо изменения состояний системы, происходящие в тех или иных условиях. Они называются общими, так как характерны для всех отраслей химической технологии.

Предметом данной науки является изучение производственных процессов.

В химической технологии, в отличие от механической, рассматриваются процессы преобразования состава, внутреннего строения и свойств вещества. Но, несмотря на различие технологий, получение химических продуктов неразрывно связано с проведением физических и физико-химических процессов (нагревание, охлаждение, разделение смесей и т. п.).

Изучение ПАХТ помогает решить следующие задачи:

1. Выбрать оптимальные технологические режимы, повысить качество продукции при эксплуатации действующих производств.
2. Разработать наиболее эффективные технологические схемы, выбрать рациональные типы аппаратов для проектировки новых производств.
3. Разработать новые методы расчета.
4. Изучать факторы протекания того или иного процесса, оперативно применять результаты лабораторных исследований для проведения научно-исследовательской деятельности.

Теоретическую основу процессов, происходящих в химической технологии, составляют такие законы, как закон сохранения субстанции (суммы субстанций остаются неизменными), закон термодинамического равновесия (условия, при которых процесс переноса вещества приходит к своему завершению) и закон переноса массы (определяет интенсивность и производительность аппарата).

Классификация основных процессов

Основу большинства химических производств составляют следующие процессы: гидродинамические, тепловые, масообменные и химические. Разберем каждый вид более подробно.

Гидромеханические процессы характеризуются тем, что скорость в них определяется законами гидродинамики, а явления их связаны с переносом импульсов в жидкостных и газовых потоках. К данным процессам относятся разделение/получение жидких и газовых неоднородных систем, транспортировка жидкости и газов, осаждение взвешенных частиц.

Тепловые процессы связаны с теми или иными формами переноса теплоты, при этом необходимо учитывать закономерности переноса импульса, который сопутствует основному процессы. Скорость определяется соответственно законами теплодинамики. К данному виду процессов относятся нагревание или охлаждение, конденсация паров, кипение, выпаривание.

Массообменные процессы лежат в основе очистки газов и жидкости. Они являются основополагающими не только в химической промышленности, но и в газовой, нефтяной, пищевой и др. Массообменные процессы связаны с переносом компонентов исходной смеси из одной фазы в другую. К ним относятся дистилляция (разделение жидких смесей), адсорбция (избирательное поглощение газов, жидкостей адсорбентами, то есть твердыми веществами), абсорбция (поглощение газов и паров жидкими веществами), кристаллизация (образование кристаллов), жидкостная экстракция (разделение смесей путем избирательного растворения другими жидкостями). Скорость массообмена характеризуется количеством вещества, передаваемого через поверхность за единицу времени.

Для того, чтобы рассчитать массообменный аппарат, следует знать:

• количество передаваемого вещества,
• движущую силу,
• коэффициенты массопередачи.

Химические процессы связаны с изменением свойств и превращением веществ.

По способу организации выделяют следующие процессы:

• периодические (в аппараты загружаются исходные материалы через определенные промежутки времени),
• непрерывные (загрузка исходных материалов и выгрузка конечного продукта происходит одновременно и непрерывно),
• комбинированные.

В зависимости от изменения параметров процесса во времени выделяют:

• стационарные процессы (параметры не меняются),
• нестационарные процессы (параметры меняются).

По количеству участвующих фаз различают гомо- и гетерогенные процессы, а в зависимости от числа компонентов в системе одно - и многокомпонентные процессы.

Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды.

Существуют некоторые требования, зависящие от условий применения теплообменных аппаратов:

• наименьший расход материала,
• надежность и герметичность,
• обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи.

Рассмотрим общую классификацию теплообменных процессов, которая представлена на рисунке, и сделаем акцент на некоторых видах аппаратов.

Рисунок 1. Классификация теплообменных процессов. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Поверхностными называются аппараты, в которых передача тепла осуществляется через поверхность, разделяющую технологические среды.

В аппаратах смешения передача тепла происходит за счет соприкосновения технологических сред.

Теплообменники - аппараты для регенерации тепла, которое уносится отходящими потоками.

Подогреватели необходимы для нагрева с помощью тепла теплоносителя, конденсаторы - для конденсации паров с помощью передачи тепла охлаждающему агенту, а холодильники - для охлаждения жидких потоков.

Массообменные аппараты

Классификация массообменных аппаратов:

1. По организации процесса: периодические, непрерывные.
2. По расположению в пространстве: вертикальные, горизонтальные, наклонные.
3. По назначению: абсорберы, перегонные аппараты, ректификационные колонны, экстракторы, адсорберы, ионнообменники, сушилки, кристаллизаторы, мембранные аппараты.
4. По способу организации контакта фаз: с непрерывным контактом, со ступенчатым контактом.

Также различают массообменные аппараты в зависимости от системы, в которой происходит массообмен.

Массообменные аппараты для системы газ-жидкость делятся на три группы в зависимости от способа создания поверхности фазового контакта. К первой группе относятся насадочные и пленочные аппараты, ко второй - тарельчатые и пенные аппараты, к третьей - аппараты, в которых жидкость распыляется в виде капель.

Насадочные аппараты представлены колоннами с твердыми частицами внутри.

В пленочных аппаратах листовые насадки расположены вертикально.

Тарельчатые аппараты представлены колоннами с тарельчатыми контактными устройствами.

Массообменные аппараты для жидкостной экстракции делятся на смесительно-отстойные, смесительные, колонные распылительные и т.д.

А для системы твердо-газ или жидкость аппараты подразделяются на аппараты для проведения адсорбции и сушки.