ЛИТЕРАТУРА 1. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9 -е, М. : Химия. 1973 – 754 с. 2. Плановский А. Н. , Николаев П. И. Основные процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Изд. 2 -е, М. : Химия. 1972 – 493 с. 3. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/ Г. С. Борисов, В. П. Брыков, Ю. И. Дытнерский и др. Под ред. Ю. И. Дытнерского. Изд. 2 -е, М. : Химия. 1991 – 496 с. 4. Аксартов М. М. Основные процессы и аппараты химической технологии. Курс лекций. Изд Кар. ГУ в 1 -2 т.
Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов I. Общие сведения 1. Предмет курса "Процессы и аппараты" 2. Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах 3. Классификация основных процессов 4. Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов 5. Различные системы единиц измерения физических величин
Классификация основных процессов n n n Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики - науки о движении жидкостей и газов. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи - науки о способах распространения тепла. Массообменные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких Химические (реакционные) процессы, которые протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики. компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел.
По способу организации процессы делятся на: 1. 2. 3. Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий, которых протекают непрерывно.
По распределению времен пребывания различают: 1. 2. 3. 4. В аппаратах идеального вытеснения все частицы движутся в заданном направлении; не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока. В аппаратах идеального смешения поступающие частицы сразу же полностью перемешиваются с находящимися там частицами, т. е. равномерно распределяются в объеме аппарата. Реальные непрерывно действующие аппараты представляют собой аппараты промежуточного типа. Процессы могут быть также классифицированы в зависимости от изменения их параметров (скоростей, температур, концентраций и др.) во времени. По этому признаку процессы делятся на установившиеся (стационарные) и не установившиеся (нестационарные, или переходные).
Гидромеханические процессы. II. Основы гидравлики. Общие вопросы прикладной гидравлики в химической аппаратуре 1. Основные определения 2. Некоторые физические свойства жидкостей А. Гидростатика 3. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера 4. Основное уравнение гидростатики 5. Некоторые практические приложения основного уравнения гидростатики
n Закон внутреннего трения Ньютона Поверхностное натяжение выражается в следующих единицах: в системе СИ [ν] =[дж/м 2]=[н·м/м]= [н/м] в системе СГС ] = эрг/см 2] = [дин/см 2] в системе МКГСС ] = кгс·м/м 2] = кгс/м]
Для каждой точки покоящейся жидкости сумма нивелирной высоты и пьезометрического напора есть величина постоянная. (II, 18) (II, 18 г) n Последнее уравнение является выражением закона Паскаля, согласно которому давление, создаваемое в любой точке покоящейся несжимаемой жидкости, передается одинаково всем точкам ее объема.
Некоторые практические приложения основного уравнения гидростатики Условия равновесия в сообщающихся сосудах: Рис. II-4. Условия равновесия в сообщающихся сосудах: а – однородная жидкость; б – разнородные (несмешивающиеся) жидкости
В открытых или закрытых находящихся под одинаковым давлением сообщающихся сосудах, заполненных однородной жидкостью, уровни ее располагаются на одной высоте независимо от формы и поперечного сечения сосудов
Рис. II-5. К определению высоты гидравлического затвора в непрерывно действующем жидкостном сепараторе Рис. II-6. Пневматический измеритель уровня жидкости
ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. Б. Гидродинамика 1. Основные характеристики движения жидкостей 2. Уравнение неразрывности (сплошности) потока 3. Дифференциальные уравнения движения Эйлера 4. Дифференциальные уравнения движения Навье-Стокса 5. Уравнение Бернулли 6. Некоторые практические приложения уравнения Бернулли 7. Движение тел в жидкостях 8. Движение жидкостей через неподвижные зернистые и пористые слои 9. Гидродинамика кипящих (псевдоожиженных) зернистых слоев 10. Элементы гидродинамики двухфазных потоко 11. Структура потоков и распределение времени пребывания жидкости в аппаратах
Гидравлический радиус Под гидравлическим радиусом r (м) понимают отношение площади затопленного сечения трубопровода или канала, через которое протекает жидкость, т. е. живого сечения потока, к смоченному периметру: (II, 26)
Эквивалентный диаметр равен диаметру гипотетического трубопровода круглого сечения, для которого отношение площади S к смоченному периметру П то же, что и для данного трубопровода некруглого сечения.
Установившийся и неустановившийся потоки. Движение жидкости является установившимся, или стационарным, если скорости частиц потока, а также все другие влияющие на его движение факторы (плотности, температуры, давления и др.), не изменяются, во времени в каждой фиксированной точке пространства, через которую проходит жидкость. В этих условиях для каждого сечения потока расходы жидкости постоянны во времени.
Режимы движения жидкости. n n Движение, при котором все частицы жидкости движутся по параллельным траекториям, называют струйчатым, или ламинарным. Неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по запутанным, хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости в целом перемещается в одном направлении, называют турбулентным.
Критерий Рейнольдса (Re) n Критерий Re является мерой соотношения между силами вязкости и инерции в движущемся потоке.
Закон Стокса Уравнение представляет собой закон Стокса, выражающий параболическое распределение скоростей в сечении трубопровода при ламинарном движении.
Уравнение Пуазейля n При ламинарном потоке в трубе средняя скорость жидкости равна половине скорости по оси трубы.
Турбулентная вязкость n Турбулентная вязкость, в отличие от обычной вязкости, не является физико-химической константой, определяемой природой жидкости, ее температурой и давлением, но зависит от скорости жидкости и других параметров, обусловливающих степень турбулентности потока (в частности, расстояния от стенки трубы и т. д.).
Дифференциальное уравнение неразрывности потока для неустановившегося движения сжимаемой жидкости. Дифференциальное уравнение неразрывности потока несжимаемой жидкости.
Уравнение постоянства расхода n Эти выражения представляют собой уравнение неразрывности (плотности) потока в его интегральной форме для установившегося движения. Это уравнение называется также уравнением постоянства расхода или материальный баланс потока. 1 w 1 S 1 = 2 w 2 S 2 = 3 w 3 S 3 M 1 = М 2 = М 3 n Скорости капельной жидкости в различных поперечных сечениях трубопровода обратно пропорциональны площадям этих сечений. w 1 S 1 = w 2 S 2 = w 3 S 3 = const Q 1 = Q 2 = Q 3
Дифференциальные уравнения движения Эйлера n Система уравнений (II, 46) с учетом выражений (II, 47) представляет собой дифференциальные уравнения движения идеальной жидкости Эйлера для установившегося потока. (II, 46) (II, 47)
Уравнение Бернулли n n Уравнение Бернулли для идеальной жидкости Величину называют полным гидродинамическим напором, или просто гидродинамическим напором.
Следовательно, согласно уравнению Бернулли, для всех поперечных сечений установившегося потока идеальной жидкости гидродинамический напор остается неизменным. z - нивелирная высота, называемая также геометрическим, или высотным, напором (hг), представляет собой удельную потенциальную энергию положения в данной точке (данном сечении); – напор давления (hдавл), или пьезометрический напор, характеризует удельную потенциальную энергию давления в данной точке (данном сечении). Сумма z+ , называемая полным гидростатическим, или просто статическим напором (hст), следовательно, выражает полную удельную потенциальную энергию в данной точке (данном сечении).
Уравнение Бернулли n n Таким образом, согласно уравнению Бернулли, при установившемся движении идеальной жидкости сумма скоростного и статического напоров, равная гидродинамическому напору, не меняется при переходе от одного поперечного сечения потока к другому. Таким образом, уравнение Бернулли является частным случаем закона сохранения энергии и выражает энергетический баланс потока.
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ n 1. 2. 3. 4. 5. Перемещение жидкостей Объемные насосы Конструкция объемных насосов Центробежные насосы Конструкция центробежных насосов Насосы других типов. Сифоны
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ В зависимости от принципа действия насоса увеличение энергии и давления жидкости может быть осуществлено: 1. в объемных насосах-путем вытеснения жидкости из замкнутого пространства насоса телами, движущимися возвратно-поступательно или вращающимися; 2. в лопастных или центробежных насосах – центробежной силой, возникающей в жидкости при вращении лопастных колес; 3. в вихревых насосах – интенсивным образованием и разрушением вихрей, возникающих при вращении рабочих колес; 4. в струйчатых насосах – движущейся струей воздуха, пара или воды; 5. в газлифтах – образованием пены при подаче воздуха или газа в жидкость; 6. в монтежю и сифонах – давлением воздуха, газа или пара на жидкость.
Рис. III-8. Конструкции клапанов. I – шаровой клапан. 1 - корпус; 2 – клапан; 3 – крышка. II – откидной клапан. 1 – крышка; 2 – седло.
Мембранные (диафрагмовые) насосы Рис. III-9. Диафрагмовый насос: 1 – корпус; 2 – клапаны; 3 – цилиндр; 4 – плунжер; 5 – диафрагма (мембрана).
Центробежные насосы III-13 Рис. III-13. Схема центробежного насоса: 1 – приемный клапан; 2 - всасывающий трубопровод; 3 – рабочее колесо; 4 – вал; 5 – корпус; 6 – задвижка; 7 – обратный клапан; 8 – нагнетательный трубопровод.
Типы сальников n n I – сальник с гидравлическим затвором: 1 – фонарь; 2 – сальник. II – сальник для кислот: 1, 2 – кольцевые полости; 3, 4 – отводные отверстия. III – сальник пружинный: 1 – прокладка; 2 – пружина.
Безсальниковый насос n 1 корпус, 2 – крышка, 3 – рабочее колесо, 4 – втулка корпуса, 5 – фасонная втулка, 6 – втулка, 7 – левый диск, 8 – шпилька, 9 – правый диск, 10 – стяжная шпилька, 11 – пружина, 12 – вал, 13, 14 – кольца.
Монтежю. Рис. III-8. Монтежю: 1 – труба наполнения; 2, 3, 4, 5, 8 – краны; 6 – манометр; 7 – трубы для передавливания
Струйные насосы. Паровой насос. Рис. III-22. Паровой насос. 1 – паровой штуцер; 2 – паровое сопло; 3 – смешивающее сопло; 4 - всасывающая камера; 5 – всасывающий штуцер; 6 - диффузор; 7 – нагнетательный штуцер; 8 – штуцер конденсата; 9, 10 - обратные клапана.
Водоструйный насос. III-22 Рис. III-22. Водоструйный насос. 1 – сопло; 2 – отверстие; 3 – всасывающий трубопровод; 4 1 – сопло; 2 – отверстие; 3 – всасывающий штуцер трубопровод; 4 - штуцер III-23
Схема воздушного подъемника Рис. III-24. Схема воздушного подъемника: 1, 2 – трубы; 3 – смеситель; 4 - сепаратор Рис. III-24
Воздушные подъемники (эрлифты) и сифоны Рис. III-25. Системы воздушных подъемников 1 – воздушная труба; 2 – подающая труба для смеси; 3 – смеситель. Рис. III- 26. Сифоны. 1 – резервуар; 2 – сифонная труба; 3, 4, 5 – краны, 6 – смотровой канал
Перемещение и сжатие газов (компрессорные машины) n n n n 1. Общие сведения 2. Поршневые компрессоры 3. Ротационные компрессоры и газодувки 4. Центробежные машины 5. Осевые вентиляторы и компрессоры 6. Винтовые компрессоры 7. Вакуум-насосы 8. Сравнение и области применения компрессорных машин различных типов
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ И СЖАТИЕ ГАЗОВ (КОМПРЕССОРНЫЕ МАШИНЫ) n n n n Общие сведения Машины, предназначенные для перемещения и сжатия газов, называют компрессорными машинами. В зависимости от степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин: вентиляторы (3. 0) - для создания высоких давлений; вакуум-насосы - для отсасывания газов при давлении ниже атмосферного.
Поршневые компрессоры n Одноступенчатый горизонтальный компрессор простого действия Рис. IV-1. Схемы одноступенчатых поршневых компрессоров: а – одноцилиндровый простого действия; б – одноцилиндровый двойного действия; в – двухцилиндровый простого действия. 1 = цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – кривошип; 7 – маховик; 8 – ползун (крейцкопф)
Многоступенчатое сжатие. Рис. IV-2. Схемы многоступенчатых поршневых компрессоров. а, б, в – со ступенями сжатия в отдельных цилиндрах (а – одновременного исполнения; б – двухрядного исполнения; в – с V-образным расположением цилиндров); г – с дифференциальным поршнем: 1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий клапан; 4 – нагнетательный клапан; 5 – шатун; 6 – ползун (крейцкопф); 7 – кривошип; 8 – маховик; 9 – промежуточный холодильник.
Турбогазодувки. Рис. IV-8. Схема многоcтупенчатой турбогазодувки. 1 – корпус; 2 – рабочее колесо; 3 – направляющий аппарат; 4 – обратный клапан. Рис. IV-9. Энтропийная диаграмма сжатия газа в турбогазодувке
Разделение неоднородных систем V. Разделение неоднородных систем 1. Неоднородные системы и методы их разделения 2. Разделение жидких систем 2. Материальный баланс процесса разделения А. Отстаивание 3. Скорость стесненного осаждения (отстаивания) 4. Отстойники Б. Фильтрование 5. Общие сведения 6. Фильтровальные перегородки 7. Устройство фильтров
Отстойник непрерывного действия Рис. IV-3. Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой 1 – корпус; 2 – кольцевой желоб; 3 - мешалка; 4 – лопасти с гребками; 5 – труба для подачи исходной суспензии; 6 – штуцер для вывода осветленной жидкости; 7 – разгрузочное устройство для осадка (шлама); 8 – электродвигатель.
Рис. V-6. Отстойник непрерывного действия с коническими полками; 1 – штуцер для подвода разделяемой суспензии; 2 – конические полки; 3 – штуцер для отвода шлама; 4 – каналы для отвода осветленной жидкости; 5 – штуцер для вывода осветленной жидкости
Рис. V-7. Отстойник непрерывного действия для разделения суспензий. 1 – штуцер для подвода эмульсий; 2 – перфорированная перегородка; 3 – трубопровод для отвода легкой фазы; 4 – трубопровод для отвода тяжелой фазы; 5 устройство для разрыва сифона.
Б. ФИЛЬТРОВАНИЕ Рис. V-8. Схема процесса фильтрования. 1 – фильтр; 2 – фильтровальная перегородка; 3 суспензия; 5 осадок
Устройство фильтров Рис. V-10. Нутч, работающий под давлением до 3 атм. 1 – корпус; 2 – турбина; 3 - съемная крышка; 4 – фильтрующее дно; 5 – фильтровальная перегородка; 6 – опорная перегородка; 7 – защитная сетка; 8 – колцевая перегородка; 9 – штуцер для подачи суспензии; 10 – штуцер для подачи сжатого воздуха; 11 – штуцер для удаления фильтрата; 12 – предохранительный клапан
Барабанные фильтры. Рис. V-13. Схема действия барабанного вакуум-фильтра с наружной поверхностью фильтрования. 1 – барабан; 2 – соединительная трубка; 3 – распределительное устройство; 4 – резервуар для суспензии; 5 – качающаяся мешалка; 6, 8 - полости распределительного устройства; 7 – разбрызгивающее устройство; 9 – бесконечная лента; 10 – направляющий ролик; 11, 13 – полости распределительного устройства, сообщающиеся с источником сжатого воздуха; 12 – нож для съема осадка.
В. Центрифугирование Г. Разделение газовых систем (очистка газов) VI. Перемешивание в жидких средах В. Центрифугирование 1. Основные положения 2. Устройство центрифуг Г. Разделение газовых систем (очистка газов) 1. Общие сведения 2. Гравитационная очистка газов 3. Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил 4. Очистка газов фильтрованием 5. Мокрая очистка газов 6. Электрическая очистка газов VI. Перемешивание в жидких средах 1. Общие сведения 2. Механическое перемешивание 3. Механические перемешивающие устройства
Устройство центрифуг n Трехколонные центрифуги. Рис. V-14. Трехколонная центрифуга. 1 – перфорированный ротор; 2 – опорный конус; 3 – лаг; 4 – дно станины; 5 неподвижный кожух; 6 – крышка кожуха; 7 – станина; 8 – тяга; 9 – колонка; 10 – ручной тормоз.
Подвесные центрифуги. Рис. V-15. Подвесная центрифуга. 1 - трубопровод для подачи суспензии; 2 – ротор со сплошными стенками; 3 – вал; 4 – неподвижный кожух; , 5 штуцер для удаления жидкости; 6 – коническая крышка; 7 – соединительные ребра
Горизонтальные центрифуги с ножевым устройством для удаления осадка. Рис. V-16. Горизонтальная центрифуга с ножевым устройством для удаления осадка. 1 – перфорированный ротор; 2 – труба для подачи суспензии; 3 – кожух; 4 – штуцер для удаления фугата; 5 – нож; 6 – гидравлический цилиндр для подъема ножа; 7 наклонный желоб; 8 – канал для удаления осадка
Центрифуги с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка. Рис. V-17. Центрифуга с пульсирующим поршнем для выгрузки осадка. 1 – труба для поступления суспензии; 2 коническая воронка; 3 – перфорированный ротор; 4 – металлическое щелевое сито; 5 – поршень; 6 – штуцер для удаления фугата; 7 – канал для отвода осадка; 8 – шток; 9 – полый вал; 10 – диск, перемещающийся возвратно-поступательно
Центрифуги со шнековым устройством для выгрузки осадка. Рис. V-18. Центрифуга с шнековым устройством для выгрузки осадка. 1 – наружная труба; 2, 4 – отверстие для прохождения суспензии; 3 – внутренняя труба; 5 – конический ротор со сплошными стенками; 6 – цилиндрическое основание шнека; 7 – шнек; 8 – кожух; 9 – полые цапфы; 10 – отверстия для прохождения осадка; 11 – камера для осадка; 12 – отверстие для прохождения фугата; 13 – камера для фугата.
Центрифуги с инерционной выгрузкой осадка. Рис. V-19. Центрифуга с инерционной выгрузкой осадка. 1 – воронка для поступления суспензии; 2 – ротор; 3 – канал для удаления жидкой фазы; 4 – канал для удаления твердой фазы; 6 – шнек.
Жидкостные сепараторы. Рис. V-20. Жидкостной сепаратор тарельчатого типа. 1 – труба для подачи эмульсии; 2 – тарелки; 3 – отверстие для отвода более тяжелой жидкости; 4 – отверстия для отвода более легкой жидкости; 5 – ребра.
1. 2. 3. 4. 5. РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ СИСТЕМ (ОЧИСТКА ГАЗОВ) Различают следующие способы очистки газов: осаждение под действием сил тяжести (гравитационная очистка); осаждение под действием инерционных, в частности центробежных сил; фильтрование; мокрая очистка; осаждение под действием электростатических сил (электрическая
Гравитационная очистка газов Пылеосадительные камеры. Рис. V-21. Пылеосадительная камера. 1 – камера; 2 – горизонтальные перегородки (полки); 3 отражательная пергородка; 4 – дверцы.
Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил Инерционные пылеуловители. Рис. V-22. Инерционный жалюзийный пылеуловитель. 1 – первичный жалюзийный пылеуловитель; 2 – циклон; 3 – патрубки для очищенного газа; 5 – пылеотводящий патрубок.
Циклон Рис. V-23. Циклон конструкции НИИОгаз. 1 – корпус; 2 – коническое днище; 3 – крышка: 4 – кходной патрубок; 5 – пылесборник; 6 - выхлопная труба.
Батарейный циклон V-24. V-25. Рис. V-26. Элемент прямоточного батарейного циклона. 1 – закручивающее устройство; 2 входной патрубок; 3 – кольцевой щелевой зазор; 4 – выхлопной патрубок.
Очистка газов фильтрованием В зависимости от вида фильтровальной перегородки различают следующие фильтры для газов: а) с гибкими пористыми перегородками из природных, синтетических и минеральных волокон (тканевые материалы), нетканых волокнистых материалов (войлок, картон и др.), пористых листовых материалов (губчатая резина, пенополиуретан и др.), металлоткани; б) с полужесткими пористыми перегородками (слои из волокон, стружки, сеток); в) с жесткими пористыми перегородками из зернистых материалов (пористые керамика, пластмассы, спеченные или спрессованные порошки металлов и др.); г) с зернистыми слоями из кокса, гравия, кварцевого песка и др.
Фильтры с гибкими пористыми перегородками. Рис. V-27. Рукавный фильтр с механическим встряхиванием и обратной продувкой ткани. I-IV – секции фильтра; 1, 9 – вентиляторы; 2 – входной газоход; 3 – камера; 4 – рукава; 5 – распределительная решетка; 6, 8 – дроссельные клапаны; 7 – выхлопная труба; 10 – встряхивающий механизм; 11 – рама; 12 – шнек; 13 – шлюзовой затвор.
Фильтры с жесткими пористыми перегородками Металлокерамический фильтр Рис. V-28. Металлокерамический фильтр. 1 – корпус; 2 – металлические гильзы; 3 – решетка; 4 - входной штуцер; 5 – выходной штуцер; 6 – коллектор сжатого воздуха; 7 – бункер.
Фильтры с зернистыми слоями. Рис. V-29. Фильтр непрерывного действия с движущимся слоем зернистого фильтрующего материала. 1 – корпус; 2 – фильтровальная перегородка; 3 – фильтрующий материал; 4 входной штуцер; 5 – выходной штуцер; 6 – затворы; 7 – питатели.
V-34
ПЕРЕМЕШИВАНИЕ В ЖИДКИХ СРЕДАХ Способы перемешивания. Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью - газ, жидкость или твердое сыпучее вещество, - различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов.
Классификация основных процессов и аппаратов химической технологии
В зависимости от закономерностей , характеризующих протекание, процессы химической технологии делят на пять основных групп.
1. Механические процессы , скорость которых связана с законами физики твёрдого тела. К ним относятся: измельчение, классификация, дозирование и смешение твёрдых сыпучих материалов.
2. Гидромеханические процессы , скорость протекания которых определяется законами гидромеханики. К ним относятся: сжатие и перемещение газов, перемещения жидкостей, твердых материалов, осаждение, фильтрование, перемешивание в жидкой фазе, псевдоожижение и т. п.
3. Тепловые процессы , скорость протекания которых определяется законами теплопередачи. К ним следует отнести процессы: нагревания, выпаривания, охлаждения (естественного и искусственного), конденсации и кипения.
4. Массообменные (диффузионные) процессы , интенсивностькоторых определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка и др.
5. Химические процессы связаны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.
В соответствии с перечисленным делением процессов химические аппараты классифицируют следующим образом:
– измельчающие и классифицирующие машины;
– гидромеханические, тепловые, массообменныеаппараты;
– оборудование для осуществления химических превращений – реакторы.
По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические и непрерывные.
В периодическом процессе отдельные стадии (операции) осуществляются в одном месте (аппарате, машине), но в разное время (рис.1.1). В непрерывном процессе (рис.1.2) отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (аппаратах или машинах).
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими, состоящими ввозможности специализации аппаратуры для каждой стадии, улучшения качества продукта, стабилизации процесса во времени, простоте регулирования, возможности автоматизации и т.п.
При проведении процессов в любом из перечисленных аппаратов изменяются значения параметров перерабатываемых материалов. Параметрами, характеризующими процесс, являются давление, температура, концентрация, плотность, скорость потока, энтальпия и др.
В зависимости от характера движения потоков и изменения параметров веществ, поступающих в аппарат, все аппараты могут быть разделены на три группы: аппараты идеального (полного ) смешения , аппараты идеального (полного ) вытеснения и аппараты промежуточного типа .
Наиболее удобно продемонстрировать особенности потока различной структуры на примере теплообменников непрерывного действия различной конструкции. На рис.1.3,а представлена схема теплообменника, работающего по принципу идеального вытеснения. Принимается, что в этом аппарате происходит «поршневое» течение потока без перемешивания. Температура одного из теплоносителй меняется по длине аппарата от начальной температуры до конечной в результате того, что протекающие через аппарат последующие объёмы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их. Температура второго теплоносителя принята постоянной (конденсирующийся пар).
В аппарате идеального смешения последующие и предыдущие объёмы жидкости идеально перемешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной (рис. 1.3,б).
В реальных аппаратах не могут быть обеспечены ни условия идеального смешения, ни идеального вытеснения. На практике можно достигнуть только достаточно близкого приближения к этим схемам, поэтому реальные аппараты – это аппараты промежуточного типа (рис. 1.3,в).
Рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса:
1 –сырье; 2 –готовый продукт;3 –пар;4 –конденсат;5 –охлаждающая вода
Рис. 1.2. Аппарат для проведения непрерывного процесса:
1– теплообменник-нагреватель; 2 – аппарат с мешалкой; 3 – теплообменник-холодильник; I –сырье; II –готовый продукт;III –пар;IV –конденсат;
V –охлаждающая вода
Рис. 1.3. Изменение температуры при нагревании жидкости в аппаратах различных типов: а – полного вытеснения; б –полного смешения; в – промежуточного типа
Движущая сила рассматриваемого процесса нагревания жидкости для любого элемента аппарата представляет разность 
между температурами греющего пара и нагреваемой жидкости.
Разница в протекании процессов в каждом из типов аппаратов становится особенно ясной, если рассмотреть, как изменяется движущая сила процесса в каждом из типов аппаратов. Из сравнения графиков следует, что максимальная движущая сила имеет место в аппаратах полного вытеснения, минимальная –в аппаратах полного смешения.
Следует отметить, что движущая сила процессов в непрерывно действующих аппаратах идеального смешения может быть значительноувеличена путём разделения рабочего объёма аппарата на ряд секций.
Если объём аппарата идеального смешения разделить на n аппаратов и в них провести процесс, то движущая сила увеличится (рис. 1.4).
При увеличении числа секций в аппаратах идеального смешения значение движущей силы приближается к её значению в аппаратах идеального вытеснения, и при большом числе секций (порядка 8–12) движущие силы в аппаратах того и другого типа становятся приблизительно одинаковыми.
Рис. 1.4. Изменение движущей силы процесса при секционировании
При проектировании установок для проведения типовых процессов химической технологии, выбора принципа расчета и необходимого оборудования основное значение имеют химические процессы.
Основные процессы и аппараты химической технологии
Все справочные данные и общие сведения о химическом производстве содержатся в пособии по проектированию под редакцией Дытнерского Ю.И «Основные процессы и аппараты химической технологии».
В пособии рассказывается:
- о расчетах теплообменных и массообменных аппаратов;
- о работе выпарной, ректификационной и адсорбционной установок;
- о механических расчетах основных узлов и деталей химических устройств;
- о гидравлических расчетах.
В издании приведены принципы работы установок мембранного разделения и данные по кристаллизации.
Виды химических процессов и технологий
Для производства готовой продукции и промежуточных веществ с помощью химической переработки исходного материала используются разные методики и приборы. В основе большинства операций лежит перенос какого-либо вещества.
Исходя из будущего предназначения и эксплуатации, выделяют следующие типы процессов:
- гидромеханические используются для механического разделения неоднородных смесей жидкостей и газов, их очистки от твердых частиц, например, отстаивание и осаждение в центрифуге;
- тепловые, в основе которых лежит перенос тепла (испарение, конденсация, нагревание, охлаждение);
- массообменные заключаются в переносе вещества с совместным переносом импульса и тепла (абсорбция, адсорбция);
- химические и биохимические происходят при варьировании химического содержания и свойств (ионные реакции, гликолиз, брожение).
Технологические процессы по длительности подразделяются на:
- периодические;
- непрерывные;
- комбинированные.
Периодические процессы протекают непостоянно, так как происходит цикличное закладывание исходных материалов. Совместная загрузка сырья и выгрузка продукции характеризует непрерывный процесс. Комбинированные процессы состоят из двух типов операций или нескольких раздельных стадий совместно.
В химическом производстве упор делается на использование непрерывных процессов, которые полностью механизированы и управляют с помощью автоматике. Непрерывные процессы по сравнению с периодическими операциями более практичны. В непрерывном процессе за счет постоянного протекания операций финансовые, ресурсные и трудовые расходы снижены.
Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии
Комплекс мер по бережному и эффективному применению элементов производства составляет энерго- и ресурсосбережение, которое достигаются в результате применения различных методов:
- уменьшения фондоемкости и расхода готовой продукции;
- роста продуктивности;
- увеличения качества продукции.
Ресурсосберегающие мероприятия позволяют обеспечить производство готовой продукции с минимумом применения топлива и другого исходного сырья, компонентов, топлива, воздуха, воды и иных источников для технологических нужд.
К технологиям ресурсосбережения относятся:
- закрытая система водообеспечения;
- применение вторичных ресурсов;
- переработка отходов.
Ресурсосберегающие технологии экономят использование материалов и снижают воздействие вредных факторов производства на окружающую среду.
Проектирование и расчет процессов и аппаратов химической технологии
Расчет химического оборудования и проектирование проходят в следующей последовательности:
- анализируются исходные данные, выявляется направление течения процесса;
- составляется материальный баланс и определяются количественные величины материальных потоков. Материальный баланс является тождеством прихода и расхода массовых потоков элементов в одном оборудовании;
- исходя из теплового баланса, определяют расходы теплоты в реакции или расходы теплоносителей. Тепловой баланс представляет равенство прихода и расхода тепловых потоков в оборудовании;
- определяется движущая сила процесса исходя из закона равновесия;
- рассчитывается коэффициент скорости К, который обратно пропорционален сопротивлению соответствующей операции;
- величину аппарата вычисляют по главной кинетической закономерности. Этим размером чаще всего приходится поверхность аппарата. По расчетной величине с помощью специальных каталогов либо нормалей, выбирают ближайший стандартный типоразмер проектируемого оборудования.
Компании с исследовательскими группами химических процессов
Компании с исследовательскими группами химических процессов - это крупные организации с большим штатом химических экспертов. Одной из таких организация является «Модкон Системс», которая разрабатывает продукцию, ведет техническую политику для обеспечения всех типов исследовательских мероприятий, а также осуществляет комплексную оптимизацию процессов в сфере нефтепереработки, трубопроводов, биотехнологии и химии.
Лабораторный комплекс научно-инжинирингового центра ГК «Миррико» включает исследовательские и испытательные лаборатории, которые разрабатывают новые виды продуктов и технологии для разных целей.
НИЦ ГК «Миррико» включает в себя следующие отраслевые научно-исследовательские лаборатории (НИЛ):
- НИЛ «Реагенты для бурения и добычи»;
- НИЛ дивизиона «Добыча»;
- НИЛ нефтегазопереработки и нефтехимии «Процессы»;
- НИЛ «Буровые растворы и технологии»;
- НИЛ «Вода».
Производители химических аппаратов
Для реализации химических превращений в нефтехимической сфере необходимы химические реакторы и аппараты. Химический реактор - это аппарат с тремя стенками, который находится под давлением или вакуумом с разными методами нагрева, обладает быстроходными и тихоходными мешалками. Исходя из величины температуры нагрева и необходимости ее контроля, выбирается теплоноситель.
Завод «ЮВС» занимается разработкой и изготовлением реакторов разных конструкций, исходя из разряда реакции в оборудовании, физического состояния компонентов, необходимого режима теплоты, давления, объема, характера течения процесса. Для того чтобы ускорить тепловой и массообменный процесс реакторы оснащают дополнительными элементами, которые перемешивают. Качество выпускаемого оборудования строго контролируется из-за повышенной техники безопасности. Механическая прочность, стойкость к коррозийному действию перерабатываемого сырья и соответствующие физические характеристики являются требованиями, предъявляемыми к химическим реакторам.
Другая компания ООО «СибМашПолимер» рассчитывают и изготавливают химические реакторы, а также дает гарантии на высокое качество производимых аппаратов. Компания осуществляет испытания своей продукции в лаборатории, оснащенной радиографическим контролем аппаратов.
Промышленное объединение «Химстройпроект» производит энергосберегающие и теплообменные аппараты, согласно критериям Технического Регламента Таможенного Союза «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением» (ТР ТС 032/2013).
Предисловие
Введение
1. Предмет химической технологии и задачи курса
2. Классификация процессов
3. Материальные и энергетические расчеты
Общие понятия о материальном балансе. Выход. Производительность. Интенсивность производственных процессов. Энергетический баланс. Мощность и коэффициент полезного действия.
4. Размерность физических величин
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Глава первая. Основы гидравлики
А. Гидростатика }