1.1. Классификация основных процессов и аппаратов

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание, процессы как химической, так и экологической технологий делят на пять основных групп.

Механические процессы, скорость которых связана с законами физики твёрдого тела. К ним относятся: измельчение, классификация, дозирование и смешение твёрдых сыпучих материалов. В настоящем учебном пособии эти процессы не рассматриваются. Следует отметить, что для осуществления безотходных и ресурсосберегающих технологических процессов, механические процессы имеют существенное значение для осуществления экологических технологий, например, при переработке отходов или вторичного сырья из пластических масс. Более подробные сведения о механических процессах следует искать в специальной литературе (например, в [20]).

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.

Тепловые процессы, скорость протекания которых определяется законами теплопередачи. К ним следует отнести процессы: нагревания, выпаривания, охлаждения (естественного и искусственного), конденсации и кипения.

Массообменные (диффузионные) процессы, интенсивность которых 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.

Химические процессы связаны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.

В научном и прикладном плане химические процессы совместно со всеми вышеперечисленными процессами в целом и определяют химико-технологи-ческие процессы, без которых невозможны безотходные технологии. Любой химический процесс сопровождается переносом импульса, теплоты, вещества; в ряде случаев именно явление переноса, а не собственно химическое превращение, определяет течение химического процесса и успех его в осуществлении.

Общие закономерности протекания химических процессов и принципы устройства реакторов рассматриваются в специальных дисциплинах.

В соответствии с перечисленным делением процессов аппараты классифицируют следующим образом: измельчающие и классифицирующие машины; гидромеханические, тепловые, массообменные аппараты; 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: возможность специализации аппаратуры для каждой стадии, улучшение качества продукта, стабилизация процесса во времени, простота регулирования, возможность 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.

Непрерывные процессы получили широкое и преимущественное распространение на всех крупных предприятиях химической и нефтехимической промышленности.

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. Параметрами, определяющими состояние вещества в аппарате, называются величины, характерные для данного процесса, например: температура, давление, концентрация и т.п.

Наиболее удобно продемонстрировать особенности потока различной структуры на примере теплообменников непрерывного действия. На рис. 1.1 представлена схема теплообменника, работающего по принципу идеального вытеснения. Принимается, что в этом аппарате происходит «поршневое» течение потока без перемешивания. Температура одного из теплоносителей меняется по длине аппарата от начальной температурыдо 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).

Рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса:

1 – сырье; 2 – готовый продукт;

3 – пар; 4 – конденсат; 5 – хлаждающая вода

В аппарате идеального смешения последующие и предыдущие объёмы жидкости идеально перемешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной (рис. 1.2).

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

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).

а) б) в)

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 разностьмежду 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.

Рис. 1.4. Изменение движущей силы процесса при секционировании

Следует отметить, что движущая сила процессов в непрерывно действующих аппаратах идеального смешения может быть значительно увеличена 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.