Ильясов С.Г. Процессы и аппараты упаковочного производства

Подождите немного. Документ загружается.

зависимости от законов, определяющих скорость их протекания, могут быть

объединены в следующие группы.

1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами

гидромеханики. К этим процессам относятся транспортирование жидкостей и

газов, получение и разделение жидких и газовых неоднородных систем и др.

2. Тепловые процессы, скорость которых определяется законами переноса

теплоты. К этим процессам относятся нагревание и охлаждение жидкостей и

газов, конденсация паров, кипение жидкостей. Обычно на скорость тепловых

процессов большое влияние оказывают гидродинамические условия в

теплообменных аппаратах.

3. Массообменные процессы, скорость которых определяется законами переноса

массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. К этим процессам

относятся, например, абсорбция, адсорбция, экстракция, перегонка жидкостей,

сушка. Обычно на скорость переноса массы существенно влияют

гидродинамические ювия в массообменных аппаратах, а также скорость подвода

^аимодействующим фазам (или отвода от них) теплоты.

4 Химические процессы, скорость которых определяется зако-\!и химической

кинетики. Часто скорость химических процессов i ?ec i венно зависит от скорости

переноса массы и теплоты в систе-

а следовательно, и от гидродинамических условий в химическом аарате

(реакторе).

5. Механические процессы, которые описываются законами метки твердых тел. К

ним относятся измельчение, сортировка

• (ассификация) и смешение твердых материалов.

11еречисленные процессы составляют основу большинства хими-ких производств

и поэтому называются основными (или типа-

•'/ ми} процессами химической технологии.

Общим для первых четырех групп процессов является то, что их ' отекание

связано с переносом субстанции-количества движения мнульса), энергии или

массы. Механические процессы в програм-^ курса «Процессы и аппараты

химической технологии» не входят, ^к как этот раздел включен в курс

«Прикладная механика». Механические процессы переработки синтетических

материалов шделия - прессование, литье и т. д.-рассматриваются в специаль-'хх

курсах.) Пока не входит в программу курса «Процессы и аппа->|ы химической

технологии» также раздел «Химические процес-

->^ который изучают обычно в курсе «Общая химическая техно-ния» или в

спецкурсах.

В зависимости от того, изменяются или не изменяются во семени параметры

процессов (скорости движения потока, темпе-пуры, давления и т.д.), их

подразделяют на стационарные (уста-чшвшиеся) и нестационарные

(неустановившиеся). Если обозна-пь совокупность параметров, влияющих на

процесс, U, то при ационарном процессе ди/дт = 0, т.е. эти параметры могут

изме-пься в пространстве, но не изменяются во времени т. При

-стационарном процессе ди/дт ^ 0, т.е. параметры, влияющие на роцесс,

изменяются не только в пространстве, но и во времени. ?естационарное состояние

процесса возникает, например, в период \ска и изменения режима работы

установок непрерывного дейст-;!я. В ряде случаев проведение процессов в

нестационарном режиме называется более эффективным, чем в стационарном.

По способу организации химико-технологические процессы подразделяют на

периодические, непрерывные и комбинированные.

Периодический процесс характеризуется единством места про-скания отдельных

его стадий и неустановившимся состоянием во времени (температура, давление,

концентрация и другие параметры

ходе процесса изменяются). При этом исходные вещества пе-нюдически

загружаются в аппарат и обрабатываются, а готовый родукт выгружается, т.е. все

стадии процесса обычно осуществляются в одном аппарате, но в разное время.

Таким образом, все ериодические процессы нестационарны.

Периодические процессы могут протекать как в замкнутых системах, не

обменивающихся веществом с окружающей средой, так и в открытых

системах.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его

стадий, установившимся состоянием, непрерывной загрузкой исходных

материалов и выгрузкой конечного продукта. При этом все стадии процесса

протекают одновременно, но в разных точках аппарата (или аппаратов), причем

в каждой его точке параметры процесса во времени не изменяются.

Непрерывные процессы обязательно осуществляются в открытых системах, т.

е. в системах, обменивающихся веществом с окружающей средой.

Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс,

отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой

периодический процесс, одна или несколько стадий которого проводятся

непрерывно.

Периодические процессы целесообразно применять в производствах небольшого

масштаба, при часто меняющемся ассортименте выпускаемой продукции.

Проведение процессов по непрерывному принципу позволяет значительно

повысить производительность аппаратуры и качество получаемых продуктов,

полностью автоматизировать и механизировать производство. Поэтому в про-

мышленности, особенно в многотоннажных производствах, периодические

процессы повсеместно вытесняются непрерывными. Применение периодических

процессов оправданно в малотоннажных производствах с часто меняющимся

ассортиментом выпускаемой продукции.

Большинство химико-технологических процессов многостадийно и включает

обычно несколько последовательных стадий. Часто одна из стадий

осуществляется значительно медленнее остальных, лимитируя скорость

протекания всего процесса. В этом случае для того, чтобы увеличить общую

скорость процесса, целесообразно воздействовать прежде всего на

лимитирующую стадию. Знание того, какая стадия данного процесса является

лимитирующей, часто позволяет упростить анализ, описание и

интенсификацию процесса.

За последние годы выявлено существенное влияние на интенсивность типовых

процессов химической технологии воздействия различных факторов

(электрических и магнитных полей, лазерного излучения, пульсаций участвующих

в процессе потоков жидкости и т. п.). Опубликованы монографии, в которых

делается попытка обобщения накопленного по этой проблеме материала (И.Н.

Бело-глазов, А. И. Муравьев. Интенсификация и повышение эффективности

химико-технологических процессов. М.: Химия, 1988;

Г. А. Кардашев. Физические методы интенсификации процессов химической

технологии. М.: Химия, 1990). Частичное отражение влияния физических

методов на интенсификацию ряда типовых процессов нашло отражение в

данном учебнике. Но это только начало. Будущему технологу нужно иметь в

виду, что в применении этих методов заложен большой потенциал для

совершенствования

ммико-технологических процессов, повышения их

интенсивности )ффективности.

Краткие исторические сведения о процессах и аппаратах хими-н-ской

технологии. Еще в древности человек широко использовал

1я решения многих насущных задач такие процессы, как сушка,

•регонка, фильтрование, отстаивание, выпаривание и т.п. В начале XIX в. в связи

с развитием ряда химических и пищевых

;юизводств (серной кислоты, этилового спирта, сахара и др.) чшаратура заметно

совершенствуется, а технологические процессы

<, с чаще организуются по непрерывному принципу. Поскольку омическая

промышленность становится одной из ведущих отрасли индустрии наиболее

развитых стран, возникает необходимость ч инженерной науке, которая смогла

бы обобщить закономерности кповных химико-технологических процессов,

создав тем самым возможности расчета аппаратов для вд проведения и

эксплуатации я их аппаратов в оптимальных условиях. И такая наука появилась-

юд различными названиями: "Unit operations", "Principles of Chemical Engineering"

- в США и Англии; «Процессы и аппараты химической технологии» - в России (в

различных модификациях).

Идея об общности основных процессов и аппаратов химических производств

была высказана в России еще в 1828 г. профессором I» А. Денисовым. Однако

принципы построения науки о процессах ! аппаратах были сформулированы

Д.И.Менделеевым в книге Основы фабрично-заводской промышленности»,

изданной в I S97 г. В этой книге Д. И. Менделеев дал перечень элементов, из

которых слагается химическая технология, и предложил классификацию ее

приемов (методов, способов):

^•' ни Тип процессов Вид процессов

1 Механические Смешение, измельчение, давление, стругание,

просеивание, сжатие, передвижение жидких, твердых и газообразных тел,

пульверизация жидкостей

2 Физические Нагрев, плавление, перегонка, сжижение, су шение,

выпаривание, действие тока

3 Химические Образование и распадение растворов, диссо циация,

кристаллизация, сплавообразование, сухая перегонка, соединение, горение, хими-

ческий анализ и синтез

4 Физиологические Брожение, гниение, питание

5 Торговые Укупорка, подвоз, вывоз, способ сбыта

6 Эстетические Отделка, вид, гармония форм, красок

7 Экономические Участие рабочих и техников, отчетность, оценка

цеховая и валовая, отношение к потребителям, капитал основной и оборотный,

акционерные и артельные начала

S Общественные и госу- Санитарно-гигиенические, финансовые, юри-

дарственные дические

Нетрудно заметить, что первые три типа процессов по классификации Д. И.

Менделеева практически полностью отражают овременное содержание курса

«Процессы и аппараты химической г схнологии».

С развитием химических производств встал вопрос о подготовке кадров для

этой отрасли промышленности. Термин «инженер» * начали употреблять в Италии

еще в XII в. Термин «инженер-химик» впервые был введен в технический словарь в

Англии в 1839 г., но целевая подготовка инженеров-химиков началась только в конце

XIX в. Совершенствуя подготовку инженеров-химиков, ученые разных стран создали

важнейший в системе химико-технологического образования курс «Процессы и

аппараты химической технологии».

В России этот курс начал читать проф. И. А. Тищенко в 1911 г. на химическом

факультете Московского высшего технического училища. И. А. Тищенко воплотил в

жизнь идею создания курса, высказанную проф. И. К. Коссовым и проф. М. Я. Китары

на съезде естествоиспытателей и врачей еще в 1868 г. Несколько ранее подобный курс

был введен проф. А. К. Крупским в Петербургском технологическом институте.

Поэтому А. К. Крупский и И. А. Тищенко по праву считаются основоположниками

курса «Процессы и аппараты химической технологии» в нашей стране. Позже

аналогичный курс был введен в США и других странах.

В 1923 г. проф. Л. Ф. Фокиным была написана книга по этому курсу под названием

«Методы и орудия химической техники».

8 том же году в США профессорами В. Уокером, В. Льюисом и В. Мак-Адамсом был

издан трехтомный учебник "Principles of Chemical Engineering", который в 1935 г. был

переведен на русский язык и издан в СССР под редакцией проф. К. Ф. Павлова. В пре-

дисловии к переводу указанной книги (в русском издании она называлась «Типовая

химическая аппаратура»), написанном К. Ф. Павловым, было сказано: «Идеи авторов

не новы для высшей технической школы Советского Союза. Уже давно по инициативе

проф. А. К. Крупского и его школы введены во многих наших институтах элементы

общеобразовательного аппаратурного курса».

В 1935г. вышел учебник проф. А.Г.Касаткина «Основные процессы и аппараты

химической технологии», который выдержал

9 изданий (последние два издания-8-е в 1971 г. и 9-е в 1873 г.-после смерти автора),

переведен и издан во многих странах мира. Многие десятилетия этот труд А. Г.

Касаткина был настольной книгой инженеров-химиков и основным учебником

студентов химико-технологических вузов. Он сыграл большую роль в подготовке

многих поколений отечественных инженеров-химиков. В развитие и совер-

шенствование курса процессов и аппаратов большой вклад внесли профессора Н. И.

Гельперин, С. 3. Каган, В. В. Кафаров, В. Б. Коган, Н. Н. Липатов, П. И. Николаев, А.

Н. Плановский, В. М. Рамм, П. Г. Романков, А. И. Скобло, В. Н. Стабников и др.

Благодаря усилиям многих ученых-как российских, так и зарубежных - курс

«Процессы и аппараты химической технологии» к середине нынешнего столетия из

описания отдельных процессов оформился в научную дисциплину и является

основным при подготовке инженеров-химиков в химико-технологических институтах.

* ingenieur (франц.)- от ingenium (лат.)-способность, изобретательность. 16

Теоретические основы процессов упаковочного производства

Каждая научная дисциплина базируется на определенном теоре-s I песком фундаменте,

обладает единой методологией и логической последовательностью изложения

материала.

Теоретическим фундаментом науки о процессах и аппаратах химической технологии

являются следующие основные законы природы.

1. Законы сохранения массы, энергии и импульса допускают юлько такие

превращения, при которых суммы массы, энергии я импульса внутри системы

остаются неизменными (т.е. конечная умма равна сумме в начальном состоянии).

Законы сохранения принимают форму уравнений балансов (например, материального

и теплового), составление которых является важной частью анализа и расчета химико-

технологических процессов.

2. Законы термодинамического равновесия определяют условия, при которых процесс

переноса любой субстанции (массы, энергии, импульса) приходит к своему

завершению. Состояние системы, при котором необратимый перенос субстанции

отсутствует, называют ^равновесным. Равновесное состояние описывается такими

законами, как законы Генри, Рауля и др. Знание условий равновесия позволяет решать

очень важные для анализа и расчета химико-технологических процессов задачи -

определение направления процесса переноса (из какой фазы в какую переходит

субстанция) и границ его течения, расчет движущей силы процесса.

3. Законы переноса массы, энергии и импульса определяют плотность потока любой из

этих субстанций в зависимости от градиента сопряженного с ней потенциала переноса,

т. е. от удельной, отнесенной к единице объема потока массы, энергии или импульса.

Потенциалом переноса в случае переноса массы является плотность (р) или

концентрация (С), переноса энергии - энтальпия (Cptp), переноса импульса-количество

движения единицы объема жидкости (wp).

Таким образом, законы переноса определяют интенсивность протекающих химико-

технологических процессов и в конечном сче-|'е- производительность используемых

для проведения этих процессов аппаратов.

Перечисленные законы составляют теоретическую основу всех технологических

процессов- гидромеханических, тепловых и массо-обменных. При рассмотрении

химико-технологических процессов к этим законам следует добавить четвертую

группу - законы химической кинетики.

Говоря о методологии курса, напомним, что методом называют совокупность приемов

практического или теоретического освоения действительности. Применительно к

курсу «Процессы и аппараты химической технологии» таким методом является

моделирование-отческое и математическое. Под моделированием понимают метод

исследования объектов (в данном случае процессов, протекающих в каком-то аппарате

- натуре) на их моделях. При физическом моделировании (масштабировании)

экспериментально исследуемый объект (модель) отличается от натуры масштабом,

физическая же природа явления {процесса) остается той же. При математическом

моделировании исследуют процесс (влияние на него различных параметров-давления,

температуры, скорости потока и т. п.) путем решения систем уравнений, описывающих

этот процесс, дополненных граничными условиями (т.е., в отличие от физического

моделирования, при математическом моделировании исследования проводят на

теоретической или идеальной модели). Поскольку такие расчеты связаны с большим

объемом трудоемких вычислений, математическое моделирование обычно выполняют

с помощью ЭВМ.

Одна из особенностей большинства химико-технологических процессов состоит в том,

что они осуществляются при движении или перемешивании жидких и газовых фаз в

аппаратах, которые часто имеют большие размеры и сложную конфигурацию. Это

приводит к сложной гидродинамической структуре потоков в аппаратах: потоки

движутся по сложным траекториям, а отдельные частицы потоков имеют различное

время пребывания в аппарате. Вместе с тем решение задач тепло- и массообмена,

химической кинетики требует знания поля скоростей. Однако в этих условиях

становится практически невозможным использование основных уравнений

гидродинамики для определения поля скоростей в потоке. Поэтому реальное

распределение скоростей описывают моделями идеальной структуры потоков

различной степени идеализации. Следствием сложной структуры потоков в аппарате

обычно является уменьшение (часто весьма существенное) движущей силы и,

следовательно, интенсивности того или иного процесса. Правильное решение вопросов

масштабирования и моделирования невозможно также без учета гидродинамической

структуры потоков в аппаратах. Неучет реальной гидродинамической структуры пото-

ков в химических аппаратах может привести к серьезным ошибкам при их расчете и

моделировании. Кроме того, уравнения, отражающие реальную структуру потоков,

позволяют замкнуть систему уравнений, описывающих тот или иной процесс в целом.

Таким образом становится понятным, почему уравнения, описывающие

гидродинамическую структуру потоков в химических аппаратах, также должны войти

в число основополагающих.

В данном разделе изложены принципиальные положения основ химико-

технологических процессов. При рассмотрении гидромеханических, тепло- и

массообменных процессов они будут развиты с учетом особенностей конкретного

процесса.

При расчетах процессов и аппаратов перед инженером-гехно-

ч ом обычно стоят следующие основные задачи: 1) при заданных .сходах исходных

материалов определить количество получаемых родуктов и энергию, необходимую для

проведения процесса;

' определить условия равновесного (предельного) состояния си-юмы; 3) определить

оптимальные режимы работы аппаратов;

;

t рассчитать основные размеры аппаратов, работающих в опти-!;1льных условиях.

Решение этих задач основывается на законах хранения, термодинамического

равновесия и переноса субстанций.

iaba 1 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

^ 1 римем, что субстанция (масса, энергия, импульс) проходит через

раницы в рассматриваемой области пространства, в пределах ко горой они могут

изменяться. На эту область (ее называют

^нтролъным объемом, а ограничивающую ее поверхность -конт-!"' 1ьной

поверхностью} могут действовать внешние силы. Размеры

• |)птрольного объема могут быть либо конечными, либо бесконечно малыми. Для

полного определения контрольного объема обычно задают также систему координат,

по отношению к которой он жижется или находится в состоянии покоя.

• 1. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ

•Л покоящейся системе законы сохранения массы и энергии озна-

•;1ют, что внутри системы они могут превращаться, оставаясь совокупности

неизменными. Если система состоит из нескольких

<омпонентов k и одной фазы Ф, то при отсутствии химических нщимодействий по

закону сохранения массы сумма масс всех . омпонентов должна быть равна массе всей

системы, т.е.

Mi +Мз + ... + М„=М, или ^М;=М. (1.1)

i= I

Если система имеет несколько (т) фаз Ф и один компонент, то по .акону сохранения

массы сумма масс всех фаз должна быть равна 'бщей массе системы, т. е.

Мф, + Мф2 + ... 4- Мф„ = М, или ^ Мф, = М. (1.2)

Из последнего выражения закона сохранения массы следует, что icm больше станет

масса одной фазы, тем меньше будет масса фугой, но сумма масс всех фаз останется

неизменной. С помощью рассмотренных выше двух предельных случаев можно

получить

балансовые уравнения для каждого компонента и каждой фазы, участвующих в

процессе.

Обычно в химико-технологических процессах все вещества находятся в движении или,

как принято говорить, в потоке. Под потоком понимают перемещение какой-либо

среды в пространстве. Наиболее часто инженеру-технологу приходится иметь дело с

кон-вективными потоками, которые характеризуются движением множества частиц

под действием какой-либо силы из одного места пространства в другое. Если

конвективный поток отнесен к единице площади, через которую он переносится, то

говорят о плотности конвективного потока. Плотность потока является вектором, на-

правление которого совпадает с направлением движения потока;

размерность плотности потока [^] = [ед. количества/(м

-с)].

Для характеристики любой системы достаточно трех потоков:

массы (или компонента), теплоты (или энтальпии) и импульса.

В тех случаях, когда баланс составляют для части аппарата или малой области

пространства (например, при выводе дифференциальных уравнений), существенными

могут быть не только кон-вективные, но и молекулярные составляющие потоков -

например, за счет диффузии (если среда, протекающая через рассматриваемый объем,

имеет неравномерное распределение концентраций).

Законы сохранения массы, энергии и импульса обычно рассматривают совместно.

Поэтому и подход к составлению балансов этих субстанций должен быть идентичным.

Материальный баланс. По веществам, участвующим в химико-технологическом

процессе, материальные балансы различают следующим образом: 1) общий по всему

веществу (брутто-баланс);

2) частный-для одного компонента; 3) элементный для химического элемента или

свободного радикала (например, баланс кислорода, углерода, водорода, бензольного

кольца и т.д.).

Обычно в инженерных расчетах составляют балансы по первым двум вариантам.

Анализ и расчет любого химико-технологического процесса начинают с составления

материального баланса. Отметим, что материальный баланс должен включать в себя

столько уравнений, сколько компонентов в перерабатываемом веществе.

По иерархической структуре производства материальные балансы подразделяют на

следующие виды: 1) части аппарата (т.е. части элемента процесса); 2) аппарата (т. е.

всего элемента процесса); 3) установки (т. е. части производства); 4) всего произ-

водства-от сырья до готового продукта (т.е. участка цеха, цеха или нескольких цехов);

5) многих производств (т. е. комбината);

6) отрасли народного хозяйства.

В курсе «Процессы и аппараты химической технологии» обычно ограничиваются

первыми тремя видами балансов, остальные изучают в специальных курсах или в