Особенности и аппаратурное оформление основных процессов

Классификация основных процессов

Тема 2. Основные процессы и аппараты химической технологии

Классификация основных процессов химической технологии может быть проведена на основе различных признаков.

В зависимости от основных законов, определяющих скорость процессов, различают:

Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики - науки о движении жидкостей и газов. К этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), а. также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей.

Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой зако­нами теплопередачи - науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конден­сация паров. К тепловым процессам могут быть oтнесены и. процессы охлаждения до температур более низких, чем температура окружающей среды (процессы умеренного и глубокого охлаждения). Однако вследствие многих специфических особенностей эти процессы выделены ниже в отдельную группу холодильных процессов.

Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами.

Массообменные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Наиболее медленной и поэтому обычно лимитирующей стадией массообменных процессов является молекулярная диффузия распределяемого вещества. К этой группе процессов, описываемых законами массопередачи, относятся абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция из растворов, растворение и экстракция из пористых твердых тел, кристаллизация, адсорбция и сушка.

Протекание процессов массообмена тесно связано с гидродинамическими условиями в фазах и на границе их раздела и часто с сопутствующими массообмену процессами переноса тепла (теплообмена).

Химические (реакционные) процессы, которые протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики. Однако химическим реакциям обычно сопутствует перенос массы и энергии, и соответственно скорость химических процессов (особенно промышленных) зависит также от гидродинамических условий. Вследствие этого скорость реакций подчиняется законам макрокинетики и определяется наиболее медленным из последовательно протекающих процессов химического взаимодействия и диффузии. Общие закономерности протекания химических процессов и принципы устройства реакторов рассматриваются в специальной литературе.

Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел. Эти процессы применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для транспортирования кусковых и сыпучих материалов. К механическим процессам относятся измельчение, транспортирование, сортировка (классификация) и смешение твердых веществ.

По способу организации основные процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные.

Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производятся одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляется в различных частях одного аппарата или же в различных аппаратах, составляющих данную установку.

Известны также комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекают непрерывно.

Основные преимущества непрерывных процессов по сравнению с периодическими следующие:

1) нет перерывов в выпуске конечных продуктов, т. е. отсутствуют затраты времени на загрузку аппаратуры исходными материалами и выгрузку из нее продукции;

2) более легкое автоматическое регулирование и возможность более полной механизации;

3) устойчивость режимов проведения и соответственно большая стабильность качества получаемых продуктов;

4) большая компактность оборудования, что сокращает капитальные затраты и эксплуатационные расходы (на ремонты и пр.); 5) более полное использование подводимого (или отводимого) тепла при отсутствии перерывов в работе аппаратов; возможность использования (рекуперации) отходящего тепла.

Гидромеханические процессы. Гидромеханическими называются процессы движения газов, жидкостей и твердых тел в какой-либо среде: движение газов и жидкостей в трубопроводах и аппаратах; движение твердых частиц в газообразной и жидкой средах; движение жидкостей и газов через слой зернистого материала.

Для перемещения жидкостей используют насосы, для перемещения газов – компрессоры.

Для выделения из газов пыли и капель жидкости используют пыльные камеры, циклоны, брыгоуловители, электрофильтры, газопромыватели и фильтры.

Для выделения твердых частиц из жидкостей применяют фильтры, отстойники, сепараторы, центрифуги.

Тепловые процессы: нагревание, охлаждений, испарение, конденсация.

Аппараты для тепловых процессов – это подогреватели, холодильники, теплообмннники, конденсаторы, испарители и выпарные аппараты.

Массообменные (диффузионные) процессы.

Характерной особенностью массообменных процессов является то, что вещества, участвующие в этих процессах, находятся в различных агрегатных состояниях.

Если вещества находятся в газообразном (парообразном) и жидком состоянии, то при этом могут протекать процессы абсорбции и десорбции, либо процессы испарения и конденсации. В том случае, если вещества находятся в газообразном и твердом состоянии, протекают процессы адсорбции и десорбции. Процессы растворения и кристаллизации имеют место, когда вещества находятся в твердом и жидком состояниях.

Химические (реакционные) процессы.

Химическими называют процессы, в которых происходит изменение молекулярного состава веществ, как следствие протекания химических реакций.

Химические реакции характеризуются равновесием и кинетикой (скоростью протекания).

В зависимости от природы участвующих в химических реакциях веществ эти процессы могут быть необратимыми, т.е. такими, которые могут протекать до конца – до полного израсходования исходных веществ. Обратимые же химические реакции по природе и по условиям, в которых они осуществляются, не могут протекать до конца. Они протекают до установления состояния равновесия.

Кинетика химических реакций определяет, с какой скоростью происходит приближение реакции к полному завершению или к состоянию равновесия. Скорость химической реакции характеризуется количеством вещества израсходованного или образовавшегося в единицу времени в единице реакционного объема.

Аппараты, предназначенные для проведения химических реакций, называют реакторами.

Различают контактные аппараты (каталитические реакторы), ректоры для высокотемпературных процессов – печи, реакторы для жидкофазных некаталитических процессов.

Механические процессы. Это такие процессы, в которых изменяется форма, размеры и положение в пространстве твердых веществ, смешиваются разнородные материалы, дозируются вещества.

К машинам и аппаратам для механических процессов относятся: транспортеры, конвейеры, элеваторы, дробилки, мельницы, классификаторы, смесители, грануляторы, прессы, питатели.

Химическое производство как химико-технологическая система

Химическое производство представляет собой совокупность соединенных друг с другом аппаратов, в которых протекают химико-технологические процессы. Аппараты связаны материальными потоками, представляющими собой трубопроводы.

Объединенные в химическом производстве химико-технологические процессы составляют химико-технологическую систему (ХТС). В виду сложности ХТС ее разбивают на несколько более простых частей, представляющих подсистемы, а в реальном представлении – отделения химического производства. Каждая подсистема (отделение) в свою очередь состоит из отдельных узлов или агрегатов, в которых реализуются один или несколько химико-технологических процессов. Нижней ступенькой ХТС является ХТП.

Для того, чтобы можно было наглядно представлять сущность химического производства, используют графическое представление, называемое технологической схемой. Часто технологическую схему всего производства разбивают на части – технологические схемы отделений химического производства.

Кроме графического изображения, как правило, дают подробное описание технологической схемы, что облегчает знакомство и изучение производства. Описание технологической схемы может сопровождаться пояснениями существа протекающих в отдельных аппаратах процессов, а также указаниями на показатели технологического режима, средства контроля и управления процессами.

Рассмотрим на примере элементы производств аммиака и их реализацию в виде технологических схем.