Характеристика и классификации процессов ХП
Процессы, используемые в химической промышленности для производства продукции, весьма разнообразны и многочисленны.
В них применяется сырье различного агрегатного состояния, разнообразные виды энергии, агрессивные и коррозионно-активные вещества. Управление этими процессами требует высокой степени точности в выборе параметров процесса и автоматизации управления им. Все эти условия определили с одной стороны – многообразие используемых в химическом производстве процессов и аппаратов, а другой – тенденцию к их унификации и общие требования независимо от конкретного химико-технологического процесса.
Процессы химической технологии, в зависимости от кинетических закономерностей, характеризующих их протекание, делятся на 5 групп:
– гидромеханические процессы, скорость которых определяется только законами гидравлики;
– тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередач;
–массообменные (диффузионные) процессы, скорость которых определяется законами массопередач;
– механические процессы;
– химические процессы, скорость которых определяется законами химической кинетики. Среди последних особую группу составляют процессы, протекающие под воздействием катализаторов.
По организационно-технической структуре процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные.
Для периодических процессов присуще единство места протекания всех стадий процесса, т.е. в них операции загрузки сырья, проведение процесса и выгрузки готового продукта осуществляются в одном аппарате, но в разное время.
Для непрерывных процессов присуще единство времени протекания всех стадий процесса, т.е. в них перечисленные выше операции осуществляются одновременно, но в различных аппаратах.
Характеристикой процесса, позволяющего отнести его к той или иной группе, является степень непрерывности процесса.
Хн = t /Dt, (10.1)
где t - продолжительность процесса, т.е. время необходимое для завершения всех стадий процесса.
Dt - период процесса, т.е. время, протекающее от начала загрузки сырья данной партии до начала загрузки сырья следующей партии.
Для периодического процесса Dt > 0, следовательно, Хн< 1; для непрерывного процесса Dt®0, следовательно, Хн®¥.
Химическая аппаратура, используемая в ХТП, подразделяется на основную – химические реакторы и вспомогательную, назначение которой является подготовка, перемещение и разделение веществ, участвующих в процессе.
Устройство аппаратов зависит от типа осуществляемых в них процессов, но при всем многообразии химической аппаратуры, к ней предъявляется ряд общих требований: простота и дешевизна конструкции; возможность реализации процесса при оптимальных условиях; применение конструкционных материалов, обладающих необходимой коррозионной, термической стойкостью и механической прочностью; возможность контролировать и регулировать параметры процесса.
Для обеспечения стабильности необходимо постоянное поддержание параметров ХТП на заданном уровне, или управление процессом. При этом различают: контроль процесса, т.е. своевременное обнаружение отклонений от режима и быстрое устранение их, и регулирование процессов, т.е. поддержание заданного оптимального режима на каждой стадии процесса.
84. Гидромеханические процессы
Гидромеханическими процессами называются процессы, протекающие в гетерогенных, минимум двухфазных системах и подчиняющихся законам гидродинамики. Подобные системы состоят из дисперсной фазы, находящейся в раздробленном состоянии, и дисперсной среды. В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды и размеров частиц дисперсной фазы различают:
– для газовой среды: пыль(5-10мкм), дым(0.3-5мкм), туман (0.3-3мкм);
– для жидкой среды: суспензии (0.1-100мкм), коллоидные растворы (менее 0.1мкм), эмульсии и пены.
К гидромеханическим процессам относятся: осаждение, фильтрование, псевдоожижение, перемешивание в жидкой фазе.
Осаждение – процесс разделения жидких или газовых неоднородных систем путем выделения из жидкой или газовой фазы твердых или жидких частиц дисперсной фазы. Скорость осаждения их подчиняется закону Стокса:
U = d2* (rt -rж) / К*n, (10.2)
где: К - постоянная, равная для частиц сферической формы, d-диаметр частицы,
rт и rж – плотность частиц и дисперсионной среды, соответственно, n - вязкость дисперсионной среды.
Процесс осаждения может происходить под действием различных сил. В соответствии с этим к осаждению относятся следующие процессы:
– отстаивание, т.е. осаждение под действием силы земного тяготения;
– циклонирование и центрифугирование, т.е. осаждение под действием центробежной силы;
– электроосаждение, т. е. осаждение под действием сил электрического поля.
Для осаждения используют аппараты различной конструкции, которые должны удовлетворять двум требованиям: время пребывания частицы в аппарате должно быть равно или больше времени ее осаждения, и линейная скорость потока в аппарате должна быть значительно меньше скорости осаждения.
Для отстаивания применяются отстойники различного типа периодического и непрерывного действия, снабженные в ряде случаев гребками для удаления твердого осадка.
Циклонирование применяется для разделения пылей и реже для разделения суспензий (гидроциклонирование). Для этой цели применяют аппараты – циклоны, в которых центробежная сила возникает за счет вращения потока газа или жидкости. Из выражения:
Gц = m*w2 /r. (10.3)
G ц – центробежная сила, m- масса частицы, r-радиус циклона, w-окружная скорость частицы в циклоне.
Из формулы следует, что производительность аппарата возрастает с уменьшением его диаметра. На этом основано использование серии параллельно работающих аппаратов малого диаметра, но с той же поверхностью осаждения, что и одного большого циклона.
Центрифугирование применяется для разделения суспензий и эмульсий и осуществляется в центрифугах, в которых центробежная сила создается за счет вращения самого аппарата. Процесс центрифугирования подчиняется тем же законам, что и циклонирование. Центрифуги для разделения эмульсий называются сепараторами.
Электроосаждениеприменяется для осаждения взвешенных в газе твердых (пыль) или жидких (туман) частиц под действием электрического тока и осуществляется в аппаратах называемых сухими и мокрыми электрофильтрами. Процесс электроосаждения состоит из последовательных стадий:
– ионизация молекул за счет потоков электронов излучаемых катодом при создании в аппарате высокой разности потенциалов:
К → nе, М + е →Мn
– адсорбция образовавшихся ионов на частицах пыли или каплях:
П +mМ-n→П(М-n)m,
– перемещение заряженных частиц к аноду, их разряд на нем и осаждение:
П(М-n)m–mnе →П +mМ
В этой схеме: М- молекулы газа, П – частица ( пылинка, капля)
Метод электроосаждения обеспечивает высокую степень разделения и применяется для систем, содержащих частицы малого размера.
Фильтрование – процесс разделения суспензий, пылей или туманов путем пропускания их через пористую перегородку (фильтр), способную задерживать взвешенные в дисперсионной среде частицы. В качестве материала фильтров используются зернистые материалы (гравий, песок), ткань, сетки из металлических и полимерных нитей, пористые керамика и пластмассы.
Движущей силой процесса фильтрования служит разность давлений перед фильтром и после него или центробежная сила, оказывающая давление на фильтр. В соответствии с этим процессы фильтрования подразделяются на:
-фильтрование под действием перепада давления или собственно фильтрование за счет разности давления перед фильтром и за ним,
-фильтрующее центрифугирование, протекающее под действием центробежной силы, возникающей в фильтрующей центрифуге.
Разновидность процесса фильтрования – вакуум – фильтрование, в котором движущая сила процесса возрастает за счет создания разряжения за фильтром.
Конструкции фильтрующих аппаратов весьма разнообразны. Они подразделяются на газовые и жидкостные фильтры, фильтры непрерывного и периодического действия, фильтрующие центрифуги. Наиболее распространены ленточные и барабанные вакуум-фильтры, обладающие максимальной производительностью.
Псевдоожижение – процесс приведения твердого зернистого материала в состояние, при котором его свойства приближаются к свойствам жидкости. Псевдоожиженные системы способны принимать форму аппарата, перемещаться по трубопроводу, выталкивать тела меньшей плотности, обладают свойствами вязкости и текучести. Режим псевдоожижения (режим кипящего слоя) достигается при таком состоянии системы, когда вес зернистого материала, приходящийся на единицу площади сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя.
ΔР =mсл : S
Для проведения процессов в кипящем слое используются аппараты различной конструкции, в которых по всей высоте аппарата обеспечивается стабильный и одинаковый гидродинамический режим. Это достигается регулированием подачи газообразного агента, применением мешалок, использованием центробежной силы. Эти аппараты широко используются для проведения химических (обжиг руд, крекинг углеводорода), физических, физико-химических (сушка, адсорбционная очистка газов) и механических (обогащение, транспортировка сыпучих материалов) процессов.
Тепловые процессы
Тепловыми называются процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепла. В тепловых процессах принимают участие минимум две среды с различными температурами, причем теплота передается самопроизвольно (без затраты работы) от среды с более высокой температурой T1 к среде с более низкой температурой Т2, т.е. если соблюдается неравенство Т1>Т2.
При этом среда с температурой Т1 называется теплоносителем, а среда с температурой Т2 – хладагентом. Для тепловых процессов, используемых в химическом производстве, эти температуры колеблются в весьма широких пределах – от близких к 0К до тысяч градусов.
Основная характеристика теплового процесса – количество передаваемого тепла, по которому рассчитывается теплопередающая поверхность аппарата.
К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, конденсация, испарение и выпаривание, теплообмен.
1. Нагревание – процесс повышения температуры перерабатываемых материалов путем подвода к ним тепла. Нагревание применяется в химической технологии для ускорения массообменных и химических процессов. По природе применяемого для нагревания теплоносителя различают:
– нагревание острым водяным паром через барботер или глухим водяным паром через змеевик или рубашку;
– нагревание топочными газами через стенку аппарата ил непосредственным контактом;
– нагревание предварительно нагретыми промежуточными теплоносителями водой: минеральными маслами, расплавами солей;
– нагревание электрическим током в электрических печах различного типа (индукционных, дуговых, сопротивления);
– нагревание твердым зернистым теплоносителем, в т.ч., катализатором в потоке газа.
2.Охлаждение – процесс понижения температуры перерабатываемых материалов путем отвода от них тепла. В качестве хладоагентов для охлаждения применяются: вода, воздух, холодильные агенты. Аппараты для охлаждения подразделяются на:
– аппараты косвенного контакта охлаждаемого материала с хладоносителем через стенку (холодильники) и
– аппараты непосредственного контакта охлаждаемого материала с хладоагентом (холодильные башни или скрубберы).
Выбор конструкции аппарата определяется природой охлаждаемого материала и хладоагента.
3.Конденсация – процесс сжижения паров вещества путем отвода от них тепла. По принципу контакта хладоагента с конденсируемым паром различают следующие виды конденсации:
– поверхностная конденсация, при которой сжижение паров происходит на поверхности охлаждаемой водой стенки аппарата, и
– конденсация смешением, при которой охлаждение и сжижение паров происходит при непосредственном контакте их с охлаждающей водой. Аппараты первого типа называются поверхностными конденсаторами, аппараты второго типа – конденсаторами смешения и барометрическими конденсаторами. Конденсация смешением применяется в тех случаях, когда испаренная жидкость не смешивается с водой.
4 .Выпаривание – процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления из них летучего растворителя в виде пере. Выпаривание представляет собой разновидность теплового процесса испарения. Условием протекания процесса выпаривания является равенство давления пара над раствором давлению пара в рабочем объеме выпарного аппарата.
При соблюдении этого условия температура вторичного пара, образующегося над кипящим растворителем, теоретически равна температуре насыщенного пара растворителя. Выпаривание может производиться под давлением или в вакууме, что позволяет снизить температуру процесса. Выпаривание может проводиться в двух вариантах: многократное выпаривание и выпаривание с тепловым насосом.
Многократным выпариванием называется процесс выпаривание с использованием в качестве греющего пара вторичного пара. Для этого выпаривание проводится в вакууме или с применением греющего пара высокого давления.
Число корпусов установки определяется экономическими соображениями, в частности, затратами на производство пара и на обслуживание и зависит от начальной и конечной концентрации упариваемого раствора.
Процесс выпаривания с тепловым насосом основан на том, что вторичный пар нагревается до температуры греющего пара путем сжатия его в турбокомпрессоре или инжекторе и затем вновь используется для испарения растворителя в том же выпарном аппарате.
Массообменные процессы
Массообменными называются процессы, скорость которых определяется скоростью переноса вещества из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия (скоростью массопередачи). В процессе массообмена принимают участие три компонента: распределяющее вещество, составляющее первую фазу, распределяющее вещество, составляющее вторую фазу и распределяемое вещество, переходящее из первой фазы во вторую.
Движущей силой процесса массообмена является градиент концентрации распределяемого вещества:
DС = С- С р
где: С - фактическая концентрация вещества в данной фазе;
Ср – равновесная концентрация его.
Процесс массопередачи выражается основным уравнением ее для единицы времени:
Dm = KDC F \
где Dm – количество вещества, перешедшее из одной фазы в другую,
F- поверхность раздела фаз; DС – движущая сила процесса массообмена.
К массообменным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, адсорбция, сушка.
1.Абсорбция– процесс поглощения газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами).
Абсорбция – процесс избирательный и обратимый. Поэтому в сочетании с обратным процессом десорбции он используется для разделения газовых и паровых смесей на отдельные компоненты.
Аппараты для проведения абсорбции (абсорберы) делятся на три типа:
– абсорберы, в которых контакт фаз между жидкостью и газом (паром) осуществляется в слое жидкости, растекающейся по насадке;
– абсорберы, в которых контакт фаз создается между потоками газа и жидкости (абсорбционные колонны);
– абсорберы, в которых контакт фаз создается за счет разбрызгивания жидкости в газе с помощью форсунок.
Во всех случаях с помощью этих приемов достигается увеличение поверхности контакта фаз и движущей силы процесса массообмена.
2.Адсорбция–процесс поглощения газов или паров твердыми поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей.
3.Ректификация - процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие их компоненты или группы компонентов (фракции) в результате взаимодействия паровой и жидкой фаз. Процесс ректификации основан на различии состава пара над жидкостью и самой жидкости в условиях равновесия между паровой и жидкой фазами. Это равновесие в системе « жидкость – пар » описывается уравнением
у = х *a / [1 + (a +1) *х ,] (10.9)
где: у – мольная доля компонента в паровой фазе,
х – мольная доля компонента в жидкой фазе,
a - относительная летучесть компонента.
По закону Коновалова пар по сравнению с находящейся с ним в равновесии жидкостью, относительно более богат тем компонентом, прибавление которого к смеси понижает температуру ее кипения. При ректификации происходит многократное испарение жидкости и конденсации паров, движущихся противотоком, в результате чего осуществляется непрерывный массо - и теплообмен между ними. При этом на нижней ступени из жидкой смеси извлекается низкокипящий компонент, который переходит на верхнюю ступень, а высококипящий компонент переходит из паровой фазы в жидкую. В результате после конденсирования паров смесь разделяется на дистиллят и остаток.
4.Экстракция–это процесс извлечения одного или нескольких растворенных веществ из одной жидкой фазы другой фазой, практически несмешивающейся с первой
Экстракция осуществляется в аппаратах- экстракторах, которые конструктивно делятся на:
– смесительно-отстойные, в которых последовательно проводятся две стадии процесса экстракции: перемешивание жидкостей и их отстаивание для разделения жидких фаз;
– колонные, в которых поверхность раздела фаз увеличивается путем диспергирования капель одной жидкости в другой;
– центробежные и пульсационные, в которых диспергирование жидких фаз достигается за счет перемешивания или пульсации жидкости.
5.Сушка - процесс удаления летучего компонента (чаще всего влаги) из твердых материалов путем его испарения и отвода образующегося пара.
Существуют следующие варианты процесса сушки:
– контактная сушка с нагревом материала через стенку;
– непосредственная сушка нагретым газом или воздухом;
– сушка нагревом токами высокой частоты;
– диационная сушка нагревом инфракрасным излучением
.