Общая характеристика процессов и аппаратов в химической технологии

Процессы химической технологии в зависимости от кинетических закономерностей, характеризующих их протекание, делятся на пять групп6

1) механические процессы

2) гидромеханические процессы, подчиняются законам гидродинамики;

3) тепловые процессы, подчиняются законам теплообмена;

4) массообменные процессы, подчиняются законам тепломассообменам;

5) химические процессы, подчиняются законам химической кинетики.

По организационно-технической структуре процессы химической технологии делятся на периодические и непрерывные.

Для периодических процессов характерно единство место протекания всех стадий процесса, т.е. в них операции загрузки сырья, проведения процесса и выгрузки готового продукта осуществляются в одном аппарате, но в разное время.

Для непрерывных процессов характерно единство времени протекания всех стадий процесса, т.е. в них перечисленные выше операции осуществляются одновременно, но в различных аппаратах или различных секциях одного аппарата.

Характеристикой периодичности процесса служит степень непрерывности( Общая характеристика процессов и аппаратов в химической технологии - student2.ru ):

Общая характеристика процессов и аппаратов в химической технологии - student2.ru ,

где τ – продолжительность процесса, т.е. время, необходимое для завершения всех стадий процесса – начиная от момента загрузки сырья и кончая выгрузкой готовой продукции;

∆τ – период процесса, т.е. время, протекающее от начала загрузки сырья данной партии до начала загрузки сырья, следующей партии.

Механические процессы. К механическим процессам, используемым в химической технологии, относятся: измельчение твёрдых материалов, смешивание, классификация и транспортировка сыпучих и зернистых материалов.

Измельчение материала осуществляют путём разрушения его первоначальной структуры различными видами деформации: раздавливанием, раскалыванием, истиранием, ударом.

Смешивание сыпучих и зернистых материалов используется как предварительная операция для гетерогенных процессов с твёрдой фазой в целях интенсификации и выравнивания параметров по объёму препарата. Для смешения используют смесители с вращающимися лопастями, барабаны, шнековые аппараты.

Классификация сыпучих и зернистых материалов на классы по крупности зёрен и кусков осуществляется грохочением – разделением на ситах.

Транспортировка твёрдых материалов осуществляется на стадии подвода сырья к технологическим процессам, его переработки и отвода. В этих целях используются конвейеры различных конструкций и пневмотранспорт.

Гидромеханические процессы. Эти процессы, используемые в химической технологии, протекают в дисперсных системах, состоящих из дисперсионной среды и дисперсной фазы. По агрегатному состоянию дисперсионной среды они делятся на системы с газовой и жидкой фазой.

К первой группе дисперсных систем относятся – пыль, дым, туман, ко второй – суспензии, эмульсии, пены и коллоидные растворы.

Гидромеханические процессы: осаждение, фильтрование, перемещение, перемешивание жидкостей, псевдоожижение.

Осаждение – процесс разделения дисперсных систем путём выделения твёрдых или жидких частиц дисперсной фазы.

Процесс осаждения может происходить под действием различных сил. В соответствие с этим к осаждению относятся:

отстаивание – осаждение под действием сил тяжести; циклонирование и

центрифугирование – осаждение под действие центробежных сил.

электроосаждение – под действием электрического поля.

Фильтрование – процесс разделения однородных смесей путём пропускания их черз пористую перегородку, способную задерживать частицы дисперсной фазы.

Движущей силой процесса фильтрования служит разность давлений или центробежная сила. Соответственно, процессы фильтрования могут быть двух типов:

фильтрование под действием перепада давления до и после фильтрующей перегородки;

центрифугирование, протекающее под действием центробежной силы в фильтрующей центрифуге.

Перемещение жидкостей и газов осуществляется по трубопроводам под действием разности давления на концах трубопроводов. В случае перемешивания жидкостей разность давления создаётся насосами, в случае перемешивания газов – компрессорами.

Перемешивание жидких материалов широко применяется в химической промышленности для интенсификации химических, тепловых и массообменных процессов, а также для приготовления растворов, эмульсий, суспензий. Различают два основных способа перемешивания в жидких средах – механическое перемешивание с помощью мешалок различных конструкций и пневматическое перемешивание сжатым воздухом или инертным газом.

Псевдоожижение – процесс приведения твёрдого зернистого материала в состояние, при котором его свойства приближаются к свойствам жидкости.

Тепловые процессы. Химическое производство требует больших затрат тепловой энергии. Для подвода и отвода тепла используются тепловые процессы. В химической промышленности они характеризуются широким диапазоном температур и количеством передаваемого тепла.

К тепловым процессам относятся: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация и выпаривание.

Нагревание – процесс повышения температуры перерабатываемых материалов путём подвода к ним тепла. Применяется в химической технологии для ускорения массообенных и химических процессов. По природе используемого для нагревания теплоносителя различают нагревание:

острым водяным паром через барботер или глухим водяным паром через змеевик или рубашку;

топочными газами через стенку аппарата или непосредственным контактом;

горячей водой;

высокотемпературными теплоносителями (растворы солей, минеральные масла);

электрическим током в электрических печах различного типа.

Охлаждение – процесс понижения температуры перерабатываемых материалов путём отвода от них тепла. В качестве хладагентов для охлаждения применяются: вода, воздух, холодильные растворы.

Для охлаждения применяют аппараты:

косвенного контакта охлаждаемого материала с хладоносителем через стенку (холодильники);

непосредственного контакта охлаждаемого материала с хладагентом (холодильные башни или скрубберы).

Испарение – процесс получения паров жидкостей путём подвода к ним тепла при постоянной температуре (температура испарения).

Конденсация – процесс сжижения паров жидкостей путём отвода от них тепла при постоянной температуре (температура конденсации).

По принципу контакта хладагента с конденсируемым паром различают следующие виды конденсации:

поверхностная конденсация, при которой сжижения паров происходит на поверхности охлаждаемой водой стенки аппарата;

конденсация смешением, при которой охлаждение и сжижение паров происходят при их непосредственном контакте с охлаждающей водой.

Аппараты первого типа называются поверхностными конденсаторами, аппараты второго типа – конденсаторами смешения и барометрическими конденсаторами.

Выпаривание – процесс концентрирования растворов твёрдых нелетучих веществ путём удаления из них летучего растворителя в виде пара. Выпаривание представляет собой разновидность теплового процесса испарения. Условием протекания процесса выпаривания является равенство значений давления пара над раствором и давления пара в рабочем объёме выпарного аппарата.

Массообменные процессы. Эти процессы характеризуются переносом вещества между фазами. Движущей силой массообменного процесса является разность концентрации веществ между фазами.

К массообменным процессам относятся: абсорбция, адсорбция, десорбция, ректификация, экстракция, сушка.

Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или паровых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). Абсорбция – процесс избирательный и обратимый. Поэтому в сочетании с обратным абсорбции 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 создаётся между потоками газа и жидкости (абсорбционные колонны);

абсорберы, в которых контакт фаз создаётся за счёт разбрызгивания жидкости в газе с помощью форсунок.

Во всех случаях с помощью этих приёмов достигается увеличение поверхности контакта фаз и движущей силы процесса массобмена.

Адсорбция – процесс поглощения газов или паров твёрдыми поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей.

Десорбция – процесс, обратный абсорбции и адсорбции: выделение газа или пара из жидких и твёрдых поглотителей.

Ректификация – процесс разделения жидких однородных смесей на составляющие из компоненты или группы компонентов (фракций) в результате взаимодействия паровой и жидкой фаз. Процесс ректификации основан на различии состава пара над жидкостью и состава самой жидкости в условиях равновесия между паровой и жидкой фазами.

Экстракция – процесс извлечения одного или нескольких растворённых веществ из одной жидкой фазы другой фазой, практически несмешивающейся с первой.

Экстракция осуществляется в аппаратах – экстракторах, которые конструктивно могут быть:

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 путём диспергирования капель одной жидкости в другой;

центробежные и пульсационные, в которых диспергирование жидких фаз достигается за счёт перемешивания или пульсации жидкости.

Сушка – процесс удаления летучего компонента (чаще всего влаги) из твёрдых материалов путём его испарения и отвода образующегося пара.

Существуют следующие варианты процесса сушки:

конвективная сушка с нагревом материала через стенку;

непосредственная сушка нагретым газом или воздухом;

сушка нагревом токами высокой частоты;

радиационная сушка нагревом инфракрасным излучением.

Химический процесс. Этот процесс представляет собой одну или несколько химических реакций, сопровождаемых явлениями тепло- и массобмена.

Химические реакции подразделяются:

по фазовому составу – на гомогенные и гетерогенные;

по механизму взаимодействия реагентов – на гомолитические и гетеролитические;