Классификация основных процессов химической технологии и их выбор

Классификация основных процессов химической технологии может быть проведена на основе различных признаков. В зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов, различают [10]:

Гидродинамические 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.

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

Скорость теплообменных 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 (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 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 также в курсе «Общая химическая технология» или в специальных курсах.

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.

Особую группу механических процессов составляют процессы переработки химических продуктов в изделия — прессование, литье, экструзия и др. Эти процессы и машины для их проведения специфичны для производств синтетических материалов и рассматриваются в курсе «Прикладная механика» или в специальных курсах.

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

Периодические процессы проводятся в аппаратах с периодической загрузкой сырья и отбором готовой продукции после завершения процесса. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется. Таким образом, периодический процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают в одном аппарате с изменением во времени технологических параметров (концентрация, температура и т. д.). Этот процесс используется, как правило, в малотоннажных производствах (фармацевтика и т. д.).

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах крупнотоннажных производств. Поступление исходного сырья в аппарат и выгрузка конечных продуктов производятся непрерывно.

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:

• — нет перерывов в выпуске конечных продуктов;
• — возможность автоматического регулирования;
• — устойчивость режимов работы аппарата, стабильность качества получаемых продуктов;
• — большая компактность оборудования, что сокращает капитальные и эксплуатационные расходы;
• — более полное использование подводимого (или отводимого) тепла; возможность рекуперации отходящего тепла.

Благодаря указанным достоинствам непрерывных процессов при их проведении увеличивается производительность аппаратуры, уменьшается потребность в обслуживающем персонале, улучшаются условия труда, и повышается качество продукции. По этим причинам в многотоннажных химических производствах имеется тенденция осуществлять преимущественно непрерывные процессы. Периодические процессы сохраняют свое значение главным образом в малотоннажных производствах (в том числе опытных) с разнообразным ассортиментом продукции, где применение указанных процессов позволяет достичь большой гибкости в использовании оборудования при меньших капитальных затратах.

Под соемещенными процессами понимают такие, когда два или более процессов протекают одновременно и в одном аппарате с эффективностью выше, чем раздельно (меньше энергопотребление). К таким процессам можно отнести, например совмещение химического процесса с абсорбцией (хемосорбция), а также совмещение массообменных процессов (ректификации и абсорбции) и т. д.

Процессы могут также классифицироваться в зависимости от изменения их параметров (скоростей, температур, концентраций и др.) во времени на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные).

В установившихся процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс, постоянны во времени, а в неустановившихся — переменны, т. е. являются функциями положения каждой точки в пространстве и во времени. Анализ характеристик неустановившихся процессов представляет наибольший интерес для целей автоматического регулирования. В химической технологии неустановившимися являются менее распространенные периодические процессы. Для непрерывных процессов изменение параметров во времени должно учитываться только в период пуска установок, однако этот период является кратковременным и в расчете им пренебрегают.