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.

Х_н = 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* (r_t -r_ж) / К*n, (10.2)

где: К - постоянная, равная для частиц сферической формы, d-диаметр частицы,

r_т и r_ж – 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:

G_ц = 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.

Электроосаждение применяется 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 =m_сл : 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;

С_р – 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

.