Классификация основных процессов

Предмет курса «Процессы и аппараты»

В химической промышленности осуществляются разнообразные процессы, в которых исходные материалы в результате химического взаимодействия претерпевают глубокие превращения, сопровождающиеся изменением агрегатного состояния, внутренней структуры и состава вещества. Наряду с химическими реакциями, являющимися основой химико-технологических процессов, последние обычно включают многочисленные физические, механические и физико-химические процессы.

Таким образом, технология производства самых разнообразных химических продуктов и материалов (кислот, щелочей, полимерных и синтетических материалов) включает ряд однотипных физических и физико-химических процессов, характеризуемых общими закономерностями. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия машин и аппаратах.

В курсе «Процессы и аппараты» изучаются теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин, используемых для проведения этих процессов. Анализ закономерностей протекания основных процессов и разработка обобщённых методов расчёта аппаратов производятся, исходя из фундаментальных законов физики, химии, физической химии, термодинамики, экономики и других наук. Курс строится на основе выявления аналогии внешне разнородных процессов и аппаратов независимо от отрасли химической промышленности.

Таким образом, курс «Процессы и аппараты» является инженерной дисциплиной, представляющей собой важный раздел теоретических основ химической технологии.

Возникновение и развитие науки о процессах и аппаратах

Химическая промышленность начала создаваться на рубеже ХVIII и ХIХ веков и за исторически короткий период, насчитывающий всего 120-150 лет, превратилась в развитых странах в одну из основных ведущих отраслей хозяйства.

В нашей стране идея об общности ряда основных процессов и аппаратов, применяемых в различных химических производствах, была высказана профессором Ф.А. Денисовым ещё в 1828г. Основанная на этой идее новая учебная дисциплина по расчёту и проектированию основных процессов и аппаратов была введена профессором А.К. Крупским в конце 90-х годов прошлого века в Петербургском технологическом институте и несколько позднее профессором И.А. Тищенко в Московском Высшем техническом училище. Большой вклад в науку внесли советские учёные К.Ф. Павлов, А.Г. Касаткин, И.И. Чернобыльский и др.

Классификация основных процессов

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

1. 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, в поле центробежных сил, а также под действием разности давлений.

2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи – науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсации паров. Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами.

3. Массообменные процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. К этой группе процессов, описываемых законами массопередачи, относятся абсорбция, перегонка (ректификация), кристаллизация, адсорбция, сушка.

4. Химические процессы, которые протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики.

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

По способу организации основных процессов 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.

Известны также комбинированные процессы. 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; 5) более полное использование подводимого (или отводимого) тепла при отсутствии перерывов в работе аппаратов.

Процессы могут быть также классифицированы в зависимости от изменения их параметров (скоростей, температур, концентраций) во времени. По этому признаку процессы делятся на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные). В установившихся процессах значения каждого из параметров, характеризующих процесс, постоянные во времени.