Шпаркалка по "Химии"

Под процессами мы понимаем изменения состояния  природных и технологических  веществ, происходящие в тех или  иных условиях. В окружающей нас  природной среде наблюдаются  явления, которые называют естественными процессами. К ним относятся, например, испарение воды с поверхностей водоемов, нагрев и охлаждение поверхности земли под действием различных факторов, движение воды в реках или других водоемах, таяние льда, удаление влаги из различных материалов или веществ и многие другие. Изучение естественных процессов составляет предмет и задачу физики, химии, механики и других естественных наук.

На основе данных, полученных в результате изучения естественных процессов и анализа  достижений науки и техники, разрабаывают и реализуют многочисленные промышленные процессы с целью переработки продуктов природы (сырья) в средства производства и предметы потребления. Такие процессы называют производственными, или технологическими^ процессами.

Изучение  технологических процессов составляет предмет и задачу технологии- науки, определяющей условия практического применения законов естественных наук (физики, химии, механики и др.) для наиболее эффективного проведения разнообразных технологических процессов. Технология непосредственно связана с производством, а производство постоянно находится в состоянии изменения и развития. Поэтому существующая форма известного технологического процесса не может рассматриваться и трактоваться как окончательная.

В химической технологии, в отличие от механической, рассматриваются процессы, в которых исходные материалы претерпевают превращения, не только вызывающие изменения физических свойств вещества, но и приводящие к образованию веществ другого состава, с новыми химическими свойствами, что может сопровождаться изменением их агрегатного состояния. При выборе аппаратов для проведения этих процессов необходим учет важнейших факторов: температуры, давления, химических свойств вещества и других определяющих условий реализации химико-технологических процессов. Так, многие процессы могут быть реализованы различными методами (например, процесс разделения многокомпонентных систем - методами ректификации, экстракции,* От греч. tec/we- искусство, мастерство, умение и logos- учение.чсмбранным) в соответствующем аппаратурном оформлении. Окончательный выбор метода, условий проведения и аппаратуртною оформления процесса осуществляют на основе критериев оптимизации.

2Классификация  основных процессов химической  технологии. Несмотря на огромное многообразие процессов химической технологии, все они, в зависимости от законов, определяющих скорость их протекания, могут быть объединены в следующие группы.

1. Гидромеханические  процессы, скорость которых определяется  законами гидромеханики. К этим  процессам относятся транспортирование жидкостей и газов, получение и разделение жидких и газовых неоднородных систем и др.

2. Тепловые  процессы, скорость которых определяется  законами переноса теплоты. К  этим процессам относятся нагревание  и охлаждение жидкостей и газов, конденсация паров, кипение жидкостей. Обычно на скорость тепловых процессов большое влияние оказывают гидродинамические условия в теплообменных аппаратах.

3. Массообменные  процессы, скорость которых определяется  законами переноса массы из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. К этим процессам относятся, например, абсорбция, адсорбция, экстракция, перегонка жидкостей, сушка. Обычно на скорость переноса массы существенно влияют гидродинамические ювия в массообменных аппаратах, а также скорость подвода

аимодействующим фазам (или отвода от них) теплоты.

4 Химические  процессы, скорость которых определяется  зако-\!и химической кинетики. Часто  скорость химических процессов  i ?ec i венно зависит от скорости  переноса массы и теплоты в  систе-

а следовательно, и от гидродинамических условий  в химическом аарате (реакторе).

5. Механические  процессы, которые описываются законами  механикики твердых тел. К ним  относятся измельчение, сортировка

Общим для первых четырех групп процессов  является то, что их ' отекание связано  с переносом субстанции-количества движения импульса), энергии или массы.

По способу  организации химико-технологические  процессы подразделяют на периодические, непрерывные и комбинированные.

Периодический процесс характеризуется единством  места про-скания отдельных его  стадий и неустановившимся состоянием во времени (температура, давление, концентрация и другие параметры

ходе  процесса изменяются). При этом исходные вещества пе-нюдически загружаются  в аппарат и обрабатываются, а  готовый родукт выгружается, т.е. все  стадии процесса обычно осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Таким образом, все ериодические процессы нестационарны.

Непрерывный процесс характеризуется единством  времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием, непрерывной загрузкой исходных материалов и выгрузкой конечного продукта. При этом все стадии процесса протекают одновременно, но в разных точках аппарата (или аппаратов), причем в каждой его точке параметры процесса во времени не изменяются.

Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий которого проводятся непрерывно.

Большинство химико-технологических процессов  многостадийно и включает обычно несколько последовательных стадий. Часто одна из стадий осуществляется значительно медленнее остальных, лимитируя скорость протекания всего процесса. В этом случае для того, чтобы увеличить общую скорость процесса, целесообразно воздействовать прежде всего на лимитирующую стадию. Знание того, какая стадия данного процесса является лимитирующей, часто позволяет упростить анализ, описание и интенсификацию процесса.

3являются  следующие основные законы природы.

1. Законы  сохранения массы, энергии и  импульса допускают юлько такие  превращения, при которых суммы массы, энергии я импульса внутри системы остаются неизменными (т.е. конечная умма равна сумме в начальном состоянии). Законы сохранения принимают форму уравнений балансов (например, материального и теплового), составление которых является важной частью анализа и расчета химико-технологических процессов.

2. Законы  термодинамического равновесия  определяют условия, при которых  процесс переноса любой субстанции (массы, энергии, импульса) приходит  к своему завершению. Состояние  системы, при котором необратимый перенос субстанции отсутствует, называют равновесным. Равновесное состояние описывается такими законами, как законы Генри, Рауля и др. Знание условий равновесия позволяет решать очень важные для анализа и расчета химико-технологических процессов задачи - определение направления процесса переноса (из какой фазы в какую переходит субстанция) и границ его течения, расчет движущей силы процесса.

3. Законы  переноса массы, энергии и импульса  определяют плотность потока  любой из этих субстанций в зависимости от градиента сопряженного с ней потенциала переноса, т. е. от удельной, отнесенной к единице объема потока массы, энергии или импульса. Потенциалом переноса в случае переноса массы является плотность (р) или концентрация (С), переноса энергии - энтальпия (Cptp), переноса импульса-количество движения единицы объема жидкости (wp).

Таким образом, законы переноса определяют интенсивность  протекающих химико-технологических  процессов и в конечном сче-|'е- производительность используемых для проведения этих процессов аппаратов.

Перечисленные законы составляют теоретическую основу всех технологических процессов- гидромеханических, тепловых и массо-обменных. При рассмотрении химико-технологических процессов  к этим законам следует добавить четвертую группу - законы химической кинетики.

При физическом моделировании (масштабировании) экспериментально исследуемый объект (модель) отличается от натуры масштабом, физическая же природа явления {процесса) остается той же. При математическом моделировании исследуют процесс (влияние на него различных параметров-давления, температуры, скорости потока и т. п.) путем решения систем уравнений, описывающих этот процесс, дополненных граничными условиями (т.е., в отличие от физического моделирования, при математическом моделировании исследования проводят на теоретической или идеальной модели)

При расчетах процессов и аппаратов перед  инженером-гехно-

ч ом обычно стоят следующие основные задачи: 1) при заданных .сходах исходных материалов определить количество получаемых родуктов и энергию, необходимую для проведения процесса;

' определить  условия равновесного (предельного)  состояния си-юмы; 3) определить оптимальные  режимы работы аппаратов;

^; t рассчитать основные размеры аппаратов, работающих в опти-!;1льных условиях. Решение этих задач основывается на законах хранения, термодинамического равновесия и переноса субстанций.

1111 1. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ

В покоящейся системе законы сохранения массы  и энергии означают, что внутри системы они могут превращаться, оставаясь совокупности неизменными. Если система состоит из нескольких компонентов и одной фазы Ф, то при отсутствии химических нщимодействий по закону сохранения массы сумма масс всех .компонентов должна быть равна массе всей системы, т.е.

Если  система имеет несколько (т) фаз Ф и один компонент, то по .закону сохранения массы сумма масс всех фаз должна быть равна общей массе системы, т. е.

Мф, + Мф2 + ... 4- Мф„ = М,   или   ^ Мф, = М.           (1.2)

Из последнего выражения закона сохранения массы  следует, что больше станет масса одной фазы, тем меньше будет масса другой, но сумма масс всех фаз останется неизменной. Обычно в химико-технологических процессах все вещества находятся в движении или, как принято говорить, в потоке. Под потоком понимают перемещение какой-либо среды в пространстве. Наиболее часто инженеру-технологу приходится иметь дело с конвективными потоками, которые характеризуются движением множества частиц под действием какой-либо силы из одного места пространства в другое. Если конвективный поток отнесен к единице площади, через которую он переносится, то говорят о плотности конвективного потока. Плотность потока является вектором, направление которого совпадает с направлением движения потока; ед. количества/(м²-с

Для характеристики любой системы достаточно трех потоков:

массы (или компонента), теплоты (или энтальпии) и импульса.

В тех  случаях, когда баланс составляют для  части аппарата или малой области  пространства существенными могут  быть не только конвективные, но и молекулярные составляющие потоков - например, за счет диффузии Законы сохранения массы, энергии и импульса обычно рассматривают совместно. Поэтому и подход к составлению балансов По иерархической структуре производства материальные балансы подразделяют на следующие виды: 1) части аппарата (т.е. части элемента процесса); 2) аппарата (т. е. всего элемента процесса); 3) установки (т. е. части производства); 4) всего производства-от сырья до готового продукта (т.е. участка цеха, цеха или нескольких цехов); 5) многих производств (т. е. комбината);

6) отрасли  народного хозяйства.

На основе материального баланса определяют выход продукта по сравнению с  теоретически возможным а также  количество (массу) получаемых продуктов  в единицу времени. Согласно закону сохранения, масса (количество) поступающих на переработку веществ должна быть равна массе веществ, получаемых в результате роведения процесса

В практических условиях при проведении технологического процесса происходят необратимые потери вещества ]^бд (например, со точными водами или газовыми выбросами, через неплотности ишаратуры и т.п.) Для нестационарных процессов материальный баланс имеет несколько иной вид, так как потоки, направленные внутрь рассматриваемого объема (приход), и потоки, направленные наружу ^расход), могут быть не равны (например, происходит накопление массы), т.е.

Приход  — Расход = Накопление,   или

Для стационарных процессов правая часть выражения (1.5) равна нулю, и без учета  потерь оно приобретает вид уравнения (1.3).

Материальный  и энергетический балансы в макрообъемах (например, в аппарате) при взаимодействии, например, двух фаз для гепло- или массопереноса будут зависеть от их относительного движения. Наиболее распространенные виды такого относительного движения потоков (или фаз) представлены на рис. 1-1. При рассмотрении конкретных процессов тепло- и массопереноса будет показано, что температуры (для теплопереноса) или концентрации (для массопереноса) потоков на выходе из аппаратов могут существенно различаться, например, для прямоточного (рис. 1-1, а) и про-швоточного (рис. 1-1,6) движения потоков при одних и тех же их значениях (начальных температур и концентраций) на входе в аппараты. Проиллюстрируем это положение следующим примером.