Классификация основных процессов и аппаратов химической технологии
Современная химическая технология связана с измельчением, дроблением, перевозкой различных материалов. Часть их превращается в процессе обработки в аэрозольную форму, образующаяся пыль вместе с вентиляционными и технологическими газами попадает в атмосферу. Рассмотрим основы химической технологии, применяемой в настоящее время в производстве.
Аппараты для очистки от пыли газообразных веществ
У пылевых частичек высокая суммарная поверхность, в результате они проявляют повышенную биологическую и химическую активность. У части веществ, находящихся в аэродисперсном виде, появляются новые свойства, к примеру, они способны самопроизвольно взрываться. Существуют различные аппараты химической технологии, применяемые для очистки образующихся в производстве газообразных веществ от разнообразных по размерам и форме частичек пыли.
Несмотря на существенные различия в оформлении, принцип их действия базируется на задержке взвешенной фазы.
Циклон и пылеосадительные камеры
Анализируя разнообразные процессы и аппараты химической технологии, остановимся на группе пылеулавливающих аппаратов, к которым относятся:
- ротационные пылеулавливатели;
- циклоны;
- жалюзные модели;
- пылеосадительные камеры.
Среди достоинств подобных аппаратов отметим простоту их конструкции, благодаря чему их производят на неспециализированных предприятиях.
В качестве минуса подобных аппаратов профессионалы отмечают недостаточную эффективность, необходимость проведения повторной очистки. Все виды пылеулавливающих аппаратов функционируют на основе центробежных сил, отличаются мощностью и скоростью осаждения частичек пыли.
Например, классическая химическая технология производства серной кислоты предполагает применение циклона для очистки от примесей печного газа, образующегося при обжиге пирита. Газ, в котором присутствуют частички огарка (смешанного оксида железа), входит в циклон через специальный тангенциальный патрубок, затем вращается вдоль внутренних стенок аппарата. Накопление и осаждение пыли осуществляется в пылесборном бункере, а очищенный газ поднимается вверх, уходит в следующий аппарат через центральную трубу.
Химическая технология связана с применением циклона в тех случаях, когда к получаемому газообразному веществу не выдвигают высоких требований.
Аппараты мокрой очистки
Мокрый способ в современном производстве считается одним из самых результативных и простых видов очистки промышленных газов от разнообразных взвешенных частичек. Процессы и аппараты химической технологии, связанные с мокрой очисткой газов, в настоящее время востребованы не только в отечественной, но и в зарубежной промышленности. Помимо взвешенных частиц, они способны улавливать газообразные и парообразные компоненты, снижающие качество выпускаемой продукции.
Существует подразделение таких аппаратов на насадочные полые, пенные и барботажные, турбулентные и центробежные виды.
Дезинтегратор состоит из ротора и статора, снабженного специальными направляющими лопатками. Жидкость подают во вращающийся ротор через сопла. Благодаря газовому потоку, движущемуся между кольцами статора и ротора, осуществляется измельчение ее на отдельные капли, в результате чего повышается контакт газов с улавливаемыми частичками жидкости. Благодаря центробежным силам пыль отбрасывается к стенкам аппарата, потом выводится из него, а очищенные газообразные вещества попадают в следующий аппарат, либо выбрасываются в атмосферу.
Пористые фильтры
Часто химическая технология предполагает осуществление фильтрации веществ через специальные пористые перегородки. Данный способ предполагает высокую степень очистки от разнообразных взвешенных частичек, поэтому пористые фильтры востребованы в химическом производстве.
Их основными недостатками считают необходимость проведения систематической замены фильтрующих компонентов, а также большие габариты аппаратов.
Промышленные фильтры подразделяют на зернистые и тканевые классы. Они предназначены для очистки промышленных газообразных веществ, имеющих высокую концентрацию дисперсной фазы. Для осуществления периодического удаления накопляющихся частиц в аппаратах установлены специальные регенерирующие устройства.
Особенности нефтепереработки
Тонкие химические технологии, связанные с очисткой продуктов нефтепереработки от механических примесей и повышенной влажности, основываются именно на процессах фильтрации.
Среди тех процессов и аппаратов, которые применяются в настоящее время в нефтехимической отрасли, выделяют фильтрование через коалесцирующие перегородки, ультразвук. С помощью центробежных сепараторов, коалесцентных фильтров, систем отстаивания, проводится предварительная ступень очистки.
Для того чтобы осуществлять комплексную очистку нефтепродуктов, в настоящее время применяют пористые полимерные композиции в качестве
Они подтвердили свою эффективность, прочность, надежность, поэтому их все больше использует общая химическая технология.
Электрические фильтры
В технологии производства серной кислоты предполагают использование именно этого аппарата. Эффективность очистки в них составляет от 90 до 99,9 процента. Электрофильтры способны улавливать жидкие и твердые частицы разных размеров, функционируют приборы в диапазоне температур 400-5000 градусов по Цельсию.
Благодаря незначительным эксплуатационным затратам эти аппараты получили существенное распространение в современном химическом производстве. Среди основных недостатков, характерных для подобного оборудования, выделим существенные первоначальные затраты на их сооружение, а также необходимость выделения большого пространства для установки.
С экономической точки зрения их целесообразно использовать при проведении очистки существенных объемов, в противном случае применение электрофильтров будет затратным мероприятием.
Контактный аппарат
Химия и химическая технология предполагает применение разнообразных аппаратов и устройств. Такое изобретение как контактный аппарат предназначено для осуществления каталитических процессов. В качестве примера можно привести реакцию окисления оксида серы (4) в сернистый ангидрид, являющуюся одним из этапов технологического производства серной кислоты.
Благодаря радиально-спиральному году газ проходит через слой с катализатором, расположенным на специальных перегородках. Благодаря контактному аппарату существенно повышается экономичность каталитических окислений, упрощается обслуживание прибора.
Специальная съемная корзина, имеющая защитный слой катализатора, позволяет без особых проблем осуществлять его замену.
Печь для обжига
Этот аппарат применяется при производстве серной кислоты из Химическая реакция протекает при температуре 700 °С. Благодаря принципу противотока, предполагающего подачу в противоположных направлениях кислорода воздуха и железного колчедана, образуется так называемый кипящий слой. Суть в том, что частички минерала располагаются равномерно по объему кислорода, что гарантирует качественное прохождение процесса окисления.
После завершения процесса окисления, образующийся «огарок» (оксид железа) попадает в специальный бункер, из которого он периодически удаляется. Образующийся печной газ (оксид серы 4) направляется на очистку от пыли, затем осушается.
Современные печи для обжига, используемые в химическом производстве, позволяют существенно снизить потери продуктов реакции, одновременно увеличив качество получаемого печного газа.
Для того чтобы ускорить процесс окисления пирита в печи для обжига, в производстве серной кислоты исходное сырье предварительно измельчают.
Шахтенные печи
К таким реакторам относят доменные печи, составляющие основу черной металлургии. Шихта попадает внутрь печи, контактирует с подаваемым через специальные отверстия кислородом, затем осуществляется охлаждение полученного чугуна.
Разнообразные модификации таких аппаратов нашли свое применение в переработке не только железных, но и медных руд, обработке соединений кальция.
Заключение
Трудно представить полноценную жизнь современного человека без использования им продуктом химического производства. Химическая отрасль, в свою очередь, не может полноценно работать без использования автоматизированных и механических технологий, применения специального оборудования. В настоящее время химическое производство представляет собой сложнейший комплекс оборудования и машин, которые предназначены для химико-физических и химических процессов, автоматизированного оборудования для фасовки и транспортировки готовой продукции.
Среди основных машин и аппаратов, востребованных в подобном производстве, выделяют те, которые позволяют увеличивать рабочую поверхность процесса, осуществлять качественную фильтрацию, полноценный теплообмен, повышать выход продуктов реакции, снижать энергозатраты.
Предисловие
Введение
1. Предмет химической технологии и задачи курса
2. Классификация процессов
3. Материальные и энергетические расчеты
Общие понятия о материальном балансе. Выход. Производительность. Интенсивность производственных процессов. Энергетический баланс. Мощность и коэффициент полезного действия.
4. Размерность физических величин
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Глава первая. Основы гидравлики
А. Гидростатика (2)
Часто удобнее использовать поток вещества, а не массы
[кмоль/м 2 с] (3)
здесь m i - мольная масса компонента i [кг/кмоль], c i - мольная концентрация [кмоль/м 3 ].
Молекулярный механизм . Основным законом молекулярного механизма переноса массы является первый закон Фика, который для двухкомпонентной системы имеет вид:
, n =2 (4)
где D ij - коэффициент бинарной (взаимной) диффузии (D ij = D ji ) .
Турбулентный механизм . Турбулентный перенос массы можно рассматривать по аналогии с молекулярным переносом как следствие хаотического перемещения вихрей. Вводится коэффициент турбулентной диффузии D т , зависящий как от свойств среды, так и от неоднородности скорости, и удаленности от межфазной поверхности.
. (5)
Отношение коэффициентов турбулентной и молекулярной диффузии в пристенной области достигают D т /D i ~ 10 2 - 10 5 .
Переноса энергии
Энергию системы можно подразделить: микроскопическую и макроскопическую. Микроскопическая, являющаяся мерой внутренней энергии самих молекул, их теплового движения и взаимодействия, называется внутренней энергией системы (U ). Макроскопическая складывается из кинетической энергии (Е k ), обусловленной конвективным движением среды, и потенциальной энергии системы в поле внешних сил (Е п ). Таким образом, полную энергию системы, приходящуюся на единицу массы можно представить
E" = U" + Е" k + Е" п [Дж/кг] (6)
Штрих означает, что энергия отнесена на единицу массы.
Энергия может передаваться в форме теплоты или работы. Теплота - форма передачи энергии на микроскопическом уровне, работа - на макроскопическом уровне.
Конвективный механизм . Поток энергии переносимый конвективным механизмом имеет вид
[Дж/м2с] = [Вт/м2] (7)
Это количество энергии, переносимое движущимся макроскопическим объемом за единицу времени через единицу поверхности.
Молекулярный механизм . Молекулярным механизмом осуществляется перенос энергии на микроскопическом уровне, т.е. в форме тепла. Поток тепла за счет молекулярного механизма в условиях механического и концентрационного равновесия может быть представлен
, (8)
где - коэффициент молекулярной теплопроводности [Вт/мК].
Это уравнение носит название закона Фурье .
Турбулентный механизм . Турбулентный перенос энергии можно рассмотреть по аналогии с молекулярным, вводя коэффициент турбулентной теплопроводности
т (9)
Как и коэффициент турбулентной диффузии т будет определяться свойствами системы и режимом движения. Суммарный поток энергии в лабораторной системе отсчета может быть записан
.
4. Перенос импульса
Конвективный перенос . Рассмотрим случай, когда среда движется с некоторой конвективной скоростью W x в направлении оси Х . При этом импульс или количество движения единичного объема будет равен W x . Тогда количество движения W x , переносимого за счет конвективного механизма в направлении оси Х за единицу времени через единицу поверхности будет равно
= [Пa] (10)
Х , переносимое за единицу времени через единичную поверхность по оси Y, будет равно
(11)
Аналогично перенос импульса по всем направлениям дает 9 компонентов тензора конвективного потока импульса,
(12)
(13)
Молекулярный перенос. Количество движения, направленное вдоль оси Х, (W x ), переносимое вдоль оси Y за единицу времени через единицу поверхности за счет молекулярного механизма, можно представить как
(14)
где м [Па с] и [м2/с] - коэффициенты динамической и кинематической молекулярной вязкости соответственно. Это уравнение носит название закона вязкости Ньютона . В случае, если коэффициенты вязкости не зависят от величины производной W x / y , т.е. зависимость xy от W x / y линейна, среда называется ньютоновской. Если же это условие не выполняется - неньютоновской. К последним относятся полимеры, пасты, суспензии и ряд других, используемых в промышленности материалов.
Турбулентный перенос. Перенос импульса за счет турбулентного механизма может рассматриваться по аналогии с молекулярным.
(15)
где м т и т - динамический и кинематический коэффициенты турбулентной вязкости, определяющиеся свойствами среды и режимом движения т ~ D т .
Суммарный поток импульса можно записать
(16),
где - тензор вязких напряжений, элементы которого включают как молекулярный, так и турбулентный перенос импульса
(17).
Итак, рассмотрены уравнения переноса массы, энергии и импульса. Нетрудно убедиться в аналогии этих уравнений. Конвективный поток представляет произведение переносимой субстанции в единичном объеме (с, Е ", с ) на конвективную скорость. Потоки за счет молекулярного или турбулентного механизмов есть произведение соответствующего коэффициента переноса (D, м, м т ) на движущую силу процесса. Эта аналогия позволяет использовать результаты исследования одних процессов для описания других.
Основная литература
1. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 2002. Т.1-400 с. Т.2-368 с.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд. М.: Химия, 1973. 750 с.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия,1987. 576 с.
4. Разинов А.И., Дьяконов Г.С. Явления переноса. Казань, изд-во КГТУ, 2002. 136 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Общая классификация основных процессов химической технологии. Общие сведения о гидравлике, течение идеальных жидкостей. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера и Бернулли. Ламинарное и турбулентное движение жидкости. Уравнение сплошности потока.
презентация , добавлен 29.09.2013
Понятие химической технологии и нефтехимии. Циклонные пылеуловители как инструмента обеспечения технологического процесса. Принципы действия, формулы для расчета характеристик установки. Конструкция и эффективность ее работы, достоинства и недостатки.
презентация , добавлен 10.09.2014
Переработка сырьевых материалов и получение продуктов, которые сопровождаются изменением химического состава веществ. Предмет и основные задачи химической технологии. Переработка углеводородов, устройство коксовой печи. Нагрузка печей угольной шихтой.
отчет по практике , добавлен 29.01.2011
Обзор механических процессов химической технологии: сортирования, измельчения, прессования, дозирования. Особенности процесса и способов перемешивания. Виды смеси. Строение и использование лопастных, листовых, пропеллерных, турбинных, специальных мешалок.
курсовая работа , добавлен 09.01.2013
Схема действия процессов химической завивки на волосы. Изменение структуры волоса во время химической завивки. Действие дополнительных препаратов для улучшения качества химической завивки. Группы средств для химической завивки и их характеристика.
презентация , добавлен 27.03.2013
Цели и порядок выполнения лабораторных работ, обработка опытных данных и составление отчетов по изучению компрессионной фреоновой установки, гидродинамики и процесса разделения суспензий, измельчению твердых материалов, изучению процесса теплопередачи.
методичка , добавлен 09.12.2011
Изучение закономерностей развития и основ стандартизации технологии. Рассмотрение особенностей технологических процессов в химической, металлургической сферах, машиностроении и строительстве. Анализ прогрессивных технологий информатизации производства.
курс лекций , добавлен 17.03.2010
Изучение законов науки о процессах пищевых производств. Рассмотрение механических, гидромеханических и массообменных процессов на примере работы оборудования для переработки зерна, смесителя жидких продуктов и сушки в сушилках. Решение основных задач.
контрольная работа , добавлен 05.07.2014
Служебное назначение и анализ технологичности конструкции изделия. Разработка технологического процесса сборки. Обоснование технологических баз. Предварительная разработка маршрутного технологического процесса изготовления детали. Расчёт режимов резания.
дипломная работа , добавлен 29.06.2009
Общие сведения о теплообменных аппаратах: их конструктивное оформление, характер протекающих в них процессов. Классификация теплообменников по назначению, схеме движения носителей, периодичности действия. Конструкции основных поверхностных аппаратов.
Классификация основных процессов и аппаратов химической технологии
В зависимости от закономерностей , характеризующих протекание, процессы химической технологии делят на пять основных групп.
1. Механические процессы , скорость которых связана с законами физики твёрдого тела. К ним относятся: измельчение, классификация, дозирование и смешение твёрдых сыпучих материалов.
2. Гидромеханические процессы , скорость протекания которых определяется законами гидромеханики. К ним относятся: сжатие и перемещение газов, перемещения жидкостей, твердых материалов, осаждение, фильтрование, перемешивание в жидкой фазе, псевдоожижение и т. п.
3. Тепловые процессы , скорость протекания которых определяется законами теплопередачи. К ним следует отнести процессы: нагревания, выпаривания, охлаждения (естественного и искусственного), конденсации и кипения.
4. Массообменные (диффузионные) процессы , интенсивностькоторых определяется скоростью перехода вещества из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся: абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция, сушка и др.
5. Химические процессы связаны с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.
В соответствии с перечисленным делением процессов химические аппараты классифицируют следующим образом:
– измельчающие и классифицирующие машины;
– гидромеханические, тепловые, массообменныеаппараты;
– оборудование для осуществления химических превращений – реакторы.
По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические и непрерывные.
В периодическом процессе отдельные стадии (операции) осуществляются в одном месте (аппарате, машине), но в разное время (рис.1.1). В непрерывном процессе (рис.1.2) отдельные стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (аппаратах или машинах).
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими, состоящими ввозможности специализации аппаратуры для каждой стадии, улучшения качества продукта, стабилизации процесса во времени, простоте регулирования, возможности автоматизации и т.п.
При проведении процессов в любом из перечисленных аппаратов изменяются значения параметров перерабатываемых материалов. Параметрами, характеризующими процесс, являются давление, температура, концентрация, плотность, скорость потока, энтальпия и др.
В зависимости от характера движения потоков и изменения параметров веществ, поступающих в аппарат, все аппараты могут быть разделены на три группы: аппараты идеального (полного ) смешения , аппараты идеального (полного ) вытеснения и аппараты промежуточного типа .
Наиболее удобно продемонстрировать особенности потока различной структуры на примере теплообменников непрерывного действия различной конструкции. На рис.1.3,а представлена схема теплообменника, работающего по принципу идеального вытеснения. Принимается, что в этом аппарате происходит «поршневое» течение потока без перемешивания. Температура одного из теплоносителй меняется по длине аппарата от начальной температуры до конечной в результате того, что протекающие через аппарат последующие объёмы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их. Температура второго теплоносителя принята постоянной (конденсирующийся пар).
В аппарате идеального смешения последующие и предыдущие объёмы жидкости идеально перемешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной (рис. 1.3,б).
В реальных аппаратах не могут быть обеспечены ни условия идеального смешения, ни идеального вытеснения. На практике можно достигнуть только достаточно близкого приближения к этим схемам, поэтому реальные аппараты – это аппараты промежуточного типа (рис. 1.3,в).
Рис. 1.1. Аппарат для проведения периодического процесса:
1 –сырье; 2 –готовый продукт;3 –пар;4 –конденсат;5 –охлаждающая вода
Рис. 1.2. Аппарат для проведения непрерывного процесса:
1– теплообменник-нагреватель; 2 – аппарат с мешалкой; 3 – теплообменник-холодильник; I –сырье; II –готовый продукт;III –пар;IV –конденсат;
V –охлаждающая вода
Рис. 1.3. Изменение температуры при нагревании жидкости в аппаратах различных типов: а – полного вытеснения; б –полного смешения; в – промежуточного типа
Движущая сила рассматриваемого процесса нагревания жидкости для любого элемента аппарата представляет разность 
между температурами греющего пара и нагреваемой жидкости.
Разница в протекании процессов в каждом из типов аппаратов становится особенно ясной, если рассмотреть, как изменяется движущая сила процесса в каждом из типов аппаратов. Из сравнения графиков следует, что максимальная движущая сила имеет место в аппаратах полного вытеснения, минимальная –в аппаратах полного смешения.
Следует отметить, что движущая сила процессов в непрерывно действующих аппаратах идеального смешения может быть значительноувеличена путём разделения рабочего объёма аппарата на ряд секций.
Если объём аппарата идеального смешения разделить на n аппаратов и в них провести процесс, то движущая сила увеличится (рис. 1.4).
При увеличении числа секций в аппаратах идеального смешения значение движущей силы приближается к её значению в аппаратах идеального вытеснения, и при большом числе секций (порядка 8–12) движущие силы в аппаратах того и другого типа становятся приблизительно одинаковыми.
Рис. 1.4. Изменение движущей силы процесса при секционировании
