ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ І СПОСОБИ ЇХНЬОГО ОПИСУ

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ І СПОСОБИ ЇХНЬОГО ОПИСУ

1.1.          Класифікація хіміко-технологічних процесів

     Хіміко-технологічні процеси складають основу багатьох виробництв і практично всіх галузей промисловості: хімічної, нафтопереробної, коксохімічної, металургійної, целюлозно-паперової, харчової, медичної,  підприємств з виробництва будівельних матеріалів, полімерних виробів, в енергетиці і т.д. Сутність хіміко-технологічних процесів полягає в реалізації різних фізичних, хімічних, мікробіологічних, механічних і гідромеханічних явищ, за допомогою яких здійснюється цілеспрямований вплив на оброблюване технологічне середовище для одержання визначеного кінцевого результату. Таким результатом може бути, наприклад, перемішування фаз, поділ компонентів, виділення цільового компонента, нагрівання або охолодження, зміна агрегатного стану, здрібнювання часток і т. ін.

     Таким чином, у процесі беруть участь основне середовище і компоненти, що додатково вводяться, при цьому застосовуються фізико-хімічні, механічні чи гідромеханічні впливи, що здійснюються усередині реакційних просторів апаратів, і в результаті процесу одержують кінцеві продукти (рис. 1.1).

    Класифікація процесів сприяє з'ясуванню їхньої сутності, поглибленню аналізу, систематизації й узагальненню, визначенню загальних підходів для їхнього вивчення і розробці методів інтенсифікації. Характер класифікації процесів, як і будь-яких інших об'єктів, визначається вибором узагальнюючого класифікаційного критерію, параметра чи характеристики ознаки, по яким і проводиться розмежування (класифікація) усього масиву об'єктів.

    Загально прийнято, що відповідно до фізичної сутності процеси розділяються по природі явищ, що протікають у них:

     1. Механічні процеси, що описуються законами механіки твердих тіл. Ці процеси застосовуються в основному для підготовки сировинних твердих матеріалів і обробки кінцевих твердих продуктів, транспортування і дозування кускових і сипучих матеріалів, механічному формуванню виробів. До механічних процесів відносяться здрібнювання, транспортування, сортування (класифікація) і змішування твердих речовин, а також спеціальні процеси – вальцювання, гранулювання, пресування, ущільнення й ін.

     2. Гідромеханічні процеси, швидкість яких визначається законами гідромеханіки – науки про рух рідин і газів. До них відносяться процеси утворення газорідинних систем (розпилення рідин і барботування газів), поділ рідких і газових неоднорідних систем у полі гравітаційних (відстоювання) і відцентрових (центрифугування) сил, гідрокласифікація, фільтрування, перемішування в рідинах, пневмо- і гідротранспорт, мийка сировинних матеріалів, рідке формування пластичних матеріалів, процеси нанесення тонких покриттів.

     3. Теплові процеси, що протікають зі швидкістю, обумовленою законами теплопередачі – науки про способи поширення тепла. Такими процесами є нагрівання, охолодження, випаровування рідини і конденсація пари, плавлення і заморожування. До них можуть бути також віднесені і процеси охолодження до температур нижче температури навколишнього середовища (холодильні процеси), що мають ряд своїх специфічних особливостей.

     4. Масообмінні (дифузійні) процеси, що характеризуються переносом одного чи декількох компонентів вихідної суміші з однієї фази в іншу через поверхню розділу фаз. До цієї групи процесів, описуваних законами масопередачі, відносяться сорбційні процеси (аб- , ад- і десорбція), екстракція з розчинів і твердих речовин, перегонка (ректифікація), розчинення і кристалізація, сушіння матеріалів.

      Швидкість теплових і масообмінних процесів у значній мірі залежить від гідродинамічних умов (швидкостей, форм і режимів течії), при яких здійснюється перенос тепла і речовини між взаємодіючими середовищами.

      5. Хімічні (реакційні) процеси, що протікають зі швидкістю, обумовленою законами хімічної кінетики. Однак хімічні реакції звичайно супроводжує перенос маси і теплової енергії, і відповідно, швидкість промислових хімічних процесів залежить від швидкостей цього переносу і гідродинамічних умов.

       Наведена класифікація основних процесів є деякою мірою умовною, тому що в реальних виробничих процесах ряд цих елементарних процесів протікає

одночасно. Наприклад, процеси масообміну часто супроводжуються процесами переносу тепла. Такі процеси відносять до групи тепломасообмінних  (сушіння, ректифікація, кристалізація, сублімація й ін.).

     По способу організації основні процеси хімічної технології поділяються на періодичні, безупинні і комбіновані.

     Періодичні процеси реалізуються в апаратах, у яких через визначені проміжки часу завантажуються вихідні матеріали, а після їхньої обробки з апаратів вивантажуються кінцеві продукти. По закінченні розвантаження апарата і його повторного завантаження процес повторюється знову. Таким чином, усі стадії періодичного процесу протікають в одному місці (апараті), але в різний час.

     Безупинні процеси здійснюються в проточних (однопрохідних) апаратах. Подача вихідних продуктів в апарат і вивантаження з нього кінцевих продуктів проводиться безупинно. У безупинному процесі всі його стадії протікають одночасно, але роз'єднані в просторі, тобто здійснюються в різних частинах одного  апарата або у різних апаратах, що складають єдину установку.

     До комбінованих процесів відносять безупинні процеси, окремі стадії яких здійснюються періодично, або періодичні процеси, одна чи декілька стадій яких протікають безупинно.

     Проведення процесів по безупинному принципу дозволяє значно підвищити продуктивність устаткування і забезпечити стабільність якості одержуваних продуктів, знизити метало- і енергоємність устаткування, автоматизувати і механізувати виробництво. Ці  переваги безупинних процесів  визначили їхнє переважне використання в багатотоннажних виробництвах. Періодичні процеси зберігають своє значення головним чином у виробництвах невеликого масштабу із змінним асортиментом продукції, де вони дозволяють досягти більшої гнучкості у використанні устаткування при менших капітальних витратах.

     Процеси класифікують також у залежності від зміни їхніх основних параметрів (швидкостей, температур, концентрацій, тисків) у часі. За цією ознакою розрізняють процеси усталені (стаціонарні), в яких значення параметрів, що характеризують процес, постійні в часі, і неусталені (нестаціонарні), в яких вони змінні, тобто є функціями не тільки положення кожної точки в просторі, але і часу. У хімічній технології несталими є всі періодичні процеси. Для безупинних процесів зміна параметрів у часі відбувається в період пуску і зупинки апаратів, а також при зміні режиму їхньої роботи.

     Складні реальні процеси і їхні особливості. У реальних виробництвах прийнято також класифікувати технологічні процеси по станціях заводу виходячи з послідовності проведення окремих етапів переробки вихідних сировинних матеріалів і обробки напівпродуктів виробництва. До особливостей  цих процесів варто віднести наступне:

     1. Усі вони є складними багаторівневими і містять у собі ряд типових процесів. Типові процеси у свою чергу можуть бути розчленовані на ряд елементарних процесів, кожний з який являє собою самостійний елемент всієї ієрархії процесу при переході від осередку, частки, пухирця, клітки до їх сукупності, шару, потоку, об’єму, апарату, що визначається відповідною ієрархією узагальненої математичної моделі процесу.

      2. У ряді випадків може мати місце сполучення технологічних         процесів, що приводить до інтенсифікації основного процесу за рахунок зв'язування процесом проміжних продуктів, що в багатьох випадках може перешкоджати основному процесу.

     3. Проведення процесів обмежене визначеними діапазонами допустимих технологічних параметрів: температури, тиску, рН середовища, тривалості процесу та ін. Вихід параметрів за ці діапазони приводить до погіршення якості і зниження виходу товарного продукту.

     4. Проведення основних і допоміжних технологічних процесів у багатьох випадках супроводжується так званими супутніми процесами, що ускладнюють, а в ряді випадків і протидіють основному процесу, приводять до негативних наслідків, наприклад, до підвищених втрат цільового продукту.

     Ці особливості необхідно враховувати при аналізі реальних процесів, розробці методів їхнього моделювання й інтенсифікації.