Глава 13 общие сведения о физических процессах химической технологии § 13.1. Значение физических процессов и их классификация

В производстве промышленной продукции широко используются физические процессы химической техноло­гии — дробление сырья, перемещение жидкостей и газов по трубопроводам, нагревание и охлаждение, разделение однородных и неоднородных систем и т. п.

На любой стадии производства (подготовительной, основной или завершающей) физические процессы вы­полняют вспомогательную или основную функцию.

Например, на стадии подготовки нефти к переработке используются процессы перемещения нефти по трубопро­водам, процессы разделения неоднородных систем (уда­ление из нефти песка, глины, воды и попутного газа от­стаиванием, электрообезвоживанием), процессы нагрева­ния нефти до температуры кипения. На основной стадии перегонки нефти на фракции имеют место дистилляция, ректификация, охлаждение и конденсация паров. На за­вершающей стадии (очистке нефтепродуктов) исполь­зуются сорбционные процессы удаления примесей с по­мощью твердых и жидких поглотителей.

Подобные примеры широкого использования физиче­ских процессов характерны для любой отрасли промыш­ленности. Так, в добывающей промышленности — это дробление и измельчение минерального сырья, удаление пустой породы флотацией, электромагнитной или иной сепарацией, в металлургии — тепловые и массообменные процессы (нагревание шихты, плавление и кристаллиза­ция металла, термическая и химико-термическая обра­ботка стали), в машиностроении и радиоэлектронике — конденсация паров расплавленных металлов на поверх­ность деталей и изделий, в производстве строительных и лакокрасочных материалов, пищевых продуктов — тон­кое и сверхтонкое измельчение, сушка и т. д.

Большое значение приобретают физические процессы в природоохранных мероприятиях по чистке сточных вод и газовых выбросов от вредных примесей, а также по ре­куперации промышленных и бытовых отходов (сухая и мокрая очистка газов, безреагентные методы перера­ботки производственных стоков и т. п.).

Физические процессы химической технологии подраз­деляются на физико-механические (дробление, измельче­ние), гидромеханические (перемещение жидкостей и газов, разделение неоднородных систем), тепловые (нагревание, охлаждение и конденсация паров) и массообменные (со­рбция, кристаллизация, сушка, дистилляция, ректифика­ция, экстракция, разделение однородных систем с по­мощью полупроницаемых мембран).

§ 13.2. Виды физических процессов Физико-механические процессы

Измельчение. В промышленности для интенси­фикации химических взаимодействий, особенно для ге­терогенных и твердофазных процессов производства строительных материалов, металлов, минеральных удо­брений и т. д., чрезвычайно важно увеличение поверхно­сти контакта фаз, достигаемое путем механического из­мельчения. Процессы измельчения сводятся к разруше­нию первоначальной структуры вещества путем разда­вливания, раскалывания, истирания или удара. В зависи­мости от механических свойств исходных материалов и начальных размеров кусков применяются различные типы воздействия. Например, твердые и хрупкие веще­ства измельчают раскалыванием, ударом, а пластичные вещества хорошо поддаются истиранию. Чем тверже и пластичнее материал, тем его труднее измельчить.

Измельчение может осуществляться как сухим, так и мокрым способом — в воде или других жидкостях, что исключает пылеобразование и повышает эффективность процесса. Измельчающие машины подразделяют на дро­билки крупного, среднего и мелкого дробления, а также мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения. Машины для измельчения работают в открытом и замкнутом ци­клах; последний позволяет значительно снизить расход энергии на измельчение и повысить эффективность про­цесса.

Тепловые процессы

Перенос энергии в форме теплоты, происходящий ме­жду телами, имеющими различную температуру, назы­вается теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур между более нагретым и менее нагретым телом. Существуют три принципиально различных способа передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность — перенос теплоты вслед­ствие беспорядочного теплового движения атомов и мо­лекул, непосредственно соприкасающихся друг с другом. В твердых телах теплопроводность является основным видом переноса теплоты, в то время как в газах и жидко­стях процесс распространения теплоты осуществляется также и другими способами. На коэффициент теплопро­водности влияет природа и структура вещества, темпера­тура и влажность материалов и т. д.; наивысшей тепло­проводностью отличаются металлы: сталь — 4,6, алюми­ний—210, медь — 380 Вт/(м • К), а наиболее низкой — вода — 0,6 Вт/(м • К). Воздух имеет теплопроводность 0,03 Вт/(м • К).

Конвекция — процесс переноса теплоты вслед­ствие движения и перемешивания макроскопических ча­стей газов или жидкостей. Перенос теплоты может осу­ществляться путем естественной (свободной) конвекции, обусловленной разностью плотностей в различных точ­ках объема жидкости или газа, возникающей вследствие разности температур в этих точках, а также вынужден­ной конвекции при механическом перемещении всего объема газа или жидкости.

Тепловое излучение — процесс распростране­ния электромагнитных колебаний с различными длинами волн, который возникает вследствие теплового движения атомов и молекул излучающего тела. Эти тела испу­скают электромагнитную энергию, которая поглощается другими, более холодными телами и превращается в теплоту.

В реальных условиях теплота передается не каким-ли­бо одним из указанных выше способов, а комбиниро­ванным путем, который называется теплопередачей. В не­прерывно действующих аппаратах теплообмен протекает в стационарном (установившемся) режиме, в периодиче­ских — в нестационарном. Эффективность теплопередачи зависит от коэффициента, который показывает, какое ко­личество теплоты переходит в единицу времени от более нагретой к менее нагретой среде через разделяющую их плоскую стенку площадью 1 м² при средней разности температур между теплоносителями в 1°. Средняя раз­ность температур зависит от направления движения те­плоносителей. Выбор правильного направления движения тепловых потоков (прямоток, противоток, перекрестный ток) значительно сказывается на эффективности процесса теплопередачи и экономии теплоты.

Главными тепловыми процессами в промышленности являются процессы нагревания водяным паром, топочны­ми газами, теплоносителями и электрическим током, а также процессы охлаждения, в том числе ниже — 200 °С.