2. Статика и кинетика процессов

Любой процесс протекает до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия. Статика рассматривает процесс в состоянии равновесия.

Различают гидростатику (учение о равновесии жидкостей), а также тепловое, фазовое и химическое равновесие.

Кинетика рассматривает процессы в их развитии, в их стремлении к состоянию равновесия.

– Степень отклонения системы от состояния равновесия выражает движущую силу процесса.

Для процессов дисциплины применима основная кинетическая закономерность:

– Скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.

Для механических и химических процессов эта закономерность не применяется. Но эти процессы подчас находятся на производстве в одной технологической линии с основными процессами

3. Классификация процессов

В основу классификации основных процессов могут быть положены разные принципы, однако ввиду большого разнообразия этих процессов представляется наиболее целесообразным классифицировать их по способу создания движущей силы процесса.

В этой связи основные процессы химической технологии можно разделить на следующие классы.

Гидромеханические процессы связаны с обработкой неоднородных систем  жидкостей и газов (паров), содержащих взвешенные в них твердые частицы или капли жидкости. К этим процессам относятся различные виды отстаивания (в поле силы тяжести, в центробежном поле, в электрическом и магнитном полях), фильтрование, перемешивание, течение газа или жидкости через слой сыпучих материалов и др.

Движущей силой гидромеханических процессов является разность давлений или градиент давлений, обусловленные разностью плотностей обрабатываемых материалов или иными причинами. Скорость процесса определяется законами гидродинамики неоднородных систем.

Гидродинамические процессы имеют место при движении жидких перера­батываемых и вспомогательных сред по трубопроводам и элементам аппаратов, происходящем под действием градиента давлений, создаваемого гидравличе­скими машинами - насосами, входящими в их состав.

Механические процессы связаны с обработкой твердых материалов. Сюда относятся процессы измельчения, рассева, транспортирования, дозирования, смешивания.

Движущей силой процесса является разность сил, давлений или градиент напряжения (сжатия, сдвига, растяжения). Скорость процесса определяется законами механики твердых тел.

Механические процессы обусловлены действием механических сил, а их результатом является изменение размеров и формы частиц продукта. Эти про­цессы реализуются в мельничных комплексах, дробилках, прессах, штампах, валковых и шнековых нагнетателях (экструдерах), устройствах сепарирования сыпучих веществ и многих других.

Тепловые процессы связаны с передачей тепла от одного тела к другому. К ним относятся следующие основные процессы: нагревание, охлаждение, испарение, конденсация, плавление, затвердевание (кристаллизация).

Движущей силой тепловых процессов является разность температур или градиент температур, а скорость процесса определяется законами теплопередачи.

Тепловые процессы обусловлены действием разности температур. Резуль­тат их действия - перемещение в пространстве теплоты (тепловой энергии). Данные процессы совершаются в нагревателях, охладителях, выпарных аппара­тах, а также в подавляющем большинстве других биотехнологических машин и аппаратов. К тепловым процессам примыкают процессы получения холода. Они используют одни и те же термодинамические зависимости, одинаковые прин­ципы решения теплотехнических проблем; часть теплотехнических устройств, используемых в них, являются одинаковыми. Однако, традиционно тепловые и холодильные процессы рассматриваются обособленно.

Массообменные или диффузионные процессы связаны с переходом вещества из одной фазы в другую за счет диффузии. В процессах массообмена всегда участвуют две фазы, например, жидкая и паровая, жидкая и газообразная, две жидкие фазы, твердая и жидкая и т. д. К этому классу процессов относятся перегонка, ректификация, абсорбция, адсорбция, экстракция, сушка, кристаллизация и др.

Движущей силой массообменных процессов является разность концентраций или градиент концентраций между фактической концентрацией компонента в данной фазе и равновесной с другой фазой, а скорость процесса определяется законами массопередачи.

Массообменные (диффузионные) процессы протекают под действием раз­ности концентраций веществ. Их результатом является перемещение в про­странстве массы (отдельных компонентов смеси веществ). Эти процессы реали­зуются в абсорберах, адсорберах ректификационных колоннах, сушилках, кри­сталлизаторах, растворителях, экстракторах, мембранных аппаратах и другом оборудовании.

Химические процессы связаны с превращением обрабатываемых материалов, целью которого является получение новых соединений. К этому классу процессов относится группа термокаталитических процессов: каталитический крекинг, пиролиз, риформинг, гидроочистка и др.

Движущей силой процесса являются разности концентраций реагирующих веществ. Скорость процесса определяется законами химической кинетики.

В отличие от массообменных процессов, в которых составляющие части исходной системы, не изменяясь, переходят из одной фазы в другую, при химических процессах исходные компоненты (вещества) претерпевают коренные изменения, приводящие к появлению в системе новых веществ, свойства которых отличаются от свойств исходных веществ.

К биохимическим процессам относят процессы направленной жизнедея­тельности микроорганизмов, скорость протекания которых определяется при­ростом биомассы или продуктов метаболизма. Биохимические процессы прово­дят в биореакторах (ферментерах), пастеризаторах и стерилизаторах.

В большинстве случаев в аппаратах протекают одновременно несколько процессов, например, биохимические и массообменные, сопровождаемые теп­лообменными и гидромеханическими.

На рис. 1.1 приведена схема классификации основных (типовых) процессов подготовки нефти и газа, нефтегазопереработки, нефтехимии и пищевых производств.

По тем же признакам можно классифицировать аппараты и машины для проведения типовых процессов. Схема такой классификации представлена на рис. 1.2.

По организационно-технической структуре процессы можно разделить напериодические(нестационарные) и непрерывные(стационарные).

В периодическом процессе отдельные его стадии (например, нагревание – кипение – охлаждение) осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Экономически эти процессы целесообразны в производствах мелкого масштаба при разнообразном ассортименте выпускаемой продукции, что типично для пищевой промышленности.

В непрерывном процессе отдельные его стадии осуществляются одновременно, но в разных аппаратах (подогреватель – кипятильник – холодильник). Экономически выгодны в средне- и крупнотоннажных произ­водствах (выпаривание), позволяя провести механизацию и автоматизацию, а также применить стандартную аппаратуру.

Движение продуктов (сред) в аппарате может быть прямоточным, противоточным, смешанным и перекрестным.

В теплообменных процессах и при обработке разнородных систем целесо­образно применять противоточное движение сред, обеспечивающее большую интенсивность процесса, в однородных системах - прямоточное. Перекрестное движение применяют чаще всего в рекуперативной теплообменной аппаратуре.