1.1. Любое производство, и химическое в том числе, предназначено для переработки исходных веществ в продукты, т.е. такие вещества, качественные показатели которых отличаются от качественных по­казателей исходных веществ. Преобразование исходных веществ в продук­ты осуществляется в некоторой последовательности определяемой тех­нологией производства. Технология - это совокупность методов обработ­ки, преобразования, изменения состояния исходных веществ осуществля­емых в производстве продукции. Технология состоит из ряда последовательных процессов. Процесс - это последовательные и закономерные из­менения параметров системы, приводящие к возникновению в ней новых свойств. Задача технологии, как науки, состоит в выявлении физических и химических закономерностей с целью определения и использования на практике наиболее эффективных и экономичных производственных про­цессов.

Технология производства самых разнообразных химических продуктов и материалов включает ряд однотипных физических и химических процес­сов, характеризуемых общими закономерностями. Эти процессы в различных производствах проводятся в аналогичных по принципу действия в машинах и аппаратах. Процессы и аппараты, общие для различных отраслей хими­ческой технологии, получили название основных процессов и аппаратов.

1.2. С развитием химической промышленности возникла потребность в ин­женерной науке, обобщающей закономерности основных производственных процессов и разрабатывающей методы расчета аппаратов на основе их рациональной классификации. Все это привело к возникновению науки о "Процессах и аппаратах химической технологии" (ПАХТ).

В курсе ПАХТ изучаются теория основных процессов, принципы устройства и методы расчета аппаратов и машин. Анализ закономерностей протекания основных процессов и разработка обобщенных методов расчета аппаратов производятся, исходя из фундаментальных законов химии, физики, физической химии, термодинамики и других наук с широким ис­пользованием аппарата математики. Курс ПАХТ является инженерной дисциплиной, представляющей собой важный раздел теоретических основ химической технологии. 1.4. Классификация основных процессов химической технологии.

Классификация основных процессов химической технологии может быть проведена на основе различных признаков. Один из признаков оцени­вает характер изменений происходящих с перерабатываемыми веществами. По этому признаку можно разделить все процессы на две большие группы:

1) физические - это процессы, в которых происходит изменение ка­чественных показателей перерабатываемых веществ без изменения их химического состава;

2) химические - это процессы, в которых изменение показателей перерабатываемых веществ сопровождается изменением химического сос­тава.

В свою очередь процессы, относящиеся к каждой из этих групп подразделяются на подгруппы. На пример физические процессы по закономерности, определяющей скорость протекания процесса разделяются на следующие:

l) гидродинамические - скорость этих процессов определяется зако­нами гидродинамики, движущая сила - разность давлений;

2) тепловые - скорость определяется законами теплопередачи, дви­жущая сила-разность температур;

3) массообменные - скорость этих процессов характеризуется, закономерностями массопереноса, движущая сила разность концентраций;

4) механические - скорость этих процессов описывается законами механики твердых тел.

Такое разделение процессов в природе практически не существует, т.к. в большинстве случаев наблюдается совместное протекание нескольких процессов одновременно. Поэтому в основу такого разделения положенo целевое назначение данного процесса (например, в теплообменном аппарате осуществляется перенос тепла с перемещением среды по аппарату, т.е. одновременно идут тепловой и гидродинамический процессы). Название процесса - тепловой, по его целевому назначению.

В каждой подгруппе происходит распределение процессов на классы по более узким признакам и так далее.

Аналогичную классификацию можно составить и для химических про­цессов. Однако в курсе ПАХТ основное внимание уделяется физическим процессам, а химические рассматриваются в курсе"0бщая химическая технология".

По способу организации процессы химической технологии подразде­ляются на периодические, полупериодические и непрерывные. В зависимости от характера изменения параметров процесса во времени процес­сы подразделяются на установившиеся (стационарные) и неустановившиеся (нестационарные или переходные).

1.5. Величины, описывающие процесс (экстенсивные и интенсивные)

Задача курса ПАХТ состоит в количественном описании процесса. С этой целью необходимо охарактеризовать величины, используемые для качественного описания процессов. Все величины можно разделить на две группы: экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся величины, значение которых зависит от размеров объекта (например, объем системы, ее масса, вес, сила инерции, сила давления и т.д.). К интенсивным величинам относятся такие величина которых не зависит от размера объекта: плотность, концентрация, давление, температура, скорость и т.д.). Значение интенсивной величины может быть, тем не менее, различным в разных точках объема объекта.

Технологический процесс протекает в том случае, когда существует разность между значениями какай либо интенсивной величины в различ­ных точках объема объекта, либо существует разница между текущим значением интенсивной величины и ее значением соответствующим сос­тоянию равновесия. Эта разница в значениях называется движущей си­лой процесса.

Определение экстенсивных и интенсивных величин. Положим, что субстанция тождественно равна массе системы, тогда

[кг]

Количество тепла:

[Дж]

Количество движения:

[кг м/с]

Количество распределенного вещества:

[моль]; [кг]

Одной из основных интенсивных величин характеризующих субстанцию является концентрация ее, т.е. количество субстанции в единице объема.

Концентрации массы:

[кг/м³]

Концентрация тепла:

[Дж/м³]

При постоянных теплоемкости и плотности вещества концентрация тепла пропорциональна температуре тела.

Концентрация количества движения:

[кг/м²с]

Концентрация распределенного вещества:

[моль/м³]

К интенсивным величинам относятся также давление, напряжения возникающие в среде при ее движении, скорость и т.д.

2.6.Концентрация субстанции.

Будем считать, что субстанция сплошным образом заполняет данный объём системы . Объёмной концентрацией субстанции будет называться количество субстанции в единице объёма системы. Тогда концентрация субстанции будет:

скалярная векторная

Если субстанция заполняет данное пространство, то в нём существует непрерывное поле концентраций субстанций. В этом поле можно представить совокупность поверхностей, на которых концентрация субстанции будет постоянной величиной. Эти поверхности называются изосубстациональными поверхностями. В каждой точке изосубстациональной площадки можно провести нормаль к площадке. dF

n-орт по нормали.

Градиент – вектор, показывающий направление наискорейшего изменения данного поля (скалярного либо векторного).

2.7. Общие принципы расчета процессов и аппаратов

При расчете процессов и аппаратов преследуют следующие основные цели:

1) определение условий предельного или равновесного состояния; системы;

2) вычисление материальных и энергетических потоков необходимых для осуществления процесса;

3) определение оптимальных режимов работы и соответствующей им речей поверхности или рабочего объема аппарата;

4) вычисление основных геометрических размеров аппарата. Исходным этапом является рассмотрение данных о равновесии, на ос­нове которых определяют направление протекания процесса и предельные значения параметров процесса и вычисляют движущую силу. Затем сос­тавляют уравнения материального и энергетического балансов используя законы сохранения материи и энергии. Из этих уравнений находят мате­риальные и энергетические потоки необходимые для осуществления процес­са. Последующий этап представляет собой расчет кинетики процесса, оп­ределяющей скорость его протекания. По данным о скорости и вели­чине движущей силы при выбранном оптимальном режиме работы аппарата находят его рабочую поверхность или объем (L основные размеры аппарата). Зная поверхность или объем, определяют геометрические размеры обору­дования.

Материальный баланс, по закону сохранения массы количество поступающих веществ должно быть равно количеству веществ получаемых в результате процесса, плюс потери при переработке .

Энергетический баланс. Чаще всего энергетический баланс при ра­счете оборудования представляется в виде уравнения теплового баланса.

В общем виде уравнение теплового баланса имеет вид:

где - количество тепла поступающего с исходными веществами, - количество тепла выделяющегося за счет внутренних источников (на при­мер тепло химической реакции и т.п.), количество тепла уходящего с продуктами, количество тепла теряемого в ходе процесса.

Основное кинетическое уравнение процесса. В первом приближении можно считать, что количество субстанции М (вещества, тепла и т.д.), перенесенной в ходе процесса пропорционально движущей силе , вре­мени и некоторой величине характеризующей размеры аппарата А (поверхность, объем):

К - кинетический коэффициент (или коэффициент пропорциональности), характеризующий скорость процесса. Учитывает влияние всех факторов, не учтенных величинами входящими в правую часть уравнения.

Интенсивность процесса - есть результат процесса отнесенный к еди­нице времени и единицы величины А: (или скорость процесса)

К - можно рассматривать как меру интенсивности процесса. Интенсивность процесса всегда пропорциональна движущей силе и обратно пропорцио­нальна сопротивлению R:

где

Из этих уравнений находят необходимую поверхность или объем аппарата по известным другим величинам входящим в уравнение или определяют ре­зультат процесса при заданной поверхности или объеме.