ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

Впроизводстве 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).

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.

Массообменные процессы

Большое значение в химической технологии имеют массообменные процессы, основанные на переходе одно­го или нескольких веществ из одной фазы в другую. В промышленности в основном применяют процессы массопередачи между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также ме­жду двумя жидкими фазами. К таким процессам отно­сятся: абсорбция, адсорбция, перегонка и ректификация, кристаллизация, сушка и др.

Скорость массопередачи при заданной температуре зависит от интенсивности молекулярной диффузии, т. е. способности самопроизвольного проникновения одного вещества в другое за счет беспорядочного движения мо­лекул. Процесс переноса массы из одной фазы в другую происходит за счет разности концентраций вещества в этих фазах до тех пор, пока не будут достигнуты усло­вия равновесия. Движущая сила процесса массопередачи, ее эффективность может быть выражена в любых едини­цах, применяемых для определения состава фаз, однако наиболее часто движущая сила процесса выражается че­рез разницу между рабочими и равновесными концентра­циями распределяемого компонента в первой и второй фазах соответственно. Количество массы, передаваемое из одной фазы в другую, зависит от поверхности раздела фаз, продолжительности процесса и разности концентра­ций.

Повышение эффективности процессов массопередачи может быть достигнуто за счет увеличения поверхности контакта фаз, возрастания скорости потока и его турбулизации, а также снижения диффузионного сопротивле­ния среды (например, в процессе абсорбции случай по­глощения плохорастворимого газа). Ниже приводятся примеры основных процессов массопередачи.

Абсорбцией называют процесс поглощения газа или пара жидким поглотителем. Абсорбция характери­зуется избирательностью (селективностью), т. е. каждое вещество поглощается определенным поглотителем. Раз­личают абсорбцию простую, основанную на физическом поглощении компонента жидким поглотителем, и хемосорбцию, которая сопровождается химической реакцией между извлекаемым компонентом и жидким поглотите­лем. Примером простой абсорбции служит производство соляной кислоты, хемосорбция широко применяется в производстве серной и азотной кислот, азотных удо­брений и т. д. Абсорбция протекает в аппаратах колонно­го типа (насадочные, тарельчатые и др.).

Адсорбция есть процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой или жидкой смеси твердым поглотителем — адсорбентом. Механизм про­цесса адсорбции, отличающийся от механизма абсорб­ции, практически аналогичен механизму других процес­сов массопередачи с участием твердой фазы. Наиболее универсальной теорией адсорбции является разработан­ная М. М. Дубининым теория объемного заполнения микропор, где учитывается притяжение молекул поглощае­мого вещества с адсорбентом на основе зависимости равновесия от структуры пор адсорбента. В качестве ад­сорбентов широко применяют твердые вещества с высо­коразвитой поверхностью и высокой пористостью (ак­тивные угли, силикагели, алюмогели, цеолиты — водные алюмосиликаты кальция и натрия, ионообменные смолы и др.). Адсорбция применяется в промышленности для очистки и сушки жидкостей и газов, для разделения сме­сей различных жидких и газообразных веществ, извлече­ния летучих растворителей, осветления растворов, для очистки воды и др. Адсорбция используется в химиче­ской, нефтяной, лакокрасочной, полиграфической и дру­гих отраслях промышленности.

Перегонка и ректификация применяются для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух и более летучих компонентов, и основаны на различной температуре кипения компонентов, т. е. на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Если исходную смесь, состоящую из жидкостей с различными температурами кипения, частич­но испарять, а полученные пары конденсировать, то кон­денсат будет отличаться по своему составу более высо­ким содержанием низкокипящего компонента (НК), а оставшаяся исходная смесь будет обогащена трудноле­тучим высококипящим компонентом (ВК). Эта жидкость называется остатком, а конденсат — дистиллятом или ре­ктификатом. Существуют два принципиально отличных вида перегонки: простая (однократная) перегонка и ре­ктификация.

Ректификация представляет собой разделение смесей жидкостей, основанное на многократном испарении жид­кости и конденсации паров. В результате ректификации получают более чистые конечные продукты. Процесс осуществляют в аппаратах колонного типа (например, наса­дочные и тарельчатые ректификационные колонны не­прерывного действия и др.). Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химиче­ской и спиртовой промышленности, в производстве ле­карственных препаратов, в нефтеперерабатывающей про­мышленности и т. д.

Кристаллизацией называется выделение твер­дой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Кристаллизация начинается с образования центров (или зародышей) кристаллизации. Скорость их образования зависит от температуры, скорости перемешивания и т. д. С повышением температуры скорость роста кристаллов увеличивается, однако это приводит к образованию бо­лее мелких кристаллов и часто вызывает снижение дви­жущей силы процесса. Крупные кристаллы легче полу­чить при медленном их росте без перемешивания и небольших степенях пересыщения растворов, однако это снижает производительность процесса кристаллиза­ции. Нахождение оптимальной скорости кристаллизации и составляет одну из основных задач этого процесса.

Широко применяются несколько способов кристалли­зации: кристаллизация с охлаждением, кристаллизация с удалением части растворителя, а также вакуум-кристал­лизация. В зависимости от способа кристаллизации при­меняют кристаллизаторы периодического и непрерывно­го действия.

Кристаллизация лежит в основе металлургических и литейных процессов, получения покрытий, пленок, применяемых в микроэлектронике, а также используется в химической, фармацевтической, пищевой и других от­раслях промышленности. Кристаллизация является за­вершающей стадией в производстве минеральных солей, удобрений, органических и особо чистых веществ. Особое значение в промышленности имеет процесс кристаллиза­ции металлов из расплавов.

Сушкой называют процесс удаления влаги из раз­личных (твердых, жидких и газообразных) материалов. Влага может быть удалена испарением, сублимацией, вы­мораживанием, токами высокой частоты, адсорбцией и т. д. Однако наиболее распространена сушка испарением за счет подвода теплоты. Более экономичным является последовательное удаление влаги фильтрацией, центри­фугированием (с содержанием остаточной влаги 10 — 40%), а затем тепловой сушкой.

Различают контактную и конвективную сушку. В кон­тактной сушке передача теплоты к высушиваемому мате­риалу осуществляется через стенку аппарата. Конвектив­ная сушка основана на непосредственной передаче теплоты материалу от нагретого воздуха, топочных га­зов, перегретого пара и т. д.

Скорость сушки определяется количеством влаги, уда­ляемой с единицы поверхности высушиваемого материа­ла в единицу времени. Скорость сушки, условия ее прове­дения и аппаратурное оформление в значительной степени зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера кусков, толщины слоя материала, влагосодержания материала, внешних факторов (температуры, давления, влажности) и т. д.

Традиционными сушилками, применяемыми в про­изводстве строительных материалов, минеральных солей, красителей и т. д., являются сушилки непрерывного дей­ствия (барабанные, туннельные, конвейерные, пневмати­ческие с кипящим слоем) и периодического действия (ямные, шкафные, камерные и т. д.). Наиболее эффек­тивны распыливающие сушилки с кипящим слоем. Для улучшения качества высушиваемых материалов, увеличе­ния скорости высушивания и улучшения технико-эконо­мических показателей применяется сушка вакуумная, ин­фракрасная, криогенная, ультразвуковая, СВЧ.

Раздел III