книги из ГПНТБ / Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие

Г л а в а I

ВВОДНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

§ 1.1. Химико-технологические процессы

Химико-технологическими процессами называют такие производственные процессы, которые состоят в целенаправ­ ленном изменении химического состава перерабатываемых продуктов, достигаемом с помощью одной или нескольких хи­ мических реакций, одного или нескольких физико-химических превращений или химических реакций в сочетании с физикохимическими превращениями.

Оказанное можно пояснить примерами.

Пример 1. Производство синтетического аммиака основано на осу­ ществлении реакции

сжижении газообразного аммиака осуществляется физико-химический про­

чают из сильвинитовой руды, представляющей собой механическую смесь KCl, NaCl и нерастворимых в воде примесей. Производство хлористого калия основано на осуществлении следующих операций: при температуре

крепкий щелок и отвал NaCl. Далее крепкий щелок очищают от взвешен­ ных примесей в осветлителе и охлаждают в вакуум-кристаллизаторе. При охлаждении крепкого щелока кристаллизуется хлористый калий, который отделяют от маточного щелока вначале в сгустителе, а затем на центри­ фугах. Маточный щелок подогревают и получают оборотный щелок, на­ правляемый затем в растворитель.

процессы растворения KCl в оборотном щелоке и последующей кристалли­ зации KCl при охлаждении крепкого щелока. Кроме указанных физикохимических процессов, в названном производстве осуществляется также целый ряд физико-механических процессов. В частности, нерастворимый остаток (галитовый отвал) механически отделяют на фильтрах от щелока, крепкий щелок очищают от взвешенных частиц в осветлителях (гидроди­ намический процесс), маточный щелок подогревают в подогревателях (теплофизический процесс) и т. д.

5

Из рассмотренных примеров видно, что промышленное осуществление химико-технологических процессов, кроме хи­ мических реакций и физико-химических превращений, допол­ нительно требует использования физико-механических 'Про­

Химико-технологические процессы лежат в основе произ­ водства многих неорганических и органических веществ и за­ нимают весьма важное место в производстве черных, цветных и редких металлов, стекла, керамики, цемента и других си­ ликатных материалов, целлюлозы, бумаги, вискозы и других лесохимических продуктов, в производстве изотопов и рас­ щепляющихся материалов и т. д.

В связи с многочисленностью и сложностью химико-тех­

дого -класса элементарных процессов различают также детер­ минированные и стохастические химико-технологические процессы.

Детерминированными называют процессы, результат кото­ рых однозначно определяется измеримыми параметрами про­ цесса и, следовательно, точно может быть предсказан. При­ мером детерминированного процесса является 'процесс запол­ нения и опорожнения резервуара, в котором уровень жидкости однозначно определяется уровнем жидкости в на­ чальный момент времени и величинами потоков на входе и выходе резервуара.

Стохастическими называют процессы, результат которых не определяется однозначно измеримыми параметрами про­ цесса и, следовательно, может быть предсказан лишь с из­ вестной вероятностью. Примером стохастического процесса является работа дробилки, так как размер кусков на выходе дробилки варьирует в определенных пределах и точный раз­ мер каждого куска заранее не может быть предсказан.

Следует также упомянуть о параметрах химико-техноло-

6

гического процесса, обеспечивающих нормальное функциони­

состояние веществ и их реакционную способность, — темпе­ ратура и концентрации веществ на входе и выходе аппаратов, дисперсность и состав твердых материалов, давление, состав и способ приготовления катализатора, способ и интенсивность перемешивания реагентов и т. д. Наиболее важными в хи­ мико-технологических процессах являются интенсивные физи­ ко-химические параметры — давление, температура и концент­ рации веществ.

Параметры подразделяют на независимые, которые могут изменяться независимо друг от друга, и зависимые, числен­ ные значения которых определяются величинами независи­ мых параметров. Общее число независимых параметров на­ зывают числом степеней свободы иливариантностью про­ цесса.

§1.2. Структура химических производств

Стехнической точки зрения химическое производство есть функциональная система, в которой осуществляется один или несколько химико-технологических процессов и которая имеет

вещественные, энергетические и информационные входы и ' выходы.

Вещественными входами называют исходные материалы, вещественными выходами — конечные продукты. Практиче­ ски все вещественные потоки химико-технологических процес­ сов одновременно являются и потоками веществ, и потоками энергии (в дальнейшем называем их технологическими пото­ ками). Различают контролируемые и неконтролируемые тех­ нологические потоки и соответствующие им коммуникации. Неконтролируемые потоки обычно обусловлены негерметич­ ностью оборудования, попаданием примесей или коррозией аппаратуры.

Современное крупное предприятие почти всегда можно рассматривать как объединение нескольких производств или производственных подразделений. Крупное производство можно определить как функциональную систему, а производ­ ственное подразделение как функциональную подсистему, в предельном случае как узел системы или аппаратурно-про- цессную единицу, или типовой химико-технологический про­ цесс. Следовательно, любую функциональную систему можно рассматривать как совокупность узлов,- каждый из которых соответствует некоторому типовому химико-технологическому

7

процессу. Все узлы системы связаны технологическими пото­ ками или коммуникациями.

Термин «функциональная» вводится для характеристики систем и подсистем в связи с тем, что в физической химии и химической технологии применяют также термин «физикохимическая» система или подсистема.

Если функциональная система содержит узлы, имеющие коммуникации, начало и конец которых принадлежит им са­ мим, то говорят, что узлы «замкнуты на <се0я» или «зацикле­ ны». Кроме того, узлы могут иметь входы или выходы, с по­ мощью которых система связана с внешней средой. Структу­ рой функциональной системы называют упорядоченную совокупность всех ее узлов и коммуникаций.

Структуру систем удобно представлять графически. Так, изображая отдельные аппараты фигурами, напоминающими внешний вид или разрез аппаратов, а коммуникации линиями, получаем технологическую схему производства. Если узлы системы изображать кружками, прямоугольниками и т. д. или в предельном случае точками, а коммуникации линиями, то получаем структурную схему производства.

Как известно, фигуры, образованные точками и линиями, называют графами. Следовательно, структурные схемы явля­

Отличать открытые и замкнутые системы или соответствую­ щие им технологические схемы можно различными способа­ ми. Так, в любом технологическом потоке можно 'пометить порцию вещества (например, вводя радиоактивные изотопы, интенсивно окрашенные красители, люминесцирующие до­

меньшем количестве, чем ранее) в п-й аппарат. В первом

всегда конечное число, так как число імолекул трассера ко­ нечно) .

Функциональную систему или соответствующую ей техно­ логическую схему химического производства называют про­ точной (разомкнутой, открытой), если кратность прохождения

8