Класифікація основних технологічних процесів

У промисловості багато технологічних виробництв використовують однотипні апарати, які працюють за однаковими фізичними і фізико-хімічними законами. Так, при виробництві багатьох солей такі процеси як розчинення, освітлення і фільтрування розчинів, кристалізація, відокремлення солей від маточника та їх сушіння, здійснюють в аналогічних апаратах. Зріджені гази, складні суміші органічних речовин, водні розчини кислот розділяють у ректифікаційних колонах, які працюють за однаковими принципами. Повітря і азотоводневу суміш для синтезу NH₃ стискають однотипними компресорами. Отже, в хімічній технології є ряд спільних процесів і апаратів, які називаються основними процесами і апаратами. Деякі ж апарати використовують тільки в окремих, а іноді - і в унікальних хімічних виробництвах.

До типових машин та апаратів належать насоси і компресори для стиснення і транспортування газів та рідин, фільтри, центрифуги і сепаратори для розділення суспензій та емульсій, апаратура для очищення газів, теплообмінники для нагрівання, охолодження і конденсації, випарні апарати, холодильні агрегати, абсорбери, ректифікаційні колони, адсорбери, дробарки тощо. До спеціальних машин і апаратів відносять таке обладнання, в якому реалізують типові хімічні процеси, а також апарати для електрохімічних і електротермічних процесів.

Основні процеси за законами, що визначають швидкість їх перебігу, поділяють на 5 груп:

1. Гідромеханічні процеси, швидкість яких визначається законами гідродинаміки. До них належать транспортування рідин і газів, стиснення газів, розділення рідких та газоподібних неоднорідних систем в полі сил тяжіння (відстоювання), в полі відцентрових сил (центрифугування), а також під дією різниці тисків під час руху речовин через пористий шар (фільтрування) та при перемішуванні рідин і газів.

2. Теплові процеси, що відбуваються з швидкістю, яка визначається законами теплопередачі. Такими процесами є нагрівання, охолодження, випарювання, конденсація та зрідження газів. До теплових процесів можуть бути віднесені і процеси охолодження до більш низьких температур, ніж температура навколишнього середовища (процеси помірного та глибокого охолодження). Але внаслідок багатьох специфічних особливостей ці процеси виділені в окрему групу холодильних процесів.

Швидкість теплових процесів в значній мірі залежить від гідродинамічних умов.

3. Масообмінні або дифузійні процеси, які ґрунтуються на законах масопередачі і характеризуються перенесенням одного або кількох компонентів вихідної суміші з однієї фази в іншу через поверхню поділу фаз. Найбільш повільною і тому лімітуючою стадією масообмінних процесів є молекулярна дифузія речовини, що розподіляється. До цієї групи процесів можна віднести абсорбцію, перегонку (ректифікацію), екстракцію з розчинів, розчинення і екстракцію з пористих твердих тіл, кристалізацію, адсорбцію і висушування.

Перебіг процесів масообміну пов'язаний з гідродинамічними умовами в фазах та на межі їх поділу. Як правило, масообмінні процеси супроводжуються перенесенням тепла.

4. Механічні процеси, які описуються законами механіки і застосовуються для підготовки вихідних матеріалів, а також для транспортування, класифікації та змішування твердих речовин.

5. Хімічні або реакційні процеси, що відбуваються з швидкістю, яка визначається законами хімічної кінетики. Перебіг хімічних реакцій супроводжується перенесенням маси та енергії і, відповідно, швидкість хімічних реакцій залежить також від гідродинамічних умов.

За способом організації і механізмом перебігу основні процеси хімічної технології поділяють на періодичні, безперервні і напівбезперервні (комбіновані).

Періодичні процеси проводяться в апаратах, в які через визначені проміжки часу завантажуються вихідні матеріали, а після переробки вивантажуються кінцеві продукти. Періодичні процеси характеризуються тим, що всі стадії реалізуються в одному апараті, а фізико-хімічні умови (концентрація реагуючих речовин, температура, тиск тощо) з часом змінюються. Отже, періодичні процеси характеризуються єдністю місця здійснення всіх стадій процесу і зміною з часом його хімічних і фізичних умов.

Безперервні процеси здійснюються в поточних апаратах. Надходження матеріалів та їх вивантаження здійснюється одночасно і безперервно. Ці процеси характеризуються тим, що всі стадії процесу відбуваються одночасно в різних зонах, а фізико-хімічні умови окремих стадій процесу залишаються незмінними.

Часто на виробництві вдаються до комбінованих – періодично-безперервних процесів. За таких процесів завантаження сировини і випуск продукції проводяться періодично, через певні проміжки часу, а всі стадії в цілому відбуваються безперервно.

Безперервні процеси порівняно з періодичними мають ряд істотних переваг:

1. Відсутність затрат часу на вивантаження і завантаження апаратів, на охолодження печей.

2. Автоматичне керування та механізація процесу.

3. Створення сталого технологічного режиму та більша стабільність якості вихідної продукції.

4. Висока компактність обладнання.

5. Повне використання теплоти реакції.

Все це створює кращі умови праці і сприяє підвищенню продуктивності праці та якості продукції, веде до зменшення об’єму апаратів, а також забезпечує зниження капітальних витрат.

Процеси класифікують також в залежності від зміни з часом таких параметрів: швидкості, температури, концентрації. За цією ознакою процеси поділяють на такі, що встановилися (стаціонарні) і такі, що не встановилися (нестаціонарні або перехідні).

В стаціонарних процесах значення зазначених параметрів з часом не змінюється. В нестаціонарних процесах параметри є функцією не тільки положення кожної точки в просторі, а й в часі.

Періодичні процеси - нестаціонарні. В періодичних процесах кожна часточка знаходиться однаковий час в апараті, але параметри з часом змінюються. Для безперервних процесів зміни параметрів з часом повинні враховуватися тільки в період пуску обладнання. Однак цей період є короткочасним і в розрахунках ним нехтують. Безперервні процеси-стаціонарні.

В безперервних апаратах час перебування часточок може значно відрізнятись. За розподілом часу перебування і пов'язаних з ним факторів, які впливають на процес, розрізняють дві теоретичні моделі апаратів: ідеального витіснення й ідеального змішування. В апаратах ідеального витіснення всі часточки рухаються в певному напрямку і повністю витісняють часточки, які знаходяться попереду потоку. Час перебування їх в апараті ідеального витіснення є однаковим. В апаратах ідеального змішування часточки, що поступають, перемішуються з іншими часточками, що там знаходяться, тобто рівномірно розподіляються в об'ємі апарату. Час перебування часточок в апараті ідеального змішування – неоднаковий.

Реальні ж апарати є апаратами проміжного типу. В них час перебування часточок розподіляється більш рівномірно, ніж в апаратах ідеального змішування, але ніколи не вирівнюється, як в апаратах ідеального витіснення.