Принцип інтенсифікації процесів



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Принцип інтенсифікації процесів



Для інтенсифікації процесу (збільшення швидкості, підвищен­ня потужності тощо) відповідно наведенним вище закономірнос­тям треба збільшити різницю потенціалів, кінетичні коефіцієнти (константи), поверхню контакту фаз. Розглянемо ці засоби більш конкретно.

Під інтенсифікацією звичайно розуміють скорочення часу технологічної операції. Засоби інтенсифікації визначимо виходя­чи з відомих теоретичних уявлень про основні технологічні про­цеси, які використовуються в технології. Загальні уяви про ви­кладені вище закономірності технологічних процесів можуть бу­ти виражені одним відомим феноменологічним лінійним рівнян­ням, відповідним першому закону термодинаміки

Де q — щільність потоку теплоти або маси;

К — кінетичний коефіцієнт (залежний від фізико-хімічних властивостей матеріалу);

С — рушійна сила.

Це рівняння описує всі закони перенесення маси та енергії і проявляється конкретно в кожному виді переносу. Наприклад,

Аналізуючи наведені закономірності окремих технологічних операцій, можна зробити висновок про основні принципи або напрямки інтенсифікації:

- збільшення рушійної сили процесу, тобто збільшення різниці температур, концентрацій, тисків, напруги, електричного струму, п'єзометричних висот та ін.;

- збільшення (або оновлення) поверхні контакту фаз, тобто роз­ширення можливостей контактування (зіткнення) різних потоків;

- збільшення величин кінетичних коефіцієнтів.

Методи інтенсифікації можуть мати різну природу та здійснюватися різними технічними засобами. Класифікація ме­тодів інтенсифікації наведена на

рис. 2.2.

Рушійною силою в процесах є градієнт переносимої суб­станції: при перенесенні теплоти — градієнт температур, при пе­ренесенні маси — градієнт концентрацій і т.д. Тобто рушійну си­лу можна підвищити збільшенням градієнту субстанції (концент­рація, температура, тиск, напруга) в початковій фазі та зменшен­ням її в кінцевій. При внутрішньому перенесенні — різницею тем­ператур, вологи, тиску, концентрацій речовин в середині ма­теріалу та на його поверхні, а при зовнішньому — різницею суб­станцій на поверхні та в середовищі робочого агенту.

Збільшення поверхні контакту фаз здійснюють подрібненням, диспергуванням, розпилом, перемішуванням, запобіганням зли­панню частинок, створенням зваженного або киплячого шару матеріалу, вібрацією, ударними та акустичними діями, своєча­сним виведенням з процесу утворенних речовин, які "забрудню­ють" тобто скорочують поверхню контакту фаз.

Для збільшення кінетичних коефіцієнтів існує значна кількість засобів. Основні із них засновані на руйнуванні погра­ничного шару або зменшенні його товщини, зміною властивос­тей та структури взаємодіючих фаз.

Зміна властивостей або структури об'єкту технологічної об­робки пов'язана зі змінами в ньому на атомно-молекулярному рівні. Це можна зробити за допомогою магнітних, електричних та акустичних коливань, нагріванням та охолодженням. Руйну­вання або зменшення товщини пограничного шару здійснюють збільшенням турбулентності потоків за рахунок збільшення швидкості робочого агенту, шорсткості (нерівностей) поверхні, імпульсними діями. Ці дії не тільки зменшують товщину або руй­нують пограничний шар, але й збільшують поверхню контакту

Рис. 2.2. Класифікація методів інтенсифікації технологічних процесів

фаз, тобто мають комбінований характер. Особливу увагу треба звернути на використання імпульсних збуджень для інтен­сифікації (удар, вибух, пульсації швидкості, температур, тисків, степені та інтенсивності перемішування).

Систематизуючи методи інтенсифікації, можна виділити мікроскопічний (міжмолекулярні, іоно-молекулярні, атомарні збурення) та макроскопічні (дії на групи атомів та молекул). Ма­кроскопічний рівень відображає гідродинамічні та теплові фак­тори. Дії на макрорівні здійснюють на процеси переносу за раху­нок конвекції макрочастинок, тобто режими обтікання частинок твердого матеріалу, які дозволяють змінювати швидкість взаємодії груп атомів та молекул. Математичний опис цих явищ засновано на рівняннях тепло-масо-переносу та аеро- гідроме­ханіки. Лімітуючі та визначаючі інтенсивність переносу фактори встановлюють введенням граничних та початкових умов і постійних параметрів в диференційних рівняннях переносу з на­ступним з'ясуванням їх ролі.

При масообмінних процесах відрізняють тепловий, аероди­намічний та дифузійний пограничні шари. В дифузійному погра­ничному шарі, який безпосередньо прилягає до поверхні розподілу фаз, перенесення маси здійснюється молекулярним засобом, швид­кість якого визначає швидкість масопереносу в цілому. Зменшення товщини шару приводить до зменшення опору в перехідній зоні.

Товщина дифузійного шару визначається за виразом,

де Pe — число Пекле;

v — швидкість робочого агенту, м/с;

l — характерний геометричний розмір, м;

D —- коефіцієнт дифузії, м/с.

Якщо товщина аеродинамічного пограничного шару визна­чається за виразом

то в звуковому полі товщина пограничного шару залежить від

частоти звуку

де v—коефіцієнт кінематичної в'язкості, м/с;

—частота коливань, 1/с;

Re — число Рейнольдса.

В газових середовищах число Прандтля Рг = Ре/Re ~ 1, тобто товщина пограничних аеродинамічного та дифузійного шарів значно не відрізняються. Зменшити товщину пограничного шару можна збільшенням швидкості потоку та частотою коливань. Во­на також визначається розмірами, формою твердих частинок, властивостями матеріалу та умовами масообміну.

Наприклад, при сушінні процес прискорюється при високих рівнях звукових коливань, (125...133) Дб, при частоті (6...10) КГц. Проте, витрати енергії при використанні акустичних коливань в (3...4) рази перевищують витрати при конвективному сушінні. Тобто його використання припустиме для важкосохнущих та до­рогих матеріалів. Товщина пограничного шару при акустичних коливаннях знижується до (50... 100) м. Щільність енергії при цьому складає (10...20)Вт/

Фізично це явище можливо було б з'ясувати за рахунок перепа­ду тиску на поверхні матеріалу, утворенням поверхневої кавітації та турбулізації робочого агенту, зниженням в'язкості рідини, приско­ренням дифузії пари в капілярах, розрушенням защімлених бульба­шок повітря в шпарах, які сприяють виведенню вологи з шпар.

Із наведених кінетичних закономірностей виходить, що кож­ний етап будь-якого процесу необхідно проводити в найбільшій відстані від стану рівноваги, тобто при найбільшій різниці по­тенціалів, або максимальній рушійній силі процесу. Проте, при підвищенні ефективності процесу необхідно максимально вико­ристати різницю потенціалів, яка виникла, але не використо­вується. Наприклад, використання теплоти в дефлегматорі для підігріву бражки; використання вторинної пари випарних уста­новок в наступних корпусах багатокорпусної установки, викори­стання потенціальної сили тяжіння при переміщенні продуктів по самопливам і т.і. Якщо при проведенні будь-якої технологічної операції побічні різниці потенціалів не використовуються, то треба шукати можливість їх використання при виконанні інших технологічних операцій на наступних або попередніх етапах тех­нологічного процесу.

Рушійна сила хімічних реакцій, сорбційних процесів, рек­тифікації, тощо виявляється різницею робочих та рівноважних концентрацій реагуючих або приймаючих участь в масообміні речовин. У зв'язку з цим збільшення рушійної сили процесу може здійснюватись зі збільшенням робочої концентрації або змен­шенням рівноважної або одночасною зміною обох величин.

Ефективність підвищення тиску залежить від агрегатного стану реагуючих речовин. Підвищення тиску більш впливає на швидкість процесів в газовій фазі або при взаємодії газів з рідинами та твер­дими тілами та в меншій мірі на процеси в рідких та твердих фазах. Крім того, підвищення тиску зменшує об'єм газової фази та збільшує концентрації взаємодіючих речовин. Тобто підвищення тиску рівнозначне збільшенню концентрації реагентів. Вплив тиску визначається кінетичним рівнянням. Швидкість гомогенного про­цесу в газовій фазі можлна виразити через парціальний тиск

 

Де — парціальний тиск речовини в газовій суміші;

— рушійна сила процесу;

n— номер речовини. Для реакції типу

якщо вона незворотна або перебігає далеко від стану рівноваги

де загальний порядок реакції

Парціальний тиск кожного компоненту пропорціональний

загальному тиску Р, тобто

тобто

 

Де — коефіцієнт, що залежить від константи швидкості реакції та рушійної сили процесу;

Р — загальний відносний тиск, тобто відношення фактичного

тиску до атмосферного.

Тобто, швидкість реакції газових компонентів пропорціональна тиску в степені, що дорівнює порядку реакції. Тиск найбільш

інтенсифікує реакції високого порядку, проте зі зростанням тиску може змінитися порядок реакції п та зменшитися константа швид­кості. Для адсорбції, абсорбції та інших процесів перехід газового компоненту в тверду або рідку фазу визначаться за рівнянням

де F — площа контакту фаз.

Якщо процес незвотний або далекий від рівноваги, то - дійсна концентрація компонентів в газовий фазі.

Тобто, n = 1 і, перетворюючи цей вираз, одержимо

Тобто швидкість цих процесів прямо пропорційна тиску. Для процесів десорбції газів та випарювання рідин прискорення про­цесу та підвищення виходу досягається зниженням тиску, тобто використанням вакууму. Для зворотніх процесів в газовій фазі рушійна сила процесу визначається рівнянням

Значення рівноважних парціальних тисків розраховують для заданого складу газової суміші за відомими константами рівно­ваги. Залежність константи рівноваги, що виражена в мольних часиках від тиску, визначають за рівнянням

Для модельної реакції типу

Ця формула відображує в кількісній формі принцип Ле-Ша-тельє. Зі збільшенням тиску Р для реакцій, які йдуть зі зменшен­ням об'єму ( N — величина від'ємна) константа рівноваги збільшується, а рівноважна концентрація початкових компо­нентів відповідно зменшуються. Зворотнє явище перебігає при підвищенні тиску для реакцій, які йдуть зі збільшенням об'єму.

В технології зміну тиску використовують для інтенсифікації випарювання, ректифікації, гідрогенізації, гідролізі полісаха-

ридів та інших цілей в олієжировій, крохмалопатоковій та інших галузях виробництва.

Інтенсифікацію процесу зміною температури використову­ють головним чином у сорбційних, десорбціїних та сушильних процесах.

Рушійна сила процесів абсорбції, адсорбції, конденсації зоб­ражається так

Знижуючи температуру рідкої фази, зменшують парціальний тиск пари газового (парового) компоненту над нею, та відповід­но збільшують рушійну силу і загальну швидкість процесу V.

Зниження температури в проточних апаратах частіше всього досягається подачею попередньо охолодженої в холодильниках рідини. Використовують також холодильні елементи (труби, змійовики), що розміщені безпосередньо в апараті, або охолод­женням стінок апарату. Рушійна сила процесів десорбції та випа­рювання зображується як

Зрушення рівноваги та збільшеная швидкості цих процесів досягається підвищенням температури рідини перед подачею її в апарат (теплообмінники, трубчасті печі і т.і.) або безпосередньо в апаратах гарячими газами, гострою або глухою парою. Одно­часна зміна температури та тиску розширює можливості збільшення рушійної сили процесу за рахунок обох складових. Використовують підвищення температури сушильного агенту і для інтенсифікації процесів сушіння. Швидкість сушіння продук­ту в значній мірі визначається потенціалом сушіння Е, рівним різниці сухого та мокрого термометрів

E= -

З підвищенням температури сушильного агенту потенціал сушіння збільшується. Визначення швидкості процесу можна да­ти виходячи з другого закону термодинаміки, відповідно з яким імовірність одержання максимально можливої кількості роботи (ексергія) в даній системі збільшується зі збільшенням різниці температур.

Відведення продуктів реакції з реакційної зони збільшує су-

марну швидкість зворотніх реакцій

за рахунок змен-

шення або збільшення рушійної сили гетерогеного процесу

за рахунок зниження або повного усунення величини рівноваж­ної концентрації. Якщо процес перебігає в газовій фазі, то відве­дення продукту в іншу (рідку або тверду) фазу приводить до зменшення величини рівноважної концентрації. З газової суміші продукт реакції можна відвести конденсацією, виборчою абсорб­цією або адсорбцією. Наприклад при екстракції олії із насіння бензином, відокремлення його зі шроту виконують безперервним зниженням концентрації, конденсацією, а потім знову використо­вують його як екстрагент.

Підвищення температури приводить до збільшення констант швидкостей реакцій, коефіцієнтів теплопередачі, тепловітдачі, масообміну, дифузії, т.і. В результаті сумарна швидкість процесу збільшується при підвищенні температури до деякої границі.

Вплив температури реагуючих мас на константу швидкості реакції для процесів, які проходять в кінетичній області, визна­чається за формулою Ареніуса

яку звичайно перетворюють до вигляду

 

Де — константи швидкості реакції при початковій та

кінцевій температурах ;

Е — енергія активації реагуючих речовин, Дж/моль;

R — газова стала, яка дорівнює 8,3 Дж/моль-град.

При підвищенні температури на 10 °С згідно з правилом Вант-Гоффа швидкість реакції збільшується в (2...4) рази. Проте, це правило приблизно виконується в області середніх температур (10...400) °С при енергіях активації порядку (60... 120) кДж/моль. Вплив температури на швидкість процесів в дифузійній об­ласті менший, ніж в кінетичній. Залежність коефіцієнту дифузії для газів від температури зображують спрощеною формулою

де — коефіцієнт;

Р — загальний тиск газу;

a = (1,5...2,0) покажчик степені.

Коефіцієнт диффузії D для газів змінюється в межах (0,1...1,0) /с. Основні засоби збільшення поверхні (дотику) фаз F та відповідно принципу облаштування апаратів в системах "газ-рідина" можна розподілити на чотири види.

Збільшення поверхні рідкої фази розподілом її у вигляді тон­кої плівки на поверхні насадочних тіл (насадок), що заповнюють об'єм апарату або утворенням спеціальних плівкових течій, (на-садкові абсорбери для очищення газів, плівкові випарні апарати).

Розвиток поверхні рідкої фази за рахунок диспергування, тобто розбризкуванням, розпиленням її пневматичним або ме­ханічним засобами в об'ємі або в течії газу, який проходить через порожнини камери або башти (розпилювальні сушарки для ви­робництва сухого молока, висушування крові, дріжджів, яєчного порошку, розчинної кави і т.і.).

Розвиток поверхні взаємодії фаз диспергуванням газу в об'ємі рідини, тобто пропусканням (пробулькуванням) бульбашок газу через шар рідини в колонах з решетами або ковпачковими тарілками. Площа контакту дорівнює поверхні всіх бульбашок, а масопередачу називають бульбашковою (тарільчаті брагорек-тифікаційні апарати і ін).

Створенням завислого шару, рухомої піни при пропусканні газу знизу наверх через решітку пінного апарату та через рідину, що в ній знаходиться з такою ж швидкістью, при якій сили тертя газу урівноважують масу рідини. Через інтенсивне переміщуван­ня фаз та безперервне оновлення поверхні рідини усуваються ди­фузійний опір та збільшується коефіцієнт масопередачі.

Засоби збільшення поверхні для систем "газ-тверде тіло" та "рідина — тверде тіло" теж можна розподілити на чотири види.

Перемішування подрібненого твердого матеріалу механічни­ми мішалками на полицях апарату, що обтікаються зверху газом або рідиною. Тут теж оновлюється поверхня дотику фаз. Для розрахунків умовно приймають поверхню площі всіх полиць.

Перемішування тонко подрібненого твердого матеріалу в об'ємі (в течії) газу або рідини, при якому площа контакту дося­гає граничної величини, цю дорівнює загальній поверхні всіх твердих частинок (апарати для очистки дифузійного соку, склею­вання вина).

Пропуском потоку газу або рідини через рухомий шар шматків або гранул твердого матеріалу, який лежить на колісни-

ках або решетах (фільтруючий шар). Такий шар затримує тверді частинки, які знаходяться в течіях рідини (очищення водки, вин, соків та інших продуктів в шарі активованого вугілля).

Перемішування в завислому (киплячому) шарі, який утво­рюється при пропусканні газу або рідини знизу наверх через шар зернистого матеріалу з такою швидкістю, при якій частинки пульсують в течії газу або рідини та не покидають границь завис­лого шару (сушіння харчових продуктів в киплячому шарі т.і.) Принципово нові засоби можуть бути розроблені на базі фунда­ментальних наук.



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-21; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.236.214.224 (0.013 с.)