Основи на химичните операции Библиотека на дигиталните учебници
Д-р Zsolt Fonyó, д-р György Fábry
Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.
Предговор
Значението на инженерството не може да бъде надценено в съвременното общество. В настоящата ситуация на нашата икономика ролята на творческите технически интелектуалци значително се увеличи. Само висше образование, което е i) отворено за най-съвременни знания, ii) тясно свързано с индустрията и iii) преподава диверсифицирани инженерни знания по единен подход и преглед, може да формира творчески технически интелект, способен да осъществи цялостната иновация процес. Нашата книга се стреми да допринесе за тази сложна задача.
От основно значение за обучението на инженерни специалисти в химическата промишленост и свързаните с нея индустрии (например биохимични технологии, хранително-вкусова промишленост, екологични процеси) е учебната програма, която описва принципите на работа и проектиране на индустриалното оборудване. Обхватът на знанията най-общо може да се нарече химическо инженерство. Този клон на техническите науки (техническа химия съгласно „академичната класификация“) се развива много бързо през последните десетилетия. Има и ясно наблюдение на напредъка и задълбочаването на научната абстракция в тази предметна област.
Накратко, през първата половина на ХХ век химическата технология, която първоначално е била използвана за описване на това знание, еволюира и се развива с течение на времето като общ, т.е. специфичен производствен процес за оборудване (апарати, машини) за подобни цели (технология ). Ранните операции вече са имали аналитичен характер, но са били наистина наистина научно обосновани чрез включване на теорията на транспортните процеси, която започва да се развива през 50-те години.
В дефинираната по-горе област на „химическото инженерство“ XX. Едно от основните научно-исторически признания на ХХ век беше, че различните операции имат еднакви физически и химични основи, а именно транспортиране на компоненти, топлина и импулси. Обобщаването и систематизирането на тези основи сега позволява единно обсъждане на операциите. По този начин, с друга стъпка на абстракция - с участието на теорията на транспортните процеси - стана възможно да се развие научно обоснована оперативна наука.
Химическите и свързаните с тях операции могат да бъдат групирани според различни характеристики. Най-типичното обаче е групирането, когато изследваме какви двигатели причиняват процесите, протичащи в операциите и какви закономерности обикновено определят. Според тях можем да разграничим пет групи операции.
1. Хидродинамични операции, появата на които се определя от науката за движението на течности и газове, законите на хидродинамиката. Такива операции, респ. процеси: поток на течности и газове в тръба, апарат и набор от частици, както и утаяване, центрофугиране, филтриране, филтриране, флуидизиране и смесване на течности.
2. Топлообменни (калорични) операции, чийто ход се определя от законите на топлопреминаването, топлообмена и законите на термодинамиката. Такива операции: нагряване, охлаждане, изпаряване, кондензация, топлообмен, изпаряване. Това включва охлаждане до температури под околната среда. Термодинамичните операции се влияят значително от хидродинамиката на процесите, тъй като преносът на топлина между средата е функция на получените гранични слоеве на потока.
3. Операции за пренос на материали (прехвърляне на компоненти), най-голямата група от които се характеризира с преминаването на компонентите на изходната смес през фазовата граница. Законите на тези операции могат да се тълкуват въз основа на теорията за трансфера на материали. Процесите, които протичат, вървят в посока на фазовото равновесие и техният най-бавен (определящ скоростта) подпроцес е дифузията на разпределените компоненти. За тях т.нар. равновесните операции включват дестилация, абсорбция, екстракция, адсорбция и сушене. Кристализацията също може да бъде включена в тази група, но в нашата книга тази операция се обсъжда при операции за пренос на топлина поради свързването й с изпарители и охладители.
Операциите по прехвърляне на материали включват и т.нар операции за неравновесно разделяне, използващи селективни мембрани за разделяне на различните компоненти между две течни фази. Тези операции се извикват те могат да се интерпретират чрез закони за неравновесно разделяне, тъй като с тях не може да се постигне пълно фазово равновесие. Това включва различни операции по разделяне на мембраната като напр. мембранна филтрация, микро- и ултрафилтрация, обратна осмоза, первапорация, диализа и електродиализа.
Операциите за пренос на материали се влияят значително от хидродинамичните и условията на топлопреминаване съответно на фазовите граници. процеси.
4. Химични операции (химически реактори), чието изпълнение се определя от законите на кинетиката на реакцията. Химичните реакции включват трансфер на материя и енергия и скоростта на операциите също зависи от хидродинамичните условия. От химичните взаимодействия и процесите на масообмен най-бавният подпроцес винаги е определящ скоростта.
5. Механични операции, чиито закономерности се обсъждат в механиката на твърдите тела. Тези операции се използват предимно за приготвяне на твърди вещества, обработка на твърди крайни продукти и транспортиране на твърди вещества и прахове. Това включва напр. трошене, сортиране, сортиране, гранулиране и смесване на твърди вещества.
В нашата книга ние се фокусираме върху хидродинамични, термични и операции за пренос на маса, включително операции по неравновесно разделяне. Поради ограничения обхват на тази книга, ние изобщо не се занимаваме с темите за химическите реактори и само допирателно с темите за механичните операции. Последните обикновено се преподават по отделни предмети в университети и колежи (например химически реактори, раздробяване и сортиране и др.)
Основната цел на книгата е да представи теоретичните и практическите основи на операциите по унифициран начин, от уравненията на баланса до оборудването, извършващо хидродинамични, термични и масообменни операции, в съответствие с нуждите на преходната вътрешна химическа индустрия и свързаните с това индустрии. Следователно нашата цел е да интерпретираме и обясним принципите и основните концепции на операциите въз основа на точна математическа и физическа химия и след това да опишем накратко всяка операция.
В основните теоретични раздели (главно глави 2, 3, 10 и 16) обърнахме специално внимание на посочването на важната и свързваща роля на теорията за сходство между теорията и инженерната практика. С помощта на теорията за подобието уравненията на диференциалния баланс, получени от теорията на транспортните процеси, могат да бъдат проследени до връзките на безразмерни величини. В неговото приложение членовете на уравненията на локалния диференциален баланс стават макроскопски управляващи и конвективни членове, а членовете на пространствените гранични условия стават членове на прехвърляне. Теорията за сходството докладва за безразмерните пропорции на тези членове и за корелациите между безразмерните пропорции, принадлежащи към всяко транспортно явление (енергия, импулс, транспортиране на компоненти).