ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Качественный анализ структуры процесса массовой кристаллизации из "Системный анализ процессов химической технологии. Процессы массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы" Развиваемый в данной миографии системный подход к описанию сложных ФХС открывает путь к созданию Достаточно общего математического описания процессов массовой кристаллизации, учитывающего все основные особенности в тесной взаимосвязи. На этапе качественного анализа структуры ФХС (рассматривая смысловой и количественный аспекты анализа) сформулированы общие уравнения термогидромеханики полидисперсной смеси (уравнения сохранения массы, количества движения, энергии с учетом произвольной функции распределения частиц по размерам, фазовых переходов и поверхностной энергии частиц). Тем самым созданы предпосылки для последовательного и обоснованного учета наиболее существенных явлений и их описаний от первого до пятого уровней в общей иерархической структуре эффектов при построении функционального оператора полидисперсной ФХС произвольного вида. [c.4] Форма изложения материала книги, ее название и план построения по главам полностью соответствуют трем основным этапам общей стратегии системного анализа сложных ФХС 1) качественный анализ структуры исследуемой системы, из которого выделены два аспекта — смысловой и математический 2) синтез структуры обобщенного функционального оператора процесса и его конкретизация для кристаллизаторов различных конструкций 3) идентификация параметров математических моделей исследуемых процессов. Такой план построения монографии позволил последовательно рассмотреть проблему, начиная с нижнего атомарномолекулярного уровня и кончая аппаратурным оформлением процессов кристаллизации. [c.5] Во второй главе на основе обобщенного функционального оператора процесса массовой кристаллизации строятся модели промышленных кристаллизаторов различных конструкций с учетом характерных неоднородностей гидродинамической обстановки. Наряду с построением оригинальных математических моделей промышленных кристаллизаторов систематизированы известные математические модели кристаллизаторов советских и зарубежных авторов. [c.6] Третья глава посвящена проблемам определения параметров кристаллизации (коэффициентов массоотдачи скоростей роста, растворения кристаллов, зародышеобразования параметров агрегации и дробления частиц). Приведены подробные методики определения скоростей роста и зародышеобразования в ячейках различного типа (смешения, трубчатого типа и т. п.). [c.6] В четвертой главе рассмотрены вопросы практического применения разработанного математического аппарата. Вскрыты и проанализированы условия устойчивости работы промышленных кристаллизаторов. Даны количественные оценки параметров, при которых реализуются устойчивые режимы работы емкостных кристаллизаторов смешения. Рассмотрены задачи оптимизации кристаллизаторов. Дана оценка современного состояния проблемы автоматизированного проектирования кристаллизационного промышленного оборудования. [c.6] Представляемая читателю монография — результат многолетней работы авторов над проблемами системного анализа процессов химической технологии является, по существу, первым в отечественной и зарубежной литературе трудом, где дано решение широкого круга проблем в области моделирования, проектирования и оптимизации процессов массовой кристаллизации из растворов и газовой фазы на основе комплексного системного подхода. [c.6] Книга рассчитана на специалистов, работающих в области теории и практики процессов кристаллизации, теоретических основ химической технологии, теории управления и оптимизации химикотехнологических процессов, физико-химической гидромеханики, механики неоднородных сред. Она может использоваться также в качестве учебного пособия для студентов и аспирантов химических и химико-технологических специальностей вузов и университетов. [c.6] Все замечания и пожелания читателей будут приняты авторами с большой благодарностью. Наш адрес 125820, Москва, А-47, Миусская пл., 9, Московский химико-технологический институт им. Д. И. Менделеева, кафедра кибернетики химико-технологических процессов. [c.6] Стратегия системного подхода к исследованию и моделированию процесса массовой кристаллизации в качестве первого этапа предполагает качественный анализ структуры процесса кристаллизации, из которого выделяются два аспекта смысловой, т. е. предварительный анализ априорной информации о физико-химических особенностях процесса кристаллизации, и математический, т. е качественный анализ структуры математических зависимостей, которые могут быть положены в основу описания процесса массовой кристаллизации. [c.7] Рассматривая совокупность физико-химических эффектов и явлений, имеющих место в процессе взаимодействия ансамбля кристаллов с раствором при наличии внешних воздействий, можно выделить пять уровней иерархии этих эффектов I) совокупность явлений на атомарно-молекулярном уровне 2) эффекты в масштабе надмолекулярных или глобулярных структур 3) множество физико-химических явлений, связанных с движением единичного кристалла, с учетом кристалло-химической реакции и явлений межфазного энерго- и массопереноса 4) физико-химические процессы в ансамбле кристаллов, перемещающихся стесненным образом в сплошной фазе 5) совокупность процессов, определяющих макрогидродинамическую обстановку в масштабе технологического аппарата в целом. [c.7] К первому и второму уровням иерархии относятся явления, происходящие на атомно-молекулярном и надмолекулярном уровнях-— это явления гомогенного и гетерогенного зародышеобразования. [c.7] К третьему уровню иерархии относятся явления, связанные с процессом взаимодействия системы кристалл — несущая (сплошная) фаза. Наглядную картину структуры связей ФХС демонстрирует обычно диаграмма взаимных влияний физических и химических явлений системы. При построении такой диаграммы ФХС представляем в виде набора элементов и их связей. При этом узлам диаграммы ставятся в соответствие отдельные явления или эффекты в системе, а дугам — причинно-следственные связи между ними (рис. 1). Растущая кристаллическая частица движется в объеме сплошной фазы под действием сил сопротивления, инерционных, тяжести, подвергаясь одновременно воздействию механизма переноса массы ПМ, энергии ПЭ и импульса ПИ через границу раздела фаз в направлении 1- 2 (где 1 означает принадлежность к сплошной фазе, 2 — к кристаллу). Процесс кристаллизации на частице идет при неравновесии химических потенциалов вещества в несущей фазе и в частице Д , неравновесности по температурам фаз Ат скоростной неравновесности А , т. е. при несовпадении скоростей фаз. Поэтому естественно принять, что рассматриваемая неравновесность гетерогенной системы и обусловливает совокупность явлений, составляющих механизм межфазного переноса при кристаллизации. Причем неравновесность гетерогенной системы в целом (по Ац, Ат, А ) обусловливает в качестве прямого эффекта (сплошные дуги) перенос массы через поверхность в направлении 1- 2 (дуги 1, 2, 3). Каждый вид неравновесности обусловливает прежде всего перенос соответствующей субстанции (дуги 4, 5) и одновременно оказывает перекрестное или косвенное влияние (пунктирные дуги) на перенос других субстанций (для ПЭ — дуги 6, 9 для ПИ — дуги 7, 8). [c.8] Потоки массы и энергии обусловливают (дуги 10—13) изменение физических и термодинамических характеристик (ИФТХ) фаз вязкости, плотности, теплокоемкости, энтальпии и т. д., которые в свою очередь изменяют перенос массы и энергии в сплошной фазе (дуги 14—15). Изменения физико-химических характеристик фаз оказывают влияние на степень удаления гетерогенной системы от равновесия, что условно отображается обратной. связью (дуга 16). [c.8] Перенос массы и энергии через границу раздела фаз в направлении 1- 2 приводит к изменению поверхностной энергии кристалла (дуги 17, 18). Изменение поверхностной энергии кристалла (в частности, неравномерности поверхностного натяжения А,,) может привести к изменению формы кристалла, изменению границы раздела фаз (дуги 19), изменению его поверхности. [c.8] Существенный вклад в изменение поверхности раздела фаз вносят различия в динамическом напоре турбулентных вихрей в отдельных точках межфазной поверхности. Деформации могут быть настолько велики, что граница раздела разрывается и частица может раздробиться (ДРа — дробление кристаллов) на более мелкие частицы (дуга 23). Изменение поверхности по границе раздела фаз связано также непосредственно с переносом массы (дуга 20), так как рост кристалла сопровождается увеличением поверхности. [c.9] Изменение границы раздела фаз ИГРФ связано с целым рядом эффектов, из которых к наиболее существенным можно отнести следующие дробление или истирание кристаллов Ик и связанное с этим изменение площади поверхности раздела фаз ИПГРФ изменение термодинамических характеристик кристалла ИТХ . температуры, состава и т. д. (дуги 24, 25, 26). Перечисленные эффекты, связанные с изменением границы раздела фаз, влияют на перенос массы, импульса и энергии, что условно обозначено дугами 27, 28. [c.10] Явления четвертого уровня иерархии определяют гидродинамическую обстановку в локальном объеме аппарата. Под локальным объемом понимается объем, который мал по отношению ко всему объему аппарата, но его размеры таковы, что в нем содержится достаточно много кристаллов дисперсной фазы. Основными количественными характеристиками данного уровня иерархии являются нормальные и касательные напряжения, значения деформаций и скоростей деформации, коэффициенты вязкости, диффузии, теплопроводности, скорость собственно кристаллизации и т. д. [c.10] При движении кристалла в ансамбле частиц различного размера возникают специфические явления ансамбля — столкновение, агрегация (коагуляция) частиц. [c.10] Из внешних причин, влияющих на физико-химические взаимодействия между частицами четвертого уровня, существенный вклад вносят эффекты пятого уровня. Так, увеличение мощности на перемешивание приводит, с одной стороны, к увеличению частоты столкновений кристаллов, возрастанию кинетической энергии частиц. Рост кинетической энергии частиц приводит к более быстрому преодолению потенциального барьера, возникающего между частицами за счет сил отталкивания, что в свою очередь способствует агрегации кристаллов. С другой стороны, увеличение мощности на перемешивание приводит к таким явлениям в ансамбле кристаллов, как дробление, истирание кристаллов, появление вторичных зародышей. Явления вторичного зародышеобразования могут протекать только на четвертом уровне. Вторичные зародыши образуются при столкновениях кристалл — кристалл, кристалл — мешалка, кристалл — стенка аппарата. [c.10] Другим важным воздействием со стороны пятого уровня является пересыщение в аппарате. Так, увеличение концентрации в растворе может привести к самопроизвольной агрегации кристаллов в ансамбле за счет уменьшения сил отталкивания. Увеличение пересыщения в аппарате может способствовать также появлению вторичного зародышеобразования, так как мелкие осколки, возникшие при истирании, дроблении кристаллов приобретают способность к росту (выживают). [c.10] Вернуться к основной статье