ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов из "Основные процессы и аппараты химической технологии Издание 8" Расчеты процессов и аппаратов обычно имеют следующие основные цели а) определение условий предельного, или равновесного, состояния системы б) вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, а также количеств потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей в) определение оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхности или рабочего объема аппаратов г) вычисление основных размеров аппаратов. [c.16] Эти задачи определяют содержание и последовательность расчетов. Исходным этапом являются расчет и анализ статики процесса, т. е. рассмотрение данных о равновесии, на основе которых определяют н а -правление протекания и возможные пределы осуществления процесса. Пользуясь этими данными, находят предельные значения параметров процесса, необходимые для вычисления его движущей силы. Затем составляются материальные и энергетические балансы исходя из законов сохранения массы и энергии. Последующий этап представляет собой расчет кинетики процесса, определяющей скорость его протекания. По данным о скорости и величине движущей силы при выбранном оптимальном режиме работы аппарата находят его рабочую поверхность или объем. Зная величину поверхности или объема, определяют основные размеры аппарата. [c.16] Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. Баланс может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, и лишь для одного из веществ, если обрабатываемые материалы представляют собой двух- или многокомпонентные смеси. Так, материальный баланс процесса сушки составляют как по всему влажному материалу, поступающему на сушку, так и по одному из его компонентов — количеству абсолютно сухого вещества или количеству влаги, содержащейся в высушиваемом материале. Баланс составляют за единицу времени, например за 1 ч либо сутки (или за одну операцию в периодическом процессе) в расчете на единицу количества исходных или конечных продуктов. [c.16] Количество отводимого тепла складывается из тепла, удаляющегося с конечными продуктами, и отводимого с теплоносителем (например с охлаждающим агентом). [c.17] В энергетическом балансе, кроме тепла, учитываются приход и расход всех видов энергии, например затраты механической энергии на перемещение жидкостей или сжатие и транспортирование газов. [c.17] На основании теплового баланса находят расход водяного пара, воды 4 и других теплоносителей, а по данным энергетического баланса — общий расход энергии на осуществление процесса. [c.17] Интенсивность процессов и аппаратов. Для анализа и расчета процессов химической технологии необходимо, кроме данных материального и энергетического балансов, знать интенсивность процессов и аппаратов. [c.17] Все указанные выше основные процессы (гидродинамические, тепло- вые, массообменные и др.) могут протекать только под действием некото- рой движущей силы, которая для гидромеханических процессов определяется разностью давлений, для теплообменных — разностью температур, для массообменных — разностью концентраций вещества и т. д. [c.17] Коэффициент пропорциональности К в уравнении (I, 3) характеризует скорость процесса и, таким образом, представляет собой кинетический коэффициент, или коэффициент скорости проце сса (коэффициент теплопередачи, коэффициент массопередачи и т. д.). Коэффициент К отражает влияние всех факторов, не учтенных величинами, входящими в правую часть уравнения (I, 3), а также все отклонения реального процесса от этой упрощенной зависимости. [c.17] Соответственно величину К можно рассматривать как меру интенсивности процесса — интенсивность, отнесенную к единице движущей силы. [c.18] Из уравнения (1,3) или (1,5) находят необходимую рабочую поверхность или рабочий объем аппарата по известным остальным величинам, входящим в уравнение, или определяют результат процесса при заданной поверхности (объеме). [c.18] От интенсивности процесса следует отличать объемную интенсивность аппарата — интенсивность, отнесенную к единице его общего объема. С увеличением объемной интенсивности уменьшаются размеры аппарата и снижается расход материалов на его изготовление. Однако объемная интенсивность может лишь до определенной степени служить мерой совершенства аппарата. Это объясняется тем, что объемная интенсивность аппарата связана с интенсивностью процесса, но с увеличением коэффициента скорости процесса его интенсивность обычно возрастает лишь до известного предела. Увеличение коэффициента скорости сверх некоторой величины часто сопровождается уменьшением движущей силы, что может привести к прекращению увеличения интенсивности процесса. Вместе с тем повышение интенсивности процесса не всегда сопровождается эквивалентным повышением объемной интенсивности аппарата, так как наряду с уменьшением его рабочего объема может потребоваться значительное увеличение вспомогательного объема, необходимого, например, для сепарации фаз и т. п. Поэтому повышение объемной интенсивности аппаратов за счет увеличения скорости процесса не может являться самоцелью при их проектировании и эксплуатации. [c.18] При оценке конструкции аппарата или режима его работы решающее значение должны иметь технико-экономические характеристики данного аппарата. Оптимальным будет такой аппарат (или такой режим его работы), который обеспечит заданный результат с наименьшими затратами. [c.18] Затраты на осуществление процесса складываются из капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Увеличение объемной интенсивности приводит к уменьшению размеров аппарата и соответственно к снижению капитальных затрат. Эксплуатационные же расходы при этом, как правило, возрастают, так как интенсификация процесса сопровождается обычно увеличением расхода механической энергии или тепла. Минимум суммы затрат отвечает определенной величине объемной интенсивности аппарата, которая и является оптимальной. [c.18] По величине 5 определяют один из основных размеров аппарата, например для аппарата цилиндрической формы — его диаметр П. [c.19] Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов. Исследование процессов и аппаратов в масштабах и условиях промышленного производства является, как правило, сложным, длительным и дорогостоящим. В связи с этим большое значение имеет моделирование — изучение закономерностей процессов на моделях при условиях, допускающих распространение полученных результатов на все процессы, подобные изученному, независимо от масштаба аппарата. [c.19] Если последнее требование невыполнимо и протекание процесса практически мало зависит от тех или иных критериев подобия, то равенством их в модели и оригинале пренебрегают, проводя приближенное моделирование. [c.19] Моделирование процессов можно также осуществлять на основе математической аналогии — одинаковой формы уравнений, описывающих физически различные явления. При использовании электронных вычислительных машин математическое моделирование позволяет значительно ускорить исследование наиболее сложных процессов химической технологии. Общие основы моделирования процессов и аппаратов изложены в главе II. [c.19] Основные характеристики процесса, как правило, связаны между собой так, что возрастание его эффективности по одной из них снижает в той или иной степени эффективность данного процесса по другим характеристикам. Так, например, в любых процессах разделения смесей (ректификация, экстракция, грохочение и др.) полное разделение недостижимо. Качество же конечного продукта, определяемое содержанием в нем целевого компонента (или нескольких компонентов), улучшается с увеличением полноты разделения. Однако при этом процесс удорожается, а производительность аппаратуры уменьшается. В связи с этим задача оптимизации сводится, по существу, к нахождению наиболее выгодного компромисса между значениями параметров, антагонистически влияющих на процесс. [c.20] Наиболее универсальны экономические критерии оптимизации, интегрально отражающие (в стоимостном выражении) не только основные технические характеристики, подобные указанным выше, но и затраты на энергию, рабочую силу и т. д. Принцип нахождения экономического оцтимума для отдельных основных процессов изложен в соответствующих главах курса. Однако необходимо отметить, что оптимизация на основе экономических критериев связана с наличием гибкой системы цен, оперативно отражающих изменение стоимости продуктов (в том числе промежуточных) с развитием науки и технического прогресса. [c.20] Вернуться к основной статье