Процессы и аппараты химической технологии

Ученые исследует то, что существует вокруг,
инженеры создают то, чего никогда не было.
Мы живем в мире созданном инженерами

Перенос идей в промышленные технологии
Основная проблема – масштабный переход
ПАХТ (Chemical Engineering)

Проблема масштабного перехода
Неравномерность полей скоростей, концентраций и температур

Задачи
1 Проектные – требуется подобрать и рассчитать основные размеры аппарата по заданным характеристикам входных и выходных потоков
2 Поверочные – для заданного аппарата определенной конструкции и размеров определяют характеристики протекания процесса в зависимости от технологических и режимных параметров.
Необходимо выбрать оптимальный вариант решения задачи !

ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПАХТ
В Российской империи первопроходцем в этой области стал Ф. А. Денисов, высказавший идею об общности процессов и аппаратов в различных химических производствах (1828 год).
Эта идея подтолкнула химика Александра Крупского к созданию новой учебной дисциплины (расчёт и проектирование основных процессов и аппаратов) в Петербургском технологическом институте в 1890-х, позднее такой же курс стал читать профессор И. А. Тищенко в Московском Высшем техническом училище. Благодаря своей деятельности А. А. Крупский и И. А. Тищенко считаются основоположниками курса «Процессы и аппараты».
Андрей Георгиевич Касаткин
(25.08.1903 - 05.06.1963)
Автор книги «Основные процессы и аппараты химической технологии» (1935, 10-е издание 2004), переведенной на многие иностранные языки.

ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПАХТ
Техническая школа г. Манчестер (Англия) 1901г.
США в 1931 г. издан учебник В. Бержера и В. Лак-Кэба
"Основные процессы и аппараты химических производств

Модель сплошности среды
1 с
столкновений
Элементарный объем

Число параметров необходимых для однозначного задания состояния
системы определяется правилом фаз Гиббса: С=К-Ф+2
Состояние системы задается макроскопическими параметрами
(внутренними и внешними), например давление, объем , температура
и т.д.
Системы могут быть гомогенными и гетерогенными
Состояние системы может быть равновесным (параметры системы не меняются с течением времени и отсутствуют потоки субстанции) и неравновесным , а так же стационарным (параметры системы не меняются с течением времени) и нестационарным
Система и параметры состояния
Макроскопическая система – любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц (молекул).

Под процессом понимается последовательная смена состояний системы.
Для проведения процесса необходимо вывести систему из состояния равновесия, т.е. оказать на нее воздействие извне. При этом будет осуществляться перенос одного или нескольких видов субстанции: массы, импульса, энергии.
В зависимости от того, скорость переноса какого вида субстанции определяет скорость протекания процессов, изучаемых в данной дисциплине, они подразделяются на следующие:
Процессы
гидромеханические определяющиеся скоростью переноса импульса;
теплообменные, определяющиеся скоростью переноса энергии;
массообменные, определяющиеся скоростью переноса массы;
механические;
химические реакции

Процессы
Процессы могут подразделяться не только по виду переносимой субстанции, определяющей скорость их протекания, но и по ряду других признаков. Различают стационарные процессы, в которых параметры (температура, давление, скорость и т.д.) для любой фиксированной точки пространства не меняются во времени, и нестационарные, в которых такие изменения происходят.
По способу организации процессов во времени их подразделяют на периодические и непрерывные. В периодических процессах, являющихся нестационарными, все стадии протекают в одном месте, но в различное время (загрузка, обработка, выгрузка). В непрерывных процессах, являющихся, как правило, стационарными, все стадии осуществляются одновременно, но разделены в пространстве.

Основные процессы и аппараты
гидромеханические определяющиеся скоростью переноса импульса;
теплообменные, определяющиеся скоростью переноса энергии;
массообменные, определяющиеся скоростью переноса массы;
механические;
химические реакции
отстойники, фильтры, центрифуги, циклоны и т.д.;
теплообменники (кожухотрубные, спиральные пластинчатые и.тд. );
массообменные аппараты (абсорбера, экстракторы, ректификационные установки и.тд.)
мельницы, дробилки и т.д.
химические реактора

Теоретические основы химической технологии
Законы сохранения
Законы термодинамики
3. Явления переноса и химическая кинетика

Второе начала термодинамики
соотношение Гиббса-Дюгема:
,
При Р=const и T=const
- свободная энергия;
- энергия Гиббса;
- энтальпия;
Термодинамические функции состояния
Уравнение состояния
Законы термодинамики
-внутренняя энергия;

Условия равновесия
Многофазная система
Однофазная система
Т=const
;
P=const
Тепловое равновесие
Механическое равновесие
Концентрационное (химическое) равновесие
μ=const

Химический потенциал
Идеальный газ
Условия фазового равновесия
Справедливо при любом выборе нулевого
состояния
Реальный газ

Химический потенциал
Переменные P, T, x
Переменные V, T, x
Чистый компонент
Чистый компонент
Для расчета фугитивности (коэффициента фугитивности) необходимо
уравнение состояния

Химический потенциал

Химический потенциал
- активность
- Фугитивность стандартного состояния
чистый компонент i при заданных Т и Р
бесконечное разбавление компонента i при заданных T и P
- Id идеальный раствор