Производственные технологии (стр. 12 )

Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарно-гигиенических условий, но относительно дороги.

В зависимости от способа преобразования электроэнергии в тепловую энергию применяют электропечи сопротивления, индукционный нагрев, нагрев токами высокой частоты и электродуговой нагрев.

Наиболее распространенным хладагентом является вода. Для экономии воды на всех предприятиях имеются системы водооборота.

Выпаривание – процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при кипении этого раствора. Выпаривание применяется для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения нелетучих веществ в твердом виде, а также для получения чистого растворителя. Последняя задача решается, например, в опреснительных установках.

Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителем служит водяной пар. Как и для всех тепловых процессов, движущей силой выпаривания является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах.

Испарение – процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева, или создания иных условий для испарения.

Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими, обычно отрицательными, температурами кипения.

Конденсация пара (газа) – осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум–сушке, для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, где они образуются, в закрытый аппарат, служащий для сбора паров-конденсатов, охлаждаемый водой или воздухом.

В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности.

В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента.

Процессы искусственного охлаждения

Ряд процессов технологии проводят при температурах, значительно более низких, чем те, которые можно получить, используя в качестве охлаждающих агентов воздух, воду и лед.

К числу процессов, осуществляемых при искусственном охлаждении, относятся некоторые процессы кристаллизации, разделения газов, сублимационной сушки, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной и других отраслях.

Так, используя глубокое охлаждение, разделяют газовые смеси путем их частичного или полного сжижения и получают многие технологически важные газы, например, азот, кислород и другие газы при разделении воздуха, водород из коксового газа и т. д.

Условно различают:

1)  умеренное охлаждение до –1000С;

2)  глубокое охлаждение ниже –1000С.

Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, а такой процесс требует затраты энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода.

Плавление. Подготовка полимеров к формованию (прессование, литье под давлением, экструзия и т. д.), металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и многие другие технологические процессы включают стадию плавления.

Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла теплопроводностью через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта.

В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии.

Кристаллизация - процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Кристаллизация – процесс обратный плавлению и, таким образом, тепловой эффект ее равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления.

Одновременное получение большого числа кристаллов носит название массовой кристаллизации. Ею обычно проводят из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Такой способ характерен для производства минеральных удобрений, солей, таким же образом получают ряд органических полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, т. к. испарение из растворов идет при постоянной температуре.

Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом и таким образом получают разнообразные изделия из кристаллизующихся материалов: металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе методами прессования, литья, экструзии и т. д.

Массообменные процессы, используемые в технологии

В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую.

Подобно теплопередаче массопередача – это сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Эта граница может быть либо подвижной (массопередача в системах газ – жидкость, пар – жидкость, жидкость - жидкость), либо неподвижной (массопередача с твердой фазой).

В массообменных процессах количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией.

На практике наибольшее распространение получили следующие виды массобменных процессов:

v  Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями
(абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора – десорбция.

Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде.

В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных веществ, примесей. Аппараты, в которых осуществляется абсорбционные процессы, называют абсорберами.

v  Перегонка жидкостей. Применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или большего числа летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемых однократно или многократно. В результате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси.

Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которой летучи. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести.

Различают следующие виды перегонки:

а) простая перегонка (дистилляция);

б) ректификация.

v  Дистилляция – процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей.

v  Ректификация – процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо - и тепло - обмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном или непрерывном контакте фаз.

Процессы перегонки и ректификации находят широкое применение в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет большое значение: в производствах органического синтеза, полимеров, полупроводников, в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т. д.

v  Адсорбция – процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсорбатом или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией.

Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения.

Процессы абсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента. При химической адсорбции или хемосорбции возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя.

В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной или адсорбционной способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.