Bazele operațiunilor chimice Biblioteca de manuale digitale

Dr. Zsolt Fonyó, Dr. György Fábry

Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.

cuvânt înainte

Importanța ingineriei nu poate fi supraestimată în societatea modernă. În situația actuală a economiei noastre, rolul intelectualilor tehnici creativi a crescut foarte mult. Numai învățământul superior care este i) deschis cunoștințelor de ultimă generație, ii) strâns legat de industrie și iii) predă cunoștințe diversificate de inginerie într-o abordare unitară și o imagine de ansamblu poate forma o inteligență tehnică creativă capabilă să realizeze întreaga inovație proces. Cartea noastră încearcă să contribuie la această sarcină complexă.

Centrul formării profesioniștilor în inginerie din industria chimică și industriile conexe (de exemplu, tehnologiile biochimice, industria alimentară, procesele de mediu) este un curriculum care descrie funcționarea și principiile de proiectare ale echipamentelor industriale. Domeniul cunoștințelor poate fi numit în general inginerie chimică. Această ramură a științelor tehnice (chimia tehnică conform „clasificării academice”) s-a dezvoltat foarte rapid în ultimele decenii. Există, de asemenea, o observare clară a progresului și aprofundării abstractizării științifice în acest domeniu.

Pe scurt, în prima jumătate a secolului al XX-lea, tehnologia chimică, care a fost inițial utilizată pentru a descrie aceste cunoștințe, a evoluat și s-a dezvoltat în timp ca un proces general, adică specific, de fabricație pentru echipamente (aparate, mașini) în scopuri similare (tehnologie ). Operațiunile timpurii erau deja de natură analitică, dar erau doar cu adevărat sănătoase din punct de vedere științific, implicând teoria proceselor de transport care au început să se dezvolte în anii 1950.

În domeniul „ingineriei chimice” definit mai sus, XX. Una dintre recunoașterile științifice-istorice de bază ale secolului al XX-lea a fost că operațiunile diferite au aceleași fundamente fizice și chimice, și anume, transportul componentelor, căldurii și impulsurilor. Generalizarea și sistematizarea acestor fundații permit acum o discuție unificată a operațiunilor. Astfel, cu un alt pas de abstractizare - cu implicarea teoriei proceselor de transport - a devenit posibilă dezvoltarea științei operaționale bazate științific.

Operațiunile chimice și operațiunile conexe pot fi grupate în funcție de caracteristici diferite. Cu toate acestea, cel mai tipic este gruparea, atunci când examinăm ce factori determinanți procesele care au loc în operațiuni și ce regularități determină de obicei. Potrivit acestora, putem distinge cinci grupe de operații.

1. Operații hidrodinamice, a căror apariție este determinată de știința mișcării lichidelor și gazelor, legile hidrodinamicii. Astfel de operațiuni, resp. procese: fluxul de lichide și gaze într-un tub, aparat și set de particule, precum și sedimentarea, centrifugarea, filtrarea, esența, fluidizarea și amestecarea lichidelor.

2. Operațiuni de transfer de căldură (calorice), a căror performanță este determinată de legile transferului de căldură, transferului de căldură și termodinamică. Astfel de operații: încălzire, răcire, evaporare, condensare, schimb de căldură, evaporare. Aceasta include răcirea la temperaturi inferioare mediului ambiant. Operațiile termodinamice sunt influențate semnificativ de hidrodinamica proceselor, deoarece transferul de căldură între medii este o funcție a straturilor limită de flux rezultate.

3. Operațiuni de transfer de materiale (transfer de componente), al cărui grup mai mare este caracterizat prin trecerea componentelor amestecului de pornire prin limita de fază. Legile acestor operații pot fi interpretate pe baza teoriei transferului de materiale. Procesele care au loc merg în direcția echilibrului de fază, iar subprocesul lor cel mai lent (determinant de viteză) este difuzarea componentelor distribuite. Pentru acestea, așa-numitul. operațiile de echilibru includ distilarea, absorbția, extracția, adsorbția și uscarea. Cristalizarea poate fi, de asemenea, inclusă în acest grup, dar în cartea noastră această operațiune este discutată în operațiile de transfer de căldură datorită conexiunii sale la evaporatoare și răcitoare.

Operațiunile de transfer de materiale includ și așa-numitele operații de separare fără echilibru folosind membrane selective pentru a separa diferitele componente între două faze fluide. Aceste operații sunt numite pot fi interpretate prin legi de separare fără echilibru, deoarece cu ele nu se poate realiza echilibrul de fază completă. Aceasta include diverse operațiuni de separare a membranei, cum ar fi de ex. filtrare cu membrană, micro- și ultrafiltrare, osmoză inversă, pervaporare, dializă și electrodializă.

Operațiile de transfer de material sunt influențate semnificativ de condițiile de transfer hidrodinamic și de căldură la limitele fazelor, respectiv. procese.

4. Operații chimice (reactoare chimice), a căror performanță este determinată de legile cineticii reacțiilor. Reacțiile chimice implică transferul de materie și energie, iar rata operațiunilor depinde și de condițiile hidrodinamice. Dintre interacțiunile chimice și procesele de transfer de masă, cel mai lent subproces este întotdeauna determinarea ratei.

5. Operații mecanice, ale căror regularități sunt discutate în mecanica solidelor. Aceste operații sunt utilizate în principal pentru prepararea solidelor, prelucrarea produselor finale solide și transportul solidelor și pulberilor. Aceasta include de ex. zdrobire, sortare, sortare, granulare și amestecare de solide.

În cartea noastră, ne concentrăm pe operațiuni de transfer hidrodinamic, termic și de masă, inclusiv operații de separare fără echilibru. Datorită domeniului limitat al acestei cărți, nu ne ocupăm deloc de subiectele reactoarelor chimice și doar tangențial de subiectele operațiilor mecanice. Acestea din urmă sunt de obicei predate în discipline separate la universități și colegii (de exemplu, reactoare chimice, mărunțire și sortare etc.)

Scopul de bază al cărții este de a prezenta fundamentele teoretice și practice ale operațiilor într-un mod unificat, de la ecuațiile de echilibru la echipamentele care efectuează operațiuni de transfer hidrodinamic, termic și de masă, în conformitate cu nevoile industriei chimice interne în tranziție și industrii. Prin urmare, scopul nostru este să interpretăm și să explicăm principiile și conceptele de bază ale operațiilor pe baza chimiei matematice și fizice exacte, și apoi să descriem pe scurt fiecare operație.

În secțiunile teoretice de bază (în principal capitolele 2, 3, 10 și 16), am acordat o atenție deosebită sublinierii rolului important și de legătură al teoriei similarității între teorie și practica inginerească. Cu ajutorul teoriei similarității, ecuațiile echilibrului diferențial derivate din teoria proceselor de transport pot fi urmărite înapoi la relațiile de mărimi adimensionale. În aplicația sa, membrii ecuațiilor de echilibru diferențial local devin membri macroscopici și membri convecți, iar membrii condițiilor de graniță spațială devin membri de transfer. Teoria similarității raportează asupra proporțiilor adimensionale ale acestor membri și asupra corelațiilor dintre proporțiile adimensionale aparținând fiecărui fenomen de transport (energie, impuls, transport component).

Am considerat că este important să subliniem faptul că, în activitatea practică a unui inginer care proiectează, dezvoltă și operează procese chimice, el nu mai rezolvă ecuații diferențiale (în afară de operațiile în lot și staționare și controlul proceselor și studiile dinamice), ci calculează relații adimensionale fundamentate teoretic suplimentat de coeficienți specifici și valori ale expunerii. În cartea noastră, subliniem, de asemenea, că teoria similarității nu numai că promovează scalarea mai sigură a proceselor chimice de la scara de laborator la scara plantelor, dar permite, de asemenea, o discuție uniformă a operațiilor hidrodinamice, termice, de transfer de masă și chimice prin generalizarea datelor experimentale și a experienței . Structura operațiunilor chimice în acest sens este prezentată într-un mod simplificat în tabelul F.7 din anexă .

Structura și explicația cărții, în conformitate cu dezvoltarea istorică a ingineriei chimice, sunt sistemice din două puncte de vedere. Pe de o parte, el subliniază că conceptul de bază al operațiilor este unitatea de operații născută în anii 1920, pe baza căreia o gamă largă de procese chimice poate fi asamblată dintr-un număr mic de operații de bază. În acest context, astfel de modele relativ simple sau trebuie introduse și interpretate principii, cum ar fi conceptul de proprietăți transportabile, ecuații de echilibru, teoria similarității, teorii ale transferului de materiale care descriu transportul componentelor, placa teoretică a echipamentului de scenă sau conceptele unității de transmisie a coloanelor de contact continuu.

Pe de altă parte, în ultimele patru decenii, au fost necesare cerințe economice tehnice în creștere, iar proliferarea computerelor digitale a făcut posibilă dezvoltarea unei noi științe de inginerie chimică orientată pe sisteme folosind cercetarea operațiilor matematice, metodele numerice și calculul în general. În cadrul acestui lucru, a devenit posibil să se estimeze comportamentul proceselor din ce în ce mai precis, precum și să proiecteze și să opereze procese mai perfecte (optime) cu ajutorul noilor metode din ce în ce mai eficiente.

În conformitate cu cele de mai sus, pe lângă cunoștințele clasice care sunt încă indispensabile astăzi, vom acoperi mai multe rezultate care reflectă dezvoltarea ultimelor două decenii, de ex. unele noi tipuri de operații, noi principii de proiectare și dimensionare, ocazional proceduri de proiectare asistate de computer, modelare matematică, managementul energiei, optimizare și sinteza proceselor folosind teoria sistemelor.

Cartea este împărțită în patru secțiuni, 25 de capitole și un apendice. Partea I (capitolele 1 ... 3) conține conceptele de bază ale funcționării și fluxului, precum și teoria asemănării hidrodinamice și cele mai comune aplicații ale acesteia. În această primă parte, discutăm ecuațiile echilibrului de masă și impuls și ecuațiile criteriului care exprimă aplicații majore ale asemănării hidrodinamice. Corelațiile derivate aici sunt prezentate în Tabelul II. Ele formează ecuațiile de bază ale operațiilor hidrodinamice parțial discutate. De asemenea, în această parte I, discutăm conceptele de bază ale fluxului de fluid și fluidizarea fluidelor care trec printr-un set de particule, care sunt utilizate în prezent în numeroase operații chimice pentru a asigura condiții intensive de transfer de material și căldură.

A II. În parte (capitolele 4… 9) enumerăm diferitele operații hidrodinamice: sedimentare, separarea prafului și picăturilor, filtrare și esență, centrifugare și amestecarea lichidelor. La sfârșitul acestei secțiuni, în capitolul 9, descriem, de asemenea, pe scurt informațiile de bază despre cele mai importante operații mecanice (reducerea dimensiunii, creșterea dimensiunii și sortarea).

A III. Partea descrie operațiunile de transfer de căldură (capitolele 10 ... 15). În primul rând, revizuim fundamentele teoretice ale transferului de căldură, inclusiv introducerea ecuației echilibrului termic și a asemănării termice. Acesta din urmă joacă un rol decisiv în capitolele ulterioare care se ocupă de operații termodinamice. La sfârșitul părții teoretice, discutăm pe scurt tratamentul transferului instațional de căldură cu variabile adimensionale (capitolul 10). Acesta este urmat de capitole practice despre operațiuni termice, descrierea purtătorilor de căldură și a schimbătoarelor de căldură, evaporare, cristalizare și răcire.

A IV. Partea discută operațiunile de transfer de materiale (capitolele 16-25). Mai întâi descriem fundamentele teoretice ale transferului de masă (Capitolul 16), inclusiv difuziunea contracurentului echimolar și unidirecțional, transferul de masă convectiv și ecuația echilibrului componentelor. Aceasta este urmată de similitudinea transferului de material și apoi de prezentarea analogiilor între transportul de material convectiv, căldură și impulsuri. Partea teoretică se încheie cu scurte rezumate ale teoriilor de transfer și ale fenomenelor interfaciale. Într-un capitol separat, discutăm despre transferul de materiale și absorbția gazelor combinând două procese de transfer de masă conectate în serie la interfața a două faze (Capitolul 17). După interpretarea conceptelor de plăci teoretice și unități de transmisie, discutăm separat calculul contactului continuu și al coloanelor de trepte. A IV. Alte capitole ale acestei secțiuni sunt elementele de bază ale distilării, rectificării amestecurilor multicomponente, structura internă a coloanelor de rectificare și a absorbanților, teoria și aparatele de extracție, adsorbție și uscare. Ultimul capitol al cărții, Capitolul 25, conține o scurtă descriere a neechilibrului, a operațiilor de separare a membranei și a permeabilității în general.

Fiecare subiect nu a fost explicat în același detaliu. Părțile care pot fi găsite în cărțile în limba maghiară au fost discutate în cea mai mare parte doar în rezumat și în ceea ce privește abordarea unificată pe care am urmat-o. Pe lângă explicarea mesajului teoretic, am luat în considerare și cerințele practicii de inginerie de zi cu zi la compilarea cărții noastre. De asemenea, am dorit să atingem acest obiectiv cu exemplele numerice, nomograme și tabele din carte.

Abordarea și mesajul cărții sunt rezultatul muncii comune, deci reflectă o poziție comună, cu câteva excepții metodologice care nu sunt relevante pentru ceea ce se spune. Cu toate acestea, a trebuit să împărțim munca de „scriere”, deci 1-3, 10, 16-20. capitolele Zsolt Fonyó, capitolele 4-9, 11-15, 21-24. capitole au fost scrise de György Fábry. În capitolul 25 despre separarea membranelor, Cecília Hodúr și András Deák, profesori asociați, 21,4 despre extracția supercritică. Profesorul asociat Béla Simándi și profesorul János Sawinsky au coautor subcapitolul. Prin prezenta vă mulțumim pentru contribuția dvs. valoroasă.

Suntem recunoscători recenzorului cărții noastre, profesorul István Takács, a cărui critică obiectivă și amabilitate au fost întotdeauna menite să ne atingă obiectivul. Mulțumiri speciale se datorează profesorilor din cadrul Departamentului de Operațiuni Chimice al Universității de Tehnologie din Budapesta, care au îmbrățișat în mare parte cauza scrierii și perfecționării acestei cărți. Profesorii József Manczinger, János Sawinsky și Sándor Kemény, Géza Havas, Péter Mizsey, profesorii asociați Endre Rév și profesorul asistent Gábor Rezessy au ajutat foarte mult cu sfaturile lor valoroase, revizuind și îmbunătățind manuscrisele. Dorim să-i mulțumim lui Mihály Parti, profesor asociat, Györgyi Pátkai, profesor asistent, și Lajos Balázs, Gyula Kucsera și Júlia Szalay, colegii noștri ingineri mecanici, pentru inserarea unor pasaje și figuri valoroase în cartea noastră. Mulțumim și lui Jr. György Fábry și Kornél Fábry către colegii noștri de inginerie mecanică, care, în pregătirea anumitor diagrame și au ajutat la repararea lor.

Nu putem să nu mulțumim personalului Nemzeti Tankönyvkiadó Rt. Pentru munca dedicată și atentă a Mária Zsadonné Szilasi, redactor-șef, și Mária Palojtay, redactor-șef, redactor tehnic István Greek. Mulțumim lui István Danics și Sándor Kovács pentru pregătirea tehnică profesională a manuscrisului și lui Sándor Szurduk pentru desenul profesional al materialului grafic.

Cartea este scrisă în principal pentru studenții de licență și absolvenți de licență și absolvenți de inginerie chimică, bioinginerie, inginerie de mediu, inginerie alimentară, inginerie chimică, inginerie și studii conexe, dar am căutat, de asemenea, să folosim bine proiectarea, dezvoltarea, funcționarea și profesioniști în cercetare.cu un manual. De asemenea, recomandăm cartea noastră colegilor noștri ingineri care au deja ceva experiență și doresc să vadă problemele industriei emergente într-un mod cuprinzător, să înțeleagă, să utilizeze și să dezvolte creativ publicațiile solicitante ale revistelor și cărților moderne.

Rugăm cititorii și studenții să ne trimită orice comentarii și observații critice către Departamentul de Operațiuni Chimice al Universității de Tehnologie din Budapesta.

Budapesta, martie 1998 zăpadă.

Cuvânt înainte pentru a doua ediție îmbunătățită a cărții

Prima ediție a cărții, Fundamentals of Chemical Operations, a devenit o lectură recomandată în mai multe facultăți universitare și de facultate și, de asemenea, a rezonat cu profesioniștii din industrie. În cea de-a doua ediție, nu am modificat conținutul sau structura cărții, am corectat doar câteva erori tipografice, erori confuze, am făcut adăugiri, ținând cont de unele dorințe și observații critice.

Dorim să mulțumim tuturor celor care au trimis comentariile, criticile și sugestiile lor. Suntem convinși că îmbunătățirile aduse vor duce la realizarea principalelor noastre obiective, și anume educarea publicului pentru o abordare inginerească și folosirea lucrării ca manual în lucrarea modernă a unui inginer practicant.