Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования

ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,757

МАШИНЫ И АППАРАТЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Сарилов М.Ю. 1 Тягущев П.М. 1
1 ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Массообмен осуществляется в результате хаотичного движения молекул. Включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз). Различают эквимолярный массообмен (напр., ректификация), при котором через поверхность раздела фаз в противоположных направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и неэквимолярный (напр., абсорбция). Массообмен лежит в основе разнообразных процессов разделения и очистки веществ, объединяемых в класс массообменных процессов. Многие тепловые процессы, такие, как прокаливание, конденсация, выпаривание, испарение – сопровождаются массообменом. При проведении химических процессов массообмен определяет скорость подвода вещества в зону реакции и удаления продуктов реакции. В большинстве случаев в массообмене участвуют две или более фаз, в которых концентрации целевого компонента при равновесии различаются. При взаимодействии двух фаз в соответствии со вторым началом термодинамики их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством температур и давлений фаз, а также равенством химических потенциалов каждого компонента в сосуществующих фазах.

Массообмен осуществляется также под действием градиентов электрических потенциалов (при электрофорезе, в электрохимических процессах), температуры (например, в термодиффузионной колонне для разделения изотопов) и другого. Однако на практике движущую силу массообмена обычно выражают через градиент концентраций, что значительно упрощает связь между скоростью процесса и составом технологических потоков. В ряде случаев использование концентрации движущей силы можно обосновать теоретически.

Учет условий существования данного количества фаз и законов распределения компонентов в них, определяемых фаз правилом и законами равновесия, необходимо для понимания и анализа любого процесса массообмена. Термодинамическая теория фазовых равновесий разработана достаточно хорошо, хотя для практических расчетов, когда это возможно, в ряде случаев надежнее использовать экспериментальные данные, приводимые в справочной литературе. Условия контактирования фаз в процессах массообмена исключительно разнообразны. Так, при дистилляции в непосредственном контакте находятся насыщенный пар и кипящая жидкость, что способствует переносу менее летучих компонентов из пара в жидкость и более летучих – из жидкости в пар. В процессах адсорбции газовая или жидкая смесь разделяется в результате предпочтительной сорбции одного из компонентов на поверхности твердого адсорбента. Кристаллизацию используют для выделения кристаллизующейся твердой фазы из резервуара путем создания условий перенасыщения по нужному компоненту. Мембранные процессы разделения основаны на способности некоторых тонких пленок или пористых перегородок пропускать одни соединения и задерживать другие. Операции сушки зависят от переноса как жидкости, так и пара внутри твердого тела и затем пара в осушающий газ. Все эти процессы, а также ионный обмен, сублимация и др. объединяются общими кинетическими закономерностями, определяющими скорость межфазного переноса массы. Последняя зависит от скорости молекулярной диффузии в неподвижной среде и скорости конвективной диффузии – в движущейся среде, а также от специфических условий на границе раздела фаз.

Массообменные процессы играют важную роль при переработке нефти, различных углеводородных и других смесей. Путем ректификации из нефти получают различные продукты: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масляные фракции, узкие (по температурам кипения) бензиновые фракции. При ректификации сжиженных газов выделяют этилен, этан, пропан, бутан и другие компоненты. Путем перегонки в вакууме получают специальные масла.

Абсорбцию жидкими поглотителями и адсорбцию твердыми веществами используют для извлечения из природных и попутных газов, а также из газов нефтеперерабатывающих заводов пропан-пропиленовой, бутан-бутиленовой, бензиновой фракций, которые служат сырьем для нефтехимической промышленности.

Для извлечения ароматических углеводородов из бензиновых фракций при производстве масел и очистке нефтепродуктов применяется процесс экстракции.

Процесс сушки нашел применение в производстве катализаторов и адсорбентов.

Даже такой неполный перечень использования массообменных процессов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности свидетельствует об их широком распространении и важности решаемых с помощью этих процессов технологических задач.

Приступая к конструированию оборудования для химических предприятий, специалисты в первую очередь оценивают возможности использования существующих образцов машин и аппаратов аналогичного назначения в качестве отправной точки. Рассматриваются действующие варианты кинематических схем, приводов, рабочих инструментов и степень свободы принятия собственных решений (факторов решения).

Проектирование химического и любого другого оборудования производится на единой нормативно-технической базе, которая устанавливает требования к порядку разработки, содержанию и оформлению документации.

Создание эффективного оборудования невозможно без качественно подготовленной документации, для разработки которой используются единые системы стандартов для каждого этапа проектных работ:

– конструкторская документация – ЕСКД;

– технологическая документация – ЕСТД;

– защита материалов и изделий от коррозии и старения – ЕСЗКС;

– допуски и посадки – ЕСДП;

– безопасность труда – ССБТ и другие.

При создании современного промышленного оборудования для химических производств используют такие направления, как:

– унификация – использование в различных отраслях химической промышленности аналогичных (очень похожих) по конструкции машин и аппаратов;

– интенсификация – резкое повышение интенсивности и эффективности производственного оборудования в силу некоторого увеличения масштаба того или иного химического производства;

– повышение надежности – механическую надежность, бесперебойную и длительную работу химического оборудования определяют такие свойства оборудования, как прочность, жесткость, герметичность, устойчивость и долговечность;

– эргономика – в связи с тем, что технологические процессы постоянно механизируются и автоматизируются, изменяя условия труда, очень важно, чтобы человеку было удобно работать с новым оборудованием;

– укрупнение оборудования – в связи с тем, что сегодня многотоннажные производства все больше требуют увеличения единичной мощности химического оборудования, появляется необходимость создания укрупненных, то есть крупногабаритных машин, комбинированных устройств и совмещенных аппаратов.

В учебном пособии подробно рассмотрены колонные аппараты массообменных процессов, они подразделяются на колонные и насадочные.

Так же уделено внимание экстракционным аппаратам, аппаратам для процессов адсорбции, оборудованию диффузионных процессов и сушильному оборудованию.

Предлагаемое учебное пособие написано в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования. В химическом и нефтехимическом производствах находят широкое применение различные по характеристикам и конструкции массообменные аппараты. В данном учебном пособии классифицированы массообменные процессы. Рассмотрены вопросы, касающиеся требований предъявляемых к массообменному оборудованию. В пособии приведены нормативные документы, используемые при проектировании массообменного оборудования.

Пособие изложено в доступной форме, теоретический материал поясняется простыми по форме рисунками, приведено множество примеров.


Библиографическая ссылка

Сарилов М.Ю., Тягущев П.М. МАШИНЫ И АППАРАТЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ // Международный журнал экспериментального образования. – 2016. – № 6-1. – С. 122-124;
URL: http://www.expeducation.ru/ru/article/view?id=10172 (дата обращения: 16.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074