X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Интенсификация производственных процессов направлена на увеличение их экономической эффективности в результате целенаправленного влияния на производительность оборудования, сокращения затрат материалов и энергии, улучшения качества продукции, снижения затрат труда и повышения эффективности автоматического управления.

Различные физические воздействия: механические, электромагнитные и другие с позиций термодинамики являются энергетическими, приводящими к изменению свойств и состояний систем. Задача интенсификации может рассматриваться как аналог задач оптимального управления. Существенное отличие заключается в расширении диапазона и вида воздействий, по крайней мере на стадии проектирования.

Химико-технологическая система – это совокупность взаимосвязанных технологическими потоками и действующих как одно целое аппаратов, в которых осуществляется определенная последовательность технологических операций.

Входные переменные параметры ХТС – это физические параметры входных потоков сырья или исходных продуктов, а также параметры физико-химических воздействий окружающей среды на процесс функционирования ХТС.

Входные переменные параметры по характеру воздействий на ХТС разделяются на три типа: неизменные входные параметры, управляющие параметры, возмущающие параметры.

Выходные параметры – это такие параметры, величины которых определяются режимом процесса и характеризуют его состояние, возникающее в результате суммарного воздействия входных управляющих, возмущающих параметров. Выходные параметры так же называют параметрами состояния.

Параметры ХТС подразделяют на конструкционные и технологические.

Использование различных физических воздействий позволяет в значительной степени интенсифицировать ХТ процессы и в большинстве случаев получать результаты, не достижимые при традиционной технологии [1].

Постановка задач интенсификации может быть различной: совершенствование существующего технологического процесса и существующего оборудования; разработка принципиально нового технологического процесса и принципиально нового оборудования для его реализации [1].

Наиболее типичными целевыми функциями физической интенсификации при заданных ограничениях являются: сокращение продолжительности лимитирующей стадий процессов, сокращение энергозатрат, увеличение производительности и КПД, улучшение качества продуктов, получение продуктов со свойствами, не достигаемыми при традиционной технологии, уменьшение габаритов аппаратов и расхода материалов на их изготовление, экономия сырья, проведение совершенно новых процессов, улучшение экономических характеристик оборудования, ведение непрерывных управляемых процессов[1].

Анализ процессов на макроуровне предполагает ряд этапов. Сначала декомпозиция, т. е. выделение типичного и представительного в отношении физического механизма процесса элемента. Затем анализ макрокинетики процессов в выделенном элементе при различных физических воздействиях и выбор оптимального. И, наконец, синтез – распространение полученных результатов на всю рабочую зону или весь аппарат[1].

Выбор типичного элемента объема вещества представляет собой сложную и далеко не формальную процедуру. Этот элемент должен отражать те свойства вещества, которые являются определяющими в отношении конечной цели интенсификации процесса. В свою очередь, эти определяющие свойства зависят от вида физического воздействия.

Для выделения минимальных типовых структурных элементов необходимо в каждой конкретной цепи воздействие – система – результат выделить в системе такие структурные единицы, которые по отдельности или в совокупности сохраняют ту же причинную взаимосвязь между воздействием и его результатами. Несомненно, что такая задача может быть решена только приближенно, в некоторых случаях возможно и вообще не решена.

В основе выделения структурного элемента должна лежать четкая модель физики процесса на макроуровне[1].

Первый этап – формирование банка данных технических заданий (ТЗ). Под ТЗ на разработку подразумевается перечень основных эксплуатационных, технологических, экономических и других требований и их значений, которым должен удовлетворять технологический процесс и аппарат [1].

Второй этап заключается в выявлении основных информационных массивов. Применительно к процессам и аппаратам химической технологии с использованием физических воздействий таковыми являются следующие банки данных:

M1 – физико-химических явлений и процессов;

M2 – известных процессов, аппаратов и химико-технологических систем;

M3 – предъявление требований;

M4 – физико-химических свойств перерабатываемых веществ;

M5 – физических устройств;

M6 – приемов и алгоритмов для обработки информации.

Создание этих информационных банков данных, дополненных методами оценки и выбора вариантов, является первоочередной задачей при разработке автоматизированных систем поиска новых технических решений в рассматриваемой области. Подход к формированию подобных информационных массивов изложен применительно к разработке новых конструкций и приборов в работе [3].

Задача интенсификации химико-технологических процессов заключается в выборе или поиске наиболее эффективной совокупности физических воздействий при заданной паре переменных вход-выход и наложенных ограничениях. После варьирования физическими воздействиями и их сочетаниями надо найти наиболее целесообразную совокупность, которая обеспечивает проведение требуемого процесса. Следующий этап заключается в разработке на этой основе аппарата, технико-экономические и прочие показатели которого превосходят показатели лучших существующих образцов [1].

С целью сужения области поиска решения производится качественный анализ степени влияния физических воздействий на входные переменные.

Физические воздействия разбивают на три группы: нейтральное Ф⁰, не влияющее на свойства вещества; интенсифицирующее Ф⁺, вызывающее приближение свойств вещества к области требуемых значений; замедляющее Ф^-, вызывающее удаление свойств вещества относительно области требуемых значений [3].

Среди воздействий второго и третьего типа могут быть пороговые или критические, т. е. полностью прекращающие переход и обозначаемые «∞».

Результаты воздействий со знаком «+» должны быть подвергнуты дальнейшему качественному анализу и экспериментальной проверке с целью установления близости полученных результатов требуемым значениям. Если таких воздействий оказывается несколько, то из них, в соответствии с техническим заданием, выбирается наиболее подходящее.

Если таблица содержит только отрицательные и нейтральные результаты, то необходимо, используя поочередно каждое из воздействий, изменять свойства входных веществ и повторить проведенный анализ с измененными входными переменными. При повторных отрицательных результатах можно использовать парные и более сложные сочетания, изменяющие начальные свойства системы. Отсутствие простых решений требует обращения к специальным комбинаторным методам и алгоритмам поиска [4], которые должны быть модифицированы для решения поставленных задач.

С позиций термодинамики обрабатываемые вещества представляют собой систему, отделенную от окружающей среды некоторой поверхностью раздела [1].

Состояние системы оценивают количественным значением, макроскопических параметров: интенсивных (измеряемых локально) и экстенсивных (измеряемых для системы в целом).

Экстенсивные параметры подчиняются принципу аддитивности. Различают параметры внутренние и внешние. Изменение состояния системы представляет собой процесс.

В периодических технологических процессах система замкнута, так как отсутствует обмен массой между системой и окружающей средой, а в непрерывных – открыта.

Причиной возникновения процесса в системе является ее взаимодействие с окружающей средой или между отдельными частями системы. Среди замкнутых систем различают: изолированные, на которые среда не может влиять; адиабатические, на которые среда может влиять только в результате совершения работы; диатермические, не допускающие выполнения работы, и в то же время не адиабатические [1].

Влияние различных факторов на положение равновесия системы изучалось сначала в механических и гидравлических системах, а позже в электрических и более сложных физико-химических.

Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих положение равновесия, то в системе усилится то из направлений процесса, течение которого ослабляет влияние произведенного воздействия, и положение равновесия сместится в том же направлении.

В результате взаимодействия системы с окружающей средой происходит обмен энергией между ними, и внутренняя энергия системы изменяется на некоторую величину. Такой обмен может происходить в двух формах: теплоты и работы [1].

Каждому воздействию данного рода отвечает своя степень свободы, причем число степеней свободы совпадает с числом координат, которые являются независимыми одна от другой.

Для любого воздействия можно установить вполне определенную физическую величину – потенциал (P), при равенстве которого в системе и окружающей среде воздействие данного рада не осуществляется. Разность потенциалов внутри и вне системы является причиной данного процесса в системе.

Потенциалы и сопряженные им координаты являются термодинамическими параметрами состояния.

Мерой воздействия, связанной с наличием силовых полей, является работа обобщенной силы, приводящая к изменению обобщенной координаты, характеризующей эффект воздействия.

Любое физическое воздействие является энергетическим и приводит к процессам, протекающим во времени.

В большинстве случаев обработка веществ в различных аппаратах связана с потоками, которые приводят к возникновению необратимых процессов, зависящих от градиентов температуры и концентрации, а также от внешних сил [1].

В химическом производстве вещества перерабатываются с целью изменения состояния, содержания энергии и состава. Превращение одних химических веществ в другие происходит в реакторах. На степень превращения влияют многочисленные факторы: кинетика реакции, гидродинамическая обстановка, тепломассообмен и др. Подавляющее большинство процессов химической технологии (механические, тепломассообменные и др.) протекают на «физическом» уровне, то есть не связаны непосредственно с химическими превращениями веществ, да и элементарные акты химических реакций также имеют физическую природу. Поэтому за типовой объект физической интенсификации принимается элементарный физический процесс.

Известно [2], что каждый типовой процесс определяется своей физико-химической сущностью, выражающейся в идентичности материальных и внутренних связей. По характеру этих связей все процессы химической технологии подразделяют на следующие классы: механические, гидромеханические, тепловые, массообменные, химические. Эти основные процессы с учетом их целевого назначения принято считать типовыми процессами химической технологии.

В механических и гидромеханических процессах целенаправленно проводят разделение твердых тел и неоднородных систем, измельчение и диспергирование, смешивание и образование неоднородных систем и т.п.

Для интенсификации подобных процессов требуется активное вмешательство в движение отдельных элементов жидкостей и твердых тел. Для этого необходимо управление полями скоростей и напряжений в заданных пространственно-временных масштабах, как в элементах объема, так и на ограничивающих поверхностях. Таким образом, в общем случае интенсификация механических и гидромеханических процессов связана с задачей создания управляемых течений в многофазных гетерогенных системах и динамических полей напряжения в твердых телах. В частности, такие задачи могут решаться специальными приемами генерации вихрей, колебаний потоков, дислокаций и тому подобных структур с необходимой интенсивностью и распределение в пространстве и времени.

В тепломассообменных процессах воздействия должны быть связаны с ускорением переноса энергии и массы. Из физической сущности тепломассопереноса следует, что интенсификация может идти по пути создания больших градиентов, влияния на конвективный перенос, непосредственно на коэффициенты переноса, а также по пути управления распределением источников. Когда создание больших градиентов лимитировано свойствами перерабатываемых веществ или технологическими условиями, перспективно физическое воздействие через конвективный тепломассоперенос. Существенный вклад может дать управляемое пространственно-временное распределение внутренних источников тепла, генерируемых различными полями или частицами. Наконец, возможно влияние непосредственно на коэффициенты переноса, например, утончение пограничных слоев под воздействием колебаний и т.п.

Физические воздействия позволяют интенсифицировать не только макроскопические, но и микроскопические процессы атомно-молекулярного уровня. Для химической технологии особый интерес представляют специфические (избирательные) воздействия, приводящие к химическим превращениям веществ, которые невозможны при использовании других методов.

Между физическими и химическими явлениями существуют глубокое единство. Молекулярные механизмы, которые приводят к химическим реакциям и таким процессам, как вязкое течение, диффузия, поглощение звука и электромагнитных волн, имеет большую общность [5].

Выбор вида физического воздействия, его характеристик и способ организации процесса химических превращений определяется многочисленными факторами. В общей задаче интенсификации химико-технологических процессов важным является устранение условий, при которых скорость химических реакций лимитируется процессами тепломассообмена. Одним из существенных факторов является агрегатное состояние реагентов, от которого зависит целевая передача энергии воздействия реагирующим молекулам, а также возможность смещения исходных веществ, разделения продуктов реакции и другие процессы [1].

В связи с этим можно выделить процессы в газовых средах, включая сюда и разнообразные аэродисперсивные системы, процессы в жидкостях (в том числе и в электрохимических системах) и процессы в других системах (твердых телах, полимерах и т.п.)

Интенсификация процессов может быть достигнута в результате повышения рабочих температур и давлений, устранения ограничений в передачи энергии от источника в химически реагирующую систему с использованием селективных катализаторов и воздействий, обладающих селективными свойствами, электромагнитного и газодинамического перемешивания веществ и других методов.

Повышение давления в химических процессах, начиная с некоторого уровня, становится нецелесообразным вследствие потерь тепла при неизотермическом сжатии. Повышение температуры до уровня температуры плазмы дает возможность проводить процессы в плазменных теплоносителях; другая группа процессов плазмохимии проходит в электоразрядной плазме.

В газовой фазе могут быть осуществлены разнообразные атомно-молекулярные процессы в результате резонансного взаимодействия индивидуальных молекул с фотонами. Этот круг вопросов рассматривается в фото - и лазерохимии. Однако необходимо отметить ограниченность объема обрабатываемого вещества лазерным лучом. Под действием лазерных излучений могут протекать разнообразнейшие процессы: от бимолекулярных реакций размещения и присоединения до диссоциации молекул на свободные радикалы или нейтральные фрагменты.

В жидкостях при воздействии мощных акустических полей в режиме кавитации происходят сложные физико-химические явления, в результате которых не только ускоряются отдельные химические реакции, но и происходят реакции, не идущие в других условиях.

Воздействие электрическим током в электрохимических производствах составляет основу электролитического производства многих химических продуктов [1].

Действие ионизирующих излучений приводит к многообразным химическим превращениям в газах, водных растворах неорганических и органических соединений, радиационным превращениям органических соединений и их смесей, интенсификации ряда технологических процессов. Эти вопросы относятся к быстроразвивающейся области химической технологии – радиационно-химической технологии.

В промышленной практике наиболее часто используют воздействие тех физических процессов, для которых достаточно хорошо разработаны теоретические основы и созданы технические средства их реализации.

Акустические методы интенсификации охватывают динамические воздействия на системы в виде упругих или квазиупругих колебаний и волн. Воздействия в зависимости от частоты относят к низко- или высокочастотным. В низкочастотном диапазоне, как правило, длина волны больше характерного размера системы или ее представительного структурного элемента λ>l, а в высокочастотном – наоборот, λ>l ). Этот случай реализуется на промышленных частотах (в СССР и ряде стран 50 Гц, в США и Японии 60 Гц) и высоких частотах, так называемых токах высокой частоты (ТВЧ); диапазон ТВЧ до 300 МГц. Такие системы описываются в терминах теории электрических цепей с сосредоточенными параметрами.

Когда длина волны становится соизмеримой или меньше характерных размеров системы. Волновым процессом пренебрегать уже нельзя. Подобные системы и воздействия имеют распределенные по пространству характеристики, и электромагнитные волны этого диапазона относят к сверхвысокочастотным (СВЧ). Диапазон СВЧ составляет 0,3-30 ГГц.

К оптическим и радиационным отнесены воздействия электромагнитными волнами с длинами менее 10мм и потоками частиц больших энергий. Это соответствует спектру частот электромагнитных волн, начиная с 10¹⁰ Гц. инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой области и рентгеновскому излучению, заканчивая гамма-излучением с частотой10¹⁹Гц.

В рассматриваемом диапазоне свет проявляет не только волновые свойства (дифракция, интерференция, поляризация и др.), но и квантовые или корпускулярные, такие как фотоэффект, излучение и поглощение атомов и др. В то же время движущиеся частицы проявляют волновые свойства (дифракция электронов). Этот корпускулярно-волновой дуализм материи лежит в основе квантовой механики.

Излучение электромагнитных волн может отличаться от других излучений такой характеристикой, как когерентность. Некогерентным является тепловое излучение нагретых тел и плазмы, когерентное излучение создается оптическими квантовыми генераторами – лазерами.

Радиационные воздействия включают как электромагнитные (рентгеновское и y-излучение), так и корпускулярное излучение (ускоренные электроны, быстрые заряженные частицы). Источниками радиационного воздействия служат радиоактивные изотопы и специальные ускорители частиц [1].

Интенсификация в химической промышленности связана с решением многоплановой комплексной научно-технической проблемы на принципиально новой основе.

Традиционная база для разработки процессов и аппаратов химической технологии сложилась много десятилетий назад и поэтому, как правило, не содержит последних достижений физики и смежных областей техники.

Различные физические воздействия активно используются в нефтепереработке. Они позволяют в значительной степени интенсифицировать химико-технологические процессы и получать результаты, не достижимые при традиционной технологии.

Список литературы

1. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии / Г.А. Кардашев. – М.: Химия, 1990. – 208 с.

2. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии / В.В. Кафаров. – М: Химия, 1985. – 448 с.

3. Половинкин А.И. Автоматизация поискового конструирования / А.И. Половинкин [и др.]; под ред. А. И. Половинкина. – М.: Радио и связь, 1981. – 344 с.

4. Капустин В.М. Конструктору о конструировании атомной техники / В.М. Капустин, Ю.В Махотенко. – М.: Атомиздат, 1981. – 190 с.

5. Шахпаронов М. И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях / М.И. Шахпаронов. – М.: Высшая школа, 1980. – 352 с.

6. Городецкий, И. Я. Вибрационные массообменные аппараты / И.Я. Городецкий [и др.]; под ред. В. М. Олевского. – М.: Химия, 1980. – 192 с.

7. Карпачева С.М. Пульсационная аппаратура в химической технологии / С.М. Карпачева, Б.Е. Рябчиков. – М.: Химия,1983. – 224 с.

8. Кардашев Г.А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты / Г.А. Кардашев, П.Е. Михайлов. – М.: Машиностроение, 1973. – 223 с.

Код для цитирования: Скопировать