Основные направления активации химических процессов
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.