Лекция 1 Предмет и задачи курса, его значение для химической технологии

«Процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ) – наука о принципах организации и расчета химико-технологических процессов и принципах (не деталях) конструирования технологической аппаратуры.

Номенклатура веществ (продуктов), получаемых химической и смежными отраслями промышленности, исчисляется ныне десятками тысяч наименований. Разумеется, ни одной науке в рамках химической технологии не под силу изучить даже небольшую часть процессов получения этих соединений. Поэтому каждая наука классифицирует упомянутые соединения и процессы по каким–то существенным признакам, например:

– по типу веществ (органические, неорганические, полимерные);

– по фазовому состоянию (гетерогенные процессы или гомогенные; в жидкой, газовой или твердой фазе);

– по условиям проведения процесса (высоко– и низкотемпературные, под высоким или низким давлением и т. д.).

ПАХТ классифицируют процессы по элементарным технологическим приемам (например, фильтрование, экстракция, сушка, гранулирование); таких приемов – около двух десятков.

При этом рассмотрение технологических приемов в рамках ПАХТ ведется в общем – безотносительно к участвующим в процессе веществам, численным значениям их конкретных свойств и параметров процесса. Эта конкретика проявляется уже в ходе применения методов ПАХТ к инженерному расчету того или иного технологического процесса и реальному его воплощению – при совместных действиях специалистов в области ПАХТ и технологии производства интересующего нас продукта.

Именно в смысле использования того или иного технологического приема трактуется в курсе ПАХТ сам термин процесс. Различие отдельных химико-технологических процессов с точки зрения ПАХТ состоит в выборе (использовании) тех или иных приемов, в их числе и последовательности.

Основная цель науки о ПАХТ состоит в анализе элементарных технологических приемов и функционирования типичных аппаратов – в отдельности и в различных сочетаниях. В качестве главных выделим две задачи:

а) изучение закономерностей и математическое описание технологических приемов и их совокупностей, разработка расчетных методов перехода от процесса в лабораторной установке к крупным промышленным аппаратам;

б) усовершенствование существующих и разработка новых технологических приемов, создание методики их расчета.

Проиллюстрируем роль ПАХТ ярким примером из истории отечественной химической промышленности.

В начале 30–х годов американцы продали нашей стране и смонтировали в Бобриках (ныне Новомосковск) колонны синтеза аммиака по новейшей (тогда) технологии; однако в обусловленные сроки запустить их с гарантированной производительностью они не сумели. Выяснить причину было поручено молодому профессору Н.И.Гельперину. Он вскрыл колонны, проанализировал работу их теплообменных зон и выявил недопустимые температурные перекосы. На основе его расчетов была изменена конструкция теплообменного устройства в колоннах, и они были запущены (на том же катализаторе, с тем же синтез–газом, при тех же параметрах работы) с производительностью, заметно выше проектной. (Между прочим, американцы купили у нас лицензию – за немалые деньги – на свою колонну, но с нашей теплообменной начинкой!) Таким образом, в осуществлении каталитического процесса решающей явилась тепловая обстановка, обеспеченная грамотным анализом и созданной на его основе рациональной конструкцией теплообменной зоны реактора.

Приведенный пример не должен создавать впечатления, что наука ПАХТ сегодня способна давать однозначные и исчерпывающие ответы на все технологические вопросы. До сих пор в химической технологии до трети капитальных затрат уходит на переделки и модернизацию оборудования – в значительной степени потому, что его не сумели достаточно хорошо рассчитать и сконструировать сразу. Это обусловлено:

во–первых, сложностью самих технологических процессов, недостаточной изученностью механизмов их протекания; отсюда приближенность анализа и расчета, введение «коэффициентов незнания» (обоснованных и не очень) – различного рода коэффициентов полезного действия (КПД), степени приближения к оптимальному процессу и т.п.

во–вторых, принципиальной вариативностью разумных технологических решений, да и не всегда заранее можно сказать, какое решение лучше в данной конкретной ситуации.

Повышение эффективности химико-технологических процессов возможно путем количественных и качественных изменений. При количественных изменениях (величин и соотношений потоков, технологической аппаратуры и т.п.) за повышение эффективности, как правило, приходится «платить» усложнением и удорожанием (процесса, аппаратов, систем управления). Повышения эффективности при одновременном упрощении и удешевлении технологического процесса удается добиться при качественных изменениях последнего: принципиально новых подходах к его осуществлению, возможно – на основе новых технологических приемов.

ПАХТ являются в значительной мере «синтетической» наукой; здесь широко используются инструментарий Математики и знания из ряда областей Физики, Прикладной механики, Технической термодинамики, Физической химии (прежде всего термодинамики и кинетики) и других дисциплин. Так, некоторые задачи ПАХТ прямо решаются с использованием понятийного аппарата Прикладной механики (например, задача о гидравлическом ударе), Электротехники (расчет электрофильтров), Физической химии (задачи макрокинетики) и т. п.