3.3. Принципы интенсификации процессов
Под интенсификацией понимается увеличение скорости, т.е. сокращение времени технологических операций, повышение мощности, увеличение объема выхода продукта и др. Общее условие обеспечения интенсификации может быть определено первым законом термодинамики:
Q = KΔC, (3.1)
где Q - величина потока теплоты или массы вещества;
K - химический коэффициент, зависящий от физико-химических свойств материала;
ΔC - изменение во времени движущей силы.
Для каждого вида переноса массы и энергии формула (3.1) имеет свои особенности. Например, для переноса теплоты через пластину площадью F при перепаде температур Δt за время τ величина теплового потока имеет вид:
QT = KTFΔtτ (3.2)
изменение массы (концентрации) Q при переносе, например, через мембрану площадью F
Gτ = KПF(C-C0) (3.3)
где С0 - начальная концентрация газа;
С - концентрация на момент времени τ;
KT, KП - кинетические коэффициенты соответственно для теплопередачи и переноса вещества.
В общем случае увеличение движущей силы на единицу поверхности в единицу времени достигается за счет повышения разности температур, концентрации компонента, его парциального давления обычно в начальной стадии и снижения - в заключительной. Увеличение поверхности контакта фаз достигается дроблением, диспергированием, распылением, перемешиванием, созданием так называемого кипящего или взвешенного слоя, вибрацией, ударным или акустическим воздействием, своевременным выводом из аппарата выделенных веществ.
Классификация видов и методов интенсификации технологических процессов приведена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Классификация методов интенсификации технологических процессов
Методы интенсификации разделяются на два структурных уровня: макро- (действие на частицы вещества, т.е. группы молекул или атомов) и микроскопический (ионно-молекулярный, межмолекулярный, атомный). На макроуровне применяются гидродинамические и тепловые воздействия.
Процессы переноса осуществляются за счет конвекции, при которой происходит обтекание макрочастиц твердого материала с возможным регулированием скорости. Математически эти процессы описываются системой дифференциальных уравнений с граничными и начальными условиями, лимитирующими область протекания процесса. В них используются также постоянные кинетические коэффициенты, характерные для конкретной среды и процесса.
В технологических схемах давление изменяется для интенсификации выпаривания, ректификации, гидролиза полисахаров в масложировом, крахмально-патоковом и других производствах. Изменение температуры используют главным образом в сушильных, сорбционных (поглотительных) и десорбционных (выделение поглощенного компонента) установках. Скорость сушки продуктов определяется потенциалом, равным разности температур сухого (tС) и мокрого (tМ) термометров:
Е= tС - tМ. (3.4)
Поэтому с повышением температуры сушимого продукта потенциал процесса возрастает. Согласно второму закону термодинамики количество Возможной работы в такой системе увеличивается с ростом разности температур.
Повышение температуры приводит к увеличению констант скорости реакций, коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи, массообмена, диффузии и др. Для любого процесса существует свой предел повышения температуры.
В технологических процессах увеличение поверхности контакта на границе двух фаз (твердой — газовой; твердой - жидкой) достигается перемешиванием в так называемом взвешенном или кипящем слое, образуемом за счет пропускания газа или жидкости снизу вверх через слой зернистого материала с такой скоростью, при которой его частички пульсируют в потоке газа или жидкости в пределах взвешенного слоя. Такая интенсификация технологического процесса широко применяется при сушке, например, пищевых продуктов, при очистке газов и жидкостей.