Интенсивность процессов и аппаратов

Для анализа и расчета процессов химической технологии необходимо, кроме данных материального и энергетического балансов, знать интенсивность процессов и аппаратов.

Все указанные выше основные процессы (гидродинамические, тепловые, массообменные и др.) могут протекать только под действием некоторой движущей силы, которая для гидромеханических процессов определяется разностью давлений, для теплообменных - разностью температур, для массообменных - разностью концентраций вещества и т.д.

В первом приближении можно считать, что результат процесса, характеризуемый, например, количеством М перенесенного вещества или тепла, пропорционален движущей силе (обозначаемой в общем виде через D), времени t и некоторой величине А, к которой относят интенсивность процесса. Такой величиной может быть рабочая поверхность, через которую происходит перенос энергии или массы, рабочий объем, в котором осуществляется процесс, и т.п. Следовательно, уравнение любого процесса может быть представлено в общем виде:

. (1.26)

Коэффициент пропорциональности К в уравнении (1.26) характеризует скорость процесса и, таким образом, представляет собой кинетический коэффициент, или коэффициент скорости процесса (коэффициент теплопередачи, коэффициент массопередачи и т.д.). Коэффициент К отражает влияние всех факторов, не учтенных величинами, входящими в правую часть уравнения (1.26), а также все отклонения реального процесса от этой упрощенной зависимости.

Под интенсивностью процесса понимают его результат, отнесенный к единице времени и единице величины А, т.е. величину М / А t, например, количество энергии или массы, перешедшей в единицу времени через единицу рабочей поверхности (либо перенесенной из одной фазы в другую в единице рабочего объема). Из уравнения (1.26) следует, что

. (1.27)

Соответственно величину К можно рассматривать как меру интенсивности процесса - интенсивность, отнесенную к единице движущей силы.

Интенсивность процесса всегда пропорциональна движущей силе D и обратно пропорциональна сопротивлению R, которое является величиной, обратной кинетическому коэффициенту (например, гидравлическое сопротивление, термическое сопротивление, сопротивление массопередаче и т.д.). Таким образом, уравнение (1.26) может быть выражено также в форме

. (1.28)

Из уравнения (1.26) или (1.28) находят необходимую рабочую поверхность или рабочий объем аппарата по известным остальным величинам, входящим в уравнение, или определяют результат процесса при заданной поверхности (объеме).

От интенсивности процесса следует отличать объемную интенсивность аппарата - интенсивность, отнесенную к единице его общего объема. С увеличением объемной интенсивности уменьшаются размеры аппарата, и снижается расход материалов на его изготовление. Однако объемная интенсивность может лишь до определенной степени служить мерой совершенства аппарата. Это объясняется тем, что объемная интенсивность аппарата связана с интенсивностью процесса, но с увеличением коэффициента скорости процесса его интенсивность обычно возрастает лишь до известного предела. Увеличение коэффициента скорости сверх некоторой величины часто сопровождается уменьшением движущей силы, что может привести к прекращению увеличения интенсивности процесса. Вместе с тем, повышение интенсивности процесса не всегда сопровождается эквивалентным повышением объемной интенсивности аппарата, так как наряду с уменьшением его рабочего объема может потребоваться значительное увеличение вспомогательного объема, необходимого, например, для сепарации фаз и т.п. Поэтому повышение объемной интенсивности аппаратов за счет увеличения скорости процесса не может являться самоцелью при их проектировании и эксплуатации.

При оценке конструкции аппарата или режима его работы решающее значение должны иметь технико-экономические характеристики данного аппарата. Оптимальным будет такой аппарат (или такой режим его работы), который обеспечит заданный результат с наименьшими затратами.

Затраты на осуществление процесса складываются из капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Увеличение объемной интенсивности приводит к уменьшению размеров аппарата и соответственно к снижению капитальных затрат. Эксплуатационные же расходы при этом, как правило, возрастают, так как интенсификация процесса сопровождается обычно увеличением расхода механической энергии или тепла. Минимум суммы затрат отвечает определенной величине объемной интенсивности аппарата, которая и является оптимальной.