Доктор Жолт Фоньо, доктор Дьєрджі Фабрі
Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.
Передмова
Важливість інженерії не можна переоцінити в сучасному суспільстві. У нинішній ситуації в нашій економіці роль творчої технічної інтелігенції значно зросла. Тільки вища освіта, яка i) відкрита для сучасних знань, ii) тісно пов’язана з промисловістю та iii) викладає різноманітні інженерні знання в єдиному підході та огляді, може сформувати творчий технічний інтелект, здатний здійснити всю інновацію процес. Наша книга прагне внести свій внесок у це складне завдання.
Центральним для підготовки фахівців-інженерів у хімічній промисловості та суміжних галузях (наприклад, біохімічні технології, харчова промисловість, екологічні процеси) є навчальна програма, яка описує принципи роботи та проектування промислового обладнання. Сферу знань можна загалом назвати хімічним машинобудуванням. Ця галузь технічних наук (технічна хімія за “академічною класифікацією”) дуже швидко розвивалася протягом останніх десятиліть. Існує також чітке спостереження за прогресом та поглибленням наукової абстракції в цій предметній області.
Коротше кажучи, у першій половині ХХ століття хімічна технологія, яка спочатку використовувалася для опису цих знань, еволюціонувала і розвивалася з часом як загальний, тобто специфічний, виробничий процес обладнання (приладів, машин) для подібних цілей (технологія ). Ранні операції вже мали аналітичний характер, але вони були дійсно науково обґрунтованими, залучивши теорію транспортних процесів, яка почала розвиватися в 1950-х роках.
У визначеній вище галузі "хімічної інженерії" XX. Одним з основних науково-історичних визнань ХХ століття було те, що різні операції мають однакові фізичні та хімічні основи, а саме, складові, тепло і імпульсний транспорт. Узагальнення та систематизація цих основ тепер дозволяє об'єднане обговорення операцій. Таким чином, ще одним кроком абстракції - із залученням теорії транспортних процесів - стало можливим розвивати науково обгрунтовану операційну науку.
Хімічні та суміжні операції можна згрупувати за різними характеристиками. Однак найбільш типовим є групування, коли ми досліджуємо, що зумовлюють процеси, що відбуваються в операціях, і які закономірності вони зазвичай визначають. Відповідно до них можна виділити п’ять груп операцій.
1. Гідродинамічні операції, виникнення яких визначається наукою про рух рідин і газів, законами гідродинаміки. Такі операції, відп. процеси: потік рідин та газів у трубці, апараті та наборі частинок, а також седиментація, центрифугування, фільтрація, есенція, псевдозрідження та змішування рідин.
2. Теплообмінні (калорійні) операції, хід яких визначається законами тепловіддачі, тепловіддачі та законами термодинаміки. Такі операції: нагрівання, охолодження, випаровування, конденсація, теплообмін, випаровування. Це включає охолодження до температури нижче навколишнього середовища. На термодинамічні операції суттєво впливає гідродинаміка процесів, оскільки теплообмін між середовищами є функцією результуючих прикордонних шарів потоку.
3. Операції переносу матеріалу (перенесення компонентів), найбільша група яких характеризується проходженням компонентів вихідної суміші через фазову межу. Закони цих операцій можна інтерпретувати на основі теорії передачі матеріалу. Процеси, що відбуваються, йдуть у напрямку фазової рівноваги, і їх найповільнішим (визначальним для швидкості) підпроцесом є дифузія розподілених компонентів. Для них т. Зв. рівноважні операції включають перегонку, поглинання, екстракцію, адсорбцію та сушіння. Кристалізація також може бути включена в цю групу, але в нашій книзі ця операція обговорюється в операціях теплопередачі завдяки її підключенню до випарників та охолоджувачів.
Операції передачі матеріалу також включають т. Зв операції нерівноважного розділення з використанням селективних мембран для розділення різних компонентів між двома фазами рідини. Ці операції називаються їх можна інтерпретувати за допомогою нерівноважних законів поділу, оскільки з ними неможливо досягти повної фазової рівноваги. Це включає різні операції розділення мембран, такі як, наприклад, мембранна фільтрація, мікро- та ультрафільтрація, зворотний осмос, первапорація, діаліз та електродіаліз.
На операції передачі матеріалу суттєво впливають гідродинамічні та теплообмінні умови на границях фаз відповідно. процесів.
4. Хімічні операції (хімічні реактори), продуктивність яких визначається законами кінетики реакцій. Хімічні реакції включають передачу речовини та енергії, і швидкість операцій також залежить від гідродинамічних умов. З хімічних взаємодій та процесів масообміну найшвидшим підпроцесом завжди є швидкість, що визначає швидкість.
5. Механічні операції, закономірності яких обговорюються в механіці твердих тіл. Ці операції в основному використовуються для приготування твердих речовин, обробки твердих кінцевих продуктів та транспортування твердих речовин та порошків. Сюди входить напр. подрібнення, сортування, сортування, гранулювання та змішування твердих речовин.
У нашій книзі ми зосереджуємось на гідродинамічних, теплових та масообмінних операціях, включаючи операції нерівноважного розділення. Через обмежений обсяг цієї книги ми взагалі не займаємося темами хімічних реакторів, а лише дотично темами механічних операцій. Останні зазвичай викладають окремі предмети в університетах та коледжах (наприклад, хімічні реактори, подрібнення та сортування тощо)
Основною метою книги є представити теоретичні та практичні основи операцій уніфіковано, від рівнянь балансу до обладнання, що виконує гідродинамічні, теплові та масообмінні операції, відповідно до потреб перехідної вітчизняної хімічної промисловості та пов'язаних з цим галузей. Тому наша мета - інтерпретувати та пояснити принципи та основні поняття операцій на основі точної математичної та фізичної хімії, а потім коротко описати кожну операцію.
У основних теоретичних розділах (насамперед у главах 2, 3, 10 та 16) ми звернули особливу увагу на вказівку на важливу та сполучну роль теорії подібності між теорією та інженерною практикою. За допомогою теорії подібності рівняння диференціального балансу, отримані з теорії транспортних процесів, можна простежити до взаємозв’язків безрозмірних величин. У його застосуванні члени рівнянь місцевого диференціального балансу стають макроскопічними керуючими та конвективними членами, а члени просторових граничних умов стають членами переносу. Теорія подібності повідомляє про безрозмірні пропорції цих членів та про співвідношення між безрозмірними пропорціями, що належать до кожного транспортного явища (енергія, імпульс, транспорт компонентів).
Ми вважали важливим підкреслити, що в практичній роботі інженера з проектування, розробки та експлуатації хімічних процесів він, як правило, більше не вирішує диференціальні рівняння (крім періодичних та стаціонарних операцій та управління процесом та динамічних досліджень), а обчислює теоретично обґрунтовані безрозмірні співвідношення доповнений конкретними коефіцієнтами та значеннями експозиції. У нашій книзі ми також зазначаємо, що теорія подібності не лише сприяє безпечному масштабуванню хімічних процесів від лабораторного масштабу до масштабу рослин, але також дозволяє рівномірно обговорювати гідродинамічні, теплові, масообмінні та хімічні дії шляхом узагальнення експериментальних даних та досвіду . Структура хімічних операцій у цьому сенсі спрощено викладена в таблиці F.7 у Додатку .
Структура та опрацювання книги, відповідно до історичного розвитку хімічного машинобудування, є системними у двох аспектах. З одного боку, він вказує, що основною концепцією операцій є одиниця операцій, що народилася в 20-х роках, на основі якої з невеликої кількості основних операцій можна зібрати широкий спектр хімічних процесів. У цьому контексті такі порівняно прості моделі або необхідно запровадити та інтерпретувати такі принципи, як поняття переносних властивостей, рівняння балансу, теорія подібності, теорії передачі матеріалів, що описують транспорт компонентів, теоретична плита сценічного обладнання або концепції блоку передачі безперервних контактних колон.
З іншого боку, протягом останніх чотирьох десятиліть зростали технічні економічні вимоги, а розповсюдження цифрових комп'ютерів дозволило розробити нову, орієнтовану на системи хіміко-технічну науку, використовуючи дослідження математичних операцій, чисельні методи та обчислення в загальний. У рамках цього стало можливим дедалі точніше оцінювати поведінку процесів, а також розробляти та управляти більш досконалими (оптимальними) процесами за допомогою розроблених, все більш ефективних методів.
Відповідно до вищевикладеного, на додаток до класичних знань, які є все ще необхідними сьогодні, ми охопимо кілька результатів, що відображають розвиток останніх двох десятиліть, напр. деякі нові типи операцій, нові принципи проектування та розміру, іноді автоматизовані процедури проектування, математичне моделювання, управління енергією, оптимізація та синтез процесів із використанням теорії систем.
Книга розділена на чотири розділи, 25 розділів та додаток. Частина I (глави 1… 3) містить основні поняття роботи та потоку, а також теорію гідродинамічної подібності та її найпоширеніші програми. У цій першій частині ми обговорюємо рівняння балансу маси та імпульсу та рівняння критеріїв, що виражають основні програми гідродинамічної подібності. Виведені тут співвідношення наведені в таблиці II. Вони складають основні рівняння частково обговорюваних гідродинамічних операцій. Також у цій Частині I ми обговорюємо основні концепції потоку рідини та псевдозрідження рідин, що проходять через набір частинок, які в даний час використовуються в багатьох хімічних операціях для забезпечення інтенсивних умов передачі матеріалу та тепла.
A II. Частково (розділи 4 ... 9) ми перелічуємо різні гідродинамічні операції: осадження, відділення пилу та крапель, фільтрація та есенція, центрифугування та змішування рідин. Наприкінці цього розділу, у розділі 9, ми також коротко описуємо основну інформацію про найважливіші механічні операції (зменшення розміру, збільшення розміру та сортування).
A III. Частина описує операції теплопередачі (розділи 10 ... 15). Спочатку ми розглянемо теоретичні основи теплообміну, включаючи введення рівняння теплового балансу та теплової подібності. Останній відіграє вирішальну роль у наступних розділах, присвячених термодинамічним операціям. Наприкінці теоретичної частини ми коротко обговоримо обробку нестаціонарного теплообміну безрозмірними змінними (Глава 10). Далі йдуть практичні глави з термічних операцій, опис теплоносіїв та теплообмінників, випаровування, кристалізація та охолодження.
A IV. Частина обговорює операції передачі матеріалу (глави 16-25). Спочатку ми опишемо теоретичні основи масопереносу (глава 16), включаючи еквімолярну протиструму та односпрямовану дифузію, конвективний перенос маси та рівняння балансу компонентів. Далі слідує подібність передачі матеріалу, а потім подання аналогій між конвективним транспортом матеріалу, теплом та імпульсом. Теоретична частина завершується короткими узагальненнями теорій передачі та міжфазних явищ. В окремій главі ми обговорюємо передачу матеріалу та газопоглинання, поєднуючи два процеси передачі матеріалу, з'єднані послідовно на межі розділу двох фаз (Глава 17). Після інтерпретації концепцій теоретичних пластин та блоків передачі ми обговоримо розрахунок безперервного контактного та крокового стовпів окремо. A IV. Подальші розділи цього розділу стосуються основ дистиляції, ректифікації багатокомпонентних сумішей, внутрішньої структури ректифікаційних колон та поглиначів, теорії та апарату екстракції, адсорбції та сушіння. Останній розділ книги містить короткий опис нерівноваги, операцій з розділення мембран та проникнення загалом.
Кожна тема не була пояснена з однаковими деталями. Частини, які можна знайти в книгах угорською мовою, здебільшого обговорювались лише узагальнено та з точки зору єдиного підходу, якого ми дотримувались. На додаток до пояснення теоретичного повідомлення, ми також врахували вимоги повсякденної інженерної практики під час складання нашої книги. Ми також хотіли досягти цієї мети за допомогою чисельних прикладів, номограм та таблиць у книзі.
Підхід і послання книги є результатом спільної роботи, тому вона відображає спільну позицію, за кількома методологічними винятками, які не мають відношення до сказаного. Однак нам довелося розділити роботу «письма», так 1-3, 10, 16–20. розділи Zsolt Fonyó, розділи 4–9, 11–15, 21–24. глави написані Дьєрді Фабрі. У розділі 25 про розділення мембран, Сесілія Ходур та Андраш Деак, доценти, 21.4 про надкритичну екстракцію. Доцент Бела Сіманді та професор Янош Савінський є співавторами підрозділу. Цим ми дякуємо за ваш цінний внесок.
Ми вдячні рецензенту нашої книги, професору Іштвану Такачу, чия об'єктивна критика та користь завжди були спрямовані на досягнення нашої мети. Особлива подяка викладачам кафедри хімічних операцій Будапештського технологічного університету, які значною мірою сприйняли справу написання та вдосконалення цієї книги. Професори Йожеф Манчінгер, Янош Савінський та Шандор Кемені, Геза Хавас, Петер Міззі, доценти Ендре Рев та асистент Габор Резесі дуже допомогли своїми цінними порадами, переглянувши та виправивши рукописи. Ми хотіли б подякувати доцентові Міхалі Парті, доценту Дьєрджію Паткаю та нашим колегам-інженерам Лайошу Балацу, Джулі Кучері та Юлії Салай за внесення цінних уривків та цифр. Ми також дякуємо молодшому Дьєрдь Фабрі та Корнель Фабрі нашим колегам-інженерам-механикам, які при підготовці певних схем та вони допомогли їх відремонтувати.
Ми не можемо не подякувати співробітникам Nemzeti Tankönyvkiadó Rt.За віддану та уважну роботу Марії Зсадонне Сзіласі, головного редактора, та Марії Палойтай, головного редактора, технічного редактора Іштвана Грека. Подяка Іштвану Данісу та Шандору Ковача за професійну технічну підготовку рукопису та Шандору Сурдуку за професійне малювання графічного матеріалу.
Книга написана насамперед для студентів та аспірантів, студентів та аспірантів хімічного машинобудування, біоінженерії, інженерії довкілля, харчової інженерії, хімічної інженерії, машинобудування та суміжних досліджень, але ми також прагнули ефективно використовувати дизайн, розробку, експлуатацію та фахівців з досліджень. як довідник. Ми також рекомендуємо нашу книгу нашим колегам-інженерам, які вже мають певний досвід і хочуть всебічно бачити проблеми індустрії, що розвивається, розуміти, використовувати та творчо розробляти вимогливі публікації сучасних журналів та книг.
Ми просимо наших читачів та студентів надсилати нам будь-які коментарі та критичні зауваження до Департаменту хімічних операцій Будапештського технологічного університету.
Будапешт, березень 1998 сніг.
Передмова до другого, вдосконаленого видання книги
Перше видання книги "Основи хімічних операцій" стало рекомендованим матеріалом для читання на декількох університетських та коледжних факультетах, а також отримало резонанс серед професіоналів галузі. У другому виданні ми не змінили змісту та структури книги, лише виправили кілька друкарських помилок, заплутавши помилки, внесли доповнення, враховуючи деякі побажання та критичні зауваження.
Ми хотіли б подякувати усім, хто надіслав свої коментарі, критику та пропозиції. Ми впевнені, що внесені вдосконалення призведуть до реалізації наших основних цілей, а саме виховання аудиторії для інженерного підходу та використання твору як посібника в сучасній роботі практикуючого інженера.