Что такое периодический процесс
НЕПРЕРЫ́ВНЫЕ И ПЕРИОДИ́ЧЕСКИЕ ПРОЦЕ́ССЫ
Том 22. Москва, 2013, стр. 479
Скопировать библиографическую ссылку:
НЕПРЕРЫ́ВНЫЕ И ПЕРИОДИ́ЧЕСКИЕ ПРОЦЕ́ССЫ в химической технологии, принцип организации технологич. процессов, характеризующийся местом и временем проведения конкретных стадий процесса. Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания отд. стадий в разных аппаратах. В аппаратах, используемых при непрерывных процессах, учитываются специфич. особенности стадий, которые в них осуществляются (кристаллизация, фильтрование, сушка и т. п.). Это позволяет рационально использовать рабочие объёмы аппаратов, оптимизировать протекающие процессы, исключить стадии периодич. загрузки и выгрузки продуктов, осуществлять рекуперацию энергии. Непрерывные процессы обычно используются в многотоннажных производствах. Периодич. процесс характеризуется единством места протекания отд. стадий в разные интервалы времени. В аппаратах, используемых при периодич. процессах, специфич. особенности осуществляемых в них стадий учитываются не в полной мере. Сырьё загружается в аппарат периодически, а целевые продукты полностью выгружаются через определённый промежуток времени (производств. цикл). Затем новые порции сырья загружаются повторно, и все стадии повторяются. Периодич. процессы обычно используются в тех случаях, когда количества целевых продуктов невелики, а многократные перегрузки веществ из аппарата в аппарат для проведения разл. стадий недопустимы из-за возможности загрязнения (получение веществ высокой чистоты, фармацевтич. препаратов и т. д.). Кроме того, аппараты, используемые в периодич. процессах, как правило, обеспечивают лучшую герметизацию рабочего объёма, чем аппараты, используемые для осуществления непрерывных процессов. В некоторых случаях используются комбинированные процессы, представляющие собой либо непрерывный процесс, отд. стадии которого проводятся периодически, для чего требуются неск. параллельно установленных аппаратов периодич. действия, либо такой периодич. процесс, одна или неск. стадий которого проводятся непрерывно.
Периодические процессы. Гармонические колебания
Периодическими называются процессы, в точности повторяющиеся через равные промежутки времени: смена дня и ночи, движение поршня в цилиндре двигателя, колебание маятника часов, переменный ток и т.д. (рис. 12.1). Минимальное время, спустя которое процесс повторяется вновь — Т, называется периодом. Математически периодичность функции f(t) записывается так f(t) = f(t + T).
Особое место среди периодических процессов занимают гармонические колебания, когда изменение колеблющейся величины происходит по закону синуса или косинуса (рис. 12.2):
Эту гармоническую функцию удобно графически представить следующим образом. Отложим из точки 0 на оси x вектор 
(рис. 12.3). Пусть этот вектор первоначально образует с осью x угол a. Теперь приведем этот вектор во вращение с угловой скоростью w вокруг оси, проходящей через точку 0 перпендикулярно плоскости рисунка. Спустя t секунд угол между вектором и осью x вырастет до значения Ф(t) = (wt + a). Проекция вектора a на ось x окажется при этом функцией времени x(t) = aCos(wt+a) и будет совершать гармонические колебания с частотой w.
В этом уравнении: а — амплитуда; w [рад/с] — циклическая частота гармонического колебания; (wt + a) = Ф(t) — фаза колебания. Фаза меняется во времени.
a — значение фазы в момент запуска часов (t = 0), то есть — начальная фаза.
Процесс повторится вновь спустя Т секунд. За это время фаза должна увеличиться на 2p радиан.
|
wT = 2p;
T = 
. (12.2)
Это важная связь периода с циклической (круговой) частотой колебания.
Число колебаний в единицу времени называется просто частотой — n. Частота n измеряется в герцах [1 Гц = 1 
= 1 с –1 ] и является величиной, обратной периоду n = 
.
Любая система, в которой возможно гармоническое колебание, называется гармоническим осциллятором. Гармонические колебания могут происходить в системе в том случае, если она отвечает двум условиям:
1. Колебательная система должна обладать положением устойчивого равновесия;
2. При выходе из положения равновесия в системе должна возникать возвращающая сила, пропорциональная смещению.
Рассмотрим несколько примеров механических гармонических осцилляторов.
Что такое периодический процесс
Периодические процессы характеризуются последовательностью состояний, через которые проходит система в течение одного периода. Если эта последовательность точно повторяется через равные промежутки времени, то колебания называются незатухающими. При нарастающих или затухающих колебаниях периодически повторяются только определенные состояния системы, например прохождение колеблющегося тела через положение равновесия и т. п.
Среди множества различных незатухающих колебаний простейшим является гармоническое колебательное движение, описываемое функцией синуса или косинуса:
Во всех случаях, когда рассматривается одно колебание, можно выбрать начало отсчета времени так, чтобы 
однако при одновременном существовании нескольких колебаний (например, при сложении колебаний) начальные фазы каждого колебания отличаются друг от друга и лишь в частных случаях эти фазы могут одновременно равняться нулю.
Формула (4.1) описывает гармонические колебательные движения, происходящие вдоль какой-нибудь линии — отрезка прямой или кривой. В этом случае для определения положения колеблющегося тела достаточно задать только расстояние х от тела до положения равновесия. Колебательные системы, в которых возможно только одно
колебательное движение (вдоль одной линии), изображены на рис. 1.37; их называют колебательными системами с одной степенью свободы. Простой маятник (см. рис. 1.36, а) может совершать два независимых друг от друга колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях, поэтому его относят к колебательным системам, обладающим двумя степенями свободы. Пружинный маятник, изображенный на рис. 1.36, б, может колебаться в трех независимых направлениях и поэтому является колебательной системой с тремя степенями свободы.
Для описания колебательного движения сплошного твердого тела (рис. 1.38, а) удобнее измерять углы поворота а от равновесного состояния; углы, отсчитываёмые по одну сторону от 
, принимаются положительными, по другую сторону — отрицательными. Аналогичное правило знаков выбирается и для тел, совершающих так называемые крутильные колебания (рис. 1.38, б). Гармонические колебания для углов поворота имеют вид 
где 
амплитуда угла поворота.
Тема 4. Основные технологические процессы
Н.А. Галактионова
Промышленная экология
Учебное пособие для студентов заочного отделения / Москва: Международный независимый эколого-политологический университет, 2002
Тема 4. Основные технологические процессы
4.3. Процессы периодические, непрерывные, полупериодические
По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические, непрерывные и полупериодические (полунепрерывные).
В периодическом процессе отдельные его стадии (или операции) осуществляются в одном месте (в одном аппарате или машине), но в разное время. Загрузка-выгрузка – единовременная.
В непрерывном процессе отдельные его стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (в разных аппаратах или машинах). Загрузка-выгрузка – непрерывная.
Полупериодические процессы являются промежуточным вариантом между периодическими и непрерывными процессами. Загрузка (выгрузка) – единовременная, а выгрузка (загрузка) – непрерывная. Эти процессы получили большое распространение в биохимических технологиях, когда, например, единовременная загрузка всего исходного сырья (субстрата) не возможна в силу специфической особенности утилизации субстрата – субстратному ингибированию роста микроорганизмов.
Для примера рассмотрим процесс, который складывается из стадий загрузки перерабатываемого материала в установку, нагревания его, перемешивания, охлаждения й выгрузки из установки готового продукта. Этот процесс может осуществляться периодически или непрерывно.
При периодическом осуществлении процесса все перечисленные стадии протекают в разное время в одном аппарате, который соответствующим образом приспособлен для этого. Исходный материал загружается (рис. 4.1) внутрь аппарата. После загрузки материал нагревается водяным паром, который подается в рубашку 2. Пар отдает тепло перерабатываемому материалу через стенку корпуса 1 и при этом конденсируется; конденсат отводится через нижний патрубок в рубашке. Стадия перемешивания осуществляется при вращении мешалки 3. После перемешивания следует охлаждение материала водой, которая подается в змеевик 4. Готовый продукт выгружается через патрубок в днище аппарата.
Рис. 4-1. Аппарат для осуществления периодического процесса:
1 — корпус; 2 — паровая рубашка; 3 — мешалка; 4 — змеевик
При непрерывном осуществлении процесса все стадии протекают одновременно в различных аппаратах (рис. 4.2). Материал непрерывно загружается в установку, состоящую из ряда специализированных аппаратов. Нагревание его происходит в теплообменнике 1, промешивание в аппарате с мешалкой 2, охлаждение в холодильнике 3. Готовый продукт непрерывно выводится из холодильника.
Рис. 4.2. Схема установки для осуществления непрерывного процесса:
1 — теплообменник-нагреватель; 2 — аппарат с мешалкой; 3 — теплообменник-холодильник
Для более четкой характеристики периодических и непрерывных процессов используют следующие понятия й обозначения.
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими: возможность специализации аппаратуры для каждой операции (стадий) непрерывного процесса, стабилизация процесса во времени, улучшение качества продукта, легкость регулировки и, главное, возможность автоматизации. Этими преимуществами объясняется неизменная тенденция перехода от периодических процессов к непрерывным.
Непрерывно действующие аппараты в зависимости от характера движения и изменения параметров перерабатываемых материалов делят на аппараты полного смешения, аппараты полного вытеснения и аппараты промежуточного типа.
При проведении процессов в любом из перечисленных аппаратов изменяются значения параметров перерабатываемых материалов. Параметрами, характеризующими процесс, являются давление, плотность, скорость потока перерабатываемого материала, концентрация, температура, энтальпия и другие.
Проанализируем характер изменения значений параметра, обусловливающего движущую силу процесса, в непрерывно действующих аппаратах полного смешения, полного вытеснения и промежуточного типа. Рассмотрим в качестве примера процесс нагревания жидкости (от температуры tн до tк) конденсирующимся паром (имеющим температуру ts) через разделяющую их стенку. Определим характер изменения температуры нагреваемой жидкости в непрерывно действующих аппаратах различных типов.
В аппарате полного вытеснения (рис. 4-3, а) температура жидкости плавно меняется по длине (высоте) l аппарата от начальной tн до конечной tк в результате того, что протекающие через аппарат последующие объемы жидкости не смешиваются с предыдущими, полностью вытесняя их.
В аппарате полного смешения (рис. 4.3, б) последующие и предыдущие объемы жидкости идеально смешаны, температура жидкости в аппарате постоянна и равна конечной величине tк.
Рис. 4.3. Характер изменения температуры при нагревании жидкости в аппаратах:
а – полного вытеснения; б — полного смешения; в – промежуточного типа.
Как видно из изложенного, в аппаратах перечисленных типов различен характер изменения температур нагреваемой жидкости.
Движущая сила процессов представляет разность между предельным численным значением параметра и действительным значением его, например, разность между предельной в рассматриваемом процессе температурой и действительной — рабочей. Пусть это предельное значение температуры равно ts, а действительное t, тогда движущая сила процесса может быть выражена разностью t – ts.
На рис. 4.3 показано изменение движущей силы (разности температур) в непрерывно действующих аппаратах различных типов. Среднее для процесса значение движущей силы пропорционально величинам заштрихованных площадей.
Как видно из рисунка, наибольшая величина движущей силы соответствует аппаратам полного вытеснения, наименьшая — аппаратам полного смешения и промежуточная – аппаратам промежуточного типа.
Процессы периодические, непрерывные, полуперидические.
По организационно-технической структуре процессы делятся на периодические, непрерывные и полупериодические (полунепрерывные).
В периодическом процессе отдельные его стадии (или операции) осуществляются в одном месте (в одном аппарате или машине), но в разное время. Загрузка-выгрузка – единовременная.
В непрерывном процессе отдельные его стадии осуществляются одновременно, но в разных местах (в разных аппаратах или машинах). Загрузка-выгрузка – непрерывная.
Полупериодические процессы являются промежуточным вариантом между периодическими и непрерывными процессами. Загрузка (выгрузка) – единовременная, а выгрузка (загрузка)-– непрерывная. Эти процессы получили большое распространение в биохимических технологиях, когда, например, единовременная загрузка всего исходного сырья (субстрата) не возможна в силу специфической особенности утилизации субстрата – субстратному ингибированию роста микроорганизмов.
Для примера рассмотрим процесе, который складивается из стадий загрузки перерабатываемого материала в установку, нагревания его, перемешивания, охлаждения й выгрузки из установки готового продукта. Этот процесе может осуществляться периодически или непреривно.
При периодическом осуществлении процесса все перечисленные стадии протекают в разное время в одном аппарате, который соответствующим образом приспособлен для
