Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии - файл n1.doc

Денисов Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. Типовые процессы и аппараты химической технологии
скачать (4601.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc4602kb.04.12.2012 02:27скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8
Федеральное агентство по образованию

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

Ю.Н. Денисов, Н.А. Орлова, Е.А. Пазников


ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ЧАСТЬ 2
ТИПОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим

центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов

специальностей 240701 «Химическая технология органических

соединений азота», 240702 «Химическая технология полимерных

композиций, порохов и твердых ракетных топлив»,

240901 «Биотехнология», 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий» по курсу «Основные процессы и аппараты химических технологий» и для студентов специальностей

260601 «Машины и аппараты пищевых производств»,

260204 «Технология бродильных производств и виноделие» по курсу «Процессы и аппараты пищевых производств»


Бийск

Издательство Алтайского государственного технического

университета им. И.И. Ползунова

2010

УДК 66.01
Рецензенты: зам. директора ИПХЭТ СО РАН по НР д.х.н. С.Г. Ильясов;

зав. кафедрой ХТиИЭ к.т.н., доцент И.А. Лебедев.

Денисов, Ю.Н. Основные процессы и аппараты химической технологии. Часть 2: Типовые процессы и аппараты химической технологии: курс лекций / Ю.Н. Денисов, Н.А. Орлова, Е.А. Пазников; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. – 156 с.
ISBN 978-5-9257-0196-6
В настоящем учебном издании излагается материал по четырем модулям курса, с пятого по восьмой, в которых рассматриваются общие закономерности и принципы анализа и расчета процессов химической технологии. Изложены основы теории гидравлики, тепловых и массообменных процессов. Данный материал служит фундаментом для дальнейшего изучения курсов ПАХТ и ПАПП.

Курс лекций предназначен для студентов специальностей 240901 «Биотехнология», 240702 «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив», 240701 «Химическая технология органических соединений азота», 240706 «Автоматизированное производство химических предприятий», 260601 «Машины и аппараты пищевых производств», 260204 «Технология бродильных производств и виноделие» очной, очно-заочной и заочной форм обучения.

УДК 66.01


ISBN 978-5-9257-0196-6 © Денисов Ю.Н., Орлова Н.А.,

Пазников Е.А., 2010

© БТИ АлтГТУ, 2010

СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ………………………………………………….

4

МОДУЛЬ 5. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ………..

5

5.1 Гидромеханические процессы………………………………

5

5.2 Неоднородные системы и их свойства……………………...

6

5.3 Осаждение…………………………………………………….

8

5.4 Осаждение в гравитационном поле…………………………

11

5.5 Фильтрование………………………………………………...

17

5.6 Разделение газовых неоднородных систем………………...

23

5.7 Выбор аппаратов для разделения неоднородных систем…

31

5.8 Образование неоднородных систем………………………...

33

Вопросы для самоконтроля………………………………….......

38

МОДУЛЬ 6. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ………………………...

40

6.1 Промышленные способы подвода и отвода тепла…………

40

6.2 Теплообменные аппараты…………………………………...

45

6.3 Выпаривание………………………………………………….

53

Вопросы для самоконтроля……………………………………...

71

МОДУЛЬ 7. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

СО СВОБОДНОЙ ГРАНИЦЕЙ РАЗДЕЛА ФАЗ………………


73

7.1 Абсорбция…………………………………………………….

74

7.2 Перегонка и ректификация…………………………………..

87

7.3 Жидкостная экстракция……………………………………...

97

Вопросы для самоконтроля……………………………………...

103

МОДУЛЬ 8. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

С УЧАСТИЕМ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ………………………………


105

8.1 Сушка…………………………………………………………

106

8.2 Кристаллизация………………………………………………

119

8.3 Адсорбция…………………………………………………….

126

8.4 Мембранные процессы………………………………………

131

Вопросы для самоконтроля……………………………………..

135

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное). ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ……………………………………………….


137

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………

152









ПРЕДИСЛОВИЕ
Изучение весьма нелегкого для студентов курса «Основные процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ) требует грамотной постановки задач, логически выдержанного хода решений, анализа найденных результатов, то есть постоянной работы на понимание.

Успешность обучения будет зависеть и от индивидуальных особенностей студентов, и от степени их подготовки к овладению данной системой знаний и умений, степени мотивации, интереса к изучаемой дисциплине, общих интеллектуальных умений, уровня и качества организации учебного процесса и других причин.

Предусмотреть, как пойдет познавательный процесс у каждого студента, невозможно, но известно необходимое условие, которое определяет его успешность – это целенаправленная, систематическая, планомерная самостоятельная работа студента.

Современная методика преподавания ориентирована, прежде всего, на выработку комплекса определенных умений, необходимых будущему специалисту, и умений не только узкоспециальных, но и фундаментальных, таких как, например, умение учиться.

Предлагаемая технология обучения применяется более 10 лет на кафедре «Процессы и аппараты химической технологии» Бийского технологического института АлтГТУ им. И.И. Ползунова и показала свою эффективность.

Переход на многоуровневую систему высшего образования и, как следствие, усложнение учебного материала в связи с изменением принципов построения учебных планов и курсов потребовали в последние годы интенсификации обучения и существенной самостоятельной учебной деятельности студентов.

Определенный вклад в решение этих задач должна внести разработка и внедрение в учебный процесс научно обоснованных, современных образовательных технологий, среди которых особое место занимает модульно-рейтинговая технология обучения (МРТО).

Модульно-рейтинговая технология имеет целью поставить студента перед необходимостью регулярной самостоятельной учебной работы в течение всего семестра. Это достигается делением учебного материала курса на крупные блоки (модули), по завершении которых студент сдает промежуточные (модульные) экзамены (ПЭ). Полученные им баллы за все ПЭ суммируются и составляют его рейтинг по данной дисциплине. При этом баллы, полученные за текущую учебную работу, рассматриваются как допуск студента к промежуточным экзаменам.

МОДУЛЬ 5. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Гидромеханические процессы – это технологические процессы, протекание которых основано на закономерностях переноса импульса.
5.1 Классификация гидромеханических процессов
По принципу целенаправленности гидромеханические (гидродинамические или гидравлические) процессы делятся на процессы, протекающие:

1) с разделением неоднородных систем (осаждение, классификация, фильтрование, мокрая очистка и др.);

2) с образованием неоднородных систем (перемешивание, диспергирование, псевдоожижение, пенообразование);

3) с перемещением потоков в трубопроводах или аппаратах. В этом случае перемещение может быть как однофазное (гомогенная система), так и двухфазное (гетерогенная система).

Подобное деление гидромеханических процессов связано с различием видов и способов движения жидкостей, газов, твердых частиц и их смесей.

В связи с этим классификацию гидромеханических процессов целесообразно подчинить другому классификационному признаку – закономерностям, характеризующим условия движения потоков. Такая классификация дает возможность связать теоретические обобщения с инженерной практикой.

Согласно этой классификации в соответствии с условиями движения потоков, гидромеханические процессы делятся на три группы.

Процессы, составляющие внутреннюю задачу гидродинамики, – движение жидкостей или газов в трубопроводах и аппаратах. В этой группе рассматривается также движение потоков в змеевиках, рубашках, в трубном и межтрубном пространстве теплообменников, а также в аппаратах типа ректификационных, экстракционных и абсорбционных колонн, выпарных и сушильных установках, печах.

Процессы, составляющие внешнюю задачу гидродинамики, – движение частиц в жидкостях или газах. В этой группе рассматриваются процессы осаждения пыли под действием силы тяжести (в пылеосадительных камерах) и под действием центробежной и инерционных сил (в циклонах), разделение суспензий и эмульсий (в отстойниках, гидроциклонах, осадительных центрифугах и др.). К этой же группе относятся процессы перемешивания твердых частиц с жидкостью и другие способы образования неоднородных систем.

Процессы, составляющие смешанную задачу гидродинамики, – движение жидкостей или газов через пористый слой (слой кусковых или зернистых материалов). В зависимости от высоты слоя Н различают два случая:

а) Н = const (процессы, связанные с движением газа в абсорберах, теплообменниках регенеративного типа, реакторах с неподвижным слоем катализаторов и т.п.);

б) Н ? const, т.е. высота слоя увеличивается во времени протекания процесса (фильтрование на промышленных фильтрах и центрифугах и др.)
5.2 Неоднородные системы и их свойства
Неоднородными называются системы, состоящие, как минимум, из двух фаз: внутренней, дисперсной фазы, находящейся в мелкораздробленном состоянии, и внешней фазы, или дисперсионной среды, окружающей частицы дисперсной фазы. Фазы, составляющие систему, могут быть механически отделены друг от друга.
5.2.1 Классификация неоднородных систем
В зависимости от физического состояния дисперсионной среды неоднородные системы делятся на газовые и жидкие.

К газовым неоднородным системам относятся:

пыли и дымы – системы, состоящие из газа и распределенных в нем частиц твердого вещества. Диаметр частиц пыли от 3 до 70 мкм, а у дымов от 0,3 до 5 мкм;

туманы – системы, состоящие из газа и распределенных в нем капелек жидкости с размерами от 0,3 до 3 мкм, образовавшихся в результате конденсации.

В общем случае подобные системы, состоящие из твердых или жидких частиц, взвешенных в газообразной среде, называются аэрозоли.

К жидким неоднородным системам относятся:

суспензии – системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров последних суспензии подразделяют на грубые (более 100 мкм), тонкие (от 0,5 до 100 мкм) и мути (от 0,1 до 0,5 мкм);

эмульсии – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой;

пены – системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. Эти газожидкостные системы по своим свойствам близки к эмульсиям.

В общем случае для эмульсий и пен характерно такое свойство, как инверсия фаз – переход дисперсной фазы в сплошную среду или наоборот.
5.2.2 Свойства неоднородных систем
5.2.2.1 Размер и форма частиц в основном зависят от происхождения неоднородных систем или от методов их получения. В этом случае системы могут быть монодисперсными (частицы одного размера) и полидисперсными (частицы разных размеров). В большинстве случаев неоднородные системы полидисперсны по своему составу. Поэтому их принято характеризовать фракционным или дисперсным составом, т.е. процентным содержанием частиц различного размера. Фракционный состав неоднородных систем определяется ситовым и микроскопическим анализами и характеризуется кривыми гранулометрического состава (рисунок 5.1).



Рисунок 5.1 – Кривая гранулометрического состава

(кривая распределения частиц разных размеров)
5.2.2.2 Укрупнение дисперсных систем. Большинство дисперсных систем неустойчивы, т.е. имеют тенденцию к укрупнению. Процесс укрупнения твердых частиц вследствие их слипания называется коагуляцией. Процесс укрупнения капель или пузырей путем их слияния называется коалесценцией.

5.2.2.3 Содержание дисперсной фазы (х, % об.) определяется объемным соотношением фаз, составляющих систему.

5.2.2.4 Физические и химические свойства – свойства, которые определяют такие их характеристики, как токсичность, агрессивность, летучесть, взрыво- и пожароопасность, химическая стойкость и стабильность (характеризуется агрегативной и кинетической устойчивостью дисперсных систем).


5.2.3 Разделение неоднородных систем
Разделение неоднородных систем проводится с целью очистки жидкости и газа от содержащихся в них вредных примесей, а также извлечения ценных компонентов из жидкости или газа.

К методам разделения неоднородных систем относятся: осаждение, фильтрование, мокрая очистка газов.

Выбор того или иного метода зависит от концентрации дисперсных частиц, их размера, требований к качеству разделения, а также от разницы плотностей дисперсной и сплошной фаз и вязкости последней.

Материальный баланс процесса разделения неоднородных систем по веществу:

, (5.1)

или по диспергированному веществу

, (5.2)

где G, Gоч, Gос – массовый расход соответственно исходной смеси, очищенной сплошной и дисперсной фазы (кг/с);

хсм, хоч, хос – концентрация дисперсной фазы соответственно в исходной смеси, в очищенной сплошной фазе и в выделенной дисперсной фазе (масс. доли).

Эффективность разделения неоднородных систем характеризуется степенью очистки:

, (5.3)

где х1, х2 – содержание дисперсной фазы на входе и выходе из аппарата, масс. доли;

? – степень очистки, %.

Физический смысл величины ? показывает, какая доля дисперсной фазы, выраженная в процентах, задерживается в аппарате.
5.3 Осаждение
Осаждение – это процесс разделения суспензии, эмульсии, аэрозолей в гравитационном, центробежном и электрических полях.

К основным видам осаждения относят осаждение под действием силы тяжести – отстаивание, осаждение под действием центробежных сил – циклонирование и осадительное центрифугирование, очистка газов в электрическом поле.

При движении материальной частицы в жидкой среде или при обтекании неподвижной частицы потоком жидкости возникают гидродинамические сопротивления, величины которых зависят в первую очередь от гидродинамических условий, природы сплошной среды и формы обтекаемых частиц. Закон сопротивления в этом случае определяется явлениями, происходящими в пограничном слое.

Независимо от режима движения и формы твердого тела, движущегося в жидкости, сила сопротивления R среды может быть выражена в общем виде законом Ньютона:

, (5.4)

где F – лобовое сечение частицы (рисунок 5.2), м2 (это площадь проекции частицы на площадь, нормальную направлению ее движения), для шарообразной частицы ;

?ср – плотность сплошной среды, кг/м3;

wос – скорость движения частицы или среды, м/с;

? – коэффициент сопротивления среды;

dч – диаметр частицы, м.


Рисунок 5.2 – Проекция лобового сечения частицы
, (5.5)

где ∆р – перепад давлений, преодолеваемый движущимися телами, Н/м2.

. (5.6)

Таким образом, коэффициент сопротивления пропорционален критерию Эйлера, который характеризует отношение перепада статического давления в потоке к его кинетической энергии и зависит от модифицированного критерия Рейнольдса и формы частицы. Модифицированный критерий Рейнольдса высчитывается по формуле

(5.7)

где ср – коэффициент вязкости сплошной среды, Па∙с.

Величина сопротивления преимущественно определяется явлениями, протекающими в пограничном слое, который окружает частицу и движется с такой же скоростью, что и сама жидкость (свойство жидкости – адгезия).

Уравнения для расчета коэффициента сопротивления среды при различных режимах движения жидкости могут быть получены обработкой опытных данных в виде обобщенных зависимостей между критериями гидродинамического подобия. Существует три различных режима движения частиц в жидкости, каждому из которых соответствует определенный характер зависимости коэффициента сопротивления среды от критерия Рейнольдса Re.

1) Ламинарный режим движения наблюдается, когда значение Reм ? 2, частицы или сама жидкость движутся медленно (рисунок 5.3). Наблюдается при движении очень мелких частиц в вязкой среде; гидравлическое сопротивление определяется трением обтекающих слоев жидкости в среде с пограничным слоем вокруг частицы. При этом режиме коэффициент сопротивления определяется по уравнению

?. (5.8)
2) Переходный режим наблюдается при значениях 2 < Re ? 500, возникают силы инерции. Происходит отрыв потока, образуются вихри, возникает перепад давлений ?Р = Р1 – Р21 – давление лобовой части частицы; Р2 – давление кормовой части). При этом режиме коэффициент сопротивления определяется по уравнению

. (5.9)
3) Турбулентный режим (рисунок 5.4) наблюдается при значениях

500 < Re ? 2·105, сопротивление определяется только силами инерции, трение отсутствует.

? = 0,44 = const. (5.10)

Из сказанного следует, что зависимость коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса будет иметь вид, представленный на рисунке 5.5.



Рисунок 5.5 – Зависимость коэффициента сопротивления

от критерия Рейнольдса (для шарообразной твердой частицы)
Для тел, форма которых отличается от шара, значения коэффициента сопротивления больше и зависят не только от модифицированного критерия Рейнольдса, но также и от коэффициента формы Ф, т.е.

, где

, (5.11)

где f – поверхность шара, м2;

fш – поверхность шара, имеющего тот же объем, что и данная частица с поверхностью f, м2.
5.4 Осаждение в гравитационном поле
Рассмотрим процесс падения частицы в вязкой среде и выведем уравнение для определения скорости отстаивания. На рисунке 5.6 схематически представлены силы, действующие на падающую частицу шарообразной формы диаметром dч.

Для частицы с диаметром dч и плотностью ?ч сила тяжести составляет:

, (5.12)

где Vч – объем частицы, м3;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

С


Рисунок 5.6 – Силы, действующие

на частицу в вязкой среде
огласно закону Архимеда подъемная сила

, (5.13)

где ?ср – плотность среды, в которой находится частица, кг/м3.

Когда частица будет находиться в равновесии, , или , тогда, учитывая уравнения (5.4, 5.12 и 5.13), получим

. (5.14)

Отсюда скорость осаждения одиночной шарообразной частицы в гравитационном поле определится по уравнению

(5.15)

Осаждающаяся частица в начале своего движения движется ускоренно. Однако участок такого движения невелик. Так как сила становится равной силе сопротивления (R), то частица в дальнейшем начинает двигаться равномерно со скоростью wос.

Скорость осаждения можно определить методом последовательных приближений. Сначала задаются режимом движения (число Re), определяют коэффициент сопротивления (?) и скорость осаждения wос., после чего уточняют режим движения.

Вследствие трудоемкости метода последовательных приближений более удобно определять скорость осаждения из критериального уравнения, которое имеет вид (из уравнения 5.15):

, (5.16)

, (5.17)

где Ar – критерий Архимеда.

Критерий Архимеда характеризует взаимодействие сил вязкого трения и объемной силы, обусловленной различием плотностей жидкости в разных частях потока.

В критерий Архимеда искомая скорость осаждения не входит, поэтому для нахождения скорости осаждения по известному диаметру частиц сначала находят критерий Архимеда, а затем для всех областей осаждения находят модифицированный критерий Рейнольдса:

. (5.18)

Необходимо учитывать, что для различных режимов осаждения существуют также другие критериальные зависимости. Для того чтобы их найти, необходимо в обобщающее критериальное уравнение (5.17) подставлять граничные значения критерия Re, отвечающие переходу одной области осаждения в другую.

Так, для ламинарного режима (Reм ? 2) согласно зависимости (5.17) получим

. (5.19)

На основании этого существование ламинарного режима осаждения соответствует условию .

Применяя аналогичную схему преобразования для двух других режимов, получим:

– для переходной области

, (5.20)

изменение критерия Архимеда находится в пределах ;

– при развитом турбулентном осаждении

, (5.21)

изменение критерия Архимеда будет находиться в пределах .

По найденному критерию Рейнольдса находят скорость осаждения:



Определение скорости осаждения шарообразной одиночной частицы в неподвижной неограниченной среде по обобщенному методу, пригодному при любом осаждении, осуществляется с использованием критериальной зависимости Ly = f (Ar).

Расчет осуществляется по следующей схеме:



Скорость осаждения определяется по уравнению

или , (5.22)

где – критерий Лященко.

По известной скорости осаждения можно найти диаметр осаждающихся частиц по схеме


. (5.23)

Приведенный расчет скорости осаждения относится к скорости свободного осаждения, при которой осаждающиеся частицы практически не оказывают влияния на движение друг друга. При значительной концентрации твердых частиц в среде происходит стесненное осаждение, скорость которого меньше, чем свободного вследствие трения и соударений между частицами.

Скорость стесненного осаждения является важнейшей характеристикой процесса отстаивания. Ее значение обычно составляет половину значения скорости свободного осаждения.
(5.24)
5.4.1 Классификация отстойников
Аппараты, которые применяются для осаждения, называются отстойники. Различают отстойники: непрерывного действия – все процессы протекают непрерывно; полунепрерывного действия – подача разделяемой смеси и вывод очищенной сплошной фазы проводят непрерывно, удаление сгущенной дисперсной фазы – периодически; периодического действия – все процессы протекают периодически.

Для разделения суспензий применяются одноярусные отстойники непрерывного действия с гребковой мешалкой (рисунок 5.7).

Диаметр нормализованных аппаратов составляет от 1,8 до 30 м, в некоторых случаях может быть до 100 м.

Для увеличения эффективности разделения и экономии производственных площадей применяются многоярусные отстойники, представляющие собой несколько отстойников, поставленных друг на друга и имеющих общий вал для гребковых мешалок.


Рисунок 5.7 – Одноярусный отстойник

непрерывного действия с гребковой мешалкой
Отстойник непрерывного действия с коническими полками изображен на рисунке 5.8. К достоинствам отстойников этого типа относятся отсутствие движущихся частей и простота обслуживания.

Для разделения эмульсий используется отстойник, схема которого представлена на рисунке 5.9. Главным условием эффективной работы этого аппарата являются ламинарные или близкие к нему движения жидкости в корпусе аппарата.

Общими достоинствами описанных аппаратов является простая конструкция (низкие капитальные затраты) и низкое гидравлическое сопротивление (низкие экономические затраты). Недостаток – низкая степень разделения.

5.4.2 Расчет отстойников
Отстойник непрерывного действия для разделения суспензий представляет собой полый резервуар цилиндрической или прямоугольной формы (рисунок 5.10).


Рисунок 5.10 – Схема

горизонтального отстойника

непрерывного действия

Рисунок 5.11 – К выводу

производительности

отстойника

Необходимым условием является то, что время пребывания частиц (? пр) в аппарате должно быть больше времени осаждения (? ос).

?пр = L/wж ; ?ос = Н/wосажд.

. (5.25)

Определив объемный расход осветленной жидкости по уравнению расхода, получим

, (5.26)

тогда

. (5.27)
Из формулы (5.27) следует общий вывод: производительность отстойника не зависит от высоты аппарата, а определяется только скоростью и поверхностью осаждения (рисунок 5.11).

При выводе уравнения (5.27) не учитывался ряд обстоятельств, ухудшающих процесс отстаивания в реальных промышленных аппаратах, поэтому при инженерных расчетах рекомендуется увеличивать значения поверхности на 30…35 %.

Необходимо отметить, что при создании отстойной аппаратуры возможности для интенсификации процесса незначительны. Для того чтобы интенсифицировать процесс осаждения, необходимо:

а) увеличить диаметр частиц, для этого используют такие методы, как коагуляция, флокуляция;

б) подогреть суспензию, так как при повышении температуры наблюдается уменьшение плотности и вязкости сплошной среды;

в) заменить силовое поле на центробежное.

В гравитационных отстойниках на частицу действует сила тяжести:

. (5.28)

Таким образом, центробежная сила больше силы тяжести в Кр раз, и эта величина называется фактором разделения или центробежным фактором. Фактор разделения является важной характеристикой при осаждении в центробежном поле, т.к. разделяющая способность аппаратов при прочих равных условиях зависит от его величины. Он показывает, во сколько раз скорость осаждения частиц твердой фазы в центробежном поле больше скорости подобного процесса в гравитационном поле.
5.5 Фильтрование
Процессом фильтрования в химической промышленности называют разделение суспензий или пылей с помощью пористой перегородки – фильтра, способной задерживать взвешенные частицы, находящиеся в жидкости или газе.

Фильтрование может обеспечить почти полную очистку жидкости или газа от взвешенных частиц и в этом отношении имеет преимущество перед процессами осаждения. Принципиальная схема процесса представлена на рисунке 5.12.

Различают следующие виды фильтрования:

а) фильтрование с образованием осадка на фильтровальной перегородке;

б) фильтрование с закупориванием пор фильтровальной перегородки.

Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений ?Р.

Это может быть гидростатическое давление, избыточное давление над перегородкой, вакуум под перегородкой, центробежное поле (фильтрующая центрифуга, рисунок 5.13).



1 – фильтровальная перегородка; 2 – осадок

Рисунок 5.12 – Схема фильтрования




1 – вертикальный вал;

2 – перфорированный барабан;

3 – кожух; 4 – фильтровальная ткань

Рисунок 5.13 – Фильтрующая

центрифуга периодического действия

В качестве фильтрующих материалов в промышленных аппаратах применяют естественные и искусственные зернистые и пористые тела: песок, графит, ткани, сетки, пористые пластические массы и т.д.
5.5.1 Кинетика процесса фильтрования
Скорость фильтрования – количество фильтрата, переносимого через единицу площади в единицу времени.

. (5.29)

Рассмотрим фильтрование с образованием осадка. Сущность процесса фильтрования заключается в движении жидкости или суспензии по каналам, образованным частицами осадка, и через фильтровальную перегородку (см. рисунок 5.13).

Осадок можно рассматривать как слой зернистого материала. Ввиду небольшого размера отверстий в слое осадка и фильтровальной перегородке, а также малой скорости движения жидкой фазы в них можно считать, что фильтрование протекает в ламинарной области. Рассмотрим модель идеального фильтра, в котором все каналы (поры) фильтрующей перегородки и осадка равноценны.

Линейная скорость при ламинарном течении определяется уравнением Пуазейля

, (5.30)

где ?р – разность давлений, Па;

dк – диаметр канала, м;

lк – длина канала, м;

– вязкость жидкости, Пас.

Р

Рисунок 5.14 – К выводу

уравнения фильтрования
ассмотрим идеальный фильтр, в котором размер каналов один и тот же, каналы равномерно распределены по всей поверхности фильтра и длина канала равна высоте осадка (рисунок 5.14).

, (5.31)

где F – площадь всего слоя, м2;

– сумма площадей каналов, м2.

Для дальнейших расчетов введем понятие «порозность» (доля свободного объема) – ?. Порозность выражает объем свободного пространства между частицами в единице объема, занятого слоем.

, (5.32)

где Vсв. – объем свободного пространства, м3;

Vсл. – объем всего слоя, м3.

С учетом порозности слоя осадка и уравнения (5.31) скорость фильтрования определится по уравнению

. (5.33)

Заменяя трудно определяемую действительную длину капилляра пропорциональной ей толщиной слоя осадка и диаметр капилляра пропорциональным ему диаметром частиц , получим следующее выражение для скорости фильтрования:

, (5.34)

где ,  – поправочные коэффициенты.

Из уравнения (5.34) видно, что на скорость фильтрования влияют следующие параметры: разность давлений, диаметр частиц, вязкость дисперсионной среды, степень порозности осадка, толщина слоя осадка.

Разность давлений (), или движущая сила процесса. В зависимости от характера влияния перепада давления, под которым ведется фильтрование, на диаметр капилляров и степень порозности различают несжимаемые и сжимаемые осадки.

У несжимаемых осадков (крупнокристаллических) диаметр капилляров и степень порозности не изменяются (?=const) при изменении перепада давления и скорость фильтрования прямо пропорциональна перепаду давления.

Сжимаемые осадки характеризуются уменьшением порозности в результате образования более плотного осадка и увеличением сопротивления при увеличении перепада давления. Для сильно сжимающихся осадков увеличение ?р сверх некоторого критического значения приводит к уменьшению скорости фильтрования.

Диаметр частиц. Скорость фильтрования определяется не средним размером частиц, а тем, который отсекает на кривой фракционного состава примерно первые 10…15 % наиболее мелких фракций. Процесс фильтрования сопровождается осаждением твердых частиц, что усложняет сам процесс и его математическое описание. Это влияние зависит от взаимного направления действия сил тяжести и движения фильтрата: если они совпадают, то осаждение твердых частиц приводит к более быстрому образованию осадка. При этом мелкие частицы забивают каналы, образованные ранее осевшими более крупными частицами.

Вязкость дисперсионной среды. Скорость фильтрования обратно пропорциональна вязкости ?. Следовательно, для повышения скорости процесса фильтрования полезно разделяемую систему подогревать (если дисперсионная среда – жидкость). Если дисперсионной средой является газ, температуру системы необходимо наоборот понижать. Отличие между газовой и жидкой неоднородными системами объясняется различной природой сил вязкостного трения в жидкостях и газах.

Степень порозности осадка. Она обычно колеблется в пределах от 50 до 30 % (об.) и влияет не только на скорость фильтрования, но и на влажность осадка.

Толщина слоя осадка hос по ходу процесса увеличивается, то есть процесс фильтрования всегда протекает с переменной, уменьшающейся во времени скоростью (при р=const).
5.5.2 Расчет процесса фильтрования
В соответствии с единым кинетическим законом основное кинетическое уравнение процесса фильтрования через слой зернистого материала запишется

, (5.35)

где R – сопротивление, которое складывается из сопротивления осадка и сопротивления фильтровальной перегородки: .

Сопротивление слоя осадка можно представить как произведение:

Rос = ro· hос, (5.36)

где hoс – высота слоя осадка, м;

ro – удельное сопротивление слоя осадка, 1/м2. Это сопротивление, оказываемое потоку жидкой фазы слоем осадка толщиной 1 м. Физический смысл: разность давлений, необходимая для того, чтобы жидкая фаза с вязкостью 1 Па·с фильтровалась со скоростью 1 м/с сквозь слой осадка толщиной 1 м.

(5.37)

или . (5.38)

Предположим, что в ходе процесса концентрация неоднородных систем остается постоянной и неоднородная система равномерно распределена по всей поверхности фильтра. Обозначим через ? – толщину осадка, который образуется при прохождении 1 м3 фильтрата через
1 м2 фильтровальной перегородки, тогда

. (5.39)

Тогда основное уравнение фильтрования будет выглядеть так:

. (5.40)

Уравнение (5.40) справедливо, если скорость фильтрования постоянна и осадок несжимаемый.

В случае, если скорость фильтрования не постоянна, т.е. фильтрование происходит с падающей скоростью, уравнение (5.40) будет выглядеть следующим образом:

. (5.41)

В случае сжимаемого осадка, т.е. когда порозность изменяется,

, (5.42)

где – удельное сопротивление осадка при движущей силе, равной 1 атм;

s – показатель сжимаемости осадка.

Особенности расчета фильтров:

а) удельное сопротивление осадка и сопротивление фильтровальной перегородки определяются экспериментально;

б) фильтрование сопровождается промывкой осадка. Цель промывки: удаление фильтрата из пор, повышение качества осадка.

Время промывки осадка находится из уравнения

, (5.43)

где – время промывки, с;

Vпр – объем промывной жидкости, м3.
5.5.3 Классификация фильтров
Промышленные фильтры классифицируются по различным признакам:

а) по принципу действия на фильтры периодического и непрерывного действия;

б) по величине рабочего давления – на вакуум-фильтры и фильтры, работающие под давлением;

в) по технологическому признаку фильтры подразделяют на жидкостные (для разделения суспензий), фильтрующие центрифуги (также для разделения суспензий) и газовые (для очистки газов).

В фильтрах периодического действия осадок удаляется после прекращения процесса фильтрования, в фильтрах непрерывного действия – по мере необходимости без остановки процесса.

Все рассмотренное выше относилось к фильтрованию суспензий.

Процесс фильтрования может быть применен также для разделения газовых неоднородных систем. Принцип действия таких аппаратов тот же, что и для разделения суспензий, однако при очистке газов в большинстве случаев применяют фильтрование с закупориванием пор.

Расчеты газовых фильтров основываются исключительно на экспериментальных данных.

Существуют различные типы фильтровальных перегородок, выбор которых определяется размером дисперсных частиц, температурой газа, его химическими свойствами, а также допустимым гидравлическим сопротивлением.
5.6 Разделение газовых неоднородных систем
Значительное место в химической технологии занимает процесс разделения газовых неоднородных систем с целью очистки газовых выбросов или улавливания ценных веществ. На сегодняшний день широко применяются передовые методы по газоочистке и пылеулавливанию. В общем случае эти методы можно разделить следующим образом: сухая очистка газовых неоднородных систем (осаждение в гравитационном поле, под действием центробежных сил, фильтрование газов) и мокрая очистка газовых неоднородных систем.
5

Рисунок 5.15 – Схема

пылеосадительной камеры
.6.1 Очистка газов в поле сил


тяжести
Для разделения газовых неоднородных систем в гравитационном поле применяются газоходы и пылеосадительные камеры (рисунок 5.15).

Пылеосадительные камеры испо-льзуются для грубой (предварительной) очистки сильно запыленных газов, содержащих частицы размером не менее нескольких десятков микрометров.

Достоинствами полочных камер являются простота их конструкции, небольшое гидравлическое сопротивление, а недостатком  громоздкость, обусловленная малой скоростью осаждения частиц под действием силы тяжести.
5.6.2 Очистка газов в центробежном поле
Для создания поля центробежных сил обычно используют два технических приема.

5.6.2.1 Вращение неоднородной системы в неподвижном аппарате – процесс циклонирования. Аппараты называются циклонами, они предназначены для разделения газовых и жидких неоднородных систем.

С


1 – входная труба; 2 – корпус;

3 – коническое днище;

4 – выхлопная труба

Рисунок 5.16 – Схема циклона
ущность процесса циклонирования заключается в том, что поток газа, несущий взвешенные частицы, вводят в аппарат тангенциально через входную трубку 1 (рисунок 5.16) с рассчитанной скоростью от 10 до 40 м/с, воздушный поток начинает вращаться, совершая при прохождении через аппарат несколько оборотов. Содержащиеся в газе твердые частицы отбрасываются центробежной силой к стенке корпуса 2, опускаются в коническое днище 3 и удаляются из аппарата. Освобожденный от взвешенных частиц поток выводится из циклона через выхлопную трубу 4, попадая на производство, или выбрасывается в атмосферу.

Достоинства циклонов:

– простота конструкции и эксплуатации;

– возможность применения для активных высокотемпературных газов;

– высокая эффективность разделения.

Недостатки циклонов:

– очень большое гидравлическое сопротивление;

– истирание внутренней поверхности циклона.

5.6.2.2 Вращение неоднородной системы с аппаратом – процесс осадительного (отстойного) центрифугирования. Аппараты называются осадительными центрифугами.

Схема отстойной центрифуги периодического действия с горизонтальным валом и ручной выгрузкой осадка изображена на рисунке 5.17.

Центрифуги предназначены для разделения жидких неоднородных систем – суспензий и эмульсий.

Центрифуги представляют собой сплошной барабан 2, насаженный на вращающийся вал 1. Под действием центробежной силы твердые частицы из суспензии отбрасываются к стенке барабана и отлагаются в виде осадка.


1 – вращающийся вал; 2 – барабан;

3 – корпус

Рисунок 5.17 – Схема отстойной

центрифуги периодического

действия
Осветленная жидкость переливается в неподвижный корпус 3 и удаляется через патрубок в его нижней части.

Достоинства центрифуг:

– проведение обезвоживания без затрат тепла;

– высокая эффективность по сравнению с отстойниками.

Недостатки центрифуг:

– наличие подвижных и трущихся частей, что приводит к износу;

– сложность конструкции.

Физическая сущность процесса осаждения под действием центробежной силы заключается в том, что во вращающемся потоке на взвешенную частицу действует центробежная сила, направляющая ее к периферии от центра по радиусу со скоростью, равной скорости осаждения wос. При этом скорость осаждения изменяется:

(5.44)

Так как скорость движения частицы изменяется, меняется соответственно и число Re, следовательно, будут меняться режимы осаждения и зависимость . Вследствие этого:

а) в циклонах происходит вихреобразование, нарушающее нормальное осаждение частиц, и уже осевшие частицы могут вновь вовлекаться в поток. Чем выше скорость, тем выше центробежная сила, следовательно, выше степень очистки . Однако при увеличении скорости возрастает гидравлическое сопротивление ?p/? (рисунок 5.18).

Оптимизация процесса: скорость в циклоне должна быть от 10 до 15 м/с, отношение ?p/? от 500 до 740 Па. Степень очистки зависит от плотности, вязкости, диаметра частиц, радиуса;

б) в центрифугах возможно отставание вращения суспензии от вращения ротора, что снижает фактор разделения; чтобы избежать этого, в центрифугах устанавливаются перегородки;

в) помимо выбора скоростей вращения неоднородных систем и аппарата в целом, необходимо учитывать взаимное влияние частиц друг на друга, полидисперсность неоднородной системы, а также форму частиц.

Поэтому при инженерных расчетах циклонов и центрифуг довольно часто приходится основываться на экспериментальных данных.

Рисунок 5.18 – Зависимость гидравлического сопротивления

циклона и степени очистки от скорости газа
5.6.3 Расчет циклона
При расчете циклона обычно заданы следующие параметры:

– производительность V, м3/с;

– минимальный диаметр частиц dmin;

– температура газа tгаза;

– содержание дисперсной фазы а, % и форма частиц.

Расчет циклона ведется в следующем порядке:

5.6.3.1 Выбирают марку циклона (т.е. задаются коэффициентом сопротивления ?, который является постоянным для данного циклона независимо от его диаметра).

5.6.3.2 Определяют скорость движения газа в циклоне через гидравлическое сопротивление циклона, которое можно представить уравнением

. (5.45)

5.6.3.3 Выбирают оптимальное значение величины ?p/? для данного типа циклона и определяют скорость воздушного потока в циклоне wц:

. (5.46)

5.6.3.4 По уравнению расхода определяют диаметр циклона:
(5.47)

5.6.3.5 Для полученного значения диаметра по нормалям находят все остальные размеры.

5.6.3.6 Проверяют, может ли обеспечить выбранный циклон достаточную степень очистки для частиц заданного диаметра. Если степень очистки будет недостаточна, необходимо внести корректировку в выбираемые параметры (тип циклона, ?p/?, ?).

Для увеличения производительности требуются циклоны с большим диаметром, а это, в свою очередь, снижает степень очистки. В таких случаях применяют батарейные циклоны, в которых организуется совместная параллельная работа циклонов меньшего диаметра (рисунок 5.19).



1 – корпус; 2 – газораспределительная камера;

3 – корпуса циклонных элементов; 4 – трубные решетки;

5 – бункер для пыли

Рисунок 5.19 – Батарейный циклон

5.6.4 Осаждение в электрическом поле
Физическая сущность процесса осаждения в электрическом поле заключается в следующем.

Газовый поток направляется внутрь трубчатых (или между пластинчатыми) положительных электродов, которые заземляются. Внутри трубчатых электродов (рисунок 5.20а) или между пластинчатыми электродами (рисунок 5.20б) натягиваются тонкие проволоки, являющиеся катодами.

Вследствие высокой разности потенциалов на электродах и неоднородности электрического поля в слое газа у катода образуется односторонний поток электронов, направленный к аноду. В этом слое в результате соударений электронов с нейтральными молекулами газ ионизируется. Внешним признаком ионизации является свечение слоя газа или образование «короны» у катода.

При ионизации образуются как положительные, так и отрицательные ионы; положительные ионы остаются вблизи «короны», а отрицательные направляются с огромной скоростью к аноду, встречая на своем пути взвешенные в газе частицы.
П


Рисунок 5.20 – Электроды трубчатые (а) и пластинчатые (б)
олучившие отрицательный заряд взвешенные частицы под действием электрического поля перемещаются к аноду (осадительный

электрод) и оседают на нем. Скорость движения взвешенных частиц, получивших заряд, невелика и зависит от размера частиц и гидравлического сопротивления газовой среды. Скорость электроосаждения колеблется в пределах от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров в секунду.

Аппараты для электроосаждения называются электрофильтрами. В зависимости от формы электрода, электрофильтры бывают трубчатые и пластинчатые.

Достоинства электрофильтров:

– высокая степень очистки;

– низкие эксплуатационные затраты;

– низкое гидравлическое сопротивление аппарата;

– электрическое поле действует только на дисперсную фазу.

Недостатки электрофильтров:

– высокая капиталоемкость;

– зависимость степени очистки от проводимости пыли (проводимость  способность терять и принимать заряды);

– сложность конструкции и их эксплуатация.
5.6.5 Мокрая очистка газов
Путем смачивания и поглощения частиц пыли жидкостью достигается высокая степень извлечения пыли из газа. Мокрая очистка газа особенно желательна в тех случаях, когда необходимо охлаждение газа независимо от его очистки. При охлаждении влажного газа водяные пары конденсируются на содержащихся в нем пылинках (центры конденсации), вследствие чего увеличивается вес пылинок и облегчается выделение их из газа.

Выделение пыли в мокрых пылеуловителях происходит под действием:

– сил тяжести (при прямолинейном движении газа через аппарата);

– сил инерции (при резком изменении направления газового потока);

– центробежных сил (при вводе газа в аппарат с большой скоростью по касательной к внутренней поверхности аппарата).

В последнем случае достигается наиболее тщательная очистка газа.

Физическая сущность процесса показана на рисунке 5.21 и заключается в том, что запыленный газ контактирует с каплями жидкости, которые оседают, увлекая за собой твердые частицы.

Существуют две модели мокрой очистки.

Первая – это увеличение твердых частиц каплями жидкости – возникает в результате адгезии жидкости к поверхности частиц или в результате набухания частиц при поглощении влаги. Необходимым условием для этого является возможность смачивания частиц жидкостью.



Рисунок 5.21 – Схема проведения мокрой очистки газа
Вторая – фильтрование через зернистый слой. При этом капли воды рассматриваются как зерна.

Смачивание и поглощение пыли водой производится тремя способами:

1) при стекании воды пленкой по внутренним стенкам аппарата

(насадочные и центробежные скрубберы);

2) при разбрызгивании воды по всему объему (полые скрубберы,

скрубберы Вентури);

3) при пропускании газа через слой жидкости (барботажные пылеуловители);

  1. при комбинировании первых двух способов.

Мокрую очистку газов применяют в тех случаях, когда наряду с вышеуказанными ограничениями хорошо отработаны мероприятия по предотвращению брызгоуноса и утилизации отработанных стоков.

Достоинства мокрой очистки газов:

– низкие эксплуатационные и капитальные затраты;

– высокая степень разделения;

– возможность совмещения очистки с другими процессами (например, с абсорбцией, осаждением).

Недостатки:

– из неоднородной системы «газ – твердое тело» получается другая неоднородная система «жидкость – твердое тело», следовательно, требуется дополнительное оборудование;

– большой расход жидкости;

– увлажнение и охлаждение газов, что не всегда допустимо;

– большой брызгоунос;

– высокая коррозия оборудования.

5.6.6 Расчет аппаратов мокрой очистки газов
Исходными данными для расчета являются объемный расход исходного газа Vн3/с) и концентрация в нем пыли Сн (кг/м3). Степень очистки газа  может быть рассчитана по эмпирическим формулам или, что бывает чаще, определяется экспериментально. Если степень очистки газа установлена, то рассчитывают концентрацию пыли в очищенном газе Ск и расход уловленной пыли Gп:

; (5.48)

. (5.49)

Исходя из значений Gп и концентрации пыли в жидкости, типа аппарата и условий его работы, по эмпирическим соотношениям рассчитывают расход жидкости.

Затем рассчитывают объем жидкости по эмпирическим уравнениям.
5.7 Выбор аппарата для разделения неоднородных систем
Выбор оптимального оборудования определяется прежде всего признаком, по которому дисперсионная среда или дисперсная фаза существенно различаются по своим свойствам и по которому будет

вестись их разделение: различием плотности, магнитных и электрических свойств, задерживанием частиц дисперсной фазы на твердых перегородках и другими.
5.7.1 Аппараты для очистки газов
При анализе этой аппаратуры можно увидеть, что рост эффектив-ности обычно связан с увеличением затрат энергии и размеров аппаратов.

Пылеосадительные камеры и циклоны по капитальным и эксплуатационным затратам предпочтительнее других аппаратов, но они улавливают лишь крупные частицы. Поэтому их используют для предварительной очистки газов перед электрофильтрами и рукавными фильтрами.

Электрофильтры и рукавные фильтры дают лучший эффект очистки от пыли при меньших скоростях газа, то есть при использовании аппаратов большего размера. Циклоны и скрубберы Вентури обеспечивают тем более эффективное разделение, чем больше их гидравлическое сопротивление, то есть чем больше затраты энергии на перекачивание газа. Поэтому в каждом случае следует выбирать аппарат с учетом конкретных условий.

В электрофильтрах можно добиться высокой степени очистки газа, в том числе и от очень мелких частиц. Однако они часто требуют предварительной подготовки газа, непригодны для отделения частиц с небольшим удельным электрическим сопротивлением.

Рукавные фильтры дают высокую степень очистки для частиц любого размера более 1 мкм, однако способны работать при небольшой запыленности исходного газа; требуют поддержания его температуры в определенных пределах. По капитальным затратам рукавные фильтры дешевле электрофильтров, но расходы на их эксплуатацию больше.

Аппараты мокрой очистки эффективны для очистки газов от пыли средней дисперсности. Наиболее целесообразно их применение, если желательно увлажнение газов. Эти аппараты достаточно просты в изготовлении, сравнительно дешевы, эксплуатационные расходы невелики. Однако их использование сопряжено с большим расходом воды, требуется серьезная защита аппаратов от коррозии.
5.7.2 Аппараты для разделения суспензий
Простейшими аппаратами для разделения суспензий являются отстойники. Они характеризуются небольшими капитальными затратами и эксплуатационными расходами. Однако из-за малой движущей силы отстойники громоздки, в них плохо отделяются мелкие частицы. Отстойники целесообразно использовать для предварительного разделения суспензий с большим содержанием твердой фазы, а также для классификации на фракции суспензий с относительно крупными частицами.

Значительно более производительны гидроциклоны и центрифуги. В них можно эффективно отделять мелкодисперсные частицы. Однако эти аппараты в особенности центрифуги значительно дороже, эксплуатационные расходы в них также существенно выше. Они непригодны для отделения частиц, оказывающих абразивное действие.

Весьма эффективным способом разделения суспензий является фильтрование на фильтрах и фильтрующих центрифугах. В них имеются условия промывки и просушки выделенной в виде осадка твердой фазы суспензии. Однако эти аппараты дороги и сложны в эксплуатации.

Выбор того или иного аппарата для разделения неоднородной системы должен удовлетворять следующим требованиям: качество разделения, концентрация частиц, агрессивность среды, технико-экономические показатели работы аппаратов.

5.8 Образование неоднородных систем
Наряду с уже рассмотренными гидромеханическими процессами в химической технологии большое значение имеют еще два гидромеханических процесса: перемешивание в жидкой среде и псевдоожижение твердого зернистого и пылевидного материала.
5.8.1 Перемешивание
Перемешивание – это процесс многократного относительного перемещения макроскопических объемов среды.

Цели перемешивания определяются назначением процесса.

В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения гомогенной среды перемешивание используют в основном для выравнивания температурного и концентрационного полей, благодаря чему повышается скорость химической реакции.

В случае гетерогенных процессов, реакция в которых складывается из нескольких последовательных стадий и если химическая реакция является определяющей, то перемешивание используется для выравнивания концентрационного поля. В связи с этим необходимо обеспечить интенсивную циркуляцию потока.

Перемешивание увеличивает степень турбулентности системы, что приводит к уменьшению толщины диффузионного пограничного слоя, а это, в свою очередь, обеспечивает увеличение и непрерывность обновления поверхности межфазного контакта, что вызывает существенное ускорение тепло- и массообменных процессов.

Перемешивание применяют в процессах абсорбции, выпаривания, экстрагирования и других процессах химической, нефтяной, пищевой промышленности.

Процесс перемешивания характеризуется интенсивностью и эффективностью, а также расходом энергии на его проведение.

Интенсивность перемешивания – это количество энергии, вводимое в единицу времени в единицу объема перемешивания среды. Чем выше интенсивность перемешивания, тем больше энергетические затраты.

Интенсивность перемешивания обусловливает характер движения жидкости в аппарате.

Эффективность перемешивания – это параметр, характеризующий качество проведения процесса.

Существуют следующие виды перемешивания: механическое перемешивание с помощью мешалки, пневматическое (барботажное) перемешивание, циркуляционное перемешивание с помощью насоса, статическое перемешивание – перемешивание в потоке.

Механическое перемешивание получило наибольшее распространение в химической промышленности. Перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которые представляют собой вращающийся вал с закрепленными на нем лопастями различной формы.

Вращение мешалок вызывает движение жидкости, структура потока в которой зависит от типа аппарата и типа мешалки. Так, для пропеллерной мешалки структура потока показана на рисунке 5.22.

При вращении мешалок образуется воронка, которая снижает эффективность перемешивания. Для уменьшения негативного влияния воронки в аппарате устанавливаются отражательные перегородки.

П


Рисунок 5.22 – Схема

вращения потока

в аппарате с мешалкой

ри этом мощность, потребляемая мешалкой, увеличивается на 30 %.

Работу механической мешалки можно описать с помощью уравнений гидродинамики.

, (5.50)

где – модифицирванный критерий Рейнольдса.

Здесь dм – диаметр мешалки, м;

n – частота вращения мешалки, с-1.

– критерий Эйлера.

Здесь – перепад давления, Па;

N – энергия, потребляемая мешалкой, Вт;

Vсек – расход жидкости, создаваемый мешалкой, м3/с.

Решив совместно эти уравнения, после преобразований получим так называемый критерий мощности мешалки :

. (5.51)

Установлено, что расход мощности на перемешивание зависит также от вязкости жидкости ?, размеров аппарата – диаметра D, высоты слоя жидкости Н, расстояния мешалки от дна hм, следовательно, общая функция для определения расхода мощности будет выражаться следующим образом:

. (5.52)

Порядок расчета мешалок:

1) выбирают тип мешалки;

2) выбирают диаметр мешалки и число оборотов;

3) определяют критерий Рейнольдса;

4) определяют критерий мощности по зависимости числа Рейнольдса;

5) определяют энергию, потребляемую мешалкой, по уравнению .

Достоинства мешалок:

– высокая эффективность;

– достаточно низкая потребляемая энергия.

Недостатки мешалок:

– сложность использования в сильно агрессивных средах;

– сложность изготовления уплотнительных устройств.

Пневматическое перемешивание осуществляется пропусканием газа через жидкость, для чего устанавливают газораспределительную решетку или используют барботер, который представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости (рисунок 5.23).

Подобное перемешивание является малоинтенсивным процессом. Расход энергии при этом выше, чем при механическом перемешивании.

Пневматическое перемешивание применяется в следующих случаях: когда допустим контакт газа и жидкости; при наличии маловязких жидкостей; при работе с агрессивными средами.

Пневматическое перемешивание не применяется для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта.


Рисунок 5.23 – Схема барботажного смесителя

Циркуляционное перемешивание – это многократное перемещение жидкости через схему: аппарат – циркуляционный насос – аппарат, то есть перемешивание жидкости происходит по замкнутому контуру. Недостатком такого вида перемешивания является низкая эффективность.

Статическое перемешивание. Для смешения потоков жидкости различного состава в последнее время начали применять статические смесители – устройства, не содержащие подвижных частей и устанавливаемые непосредственно на трубопроводах.

Действие таких устройств основано на использовании энергии потока для создания высоких локальных напряжений сдвига. С этой целью в смесительной секции устанавливают различные турбулизирующие вставки (рисунок 5.24).

а  вставка из полуперегородок; б  диафрагмовая вставка;

в  винтовая вставка; г  струйные смесители;

1, 2 – входы компонентов смеси; 3 – выход смеси

Рисунок 5.24 – Схема устройств для перемешивания в потоке
5.8.2 Псевдоожижение
Псевдоожижение – движение потока через слой зернистых или пористых материалов, а также насадочных элементов самых разнообразных размеров и форм.

Если через слой зернистого материала, находящегося на решетке, снизу пропускать жидкость или газ, то при малых скоростях потока слой соприкасающихся друг с другом частиц остается неподвижным (рисунок 5.25а). С увеличением скорости потока промежутки между частицами увеличиваются. Частицы приходят в движение и ведут себя как пузырьки пара или газа в жидкости (рисунок 5.25б).
П


а wкр б wwкр в г wwвит

а  неподвижный слой; б  кипящий (псевдоожиженный) слой;

в  унос твердых частиц потоком; г  фонтанирующий слой

Рисунок 5.25 – Движение газа (жидкости) через слой твердых частиц
ри больших скоростях происходит разрушение псевдоожиженного слоя и вынос частиц потоком (рисунок 5.25в). Это явление массового уноса называют гидро- или пневмотранспортом и используют в технике для перемещения сыпучих материалов.

При движении через слой крупных пузырей наружная поверхность слоя разрывается, и группы частиц перемещаются вместе с пузырями по высоте слоя, способствуя интенсивному перемешиванию твердой фазы. В аппаратах малого диаметра пузыри, образующиеся вблизи газораспределительной решетки, часто сливаются в один большой пузырь, заполняющий все сечение аппарата, и слой частиц, расположенный выше такого пузыря, поднимается вверх, как поршень (рисунок 5.25г).

Псевдоожижение дает возможность перемещать твердые частицы по трубам; уменьшает сопротивления в газовой фазе; выравнивает поля температур и концентраций. Однако при этом происходит уменьшение движущей силы процесса, появляется возможность проскока газа, происходит износ аппаратуры и возникает необходимость использования гидроочистительного оборудования.

Структура зернистого слоя характеризуется:

а) порозностью (долей свободного объема) ;

б) удельной поверхностью , развитой в единице объема или массы слоя;

в) эквивалентным диаметром каналов ;

г) скоростью витания .

Условием перехода неподвижного слоя частиц во взвешенное состояние является равенство силы гидравлического сопротивления весу его частиц:

, (5.53)

где S – площадь поперечного сечения аппарата, м2;

– гидравлическое сопротивление слоя, Па;

Н – высота неподвижного слоя, м;

– порозность;

?т , ? – плотности твердых частиц и псевдоожиженного агента, кг/м3.

Схема расчета критической скорости Wкр



Экспериментальные данные для определения критической скорости могут быть представлены в форме зависимости критического числа Рейнольдса Reкр от критерия Архимеда Ar. Например, для слоя сферических частиц одинакового диаметра, принимая порозность =0,4, уравнение для критерия Рейнольдса

(5.54)

где ;

.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите основные свойства неоднородных систем.

2. Что представляют собой суспензии, эмульсии, аэрозоли?

3. Опишите зависимость коэффициента сопротивления от числа Рейнольдса при движении частицы в сплошной среде.

4. Под действием каких сил может проводиться осаждение?

5. Как определяют скорость осаждения частиц в гравитационном поле?

6. Дайте классификацию отстойников.

7. Что такое стесненное осаждение?

8. Каково назначение гребковой мешалки в отстойниках непрерывного действия?

9. Получите уравнения для определения поверхности осаждения отстойника.

10. Что является движущей силой фильтрования?

11. Получите дифференциальное уравнение фильтрования.

12. Что такое константы фильтрования? Как определяют и где их используют?

13. Дайте классификацию фильтров.

14. Какова физическая сущность процесса осаждения в центробежном поле?

15. Что такое фактор разделения в процессах осаждения под действием центробежных сил?

16. Приведите схему расчета циклона.

17. Опишите физическую сущность процесса осаждения в электрическом поле.

18. Перечислите достоинства и недостатки мокрой очистки газов.

19. Каковы принципы выбора аппарата для разделения неоднородных систем?

20. Что такое перемешивание? Какие виды перемешивания вы знаете?

21. Как определить необходимую мощность мешалки?

22. Как определяют скорость начала псевдоожижения?

МОДУЛЬ 6. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Тепловые процессы представляют собой обмен теплом между двумя теплоносителями.

Тепловые процессы имеют большое значение в химической промышленности по следующим причинам. Большинство химических процессов являются эндо- или экзотермическими и, следовательно, управление химико-технологическими процессами (ХТП) в конечном счете сводится к подводу или отводу тепла. В себестоимости любой продукции химической промышленности стоимость тепловой энергии составляет значительную часть, т.е. эффективная организация тепловых процессов положительно сказывается на эффективности всего производства.

Особенности тепловых процессов:

а) широкий диапазон температур теплопереноса (от температур, близких к абсолютному нулю, до несколько тысяч градусов выше нуля);

б) теплоперенос осуществляется в агрессивных средах и при высоких давлениях, что предъявляет особые требования к аппаратурному оформлению этих процессов.

Основными характеристиками тепловых процессов являются:

– количество передаваемого тепла, от которого зависят размеры теплообменных аппаратов;

– основной размер теплообменного аппарата – теплопередающая поверхность (или поверхность теплообмена).
6.1 Промышленные способы подвода и отвода тепла
В зависимости от температурных и других условий проведения процесса применяют различные методы подвода и отвода тепла – для каждого конкретного процесса должен быть выбран тот метод, который оправдывает себя в технологическом и экономическом отношении.

При подводе тепла применяют различные теплоносители, которые отдают получаемую от источников теплоты энергию в теплообменных аппаратах другому теплоносителю с более низкой температурой.

Греющие (горячие) теплоносители принято подразделять на: первичные и вторичные (промежуточные) теплоносители. В качестве первичных теплоносителей в химической технологии используют топочные (дымовые) газы, представляющие собой газообразные продукты сгорания топлива, и электрическую энергию. Вторичные (промежуточные) теплоносители получают тепловую энергию от первичных и передают ее нагреваемой среде. Наиболее распространенными промежуточными теплоносителями являются насыщенный водяной пар, горячие жидкости, различные высококипящие теплоносители (ВОТ) – перегретая вода, органические жидкости и их пары, минеральные масла, жидкие металлы и др.

Отвод тепла во многих процессах химической технологии осуществляется с помощью охлаждающих теплоносителей (хладоагентов). В качестве подобных теплоносителей в большинстве случаев выступают: воздух, вода, растворы солей (рассолы), фреоны.

Для каждого конкретного случая теплообмена выбор теплоносителя должен быть индивидуален и определяться, прежде всего, величиной температуры нагревания (или охлаждения) и необходимостью ее регулирования.

Общие требования к выбору теплоносителя:

1) теплоноситель должен обеспечивать высокую интенсивность теплопередачи;

2) обладать высокими теплофизическими характеристиками (теплоемкость, теплопроводность, высокие коэффициенты конденсации парообразования);

3) низкой вязкостью;

4) теплоноситель должен быть не токсичным, не ядовитым, пожаро-взрывобезопасным, дешевым и доступным, термически устойчивым и не обладать корродирующим действием на материал теплообменника;

5) должен быть доступным и недорогим веществом.

Для этой цели, как было сказано, используют различные технические теплоносители.

Выбор теплоносителя для каждого конкретного случая индивидуален и определяется, прежде всего, величиной температуры нагревания и необходимостью ее регулирования.
  1   2   3   4   5   6   7   8


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации