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

8.1 Сушка



Сушка – это процесс удаления влаги из твердых материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров.

Применяется с целью:

– повышения качества конечного продукта;

– предотвращения слеживаемости материала;

– удешевления транспортировки.

По физической сущности сушка является процессом совместного тепломассопереноса и сводится к перераспределению и перемещению влаги под воздействием теплоты из глубины высушиваемого материала к его поверхности и последующему ее испарению.

По способу подвода тепла к высушиваемым материалам различают следующие виды сушки:

конвективная – сушильный агент и высушиваемый материал непосредственно соприкасаются друг с другом;

контактная – тепло передается от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку. Отсутствует контакт между высушиваемым веществом и сушильным агентом, что важно при сушке гигроскопичных и окисляющихся материалов или тогда, когда влага является ценным компонентом;

инфракрасная – с помощью теплового излучения (для сушки пленочных материалов);

сушка токами высокой частотыпод действием переменного электрического тока заряженные частицы, дипольные молекулы внутри материала начинают колебаться, передвигаются, т.е. совершают механическое движение, при этом выделяется тепло, которое идет на испарение влаги;

сублимационная сушка – удаление влаги из материала после предварительного ее перевода в твердое состояние (замораживание). Чаще всего используют вакуум, испарение происходит при низких температурах.

Сушка, как и выпаривание, является очень дорогим процессом (для испарения влаги, требуется много энергии), поэтому сушке должно предшествовать механическое удаление влаги: центрифугирование, отжим и др.
8.1.1 Принципиальная схема процесса
В технике в основном осуществляется конвективная и контактная сушка. Их принципиальные схемы изображены на рисунке 8.1.



а б

а – конвективная сушка;

б – контактная сушка: 1 – исходное вещество; 2 – перегородка

Рисунок 8.1 – Принципиальные схемы сушки

Сушильный агент подогревается в теплообменнике или калорифере и поступает в сушильную камеру, где находится влажный материал. За счет разности парциальных давлений влаги внутри материала и у его поверхности происходит испарение влаги – материал высушивается. Отработанный влажный воздух выходит из сушильной камеры.
8.1.2 Выбор сушильного агента
В качестве сушильных агентов могут выступать: воздух, топочные газы, перегретый пар, инертный газ.

Достоинствами воздуха как сушильного агента являются его доступность, дешевизна. Однако, используя воздух, невозможно достичь высоких температур. Использование топочных (дымовых) газов в качестве сушильного агента позволяет достичь высоких температур, кроме того, при использовании топочных газов отпадает необходимость в калорифере. Однако существует возможность загрязнения высушиваемого материала примесями, содержащимися в газах. С помощью перегретого пара можно достигать очень высоких температур, однако при этом возрастает и давление пара. Инертный газ применяется при сушке гигроскопичных, окисляющихся на воздухе веществ.

Наиболее часто в процессе сушки в качестве сушильного агента используется воздух. Поэтому целесообразно рассмотреть физические свойства влажного воздуха.
8.1.3 Основные свойства влажного воздуха
Основными показателями влажного воздуха являются температура, удельная теплоемкость, энтальпия, содержание влаги, абсолютная влажность а (кг влаги/м3 возд.), абсолютная влажность насыщенного пара (кг влаги/м3 возд.) анас , влагосодержание х ( кг влаги/кг сух. возд.), относительная влажность:

. (8.2)

О


Рисунок 8.2 – Диаграмма Рамзина

Ix для влажного воздуха
сновные свойства влажного воздуха показаны на диаграмме Рамзина (рисунок 8.2).

Диаграмма имеет угол 1350 между осями, на оси ординат отложены энтальпии, а на наклонной оси абсцисс – влагосодержание х, значения которого для удобства спроектированы на вспо-могательную ось, перпендикулярную оси ординат. На диаграмме нанесены:

– линии постоянного влагосодержания (х = сonst);

– линии постоянной энтальпии (I = const);

– линии постоянных температур, или изотермы (t = const);

– линии постоянной относительной влажности (? = const).

Рассмотрим несколько примеров использования диаграммы при расчете процесса сушки.

Пример 1. Дано: t, х.

Определить: I, ? (рисунок 8.3.).


Пример 2. Дано: I, х.

Определить: t, tр – температуру точки росы (температуру, при которой из воздуха начинает конденсироваться часть влаги), (рисунок 8.4.).




Рисунок 8.3 – К примеру 1 Рисунок 8.4 – К примеру 2




Пример 3. Дано: t, tр.

Определить: I, х, ? (рисунок 8.5.)







Рисунок 8.5 – К примеру 3


8.1.4 Равновесие процесса сушки
Обозначим давление жидкости в материале рм, парциальное давление пара в газовом потоке рп. Условием равновесия сушки является разность давления пара жидкости в материале и парциального давления пара в газовом потоке. Достижению равновесия соответствует предельная влажность материала, называемая равновесной влажностью.

Направление массопереноса определяется содержанием влаги в материале и окружающей среде или абсолютными значениями рм и рп. Если рп > рм, перенос влаги осуществляется из газа к твердому телу, то есть происходит процесс сорбции (увлажнения). В противоположном случае, когда рп < рм, перенос влаги осуществляется из твердой фазы в газовую, то есть идет процесс десорбции (сушки).

Величина рм зависит от температуры, влажности материала и от характера связи влаги с материалом. Существует несколько форм связи влаги с материалом (перечислены в порядке убывания энергии связи): химическая влага, адсорбционная влага, капиллярная влага, осмотическая влага, механически удерживаемая влага.
8.1.5 Материальный баланс сушки
О


Рисунок 8.6 – К материальному балансу процесса сушки

бозначим
количество влажного материала, поступающего на сушку, Gн, кг/ч; количество высушенного материала Gк, кг/ч; влажность на входе и на выходе соответственно wн, wк, % масс., а количество испаренной влаги W, кг/ч (рисунок 8.6).

Тогда материальный баланс процесса сушки запишется:

, или , (8.3)

по высушиваемому материалу

, (8.4)

. (8.5)

Целью материального баланса является определение количества испаренной влаги

. (8.6)

По сушильному агенту материальный баланс запишется

, (8.7)

где L – расход воздуха, кг/с.

. (8.8)

Формула (8.8) позволяет рассчитать количество свежего воздуха, необходимого для удаления W кг влаги из влажного материала.

При расчете и анализе процесса сушки используется понятие «удельный расход воздуха».

Удельный расход воздуха – это расход воздуха, необходимый для испарения 1 кг влаги [кг сухого воздуха/кг испаряемой влаги]

(8.9)

или

. (8.10)

Удельный расход воздуха легко определяется по диаграмме «Ix», при этом задаются значением х0 и определяют значение х2.

По известному расходу воздуха на сушку выбирают вентилятор необходимой мощности и производительности.
8.1.6 Тепловой баланс конвективных сушилок
При сушке тепло расходуется на нагревание материала до температуры сушки и на собственно сушку.

Обозначим (рисунок 8.7):

L – расход абсолютно сухого воздуха, кг/с;

I – теплосодержание (энтальпия) влажного воздуха, Дж/кг;

Gн, Gк – расходы влажного и высушенного материала, кг/с;

сн, ск – теплоемкость влажного и высушенного материала, Дж/(кг*К);

Өн, Өк (этта) – начальная и конечная температуры влажного и высушенного материала, 0С;

ст – теплоемкость транспортных устройств, Дж/(кг*К);

tт.н, tт.к – температуры транспортных устройств, 0С;

св – теплоемкость воды, Дж/(кг*К);

Qк – количество тепла в основном калорифере, Дж/с;

Qд – количество тепла в дополнительном калорифере, Дж/с;

Q
Рисунок 8.7 – К тепловому балансу сушки
п – потери тепла в окружающую среду, Дж/с.

В таблице 8.1 показаны приход и расход тепла.

Таблица 8.1 – К тепловому балансу сушки

Приход тепла

Расход тепла

1 Со свежим воздухом – L I0

1 С отработанным воздухом – L I2

2 С влажным материалом –



2 С высушенным материалом –



3 С транспортными устройствами –

3 С транспортными устройствами –

4 Подвод тепла в основном калорифере – Qк

4 Потери тепла в окружающую

среду – Qп

5 Подвод тепла в дополнительном калорифере – Qд


Тепловой баланс процесса сушки:



Из уравнения (8.11) можно определить количество теплоты, необходимое для высушивания материала:

(8.12)
Пояснения к формуле (8.12):

– тепло, вводимое в установку;

– тепло, идущее на нагрев воздуха в сушильной установке;

– тепло, затрачиваемое на нагрев материала;

– тепло, идущее на нагрев транспортных устройств;

– тепло, вносимое в сушилку с влагой, находящейся в высушиваемом материале;

Qп – потери в окружающую среду.

Каждый член уравнения (8.12) поделим на величину W и найдем удельное количество тепла, то есть количество тепла, отнесенное к 1 кг испаренной влаги:

. (8.13)

Отсюда найдем удельный расход тепла на нагрев в калорифере:

. (8.14)

Также можно записать тепловой баланс основного калорифера:

. (8.15)

Отсюда количество тепла в калорифере

, (8.16)

а, следовательно, удельный расход тепла в калорифере определится:

. (8.17)

Подставляя выражение (8.17) в уравнение (8.13), получим:

. (8.18)

Обозначив правую часть уравнения (8.18) через ?, запишем:

, (8.19)

а если учесть уравнение (8.10), то

. (8.20)

Уравнение (8.20) представляет собой внутренний баланс сушилки. Величина ? показывает разность между удельным подводом тепла в сушильную камеру (с дополнительным калорифером и с влагой) и удельным расходом тепла (с материалом, транспортными устройствами, потерями).

Очевидно, что уравнение (8.20) – линейное и величина ? в нем представляет наклон линии сушки.

В зависимости от значения ? линия реального сушильного процесса может занимать три возможных положения.

Р
Рисунок 8.8 – Построение различных

вариантов процесса сушки

на диаграмме «I–x»
ассмотрим изменение параметров сушильного агента по диаграмме «Ix» в процессе нагревания и сушки (рисунок 8.8).

Линия АВ на диаграмме показывает изменение параметров воздуха при его нагреве в калорифере, линии ВС, ВС1 и ВС2 – в сушильной камере при

? = 0, ? > 0, ? < 0 соответственно.

Сушка при ? = 0 (т.е. при постоянном значении энтальпии воздуха на входе и выходе из сушилки) возможна в двух случаях:

1) при так называемой теоретической сушке, когда процесс является адиабатическим, т.е. ;

2

Рисунок 8.9 – Изображение

основного процесса сушки

на диаграмме «I–x»
) при протекании реального процесса, когда удельные расходы теплоты на нагрев высушиваемого материала, транспортных устройств и удельные потери теплоты компенсируются подводом дополнительной теплоты и произведением . То есть Теоретическая сушка – это сушка при температуре 0оС без дополнительного подвода или отвода тепла (либо сушка при температуре 0оС, при которой все тепло, подводимое к сушилке, идет на испарение влаги, т.е. энтальпия воздуха не меняется: I=const). С испаренной влагой в воздух поступает столько тепла, сколько затрачено на ее испарение. Изображенный на рисунке 8.9 вариант сушки называется основным.

8.1.7 Схемы процессов сушки
8.1.7.1 Сушка с многократным промежуточным подогревом воздуха изображена на рисунке 8.10. На рисунке 8.11 показано построение процесса сушки на диаграмме «I–x».


Рисунок 8.10 – Схема сушки с многократным промежуточным

подогревом воздуха


Рисунок 8.11 – Построение процесса сушки с многократным

промежуточным подогревом на диаграмме «I–x».
8.1.7.2 Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха показана на рисунке 8.12.


Рисунок 8.12 – Схема сушки с частичным возвратом отработанного воздуха
8.1.8 Кинетика процесса сушки
Скорость сушки определяется с целью расчета продолжительности сушки.

И


Рисунок 8.13 – К определению

движущей силы процесса сушки
з рисунка 8.13 видно, что движущей силой процесса сушки является разность парциальных давлений вблизи поверхности материала и в окружающей среде.

Кинетика сушки характеризуется изменением средних значений влагосодержания материала и средних температур.

Скорость сушки зависит:

– от внутренней структуры материала, его теплофизических свойств, размеров, формы и состояния внешней поверхности;

– от параметров сушильного агента – его температуры, относительной влажности, скорости движения относительно материала.

Кинетика сушки характеризуется изменением во времени средней влажности, отнесенной к количеству абсолютно сухого материала (рисунок 8.14). Зависимость между влажностью материала и временем изображается кривой сушки, которую строят по опытным данным.

Данные о скорости сушки, полученные с помощью кривых сушки, изображаются в виде кривых скорости сушки, которые строят в координатах «скорость сушки – влажность материала».

В


Рисунок 8.14 – Кривая сушки материала
общем случае процесс сушки состоит из двух стадий: перемещения влаги из глубины к поверхности материала и испарения влаги с поверхности материала.

Под скоростью сушки понимают изменение влажности материала в единицу времени, т.е. первую производную функции , которая обычно рассматривается по абсолютной величине. Кривая скорости сушки, соответствующая кривой сушки, изображена на рисунке 8.15.

frame48

В зависимости от того, какая из стадий является лимитирующей, различают периоды внутренней и внешней диффузии. В начале сушки, когда влажность материала высокая, скорость процесса постоянна (ВС). Это объясняется тем, что испарение влаги с поверхности материала успевает компенсироваться ее подводом из глубины. Это первый период сушки, для которого характерны:

– постоянная скорость сушки;

– постоянная температура материала, которая равна температуре мокрого термометра. Температура мокрого термометра – когда температура испаряющейся жидкости соответствует температуре смоченного термометра (т.е. температура газа равна температуре жидкости).

Скорость первого периода сушки определяется по уравнению

, (8.21)

где F – поверхность испарения, м2;

? – коэффициент массоотдачи, м2/с.

Из уравнения (8.21) можно определить продолжительность сушки в первом периоде:

. (8.22)

В этом периоде скорость сушки определяется температурой сушильного агента, скоростью движения воздуха относительно материала и поверхностью материала.

По мере испарения влаги влажность материала уменьшается, при достижении значения хкр на поверхности материала появляются сухие места и скорость сушки начинает падать (второй период сушки).

Для второго периода сушки характерны: образование на поверхности сухих мест, углубление поверхности испарения внутрь материала, повышение температуры материала.

Скорость сушки во втором периоде определяется по уравнению

, (8.23)

где К – коэффициент скорости сушки;

х – текущее влагосодержание.

Из уравнения (8.23) продолжительность сушки во втором периоде

. (8.24)

Во втором периоде сушки скорость зависит от пористости материала, размера пор, температуры и влажности сушильного агента. Следовательно, чем мельче материал, тем быстрее идет сушка.

Общее время сушки будет складываться из продолжительности сушки в первом и втором периодах. Чем пористее материал, тем больше продолжительность сушки в первом периоде, чем больше толщина материала, тем больше продолжительность сушки во втором периоде.
8.1.9 Расчет сушилок
Для проектирования сушильной установки должны быть заданы:

1) конструкция сушилки;

2) вид сырого материала, подвергающегося сушке и сушильного агента;

3) производительность;

4) режим сушки (температура сушки, кривая сушки, скорость сушильного агента и др.);

5) начальная и конечная влажность материала.

Необходимо определить: основные физические параметры высушиваемого материала и сушильного агента, количество испаряемой влаги, расход воздуха на сушку, расход тепла, размеры сушилки.

Для определения поверхности сушилки вводится понятие напряжения сушилки по влаге – А. Напряжение сушилки по влаге может быть объемное и поверхностное .

В этом случае необходимо определить скорость, время, в зависимости от типа сушилки напряжение по влаге или (Аs, или Av), поверхность или объем сушилки.


8.2 Кристаллизация
Кристаллизация – процесс выделения твердой фазы из растворов, расплавов и паров.

Применяется с целью выделения твердой фазы, разделения веществ, очистки веществ и выращивания монокристаллов.

Кристаллизация состоит из двух основных стадий – образования зародышей кристаллов и роста кристаллов. Обе стадии протекают одновременно.

Если wобр > wрост, то получается большое количество мелких кристаллов, если wобр < wрост, то образуются кристаллы больших размеров.

Начало кристаллизации осуществляется в центрах кристаллизации, в качестве которых могут выступать механические примеси, шероховатость стенок.

Условие протекания процесса – пересыщение раствора, т.е. действительная концентрация раствора вещества должна быть выше равновесной.

Величина предельного пересыщения зависит от свойств растворенного вещества и растворителя, температуры раствора, скорости охлаждения, наличия примесей, механического воздействия.
8.2.1 Принципиальная схема кристаллизации
Принципиальная схема кристаллизации показана на рисунке 8.16.



Рисунок 8.16 – Принципиальная схема кристаллизации
8.2.2 Равновесие процесса кристаллизации
Кристаллизация – это процесс, обратный растворению. Зависи-мость между давлением и температурой при фазовом переходе в условиях кристаллизации определяется уравнением Клайпейрона  Клазиуса:

, (8.25)

где q – теплота кристаллизации;

V1 – удельный объем вещества в жидком состоянии;

V2 – удельный объем вещества в твердом состоянии.

В действительности вследствие увеличения плотности. Следовательно, , то есть давление, при котором совершается фазовый переход, увеличивается с увеличением температуры.

На рисунке 8.17 представлена диаграмма состояний «газ  жидкость  твердое тело».
Т


Рисунок 8.17 – Диаграмма состояний

«пар  жидкость  твердое тело»
очка А является тройной
: в этой точке в равновесии одновременно находятся газ, жидкость и твердое тело, что соответствует правилу фаз Гиббса.

Линия ОА является кривой сублимации и отражает условия пере-хода твердого тела в пар, минуя жидкое состояние.

Линия АК является кривой перехода жидкости в газообразное состояние. При температуре выше критической отсутсвует различие между газом и жидкостью.

Линия АВ отражает условия перехода жидкости в твердое состояние; продолжается безгранично в вверх.

Условия равновесия удобно иллюстрировать с помощью фазовых диаграмм в координатах «Сt» (рисунок 8.18).


Рисунок 8.18 – Зависимость равновесной концентрации (1)

и пересыщения (2) от температуры
Кривая 1 соответствует условиям растворимости вещества в зависимости от температуры; кривая 2 – условиям пересыщения. На диаграмме выделено три области:

I – зона до насыщенного раствора; пунктирной линией обозначено устойчивое состояние перенасыщенного раствора;

II – метастабильная зона (происходит рост кристаллов);

III – лабильная зона (зона неустойчивого состояния раствора, где из раствора мгновенно выпадают кристаллы).

Существует два метода создания перенасыщения:

1) изогидрический (количество растворителя не изменяется); эффективен для солей со значительной зависимостью растворимости от давления;

2) изотермический (испаряют растворитель, при постоянной температуре); растворимость не зависит от температуры.
8.2.3 Материальный баланс кристаллизации
Материальный баланс кристаллизации по общим потокам может быть представлен в виде

, (8.26)

где – расходы соотвественно исходного, маточного растворов и полученных кристаллов, кг/с;

– расход выпаренной воды, кг/с.

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу

, (8.27)

где а – отношение молекулярных масс безводной соли и кристаллогидрата; а = 1, если процесс проходит без присоединения воды.

Из материального баланса можно определить массу удаляемого растворителя:

; (8.28)

массу кристаллической фазы:

; (8.29)

массу кристаллической фазы без отгонки растворителя:

. (8.30)
8.2.4 Тепловой баланс кристаллизации
Целью расчета теплового баланса является определение расхода пара для отгонки растворителя.

Р


Рисунок 8.19 – К тепловому балансу

процесса кристаллизации
ассмотрим кристалл
-лизацию с отгонкой раство-рителя – Wi вт.п. (рисунок 8.19).

В аппарат поступает исходный раствор Gн с характеристикой снtн, из которого образуется кристал-лическая фаза Gкр, и в результате процесса остается маточный раствор Gк. Для отгонки растворителя пода-ется пар – Dг.п.. При протека-нии процесса кристаллиза-ции внутри аппарата выде-ляется некоторое количество теплоты  Gкрqкр.

Тепловой баланс про-цесса кристаллизации:

. (8.31)

8.2.5 Кинетика процесса
Как уже говорилось выше, процесс кристаллизации протекает в две стадии: образование центров кристаллов и рост кристаллов.

Кристаллизация идет с достаточной скоростью лишь в пересыщенных растворах. В подобных растворах на начальном этапе образуются «зародыши» кристаллов.

Начало и скорость образования кристаллов зависит от степени пересыщения, природы растворенного вещества и растворителя, наличия нерастворимой твердой фазы, наличия электрического поля.

Причина появления «зародышей» – флуктуация концентраций, в результате которой образуются «дозародыши» кристаллов, представ-ляющие собой скопления молекул или ионов растворенного вещества. При достижении некоторого критического размера «дозародышей» образуются зародыши кристаллов. Начиная с некоторого критического размера rкр в пределах от 0,5 до 5нм, начинается быстрый рост зародышей и образование большого числа полидисперсных кристаллов. Чем меньше критический размер кристалла, тем больше должна быть степень пересыщения раствора. Эта закономерность выражается следующим образом:

(8.32)

где с – действительная концентрация раствора на момент начала кристаллизации, кг/м3;

с* – равновесная концентрация (равновесная растворимость), кг/м3;

? – поверхностное натяжение, Н/м;

М – молекулярная масса кристаллов;

?т – плотность кристаллов, кг/м3.

Отношение называется степенью пересыщения.

На стадии роста кристаллов происходит образование крупных кристаллов за счет массообмена с жидкой фазой.

Скорость обеих стадий можно повысить, увеличивая степень пересыщения, увеличивая температуру, используя интенсивное перемешивание, добавляя нерастворимые твердые частицы.

Рост самого кристалла протекает в две стадии:

1) диффузионная – подвод растворенного вещества к поверхности зародыша. Скорость этой стадии определяется по уравнению

, (8.33)

где G – масса кристаллической фазы, кг;

?с – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе;

с – концентрация вещества в объеме раствора, кг/м3;

сп – концентрация вещества у поверхности кристалла, кг/м3;

2) рост кристалла. Скорость этой стадии определяется:

, (8.34)

где ?т – коэффициент массоотдачи в твердой фазе;

с* – концентрация насыщения, кг/м3.

Если скорость одной из стадий будет велика, следовательно, вторая стадия будет лимитировать процесс.

В случае соизмеримых скоростей процессов в сплошной и дисперсной фазах общая скорость процесса определится по уравнению массопередачи:

, (8.35)

где – коэффициент массопередачи при кристаллизации.
1   2   3   4   5   6   7   8


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