ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии

 

 

УДК 66.011; 663; 664

 

 

B.C. САЛЬНИКОВ

 

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

 

 

Курс лекций для студентов 3-го курса /6-й семестр/

специальности 170600 "Машины и аппараты пищевых

производств", направление 551800 "Технологические

машины и оборудование".

 

 

ПАХТ. 46. 170600. 551800. КЛ

 

 

Ярославль – 2002 год.

ВВОДНЫЙ РАЗДЕЛ

РЕЙТИНГ

посещаемости и успеваемости на 6-й семестр

Посещаемость: 38 + 12 + 20 = 70

Отчеты по лабораторным работам: 5 x 20 = 100

Реферат /по желанию студента/: 50 /печатный 60/

Итого: 70 + 100 + 50 = 220

Автоматический кафедральный зачет, собеседование и освобождение
от экзамена с оценкой:

220-210 – отлично, 200-190 – хорошо.

Кафедральный зачет – 140-150.

 

ТЕМАТИКА ЛЕКЦИЙ – 38 ч.

 

1. Вводная – 4 ч.
2. Гидромеханические процессы – 8 ч.
3. Тепловые процессы – 10 ч.
4. Массообменные процессы – 16 ч.

 

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ – 8 ч.

 

1. Классификация, общая теория – 2 ч.
2. Фильтрование – 2 ч.
3. Псевдоожижение – 2 ч.
4. Перемешивание – 2 ч.

 

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ – 10 ч.

 

1. Основы расчета теплообменника – 4 ч.
2. Выпаривание – 6 ч.

 

МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ – 16 ч.

1. Основы массопередачи – 4 ч.
2. Перегонка – 2 ч.
3. Ректификация – 4 ч.
4. Сушка – 6 ч.

ТЕМАТИКА

 

ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ – 12 ч.

 

1. Расчет 3-х корпусной прямоточной выпарной установки – 4 ч.
2. Расчет ректификационной установки непрерывного действия для
   разделения бинарной смеси – 4 ч.
3. Расчет конвективных сушилок: кипящего слоя и барабанной с применением топочных газов в качестве агента – 4 ч.

 

ТЕМАТИКА

ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ – 20 ч.

 

1. № 28 – Фильтрование – 4 ч.
2. № 27 – Псевдоожижение – 4 ч.
3. № 21 – Механическое перемешивание – 4 ч.
4. № 23 – Испытание теплообменника – 4 ч.
5. № 24 – Кинетика конвективной сушки – 4 ч.

Содержание и выполнение курсового проекта

 

Целью проектирования является завершающая проверка освоения курса студентами, осуществляемая в процессе их самостоятельной инженерной работы.

Курсовой проект включает расчет типовой установки (выпарной, сушильной, ректификационной) и ее графическое оформление. Расчетно-пояснительная записка содержит описание схемы установки, конструкции аппаратов, материальные, тепловые, конструктивные и механические расчеты, мероприятия по технике безопасности, список использованной литературы. Объем записки составляет 20-40 машинописных страниц. Выполнение расчетов предполагает использование вычислительной техники.

Графическая часть курсового проекта состоит из чертежа общего вида установки в 2-3 проекциях и чертежа основного аппарата с разрезами и узлами, выполненными на листах формата А1.

В период работы студенты знакомятся с действующими ГОСТами, пользуются справочной литературой, приобретают навыки выбора аппаратуры.

Содержание самостоятельной работы студента

Самостоятельная работа состоит в систематической проработке лекционного курса, самостоятельном изучении отдельных разделов и тем курса, освоении вопросов, выносимых на самостоятельное изучение и оформление лабораторных работ, выполнении и оформлении курсовых проектов, подготовке к зачетам и экзаменам.

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., Химия, 1987.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1973.

Дополнительная:

1. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. М., Агропромиздат, 1985.
2. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Хи­мия, 1981.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., Химия, 1987.
4. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Посо­бие по проектированию. М., Химия, 1983.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КУРСА

 

Отдельные технологические процессы: фильтрование, выпаривание, сушка и др. – были известны человечеству еще в глубокой древности и применялись исключительно для пищевых целей. Применялась весьма примитивная аппаратура. Но ПАПП являются родоначальником и исторически сложились ранее ПАХТ.

Понятие "глубокая древность" является в значительной мере относительным. У археологов нет пока стройной системы происхождения человека. Известно, что скелет самого древнего человека найден в Африке. Возраст скелета составляет 5 млн. лет. Однако появление культуры земледелия и скотоводства, связанной с разнообразными орудиями труда и предметами быта, относят обычно к концу ледникового периода, т.е. 75-100 тыс. лет назад. Это время мы и будем называть "глубокой древностью".

Существенное влияние на развитие ПАПП оказали сахарная и винокуренная промышленности. Первоначально сырьем для производства сахара служил сахарный тростник /родина – Индия, Китай, Океания/. Еще в древности на территории Индии получали сладкий сироп /выпаривание/. Твердый сахар /кристаллизация/, по-видимому, научились делать арабы 800 лет назад. Колумб привез черенки сахарного тростника на Антильские острова. После этого Куба и Пуэрто-Рико стали главными центрами производства сахара в мире.

В конце 18 века в России начались поиски заменителей сахарного тростника, которые увенчались открытием сахарной свеклы. Первый свеклосахарный завод был построен в России в 1802 году. Примерно в это же время возник первый завод в Германии, а спустя несколько лет – во Франции. В 1812 году был создан промышленный вакуум-выпарной аппарат, в 1820 г. – фильтрпресс.

В конце ледникового периода люди стали жить в стойбищах /деревянные и каменные поселения/. Когда мужчины охотились, женщины и дети собирали в окрестностях съедобные ягоды, плоды, коренья и травы. Излишки плодов и ягод складывали в глиняные ямки, прокаленные огнем. Через месяц хранения при температуре 25-30 °С за счет естественного брожения из плодов и ягод получалось сухое вино. Этот напиток избавил людей от многих кишечных заболеваний и способствовал продлению жизни /в среднем она составляла 30-35 лет/. Открытие алкоголя привело к созданию особой культуры человечества – виноделию. 7 тыс. лет назад в древнем Египте производство вина из винограда уже было поставлено на поток, в Китае – 5 тыс. лет назад. Применялись керамические и деревянные сосуды.

Первые попытки перегонки сухого вина были предприняты в древнем Египте /Александрия/ монахом по имени Зосима де Панополис. В 1334 году алхимик из Прованса /Франция/ Арно де Вилльнев получил дистилляцией винный спирт.

На Руси испокон веков готовили медовые пиво и брагу. Производство этой "медовухи" сохранилось до сих пор в Суздале. В 14 веке монах Исидор "подсмотрел" за границей устройство самогонного аппарата и соорудил такой жe в подмосковном монастыре. Для приготовления бражки стали применять зерно /пшеница, рожь, ячмень, овес/ и дрожжи /в Германии – картофель, в Швеции – целлюлоза/. В 1813 году была создана промышленная ректификационная колонна.

Нефть и горючие газы были известны людям с древнейших времен. Нефтью заполняли светильники, зажигательные бомбы, а в древнем Египте бальзамировали умерших. Перегонка, заимствованная из винокуренной промышленности, существенно повлияла на нефтепереработку. Промышленная переработка нефти появилась в 18 веке. Так, в 1745 году в Печорском крае на реке Ухте Федор Прядунов на заводе купца Набатова ежегодно вырабатывал 20 тыс. литров очищенного керосина. В Германии керосин получен из нефти в 1830 г. /Рейхенбах/, в США – 1858 г. /полковник Дрэк/.

Переработка нефти по сути сформировала химическую технологию. Привлекая значительные материальные ресурсы и научные кадры, ХТ в 20 веке стала доминирующей. Сама ХТ в свою очередь стала подразделяться на отдельные направления, отрасли: основной органический синтез /ООС/, технология синтетического каучука /СК/, лакокраска и др. Пищевая и химико-фармацевтическая промышленности стали составной частью ХТ. Например, барабанные сушилки, разработанные ХТ, могут быть использованы для сушки и кварцевого, и сахарного песка.

Ледниковый период, остатки которого наблюдаются и сейчас, являясь по сути природным холодильником, способствовал сохранению скоропортящихся продуктов: мясо, птица, рыба и др. – и, как ни странно, выживанию человечества. Туша мамонта, добытого летом, могла прокормить людей максимум в течение недели, далее мясо портилось. Зимой эта же туша могла прокормить людей в течение нескольких месяцев. До сих пор в некоторых хозяйствах заготовляют лед зимой, а летом держат его в подполье для сохранения продуктов. В слое вечной мерзлоты /тундра/ созданы специальные хранилища, в которых в течение года государство хранит стратегические запасы мяса.

По мнению отечественного астронома проф. И.С. Шкловского /Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – 1984, с.146/ Земля переживает ледниковый период, который длится уже 2 млн. лет, а обычная длительность ледниковых периодов /они происходят каждые 200-300 млн. лет/ составляет 10 млн. лет. Сейчас мы имеем короткую передышку /15 тыс. лет/, но уже в этом веке астрономы ожидают резкое похолодание климата Земли. Парниковый эффект, возможно придуманный для назидания, расчетами не подтверждается.

Для переработки нефти природный холодильник оказался совершенно недостаточным. Нужно было конденсировать пары легколетучих углеводо­родов и сжижать газы. Потребовалось искусственное охлаждение. В 1845 году создается воздушная холодильная машина, в 1874 г. – парокомпрессионная, в 1895 г. появляется глубокое охлаждение /жидким азотом/. Пищевая промышленность не осталась без внимания ХТ: сейчас трудно найти пищевое или торговое предприятие, где бы не было парокомпрессионной холодильной машины /глубокое охлаждение тоже исполь­зуется для быстрого замораживания пищевых продуктов/.

Химическая технология в значительной мере работает на пищевую промышленность, например, поставляет сельскому хозяйству: горючесма­зочные материалы, минеральные удобрения /к сожалению, в России в настоящее время 85% удобрений идут на экспорт/, гербициды /от сорня­ков/, инсектициды /от вредных насекомых, удивительно, люди совсем забыли саранчу, а она вдруг объявилась летом 2001 года сначала в Казахстане, затем перекинулась на Дагестан и Ставропольский край/, микроэлементы роста растений и др.

Если царская Россия была в основном сельскохозяйственной стра­ной и экспортировала зерно /англичане до сих пор предпочитают черный хлеб, испеченный из русской ржи/, а также другие продукты, то в настоящее время Россия импортирует /ввозит/: мяса 34%, молоко и молочных продуктов 20%_, сахар 70%, растительное масло 41%.

Недостаточность сельского хозяйства по обеспечению продуктами питания породила стремление по созданию искусственной пищи. Начало было положено химической технологией в 19 веке.

В 1854 г. Бертело /Бертло/ синтезировал жиры /глицерин + жирные кислоты/. В годы второй мировой войны в Германии был построен завод по производству десятков тыс. тонн заменителя сливочного масла /маргарина/. В настоящее время маргарин вырабатывается также из раститель­ного масла. Натуральное сливочное масло дороже маргарина в несколько раз. Парадокс состоит в том, что, как показала проверка, опубликован­ная в СМИ, в России сейчас остались только два вида вологодского натурального сливочного масла. Все остальное масло является маргарином, но продается по цене натурального сливочного масла.

Первый синтез сахара осуществил отечественный ученый А.М. Бутле­ров в 1861 году /параформальдегид + щелочь = сахар, близкий к глюкозе/. Синтез виноградного сахара, который встречается в природе /α – глюко­за/ был выполнен в 1890 году Эмилем Фишером /из глицерина/. Глицерин применяется также как косметическое средство и пищевая добавка.

С синтезом белков дело оказалось значительно сложнее и задача до сих пор далека от решения. Ученые-химики пошли по пути расщепления природных белков на аминокислоты, изучения структуры и синтеза последних, затем их объединение в белковые молекулы. Первая аминокисло­та – глицин – была получена Браконно в 1820 году /Л. и М. Физер. Органическая химия. – 1949, с. 359/. С тех пор изучено несколько десятков аминокислот, некоторые из них синтезированы. Получены белковоподобные вещества /пластеины/ с молекулярной массой 100 тыс. и более. Природные белки имеют мол. массу в несколько миллионов /протеины/. Работы получили химико-фармацевтическое и медицинское направление. В результате были развиты: ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, экстракция /последняя входит в дисциплину ПАПП/. Канадским ученым Бантингу и Маклеоду за открытие инсулина /1921 г./ была присуждена Нобелевская премия. Однако гормональные белки /например, инсулин, тироксин, адреналин/, полученные синтетически, пока еще во многом уступают природным белкам, получаемым экстракцией из туши быка /поджелудочная и щитовидная железы, кора надпочечников/. Поэтому в дальнейшем мясокомбинату целесообразно иметь дополнительный цех в виде фармацевтической фабрики, т.к. лекарственные препараты, получа­емые из туши быка, по стоимости намного превосходят стоимость самого быка.

Для массового производства после второй мировой воины был создан кормовой белок из нефти и древесины. В последнее время все большее внимание пищевиков привлекает соя. Зерно сои содержит: 24-45% белка, 13-27% жира, 20-32% крахмала. Приготовление из сои молока и сыра /трудно отличить от коровьего/ было известно китайцам в глубокой древности. И опять казус: соевый белок, обработанный и сформированный в волокна, которые объединяются в кусочки "мяса", в настоящее время продается в консервных банках с этикеткой "говядина" и по цене говядины.

Этиловый спирт /этанол/ является важным сырьем в производствах ООС и СК. В 19 веке этанол получали спиртовым брожением, о котором уже говорилось. В 1855 г. Бертло в лабораторных условиях получил этанол сернокислотным методом гидратации этилена. В промышленности метод был осуществлен в 1919 г. /СССР – 1933 г./. В 1948 г. в США и СССР был осуществлен промышленный синтез этанола прямой гидратацией этилена /температура 290-300 °С, давление 7-8 МПа, катализатор – фосфорная кислота. Технический этанол, полученный по этому методу, содержит до 2% диэтилового эфира /температура кипения 34,5 °С, обладает приятным запахом. Последний очень токсичен: вызывает потерю сознания и может привести к внезапной остановке сердца. В последнее время технический спирт рекой хлынул в пищевую промышленность /был обнаружен даже на Ярославском ликероводочном комбинате/. В резуль­тате ежегодно в России от напитков с техническим спиртом погибает несколько десятков тысяч человек.

Таким образом, химическая промышленность, имеющая в основном крупнотоннажные производства, в настоящее время, а тем более в будущем, в состоянии обеспечить пищевую промышленность миллионами и миллионами тонн ежегодно синтетическим пищевым сырьем: жиры, углеводы, белки. По мнению врачей, искусственная пища не может полностью заменить пищу из натуральных природных продуктов, т.к. миллионы лет эволюции наилучшим образом приспособили человеческий организм именно к последней пище. Доказано, что отсутствие в пище природных белков /мясо, птица, рыба, молочные продукты и др./ приводит к истощению человеческого организма и даже к летальному исходу. Поэтому врачи выступают против вегетарианства и всякого рода "постов". Фальсификация природных пищевых продуктов, которая наблюдается в последнее время, должна преследоваться по закону.

Обобщение производственного опыта по химической и смежным технологиям относится к началу 19 века. В России в 1828 году проф. Ф.А. Денисов опубликовал труд под названием "Пространное руководство к общей технологии...", в котором выразил идею об общности ряда основ­ных процессов и аппаратов. В конце 90-х годов 19 века проф. Александр Кириллович Крупский ввел в Петербургском технологическом институте учебную дисциплину по расчету и проектированию основных процессов и аппаратов. В 1909 году А.К. Крупский опубликовал книгу под назва­нием "Начальные главы учения о проектировании по химической технологии", которая по существу является первым учебником по дисциплине ПАХТ. В 1912 году проф. Иван Александрович Тищенко ввел на химическом факультете МВТУ курс ПАХТ в качестве самостоятельной дисциплины.

В США только в 1923 году вышел в свет труд Уокера, Льюиса и Мак-Адамса под названием "Принципы науки о процессах и аппаратах". В качестве учебника в США в 1931 году вышла книга В. Бэджера и В. Мак-Кэба "Основные процессы и аппараты химических производств".

Большой вклад в разработку отдельных разделов науки о процессах
и аппаратах внесли отечественные ученые И.А. Тищенко /теория расчета
выпарных аппаратов/, Д.П. Коновалов /основы теории перегонки жидких
смесей/, Л.Ф. Фокин и К.Ф. Павлов /оригинальные и глубокие по содер­жанию монографии/. Далее идеи курса развивались отечественными учеными: A.M. Трегубовым, С.Н. Обрядчиковым, А.Г. Касаткиным, Н.М. Жаворонковым, А.В. Лыковым /ярославец, окончил ЯГПИ им. Ушиского/, П.Г. Романковым, А.Н. Длановским, Н.И. Гельпериным, В.Н. Стабниковым, В.В. Кафаровым и др.

Следует отметить труды проф. В.Н. Стабникова /Киевский пищевой институт/, автора учебника по дисциплине ПАПП.

1. Стабников В.Н., Харин С.Е. Теоретические основы перегонки и ректификации спирта. – Пищепромиздат, М., 1951.
2. Стабников В.Н. Ректификационные аппараты. – М.: Машгиз, 1965.
3. Стабников В.Н., Попов В.Д., Редько Ф.А., Лысянский В.М. Процессы
   и аппараты пищевых производств. – М.: Пищепромгиз, 1966.
4. Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств
   ректификационных и абсорбционных аппаратов. – Киев, Техника, 1970.
5. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты
   пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1985.

ПРЕДМЕТ КУРСА И ЕГО ЗАДАЧИ

 

Процессы и аппараты, общие для пищевой, химической, химико-фармацевтической и других смежных отраслей промышленности, получили название основных процессов и аппаратов.

Изучение теории основных процессов, принципов устройства и методов расчета аппаратов и машин составляет предмет и задачу курса.

Одной из задач курса является выявление общих закономерностей протекания различных процессов, например, для переноса вещества и тепла.

В курсе рассматриваются закономерности перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным, т.е. проблемы моделирования.

В курсе изучается так называемая макрокинетика, связанная с види­мым, массовым движением вещества: струйки, капли, пузырьки, твердые частицы и др. При этом только для объяснения некоторых явлений ис­пользуется микрокинетика, т.е. движение вещества на молекулярном уровне.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

 

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, последние классифицируются:

1. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ – смешение и разделение неоднородных газовых и жидких систем.
2. ТЕПЛОВЫЕ – перенос тепла от одного теплоносителя к другому.
3. МАССООБМЕННЫЕ – перенес /преимущественный/ вещества из одной фазы в другую для достижения равновесия.

 

В курс также входят холодильные, механические и химические процессы. Но для данной специальности они рассматриваются в других дисциплинах.

По организационно-технической структуре процессы можно разделить на периодические /нестационарные/ и непрерывные /стационарные/.

В периодическом процессе отдельные его стадии /например, нагревание – кипение – охлаждение/ осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Экономически эти процессы целесообразны в производствах мелкого масштаба при разнообразном ассортименте выпускаемой продукции, что типично для пищевой промышленности.

В непрерывном процессе отдельные его стадии осуществляются одновременно, но в разных аппаратах /подогреватель – кипятильник – холодильник/. Экономически выгодны в средне- и крупнотоннажных произ­водствах /выпаривание/, позволяя провести механизацию и автоматизацию, а также применить стандартную аппаратуру.

ОБЩАЯ СХЕМА

ИССЛЕДОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ И РАСЧЕТА АППАРАТУРЫ

 

1. На основе законов статики устанавливают начальные и конечные значения параметров процесса и направление его течения.
2. На основе закона сохранения материи составляют материальный баланс.
3. На основе закона сохранения энергии составляют энергетический /тепловой/ баланс.
4. На основе законов кинетики устанавливают движущую силу и коэффициент скорости процесса.
5. По полученным данным определяют основной размер аппарата.
6. Рассчитывают несколько вариантов аппаратуры и на основе технико-экономического анализа определяют оптимальный вариант.

 

Законы статики и кинетики, сохранения материи и энергии, являясь фундаментальными законами природы, по сути сформировали дисциплину ПАПП в качестве науки. Наука отличается от других "учений" тем, что ответ на нарушение закона на каком-либо производстве следует незамедлительно: авария, пожар, взрыв, катастрофа и т.д. Во избежание этого техника безопасности /ТБ/ проходит через весь курс ПАПП. Рассмотрим изложенные выше пункты схемы чуть более подробно.

 

1. СТАТИКА ПРОЦЕССОВ

 

Любой процесс протекает до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия. Статика рассматривает процесс в состоянии равновесия.

Различают гидростатику /учение о равновесии жидкостей/, а также тепловое, фазовое и химическое равновесие.

Например, фазовое или диффузионное равновесие для насыщенных растворов в воде при 100 °С /растворимость/:

поваренная соль /хлористый натрий/ – 39,8 г/100 г воды; 28,5% мас.

сахар – 487 г/100 г воды; 83% масс.

 

2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

 

В общем виде его можно записать так:

 

/1/

 

где – количество веществ, поступающих на переработку;

– количество веществ, полученных в результате переработки

Современные технологии должны предусматривать, что потерь и отходов не должно быть /безотходные технологии/. Но пока они есть.

Отходы в пищевой промышленности обычно используются для откорма животных /дополнительный цех/.

Потери химической промышленности довольно часто отравляют окружающую среду, в том числе и население. Например, Ярославский НПЗ /Славнефть/ ежегодно "теряет" в атмосферу 100 тыс. т углеводородов. В 1999 году выбросы загрязняющих веществ /не только от химической промышленности/ в атмосферу города Ярославля составили 270 тыс. т.

Из Западной Европы с попутным ветром в Россию ежегодно поступает 2 млн. т сернистого газа и 10 млн. т сульфатов.

 

3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ /ТЕПЛОВОЙ/ БАЛАНС

 

В общем виде записывается так:

 

/2/

 

где – тепло, поступающее с исходными веществами,

– тепловой эффект процесса,

– тепло, уходящее с конечными продуктами,

– потери тепла в окружающую среду.

Потери тепла неизбежны; но они должны быть сведены к минимуму /подбор тепловой изоляции/ или утилизированы /тепловые потери аппаратов учитываются в системе отопления цеха/. Одним из лучших теплоизоляторов считается стекловолокно /маты/, плотность 120-200 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,04 Вт/м.°С, которое к тому же явля­ется надежной защитой от грызунов.

Потери тепла в виде "дымовой завесы" от печей, котельных и тепловых электростанций /ТЭС/ связаны с загрязнением окружающей среды. Так, ТЭС, работающие на каменном угле, на 1 млн. кВт-ч выра­батываемой электроэнергии выбрасывают в атмосферу: 15 т сернистого газа, 10 т золы и 3 т оксидов азота.

Дисциплина ПАПП имеет обширный арсенал аппаратуры для очистки /до ПДК – предельно допустимая концентрация/ дымовых газов от пыли и вредных газовых компонентов, а также для утилизации из них тепла: аппараты пылегазоочистки, контактные теплообменники, абсорберы, адсорберы и др.

 

4. КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ

 

Кинетика рассматривает процессы в их развитии, в их стремлении к состоянию равновесия.

– Степень отклонения системы от состояния равновесия выражает движущую силу процесса.

Для процессов дисциплины ПАПП применима основная кинетическая закономерность:

– Скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.

Для механических и химических процессов эта закономерность не применяется. Но эти процессы подчас находятся на производстве в одной технологической линии с основными процессами, например, сахарную свеклу перед выщелачиванием измельчают или шинкуют. Поэтому в некоторых вузах указанные процессы вводят в дисциплину ПАПП.

Для гидромеханических процессов основная кинетическая законо­мерность принимает вид:

/3/

 

где V – объем протекающей жидкости, м³,

S – сечение аппарата, м²,

τ – время, с,

ρ – плотность жидкости, кг/м³,

g = 9,81 м/с²,

R_Г – гидравлическое сопротивление, кг/м².с,

K_Г– коэффициент скорости, м².с/кг,

ΔH_d – разность полных гидродинамических напоров, м.

Последняя величина определяется по уравнению Бернулли:

/4/

В учебной и технической литературе за гидравлическое сопротив­ление часто ошибочно принимаются потери напора в аппарате /Δp_n или h_n /.

Для тепловых процессов кинетическое уравнение записывается:

/5/

где Q – количество переданного тепла, Дж,

F – поверхность теплопередачи, м²,

Δt – разность температур между теплоносителями, К или °С,

R – термическое сопротивление, м² .К/Вт,

K – коэффициент теплопередачи, Вт/м² .К.

Для массообменных процессов:

/6/

где М – количество вещества, перенесенного из одной фазы в другую, кг или кмоль,

F – поверхность контакта фаз /массопередачи/, м²,

K_Y – коэффициент массопередачи, кг/м².c. ,

R_Y – диффузионное сопротивление, м².с. /кг,

ΔY – разность между равновесной и рабочей /или наоборот/ концент­рациями для одной из фаз, кг А/кг В – относительные массовые доли, или кмоль А/кмоль В – относительные мольные доли.

 

Например, если для растворения сахара при 100 °С принимается чистая вода /Y=0/, то в начальный момент времени движущая сила процесса растворения составит:

ΔY = Y_нас. – Y = 487/100 – 0 = 4,87 отн. мас. долей.

 

5. ОСНОВНОЙ РАЗМЕР АППАРАТА

 

Определяется из интегрального вида уравнений /3, 5, 6/, например, из уравнения /5/, т.е. из основного уравнения теплопередачи:

/7/

где Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт,

Δt_ср – средняя разность температур между теплоносителями, К или °С.

По основному размеру аппарат принимается по каталогу /стандарт­ный/ или разрабатывается конструктивно /нестандартный/.

 

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

 

Расчеты по этой теме обычно бывают очень громоздкими, поэтому проводятся с применением ЭВМ. Так, для расчета теплообменника возможны 264 варианта.

Прежде всего принимается критерий оптимальности. Таких крите­риев может быть несколько: экономические /удельная себестоимость продукции, прибыль производства и др./, производственные /произво­дительность, качество продукта и др./ и т.д. Оптимальный вариант принимается по максимуму или минимуму критерия оптимальности. При выборе вариантов, помимо всего прочего /например, тип теп­лоносителя, его начальная температура и др./, учитываются:

а/ материал аппарата должен соответствовать требованиям техники безопасности – почность, антикоррозийность, безвредность;

б/ адаптация человека /эргономика/;

в/ эстетические требования;

г/ экологические требования.

 

МАТЕРИАЛЫ

 

А. Металлы

 

Следует избегать контакта с пищевыми продуктами таких металлов, как Fe, Аl, Сu, Zn, Cd, Ni, Ti, которые используются до сих пор самостоятельно или в виде покрытий.

Токсичность указанных выше металлов.

/Грушко Я.M., Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Справ. изд. – Л.: Химия, 1987. – 192 с./

 

1. Al – алюминий /температура плавления 660,4 °С, плотность 2699 кг/м³/.

Вызывает пневмосклероз, алюминоз, поражение печени, дерматит, acтму, изменения в тканях глаза.

Перед такой "перспективой" возникает желание собрать всю домашнюю алюминиевую посуду и сдать ее в металлолом.

1. Fe – железо /1539 °С, 7870 кг/м³/.

Отставание в росте, изменения в легких, раздражающее действие /глаза, слизистые оболочки/, канцерогенное действие.

1. Сd – кадмий / 321,1 °С, 8650 кг/м³/.

Головокружение, головная боль, слюнотечение, кашель, рвота, носовое кровотечение, прободение носовой перегородки, металлический вкус во рту, желто-золотистое окрашивание десен – "кадмиевая кайма", эмфизема и фиброз легких, поражение костей, канцерогенное, мутагенное и тератогенное действие.

1. Сu – медь /1084,5 °С, 8960 кг/м³/.

Мутагенное действие, головная боль, головокружение, слабость, боли в мышцах, нарушение функции печени и почек, раздражает кожу и глаза, изъявление носовой перегородки и роговицы глаза, расстройства нервной системы, сладкий вкус во рту, повышение температуры тела до 38-39 °С, "медная лихорадка".

1. Ag – серебро /261,9 °С, 10500 кг/м³/.

Пигментация кожи и слизистых оболочек.

1. Zn – цинк /419,5 °С, 7130 кг/м³/.

Канцерогенное действие, сладкий вкус во рту, сухость в горле, кашель, тошнота рвота, раздражение кожи и слизистых оболочек, бессонница, похудение, ослабление памяти, потливость, малокровие, кровоизлияния, отек легких.

Пауза. Реклама автомобиля ИЖ: "А кузов-то – с оцинковкой. Будете ездить со сладким вкусом во рту...".

1. Ni – никель /1455 °С, 8900 кг/м³/.

Канцерогенное, мутагенное и тератогенное действие.

1. Ti – титан /1665 °С, 4320 кг/м³/.

Канцерогенное действие.

 

Рекомендуются:

/Малахов А.И., Андреев Н.Х. Конструкционные материалы химической аппаратуры. – М.: Химия, 1978. – 224 с./

а/ Коррозионно-стойкие /нержавеющие/ конструкционные стали.

Например, сталь 2Х13 /0,2% углерода, 13% хрома/, термостойкость до 600 °С, предел прочности 850 МПа.

б/ Обычные углеродистые стали ст.2 и ст.З с покрытием:

– оловом, Sn, /231,9 °С, 5850 кг/м³/, жесть, консервные банки.

– эмалями на основе кремнийорганических соединений /плотность эмалей 2100-2500 кг/м³, термостойкость до 300 °С, предел прочности на сжатие 600 МПа.

– тефлоном /полимер CF₂=CFCl или фторопласт 3/, плотность 2100-2160 кг/м³, термостойкость до 210 °С, предел прочности при растяжении 35-40 МПа.

 

Б. Силикатные материалы

 

Данные сведены в таблицу 1.

 

Таблица 1.

Материал	Плотность кг/м3	Предел прочности при сжатии МПа	Предельная температура °С
Кварцевое стекло
Боросиликатное стекло	2200-2400	600-1300	300-400
Ситаллы	2500-2700	450-880	600-900
Фарфор	2300-2500	450-500

 

Следует обратить особое внимание на ситаллы – материалы будущего. Ситалл – прозрачный, коррозионно-стойкий материал, по прочности превосходящий обычную углеродистую сталь, а по плотности гораздо легче ее /на уровне алюминия/. В последнее время из ситалла изготовляют аппаратуру /включая трубопроводы/ для цеха по переработке молока, ректификационные колонны /пока небольшой производительности/ и др.

 

В. Полимерные материалы

 

1. Фторопласт 4 – полимер тетрафторэтилена, плотность 2160-2260 кг/м³, предел прочности при растяжении 14-25 MПa, предельная температура 327 °С /трубы, арматура, прокладки и др./.

2. Фторкаучук /условное название резины, содержащей фторкаучук и до 30% мас. наполнителя – кремнекислота, вулканизация проводится с применением диаминов/ – плотность 1800-1900 кг/м³, предел прочности на растяжение 20-25 МПа, предельная температура 200-250 °С /шланги, ленты, прокладки и др./.

 

Г. Другие материалы

 

В этой рубрике следует отметить материалы, которые не являются конструкционными для промышленности, но очень широко используются в артельных производствах /виноделие, квашение и др./, а также для изготовления бытовой утвари.

1. Дерево – плотность сырой древесины 300-900 кг/м³, предел прочности на сжатие: пихта – 47, дуб – 65 МПа; термостойкость до 150 °C, температура вспышки /при внесении огня/ 230-260 °С, температура самовоспламенения: /нагревание без огня/ около 400 °С.

В настоящее время примерно треть земной суши покрыта лесами, но только 11% лесного покрова Земли можно назвать лесными угодьями, т.е. используются. Человек научился обрабатывать древесину более 10 тыс. лет назад. На Руси испокон веков были развиты ремесла по обработке дерева /чаны, бочки, кадки, посуда и др./. Некоторые ремесла дошли до наших дней и вышли на уровень искусства, например, производство деревянной посуды с яркой лаковой росписью /Хохлома/, которая имеет большой спрос, особенно у иностранцев.

1. Керамика /фаянс/ – обожженная смесь гончарной глины, кварцевого песка, полевого шпата и др., покрытая глазурью. Температура обжига 1250-1300 °С, плотность 1800-1900 кг/м³, предел прочности при сжатии 100-130 МПа.

Археологические раскопки у села Триполье Киевской области показали, что по крайней мере 6 тыс. лет назад человек знал гончарное ремесло. Изготовлялись: кувшины, вазы, чаши, посуда, плитки и др. В настоящее время производство фаянсовых изделий /посуда, сантехника, плитка и др./ осуществляется на промышленной основе.

 

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

 

Для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением, должен быть представлен расчет на прочность по формуле Госгортехнадзора. Толщина стенки аппарата:

мм /8/

где D_в – внутренний диаметр аппарата, мм,

p – расчетное давление, МПа /1,03-1,1 от номинального/,

φ – поправочный коэффициент прочности сварного шва /1,0-0,8/,

С – прибавка на коррозию, мм,

σ _доп – допустимое напряжение, МПа.

 

Для аппаратов, расположенных на открытом воздухе, проводится расчет на ветровую нагрузку. Скорость ветра принимается 45 м/с /скорость урагана 33 м/с/. Для вращающихся барабанов, имеющих две опоры, осуществляется расчет на изгиб. Для решеток, работающих под нагрузкой, представляется расчет на срез.

ЭРГОНОМИКА, ЭСТЕТИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

 

Эргономика – наука, занимающаяся изучением взаимной адаптации человека и машины. Эргономические показатели отражают взаимодей­ствие человека с техникой в комплексе гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических свойств человека.

Эргономика непосредственно связана с техникой безопасности, собственно, вышла из нее. При выборе вариантов аппаратуры, например, нужно предусматривать ограждения вращающихся деталей, удобство фор­мы и расположение рукояток управления, небольшие усилия для приведения их в действие. Между аппаратами должны быть достаточные проходы для удобства обслуживания и ремонта. Если аппараты располагаются на откры­том воздухе /выпаривание, ректификация/, то рабочее место оператора должно быть организовано рядом в помещении. Освещенность, температура и влажность воздуха на рабочем месте должны соответствовать стандарту /кондиционер/. Рабочее место должно быть защищено от запыленности, шума, вибрации, излучения, действия вредных веществ, иметь запасной выход для срочной эвакуации. Персонал снабжается спецодеждой /каска, куртка, брюки, сапоги, рукавицы, очки и др./, питьевой водой /допус­каются чай и кофе/, горячим душем и т.д.

Эстетические показатели характеризуют информационную выразитель­ность, рациональность формы, целостность композиции, совершенство исполнения аппаратов и машин. Немаловажное значение имеет цветовое оформление аппаратов и рабочего места.

Для умственной работы /ИТР/ рекомендуются оттенки холодного цвета /голубой, зеленый/, для физической работы – оранжевый, желтый. Желательно иметь цветы или декоративные растения на рабочем месте.

По технике безопасности принимается следующая окраска трубопро­водов:

водяной пар – красный,

вода очищенная – зеленый,

пожарный трубопровод – оранжевый,

техническая вода – черный.

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

 

Экология – отношение организмов между собой и с окружающей средой.

Экологические показатели – это уровень вредных воздействий на окружающую среду, которые возникают при эксплуатации оборудования, например, содержание вредных примесей, вероятность выбросов вредных частиц, газов, излучений и др.

В условиях платности природных ресурсов возникает и платность за загрязнение окружающей среды. В зависимости от величины загрязне­ния взимаются платежи за сбросы загрязняющих веществ. Величина пла­тежей устанавливается на основании проекта норм предельно допустимых сбросов /ПДС/ и выбросов /ПДВ/.

Интегральный показатель выбросов

 

/9/

где

К – коэффициент выполнения нормативов,

а – коэффициент значимости,

Р_б – базовые показатели,

P_i – фактическое значение показателей ПДВ и ПДС.

При K_i < 1 наблюдается низкий уровень работы предприятия и оно должно быть остановлено.

Зоологическая экспертиза проекта установки, цеха или предприятия проводится по Закону РФ "0б охране окружающей природной среды". Экспертиза проводится Министерством охраны окружающей среды, Минздравом, Санэпиднадзором.

Проект должен обеспечивать улавливание, утилизацию, обезвреживание вредных веществ и отходов, либо полное исключение выбросов загрязняющих веществ.

 

МАСШТАБНЫЙ ПЕРЕХОД И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Различают три основных вида моделирования процессов:

1/ физическое,

2/ математическое,

3/ элементное.

1/ Физическое моделирование

 

По этому методу исследование процесса с обработкой опытных данных последовательно проводят на физических моделях: лабораторная /стекло, емкость до 1 л/, пилотная /металл, до 100 л/, полупромышлен­ная /до 0,5 м³/, промышленная /5 м³ и более/. Метод очень громоздкий и длительный, но обеспечивает надежные результаты.

Физическое моделирование основано на теории подобия.

Определение. Явлениями, подобными друг другу, называются системы тел,

а/ геометрически подобные друг другу;

б/ в которых протекают процессы одинаковой природы;

в/ в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа

x´ = a_x · x´´ /10/

где a_x – константа подобия.

 

Сам по себе принцип "подобия" был известен человечеству в глу­бокой древности /наглядный пример – египетские пирамиды/. Однако теория подобия сформировалась только в 20 веке. Основу теории сос­тавляют три теоремы.

/Брайнес Я.M. Подобие и моделирование в химической и нефтехимической технологии. – М.: Гостоптехиздат, 1961. – 220 с./

1-я теорема. Жозеф Бертран, французский математик, 1848 г.

– У подобных явлений индикаторы подобия равны единице или критерии подобия численно одинаковы.

/Индикатор подобия – комплекс констант подобия, критерий подобия – безразмерный комплекс величин/.

2-я теорема. Т.А. Афанасьева-Эренфест, 1925 г., отеч. математик.

– Система уравнений, буквенно одинаковая для группы подобных явлений, может быть преобразована в критериальное уравнение.

3-я теорема. М.В. Кирпичев, А.А. Гухман, 1930 г., отеч. ученые.

– Для подобных явлений критерии подобия, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.

Условия однозначности включают:

 

а/ геометрические размеры системы;

б/ физические константы веществ;

в/ характеристика начального состояния системы;

г/ состояние системы на ее границах /граничное условие/.

Таким образом, применение теории подобия к исследованию и раз­работке процесса состоит в следующем.

1. Составление полного математического описания процесса, т.е. вывод дифференциального уравнения и постановка условий однозначности.

2. Проведение подобного преобразования дифференциального уравнения и условий однозначности, определение критериев подобия и об­щего вида критериального уравнения /метод анализа уравнений/.

3. Определение опытным путем на моделях конкретного вида критериального уравнения /физическое моделирование/.

 

Для сложных процессов, когда невозможно пока составить дифферен­циальное уравнение, критерии подобия получают на основе метода ана­лиза размерностей величин, влияющих на процесс /теоремы Бертрана и Букингэма/. Таким методом были, например, получены критерии меха­нического перемешивания.

Различают геометрическое, гидродинамическое, тепловое, диффузионное и химическое подобие.

 

Геометрическое подобие учитывается симплексами "Г", например, отношение длины трубопровода к диаметру.

Гидродинамическое подобие изучается в курсе гидравлики на примере подобного преобразования уравнения Навье-Стокса. Тепловое и диффузионное подобия рассматриваются в дисциплине ПАПП.

Вспомним критериальное уравнение гидродинамики:

 

/11/

 

где – критерий гомохронности, учитывает неустановившееся движение жидкости;

– критерий Фруда, учитывает силы тяжести;

– критерий Эйлера, учитывает силы гидростатического давления;

– критерий Рейнольдса, учитывает силы внутреннего трения.

2/ Математическое моделирование

 

Методы теории подобия применяются и при использовании других видов моделирования, в которых моделирующие процессы отличаются от моделируемых по физической природе. Важнейшим из них является математическое моделирование, при котором различные процессы воспро­изводятся на электрических моделях – электронных вычислительных машинах /ЭВМ/.

По Р. Фрэнксу общая схема математического моделирования включает семь стадий /Фрэнкс Р. Математическое моделирование в химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 272 с./.

 

1. Постановка задачи.
2. Определение фундаментальных законов, которым подчиняется механизм явлений, лежащих в основе проблемы.
3. На основе выбранной физической модели применительно к реша­емой задаче записывается система соответствующих математических уравнений.
4. Проводится естественное расположение уравнений с помощью
   построения блочной поточно-информационной диаграммы. Диаграмма
   отражает схему связей отдельных стадий технологического процесса.
5. Выбирается один из нескольких возможных способов решения системы уравнений /модели/, например, логический, аналитический, численный с применением ЭВМ.
6. Решение /анализ модели/.
7. Изучение и подтверждение результатов, полученных при решении математической модели /проверка адекватности модели/.

 

Математическое моделирование гораздо дешевле физического моде­лирования, позволяет решать вопросы автоматического регулирования и оптимизации процессов, исследовать процесс при неполном математи­ческом описании /кибернетическая задача/.

 

3/ Элементное моделирование

 

При этом моделировании процесс исследуется на элементарной ячейке промышленного аппарата, а сам аппарат принимается затем состоящим из сотен и тысяч таких ячеек. Например, исследуется теп­лообмен на одной трубке аппарата, а теплообменник будет состоять из 1000 таких труб. Метод применяется для процессов фильтрования, теплообмена, каталитического крекинга и др., позволяет в кратчайшие сроки перевести лабораторные данные в промышленность.

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

 

В пищевых производствах многие процессы приводят к образованию неоднородных смесей, которые в дальнейшем подлежат разделению /кристаллизация, сушка и др./.

Часто встречается задача противоположного характера: из веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, оказывается необходимым получить смесь /смешение, перемешивание/.

Решение как первой, так и второй задачи относится к области гидромеханических процессов.

Классификация

 

В гидромеханических процессах применяются неоднородные системы. Последние по меньшей мере состоят из двух фаз:

а/ внутренней или дисперсной фазы, находящейся в тонко раздробленном состоянии;

б/ внешней фазы или дисперсионной среды, окружающей частицы внутренней дисперсной фазы.

Различают системы.

 

1. Газ – твердое тело: а/ пыль, диаметр частиц 5-50 мкм,

б/ дым, 0,3-0,5 мкм.

/Для сравнения: размер космической пыли 0,1–1 мкм/.

1. Газ – жидкость: а/ туман 0,3–3 мкм; б/ пена.
2. Жидкость – твердое тело: а/ грубые суспензии, > 100 мкм,

б/ тонкие суспензии, 100-0,1 мкм,

в/ коллоидные растворы, < 0,1 мкм.

1. Жидкость – жидкость; а/ эмульсии.

По классификации гидромеханических процессов не существует единого мнения. Однако большинство авторов склоняется к следующей классификации.

1/ Разделение газовых неоднородных систем.

2/ Разделение жидких неоднородных систем.

3/ Псевдоожижение.

4/ Перемешивание.

Во всех гидромеханических процессах имеет место движение частиц в газовой или жидкой среде. Изучение закономерностей этого движения составляет важную задачу гидродинамики. Некоторые общие понятия и закономерности движения частиц рассматриваются ниже.

Движение тел в жидкостях

 

Определяющий размер

За определяющий размер твердой частицы произвольной формы принимается эквивалентный диаметр шаровой частицы, имеющей ту же массу /М/ и объем /V/.

/12/

где – плотность твердой частицы, кг/м³.

Режимы обтекания

Для оценки режима обтекания твердой частицы внешним потоком применяют число Рейнольдса:

/13/

где – плотность и вязкость среды.

Различают области.

1. Ламинарное обтекание, Re < 2 /0,1 по другим данным/.
2. Переходная область, 2 /0,1/ < Re < 500.
3. Турбулентное обтекание, Re > 500.

 

Осаждение частиц в поле силы тяжести

 

При осаждении частицы в неподвижной среде через короткий промежуток времени /от секунды до долей секунды/ устанавливается равновесие сил и движение частицы становится равномерным.

– Скорость равномерного движения частицы при балансе сил, действующих на нее, называется скоростью осаждения.

В идеальном случае действие сил на одиночную частицу шаровой формы при осаждении в неподвижной среде представлено на рис. 1.

 

 

Рис. 1. Силы, действующие на частицу при осаждении

в поле силы тяжести.

 

Силы: G_T – тяжести, А – Архимеда, R_c – сопротивления.

Баланс сил:

G_T – A = R_c /14/

Или

/14а/

 

где ξ – коэффициент сопротивления.

Откуда скорость осаждения

/15/

Для ламинарного режима: , d = 2 · r, тогда

/15a/

Уравнение /15а/ представляет собой закон Стокса.

Другая обработка. Умножим обе части уравнения /14а/ на

, левую часть – еще на ,

Или

; ;

 

Обозначим – критерий Архимеда, учитывает влияние выталкивающей силы /силы Архимеда/.

Тогда получим уравнение в общей форме:

Re = f(Ar) /16/

Уравнение /16/ для идеальных условий осаждения шаровой частицы принимает вид:

1. Ламинарный режим, Ar < 36 /3,6/

/16a/

1. Переходный режим, 36 < A_r < 83000

Re = 0,152 · /16б/

1. Турбулентный режим, A_r > 83000

Re = 1,74 · /16в/

 

Для реальных условий осаждения учитывает пристеночный эффект, коллективное осаждение и фактор формы частиц.

Осаждение частиц в поле центробежных сил

 

В поле центробежных сил на частицу массой "m", будет дополнительно действовать центробежная сила, как это показано на рис 2.

 

Рис. 2. Силы, действующие на частицу при осаждении

в поле центробежных сил.

 

R – радиус вращения частицы, W_R – окружная скорость, G_ц – центробежная сила, W_ос – скорость осаждения, Ц – центр.

Поле центробежных сил создается при вращении частицы относительно центра "Ц" с радиусом "R". Частица движется по окружности с окружной скоростью "W_R" и в то же время под действием центробежной силы отбрасывается к периферии /осаждается/ со скоростью "W_ос" вдоль радиуса "R". Частица пойдет по спирали /R будет увеличиваться/.

Центробежная сила

/17/

Вводим понятие – фактор разделения – показывает, во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести.

/18/

Для определения скорости осаждения, входящей в критерий Re, применяется уравнение

Re= A · (Ar · K_p)ⁿ /19/

Значения констант "А" и "n" для уравнения /19/ принимаются такими же из уравнений /16a, б, в/.

Неоднородные системы в пищевой промышленности имеют очень малый /микронный/ размер частиц. Осаждение таких частиц в поле силы тяжести будет протекать очень медленно по уравнению /16/. Например, осветление вин в бочках может длиться годами /заодно и выдержка/. Поле центробежных сил явилось мощным средством для интенсификации процесса осаждения. Осветление /декантация/ вин /а также растительного масла, соков и др./ в сверхцентрифугах /К_р = 60000/ проводится за несколько секунд.

1/ РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Классификация методов и аппаратуры

 

Классификация приводится по учебнику /Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 784 с./ и сводится в таблицу 2.

 

Таблица 2.

Классификация методов и аппаратуры по разделению газовых

неоднородных систем

 

Метод очистки	Аппаратура
1. Гравитационная – осаждение частиц под действием силы тяжести.	Пылеосадительная камера
2. Инерционная – осаждение частиц под действием инерционных и центробежных сил.	1/ Инерционные пылеуловители 2/ Циклоны 3/ Ротационные пылеуловители
3. Фильтрование – пропускание потока газа через пористую перегородку, способную задерживать частицы пыли.	1/ Рукавные /тканевые/ фильтры 2/ Керамические фильтры 3/ Масляные /висциновые/ фильтры и другие.
4. Мокрая очистка – улавливание пыли путем ее столкновения с каплями или со свободной поверхностью жидкости.	1/ Скрубберы – полые и насадочные 2/ Струйный скруббер Вентури 3/ Инжекционные скрубберы 4/ Дезинтеграторы 5/ Пенные аппараты и другие.
5. Электроочистка – улавливание заряженных частиц в электрическом поле.	Электроосадители /электрофильтры/: а/ трубчатые, б/ пластинчатые.
6. Акустическая – укрупнение частиц пыли с помощью звуковых волн с дальнейшим улавливанием.	Акустические пылеуловители
7. Комбинированная – сочетание некоторых предыдущих методов очистки в одном аппарате.	Комбинированные пылеуловители

 

 

Конструкции некоторых пылеуловителей представлены на рис. 3-19 /данные МХТИ/. Подбор некоторых пылеуловителей /циклон, батарейный циклон, рукавный фильтр, полый скруббер/ не представляет собой сложности и выполняется студентами самостоятельно при курсовом проектировании по печатному пособию.

РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

 

 

Рис. 3

Пылеотстойный газоход

 

I. Перегородка

II. Бункеры – сборники пыли.

 

 

 

Рис. 4. Пылеосадительная

камера: устройство /а/

и разрез аппарата /б/.

1. Горизонтальные полки. 2. Люки для удаления пыли.

3. Колокольные затворы.

 

Рис. 5.

Центробежный пылеуловитель – циклон.

1. Штуцер для тангенциального ввода запыленного газа.
2. Цилиндрический корпус с коническим днищем.
3. Патрубок для вывода очищенного газа.
4. Разгрузочный бункер для пыли.

 

 

Рис. 6. Батарейный циклон /а/, его элементы /б/ и наглядное изображение /в/.

1. Корпус аппарата. 2. Штуцер для ввода запыленного газа. 3. Газораспределитель­ная камера. 4. Верхняя и нижняя трубные решетки. 5. Штуцер для вывода очищенного газа. 6. Корпуса отдельных циклонных элементов. 7. Патрубки циклонных элементов для вывода

из последних очищенного газа. 8. Устройства на внешних поверхностях патрубков 7 для закрутки газа внутри элементов. 9. Разгрузочный бункер для пыли.

Рис. 7. Инерционные жалюзийные пылеуловители: принцип действия /a/, устройство /б/ и золоуловитель ВТИ /в/.

1. Первичный жалюзийный отбой­ник пыли /сквозь него проходит большая часть газа/. 2. Жалюзи в виде набора наклонных колец или пластин, установленных с зазором 2-3 мм и немного перекрывающих друг друга. 3. Вторичный пылеуловитель - циклон, в который поступает небольшая часть газа с повышенным содержанием пыли.

 

Рис. 8. Рукавный фильтр /а/ и его наглядное изображение /б/.

1 и 3. Штуцера для ввода и вывода газа. 2. Матерчатые рукава /мешки/ c кольцами жесткости. 4. Встряхивающие устройства. 5. Трубная решетка для крепления рукавов снизу. 6. Разгрузочный бункер. 7. Шнек для удаления пыли.

 

Рис. 10. Фильтр с пористыми металлокерамическими патронами.

1. 1.Корпус. 2. Фильтрующие элементы. 3. Трубная решетка. 4. Подвод сжатого воздуха или небольшого количества очищенного газа для регенерации фильтрующих элементов.

 

Рис. 9. Схема работы рукавного

фильтра с удалением пыли из

рукавов обратной продувкой

атмосферным воздухом.

а – период фильтрации;

б – период регенерации.

 

Рис. 12. Полый скруббер для мокрой очистки газа

от пыли /В верхней части аппарата устанавливается брызгоуловитель, не

показанный на рисунке/.

 

Рис. 13. Центробежный мокрый скруббер

1. Цилиндрический корпус. 2. Тангенциальный ввод газа. 3. Распределитель воды по внутренней стенке циклона. 4. Коническое днище со штуцером для стока воды со шламом. 5. Штуцер для выхода газа.

 

Рис. 14. Схема установки скруббера Вентури для мокрого пылеулавливания.

1. Конфузор. 2. Горловина. 3. Отверстия лдя ввода воды. 4. Диффузор. 5. Циклонный брызгоуловитель. 6. Отстойник для осветления воды. 7. Насос для воды.

Рис. 15. Тарельчатый /пенный/ пылеуловитель.

1. Цилиндрический или прямоугольный корпус. 2. Перфорированная тарелка /металлический лист с отверстиями/. 3. Переточный порог. 4. Слой газожидкостной дисперсии /пены/ на тарелке.

 

Рис. 16. Скруббер с подвижной шаровой насадкой /а/ и его наглядное изображение /б/.

1. Опорная тарелка. 2. Шаровая насадка. 3. Ограничительная тарелка. 4. Распределитель жидкости. 5. Брызгоотбойное устройство. 6 и 7. Ввод запыленного и вывод очищенного газа. 8. Вывод загрязненной жидкости. 9. Штуцер, через который вводится поплавковое устройство, обеспечивающее постоянство уровня жидкости в нижней части скруббера.

 

 

Рис. 17. Формы и расположение электродов электрофильтров –

а – трубчатые; б – пластинчатые.

1. Коронирующие электроды. 2. Осадительные электроды.

 

 

Рис. 18. Трубчатый /а/ и пластинчатый /б/ электрофильтры.

1 и 7. Штуцера для ввода запыленного и вывода очищенного газа соответственно. 2. Осадительные электроды – трубчатый /а/ и пластинчатый /б/. 3. Коронирующие электроды. 4. Рама. 5. Изоляторы. 6. Стряхивающее приспособление.

 

Рис. 19. Пластинчатый электрофильтр с прямоугольным корпусом /а/ и трубчатый электрофильтр с цилиндрическим корпусом /б/.

 

 

Показатели работы пылеуловителя

Работу каждого пылеуловителя характеризуют показатели.

1. Характерный размер улавливаемых частиц, d_э мкм.
2. Потери напора, Δp_г Па.
3. Степень очистки /эффект разделения/, η %.
4. Расход электроэнергии, пара, воды.
5. Стоимость аппарата.
6. Стоимость очистки 1000 м³ газа.
7. Экологический эффект.

 

Степень очистки

Обозначим:

G_вх – количество входящей пыли,

G_ул – количество пыли, уловленной в аппарате,

G_вых – количество пыли, выходящей из аппарата.

Материальный баланс пылеуловителя по пыли:

G_вх = G_ул + G_вых /20/

Откуда

G_ул = G_вх – G_вых

Вводим понятие – степень очистки – отношение количества уловленной пыли к количеству входящей пыли:

/21/

Количество входящей и выходящей пыли за время τ:

G_вх = C_H · V_вх; G_вых = С_к · V_вых /22/

где С – концентрация пыли, кг/м³.

Для изотермического процесса объемы входящих и выходящих газов

V_вх ≈ V_вых /23/

Тогда степень очистки

/24/

 

Сравнительная оценка пылеуловителей

 

Гравитационная и инерционная очистки применяются для предвари­тельного /частичного/ отделения пыли от газа. Остальные методы – для окончательной очистки. После окончательной очистки концентрация пыли в газе, который выбрасывается в атмосферу, не должна превышать ПДК. Например, ПДК для табачной и чайной пыли составляет 3 мг/м³.

Показатели работы некоторых пылеуловителей сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Сравнительная оценка пылеуловителей

 

Пылеуловитель	dэ мкм	Δpn Па	η %
Пылеосадительная камера		100-400	40-60
Циклон		400-850	70-90
Рукавный фильтр		750-1500	94-99
Электрофильтр	0,005	60-250	90-99,9

 

2/ РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКИХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

 

К жидким неоднородным системам относятся:

жидкость – твердое тело /суспензии/,

жидкость – жидкость /эмульсии/.

Для разделения, в сущности, применяются два метода: осаждение и фильтрование. Однако специфика процессов и аппаратуры позволяет представить четыре метода, которые сведены в таблицу 4.

Таблица 4.

 

Классификация методов и аппаратуры по разделению жидких неоднородных систем

 

Метод	Аппаратура
1. Отстаивание – осаждение частиц под действием силы тяжести.	Отстойники
2. Фильтрование – отделение частиц с помощью пористой перегородки.	Фильтры
3. Центрифугирование – осаждение и фильтрование под действием центробежных сил, создаваемых вращающимся ротором.	Центрифуги /суспензии/ Сепараторы /эмульсии/
4. Центробежное осаждение – осаждение частиц под действием центробежных сил, создаваемых вращающимся потоком.	Гидроциклоны

Конструкции аппаратов для разделения жидких неоднородных систем представлены на рис. 20-52.

ОТСТАИВАНИЕ

 

Проводится в отстойниках: периодического, полунепрерывного и непрерывного действия, одно- и многоярусных.

Отстаивание является наиболее экономичным процессом, т.к. проводится под действием даровой силы тяжести.

В то же время отстойники довольно громоздки, занимают значительные площади. Например, для очистных сооружений применяются пруды-отстойники диаметром до 100 м, глубиной до 7 м.

Производительность отстойника представляется по осветленной жидкости и определяется из выражения

V₁ = F_о · W_ос м³/с /25/

Откуда поверхность отстойника

/25а/

Из формулы /25а/ следует, что для сокращения поверхности отстойника необходимо увеличивать скорость осаждения. Последняя определяется по закону Стокса /15а/.

В свою очередь из закона Стокса видно, что для увеличения ско­рости осаждения целесообразно увеличивать размер частиц.

На практике для укрупнения частиц применяют два процесса.

а/ Коагуляция – объединение твердых частиц в хлопьях гидро­окиси алюминия /Al(OH)₃/ или сульфата алюминия /Al₂(SO₄)₃/.

б/ Флокуляция – агрегация твердых частиц с коллоидными частицами кремниевой кислоты /H₂SiO₃/.

Однако более эффективно скорость осаждения возрастает под действием центробежной силы и будет уже определяться по уравнению /19/. Фактор разделения K_p увеличивает скорость осаждения для гидроциклонов в десятки раз, для центрифуг – в тысячи раз.

Поэтому современные технологии практически не применяют отстойники. Вместо них применяются более компактные гидроциклоны и центрифуги.

В развитых промышленных странах вместо очистных сооружений применяется огневая переработка промышленных отходов.

/Бернадинер М.Н., Шурыгин А.П. Огневая переработка и обезвреживание промышленных отходов. - М.: Химия, 1990. – 304 с./

Разделение жидких неоднородных систем

 

Рис. 20. Устройство непрерывно действующего отстойника для суспензий с коническими тарелками /а/ и аппарат диаметром 4,4 м и вы­сотой 11 м /б/.

1. Ввод суспензии. 2. Переливной желоб 3. Успокоительная камера. 4. Конические тарелки. 5. Воронки для сбора осветленной жидкости. 6. Вывод осветленной жидкости. 7. Гребок для выгрузки шлама. 8. Шнек для транспортировки шлама. 9. Вывод шлама.

 

 

 

Рис. 21. Отстойник для суспензии с плоскими наклонными полками.

1. Kopпyс. 2. Наклонная перегородка. 3. Бункер для осадка.

 

Рис. 22. Непрерывно действующий гребковый отстойник /сгуститель/ для суспензий /а/ и наглядное изображение одной из кон­струкций аппарата /б/.

1. Цилиндрический корпус диаметром до десятков метров. 2. Слегка коническое днище. 3. Ввод суспензии. 4. Кольцевой желоб для сбора осветленной жидкости. 5. Вывод осветленной жидкости. 6. Медленно вращающиеся рамы /от одной до четырех/. 7. Косо укрепленные на рамах гребки, передвигающие без взмучивания осадок от периферии к центру днища. 8. Привод. 9. Вывод сгущенной суспензии. 10. Диафрагмовый насос.

Рис. 23. Многоярусный сгуститель суспензий.

1. Приемник исходной суспензии. 2. Трубы для ее подвода внутрь аппарата. З. Горловины для исходной суспензии. 4. Скребки. 5. Несущая ферма. 6. Привод. 7. Рамы. 8. Устройство для подъема рам. 9. Кол­лекторы осветленной жидкости. 10. Трубы для вывода жидкости из внутренней части аппарата. 11. Разгрузочный конус. 12. Конусный скребок.

 

Рис. 24. Отстойник непрерывного действия для эмульсий.

1. Штуцер для ввода эмульсии. 2. Перфорированная отбойная перегородка. 3 и 4. Отводы легкой и тяжелой фазы со­ответственно. 5. Устройство для разрыва сифона, предотвращающее полное опорожнение резервуара.

Рис. 25. Устройство открытого нутч-фильтра и закрытый нутч-фильтр /б/, работающий под избыточным давлением до 3 ат.

1. Корпус. 2. Обогревающая рубашка. 3. Съемная крышка. 4. Перемещающееся дно, которое для удаления осадка может опускаться примерно на 0,2 м. 5. Фильтровальная перегородка, расположенная на опорной решетке 6 и представляющая собой ткань или слой волокон /в последнем случае над перегородкой 5 помещают защитную сетку 7/. 8. Кольцевая перегородка высотой около 0,15 м, поддерживающая осадок во время его выгрузки. 9, 10 и 11. Штуцера для подачи суспензии, сжатого воздуха и уда­ления фильтрата соответственно. 12. Предохранительный клапан.

 

 

 

Рис. 26. Устройство и схема работы фильтр-пресса /на сборке показана стадия фильтрования/.

1. Отверстия в плитах и рамах для подачи исходной суспензии, образующие при сборке единый канал. 2. Отверстия в плитах и рамах для подачи промывной жидкости, также образующие при сборке единые ка­налы. 3. Отводы для прохода суспензии внутрь рам. 4. Внутренние пространства рам, в которые подается исходная суспензия и где скапливается осадок. 5. Фильтровальные салфетки, зажимаемые между плитами и рамами. 6. Рифления плит в виде желобков, предотвращающие прилипание фильтровальной ткани к поверхностям плит и обеспечивающие дренирование фильтрата. 7. Каналы в плитах для вывода филь­трата /на стадии фильтрования/ или промывной жидкости /при промывке осадка/. 8. Центральные каналы в плитах для сбора фильтрата или промывной жидкости.

 

 

 

Рис. 27. Фильтрпресс с прямоугольными плитами и рамами: упрощенный чертеж /а/ и наглядное изображение аппара­та, рамы и плиты /б/.

1. Плиты. 2. Рамы. З. Опорный брус. 4. Неподвижная плита. 5. Подвижная плита. 6. Гидравлическая система для сжатия всей сборки. 7. Штуцер для подачи суспензии. 8. Штуцера для подачи промывной жидкости. 9. Краны для удаления фильтрата.

 

Рис. 28. Фильтрпресс с механической нагрузкой осадка.

1. Круглые рамы, откидывающиеся при повороте вокруг вала 2, в то время как плиты 3 остаются неподвижными.

 

 

Положения шлангов:

А – при фильтровании Б – при движении ленты.

 

 

Рис. 29. Один из вариантов камерного автоматического фильтрпресса /ФПАК/, фильтрование и промывка в котором проводятся под избыточным давлением до 6 ат.

1. Резиновые уплотнительные шланги, которые при подаче в них воды под давлением 8-10 атм. прижимают к плитам 2 фильтрующую ткань 3 и перекрывают зазоры между соседними плитами, образуя камеры. 2. Фильтрующие плиты, имеющие сверху щелевые сита 2а, а снизу – конические днища 2б для сбора фильтрата /расстояние между плитами около 25 мм/. 3. Фильтрующая ткань, выполненная в виде бесконечной ленты, передвигаемой роликами 7, вращающимися от общего привода /передвижение ткани и вынос осадка из камер происходит после завершения стадий фильтрования и промывки образовавшихся слоев осадка толщиной 5-20 мм, когда давление воды в шлангах сжимается и шланги сжимаются, открывая зазоры для выхода ткани с осадком – см. Б/. 4. Ножи для съема основной части осадка. 5. Ножи для подчистки, очищающие ткань от остатков осадка. 6. Камера регенерации

фильтрующей ткани промывной водой и очисткой скребками. 7. Ролики.

 

 

Рис. 30. Автоматический камерный фильтрпресс ФПАКМ конструкции УКРНИИХИММАШ.

Фильтрпресс состоит из набора расположенных горизонтально одна над другой фильтрующих плит 2, находящихся между верхней упорной 1 и нижней опорной 6 плитами, связанных между собой стяжками 5.

Фильтрующие плиты подвешены с зазором к верхней упорной плите. В зазорах между фильтрующими плитами зигзагообразно протянута бесконечная лента фильтрующей ткани 9, приводимая в движение механизмом 8 передвижения ткани.

На опорной плите установлен механизм зажима 4, который нажимной плитой 3 поднимает фильтрующие плиты и зажимает их. Уплотнение между плитами – резиновыми прокладками.

Фильтрующая плита состоит из двух соединенных между собой частей: верхней 11 – с дренажным устройством для отвода фильтрата и нижней 13, которая при сжатии плит образует камеру для суспензии. Верхняя и нижняя части плиты – с боковыми патрубками, оканчивающимися бобышками, которые при сжатии образуют коллектор подачи 10 и коллектор отвода 14.

Между верхней и нижней частями фильтрующей плиты установлена резиновая диафрагма 12, которая вытесняет жидкую фазу и спрессовывает образовавшийся осадок.

При сжатых фильтрующих плитах суспензию под давлением подают в нижнюю полость. Жидкая фаза суспензии проходит через фильтрующую ткань и верхнюю полость фильтрующей плиты, расположенной ниже, и через боковые патрубки поступает в коллектор отвода и далее – в приемное устройство.

Твердая фаза суспензии задерживается на фильтрующей ткани, образуя слой осадка. При достижении нужной толщины слоя осадка подачу суспензии прекращают и оставшуюся в полости плиты жидкую фазу вытесняют резиновой диафрагмой, подавая на нее под давлением воду. В случае необходимости образовавшийся осадок промывают и затем прессуют его диафрагмой либо продувают сжатым воздухом.

По окончании процессов фильтрования, промывки и обезвоживания осадка механизм зажима опускает нажимную плиту. При полностью раскрытых плитах включается механизм передвижения ткани, осадок выносится из пространства между плитами и выгружается с двух сторон фильтрпресса. Одновременно подается вода в камеру 7, где производится регенерация ткани. После выгрузки осадка механизм зажима вновь зажимает набор фильтрующих плит, после чего цикл работы фильтрпресса повторяется.

Управление фильтрпрессом – автоматическое. Фильтрпрессы изготовляют с диафрагмами (ФПАКМ) и без диафрагм (ФПАКМ с продувкой осадка воздухом).

Рис. 31. Горизонтальный листовой фильтр, работающий под давлением /а/, вид и разрезы аппарата /б/ и его наглядное изображение /в/.

1. Верхняя /неподвижная/ половина корпуса. 2. Нижняя половина корпуса, откидывающаяся на шарнире после завершения фильтрования и промывки осадка; осадок при этом отдувается сжатым воздухом. 3. Фильтрующие элементы. 4. Откидные болты. 5. Коллектор для отвода фильтрата. 6. Противовес.

 

Рис. 32. Элементы листовых фильтров /они могут быть также выполнены из различных пористых материалов: керамики, пластмасс, прессованных металличес­ких зерен и др./

а – дисковый фильтрующий элемент с сеткой.

1. Полая круглая рама с прорезью. 2. Проволочная сетка, вставленная в прорезь рамы. З. Фильтрующая ткань. 4. Пру­жинящий захват, закрепляющий ткань. 5. Лепешка осадка.

б – прямоугольный фильтрующий элемент из труб. 1. Рама из перфорированных труб. 2. Фильтрующая ткань /сшитая или соединенная молнией/. 3. Патрубок для выхода фильтрата /или промывных вод/ и для подачи сжатого воздуха /при разгрузке осадка/.

Рис. 33. Горизонтальные фильтры с поперечными /а/ и продольными /б/ листовыми элементами, выдвигаемыми по рельсам вместе с крышкой из корпуса для выгрузки осадка.

 

 

Рис. 35. Патронный фильтр, работающий под давлением /а/ и поперечный разрез патронного фильтрующего элемента /б/.

1. Корпус. 2. Патрон. 3. Крышка. 4. Решетка для крепления патронов. 5. Днище, откидывающееся при выгрузке осадка отдувкой сжатым воздухом. 6. Труба с центральным каналом 7, отверстиями 8 и продольными ребрами 9, на которую одето фильтрующее кольцо 10 из пористого материала. 11. Осадок.

 

Рис. 34. Автоматизированный вертикальный листовой фильтр с поверхностью фильтрования 125 м² с удалением осадка гидросмывом или с помощью вибрации.

Рис. 36. Листовой или патронный фильтр, работающий под вакуумом.

1. Батарея фильтрующих элементов. 2. Резервуар для суспензии, при помещении батареи в которой идет фильтрование под ваккумом. 3. Резервуар для промывной жидкости, при помещении батареи в который идет промывка осадка под вакуумом. 4. Бункер, в который сбрасывается осадок /отдувкой сжатым воздухом или гидросмывом/. 5. Шнек для удаления осадка. 6. Тельфер. 7. Гибкий шланг, по которому поочередно отсасываются под вакуумом фильтрат /в сборник фильтрата/ и промывные воды /в их сборник/ и подаются сжатый воздух или жидкость для регенерации фильтрующих элементов.

Рис. 37. Вид и разрез /а/ и наглядное изображение /б/ герметизированного

барабанного вакуум-фильтра, работающего атмосфере инертного газа и используемого для работы с летучими растворителями, пары которых ядовиты или образуют взрывоопасные смеси с воздухом.

 

1. Штуцера подачи суспензии. 2, 8. Вводы инертного газа. 3. Выход осадка из разгрузочного шнека. 4. Насос для смазки. 5. Штуцер для регулятора уровня суспензии. 6 и 9. Вводы и вывод промывной жидкости. 7. Смотровые люки. 10. Выход фильтрата. 11. Ввод газа отдувки. 12. Тепловая изоляция. 13. Редуктор.

 

Рис. 38. Схема установки герметизированного барабанного вакуум-фильтра.

 

1. Фильтр. 2. Шнек. 3. Вакуум-сборник фильтрата. 4. Вакуум-сборник промывной жидкости. 5. Брызгоуловители. 6. Вакуум-насос.

Рис. 39. Дисковый вакуум-фильтр: устройство /а/, упрощенный вид /б/ и наглядное изображение /в/.

1. Медленно вращающийся полый барабан. 2. Диски с фильтрующими боковыми поверхностями. 3. Корыто, в которое непрерывно подается суспензия. 4. Распределительная головка. 5. Привод.

 

 

 

 

Рис. 41. Схема действия карусельного вакуум-фильтра.

 

 

 

 

Рис. 40. Карусельный вакуум-фильтр.

 

 

Рис. 42. Ленточный вакуум-фильтр: устройство /а/, виды /б/ и наглядное изображение /в/.

1. Стол с вакуум-камерами. 2. Медленно движущаяся бесконечная резиновая лента с отверстиями. 3. Приводной барабан. 4. Натяжной барабан. 5. Фильтрующая ткань. 6. Лоток для подачи суспензии. 7. Форсунки для распыления промывной жидкости. 8. Натяжные ролики. 9. Валик для съема осадка. 10. Редуктор. 11. Электродвигатель.

 

Рис. 43. Подвесная фильтрующая центрифуга периодического действия с нижней выгрузкой осадка.

1. Дырчатый барабан. 2. Вал. 3. Опора вала. 4. Упорная втулка с ребрами. 5. Ребра втулки. 6. Колпак, который во время центрифугирования опущен и закрывает разгрузочные окна между ребрами 5 втулки, а при выгрузке осадка поднят или вынут, причем осадок вручную проталкивается вниз. 7. Электродвигатель.

 

 

 

Рис. 44. Трехколонная фильтрующая центрифуга периодического действия с верхней выгрузкой осадка: устройство /а/, вид и разрез /б/.

1. Перфорированный барабан. 2. Днище барабана. 3. Вал. 4. Дно станины. 5. Неподвижный кожух. 6. Крышка кожуха. 7. Станина. 8. Пружинные тяги,

на которых подвешена

центрифуга. 9. Три опор­ные колонны. 10. Ручной тормоз. 11. Электродвигатель. 12. Шкивы привода. 13. Штуцер для фугата. 14. Фильтрующая ткань. 15. Проволочная дренажная сетка.

 

 

Рис. 45. Автоматическая фильтрующая центрифуга периодического действия с ножевым съемом осадка: устройство /а/ и разрез /б/.

1. Ротор-барабан с перфорированным цилиндром. 2. Вал. З. Нож для срезания осадка. 4. Желоб, по которому ссыпается осадок при выгрузке. 5. Кожух. 6. Автоматическое устройство, представляющее собой масляный цилиндр с поршнем и управляющее ножом 3 и

клапаном 7 на линии подачи суспензии 8 /Работа клапана и ножа скоординирована. Когда клапан 7 открыт и в центрифугу поступает суспензия, нож опущен. После заполнения барабана до определенного уровня производится отжим осадка и, при необходимости, его промывка жидкостью, поступающей по трубе, не показанной на рисунке; клапан 7 при этом закрыт, а нож 3 по–прежнему опущен. Затем производится срезание и выгрузка осадка путем постепенного подъема ножа почти до внутренней поверхности цилиндра барабана, причем клапан 7 закрыт. Наконец, нож опускается и клапан 7 открывается для прохода суспензии по трубе 8/. 9. Подшипники вала. 10. Станина. 11. Электродвигатель с приводом.

 

 

Рис. 46. Непрерывно действующая фильтрующая центрифуга с выгруз­кой осадка пульсирующим поршнем: ус­тройство /а/ и разрез /б/.

1. Кожух. 2. Перфорированный барабан, вращающийся на полом валу 3 с постоянной скоростью. 4. Вал-шток. 5. Поршень-толкатель, приводимый автоматическим устройством 6 во вращательное /скорость вращения вала-штока 4 и поршня 5 – та же, что и у барабана 2/ и возвратно-поступательное движение; поршень делает 10-16 ходов в минуту, причем при каждом ходе вправо, составляющем примерно

0,1 длины ба­рабана, он выталки­вает в желоб 7 соответствующую порцию) осадка. 8. Приемный конус, вращающийся вместе с

поршнем-толкателем; суспензия, поступающая

непрерывно по трубе 9,

распределяется этим

конусом и проходит через зазоры между поршнем и конусом к фильтрующей поверхности барабана.

 

Рис. 47. Непрерывно действующая отстойная центрифуга со шнековой выгрузкой осадка /а/: устройство /а/ и разрез /б/.

 

1. Конический отстойный барабан, вращающийся на полом внешнем валу 2 с постоянной скоростью. 3. Внутренний барабан с винтовыми /шнековыми/ лопастями 4, вращающийся на внутреннем полом валу 5 с несколько меньшей скоростью, чем отстойный барабан. 6. Труба для непрерывного подвода суспензии, которая через окна 7 во внутреннем барабане 3 поступает на отстаивание во внешний барабан. 8. Патрубок для удаления осадка, который медленно перемещается по внутренней поверхности барабана 1 лопастями шнека 4, вследствие неодинаковости скоростей вращения внешнего и внутреннего барабанов.

Рис. 48. Трубчатая сверхцентрифуга периодического действия для осветления жидкостей, содержащих тонкодисперсные частицы твердой фазы.

1. Трубчатый барабан диаметром до 200 мм, вращающийся со скоростью до 45000 об/мин, а после накопления осадка и остановки центрифуги вынимаемый для чистки. 2. Кожух. 3. Радиальные лопасти. 4. Подпятник. 5. Питающая труба. 6. Шкив. 7. Опора. 8. Шпиндель. 9. Труба для вывода осветленной жидкости. 10. Отверстия для вывода жидкости.

 

 

Рис. 49. Трубчатая сверхцентрифуга для непрерывного разделения тонкодисперсионных эмульсий: устройство /а/ и разрез /б/.

 

1. Трубчатый барабан. 2. Кожух. 3. Радиальные лопасти. 4. Отражатель. 5. Труба для подачи исходной эмульсии. 6. Шкив. 7. Вывод более тяжелой жидкости, располагающейся ближе к стенке. 8. Вывод более легкой жидкости. 9. Тормоз.

 

 

Рис. 50. Устройство головки барабана сверхцентрифуги для разделения эмульсий.

Рис. 51. Гидроциклон.

1. Цилиндрическая часть корпуса. 2. Коническая часть корпуса. 3. Тангенциальный ввод суспензии. 4. Перегородка. 5. Патрубок. 6. Вывод осветленной жидкости. 7. Вывод шлама.

 

 

Рис. 52. Принцип устройства отстойной /а/ и фильтрующей /б/ центрифуг периодического действия с ручной выгрузкой осадка.

1. Вращающийся с большой скоростью вал /вертикальный или горизон­тальный/. 2. Сплошной /а/ или дырчатый /б/ барабан. 3.Кожух. 4. Фильтрующая ткань.

ФИЛЬТРОВАНИЕ

Классификация фильтров

 

ФИЛЬТРЫ

 

ПОД ДАВЛЕНИЕМ	ПОД ВАКУУМОМ
Периодического действия	Непрерывного действия	Периодического действия	Непрерывного действия
1. Нутч-фильтр закрытый	5. Барабанный	7. Нутч-фильтр открытый	9. Барабанный
2. Мешочный	6. Дисковый	8. Мешочный	10. Дисковый
3. Патронный			11. Карусельный
4. Фильтрпресс			12. Ленточный
			13. Динамический

 

Различают перегородки.

 

а/ Тканевые – сукно, бязь, бельтинг, лавсан и др.

б/ Металлические – сталь, легированная сталь, латунь и др.

в/ Керамические – фарфор, поролит и др.

г/ Зернистые – кварцевый песок, мрамор, уголь, известняк и др.

 

Различают осадки.

 

а/ Несжимаемые – кварцевый песок, кристаллы солей и др.,

размер частиц больше 100 мкм.

б/ Сжимаемые – студни, гели, гидроокиси и др.,

размер частиц меньше 10 мкм.

 

Для рассмотрения теории фильтрования принимаем закрытый нутч-фильтр при допущении, что осадок и фильтровальная перегородка являются несжимаемыми.

 

Схема фильтра представлена на рис. 53.

 

 

Рис. 53. Схема закрытого нутч-фильтра.

1 – суспензия, 2 – сжатый воздух, 3 – фильтрат, F – сечение фильтра, l – высота слоя осадка, p₁, p₂ – давление, V – объем полученного фильтрата, 4 – ткань /сукно/, 5 – дырчатый диск.

 

Движущая сила процесса фильтрования

Δp = p₁ – p₂ Па /26/

Скорость фильтрования

м/с /27/

Обозначим:

x – доля осадка в 1 м³ фильтрата.

 

Из рис. 53. следует, что

F · l – объем осадка в м³.

Тогда

F · l = V · x; /28/

Обозначим:

– удельная производительность фильтра, м³/м². /29/

Тогда

/30/

Для скорости фильтрования применяем основную кинетическую закономерность

/31/

где μ – вязкость фильтрата, Па.с,

R_ос. – сопротивление слоя осадка, 1/м,

R_ф.п. – сопротивление фильтровальной перегородки, 1/м.

 

Представляем

R_ос. = r · l /32/

где r – удельное сопротивление слоя осадка, 1/м².

С учетом /30/ имеем

/31а/

 

Или

μrx · VdV + μF · R_ф.п. · dV = Δp · F² · dτ /33/

 

Выражение /33/ представляет дифференциальное уравнение процесса фильтрования. Различают следующие режимы фильтрования.

 

1. Режим постоянного давления, Δp = const /основной промышленный режим/.

Интегрируем уравнение /33/ от 0 до V и от 0 до τ.

 

 

 

Умножаем на 2 и делим на μrxF²

 

 

 

Обозначим константы

С учетом /29/ получаем

q² + 2 · C · q = K · τ /34/

 

Уравнение /34/ широко применяется в расчетной практике, в частности для элементного моделирования. Например, константы С и К, а также продолжительность фильтрования τ, полученные на лабораторном открытом нутч-фильтре, позволяют сразу рассчитать поверхность промышленного барабанного вакуум-фильтра по формуле

/35/

 

где V₀ – производительность фильтра по водной суспензии, м³/с,

x₀, x₂ – содержание твердой фазы в суспензии и осадке, % масс.,

ρ_сусп; ρ_ж – плотность суспензии и фильтрата, кг/м³.

 

Конструкция барабанного вакуум-фильтра представлена на рис. 54-56.

Уравнение /34/ является квадратичным, что не совсем удобно для обработки опытных данных. Поэтому его преобразовывают.

Уравнение /34/ делим на K · q и запишем наоборот

 

Обозначим новые константы

Тогда получим

/36/

Выражение /36/ является уравнением прямой линии. Опытные данные по уравнению /36/ представляются на графике, который показан на рис. 57.

 

Рис. 54. Барабанный вакуум-фильтр.

 

1. Медленно вращающийся металлический бара­бан с отверстиями. 2. Волнистая проволочная

сетка. 3. Фильтровальная ткань. 4. Осадок на барабане. 5. Нож для съема осадка. 6. Корыто для суспензии. 7. Качающаяся мешалка. 8. Устройство для подвода промывной жидкости. 9. Камеры барабана. 10. Трубы, объединенные во вращающуюся часть 11 распределительной головки, поочередно соединяющие камеры 9 барабана 1 с секциями неподвижной части 12 распределительной головки.

Зоны, в которые поочередно попадают секции барабана при вращении: I – фильтрования и отсоса фильтрата; II – промывки осадка и отсоса промывных вод; III – разрыхления и отдувки осадка сжатым воздухом; IV – очистки ткани продувкой воздухом или паром.

Секции неподвижной части распределитель­ной головки: I – сообщающаяся с приемником фильтрата, находящимся под вакуумом; II – сообщающаяся с приемником промывных вод, так­же находящимся под вакуумом; III – сообщающаяся с источником сжатого воздуха; IV – сообщающаяся с источником сжатого воздуха или водяного пара.

 

 

Рис. 55. Распределительная головка барабанного вакуум-фильтра.

 

1. Вращающаяся цапфа. 2. Соединительные трубы. 3. Вращающаяся шайба. 4. Отверстия во вращающейся шайбе. 5. Неподвижный кор­пус. 6. Неподвижная съемная шайба. 7-10. Прорези в неподвижной шайбе, соответствующие секциям I-IV на рис. 32. 11. Трубопровод для удаления фильтрата. 12. Трубопровод для удаления промывной жидкости. 13. Трубопроводы для подачи сжатого воздуха и пара. 14. Вакуумметры. 15. Пружина.

 

 

 

Рис. 56. Барабанный вакуум-фильтр со снятой фильтровальной тканью.

 

 

Рис. 57. График для обработки опытных данных по фильтрованию

при постоянном давлении.

 

Представлены три опыта, для которых Δp₃ > Δp₂ > Δp₁,

а доля осадка "x" у всех опытов одинакова.

Для одного опыта из графика определяют отрезок В и тангенс А. Далее рассчитывают сопротивление фильтровальной перегородки.

/37/

Удельное сопротивление слоя осадка

/38/

Запишем выражение для отрезка CD /рис. 57/

/39/

Как видно из /39/, величина отрезка CD не зависит от Δp, поэтому при постоянном "х" прямые линии всех трех опытов на рис. 57 сойдутся в одной точке C. C увеличением "x" отрезок CD будет уменьшаться.

В режиме постоянного давления возрастает толщина слоя осадка, следовательно, возрастает сопротивление, что согласно уравнению /31/ уменьшает скорость фильтрования.

 

2. Режим постоянной скорости.

В этом случае .

В уравнении /33/ отбрасываем знаки дифференциала

 

μ · rx · V² + μ · R_ф.п. · F · V= Δp· F² ·τ

 

Делим на F² · τ и записываем наоборот

Или

Δp = μrxWq + μR_ф.п.W

Обозначим константы

 

M = μ · r · x · W; N = μ · R_ф.п. · W

Тогда получим уравнение

Δp = M · q + N /40/

Уравнение /40/ графически представлено на рис. 58.

 

 

Рис. 58. График для обработки опытных данных по фильтрованию

при постоянной скорости.

 

Из графика определяются отрезок N и тангенс M.

Сопротивление фильтровальной перегородки

/41/

 

Удельное сопротивление слоя осадка

/42/

 

Для обеспечения постоянной скорости фильтрования необходимо увеличивать движущую силу от Δp нач. до Δp кон. синхронно увеличению R_ос. /т.е. l/ согласно уравнению /31/, что не совсем удобно для практики /для закрытых фильтров толщина слоя осадка не просматривается/.

3. Режим постоянного давления и постоянной скорости.

 

Применяется для промывки осадка методом вытеснения фильтрата из пор осадка. В этом случае

Δp = const;

Уравнение /31/ принимает вид:

Откуда

/43/

Уравнение /43/ графически представлено на рис. 59.

 

Рис. 59. График для обработки опытных данных по фильтрованию

при постоянном давлении и постоянной скорости.

 

До сих пор рассматривалось идеальное фильтрование для несжимаемых осадка и фильтровальной перегородки. В действительности они могут быть сжимаемы.

 

Учет сжимаемости осадка.

 

Проводится уравнением

r = r₀ · Δp^S /44/

где S – показатель сжимаемости, S = 0 – 1, реже S > 1,

r₀ – удельное сопротивление слоя осадка при Δp = 1.

Зависимость /31/ будет иметь вид:

/45/

Уравнение /45/ графически представлено на рис.60.

 

 

Рис. 60. Графическое представление скорости фильтрования

с учетом сжимаемости осадка.

 

1 – для несжимаемого осадка, 2 – для сжимаемого осадка, 3 – малоизученная область.

 

Из графика на рис. 60 определяется оптимальная движущая сила фильтрования Δp опт.

 

Учет сжимаемости фильтровальной перегородки.

 

Производится уравнением

/46/

Тогда уравнение /31/ примет вид

/47/

С учетом сжимаемости осадка и фильтровальной перегородки уравнение /47/ на графике рис. 58 примет вид, показанный на рис. 61.

 

 

Рис. 61. Учет сжимаемости осадка и фильтровальной перегородки

для режима постоянной скорости фильтрования.

1 – для несжимаемых осадка и фильтровальной перегородки,

2 – для сжимаемых осадка и фильтровальной перегородки.

В этом случае потребуется существенное увеличение перепада давлений для обеспечения постоянной скорости фильтрования.

 

Пути интенсификации процесса фильтрования

 

По уравнению /31/ скорость фильтрования

Откуда следуют три способа увеличения скорости фильтрования:

1/ увеличение движущей силы до Δp опт. /для сжимаемых осадков/,

2/ уменьшение вязкости фильтрата μ путем увеличения температуры /горячее фильтрование/,

3/ уменьшение толщины слоя осадка l /в динамических фильтрах осадок вообще отсутствует, там проводится сгущение суспензий/.

 

Другие методы фильтрования.

 

До сих пор рассматривалось фильтрование с образованием осадка. Возможно фильтрование с закупориванием пор фильтровальной перегородки. Закономерности фильтрования с закупориванием пор изучены слабо и расчеты проводятся на основе опытных данных.

К фильтрованию без образования осадка относят также ультрафильтрование и обратный осмос.

Ультрафильтрование – процесс концентрирования растворов высокомолекулярных веществ /молекулярная масса больше 500/ с одновременной их очисткой от низкомолекулярных веществ /очистка коллоидных растворов, масел и др., задерживаются частицы до 1/30 мкм/. Применяется давление 0,3-1 МПа.

Обратный осмос – процесс концентрирования раствора /включая все растворенные компоненты/ с одновременным выделением чистого растворителя /обессоливание воды/.

Фильтровальные перегородки – пористые мембраны /ацетат целлюлозы и др./.

Ультрафильтрование и обратный осмос относятся к процессам на молекулярном уровне, поэтому являются компетенцией курса физической химии.

Часть 4

Центрифугирование и псевдоожижение

 

ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕ

 

Центрифуги нашли очень широкое применение на предприятиях пищевой и фармацевтической промышленности, а также в медицине, по сути дела вытеснив и отстойники, и фильтры.

Например, центрифуги применяются для сепарирования молока, крови, растительных масел, осветления душистых ингредиентов для пива, зеленого пива, фруктовых и овощных соков, вина, бочкового шампанского, сиропов, экстрактов чая и кофе, растворов инсулина, лечебной сыворотки, концентрирования и промывки дрожжей, идущих для выпечки хлеба, для пивоварения и кормовых дрожжей, а также пшеничного, кукурузного, картофельного, рисового и корневого крахмала, очистки и обезвоживания сливочного, оливкового, пальмового масел, а также рыбьего и китового жира и т.д.

Центрифуги классифицируются в первую очередь по фактору разделения:

/48/

где R – радиус ротора, м,

n – число оборотов ротора, об/мин.

 

ЦЕНТРИФУГИ

 

Нормальные Кр 3500	Сверхцентрифуги Кр до 60000	Ультрацентрифуги Кр до 1,2 млн.
Фильтрующие	Осадительные	Осадительные	Осадительные
Период.	Непрер.	Период.	Непрер.	Трубч.	Сепараторы	Лаборат.
1, 2, 4	3, 5, 6, 8	1, 3, 4		Период.	Период.	Непр.	Период.
По выгрузке осадка.	1, 7	1, 7

 

Выгрузка осадка

1. Ручная. 2. Гравитационная. 3. Инерционная. 4. Ножами. 5. Пульсирующим поршнем. 6. Шнеком. 7. Гидравлическая. 8. Вибрационная.

Маркировка центрифуг

По принципу разделения:

осадительные /осветляющие/ – 0,

разделяющие /сепарирующие/ – Р,

фильтрующие – Ф,

комбинированные – К.

 

По расположению и виду ротора:

горизонтальные – Г,

вертикальные – В,

наклонные – Н,

с упругой верхней опорой – У,

трубчатые – Т,

подвесные – П,

маятниковые – М.

 

По способу разгрузки:

ручная через борт – Б,

ручная через днище – Д,

ручная с разборкой – Р,

кассетная – К,

ножевая – Н,

гравитационная /саморазгрузка/ – С,

шнековая – Ш,

поршневая – Д,

инерционная – И,

вибрационная – В,

вибрационно-поршневая – Вп,

гидравлическая – Г.

 

По типу металла ротора:

углеродистая сталь – У,

легированная сталь – Л,

коррозионно-стойкая сталь – К,

титан – Т,

цветные металлы – М,

другие материалы – С.

 

Например, центрифуга марки НОГШ – 500К – 5 расшифровывается:

Н – нормальная,

0 – осадительная,

Г – горизонтальная,

Ш – шнековая выгрузка осадка,

500 – диаметр ротора в мм,

К – коррозионно-стойкая сталь,

5 – номер модели.

 

В медицинской практике широко используются ультрацентрифуги, ротор которых вращается в вакуумной камере с остаточным давлением 0,001 мм рт. ст. Применяются для разделения белков, вирусов, пигмен­тов, бульонов с бактериями и др. Размер вируса составляет 0,01 мкм. В настоящее время известны около 200 вирусов у человека и животных и столько же у растений.

Для выбора центрифуги необходимо знать:

а/ диаметр частиц,

б/ концентрацию суспензии,

в/ тип суспензии,

г/ производительность.

 

Производительность центрифуг

 

Осадительные

Схема центрифуги представлена на рис. 62.

 

Рис. 62. Схема осадительной центрифуги.

 

1 – суспензия, 2 – фугат, 3 – осадок, 4 – ротор, 5 – кожух.

1. Рабочий объем центрифуги

м³ /49/

2. Часовая производительность по суспензии:

/50/

3. Продолжительность цикла /пуск, осаждение, торможение, разгрузка/

/51/

4. Продолжительность осаждения.

Скорость осаждения частиц

/52/

Откуда

/53/

Продолжительность осаждения по формуле /53/ определяется по графику, который представлен на рис. 63.

 

 

Рис. 63. График для определения продолжительности осаждения.

S – площадь под кривой, а – масштаб графика.

Для оценки эффективности работы осадительных центрифуг применяется индекс производительности

/54/

где n = 1 для ламинарного режима осаждения,

F_ср = π · H · (R₁ + R₂)

∑ – поверхность отстойника, производительность которого одинакова с центрифугой.

 

Общий диапазон

∑ = 50-100000 м²

Для трубчатых сверхцентрифуг ∑ = 1350-2500 м²

для сепараторов ∑ = 5000-50000 м²

 

Фильтрующие

 

Схема центрифуги представлена на рис. 64.

 

 

Рис. 64. Схема фильтрующей центрифуги.

1 – суспензия, 2 – фильтрат, 3 – ткань, 4 – осадок, 5 – ротор.

1. Часовая производительность центрифуги

 

V_час = 3600 · V/τ цикла

 

где V – объем пропущенного фильтрата, м³.

 

2. Продолжительность цикла /пуск – фильтрование – промывка – торможение – разгрузка/

 

τ_цикла = τ_п + τ_ф + τ_пр. + τ_т + τ_р

 

3. Давление фильтрования

 

Па /55/

 

4. Продолжительность фильтрования

 

Δp_ц = const; R_ф.п. = 0, тогда С = 0

 

Уравнение фильтрования принимает вид

q² = K · τ, откуда ; /56/

 

Прочность роторов центрифуг

 

Давление на стенку ротора

Па, /57/

может достигать 5 МПа.

 

Коэффициент заполнения ротора

 

/обычно 0,5/ /58/

'Толщина стенки ротора

 

м /59/

где

;

 

σ – допускаемое напряжение /118 МПа /.

ЦЕНТРОБЕЖНОЕ ОСАЖДЕНИЕ

 

Разделение жидких неоднородных систем под действием центробежных сил осуществляется также в гидроциклонах. Принцип действия последних аналогичен циклонам. Схема гидроциклона представлена на рис. 65.

 

Рис. 65. Схема гидроциклона.

1 – суспензия, 2 – осветленная жидкость, 3 – шлам.

 

Обычные габариты гидроциклона D = 300-350 мм, H = 1-1,2 м /грубый классификатор/.

С диаметром D = 100 мм и менее – сгуститель суспензии.

С диаметром D = 100-15 мм – мультигидроциклоны – применяются для осветления тонких суспензий.

Разделяются частицы размеров 5-150 мкм.

Производительность

 

м³/час /60/

 

где d_сл – диаметр сливного патрубка, м,

D – диаметр корпуса, м,

Δp – перепад давления в гидроциклоне, Па.

Достоинства: низкая стоимость, большая производительность, отсутствие вращающихся частей.

3/ ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ

 

В общем под псевдоожижением понимают превращение слоя зернистого материала в псевдооднородную систему, которой присущи многие свойства капельных жидкостей.

Псевдоожижение широко применяется в пищевой и фармацевтической промышленности: получение воздушной кукурузы, сушка зерна, поварен­ной соли, покрытие оболочкой лекарственных таблеток и сельскохозяйственных семян и др.

 

Характеристики слоя твердых частиц

 

Представим на рис. 66 в крупном плане слой зернистого материа­ла, расположенный на решетке в цилиндрическом аппарате. Снизу подается газ или жидкость.

 

 

 

Рис. 66. Схема слоя зернистого материала в цилиндрическом аппарате.

 

Обозначим:

d – диаметр частиц, м,

– сечение аппарата, м²,

W₀ – фиктивная скорость газа /в свободном сечении/, м/с,

W – действительная скорость /в каналах слоя/, м/с,

V = S · H – объем слоя, м³,

V = V_ч + V_ж – объем частиц и жидкости /газа/ в слое, м³,

М_т – масса частиц в слое, кг,

– плотность частиц, кг/м³,

– насыпная плотность, кг/м³.

1. Порозность – доля жидкости или газа в объеме слоя.

 

/61/

 

Для неподвижного слоя порозность составляет 0,35-0,45 и ориен­тировочно принимается равной 0,4.

1. Доля частиц в слое

x = 1 - ε

1. Действительная и фиктивная скорости.

Уравнение постоянства объемного расхода газа /жидкости/

 

В свободном сечении В слое зернистого

аппарата материала

 

V_e = S · W₀ = S_своб. · W м³/с /62/

 

Принимаем ориентировочно S_своб. ≈ S · ε, тогда

1. Эквивалентный диаметр каналов в слое.

Представим условно один цилиндрический канал в слое, как это показано на рис 67.

 

 

Рис. 67. Условный цилиндрический канал в слое зернистого материала.

Поверхность цилиндрического канала

F = πd_э · H, откуда πd_э =

Cмоченный периметр

П = πd_э =

Для слоя зернистого материала принимается допущение:

– суммарная поверхность всех каналов равна суммарной поверх­ности всех частиц.

F = F_ч

Поверхность частиц

F_ч = S · H · a

 

где a – удельная поверхность частиц, м²/м³.

Смоченный периметр каналов

Эквивалентный диаметр каналов

Удельная поверхность частиц /N – число частиц в cлое/

 

Теперь

/63/

Для частиц неправильной формы вводится Φ – фактор формы.

Процессы,

протекающие в слое зернистого материала.

 

Представим слой зернистого материала /кварцевый песок/ в цилиндрическом аппарате с дифманометром. Снизу в аппарат подается воздух, дифманометр залит подкрашенной водой. Схема аппарата показана на рис. 68.

 

Рис. 68. Схема цилиндрического аппарата со слоем зернистого

материала и дифманометром.

 

На установке снимаются: показания ротаметра /число делений/ и дифманометра /Δh мм/. Далее по градуировочному графику число делений ротаметра переводится в расход газа / V_c м³/с/. Рассчитывается фиктивная скорость газа

 

Перепад давлений в слое, определяемый дифманометром,

рассчитывается приближенно по формуле

 

 

Опытные данные позволяют построить графическую зависимость Δp = f(W₀), которая в общем виде представлена на рис. 69.

 

 

Рис. 69. Кривая идеального псевдоожижения

 

1 – неподвижный слой /фильтрование воздуха/, 2 – псевдоожиженный слой: а/ спокойное псевдоожижение, б/ кипящий слой, в/ слой с барботажем больших пузырей, 3 – унос частиц.

 

По графику на рис. 69. определяются первая и вторая критические скорости /начало и окончание псевдоожижения/. В процессе псевдоожижения слой расширяется, его высота увеличивается, порозность слоя изменяется от 0,4 /т. А/ до 1,0 /т. В/. Для работы промышленных аппаратов обычно принимается порозность, равная 0,75, что соответ­ствует рабочей скорости псевдоожижения /W раб./. Отношение рабочей скорости к первой критической называется числом псевдоожижения:

 

/64/

 

Зависимость Δp = f(W₀) отражает структуру и поведение слоя. Некоторые примеры приведены на рис. 70-73.

I

 

 

Рис. 70. Слой с адгезией /сцеплением/ частиц.

Требуется небольшой перепад давлений, чтобы устранить адгезию.

 

Рис. 71. Слой с поршневым уносом частиц.

Перепад давлений в области уноса увеличивается для преодоления сил трения поршней о стенки аппарата.

 

 

Рис. 72. Слой с каналообразованием.

 

Открытие и закрытие каналов создают пульсирующую кривую псевдоожижения.

 

Рис. 73. Фонтанирующий слой.

 

Требуется значительный перепад давлений для образования осевого канала в слое.

Расчетные зависимости

 

1. Уравнение постоянства частиц в слое, /закон сохранения материи/

 

Неподвижный слой Кипящий слой

H₀ · S · (1 – ε) = H_пс. · S · (1 – ε)

 

Откуда высота кипящего слоя

 

/65/

 

1. Уравнение Бернулли /закон сохранения анергии/ для сечений 1-1 и 2-2 /рис. 68/.

 

Откуда

p₁ – p₂ ≈ Δp_n /66/

 

1. Баланс сил, действующих на слой /рис. 68/.

 

p₁ · S + A – G_T – p₂ · S = 0

G_T – A = (p₁– p₂) · S

g(ρ_T – ρ_C) · (1 – ε) · H · S = Δp · S

Откуда высота слоя

/67/

Для расчета "Н" Δp принимают или рассчитывают.

 

1. Потери напора /равны перепаду давления/.

По формуле Дарси-Вейсбаха /внутренняя задача гидродинамики/

/68/

а/ Re < 1, λ = 133/Re – ламинарный режим,

б/ Re > 7000, λ = 2,34 – турбулентный режим,

в/ l = H,

г/ ,

д/ ,

е/

Выражения а/ – е/ подставляем в формулу /68/:

 

/69/

Формулу /69/ опубликовал в 1952 г. американский ученый Эрган /S. Ergun/. Первое слагаемое формулы учитывает ламинарный режим, второе – турбулентный режим.

 

1. Скорость псевдоожижения.

 

Балане сил, действующих на одиночную частицу в состоянии витания, будет таким же, как и /14/, только сила сопротивления будет называться силой кинетического /скоростного/ давления.

Для учета ансамбля частиц в зависимость /16/ вводят порозность:

/70/

Зависимость /70/ была опубликована в 1958 г. ленинградскими авторами: В.Д. Горошко, Р.Б. Розенбаум, О.М. Тодеc, – в виде

/71/

Для расчета первой критической скорости порозность слоя прини­мается равной 0,4 и формула /71/ будет иметь вид:

/72/

Для расчета второй скорости /критической/ псевдоожижения порозность слоя принимается равной 1,0 и формула /71/ будет иметь вид:

/78/

Для расчета любой скорости псевдоожижения /в том числе и рабо­чей/ применяется графическая зависимость критерия Лященко от крите­рия Архимеда и порозности:

/74/

где .

 

Графическая зависимость /диаграмма/ /74/ представлена на рис. 74.

 

 

Рис. 74. Зависимость критерия L_y от критерия A_r и порозности

 

4/ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

 

Цель перемешивания заключается в снижении градиента концентра­ции или температуры, либо обоих одновременно, в перемешиваемой среде.

Применяется как самостоятельный процесс для получения однородной смеси или как средство для интенсификации тепловых, массообменных и химических процессов.

Перемешивающее оборудование разделяют на четыре основные группы:

1. для газов,
2. для ньютоновских жидкостей,
3. для неньютоновских жидкостей,
4. для твердых сыпучих материалов.

 

1. Перемешивание газов.

Различают перемешивание:

а/ нескольких газов /У-образное соединение труб, сопло, вентилятор/,

б/ газы и пары /то же/,

в/ газы и жидкости /диспергирование – сопло, центробежные разбрызгиватели и др./,

г/ газы и твердые вещества /пневмотранспорт, взвешенный слой/.

 

Перемешивание в газовой среде редко применяется как самостоятельный процесс и обычно рассматривается совместно с другими процессами /абсорбция, сушка и др./.

 

2. Перемешивание ньютоновских жидкостей.

 

Различают перемешивание:

– циркуляционное,

– струйное,

– барботажное,

– ультразвуковое /акустическое/,

– пульсационное,

– механическое с помощью мешалок:

– лопастные,

– пропеллерные,

– турбинные,

– специального типа.

 

Некоторые виды перемешивания и типы мешалок представлены на рис. 75-88.

3. Перемешивание неньютоновских жидкостей

 

Проводится с помощью мешалок и смесителей.

 

Мешалки	Смесители
/вязкость жидкости до 100 Па.с/	/вязкость смеси до 104-105 Па.с/
– турбинные	– роторные
– якорные	– червячно-лопастные
– гребенчатые	– валковые
– комбинированные

 

4. Перемешивание твердых сыпучих материалов.

Проводится в смесителях. Различают смесители:

 

Тихоходные	Быстроходные
Fr < 30	Fr > 30
– лопастные	– ударные
– барабанные	– центробежные
– шнековые

 

МЕХАНИЧЕСКОЕ ПЕРЕМЕШИВАНИЕ НЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ

Теоретические основы

Движение потока перемешиваемой жидкости, вызываемое мешалкой, очевидно, можно описать дифференциальным уравнением Навье-Стокса, которое после преобразования согласно теории подобия приводится к критериальному уравнению /11/. Для стационарного процесса перемеши­вания выпадает критерий Н₀, тогда уравнение /11/ примет вид:

/75/

Раскрывая критерии подобия, получим функциональную зависимость между величинами:

/76/

Однако при перемешивании в жидкой среде мы имеем сложную эпюру распределения скоростей и давлений в аппарате с мешалкой. Схема аппарата представлена на рис. 89.

 

Рис. 89. Схема аппарата с перегородками и мешалкой.

Можно предположить, что скорость движения жидкости в любой точке аппарата будет пропорциональна числу оборотов мешалки и диа­метру мешалки:

/77/

Мешалку можно рассматривать как насос, тогда полезная мощность

/78/

В свою очередь расход жидкости будет зависеть от скорости и диаметра аппарата:

/79/

Таким образом от зависимости /76/ мы переходим к зависимости /80/:

/80/

Методом анализа размерностей зависимость /80/ переводятся в критериальное уравнение:

/81/

где

– критерии мощности,

– центробежный критерий Рейнольдса,

– центробежный критерий Фруда.

– геометрический симплекс.

Для механического перемешивания геометрических симплексов может быть несколько /все параметры относятся к диаметру мешалки/:

; ; ; .

При условии геометрического подобия /Г = const и переходят в константу "С"/ и при отсутствии воронки /≈ 0, для устране­ния воронки устанавливают перегородки/ уравнение /81/ принимает вид:

/82/

Общий вид зависимости /82/, полученный опытным путем, представлен на рис. 90.

 

Рис. 90. Общая зависимость критерия мощности от критерия Рейнольдса.

Режимы перемешивания и расчет полезной мощности

 

На графике рис. 90 можно отметить четыре характерных области.

1. Участок АВ, < /30-50/, ламинарный режим перемешивания. В этом случае

 

; N μ /83/

В ламинарном режиме мощность, потребляемая мешалкой, пропорциональна вязкости среды.

1. Участок ВС, = 50-10⁴, переходный режим. Для расчета мощности используются опытные графические данные.
2. Участок СD, = 10⁴-10⁶, турбулентный режим. Тогда

; N μ /83/

В турбулентном режиме мощность перемешивания пропорциональна плотности среды.

1. Участок ЕF, = 10⁴-10⁶, турбулентный режим с образо­ванием воронки. В этом случае необходимо учитывать критерий Фруда. Однако на практике стараются избежать этот режим из-за неустойчиво­сти перемешивания и вибрации вала. Мешалка выходит из зацепления с жидкостью, как это показано на рис. 91, поэтому критерий мощности уменьшается.

 

 

Рис. 91. Перемешивание с образованием воронки.

1 – область вынужденного вихря, где собираются частицы суспензии.

Мощность двигателя мешалки

Определяется по формуле

, /85/

где η = 0,6 – 0,9 – кпд мешалки.

Для ньютоновских жидкостей пусковой момент не учитывается.

 

Интенсивность и эффективность перемешивания

Если τ – время для достижения определенного технологического результата, то произведение

τ · n /86/

может служить показателем интенсивности мешалки. Самой интенсивной признается турбинная мешалка.

Произведение

N · τ /87/

может служить показателем эффективности мешалки. Самой эффективной признается пропеллерная мешалка.

 

Пути интенсификации перемешивания.

 

Основные трудности при моделировании механического перемешива­ния в турбулентном режиме возникают из-за изменения масштаба турбулентности /размер вихря и путь его смешения/. В малом объеме аппарата соответственно невелик масштаб турбулентности и перемеши­вание осуществляется более интенсивно, чем в большом объеме аппарата.

В соответствии с этим можно отметить следующие пути интенсифи­кации процесса перемешивания.

1. Уменьшение диаметра или объема аппарата.
2. Увеличение диаметра мешалки, .
3. Секционирование и размещение нескольких мешалок в одном аппарате.
4. Применение комбинированного перемешивания, например, барботаж + ультразвук + механическое перемешивание.

 

НЕНЬЮТОНОВСКИЕ ЖИДКОСТИ

 

Методика определения мощности механического перемешивания

 

1. Зная тип неньютоновской жидкости, принимают число оборотов "n" мешалки и определяют среднюю скорость сдвига

мин^-1 /88/

Для псевдопластичной жидкости принимается k = 13, для бингамовской k = 10, для дилатантной .

1. По реологической характеристике определяют эффективную вязкость жидкости. Например, для точки "А" дилатантной жидкости, рис. 92.

 

Рис. 92. Реологическая характеристика дилатантной жидкости.

Эффективная вязкость для т. А

/89/

1. Зная диаметр мешалки, определяют число Рейнольдса

/90/

1. Для неньютоновских жидкостей перемешивание возможно в ламинарном или /в крайнем случае/ переходном режимах. Из зависимости , представленной графически на рис. 93, определяют критерий мощности K_N .

 

Рис. 93. Зависимость критерия мощности от числа Рейнольдса
для неньютоновских жидкостей

Полезная мощность

/91/

1. Мощность двигателя. Определяется по формуле:

, /92/

где – кпд привода,

– мощность пуска /определяется по эмпирическим формулам/.

 

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

 

Тепловые процессы представляют собой переход тепла от одного теплоносителя к другому и подчиняются основному уравнению теплопередачи:

/93/
где Q – расход тепла от первого теплоносителя ко второму, Вт,

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м².K,

F – поверхность теплопередачи, м²,

– средняя разность температур между теплоносителями, К/ºС.

К тепловым процессам относятся.

1. НАГРЕВАНИЕ – увеличение температуры вещества путем подвода тепловой энергии. Температура /t/ увеличивается, t > t_нач.
2. ОХЛАЖДЕНИЕ – уменьшение температуры вещества путем отвода тепловой энергии

Температура /t/ уменьшается, t < t_нач.

1. КОНДЕНСАЦИЯ – перевод пара в жидкое состояние путем отвода тепловой энергии.

t_конд. = const.

1. ИСПАРЕНИЕ – перевод жидкости в парообразное состояние путем подвода тепловой энергии.

t_исп. = const.

 

Частные случаи.

 

КИПЕНИЕ – испарение жидкости при t_кип. = const.

ВЫПАРИВАНИЕ – кипение растворов твердых нелетучих веществ при t_кип. = const.

ВОЗГОНКА – /сублимация/ – перевод твердого вещества в парообразное состояние, минуя жидкую вазу.

t_возг. = const.

 

Классификация тепловых процессов в развернутом виде c указанием аппаратуры представляется ниже.

Тема: "Нагревание, охлаждение и конденсация" – предлагается студентам для самостоятельного изучения по учебнику А.Н. Плановского /глава седьмая/. [1, 1972 г. – стр. 160-181] .

Классификация теплообменников и основы их конструктивного рас­чета представлены в пособии:

Тепловые процессы. Методические указания по лекционному курсу. /Сост.: В.С. Сальников, Б.Н. Басаргин/ - Ярославль, ЯПИ,1982. – 26 с.

Дополнительные рисунки с небольшими пояснениями представлены далее на стр. 89 - 104 /данные МКТИ/.

Из этой тематики более подробно мы рассмотрим обработку опытных данных по лабораторной работе №23 "Испытание элементного теплообменника" и полные тепловые расчеты дефлегматора и кипятильника для курсового проекта по ректификации.

СПОСОБЫ ПОДВОДА И ОТВОДА ТЕПЛА В ПРОМЫШЛЕННОЙ
АППАРАТУРЕ. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ.

 

В химической промышленности применяются различные способы подвода и отвода тепла.

Для подвода тепла использует электроэнергию, топочные газы, полученные сжиганием газообразного, жидкого или твердого топлива, и промежуточные теплоносители. В ряде случаев источни­ками тепла служат экзотермические процессы в химических реакторах; здесь отбор тепла, необходимый с технологической точки зрения, позволяет в то же время утилизировать его, что повышает экономичность производства.

Выбор способа подвода тепла и выбор теплоносителей опреде­ляются потребной температурой, технологическими и технико-экономическими соображениями.

При электрообогреве тепло может подводиться в нагреватель­ных устройствах с электросопротивлением или внешним индукционным обогревом (рис. Т-I), токами высокой частоты (рис.2), а так­же в электродуговых печах. При этом достигаются высокие температуры (при нагревании электросопротивлением – порядка 1000 °С, а при электродуговом нагреве – насколько тысяч градусов). Тем­пература может легко регулироваться отключением или включением части элементов или изменением напряжения. Установки с электрообогревом – весьма компактны. Однако их распространение лимитируется дефицитностью и сравнительно высокой стоимостью электро­энергии.

Обогрев топочными газами осуществляют либо непосредственно в печах, либо – в вынесенных теплообменниках (рис. 3). Такой способ подвода тепла прост, обеспечивает достижение высоких температур (до ~1000 °С), однако обладает рядом существенных недостатков: опасность взрывов и пожаров, невозможность быстрого и точного регулирования температуры, громоздкость установок из-за низких коэффициентов теплоотдачи от газов (10-60 Вт/м².К) и низкой объемной теплоемкости последних.

Для подвода тепла при более низких температурах (до нескольких сот градусов) предпочитают использовать промежуточные теплоносители.

Наиболее широко распространенным теплоносителем при необходимости

обеспечения температуры не выше 180-200 °С является насы­щенный водяной пар. При возможности транспортирования на боль­шие расстояния он обладает рядом существенных достоинств: дос­тупность: высокий коэффициент теплоотдачи (~ 10000 Вт/м2), обеспечивающий

компактность установки; высокая теплота конденсации, обеспечиваю­щая низкий его расход; равномерность обогрева и возможность тонкого регулирования температуры изменением давления.

На рис.4 показан обогрев "острым", а на рис 5 – "глухим" паром. При наиболее широко распространенном способе использования водяного пара в поверхностных теплообменниках ("глухой" пар) достижение полной конденсации пара в теплообменном аппарате обеспечивается установкой на выходе из него конденсатоотдатчиков (рис.5 и 6).

Для работы при более высоких температурах, чем те, которые достигаются с помощью водяного пара, применяют высокотемпературные теплоносители – парообразные и жидкие.

Среди паровых органических теплоносителей наибольшее рас­пространение нашла дифенильная смесь, содержащая около трех четвертей дифенилового эфира и около четверти дифенила. При атмосферном давлении жидкая дифенильная смесь кипит при 258 °С,
а при повышенном давлении (~8 ат) ее можно применять до ~ 400 °С (выше начинается интенсивное разложение смеси). Дифенильная смесь, хотя и горюча, но практически взрывобезопасна и нетоксична.

Пары высококипящих органических жидкостей, как и водяной пар, получают в котлах, обогреваемых топочными или технологи­ческими газами (в последнем случае котлы называют котлами-утилизаторами) и направляют для использования в теплообменники; образовавшийся в последних конденсат вновь возвращают в котел.

При использовании жидких высокотемпературных теплоносите­лей применяют либо обогрев с помощью рубашек (бань), либо (ча­ще) циркуляционный обогрев (рис.7). Среди таких теплоносителей можно назвать перегретую воду при давлениях и температурах, близких к критическим (ею можно греть до 300-350°С), минераль­ные масла, органические и кремнийорганические соединения (в том числе и уже упоминавшуюся, жидкую дифенильную смесь), рас­плавленные соли и металлы (последние применяют при температурах вплоть до ~ 1000°С). '

 

Отвод тепла чаще всего осуществляют с помощью естественных