Гидромеханические аппараты

Содержание

 

	Введение	3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

jВведение

Процессы химической технологии разделяют в зависимости от закономерностей, характеризующих их протекание, на пять основных групп.

Первая группа - гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики. К ним относятся осаждение взвешенных в жидкой или газообразной среде частиц под действием силы тяжести, центробежной силы или сил электрического поля, фильтрование жидкостей или газов через слой зернистого материала под действием разности давлений, перемешивание в жидкой среде, псевдоожижение твердого зернистого материала.

Вторая группа - тепловые процессы, скорость которых определяется законами теплопередачи. В эту группу входят процессы нагревания, выпаривания, охлаждения и конденсации.

Третья группа - массообменные (диффузионные) процессы. Скорость этих процессов определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую, т. е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся абсорбция, ректификация, экстракция, сублимация, кристаллизация, адсорбция, сушка и др.

Четвертая группа - химические процессы, связанные с превращением веществ и изменением их химических свойств. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.

Пятая группа - механические процессы - включает измельчение твердых материалов, классификацию сыпучих материалов и смешение их.

Как  можно заметить из изложенного, в основе классификации химико-технологических процессов лежат кинетические закономерности.

В соответствии с указанным делением процессов целесообразно классифицировать химические аппараты следующим образом:

1) гидромеханические;

2) тепловые;

3) массообменные;

4) аппараты для осуществления химических превращений;

5) измельчающие и классифицирующие машины.

Без знания кинетических закономерностей процессов не представляется возможным рассчитать основные размеры аппаратов.

Кинетические закономерности гидромеханических, тепловых, массообменных и химических процессов могут быть сформулированы в виде общего закона, который гласит: «Скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению».

Коэффициенты скорости различных процессов зависят главным образом от скорости движения потоков материалов, поэтому вывод всех кинетических закономерностей основывается иа законах движения материальных потоков.

1 Гидромеханические аппараты

Гидромеханические процессы - это простейшие процессы, с которыми мы сталкиваемся в химической технологии. Свое название они получили потому, что используются для механического разделения неоднородных смесей жидкостей и газов, их очистки от твердых частиц. Всем хорошо знакомы неоднородные смеси, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни: туман, запыленный воздух, мутная вода. Они составлены из не смешивающихся друг с другом фаз: газовой и жидкой, газовой и твердой, жидкой и твердой. Причем одна фаза сплошная, например воздух или вода, а другая дисперсная, т. е. находится в сплошной фазе в виде мелких взвешенных частичек. Целью разделения неоднородных смесей в промышленности бывает или очистка жидкостей и газов от загрязнений, или же выделение ценных продуктов, содержащихся в виде мелких частиц.

Проехал автомобиль - поднялась пыль. Через некоторое время пыль осела, воздух снова стал чистым. Здесь мы наблюдаем простейший возможный способ разделения неоднородных смесей - путем осаждения под действием силы тяжести. В химической технологии тоже иногда используется такой принцип, например в отстойниках для суспензий - жидкостей, содержащих во взвешенном состоянии твердые  частицы.  Основное достоинство процесса отстаивания - простота. Однако силы тяжести, действующие на мелкие частицы, невелики, и осаждение происходит очень медленно. Гораздо эффективнее осаждение под действием центробежных сил. Такой принцип используют в широко распространенных аппаратах - циклонах и центрифугах.

Как видно на рисунке 1, запыленные газы поступают в верхнюю, цилиндрическую, часть корпуса циклона через патрубок 2, установленный по касательной к окружности цилиндрической части циклона. В кольцевом пространстве, между корпусом циклона и выхлопной трубой 3 и далее, в нижней, конической, части 4 корпуса циклона возникает вращательно-поступательное движение газового потока, образуется внешний вращательный вихрь и получают развитие центробежные силы, под действием которых пылевые частицы стремятся двигаться от оси циклона к периферии, т. е. к его стенкам. Достигнув стенки корпуса циклона, частицы теряют свою скорость и под действием силы тяжести падают в коническую часть корпуса циклона, а затем в бункер для сбора пыли. Очищенный газовый поток поступает в выхлопную трубу, образуя внутренний вращающийся вихрь, и выбрасывается в атмосферу.

                           

Рисунок 1 - Схема движения запыленного газового потока в циклоне.

1 - корпус циклона, 2 - входной  патрубок, 3 - выхлопная труба, 4 - коническая  часть корпуса циклона.

Центрифуги используют для очистки жидкостей от мелких частиц. В неподвижном кожухе центрифуги вращается с большой частотой барабан. Суспензия подается внутрь барабана и благодаря силам трения начинает вращаться вместе с ним. Твердые частицы отбрасываются к стенкам и оседают на них. Осветленная жидкость вытесняется в пространство между кожухом и барабаном и выводится из центрифуги. Осадок удаляют или периодически, после заполнения барабана, или непрерывно.

Наиболее полная очистка жидкостей и газов от примесей достигается с помощью фильтрования. Для фильтрования суспензий часто применяют барабанные вакуум-фильтры - барабаны, покрытые снаружи фильтровальной тканью. (рис.2) Они имеют множество отверстий . Перегородки делят барабан на несколько изолированных друг от друга камер. При вращении барабана каждая камера поочередно соединяется с помощью труб с вакуумом или сжатым воздухом. Благодаря этому на фильтре происходит одновременно несколько процессов: фильтрование, подсушивание и промывка осадка.

                      

Рисунок 2 -  Барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия:

1 - барабан; 2 - перегородки; 3 - распределительная головка; 4 - корыто; 5- нож для срезания осадка; 6 - распределитель воды для промывания осадка; 7, 8 - трубы для откачки отфильтрованной жидкости и промывной воды; 9 - труба для подачи сжатого воздуха.

Для тонкой очистки газов используют рукавные фильтры и электрофильтры. В рукавных фильтрах газ пропускают через матерчатые рукава, которые задерживают твердые частицы. Электрофильтры имеют два электрода, проходя между которыми газ ионизируется. Отрицательно заряженные ионы и электроны, двигаясь к положительному электроду, соприкасаются с пылинками или капельками и сообщают им свой заряд. В результате частицы пыли или тумана тоже начинают двигаться к положительному электроду и оседают на нем.

Другая важная составная часть гидромеханических процессов - перемешивание. В химической технологии перемешивание используют для приготовления растворов, суспензий, эмульсий и пен, а также для увеличения скорости химических, тепловых и массообменных процессов.

Не сложно растворить кусок сахара в стакане воды с помощью ложки. Совсем другое дело - перемешивание в больших промышленных аппаратах. Чтобы жидкость перемешивалась во всем объеме аппарата, недостаточно одного кругового движения мешалки. Необходимо создать и осевой поток жидкости - по высоте, аппарата и радиальный - от центра к стенках. Чем больше размеры мешалки и частота ее вращения, тем интенсивнее перемешивание. Однако при этом резко возрастает потребляемая   мощность.   Знание  теории   позволяет выбрать оптимальную конструкцию мешалки и ее размеры, рассчитать необходимую мощность двигателя. На рис. 3 показаны некоторые мешалки, часто используемые в промышленности.

Рисунок 3 - Виды мешалок

 

 

 

 

2 Тепловые аппараты

Процессы распространения тепла называются теплопередачей. Знание этой науки необходимо для  расчета теплообменников - аппаратов, в которых осуществляют   нагревание   и   охлаждение   жидкостей, газов и твердых веществ, конденсацию паров и кипение жидкостей. В любом из этих процессов теплота передается от более нагретого тела - горячего  теплоносителя  к  менее нагретому   телу - холодному   теплоносителю.

Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Число теплоносителей может быть равно двум и более. В зависимости от технологического назначения теплообменники могут называться подогревателями, испарителями, конденсаторами, паропреобразователями.

По конструктивным признакам теплообменники делятся  на 2 группы:

1) теплообменные  аппараты  поверхностного типа;

2) смесительные  теплообменные  аппараты.

В поверхностных теплообменниках каждый теплоноситель ограничен твердой поверхностью, которая полностью или частично участвует в теплообмене.

Поверхность нагрева (теплообмена) - поверхность, участвующая в теплообмене. Поверхностные теплообменники делятся на рекуперативные и регенеративные.

Рекуперативные аппараты - аппараты непрерывного действия. В рекуперативных теплообменниках  передача теплоты осуществляется от горячего теплоносителя к холодному  через стенку разделяющую их. Тепловой поток направлен от горячего теплоносителя  к холодному.

Регенеративные аппараты - аппараты периодического действия и работают циклами. Цикл включает в себя два периода:

1) Через аппарат  пропускают горячий теплоноситель. От горячего теплоносителя теплота  передается поверхности стенки, стенка аккумулирует теплоту  и нагревается;

2) Через теплообменник  пропускают холодный теплоноситель, разогретая стенка отдает теплоту  холодному теплоносителю, стенка  охлаждается, холодный теплоноситель  нагревается.

  Смесительные  теплообменные аппараты - аппараты, в которых нет стенки, разделяющей  теплоносители. В этих теплообменниках происходит непосредственное смешение горячего и холодного теплоносителя.

Смесительные теплообменные  аппараты, в которых осуществляется конденсация каких-либо паров холодной жидкостью, называют конденсаторами смешения. Их широко применяют для конденсации водяных паров водой. По способу вывода потоков из аппаратов различают конденсаторы смешения мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах охлаждающая вода, образующийся конденсат и неконденсирующиеся газы (чаще воздух) откачиваются из аппарата мокровоздушным насосом совместно. В сухих конденсаторах охлаждающая вода и конденсат выводятся из нижней части аппарата самотеком по одной трубе, а неконденсирующиеся газы откачиваются вакуум-насосом из верхней части аппарата по другой трубе.

Наиболее широко в промышленности используют кожухотрубные теплообменники. Такой теплообменник состоит из кожуха и приваренных к нему трубных решеток, в которых закреплены трубы. Один теплоноситель движется внутри труб, другой - в межтрубном пространстве кожуха. Главное достоинство подобных теплообменников - компактность, поскольку поверхность теплообмена, образованная стенками труб, очень велика. В кожухотрубных теплообменниках можно осуществлять процессы нагревания, охлаждения и конденсации. Испарение жидкостей происходит в выпарных аппаратах. В греющую камеру аппарата подается горячий теплоноситель, который отдает теплоту кипящему раствору. При кипении раствора образуются пузырьки пара, и они вместе с жидким раствором поднимаются вверх по трубкам. По наружной не обогреваемой циркуляционной трубе опускается жидкий раствор, плотность которого значительно больше, чем плотность парожидкостной эмульсии в трубах греющей камеры. Этим обеспечивается интенсивное перемешивание раствора в аппарате. В  сепараторе пар отделяется от капелек раствора благодаря брызгоотбойнику, а также тому, что площадь сечения сепаратора во много раз больше площади сечения трубок и скорость пара здесь резко снижается.  

Вакуумный выпариватель - это установка для индустриальной очистки стоков, в результате которой получается чистая деминерализованная вода, которую можно повторно использовать, и концентрированный остаток, который в 10-60 раз меньше исходного объема стоков и содержит все загрязняющие вещества. На рисунке 3 вы можете изучить схему современного выпаривателя.

Рисунок 3 – Cхема работы современного выпаривателя.                                                  1 - компрессор; 2 - камера кипения; 3 - камера охлаждения; 4 - ёмкость для дистиллята; 5 - струйный насос (инжектор Вентури); 6 - насос откачки концентрата; 7 - вакуумный насос.

Установка, в которой вторичные пары первого аппарата используются в качестве греющего пара во втором, а вторичные пары второго аппарата - в качестве греющего пара в третьем аппарате и т. д., называется многокорпусной, а каждый аппарат - корпусом. В этих условиях нагревательная камера второго аппарата выполняет роль поверхностного конденсатора для первого. При такой схеме работы значительно снижается расход пара. (рис.4)

Многокорпусные выпарные установки широко применяют на консервных заводах главным образом в виде двухкорпусной и реже - в виде трехкорпусной установки для производства томатопродуктов.

Рисунок 4 - Схемы многокорпусных вакуум-выпарных установок