Гидромеханические аппараты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Аппараты   для   массообменных процессов

Разделение продуктов химических реакций и получение бензина из нефти, очистка сточных вод и выделение кислорода из воздуха - эти и многие другие задачи решаются с помощью массообменных процессов. Сейчас в промышленности используют свыше 10 массообменных процессов. В этих процессах разделение однородных смесей происходит благодаря различию в физико-химических свойствах компонентов: температуре кипения, растворимости и т. п. Важнейшие массообменные процессы это абсорбция, адсорбция, ректификация, экстракция, сушка, кристаллизация, мембранные разделения: обратный осмос, ультрафильтрация, диализ, электродиализ, диффузионное разделение.

Абсорбция это поглощение отдельных компонентов из газовых смесей жидкими поглотителями - абсорбентами. В качестве абсорбентов используют жидкости, которые хорошо растворяют  извлекаемый  компонент. Абсорбция - основная технологическая стадия ряда важнейших производств. Например, путем абсорбции оксидов азота, серы и хлористого водорода водой получают азотную, серную и соляную кислоты; из коксового газа извлекают аммиак, бензол . Абсорбция широко используется при санитарной очистке отходящих газов от вредных примесей - ядовитых оксидов, соединений фтора и т. д.

Процесс абсорбции проводят в аппаратах, называемых абсорберами. Главное требование к конструкции абсорбера - создать как можно большую поверхность контакта фаз (газовой и жидкой). Для этого жидкость дробится на капли, струи или пленки, а газ - на пузыри и струи.

Адсорбция - это процесс поглощения компонентов из газовых или жидких смесей твердым веществом - адсорбентом. Адсорбция происходит на поверхности любого материала, будь то металл или стекло, дерево или пластмасса. Внутри твердого тела атомы или молекулы взаимно притягивают друг друга. Те из них, которые находятся на поверхности, испытывают притяжение только с одной стороны - изнутри материала, а избыточные силы притягивают молекулы других веществ извне. Значения этих сил зависят от строения поглощаемой молекулы и природы адсорбента. Если адсорбент поместить в раствор, содержащий смесь веществ, то преимущественно поглотится только одно или несколько из них, для которых силы притяжения, максимальны.

Чем больше поверхность адсорбента, тем больше  молекул   может  на  ней  задержаться. Поэтому чаще всего в качестве адсорбента используют активированный уголь, который обладает исключительно высокой пористостью: в 1 г угля поверхность пор достигает 1500 м2!

Первоначально адсорбенты использовали только в медицине для лечения отравлений. Теперь же адсорбция - один из важных массообменных процессов химической технологии. С ее помощью удается практически полностью очистить химические продукты от примесей, извлечь из смесей ценные вещества, даже если их концентрация очень мала.

Ректификация. Этот процесс разделения жидких смесей основан на различии температур кипения компонентов смеси. Если испарять смесь двух жидкостей, например воды и ацетона, то пары будут обогащаться ацетоном, так как у него температура кипения ниже. При конденсации полученных паров в первую очередь сконденсируется вода - у нее температура кипения выше.

Повторяя процессы испарения и конденсации многократно, можно получить практически чистые ацетон и воду.

Экстракция. Это процесс извлечения компонентов из растворов или из твердых тел с помощью избирательных растворителей - экстрагентов. Разделение основано на различной растворимости компонентов смеси в экстрагенте. Умело подобранный экстрагент позволяет выделить из смеси только интересующий нас компонент. В отличие от ректификации при экстракции не удается сразу получить чистое вещество: образуется новая смесь - раствор нужного компонента в экстрагенте. А для окончательного разделения необходимо использовать другой массообменный процесс. Поэтому экстракцию применяют главным образом тогда, когда первоначальную смесь трудно разделить другими методами.

Сушка. Это удаление влаги из твердых материалов путем ее испарения. Благодаря сушке уменьшается слеживаемость удобрений, повышается качество угля и торфа, удешевляется транспортировка материалов. Поэтому сушка широко распространена в химической технологии. Этот процесс часто является последней стадией производства, предшествующей выпуску готового продукта. Обычно в промышленности используют конвективную, контактную и радиационную   сушки.

При конвективной сушке материал обдувается горячим воздухом или топочными газами. Однако непосредственный обогрев возможен не всегда - многие материалы портятся от соприкосновения с кислородом воздуха, топочными газами. В этих случаях применяют контактную сушку - здесь теплота передается высушиваемому материалу через стенку. Для высушивания пленок, тонких листов, лакокрасочных покрытий часто применяют радиационную сушку, при которой теплота сообщается инфракрасными лучами.

Кристаллизация. Это выделение вещества в виде кристаллов из растворов или расплавов. В химической технологии чаще используют кристаллизацию из растворов, для чего их охлаждают или же удаляют часть растворителя выпариванием.

Мембранные методы разделения начали использовать в химической технологии недавно. Мембраны поддерживают жизнь, пропуская необходимые организму вещества внутрь клетки, удаляя из нее отходы. В последние годы создан ряд процессов разделения с помощью мембран - обратный осмос, ультрафильтрация, электродиализ, диализ и диффузионное разделение газов.

  Каждый элемент аппарата состоит из пористой подложки, на которой уложены мембраны. Подложка позволяет мембранам выдерживать рабочие давления и создает каналы для отвода фильтрата. Помимо очистки сточных вод, обратный осмос используют для получения особо чистой питьевой воды из природных вод, пресной воды из морской, очистки водных растворов в химической промышленности.  

 

4 Аппараты для химических процессов

В большинстве химических производств химическая стадия - самая важная часть технологического процесса, а реактор (аппарат для прохождения химической реакции) - основной аппарат. Дело в том, что любые отклонения от оптимального проведения химической реакции способны не только резко снизить ее скорость, но и привести к образованию многих ненужных примесей.

Задача выбора оптимальной конструкции реактора очень сложна - помимо чисто химических закономерностей надо использовать данные гидродинамики, теплопередачи, массопередачи и экономики. Катализаторы способны увеличить скорость необходимой реакции во много тысяч раз, резко повышая выход основного продукта. Иногда удается подобрать такой катализатор, который одновременно снижает скорости побочных реакций, является по отношению к ним ингибитором, т. е. веществом, замедляющим скорость прохождения реакции. Ингибиторы бывают нужны и для снижения скорости основной реакции, если она слишком велика. Например, реакции, в обычных условиях протекающие со взрывом, благодаря ингибиторам «приручаются». Из одного и того же сырья в присутствии различных катализаторов образуются самые разные продукты. Практически все новые химические процессы являются каталитическими, т. е. осуществляются с помощью катализаторов. Различают гомогенные   и   гетерогенные    каталитические процессы.

Реакторы для гомогенного каталитического процесса обычно не сложны. Реакции в однородной среде легко осуществимы, например в аппаратах типа кожухотрубного теплообменника. В трубное пространство подается смесь исходных реагентов. При их движении по трубам происходит реакция и ее продукты выводятся с другой стороны аппарата. В межтрубном пространстве пропускают теплоноситель для подвода или отвода теплоты.

Реакторы для гетерогенных каталитических процессов разнообразны. Их конструкция зависит от фазового состояния реагирующих компонентов и катализатора, способа контакта между ними.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Измельчающие и классифицирующие машины