Движущая сила процесса

Движущей силой процесса фильтрования является разность давлений перед фильтром и после него. Иногда эта разность создается центробежными силами. Соответственно различают фильтрование под действием перепада давления и центробежное фильтрование.

Способы перемешивания и их краткая характеристика.

Большинство химических производств содержит стадии приготовления смеси заданного химического состава. Объясняется это тем, что исходные материалы в виде минерального сырья, полупродуктов или отходов других производств, как правило, содержат те или иные вещества в таком количестве, которое не отвечает требованиям, предъявляемым последующими технологическими процессами или потребителями, если смесь является готовым продуктом. Часто заданного состава удается добиться только путем смешивания материалов, обладающих разным содержанием тех или иных веществ.

Перемешивание – гидромеханический процесс химической технологии, предназначенный для ввода механической энергии с целью:
1) обеспечения простого физического перемешивания или эмульгирования двух несмешивающихся жидкостей; 2) диспергирования твердых тел в жидкостях и газах, жидкости в газах, газа в жидкости; 3) изменения физического состояния смешиваемых компонентов –растворение, кристаллизация, плавление; 4) управления химическими реакциями и ускорения их за счет выравнивания концентраций и температур в рабочем объеме.

На практике при перемешивании приходится иметь дело с жидкими (приготовление растворов, эмульсий, суспензий), порошкообразными (смешение гранулированных полимеров с наполнителями, красителями), высоковязкими (получение смесей на основе высокомолекулярных каучуков) веществами.

Перемешивание в жидкой фазе происходит в результате совместного действия процессов молекулярной диффузии и механического перемешивания с целью создания однородных растворов, эмульсий и суспензий, а также интенсификации процессов тепло- и массообмена (чисто физического или в сочетании с химической реакцией). Последняя группа процессов особенно многочисленна, поскольку они могут протекать в различных неоднородных системах, таких как жидкость–жидкость, жидкость–газ или жидкость–твердое тело.

Технологическое назначение перемешивания в жидкой среде разнообразно. Этот процесс применяют в химической технологии для получения эмульсий и суспензий, а также для интенсификации тепловых, диффузионных и химических процессов.

Перемешивание в жидкой среде осуществляется тремя основными способами: механическим, пневматическим и циркуляционным. Преимущественное значение в химических и нефтехимических производствах имеет механическое перемешивание.

Основными вопросами, рассматриваемыми при изучении процесса перемешивания в жидкой среде, являются интенсивность и эффективность перемешивания, а также расход энергии на проведение процесса.

Интенсивность перемешиванияопределяется количеством энергии, вводимой в единицу объема перемешиваемой среды за единицу времени. Интенсивность перемешивания обусловливает характер движения данной жидкости в аппарате. Как было показано ранее, этот характер определяется числом Re . Следовательно, при перемешивании в данной жидкости число Re является мерой интенсивности перемешивания. Следует иметь в виду, что с увеличением интенсивности перемешивания пропорционально возрастают и энергетические затраты, в то время как технологический эффект от увеличения интенсивности перемешивания ограничивается строго определенными пределами. Поэтому интенсивность перемешивания должна назначаться исходя из условий достижения максимального технологического эффекта перемешивания при минимальных энергетических затратах.

Технологический эффект процесса перемешивания, или эффективность перемешивания, является характеристикой качества процесса. В настоящее время эту качественную характеристику выражают по-разному в зависимости от технологического назначения перемешивания.

При применении перемешивания для интенсификации тепловых, диффузионных и химических процессов эффективность перемешивания можно характеризовать отношением коэффициентов скорости процессов при перемешивании и без перемешивания (отношение коэффициентов теплопередачи, массопередачи и отношение скоростей реакции химического превращения).

При применении перемешивания в процессах получения суспензий или эмульсий эффективность перемешивания можно характеризовать равномерностью распределения фаз в суспензии или эмульсии.

Способы перемешивания:

· пневматическое перемешивание, осуществляемое путем пропускания газа или пара через слой перемешиваемой жидкости;

· механическое перемешивание в жидкой среде, осуществляемое при вращательном движении мешалок различного типа;

· циркуляционное перемешивание, производимое многократным прокачиванием жидкости через систему аппарат–циркуляционный насос–аппарат;

· вибрационное перемешивание в жидкой среде, осуществляемое при возвратно-поступательном движении мешалок различного типа;

· пульсационное перемешивание, осуществляемое путем ввода в жидкость через сопла пульсирующего потока газа или диспергируемой жидкости;

· гидравлический распыл – ввод диспергируемой жидкости через форсунки;

· механическое распыливание, осуществляемое механическим разрушением струи вводимой жидкости мешалками различного типа;

· ультразвуковое перемешивание, осуществляемое наложением на жидкость колебаний сверхзвуковых частот;

· статическое перемешивание, производимое совместным пропусканием жидкостей через устанавливаемые в трубопроводах элементы различного типа;

· роторно-пульсационное перемешивание, осуществляемое созданием мощного конвективного потока жидкости в тонком слое в сочетании с непрерывным переориентированием поверхностей раздела;

· электрогидравлическое перемешивание, основанное на использовании комплекса явлений, сопровождающих электрический разряд в жидкости;

· электрогидродинамическое перемешивание, осуществляемое воздействием сил электрического поля на неоднородно распределенные в объеме жидкости и на границах раздела заряды.

Пневматическое перемешивание осуществляется путем пропускания газа через слой перемешиваемой жидкости. Сжатый газ (обычно воздух) поступает в аппарат, наполненный жидкостью. Газ распределяется барботером, представляющим собой ряд горизонтально расположенных у днища аппарата перфорированных труб.

Для более равномерного распределения газа по объему аппарата трубы изогнуты по окружности или спирали. Иногда барботер
выполняют в виде ряда прямых параллельных труб. Газ, выходя-
щий через отверстия в трубах, перемешивает жидкость. Интенсивность перемешивания определяется количеством газа, пропускаемым в 1 мин через 1 м² свободной поверхности аппарата. На практике принимают следующий ряд расхода газа [в м³/(м² мин)]:

слабое перемешивание ........................................ 0,4;

перемешивание средней интенсивности ............. 0,8;

интенсивное перемешивание ............................... 1,2.

Пневматическое перемешивание имеет ограниченные области применения: в тех случаях, когда допускается контакт с газом перемешиваемой жидкости и перемешивание осуществляется кратковременными периодами.

Циркуляционное перемешивание производится многократным прокачиванием жидкости через систему аппарат–циркуляционный насос–аппарат.

В соответствии с принятой кратностью циркуляции (отношение секундной производительности циркуляционного насоса к объему жидкости в аппарате) обеспечивается та или иная интенсивность перемешивания. Кратность циркуляции, необходимую для обеспечения заданной эффективности процесса, устанавливают опытным путем. Циркуляционные насосы во многих случаях могут быть заменены воздушными или паровыми инжекторами.

Механическое перемешивание в жидкой среде осуществляется с помощью мешалок различного типа. Мешалка чаще всего представляет собой комбинацию лопастей, насаженных на вращающийся вал.

Лопатки мешалок могут иметь разнообразную геометрическую форму, в соответствии с которой различают основные типы мешалок (рис. 3.72): лопастные, пропеллерные, турбинные. Кроме этих основных мешалок, существуют другие, объединяемые в группу мешалок специального типа.

Рис. 3.72. Основные типы мешалок: а – лопастные; б – пропеллерные; в – турбинные; г – структура потоков для лопастной мешалки

Интенсивность перемешивания мешалками для обеспечения заданной эффективности назначается на основании опытных данных, поэтому основной задачей конструктора являются подбор типа, размеров и числа оборотов мешалки, которые обеспечивали бы назначенную интенсивность перемешивания, а также определение мощности двигателя для мешалки.

Пылеосадительные камеры, схема, принцип действия.

Пылеосадительные камеры являются простейшими устройствами для очистки потоков газа от взвешенных в нем твердых частиц. Осаждение частиц происходит за счет сил гравитации. Для достижения приемлемой эффективности очистки газов необходимо, чтобы частицы находились в камере возможно более продолжительное время. Поэтому пылеосадительные камеры, рассчитанные на осаждение даже относительно крупных частиц (> 50 мкм), являются громоздкими сооружениями. Для обеспечения необходимого времени пребывания частиц в камере скорость движения газового потока обычно не превышает 3 м/с.

Площадь поперечного сечения пылеосадительной камеры рассчитывается исходя из допустимой скорости газового потока через камеру (м/с) и его расхода V (м³/с):

где В и Н — ширина и высота камеры, м.

Длина пылеосадительной камеры определяется из основного условия нормальной работы камеры

(1.1)

где и — время осаждения частицы в камере, и время движения частицы с потоком газа через камеру

Рис. Простейшие пылеосадительные камеры:
а — простая камера; б — камера с вертикальными перегородками; в — камера с цепной или проволочной завесой

Энергетический баланс выпарных аппаратов.

Выпаривание. Сущность процесса. Кинетика процесса.Выпарные аппараты

Процесс выпаривания заключается в удалении из раствора большей части растворителя и получении концентрированного раствора. Выпаривание следует вести так, чтобы при заданной производительности получить сгущенный раствор требуемой концентрации без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе топлива.

Процесс выпаривания осуществляют в аппаратах однократного действия (однокорпусный выпарной аппарат) или многократного действия (многокорпусный выпарной аппарат). В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается.

Если температура поступающего раствора значительно ниже температуры кипения, то целесообразно его предварительно подогреть в отдельном теплообменнике, чтобы выпарной аппарат работал только как испаритель, а не выполнял частично роль подогревателя, так как в последнем случае коэффициент теплопередачи аппарата несколько снижается. Чем выше концентрация начального раствора, тем меньше расход тепла на его упаривание.

Существует большое количество конструкций аппаратов общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

по расположению поверхности нагрева — на горизонтальные, вертикальные и наклонные;

по роду теплоносителя — с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, вода под высоким давлением), с электрообогревом;

по способу подвода теплоносителя — с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);

по режиму циркуляции — с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;

по кратности циркуляции — с однократной и многократной циркуляцией;

по типу поверхности нагрева — с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенные, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

К конструкции выпарных аппаратов предьявляются следующие требования:

- простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;

- стандартизация узлов и деталей;

- соблюдение требуемого режима (температура, давление, время пребывания раствора в аппарате), получение полупродукта или продукта необходимого качества и требуемой концентрации, устойчивость в работе, по возможности более длительная работа аппарата между чистками при минимальных отложениях осадков на теплообменной поверхности, удобство обслуживания, регулирования и контроля за работой;

- высокая интенсивность теплопередачи, малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.

В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Для большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют с удлиненными трубками (3-3,5 м).

При кипении растворов нелетучих веществ (например, растворов солей, щелочей, органических веществ с очень низким давлением паров при температуре кипения и т. п.) в пары переходит практически только растворитель. По мере его испарения и удаления в виде паров концентрация раствора повышается. Процесс концентрирования растворов, заключающийся в частичном удалении растворителя путем его испарения при кипении, называется выпариванием.

Испарение при температурах ниже температуры кипения данного раствора происходит с его поверхности, в то время как при кипении растворитель испаряется во всём объёме кипящего раствора, что значительно интенсифицирует процесс удаления растворителя из раствора.

Обычно из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в применяемых для выпаривания аппаратах вещество должно оставаться в текучем состоянии. В ряде случаев при выпаривании растворов твёрдых веществ достигается насыщение раствора. При дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т. е. выделение из него твёрдого вещества.

Процесс выпаривания широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов, выделения из них растворённых веществ путем кристаллизации, а иногда – для выделения растворителя (например, при получении питьевой или технической воды в выпарных опреснительных установках).

Для осуществления процесса выпаривания, необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что возможно лишь при наличии разности температур между ними. При анализе и расчете процесса выпаривания эту разность температур между теплоносителем и кипящим раствором принято называть полезной разностью температур. В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах чаще всего используют насыщенный водяной пар, который называют греющим или первичным, хотя для этой цели могут быть применены и другие виды нагрева, и другие теплоносители.