«В.Л. Софронов МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ Часть I Учебное пособие Северск 2009 УДК 66.01.001 ББК 35.11 С-683 Софронов В.Л. Машины и аппараты химических производста.Ч. I: учебное пособие.–Северск: Изд-во ...»

РОСАТОМ

Северская государственная технологическая академия

В.Л. Софронов

МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Часть I

Учебное пособие

Северск 2009

УДК 66.01.001

ББК 35.11

С-683

Софронов В.Л. Машины и аппараты химических производста.Ч. I:

учебное пособие.–Северск: Изд-во СГТА, 2009.– 122 с.

В учебном пособии кратко изложен курс лекций по дисциплине «Машины и аппараты химических производств».

Пособие предназначено для студентов СГТА специальности 240801 – «Машины и аппараты химических производств». Учебное пособие будет полезным и студентам специальности 240601 – «Химическая технология материалов современной энергетики» при выполнении курсовых и дипломных проектов, инженерно-техническим работникам в своей практической деятельности, а также преподавателям при подготовке и проведении занятий как по курсу «МАХП», так и по специальным курсам «Процессы и аппараты химической технологии», «Основы проектирования химического оборудования и производств» и другим.

Пособие одобрено на заседании методического семинара кафедры МАХП (протокол № 7 от 24 марта 2009 г.) Рецензенты: Коробочкин В.В., заведующий кафедрой ОХТ ТПУ, профессор, доктор технических наук;

Андриец С.П., директор ОГК ОАО «СХК», кандидат технических наук Печатается по постановлению Редакционно – издательского совета Северской государственной технологической академии.

Рег. № 34/09 от «23» сентября 2009 г.

Северская государственная технологическая академия, ISBN Содержание Введение

1 Машины и аппараты для проведения теплообменных процессов 1.1 Теплообменные аппараты

1.1.1 Типы теплообменного оборудования

1.1.2 Причины, влияющие на конструкцию теплообменного оборудования

1.1.3 Теплоносители и хладагенты

1.1.4 Основные принципы теплового расчета

1.1.5 Расчет и конструирование кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

1.1.5.1 Выбор трубок

1.1.5.2 Способы крепления трубок и величина шага между ними

1.1.5.3 Разметка трубных досок

1.1.5.4 Турбулизирующие перегородки

1.1.5.5 Определение напряжений в корпусе и трубках жестких теплообменных аппаратов (от Pi)............ 1.1.5.6 Температурные напряжения в теплообменных аппаратах жесткой конструкции

1.1.5.7 Компенсация температурных удлинений.............. 1.1.5.8 Проверка плотности развальцовки

1.1.5.9 Трубные доски

1.1.6 Теплообменные аппараты с рубашками

1.1.7 Теплообменные аппараты с электрическим обогревом. 1.1.7.1 Преимущества аппаратов

1.1.7.2 Расчет установок косвенного нагрева

1.1.7.3 Расчет установок прямого нагрева

1.2 Выпарные аппараты

1.2.1 Требования, определяющие конструкцию аппарата....... 1.2.2 Классификация выпарных аппаратов

1.2.3 Определение размеров парового пространства.............. 1.2.4 Узлы выпарных аппаратов

1.2.5 Сепараторы

1.2.5.1 Сепараторы инерционного действия……………. 1.2.5.2 Сепараторы центробежного типа………………… 1.2.5.3 Поверхностные сепараторы (элиминаторы)…… 1.3 Контрольные вопросы……………………………………………... 2 Машины и аппараты для проведения гидромеханических процессов. Центрифуги

2.1. Общие понятия

2.2 Классификация центрифуг

2.3 Расчет отстойных центрифуг периодического действия.......... 2.4 Расчет производительности непрерывно действующих центрифуг

2.4.1 Осадительные центрифуги

2.4.2 Фильтрующие центрифуги

2.5 Энергетический расчет

2.5.1 Центрифуги периодического действия

2.5.2 Центрифуги непрерывного действия

2.6 Конструкции опор и валов центрифуг

2.7 Контрольные вопросы

3 Массообменные аппараты

3.1 Общие понятия

3.2 Основные требования, предъявляемые при конструировании контактных устройств

3.3 Классификация контактных устройств

3.4 Контактные устройства не провального типа

3.4.2 Колпачковые контактные устройства

3.4.4 Тарелки из S-образных элементов

3.5 Провальные тарелки

3.5.1 Решетчатые тарелки

3.5.2 Колосниковые и трубчатые тарелки

3.5.3 Дырчатые тарелки

3.5.5 Гидродинамика провальных тарелок

3.6 Насадочные контактные устройства

3.6.1 Характеристики насадок

3.6.2 Типы насадок

3.6.4 Потери напора в насадке

3.8 Способы интенсификации работы барботажных (тарельчатых) аппаратов

3.10 Перераспределители жидкости

3.11 Расчет тарелок на прочность

3.12 Расчет опорной обечайки

3.13 Контрольные вопросы

Рекомендуемая литература

Развитие атомной и химической промышленностей требует новых высокоэффективных, экономичных, надежных и безопасных в эксплуатации технологических машин и аппаратов. Переработка веществ, обладающих взрывоопасными и вредными свойствами, ведение технологических процессов под большим избыточным давлением или в глубоком вакууме, а также при высокой или низкой температурах обусловливают необходимость детальной проработки всех вопросов расчета и конструирования химического оборудования с целью обеспечения безопасности обслуживающего персонала.

Выбор типа и принципиальной конструкции машины или аппарата, определение их рабочих параметров, основных размеров, марок конструкционных материалов и других, необходимых для проектирования и расчета оборудования на прочность производят проектировщики (инженеры-механики и технологи) на основе выбранного процесса производства, технологических расчетов и особенностей перерабатываемой среды.

Машины и аппараты обычно классифицируют по процессам, протекающим в них:

1) машины и аппараты для проведения теплообменных процессов - это теплообменники, выпарные аппараты, холодильники, испарители и другие;

2) машины и аппараты для проведения гидромеханических процессов - это фильтры, отстойники, центрифуги и другие;

3) машины и аппараты для проведения массообменных процессов - это абсорберы, адсорберы, ректификационные колонны, экстракторы и другие;

4) машины и аппараты для проведения механических процессов это измельчители, классификаторы, питатели, дозаторы и другие;

5) машины и аппараты для проведения химических процессов реакторы химической промышленности.

Приведенная выше, да и любая другая классификация, являются весьма условными, так как в одних и тех же машинах и аппаратах могут протекать различные процессы, например, теплообмен и химическая реакция или теплообмен и массообмен и другие.

1 Машины и аппараты для проведения тепловых процессов 1.1 Теплообменные аппараты 1.1.1 Типы теплообменного оборудования Неотъемлемая часть любого технологического процесса получения химических продуктов – теплообменные процессы (нагревание, охлаждение, испарение, конденсация). Аппараты или устройства, в которых происходит передача теплоты от одного теплоносителя к другому, называют теплообменниками.

Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена, то есть нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты.

Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес на предприятиях химической промышленности теплообменного оборудования составляет в среднем 15-18%, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности 50%. Значительный объем теплообменного оборудования на химических предприятиях объясняется тем, что почти все основные процессы химической технологии связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты.

Применяемая в химических и других производствах теплообменная аппаратура разнообразна как по своему функциональному назначению, так и по конструкивному оформлению. Причем теплообменные аппараты (теплообменники) широко используют как самостоятельные аппараты и как составные устройства сложной химической аппаратуры (например, реактора, выпарного аппарата, ректификационной установки и прочих).

По принципу действия теплообменное оборудование делят на:

- рекуперативное;

- регенеративное;

- смесительное.

Рекуператоры – теплообменники, в которых теплообмен происходит через стенку. Наиболее распространненым типом рекупираторов являются кожухотрубчатые теплообменники, показанные на рисунке 1.1,а.

а – с неподвижными трубными решетками; б – с плавающей Рисунок 1.1,а – Типовые конструкции кожухотрубчатых В таблице 1.1 приведены основные типы кожухотрубчатых теплообменников и их применение в промышленности Таблица 1.1 – Кожухотрубчатые теплообменные аппараты Типы теплообменных аппаратов ТУ – с U-образными трубками ТПК – с плавающей головкой и компенсатором Регенераторы – теплообменники, представленные на рисунках 1.1,б,в. В них теплообмен происходит посредством теплоносителя промежуточного тела – насадки, которая попеременно омывается то холодным, то горячим теплоносителем.

Рисунок 1.1,б – Принципиальная конструкция регенеративного а – сетчатая насадка; б – насадка Гудлое; в – кольца Рашига Рисунок 1.1,в – Типы насадок регенеративных теплообменных Смесительные – теплообменники, в которых теплообмен происходит при непосредственном смешении теплоносителей.

В свою очередь, рекуперативные теплообменники можно разделить на следующие группы:

1) по назначению:

- для проведения теплопередачи без изменения агрегатного состояния (теплообменники, нагреватели и другие);

- для проведения теплопередачи с изменением агрегатного состояния (испарители, плавильные печи и другие);

- для проведения теплопередачи и другого технологического процесса (реакторы теплообменники, трубчатые печи и другие);

2) по току теплоносителей, схемы которых показаны на рисунке 2:

- прямоточные (см. рисунок 1.2,а);

- противоточные (см. рисунок 1.2,б);

- перекрестные (смешанные) (см. рисунок 1.2,в,г);

Рисунок 1.2 – Схемы движения теплоносителей 3) по конструкционному материалу:

- металлические;

- неметаллические (графитовые);

4) по конструкции и форме поверхности теплообмена:

- с поверхностью теплообмена в форме труб (кожухотрубчатые, труба в трубе и другие);

- в форме плоской поверхности (спиральные теплообменники, аппараты с рубашкой);

- теплообменники по расположению теплообменной поверхности бывают встроенные и отдельно стоящие;

5) по способу компенсации температурных удлинений:

- без компенсации температурных удлинений;

- с компенсацией за счет свободного перемещения;

- с компенсацией за счет упругих элементов.

1.1.2 Причины, влияющие на конструкцию теплообменного оборудования На выбор типа и конструкции теплообменного оборудования влияют следующие причины:

- количество передаваемого тепла;

- термодинамические параметры теплоносителей (температура, давление, агрегатное состояние веществ и другие);

- физико-химические свойства теплоносителей (плотность, вязкость и другие);

- агрессивность теплоносителей;

- загрязненность теплоносителей и тип отложений;

- свойства конструкционного материала;

- назначение аппарата и процессов, протекающих в нем, то есть либо только теплообмен, либо наряду с теплообменом протекают другие технологические процессы;

- напряжения, действующие в аппарате от давления, от температурных деформаций, от краевых и других эффектов;

- располагаемый статический напор (особенно для вертикальных аппаратов), возникающий от давления жидкости.

Наиболее употребительными являются кожухотрубчатые теплообменники.

Их доля в среднем по химической промышленности составляет около 80 % от всего теплообменного оборудования, вследствие высоких коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, а также компактности расположения теплообменной поверхности.

Поэтому при проектировании теплообменного оборудования, в первую очередь, нужно рассмотреть возможность применения кожухотрубчатых теплообменников.

Если возможно их применение, то необходимо решить вопрос: „В какое пространство, какой из теплоносителей следует подавать?” (см.

рисунок 1.1,а).

В трубное пространство подают:

- теплоносители с меньшим расходом;

- загрязненные теплоносители (так как трубы легче чистить);

- теплоносители под более высоким давлением (так как толщина стенки элемента прямо пропорциональна диаметру аппарата);

- коррозионно-активные теплоносители;

- теплоносители с наиболее высокой или с наименее низкой температурой (для уменьшения тепловых потерь).

В межтрубное пространство подают:

- кипящие жидкости и конденсирующиеся пары (так как пары имеют больший объем, чем жидкости);

- теплоносители с меньшими коэффициентами теплоотдачи (в этом случае для увеличения коэффициентов теплоотдачи применяют либо оребренные трубы, либо турбулизирующие перегородки);

- теплоносители с большим расходом.

Имеет значение и пространственное расположение аппарата.

Так, вертикальные аппараты занимают меньшую площадь и с них легче организовать непрерывный отвод конденсата.

Горизонтальные аппараты легче обслуживать и не требуется большая высота помещений.

Оросительные теплообменники применяют с целью экономии охлаждающей воды.

Недостатки:

- большая металлоемкость;

- повышенная атмосферная коррозия;

- обмерзание в зимнее время.

Поэтому оросительные теплообменники в основном используют в южных районах.

Погружные теплообменники малоэффективны с точки зрения теплопередачи, но их используют для подогрева сильно вязких и загрязненных жидкостей.

1.1.3 Теплоносители и хладагенты Рассмотрим основные виды теплоносителей и хладагентов.

Вода и водяной пар.

При более высоких температурах происходит выпадение солей жесткости. Поэтому при более высоких температурах вода должна быть очищена:

Способы очистки (умягчения воды): химический и термический.

В установках с замкнутым циклом водоснабжения потери воды составляют около 5 %.

Средняя разность температур между теплоносителями для эффективной теплопередачи должна быть не менее 10 °C.

При использовании водяного пара в промышленности рекомендуют не поднимать температуру выше 165 °С-170 °С. При этом При использовании пара более высоких температур, давление резко возрастает.

Так в критической точке К для воды и водяного пара:

За критической точкой - однофазная система, поэтому эффективность теплопередачи более высокая.

Лед и холодильные рассолы.

Лед: t = 0 °С–(-30) °C.

Недостатки:

- необходимость получения льда и его измельчения;

- экономичное использование возможно в северных районах.

Рассол CaCl2: tзам = (- 40) °C.

Недостатки:

- необходимо предварительно охлаждать рассол в холодильниках других типов (аммиачные, фреоновые);

- высокая коррозионная активность.

Высококипящие органические теплоносители (ВОТ).

Требования:

- высокая температура кипения;

- ВОТ не должны образовывать смолистых пленок на теплообменной поверхности;

- ВОТ должны быть термически устойчивыми.

В качестве высококипящих органических соединений используют:

- дифенильную смесь (состав: 26 % дифенила, 74 % дифенилоксида):

- дитолилметан:

Другие теплоносители и хладагенты:

- аммиак и фреон (аммиачные и фреоновые холодильники);

- сжиженные газы (N2, O2 и другие);

- топочные газы (избыток воздуха, пары воды, углекислый газ);

- расплавы металлов (Na, K, Li);

- электронагреватели (с прямым и косвенным нагревом) и другие.

1.1.4 Основные принципы теплового расчета В задачу теплового расчета любого теплообменного аппарата входит определение величины поверхности теплообмена путем совместного решения уравнений теплового баланса и теплопередачи.

В зависимости от технологического назначения теплообменника исходные данные для его расчета должны быть различными.

При расчете собственно теплообменника исходными данными должны быть количества и начальные температуры обоих потоков;

- холодильника - количество, а так же начальная и конечная температура горячего теплоносителя;

- подогревателя или испарителя - количество, а так же начальная и конечная температуры холодного теплоносителя.

Основное уравнение теплопередачи имеет вид:

где Q - секундный расход тепла, определяемый из уравнения теплового баланса, Вт;

К - коэффициент теплопередачи, определяемый методами теории подобия, Вт/(м2·К);

F - искомая поверхность теплообмена, м2;

tср - средняя разность температур между теплоносителями, °С.

где t1 и t2 – большая и малая разности температур между теплоносителями, °С.

Схема для определения tср при противоточном движении теплоносителей показана на рисунке 1.3. Поверхность теплообмена, полученная из основного уравнения теплопередачи, является основной величиной для проектирования теплообменника.

теплообменников (КТТ) В задачу расчета и конструирования КTТ входит:

- выбор и расчет трубок;

- определение способа закрепления трубок в трубной решетке;

- выбор способа разметки трубных досок;

- расчет турбулизирующих перегородок;

- расчет корпуса, крышки и днища;

- расчет трубной решетки.

1.1.5.1 Выбор трубок Материал трубок определяется агрессивностью среды. Для неагрессивных сред используют стальные бесшовные трубы из Ст2, 10, 20.

Для агрессивных сред используют бесшовные трубки из легированных сталей, цветных и редких металлов (Cu, Al, Ti, Zr, металлокерамика, графит и другие).

Диаметр трубки зависит от свойств среды и материала.

Так для жидких сред наиболее употребимые диаметры трубок:

При этом для сильновязких и газообразных сред принимают большие диаметры трубок из чугуна:

Трубки из меди в аппаратах, работающих при высоких давлениях, имеют диаметры:

Длина пучков трубок из чугуна обычно не превышает 3 м, а из стали для стандартных теплообменников – 9 м.

Скорости теплоносителей выбирают из соображения получения максимальных коэффициентов теплоотдачи (теплопередачи) и минимальных гидравлических сопротивлений.

Поэтому для получения турбулентного режима движения скорости жидких (W ж) и газовых (W г)теплоносителей должны составлять:

1.1.5.2 Способы крепления трубок и величина шага между Способы крепления трубок и величина шага между ними определяются необходимостью получения высоких коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и минимального сечения межтрубного пространства.

Величина минимального шага между трубками зависит от способа крепления трубок.

Наиболее распространенными способами крепления трубок в трубной доске являются:

- развальцовка (вальцовка);

- зачеканка;

- сальниковое уплотнение;

- комбинация этих способов.

Наиболее распространенным способом является развальцовка, схемы крепления показаны на рисунках 1.4 и 1.5. При этом необходимо выполнение следующих условий:

- материал трубной доски должен быть более жестким, чем материал трубок (чтобы деформировался материал трубок, а не доски);

- зазор между отверстием в трубной доске и трубкой должен быть от 0,5 % до 1,5 % от наружного диаметра трубок (dн). При этом большие зазоры принимают для трубок большего диаметра и трубок из пластичных материалов;

- отверстия в трубной доске и наружные поверхности трубок должны обрабатываться по шестому – седьмому классу шероховатости;

- для увеличения сопротивления вырову трубки из трубной доски в трубной доске протачивают канавки.

Рисунок 1.4 – Схема крепления трубок развальцовкой При давлениях теплоносителя в межтрубном пространстве до P 0,6 МПа канавки делать необязательно. Минимальный шаг между трубками получается для вальцованных и паяных трубок.

В случае развальцовки для трубок с диаметром dт 19 мм принимают:

Причем, ширину простенка принимают:

Большая ширина простенка принимается для трубок малого диаметра.

При необходимости чистки трубок увеличивают шаг отверстия между трубками.

Сварку или развальцовку со сваркой применяют при необходимости обеспечения максимальной герметичности.

Пайку - для крепления медных трубок.

Сальниковые крепления - для неметаллических трубок.

1.1.5.3 Разметка трубных досок Общеприняты три способа:

1) по вершинам равностороннего треугольника (при этом получается шахматный пучок);

2) по вершинам квадрата (коридорный пучок);

3) по окружности (в основном используется в кислородной арматуре (аппаратуре)).

В многоходовых теплообменниках можно использовать и комбинированные способы разбивки.

При разбивке по вершинам равностороннего треугольника размер простенка между отверстиями определяется:

где d0 - диаметр отверстия, м По вершинам квадрата:

При разбивке по вершинам квадрата более доступным становится межтрубное пространство для чистки.

1.1.5.4 Турбулизирующие перегородки Турбулизирующие перегородки (вставки) применяют для интенсификации процесса теплообмена.

По способу установки в корпусе КТТ турбулизирующие перегородки делят на поперечные и продольные.

Поперечные перегородки. Площадь сечения межтрубного пространства Fм, всегда больше площади сечения трубного пространства:

Для увеличения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве и коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи используют различные турбулизирующие перегородки.

Существуют четыре основных вида поперечных перегородок, показаных на рисунках 1.6-1.9:

- сегментные (см. рисунок 1.6);

- дисковые(см. рисунок 1.7);

- секторные(см. рисунок 1.8);

- с кольцевыми щелями(см. рисунок 1.9).

Сегментные перегородки. Диаметр отверстий для труб:

Расстояние между перегородками L зависит от требуемой скорости теплоносителя и выбирают в пределах:

Толщина перегородок:

Высота перегородок:

Дисковые перегородки. Дисковые перегородки состоят из попеременно установленных колец и дисков с площадями поперечного сечения Fк и Fд.

Для этих перегородок принимают:

где F0 – площадь поперечного сечения отверстия в кольце.

или Рисунок 1.7 – Схема дисковых перегородок Секторные перегородки.

Рисунок 1.8 – Схема секторной перегородки Каждый последующий сектор поворачивают на угол /2 по отношению к предыдущему.

Перегородки с кольцевыми щелями.

Рисунок 1.9 – Схема перегородки с кольцевыми щелями Перегородки собирают на прутках и приваривают к ним.

В теплообменниках, в межтрубном пространстве которых происходит изменение агрегатного состояния среды, перегородки не эффективны и их не устанавливают.

В теплообменниках, имеющих несколько ходов по межтрубному пространству, поперечные перегородки не устанавливают.

Продольные перегородки. Наиболее просто установить продольные перегородки на крышках и днищах аппаратов. Они служат для превращения теплообменника в многоходовой по трубному пространству, как покозано на рисунке 1.10.

Число трубок в каждом ходе должно быть примерно одинаковым.

Труднее сделать теплообменник многоходовым по межтрубному пространству из-за конструктивной сложности и трудностей герметизации между ходами.

Рисунок 1.10 – Схемы многоходового по трубному пространству 1.1.5.5 Определение напряжений в корпусе и трубках жестких теплообменников (от Pi) На части теплообменников действуют следующие силы:

- на трубную доску со стороны межтрубного пространства Qм, МН:

где D - внутренний диаметр корпуса теплообменника, м;

n - число трубок;

Рм – давление среды в межтрубном пространстве, МПа;

- на трубную доску со стороны трубного пространства QТ, МН:

где Dn - средний диаметр прокладок;

РТ – давление среды в трубном пространстве, МПа;

- на крышку аппарата со стороны трубного пространства Qкр, МН:

Согласно условию статического равновесия, имеем:

где Q – суммарная сила, действующая на трубы и корпус аппарата, МН:

где qК и qТ - силы, действующие на корпус и трубы аппарата, МН:

Можно показать, что жесткой конструкции Хорошо теплоизолированный корпус теплообменника практически прогревается до температуры теплоносителя в межтрубном пространстве, то есть:

где T – средняя температура греющего теплоносителя, °С.

При этом температуру трубок можно определить по формуле:

где tг - температура трубок со стороны горячего теплоносителя, °С, рассчитывают по формуле:

tх - температура трубок со стороны холодного теплоносителя, °С, рассчитывают по формуле:

t - средняя температура холодного теплоносителя, °С;

г, х - коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м2К);

К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К).

С учетом коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи (истинные температуры трубок со стороны горячего и холодного теплоносителей) определяют напряжения в трубках и в корпусе за счет разности температур:

Свободное удлинение трубок и корпуса определяют по формулам:

где tн - начальная температура монтажа корпуса и трубок, °С;

l - длина трубок, м;

т, к, - коэффициенты линейного расширения материалов трубок и Согласно закону Гука, возникающие деформации удлинения можно определить по формуле:

где i – параметры для трубок или корпуса аппарата.

Деформации будут возникать от действия давления среды и температурных удлинений в трубках и корпусе. Для определения температурных напряжений составляют уравнение совместности деформаций:

Решив это уравнение, можно получить выражение для определения температурных напряжений в теплообменниках жесткой конструкции, при Е т = Ек = Е :

где Fк, Fт - площади поперечных сечений материалов корпуса и трубок, м2.

Отсюда имеем Если принять Fк = Fт, то при t = 50 °С, получим:

Видно, что температурные напряжения при разности температур между корпусом и трубками 50 °С и выше являются очень большими.

Однако, на практике они значительно ниже из-за изгиба трубных досок и особенно изгиба трубок при их длине 3 м и более.

При совместном действии давлений среды и температурных напряжений суммарные напряжения будут определяться по формулам:

1.1.5.7 Компенсация температурных удлинений Есть следующие способы компенсации температурных удлинений:

- за счет свободных перемещений;

- за счет упругих элементов, то есть линзовых компенсаторов.

Линзовые компенсаторы, показанные на рисунке 1.11, стандартизованы для температур от (-70) оС до 700 оС.

Они бывают:

- полулинзовые (см. рисунок 1.11,а);

- линзовые (см. рисунок 1.11,б);

- многолинзовые.

Линзовые компенсаторы изготавливают накаткой или формованием жидкостью из одной или нескольких частей. Приваривают компенсаторы с предварительным сжатием или растяжением. Этим удается в два раза повысить их компенсирующую способность.

Толщина стенок компенсатора:

их компенсирующая способность:

При расчетах определяют число линзовых компенсаторов.

1.1.5.8 Проверка плотности развальцовки Для вальцованных трубок главным требованием является не прочность, а плотность развальцовки, которая определяется удельной нагрузкой на один погонный метр длины развальцовки.

Допускаемая удельная нагрузка на один погонный метр развальцовки q зависит от конструкции соединения.

Необходимо:

Возможны три случая:

- соединение труб без отбортовки:

- соединение с отбортовкой с одного конца труб:

- соединение с отбортовкой с двух концов труб:

где [q] - допускаемая нагрузка, Н/м.

Удельную нагрузку на погонный метр развальцовки можно определить по формуле:

1.1.5.9 Трубные доски Толщина трубных досок зависит от давления в трубном и межтрубном пространствах теплообменника, температурных удлинений, способа крепления трубок и других факторов.

Расчет толщины трубной доски с учетом действия всех факторов проводят по ОСТ 26 – 1185.

Считается, что минимальная толщина стальной трубной доски должна быть не менее 10 мм.

Для вальцованных труб толщину трубных досок принимают Sт, мм:

- стальные доски или где p - коэффициент ослабления трубной доски, рассчитывают по здесь t - шаг отверстий, м;

Сечение простенка трубной доски fм, мм2:

Сечение простенка, показанное на рисунке 1.12, должно быть не меньше минимально требуемой величины, иначе трубная доска может покоробиться. Принимают равным Рисунок 1.12 - Сечение простенка трубной доски 1.1.6 Теплообменные аппараты с рубашками Теплообменные аппараты с рубашками используют обычно для подогрева или охлаждения среды, в которых протекают другие технологические процессы.

Следует отметить, что площадь теплообмена в этих аппаратах будет незначительна, поэтому подогрев или охлаждение так же будут незначительными.

В таких случаях для увеличения эффективности теплообмена, если возможно, дополнительно устанавливают змеевики в аппарате или используют перегородки в рубашке.

В аппаратах с рубашкой, как показано на рисунке 1.13, корпус аппарата работает на действие наружного давления, поэтому его необходимо проверить не только на прочность, но и на устойчивость.

Рисунок 1.13 - Схема теплообменника с рубашкой Рубашки стандартизованы:

- рубашки с эллиптическими или коническими днищами (если Р 0,6 МПа, то t 350 °С; если Р = от 1,0 до 1,6 МПа, то t 300 °С);

- рубашки из полутруб (если 0,6 МПа, то Р = от 1,0 до 6,4 МПа, то t 280 °С);

- рубашки с вмятинами (Р = от 2,5 до 4,0 МПа, то t 250 °С ).

В аппаратах высокого давления иногда используют змеевики, залитые в корпус. Конденсирующие теплоносители подают сверху, а конденсат удаляют снизу.

Газовые и жидкие теплоносители подают снизу, а удаляют сверху. Уровень рубашки должен быть не ниже уровня обрабатываемой среды. Рубашка может доходить до фланца.

Если температура в рубашке не превышает 100 °C, то можно использовать в аппаратах из легированных сталей рубашки из обыкновенных сталей.

Рубашки бывают:

- съемные (в тяжелых аппаратах или в аппаратах из цветных металлов);

- неразъемные (во всех стальных аппаратах).

1.1.7 Теплообменные аппараты с электрическим обогревом 1.1.7.1 Преимущества аппаратов Преимущества электронагревательных установок:

1) малая инерционность действия (скорость движения электронов стремится к скорости света);

2) высокая энергетическая напряженность и возможность достижения высоких температур;

3) простота регулирования температурного режима (путем изменения тока и напряжения);

4) легкость герметизации рабочей зоны;

5) возможность механизации и автоматизации;

6) компактность электронагревателей;

7) удобство обслуживания и улучшение условий труда.

Экономическая сторона выбора в качестве теплоносителя электрической энергии или другого источника тепла определяется удельным расходом топлива на единицу готовой продукции.

Для электрической энергии этот показатель можно записать:

где B - удельный расход топлива (килограмм топлива на килограмм готовой продукции), 1 кг/кг;

А - теоретический удельный расход электроэнергии на килограмм продукции,1 Дж/кг = 1 Вт·с/кг ;

э - электротермический коэффициент полезного действия у - коэффициент полезного действия тепловых электростанций Qу - теплотворная способность условного топлива (теплота сгорания одного килограмма условного топлива), Вт Электрическую энергию можно превратить в тепловую следующими способами:

- электронагревателями сопротивления;

- электродуговыми установками;

- индукционными печами;

- установками диэлектрического нагрева (СВЧ - печи);

- электроннолучевыми, лазерными печами и так далее.

Электронагревательные установки сопротивления могут быть двух типов:

1) установки прямого нагрева. В них электрический ток пропускают непосредственно через нагреваемое вещество, то есть его включают в электрическую цепь;

2) установки косвенного нагрева. В них от электрического тока нагреваются специальные проводники (нагреватели) и от них тепло передается к нагреваемому веществу.

1.1.7.2 Расчет установки косвенного нагрева Тепловой поток от нагревателя Q, Вт:

где н - коэффициент теплоотдачи от нагревателя, Вт/(м2К);

Fн - поверхность нагревателя, м2;

t - температурный напор,°С, рассчитывают по формуле:

где tн - температура нагревателя, °С;

t0 - начальная температура среды, °С.

Мощность электронагревателя W, Вт:

где U - напряжение, В;

В общем случае Электронагреватели, как показано на рисунке 1.24, можно соединить либо звездой, либо треугольником. Мощность нагревателя при соединении звездой рассчитывают по формуле:

здесь Рисунок 1.14 – Соединения нагревателей а при соединении треугольником Таким образом, мощность нагревателя можно изменить путем переключения со звезды на треугольник и наоборот.

Результатом расчета электронагревателя является длина проводника l и его площадь поперечного сечения S.

Основной характеристикой электронагревателя является его сопротивление.

При известных напряжениях и необходимом тепловом потоке определяют сопротивление R, Ом, по формуле:

С другой стороны, сопротивление проводника связано с его геометрическими размерами:

где - удельное сопротивление проводника, Ом·м.

При достаточно высоких температурах необходимо учитывать изменение сопротивления проводника с температурой Rt:

где - температурный коэффициент сопротивления, К-1;

R0 - сопротивление проводника при начальной температуре, Ом.

или Из последней формулы можно определить один из геометрических размеров проводника, задаваясь другим, но на этом расчет проводника не заканчивается.

Температура проводника для каждого материала не должна превышать определенной величины. В противном случае он быстро выйдет из строя.

Поэтому необходимо проверить достаточность поверхности нагревателя с точки зрения теплоотдачи.

Рисунок 1.15 – Схема теплопередачи от электронагревателя Уравнение теплового баланса имеет вид:

где t - текущая температура промежуточного теплоносителя, °С;

m - масса промежуточного теплоносителя, кг;

с - теплоемкость промежуточного теплоносителя, Вт/(кгК);

K - коэффициент теплопередачи от промежуточного теплоносителя к нагреваемому материалу, Вт/(м2К);

Fм - поверхность нагреваемого материала, м2;

tм - температура нагреваемого материала, °С.

Полагая, что разности температур (tн – t), (t – tм) постоянны, проинтегрируем последнее выражение в пределах температур промежуточного теплоносителя от t1 до t2 и получим:

Это уравнение используют для нагревателей в жидкостной ванне.

При непосредственном контакте нагревателя и нагреваемого материала получим:

где н - коэффициент сложной теплоотдачи, Вт/(м2К), который учитывает конвекцию и лучеиспускание.

Сопоставляя расход металла на изготовление проводников, можно отметить следующее:

- масса проводника круглого сечения будет максимальной, квадратного – меньше, а прямоугольного – минимальной. Поэтому многие токоведущие шины имеют форму прямоугольника, однако, тепловая емкость этих шин не велика и они быстрее перегорают.

На практике широкое распространение получили трубчатые электронагреватели (ТЭНы).

Они состоят из стальной трубки, электроизоляционного материала и нихромовой спирали.

В этом случае расчеты нагревателей сводятся к выбору удельной мощности одного ТЭНа и определению их количества n:

где W - необходимая мощность, Вт;

w - удельная мощность одного ТЭНа, Вт.

1.1.7.3 Расчет установок прямого нагрева Электронагревательные установки прямого нагрева имеют наибольшую тепловую напряженность, примерно в 5-6 раз большую, чем в паровых аппаратах.

Особенность:

- необходима электропроводящая среда.

Электротермические (электродные) аппараты классифицируют по разным признакам:

1) вид нагреваемого материала:

- для нагревания и упаривания растворов;

- для нагревания, расплавления и рафинирования (очистки) металлов;

- для нагревания, расплавления и электролиза солей и оксидов металлов;

- для нагревания порошкообразных материалов и так далее;

2) по конструкционному оформлению:

- электродов;

- греющих камер и других конструктивных элементов.

Приведем методику расчета электродных аппаратов для нагревания и упаривания растворов.

Исходным параметром для расчета является количество теплоты, необходимое для нагревания вещества, которое определяют из теплового баланса.

Необходимая мощность нагревателя:

где - коэффициент полезного действия греющей камеры ( 0,9).

Из закона Джоуля – Ленца определяют электрические параметры системы:

где R - сопротивление проводника, Ом. Рассчитывается по формуле Видно, что активное сопротивление проводника складывается из сопротивления раствора Rp, а так же активного сопротивления Rгр на границах “электрод – раствор” в системе “электрод – раствор – электрод”.

Rгр зависит от наличия двойного электрического слоя, электрохимических реакций, протекающих на поверхности электродов, наличия оксидной пленки, а так же других продуктов коррозии на поверхности электродов.

Активное сопротивление раствора определяют по формуле:

Оно зависит от удельной электропроводности раствора, Ом·м-1, расстояния между электродами l, м, рабочей поверхности электродов F, м2, формы и расположения электродов K, газонаполнения электролита Kг.

Коэффициент K показывает отличие электродной группы от плоскопараллельной с одинаковыми электродами.

Коэффициент Kг определяют по формуле:

где Г - коэффициент газонаполнения электролита.

Коэффициент Г определяют по формуле:

где Vг - объем газов в электролите, м3;

Vж - объем жидкости в электролите, м3.

Все эти величины для каждого раствора определяют экспериментальным путем.

Граничное сопротивление Rгр зависит от граничного удельного сопротивления Rгр.уд и рабочей поверхности электродов:

Граничное удельное сопротивление зависит от материала электрода, температуры, плотности тока на поверхности электрода и его определяют экспериментальным путем.

При конструктивном расчете определяют:

- число греющих камер;

- размеры основных и защитных электродов;

- размеры межэлектродного пространства, парового пространства, циркуляционных труб и других элементов.

Число греющих камер зависит от требуемой мощности W и от мощности каждой камеры W к.

Отсюда число греющих камер равно:

Рекомендуемые плотности тока на электродах:

- металлические электроды - углеграфитовые электроды Площадь электродов определяют по формуле:

где I - суммарная сила тока, А;

i - допускаемая сила тока на электроде, А/м2.

Расстояние между электродами можно определить по формуле:

1.2 Выпарные аппараты 1.2.1 Требования, определяющие конструкцию аппарата Назначение выпарного аппарата заключается в сгущении подаваемого раствора путем испарения части растворителя.

Выпарной аппарат состоит из греющей камеры – теплообменника, парового пространства, где происходит кипение и испарение жидкости и сепаратора – устройства для разделения капель и брызг жидкости от вторичного пара.

Требования, определяющие конструкцию выпарного аппарата:

1) эффективное ведение процесса;

2) хорошая сепарация вторичного пара от капель и брызг жидкости;

3) учитывание свойств раствора:

- вспениваемости;

- термостойкости;

- коэффициент температурной депрессии;

4) увеличение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи;

5) сведение к минимуму тепловых потерь;

6) наиболее плотное размещение теплообменной поверхности (что приведет к снижению себестоимости продукции);

7) обеспечение температурной компенсации;

8) по возможности равномерное распределение греющего пара в межтрубном пространстве;

9) непрерывное и полное удаление образующегося конденсата;

10) удаление неконденсирующихся газов, снижающих коэффициент теплоотдачи со стороны греющего пара;

11) удаление кристаллов, которые могут образовываться в процессе упаривания раствора (инкрустация – зарастание поверхности);

12) обеспечение, в случае необходимости, чистки теплообменной поверхности без остановки аппарата.

Совокупность этих требований, зачастую противоречивых, определяют множество конструкций выпарных аппаратов.

Температурная депрессия – разность температур кипения между растворителем и раствором.

На рисунках 1.16,а – 1.16,в приведены конструктивные схемы выпарных аппаратов.

1 – брызгоуловитель; 2 – сепаратор (паровое пространство);

3 – циркуляционная труба; 4 – греющая камера; 5 – кипятильные трубки; 6 – расширитель; 7 – линзовый компенсатор Рисунок 1.16,а – Схема выпарного аппарата с вертикальными насос циркуляционный Рисунок 1.16,б – Схема выпарного аппарата с принудительной Рисунок 1.16,в – Схема выпарного аппарата с усиленной 1.2.2 Классификация выпарных аппаратов Выпарные аппараты можно классифицировать по различным признакам:

1) по способу осуществления циркуляции (см. рисунок 1.16, а,б,в):

- аппараты с естественной циркуляцией растворов (за счет разности плотностей);

- аппараты с принудительной циркуляцией растворов (насос);

- аппараты без циркуляции (прямоточные аппараты);

2) по пространству, в которое подается греющий пар:

- в межтрубное пространство (более широкое применение);

- в трубное пространство (используется только в том случае, если не происходит инкрустации);

3) по числу ступеней:

- одноступенчатые (однокорпусные);

- многоступенчатые (многокорпусные) – имеют преимущество, т.к. используется вторичный пар;

4) по давлению вторичного пара на последней ступени:

- при давлении ниже атмосферного;

- при давлении выше атмосферного;

- при равных давлениях;

5) по конструкции:

- со встроенной греющей камерой;

- с выносной греющей камерой;

- с центральной циркуляционной трубой;

- с выносной циркуляционной трубой;

- с горизонтальной греющей камерой;

- с вертикальной греющей камерой;

- с греющей камерой в виде трубок;

- с греющей камерой в виде змеевика и т.д.

циркуляционная Рисунок 1.17 – Конструктивная схема выпарного аппарата Рассмотрим расчет и проектирование парового пространства и сепаратора выпарного аппарата (а расчет греющей камеры представлен в п.1.1), показаного на рисунке 1.17.

Наиболее благоприятные условия работы получаются при заполнении трубок длиной l раствором на высоту h, равную Для достижения желаемой скорости циркуляции раствора необходимо, чтобы площадь поперечного сечения циркуляционной трубы составила:

где Fтрубок – суммарная площадь поперечного сечения всех трубок, м2.

1.2.3 Определение размеров парового пространства Размеры парового пространства весьма важны для получения сухого вторичного пара.

На влажность пара влияют:

- величина поверхности зеркала испарения;

- высота и объем парового пространства;

- физико-химические свойства раствора (особенно вязкость и поверхностное натяжение).

Для чистой воды напряжение парового пространства R0, т.е.

съем пара в единицу времени с 1 м3 парового пространства, зависит от давления и с увеличением давления R0 уменьшается.

При Р = 0,01-0,015 МПа Для растворов нет надежных данных, поэтому для них напряжение парового пространства R можно принимать:

где a = от 0,7 до 0,9.

Второй важной характеристикой, необходимой для определения размеров парового пространства, является напряжение зеркала испарения R.

Напряжение зеркала испарения – это съем пара с 1 м2 поверхности испарения в единицу времени. Оно также зависит от давления и свойств раствора:

Если обозначить количество пара, образующегося в корпусе, через D, то объем парового пространства можно определить по формуле:

а поверхность зеркала испарения F – по формуле:

где d – диаметр парового пространства, м.

n – плотность пара, кг/м3.

С другой стороны, ее можно выразить следующим образом:

По этой формуле осевая скорость пара получается равной W 0 2м/с (для растворов воды) при давлении равном P = 0,1 МПа.

По последним рекомендациям допускается увеличивать эту скорость в 2-2,5 раза.

Отсюда, высота парового пространства Н, м:

1.2.4 Узлы выпарных аппаратов Ввод пара в греющую камеру обычно делается сверху, турбулизирующие перегородки не устанавливают.

Желательно более равномерно распределять пар в межтрубном пространстве. Поэтому в аппаратах больших диаметров греющий пар подают через два и более патрубков.

Во избежание удара струи пара о трубки, расположенные напротив патрубка входа пара, надо установить защитные экраны.

Условием хорошей работы греющей камеры является непрерывное удаление конденсата. Наиболее просто это сделать в аппаратах с одной стенкой, как показано на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Схемы установки конденсатоотводчиков Конденсатоотводчики располагают как можно ниже, особенно в аппаратах, работающих под вакуумом.

В межтрубном пространстве накапливаются несконденсированные газы: воздух, азот, аммиак, углекислый газ. Поэтому их удаляют периодической продувкой.

При этом в аппаратах, работающих под давлением, этот патрубок соединяют с атмосферой, а под вакуумом – с вакуумной линией.

Эти патрубки для удаления несконденсированных газов могут находиться как сверху, так и снизу греющей камеры, в зависимости от плотности инертного газа.

1.2.5 Сепараторы Проблема отделения пара от капель и брызг жидкостей актуальна не только при проектировании выпарных аппаратов, но и при проектировании многих массообменных аппаратов.

Ко всем сепараторам, установленным как внутри аппарата, так и отдельно, предъявляют следующие требования:

- хорошее отделение капель и брызг;

- малые гидросопротивления;

- незасоряемость и незабиваемость;

- непрерывность отвода отделенной жидкости;

- малые габариты, особенно при установке внутри аппарата;

- малый расход материала, простота конструкции, дешевизна.

По принципу действия все сепараторы, показанные на рисунках 1.19-1.21, делят на три группы:

- инерционные;

- центробежные;

- поверхностные.

1.2.5.1Сепараторы инерционного действия В этих устройствах (см. рисунок 1.19) струя парожидкостной смеси внезапно изменяет направление, при этом капли жидкости в силу инерции движутся в первоначальном направлении и стекают вниз.

Эффект разделения резко возрастает, когда изменение направления сопровождается изменением скорости в 10-15 раз.

Рисунок 1.19 – Схема сепаратора инерционного действия 1.2.5.2 Сепараторы центробежного типа Сепараторы центробежного типа представляют собой циклоны, но, в отличие от них, могут быть установлены как вертикально, так и горизонтально (см. рисунок 1.20).

Смесь поступает по касательной и вращается. При этом капли жидкости центробежной силой отбрасываются к стенке и стекают вниз. При этом входную скорость парожидкостной смеси W n в патрубке принимают равной Инерционные и центробежные сепараторы вносят в систему значительные гидросопротивления.

Рисунок 1.20 – Схема сепаратора центробежного типа 1.2.5.3 Поверхностные сепараторы (элиминаторы) Элиминаторы работают при скоростях в патрубке W n 5 м/с (см.

рисунок 1.21). Их гидравлическое сопротивление составляет несколько десятков Паскалей.

На практике часто используют сепараторы, включающие два, а то и все три принципа действия.

До сих пор нет надежных методик расчета сепараторов, так как невозможно точно определить минимальный размер уносимых капель жидкости.

Во всех случаях используют эмпирические методики расчетов, верные лишь в определенных условиях.

Рисунок 1.21 – Схема поверхностного сепаратора (элиминатора) 1.3 Контрольные вопросы 1 Теплообменники. Типы теплообменников.

2 Конструирование кожухотрубчатых теплообменников (КТА).

3 Способы крепления труб в КТА и величина шага между ними.

4 Определение температурных напряжений в КТА жесткой конструкции.

5 Определение напряжений в корпусе и трубках КТА от совместного влияния давления среды и температурных удлинений.

6 Поперечные и продольные турбулизирующие перегородки КТА.

7 Теплообменные аппараты с рубашками.

8 Теплообменные аппараты с косвенным и прямым электрическим нагревом.

9 Выпарные аппараты (ВА). Классификация ВА.

10 Определение размеров парового пространства ВА.

12 Сепараторы для улавливания пены и брызг в ВА.

2 Машины и аппараты для проведения гидромеханических процессов. Центрифуги 2.1 Общие понятия Центрифугированием называют процесс разделения неоднородных систем в поле центробежных сил.

Центрифугированию подвергают:

В центрифугах процессы отстаивания, фильтрации, сушки и другие протекают более интенсивно, чем в аппаратах других типов.

По величине твердых частиц суспензии, подвергаемые центрифугированию, условно можно разделить на четыре группы:

- средние (dч = 0,1-1 мм);

- тонкие (dч = 0,01-0,1 мм);

- весьма тонкие (dч < 0,01 мм).

Неоднородные системы, наряду с дисперсностью, характеризуют порозностью, которая определяется по формуле где В - часть единичного объема, занятая твердым телом;

А - часть единичного объема, занятая жидкой средой.

Источником возникновения центробежной силы является быстро вращающийся ротор.

При вращении ротора и находящихся в нем масс возникает центробежная сила Fц, определяемая по формуле:

так как где m - масса ротора и материала, кг;

n - частота вращения, об/мин;

R - радиус ротора, м.

При вращении ротора с материалом G = 1 H, где Фр - фактор разделения, показывающий, во сколько раз центробежное ускорение превышает ускорение силы тяжести (ускорение свободного падения).

Чем выше фактор разделения, тем выше разделяющая способность центрифуг.

Величина фактора разделения ограничивается условиями прочности и динамической устойчивости роторов центрифуг.

Вторым важным показателем работы центрифуг является индекс производительности, который определяют по формуле:

где F - площадь разделяющей части центрифуг, м2.

2.2 Классификация центрифуг Центрифуги можно классифицировать по различным признакам:

1) по величине фактора разделения:

- нормальные центрифуги (Фр 3500 );

- сверхцентрифуги (Фр > 3500 );

2) по принципу действия:

- отстойные (предназначены для разделения неоднородных систем);

- фильтрующие, имеющие перфорированный ротор с фильтровальным полотном (предназначены для разделения трудно фильтруемых систем).

Нормальные центрифуги бывают отстойные и фильтрующие.

Сверхцентрифуги бывают только отстойного типа и предназначены либо для разделения трудно фильтруемых систем (трубчатые сверхцентрифуги), либо эмульсий (жидкостные сепараторы).

Отстойные центрифуги делят еще на:

- обезвоживающие;

- осветляющие;

- сепарирующие;

- универсальные;

3) по комплексу факторов (причин):

- наиболее распространенная классификация, учитывающая пространственное расположение ротора, режим работы центрифуг и способ выгрузки осадка, показанная на рисунке 2.1.

выгрузкой осадка С ножевой (скребковой) С гравитационной С пневматической Рисунок 2.1 – Схема классификации центрифуг 2.3 Расчет отстойных центрифуг периодического действия Объемная производительность V, м3/ч:

где - степень заполнения ротора центрифуги;

Vp - объем ротора, м3;

ц - время центрифугирования, с, равное где 1, 2, 3, 4 - длительности периодов пуска, осаждения, торможения и выгрузки, соответственно, с.

Длительности периодов пуска, торможения и выгрузки осадка не могут быть определены аналитическим расчетом, так как зависят от степени механизации работ, размеров центрифуги и ее привода.

Длительность периода осаждения равна где r - внутренний радиус слоя материала в роторе, м;

W 0 - скорость осаждения частиц, м/с.

Скорость осаждения частиц в условиях, близких к стоксовским, определяют по формуле:

где d - минимальный размер осаждаемых частиц, м;

тв, с - плотности твердой фазы и жидкой, соответственно, кг/м3;

µс - вязкость среды, Пас.

В настоящее время наиболее распространены центрифуги периодического действия, из которых выгружается осадок после полной остановки ротора, так как непрерывное удаление осадка приводит к некоторому взмучиванию осадка и, соответственно, к потере ценных компонентов с фугатом.

- разгон ротора – от 0,5 до 1 мин;

- наполнение ротора (барабана) – от 1 до 1,5 мин;

- центрифугирование – от 10 до 120 мин;

- промывка осадка - до 10 мин;

- подсушка осадка – от 5 до 15 мин;

- торможение ротора – от 0,5 до 5 мин;

- выгрузка осадка, подготовка центрифуги к следующей операции - до 60 мин.

Центрифуги снабжены ленточными тормозами с пружинным приводом, а также блокировочными устройствами, предотвращающими одновременное включение тормоза и двигателя.

2.4 Расчет производительности непрерывно действующих центрифуг Производительность непрерывно действующих центрифуг определяют по формуле:

где - коэффициент, учитывающий допущения и неподдающиеся учету факторы при определении скорости осаждения частиц и индекса производительности;

= Фр F - индекс центрифугирования (производительности);

F - поверхность осаждения, м2.

Рисунок 2.2 – Схема непрерывно действующей центрифуги 2.4.1 Осадительные центрифуги Производительность этих центрифуг определяется особенностями конструкции центрифуги, основными ее размерами и параметрами работы.

Трубчатые осадительные центрифуги:

1) при малом слое жидкости:

где Dp - внутренний диаметр ротора, м;

h = rрт rж - толщина слоя суспензии, м;

rрт, rж - радиусы твердой и жидкой фаз, м;

Н - высота цилиндрической части ротора, м;

- угловая скорость, рад/с;

2) при значительном слое жидкости:

Если ротор короткий, то где rcp - средний радиус ротора, м. Рассчитывается по формуле:

Индекс центрифугирования рассчитывают по формуле:

Горизонтальные центрифуги с коническим ротором.

где roc - внутренний диаметр слоя осадка, м.

Индекс центрифугирования определяют по формуле:

Сепараторы.

Индекс центрифугирования определяют по формуле:

где rcp - средний радиус тарелок сепаратора, м. Рассчитывается по где rн, rвн - наружный и внутренний радиусы тарелок сепаратора соответственно, м;

Обычно принимают тогда Роторы осадительных центрифуг со шнековой выгрузкой осадка делают цилиндроконическими. Индекс центрифугирования определяют по формуле:

где rрт и r1 - большой и малый радиусы конической части ротора, м.

Можно принимать 2.4.2 Фильтрующие центрифуги Производительность фильтрующих центрифуг определяют по формуле:

где K c - сопротивление фильтрованию, м/с. Рассчитывается по формуле K - коэффициент проницаемости фильтрующей перегородки.

Цилиндрический ротор:

где rос - внутренний радиус слоя осадка, м.

Конический ротор:

где rcp - средний радиус ротора, м.

Полученную проектную производительность Vn центрифуг уточняют с учетом экспериментальных данных Vоn:

2.5 Энергетический расчет 2.5.1 Центрифуги периодического действия Центрифуги являются весьма энергоемкими машинами, так как они имеют значительные массы и высокие скорости вращения.

Центрифуги периодического и непрерывного действий имеют ряд общих статей расчета мощностей.

Центрифуги периодического действия работают циклично, поэтому меняются энергозатраты в период пуска, работы, торможения и выгрузки осадка.

Рассмотрим основные статьи расхода мощности:

1) в период пуска вращающимся массам передают кинетическую энергию и ротор разгоняют до рабочей скорости.

Для определения мощности затраченной на период пуска Nп, кВт, в начале необходимо определить моменты инерции всех вращающихся масс J, кгм2, относительно оси вращения:

где п - время пуска (разгона), с;

- угловая скорость, об/с;

2) мощность на сообщение кинетической энергии жидкой фазе суспензии определяют по формуле:

где - степень заполнения ротора, равная - коэффициент, характеризующий содержание жидкой фазы в - коэффициент, характеризующий содержание жидкой фазы в Vж - жидкостной объем ротора центрифуги, м3;

3 - время заполнения жидкостного объема ротора суспензией, мин;

rсл - радиус слива, м.

3) мощность на сообщение кинетической энергии твердой фазе суспензии определяют по формуле:

где mт - масса твердой фазы, кг ;

1 - коэффициент заполнения осадком жидкостного объема ротора центрифуги;

4) мощность на преодоление сил трения ротора о воздух определяют по формуле:

где с = 12106- коэффициент, характеризующий влияние всех неизвестных факторов (неучтенных факторов);

в = 1,3 кг/м3 - плотность воздуха, кг/м3;

Rн - средний радиус наружной поверхности ротора, м;

L - длина ротора, м;

5) мощность на трение в подшипниках определяют по формуле:

где f - коэффициент трения в подшипниках;

d1, d2 - диаметры цапф валов подшипников, м;

P1, P2 - динамические нагрузки на подшипники, МН.

Динамические нагрузки зависят от дисбаланса ротора, неуравновешенности осадка, неравномерности подачи суспензии и других факторов. Поэтому их определяют через соответствующие статические нагрузки Pст:

Для определения необходимой мощности двигателя на период пуска Nпуск и работы Nраб необходимо просуммировать соответствующие составляющие:

В ряде случаев добавляют мощности, теряемые на трение в уплотнениях, на выгрузку осадка и другие.

2.5.2 Центрифуги непрерывного действия Для центрифуг непрерывного действия к выше представленному расчету добавляют расчет еще некоторых параметров.

Шнековая центрифуга требует мощность на перемещение осадка:

в цилиндрической части ротора в конической части ротора где Qос - производительность центрифуги по осадку, кг/с;

tш - шаг шнека, м;

ц - угол подъема винтовой линии шнека, град. Рассчитывается тр - угол трения осадка о внутреннюю поверхность ротора, град.

Рассчитывается по формуле:

fш - коэффициент трения осадка о внутреннюю поверхность ротора, равный Dос - коэффициент, зависящий от конструкции, производительности и принципа работы центрифуги, определяемый по формуле:

где «+» - для осадительных центрифуг;

- для фильтрующих центрифуг;

- расстояние от оси ротора до отверстий, м;

- угол между образующей конуса и его осью, град;

- средний угол подъема винтовой линии шнека в конической Для осадительных центрифуг (для цилиндрической части):

где D – внутренний диаметр ротора, м.

Горизонтальная центрифуга с пульсирующей выгрузкой осадка.

Длину толкателя определяют по формуле:

Мощность на выгрузку осадка определяют по формуле:

где ос - относительная начальная деформация осадка, равная m - отношение времен Здесь 0, п - время обратного и прямого хода толкателя (принимают 0 = п).

2.6 Конструкции опор и валов центрифуг Конструктивные особенности центрифуг заключаются в способе крепления вала к ротору и в пространственном его расположении.

Все конструкции должны иметь, прежде всего, хорошую устойчивость, так как валы центрифуг имеют высокие скорости вращения, а роторы имеют значительную массу.

При этом скорость вращения вала nраб не должна равняться критической nкрит, то есть не должна быть равной частоте собственных колебаний системы, она должна быть больше или меньше этой величины.

При nраб > nкрит - гибкий вал;

Для жестких валов необходимо, чтобы Для гибких:

где nкрит1 и nкрит2 – первая и вторая критическая скорости вращения Критические скорости вращения валов прямо пропорциональны их диаметрам:

и обратно пропорциональны их длинам:

Поэтому жесткие валы должны иметь большой диаметр (обычно их делают полыми) и малую длину.

Гибкие валы соответственно должны иметь малый диаметр и большую длину.

Однако диаметры валов ограничиваются условиями прочности, поэтому в гибких валах уменьшения критической скорости добиваются применением специальных, так называемых, упругих (плавающих) опор.

Эти опоры позволяют снизить критическую скорость за счет смещения или поворота вала подвергающегося прогибу от действия центробежных сил неуравновешенных вращающихся масс.

При этом применение упругих опор облегчает и ускоряет наступление стабильного режима вращения.

Применение упругих опор также целесообразно в тех случаях, когда в процессах загрузки и работы центрифуги возможно неравномерное распределение суспензии и осадка по периметру и высоте ротора центрифуги.

На рисунке 2.3 приведены основные конструктивные схемы валов и роторов центрифуг.

Рисунок 2.3,а – Схема Рисунок 2.3,б – Схема горизонтального вертикального подпертого вала с промежуточным ротором вертикального висячего вала вертикального вала с гибким вертикального вала со горизонтального вала с консольным Рисунок 2.3,ж – Схема вертикального вала на пружинных Роторы центрифуг имеют разнообразную форму в зависимости от функционального назначения и способа выгрузки осадка.

Роторы отстойных центрифуг имеют сплошную стенку, а фильтрующих - перфорированную стенку. При этом отверстия диаметром 3-8,5 мм либо выполняют штамповкой, либо высверливают. Отверстия располагают в шахматном порядке.

Для разделения растворов, суспензий и газовых систем используют сепараторы, которые бывают тарельчатые и камерные.

Конструктивная схема сепаратора камерного типа представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – Конструктивная схема сепаратора При этом диаметры роторов изменяют в следующем диапазоне:

а скорости вращения Все они относятся к сверхцентрифугам, то есть Прочностной расчет основных конструктивных элементов центрифуг (роторов, валов, креплений и т. д.) производят на основе знаний, полученных в курсах «Сопротивление материалов», «Детали машин», «Расчет и конструирование элементов оборудования». При этом следует учитывать кроме мембранных усилий краевые силы и моменты, центробежные силы от массы конструкции и разделяемого материала.

Кроме того, ротор с валом обязательно необходимо проверить на динамическую устойчивость.

2.7 Контрольные вопросы 1 Центрифуги. Классификация центрифуг.

2 Параметрический расчет центрифуг периодического действия.

3 Параметрический расчет центрифуг непрерывного действия.

4 Энергетический расчет центрифуг.

5 Конструирование основных сборочных единиц центрифуг.

6 Жидкостные сепараторы.

3 Массообменные аппараты 3.1 Общие понятия Массообменные аппараты применяют для проведения процессов, требующих осуществления полного контакта между обрабатываемыми средами.

Это такие диффузионные процессы, как абсорбция, адсорбция, ректификация, экстракция и другие.

Процессы увлажнения и очистки газов, протекающие в насадочных аппаратах, называют скрубберными, а аппараты – скрубберами.

Массообменные процессы делят на:

- барботажные;

- поверхностные.

При барботажных массообменных процессах контакт между фазами происходит при барботаже газа или пара через слой жидкости, а при поверхностных – на поверхности капель и струй жидкости, стекающих по специальным насадочным телам.

Рассмотрение числа теоретических и практических ступеней контакта, а так же диаметра и высоты аппаратов, относят к курсу ПАХТ.

К задачам курса МАХП можно отнести рассмотрение расчета и конструирования контактных устройств, оросительных устройств, устройств для перераспределения жидкостей.

Первые вопросы относятся ко всем массообменным аппаратам, а второй и третий – только к насадочным аппаратам.

3.2 Основные требования, предъявляемые при конструировании контактных устройств Из теории массопередачи известно, что интенсивность процесса определяется, главным образом, движущей силой процесса (разность концентраций компонентов в различных фазах C) и поверхностью реагирования F:

Движущая сила процесса всегда имеет заданные технологические ограничения, поэтому основным путем интенсификации массообменных процессов является увеличение поверхности межфазового контакта фаз.

Последнее достигается в основном непрерывным обновлением поверхности реагирования за счет увеличения скорости относительного движения взаимодействующих фаз.

Таким образом, основным требованием, предъявляемым к контактным устройствам, является увеличение поверхности межфазового контакта фаз.

Однако, увеличению скорости движения взаимодействующих фаз мешают явления пено- и брызгоуноса.

Так в барботажных аппаратах скорость пара или газа в расчете на полное сечение аппарата не должна превышать следующего значения:

где W 0 - осевая скорость, м/с.

Поэтому к контактным устройствам дополнительно предъявляются следующие требования:

- уменьшение пено- и брызгоуноса;

- улучшение сепарации газа и жидкости после осуществления контакта;

- устойчивость работы контактных устройств;

- обеспечение широкого диапазона нагрузок по газу и жидкости;

- малые гидросопротивления;

- простота конструкции;

- надежность в эксплуатации;

- минимальный расход металла.

3.3 Классификация контактных устройств Рисунок 3.1 – Схема классификации контактных устройств 3.4 Контактные устройства не провального типа 3.4.1 Рекомендации для выбора КУ Для ориентировочного выбора контактных устройств можно отметить следующее:

1) тарелки с капсульными колпачками, показанные на рисунках 3.2,а,б,в, получили наиболее широкое распространение благодаря своей универсальности и высокой эксплуатационной надежности. Они достаточно эффективны, но металлоемки и сложны в монтаже;

2) тарелки собираемые из s – образных элементов представлены на рисунке 3.2,г и их устанавливают преимущественно в аппаратах больших диаметров. Производительность этих тарелок на 20 %-30 % выше, чем у капсульных;

3) клапанные тарелки, представленные на рисунке 3.2,д, по сравнению с колпачковыми имеют более высокую эффективность и большую производительность (на 20 % - 40 %).

Эти тарелки применяют, в основном, для обработки чистых жидкостей, а так же жидкостей не склонных к смолообразованию и полимеризации, во избежание прилипания клапана тарелки к основанию контактного устройства;

4) ситчатые тарелки достаточно эффективны, просты по конструкции, имеют низкое гидравлическое сопротивление и малую металлоемкость.

Рисунок 3.2,а – Схема аппарата с колпачковыми тарелками исполнение Рисунок 3.2,б – Схема колпачковой тарелки Рисунок 3.2,в – Схема аппарата и тарелки с туннельными Рисунок 3.2,г – Схема аппарата с тарелками с S-образными а – при средних нагрузках газа; б – при больших нагрузках газа Рисунок 3.2,д – Схема аппарата с клапанными тарелками 3.4.2 Колпачковые контактные устройства (ККУ) Гидродинамика ККУ Колпачковые контактные устройства (тарелки) применяют наиболее широко. Их основной недостаток, как и всех тарелок не провального типа – наличие гидравлического уклона в сторону стекания жидкости.

В зависимости от скорости противоточного движения фаз наблюдаются три характерных гидродинамических режима работы контактных устройств, показанные на рисунке 3.3:

- пузырьковый;

- пенный (режим свободной турбулентности);

- струйный (инжекционный).

Струйный и пенный режимы являются основными рабочими. В первых двух режимах работы на тарелке существуют три зоны:

- барботажная;

- пенная;

- зона брызг.

На рисунке 3.4 показана расчетная схема колпачковой тарелки.

Рисунок 3.4 – Расчетная схема колпачковой тарелки Порядок расчета колпачковых тарелок Цель расчета: определение основных габаритов тарелки и подбор стандартной тарелки.

Порядок расчета:

1) определяют скорость газа в рабочем сечении аппарата. При этом брызгоунос не должен быть более:

2) определяют необходимые геометрические размеры по эмпирическим формулам и рекомендациям. Это такие размеры, как: hпор, hсл, hгб, hпр, hу;

3) проверяют скорость жидкости в сливном устройстве W ж, а так же скорость жидкости между основанием тарелки и нижней кромкой сливного устройства на захлебывание W з.

Если условие не выполняется, то увеличивают расстояние между тарелками или переходят к конструированию двухпоточного сливного устройства 4) определяют полное гидравлическое сопротивление тарелки Гидравлическое сопротивление тарелки складывается из сопротивления сухой тарелки Нс, сопротивления слоя жидкости на тарелке Нж и сопротивления на преодоление сил поверхностного натяжения на границе “Г – Ж” (газ – жидкость) Нг – ж;

5) определяют расстояние между тарелками и полную высоту аппарата где nт - число действительных (теоретических) тарелок, шт;

hсеп, hкуб - высота сепарационной и кубовой частей аппарата, м;

6) определяют, исходя из производительности и скоростей, площадь поперечного сечения и диаметр (основные размеры) аппарата.

Конструктивные элементы колпачковых тарелок Колпачковые тарелки изготавливают из меди, стали, чугуна, керамики и пластмасс.

Колпачковые тарелки стандартизованы по диаметру:

- стальные (D = 400-5000 мм);

- чугунные (D = 1000-2400 мм);

- медные (D = 800-2000 мм).

Колпачки являются основным элементом колпачковых тарелок.

Они различаются размером, формой, материалом, способами изготовления и крепления.

Стальные и медные колпачки штампуют, чугунные отливают, керамические формуют, пластмассовые прессуют.

Крепления колпачков могут быть разъемными и неразъемными.

Горловины крепят к основанию тарелки с помощью развальцовки, штамповки и сварки.

Форма колпачков чаще всего круглая (капсульные колпачки) или желобчатая.

Основанием тарелки является цельный диск для аппаратов с D < 800 мм или диск, состоящий из нескольких частей (секций) для аппаратов больших диаметров.

В последнем случае устанавливают опорные (поддерживающие) стойки.

3.4.3 Ситчатые тарелки со сливными устройствами На рисунке 3.5 показана схема аппарата с ситчатыми тарелками со сливными устройствами.

Рисунок 3.5 – Схема аппарата с ситчатыми тарелками Уравнение скорости, при которой наступает инжекционный режим, имеет вид:

где h - высота сливной перегородки, м;

d - диаметр отверстий, м;

t - шаг отверстий, м;

- поверхностное натяжение, Нм-1.

Рабочую скорость принимают на 10-15% ниже инжекционной.

Киршбаум предложил простое уравнение для определения рабочей скорости:

Практикой установлены следующие нормативы, используемые при проектировании ситчатых аппаратов:

- диаметр отверстия для чистых жидкостей d = 2-6 мм;

Отверстия располагают по вершинам равностороннего треугольника. Живое сечение тарелок (свободное сечение) – 2 % -30 %, оптимальное – 8 %-15 %.

Расстояние от крайних отверстий до стенки аппарата 50 мм.

Расстояние от стенки аппарата до переливных трубок 75-100 мм.

Высота сливных перегородок 20-40 мм, расстояние между тарелками принимают по таблице 3.1:

Таблица 3.1 - Расстояние между тарелками hт в зависимости от диаметра аппарата D Толщину тарелок принимают:

при d < 5 мм:

при d > 5 мм (для углеродистой стали):

при d > 5 мм (для легированной стали):

3.4.4 Тарелки из S-образных элементов S - образные элементы тарелок представлены на рисунке 3.6,а.

Рисунок 3.6,а – Схема S - образных элементов Тарелки работают устойчиво в широком диапазоне нагрузок по жидкости:

Прорези желобов всегда находятся в затопленном состоянии.

Рабочую скорость можно определить по формуле Саудерса и Брауна:

где L1 - количество стекающей жидкости на 1м длины сливной перегородки.

Некоторые рекомендации по конструированию S-образных элементов:

Коэффициент a определяют из соотношения:

Скорость газа в прорези принимают в 1,5-2 раза выше, чем в живом сечении колонны.

3.5 Провальные тарелки Провальные тарелки отличаются тем, что слив жидкости происходит через те же отверстия, через которые проходит газ.

Отсутствие сливных перегородок упрощает конструкцию тарелок, в них осуществляется принцип противотока фаз.

В этих тарелках отсутствует гидравлический уклон, и площадь тарелок используется наиболее полно.

К провальным тарелкам относятся:

- решетчатые; - волнистые;

- колосниковые; - гофрированные.

3.5.1 Решетчатые тарелки Решетчатые тарелки изготавливают из стальных или медных листов толщиной 2-6 мм. Схема решетчатой тарелки показана на рисунке 3.6,б.

Щели тарелок выполняют фрезерованием или штамповкой шириной 3-8 мм, длиной 60-200 мм.

Живое сечение тарелок 10% - 30%, расстояние между тарелками 0,3-0,9 м.

Решетчатые тарелки можно применять и для обработки жидкости, содержащей взвеси.

Тарелки с D 800 мм делают из цельного листа, если D > 800 мм, то можно изготовить из нескольких листов таких размеров, чтобы был возможен их монтаж через люки и крышки.

КПД этих тарелок очень высок: = 0,8-0,9.

Они также имеют малое гидравлическое сопротивление.

Рисунок 3.6,б – Схема решетчатой тарелки 3.5.2 Колосниковые и трубчатые тарелки Они отличаются от решетчатых тем, что щелевидные отверстия создают установкой параллельных полос металла. Полосы металла можно заменить уголками или трубами. Последние можно навивать в виде змеевика и использовать в качестве теплообменных элементов.

В этих тарелках можно создавать нагрузки в 1,5 раза выше, чем в решетчатых.

3.5.3 Дырчатые тарелки Практически это ситчатые тарелки без сливных устройств.

Диаметры отверстий на стальных и медных тарелках принимают от 4 до 8 мм.

Используют в основном для обработки чистых жидкостей.

3.5.4 Волнистые и гофрированные тарелки Изготавливают штамповкой из листов толщиной 2-3 мм. Тарелки имеют большую жесткость.

Свободное сечение тарелок 15 % - 30 %.

Тарелки D 3 м изготавливают без промежуточных опорных стоек. Разновидностью таких тарелок являются тарелки с концентрическими волнами, в которых жидкость стекает через отверстия во впадинах волн, а газ проходит через отверстия на гребнях волн.

Шаг волн t = 40-60 мм, глубина волн h = 15-40 мм. Эти тарелки обладают свойством самоочистки.

Существуют так же провальные тарелки с направленным движением газа и жидкости, что создается специальной перфорацией тарелок.

3.5.5 Гидродинамика провальных тарелок В зависимости от скорости противоточного движения фаз различают следующие режимы работы тарелок, представленные на рисунке 3.7:

- режим смоченной тарелки;

- барботажный режим;

- режим эмульгирования.

Рисунок 3.7 – Режимы работы провальных тарелок Кратко рассмотрим эти режимы работы:

1) режим смоченной тарелки. Потоки газа и жидкости свободно проходят через отверстия. Количество жидкости, имеющейся на тарелке мало, контакт между фазами происходит на поверхности стекающих капель и струй жидкости. Сопротивление тарелки мало;

2) барботажный режим. На тарелке имеются две зоны:

- зона светлой жидкости, через которую барботирует газ;

При увеличении скорости газа зона пены возрастает;

3) режим эмульгирования. Зона светлой жидкости на тарелке исчезает, образуется турбулизированная подвижная пена. В точке Е происходит захлебывание колонны (см. рисунок 3.7).

3.6 Насадочные контактные устройства 3.6.1 Характеристики насадок Насадки являются основным элементом контактного устройства.

Их можно характеризовать следующими параметрами:

S - удельная поверхность (площадь прохода между насадочными телами объемом 1 м3), м2/м3;

Vc - свободный объем (объем пустот, приходящийся на 1 м3 заполненной насадки), м3/м3;

(Fc) - свободное или живое сечение, м2/м2;

dэ - эквивалентный диаметр, м, определяемый по формуле:

l i - линейный размер насадок, м.

Насадка, используемая для наполнения аппарата должна иметь:

- большую удельную поверхность;

- большой свободный объем;

- коррозионную стойкость;

- малую плотность;

- малое гидравлическое сопротивление;

- обтекаемую форму;

- низкую цену.

3.6.2 Типы насадок На рисунке 3.8,а показаны наиболее распространенные типы насадок, используемые в насадочных аппаратах, а на рисунке 3.8,б – схема абсорбера с насадкой из колец Рашига.

а – кольца Рашига; б – кольца Паля; в – седла Берля;

(а,б,в – нерегулярные насадки); г – насадки Гудлое Кольцевая (кольца Рашига).

dн 50 мм – заполняется наливом;

dн > 50 мм – укладывается рядами.

Бывают кольца с простой и с крестообразной насадкой, а так же с продолбленными стенками. Изготавливают из углеграфитовых материалов, керамики, фарфора, металлов и других материалов.

Рисунок 3.8,б – Схема абсорбера с насадкой из колец Рашига Кусковая (дробленые горные породы: кварц, андезит, доломит).

Преимущества: коррозионная стойкость, низкая стоимость.

Недостатки: малая удельная поверхность, малый свободный объем, относительно высокая плотность.

Седлообразная. Бывают седла Берля, Интеллакс и другие.

Имеют на 25% большую свободную поверхность, чем кольцевые, и меньшее гидравлическое сопротивление.

Хордовая. Изготавливают в основном из деревянных досок, уложенных крест на крест.

Сетчатая (металлические, пластмассовые, ленточные, пропеллерные и другие).

3.6.3 Гидродинамика насадочных аппаратов В зависимости от скоростей движения жидкости и газа возникают пять характерных режима работы насадочных аппаратов, показанных на рисунке 3.9:

– пленочный режим (1);

– промежуточный режим (2);

– турбулентный режим (3);

– режим эмульгирования (4);

– участок DE – унос жидкости (5).

Рисунок 3.9 – Режимы работы насадочных аппаратов Кратко рассмотрим эти режимы работы:

1) пленочный режим. Возникает при малых плотностях орошения и малой скорости газа. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности элементов контакта. Сплошной фазой является газовая, дисперсной – жидкая фаза. Контакт фаз происходит на поверхности элементов. В точке «А» паровой поток начинает подтормаживать движение жидкости и возникают отдельные вихри;

2) промежуточный режим. Сплошной фазой остается газовая, однако газ тормозит движение жидкости, возникают вихри. В точке «В»

начинается подвисание жидкости. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности стекающих капель и струек жидкости;

3) турбулентный режим. Взаимодействие между фазами происходит на поверхности турбулизированной жидкости. Возникают многочисленные вихри, однако стекание жидкости сохраняет струйнопленочный режим. Сплошной фазой остается газовая. В точке «С»

происходит инверсия фаз, возникает режим эмульгирования;

4) режим эмульгирования. При возникновении этого режима невозможно установить какая фаза является сплошной, а какая – дисперсной. Фазы пронизаны многочисленными вихрями и при этом происходит превосходный межфазный контакт. В точке «D» происходит захлебывание колонны, то есть жидкость перестает стекать вниз.

Скорость инверсии определяют по формуле:

где А = 0,022 - для газожидкостных систем (для колец Рашига);

А = 0,125 - для парожидкостных систем (для колец Рашига);

А = 0,26 - для седловых насадок;

µж - вязкость для системы воздух – вода при t = 20oC, По скорости инверсии можно определить скорости газа в других режимах.

Турбулентный режим:

Промежуточный режим:

Пленочный режим:

Рекомендуемый рабочий режим при скорости:

3.6.4 Потери напора в насадке Сопротивление движению потока газа через орошаемую насадку зависит от формы насадки, свойств газа и режима течения газа.

Для определения режима течения газа необходимо определить критерий Рейнольдса:

где W г - скорость газа в расчете на полное сечение аппарата, м/с;

dэ – эквивалентный диаметр насадки, м.

При Re 40 - ламинарный режим течения газа.

При 40 < Re 7000 - переходный режим течения газа.

При Re > 7000 - турбулентный режим течения газа.

Сопротивление сухих кольцевых, кусковых и седлообразных насадок можно определить по формуле:

где Hс - потеря напора, м;

H - высота аппарата, м;

- коэффициент трения.

Для турбулентного режима, который наиболее часто встречается при работе колонных аппаратов, получено уравнение:

Сопротивление орошаемых насадок определяют по формуле:

Порядок определения сопротивления орошаемых насадок:

1) определяют критерий Рейнольдса и режим движения жидкости;

2) определяют сопротивление сухой насадки;

3) определяют скорость инверсии и рабочую скорости;

4) по графикам определяют коэффициенты c и K;

5) определяют сопротивление орошаемой насадки.

3.7 Способы интенсификации работы насадочных аппаратов Наиболее широко используют следующие три метода интенсификации работы:

1) метод академика В. В. Кафарова (метод принудительного эмульгирования).

Это достигается затоплением насадки и выводом жидкости из аппарата через U-образную трубку, как показано на рисунке 3.10. В этом случае режим эмульгирования образуется при малой скорости газа;

2) применение низкочастотной вибрации.

Эффективность аппарата возрастает на 15 % - 20 %, а гидравлическое сопротивление уменьшается на 30 % - 50 %.

Применение вибрации позволяет увеличить эффективность работы и барботажных аппаратов;

3) использование псевдоожиженной насадки, то есть кипящего слоя.

Используются комбинированные тарелки, то есть контактное устройство состоит из перфорированного диска и самой насадки.

При этом можно увеличить рабочую скорость газа с 1-2 м/с до 7 м/с, а производительность аппаратов возрастает в 5-6 раз.

Недостатки:

- значительное гидросопротивление;

- значительные энергетические расходы;

- значительный пено- и брызгоунос.

Из-за значительного пено- и брызгоуноса предъявляются повышенные требования к сепараторам или сепарационной зоне.

(тарельчатых) аппаратов Производительность таких аппаратов может быть существенно увеличена следующими способами:

1) увеличением площади поперечного сечения аппаратов;

2) созданием принципиально новых контактных устройств, допускающих увеличение скорости газа и нагрузки по жидкости.

Однако, увеличению скорости газа мешает явление пено- и брызгоуноса. Поэтому в противоточных аппаратах скорость газа в расчете на полное сечение аппарата:

Для того чтобы увеличить эту скорость нужно перейти к новым типам контактных устройств, то есть перейти к взаимодействию фаз в прямотоке с последующей сепарацией взаимодействующих фаз.

При этом контакт должен быть непродолжительным и высокоэффективным.

Так же можно использовать дополнительную механическую или пневматическую энергии (ротационные контактные устройства).

Прямоточные контактные устройства. В этих аппаратах, как показано на рисунке 3.11, жидкость движется вверх со скоростью до 45 м/с. В этом случае получается очень интенсивный межфазный контакт.

Аппараты такого типа состоят из секций, высотой 200 мм и сепарационного устройства.

Живое сечение этих аппаратов составляет 30 %, интенсивность массообмена возрастает в 5-6 раз.

Недостатки:

- трудность равномерного распределения жидкости по трубам;

- сложность конструкции сепарации;

- значительное гидросопротивление.

Рисунок 3.11 – Схема прямоточного пленочного контактного Контактные аппараты инжекционного действия.

Эскиз аппарата представлен на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 – Схема контактного аппарата инжекционного Каждая секция состоит из контактно-инжекционного устройства (КИУ) и сепаратора. Контакт между фазами происходит при инжекции жидкости газом, движущимся со скоростью:

Контакт между фазами происходит в секции аппарата при прямотоке, а потоки газа и жидкости движутся в аппарате в противоточном режиме.

Интенсивность массопередачи возрастает в 5-6 раз.

Вихревые контактные аппараты.

Эскиз аппарата представлен на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 – Схема вихревого контактного аппарата Применение дополнительной механической энергии.

Ротационные контактные устройства можно разделить на две группы:

- работающие за счет действия центробежной силы;

- работающие по принципу подъема жидкости и последующего ее падения под действием силы тяжести.

Наибольшее распространение получили аппараты, работающие за счет действия центробежных сил.

Они бывают:

- ударно-распыливающие;

- барботажно-распыливающие;

- пленочные.

В ударно-распыливающих аппаратах жидкость под действием центробежной силы отбрасывается к стенке, соударяется и стекает на ниже лежащую ступень, где контакт повторяется.

В пленочных и барботажно-распыливающих аппаратах, как показано на рисунке 3.14, жидкость и газ движутся противотоком: жидкость от центра к периферии, а газ от периферии к центру.

Интенсивность массообмена возрастает в 3-6 раз.

В таких аппаратах под действием центробежной силы на поверхности вращающихся элементов жидкость растекается тонкой пленкой, которая взаимодействует с газом, движущимся навстречу (например свернутая спираль Архимеда).

Рисунок 3.14 – Схема противоточного движения газа и жидкости Распределительные устройства предназначены для равномерного распределения жидкости по всему поперечному сечению аппарата.

К ним предъявляются следующие требования:

- орошение должно быть равномерным по площади поперечного сечения аппарата;

- изменение расхода жидкости не должно сказываться на равномерности орошения;

- распыление жидкости оросителем должно быть минимальным, так как при этом возрастает унос капель и брызг;

- высота, занимаемая оросителем, должна быть минимальной;

- ороситель не должен быть чувствительным к загрязнениям, имеющимся в жидкости;

- ороситель должен быть прост по конструкции и удобен в монтаже;

- должен быть минимальный расход энергии.

По режиму истечения жидкости оросители делят на две группы:

- разбрызгивающие;

- не разбрызгивающие (струйные).

Схемы некоторых типов оросителей показаны на рисунке 3.15.

Разбрызгивающие оросители обеспечивают значительную площадь орошения с одной точки, а в не разбрызгивающих – жидкость вытекает отдельными струями, поэтому важной их характеристикой является число точек орошения на 1 м2 аппарата.

Принимают N = 20-25 для насадки загруженной навалом, N = 50, если насадка загружена слоями.

Разбрызгивающие оросители:

- перфорированные стаканы;

- щелевые брызгалки;

- разбрызгивающая звездочка;

- многоконусные и другие.

а - распределительная плита; б - многоконусный ороситель;

в – желобчатый ороситель; г – цилиндрический перфорированный стакан Не разбрызгивающие оросители:

- распределительные плиты;

- распределительные тарелки;

- желоба с боковыми прорезями;

- желоба с донными патрубками;

- многотрубчатые и другие.

3.10 Перераспределители жидкости В насадочных аппаратах, в которых насадка по высоте распределена в несколько слоев, между этими слоями устанавливают перераспределители жидкости, как показано на рисунке 3.16.

Достоинства насадочных аппаратов:

- простота конструкции;

- низкое гидравлическое сопротивление.

Недостатки:

- трудность отвода избыточной теплоты;