«В.Л. Софронов, Е.В. Сидоров МАШИНЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ СЕВЕРСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего ...»

Для решения системы линейных алгебраических уравнение в алгоритмических языках ЭВМ существуют стандартные процедуры. После раскрытия статистической неопределимости каждый пролет рассматривают как простую балку, находящуюся под совокупным воздействием нагрузок и опорных моментов. Для определения реакций в опорах используют уравнения равновесия.

Рассматривая сумму моментов относительно точек А и С для пары пролетов, показанных на рисунке 4.10, рассматриваемых раздельно, находят составляющие реакции опоры RB' и R B ":

Полная реакция опоры:

Рисунок 4.10 - Схема к определению опорных реакций Затем определяют межопорные моменты.

В качестве примера приведены эпюры поперечных сил Q(x) и изгибающих моментов М(х) для четырехопорной машины представленные на рисунке 4.11,. Далее вычисляют по формуле (4.27) напряжения в барабане и проверяют выполнение условия прочности.

Проверку барабана на жесткость производят так же, как и в вышеописанном примере.

Рисунок 4.11 - Эпюры поперечных сил Q(x) и изгибающих моментов М(х) для корпуса вращающейся химической печи При проведении в машинах барабанного типа процессов теплообмена необходимо учитывать температурное удлинение барабана и увеличение его диаметра.

Максимальные температурные деформации соответствуют работе машины на заданном температурном режиме. Температурные деформации определяют выбор ширины опорных роликов, размеров некоторых деталей уплотнительных устройств и т. д.

Учет температурных деформаций обязателен; в противном случае возможно возникновение дополнительных напряжений, вызывающих разрушение, например, узла крепления бандажа.

Удлинение участка барабана определяется:

где а - коэффициент температурного расширения стали, равный t| - средняя на участке температура стенки, °С;

tM - температура монтажа, °С;

(, - длина участка, м.

Удлинения участков суммируют, причем за начало отсчета принимают бандаж, расположенный между упорными роликами.

Увеличение диаметра корпуса:

где t0 - температура стенки барабана после его разогрева.

4.2 Шнековые машины 4.2.1 Области применения шнековых машин Шнек (винт или червяк) - это элемент машины, с помощью которого могут транспортироваться жидкие, высоковязкие и твердые вещества.

Транспортирующие ("подающие") шнеки известны уже много веков. Например, наклонно установленные винты Архимеда использовались в римских системах водоснабжения для непрерывной подачи воды на более высокие геодезические уровни.

Для сыпучих материалов транспортирующие шнеки начали применяться в горном деле, сельском хозяйстве и производствах, связанных с обработкой камней, минералов, а также в пищевой и химической промышленностях более 100 лет назад и т. д.

В последние 100 лет разработаны шнековые машины различных типов для проведения процессов смешения материалов, разделения сред и взаимодействия веществ.

Применение шнековых машин переросло первоначальное и широко известное их использование для подачи сыпучих материалов, экструзии пластических масс и каучуков и охватывает в настоящее время почти все технологические процессы с участием сыпучих веществ, пластических и упруговязких сред.

Так как непрерывный режим работы вообще характерен для шнековых машин, развитие их в отдельных областях техники шло параллельно с переводом рабочих процессов с периодического на непрерывный.

Часто с помощью шнековых машин можно проводить одновременно несколько технологических операций (например, смешение, диспергирование, дегазацию), так что совмещением отдельных рабочих стадий может быть достигнута значительная экономическая эффективность по сравнению с многостадийными (многоступенчатыми) процессами производства.

Основные области применения шнековых машин могут быть объединены в шесть технологических групп:

1)транспортировка(подача) и дозирование;

2) экструзия;

3) процессы смешения;

4) процессы разделения веществ;

5) процессы взаимодействия (химического превращения) веществ;

6) теплообменные процессы [11, 16, 24, 40, 50].

4.2.2 Классификация шнековых машин Классификация шнековых машин может быть проведена по различным принципам и критериям.

Очевидным является подразделение по числу шнеков (валов), направлению их вращения и другим конструктивным признакам.

Целесообразная классификация должна исходить из учета поставленных технологических задач.

Различают следующие типы шнековых машин:

- транспортирующие шнеки (шнековые конвейеры);

- винтовые насосы;

- дозирующие шнеки (шнековые дозаторы и питатели);

- шнековые экструдеры (червячные прессы);

- шнековые смесители (для сыпучих твердых материалов, жидких фаз (сред) и пластикаторы для пластичных и упруговязких систем);

- шнековые классификаторы;

- отжимные шнеки (шнек-прессы, фильтр-прессы);

- шнековые испарители: (для сыпучих твердых материалов, пластичных масс и упруговязких систем);

- шнековые реакторы;

- шнековые теплообменники.

Следует учитывать, что строгое соответствие и жесткое закрепление типов машин за отдельными технологическими процессами невозможно.

';

Шнековые машины настолько универсальны, что пригодны для решения многих технологических задач и их можно относить, одновременно, к нескольким типам.

На рисунке 4.12 показана принципиальная схема шнековой машины, обратные витки шнека на 1,0 или 1,5 витка со стороны опорного подшипника не дают материалу заходить за патрубок выгрузки.

1 - электродвигатель; 2, 4 - соединительные муфты; 3 - редуктор; 5 - упорный подшипник; б - приемные патрубки; 7 - шнек;

8 - опорные подшипники; 9 - отводные патрубки; 10 - корпус 4.2.3 Шнековые машины в атомной промышленности Шнековые машины получили широкое применение в атомной промышленности. Их применяют в качестве различных реакторов, смесителей, питателей и дозаторов, сушильных и прокалочных аппаратов и т. д. Это объясняется рядом их преимуществ.

Шнековые реакторы представляют собой неподвижные трубы или лотки, внутри которых вращается винтовая мешалка (шнек), являющаяся рабочим органом.

Ось мешалки крепят с помощью сальниковых уплотнений на торцах корпуса. При значительной длине реактора во избежание провисания и заклинивания шнека его крепят при помощи промежуточных подшипников, устанавливаемых в барабане.

Отверстия для загрузки или выгрузки материала, а также для подачи и отвода газов могут быть выполнены практически в любой части реактора по его длине.

В отличие от вращающихся печей шнековые реакторы применяют в тех случаях, когда необходима более тщательная герметизация процесса.

Например, при фторировании и гидрофторировании урана, когда даже небольшие утечки газов могут привести к тяжелым поражениям обслуживающего персонала и авариям, применение вращающихся печей значительной производительности очень ограничено.

В связи с этим единственным типом аппаратов непрерывного действия, которые длительное время применяли в таких производствах, были шнековые реакторы.

Второй причиной, обуславливающей замену вращающихся печей шнековыми, является склонность перерабатываемого материала к налипанию на стенки аппарата; это характерно для большинства фторидных процессов.

Наконец большее предпочтение отдается шнековым реакторам при необходимости более равномерного распределения температур в слое материала и более строгого температурного контроля процесса.

Поскольку корпус шнековой машины неподвижен, то подводить и отводить тепло в этом случае можно с помощью жидкого или газового теплоносителя, что значительно улучшает теплопередачу и снижает потери тепла. Чаще, однако, используют внешние электрические нагреватели или погружные нагревательные элементы.

Применение шнекового реактора позволяет создавать любое число температурных зон реакции.

Так, для процесса гидрофторирования урана, где необходимо плавное повышение температуры от 300 °С до 550 °С, применяют реакторы, в которых семь-девять или более температурных зон. Реактор при этом может быть разбит на две-три секции, размещенные друг под другом.

При вращении шнека твердый сыпучий материал перемешивается и транспортируется.

Соотношение между скоростью горизонтального движения материала и степенью его перемешивания определяется его шагом винта и формой шнека.

По форме различают шнеки сплошные, ленточные, лопастные, фасонные и т. д.

Сплошные и ленточные шнеки, представленные на рисунке 4.13, применяют при переработке или транспортировании тонких сыпучих порошков.

а - сплошной одноходовой; б - сплошной двухходовой;

в - ленточный одноходовой; г-ленточный двухходовой;

д - с переменным диаметром; е - фасонный; ж - лопастной Для кусковых сыпучих материалов лучше использовать лопастные мешалки. Слеживающиеся и налипающие продукты перерабатывают в аппаратах, снабженных более сложными по форме шнеками.

Так, для восстановления триоксида урана и гидрофторирования оксида до тетрафторида урана удобен в работе шнек, конструкция которого приведена на рисунке 4.14.

Для улучшения контакта в системе твердое - газ необходимо постоянное обновление поверхности контакта и, следовательно, интенсивное перемешивание.

Рисунок 4.14 - Четырехходовой ленточный шнек С этой целью параллельно поверхности вала мешалки с большим шагом укреплены четыре узкие стальные полоски. Многоходовые (в данном случае четырехходовой) винты обладают преимуществами по сравнению с одноходовыми. Производительность аппарата при одном и том же времени пребывания в нем твердого материала и использовании многоходового винта может быть увеличена, т.к. подача материала происходит более равномерно, а обновление активной поверхности - более интенсивно.

В некоторых аппаратах для разделения твердого и газообразного продуктов на выходе из реактора необходимо создать пробку твердого материала, непроницаемую для газа. Добиться этого можно либо уменьшением диаметра винта, и, соответственно, диаметра реактора при неизменном его шаге при постоянном диаметре, либо увеличением степени заполнения аппарата обрабатываемым материалом. Лопасти и вал шнека можно выполнять полыми; они могут служить теплообменными поверхностями.

В этом случае материал прогревается очень быстро, и температура его поддерживается гораздо более точно, чем в аппаратах других видов. Подобные конструкции с паровым обогревом используют для сушки некоторых соединений урана.

Основные недостатки шнековых реакторов - повышенный расход энергии на единицу продукции, а так же сильное истирание шнека и корпуса материалом и, как следствие этого, загрязнение продукта.

Кроме того, шнековые реакторы имеют ряд недостатков, относящихся в полной мере и к вращающимся печам:

1) плохой фазовый контакт твердого и жидкого продуктов и газа из-за малой величины активной поверхности материала;

2) небольшая производительность на единицу объёма аппарата.

Степень заполнения печей материалом не превосходит 25 % объёма аппарата для трубчатых вращающихся и 40 % - для шнековых;

3) из-за неудовлетворительных условий теплопередачи от стенки печи к материалу требуется значительное время для нагрева и охлаждения слоя. Кроме того, возможны значительные колебания температуры в печи;

4) стенки корпусов аппаратов, расположенные около нагревательных элементов, обычно имеют более высокую температуру, чем материал, и поэтому сильно корродируют.

4.2.4 Параметрический расчет шнековых машин Производительность шнековых машин определяется степенью заполнения его сечения материалом и скоростью движения ur, м/с, материала в горизонтальном положении:

где t - шаг винта, м;

п - частота вращения шнека, об/с.

Производительность шнекового аппарата т, кг/ч где D и d - внутренний диаметры трубы и диаметр вала, соответственно, м;

Рср - средняя плотность материала, кг/м3;

С - поправочный коэффициент, зависящий от угла наклона Коэффициент заполнения шнековых реакторов у в связи с лучшим, чем в трубчатых печах, перемешиванием, может достигать значения 0,4. Величину его выбирают в зависимости от физических свойств материала. Для тонких материалов с низкой насыпной плотностью у может иметь максимальное значение, а для абразивных, плотных или вязких продуктов принимают у = 0,12-0,25.

Если реактор установлен горизонтально, то коэффициент С = 1.

Ниже приведены значения коэффициента С при различных углах а наклона шнека к горизонтали (при транспортировании материала вверх):

Если технологическое время процесса т задано, то при известных шаге винта и скорости его вращения можно найти длину печи Шаг винта t в реакторах распространенного типа связан с диаметром реактора соотношением Соблюдение этого условия необходимо для достижения наибольшей эффективности гетерогенного процесса. При увеличении шага винта растет скорость горизонтального перемещения материала, а следовательно, и длина аппарата. С уменьшением шага перемешивание материала улучшается, однако одновременно растет сопротивление печи движению газового потока.

Для улучшения перемешивания материала и сохранения необходимого времени пребывания материала в печи при небольшом сопротивлении системы можно увеличивать скорость вращения шнека, но в рабочей плоскости его делать вырезы или выполнять его лопастным. В этом случае, здесь К = 0,2-0,4 - коэффициент разбивки шнека, определяемый отношением всей поверхности винта к поверхности его вырезанной части. Иногда для определения К пользуются формулой где - угол, занимаемый лопастью;

Ф, - угол просвета между лопастями.

Скорость вращения сплошных шнеков не превышает 0,06 об/с и редко становится меньше 0,015 об/с. Скорость вращения лопастных мешалок, коэффициент разбивки которых невелик, может быть повышена до 0,15-20 об/с.

В зависимости от числа технологических стадий процесса отношение L:D может изменяться от 4 до 12.

Определенный по заданной производительности диаметр печи проверяют по расходу газа и только после этого окончательно выбирают геометрические размеры печи. Во избежание сильного пылеуноса скорость движения газов иг не должна превышать 1-2 м/с. Проверку проводят по секундному объёмному расходу газов, м3/с:

Потребляемую двигателем мощность можно определить по формуле (3.26). При этом коэффициент сопротивления к принимают для тонких легкосыпучих материалов к = 1,2; для сильно абразивных и липких к = 4,0.

4.2.5 Расчет витков шнека на прочность Витки шнека нагружаются по всей длине на приводном валу возрастающими скручивающим (раскручивающим) моментом и осевой силой сжатия (растяжения) и, кроме того, подвергаются изгибу.

В общем случае изгиб вращающейся спирали может иметь место вблизи ее закрепления на приводном валу, т.е. там, где действуют максимальные скручивающий момент и продольная сила, как показано на рисунке 4.15.

Расчет спирали на усталостную прочность при указанных нагрузках, достаточно трудоемок. Ниже приводится упрощенная методика расчета, приемлемая для многих случаев инженерной практики, когда радиус изгиба шнека R > (30-35) D„. При этом учитывается крутящий момент на валу витка Мкр, который можно определить по формуле:

Рисунок 6.15 - Схема движения среды при ламинарном (а) и 6.8 Реакторы высокого давления (ВД) 6.8.1 Преимущества реакторов ВД Реакторы высокого давления могут быть отнесены к любой ранее нами рассмотренной классификационной группе. Отличие состоит только в толщине стенки аппарата Применение высокого давления технологически и экономически оправдано по следующим причинам:

- давление сдвигает равновесие в сторону образования конечных продуктов согласно принципу Ле-Шателье:

(технический спирт), (медицинский спирт), - получение бензина гидрогенизацией (насыщение водородом) бурых и каменных углей - полимеризация этилена:

- получение бензина из мазута и других тяжелых фракций нефти - синтез мочевины 6.8.2 Конструкции реакторов ВД Автоклавы, схема которых приведена на рисунке 6.16, а, используют в основном для проведения длительных периодических процессов.

Преимущество: простота конструкции.

Колонные аппараты - в основном для проведения непрерывных процессов; схема приведена на рисунке 6.16.

Основное преимущество: относительная легкость уплотнения изза их малого диаметра.

Рисунок 6.16 - Конструкции реакторов ВД Корпуса аппаратов, а так же их крышки и днища выполняют кованными. При этом все подводящие и отводящие штуцера, а так же КИПовские находятся на крышках и днищах, то есть не допускается ослабление корпуса аппарата.

Трубчатые аппараты, показанные на рисунке 6.17, по сути, не отличаются от трубчатых реакторов, используемых при низких давлениях, отличаются лишь толщиной стенки. Имеют ряд преимуществ и используют в реакторах непрерывного действия.

Затворы реакторов высокого давления:

- безпрокпадочные;

- с плоской металлической прокладкой;

- треугольные, конусные и двуконусные;

- б-образные, шестиугольные, овальные и другие.

Рисунок 6.17 - Конструкции реакторов ВД Конструкции многослойных реакторов с концентрическим расположением слоев и рулонированных показанны на рисунке 6.18.

расположением слоев; б - рулонированный Рисунок 6.18 - Конструкции многослойных реакторов ВД Схемы сосудов и реакторов высокого давления, служащих для проведения различных технологических процессов, показаны на рисунках 6.19 и 6.20.

а - баллон ВД; б - колонна синтеза аммиака; в - колонна Рисунок 6.19 - Конструкции сосудов и реакторов ВД а - выносной теплообменник ВД; б - подогреватель воды Рисунок 6.20 - Конструкции аппаратов ВД 6.8.3 Уплотнение валов в реакторах высокого д а в л е н и я Для этой цели используют сальниковые уплотнения (одинарные и двойные), которые при высоких давлениях не позволяют достичь высокой герметизации, поэтому наиболее широко используют торцовые уплотнения;конструкций их очень много.

Например, в конструкции торцевого уплотнения, показанного на рисунке 6.21, просачивание среды возможно в двух направлениях (I и II), чему препятствуют металлическая прокладка и уплотняющая резина. Дополнительные вопросы, которые следует учитывать при проектировании химических реакторов:

- защитные покрытия (кислотные дожди, коррозия);

- нагрев реакторов, который на предприятиях ядерно-топливного цикла осуществляется в основном с помощью трубчатых электронагревателей (ТЭНы), схема последнего показана на рисунке 6.22;

- техника безопасности и другие.

1 - вал; 2 - прижимное неподвижное кольцо; 3 - мягкая металлическая прокладка;

4 - пружина для прижатия прокладки; 5 - торцовые зубья; 6 - уплотняющие резины 1 - металлическая оболочка; 2 - спираль; 3 - контактные стержни; 4 - наполнитель (MgO, Si0 2 ); 5 - герметик; 6 - изолятор; 7 - контактное устройство 6.9 Технологический расчет реакторов При проведении расчетов наиболее важными являются определение длительности процесса, числа ступеней, объема каждой ступени и всей установки.

Обычно исходными данными являются:

- Cj, с, - концентрации реагирующих веществ;

- а, - степень превращения;

- Т-температура;

- m, п - стехиометрические коэффициенты и другие параметры.

Длительность процесса реагирования можно определить либо аналитическим путем, когда известно кинетическое уравнение реакции, либо графоаналитическим путем, когда известен экспериментальный график изменения концентрации реагирующих веществ во времени, то есть Пример (аналитический метод):

где К - константа скорости процесса, [мин1];

c Ai, сА - концентрации веществ на начальный и текущий моменты Схема графоаналитического метода определения продолжительности процесса реагирования веществ в химических реакторах, представлена на рисунке 6.23:

рисунок 6.23 - Схема графоаналитического метода расчета Порядок проектирования реакторов:

- ознакомление с литературой и выяснение исходных данных;

- выбор метода проведения процесса (непрерывный процесс;

ге р М етизация; периодический процесс; РИС; РИВ и другие вопросы);

- выбор конструкционных материалов и способов изготовления реакторов с учетом технико-экономической оценки;

- материальный расчет (по химическим реакциям, с учетом конц е н т р а ц и и реагирующих веществ и степеней их превращения);

- тепловой расчет (с учетом тепловых эффектов реакций).

Дальнейшие вопросы проектирования - традиционные. При этом д у е т особое внимание уделить вопросам техники безопасности, сле промышленной санитарии и охране окружающей среды.

Химические реакции, осуществляемые при пропускании электрич е с к о г о тока через массу реагирующих веществ, называют электротермическими.

Это понятие охватывает как термическое действие электрического тока, так и специфические эффекты, вызванные прохождением тока ч е рез вещество.

Например, образование плазмы, состоящей из электронов, ионов и нейтральных частиц;

- электромагнитное перемешивание при нагревании и расплавлении веществ в высокочастотных электромагнитных полях;

- разделение частиц по массам в плазменных центрифугах;

- индукционный и диэлектрический нагрев, катафорез (электрофорез), то есть движение заряженных частиц во внешнем электрическом поле и так далее.

Преимущества ЭТР:

- интенсификация технологических процессов за счет повышения температуры и давления, а так же электромагнитного и газодинамического перемешивания сред;

- возможность проведения сильно эндотермических процессов за счет интенсивного подвода теплоты.

Например, получение карбидов: WC, ТаС, TiC, UC2; конверсия - легкость организации непрерывного процесса и автоматизации;

- миниатюризация оборудования V = 1-50 л, N = 102-104 кВт;

- создание малоинерционных реакторов.

Например, в высокочастотных дуговых плазмотронах время реакции составляет т я 10"4-10"6 с.

Температура в плазменных химических реакторах обычно достигает Т = 4000-6000 К.

В качестве конструкционных материалов используют высокотемпературные сплавы на основе: Ni, Со, W, Mo, Nb, Zr, Ti, тугоплавкие оксиды Zr0 2, ТЮ 2... Al 2 0 3, а также композиционные материалы.

6.10.2 Химические реакторы с электроразрядной плазмой Химические реакторы по типу получаемой плазмы делят на:

- высокочастотные (ВЧ):

а) индукционные;

б) дуговые;

- сверхвысокочастотные (СВЧ);

- плазма в тлеющем разряде;

- плазма в коронном разряде и т. д.

Следует отметить, что химические реакции могут протекать в плазме только в том случае, если плазма горит устойчиво и не распадается.

При этом из-за существенных тепловых эффектов реакций (эндо-, экзо-) условия протекания реакций существенно изменяются во времени и это необходимо учитывать при организации процесса.

Плазма во многих случаях является неравновесной, поэтому температуры электронов и ионов выше, чем нейтральных частиц.

Экспериментально установлено, что многие химические процессы при пропускании электрического тока проходят при более низких температурах, чем в других условиях.

Исходя из этого, можно выделить следующие особенности химических реакторов с электроразрядной плазмой:

- химический реактор является одновременно разрядной камерой;

- в электроразрядной плазме существенно повышается скорость процесса, то есть снижается энергия активации процесса, говорят, наблюдается «кинетический эффект», как при присутствии катализаторов;

- возможность синтеза веществ, которые невозможны другими способами из-за их термодинамической и термической нестойкости, так как происходит закалка продуктов;

- можно не только синтезировать продукты, но и подвергнуть их дополнительной очистке.

Высокочастотный индукционный разряд. Схема химического реактора в высокочастотном индукционном разряде показана на рисунке 6.24.

Разряд возбуждается в диэлектрической или металлодиэлектрической разрядной камере, помещенной в индуктор разрядной камеры (реактор).

Высокочастотный ток, выработанный в высокочастотном генераторе (ВЧГ), превращается в индукторе в высокочастотное магнитное поле и последнее, проникнув в аппарат, вновь превращается в высокочастотный (вторичный) ток (токи Фуко), который нагревает материал.

Рисунок 6.24 - Схема химического реактора в высокочастотном Камера (реактор) представляет собой трубу из немагнитного материала с разрезами для проникновения высокочастотного поля, заполненными диэлектрическим материалом.

Параметры:

Р 0 - мощность, потребляемая ВЧ генератором из сети;

Pi - мощность колебательная;

Р 2 - мощность, вкладываемая в плазму.

Колебательная мощность определяется:

где п - число витков индуктора;

I - сила тока в индукторе, А;

h, р, d - соответственно высота, удельное сопротивление индуктивной нагрузки и диаметр реактора;

а - величина, характеризующая форму нагрузки;

5 - глубина проникновения электромагнитного поля в нагрузку, рассчитывается по формуле где f - частота колебаний, Гц.

Доля мощности, рассеиваемая в индукторе где h', р', d' - те же величины, но для материала, из которого изготовлен индуктор.

КПД установки определяется:

Обычно л = 0,7-0,8.

Высокочастотный индукционный разряд наиболее благоприятен для осуществления реакций, протекающих в газовой фазе, но при этом не должна образовываться электропроводящая пыль, которая может осесть на стенках реактора и привести к срыву плазмы.

Высокочастотный емкостной разряд. Схема химического реактора в высокочастотном емкостном разряде показана на рисунке 6.25.

Выход с ВЧ генератора замыкается на внешние электроды, наложенные на трубу из диэлектрического материала.

Существует множество конструкций плазмотронов такого типа, например, высоковольтный электрод, находящийся в центре камеры, а заземленные электроды расположены симметрично с каждой стороны высоковольтного электрода.

Это позволяет увеличивать длину разрядной зоны и повысить мощность, поглощаемую плазмой, так как последняя пропорциональна количеству электродов.

Рисунок 6.25 - Схема химического реактора в высокочастотном Примечание - В процессе работы не должна образовываться электропроводящая пыль в электроразрядной камере.

Сверхвысокочастотный разряд (СВЧ). Схема химического реактора с СВЧ разрядом представлена на рисунке 6.26.

Рисунок 6.26 - Схема химического реактора в СВЧ разряде Частоты f = 1 -3 ГГц получают путем модуляции (изменения) частоты колебания электронов в атоме.

Расход поступающих реагентов и работу генераторов организовывают так, чтобы в разрядной камере образовалась плазма в виде шнура, отжатого от стенок.

КПД таких установок достигает г| = 80-90 %.

Тлеющий разряд. Схема химического реактора в тлеющем разряде на постоянном токе показана на рисунке 6.27.

Рисунок 6.27 - Схема химического реактора в тлеющем Тлеющий разряд возникает при наложении разности потенциалов на электроды разрядной камеры в вакууме. Эмиссия электронов происходит при бомбардировке катода быстрыми ионами.

Общее падение напряжения в системе складывается из падения напряжения в прикатодном и прианодном пространствах, в положительном столбе ионов где A U a - равно потенциалу ионизации газа и происходит на расстоянии в несколько миллиметров (от анода), В;

ди к - зависит от материала катода и свойств газа, В. Расстояние, на котором происходит это падение напряжения обратно пропорционально давлению газа.

Основной реакционный участок - это положительный столб ионов, в котором падение напряжения равно произведению напряженности поля на длину участка:

Распределение электронов в положительном столбе определяется из уравнения:

где Со и С - концентрации электронов на оси разрядной камеры и в В0 - функция Бесселя нулевого порядка;

г - расстояние от центра разрядной камеры до данной точки;

Le - средняя длина свободного пробега ионов между ионизирующими соударениями с нейтральными частицами газа, которая определяется:

где R - радиус разрядной камеры, м;

Vj - частота ионизации, Гц;

Da - коэффициент диффузии.

Если известна энергия, передаваемая электронам электрическим полем Р! и энергия, теряемая при столкновениях Р 2, то:

где ё заряд электрона;

Е осевой градиент потенциала в тлеющем разряде;

Vd, V n дрейфовая и тепловая скорости электрона;

К константа Больцмана, Дж/К;

г) доля энергии электрона, теряемая при столкновении с нейтральной частицей;

Те - температура электронов, К.

Установлено отношение:

Температура электронов на порядок выше температуры нейтральных частиц.

При наложении разности потенциалов Е на проводящие обкладки происходит поляризация пластин, а при повышении разности потенциалов происходит пробой. Если наложить на обкладки переменное электрическое поле, то пробой происходит в каждый полупериод.

Барьерный разряд. Схема химического реактора в барьерном разряде,показана на рисунке 6.28.

Рисунок 6.28 - Схема химического реактора в барьерном разряде Ток барьерного разряда можно определить по формуле:

где Ci - емкость диэлектрических пластин, Ф;

Е - потенциал пробоя, В;

Это так называемый «холодный разряд», применяют для получения озона.

Импульсный разряд. Схема химического реактора в импульсном разряде, показана на рисунке 6.29.

Рисунок 6.29 - Схема химического реактора в импульсном разряде Энергия конденсатора, Р:

где С - емкость конденсатора;

AU - падение напряжения на конденсаторе.

Разряжается через разрядную камеру через промежуток времени, необходимый для получения высокого напряжения U.

Достигается температура в десятки тысяч градусов.

Электроискровой разряд в псевдоожиженном слое.

Постоянный или переменный источник тока пропускают через псевдоожиженный слой электропроводящих твердых частиц. При псевдоожижении образуется множество электроискровых разрядов между ними.

Принципиальная схема проведения высокотемпературных химических реакций в плазме показана на рисунке 6.30.

Рисунок 6.30 - Принципиальная схема проведения высокотемпературных химических реакций Применение плазмы:

- обедненный гексафторид урана (ЗРИ) на заводах ОАО СХК:

- фтороводород (СЗ):

- диоксид циркония (РХЗ):

Zr0 2 используют как добавки к бакорам и для изготовления фильер.

Трудности:

- материалы электродов, время работы - часы;

- улавливания твердых и газообразных продуктов из-за их наноразмеров и высокой активности;

- достаточно высокая стоимость генераторов.

6.11 Контрольные вопросы 1 Требования, предъявляемые к химическим реакторам.

2 Основные факторы, влияющие на конструкцию ХР.

3 Классификация ХР.

4 Каталитические газотвердые реакторы с неподвижным слоем катализатора.

5 Каталитические газотвердые реакторы с движущимся слоем катализатора.

6 Каталитические газотвердые реакторы с кипящим слоем катализатора.

7 Реакторы непрерывного действия типа идеального вытеснения (РИВ).

8 Реакторы непрерывного действия типа идеального смешения (РИС).

9 Методика и порядок расчета реакторов химической промышленности.

10 Жидкофазные реакторы периодического и непрерывного действия.

11 Реакторы с рубашками.

12 Преимущества реакторов, работающих при высоких давлениях (ВД).

13 Основные преимущества электротермических реакторов.

14 Особенности работы электротермических реакторов.

15 Способы получения электроразрядной плазмы.

1. Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок :

учебник для техникумов / J1. 3. Альперт.— 4-е изд., перераб. и доп. — М. : Высшая школа, 1989.— 304 с.

2 Антикайн П.А. Металлы и расчет на прочность котлов и трубопроводов: учебник/ П. А. Аптикайн; под ред. А. А. Кузнецова; Рец. Г. А.

Туляков.— 3-е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1990.— 368 с.

3 Анурьев В. И. Справочник конструктора - машиностроителя: В 3-х т./ В. И. Анурьев. - М.: Машиностроение, 1980.

4 Банит Ф.Г. Механическое оборудование цементных расходов :

учебник для техникумов.— 2-е изд.,перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1975.— 318с.

5 Бауман В. А., Механическое оборудование предприятий строительных материалов,изделий и конструкций : учебник для вузов. Общий курс / В. А. Бауман, Б. В. Клушанцев, В. Д. Мартынов.— М. : Машиностроение, 1975.— 351 с.

6 Биргер И.А. Сопротивление материалов : учебное пособие для вузов / И. А. Биргер, Р. Р. Мавлютов.— М. : Наука, 1986.— 560 с.

7 Биргер И. А. Расчет на прочность деталей машин : справочник / И. А. Биргер, Б. Ф. Шорр, Г. Б. Иосилевич.— 3-е изд., перераб. и доп.

— М. : Машиностроение, 1979.— 702 с.

8 Биргер И.А. Резьбовые и фланцевые соединения/ И.А. Биргер, Г.Б. Иосилевич. - М.: Машиностроение, 1990. - 368с.

9 Вихман Г.А.. Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов : учебник для вузов / Г. Л. Вихман, С. А.

Круглое.— 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1978.— 328 с.

10 Высокотемпературные тепло-технологические процессы и установки; под ред. А.Д. Ключинкова. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 336с.

11 Геррман X. Шнековые машины в технологии : учебник для вузов / X. Геррман; перевод с нем. Л. Г. Веденяпиной; под ред. Л. М.

Фридмана.— Л. : Химия, 1975.— 232 с.

12 Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора/ Р.И. Гажиров. Л.: Машиностроение, 1983. -464с.

13 ГОСТ 14240-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. - М.: Изд-во стандартов. 80с.

14 Давыдов В.И. Термические процессы и аппараты для получения окислов редких и радиоактивных элементов/ В.И. Давыдов, М.Н.

Гаврекели, Б.Г. Добрыгин. - М.: Атомиздат, 1977. - 208с.

15 Драйер Г.Д. Учение о прочности и упругости. - М.: Машиностроение, 1964.-416с.

16 Жиганов А.Н. Технология диоксида урана для керамического ядерного топлива : учебное пособие для вузов / А. Н. Жиганов, В. В.

Гузеев, Г. Г. Андреев.— Томск : STT, 2002.— 328 с.

17 Калекин B.C. Машины и аппараты химических производств :

учебное пособие для вузов / В. С. Калекин, В. А. Плотников.— 2-е изд., перераб. и доп. — Омск : ОмГТУ, 2006.— 344 с.

18 Канторович З.Б. Машины химической промышленности : учебное пособие для вузов и факультетов химического машиностроения / 3. Б. Канторович.— М. : Машиностроение, 1965.— 415 е..

19 Канторович З.Б. Основы расчета химических машин и аппаратов/ 3. Б. Канторович. - М.: Машгиз, 1960. - 743с.

20 Каталымов А.В. Дозирование сыпучих и вязких материалов :

производственное издание / А. В. Каталымов, В. А. Любартович.— Л. :

Химия, 1990 —240 е..

21 Кипарисов С.С. Оборудование предприятий порошковой металлургии/ С.С. Кипарисов, О.В. Падалько. - М.: Металлургия, 1988. с.

22 Клушанцев Б.В. Дробилки. Конструкция, расчёт, особенности эксплуатации/ Б.В. Клушанцев, А.И. Косарев, Ю.А. Музеймник. - М.:

Машиностроение, 1990. - 320с.

23 Когаев В.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность/ В.П. Когаев, И.А. Махутов, А.П. Гусенков. - М.:

Машиностроение, 1985. -224с.

24 Козулин Н А. Примеры и задачи по курсу оборудования заводов химической промышленности/ Козулин Н.А., Соколов В.Н., Шапиро А.Я..

- М.: Машиностроение, 1966. -492с.

25 Кольман-Иванов Э.Э. Конструирование и расчет машин химических производств / Э.Э. Кольман-Иванов. - М.: Машиностроение, 1985.-408с.

26 Лащинский А.А. Конструирование сварных химических аппаратов : справочник / А. А. Лащинский ; под ред. А. Р. Толчинского.— Л.

: Машиностроение, 1981.— 382 с.

27 Лащинский А.А., Основы конструирования и расчета химической аппаратуры : справочник / А. А. Лащинский, А. Р. Толчинский ;

под ред. Н. Н. Логинова.— М.-Л. : Машгиз, 1963.— 470 с.

28 Лыков М.В. Сушка в химической промышленности/ М.В. Лыков.

- М.: Машиностроение, 1970. -429с.

29 Майоров А.А., Браверман И.Б. Технология получения порошков керамической двуокиси урана/ А.А. Майоров, И.Б. Браверман. - М.:

Энергоатомиздат, 1985. - 127с.

30 Машины и аппараты химических производств/ под ред. И И.

Поликарова. - М.: Машиностроение, 1989. - 368с.

31 Машины и аппараты химических производств/ под ред. И И.

Поликарова. - М.: Машиностроение, 2006. - 608с.

32 Машины и аппараты химических производств/ под ред. И И.

Чернобыльского. - М. : Машиностроение, 1975. -456с.

33 Машины и аппараты химических производств: примеры и задачи/ под ред. В.Н. Соколова. - Л.: Машиностроение, 1982. - 384с.

34 Машины химических производств/ под ред. Э.Э. КольманИванова. - М.: Машиностроение, 1981. -118с.

35 Миронов В.М. Машины и аппараты химических производств:

учебное пособие. Ч. 2 / В.М. Миронов. - Томск: ТПУ. - 2003. -115с.

36 Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств/ М.Ф. Михалев. - Л.: Машиностроение, 1984. с.

37 Конусные дробилки/ Ю.А. Музеймник [и др.]. - М.: Машиностроение, 1970.-230с.

38 Немец Я. Расчеты прочности сосудов, работающих под давлением/ Я. Немец. - М.: Машиностроение, 1964. - 312с.

39 Николаев Г А. Сварные конструкции/ Г.А. Николаев, С.А. Куркин, В.А. Винокуров. - М.: Машиностроение, 1983. - 344с.

40 Орлов П.И. Основы конструирования: справочнометодическое пособие: в 2 к. / П. И. Орлов; под ред. П. Н. Учаева.— 3е изд., испр. — М.: Машиностроение, 1988. Кн. 2,- 1988,- 544 с.

41 Рахмилевич 3.3. Справочник механика химических и нефтехимических производств / 3. 3. Рахмилевич, И. М. Радзин, С. А. Фарамазов.— М. : Химия, 1985.— 592 с.

42 Сапожников М.Я. Механическое оборудование предприятий строительных материалов,изделий и конструкций : учебник для вузов / М. Я. Сапожников.— М. : Высшая школа, 1971.— 382 с.

43 Сапожников М.Я. Справочник по оборудованию заводов строительных материалов / М. Я. Сапожников, Н. Е. Дроздов.— 3-е изд., перераб. и доп. — М.. Стройиздат, 1970.— 488 с.

44 Сборник правил и нормативно-технических документов по котлонадзору; составители А.А. Тихомиров, А.Н. Суслов. - М.: Машиностроение, 1993. - 547 с.

45 Семакин O.K. Машины и аппараты химических производств:

учебное пособие. Ч. 1/ O.K. Семакин. - Томск: Изд-во ТПУ. - 200. - 118с.

46 Сиденко П.М. Измельчение в химической промышленности/ П.М. Сиденко. - М.: Химия, 1968. - 383 с.

47 Силенок С.Г. Механическое оборудование для производства вяжущих строительных материалов/ С.Г. Силенок. - М.: Машиностроение, 1969. - 89с.

48 Смирнов Г.Г. Конструирование безопасных аппаратов для химических и нефтехимических производств. справочник / Г. Г. Смирнов, А. Р. Толчинский, Т. Ф. Кондратьева ; под общ. ред. А. Р. Толчинского.— Л.: Машиностроение, 1988.— 303 с.

49 Соколов В.И. Основы расчета и конструирования деталей и узлов пищевого оборудования : учебник для вузов / В. И. Соколов.— 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1970.— 422 с.

50 Софронов В.Л. Машины и аппараты химических производств:

учебное пособие/ В.Л. Софронов. - Северск: СТИ ТПУ, 2001. - 84с.

51 Софронов В.Л. Расчёт на прочность оборудования для измельчения материалов: руководство для студентов/ В.Л. Софронов. - Томск:

ТПИ. 1986.-53с.

1983 —487 с 54 Справочник по пыле-и гл юул.ишим.mm.. м..д|чч1 - • I, «и • учебное пособие для вузов / Б Н Судариком, ;» I Гпын • • > ТеХНОЛОГИЧеСКОГО И Природоохранного о б о р у д о м. ш и ч I M|..iii.niiiti и 3-х т. / А. С. Тимонин.— 2-е изд., перераб и ДОП Калуге Бочкаревой, 2002. Т-1.-2002.-850с., Т-2 2002 ПК".. I l,'ixi,' 964с.

57 Тимонин А.С. Инженерно-экологическии спр.ншчни* • ч. пинпособие : в 3-х т. / А. С. Тимонин.— Калуга Изд но И кирши > и 2003. Т-1. - 2 0 0 3. - 914с., Т-2. -2003. - 1019с., Т-3 - 2 0 0 3 НН1< 58 Фролов КВ. Методы совершенствования машин и сммрпмон