Устройство и принцип работы технологического оборудования гранулирования в производстве аммиачной селитры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Раздел 1. Классификация процессов

1.1 В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процесса

Сложный технологический процесс состоит из отдельных стадий -- простых процессов, которые классифицируются на тепловые, массообменные, гидромеханические, механические, химические процессы и процессы переработки химических продуктов в изделия.

Тепловые процессы -- это процессы передачи тепла от одного теплоносителя к другому (нагревание, охлаждение, выпаривание, конденсация, сжигание, кристаллизация).

Эти процессы проводят в теплообменниках, холодильных установках, выпарных аппаратах, конденсаторах, печах, кристаллизаторах и т. д.

Массообменные процессы - диффузионный переход веществ из одной фазы в другую (сушка, ректификация, абсорбция, десорбция, адсорбция, экстракция). Для их проведения служат ректификационные колонны, сушилки, абсорберы, десорберы, адсорберы, экстракторы.

Гидромеханические процессы - это процессы разделения неоднородных газовых или жидких систем на составляющие компоненты (фильтрация, отстаивание, очистка газов от пыли, перемешивание неоднородных жидких систем). Эти процессы протекают в фильтрах, отстойниках, циклонах, центрифугах, мешалках.

Механические процессы -- измельчение, сортировка, смешение, помол кусковых или сыпучих материалов. Эти процессы осуществляют в дробилках, мельницах, грохотах и смесителях.

Химические процессы - превращение одних веществ в другие (синтез, окисление, восстановление).

Их проводят в аппаратах, называемых реакторами или реакторными устройствами (колонны синтеза, контактные аппараты, реакторы-мешалки, реакторные трубы и т. д.).

Процессы переработки химических продуктов в изделия -- прессование, литье, формование, вулканизация и т. д.; их проводят в прессах, литьевых машинах, на вальцах, каландрах, вулканизаторах, прядильных машинах и т. д.

1.2 В зависимости от организации процесса

1. периодические,

2. непрерывные,

3. комбинированные.

Периодический процесс характеризуется единством места протекания отдельных его стадий и неустановившимся состоянием во времени. Периодические процессы осуществляют в аппаратах периодического действия, из которых конечный продукт выгружается полностью или частично через определенные промежутки времени. После разгрузки аппарата в него загружают новую порцию исходных материалов, и производственный цикл повторяется снова. Вследствие неустановившегося состояния при периодическом процессе в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении аппарата отдельные физические величины или параметры (например, температура, давление, концентрация, теплоемкость, скорость и Др.), характеризующие процесс и состояние веществ, подвергающихся обработке, меняются во время протекания процесса.

Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерывным отбором конечного продукта. Непрерывные процессы осуществляют в аппаратах непрерывного действия. Вследствие установившегося состояния в любой точке массы обрабатываемого материала или в любом сечении непрерывно действующего аппарата физические величины или параметры в течение всего времени протекания процесса остаются практически неизменными.

Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий которого проводятся непрерывно.

Непрерывные процессы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с периодическими и комбинированными. К таким преимуществам в первую очередь относятся:

1. возможность осуществления полной механизации и автоматизации, что позволяет сократить до минимума применение ручного труда;

2. однородность получаемых продуктов и возможность повышения их качества;

3. компактность оборудования, необходимого для осуществления процесса, что позволяет сократить как капитальные затраты, так и расходы на ремонт.

Поэтому в настоящее время во всех отраслях техники стремятся перейти от периодических к непрерывным производственным процессам.

Раздел 2. Классификация механических процессов

2.1 Устройства непрерывного транспорта для горизонтального, вертикального и смешанного перемещений

В химических производствах приходится перемещать различные твердые материалы, являющиеся сырьем, полупродуктами или готовыми продуктами. Для перемещения твердых материалов в пределах предприятия или цеха применится подъемно-транспортные устройства. Эти устройства составляет внутризаводской транспорт предприятия.

Подъемно-транспортные устройства разделяются на следующие группы:

1) Устройства непрерывного транспорта, предназначенные для перемещения материалов непрерывным потоком;

2) Устройства периодического транспорта, предназначенные для перемещения материалов отдельными порциями;

По направлению перемещения материала различают:

1) Устройства для горизонтального (или слабонаклонного) перемещения;

2) Устройства для вертикального (или крутонаклонного) перемещения;

3) Устройства для смешанного (пространственного) перемещения.

Устройства непрерывного транспорта для горизонтального перемещения. Ленточные транспортеры состоят из бесконечной ленты, непрерывно движущейся вокруг двух барабанов, причем лента проводится в движение трением о поверхности барабанов. Обычно применяют резино-тканевые транспортерные ленты, состоящие из нескольких слоев резины и хлопчатобумажной ткани. При транспортировании горячих материалов применяют ленты, изготовленные из тонкой, термически обработанной стали.

Пластинчатые транспортеры применяются для перемещения материала на расстояние до 150 м. Если на пластинах поставлены поперечные перегородки, то угол наклона ленты к горизонту может достигать 30-45°С. Скорость движение ленты применяется в пределах 0, 2-0, 6 м/сек, Пластинчатые транспортеры дороже и применяются при перемещении крупнокусковых материалов или материалов, имеющих высокую температуру, а также при перемещении под большим углом, т.е. в тех случаях, когда ленточные транспортеры неприменимы.Скребковые транспортеры применяются для перемещения мелкокусковых и порошкообразных материалов на расстояние до 60м. Скорость движения применяется 0, 25-0, 75 м/c, Винтовые транспортеры применяются для горизонтального или слабонаклонного перемещения порошкообразных и мелкокусковых материалов на расстояние до 40 м.К достоинства винтовых транспортеров относятся:

1) компактность, простота и дешевизна устройства и

4) обслуживания, 2) герметичность.

Последнее особенно важно при перемещении токсичных и цылящих материалов. Недостатками винтовых транспортеров являются:

1) высокий расход энергии,

2) значительные износ стенок желоба и поверхности винта,

3) истирание перемещаемого материала.

Устройства непрерывного транспортера для вертикального и смешанного перемещений

Элеватор применяется для вертикального подъема порошкообразных и кусковых материалов по высоту до 40м. Скорость движения ленты или цепи применятся от 0, 9 до 1, 5 м/сек. Ленточные элеваторы применяются при легких условиях работы (мелкий и легкий материал, небольшая высота подъема); для тяжелых условий работы применяются цепные элеваторы.

Для тяжелых крупнокусковых и истирающих материалов применяются тихоходные элеваторы со скоростью движения 0, 4-0, 6 м/сек. При такой малой скорости выгрузка материала происходит не под действием центробежной силы, а под действием одной силы тяжести. Чтобы материал не падал обратно в кожух элеватора, а поступал в приемный желоб, ковши располагают вплотную друг к другу (чешуйчатые элеваторы); в этом случае материал при разгрузке скользит по задней стенке нижерасположенного ковша. Для облегчения разгрузки тихоходных элеваторов их часто устанавливают наклонно под углом 45-70° к горизонту.

Транспортеры с погруженными скребками являются разновидностью скребковых транспортеров и отличаются от последних тем, что цепь со скребками движется внутри закрытого желоба и скребки погружены в транспортируемый материал, движущийся сплошным потоком. Транспортеры с погруженными скребками могут перемещать материал по трассе сложного очертания (кривая или ломаная линия) в горизонтальном, наклонном и вертикальном направлениях без перегрузки в местах перегиба трассы, причем загрузка и разгрузка транспортеров могут осуществляться во многих его точках.К недостаткам транспортеров с погруженными скребками относится значительный износ рабочих деталей при перемещении истирающих материалов. Для транспортирования липких и комкающихся материалов эти транспортеры непригодны.

Пневматический транспорт осуществляется при помощи движущегося в трубопроводе воздуха, который увлекает перемещаемый сыпучий материал. Перемещаемый материал вводится в трубопровод через загрузочные устройства, захватывается струей движущегося воздуха и транспортируется к месту разгрузки.В зависимости от концентрации перемещаемого материала в смеси его с воздухом различают пневматический транспорт в разреженной фазе и пневматический транспорт в плотной фазе.

Гидравлический транспорт. В установках транспорта материал вводится в струю воды, перемещается вместе с ней до места назначения и здесь отделяется от воды. Этот вид транспорта применим только для тех материалов, которые не подвергаются изменениям под действием воды.В низконапорных гидравлических установках вода подается под давлением 25-60 атм. и смесь материала с водой перемещается по трубам под избыточным давлением 1, 5-7 атм. В этих установках можно перемещать материал на расстоянии свыше 1 км. В смешанных установках материал перемещается в пределах цеха по открытым каналам, из которых подается затем в высоконапорную установку для передачи на большое расстояние.

2.2 Измельчение твердых материалов

Дробление и размол представляют собой процессы механического измельчения твердых веществ. В результате измельчения значительно увеличивается поверхность обрабатываемого материала. Применение твердых материалов, раздробленных на мелкие куски (путем дробления) или измельченных в порошок (путем размола), позволяет значительно ускорить растворение, обжиг, химическое взаимодействие, т.е. различные процессы, протекающие тем быстрее, чем больше поверхность участвующего в них твердого вещества. В настоящее время для измельчения материалов применяют машины различных типов, начиная от крупных щековых дробилок, дробящих глыбы материала объемом до 2м², и кончая коллоидными мельницами, измельчающими продукты на частицы размером до 0, 1 мк.

Дробление и размол характеризуются степенью измельчения - отношением диаметра d_н кусков материала до измельчения к диаметру d_к кусков после измельчение. Измельчение производится в одну или несколько стадий. Каждая машина, в зависимости от устройства, может обеспечивать ограниченную степень измельчения, которая колеблется от i=3ч6 для щековых дробилок до i=100 и более для мельниц. Для достижения высоких степеней измельчения этот процесс проводят в несколько стадий, используя последовательно соединенные дробильно-размольные машины, так как за один прием (на одной машине) не удается получить кусков заданной конечной крупности.В зависимости от начального и конченого размера наибольших кусков условно различают следующие виды измельчения:

Измельчение d_н, мм d_к, мм

Крупное (дробление) 1500-150 250-40

Среднее (дробление) 250-40 40-6

Мелкое (дробление) 25-3 6-1

Тонкое (размол) 10-1 1-75*10^-3

Сверхтонкое (размол) 12-0, 1 75*10^-3 - 1*10^-4

Крупное и среднее дробление производится, как правило, сухим способом, мелкое дробление и размол - сухим или мокрым способом (в водной среде). При мокром измельчении уменьшается пылеобразование, и частицы получаемого продукта имеют более равномерные размеры; кроме того, облегчается выгрузка продукта. Измельчение материалов производится раздавливанием, ударом, истиранием и раскалываем.

Рис. 1. Способы измельчения материалов;

а) - раздавливание; б)- удар; в) - истирание; г) - раскалывание.

Измельчение производится по двум основным схемам - в открытом или замкнутом цикле. При работе по первой схеме весь материал проходит через дробилку (мельницу) только один раз, при работе по замкнутому циклу большая часть материала проходит через дробилку (мельницу) многократно, так как материал с размерами кусков больше допустимого предела возвращается на повторное дробление. Это достигается при соединении дробилки или мельницы с устройствами для разделения измельченного материала по крупности частиц - грохотами или классификаторами. Щековые дробилки. В щековых дробилках материал поступает сверху и измельчается путем периодического раздавливания между неподвижной и подвижной щеками. Разрушение кусков материала происходит в основном вследствие раздавливания их подвижной качающейся щекой. Продукт дробления свободно выпадает через нижнюю щель между щекам. Достоинствами щековых дробилок являются: 1) простота и надежность конструкции, 2) широкая область применения, 3) компактность, 4) легкость обслуживания. Недостатки: 1) периодический характер воздействия на материал, 2) неполная уравновешенность движущихся масс.

Конусные дробилки. В конусной дробилке дробление происходит путем непрерывного раздавливания и изгиба (излома) кусков материала дробящей головкой, выполненной в виде усеченного конуса.

Различают конусные дробилки двух основных типов:

1) С головкой в виде крутого конуса - для крупного и среднего дробления;

2) С головкой в виде полого конуса (так называемые грибовидные дробилки) - для среднего и мелкого дробления.

2.3 Классификация (сортировка) материалов

Разделение сыпучих материалов по размеру кусков или зерен называется классификацией. Путем классификации сыпучая смесь разделяется на классы, или фракции, ограниченные определенными пределами размерами кусков или зерен.

Применяются три вида классификации материалов:

1) Грохочение - механическая классификация на ситах; через отверстия рабочей поверхности грохота проходят куски меньше определенного размера, а остальные задерживаются на поверхности и удаляются с нее;

2) Гидравлическая классификация - разделение смеси на фракции зерен, обладающие одинаковой скоростью падения в воде;

3) Воздушная сепарация - разделение смеси на фракции зерен, обладающие одинаковой скоростью падения в воздухе;

4) Грохочение - наиболее универсальный способ классификации, применяемый для разделения материалов различной крупности (примерно от 250 до 1 мм). При помощи гидравлической классификации и воздушной сепарации можно разделять только зерна крупностью менее 2 мм. Классификация применяется как вспомогательная операция - для предварительной подготовки материала к дроблению (удаление мелочи) или для возврата слишком крупного материала на повторное измельчение, а также как самостоятельная операция - для получения готового продукта с заданным зернистым составом. В последнем случае процесс классификации называется сортировкой. Классификация широко используется для ситового анализа - определения зернистого состава материала.

5) Типы грохотов и способы грохочения Отделение кусков определенной крупности на грохоте происходит при движении материала относительно рабочей поверхности грохота. В результате грохочения получают два продукта: куски, прошедшие через сито, - просев (или нижний продукт) и куски, не прошедшие через сито, - отсев (или верхний продукт).Работа грохотов оценивается по двум показателям: 1) точность, или эффективность грохочения, 2) производительность грохота. Эффективность грохочения обычно характеризуется отношением веса и полученного нижнего продукта к весу кусков того же класса в исходном материале.

Многократное грохочение проводится тремя способами:

1) От мелкого к крупному - через расположение в одной плоскости сита, размеры отверстий которых увеличиваются от каждого предыдущего сита к последующему;

2) От крупного к мелкому - через распложенные друг над другом сита, размеры отверстий которых уменьшаются от верхнего сита к нижнему;



Рис.2.Способы грохочения.

Грохочение от мелкого к крупному имеет ряд достоинств:

1) Удобство наблюдения за ситами, а также ремонта и смены сит (это очень важно, так как сита сравнительно быстро изнашиваются),

2) наибольшая высота грохота и соответственно производственного помещения,

3) удобство распределения отдельных сортов продукта по хранилищам.

Достоинства грохочения от крупного к мелкому:

1) лучшее качество грохочения вследствие отсева в первую очередь наиболее крупных кусков,

2) меньший износ сит по той же причине.

Барабанные грохоты

Цилиндрический барабанный грохот представляет собой открытый барабан цилиндрической, конической или многогранной формы, изготовленный из сетки или перфорированных листов. Барабаны грохотов устанавливаются наклонно, под углом 4-7° к горизонту; конический барабаны, в которых свободное перемещение кусков происходит благодаря самой форме барабана, устанавливаются горизонтально. Отверстия в барабане для прохода нижнего продукта в большинстве случаев увеличиваются по ходу материала (грохочение от мелкого к крупному). Достоинства барабанных грохотов: 1) простота конструкции и обслуживания, 2) равномерное вращения. Недостатки: 1) небольшая производительность на единицу поверхности сита 2) сильное крошение материала и значительное пылеобразование, 3) сравнительно легкая забивка сит (материал не встряхивается), 4) большой расход металла на изготовление грохота.

Указанные недостатки столь существенны, что барабанные грохоты постепенно вытесняются плоскими качающимися и вибрационными грохотами.

Вибрационные (инерционные) грохоты

В вибрационных грохотах плоское и обычно наклонное сито совершает при помощи специального механизма (вибратора) частые колебания небольшого размаха. Число вибраций сита находится в пределах 900-1500 в к мин (иногда до 3600) при амплитуде колебаний от 0, 5 до 12 мм. Достоинства грохотов: При высокой частоте колебаний сита его отверстия почти не забиваются материалом, т.е. устраняется недостаток, свойственный других грохотам;

1) Компактность, легкость регулирования и смены сит;

2) Меньший расход энергии, чем для грохотов других типов.

2.4 Дозирование и смешение твердых материалов

При проведении различных процессов необходима регулярная и равномерная подача измельченного материала в аппаратуру; кроме того, часто требуется загружать исходные материалы в определенной последовательности при заданном соотношении компонентов смеси (шихты).

Загрузка твердых кусковых и порошкообразных материалов производится обычно из хранилищ (бункеров) при помощи питателей. Для подачи заданных количеств материала применяют порционные и непрерывно действующие дозирующие устройства (дозаторы).



Рис. 3. Типы бункеров.

Простой рычажный затвор Представляет собой горизонтальную плоскую задвижку, скользящую в направляющих и открываемую при помощи рычага, шарнирно подвешенного к бункеру. Такие затворы пригодны для полной разгрузки любых материалов из небольших бункеров за один прием или для разгрузки легких, хорошо сыпучих материалов с некрупными кусками.

Рис.4. Простой односекторный затвор

Простой односекторный затвор представляет собой цилиндрический сектор, вращающийся на пальцах, закрепленных на боковых стенках корпуса, который имеет квадратное сечение и крепится к отверстию бункера.

Питателями называются механические устройства для равномерной подачи сыпучих и кусковых материалов в различные аппараты -- дробилки, сушилки, реакторы, печи и др. Питатели подают материал из хранилищ (бункеров) непосредственно в аппараты либо на транспортеры и элеваторы, перемещающие материал к приемным устройствам аппаратов. Питатели часто используются также для регулирования подачи и для дозирования материалов.

Питатели с тяговыми органами

Ленточные питатели сходны с ленточными транспортерами. Питатель состоит из бесконечной резиновой ленты, натянутой между приводным и натяжным барабанами и движущейся со скоростью 0, 1--0, 25 м/сек. Питатели такого типа применяют для подачи хорошо сыпучих, легких и не истирающих материалов с размерами кусков не более 100--150 мм. А также тяжелых, сыпучих и абразивных материалов с размерами кусков не более 75 мм, а также для подачи влажных материалов. Пластинчатые питатели сходны с пластинчатыми транспортерами. Они снабжены стальной лентой, составленной из перекрывающих друг друга пластин данного профиля, жестко укрепленных на бесконечных цепях. Цепи и стальная лента движутся со скоростью 0, 02--0, 12 м/сек. Питатели такого типа хорошо приспособлены для подачи тяжелых, крупнокусковых материалов (в том числе абразивных и глинистых) с размерами кусков, не превышающими обычно 400 мм; питатели надежно работают, подвергаясь давлению материала, загруженного в бункер, и нечувствительны к ударам.

Дозаторы. Дозирование материалов производится объемным или весовым методом, в некоторых случаях часть материалов дозируют по весу, а часть -- по объему (объемно-весовой метод). Для дозирования объемным методом пользуются мерниками, которые снабжены градуированными по объему шкалами, а также барабанными, тарельчатыми, ленточными и другими питателями, описанными выше. Объемный метод пригоден только для дозирования порошкообразных материалов, имеющих постоянный гранулометрический состав, и не склонных к слеживанию и комкованию. Дозирование материалов по весу является более точным. Несмотря на относительно сложное устройство весовых дозирующих устройств, этот метод получает все более широкое распространение, причем применяются весовые дозаторы ручного, полуавтоматического и автоматического действия. В качестве ручных дозаторов употребляют весы различных типов, на которых устанавливают весовой бункер с выпускным отверстием, закрытым заслонкой. В дозаторах полуавтоматического действия после взвешивания порции материала подача его в бункер прекращается автоматически, но выгрузку материала из бункера производят вручную. Ручные и полуавтоматические дозаторы малопроизводительны, и в условиях крупных непрерывно действующих производств обычно применяют автоматические дозаторы, рассматриваемые ниже.

Раздел 3. Гидромеханические процессы

3.1 Перемещение жидкостей и газов

Трубопроводы на химических предприятиях служат для транспортирования или передачи газов, паров и жидкостей, пластических и сыпучих материалов с различными физико-химическими свойствами: щелочных и кислых, нейтральных, горючих, взрывоопасных, токсичных, при атмосферном или высоком давлении, под вакуумом. Протяженность трубопроводов (как магистральных, так и внутрицеховых) на многих заводов химической промышленности достигает десятков и сотен километров. Их стоимость составляет до 30 % от затрат на сооружении всего предприятия.

Особые требования предъявляются к строительству трубопроводов для дальнего газоснабжения. Газ транспортируется под давлением до 7, 5 МПа, расстояние между перекачивающими станциями - 75-100 км. Общая протяженность магистральных трубопроводов в стране достигает сейчас 30000 км.

Условия работы промышленных трубопроводов, их надежность оказывают большое влияние на качество выпускаемой продукции.

Основной частью трубопроводов являются трубы. Большинство труб изготавливают из стали различных марок, однако в промышленной практике встречаются трубы почти из всех конструкционных материалов, применяемых в химическом машиностроении.

При выборе труб для монтажа трубопроводов следует учитывать температуру и давление транспортируемой среды, а также коррозионную стойкость выбранного материала в данной среде.

Широко распространены в промышленной практике лакокрасочные защитные покрытия (они составляют до 80% всех применяемых защитных покрытий), препятствующие диффузии и ограничивающие доступ агрессивной среды к защищаемой поверхности.

Защитное действие таких покрытий усиливается при введении в лакокрасочные материалы ингибиторов коррозии или использования пассиваторов. В качестве ингибиторов атмосферной коррозии обычно используют соли аминов и аминоспиртов, в качестве пассиваторов в состав конструкционных материалов вводят специальные добавки - хром, кремний.

Важное значение при выборе защитного покрытия имеют условия его работы(главным образом характер агрессивной среды). Характеристики некоторых лакокрасочных защитных покрытий, применяемых в химических производствах.

Кроме лакокрасочных защитных покрытий, применяемых для всех трубопроводов, за исключением стеклянных, фарфоровых и керамических, используется покрытие трубопроводов (с температурой наружной стенки больше 45 ?C) тепловой изоляцией.

Наиболее распространены следующие изоляционные материалы:

1) Асбестит(смесь асбеста с инфузорной землей и белой глиной) при температуре до 170?C;

2) Асбозурит (смесь асбеста с инфузорной землей ) - при температуре до 250 ?C;

3) Пробковая изоляция(смесь спрессованной крошки пробки, связанная смой или дегтем) - при температуре до 120?C, особенно часто используется для трубопроводов с холодильным рассолом.

Покрытие трубопроводов изоляция делается с целью:

1) уменьшить потери теплоты через стенку трубы;

2) предотвратить конденсацию пара, транспортируемого по трубе;

3) избежать конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе, на холодных трубах;

4) предохранить помещение от излишнего нагрева, а обслуживающий персонал - от ожогов.

3.2 Разделение жидких неоднородных систем

Неоднородной называется система, состоящая из двух или нескольких физико-химических неоднородных (находящихся в различных агрегатных состояниях) фаз. Фаз, которая находится в мелкораздробленном состоянии, называется дисперсной(или внутренней). Фаза, представляющая собой среду, в которой распределены частицы дисперсной фазы, называется дисперсионной (или внешней).Она является сплошной фазой.

В зависимости от физического состояния фаз различают неоднородные системы.

Для эмульсий и пен характерна возможность перехода дисперсной фазы в сплошную и, наоборот, сплошной в дисперсную. Этот переход возможен при определенном соотношении фаз и называется инверсией (обращением) фаз. Процессы осаждения и отстаивания используют в основном для разделения пылей и суспензий.

Осаждение происходит главным образом под действием силы тяжести, а также центробежных, электростатических или акустических сил (и, кроме того, при химических реакциях, протекающих с образованием осадка).

Фильтрование применяется для разделения суспензий или аэрозолей при помощи пористых перегородок, пропускающий жидкость или газ и задерживающих дисперсную твердую фазу на наружной поверхности или в порах перегородки. Процесс идет под действием разности давлений по обе стороны перегородки.

3.3 Очистка газов

Методы очистки газов обуславливается физико-химическими свойствами примесей, их агрегатным состояниям, дисперсностью, химическим составом и концентрацией.

Снижение выброса вредных веществ в атмосферу возможно при внедрении новых прогрессивных технологических процессов, лучшей герметизацией технологического оборудования, увеличении единичной мощность агрегатов, разработке новых видов катализаторов, абсорбентов, конструировании более эффективных типов массообменных устройств, аппаратов пыле- и газоочистки.

Для очистки отходящих газов от аэрозолей используют, в основном, механические и физические методы.

Механические методы очистки делят на сухие и мокрые. К сухим относят: гравитационное, инерционное и центробежное осаждение пыли в различного типа осадительных камерах, жалюзийных пылеосадителях и циклонах, фильтрование через тканевые и волокнистые фильтры.

Мокрые методы являются универсальными для очистки газа от частиц пыли, дыма и тумана. Они основаны на промывании газа жидкостью (водой) в аппаратах мокрой очистки: башнях с насадкой, орошаемых циклонах, пенных аппаратах, скрубберах Вентури и др. Высокой эффективностью улавливания частиц отличаются пленочные аппараты (пыле- и золоулавливающие пленками жидкости, сеперация брызг в тарельчатых и ректификационных аппаратах с двумя зонами контакта фаз).

Физические методы - это осаждение в электрическом поле и акустическая коагуляция. Метод электростатической очистки основан на заряжении взвешенных частиц аэрозоля в поле высокого напряжения и осаждения их на заземленных осадительных электродах.

Электрофильтры широко используют для осаждения твердых и жидких частиц из газов в широком диапазоне размеров аэрозолей. Они применяются при температурах 253-773 К в условиях воздействия различных коррозионных сред и работают как под разрежением, так и под давлением очищаемых газов. Их основными достоинствами являются:

· Возможность обработки больших объемов газа при сравнительно малых гидравлических сопротивлениях

· Высокая степень очистки

· Малые энергетические затраты

· Возможность полной автоматизации

Процесс очистки газов от мелкодисперсной пыли или тумана можно интенсифицировать методом акустической коагуляции. Метод основан на агрегировании мелких аэрозольных частиц (сажи, тумана серной кислоты, дыма) при воздействии на очищаемый газ звуковым или ультрозвуковым облучением.

3.4 Перемешивание, устройство мешалок

Перемешивающие устройства широко применяют в реакционных аппаратах многих химических производств - при проведении реакций, интенсификации массо- и теплообмена, а также при получении суспензий, эмульсий и смесей твердых веществ.

Механическое перемешивание в жидкой среде, а также пасто- и тестообразных материалов осуществляют с помощью мешалок, которые по конструктивной форме в зависимости от устройства лопастей разделяются на лопастные, якорные, рамные, турбинные, винтовые, шнековые, ленточные и д.р.

Механические перемешивающие устройства состоят из трех основных частей: мешалки, являющейся рабочим элементом; вала ( вертикального, горизонтального или наклонного ), на котором закреплена мешалка; привода, с помощью которого вал с мешалкой приводятся в движение.

По частоте вращения мешалки можно разделить на быстроходные и тихоходные. К тихоходным относятся, например, лопастные, рамные, При работе в агрессивных средах, например в кислотах или сернистом газе, следует применять мешалки, защищенные кислотостойким покрытием (гуммированные или покрытые лаком) или выполненные из специальных сталей.

При выборе типа перемешивающего устройства и частоты вращения следует учитывать требуемую интенсивность (краткость) перемешивания, вязкость среды, ее коррозионные свойства, липкость, наличие осадка. Так, для перемешивания жидкостей большой вязкости и липких масс применяют мешалки планетарного типа, в которых лопасти при движении полностью или частично взаимно очищаются. Лопасти таких мешалок обычно имеют винтовую боковую поверхность, благодаря чему частицы перемешиваемого материала получают определенную скорость в осевом направлении. Движение лопастям сообщает планетарный механизм.

Различные конструкции аппаратов с перемешивающими устройствами оценивают по интенсивности и эффективности их действия при проведении заданного технологического процесса. Действие перемешивающего устройства будет более интенсивным, если необходимый технологический результат достигается за более короткий промежуток времени при одинаковой частоте вращения сравниваемых перемешивающих устройств. Действие перемешивающего устройства будет более эффективным, если требуемый технологический результат обеспечивается при меньшей затрате энергии, чем у других сравниваемых перемешивающих устройств.

На интенсивность и эффективность действия мешалки основное влияние оказывают тип мешалки, ее размер, расположение в аппарате, частота вращения, а также физико-химические свойства перемешиваемой среды (вязкость, плотность и д.р.) и конструктивные особенности аппарата - форма днища, наличие внутренних устройств и соотношение диаметра и перемешивающего устройства.

Раздел 4. Тепловые процессы

4.1 Нагревание и охлаждение

Нагревание водяным паром. Водяной пар является наиболее распространенным горячим теплоносителем для нагревания до температур 150-170 °С.

Преимущества водяного пара как нагревающего агента:

1) высокий коэффициент теплоотдачи,

2) большое количество тепла, выделяемое при конденсации единицей количества пара,

3) возможность транспортировки по трубопроводам на значительные расстояния,

4) равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре,

5) легкое регулирование обогрева.

Нагревание парами высококипящих жидкостей. Для нагревания до температур выше 150--170° С вместо водяного пара высокого давления часто применяют пары высококипящих органических жидкостей или ртути.

Нагревание горячими жидкостями

При нагревании горячими жидкостями чаще всего применяется циркуляционный способ. По этому способу находящийся в замкнутом пространстве жидкий нагревающий агент циркулирует между печью или другим аппаратом, где он нагревается, и теплообменником, в котором он отдает полученное в первом аппарате тепло. Таким образом, нагревающий агент не расходуется, а служит лишь переносчиком тепла от печи к теплообменнику. Нагрев горячего теплоносителя в печи соответствует его охлаждению в теплообменнике (если пренебречь незначительными потерями тепла) и составляет 5--10° С.

Циркуляция может быть естественной или принудительной. Естественная циркуляция происходит за счет разности плотностей: нагретый охлаждающий агент вследствие меньшей плотности поднимается вверх и поступает в теплообменник, где он охлаждается, а затем снова возвращается в печь. Для обеспечения циркуляции теплообменник должен быть расположен выше печи на 4--5 м; однако скорость циркуляции незначительна (около 0, 2 м/сек).

Принудительную циркуляцию осуществляют с помощью насоса. При этом отпадает необходимость в подъеме аппарата и возможны более высокие скорости циркуляции, что ведет к повышению коэффициента теплоотдачи. В то же время установки с принудительной циркуляцией вследствие наличия циркуляционного насоса сложнее и менее надежны в эксплуатации, чем установки с естественной циркуляцией.

Нагревание горячими газами

Горячие топочные газы, образующиеся при сжигании топлива, применяют для нагревания до сравнительно высоких температур (от 400 до 700--1000^еС).

Недостатками этого способа обогрева являются: 1) низкий коэффициент теплоотдачи; 2) малая объемная удельная теплоемкость газов (~ 1500 дм/м³ - град), что вызывает необходимость пропускания значительных объемов газа; 3) неравномерность промежутка времени без перегрева отдельных частей; легкое регулирование процесса нагревания и возможность его полной автоматизации.

Диэлектрическое нагревание применяется при прессовании изделий из пластмасс, например из слоистых пластиков (текстолит и др.), при склеивании древесины в производстве фанеры, вулканизации каучука и др.

Охлаждение

В качестве охлаждающих агентов используют воздух и воду, а для достижения низких температур -- низкотемпературные агенты.

Воздух применяется для естественного и искусственного охлаждения, например, с помощью вентилятора. При естественном охлаждении нагретый теплоноситель охлаждается за счет потерь тепла через стенки аппарата в окружающую среду. Искусственное охлаждение воздухом используется в поверхностных или смесительных теплообменниках.

Охлаждение воздухом в поверхностных теплообменниках применяется редко из-за низкого коэффициента теплопередачи и значительного расхода энергии при работе вентилятора.

Вода является наиболее распространенным охлаждающим агентом. Ее достоинства: высокая теплоемкость, большой коэффициент теплоотдачи и доступность.

Достигаемая степень охлаждения зависит от начальной температуры воды, которая в зависимости от местных условий и времени года колеблется от 4 до 25° С. Мало изменяющуюся в течение года температуру (8--15° С) имеет подземная (артезианская) вода. Часто для охлаждения пользуются оборотной водой, т. е. водой, охлажденной в градирне.

В этом случае нагретая в теплообменном аппарате вода поступает на охлаждение в градирню, после чего возвращается на охлаждение теплообменного аппарата. При пользовании оборотной водой свежая вода расходуется только на пополнение ее потерь вследствие частичного испарения в градирне. Оборотная вода имеет высокую температуру, достигающую летом 30°С

4.2 Выпаривание

При кипении растворов нелетучих веществ в паровую фазу переходит только растворитель. При этом по мере испарения растворителя и удаления его в виде паров концентрация раствора, т. е. содержание в нем растворенного нелетучего вещества, повышается.

Процесс концентрирования растворов, заключающийся в удалении растворителя путем испарения при кипении, называется выпариванием.

Большей частью из раствора удаляют лишь часть растворителя, так как в выпарных аппаратах обычных конструкций упаренный раствор должен оставаться в текучем состоянии. Полное удаление растворителя в таких аппаратах возможно в тех случаях, когда растворенное вещество либо является жидким (например, выпаривание растворов глицерина), либо при температуре процесса находится в расплавленном состоянии (например, выпаривание растворов аммиачной селитры или едкого натра). Полное удаление растворителя из раствора возможно также в некоторых аппаратах специальной конструкции, например в распылительных сушилках.

В ряде случаев при выпаривании растворов твердых веществ достигается насыщение раствора; при дальнейшем удалении растворителя из такого раствора происходит кристаллизация, т. е. выделение из него растворенного твердого вещества.

Выпаривание широко применяется для повышения концентрации разбавленных растворов или выделения из них растворенного вещества путем кристаллизации.

В промышленности в большинстве случаев выпариваются водные растворы различных веществ; поэтому в дальнейшем рассматривается только выпаривание водных растворов. Однако описываемые ниже выпарные аппараты и методы их расчета применимы для выпаривания растворов с любыми растворителями, а также для испарения чистых жидкостей.

Способы выпаривания

Наибольшим распространением пользуется водяной пар. В некоторых случаях, когда необходимо проводить выпаривание при высокой температуре, применяют топочные газы и высокотемпературные нагревающие агенты (дифенильная смесь, перегретая вода, масло); иногда используют электрический обогрев.

Нагревание выпариваемого раствора производится путем передачи тепла от нагревающего агента через стенку, разделяющую оба вещества, либо путем непосредственного соприкосновения веществ. Выпаривание путем непосредственного соприкосновения нагревающего агента с раствором применяется только при обогреве топочными газами.

Выпаривание ведут как под атмосферным, так и под пониженным или повышенным давлением.

При выпаривании раствора под атмосферным давлением образующийся так называемый вторичный (соковый) пар выпускается в атмосферу. Такой способ выпаривания является наиболее простым.

При выпаривании под пониженным давлением (при разрежении) в аппарате создается вакуум путем конденсации вторичного пара в специальном конденсаторе и отсасывания из него неконденсирующихся газов с помощью вакуум-насоса.

Вакуум-выпарка позволяет снизить температуру кипения раствора и применяется для выпаривания чувствительных к высокой температуре растворов (например, растворов органических веществ), а также высококипящих растворов, когда температура нагревающего агента не дает возможности вести процесс под атмосферным давлением. Использование вакуума позволяет также увеличить разность температур между нагревающим агентом и кипящим раствором, а, следовательно, уменьшить поверхность теплообмена. Недостатком выпаривания в вакууме является удорожание установки (дополнительные затраты на конденсационное устройство) и ее эксплуатации (расход воды на конденсатор, затрата энергии на вакуум-насос, расходы по обслуживанию, амортизация конденсационного устройства).

4.3 Кристаллизация

Кристаллизация представляет собой процесс выделения твердого растворенного вещества из его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс выделения твердой фазы при затвердевании веществ, находящихся в расплавленном состоянии (кристаллизация из расплава). Кристаллизация применяется при производстве солей и ряда других веществ, а также для получения твердых веществ в чистом виде путем их перекристаллизации (растворение с последующей кристаллизацией).

Кристаллизация из растворов основана на ограниченной растворимости твердых веществ. Раствор, содержащий максимальное количество растворенного вещества в данном количестве растворителя при определенной температуре, называется насыщенным; если раствор содержит большее количество растворенного вещества, то он является пересыщенным, если же он содержит меньшее количество растворенного вещества, то называется ненасыщенным. Пересыщенные растворы неустойчивы: из них выделяется избыточное количество растворенного вещества, т. е. происходит процесс кристаллизации. После выделения кристаллов раствор становится насыщенным. Этот насыщенный раствор, полученный в результате выделения кристаллов, называется маточным раствором, или маточником.

Ненасыщенные растворы сами по себе устойчивы, но при добавлении в такой раствор твердого вещества оно будет растворяться до тех пор, пока раствор не станет насыщенным. Твердое вещество находится в равновесии с насыщенным раствором.

Растворимость равна концентрации насыщенного раствора и зависит от температуры, а также от свойств растворяемого вещества и растворителя. Для большинства твердых веществ растворимость с повышением температуры возрастает, но для некоторых веществ она с повышением температуры уменьшается или имеет при определенной температуре максимальное значение.

Для проведения процесса кристаллизации пользуются следующими способами создания пересыщенных растворов:

1) Охлаждение растворов применяют для кристаллизации веществ, растворимость которых заметно уменьшается с понижением температуры, а также для кристаллизации из расплавов.

2) Испарение части растворителя применяют для кристаллизации веществ, растворимость которых увеличивается или незначительно уменьшается с понижением температуры; испарение производится при кипении раствора в выпарном аппарате или путем испарения при температуре ниже точки кипения.

3) Комбинированный способ заключается в одновременном охлаждении и испарении части растворителя.

Кристаллизация может производиться также путем высаживания, т. е. добавления в раствор веществ, понижающих растворимость выделяемой соли. Такими веществами являются вещества, связывающие воду (кристаллизация сульфата натрия при добавлении спирта или аммиака)', или соединения, содержащие одинаковый ион с данной солью (кристаллизация хлористого натрия при добавлении хлористого магния, кристаллизация железного купороса при добавлении концентрированной серной кислоты).

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий -- образование зародышей кристаллов и роста кристаллов.

Образование зародышей может происходить путем самопроизвольной кристаллизации. При этом оба процесса (образование зародышей и рост кристаллов) протекают одновременно.

Если скорость образования зародышей больше скорости их роста, получается большое количество мелких кристаллов. Если же скорость роста больше скорости образования зародышей, получается меньшее количество крупных кристаллов. Изменяя факторы, влияющие на скорость образования зародышей и скорость их роста, можно регулировать размеры кристаллов. Быстрое охлаждение, перемешивание раствора, высокая температура и низкий молекулярный вес кристаллов способствуют образованию зародышей и получению мелких кристаллов. Наоборот, медленное охлаждение, неподвижность раствора, низкая температура и высокий молекулярный вес способствуют процессу роста и получению крупных кристаллов.

Кристаллизация может быть ускорена внесением затравки -- мелких частиц кристаллизующегося вещества, которые и являются зародышами кристаллов. В этом случае кристаллизация происходит в основном за счет роста внесенных в раствор затравочных кристаллов. Для получения крупных кристаллов число затравочных кристаллов должно быть невелико, Размеры кристаллов имеют значение для последующей их обработки. Крупные кристаллы легче высушиваются, отстаиваются, отфильтровываются, промываются и удерживают меньше влаги при фильтровании и промывке. Мелкие кристаллы легче растворяются и обычно чище, чем крупные, так как последние часто содержат маточник с находящимися в нем примесями. Во избежание слеживания следует получать либо крупные кристаллы, либо мелкие кристаллы одинакового размера. Мелкие кристаллы разной величины, особенно кристаллическая пыль, способствуют слеживанию продукта.

4.4 Искусственное охлаждение

Для получения низких температур, недостижимых при охлаждении естественными охлаждающими агентами (вода, воздух), применяют искусственный холод. Последний широко используется в химической промышленности (для сжижения паров и газов, для разделения газовых смесей путем ректификации при низких температурах, для кристаллизации, для отвода тепла реакции и т. д.) и в других отраслях народного хозяйства (хранение и перевозка пищевых продуктов, замораживание грунтов пря строительстве подземных сооружений, кондиционирование воздуха и др.).

Наиболее старым способом искусственного охлаждения является применение холодильных смесей (смеси солей и некоторых других веществ с льдом), дающих при таянии низкие температуры. Так, смесь поваренной соли с льдом (22% NaCl) дает температуру --21° С, смесь хлористого кальция с льдом (30% СаС1₂) дает температуру--55°С.

В настоящее время для получения холода в технике применяют следующие способы:

Испарение низкокипящих жидкостей. Так, например, если испарять жидкий аммиак при абсолютном давлении 2 am, то он охлаждается до температуры кипения при этом давлении (около --20° С) и может служить охлаждающим агентом для получения температур порядка --15° С. С понижением давления испарения достигаются еще более низкие температуры.

Расширение сжатых газов в расширительной машине (детандере). При этом газ совершает внешнюю работу за счет уменьшения своей внутренней энергии, вследствие чего его температура понижается.

Дросселирование сжатых газов и паров. Дросселированием (мятием) называется такое расширение газа, когда давление его снижается вследствие протекания через сужение или другое препятствие (например, пористую перегородку); при этом, в отличие от процесса в расширительной машине, расширение происходит без совершения внешней работы. Дросселирование обычно сопровождается понижением температуры.

Условно различают умеренное (до температур порядка --100° С) и глубокое (до температур ниже --100° С) охлаждение. Для умеренного охлаждения применяют компрессионные, абсорбционные и пароэжекторные холодильные машины. Для глубокого охлаждения пользуются холодильными циклами, основанными на дросселировании и расширении газов в детандере.

Раздел 5. Массообменные процессы

5.1 Абсорбция

Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями(абсорбентами).

При физической абсорбции поглощаемый компонент не взаимодействует химически с абсорбентом. Процесс в большинстве случаев обратим. На этом свойстве основано выделение поглощенного из раствора - десорбция. Если поглощённого компонент с абсорбентом химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией.

В промышленности процесс абсорбции обычно сочетают с десорбцией, что позволяет многократно использовать абсорбент.

Экспериментально установлено, что процесс абсорбции всегда сопровождается выделением теплоты.

Примерами использования процессов абсорбции в промышленности могут служить разделение углеводородных газов на нефтеперерабатывающих установках, получение соляной и серной кислот, аммиачной воды, очистка газовых выбросов от вредных примесей, выделение ценных компонентов из газов крекинга или пиролиза метана, из газов коксовых печей и т.д.

Жидкие поглотители (абсорбенты) выбирают по растворимости в них поглощаемых компонентов.

Растворимость в жидких поглотителях зависит: 1) от физических и химических свойств газовой и жидкой фаз;2) от температуры; 3) от давления газа в смеси.

5.2 Ректификация

Ректификация- один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. При Р. потоки пара и жидкости, перемещаясь в противоположных направлениях (противотоком), многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах (ректификационных колоннах), причём часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают (в пределе) до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость -- менее летучими. При затрате того же количества тепла, что и при дистилляции. Ректификация позволяет достигнуть большего извлечения и обогащения по нужному компоненту или группе компонентов. Р. широкоприменяется как в промышленном, так и в препаративном и лабораторном масштабах, часто в комплексе сдр. процессами разделения, такими, как Абсорбция, Экстракция и Кристаллизация.

...