Гунич С.В., Янчуковская Е.В. Аппараты химической технологии
Подождите немного. Документ загружается.
31
1
2
2 4
3
5
3. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
В химической технологии широкое распространение получили тепловые
процессы – нагревание, охлаждение жидкостей и газов, конденсация паров, –
которые происходят в теплообменниках. Теплообменники – это аппараты,
предназначенные для передачи тепла от одних веществ к другим. Вещества, ко-
торые участвуют в процессе передачи тепла, называются теплоносителями.
Вещества, отдающие тепло, называются нагревающими агентами; вещества,
принимающие тепло – охлаждающими агентами. В подавляющем большинстве
отраслей промышленности нашли применение те или иные разновидности теп-
ловых процессов, поэтому теплообменные аппараты и установки очень разно-
образны и являются важным предметом научных исследований.
3.1. Нагревание и охлаждение материалов
Нагревание различных отдельно взятых материалов происходит следую-
щими способами: горячей водой, «глухим» и «острым» паром, топочными га-
зами, электрическим током, некоторыми высокотемпературными агентами (пе-
регретая вода, пары высококипящих органических веществ, металлы, расплавы
солей). Охлаждение до обыкновенных температур (10…20ºС) осуществляется
воздухом, свежей или оборотной водой. Более низкие температуры (до -30ºС)
достигаются с помощью льда, рассолов, сжиженных газов и паров низкокипя-
щих жидкостей.
Процессы нагрева материалов проводятся главным образом в печах за
счет использования различных энергетических ресурсов (в качестве последних
все чаще используются отходы производства и потребления). Для охлаждения
материалов применяются аппараты различных конструкций, начиная от про-
стых (вентиляторы, градирни – рассмотрены в разделе 2.1; теплообменники – в.
разделе 3.2) и заканчивая сложными холодильными установками.
Рис. 3.1. Аппарат
для нагревания электрическим сопротивле-
нием:
1 – обогреваемый аппарат, 2 – боковые секции
нагревательных элементов, 3 – донная секция
нагревательного элемента, 4 – футеровка печи,
5 – устройство для опускания футеровки
32
6
3
5 2
1
4
I
III
1
2
3
6
II
4
5 IV
Рис. 3.2. Печь для нагрева
жидких продуктов,
работающая на газе:
1 – сопло горелки, 2 – огне-
упорная пористая панель, 3 –
радиантная часть (змеевик), 4
– конвективная часть (змее-
вик), 5 – перегреватель, 6 –
дымовая труба
Рис. 3.3. Печь для сжигания
твердых бытовых отходов
в вихревом кипящем слое:
1 – питатель, 2 – печь, 3 – вращаю-
щиеся вихревые потоки отходов, 4 –
конвейер для удаления шлака, 5 –
виброгрохот, 6 – элеватор оборот-
ного песка. Потоки: I – подача твер-
дых бытовых отходов, II – первич-
ный воздух, III – отходящие газы,
IV – песок
33
1 2
4
3
а б в
3.2. Теплообменные процессы
Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: пу-
тем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла че-
рез стенку, разделяющую теплоносители. Для этого в химической технологии
применяются теплообменники различных типов и конструкций, изготовленные
из разных металлов, сплавов (углеродистых и легированных сталей, меди, ти-
тана) и неметаллических соединений (тефлон, графит). Среди них выделяют
трубчатые, змеевиковые, пластинчатые, оребренные, спиральные, блочные,
шнековые и другие.
По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных
аппаратов: поверхностные (оба теплоносителя разделены стенкой), регенера-
тивные (процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному про-
исходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменни-
ка), смесительные (теплообмен происходит при непосредственном смешении
теплоносителей).
Рис. 3.4. Двухтрубчатый теплообменник:
1 – внутренние трубы, 2 – наружные трубы, 3 – калач, 4 – патрубок
Рис. 3.5. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами:
а – с линзовым компенсатором, б – с плавающей головкой, в – с U-образными трубками, 1 –
компенсатор, 2 – подвижная трубная решетка, 3 – U-образные трубки
34
I A–A
1 2 4 3
II
II
A I
4 5
3
A
I
5
3
II
1
2 4
II
5 I
II
2
IV
1
I
III
V
Рис. 3.6. Шнековый теплообменник:
1 – корпус, 2 – рубашка, 3, 4 – полые шнеки, 5 – сальники полых валов. Потоки: I – материал,
II – теплоноситель
Рис. 3.7. Блочный теплообменник из графита:
1, 4 – прокладки; 2, 3 – отверстия для теплоноси-
теля I; 5, 6 – отверстия для теплоносителя II. По-
токи: I, II – теплоносители
Рис. 3.8. Конденсатор смешения
(скруббер-холодильник):
1 – корпус, 2 – насадка. Потоки: I –
ввод паров и газов, II – отвод газов,
III – отвод дистиллята, IV – ввод
воды, V – отвод воды
35
II I II
3
2
1
4
5
III
II
III 1
2
I
3
4
5
V
I
II
IV III
II IV
III I V
Рис. 3.9. Прямоточный конденсатор:
1 – корпус, 2 – крышка, 3 – распыливающее сопло, 4 –
мокровоздушный насос, 5 – штуцер. Потоки: I – пар, II
– вода, III – конденсат и газы
Рис. 3.10. Барометрический конденсатор
с сегментными полками:
1 – цилиндрический корпус, 2 – тарелка, 3 – барометри-
ческая труба, 4 – колодец, 5 – гидравлический затвор.
Потоки: I – входящие пары и газы, II – несконденсиро-
ванные газы разложения и воздух, III – холодная вода,
IV – сток воды в канализацию
Рис. 3.11. Подогреватель с паровым пространством (кипятильник):
I, II – теплоноситель, III, IV – нагреваемая жидкость, V – пары
Рис. 3.12.
Пародистиллятный
(парциальный) конденсатор:
I, II – пары, III – конденсат, IV, V
– хладоагент
36
6
IV III
5
1 2 3
III
II
4
7
VI
I
V
3.3. Выпаривание
К группе тепловых процессов относится выпаривание – процесс концен-
трирования жидких растворов путем испарения растворителя при кипении
жидкости. В результате растворитель удаляется из всего объема раствора. Кон-
центрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпа-
ривания, легче и экономичнее перерабатывать, транспортировать и хранить.
Кроме того, выпаривание часто применяется для выделения вещества-
растворителя в чистом виде (при опреснении морской воды). Тепло для выпа-
ривания можно получать от любых теплоносителей, однако самым распростра-
ненным является водяной (греющий, первичный) пар.
Процессы выпаривания проводятся под вакуумом, при повышенном и ат-
мосферном давлениях. Выбор давления зависит от свойств выпариваемого рас-
твора и возможности использования тепла вторичного пара.
Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Приме-
нение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента вто-
ричный пар самой выпарной установки, в результате снижается расход первич-
ного греющего пара. Поэтому наиболее распространены многокорпусные вы-
парные установки, состоящие из нескольких выпарных аппаратов (корпусов), в
которых вторичный пар каждого предыдущего корпуса направляется в качестве
греющего в последующий корпус.
Рис. 3.13. Многокорпусная прямоточная выпарная вакуум-установка:
1 – 3 – корпуса, 4 – подогреватель исходного раствора, 5 – барометрический конденсатор, 6 –
ловушка, 7 – вакуум-насос. Потоки: I – исходный раствор, II – первичный греющий пар, III –
вода, IV – вторичный пар, V – конденсат, VI – упаренный раствор
37
3
III
I
1
2
IV
III
3
7
I 1
II
5
6
4
V
IV
III
VI
3
1 II 2
I
V
IV
III
6
3
5
2
I
IV
II 4
1
V I
Рис. 3.14. Конструкции выпарных аппаратов:
а – змеевиковый выпарной аппарат, б – выпарной аппарат с внутренней нагревательной ка-
мерой и центральной циркуляционной трубой; 1 – корпус, 2 – паровые змеевики, 3 – брызго-
уловители, 4 – нагревательная камера, 5 – кипятильные трубы, 6 – циркуляционная труба, 7 –
паровое (сепарационное) пространство. Потоки: I – исходный раствор, II – первичный пар, III
– вторичный пар, IV – упаренный раствор, V – конденсат
Рис. 3.15. Выпарной аппарат с горизонтальной
выносной нагревательной камерой:
1 – корпус, 2 – нагревательная камера, 3 – брызгоулови-
тель. Потоки: I – исходный раствор, II – греющий пар, III
– вторичный пар, IV – упаренный раствор, V – конден-
сат, VI – промывная вода
Рис. 3.16. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:
1 – нагревательная камера, 2 – труба вскипания, 3 – сепаратор, 4 – необогреваемая циркуля-
ционная труба, 5 – отбойник, 6 – брызгоуловитель. Потоки: I – исходный раствор, II – пер-
вичный пар, III – вторичный пар, IV – упаренный раствор, V – конденсат
38
V
2 3
8 9 5 6
V
IV
1 III VI
I 4 7 II
4. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Массообменные (диффузионные) процессы включают в себя довольно
обширную группу технологических процессов химических производств, про-
цессов очистки сточных вод и промышленных выбросов. В них происходит пе-
реход вещества (массы) из одной фазы в другую посредством диффузии. К ним
относятся следующие процессы перехода вещества:
– из твердой фазы в жидкую фазу (растворение твердых веществ) или из
жидкой в твердую (кристаллизация);
– из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу (экстракция);
– из жидкой фазы в газообразную (испарение жидкости, десорбция рас-
творенного газа из жидкости) или из газообразной фазы в жидкую (конденса-
ция пара из его смеси с газами, абсорбция газа жидкостью);
– из жидкой фазы в парообразную и одновременно из парообразной фазы
в жидкую (ректификация);
– из твердой фазы в парообразную (возгонка, десорбция газов из твердых
тел) или из газообразной фазы на поверхность твердых тел (адсорбция газов
твердыми телами).
4.1. Адсорбция жидкостей и газов
В различных отраслях химической технологии, а также в природоохран-
ной деятельности (при очистке сточных вод и отходящих газов) широкое при-
менение находят адсорбционные процессы – поглощение газов и жидкостей
твердыми пористыми телами. Для проведения адсорбции используются специ-
альные аппараты разных типов: адсорберы с неподвижным, с движущимся зер-
нистым поглотителем (адсорбентом), а также с кипящим (псевдоожиженным)
слоем мелкозернистого адсорбента.
Рис. 4.1. Технологическая схема установки
для углеадсорбционной рекуперации паров органических веществ из воздушной смеси:
1 – фильтр, 2 – огнепреградитель, 3 – предохранительное устройство с разрывными мембра-
нами, 4, 7 – вентиляторы, 5 – адсорбер, 6 – конденсатор, 8 – калорифер, 9 – обводная линия.
Потоки: I – паровоздушная смесь, II, III – конденсат, IV – пар, V – вода, VI – жидкий рекупе-
рат и вода
39
7
2
5 7
2
1 5
8 8 1
3
3
в 4 8 6
4
а
6
7 7
1
9
10
2
б 5 3 5 5
4 4
1 2
3 8
6
10
9
7 3
Рис. 4.2. Адсорберы периодического действия
с неподвижным слоем поглотителя:
а – вертикальный, б – горизонтальный, в – кольцевой; 1 –
корпус, 2 – штуцер для подачи парогазовой смеси (при ад-
сорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении), 3 – штуцер
для отвода отработанного газа и воздуха, 4 – барботер для
подачи острого пара при десорбции, 5 – штуцер для отвода
паров при десорбции, 6 – штуцер для отвода конденсата, 7 –
люки для загрузки поглотителя (адсорбента), 8 – люки для
выгрузки адсорбента, 9 и 10 – внутренняя и внешняя ци-
линдрические решетки
Рис. 4.3. Установка
для адсорбции и десорбции
в псевдоожиженном слое поглотителя:
1 – адсорбер, 2 – десорбер, 3 – труба для
подачи регенерированного адсорбента, 4
– сепаратор, 5 – циклон, 6 – подогрева-
тель, 7 – труба для подачи отработанного
поглотителя в десорбер, 8 – обогрева-
тельная рубашка, 9 – холодильник, 10 –
штуцер для отвода в конденсатор смеси
паров. Потоки: I – газ или перегретый
пар, II – исходная газовая смесь
40
I II
II 1
I
II
2
2
3
1
4
II I
I
4.2. Абсорбционные процессы
Абсорбция представляет собой процесс поглощения газов жидкостями,
при этом поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсор-
бентом. При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности со-
прикосновения фаз, поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями
(абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения ме-
жду газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбци-
онные аппараты условно подразделяются на:
– поверхностные и пленочные (аппараты, в которых поверхностью со-
прикосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно текущей жид-
кости);
– насадочные (колонны, заполненные твердыми телами различной формы
с целью увеличения поверхности соприкосновения фаз);
– барботажные (тарельчатые колонны переливные и провальные, направ-
ленное движение и многократное взаимодействие фаз происходит в них с по-
мощью горизонтальных перегородок – тарелок);
– распыливающие (абсорберы, в которых межфазный контакт осуществ-
ляется за счет распыливания жидкости в газовом потоке).
Рис. 4.4. Конструкция полого
распыливающего абсорбера:
1 – колонна, 2 – форсунки. Потоки: I – жид-
кость, II – газ
Рис. 4.5. Абсорбер Вентури:
1 – конфузор, 2 – горловина, 3 –
диффузор, 4 – сепарационная камера.
Потоки: I – жидкость, II – газ