Ильясов С.Г. Процессы и аппараты упаковочного производства

Подождите немного. Документ загружается.

осветленная вода верхней части направляется в промежуточную емкость 5,

куда добавляется свежая вода в небольшом количестве, необходимом для

компенсации потерь воды со шламом. Далее вода из емкости 5 насосом 6

вновь направляется в распределительное устройство 2 на трубе Вентури.

Для того чтобы скруббер Вентури работал эффективно, необходимо

очищенный газ предварительно охладить и насытить водяными парами,

например, в полом скруббере. В противном случае в трубе Вентури будет

происходить испарение самых мелких капель жидкости, которые наиболее

активно участвуют во взаимодействии с частицами пыли.

Расход воды в скрубберах Вентури относительно высок: 0,7-3 м

на

1000 м

газа. Гидравлическое сопротивление больше, чем в других

аппаратах мокрой очистки: 3000-7000 Па. Однако в скрубберах этого типа

эффективно улавливаются весьма мелкие частицы: на 95—99% —твердые

частицы размером 1—2 мкм и капельки тумана диаметром 0,2-1 мкм.

Расчет аппаратов мокрой очистки газов. В ряде частных случаев степень

очистки газа от взвешенных частиц η может быть рассчитана по

эмпирическим формулам. Обычно же ее определение требует проведения

экспериментов. Если величина η установлена, то по уравнениям

материального баланса мокрого пылеулавливания (10.80) и (10.81)

рассчитывают концентрацию пыли в очищенном газе и расход уловленной

пыли:

= С

(1 - η); (10.80)

= V

— V

к,

(10.81)

где С

, С

- концентрация пыли соответственно в очищенном газе (конечная) и в исходном

газе, кг/м

; G

- расход уловленной пыли, кг/с; V

, V

- объемный расход соответственно

исходного газа (начальный) и очищенного (конечный), м

/с.

Исходя из значений G

и концентрации пыли в жидкости, типа аппарата и

условий его работы, по эмпирическим соотношениям рассчитывают расход

жидкости.

121

3.3. ВЫБОР АППАРАТОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ

СИСТЕМ

При выборе аппаратуры приходится учитывать много факторов.

Прежде всего следует иметь в виду требования, предъявляемые к качеству

разделения. Они могут быть вызваны экологическими соображениями

(обеспечение чистоты атмосферного воздуха, водоемов и т. п.), требованиями

технологии (например, защитой вентиляторов или насосов от быстрого

износа в результате эрозии лопастей твердыми частичками), а также

ценностью взвешенных в газе или жидкости частиц. Кроме того, необходимо

учитывать концентрацию дисперсных частиц, распределение их по размерам,

агрессивность среды, ее температуру и т. д. И, наконец, следует принимать

во внимание технико-экономические показатели работы аппаратов.

Аппараты для очистки газов. При анализе этой аппаратуры можно

увидеть, что рост эффективности обычно связан с увеличением затрат

энергии и размеров аппаратов. Например, электрофильтры и рукавные

фильтры дают лучший эффект очистки от пыли при меньших скоростях

газа, т.е. при использовании аппаратов большего размера. Циклоны и

скрубберы Вентури обеспечивают тем более эффективное разделение, чем

больше их гидравлическое сопротивление, т. е. чем больше затраты энергии

на перекачивание газа. Поэтому в каждом случае следует выбирать аппарат

с учетом конкретных условий.

Ниже приведены некоторые усредненные характеристики основных

типов аппаратов газоочистки:

Максимальное Размеры Степень Гидравличес-

Аппараты содержание частиц пыли, очистки, % кое сопротив-

пыли, кг/м

мкм, не менее ление, Па

Пылеосадительные камеры Не лимити- 100 30-40 50

руется

Циклоны 0,4 10 70-99 400-700

Батарейные циклоны 0,1 10 85-95 500-800

Электрофильтры 0,01-0,05 0,005 95-99 100-200

Рукавные фильтры 0,02 1 98-99 500-2500

122

Центробежные скрубберы 0,05 2 90-95 400-800

Барботажные пылеуловители 0,3 5 80-99 500-1000

убберы Вентури 0,05 1 95-99 3000-7000

Пылеосадительные камеры и циклоны по капитальным и

эксплуатационным затратам предпочтительнее других аппаратов, но они

улавливают лишь крупные частицы. Поэтому самостоятельно их

целесообразно применять на объектах малой мощности для очистки газов

от крупной пыли. Чаще же аппараты этих типов используют в качестве

первой ступени пылеулавливания для предварительной очистки газов перед

электрофильтрами и рукавными фильтрами, перед вентиляторами для

защиты лопастей от эрозии.

В электрофильтрах можно добиться высокой степени очистки газа, в

том числе и от очень мелких частиц. Однако они часто требуют

предварительной подготовки газа, непригодны для отделения частиц с

небольшим удельным электрическим сопротивлением.

Рукавные фильтры дают высокую степень очистки для частиц лю бого

размера более 1 мкм, однако способны работать при небольшой

запыленности исходного газа; требуют поддержания его температуры в

определенных пределах. По капитальным затратам рукавные фильтры

дешевле электрофильтров, но расходы на их эксплуатацию больше.

Аппараты мокрой очистки эффективны для очистки газов от ли

средней дисперсности. Наиболее целесообразно их применение, если

желательно увлажнение газа. Эти аппараты достаточно просты в

изготовлении, сравнительно дешевы, эксплуатационные расходы невелики.

Однако их использование сопряжено с большим входом воды, требуется

серьезная защита аппаратов от коррозии. Если дисперсные частицы

представляют угрозу загрязнения окружающей среды, необходима

дополнительная аппаратура по их выделению из жидкой фазы.

Аппараты для разделения суспензий. Простейшими аппаратами для

разделения суспензий являются отстойники. Они характеризуются

123

небольшими капитальными затратами и эксплуатационными расходами.

Однако из-за малой движущей силы отстойники громоздки, в них плохо

отделяются мелкие частицы. Отстойники целесообразно использовать для

предварительного разделения суспензий с большим содержанием твердой

фазы, а также для классификации на фракции суспензий с относительно

крупными частицами.

Значительно более производительны гидроциклоны и центрифуги. В них

можно эффективно отделять мелкодисперсные частицы. Однако эти

аппараты, в особенности центрифуги, значительно дороже,

эксплуатационные расходы в них также существенно выше. Они непригодны

для отделения частиц, оказывающих абразивное действие.

Весьма эффективным способом разделения суспензий является

фильтрование на фильтрах и фильтрующих центрифугах. В них имеются

условия промывки и просушки выделенной в виде осадка твердой фазы

суспензии. Однако эти аппараты дороги и сложны в эксплуатации.

3.4 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ

РАЗДЕЛЕНИЯ

Если процесс выделения дисперсных частиц из дисперсионной среды

происходит очень медленно или желательно предварительное (достаточно

грубое) осветление неоднородной системы, применяют ряд методов, таких

как коагуляция *, флокуляция ** и дефлокуляция, флотация***,

классификация и др.

*От лат. coagulatio - свертывание.

**От лат. flocculi - хлопья.

***От англ. flotation - всплывшие.

Коагуляция в жидких дисперсных системах (суспензиях, эмульсиях и др.)

заключается в слипании частиц в коллоидных системах при их столкновениях

в процессе теплового (броуновского) движения, перемешивания, при

124

добавлении в систему коагулирующих веществ (коагулянтов) и другими

способами.

В химической технологии коагуляцию часто осуществляют добавлением

в разделяемую неоднородную систему коагулянтов - веществ, разрушающих

сольватированные оболочки и уменьшающих диффузионную часть двойного

электрического слоя у поверхности взвешенных частиц. Вследствие этого

между частицами возникают силы сцепления, что приводит к образованию

агрегатов частиц и, следовательно, к ускорению их осаждения. Обычно коагу-

ляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц. В

образовавшихся агрегатах первичные частицы соединены силами

межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку

окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция является

самопроизвольным процессом, который, в соответствии с законами

термодинамики, является следствием стремления системы перейти в

состояние с более низкой свободной энергией. Минимальную концентрацию

введенного вещества, вызывающего коагуляцию, называют порогом

коагуляции. В качестве коагулянтов обычно используют соли

поливалентных металлов (алюминия, железа и т. д.), под действием

которых образуются крупные скопления слипшихся частиц, выпадающие в

виде хлопьев в осадок (коагулянт).

Коагуляция играет важную роль во многих технологических процессах.

Так, при нагревании биополимеров (белков, нуклеиновых кислот),

изменении рН наблюдается их коагуляция. Характерными примерами

применения коагуляции являются очистка природных и сточных вод от

высокодисперсных механических примесей, борьба с загрязнениями

воздушного пространства аэрозолями, выделение каучука из латексов,

получение сливочного масла и других пищевых продуктов.

Процесс, обратный коагуляции, - процесс распада агрегатов на

первичные частицы - называют пептизацией. Этот процесс осуществляется

добавлением в дисперсионную среду пептизаторов - веществ,

125

способствующих дезагрегированию на первичные частицы. Пептизаторами

могут быть электролиты и поверхностно-активные вещества, вызывающие

лиофилизацию поверхности частиц дисперсной фазы (хлорное железо,

гуминовые кислоты и др.).

Пептизацию используют для получения жидких дисперсных систем из

порошков и паст в химической и пищевой технологии. Иногда пептизация

вредна, например при водоочистке, осветлении вин и др.

Разновидностью коагуляции является флокуляция, при которой мелкие

частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкой или газовой

средах, образуют рыхлые хлопьевидные агрегаты - флокулы. В качестве

эффективных добавок - флокулянтов - применяют растворимые полимеры,

как правило, полиэлектролиты.

Действие полимерных флокулянтов обычно объясняют адсорбцией

нитевидных макромолекул одновременно на различных частицах.

Образующиеся при этом агрегаты в виде хлопьев могут быть достаточно

легко удалены отстаиванием или фильтрованием. Флокулянты

(поликремниевая кислота, полиакриламид и др.) широко используют при

подготовке воды для технических и бытовых нужд, обогащении полезных

ископаемых, в процессах выделения ценных веществ из сточных вод и их

обезвреживания. При водоочистке полимерные флокулянты применяют при

низкой концентрации 0,1-5 мг/л.

Для разрушения агрегатов в жидких системах вводят добавки, которые

наводят заряды на частицах, препятствующих их сближению. Иногда

нужный эффект достигается при простом изменении рН среды. Такой

способ изменения устойчивости (например, суспензии) называют

дефлокуляцией.

Флотацией называют процесс прилипания пузырьков газа (обычно

воздуха) к плохо смачиваемым гидрофобным частицам (обычно воды).

Образующаяся система - пена с частицами - удаляется с поверхности жидкой

фазы. Флотацию можно использовать не только для удаления частиц

126

дисперсной фазы, но и для разделения частиц вследствие различия их

смачиваемости дисперсионной средой. При этом гидрофобные частицы

избирательно закрепляются на границе раздела фаз (обычно воздуха и воды)

и отделяются от гидрофобных частиц, которые оседают на дно. Лучшие

результаты получают, если размер частиц составляет 0,1-0,04 мм.

Известно несколько видов флотации (масляная, пенная, электрофлотация

и др.). Широкое распространение получила пенная флотация, при которой

обработанные реагентами частицы выносятся на поверхность воды

пузырьками воздуха, в результате чего образуется пенный слой,

устойчивость которого регулируется добавлением пенообразователей.

Классификация может проводиться в аппаратах переменного сечения

(соответственно с изменением - снижением скорости движения дисперсной

системы) для отделения малых количеств мелких частиц от основного

продукта, состоящего из крупных частиц. Классификация эффективно

осуществляется с помощью гидроциклонов и центрифуг под действием

центробежной силы разделения.

Перспективен метод разделения суспензий, основанный на маг-

нитной обработке системы. Известно, что обработанная в магнитном поле

вода в течение достаточно длительного времени сохраняет измененные

свойства, в частности пониженную смачивающую способность, что позволяет

существенно интенсифицировать процесс разделения суспензий.

Глава 4 ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ

Большинство процессов химической технологии протекает в заданном

направлении только при определенной температуре, которая достигается путем

подвода или отвода тепловой энергии (теплоты). Процессы, скорость протекания

которых определяется скоростью подвода или отвода теплоты [нагревание,

127

охлаждение, испарение (или кипение), конденсация и др.], называют тепловыми.

Движущей силой тепловых процессов является разность температур более нагретого

и менее нагретого тела. Аппараты, в которых осуществляются тепловые процессы,

называют теплообменниками. Различают три вида переноса теплоты:

теплопроводность, тепловое излучение и конвекция.

Явление теплопроводности - процесс переноса теплоты путем

непосредственного соприкосновения между микрочастицами (молекулами,

атомами, электронами) - от частиц с большей энергией к частицам с меньшей

энергией, т. е. процесс протекает по молекулярному механизму. В подвижных

средах (жидкость, газ) при турбулентном режиме движения потока молекулярный

механизм переноса теплоты, т. е. теплопроводность, имеет существенное значение в

тонких, пограничных с твердой стенкой слоях. При ламинарном движении

потока или в неподвижной жидкости теплопроводность может быть основным

видом переноса теплоты. Поскольку теплопроводность – явление молекулярное, то

на скорость процесса переноса теплоты теплопроводностью существенное влияние

оказывают структура и свойства вещества (например, для подвижных сред -

вязкость, плотность и др.). В твердых телах, например диэлектриках, перенос

энергии осуществляется фононами, в металлах - электронами.

Явление теплового излучения - это процесс распространения энергии с

помощью электромагнитных колебаний. Источник колебаний - заряженные

частицы (электроны и ионы), входящие в состав излучающего вещества. Твердые тела

и жидкости излучают волны всех длин, т. е. дают сплошной спектр излучения. При

переносе теплоты излучением тепловая энергия вначале превращается в лучистую, а

затем обратно: встречая на своем пути какое-либо тело, лучистая превращается в

тепловую.

Явление конвекции: перенос теплоты осуществляется вследствие движения и

перемешивания макроскопических объемов жидкости или газа. Большое значение

имеют состояние и характер движения жидкости или газа. Наряду с этим в

движущейся жидкости из-за наличия градиента температур происходит перенос

теплоты перемещающимися частицами жидкости из зоны с большей температурой

в зону с меньшей, т.е. за счет теплопроводности. Таким образом, конвекция всегда

сопровождается теплопроводностью. Если массовое перемещение жидкости

вызвано разностью плотностей в различных точках жидкости или газа (вследствие

разности температур в этих точках), такую конвекцию называют естественной.

Если же перемещение жидкости или газа возникает вследствие затраты на это

механической энергии (насос, мешалка и т.п.), такую конвекцию называют

принудительной, или вынужденной.

Обычно в теплообменниках происходит сочетание рассмотренных видов переноса

теплоты, причем в разных частях аппарата это сочетание может происходить по-разному.

128

Отдельные виды теплопереноса в теплообменной аппаратуре протекают в самом различном

сочетании, и разделить их между собой зачастую очень сложно. Поэтому в инженерных

расчетах обычно рассматривают процесс переноса теплоты как одно целое.

Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через

разделяющую их стенку называют теплопередачей. Оба вещества, участвующих в

теплопередаче, называют теплоносителями.

Различают установившийся и неустановившийся процессы теплопередачи:

 установившийся (стационарный) процесс - температура является

функцией только системы координат, т. е. t=f{x,у,z) и не зависит от

времени. Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе

аппаратов с постоянным режимом (гидродинамическим и тепловым, т.е.

температурным).

 неустановившийся (нестационарный) процесс - температура изменяется в

пространстве времени, т.е. t = f(x,у,z,τ). Неустановившиеся процессы в

аппаратах периодического действия, а также при пуске, остановке и

изменении режимов работы аппаратов непрерывного действия.

Необходимое условие передачи тепла - неравенство температур в различных

точках данного тела или пространства. Поэтому величина теплового потока,

возникающего в среде, зависит от распределения температур в среде или характера

температурного поля.

Температурное поле - совокупность мгновенных значений температур во всех

точках рассматриваемой среды.

Геометрическое место всех точек с одинаковой температурой представляет

собой изотермическую поверхность. Изотермические поверхности не пересекаются

друг с другом, так как тогда их пересечения имели бы различные температуры.

Поэтому все изотермические поверхности замыкаются или кончаются на границах

рассматриваемого тела

Пусть температура одной изотермической поверхности t, а другой,

близлежащей изотермической поверхности, t+∆t. Предел отношения разности

температур ∆t этих двух поверхностей к расстоянию по нормали ∆l между ними

lim(

t

l

) = dt/dl = gradt (11.1)

0l

называют температурным градиентом, который представляет собой

производную от температуры по нормали к изотермической поверхности. При dt/dl

= O наступает равновесие - поток теплоты прекращается. Температурный градиент

является мерой интенсивности изменения температуры в данной точке.

Направление теплового потока всегда совпадает с направлением падения

129

температуры в данной точке. Тогда удельный поток теплоты q (количество

теплоты, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени) будет

равен q ~ (— dt/dl). Плотность потока теплоты - векторная величина.

4.1 ОСНО В НОЕ УРА ВНЕН И Е Т ЕПЛО П Е РЕД АЧИ

Кинетическое уравнение, которое выражает связь между тепловым потоком Q

и поверхностью F теплопередачи, называемое основным уравнением теплопередачи:

Q = KF



ср

τ, (11.2)

где К - кинетический коэффициент (коэффициент теплопередачи), характеризующий скорость

переноса теплоты;



ср

— средняя движущая сила или средняя разность температур между

теплоносителями (средний температурный напор), по поверхности теплопередачи; τ- время.

Тепловой поток Q обычно определяют из теплового баланса, При этом в

общем случае (без учета потери теплоты в окружающую среду)

Q = Q

= Q

, или Q = G

1н

– H

1к

) = G

- Н

2н

), (11.3)

где Q

-количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем; Q

-количество теплоты,

принимаемое холодным теплоносителем; G

и G

— расход горячего и холодного теплоносителей; Н

1н

1к

-начальная и конечная энтальпии горячего теплоносителя; Н

2н

и H

2к

-начальная и конечная энтальпии

холодного теплоносителя.

Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния в процессе

теплопередачи (процессы нагревания и охлаждения), то:

Q =G

1н

– t

1к

) = G

( t

2к

– t

2н

) (11.4)

где c

и с

— теплоемкости горячего и холодного теплоносителя (при средней температуре

теплоносителя).

Основное уравнение теплопередачи обычно используют для определения

поверхности теплопередачи:

F = Q / ( K

t

ср



). (11.5)

Движущая сила процесса

t

ср

представляет собой среднюю разность

температур между температурами теплоносителей. Коэффициент теплопередачи К

характеризует скорость процесса теплопередачи с участием всех трех видов

переноса теплоты. Физический смысл коэффициента теплопередачи вытекает из

уравнения (11.2); его размерность:

 

















Км

Вт

При выражении Q в ккал/ч

 

Км

Вт

Кчм

ккал









16,11

130