Расчет основных размеров массообменных аппаратов

При технологическом расчете массообменных аппаратов должны быть определены их основные размеры: диаметр и рабочая высота (отражающая интенсивность протекающего в нем процесса).

Диаметр аппарата определяется по уравнению расхода:

где V_сек – объемный расход фазы, скорость которого определяет площадь поперечного сечения аппарата;

Поверхность контакта F = aV, где V – рабочий объем аппарата и а – удельная поверхность контакта фаз.

Рабочий объем аппарата V = SH, где S – площадь поперечного сечения аппарата.

Расчет насадочного абсорбера. Расчет гидравлического сопротивления аппарата:

λ – коэффициент сопротивления, учитывающий суммарные потери давления на трение и местное сопротивления.

Расчет тарельчатого абсорбера. Гидравлическое сопротивление барботажных тарелок:

Δp_σ – сопротивление, обусловленное силами поверхностного натяжение жидкости;

Δp_гж – сопротивление газо-жидкостного слоя на тарелке.

Поверхностные абсорберы – используют для поглощения хорошо растворимых газов: хлористый водород водой. Здесь газ проходит над поверхностью неподвижной или медленно движущейся жидкости, т.к. поверхность сопротивления мала, устанавливается несколько последовательно соединенных аппаратов, газ и жидкость двигаются противотоком (поверхностный абсорбер и оросительный).

Пластинчатый абсорбер – состоит из двух систем каналов: по каналам большего сечения движутся противотоком газ и абсорбент; по каналам меньшего сечения – охлаждающий агент (вода). Пластинчатый абсорбер – изготавливается из графита, т.к. он хорошо проводит тепло и является химически стойким материалом.

Пленочные абсорберы. Здесь поверхностью контакта фаз является поверхность текущей пленки жидкости. Различают следующие разновидности аппаратов данного типа: трубчатые абсорберы – сходен по устройству с кожухотрубчатыми теплообменниками. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку, распределяется по трубам и стекает в виде пленки по их внутренней поверхности. Газ движется по трубам снизу вверх.

Абсорберы с плоскопараллельной насадкой – колонна с листовой насадкой в виде вертикальных листов, для равномерного распределения жидкости имеется вверху распределительное устройство.

Абсорбер с восходящем движением пленки – аппарат состоит из труб, закрепленных в трубных решетках. Газ поступает снизу через патрубки, абсорбент также поступает снизу в трубы через щели. Движущейся с большой скоростью газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движения, т.е. аппарат работает в режиме восходящего прямотока. Для отвода тепла по межтрубному пространству пропускают охлаждающий агент.

Насадочные абсорберы – в насадочной колонне насадка укладывается на решетке, имеющие отверстия для прохождения газа и слива жидкости. Последняя с помощью распределителя равномерно орошает насадку. Здесь жидкость по поверхности насадки стекает в виде тонкой пленки.

Гидродинамические режимы – пленочный, режим подвисания (промежуточный), турбуляция, эмульгирования.

Барботажные (тарельчатые) абсорберы – колонна внутри которой на определенном расстоянии друг от друга размещаются горизонтальные перегородки – тарелки. С помощью тарелок осуществляется направленное движение фаз и многократное взаимодействие газа и жидкости.

Посредством перегонки разделяют жидкостные смеси, все компоненты которых летучи (но имеют различную летучесть) при одной и той, же температуре. Если мы перегоняем бинарную смесь, то в результате получаем – пар, содержащий относительно большое количество легколетучего или низкокипящего компонента (НК), чем исходная смесь. Неиспарившаяся жидкость имеет состав более богатый труднолетучим или высококипящим компонентом (ВК).

Эта жидкость называется остатком, а жидкость, получаемая в результате конденсации паров дистиллятом или ректификатом и флегму – жидкость, возвращаемую для орошения колонны.

Простая перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров.

Ректификация представляет собой процесс многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров.

Пусть в колонну поступает F кмоль исходной смеси, состав которой х_F молей долей НК. Сверху из колонны удаляется G кмоль паров, образующих после конденсации флегму и дистиллят P кмоль, его состав х_Р молей долей НК. На орошение колонны возвращается флегма Ф кмоль, ее состав х_Р = х_Ф

1 – ректификационная колонна; 2 – кипятильник; 3 – дефлегматор; 4 – делитель флегмы.

На некотором расстоянии от верха колонны находится так называемая питающая тарелка, куда и поступает исходная смесь. Питающая тарелка делит колонну на две части, в верхней части (а) должно быть обеспечено обогащение паров НК, эта часть называется укрепляющей. В нижней части (в) необходимо в максимальной степени удалить из жидкости НК, эта часть называется исчерпывающей.

– равновесное содержание данного компонента в паровой фазе исходного продукта.

1 – эксплуатационные расходы; 2 – капитальные затраты; 3 – общие затраты на ректификацию.

С увеличением R возрастает движущая сила процесса и уменьшается необходимое число теоретических и действительных ступеней. В итоге при некотором флегмовом числе рабочий объем колонны будет минимальным и следовательно будет минимальна ее стоимости.

Число колонны для ректификации многокомпонентной смесей должно быть на одну меньше, чем число компонентов, на которые разделяется смесь.

В ректификационных установках используются главным образом аппаратуры двух типов: насадочные и тарельчатые.

В кипятильнике – поверхность нагрева представлена в виде змеевика, или кожухотрубчатый теплообменник.

Меньшее гидравлическое сопротивление насадочных колонн по сравнению с барботажными особенно важно при ректификации под вакуумом.

В химической промышленности применяется искусственная (сушка материалов в специальных сушильных установках) и естественная сушка.

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

1) конвективная сушка – путем непосредственного соприкосновения материала и сушильного агента;

2) контактная – путем передачи тепло от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку;

3) радиальная – путем передачи тепла инфракрасными лучами;

4) диэлектрическая – путем нагрева в поле токов высокой частоты.

Абсолютная влажность определяется количеством водяного пара в кг, содержащегося в 1м³влажного воздуха.

Относительная влажность φ называется отношение массы водяного пара в 1м³ влажного воздуха ρ_П при данных условиях, температуре и общем барометрическом давлением к максимально возможной массе водяного пара 1м³воздуха ρ_Н (плотность насыщенного пара) при тех же условиях:

Количество водяного пара, содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием:

Энтальпия I влажного воздуха относится к 1кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха t (⁰С) как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха с_С.В. t и водяного пара хi_П (Дж/кг сухого воздуха):

Все эти данные можно найти по диаграмме I – х Л.К. Рамзина.

После достижения равновесия между влажным воздухом и испаряющейся влагой температура последней примет постоянное значении, равное температуре мокрого термометра t_М

В промышленности пыль может образовываться в результате механического измельчения твердых тел (при дроблении, и истирании, размалывании и т.д.), при горении топлива (зольный остаток), а также при химическом взаимодействии газов, сопровождающемся образованием твердого продукта. Получаемая в таких процессах пыль состоит из твердых частиц размерами 3 – 70 мкм. Взвеси, образующиеся в результате конденсации паров (нефтяные дымы, туманы смол, серной кислоты и др.), чаще всего состоят из очень мелких частиц размерами от 0,001 до 1 мкм.

Степень очистки (в %) газа η определяется следующим образом:

где G₁и G₂– количество взвешенных частиц в исходном и очищенном газе, кг/ч;

V₁ и V₂ – объемный расход исходного и очищенного газа, приведенного к нормальным условиям, м³/ч;

х₁ х₂ – концентрация взвешенных частиц в запыленном и очищенном газе, кг/м³.

1 – камера; 2 – горизонтальные перегородки (полки); 3 – отражательная перегородка; 4 – дверцы.

Запыленный газ поступает в камеру 1, внутри которой установлены горизонтальные перегородки (полки) 2. Частицы пыли оседают из газа при его движении между полками, расстояние между которыми обычно составляют 0,1 – 0,4 м. При такой небольшой высоте каналов между полками уменьшается путь осаждающихся частиц пыли. Вместе с тем наличие полок позволяет увеличить эффективную поверхность осаждения частиц. Скорость потока газа в камере ограничена тем, что частицы пыли должны успеть осесть до того, как ни будут вынесены потоком газа из камеры.

Газ, пройдя полки, огибает вертикальную отражательную перегородку 3 (при этом у него осаждается под действием сил инерции дополнительно некоторое количество пыли) и удаляется из камеры. Одновременно отражательная перегородка способствует более равномерному распределению газа между горизонтальными полками камеры. Пыль, осевшая на полках, периодически удаляется с них в ручную специальными скребками через дверцы 4 в боковой стенке или смывается водой. Для непрерывной очистки газа устанавливают две параллельно работающие камеры (одна работает, другую – очищают).

Пылеосадительные камеры используют только для предварительной, грубой очистки газов, содержащих частицы пыли относительно больших размеров (>100 мкм). Степень очистки газов от пыли не превышает 30 – 40%.

Для тонкой очистки газов от пыли применяют мокрую очистку – промывку газов водой или другой жидкостью.

Мокрая очистка газов наиболее эффективна тогда, когда допустимы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые твердые частицы имеют незначительную ценность.

Охлаждение газов ниже температуры конденсации находящихся в нем паров жидкости способствует увеличению веса пылинок, играющих при этом роль центров конденсации, и облегчает выделение их из газа. Если улавливаемые частицы находятся в высокодиспергированном состоянии и плохо или совсем не смачиваются водой, то очистка газа в мокрых пылеуловителях малоэффективна. В таких случаях для улучшения смачиваемости частиц и увеличения степени очистки к используемой жидкости добавляют поверхностно – активные вещества.

Наиболее существенным недостатком мокрой очистки газов является образование большого количества сточных вод (шламов), которые вызывают коррозию аппаратуры и должны подвергаться дальнейшему разделению или очистке.

Скрубберы Вентури. Для тонкой очистки газов от высокодисперсной пыли применяют струйные турбулентные газопромыватели – скрубберы Вентури.

1 – конфузор; 2 – горловина; 3 – отверстия для ввода жидкости; 4 – диффузор; 5 – циклонный сепаратор; 6 – отстойник; 7 – насос.

Запыленный газ через конфузор 1 трубы Вентури попадает в горловину 2, где его скорость достигает 60 – 150 м/сек. Через отверстия 3 под избыточным давлением 30 – 100 кН/м² (0,3 – 1 ат) в горловину вводится жидкость, которая, сталкиваясь с газовым потоком, распыляется на мелкие капли (диаметром ~ 10 мкм). При соударениях с частицами пыли капли, поглощая их, укрупняются. Эти капли вместе с газом проходят через диффузор 4, где скорость потока снижается до 20 – 25 м/сек, и попадают в циклонный сепаратор 5. Здесь скорость газожидкостной смеси уменьшается до 4 – 5 м/сек, капли под действием центробежной силы отделяются от газа и вместе со шламом удаляются в отстойник 6. В последнем вода отделяется от шлама и вновь подается насосом 7 в скруббер.

В скруббере Вентури эффективно улавливаются весьма тонкие частицы (1 – 2 мкм). При этом возможно удалить из газа до 99% загрязнений. Скруббер Вентури прост по устройству (не имеет движущихся частиц), но его гидравлическое сопротивление относительно велико (150 – 750 мм. вод. ст.)

Электрическая очистка газов основана на ионизации молекул газа электрическим разрядом. Если ионизированный газ поместить в электрическое поле, образованное двумя электродами, к которым подведен постоянный электрический ток высокого напряжения, то ионы и электроны начнут перемещаться по направлению силовых линий. При достижении напряженности электрического поля до нескольких десятков тысяч вольт кинетическая энергия ионов и электронов возрастает настолько, что они при своем движении, сталкиваясь с нейтральными газовыми молекулами, будут расщеплять их на положительные ионы и свободные электроны. Образование ионов происходит лавинообразно и газ полностью концентрируется. Такая ионизация называется ударной.

После полной ионизации газа возникают условия для возникновения электрического разряда между электродами – коронный разряд. Электрод, вокруг которого образуется «корона», носит название коронирующего электрода, а другой, противоположно заряженный электрод, выполненный в виде трубы или пластины – осадительного электрода. Коронирующий присоединяется к отрицательному полюсу, осадительный к положительному.

Под действием электрического поля положительные ионы движутся к коронирующему электроду и нейтрализуются на нем, а отрицательные ионы и свободные электроны к осадительному электроду.

Соприкасаясь со встречными пылинками и капельками, они сообщают последним свой заряд и увлекают к осадительному электроду. Основная масса взвешенных в газе частиц приобретает отрицательный заряд вследствие того, что более подвижные отрицательные ионы проделывают более длинный путь из области «короны» к осадительному электроду.

Степень очистки газа в электрофильтре в значительной степени зависит от проводимости пыли.

Электрофильтры работают только на постоянном токе, так как при переменном токе заряженные частицы, испытав ряд импульсов, направляющих их то в одну, то в другую сторону, могут быть вынесены из аппарата ранее, чем они успевают достичь поверхности осадительного электрода.

Для питания установки выпрямленным током высокого напряжения используют электрические агрегаты, состоящие из регулятора напряжения 1, повысительного трансформатора 2, преобразующего переменный ток напряжением 380/220В в постоянный ток напряжением 100 кВ, и высоковольтного выпрямителя 3. После выпрямителей ток подводится к электродам 4 и 5 электрофильтра 6. Корпус электрофильтра обычно имеет прямоугольную или цилиндрическую форму и изготавливается из материалов, стойких к химическому и механическому воздействиям очищаемой среды (сталь, кирпич, железобетон и др.)

Принципиальная схема установки для электрической очистки газов

1 – регулятор напряжения; 2 – повысительный трансформатор; 3 – высоковольтный выпрямитель; 4 – коронирующий электрод; 5 – осадительный электрод; 6 – электрофильтр.

Коронирующие электроды представляют собой проволоки круглого или звездообразного сечения, а осадительные электроды – пластины, либо трубы круглого или шестиугольного сечения.

Электрофильтры бывают вертикальные и горизонтальные. Их часто изготавливают из нескольких секций, что дает возможность отличать одну из секций для ремонта и осмотра. В некоторых случаях для повышения степени очистки газа секции электрофильтра располагают последовательно по ходу газа и снабжают самостоятельным электрическим питанием, такие фильтры называются двупольными или многопольными.

Электрофильтры делятся на сухие, в которых улавливается сухая пыль, и мокрые – для удаления пыли, увлажненной в результате конденсации паров влаги из очищаемого газа, а также для осаждения капель и тумана.

Очистка газов под действием инерционных и центробежных сил

Скорость газа перед перегородками 5 – 15 м/сек, коленчатые газоходы, изменяют направление движения газа на 90 – 180⁰ – инерционные пылеуловители.

Циклон конструкции Научно – исследовательского института. Состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1 с коническим днищем 2 и крышкой 3.

1 – корпус; 2 – коническое днище; 3 – крышка; 4 – входной патрубок; 5 – пылесборник; 6 – выхлопная труба.

Запыленный газ поступает со скоростью 20 – 30 м/сек через патрубок 4 прямоугольного сечения в верхнюю часть корпуса циклона. В корпусе поток запыленного газа движется вниз по спирали вдоль внутренней поверхности стенок циклона. При таком вращательном движении частицы пыли, как более тяжелые, перемещаются в направлении движения центробежной силы быстрее, чем частицы газа, концентрируются в слоях газа, примыкающих к стенкам аппарата, и переносятся потоком в пылесборник 5. Здесь пыль оседает, а очищенный газ, продолжая вращаться по спирали, поднимается к верху и удаляется через выхлопную трубу 6.

Движение частиц пыли в циклоне обусловлено в основном вращательным движением потока газа по направлению к пылесборнику (влияние сил тяжести частиц имеет в данном случае значительно меньшее значение). Поэтому циклоны можно устанавливать не только вертикально, но также наклонно или горизонтально.

Роторные аппараты → для вязких и термолабильных растворов.

Окружная скорость ротора 2 – 3,5 м/с. Интенсивная теплоотдача. Малое время выпаривания (10 – 15с). Диаметр аппарата 600 мм, мощность привода 3,0кВт.

Недостатки: малая поверхность нагрева, мала производительность.

Схема выпарной установки работающей под разрежением

1 – паровой котел; 2 – пароперегреватель; 3 – паровая турбина; 4 – пароувлажнитель; I – V – выпарные аппараты.

Установка состоит из нескольких корпусов. Исходный раствор, обычно предварительно нагретый до температуры кипения, поступает в первый корпус, обогреваемый свежим (первичным) паром. Вторичный пар из этого корпуса направляется в качестве греющего во второй корпус, где вследствие пониженного давления раствор кипит при более низкой температуре, чем в первом корпусе.

Вследствие этой разности давлений раствор (упаренный) самотеком перетекает во второй корпус (здесь происходит его охлаждение до температуры кипения во втором корпусе). За счет выделяющегося при этом тепла образуется дополнительное количество вторичного пара. Такое явление происходит во всех корпусах (кроме первого) и носит название самоиспарения раствора.

Для передачи тепла необходимо полезная разность температур, т.е.

t_пол. = t_гп – t_кип.и Р₁ > Р₂ > Р₃ (создается путем избыточного давления в первом корпусе или вакууме в последнем корпусе).

Использование пара из паровых турбин. Создается экономичность установки за счет использование пара низкого потенциала.

Установки делятся на работающие под разрежением и под избыточным давлением (в этом случае отпадает необходимость в постоянно действующем конденсаторе, но происходит увеличение толщины стенок корпуса).

Достоинства: коэффициент теплопередачи уменьшается от первого корпуса к последнему; во второй схеме коэффициент теплопередачи значительно меньше изменяется, чем в первой схеме

вторая схема выпаривания наиболее эффективна К₁: К₂: К₃ = 1: 0,58: 0,34.

где G_Н и b_Н– расход и концентрация исходного раствора;

b_n– концентрация упаренного раствора из последнего корпуса.

1 – 3 – корпуса; 4 – барометрический конденсатор; 5 – ловушка; 6 – насос.

где

– удельные теплоемкости парового конденсата при температурах конденсации

;

– удельные теплоемкости раствора по корпусам;

–удельные теплоемкости воды при температурах

;

– температура исходного раствора и температура кипения раствора по корпусам;

– теплоты концентрирования раствора по корпуса;

Данная система содержит четыре неизвестных: D₁,W₁,W₂,W₃ ее дополняют уравнением материального баланса по выпариваемой воде:

Обобщенное уравнение теплового баланса для n – корпусной установки:

Общая полезная разность температур и ее распределение по корпусам. Общая разность температур Δt_общ многокорпусной прямоточной установки представляет собой разность между температурой Т₁ первичного пара и температурой вторичного пара

, поступающего из последнего корпуса в конденсатор:

Общая разность температур не может быть полностью использована вследствие наличия температурных потерь. Поэтому Δt_пол < Δt_общ

где Т – температура конденсации греющего пара;

Для многокорпусной установки общая полезная разность температур равна разности между температурой Т₁ свежего пара, греющего первый корпус, и температурой конденсации

вторичного пара, выходящего из последнего

(n–го) корпуса, за вычетом суммы температурных потерь во всех корпусах установки, т.е.:

При условии равенства поверхностей нагрева полезная разность температур в корпусах равна:

т.к.

и складывая полезные разности температур отдельных корпусов, находим общую полезную разность:

Подставляя полученное значение в выражении (1) получим:

При переходе от 1 установки к 2 экономия греющего пара 50 %.

При переходе от 4 установки к 5 экономия уменьшается до 10 %.

С увеличением корпусов возрастает поверхность нагрева. Чем выше концентрация, тем больше температурные потери, тем меньше число корпусов.

Δt_ПОЛ.= 3⁰С для аппаратов с принудительной циркуляцией, Δt_ПОЛ.= 5 – 7⁰С для аппаратов с естественной циркуляцией.

По типу поверхности нагрева (паровые рубашки, змеевики); по расположению в пространстве (аппараты с вертикальной, горизонтальной и иногда с наклонной нагревательной камерой); по роду теплоносителя (водяной пар, высокотемпературные теплоносители).

Различают аппараты: с неорганизованной или свободной (естественной) и принудительной циркуляций.

Их можно разделить на прямоточные (за один проход раствора) и многократной циркуляцией раствора.

А также в зависимости от организации процесса: периодически и непрерывно действующие.

1. Аппарат со свободной циркуляцией раствора (змеевиковые выпарные аппараты). Периодически действующие: аппараты с рубашкой.

В выпарных аппаратах с рубашками происходит малоинтенсивная неупорядоченная циркуляция раствора вследствие разности плотностей более нагретых и менее нагретых частиц. Здесь коэффициенты теплопередачи низки.

Эти аппараты используются только для выпаривания агрессивных и вязких жидкостей, выделяющих твердые осадки. Здесь поверхность нагрева может быть защищена с помощью ингибирования.

С горизонтальной трубчатой нагревательной камерой и с вертикальным цилиндрическим корпусом. Достоинства: небольшая высота слоя выпариваемого раствора, это значительно снижает температурные потери вследствие гидростатической депрессии; имеют большой объем парового пространства (их используют для выпаривания пенящихся растворов). Недостатки: громоздки и металлоемки; непригодны для выпаривания кристаллизующихся растворов, из-за трудности механической очистки наружной поверхности труб; невысокие коэффициенты теплоотдачи в горизонтальных трубах (из-за слоя конденсата).

2.Аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой. Длина труб о 2 до 4м, в межтрубное пространство подается нагревательный пар. Поверхность теплообмена в кипятильных трубках на единицу объема выпариваемого раствора больше, чем в циркуляционной трубе, т.к. поверхность трубы находится в линейной зависимости от диаметра, а объем жидкости пропорционален квадрату диаметра.

3. Аппарат с подвесной нагревательной камерой.

4.Аппарат с выносной циркуляционной трубой – центробежный брызгоуловитель.

5.Аппарат с выносной нагревательной камерой – увеличивается длина кипятильных труб 7 м. Скорость циркуляции 1,5 м/сек, что позволяет выпаривать в них концентрированные и кристаллизующиеся растворы, не опасаясь слишком быстрого загрязнения поверхности теплообмена.

1. Определение τ_осн при условии, что промывка и продувка отсутствует, а разделение происходит при ΔP = const

где Q_общ.– производительность установки по фильтрату.

4. Число циклов работы одного фильтра в сутки

1. Принимают оптимальную толщину осадка ~ 5 мм.

3. Определяем время фильтрования из условия R_фп = 0:

4. Опытным путем определяем продолжительность стадии промывки τ_п

5. Число секций в зоне первого обезвоживания

, второго обезвоживания

, удаление осадка и регенерации

где

– число секций в зонах фильтрования и промывки.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: