1. Теория подобия. Основные критерии
подобия; критериальные уравнения.
2. Осаждение в центробежном поле.
Центрифуги, сепараторы, циклоны.
3. Основные типы выпарных аппаратов.
4. Кристаллизация. Основы теории.
5. Нагревание в поле СВЧ
6. Пневматическое и гидравлическое
сортирование. Отделение магнитных примесей.
7. Устройство мембранных аппаратов.
8. Сушка. Влажность
материалов. Формы связи влаги с материалом.
9. Барботаж. Аппараты с тарелками.
Задачи
1. Теория подобия.
Основные критерии подобия; критериальные уравнения.
Теория
подобия – наука о подобных явлениях. Подобными явлениями называются такие
физические явления, которые одинаковы качественно по форме и по содержанию, то
есть имеют одну физическую природу, развиваются под действием одинаковых сил и
описываются одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями и краевыми
условиями.
Обязательным условием
подобия физических явлений должно быть геометрическое подобие систем, где эти
явления протекают. Два физических явления будут подобны лишь в том случае, если
будут подобны все величины, которые характеризуют их.
Основные положения теории
подобия формулируют в виде трех теорем подобия.
Первая теорема: Подобные
явления имеют одинаковые критерии подобия.
Вторая
теорема: Любая зависимость между переменными, характеризующая какие-либо
явления, может быть представлена, в форме зависимости между критериями подобия,
составленными из этих переменных, которая будет называться критериальным уравнением.
Третья теорема: Два
явления подобны, если они имеют подобные условия однозначности и численно
одинаковые определяющие критерии подобия.
Условиями однозначности
являются: наличие геометрического подобия систем; наличие одинаковых
дифференциальных уравнений; существование единственного решения уравнения при
заданных граничных условиях; известны численные значения коэффициентов и
физических параметров.
Для всех подобных систем
существуют безразмерные комплексы величин, которые называются критериями
подобия. Критерий подобия – безразмерная величина, составленная из размерных
физических параметров, определяющих рассматриваемое физическое явление.
Равенство всех однотипных критериев подобия для двух физических явлений и систем
– необходимое и достаточное условие физического подобия этих систем. Критерии
подобия, представляющие собой отношения одноименных физических параметров системы
(например, отношения длин), называются тривиальными и при установлении определяющих
критериев подобия обычно не рассматриваются: равенство их для двух систем является
определением физического подобия. Нетривиальные безразмерные комбинации, которые
можно составить из определяющих параметров, и представляют собой критерии подобия.
Критерий подобия
механического движения получается из уравнения, выражающего второй закон
Ньютона и называется числом Ньютона: , где F – действующая на тело сила, m – его масса, t – время, l – характерный линейный размер.
При
изучении упругих деформаций конструкции под воздействием внешних сил основными
критериями подобия являются коэффициент Пуассона для материала конструкции: и критерии , , где – относительная
продольная деформация, – относительная
поперечная деформация, E – модуль Юнга, –
плотность материала конструкции, F – характерная
внешняя сила, g – ускорение силы тяжести.
В гидромеханике
важнейшими критериями подобия являются: а) число Рейнольдса . Определяет, в
частности, переход от ламинарного режима к турбулентному; б) число Маха: ; в) число
Фруда: .
В этих примерах l –
характерный размер, u
– скорость течения, –
кинематический коэффициент вязкости, – местная скорость распространения
звука в движущейся среде.
Основными критериями
подобия процессов теплопередачи между жидкостью (газом) и обтекаемым телом
являются число Прандтля , число Нуссельта , число Грасгофа , а также число
Пекле и
число Стэнтона .
Здесь α – коэффициент теплоотдачи, λ – коэффициент
теплопроводности, Cp – удельная
теплоемкость жидкости или газа при постоянном давлении, a – коэффициент
температуропроводности, b – коэффициент объемного расширения, ΔT
– разность температур поверхности тела и жидкости (газа).
2. Осаждение в
центробежном поле. Центрифуги, сепараторы, циклоны.
Центробежное осаждение
происходит при криволинейном движении аэродисперсного потока, когда развиваются
центробежные силы, под действием которых частицы отбрасываются на поверхность
осаждения аппарата.
Центрифуга – устройство,
(машина или прибор), служащее для разделения сыпучих тел или жидкостей
различного удельного веса и отделения жидкостей от твердых тел путем
использования центробежной силы. При вращении в центрифуге частицы с наибольшим
удельным весом располагаются на периферии, а частицы с меньшим удельным весом –
ближе к оси вращения.
Центрифуги применяются в
лабораторной практике, в сельском хозяйстве для очистки зерна, выдавливания
меда из сот, выделения жира из молока, в промышленности для обогащения руд, в
крахмало-паточном производстве, в текстильном производстве, в прачечных для
отжима воды из белья и т.п. Газовые центрифуги со скоростью вращения около
60000 об/мин применяются для разделения изотопов урана.
Сепаратор – аппарат,
производящий разделение продукта на фракции с разными характеристиками. В
процессе работы любого сепаратора не происходит изменения химического состава
разделяемых веществ. Качества, отличающие продукты сепарации, не обязательно
должны совпадать с признаками, по которым разделяют смесь в сепараторах. В работе
сепаратора принимает участие множество отдельных мелких частиц, среди которых
встречаются частицы с промежуточными свойствами по отношению к необходимыми признаками.
Из исходной смеси после промышленных сепараций не могут получиться абсолютно
чистые фракции разделяемых компонентов, только продукты с преобладающим их
содержанием.
Центробежные сепараторы –
промышленное оборудование, предназначенное для разделения потока, использующее
центробежный способ разделения. Центробежные сепараторы относятся к классу
устройств (оборудования) – сепараторов использующих закрученных поток для
разделения многокомпонентных систем. Особенностью таких устройств является
высокое качество сепарации (разделения). К центробежным сепаратором относятся:
центробежные газожидкостные сепараторы, предназначенные для разделения газожидкостного
потока и очистки газового (воздушного) потока от капельной влаги и механических
примесей. Особенностью таких устройств является отсутствие движущихся и
вращающихся частей и элементов, а также малые габаритные размеры и весовые
параметры. Центробежная очистка газа (воздуха) относится к способам очистки
газа, основанным на инерционном осаждении влаги и (или) взвешенных частиц за
счет создания в поле движения газового потока и взвеси центробежной силы.
Центробежный способ очистки газа относится к инерционным способам очистки газа
(воздуха).
Рассмотрим принцип
действия центробежного сепаратора. Газовый (воздушный) поток направляется в
центробежный пылеуловитель в котором, за счет изменения направления движения
газа (воздуха) с влагой и взвешенными частицами, как правило, по спирали,
происходит очистка газа. Плотность взвеси в несколько раз больше плотности газа
(воздуха) и она продолжает двигаться по инерции в прежнем направлении и
отделяется от газа (воздуха). За счет движения газа по спирали создается
центробежная сила, которая во много раз превосходит силу тяжести.
Циклон
– аппарат, используемый в промышленности для очистки газов и жидкостей от
взвешенных частиц. Принцип очистки – инерционный (с использованием центробежной
силы). Циклонные пылеуловители составляют наиболее массовую группу среди всех
видов пылеулавливающей аппаратуры и применяются во всех отраслях
промышленности. Принцип действия простейшего противоточного циклона таков:
поток запыленного газа вводится в аппарат через входной патрубок тангенциально
в верхней части. В аппарате формируется вращающийся поток газа, направленный
вниз, к конической части аппарата. Вследствие силы инерции (центробежной силы)
частицы пыли выносятся из потока и оседают на стенках аппарата, затем захватываются
вторичным потоком и попадают в нижнюю часть, через выпускное отверстие для
сбора пыли. Очищенный от пыли газовый поток затем двигается снизу вверх и
выводится из циклона через соосную выхлопную трубу.
3. Основные типы
выпарных аппаратов.
Выпарные аппараты можно
классифицировать по ряду признаков: а) по
расположению поверхности нагрева – горизонтальные, вертикальные и реже
наклонные; б) по роду теплоносителя – с паровым обогревом, газовым обогревом,
обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, вода под высоким
давлением), с электрообогревном; в) по способу подвода
теплоносителя – с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом
объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб); г) по режиму циркуляции – с естественной и
искусственной (принудительной) циркуляцией; д) по кратности
циркуляции – с однократной и многократной циркуляцией; е) по типу поверхности
нагрева – с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенные, с трубчатой
поверхностью различной конфигурации.
В промышленности наиболее
часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность,
естественная циркуляция (благодаря наличию циркуляционной трубы), значительная
кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство,
удобство обслуживания и ремонта. Для большей компактности эти аппараты в последнее
время изготовляют с удлиненными трубками (3 – 3,5 м).
Для упаривания
кристаллизующихся растворов применяют аппараты с коническим днищем с углом
наклона больше угла естественного откоса кристаллизующейся массы.
Некоторое распространение
имеют пленочные аппараты с однократной циркуляцией раствора. Основная
особенность этой конструкции заключается в возможности снижения потерь полезной
разности температур от гидростатической депрессии. Подаваемый в нижнюю часть
трубок аппарата раствор вскипает; при этом образуется много паровых пузырьков,
увлекающих за собой раствор. Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок, ударяется
о поверхность сепаратора с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение
и отбрасывается центробежной силой к периферии, благодаря чему происходит довольно
совершенная сепарация пара. Таким образом, выпаривание происходит в тонком слое
при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки (более
5 м) возможны разрыв и высыхание пленки жидкости в верхней части трубки с понижением
при этом коэффициента теплоотдачи.
Проведенные
специальные заводские опыты показали, что пленочные аппараты не характеризуются
большой интенсивностью теплоотдачи при кипении. Некоторым преимуществом
пленочного аппарата является однократная циркуляция с быстрым прохождением
раствора через трубы, что предохраняет растворы, чувствительные к высокой температуре,
от порчи. Недостатки этих аппаратов: значительная длина трубок, затрудняющая
ремонт, малая аккумулирующая способность, не обеспечивающая постоянную производительность
и затрудняющая получение раствора равномерной концентрации. Труба, отводящая упаренный
раствор на следующий корпус, должна иметь гидравлический затвор соответствующей
высоты для предотвращения возможного прорыва пара в трубное пространство
следующего корпуса. Эти аппараты дороже обычных вертикальных аппаратов.
Выпарной аппарат с
выносной поверхностью нагрева целесообразно применять для пенящихся растворов,
так как в основном в нем происходит самоиспарение перегретой в трубах жидкости
при поступлении ее в сепаратор. При этих условиях жидкость испаряется спокойно,
и при достаточных размерах сепаратора не происходит уноса капелек жидкости и
пены с вторичным паром.
В некоторых случаях
применяют аппараты с принудительной циркуляцией. В этих аппаратах жидкость
движется по трубкам с большой скоростью (2 – 3 м/с) под давлением; зона кипения
находится у верхнего конца трубок. Благодаря значительной скорости движения
раствора в трубках отложения на поверхности теплообмена меньше, чем в обычных
вертикальных аппаратах. Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно
применять в определенном интервале тепловых нагрузок и, главным образом, при
упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих
условиях достигается более высокий коэффициент теплоотдачи к кипящей жидкости,
чем в обычных аппаратах, что позволяет соответствующим образом уменьшить
поверхность нагрева аппарата по сравнению с вертикальным аппаратом с
естественной циркуляцией раствора. С другой стороны, на привод циркуляционного
насоса требуются довольно значительные затраты мощности, поэтому
целесообразность применения подобных аппаратов следует обосновать
соответствующим технико-экономическим расчетом.
Выше указано, что в ряде
случаев целесообразно проводить упаривание растворов в тонкой пленке в роторных
аппаратах; особенно это касается вязких и термолабильных растворов. Раствор
подается дозировочным насосом в верхнюю часть аппарата, откуда он стекает в
виде тонкой пленки по внутренней стенке цилиндрического корпуса. Теплоноситель
(вода, пар, дифенильная смесь) подается в рубашку аппарата. При отекании по
стенке аппарата раствор захватывается лопатками и приводится в движение; при
этом образуется пленка, отталкиваемая центробежной силой к внутренней стенке
аппарата. Полученную на стенках пасту лопасти снимают и направляют на дно;
затем паста удаляется через патрубок и секторный затвор. Окружная скорость ротора
2 – 3,5 м/с. Аппарат характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи.
Незначительное время пребывания раствора в аппарате (10 – 15 с) обеспечивает
высокое качество продукта, что особенно важно для термолабильных растворов.
Расход мощности на привод ротора при диаметре аппарата 600 мм составляет 3,0
кВт. Наряду с положительными качествами аппарат имеет некоторые недостатки –
небольшую поверхность нагрева, а потому и сравнительно малую производительность.
Наличие вращающегося ротора усложняет и удорожает аппарат. Кроме того, трудно
обеспечить малые и одинаковые зазоры между лопастями и корпусом аппарата.
4. Кристаллизация.
Основы теории.
Кристаллизация – процесс
фазового перехода вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое с
образованием кристаллов. Фазой называется однородная часть термодинамической
системы отделенная от других частей системы (других фаз) поверхностью раздела,
при переходе через которую химический состав, структура и свойства вещества
изменяются скачками. Кристаллизация – процесс выделения твердой фазы в виде
кристаллов из растворов или расплавов, в химической промышленности процесс кристаллизации
используется для получения веществ в чистом виде.
Кристаллизация начинается
при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения
жидкости или пересыщения пара, когда практически мгновенно возникает множество
мелких кристалликов – центров кристаллизации. Кристаллики растут, присоединяя
атомы или молекулы из жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно,
края незавершенных атомных слоев (ступени) при росте движутся вдоль грани. Зависимость
скорости роста от условий кристаллизации приводит к разнообразию форм роста и
структуры кристаллов (многогранные, пластинчатые, игольчатые, скелетные,
дендритные и другие формы, карандашные структуры и т.д.). В процессе
кристаллизации неизбежно возникают различные дефекты.
На число центров
кристаллизации и скорость роста значительно влияет степень переохлаждения.
Степень переохлаждения – уровень охлаждения жидкого металла ниже температуры
перехода его в кристаллическую (твердую) модификацию. Степень переохлаждения
необходима для компенсации энергии скрытой теплоты кристаллизации. Первичной
кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе
из жидкого состояния в твердое.
5. Нагревание в поле
СВЧ
В подавляющем большинстве
случаев нагрев каких-либо физических тел производится путем передачи тепла
снаружи во внутрь за счет теплопроводности. На СВЧ (сверхвысокие частоты) при
рациональном подборе частоты колебаний и параметров камер, где происходит
преобразование СВЧ энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное
выделение тепла по объему тела. Эффективность преобразования энергии электрического
поля в тепло возрастает прямо пропорционально частоте колебаний и квадрату
напряженности электрического поля. При этом следует отметить простоту подачи
СВЧ энергии практически к любому участку нагреваемого тела.
Важное преимущество СВЧ
нагрева – тепловая безынерционность, то есть возможность практически
мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый
материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость.
Достоинством СВЧ нагрева
является также принципиально высокий КПД (коэффициент полезного действия)
преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел.
Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих
трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически
холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала. Важным
преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и практического
применения новых необычных видов нагрева, например избирательного, равномерного,
сверхчистого, саморегулирующегося.
Избирательный нагрев
основан на зависимости потерь в диэлектрике от длины волны, то есть зависимости
тангенса угла диэлектрических потерь как функции длины волны. При этом в
многокомпонентной смеси диэлектриков будут нагреваться только те части, где
высокий тангенс угла диэлектрических потерь.
Равномерный нагрев.
Обычно передача тепла осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и
излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент (перепад) от поверхности в
глубину материала, причем тем больший, чем меньше теплопроводность. Уменьшить
или почти устранить большой градиент температур можно за счет увеличения
времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного нагрева удается
избежать перегрева поверхностных слоев обрабатываемого материала. Примерами
таких процессов является обжиг керамики, получение полимерных соединений и т.п.
С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его
объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур.
Поэтому при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда
технологических процессов.
Сверхчистый нагрев. Если
при нагреве газовым пламенем, а также с помощью дуговых горелок происходит
загрязнение материалов, то СВЧ энергию можно подводить к обрабатываемому
материалу через защитные оболочки их твердых диэлектриков с малыми потерями. В
результате загрязнения практически полностью устраняются. Кроме того, помещая
нагреваемый материал в откачанный объем или инертный газ, можно устранить окисление
его поверхности. Загрязнения от диэлектрика, через который подводится СВЧ
энергия, весьма малы, т.к. в случае малых потерь даже при пропускании большой
СВЧ мощности этот диэлектрик остается практически холодным.
Саморегулирующийся
нагрев. При нагреве для целей сушки качество получаемого материала существенно
улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается.
Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов,
как, например, дерево, прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением
влажности в процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается
только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная
влажность.
Чтобы применение СВЧ
энергии было экономически оправдано, необходимо выбирать такие СВЧ приборы,
которые имели бы в сочетании следующие характеристики: высокий КПД
преобразования энергии промышленной частоты в СВЧ энергию (не менее 50%, а
лучше 70% – 90%); высокий уровень выходной мощности в непрерывном режиме (около
1 кВт и более); простые и дешевые источники питания (желательно питать СВЧ
прибор, непосредственно подключая его к вторичной обмотке силового трансформатора
промышленной электросети без выпрямителей и фильтров); простота конструкции, надежность,
большой срок службы (не менее 2 – 5 тысяч часов); возможность эффективной
работы при переменной нагрузке. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют
магнетроны, пролетные многорезонаторные клистроны и амплитроны.
6. Устройство мембранных
аппаратов.
Мембранные аппараты
подразделяют на плоскокамерные, трубчатые, рулонные, с полыми волокнами, а
также электродиализаторы. В плоскокамерных аппаратах (рис. 1) разделительный
элемент состоит из двух плоских (листовых) мембран, между которыми расположен
пористый дренажный материал. Элементы размещены на небольшом расстоянии один от
другого (0,5 – 5 мм), в результате чего между ними образуются мембранные
каналы, по которым циркулирует разделяемая смесь. Образовавшийся концентрат выводится
из аппарата, а пермеат отводится по дренажному материалу в коллектор. Для турбулизации
потока путем поперечного перемешивания и предотвращения соприкосновения
проницаемых элементов применяют сетку-сепаратор. В случае необходимости
значительного концентрирования исходного раствора в аппарате устанавливают
несколько последовательно работающих секций. Поверхность разделительной
мембраны, приходящаяся на единицу объема аппарата, то есть плотность упаковки
мембраны, для плоскокамерных аппаратов низка (60 – 300 м2/м ), поэтому
их используют в установках небольшой производительности для разделения жидких и
газовых смесей.
Рис. 1. Плоскокамерный
многосекционный аппарат типа «фильтр – пресс»:
1 – мембрана; 2 – дренажный материал
Трубчатые аппараты (рис.
2) состоят из набора пористых дренажных трубок диаметром 5 – 20 мм, на
внутренней или наружной поверхности которых расположены мембраны. В
соответствии с этим исходный поток направляют в трубное либо межтрубное пространство.
Трубчатые аппараты, в которых плотность упаковки мембран составляет 60 – 200 м2/м3,
используются для очистки жидких сред от загрязнений, опреснения воды с высокой
концентрацией солей, а также для разделения газовых смесей.
Рис. 2. Трубчатый аппарат: 1 –
мембрана;
2 – дренажный материал; 3 – трубчатый
фильтрующий элемент
В рулонных, или
спиральных, аппаратах (рис. 3) мембранный элемент имеет вид пакета; три его
кромки герметизированы, а четвертая прикреплена к перфорированной трубке для
отвода пермеата, на которую накручивается пакет вместе с сеткой-сепаратором.
Разделяемый поток движется в осевом направлении по межмембранным каналам, а
пермеат-спиралеобразно по дренажному материалу и поступает в отводящую трубку.
Аппараты этого типа отличаются высокой плотностью упаковки мембран (300 – 800 м2/м3),
но сложнее, чем плоскокамерные, в изготовлении. Они используются в установках
средней и большой производительности для разделения жидких и газовых смесей.
Рис. 3. Рулонный аппарат: a – корпус,
б – фильтрующий элемент;
1 – мембрана; 2 – дренажный материал;
3 – фиксатор; 4 – сепаратор;
5 – отводная трубка
В
аппаратах с волокнистыми мембранами (рис. 4) рабочий элемент обычно представляет
собой цилиндр, в который помещен пучок полых волокон с наружным диаметром 80 –
100 мкм и толщиной стенки 15 – 30 мкм. Разделяемый раствор, как правило,
омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему каналу выводится
пермеат. Благодаря высокой плотности упаковки мембран (до 20000 м2/м3)
эти аппараты применяют в опреснительных установках большой производительности (десятки
тыс. м3/сут).
Для обратного осмоса, как
правило, используют плоскокамерные, трубчатые и рулонные аппараты; для
ультрафильтрации – плоскокамерные и трубчатые; для микрофильтрации, те же
аппараты, а также обычные патронные фильтры; для электродиализа – кроме
электродиализаторов, иногда плоскокамерные и с полыми волокнами, снабженные подводкой
электропитания; для мембранного
газоразделения-рулонные, плоскокамерные и трубчатые; для испарения через
мембрану, те же аппараты, что и для баромембранных процессов, снабженные
системами подогрева, вакуумирования, подачи инертного газа и конденсаторами
паров; для диализа-плоскокамерные и др. мембранные.
Рис. 4. Аппарат с волокнистой
мембраной:
1 – трубная решетка с открытыми
концами волокон; 2 – полое волокно
7. Сушка.
Влажность материалов. Формы связи влаги с материалом.
Сушка – удаление жидкости
(чаще всего влаги – воды, реже иных жидкостей, например летучих органических
растворителей) из веществ и материалов тепловыми способами. Осуществляется
путем испарения жидкости и отвода образовавшихся паров при подводе к
высушиваемому материалу теплоты, чаще всего с помощью так называемых сушильных
агентов (нагретый воздух, топочные газы и их смеси с воздухом, инертные газы,
перегретый пар). Сушке подвергают влажные тела: твердые-коллоидные, зернистые,
порошкообразные, кусковые, гранулированные, листовые, тканые и другие;
пастообразные; жидкие-суспензии, эмульсии, растворы.
Цель сушки, широко
применяемой в производствах химико-лесного комплекса, сельском хозяйстве, пищевой,
строительных материалов, кожевенной, легкой и других отраслях народного
хозяйства, – улучшение качества веществ и материалов, подготовка их к переработке,
использованию, транспортированию и хранению. Данный процесс часто является
последней технологической операцией, предшествующей выпуску готового продукта.
При этом жидкость предварительно удаляют более дешевыми механическими
способами, окончательно-тепловыми.
Естественную сушку на
открытом воздухе из-за значительной продолжительности используют крайне редко и
главным образом в районах с теплым климатом. В химических производствах
применяют, как правило, искусственную сушку, проводимую в специальных сушильных
установках, в состав которых входят: сушильный аппарат, или сушилка, где
непосредственно протекает процесс; вспомогательное оборудование – теплообменные
аппараты (калориферы), тягодутьевое устройство (вентилятор, воздуходувка) и система
пылеочистки соответственно для нагревания сушильного агента, пропускания его
через сушилку и отделения от высушенного продукта.
По способу подвода
теплоты к влажному телу различают следующие виды сушки: конвективную (в потоке
нагретого сушильного агента, выполняющего одновременно функции теплоносителя и
влагоносителя – транспортирующей среды, в которую переходит удаляемая влага, и
в ряде случаев способствующего созданию необходимой гидродинамической
обстановки); контактную (при соприкосновении тела с нагретой поверхностью);
диэлектрическую (токами высокой частоты); сублимационную (вымораживанием в вакууме);
радиационную (инфракрасным излучением); акустическую (с помощью ультразвука). В
народном хозяйстве используют преимущественно первые два вида, в химических
производствах – конвективную. Остальные виды применяют весьма редко и называют
обычно специальными видами сушки.
При любом виде сушки ее
влажный объект находится в контакте с влажным газом (в основном с воздухом).
Поэтому знание их параметров необходимо при описании процессов сушки и их
расчетах. Основные параметры: влажного тела – влагосодержание и (отношение массы
влаги к массе абсолютно сухой части); влажного газа – температура, влагосодержание
(отношение массы паров к массе абсолютно сухой части), относительная влажность
(отношение массы пара в данном объеме к массе насыщенного пара в том же объеме
при одинаковых условиях), удельная энтальпия, равная сумме удельных энтальпий
абсолютно сухой части и паров, росы точка, температура мокрого термометра
(температура адиабатического насыщения).
Количество
содержащейся в материале воды, выраженное в процентах по отношению к общему
весу материала, называется влажностью материала. Влажность материала, которую
он имеет до сушки, называется начальной влажностью, а влажность материала после
сушки – конечной или остаточной влажностью. Абсолютно сухим называется
материал, совершенно не содержащий влаги. Такие материалы не могут, однако,
существовать длительное время на открытом воздухе, так как увлажняются за счет
содержащихся в воздухе водяных паров до определенного предела, зависящего как
от свойств материала, так и от влажности и температуры окружающего воздуха.
Материалы, влажность которых находится в равновесии с влажностью окружающего
воздуха, называются воздушно-сухими.
Формы связи влаги с
материалом в значительной степени определяют механизм и скорость сушки: чем эта
связь прочнее, тем труднее протекает процесс. При сушке связь влаги с
материалом нарушается. Различают следующие формы связи (в порядке убывания ее
энергии): химическую, физико-химическую, механическую.
Химически связанная влага
(гидратная, или кристаллизационная, влага комплексных соединений) соединена с
материалом наиболее прочно и при сушке обычно удаляется частично или вообще не
удаляется.
Физико-химическая связь
объединяет адсорбционную и осмотическую влагу (например, в коллоидных и
полимерных материалах). Адсорбционно-связанная влага прочно удерживается силами
межмолекулярного взаимодействия на поверхности пор материала в виде монослоя
или несколько слоев. Осмотически связанная влага находится внутри и между
клеток материала и менее прочно удерживается осмотическими силами. Влага этих видов
связи с трудом удаляется при сушке.
Механическая,
или капиллярно связанная, влага подразделяется на влагу макрокапилляров (радиус
более 10-7 мм) и микрокапилляров (менее 10-7 мм). Влага макрокапилляров наименее прочно
связана с материалом и может быть удалена не только при сушке, но и
механически.
Применительно к сушке
влагу классифицируют в более широком смысле на свободную (легко удаляемую) и
связанную (адсорбционную, осмотическую, микрокапилляров). Скорость испарения свободной
влаги из материала равна скорости испарения воды со свободной поверхности
жидкости. Связанная влага испаряется из материала с меньшей скоростью, чем с поверхности
воды.
8. Барботаж. Аппараты
с тарелками.
Барботаж (барботирование)
– процесс пропускания газа или пара через слой жидкости. Газ продавливается
через слой жидкости с помощью труб с мелкими отверстиями (3 – 6 мм), называемых
барботерами, ситчатых или колпачковых тарелок абсорберов и ректификационных
колонн. При барботировании создаётся большая межфазная поверхность на границе
«жидкость – газ», что способствует интенсификации тепло- и массообменных
процессов, а также более полному химическому взаимодействию газов с жидкостями.
Рассмотрим аппараты с
барботажными тарелками. В барботажном режиме работают ситчатые, колпачковые,
клапанные (рис. 5), а также провальные тарелки. Для тарелок первых трех
типов барботаж газа и движение жидкости происходят в условиях перекрестного
тока благодаря равномерно распределенным на плато тарелок их элементам (отверстиям,
колпачкам, клапанам) и наличию переливных устройств (переливных и приемных карманов);
задержка жидкости задается высотой переливной перегородки (10 – 100 мм). Свободное
сечение (суммарная площадь всех отверстий или щелей) для прохода газа составляет
1 – 30%, а площадь, занимаемая переливными устройствами, – около 20% от площади
поперечного сечения колонны. На провальных тарелках реализуется противоточный
контакт фаз.
Ситчатые тарелки (рис.
5, а) имеют перфорированное плато с диаметром отверстий (щелей) 0,8 – 20
мм. Для них характерно динамическое взаимодействие газа с жидкостью, при
котором «провал» отсутствует и реализуется ее переток по плато. При
необходимости отвода (подвода) теплоты над плато устанавливают змеевики.
Колпачковые тарелки (рис.
5, б) имеют колпачки различной формы, снабженные прорезями в виде зубцов,
проходя между которыми, газ (пар) диспергируется, что увеличивает поверхность
его контакта с жидкостью. Эти тарелки также работают в беспровальном режиме и
характеризуются более широким по сравнению с ситчатыми тарелками диапазоном
нагрузок по фазам. Это обусловливает их применение в ряде
химико-технологических процессов, несмотря на повышышенное гидравлическое
сопротивление, значительная металлоемкость и трудоемкость изготовления. Созданы
и используются в некоторых производствах аппараты с одноколпачковыми тарелками.
Клапанные тарелки (рис.
5, в) позволяют изменять свободное сечение установкой на их плато
подвижных круглых или прямоугольных клапанов. Высота их подъема увеличивается с
ростом скорости газа и регулируется спец. ограничителями либо весом клапана.
Провальные тарелки не
имеют переливных устройств, их плато перфорировано круглыми, квадратными и др.
формы отверстиями диаметром 20 – 100 мм. Через эти отверстия периодически или
одновременно проходит газ и стекает жидкость. В результате противоточного
взаимодействия фаз на тарелках поддерживается слой жидкости, достаточный для
обеспечения высокой эффективности аппаратов с такими тарелками. Однако рабочий
диапазон нагрузок по фазам, а также средняя движущая сила массопереноса на провальных
тарелках меньше, чем на тарелках с переливами.
Аппараты со струйными и
струйно-барботажными тарелками. Стремление к созданию тарельчатых аппаратов,
функционирующих при повышенных нагрузках по газу, привело к конструкции
струйных тарелок. Прямоточный или перекрестно-прямоточный контакт фаз на них
осуществляется путем направленного ввода газа при проходе через ситчатое плато
с помощью находящихся на нем чешуек или клапанов, ориентированных в сторону
слива, поэтому выходящий из отверстий с высокой скоростью газ дробит жидкость
на капли и струи, и газо-жидкостной поток транспортируется над плато тарелок к
переливному устройству. Созданы тарелки,
плато которых выполнено из просечно-вытяжного листа с установкой поперек
газо-жидкостного потока отбойников для уменьшения брызгоуноса. Поскольку
газо-жидкостной поток существенно неравномерен (волны, раскачка, локальный
«провал» жидкости, застойные зоны и байпасные потоки), плато тарелок новых
отечественных конструкций секционируют. Различают продольно-поперечное и продольное
секционирование.
Рис. 5.
Барботажные и струйные тарелки: а – ситчатая; б – колпачковая;
в – клапанная; г
– с продольно-поперечным секционированием и двумя зонами контакта фаз (А –
одноэлементная, Б – семиэлементная); д – чешуйчатая с продольным секционированием
жидкостного потока (показана часть плато тарелки). Элементы тарелок: 1 – корпус
аппарата; 2 – плато; 3, 14 – переливная и секционирующая перегородки; 4, 5 –
переливной и приемный карманы;
6, 7 – колпачок
и прорези на нем; 8-патрубок; 9, 10, 11 – клапан и ограничители его посадки и
подъема; 12 – двухщелевое цилиндрическое переливное устройство; 13 – отбойный направляющий
диск; 15 – чешуйки
Тарелки с
продольно-поперечным секционированием (рис. 5, г) имеют две зоны контакта фаз:
барботажную и дополнительную (пленочная зона), создаваемую за счет специально
организованного слива жидкости с одной тарелки на другую (двухщелевое цилиндрическое
переливное устройство с отбойным направляющим диском). Газ после барботажа
контактирует с жидкостью в пленочной зоне. Сепарирующее действие пленки и
увеличенное рабочее плато (отсутствуют приемные карманы) позволяют значительно
интенсифицировать массоперенос и практически удвоить по сравнению с барботажными
тарелками нагрузки по газу. Благодаря развитой длине переливных перегородок
тарелки могут работать при очень высоких нагрузках по жидкости. С помощью
поперечных секционирующих перегородок выделяются самостоятельно функционирующие
элементы тарелок, между которыми возможно перераспределение фаз. Такое
секционирование исключает неравномерность контакта фаз и дает возможность
создавать тарельчатые аппараты для агрегатов большой единичной мощности.
Тарелки с продольным
секционированием (рис. 5, д). Установкой вдоль направления движения жидкости
перегородок достигается секционирование на лоткообразные элементы, между
которыми также могут перераспределяться фазы. На плато тарелок размещены
чешуйки (клапаны), направляющие поток газа перекрестно по отношению к жидкостному
потоку и во взаимно противоположных направлениях в соседних рядах чешуек. На
таких тарелках струйно-направленное взаимодействие фаз сочетается с противонаправленным
контактом струй. Тарелки работают как в струйном, так и в барботажном режимах.
Задание 1
Исходные данные:
Диаметр барабана мельницы м
Длина барабана мельницы м
Размер частиц измельченного продукта м
Размер кусков исходного материала м
Насыпная плотность стальных шаров кг/м3
Решение:
Частота вращения об/мин.
Объем барабана мельницы м3.
Диаметр загруженных шаров м.
Если принять степень заполнения барабана
шарами , то масса загружаемых шаров составит кг.
Учитывая, что ,
определим производительность мельницы по измельченному продукту т/ч.
Потребляемая мощность кВт.
Задание 2
Исходные данные:
Диаметр частиц шарообразной формы м
Плотность материала частиц кг/м3
Плотность жидкой среды кг/м3
Кинематический коэффициент вязкости м2/с
Решение:
Определим критерий Архимеда .
По найденному значению критерия
Архимеда находим значение критерия Рейнольдса по графику .
Тогда скорость
осаждения частиц шарообразной формы м/с.
Задание 3
Исходные данные:
Плотность смеси жидкостей кг/м3
Кинематический коэффициент вязкости м2/с
Частота вращения мешалки с-1
Диаметр аппарата м
Решение:
Определим диаметр мешалки: м.
Критерий Рейнольдса: .
Так как рассчитанная величина
критерия Рейнольдса больше 50, то режим перемешивания –
турбулентный.
Значение критерия мощности определяем
по графику .
Рассчитываем рабочую мощность,
потребляемую мешалкой при установившемся режиме кВт.
Так как мощность в пусковой момент
обычно в 2 – 3 раза превышает рабочую, то запишем кВт.
Учитывая, что
коэффициент полезного действия с передачей и запас
мощности 20%, определим
установочную мощность двигателя кВт.