Нагревание и охлаждение материалов
Нагревание различных отдельно взятых материалов происходит следующими способами: горячей водой, «глухим» и «острым» паром, топочными газами, электрическим током, некоторыми высокотемпературными агентами (перегретая 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 низкокипящих 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 простых (вентиляторы, градирни – рассмотрены в разделе 2.1; теплообменники – в. разделе 3.2) и заканчивая сложными холодильными установками.
|
Рис. 3.1. Аппарат
для нагревания электрическим сопротивлением:
1 – обогреваемый аппарат, 2 – боковые секции нагревательных элементов, 3 – донная секция нагревательного элемента, 4 – футеровка печи, 5 – устройство для опускания футеровки
Рис. 3.2. Печь для нагрева
Жидких продуктов,
работающая на газе:
1 – сопло горелки, 2 – огнеупорная пористая панель, 3 – радиантная часть (змеевик), 4 – конвективная часть (змеевик), 5 – перегреватель, 6 – дымовая труба
Рис. 3.3. Печь для сжигания
Твердых бытовых отходов
в вихревом кипящем слое:
1 – питатель, 2 – печь, 3 – вращающиеся вихревые потоки отходов, 4 – конвейер для удаления шлака, 5 – виброгрохот, 6 – элеватор оборотного песка. Потоки: I – подача твердых бытовых отходов, II – первичный воздух, III – отходящие газы, IV – песок
Теплообменные процессы
Существуют два основных способа проведения тепловых процессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители. Для этого в химической технологии применяются теплообменники различных типов и конструкций, изготовленные из разных металлов, сплавов (углеродистых и легированных сталей, меди, титана) 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), регенеративные (процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника), 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
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 теплоносителя I; 5, 6 – отверстия для теплоносителя II. Потоки: 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
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 – барометрическая труба, 4 – колодец, 5 – гидравлический затвор. Потоки: I – входящие пары и газы, II – несконденсированные 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
Выпаривание
К группе тепловых процессов относится выпаривание – процесс концентрирования жидких растворов путем испарения растворителя при кипении жидкости. В результате растворитель удаляется из всего объема раствора. Концентрированные растворы и твердые вещества, получаемые в результате выпаривания, 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 выпаривания можно получать от любых теплоносителей, однако самым распространенным является водяной (греющий, первичный) пар.
Процессы выпаривания проводятся под вакуумом, при повышенном и атмосферном давлениях. Выбор давления зависит от свойств выпариваемого раствора и возможности использования тепла вторичного пара.
Вторичный пар, отбираемый на сторону, называют экстра-паром. Применение вакуума дает возможность использовать в качестве греющего агента вторичный пар самой выпарной установки, в результате снижается расход первичного греющего пара. Поэтому наиболее распространены многокорпусные выпарные 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
Рис. 3.14. Конструкции выпарных аппаратов:
а – змеевиковый выпарной аппарат, б – выпарной аппарат с внутренней нагревательной камерой и центральной циркуляционной трубой; 1 – корпус, 2 – паровые змеевики, 3 – брызгоуловители, 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 – брызгоуловитель. Потоки: I – исходный раствор, II – греющий пар, III – вторичный пар, IV – упаренный раствор, V – конденсат, VI – промывная вода
Рис. 3.16. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения:
1 – нагревательная камера, 2 – труба вскипания, 3 – сепаратор, 4 – необогреваемая циркуляционная труба, 5 – отбойник, 6 – брызгоуловитель. Потоки: I – исходный раствор, II – первичный пар, III – вторичный пар, IV – упаренный раствор, V – конденсат
МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Массообменные (диффузионные) процессы включают в себя довольно обширную группу технологических процессов химических производств, процессов очистки сточных вод и промышленных выбросов. В них происходит переход 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 растворенного газа из жидкости) или из газообразной фазы в жидкую (конденсация 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).
Адсорбция жидкостей и газов
В различных отраслях химической технологии, а также в природоохранной деятельности (при очистке сточных вод и отходящих газов) широкое применение находят адсорбционные процессы – поглощение газов и жидкостей твердыми пористыми телами. Для проведения адсорбции используются специальные аппараты разных типов: адсорберы с неподвижным, с движущимся зернистым 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 мембранами, 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 рекуперат и вода
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 адсорбции) 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 цилиндрические 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 – подогреватель, 7 – труба для подачи отработанного поглотителя в десорбер, 8 – обогревательная рубашка, 9 – холодильник, 10 – штуцер для отвода в конденсатор смеси паров. Потоки: I – газ или перегретый пар, II – исходная газовая смесь
Абсорбционные процессы
Абсорбция представляет собой процесс поглощения газов жидкостями, при этом поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсорбентом. При абсорбции процесс массопередачи протекает на поверхности соприкосновения фаз, поэтому в аппаратах для поглощения газов жидкостями (абсорберах) должна быть создана развитая поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. По способу образования этой поверхности абсорбционные аппараты условно подразделяются на:
– поверхностные и пленочные (аппараты, в которых поверхностью соприкосновения фаз является зеркало неподвижной или медленно текущей жидкости);
– насадочные (колонны, заполненные твердыми телами различной формы с целью увеличения поверхности соприкосновения фаз);
– барботажные (тарельчатые колонны переливные и провальные, направленное движение и многократное взаимодействие фаз происходит в них с помощью горизонтальных перегородок – тарелок);
– распыливающие (абсорберы, в которых межфазный контакт осуществляется за счет распыливания жидкости в газовом потоке).
Рис. 4.4. Конструкция полого
распыливающего абсорбера:
1 – колонна, 2 – форсунки. Потоки: I – жидкость, II – газ
Рис. 4.5. Абсорбер Вентури:
1 – конфузор, 2 – горловина, 3 – диффузор, 4 – сепарационная камера. Потоки: I – жидкость, II – газ
|
|
Рис. 4.6. Эмульгационная
насадочная колонна:
1 – колонна, 2 – гидравлический затвор, 3 – вентиль, 4 – распределительная тарелка. Потоки: I – жидкость, II – газ
Рис. 4.7. Насадочный абсорбер:
1 – насадка, 2 – опорная решетка, 3 – распределитель жидкости, 4 – перераспределитель жидкости. Потоки: I – жидкость, II – газ
|
|
Рис. 4.8. Оросительный абсорбер:
1 – элемент абсорбера, 2 – сливные пороги. Потоки: I – газ, II – жидкость, III – охлаждающая вода
Рис. 4.9. Абсорбер с восходящим движением жидкой пленки:
1 – трубы, 2 – трубная решетка, 3 – камера, 4 – патрубок для подачи газа, 5 – щель для подачи абсорбента. Потоки: I – газ, II – жидкость, III – охлаждающий агент
|
Рис. 4.10. Пластинчатый абсорбер:
1 – каналы для прохождения газа и абсорбента, 2 – каналы для протекания охлаждающего агента. Потоки: I – газ, II – абсорбент, III – охлаждающая вода
Рис. 4.11. Роторный
центробежный абсорбер:
1 – вращающиеся тарелки, 2 – неподвижные тарелки, 3 – кольцевые ребра. Потоки: I – газ, II – жидкость
Рис. 4.12. Тарельчатая колонна
со сливными устройствами:
1 – тарелка, 2 – сливные устройства.
Потоки: I – жидкость, II – газ
Рис. 4.13. Колпачковая тарелка
с радиальным переливом:
1 – диск, 2 – прокладка, 3 – болты, 4 – опорное кольцо, 5 – колпачки, 6 – периферийные переливные трубки, 7 – центральная сливная трубка
Рис. 4.14. Колпачковая тарелка
с диаметральным переливом:
1 – диск, 2 – опорный лист, 3 – приемный порог, 4 – сливной порог, 5 – сменная гребенка, 6 – перегородка, 7 - колпачки
Рис. 4.15. Ситчатая тарелка:
I – газ, II - жидкость
Рис. 4.16.
Пластинчатая тарелка:
1 – гидравлический затвор, 2 – переливная перегородка, 3 – тарелка, 4 – пластины, 5 – сливной карман. Потоки: I – газ, II – жидкость
Рис. 4.17. Провальные тарелки:
а – дырчатая, б – решетчатая, 1 – тарелка, 2 – отверстия, 3 - щели