Аппаратурное оформление мембранных процессов

Для быстрого и эффективного разделения жидких и газовых смесей необходимо иметь аппараты, которые бы удовлетворили целому ряду иногда противоречивых требований. Важнейшими из них являются следующие:

- большая рабочая поверхность мембран в единице объёма аппарата;

- высокая проницаемость мембран и их избирательность по отношению к компонентам смеси;

- удобство сборки, монтажа и обслуживания;

- герметичность и механическая прочность.

В зависимости от способа укладки мембран аппараты для мембранных процессов делят на аппараты с плоскими мембранными элементами, аппараты с трубчатыми мембранными элементами, аппараты с мембранными элементами рулонного типа и аппараты в виде полых волокон.

Положительной особенностью плоскокамерных элементов является простота их устройства и надёжность в работе. Недостатки связаны с трудоёмкостью изготовления, высокой металлоёмкостью, низкой плотностью укладки мембран в единице объёма, невысокой интенсивностью процесса мембранного разделения.

Преимуществами трубчатых разделительных аппаратов являются: невысокие требования к предварительной очистке разделяемых смесей; более высокая удельная поверхность мембраны в аппарате; лёгкость очистки поверхности мембран от осадков, более интенсивный режим работы.

К достоинствам рулонных элементов следует отнести: высокую плотность упаковки мембран в единице объёма; удобство монтажа и демонтажа разделительного элемента в аппарате; возможность предварительного контроля качества мембранной поверхности. К недостаткам рулонных разделительных элементов относится необходимость тщательной предварительной подготовки разделяемой смеси, что удорожает процесс мембранного разделения.

Основными достоинствами разделительных аппаратов с полыми волокнами являются высокая удельная производительность, простота устройства и эксплуатации, однако и большая стоимость.

Таблица 19.1. Характеристика некоторых установок мембранного разделения жидкостей и газов

Тип разделительного элемента	Производительность куб.м/сутки	Назначение
1. Плоскокамерный	до 6000	Очистка сточных вод, опреснение солёных вод
2. Трубчатый	0,5…120	Микрофильтрация растворов
3. Рулонный	до 3000	Опреснение солёных вод, концентрирование растворов
4. Элемент из волокна	до 1400	Опреснение солоноватых вод, концентрирование и очистка стоков, получение ультрачистой воды

В таблице 19.1. приведена сравнительная характеристика разделительных аппаратов, используемых в мембранной технологии. Выбор того или иного из них решается в каждом конкретном случае в зависимости от природы разделяемой системы, требуемого количества очищенного компонента, степени его чистоты, доступности аппарата и многих других факторов.

20. Технология сварки и резки металлов

Сварка металлов – это технологический процесс получения неразъемных соединений путем создания межатомных сил связи между частицами свариваемых металлов в результате совместной кристаллизации, местной пластической деформации или диффузии атомов. В зависимости от источников энергии различают сварки: химическую, электрическую, механическую.

При химической сварке она осуществляется за счет химической реакции, при электрической за счет энергии электрической дуги или тепловой энергии от прохождения тока по свариваемой детали, при механической, например, за счет энергии трения.

В зависимости от степени нагрева соединяемых мест различают сварку давлением и плавлением. Сварка давлением производится либо в холодном состоянии, либо с предварительным нагревом. Давление обеспечивает взаимную диффузию металла. Сварка плавлением проще и требует более простого оборудования.

В зависимости от способа подачи электродного металла, флюса и перемещения сварочной горелки бывает ручная, полуавтоматическая и автоматическая сварка. Виды сварных соединений и швов: стыковые, нахлесточные, угловые и тавровые. Сварка деталей толщиной 5-10 мм осуществляется за 1 проход и шов называется однослойным. При большей толщине сварку осуществляют за несколько проходов и получают многослойный шов.

20.1. Электродуговая сварка и резка металлов

Приоритет в разработке технологий электродуговой сварки принадлежит русским и советским ученым: В. Петрову, Н. Бенардосу,

Н. Славянову, Е. Патону. При сварке по способу Бенардоса один электрод изготовлен из угля, а другим электродом является свариваемый металл. Сварка осуществляется постоянным током. 99% сварки сейчас осуществляется по способу Славянова, когда одним электродом является плавящийся металлический пруток, другим – свариваемый металл.

В настоящее время 80% сварки осуществляют переменным током. В этом случае дуга горит хуже, чем для постоянного тока, но оборудование менее громоздкое, дешевле в 2-3 раза, расход электроэнергии на 1 кг расплавленного металла в 1,5-2 раза меньше.

При ручной сварке используются электроды с обмазкой. По назначению электроды делятся на 3 класса:

1) для сварки углеродистых и низколегированных сталей (Э38, Э50, Э60);

2) для сварки легированных и высокопрочных конструкционных сталей (Э70, Э85, Э150);

3) для сварки легированных теплостойких сплавов (Э09М, Э-0,5Х2М и др.).

В обозначении после буквы приведена прочность в кг\мм², в буквенно-цифровых обозначениях приведено содержание легирующих элементов аналогично обозначению легированных сталей.

Диаметр электрода при толщине свариваемого металла до 8 мм принимают приблизительно равным толщине свариваемого металла, но не более 5 мм. При толщине более 10 мм выбирают диаметр электрода 5 мм и более. При автоматической сварке наиболее часто применяют разработанную Е.О. Патоном сварку под слоем флюса с помощью устройства, называемого сварочным трактором. Шлаковая корка поверх шва замедляет его охлаждение, что препятствует возникновению 247

внутренних напряжений в шве и короблению свариваемых деталей. Скорость такой сварки до 200 м\час , что приблизительно в 10 раз больше, чем ручной.

Для толстостенных деталей, более 30 40 мм, эффективна электрошлаковая сварка, в которой сварка металла осуществляется за счет теплоты, выделяемой в расплавленном шлаке при пропускании через него электрического тока.

Для защиты шва от воздействия окружающего воздуха применяют различные газы (инертные, либо газы, восстанавливающие окислы, например, водород, метан и др.)

Встречается также атомно-водородная сварка независимой дугой, т.е. горящей между двумя вольфрамовыми электродами, независимо от свариваемых металлов. Водород Н₂ диссоциирует в зоне дуги с поглощением большого количества тепла. Соприкасаясь с более холодным металлом атомарный водород переходит в молекулярное состояние, отдавая тепло 2Н Н₂ +100600 кал\г.

Аргонодуговая сварка производится зависимой дугой в атмосфере аргона. Используется для алюминиевых и магниевых сплавов, нержавеющей стали, меди.

Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа СО₂. Сваривают детали толщиной 0,8мм и более. Полуавтоматическая сварка нашла широкое применение на промышленных предприятиях. Практически на всех предприятиях, серийно выпускающих машиностроительную продукцию, цеха сборки-сварки или участки сварки используют полуавтоматическую сварку. Устройство для полуавтоматической сварки состоит из механизма, обеспечивающего подачу проволоки через шланговый держатель сварочной горелки с соплом, устройства подвода защитного газа в зону сварки. Защитный газ СО₂ подается чаще всего из центральной заводской сети. В качестве источника СО₂ могут использоваться также баллоны. Электродная проволока для обеспечения хорошего электрического контакта имеет, как правило, покрытие из меди. В процессе сварки одновременно включается подача защитного газа и механизма привода электродной проволоки. Этот вид сварки отличается высокой производительностью, хорошим качеством сварного шва, экономичностью, однако, также как и ручная сварка, требует специальных устройств для отсоса и очистки сварочных газов и аэрозолей. Наиболее эффективны однопостовые или многопостовые (до 5-6 рабочих мест) фильтро-вентиляционные установки, например, фирмы «Плимут». Электродуговая резка применима для стали, чугуна, цветных металлов. Резку лучше осуществлять угольным электродом. Можно и металлическим, но этот процесс менее экономичен. При этом применяются дорогие электроды с толстой обмазкой для образования большого количества шлаков.

Электроконтактная сварка, в отличие от электродуговой, является экологически более благоприятной, она экономичнее, легко поддается автоматизации. Отличается более высокой производительностью. Различают следующие виды электроконтактной сварки: стыковая, точечная, роликовая.

Стыковая сварка наиболее часто используется для сваривания арматурных прутков либо аналогичных деталей. В зоне стыка соединяемых деталей их поверхности имеют окислы, прилегание в отдельных точках, что обуславливает высокое электрическое сопротивление. При прохождении через свариваемые детали электрического тока высокой плотности зона стыка нагревается больше всего и доводится до расплавления. При дальнейшей совместной кристаллизации обеспечивается сварка деталей.

Установки для контактной точечной и шовной сварки имеют медные электроды, обеспечивающие низкое электрическое сопротивление. Электроды могут быть выполнены пустотелыми для водяного охлаждения. При точечной сварке между свариваемыми листами в процессе прохождения электрического тока образуется зона расплавленного металла (точка). Точечная и шовная сварки предназначены для тонколистового материала, толщина свариваемого материала может находиться в интервале от 0,2 до 2 мм. За счет локального нагрева металла в зоне сварных точек при точечной сварке коробление конструкции при сварке практически отсутствует. Для формирования герметичного шва применяют шовную сварку.

20.2. Газовая сварка и резка металлов

Источником тепла служит пламя от сгорания газа. Различают 2 вида газовой сварки: сварку плавлением и газопрессовую сварку.

При сварке плавлением расплавляются кромки свариваемых материалов и присадочная проволока. Эти материалы образуют шов. При газопрессовой сварке кромки свариваемых металлов нагреваются и сдавливаются. Этот вид сварки применяется для соединения труб большого диаметра, рельсов, бурового оборудования. Для сварки применяют кислород (О₂), ацетилен (С₂Н₂), который получают из карбида кальция. Горелки бывают инжекторные (всасывающие) и безинжекторные – высокого давления.

При горении в ацетилене в газовом пламени выделяют 3 зоны: ядро, восстановительная зона и факел. Максимальная температура 3500^оС развивается в восстановительной зоне. Газовую сварку применяют в основном для листов до 2-3 мм толщиной.

Газовая резка основана на сгорании металла в струе кислорода и возможна для тех металлов, у которых температура воспламенения ниже температуры плавления, например, стали. Резка осуществляется, например, резаками, имеющими дополнительный канал для подведения режущей струи кислорода.

Для резки чугуна, цветных металлов применяют порошкообразные флюсы, состоящие в основном из железа, которые, сгорая в струе кислорода, повышают температуру в зоне реза настолько, что образующиеся тугоплавкие окислы расплавляются и выдуваются струей кислорода.

20.3. Холодная сварка

Обеспечивает соединение пластичных материалов давлением при комнатной температуре. Применяется для соединения деталей малых (до 1 мм) толщин. Обязательным условием является повышенная частота соединяемых поверхностей и высокий уровень деформации (от 35 до 80 %) соединяемых деталей.

20.4. Ультразвуковая сварка давлением

За счет воздействия ультразвука разрушаются оскислы и пленки на свариваемых поверхностях, поверхности хорошо очищаются. Благодаря этому можно обеспечить прочность соединения без больших деформаций. Не требуется специальная подготовка поверхностей. К преимуществам ультразвуковой сварки следует отнести благополучность процессов с экологической точки зрения. Этот вид сварки характеризуется также малым расходом энергии. Процессы сварки легко поддаются автоматизации. Однако данный вид сварки применим только для малогабаритных изделий с малой массой, т.к. деталям большой массы из-за их инерционности сложно придать колебания с ультразвуковой частотой. На рис. представлена схема ультразвуковой сварки. Деталь, соединенная с рабочим наконечником 3 колеблется относительно неподвижной детали, соединенной с опорой 5, при этом движущаяся деталь прижимается к неподвижной с силой F. Колебания возбуждаются магнитостриктором 1 и через волновод 2 передаются на рабочий наконечник 3. В зоне стыка деталей происходит притирание свариваемых поверхностей и взаимная диффузия атомов свариваемых деталей.

20.5. Электронно-лучевая сварка

Для нагрева и расплавления металла используется энергия, получаемая в результате бомбардировки в вакууме электронами зоны стыка свариваемых деталей. Наличие вакуума обязательно. Т.к. молекула воздуха имеет массу электрона, поэтому после соударения с ней электрон не сможет достичь свариваемых поверхностей. Электронно-лучевая сварка позволяет формировать неразъемные соединения материалов, соединение которых затруднено другими способами, в частности, высокопрочных сталей, стекла, керамики. Основным элементом электронно-лучевой установки является электронная пушка, которая генерирует узконаправленный пучок электронов с высокой кинетической энергией, схема представлена на рис. Этот вид сварки обеспечивает высокое качество швов при низких энергетических затратах, они составляют около 15% от сварки под флюсом. Электронно-лучевая сварка широко применяется в приборостроении, находит применение в космосе.

20.6. Плазменно-дуговая сварка

При сварке металл до расплавленного состояния доводится плазмой. Источником плазмы может быть электрическая дуга. Ионизация газа осуществляется при его пропускании через дугу, горящую между двумя неплавящимися электродами.

20.7. Диффузная сварка

Свариваемые детали нагреваются токами высокой частоты в вакууме до температуры ниже пластического состояния с одновременным приложением сдавливающего усилия. Соединение свариваемых поверхностей происходит за счет взаимной диффузии атомов свариваемых деталей. Возможны также соединения как сталь-алюминий, металл- керамика, сталь- стекло, титан-медь и др.

Неорганическое стекло

Свойства и получение

Стекло рассматривается как особый вид твердого раствора. Стеклообразное состояние является разновидностью аморфного состояния вещества. В процессе охлаждения стекла и переходе из жидкого состояния в твердое, беспорядочная структура, свойственная жидкому состоянию как бы замораживается. Стеклообразующий каркас стекла представляет собой неправильную пространственную сетку, образованную кремнийкислородными тетраэдрами . При частичном замещении Si в тетраэдрах на Al и B образуется сетка алюмосиликатного или боросиликатного стекла.

В зависимости от химической природы стеклообразующего вещества стекла подразделяются на силикатные , алюмосиликатные , боросиликатные , алюмобосиликатные .

По содержанию модификаторов стекла бывают: щелочные (содержат ), бесщелочные и кварцевые.

По назначению делятся на:

1) технические (оптические, светотехнические, электротехнические, химико-лабораторные, приборные, трубные);

2) строительные (оконные, витринные, армированные, стеклоблоки и др.);

3) бытовые (стеклотара, посуда, бытовые зеркала и т.д.).

Технические стекла относятся к алюмоборосиликатной группе и отличаются разнообразием входящих окислителей.

Важнейшими свойствами стекол являются: светопрозрачность, отражение, рассеяние, поглощение и преломление света. Обычное неокрашенное листовое стекло пропускает до 90%, отражает 8% и поглощает 2% видимого и частично инфракрасного света; ультрафиолетовое излучение поглощается практически полностью. Кварцевое стекло является прозрачным для ультрафиолетового излучения. Стекло с большим содержанием поглощает рентгеновское излучение.

Термостойкость стекла характеризует его долговечность в условиях разных изменений температуры. Она определяется разностью температур, которую стекло может выдержать без разрушения при резком охлаждении. Термостойкость стекла вычисляется по формуле Г.М.Бартенева:

К ,

где - разность температур, С, К – коэффициент (при охлаждении всего изделия К=1), -предел прочности при изгибе, - коэффициент Пуассона, - температурный коэффициент линейного расширения, Е - модуль упругости материала.

Для повышения прочности стекло может быть подвергнуто термической обработке. Закалка заключается в нагреве стекла до определенной температуры и последующим быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. При этом статическая прочность увеличивается в 3-6 раз. Ударная вязкость в 5-7 раз.

Термохимическое упрочнение основано на глубоком изменении структуры стекла и свойств его поверхности. Стекло подвергается закалке в подогретых кремнийорганических жидкостях, в результате чего на поверхности образуется полимерная пленка, этим достигается дополнительное упрочнение. Повышение прочности и термостойкости можно получить травлением закаленного стекла плавиковой кислотой, в результате чего удаляются поверхностные дефекты, являющиеся концентраторами напряжений.

Применение технических стекол. Для остекления транспортных средств используют преимущественно триплексы, термоплан и закаленные стекла. Оптические стекла, применяемые в оптических приборах и инструментах, подразделяются на кроны, отличающиеся малым преломлением, и флинты – с высоким содержанием оксида свинца и большими значеньями коэффициента преломления. Тяжелые флинты не пропускают рентгеновское и излучение.

Стекла, содержащие оксиды железа и ванадия, поглощают около 70% инфракрасного излучения в интервалах длин волн 0,7-3 мкм. Они применяются для остекления помещений в регионах с жарким климатом, а также для остекления кабин и помещений где находятся пульты управления мартеновскими и дуговыми печами, прокатных станов и подъемных кранов в литейных цехах.

Кварцевое стекло вследствие высокой термической и химической стойкости применяют для изготовления тиглей, лабораторной посуды. трубопроводов и т.д.

Электропроводящие (полупроводниковые) стекла: халькогенидные и оксидные ванадиевые, находят применение в качестве термисторов и фотосопротивлений.

Стекло и изделия из него.

Строительное стекло бывает; листовое – оконное и витринное (полированное и неполированное), армированное, узорчатое, свето- и теплозащитное с электрообогревательной поверхностью; конструктивно-строительные элементы из стекла (черепица, стеклопакеты и др.) архитектурно-художественное стекло – мозаика, облицовочная плитка, смальта и др.; тепло- и звукоизоляционное стекло – пеностекло, стекловолокнистые изделия; стекло для сантехизделий, отопительные устройства, сантехизделия; детали для мебели, осветительной аппаратуры и др.

Сырье для производства строительного стекла.

Состоит из главных (стеклообразующих) и вспомогательных материалов. Главные материалы: кварцевый песок, глинозем, сода, сульфат натрия, мел, доломит, известняк и др. Они при сплавлении образуют стекломассу, состоящую из: -кремнезем, - глинозем. Температура плавления -1713 С, - 2050 С. Для введения СаО применяют главным образом известняк и мел. СаО обеспечивает требуемую вязкость стекла. (щелочи) снижают температуру варки стекла. Вспомогательные вещества обеспечивают стеклу: цветность, обесцвечиваемость, глушители (для придания стеклу способности рассеивать световые лучи), осветители (для удаления пузырьков воздуха).

Технологический процесс производства стеклянных изделий состоит из следующих основных этапов:

1) подготовка сырьевых материалов и приготовление шихты;

2) варка стекла;

3) формование изделия;

4) отжиг (медленное охлаждение).

Сырье поступает на завод в виде кусков, которые предварительно дробят, сушат, тонко измельчают, просеивают через сито с размером отверстий 0,7 0,8 мм. Затем перемешивают компоненты и получают шихту.

Шихту нагревают до расплавления и превращают в стекломассу, которая очищается от пузырьков, усредняется и затем охлаждается. При этом доводится до пластического состояния, что позволяет формовать различные изделия.

Температура плавления - 1500 С. Плавят стекло в ванных печах горелками непрерывного действия. Бассейн огромный; l 30м, b=6 м, h=1,2 1,5 м, V=2500. Суточная производительность 350т.

Охлаждение должно быть медленным, чтобы не возникали внутренние напряжения.