Ёмкости и резервуары для хранения нефтяных продуктов

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 1 ОГЛАВЛЕНИЕ БЛОК 1 – ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ........................................................ 3 Лекция №1. ЁМКОСТИ И РЕЗЕРВУАРЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ПРОДУКТОВ ................................................................................................................ 3 Лекция №2. КОМПРЕССОРЫ .................................................................................. 14 Лекция № 3. НАСОСЫ. ............................................................................................. 25 Лекция № 4. ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА ................................................... 39 БЛОК 2 – ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ .................................................................. 53 Лекция № 5. ТЕПЛООБМЕННИКИ......................................................................... 53 Лекция № 6. ТЕПЛООБМЕННИК «ТРУБА В ТРУБЕ». ........................................ 75 Лекция № 7. ГРАДИРНИ .......................................................................................... 79 Лекция № 8. ПЕЧИ ..................................................................................................... 86 БЛОК 3 – МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ................................................. 96 Лекция № 9. ПЕРЕГОНКА ........................................................................................ 96 БЛОК 3 – МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ............................................... 107 Лекция № 10. СУШКА. Часть 1.............................................................................. 107 Лекция № 10. СУШКА. Часть 2.............................................................................. 114 Лекция № 10. СУШКА. Часть 3.............................................................................. 119 Лекция № 11. ЭКСТРАКЦИЯ ................................................................................. 137 Лекция № 12. АБСОРБЦИЯ .................................................................................... 144 Лекция № 13. АДСОРБЦИЯ ................................................................................... 155 2 БЛОК 1 – ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ Лекция №1. ЁМКОСТИ И РЕЗЕРВУАРЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ПРОДУКТОВ ПРОМЫШЛЕННЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ: ВИДЫ И ПРИМЕНЕНИЕ Резервуа́р происходит от слова «резерв» (фр. réserve от лат. reservare — сберегать, сохранять) — сосуды, предназначенные для приёма, хранения, технологической обработки и отпуска нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов, жидкого аммиака, технического спирта и других жидкостей. Часто понятие «резервуар» подменяется понятием «емкость». На практике, если хранение является долгосрочным, то более применим термин «резервуар». Существует несколько различных классификаций резервуаров и емкостей, каждая из которых имеет свои особенности. Например, в зависимости от своего расположения, резервуары могут быть: Наземными (надземными – на дополнительных опорах), когда весь резервуар находится на поверхности земли. Полуподземными, когда основная часть цистерны находится в земле, а наружу выходит только горловина. Полностью подземными, предназначенными для более долгого хранения и экономии свободного места. Одной из главных классификаций является тип материала, из которого выполнены резервуары. В зависимости от него, их можно разделить на каркасные и мягкие. Если же говорить более подробно, то резервуары могут быть: Железобетонные, имеют большую массу, сложность монтажа и установки, а также недостаточную герметичность стенок через которые происходит просачивание жидкостей. Непроницаемость таких емкостей достигается путем 3 увеличения толщины стенок и покрытия внутренних поверхностей гидроизоляцией. Металлические, производят из пластичной низкоуглеродистой стали, нержавеющей стали и алюминия. Основной недостаток обычных стальных емкостей и резервуаров — это ограниченный срок службы, подверженность нарушению герметичности сварных швов в процессе эксплуатации и низкая стойкость материала к коррозии. Неметаллические, материалом служит полиэтилен высокого и низкого давления, поливинилхлорид, полипропилен, композитные материалы. К достоинствам емкостей из синтетических материалов относится долговечность, малая масса и удобство монтажа и эксплуатации. К недостаткам резервуаров из полимеров можно отнести низкую термостойкость и низкую сопротивляемость повышенному давлению. Оборудованные в природных условиях, то есть те резервуары, при создании которых использовались природные пустоты, будь то шахты или что-либо ещё. С точки зрения назначения емкостей и резервуаров принципиальное значение имеет вид жидкости, которая будет хранится. По виду хранимого продукта емкости и резервуары подразделяются на: резервуары для хранения воды, резервуары для пищевых жидкостей, резервуары для нефти и нефтепродуктов, резервуары для сжиженных газов, резервуары для химических продуктов и др. Нефтяные резервуары или емкости для хранения нефти и нефтепродуктов подразделяются на: Емкости для хранения светлых нефтепродуктов или легковоспламеняющихся жидкостей. Емкости для хранения темных нефтепродуктов, таких как мазут, битум, масла. Резервуары для хранения, например, битума имеют особую конструкцию, мощные обогревательные системы и повышенную теплоизоляцию. По целям применения емкости и резервуары делятся: резервуары для длительного хранения - это самый распространенный вид резервуаров. Их основное назначение - хранить без каких-либо изменений, в первую очередь без потери качества, тот тип жидкости, для которой они 4 предназначены, а также иметь удобные устройства для залива и отпуска жидкости при необходимости. резервуары – отстойники – это особый тип емкости, открытого или закрытого типа, в которых происходит удаление из жидкости различных примесей, как правило механических. Во время нахождения жидкости в емкости - отстойнике, удаляемые частицы могут либо всплывать на поверхность, либо оседать на дно емкости с перемешивающими устройствами – широко используется на обогатительных фабриках горной, химической и пищевой промышленности. Постоянное перемешивание продукта необходимо для ускорения химических реакций или подержания раствора в определенном состоянии, емкости для непрерывного выполнения технологических операций – промежуточные емкости для временного хранения различных жидкостей в процессе их переработки на технологических установках, емкости для транспортировки – как и в резервуарах для длительного хранения, жидкость в емкостях для транспортировки должна оставаться в неизменном состоянии. Принципиальное отличие лишь в том, что последние подвижны, это ж.д. и автомобильные цистерны, различные баки. По величине избыточного давления резервуары делятся на: резервуары низкого давления, давление в которых мало отличается от атмосферного; резервуары высокого давления. По температурному режиму хранения и эксплуатации резервуары подразделяют на: используемые при температуре окружающего воздуха; эксплуатируемые с дополнительным подогревом хранимого продукта (для вязких нефтепродуктов); изотермические резервуары, используемые для хранения продукта при отрицательных температурах (сжиженные газы). Ещё одним различием можно считать саму форму резервуара, которая бывает следующих видов: Цилиндрическая (вертикальная или горизонтальная) – самый популярный вариант, обеспечивающий возможность создании резервуара практически любой вместительности и не требующая особых усилий при обслуживании. 5 Сферическая – более специфичный тип ёмкости для хранения нефти и нефтепродуктов, сжиженных газов, отличающийся круглой формой и необходимостью создания специальной конструкции для установки. Каплевидная. Подобная форма резервуара относится к тем вариантам, которые созданы из так называемых мягких материалов. При создании каплевидных ёмкостей не используется каркас, что позволяет оборудовать такой резервуар практически в любом месте, однако требует и большего внимания при создании и уходе. СТАЛЬНЫЕ РЕЗЕРВУАРЫ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Вертикальные резервуары – это один из наиболее широко распространенных типов резервуаров. Их назначение заключается в приеме, хранении и последующей отдаче жидкого сырья. Преимущества вертикальных резервуаров: экономия площадей; возможность установки резервуаров больших объемов; обеспечение естественного давления в случае забора сырья через нижний клапан. Изготавливаются со щитовым коническим или сферическим покрытием. Покрытие монтируется из готовых щитов, выполненных из листовой стали толщиной 2,5 мм. Пояса корпуса резервуара имеют толщину 4 – 10 м (снизу-вверх). Резервуары с коническим покрытием (рисунок 1) сооружают объемом 100 – 5000 м3, причем в центре резервуаров (за исключением резервуаров объемом 100 и 200 м3) устанавливают центральную стойку, на которую опираются щиты покрытия. Резервуары со сферическим покрытием (рисунок 2) сооружают объемом 10 000, 15 000 и 20 000 м3. Щиты покрытия по контуру опираются на кольцо жесткости, установленное на корпусе резервуара. Толщина листов стенки резервуара (считая снизу-вверх) 6 –14 мм. Толщина листов покрытия – 3 мм. 6 Рисунок 1 – Резервуар объемом 5000 м3 с коническим щитовым покрытием: 1 – корпус; 2 – покрытие; 3 – опорная стойка; 4 – лестница; 5 – днище Рисунок 2 – Резервуар объемом 20 000 м3 со сферическим покрытием На рисунке 3 показано оборудование резервуара для нефти (светлых нефтепродуктов), оснащенного сливно-наливными, а также дыхательными и замерными устройствами. На резервуаре устанавливают следующее оборудование. Клапан дыхательный. Предназначен для регулирования давления паров нефтепродуктов в резервуаре в процессе закачки или выкачки нефтепродуктов, а также при колебании температуры. Изменение давления паров нефтепродуктов в резервуаре в процессе закачки или выкачки нефтепродукта называется большим «дыханием», а при колебании температуры — малым «дыханием» резервуара. Клапан предохранительный. Применяют обычно с гидравлическим затвором, служит для регулирования паров нефтепродуктов в резервуаре при неисправности дыхательного клапана или если сечение дыхательного клапана окажется недостаточным для быстрого пропуска газов или воздуха. Прибор для замера уровня. Пробоотборник. Предназначен для полуавтоматического отбора проб по всей высоте резервуара через специальные клапаны. Люк-лаз. Предназначен для внутреннего ремонта, осмотра и очистки резервуара. Кран сифонный. Предназначен для выпуска подтоварной воды из резервуара. Люк световой. Установлен на крыше резервуара для проветривания и освещения. 7 Пено генератор. Предназначен для подачи пены при тушении пожара в резервуаре. Пено генератор устанавливают стационарно на стальных вертикальных резервуарах (с понтоном или без) объемом 5000 м3 и более для хранения нефти и нефтепродуктов. При помощи этих установок воздушно-механическая пена подается в резервуары со стационарной крышей (с понтоном или без него) из расчета покрытия пеной всей площади зеркала продукта, а в резервуары с плавающей крышей — из расчета кольцевого пространства между стенкой резервуара и металлической диафрагмой плавающей крыши. Механизм управления хлопушкой с перепуском. Обеспечивает открывание и закрывание хлопушки. Кроме того, он удерживает ее в открытом положении. Управление хлопушкой ручное или автоматическое. Хлопушка с перепуском. Предназначена для предотвращения потерь нефтепродуктов в случае разрыва трубопровода или выхода из строя резервуарной задвижки. Рисунок 3 – Оборудование резервуара объемом 20 000 м3 для нефти: 1,2 – дыхательный и предохранительный клапаны; 3 – прибор для замера уровня; 4 – пробоотборник; 5 – сигнализатор уровня; 6 – люк-лаз; 7, 11 – монтажные люки; 8 – сифонный кран; 9 – световой люк; 10 – пеногенератор; 12 – механизм управления хлопушкой с перепуском; 13 – хлопушка с перепуском; 14 – размывающая головка; 15 – приемораздаточная труба Плавающий понтон применяется в резервуарах со стационарным покрытием с целью снижения потерь легкоиспаряющихся нефтепродуктов. Понтон, плавающий на поверхности жидкости, уменьшает площадь испарения. Потери снижаются в 4-5 раз. Понтон представляет собой диск с поплавками, которые обеспечивают его плавучесть. Между понтоном и стенкой резервуара оставляют зазор шириной 100300 мм во избежание заклинивания понтона (вследствие неровностей стенки). Различают металлические и пенопластовые понтоны. Понтон оснащен опорами, на которые он опирается в нижнем положении. Понтоны сооружают в резервуарах со стационарными крышами. 8 Резервуары с плавающей понтонной крышей не имеют стационарного покрытия, а роль крыши у них выполняет диск из стальных листов, плавающий на поверхности жидкости. Для создания плавучести по контуру диска располагается кольцевой понтон, разделенный радиальными переборками на герметические отсеки (коробки). Зазор между крышей и стенкой для большей герметичности выполняют из прорезиненных лент (мембран), которые прижимаются к стенке рычажными устройствами. Для осмотра и очистки плавающей крыши предусмотрена специальная катучая лестница. Она одним концом опирается через шарнир на верхнюю площадку резервуара, а вторым концом двигается горизонтально по рельсам, уложенным на плавающей крыше. Дождевая вода, попадающая на плавающую крышу, стекает к центру крыши и через отводящую трубу выводится через слой продукта и нижнюю часть резервуара наружу канализационную сеть. Резервуары с плавающей крышей строят преимущественно в районах с малой снеговой нагрузкой, так как скопление снега на крышах усложняет его удаление. Резервуар с понтоном отличается от резервуара с плавающей крышей наличием стационарной кровли и отсутствием шарнирных труб и водостоков с обратным сифоном, предназначенных для удаления воды с поверхности плавающей крыши. Резервуары с понтонами распространены в северных районах и в средней полосе; резервуары с плавающей крышей преимущественно в южных районах. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ Горизонтальные цилиндрические резервуары предназначены для хранения нефтепродуктов под избыточным давлением (до 0,2 МПа) и сжиженных газов (под давлением до 1,8 МПа и более). В таких резервуарах при понижении температуры возможен вакуум (до 0,1 МПа). Вместимость резервуаров для хранения нефтепродуктов - до 100 м3, для сжиженных газов - до 300 м3. Длина корпуса резервуаров может быть от 2 до 27 м, толщина стенки 3– 36 мм, диаметр 1,4 – 4 м. Достоинством габаритных горизонтальных резервуаров являются простота конструктивной формы, поточное изготовление на заводах и перевозка в готовом виде, удобство надземной и подземной установки. К недостаткам относятся необходимость устройства специальных опор и сравнительная сложность замера продукта. 9 Корпус горизонтального резервуара состоит из нескольких листовых обечаек (металлических колец), каждая обечайка - из одного или нескольких листов, свальцованных на цилиндрических валках, или из ленты горячекатаной рулонной стали. Ширину листов принимают в пределах 1500 – 2000 мм. Рисунок 4 – Горизонтальный цилиндрический резервуар 1- штуцер для загрузки; 2 – лаз для осмотра; 3- кольца жесткости; 4 – штуцер для вентиляции; 5 – опорная диафрагма; 6 - заземление; 7 - лестница; 8 – штуцер для забора; 9 – щель в уголке; 10 - стойка Днища горизонтальных цилиндрических резервуаров, предназначенных для хранения жидкостей, в зависимости от величины давления и диаметра резервуара применяются плоскими, коническими, цилиндрическими, сферическими или эллипсоидальными (рисунок 4). Рисунок 5 – Типы днищ горизонтальных цилиндрических резервуаров а) плоские; б) конические; в) цилиндрическое; г) сферическое; д) эллипсовидное Плоские днища просты в изготовлении, но весьма деформативны и требуют усиления ребрами, поэтому их применение целесообразно для резервуаров небольших объемов (до 100 м3) и избыточного давления до 40 кПа. Для резервуаров такого же объема при избыточном давлении до 50 кПа применяются конические 10 пологие днища. В резервуарах объемом 75–150 м3 при избыточном давлении в пределах 70¸150 кПа применяют цилиндрические днища, образуемые вальцовкой на цилиндрических валках плоской ромбической заготовки. При давлении до 200 кПа днища делают сферического или эллипсоидального очертания путем горячей штамповки листов на специальных прессах. Эллипсоидальные днища имеют более плавный переход от днища к стенке, поэтому являются более надежными в эксплуатации (местные напряжения по линии сопряжения их с корпусом сглажены). СФЕРИЧЕСКИЕ РЕЗЕРВУАРЫ Сферические резервуары предназначены для хранения сжиженных газов под высоким избыточным внутренним давлением (до 250 кПа). Объем их колеблется от 600 до 4000 м3. Рисунок 6 – Сферический резервуар. Общий вид Сферические резервуары более сложны в изготовлении, чем цилиндрические. Сферические резервуары опираются на кольцевую опору или на систему стоек, выполняемых из труб или двутавров, причем опирание на стойки более целесообразно, так как обеспечивает большую свободу температурных деформаций. Стойки приваривают к оболочке и соединяют между собой связями, обеспечивающими их пространственную жесткость. Градуировка резервуаров При использовании резервуаров в промышленности и коммерческой деятельности постоянно требуется вести учет по расходу и остаткам хранимого продукта. С этой целью проводится градуировка резервуара. 11 Градуировка резервуара – операция по установлению зависимости вместимости резервуара от уровня его наполнения, выполняемая организациями национальной (государственной) метрологической службы или аккредитованными на право поверки метрологическими службами юридических лиц при выпуске из производства или ремонта и при эксплуатации. Основными документами, регламентирующими эти работы, являются ГОСТ 8.570-2000 и ГОСТ 8.346-2000. Первоначально градуировку проводят после изготовления резервуара, и по результатам выполнения этих работ составляется градуировочная таблица резервуара, с указанием срока ее действия. Градуировочная таблица - зависимость вместимости от уровня наполнения резервуара при нормированном значении температуры. Таблицу прилагают к свидетельству о поверке резервуара и применяют для определения объема жидкости в нем (пример на рисунке). Данные внесенные в эту таблицу сохраняют свою актуальность в течении некоторого промежутка времени. Естественный износ, донные отложения, вмятины и выпуклости вызывают изменения внутреннего объема резервуара. Вследствие этого есть необходимость постоянной корректировки данных градуировочной таблицы. Периодичность градуировки резервуаров производится на основе графика составленного и утвержденного на предприятии, но не позже срока использования градуировочной таблицы. Основаниями для проведения внеочередной градуировки резервуара являются изменения в его конструкции, ремонт, зачистка и возможные внешние механические воздействия, вызвавшие изменения объема. 12 В зависимости от объема, при определении количества хранимого продукта в градуировочной таблице допускаются относительные погрешности от фактического объема: ±0.2% для объемов 100 – 3000 м³; ±0.15% для объемов 3000 – 5000 м³; ±0.1% для объемов 5000 – 50 000 м³. 13 Лекция №2. КОМПРЕССОРЫ КОМПРЕССОРЫ (поршневые) Компрессоры – это машины, предназначенные для сжатия газов и перемещения их к потребителям по трубопроводным системам. Компрессоры, применяемые для отсасывания газа из емкостей с вакуумом, сжимающие газ до атмосферного или несколько большего давления, называют вакуум-насосами. Компрессоры поршневые - являются наиболее распространенными в хим. промышленности. Различают компрессоры простого и двойного действия; горизонтальные, вертикальные, угловые; U, W- образные, звёздообразные; воздушные, азотные, аммиачные, кислородные, хлорные, фрионовые, стационарные, передвижные. Основными параметрами, характеризующими работу компрессора, являются объемная подача Q (исчисляется обычно при условиях всасывания), начальное р и 1 конечное p давления или степень повышения давления e =р /р , частота вращения 2 2 1 n и мощность N на валу компрессора. Отношение конечного давления p2, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению p1, при котором происходит всасывание газа, называется степенью сжатия (е = р2/р1) В зависимости от величины степени сжатия различают следующие типы компрессорных машин: − вентиляторы (р2/р1 <1,1) – для перемещения больших количеств газов; − газодувки (1,1<р2/р1 <3) – для перемещения газов при относительно высоком сопротивлении газопроводящей сети; − компрессоры (р2/р1>3) – для создания высоких давлений; − вакуумные насосы (р2/р1≈20) – для создания вакуума. По принципу действия компрессорные машины делятся на поршневые, ротационные, а лопастные на центробежные и осевые. В поршневых машинах сжатие газа происходит в результате уменьшения объема, в котором заключен газ, при возвратно-поступательном движении поршня. Сжатие газа в ротационных машинах обусловлено уменьшением объема, в котором заключен газ, при вращении эксцентрично расположенного ротора. 14 В центробежных машинах сжатие газа происходит под действием инерционных сил, возникающих при вращении рабочего колеса. В осевых машинах газ сжимается при движении его вдоль оси рабочего колеса и направляющего аппарата. В химической промышленности применяют также струйные компрессоры и вакуум-насосы, по устройству подобные струйным насосам для перемещения жидкостей. В струйных компрессорах и вакуум-насосах отсасывание и сжатие газов осуществляется за счет кинетической энергии струи вспомогательной жидкости или пара. Поршневая компрессионная установка представляет собой компрессор объемного действия, оснащенный поршневой системой сжатия. Данный тип компрессоров одним из первых стал применяться на производстве, сейчас агрегаты активно используются как в промышленном производстве, так и в полупромышленных и бытовых целях. Поршневой компрессор сжимает и подает воздух или жидкости, такие как масла, хладагент и прочее под давлением. Поршневые компрессоры можно чаще всего видеть там, где применение связано с высоким давлением. Основные элементы конструкции поршневого компрессора представлены рабочим цилиндром, поршнем, клапанами (нагнетательным и всасывающим), которые находятся в крышке цилиндра. Требуемое давление среды в компрессоре данного типа создается посредством поступательных движений поршня. Кривошипно-шатунный механизм в совокупности с коленчатым валом заставляют поршень совершать возвратно-поступательные движения. Компрессоры данного типа могут быть оснащены одним или несколькими цилиндрами, которые располагаются горизонтально/вертикально/V-/W-образно. Данные агрегаты могут быть одинарного действия или двойного (если поршень работает обеими сторонами), а также различаться по типу сжатия: многоступенчатого или одноступенчатого. В оборудовании такого типа, как правило, предусмотрено автоматическое регулирование производительности, с целью обеспечить постоянный уровень давления в трубопроводе. Самый простой способ регулировки — это изменить частоту вращения вала компрессора. 15 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЦИЛИНДРОВ С Принцип функционирования поршневой компрессорной установки достаточно несложный. Классическая модель агрегата состоит из корпуса (выполненного из чугуна), цилиндра (расположенного горизонтально/вертикально/под наклоном), поршня, клапанов (всасывающего и нагнетательного). В состав компрессоров поршневых входит рабочий цилиндр и поршень, клапаны (всасывающий с нагнетательным), которые находятся в крышке цилиндра. Чтобы сообщить возвратно-поступающие движения поршню, в работу подключается кривошипно-шатунный механизм с коленчатым валом. Поршень заводит прямой привод кривошипно-шатунного механизма, и при возвратно-поступательных движениях сжимает воздух атмосферы, а затем 16 выталкивает его в область подсоединенной магистральной линии. Ниже приведена схема работы поршневого компрессора: Один оборот вала принимается обычно за два хода поршня. В каждом цилиндре при одном обороте вала успевает совершиться полный рабочий цикл компрессора. При ходе поршня вправо в конденсаторе над поршневым пространством образуется разрежение, пары хладагента через клапан всасываются в цилиндр. При ходе поршня назад пары сжимаются, давление нарастает. Всасывающий клапан закрывается, сжатые пары выталкиваются в конденсатор, выталкиваются через нагнетательный клапан. Затем поршень меняет направление движения, нагнетательный клапан закрывается, а компрессор снова отсасывает пары из испарителя. Весь рабочий процесс повторяется циклами снова и снова. Свободное пространство, которое образуется в полости цилиндра при опускании поршня, разряжает воздух. Образующийся перепад давления открывает впускной клапан, который позволяет воздуху войти в камеру, где происходит его сжатие. После пересечения поршнем точки поворота, соответствующей максимальному объему камеры сжатия, происходит закрытие впускного клапана, вслед за чем происходит рост давления воздуха. Чем меньше объем камеры, тем больше давление воздуха. При достижении заданных пределов, открывается нагнетательный клапан. Сжатый воздух покидает в этот момент полость камеры. С целью снижения износа цилиндровых стенок и поршня в узел цилиндра подают масло, что ведет к ухудшению качества подаваемого воздуха, к которому подмешиваются мелкие частички масла. Поэтому в случае использования технологией производства чистого воздуха, необходимо установить сепаратор для масла в линии подачи. Сепаратор помогает убрать из воздушного потока частички масла. Применяемые на заводах и промышленных предприятиях поршневые компрессоры не должны работать по одному, их приобретают обычно по два. При нормальном рабочем режиме один из них в резерве, может находиться на техническом обслуживании или в ремонте, а второй, естественно, будет служить в целях своего промышленного назначения. ОСНОВНЫЕ ДЕТАЛИ И КОНСТРУКТИВНЫЕ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ ОСОБЕННОСТИ 17 Поршневые компрессорные установки представляют собой наиболее распространенный вид оборудования, который способен сжимать воздух. Принцип работы заключается в том, что цилиндр засасывает определенное количество воздуха, который затем сжимает поршень при движении. Для сжатия, возможно, использовать обе стороны поршня (так называемый принцип двойного действия). Двухступенчатая поршневая компрессорная установка производит воздух с высокими показателями качества и активно применяется в производственных процессах, где существуют строгие требования к соблюдению технологий. Ключевыми составляющими конструкции поршневого компрессора являются поршень, цилиндр, камера, коленчатый вал, кривошипно-шатунный механизм, клапаны (впускной и выпускной), а также привод (электрический, бензиновый или дизельный). Конструкция данных компрессоров является простой, ремонт и замена запасных частей доступной. Тем не менее, такое оборудование нуждается в регулярной профилактике. ТИПЫ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ В настоящее время на рынке представлено большое разнообразие модификаций поршневых компрессоров. Существует множество моделей одноступенчатых, многоступенчатых компрессоров, одностороннего, двустороннего всасывания, сальниковых и бессальниковых агрегатов и пр. Ряд поршневых компрессоров необходимо смазывать минеральными маслами, другие в этом не нуждаются. Основные модели поршневых компрессорных установок можно классифицировать по типу привода, уровню конечного давления, количеству ступеней сжатия и виду исполнения. Можно выделить следующие типы поршневых компрессоров: одинарного (бескрейцкопфные) или двойного действия (крейцкопфные); масляные и безмасляные (сухого трения или сухого сжатия); горизонтальные, вертикальные, угловые по расположению цилиндров по количеству ступеней – многоступенчатые, одноступенчатые. с различным количеством цилиндров. По типу привода компрессоры делятся на установки: 18 с прямым приводом (обеспечивают существенную экономию электрической энергии, демонстрирует более низкий уровень шума относительно агрегатов с ременным приводом, и имеют более высокий показатель КПД); с ременным приводом (демонстрируют меньшие динамические нагрузки при запуске благодаря проскальзыванию ременной передачи). По уровню давления на выходе поршневые компрессоры делятся на агрегаты низкого давления (диапазон от 5 до 12 бар), среднего (диапазон от 2 до 100 бар) и высокого (диапазон от 0 до 1000 бар). По количеству ступеней сжатия поршневые компрессорные установки бывают многоступенчатыми, двухступенчатыми и одноступенчатыми. В компрессорах многоступенчатого сжатия важно не допускать чрезмерного повышения температуры сжимаемого газа (не более 180 °С), так как существует опасность взрыва и возгорания. По виду исполнения данные агрегаты делятся на стационарные установки и мобильные (передвижные). Материал корпуса - чугун. В корпусе расположены цилиндр и картер. Коленчатый вал находится в картере. Масло для смазки деталей заливают в нижнюю часть картера. В подшипниках находятся коренные шейки коленчатого вала. Сальник как уплотнение шейки вала от утечки хладагента. Маховик напрессован на шейке вала. Вращение от электродвигателя через ременную передачу. Поршневой компрессор в разрезе 19 Шатун и поршень соединяют поршневым пальцем. Движение поршня до крайнего положения цилиндров на значение 2-го радиуса кривошипа. Уплотнение поршня: кольца. Пары хладагента не попадают в картер. Всасывающий и нагнетательный клапан в камерах на головке цилиндра. Назначение: перекрывают отверстия между камерой и цилиндром. Подсоединение испарителя с всасывающим трубопроводом, конденсатор с нагнетательным трубопроводом. По виду расположения в установке цилиндров поршневые компрессоры подразделяют на вертикальные, горизонтальные и угловые. Вертикальное расположение W-образное расположение (дифференциальный) V-образное расположение Ступенчатый поршень Преимущества и недостатки компрессоров поршневого типа. 20 Наиболее востребованным является поршневое компрессорное оборудование с показателем производительности в пределах 100 куб. м/ мин. Это объясняется целым рядом преимуществ перед аналогами. Данное оборудование отличается экономичностью, надежностью, несложностью конструкции и простотой в ремонте. Поршневые компрессоры хорошо справляются с частыми переключениями, отлично подходят для эксплуатации с перерывами, работы в неблагоприятных условиях (при высоком уровне влажности, грязном воздухе и т.п.). Данный тип агрегата может запускаться в работу с любого уровня изначального давления и при этом получать давление на выходе до 1000 бар и выше. Поршневое компрессионное оборудование также способно сжимать любые типы газов (в том числе агрессивные, ядовитые и взрывоопасные) и является наиболее оптимальным решением для работы на объектах, где необходимы небольшие объемы сжатого воздуха. Преимущества: низкая цена; облегченное конструктивное исполнение; ремонтопригодность и продолжительный срок работы после ремонта; увеличение работоспособности за счет сервисного обслуживания через 500 рабочих часов; экономичность; достаточно высокая производительность; способность поддерживать сравнительно долго низкую производительность на одном уровне; сравнительно легко функционирует в периодическом режиме, при частом включении и выключении агрегата. Недостатки, присущие компрессору поршневого типа: поршневой компрессор сильно шумит и вибрирует во время работы, для его размещения необходимо отдельное помещение, оснащённое прочным бетонным фундаментом; низкая производительность (до 5 куб. м воздуха в минуту); ограниченная область использования вследствие низкой производительности; высокая энергетическая затратность; часто осуществляемое техническое обслуживание: максимальный интервал межу обслуживаниями составляет 500 часов работы; для проведения обслуживания или ремонта требуется несколько специалистов. 21 Применение поршневых компрессоров Компрессоры поршневого типа используются повсеместно и в профессиональной сфере, и в быту. Как нагнетатели воздуха, они обеспечивают работу пневматических устройств, например, пневматических гайковертов, краскопультов и др. Их применяют для подкачивания шин на станциях техобслуживания. Поршневой компрессор со своей простой конструкцией представляет собой наиболее распространенный вид компрессорного устройства на сегодня. Благодаря своим техническим параметрам компрессоры данных типов применяют во многих сферах промышленности: в машиностроении, пищевой области, химической и других сферах промышленности. Компрессоры поршневого типа используют для пневмооборудования, которое не требует высокого расхода сжатого воздуха в минуту. Компрессоры данного типа незаменимы также для получения высоких показателей давления сжатого воздуха. Удобны они в использовании, когда планируются частые остановки и, соответственно, частые запуски оборудования. Иными словами, они устойчивы к переходным процессам, как включения / выключения компрессорного оборудования. Компрессоры данного типа несравненно показали себя в отрицательных эксплуатационных условиях (заниженные или завышенные температуры, запыленные среды). Использование их на цементовозах и муковозах не знает альтернатив. Перекачиваемые газы поршневыми компрессорами. Поршневые компрессорные установки используются как для нагнетания воздуха, так и для работы с широким спектром других газов. Поршневые газовые компрессоры масляного типа способны сжимать гелий, водород, природный газ, а также азот до уровня давления 200 атмосфер. Уравнения состояния газа и термодинамические диаграммы Ступень сжатия - часть компрессорной машины, где газ сжимается до конечного или промежуточного давления. Сжатие реального газа сопровождается изменением его объема, давления и температуры. Соотношение между этими параметрами при давлении не более 10 aтм характеризуется уравнением состояния идеальных газов. p = ρ  R T , 22 где p – давление газа; ρ – плотность газа; R = 8314/M – газовая постоянная; M – молярная масса; T – температура, К. При давлениях более 10 aтм следует пользоваться уравнением Ван-дер-Ваальса или другим уравнением, описывающим зависимость между объемом, давлением и температурой газа при повышенных давлениях. При давлениях более 10 aтм следует пользоваться уравнением Ван-дер-Ваальса или другим уравнением, описывающим зависимость между объемом, давлением и температурой газа при повышенных давлениях. Основные параметры работы компрессоров. Теоретическая удельная работа - работа, затрачиваемая на сжатие газа в компрессорной машине и температура газа в конце сжатия: Конечное давление газа при сжатии зависит от условий теплообмена газа с окружающей средой. Теоретически возможны два предельных случая сжатия: 1. все выделяющееся при сжатии тепло полностью отводится, и температура газа при сжатии остается неизменной (изотермический процесс); 2. теплообмен газа с окружающей средой полностью отсутствует, и все выделяющееся при сжатии тепло затрачивается на увеличение внутренней энергии газа, повышая его температуру (адиабатический процесс). В действительности сжатие газа лишь в большей или меньшей степени приближается к одному из этих теоретических процессов. При сжатии газа наряду с изменением его объема и давления происходит изменение температуры, и одновременно часть выделяющегося тепла отводится в окружающую среду. Такой процесс сжатия называется политропическим. Изотермическим идеальным компрессором будем называть компрессор, процесс сжатия газа в котором происходит при постоянной температуре (Т=const). а) работа, затрачиваемая на сжатие газа в изотермическом компрессоре, определяется по формуле 23 где р1 и р2 - абсолютное давление всасывания и нагнетания, Н/м2., Дж Т2=Т1 б) идеальный компрессор, процесс сжатия в котором происходит без отвода тепла в окружающую среду (S = const), называется адиабатическим идеальным компрессором. Уравнение процесса сжатия в такой машине где k - показатель адиабаты, равный для воздуха 1,4. Работа сжатия газа в адиабатическом компрессоре определяется по формуле: в) идеальный компрессор, процесс сжатия в котором протекает по политропе, т.е. по закону рVn =const, называется политропическим идеальным компрессором (n - показатель политропы сжатия, 1< n < k). По аналогии с адиабатическим идеальным компрессором полная работа политропического идеального компрессора за один цикл определится по формуле 24 Лекция № 3. НАСОСЫ. 25 Основные параметры насосов 26 27 Центробежные насосы 28 29 30 ДЛЯ ТОРЦЕВЫХ УПЛОТНЕНИЙ ТИПА «ТАНДЕМ» Создание избыточного давления в бачке СБТУ после его заполнения не требуется. При давлении в сальниковой камере насоса меньше расчетного давления бачка (4МПа), установка предохранительного клапана на трубопроводах бачка не требуется. Торцовые уплотнения типа «тандем» могут использоваться как с холодильником при температуре рабочей среды насоса до 400 °С, так и без него при температуре рабочей среды до 150 °С. Тохл = 5...30 °С Gохл = 0,2…1,5 м3/час. Поз. Описание 1 Редуктор газовый 2 Бачок под давлением 3 Система охлаждения бачка 4 Торцовое уплотнение 5 Холодильник уплотнения 6 Дроссель 7 Регулирующий вентиль Р Измерение давления Т Измерение температуры Н Измерение уровня 31 При выборе затворной жидкости необходимо учитывать, что при повышении её температуры её объем увеличивается (см. график 1), что может привести к переопрессовке системы. Во избежание этого необходимо сохранять в системе газовую полость приемлемого объёма, используемую также для накопления газа, выделяющегося из жидкости при функционировании системы. Температурный диапазон наиболее распространенных жидкостей, используемых в качестве затворных, может быть принят следующим (таблица 1). Таблица 1– Температурный диапазон наиболее распространенных жидкостей Затворная жидкость Температурный диапазон, ºС Вода Антифриз Спирт бутиловый Минеральные масла Светлые нефтепродукты Этиленгликоль Глицерин 0...+90 -60...+90 -80...+90 -20...+80 -10...+200 0...+175 +100...+260 ПОРШНЕВЫЕ НАСОСЫ Поршневой насос (рисунок 1) состоит из цилиндра 1, в котором с помощью кривошипно-шатунного механизма 3 движется возвратно-поступательно поршень 2. Рисунок 1 – Горизонтальный поршневой насос простого действия: 1 – цилиндр; 2 – поршень (S – ход поршня); 3 – кривошипно-шатуиный механизм; 4, 5 – соответственно всасывающий и нагнетательный клапаны; 32 6, 7 – соответственно всасывающий и нагнетательный трубопроводы, а, б – положения поршня При движении поршня слева направо (из крайнего левого положения, а) в цилиндре возникает разрежение, вследствие чего всасывающий клапан 4 поднимается, жидкость из резервуара по всасывающему трубопроводу 6 поступает в цилиндр 1 и движется за поршнем. Нагнетательный клапан 5 при этом закрыт, т.к. на него действует сила давления жидкости, находящейся в нагнетательном трубопроводе 7. При ходе поршня справа налево (из крайнего правого положения б) в цилиндре создается избыточное давление, под действием которого закрывается (опускается) всасывающий клапан, а нагнетательный клапан 5 открывается, жидкость поступает в нагнетательный трубопровод. Таким образом, в рассмотренном насосе за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма (при этом поршень делает два хода слева направо и справа налево) происходит одно всасывание и одно нагнетание, т.е. процесс перекачивания жидкости таким насосом, который называют насосом простого действия, осуществляется неравномерно. В зависимости от числа всасываний и нагнетаний за один оборот вала кривошипно-шатунного механизма или за два хода S поршня поршневые насосы подразделяют на насосы простого и многократного действия. У последних достигается более равномерная подача и более высокая производительность, чем у насосов простого действия. По расположению поршня различают горизонтальные и вертикальные поршневые насосы. В горизонтальных насосах вследствие неравномерного давления поршня на цилиндр (нижняя часть цилиндра испытывает повышенное давление под действием силы тяжести поршня во время его движения) происходит неравномерный износ цилиндра и поршня и, следовательно, более быстрый, чем в вертикальных насосах, их выход из строя. При работе в условиях высокого давления поршневые насосы требуют сложных уплотняющих устройств (поршневые кольца, эластичные манжеты), высокоточной обработки поверхностей поршня и цилиндра. Поэтому для создания высоких давлений поршень заменяют полым или сплошным плунжером (скалкой). В этой связи отметим еще одну классификацию поршневых насосов: в зависимости от конструкции поршня их подразделяют на поршневые и плунжерные (скальчатые). 33 В плунжерном вертикальном насосе простого действия (рисунок 2) всасывание и нагнетание жидкости происходят вследствие возвратнопоступательного движения плунжера 2 в цилиндре 1. Уплотнение плунжера осуществляется с помощью сальника 3. В химической промышленности плунжерные насосы распространены широко, чем поршневые, поскольку требуют менее тщательной обработки внутренней поверхности цилиндра и проще уплотняются (подтягиванием или заменой набивки 3). По скорости вращения вала кривошипа поршневые насосы подразделяют на тихоходные (40 – 60 об/мин), нормальные (60 – 120 об/мин) и быстроходные (120 – 180 об/мин и более). Разновидностью поршневого насоса простого действия является диафрагменный (мембранный) насос (рисунок 3), который применяют для перекачивания загрязненных и химически агрессивных жидкостей. В этом насосе цилиндр 3 и плунжер 4 отделены от перекачиваемой жидкости гибкой перегородкой – диафрагмой 5 из резины или специальной стали. При ходе плунжера вверх диафрагма под действием разности давлений по обе ее стороны прогибается вправо, открывается нижний клапан 2, и жидкость поступает в насос. При ходе плунжера вниз диафрагма прогибается влево, открывается верхний клапан 2 (нижний клапан при этом закрывается), и жидкость поступает в нагнетательный трубопровод. Серьезным недостатком поршневых насосов простого действия является неравномерность их работы. 34 Существенно снижается неравномерность в насосах многократного действия. Насосы двойного действия (рисунок 4) имеют два всасывающих (1 и 2) и два нагнетательных (3 и 4) клапана. Насос тройного действия (триплекс-насос) (рисуноке 5) представляет собой встроенные насосы простого действия с общими трубопроводами всасывания и нагнетания и коленчатым валом, причем кривошипы каждого из трех насосов простого действия расположены под углом 120° друг относительно друга. За один оборот коленчатого вала жидкость три раза всасывается и три раза нагнетается. Рисунок 4 – Горизонтальный плунжерный насос двойного действия: 1, 2 – всасывающие клапаны; 3, 4 – нагнетательные клапаны; 5 – плунжер; 6 – сальник Рисунок 5 – Плунжерный насос тройного действия (триплекс-насос): 1 – цилиндры; 2 – плунжеры; 3 – шатуны; 4 – коленчатый вал; I –линия всасывания; II – линия нагнетания 35 36 37 38 Лекция № 4. ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА ТРУБОПРОВОДНАЯ АРМАТУРА Трубопроводная арматура представляет собой устройства, предназначенные для управления потоками жидкостей или газов, транспортируемых в трубопроводных системах. Арматура - неотъемлемая часть любой трубопроводной системы. Расходы на нее составляют, как правило, 10-12% капитальных вложения и эксплуатационных затрат. При работе в различных системах арматура подвергается самым различным воздействиям: высоким и низким температурам, значительным давлениям, вибрациям, воздействию агрессивных жидкостей. Вследствие этого требования, предъявляемые к арматуре, чрезвычайно разнообразны. Основные из них - прочность, увеличение срока службы, надежность и долговечность, низкая стоимость и технологичность изготовления, взрывобезопасность, коррозионная стойкость - являются противоречивыми и не могут быть обеспечены одновременно. Поэтому на сегодняшний день существует огромное количество различных конструкций, каждая из которых представляет определенный компромисс между этими противоречивыми требованиями. Целью лекции «Трубопроводная арматура» является знакомство с многообразием существующих типов арматуры, принципиальными различиями отдельных конструкций, преимуществами и недостатками существующих типов арматуры. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Трубопроводной арматурой называют устройства, монтируемые на трубопроводах, котлах, аппаратах, агрегатах, емкостях и других установках, предназначенные для управления потоками сред путем отключения трубопроводов или их участков, распределение потоков по требуемым направлениям, 39 регулирования различных параметров среды (давления P, расхода G, температуры Т и т.д.), выпуска среды по требуемому направлению и т.д. путем изменения проходного сечения в рабочем органе арматуры. Конструкция арматуры в общем случае содержит следующие основные элементы: корпус с присоединительными патрубками, крышку корпуса, рабочий орган, привод. Рабочий орган арматуры состоит из двух элементов - седла и затвора. Седло является неподвижной частью рабочего органа, расположено на корпусе и представляет из себя канал или отверстие для прохода потока, окруженное уплотнительной поверхностью, к которой должен плотно примыкать затвор. Затвор является подвижной частью рабочего органа и представляет из себя деталь или конструктивно объединенную группу деталей, предназначенных для перекрытия проходного отверстия седла и перемещающуюся или поворачивающуюся относительно седла. Затвор имеет уплотнительное кольцо для посадки на седло и герметизации рабочего органа. Управление арматурой осуществляется при помощи деталей, образующих подвижное соединение (шток или шпиндель) в крышке корпуса или корпусе. Это подвижное соединение герметизировано по отношению к внешней среде. Для перемещения затвора используются различные механизмы, чаще всего винтовая пара. При использовании винтовой пары стержень, на котором закреплен клапан затвора, имеет винтовую резьбу и называется шпинделем. По резьбе шпинделя перемещается ходовая гайка, являющаяся вторым элементом винтовой пары. Если же затвор перемещается возвратно-поступательно без вращения, то стержень называется штоком. При работе ТА ее конструктивные элементы соприкасаются с различными потоками сред. Различают следующие виды сред: • рабочая • окружающая • командная • управляющая. Рабочая среда - это среда, для управления потоком которой и предназначена арматура, то есть тот поток, который протекает через рабочий орган арматуры. Окружающая среда - это среда, которая окружает корпус арматуры. Чаще всего окружающей средой является воздух, однако могут быть и другие варианты. Так, для судовой арматуры окружающей средой может быть морская вода, для нефтяной арматуры - сырая нефть и т.д. 40 Командная среда - это среда, посредством которой передается управляющий импульс для работы арматуры. При использовании пневмоавтоматики это может быть сжатый воздух, при использовании гидроавтоматики - масло. Для многих регуляторов роль командной среды выполняет сама рабочая среда, передавая по трубке импульс давления. При использовании электроавтоматики и электропривода командная среда отсутствует, так как управляющий импульс является электрическим. Управляющая среда - это среда, которая осуществляет силовое воздействие для перемещения рабочего органа арматуры в требуемое положение. Она имеет место лишь в ТА, снабженной пневмо или гидроприводом. Роль управляющей среды во многих регуляторах выполняет рабочая среда, так как как перемещение рабочего органа происходит под давлением рабочей среды. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ Классификация ТА осуществляется по различным признакам. По области применения ТА подразделяется на следующие группы: • пароводяная • газовая • нефтяная • энергетическая • химическая • судовая • резервуарная. Пароводяная ТА является наиболее характерной для использования в системах отопления, вентиляции и теплоснабжения. Само название говорит о том, что она предназначена для работы на воде и паре. Эта арматура выпускается на широкий диапазон рабочих давлений и температур. Энергетическая ТА является, как правило, пароводяной арматурой, предназначенной для работы при высоких давлениях и температурах, характерных для крупных энергетических котлов, турбин и других установок. Энергетические паровые котлы эксплуатируются при давлениях 300 и более атмосфер, а температура пара превышает 500о С. Столь высокие рабочие параметры предъявляют жесткие требования к материалу и качеству арматуры. 41 Газовая ТА предназначена для установки в системах газоснабжения. К ней предъявляются повышенные требования герметичности в связи с пожаро и взрывоопасностью рабочей среды. Нефтяная ТА является арматурой, предназначенной для установки в системах и трубопроводах, по которым транспортируется сырая нефть и нефтепродукты. Эта арматура должна обладать повышенной коррозионной стойкостью в связи с тем, что нефть является весьма агрессивной средой. Химическая ТА предназначена для работы на очень агрессивной среде, включая концентрированные кислоты и щелочи. Эта арматура в основном применяется в химической промышленности и не характерна для систем ТГВ. Основным средством повышения коррозионной стойкости этой арматуры является использование специальных материалов для корпуса и деталей. Судовая ТА разрабатывается для использования на флоте и морских сооружениях. Основным требованием к ней является высокая стойкость к воздействию морской воды, надежность, небольшие габариты и возможность работы в различных положениях в условиях качки. Резервуарная ТА предназначена для установки на резервуарах и емкостях. Основной отличительной ее чертой является наличие одного присоединительного конца, а не двух, как у остальных типов арматуры. По принципу управления и действия ТА подразделяется на следующие группы: • управляемая а) с ручным приводом б) с механическим приводом в) под дистанционно расположенный привод • автоматически действующая (автономная) Управляемая ТА отличается тем, что перемещение рабочего органа осуществляется за счет внешнего силового воздействия от некого внешнего источника энергии - ручного усилия, электрическим мотором, пневмоприводом или гидроцилиндром. Управляемая ТА под дистанционно расположенный привод отличается наличием специальной механической передачи, позволяющей отнести источник силового воздействия от самой арматуры. Так, например, оператор котельной управляет задвижкой на паропроводе, находящейся над котлом, сам в это время находясь у фронта котла. 42 Управляемая ТА может быть снабжена дополнительно силовой возвратной пружиной, возвращающей рабочий орган в определенное положение при отключении управляющего воздействия. При подаче управляющего силового воздействия оно преодолевает действие возвратной пружины и переводит рабочий орган в другое положение. В зависимости от того, в каком положении находится рабочий орган такой арматуры при отсутствии (снятии) управляющего воздействия, бывает ТА «нормально открытая» и «нормально закрытая». Как правило, такая арматура применяется для повышения безопасности работы установок и систем и предотвращения аварийной ситуации, то есть выполняет функции защиты. Так, например, при отключении электроснабжения котельной клапан на топливном трубопроводе должен самопроизвольно вернуться в закрытое положение, что предотвратит взрыво и пожароопасную ситуацию. Следовательно, здесь следует использовать ТА в исполнении «нормально закрытая». ТА калориферной установки вентиляции должна быть выполнена в исполнении «нормально открытая», чтобы при отключении управляющего сигнала гарантировать проток теплоносителя через калорифер и предотвратить его перемерзание. Автоматически действующая ТА отличается тем, что управление и рабочий цикл осуществляется только действием самой рабочей среды без каких-либо посторонних источников энергии. К этому типу относятся обратные клапаны, срабатывающий под действием изменения направления потока, регуляторы давления и расхода, кондесатоотводчики, терморегуляторы и другие виды арматуры. По функциональному назначению ТА подразделяется на следующие основные классы: • запорная • регулирующая • распределительная • предохранительная • защитная (отсечная) • фазоразделительная 43 Запорная ТА служит для перекрытия потоков сред. Она должна обеспечивать надежное и полное перекрытие проходного сечения. Принципиально она должна обеспечивать всего два состояния - открыта или закрыта - и может быть не предназначена для эксплуатации в промежуточном положении рабочего органа. Она нашла наиболее широкое применение. Регулирующая ТА предназначена для регулирования параметров рабочей среды посредством изменения ее расхода. Эта арматура не обязательно должна обеспечивать полное перекрытие проходного сечения. К ней могут предъявляться дополнительные требования по виду регулировочной характеристики, надежности и точности регулирования параметров. Сюда входит и дроссельная ТА, предназначенная для снижения давления потока. Распределительная ТА предназначена для распределения потока по двум или более направлениям. Наиболее ярким примером является 3-х ходовой кран, применяемый и в отоплении для регулирования теплоотдачи отопительного прибора путём пропуска части общего расхода теплоносителя на стояке мимо прибора через замыкающий участок. Этот тип арматуры широко используется в системах гидро- и пневмоавтоматики для управления различными устройствами. Предохранительная ТА предназначена для предотвращения аварийного повышения какого-либо параметра в обслуживаемой системе путем автоматического выброса избыточного количества среды. Наиболее ярким примером является предохранительные клапан, устанавливаемый на паровом котле. При повышении давления в барабане котла выше предельного значения срабатывает предохранительный клапан, и часть пара стравливается через него в атмосферу, поддерживая давление в котле на уровне максимально допустимого значения. К этой же группе ТА относятся и мембранно-разрывные устройства, например, взрывозащитный клапан. Он представляет из себя мембрану, разрываемую в момент взрыва его давлением и тем самым препятствующую чрезмерному повышению давления в системе. Защитная ТА предназначена для защиты оборудования от аварийного изменения параметра среды (давления, температуры, направления потока) путем отключения обслуживаемого участка. В отличие от предохранительной ТА поток не стравливается в атмосферу, а просто отключается требуемый элемент системы. Примером могут служить обратные клапаны, предотвращающие самопроизвольное изменение направления потока в трубопроводной системе. В топочных устройствах защитная ТА отключает подачу топлива к горелочному 44 устройству в случае погасания факела или при отключении электроснабжения и остановке дымососа и дутьевого вентилятора. Фазоразделительная ТА предназначена для автоматического разделения различных фаз рабочей жидкости, например, воды и пара (кондесатоотводчики), воды и воздуха (воздухоотводчики, вантузы), воды и масла (маслоотделители). Помимо основных видов ТА можно выделить промежуточные: запорнорегулирующая, смесительная, пробно-спускная и другие. ТИПЫ АРМАТУРЫ Выполнение одних и тех же функций может осуществляться различными типами арматуры, имеющими одну или другую принципиальную конструкцию затвора. По этому признаку выделяют следующие основные типы ТА: • задвижки • клапаны • заслонки • краны • мембранный (диафрагмовый) клапан Сравнительная характеристика различных конструкций арматуры приведена в таблице 1. К характеристикам различных типов арматуры, приведенным в таблице, следует подходить осторожно: в отдельных конструкциях того или другого типа указанные недостатки базового варианта или ликвидированы совсем, или существенно снижены. Так, задвижки с суженным проходом имеют значительно меньшую строительную высоту, чем полно проходные (однако они имеют большую строительную длину и большее гидравлическое сопротивление). 45 Сравнительные характеристики различных типов арматуры 46 ЗАДВИЖКИ Задвижки имеют затвор в виде листа, диска или клина, перемещающийся вдоль уплотнительных поверхностей седла корпуса перпендикулярно оси потока среды. Задвижки бывают клиновые и параллельные. Седло клиновой задвижки представляет из себя две кольцевые поверхности, расположенные под небольшим углом по отношению к оси движения потока, образуя клиновую поверхность. Затвор представляет из себя одну или две тарелки (диска), закрепленные на шпинделе. Он бывает однодисковый или двухдисковый, упругий или сплошной. При перемещении затвора в конце хода при приближении к положению «закрыто» тарелки задвижки примыкают к седлу и за счет наличия клиновой поверхности плотно прижимаются к нему, будучи расклинены за счет усилия, создаваемого при движении шпинделя. У параллельной задвижки поверхности седел параллельны и перпендикулярны оси движения потока. 47 Расклинивание и плотное примыкание тарелок затвора к седлам обеспечивается за счет вспомогательного клина, расположенного между тарелками. Преимуществом задвижек является то, что при перемещении рабочего органа он не преодолевает давления среды, что позволяет уменьшить усилие, необходимое для перемещения затвора. Преимуществом является так же то, что поток движется прямоточно, без поворотов, вследствие чего этот тип ТА имеет малое значение коэффициента местного сопротивления в открытом положении. Благодаря симметричности конструкции задвижки могут эксплуатироваться при любом направлении движения потока. Недостатком задвижек является сильное трение уплотнительных поверхностей в момент перемещения рабочего органа, большой габарит в направлении выдвижения штока (как минимум два диаметра трубопровода). Существенным недостатком задвижек является то, что в промежуточном положении затвора, когда тарелки частично перекрывают сечение седла, часть уплотнительных кольцевых поверхностей находится в зоне активного обтекания потоком и подвергается сильному абразивному износу твердыми включениями, содержащимися в рабочей среде. После работы в таком режиме уплотнительные поверхности изнашиваются настолько, что не обеспечивают достаточной герметичности при закрытии задвижки - задвижка «не держит». Это ограничивает использование задвижки как регулирующего элемента (впрочем, этот недостаток свойственен многим видам арматуры). Кроме того, регулирующие характеристики задвижек неудовлетворительны, это в принципе запорная ТА. Задвижки используются на крупных трубопроводах диаметром более 50 мм, где требуется медленное перекрытие сечения для предотвращения возникновения гидравлического удара. ЗАСЛОНКИ Заслонки имеют затвор в виде плоского листа круглой или прямоугольной формы, установленного внутри канала и вращающегося на оси, установленной перпендикулярно оси движения потока. Таким образом, затвор заслонки движется по дуге. 48 Заслонки наиболее часто используют в вентиляции и кондиционировании воздуха на воздуховодах, а также на различных газоходах, то есть там, где имеют место большие диаметры трубопроводов, небольшие давления и невысокие требования к герметичности. Заслонки часто называют дроссельными заслонками или дроссель-клапанами. В зависимости от количества установленных пластин бывают одинарные заслонки и многостворчатые. На капельных жидкостях заслонки применяют редко, так как их конструкция не обеспечивает надежной герметичности перекрытия проходного сечения. На воздухе и газах, учитывая простоту и надежность конструкции, дроссельные заслонки применяют очень часто для регулирования и отключения расхода. КЛАПАНЫ Клапаны имеют затвор в виде плоской или конусной тарелки, перемещающейся возвратно-поступательно вдоль центральной оси уплотнительной поверхности 49 седла корпуса. В некоторых конструкциях клапанов затвор движется по дуге. Клапаны являются самым распространенным видом ТА, как основной элемент они входят в конструкцию большинства регуляторов. Клапаны имеют большое число разновидностей (предохранительные, обратные, запорные, регулирующие и т.д.). ОБРАТНЫЙ КЛАПАН Арматура обратного действия (обратный клапан). Различают конструкции обратных клапанов вентильного и поворотного типов. Клапан вертикального типа аналогичен по конструкции вентилю, но клапан в нем не зафиксирован и может свободно подниматься над седлом давлением потока, движущегося в разрешенном направлении, и придавливаться к седлу, перекрывая движение среды в обратном направлении. В клапанах поворотного типа собственно клапан расположен на петле и, поворачиваясь на ней, может открывать или закрывать проход среды. ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫЙ КЛАПАН Арматура предохранительная (предохранительный клапан). Арматура предназначена для автоматической защиты оборудования трубопроводов от подъема давления выше допустимой величины. и 50 Наиболее распространены клапаны вентильного типа с самодействующими (прямо действующими) приводными устройствами пружинного (рисунок 1) или грузового (рисунок 2) типа. Самодействие – подъем затвора арматуры давлением рабочей среды без использования каких-либо дополнительных средств автоматики. Обязательными компонентами конструкции предохранительного клапана являются корпус 1, собственно клапан, состоящий из золотника 3 и седла 4 (рисунок 1), и задатчик (пружина) 2, обеспечивающий силовое воздействие на клапан. С помощью задатчика 2 клапан настраивается таким образом, чтобы усилие на золотнике клапана 3 обеспечивало его прижатие к седлу 4 запорного органа и препятствовало пропуску рабочей среды, в данном случае настройку производят специальным винтом 1, вращая который можно сжимать или отпускать пружину 2. Когда предохранительный клапан закрыт, на золотник 3 воздействует рабочее давление в защищаемой системе, стремящееся открыть клапан и сила от сжатой пружины 2, препятствующая открытию. Рисунок 1 – Предохранительный клапан пружинного типа. С возникновением в системе давления, превышающего допустимую величину, его воздействие на золотник преодолевает усилие сжатой пружины. Запорный орган начинает открываться и, если давление в системе не перестанет возрастать, происходит сброс рабочей среды через клапан. С понижением давления в защищаемой системе, из-за сброса среды, запорный орган клапана под действием усилия от пружины закрывается. 51 Пружинный клапан обладает хорошим быстродействием и обеспечивает герметичность (исключает попадание сбрасываемой среды в атмосферу помещения). В то же время, он плохо держит настройку, что обусловлено «усталостью» пружины и зависимостью создаваемого ею усилия от температуры. 52 БЛОК 2 – ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ Лекция № 5. ТЕПЛООБМЕННИКИ Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты. Теплообменная аппаратура составляет весьма значительную часть технологического оборудования в химической и смежных отраслях промышленности. Удельный вес теплообменного оборудования на предприятиях химической промышленности, где почти все основные процессы химической технологии (выпаривание, ректификация, сушка и др.) связаны с необходимостью подвода или отвода теплоты, составляет в среднем 15-18%, в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности - 50%. Теплообменные аппараты можно классифицировать по следующим основаниям: по способу передачи теплоты от одного теплоносителя к другому - процесс теплообмена осуществляется через твердую стенку (кожухотрубчатые, змеевиковые теплообменники, теплообменники «труба в трубе», аппараты воздушного охлаждения, пластинчатые, спиральные, блочные теплообменники); по конструкции - аппараты, изготовленные из труб; аппараты с поверхностью теплообмена из листового материала; аппараты с поверхностью теплообмена из неметаллических материалов (графита, пластмасс, стекла и др.); по назначению- холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы; по направлению движения теплоносителей - прямоточные, противоточные, перекрестного тока и др. Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно - и многоходовыми. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, 53 применяемые в химической, нефтяной и других отраслях промышленности, обозначаются индексами и классифицируются: • по назначению (первая буква индекса): Т – теплообменники; Х – холодильники; К – конденсаторы; И – испарители; • по конструкции (вторая буква индекса) Н — с неподвижными трубными решетками; К — с температурным компенсатором на кожухе; П — с плавающей головкой; У — с U-образными трубами; ПК — с плавающей головкой и компенсатором на ней; • по расположению (третья буква индекса): Г – горизонтальные; В – вертикальные. В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники: жидкостно-жидкостные – при теплообмене между двумя жидкими средами; парожидкостные – при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы); газо-жидкостные – при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха). газово-газовые – при теплообмене между газом и газом и др. В общем выпуске теплообменных аппаратов для химической и смежных отраслей промышленности большую долю занимают кожухотрубчатые теплообменники. Они достаточно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и, в тоже время, достаточно универсальны, т.е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей и в широком диапазоне их давлений и температур. Теплообменники типа «труба в трубе» и змеевиковые стальные в общем объеме теплообменной аппаратуры составляют около 8%, а оросительные из чугуна - около 2%. 54 Широкая номенклатура теплообменников по типам, размерам, параметрам и материалам позволяет выбрать аппарат, оптимальный по размерам и материалам для конкретных условий теплообмена. Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция стала намного совершенной. Для эксплуатации в тяжелых условиях требуются нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке 1 Рассмотрим более подробную схему кожухотрубчатого теплообменника (рисунок 2): Кожухотрубчатый теплообменник состоит: – из пучка параллельных труб 2, помещенных внутри цилиндрического корпуса 1 (кожуха или обечайки); – трубы крепятся в двух трубных решетках 3; – аппарат снабжен двумя съемными крышками 4, 5 со штуцерами для входа и выхода теплоносителя, движущегося внутри труб (в трубном пространстве); 55 – второй теплоноситель движется в межтрубном пространстве (между кожухом и наружной поверхностью труб); – на обечайке 1 имеются два штуцера для ввода и вывода этого теплоносителя. Взаимное направление движения теплоносителей в аппарате чаще всего противоточное. Рисунок 2 – Теплообменник с неподвижными трубными решетками Перенос тепла от стенки к среде или наоборот называется теплоотдачей, а от одного теплоносителя – к другому через разделяющую их стенку – теплопередачей. Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро - и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шести ходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников — также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рисунке 2. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5, кожух и камеры соединены фланцами. Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н (с неподвижными трубными решетками) 56 является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например, приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха. Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырехи шестиходовые теплообменники жесткой конструкции. Кожухотрубчатые конденсаторы Кожухотрубчатые конденсаторы предназначены для конденсации паров в межтрубном пространстве, а также для подогрева жидкостей и газов за счет теплоты конденсации пара. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе, вертикальные или горизонтальные. В соответствии с ГОСТ 15121—79, конденсаторы могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. От холодильников они отличаются большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Для отвода конденсата и предотвращения проскока пара в линию отвода конденсата теплообменные аппараты, обогреваемые насыщенным водяным паром, должны снабжаться конденсатоотводчиками. 57 Основные параметры кожухотрубчатых конденсаторов и испарителей по ГОСТ 15119—79 и 15121—79 В кожухотрубчатых испарителях в трубном пространстве кипит жидкость, а в межтрубном пространстве может быть жидкий, газообразный парообразный, парогазовый или парожидкостной теплоноситель. Согласно ГОСТ 15119—79 эти теплообменники могут быть только вертикальными одноходовыми, с трубками диаметром 25х2 мм. Они могут быть с неподвижной трубной решеткой или с температурным компенсатором на кожухе. Основные параметры кожухотрубчатых конденсаторов и испарителей по ГОСТ 15119—79 и 15121—79 приведены в таблице. Теплообменники с температурным компенсатором на кожухе (с линзовым компенсатором). Если температурные напряжения, возникающие в стенках теплообменника или трубках, оказываются большими, то необходимо предусматривать температурную компенсацию. 58 Теплообменник типа К — с линзовым компенсатором на корпусе. Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 13-15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0.5 МПа). Для круглых элементов аппаратов, диаметр которых превышает 100 мм, обычно применяют линзовые компенсаторы, состоящие из одной и более линз. Линзы выполняют штампованными или из кольцевого тора, выполненного с прорезью, разрезными или сварными волнообразной формы. Одна линза компенсирует небольшие температурные деформации (4 – 5 мм), набор линз (не более четырех) позволяет компенсировать деформации до 15 мм. Линзовые компенсаторы применяют в вертикальных и горизонтальных аппаратах и трубопроводах при избыточном давлении, составляющем не более 1.6 МПа. Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе (1.6—8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами. Теплообменники с плавающей головкой. На рисунке 9 изображен кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенной для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения агрегатного состояния. Не закрепленная на 24 кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так 59 называемую плавающую головку Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 14246—79, могут быть двух- или четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м. Кожухотрубнатые конденсаторы с плавающей головкой (ГОСТ 1424779) отличаются от аналогичных теплообменников большим диаметром штуцера для подвода пара в межтрубное пространство. Допустимое давление охлаждающей среды в трубах до 1,0 МПа, в межтрубном пространстве — от 1,0 до 2,5 МПа. Эти аппараты могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Диаметр кожуха от 600 до 1400 мм, высота труб 6,0 м. Теплообменники с постоянным диаметром по всей длине удобны при сборке. Сборка теплообменников с переменным по длине диаметром (рис.10) затруднена, так как плавающую головку (по габаритным размерам) в собранном виде невозможно поместить в кожух без трубчатки. Теплообменники с постоянным диаметром не имеют этого недостатка, так как плавающую головку можно собирать и разбирать вне и внутри кожуха. Кроме того, теплообменники с постоянным диаметром по длине предпочтительнее теплообменников с переменным диаметром потому, что при очистке их межтрубного пространства не приходится разбирать плавающую головку. 60 Для эффективной работы теплообменника желательно, чтобы средняя часть была выполнена с наименьшим диаметром; при этом обеспечивается наибольшая скорость продукта и, следовательно, создаются оптимальные условия для теплопередачи. Это и является причиной изготовления теплообменников с переменным диаметром по длине. Однако уменьшать диаметр средней части аппарата имеет смысл лишь при значительных размерах плавающей головки. При применении малогабаритной плавающей головки отпадает необходимость в изготовлении теплообменников переменного диаметра. Малогабаритная плавающая головка свободно располагается и в наименьшем сечении кожуха. Теплообменники с U- образными трубами. Теплообменники с U-образными трубами (тип У). В кожухотрубчатых аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений. Такие аппараты (рисунок 11) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце. 61 Для обеспечения раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5. Теплообменники типа У являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае в аппарате установлена продольная перегородка, извлекаемая из кожуха вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата и перегородкой у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины или прокладку из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки. В аппаратах типа У обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 °С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей. Преимущество конструкции аппарата типа У – возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки. Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа У практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки. Теплообменники с U-образными трубами применяют для нагрева и охлаждения жидких или газообразных сред без изменения их. агрегатного состояния. Они рассчитаны на давление до 6,4 МПа, отличаются от теплообменников с плавающей головкой менее сложной конструкцией (одна трубная решетка, нет внутренней крышки), однако могут быть лишь двухходовыми, из труб только одного сортамента: 20Х2 мм. Поверхности теплообмена и основные параметры этих теплообменников приведены в ГОСТ 44245 – 79. (В традиционных расчетах пользуются средними по длине теплообменной поверхности температурами и коэффициентами теплопередачи и теплоотдачи (отчего бывают значительные погрешности). 62 Кинетическая зависимость (скорость) для процессов теплопередачи, выражающая связь между тепловым потоком Q и поверхностью теплообмена F, представляет основное уравнение теплопередачи Q= K F Δtср (1) где Q – количество переданного тепла, Вт; K – коэффициент теплопередачи, определяющий среднюю скорость передачи тепла вдоль всей поверхности теплообмена, Вт/м2град; F – поверхность теплообмена, м2; Δtср – средняя разность температуры между двумя теплоносителями (температурный напор), град. Согласно уравнению (1), количество тепла, переданного от более нагретого к более холодному теплоносителю, пропорционально поверхности теплообмена F и среднему температурному напору Δtср . Определение теплового потока Q1 (Вт) от охлаждающейся жидкости и теплового потока Q2 (Вт) к нагреваемой жидкости проводится по следующим уравнениям [4]). 63 Условные обозначения аппаратов теплообменных Таблица – Условные обозначения аппаратов теплообменных Условное Наименование обозначение Аппараты теплообменные кожухотрубные при давлении в трубах и межтрубном пространстве выше атмосферного: одноходовые с неподвижными трубными решётками* многоходовые с неподвижными трубными решётками* с температурным (линзовым) компенсатором на кожухе* с плавающей головкой* с плавающей головкой и с сальником* с U-образными трубами* 64 с паровым пространством, с плавающей головкой с паровым пространством образными трубами с U- Аппарат теплообменный кожухотрубный одноходовой с неподвижными трубными решётками при давлении в трубах выше атмосферного, в межтрубном пространстве ниже атмосферного (остальные конструкции изображаются аналогично) Аппарат теплообменный с воздушным охлаждением (АВО) 65 Условные обозначения аппаратов колонных Условное Наименование обозначение Корпуса колонных аппаратов: работающих давлением под атмосферным работающих под внутренним давлением выше атмосферного работающих под внутренним давлением ниже атмосферного Аппараты колонные тарельчатые, работающие под атмосферным давлением: общие обозначения* с колпачковыми тарелками тарелками других типов аналогично) * (с струйные 66 клапанные клапанные прямоточные из S – образных элементов ситчатые ситчатые с отбойными элементами ситчато-клапанные жалюзийно-клапанные 67 решетчатые провальные вихревые Аппараты колонные насадочные, работающие под атмосферным давлением: с насыпной насадкой* с регулярной насадкой* Аппарат колонный пульсационный Аппарат колонный роторный Примечание: *– в случае другого внутреннего давления в колонне меняется только вид исполнения корпуса аппарата. 68 69 5 15 3 5 10 20 Изм Лист докум. Лист ВКР.150304.18.ПЗ Подп. Дата 63 185 3X5=15 Изм Лист 23 докум. 15 Подп. Дата 10 10 7 10 ВКР.150304.18.ПЗ Лист 8 7 70 Таблица Условные обозначения насосов и вентиляторов Условное Наименование обозначение Насос ручной* Насос шестерённый Насос винтовой Насос пластинчатый* Насос кривошипный (поршневой) Насос поршневой Насос мембранный 71 Насос лопастной центробежный* Насос струйный Общее обозначение С жидкостным внешним потоком С газовым внешним потоком Насос – дозатор* Вентилятор Центробежный* 72 Осевой Компрессор* Насос нерегулируемый* с нереверсивным с реверсивным потоком потоком Насос регулируемый* с нереверсивным с реверсивным потоком потоком Примечание: *– при обозначении насоса диаметр окружности примерно равен двадцати толщинам основной линии 73 Таблица – Условные обозначения некоторых устройств, не рассмотренных в стандартах Условное Наименование обозначение Реактор (реакционное устройство) с неподвижным слоем катализатора, работающий под избыточным давлением* Огнепреградитель* Вакуум-насос Примечание: * – корпуса изображаются как корпуса колонных аппаратов, работающих под внутренним атмосферным давлением, давление выше или ниже атмосферного. 74 Лекция № 6. ТЕПЛООБМЕННИК «ТРУБА В ТРУБЕ». ТЕПЛООБМЕННИК «ТРУБА В ТРУБЕ» 75 76 77 Двухтрубные теплообменники типа "Труба в трубе" Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев (рисунок 6). Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой "калачами" или коленами. Двух трубные теплообменники, имеющие значительную поверхность нагрева состоят из ряда секций, параллельно соединенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменники часто применяют как жидкостные или газа – жидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена. Рисунок 6 - Теплообменник типа “Труба в трубе”. Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания. Недостатки двухтрубного теплообменника: громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства. 78 Лекция № 7. ГРАДИРНИ ГРАДИРНИ Градирни применяют на промышленных предприятиях, атомных электростанциях и ТЭЦ для охлаждения технологического оборудования. Работа любой градирни основана на охлаждении некоторого объема жидкости атмосферным воздухом. Именно отсутствие иного, нежели воздух, хладагента и отличает градирню от кондиционера, холодильника или чиллера. Охлаждает именно воздухом, без использования хладагентов. В этом отличие градирни от чиллера, кондиционера или холодильной установки. По принципу действия есть два основных типа: испарительные – открытые; сухие - закрытые Испарительная градирня открытого типа работает так: разбрызгивает горячую воду и смешивает ее с более холодным наружным воздухом. При этом часть воды превращается в пар и вместе с нагревшимся наружным воздухом выбрасывается в атмосферу, оставшаяся же вода охлаждается. 79 По способу подачи воздуха градирни испарительного типа бывают: поперечноточные; противоточные; брызгальные; эжекционные. ОТКРЫТЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГРАДИРНИ Открытые или мокрые градирни обеспечивают охлаждение за счет непосредственного контакта воздуха и воды. В зависимости от способа перемешивания различают следующие виды испарительных (мокрых) градирен: - оросительные (насадочные); - поперечноточные и противоточные. Устройства осуществляют контакт подаваемого воздуха с охлаждаемой водой на развитой поверхности оросительного слоя (насадки). Если направление движения потоков воды и воздуха параллельное (противо-направленное), то градирня относится к противоточному типу. Если же поток воздуха движется перпендикулярно потоку воды, то градирня будет поперечно точного типа. 80 ПОПЕРЕЧНОТОЧНЫЕ ГРАДИРНИ В поперечноточной градирне вода из коллектора подается в специальный бак - потолочный распределитель. Оттуда уже без давления, самотеком она стекает вниз по узкому слою специального оросителя. Теплообмен и испарения (обмен масс) происходит за счет большого количества воздуха, подаваемого вентилятором. В таких градирнях воздух движется в слое оросителя горизонтально перпендикулярно падающей сверху вниз воде. Отсюда название: поперечноточная градирня. Вход воздуха может быть с одной или двух сторон, соответственно получится одно- или двухпоточная система. Особенности поперечноточных градирен: Использование поперечноточных градирен зимой сильно затруднено. В безнапорной системе водораспределения отсутствует подпор, аэродинамическое сопротивление оросителя больше на 30 %. Именно поэтому основное распространение такие градирни получили в странах с теплым климатом: ОАЭ, Иран, Индия, Пакистан. Водоуловитель совмещен с жалюзи и выполняет двойную функцию: предотвращает унос и разбрызгивание капель воды. Так как в нижней части оросителя образовывается слабо орошаемая зона, то весь слой оросителя целесообразно делать наклонным, чтобы сместить нижний ярус к центру и уменьшить обмерзание. Экономически применение таких градирен оправданно при условии круглогодично теплого климата. Тогда экономия места за счет возможности увеличивать высоту градирни и отсутствие давления в верхней точке водораспределительной системы окупают прочие недостатки. В последнее время такие градирни активно продвигаются на российском рынке под соусом новизны и энергоэффективности. Однако, в наших 81 реалиях применение поперечноточных градирен в крупных водооборотных циклах – ошибка. ПРОТИВОТОЧНЫЕ ГРАДИРНИ Они делятся на 2 большие группы: башенные и вентиляторные. Разница в том, как создаются потоки воздуха: естественным, или принудительным способом. Конструктивно в обоих типах горячая вода по водораспределению через сопла разбрызгивается вниз на оросителя. Она проходит через блоки оросителя, растекается на их поверхности и смешивается с уличным воздухом. Затем остывает и стекает в бассейн для сбора жидкости. ВЕНТИЛЯТОРНАЯ ГРАДИРНЯ ПРИНЦИП РАБОТЫ Принцип работы вентиляторной градирни заключается в подаче большого количества воздуха за счет работы вентилятора с лопастями с диаметром до 20 метров. Такой вентилятор подает до 10 000000 кум. метров воздуха в час. При соотношении 1 м3 воды к 600 м3 воздуха и более начинается эффективное охлаждение. Воздух поступает в градирню через специальные окна, распложенные снизу металлического каркаса. Их размер должен быть достаточен для прохода огромного объема воздуха. Встреча воды, разбрызгиваемой соплами, и воздуха происходит на поверхности блоков оросителя. Их основная функция - сделать поверхность и время соприкосновения максимальными. Чтобы вентилятор не выдувал много воды используют специальный водоуловитель. 82 Благодаря различным видам оросительных блоков и широкой гамме осевых вентиляторов такие градирни могут быть подобраны в большем диапазоне нагрузок по воде и обеспечивать глубокое охлаждение воды с перепадом до 30 °. Кроме того, есть возможность установки воздухорегулирующих жалюзи и реверса двигателя. Это позволит прекрасно эксплуатировать градирню в зимние морозы. По типу оросителя различают следующие типы вентиляторных градирен: пленочные; капельные; капельно-пленочные. Наиболее эффективные капельно-пленочные вентиляторные градирни. Они совмещают свойства капельных и пленочных оросителей и лучше всего охлаждают воду. Для малых расходов оборотной воды вентиляторы градирни поставляются на предприятия в готовом виде, по этому признаку их называют малогабаритными или блочными мини градирнями. Этот тип градирен характеризуется невысокими перепадами температур на входе и выходе, при этом и электропотребление сравнительно не высоко. Преимущества гибкость конструкции; отсутствие обмерзания; энерго-эффективность; легкость ремонта; наличие большого ассортимента запасных частей. Недостатки требуется обученный персонал для обслуживания необходимы дополнительные меры зимой. 83 Охлаждение оборотной воды является необходимой и важной задачей для многих промышленных предприятий. Для решения данного вопроса на производствах используются охлаждающие установки различных типов. Благодаря высокой эффективности, компактности, возможности модернизации и расширения наибольшее распространение получили секционные вентиляторные градирни. Как в любой открытой мокрой градирне, охлаждение воды в них происходит за счет передачи тепла от жидкости атмосферному воздуху при поверхностном испарении. Для увеличения эффективности процесса охлаждения в градирне необходимо создать устойчивый воздушный поток, который позволит отводить нагретую паровоздушную смесь от блоков оросителя и проходить испарению более интенсивно. В вентиляторных градирнях эту задачу решает вентиляторная группа (откуда и появилось соответствующее название). В зависимости от проекта градирни используются специальные осевые отсасывающие или нагнетательные вентиляторы. Нагнетательные вентиляторы чаще всего располагают снизу градирен, а вытяжные – сверху. Связано это с необходимостью подавать воздух непосредственно в оросительный слой. Применение вытяжных вентиляторов более эффективно, так как вход воздуха и его поворот под прямым углом в градирне происходит при меньшей скорости потока. Уменьшение скорости достигается за счет проектирования воздухо входных окон большего размера и размещения их с двух или четырех сторон градирни. При нагнетательном вентиляторе сделать этого невозможно, т.к. воздух будет просто выдуваться через противоположную сторону. Применение вытяжных вентиляторов, за счет меньшей скорости воздуха, позволяет равномернее распределить воздушный поток и увеличить охлаждающий эффект. Кроме того, при выходе из диффузора скорость теплой воздушнокапельной смеси в 2-3 раза выше именно у вытяжных вентиляторов. Это не позволяет теплому воздуху попадать обратно в воздухо-входные окна, что значительно повышает эффективность работы охлаждающей установки. Для сравнения: нагнетательный вентилятор создает поток около 1,7 – 2,5 м/сек, а высасывающий уже 8 – 10 м/сек. При этом поток влажного воздуха во 84 втором случае строго вертикален, что почти полностью исключает рециркуляцию и ухудшение охлаждения. В зимний период работы нагнетательные вентиляторы могут обмерзать, т.к. на них попадают капли воды, выносимые из градирни. При отрицательных температурах данная влага будет замерзать на лопастях, вызывая различные проблемы, в т.ч. дисбаланс рабочего колеса. Вытяжные вентиляторы лишены данной проблемы, т.к. рабочее колесо находится в зоне теплого воздуха. Из плюсов, всасывающих вентиляторных установок можно отметить возможность их расположения на собственном фундаменте на земле. Это снижает нагрузку на каркас установки и облегчает доступ к оборудованию для технического обслуживания. Однако, минусы нагнетательных вентиляторов значительно перевешивают их плюсы. На сегодняшний день применение нагнетательных вентиляторов имеет смысл только на малогабаритных градирнях, для которых малая стоимость установки важнее большого потока воздуха. https://youtu.be/8PCtrPg7fzs; https://youtu.be/05ZuCDpSYL4 85 Лекция № 8. ПЕЧИ Печи трубчатые. Виды и характеристики. Назначение трубчатых печей. Трубчатая печь — высокотемпературное термотехнологическое устройство с рабочей камерой, огражденной от окружающей атмосферы. Печь предназначена для нагрева углеводородного сырья теплоносителем, а также для нагрева и осуществления химических реакций за счет тепла выделенного при сжигании топлива непосредственно в этом аппарате. Трубчатые печи используются при необходимости нагрева среды (углеводородов) до температур более высоких, чем те, которых можно достичь с помощью пара, т. е. примерно свыше 230 °С. Несмотря на сравнительно большие первоначальные затраты, стоимость тепла, отданного среде при правильно спроектированной печи, дешевле, чем при всех других способах нагрева до высоких температур. В качестве топлива могут применяться продукты отходов различных процессов, в результате чего не только используется тепло, получаемое при их сжигании, но часто устраняются и затруднения, связанные с обезвреживанием этих отходов. Трубчатые печи получили широкое распространение в нефтехимической промышленности, где их используют для высокотемпературного нагрева и реакционных превращений жидких и газообразных нефтепродуктов (пиролиза, крекинга). Нашли они применение и в химической промышленности. Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного действия с наружным огневым обогревом. Современная печь представляет собой синхронно работающий печной комплекс, т.е. упорядоченную совокупность, состоящую из непосредственно печи, средств обеспечения печного процесса, а также систем автоматизированного регулирования и управления печным процессом и средствами его обеспечения. Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них являются рабочая камера (радиация, конвекция), рубчатый змеевик, огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба. 86 а) б) в) а) – устройство печи: 1 – камера радиации, 2 – камера конвекции; 3 – дымоход (боров); 4 – трубный змеевик радиантной камеры, 5 – футеровка; 6– форсунка; б) – схема потоков: 1 и 2 – вход и выход нагреваемого продукта, 3 – дымовые газы; в) – общий вид печи. Печь работает следующим образом, мазут или газ сжигается с помощью горелок, расположенных на стенах или поду камеры радиации. Газы сгорания из камеры радиации поступают в камеру конвекции, направляются в дымоход и по дымовой трубе уходят в атмосферу. Продукт одним или несколькими потоками поступает в трубы конвективного змеевика, проходит трубы экранов камеры радиации и нагретый до необходимой температуры, выходит из печи. Тепловое воздействие на исходные материалы в рабочей камере печи, является одним из основных технологических приемов, ведущих к получению заданных целевых продуктов. Главной частью трубчатой печи является радиационная секция, которая одновременно является и камерой сгорания. 87 Передача тепла в радиационной секции осуществляется преимущественно излучением, вследствие высоких температур газов в этой части печи. Тепло, переданное в этой секции конвекцией, является только небольшой частью от общего количества переданного тепла, т. к. скорость газов, движущихся вокруг труб, большей частью определяется только местной разностью удельных весов газов, и передача тепла естественной конвекцией не значительна. Продукты сгорания топлива являются первичными и главным источником тепла, поглощаемого в радиационной секции трубчатых печей. Тепло выделившееся при горении, поглощается трубами радиационной секции, создающими так называемую поглощающую поверхность. Поверхность футеровки радиационной секции создает так называемую отражающую поверхность, которая (теоретически) не поглощает тепла, переданного ей газовой средой печи, а только излучением передает его на трубчатый змеевик, (рис. 2.71) 60...80% всего используемого тепла в печи передается в камере радиации, остальное — в конвективной секции. Температура газов, выходящих из радиационной секции, обычно достаточно высока, и тепло этих газов можно использовать далее в конвективной части печи. Камера конвекции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700...900оС. В камере конвекции тепло к сырью передается в основном конвекцией и частично излучением трехатомных компонентов дымовых газов. Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150 °С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью поперечными или продольными ребрами, шипами и т.п. Нагреваемое углеводородное сырье проходит последовательно сначала по змеевикам камеры конвекции, а затем направляется в змеевики камеры радиации. При таком противоточном движении сырья и продуктов сгорания топлива наиболее полно используется тепло, полученное при его сжигании. Классификация трубчатых печей 88 Классификация печей – это упорядоченное разделение их в логической последовательности и соподчинении на основе признаков содержания на классы, виды, типы и фиксирование закономерных связей между ними с целью определения точного места в классификационной системе, которое указывает на их свойства. Она служит средством кодирования, хранения и поиска информации, содержащейся в ней, дает возможность распространения обобщенного опыта, полученного теорией и промышленной практике эксплуатации печей, в виде готовых блоков, комплексных типов решений и рекомендаций для разработки оптимальных конструкт печей и условий осуществления в них термотехнологических и теплотехнических процессов. Главными и естественными по степени существенности основаниями для классификации печей в логической последовательности являются следующие признаки: – технологические; – конструктивные; – теплотехнические. Технологические признаки. По технологическому назначению различают печи нагревательные и реакционнонагревательные. В первом случае целью является нагрев сырья до заданной температуры. Это большая группа печей, применяемых в качестве нагревателей сырья, характеризуется высокой производительностью и умеренными температурами нагрева (300...500 °С) углеводородных сред (установки AT, АВТ, ГФУ). Во втором случае кроме нагрева в определенных участках трубного змеевика обеспечиваются условия для протекания направленной реакции. Эта группа печей многих нефтехимических производств одновременно с нагревом и перегревом сырья используется в качестве реакторов. Их рабочие условия отличаются параметрами высокотемпературного процесса деструкции углеводородного сырья и невысокой массовой скоростью (установки пиролиза, конверсии углеводородных газов и др.). По конструктивному оформлению трубчатые печи классифицируются по форме каркаса: а) коробчатые ширококамерные, узкокамерные; б) цилиндрические; 89 в) кольцевые; г) секционные; по числу камер радиации: а) однокамерные; б) двухкамерные в) многокамерные; по расположению трубного змеевика: а) горизонтальное (рис. 2а); б) вертикальное (рис. 2б); по расположению горелок: а) боковое; б) подовое; по топливной схеме: а) на жидком топливе (Ж); б) на газообразном топливе (Г); в) на жидком и газообразном топливе (Г+Ж); по способу сжигания топлива: а) факельное; б) беспламенное сжигание; по расположению дымовой трубы: а) вне трубчатой печи б) над камерой конвекции по направлению движения дымовых газов: а) с восходящим потоком газов; б) с нисходящим потоком газов; в) с горизонтальным потоком газов. По способу передачи тепла нагреваемому продукту печи подразделяются: конвективные; радиационные; конвективно-радиационные; конвективные печи. Конвективные печи — это один из старейших типов печей. Они являются как бы переходными от нефтеперегонных установок к печам радиационноконвективного типа. Практически в настоящее время эти печи не применяются, так как по сравнению с печами радиационными или радиационно-конвективными они 90 требуют больше затрат как на их строительство, так и во время эксплуатации. Исключение составляют только специальные случаи, когда необходимо нагревать чувствительные к температуре вещества сравнительно холодными дымовыми газами. 1 – горелки, 2 – камера сгорания, 3 – канал для отвода дымовых газов, 4 – камера конвекции Печь состоит из двух основных частей – камеры сгорания и трубчатого пространства, которые отделены друг от друга стеной, так что трубы не подвергаются прямому воздействию пламени, и большая часть тепла передается нагреваемому веществу путем конвекции. Чтобы предотвратить прожог первых рядов труб, куда поступают сильно нагретые дымовые газы из камеры сгорания, и чтобы коэффициент теплоотдачи удерживался в пределах, приемлемых по технико-экономическим соображениям, при сжигании используется значительный избыток воздуха или 1,5...4 – кратная рециркуляции остывших дымовых газов, отводимых из трубчатого пространства и нагнетаемых воздуходувкой снова в камеру сгорания. Одна из конструкций конвективной печи показана на рисунке. Дымовые газы проходят через трубчатое пространство сверху вниз. По мере падения температуры газов соответственно равномерно уменьшается поперечное сечение трубчатого пространства, при этом сохраняется постоянная объемная скорость продуктов сгорания. Радиационные печи В радиационной печи все трубы, через которые проходит нагреваемое вещество, помещены на стенах камеры сгорания. Поэтому у радиационных печей камера сгорания значительно больше, чем у конвективных. Все трубы подвергаются прямому воздействию газообразной среды, которая имеет высокую температуру. Этим достигается: 91 а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое' можно передать путем конвекции; б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благодаря тому, что снижается ее температура, во-первых, за счет прямою закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам. Обычно нецелесообразно закрывать все стены и свод трубами, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб. Например, у современных типов кубовых печей отношение эффективной открытой поверхности к обшей внутренней поверхности печи колеблется в пределах 0,2...0,5. Часто радиационные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания, как это имеет место у радиационно-конвективных печей. Поэтому радиационные печи работают с меньшей тепловой эффективностью. Радиационные печи применяются при нагреве веществ до низких температур (приблизительно до 300оС), при небольшом их количестве, при необходимости использования малоценных дешевых топлив и в тех случаях, когда особое значение придается низким затратам на сооружение печи. Радиационно-конвективные печи. Радиационно-конвективная печь имеет две отделенные друг от друга секции: радиационную и конвективную. 1 – камера радиации, 2 – камера конвекции, 3 – дымоход, 4 – змеевик, 5 – футеровка, 6 – горелочные устройства 92 Большая часть используемого тепла передается в радиационной секции (обычно 60...80% всего использованного тепла), остальное - в конвективной секции. Конвективная секции служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700...900оС, при экономически приемлемой температуре нагрева 350...500оС (соответственно температуре перегонки). Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150оС выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной, что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов. С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью – поперечными или продольными ребрами, шипами и т.п. Почти все печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, являются радиационно-конвекционными. В печах такого типа трубные змеевики размещены и в конвекционной и в радиационной камерах. Конструктивные признаки. По форме каркаса: коробчатые ширококамерные (рисунок 2.68а), узкокамерные (рисунок 2.68б) (с плоским или наклонным сводом); цилиндрические (рисунок 2.68в); кольцевые; секционные. а) б) в) 93 а – Форма каркаса коробчатой ширококамерной печи б – Форма каркаса коробчатой узкокамерной печи в – Форма каркаса цилиндрической печи Показатели работы печей Каждая трубчатая печь характеризуется тремя основными показателями: – производительностью; – полезной тепловой нагрузкой; – коэффициентам полезного действия. Производительность печи выражается количеством сырья, нагреваемого в трубных змеевиках в единицу времени (обычно в т/сутки). Она определяет пропускную способность печи, т.е. количество нагреваемого сырья, которое прокачивается через змеевики при установленных параметрах работы (температуре сырья на входе в печь и на выходе из нее, свойствах сырья и т.д.). Таким образом, для каждой печи производительность является наиболее полной ее характеристикой. Полезная тепловая нагрузка – это количество тепла, переданного в печи сырью (МВт, Гкал/ч). Она зависит от тепловой мощности и размеров печи. Тепловая нагрузка большинства эксплуатируемых печей 8... 16 МВт. Перспективными являются более мощные печи с тепловой нагрузкой 40…100 МВт и более. Коэффициент полезного действия печи характеризует экономичность ее эксплуатации и выражается отношением количества полезно используемого тепла Qпол к общему количеству тепла Qобщ, которое выделяется при полном сгорании топлива. Полезно использованным считается тепло, воспринятое всеми нагреваемыми продуктами (потоками): сырьем, перегреваемым в печи паром и в некоторых случаях воздухом, нагреваемым в рекуператорах (воздухоподогревателях). Значение коэффициента полезного действия зависит от полноты сгорания топлива, а также от потерь тепла через обмуровку печи и с уходящими в дымовую трубу газами. Трубчатые печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, имеют КПД в пределах 0.65...0.87. Повышение коэффициента полезного действия печи за счет более полного использования тепла дымовых газов возможно до значения, определяемого их минимальной температурой. Как правило, температура дымовых газов, 94 покидающих конвекционную камеру, должна быть выше начальной температуры нагреваемого сырья не менее чем на120...180'С. Эксплуатационные свойства каждой печи наряду с перечисленными показателями характеризуются: – тепло напряжённостью поверхности нагрева; – тепловым напряжением топочного объема; – гидравлическим режимом в трубном змеевике при установившейся работе. От комплекса этих показателей зависят эффективность работы трубчатых печей и срок их службы. Конструктивные элементы печей Конструктивные элементы трубчатых печей отличаются большим разнообразием типов и размеров. Они постоянно совершенствуются в связи с освоением печей новых конструкций. Общими для всех печей конструктивными элементами являются: фундаменты, металлические каркасы, стены и своды, трубные змеевики, гарнитура, топливное оборудование, система топливо - воздухои пароснабжения, лестницы и площадки для обслуживания и ремонта, дымоходы и дымовые трубы, пароперегреватели и рекуператоры. Несмотря на большое многообразие типов и конструкций трубчатых печей, общими и основными элементами для них являются: каркас, трубчатый змеевик, гарнитура печей, огнеупорная футеровка, оборудование для сжигания топлива (горелки), дымоход, дымовая труба. Конструктивные элементы являются типовыми для всех печей (рисунок) Рисунок – Конструктивные элементы печей 1 – металлический каркас; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – форсуночная амбразура; 4 – предфорсуночный тамбур; 5 – гляделка; 6, 9, 17 – трубы подового экрана, конвекционной камеры и потолочного экрана; 7 – лежка труб подового экрана; 8 – решетка труб конвекционной камеры; 10, 11, 15 – ретурбендные камеры; 12 – металлическая обшивка стен;13 – площадка; 14 – кровля; 16 – взрывное окно; 18 – подвески труб потолочного экрана; 19 – подвески для кирпичных блоков 95 БЛОК 3 – МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Лекция № 9. ПЕРЕГОНКА ПЕРЕГОНКА (ДИСТИЛЛЯЦИЯ И РЕКТИФИКАЦИЯ) Перегонка и ректификация — наиболее распространенные методы разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или нескольких летучих компонентов. Перегонку используют для грубого разделения смесей, а для наиболее полного их разделения применяют ректификацию. Процессы перегонки и ректификации основаны на разной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Компонент смеси, обладающий большей летучестью, называется легколетучим, а компонент, обладающий меньшей летучестью, — труднолетучим. Соответственно легколетучий компонент кипит при более низкой температуре, чем труднолетучий, поэтому их называют также низкокипящим и высококипящим компонентами. В результате перегонки или ректификации исходная смесь разделяется на дистиллят, обогащенный легколетучим компонентом, и кубовый остаток, обогащенный труднолетучим компонентом. Дистиллят получают в результате конденсации паров в конденсаторе-дефлегматоре, кубовый остаток — в кубе установки. Перегонка представляет собой процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образовавшихся паров. Простую перегонку можно проводить с отбором фракций, дефлегмацией, водяным паром или под вакуумом (молекулярная перегонка). Фракция – доля, часть чего-либо. Доля вещества, отбираемого при перегонке в определённых условиях. Дефлегмация – частичная конденсация смесей различных паров и газов с целью обогащения их низкокипящими компонентами. Простая перегонка заключается в постепенном испарении жидкости, находящейся в перегонном кубе (рисунок 11.4). Образовавшиеся пары отводятся в холодильник и там конденсируются, а дистиллят собирается в сборнике. Кубовый остаток удаляется из куба после окончания процесса. Куб обогревается насыщенным водяным паром или дымовыми газами. Дистилляция в технологических процессах может осуществляться следующими основными способами. 96 Простая дистилляция (простая перегонка) производится путем постепенного испарения исходной смеси. Образующиеся пары конденсируются. Простая дистилляция осуществляется в тех случаях, когда летучести разделяемых компонентов резко различаются, и к получаемым продуктам не предъявляют высоких требований по чистоте. Простая дистилляция может осуществляться периодически и непрерывно, однократно и многократно, с дефлегмацией и фракционированием. Однократное испарение, или равновесная дистилляция, обычно осуществляется в непрерывном режиме. Исходная смесь нагревается в теплообменнике паром, топочными газами или электронагревом. Образовавшаяся парокапельная смесь поступает в сепарационную камеру, откуда пар направляется в конденсатор, где конденсируется и отводится в сборник дистиллята, а жидкость – в сборник кубового остатка. Так как жидкость достаточно долго взаимодействует с образующимися парами, то можно считать, что между фазами достигается равновесие. При простой дистилляции (однократном испарении) (рисунок 11.4), проводимой периодическим способом, смесь загружается в куб 1, обогреваемый через змеевик или рубашку паром, или дымовыми газами. После нагрева смеси образующиеся пары конденсируются в конденсате 2, и конденсат направляется в сборники 3. Остаток, обогащенный высококипящим компонентом, удаляется из куба 1 по окончании операции. Простая дистилляция может проводиться при атмосферном давлении или под вакуумом. По мере испарения, содержание легколетучего компонента в дистилляте непрерывно уменьшается, составляя максимальную величину в начале процесса и минимальную - в его конце. Отбор дистиллята различного состава в отдельные сборники позволяет получать несколько фракций разного состава. Такой способ называется фракционной перегонкой. Дистилляция – (стекание каплями) – перегонка, испарение жидкости и последующим охлаждением, и конденсацией паров. 97 Простая перегонка с дефлегмацией предназначена для увеличения степени разделения исходной смеси. В этом случае пары, уходящие из перегонного куба, поступают в дефлегматор, где частично конденсируются. При частичной конденсации образуется флегма, обогащенная труднолетучим компонентом, которая сливается обратно в куб и взаимодействует с выходящими из куба парами. Степень разделения компонентов простой дистилляцией может быть повышена применением дефлегмации (рисунок 11.5). По это схеме пары, покидающие куб 1, поступают в дефлегматор 2, в котором они конденсируются не полностью, а частично. При частичной конденсации конденсируется в основном менее летучий компонент, и пары обогащаются низкокипящим компонентом. Конденсат (называемый флегмой) из дефлегматора возвращается в перегонный куб и подвергается многократному испарению. Дистилляцию в токе водяного пара применяют в том случае, когда компоненты исходной смеси нерастворимы в воде, что позволяет снизить температуру кипения смеси и тем самым избе жать разложения компонентов. Дистилляция с водяным паром применяется при переработке жирных кислот, эфирных масел, смол, а также для дезодорации – т.е. удаляются вещества, которые вызывают неприятный запах масел, жиров и других продуктов. При осуществлении этого процесса исходная смесь загружается в куб, который обогревается глухим паром через рубашку. Внутрь куба через барботер подают острый пар. Пары, выделившиеся при испарении смеси, т.е. смесь испаряется и пары направляются в конденсатор-холодильник. Образовавшийся конденсат поступает в сепаратор, где нерастворимые друг в друге жидкости расслаиваются. 98 Дистилляция с водяным паром протекает в неравновесных условиях. И острый пар выполняет две функции – теплоносителя и агента, снижающего температуру кипения. Недостатком метода является наличие влаги в продуктах перегонки. Дистилляция в токе инертного газа проводится с использованием азота, водорода, диоксида углерода. Пар заменяется инертным газом тогда, когда дистилляции подвергаются компоненты, растворимые в воде. Преимуществом применения инертных газов является отсутствие нижнего температурного предела проведения процесса, т.к. применяемые газы при этих условиях не конденсируются. Инертные газы – химически не активны, отсюда и происходит название; это одноатомные газы без цвета, запаха, вкуса. Дистилляция в токе инертного газа имеет ряд недостатков: примесь газа в отгоняемом паре резко снижает коэффициент теплоотдачи при конденсации пара из парогазовой смеси, что приводит к увеличению размеров холодильника-конденсатора; при такой конденсации часто образуется туман, отделить который от газа весьма трудно, поэтому возникают потери дистиллята с инертным газом. Молекулярная дистилляция используется в технике для разделения компонентов, кипящих при высоких температурах и не обладающих необходимой термической стойкостью. Процесс проводится под глубоким вакуумом (остаточное давление 0,10 ... 1,0 Па). При таком разрежении молекулы легко преодолевают силы взаимного притяжения, число столкновений между ними значительно сокращается, а длина свободного пробега резко возрастает. 99 Если расстояние между поверхностями испарения и конденсации меньше длины свободного пробега молекул, то отрывающиеся от поверхности испарения молекулы летучего компонента попадают на поверхность конденсации и улавливаются на ней. Расстояние между поверхностями испарения и конденсации составляет обычно 20...30 мм, а разность температур между ними порядка 100 °С. Более эффективным аппаратом для молекулярной перегонки является аппарат, схема которого представлена на рисунке 11.7. Исходная смесь, подлежащая разделению, поступает в аппарат через трубу 2 на дно ротора центрифужного типа 1. Под действием центробежной силы поступающая жидкость поднимается по конусу (конусность 10...25°) и подвергается нагреву излучением от электронагревателя 3. Вырвавшиеся из жидкой фазы молекулы стремятся к конденсирующим поверхностям конденсатора 4 и змеевика 5. Первая представляет собой разрозненные секции, соединенные коллекторами для ввода и вывода охлаждающей воды, вторая – змеевик, охлаждаемый водой. Первая конденсирующаяся фракция стекает с элементов конденсатора 4 на поддон 7, а вторая конденсируется на змеевике 5и стекает на поддон 8. Не испаренная часть под действием центробежной силы выбрасывается с ротора 1 в отводной желоб 10 и удаляется из аппарата. Из поддона 7 дистиллят удаляется через периферийную секцию кольцевого сборника 6, а из поддона 8 дистиллят отводится по патрубку через центральную секцию кольцевого сборника. Для теплоизоляции установлены концентрические плиты 9. 100 Ректификация Ректификация – способ разделения однородных жидких смесей, состоящий из нескольких компонентов, основанный на противоточном взаимодействии двух неравновесных фаз – жидкости и пара, образующихся из этой смеси. При этом пар при движении постоянно обогащается низкокипящим (легколетучим) компонентом, а жидкость – высококипящим (труднолетучим) компонентом. Процесс ректификации может осуществляться непрерывно и периодически под атмосферным избыточным давлением, а также под вакуумом. Ректификация — массообменный процесс, который осуществляется в большинстве случаев в противоточных колонных аппаратах с контактными элементами (насадки, тарелки), аналогичными используемым в процессах абсорбции. Для ректификации обычно используют колонные аппараты, называемые ректификационными колоннами, в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Ректификационные колонны классифицируются по следующим признакам: По способу контактирования: a) противоточные; b) прямоточные; c) перекрестноточные. По виду смеси: a) простые; b) сложные. По конструкции: a) полные; b) не полные: - укрепляющие (не имеют кубовую часть), в которых сырье вводится на нижнюю тарелку; 101 - отгонные (не имеющие укрепляющую часть), в которые сырье вводится на верхнюю тарелку. По типу контактных устройств: a) тарельчатые; b) насадочные; c) пленочные. По давлению: a) атмосферные (Р=101325 Па, t=150 оС); b) вакуумные (Р=7 кПа, t= 500 оС); c) под избыточным давлением (Р=101325 Па, t – пониженная). Движущая сила ректификации - разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами (ЛЛК), а жидкость - труднолетучими (высококипящими) компонентами (ТЛК). Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар-вверх, жидкость - вниз), при достаточно большой, высоте колонны в ее верхней части можно получить практически чистый целевой компонент. В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением: атмосферным (Ткип. – 30150°С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими температурами кипения, например, сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их температур кипения). Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней - укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается ЛЛК) и нижней - исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение ЛЛК и обогащение ее ТЛК). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей. Ректификационные колонны применяются в процессах дистилляции, экстрактивной ректификации, экстракции жидкостей, теплообмена между паром и жидкостью и в других процессах. 102 Один и тот же принцип действия ректификационной колонны используется как в относительно простых лабораторных приборах, так и в сложных промышленных установках нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой, пивоваренной и других отраслей. Диаметр промышленных ректификационных колонн может достигать 16 метров, а высота – 90 метров и более. Непрерывно действующая ректификационная установка (рисунок 11.8) состоит из ректификационного массообменного аппарата – ректификационной колонны 1, представляющей собой вертикальный цилиндрический корпус, внутри которого расположены контактные устройства (насадка, тарелки). Снизу-вверх по колонне движется поток пара, поступающий в ее нижнюю часть из испарителя 9, находящегося рядом или под самой колонной. Поступающий в колонну пар по составу представляет собой практически чистый труднолетучий компонент. На каждой тарелке при его перемещении по колонне происходит конденсация поднимающегося пара, и за счет теплоты его конденсации – испарение находящегося в этой зоне легколетучего компонента. Таким образом, происходят постоянное удаление из выходящего пара труднолетучего компонента и обогащение его легколетучим. В результате из верхней части колонны выгружаются пары практически чистого легколетучего компонента, который конденсируется в дефлегматоре 2. Получаемая жидкость разделяется в делителе 3 на два потока. Первый поток – флегма, возвращается назад в колонну 1, создавая тем самым нисходящий поток жидкости, состоящий практически из чистого легколетучего компонента. Стекая вниз по колонне и взаимодействуя с восходящим паром, флегма постоянно обогащается конденсирующимся из нее труднолетучим компонентом, заменяющим постоянно испаряющийся легколетучий компонент. В результате жидкость, достигающая 103 нижней части колонны и поступающая в испаритель 9, состоит практически из низко летучего компонента. Подаваемую на разделение исходную смесь подогревают до температуры кипения в теплообменнике 10 и подают в колонну, в зону (или на тарелку), положение которой определяют в результате расчета контактного ректификационного аппарата. Зона питания (или тарелка питания) делит колонну на две части. Верхняя, или укрепляющая, часть 1а обеспечивает наибольшее укрепление поднимающихся паров, т. е. обогащение их легколетучим компонентом. Нижняя, или кубовая (исчерпывающая), часть 1б, обеспечивает наибольшее удаление из жидкости легколетучего компонента. Второй поток жидкости, получаемый в дефлегматоре 2 и называемый дистиллятом, поступает в холодильник-теплообменник 4, затем в сборник 6, откуда перекачивается в качестве целевого продукта насосом 5. Жидкость, выходящая из нижней части колонны, также делится на два потока. Первый возвращается в испаритель 9, откуда в виде пара подается назад в колонну, второй, называемый кубовым остатком, после охлаждения в холодильнике 8 направляется сборник 7. Принципиальная схема ректификационной установки представлена на рисунок 1. Исходная смесь из промежуточной емкости 1 центробежным насосом 2 подается в теплообменник 3, где подогревается до температуры кипения. Нагретая смесь поступает на разделение в ректификационную колонну 5 на тарелку питания, где состав жидкости равен составу исходной смеси. Стекая вниз по колонне, жидкость взаимодействует с поднимающимся вверх паром, образующимся при кипении кубовой жидкости в кипятильнике 4. Начальный состав пара примерно равен составу кубового остатка, т. е. обеднен легколетучим компонентом. В результате массообмена с жидкостью пар обогащается легколетучим компонентом. Для более полного обогащения верхнюю часть колонны орошают в соответствии с заданным флегмовым числом жидкостью (флегмой), которая получается в дефлегматоре 6 путем конденсации пара, выходящего из колонны. Часть конденсата выводится из дефлегматора в виде готового продукта разделения—дистиллята, который охлаждается в теплообменнике 7, и направляется в промежуточную емкость 8. Из кубовой части колонны насосом 9 непрерывно выводится кубовая жидкость — продукт, обогащенный 104 труднолетучим компонентом, который охлаждается в теплообменнике и направляется в емкость 11. (Фле́гмовое число́ (коэффициент орошения) — параметр работы ректификационной колонны, определяющий эффективность процесса разделения в концентрационной секции колонны...) Принцип действия 3. Исходная смесь, нагретая до температуры питания t в паровой, парожидкостной или жидкой фазе, поступает в колонну в качестве питания. Зону, в которую подаётся питание, происходит однократное отделения пара от жидкости. Пары поднимаются в верхнюю часть колонны, охлаждаются, конденсируются в холодильнике-конденсаторе и подаются обратно на верхнюю тарелку колонны в качестве орошения (флегма). Таким образом, в верхней части колонны (укрепляющей) противотоком движутся пары (снизу-вверх) и стекает жидкость (сверху вниз). Стекая вниз по тарелкам, жидкость обогащается тяжелокипящими компонентами, а пары чем выше поднимаются в верх колонны, тем более обогащаются легкокипящими компонентами. Таким образом, отводимый с верха колонны продукт обогащен легкокипящим компонентом. Продукт, отводимый с верха колонны, называют дистиллятом. Часть дистиллята, сконденсированного в холодильнике и возвращённого обратно в колонну, называют орошением или флегмой. Отношение количества возвращаемой в колонну флегмы и количества отводимого дистиллята называется флегмовым числом. Для создания восходящего потока паров в кубовой (нижней, отгонной) части ректификационной колонны часть кубовой жидкости направляют в теплообменник, образовавшиеся пары подают обратно под нижнюю тарелку колонны. Таким образом, в кубе колонны создается 2 потока: 1 поток — жидкость, стекающая с верха (из зоны питания + орошение) 2 поток — пары, поднимающиеся с низа колонны. Кубовая жидкость, стекая сверху вниз по тарелкам, обогащается высококипящим компонентом, а пары обогащаются легкокипящим компонентом. В случае, если разгоняемый продукт состоит из двух компонентов, конечными продуктами являются дистиллят, выходящий из верхней части колонны, и 105 кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком виде, вытекающий из нижней части колонны). 106 БЛОК 3 – МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Лекция № 10. СУШКА. Часть 1. Сушка является наиболее распространенным способом удаления влаги из твердых влажных материалов. Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых влажных материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров. Сушка в промышленности осуществляется двумя основными способами: а) нагреванием влажных материалов теплоносителем через твердую непроницаемую перегородку – так называемый процесс контактной сушки; б) нагреванием влажных материалов путем непосредственного контакта с газовым теплоносителем (воздух, топочные газы) – газовая или воздушная сушка. Схемы указанных способов сушки показаны на рисунок 1.1. 1) с.а.+ W pп с.а . 2) p0 Гр.па р pм W W pм конд.гр.пара Рисунок 1.1 – Принципиальные схемы сушки: 1 – газовая сушка; 2 – контактная сушка. Некоторые понятия о равновесии в процессах сушки Почти каждый твердый материал способен поглощать влагу из окружающей среды или отдавать ее окружающей среде. Направление течения процесса переноса влаги является наиболее существенным вопросом в практике сушки, так как от него зависит ее режим, т. е. условия, в которых влажный материал способен отдавать влагу окружающей среде. Окружающий влажный материал среда содержит либо водяной пар, либо смесь водяного пара с газами. Обозначим давление водяного пара, когда только он является окружающей средой (контактная сушка), через Р0, а парциальное давление его в смеси с газами окружающей среды (газовая сушка) Рп. 107 Влаге, содержащейся в материале, соответствует определенное давление водяного пара РМ, называемое далее давлением водяного пара во влажном высушиваемом материале. Очевидно, что условием сушки являются неравенства РМ > Р0 или РМ > Рп. Давление водяного пара в высушиваемом материале РМ зависит от влажности материала, температуры его и характера связи влаги с материалом. С ростом влажности материала и температуры величина РМ возрастает. С другой стороны, чем сильнее связь влаги с материалом, тем меньше, при прочих равных условиях, давление водяных паров во влажном материале. Влажность материала, отвечающая условиям РМ = Р0 или РМ = Рп, соответствует достижению равновесия. В последующем нами будет рассматриваться более детально только воздушная сушка. Физические свойства влажного воздуха (  п ,  н ,  , x, I , 0 ,  в л ). Во всех сушильных аппаратах воздушной (газовой) сушки высушиваемые материалы контактируют с влажным воздухом или его смесью с топочными газами. При этом воздух отдает материалу тепло, требуемое для высушивания, и уносит испарившуюся влагу. Таким образом, воздух играет роль носителя тепла и влаги. Вот почему в первую очередь необходимо рассмотреть физические свойства влажного воздуха. Влажный воздух считают механической смесью абсолютно сухого воздуха и смешанных с ним водяных паров. Такая смесь подчиняется закону Дальтона B  p в  p п , где B – полное давление влажного воздуха, pв и pп – парциальные давления компонентов. Абсолютной влажностью воздуха ρп называют массу паров воды в 1 м3 его объема, иначе говоря, это плотность паров воды при их парциальном давлении во влажном воздухе, температура которого tв Предельная абсолютная влажность равна плотности сухого насыщенного пара ρн при той же температуре влажного воздуха tв. Такой воздух называется насыщенным. Абсолютная влажность ненасыщенного воздуха всегда меньше абсолютной влажности насыщенного воздуха. Относительной влажностью воздуха называют отношение выше названных величин, т.е. 108  п . н Применяя к компонентам влажного воздуха уравнение состояния идеальных газов, для ненасыщенного пара можно записать pп п  Rп Tв , где Rп – газовая постоянная паров воды. Для насыщенного пара pн н  Rп Tв . Откуда следует, что pп  п   pн  н Влагосодержанием воздуха называют массу влаги, приходящуюся на 1 кг его абсолютно сухой части. Пусть имеется объем влажного воздуха V при температуре Tв. Пусть в этом воздухе содержится Gп кг пара и Gв кг абсолютно сухого воздуха. Запишем для каждого из компонентов воздуха уравнение состояния идеального газа p пV  G п R пTв , p вV  Gв R вTв , где Rв – газовая постоянная воздуха. Из последних уравнений следует, что влагосодержание воздуха есть x G п Rв p п R  , но Rв ( п )  , а pв = B – pп, где R – универсальная газовая G в Rп p в M в(п) постоянная. Тогда x  0,622 p н кг.влаги  ,  . B  p н  кг.а.с.в  Относительной энтальпией влажного воздуха называют энтальпию такой массы влажного воздуха, в котором содержится 1 кг абсолютно сухого воздуха и, следовательно, x кг водяного пара. Поэтому I  c в t в  xiп [ кДж ], кг .а.с.в. где св – теплоемкость абсолютно сухого воздуха, iп – энтальпия водяного пара. При этом теплоемкость абсолютно сухого воздуха может быть принята равной 1 кДж/кг град, а теплоемкость пара 1,97 кДж/кг град. Энтальпия пара может быть рассчитана по формуле iп  2490  сп t в , где 2490 - теплота испарения воды при температуре 0 0С, с п t в - теплота нагрева водяных паров от 0 до t в 0С 109 Условным удельным объемом влажного воздуха, V0, называют такой объем влажного воздуха, в котором содержится 1 кг а.с.в. Запишем уравнение Менделеева – Клайперона для одного из компонентов этого объема влажного воздуха, а именно, для абсолютно сухого воздуха p вV0  Rв Tв , откуда V0  Rв Tв . С другой стороны, парциальное давление а. с.в. pв может быть выражено через влагосодержание по формуле x  0,622 p н B  pв  0,622 , B  p н pв xpв  0,622 B  0,622 рв , рв  0,622B . х  0,622 В результате получим Rв Tв ( х  0,622) м 3 вл.в V0  [ ]. 0,622B кг.а.с.в. Плотность влажного воздуха может быть найдена по формуле  в л   п   в   в ( х  1) , с другой стороны, после записи уравнений Менделеева – Клайперона для а. с.в. двух условий: нормальных и рабочих, получим  в   в .н. у . в  рв 273 , где ρв.н.у.=Мв/22,4; а рв = B – рп. Тогда 760 273  t в М в B  р п 273 . 22 ,4 760 273  t в Диаграмма Рамзина. Изображение процессов нагревания и охлаждения в I – x диаграмме. Точка росы. Температура точки росы. Графический метод определения параметров влажного воздуха с помощью диаграммы Рамзина является менее трудоемким и более наглядным. По оси абсцисс диаграммы отложены значения влагосодержания. По оси ординат – значения энтальпии. Диаграмма построена для давления 745 мм Hg. На диаграмме нанесены линии: I = const, x = const, t = const, φ = const. Угол между осями составляет 135 0, что обеспечивает наиболее комфортное использование поля диаграммы (линии постоянной относительной влажности в этом случае отстоят друг от друга в большей мере, нежели, если бы угол между осями составлял бы 900). Пусть известны начальные параметры воздуха (до нагревания): φ0, t0. Найдем точку пересечения соответствующих линий в поле диаграммы Рамзина (т. 0). Зная положение т. 0, определяем значения других параметров влажного воздуха: I0, x0 (рисунок 2.1). 110 Пусть известна температура окончания процесса нагревания воздуха t1. Так как при нагревании воздуха масса влаги в нем остается неизменной, то изменение параметров воздуха при этом будет соответствовать линии x = const от точки 0 до изотермы t1. На пересечении линий постоянного влагосодержания и изотермы определяем положение точки 1 – окончания процесса нагревания. Зная положение т. 1, определяем значения других параметров воздуха: I1, φ1. Линия «0 – 1» определяет характер изменения параметров влажного воздуха в процессе его нагревания. Аналогичным образом может быть рассмотрен процесс охлаждения воздуха (см. рис. 2.1). Рисунок 2.1 – Изображение процессов нагревания и охлаждения в диаграмме Рамзина: а) нагревание; б) охлаждение; в) определение точки росы и температуры точки росы. Пусть известны параметры т. 0: φ0, t0. Требуется охладить воздух до состояния, при котором относительная влажность будет равна 100%. Проведем линию охлаждения от т. 2 до линии φ = 100% (см. рис. 2.1). Точка пересечения линии x = const с линией φ = 100% носит название точки росы. Изотерма, проходящая через точку росы, называется температурой точки росы, tp. Принципиальная схема простой сушильной установки. Обозначения. Относительная влажность материала. Условная теплоемкость материала. На рисунке 3.1 показана принципиальная схема простой сушильной установки. 111 Рисунок 3.1 – Принципиальная схема простой сушильной установки: CAп – сушильный аппарат; Kл – калорифер; B – вентилятор. Сушильный агент (влажный воздух окружающей среды) параметров т. 0 (t0, x0, I0, φ0) входит в межтрубное пространство калорифера сушильной установки, где происходит нагревание его до температуры t1. Нагрев воздуха осуществляется посредством конденсации водяного греющего пара, который поступает в трубное пространство калорифера. Параметры воздуха на выходе из калорифера характеризуются т. 1 (t1, x1, I1, φ1). Далее воздух направляется в сушильный аппарат, где идет процесс тепло и массообмена между сушильным агентом и высушиваемым материалом. Параметры влажного воздуха при этом на выходе из сушильного аппарата характеризуются т.2 (t2, x2, I2, φ2). Влажный материал в большинстве случаев перемещается в сушильном аппарате в прямотоке с сушильным агентом. Относительная влажность материала на входе обозначается через u  . Относительная влажность материала на выходе из аппарата – u  . Транспортировка сушильного агента осуществляется с помощью вентилятора, который устанавливается после сушильного аппарата, так, чтобы аппарат работал под некоторым разряжением. Остальные обозначения: L - расход а.с.в., [кг.а.с.в./с]; G – расход сухого материала, [кг.с.м./с]; G1 – расход влажного материала на входе в сушильный аппарат; G2 – расход высушенного материала на выходе из аппарата; W – поток влаги из влажного материала в сушильный агент; w1 – влажность материала на входе в сушильный аппарат; w2 – влажность материала на выходе из аппарата; 112 Dгр – расход греющего пара в калорифере; h – энтальпия греющего пара; iк – энтальпия конденсата греющего пара; Qс – мощность дополнительного нагревателя сушильного агента в сушильном аппарате; Q0 – потери тепла в окружающую среду; QТ потери тепла с транспортом; c M - условная теплоемкость высушиваемого материала (теплоемкость такой массы влажного материала, в котором содержится 1 кг сухого материала), [ кДж ], кг.с.м.град формула для расчета c M  ccм  u cв оды, где ссм – теплоемкость сухого материала. 113 Лекция № 10. СУШКА. Часть 2. Материальные балансы сушильного аппарата. Расход абсолютно сухого воздуха. Удельный расход а. с. в. Массовый расход влажного воздуха. Объемный расход влажного воздуха. Поток удаляемой влаги. Расход сухого материала. Связь между относительной и абсолютной влажностью материала. Выделим сушильный аппарат из схемы сушильной установки и запишем уравнение материального баланса по влаге для 1 контура (рисунок 1.2). 1 L,x L, x2 W 2 Рисунок 1.2 – Схема сушильного аппарата. Запишем уравнение материального баланса по влаге для 1 контура (рисунок1.2). Lx1  W  Lx2 , откуда L  W кг.а.с.в. - расход а. с.в. x 2  x1 с (1.2) Поделим обе части уравнения (1.2) на W l 1 кг.а.с.в. x 2  x1 кг.вл. - удельный расход а.с.в. (2.2) Массовый расход влажного воздуха на входе в калорифер L0  L(1  x0 ) . Объемный расход влажного воздуха на выходе из сушильной камеры Vт 2  L 0( т 2) . Запишем уравнение материального баланса по влаге для 2 контура. Gu   W  Gu  , откуда W  G(u   u ) . (3.2) Расход сухого материала может быть найден, если известен расход влажного материала и абсолютная влажность его. Пусть известно G1 , w1 , илиG2 , w2 , тогда Gс. м.  G1  G1 w1  G2  G2 w2 , откуда 114 G  G1 (1  w1 )  G2 (1  w2 ) . (4.2) Абсолютная и относительная влажности связаны между собой следующими выражениями u w u ,w  1 w 1 u (5.2) Тепловой баланс калорифера сушильной установки. Мощность калорифера. Удельный расход теплоты в калорифере. Расход греющего пара в калорифере. Выделим калорифер из схемы сушильной установки и запишем уравнение теплового баланса для 1 контура, пренебрегая потерями теплоты в окружающую среду (рисунок 2.2). Q K  LI 0  LI 1 , откуда Q K  L( I 1  I 0 ) . (6.2) Рисунок 2.2 – Схема калорифера. qK  I  I0 QK кДж L  ( I1  I 0 )  1 [ ]. W W x 2  x0 кг.влаги (7.2) Составим уравнение теплового баланса для второго контура (рисунок 2.5) Dh  Di K  QK , откуда D  QK , h  iK (8.2) где D – расход греющего пара в калорифере. Тепловой баланс сушильной установки. Основное уравнение статики сушки. Уравнение линии сушки. Идеальная сушка. Составим уравнение теплового баланса для сушильной установки (рисунок 3.2), пренебрегая потерями тепла в окружающую среду LI 0  QK  Gc cc. м t M  Qдоп  LI 2  Q0  QT  Gc cс. м.t M , где (9.2) 115 Рисунок 3.2 – Схема сушильной установки. Qc , Q0 , QT - дополнительный подвод теплоты в сушильный аппарат, потери теплоты в окружающую среду, потери теплоты с транспортом. Преобразуем полученное уравнение, учитывая выражение (6.2) LI 0  LI 1  LI 0  Gc cc. м t M  Qдоп  LI 2  Q0  QT  Gc cс. м.t M . После сокращений и с учетом группировки членов уравнение, содержащих Gc, получим L( I 2  I 1 )  Qдоп  Q0  QT  QM , где (10.2) QM  Gc (cc. м t M  cc. м.t M ) - потери теплоты с материалом. Поделив обе части уравнения (10.5) на W, получим l ( I 2  I 1 )  q доп  q 0  qT  q M  q , (11.2) где q - параметр сушки, который равен сумме удельных потерь теплоты. Пусть qдоп  0, q0  0, qT  0, q M  0 , тогда q  0 , а I 2  I1 . Сушильная установка, в которой каждая из составляющих удельных потерь теплоты равна нулю, носит название «идеальной сушки». Для такой сушилки линия процесса сушки совпадает с линией I = const диаграммы Рамзина (рисунок 4.2). "1  2" линия идеальной сушки (I2 = I1) 116 Рисунок 4.2 – Изображение на диаграмме Рамзина линии процесса сушки идеальной сушилки. Почему процесс сушки идеальной сушилки совпадает с линией I = const. Поток сушильного агента (СА) отдает свою теплоту в сушильном аппарате. Казалось бы, такой процесс должен сопровождаться снижением энтальпии. Однако, эта теплота, в случае идеальной сушилки, идет исключительно на испарение влаги, а влага в виде паров присоединяется к потоку СА, возвращая тем самым затраченную теплоту. Преобразуем уравнение (11.2) до вида I 2  I1  q , а теперь заменим параметры СА на выходе из аппарата на x 2  x1 текущие параметры СА в произвольном сечении аппарата (т.е. I 2 , x 2 на I, x ). Тогда получим I  I1 x  x1  q . (12.2) Уравнение (12.2) может быть названо уравнением линии сушки. Реальный процесс сушки. Заданы параметры т.т. «0» и «2». Пусть q 0 . Построим линию нагревания С А в калорифере и линию идеальной сушки в диаграмме “I – x” до их взаимного пересечения (т. "1ид " см. рис. 5.2.) Воспользуемся уравнением статики сушки в виде l ( I 2  I1 )  q . По условию задачи известны величины: l , I 2 q . Для определения положения линии сушки реального процесса перепишем последнее уравнение в виде I1  I 2  q q . Но q 0 , а поэтому I1 больше I2 на . От т. 1ид откладываем l l вверх отрезок равный q . Таким образом, находим положение точки начала l процесса сушки реального процесса (окончания процесса нагревания СА в калорифере реального процесса). 117 Рисунок 5.2 –Изображение процессов нагревания С А и сушки в “I – x” диаграмме. Линия «1 – 2» - линия сушки реального процесса в случае, если q 0 (линия изменения параметров СА в процессе реальной сушки). Так как q 0 , то и мощность калорифера реальной сушки больше мощности калорифера идеальной сушки. Аналогичные рассуждения можно повторить для случая, когда q  0 , и провести соответствующие построения (рисунок 5.2). 118 Лекция № 10. СУШКА. Часть 3. Реальный процесс сушки в простой сушильной установке. Заданы параметры т.т. «0» и «1». Точка 2 задана одним параметром, φ2. Пусть 0 . Построим линию нагревания СА в калорифере и линию идеальной сушки в диаграмме “I – x” до пересечения этой линии с линией  2  const (т. "2 ид " см. рисунок 1.3). Рисунок1.3 – Изображение процессов нагревания СА и сушки в “I – x” диаграмме. Для построения линии сушки воспользуемся уравнением линии сушки в виде I  I1  ( x  x1 ) Преобразуем уравнение линии сушки I  I1  ( x  x1 ) . (1.3) Зададимся произвольным значением влагосодержания x на участке « x0  x 2ид » (рисунок 1.3). Подставим это значение влагосодержания в формулу (1.3). Найдем, таким образом, второй параметр влажного воздуха в произвольной точке линии реальной сушки, I. Найдем точку пересечения параметров влажного воздуха x и I в поле диаграммы Рамзина. Соединим т. 1 с произвольной точкой линии реальной сушки и продолжим ее до пересечения с линией  2  const . Линия «1 – 2» - линия реальной сушки. Линия реальной сушки при заданном значении параметра сушки ( q 0 ) проходит ниже линии идеальной сушки (рисунок 1.3). 119 Влагосодержание влажного воздуха на выходе из сушильной установки реального процесса сушки меньше x2ид. Следовательно, удельный расход а.с.в. в реальном процессе выше удельного расхода а.с.в. в идеальном процессе сушки. В таком же соотношении находятся и удельные расходы тепла в калорифере реальной сушильной установки и идеальной. Аналогично может быть построена линия сушки для случая q  0 . Сушка с частичным возвратом отработанного воздуха (с рециркуляцией отработанного воздуха). Схема установки. Построение линий смешения, нагрева и сушки для идеального варианта. Коэффициент рециркуляции. Сравнение с простой сушильной установкой. Процессы сушки протекают с большей скоростью при повышенных температурах и пониженных влажностях СА, иначе – при высокой движущей силе процесса. Однако на практике часто необходимо вести процесс сушки медленно, т.е. в мягких условиях (при меньшей температуре и большем значении влагосодержания СА). Такая сушка применяется в случае высушивания термолабильного материала или в случаях неравномерного высушивания влажного материала: чрезмерно высушивается у поверхности контакта с СА и недостаточно во внутренних зонах. Для обеспечения смягчения условий сушки в сушильной установке часть отработанного воздуха возвращается на вход в установку, где смешивается со свежим воздухом. Далее эта смесь направляется на нагрев в калорифер, после чего поступает в сушильный аппарат (рисунок 2.3) Рисунок 2.3 – Схема сушильной установки с рециркуляцией отработанного воздуха. 120 Рисунок 3.3 – Изображение процессов смешения СА, нагревания его и изменения его параметров в процессе сушки в поле диаграммы Рамзина (идеальный вариант процесса). Коэффициент рециркуляции показывает, какая масса отработанного воздуха возвращается в процесс на каждый кг свежего воздуха, n,   кг.а.с.в.св. кг.а.с.в.отр.  .  Пусть известны: параметры воздуха свежего и отработанного, параметры точки смешения воздуха свежего и отработанного. Построим линии: смешения, нагрева и сушки в “I – x” диаграмме. Построение начинают с проведения линии смешения – это прямая, соединяющая т.т. «0» и «2» (ниже будет доказано, что линия смешения действительно прямая в координатах “I – x”). Зная параметры т. смеси (т. «М»), проводят линию нагрева воздуха в калорифере (х = const) до пересечения с изоэнтальпией I1 =I2 (так как процесс сушки идеальный, поэтому линия сушки «1 – 2» совпадает с линией I = const.), таким образом определяя положение т. «1». Докажем, что на самом деле, по сравнению с простой сушильной установкой, установка, рассматриваемая обеспечивает понижение температуры и повышение влагосодержания С А на входе в сушильный аппарат. Построим линию нагрева С А в простой сушильной установки, начиная от т. «0» до пересечения с линией идеальной сушки этой установки, как продолжение линии «1 – 2» сушки с рециркуляцией отработанного воздуха (на рис. 3.3. эти линии обозначены пунктирно). Точку пересечения обозначим символом « 1пр ». Сравним температуру и влагосодержание в т.т. « 1пр » и «1». Действительно t1 t1пр , x1  x1пр . Расход циркулирующего СА. Удельный расход циркулирующего СА. Баланс по влаге узла смешения. Тепловой баланс узла смешения. Уравнение линии смешения. Составим баланс узла смешения по а.с.в. (рисунок 4.3) 121 L  Ln  Lц , откуда Lц  L(1  n) , кг.а.с.в.цирк. . с (2.3) Поделим обе части уравнения (2.6) на W Lц W  lц  l (1  n) . (3.3) Составим баланс по влаге узла смешения Lx 0  Lnx 2  L(1  n) x M , или x0  nx2  (1  n) x M , или n x M  x0 . x2  xM (4.3) Составим тепловой баланс узла смешения LI 0  LnI 2  L(1  n) I M , откуда n  IM  I0 . I2  IM (5.3) Приравняем правые части уравнений (4.3) и (5.3) x M  x0 I M  I 0  . x2  xM I2  IM (6.3) Уравнение (6.6) представляет собой уравнение прямой линии в отрезках в координатах “I – x”. Следовательно, действительно, линия смешения в диаграмме Рамзина – прямая линия. Рисунок 4.3 – Схема узла смешения. Материальный баланс сушильного аппарата. Расход циркулирующего воздуха. Удельный расход циркулирующего воздуха. Удельный расход свежего воздуха. Выделим сушильный аппарат из схемы сушильной установки с рециркуляцией отработанного С А (см. рис. 5.3) и составим уравнение материального баланса по влаге для контура 1. Lц x1  W  Lц x2 , откуда Lц  W . x 2  x1 (7.3) 122 Поделив обе части уравнения (7.3) на W, получим lц  1 , x 2  x1 (8.3) где lц – удельный расход циркулирующего воздуха. Приравняем правые части уравнений (3.3) и (8.3) и найдем удельный расход свежего воздуха в установке с частичным возвратом отработанного воздуха, принимая во внимание уравнение (4.3) l (1  n)  x x x x x x 1 1 1 , или l (1  M 0 )  , или l ( 2 1 M 0 )  . x2  xM x 2  x1 x2  xM x 2  x1 x 2  x1 С учетом того, что x1  x M , получим l 1 , т.е. удельный расход свежего воздуха в сушильной установке с x 2  x0 рециркуляцией отработанного воздуха равен удельному расходу свежего воздуха в простой сушильной установке. 1 Lц,xМ Lц,x2 W Рисунок 5.3 – К уравнению материального баланса сушильного аппарата. Тепловой баланс калорифера сушильной установки с рециркуляцией отработанного воздуха. Составим уравнение теплового баланса калорифера сушильной установки (см. рис. 6.3) (9.3) QK  Lц I M  Lц I1 , откуда QK  Lц ( I1  I M ) . Но Lц  L(1  n) , а n  QK  L(1  IM  I0 , поэтому I2  IM IM  I0 )( I 1  I M ) , с учетом того, что для идеальной сушки I2 = I1, I2  IM QK  L( I 2  I 0 ) , т.е. мощность калорифера в сушильной установке с рециркуляцией отработанного воздуха равна мощности калорифера в простой сушильной установке. 123 Рисунок 6.3 – К уравнению теплового баланса калорифера. Лекция № 10. СУШКА. Часть 4. Сушка с рециркуляцией отработанного воздуха, реальная, заданы точки «0», «2» и «М», а q 0 (или >0). Начальный этап решения задачи заключается в построении линий смешения, нагрева и сушки идеального варианта (см. рис. 1.4). Рис. 1.4. Построение линии реальной сушки при известном значении q . Запишем основное уравнение статики сушки применительно к данному варианту процесса   I 2  I 1 и найдем выражение для расчета I1 lц I1  I 2   . Пусть q 0 , тогда значение энтальпии в 1-ой точке реального lц процесса будет больше энтальпии во 1-ой точке процесса идеальной сушки на величину отношения. Отложим отрезок q lw от т. «1ид» вверх по линии x = const. Найденная таким образом точка и есть точка «1» реального процесса сушки. Соединим т.т. «1» и «2». Линия «1-2» линия реального процесса сушки, а точнее линия изменения состояния влажного воздуха в сушильном аппарате в реальном 124 процессе сушки. Эта линия проходит выше линии идеальной сушки, т.е. при q 0 возрастает удельный расход тепла в калорифере. Многозональная идеальная сушилка с промежуточным нагревом воздуха между зонами (многоярусная ленточная сушилка). Такой способ сушки применяется с целью понижения температуры воздуха на входе в зону сушки. На рисунке 2.4 показана принципиальная схема такой установки. Воздух последовательно проходит: калорифер первой зоны, сушильную камеру первой зоны; калорифер второй зоны, сушильную камеру второй зоны и т.д. На диаграмме Рамзина показано изменение параметров воздуха при прохождении его указанным маршрутом: «0-1» - нагревание воздуха в калорифере первой зоны; «1-2» сушка в первой зоне и т.д. Температура воздуха на входе в каждую из зон сушки одна и та же t1 = t3 = t5 . Температура воздуха на выходе из каждой зоны также одинакова: t2 = t4 = t6 . Следовательно, с увеличением числа зон процесс сушки в каждой из зон приближается к изотермическому режиму. Сравнение многозональной сушилки с простой сушильной установкой (линии нагрева в калорифере и сушки, в сушильной камере которой показаны пунктирно) свидетельствует о снижение температуры сушильного агента на входе в сушильную камеру многозональной сушилки по сравнению с аналогичной величиной простой сушильной установки. L, x 6 , t 2 125 Рисунок 2.4 – Принципиальная схема многозональной идеальной сушильной установки. Графическая интерпретация процессов нагрева и сушки в такой установке. Многозональная реальная сушилка с промежуточным нагревом воздуха между зонами (многоярусная ленточная сушилка). Удельные потери теплоты каждой из зон пропорциональны потокам влаги W1, W2 и W3: q(1)  W W1 W , q( 2)  2 , q(3)  3 , где W1+ W2 +W3=W W W W На рисунке 2.4.1 показана принципиальная схема реальной сушильной установки и геометрическая интерпретация процессов нагрева и сушки в такой установке. Видно, что в калориферах всех зон энтальпия СА на выходе выше энтальпии СА на выходе идеального варианта сушилки, т.к. qc каждой из зон равна нулю, а поэтому q(i )  Wi 0 . Разность энтальпий СА на выходе из калорифера W реальной сушилки и идеальной составляет I 1  I 1ид  q(1) / l - для первой зоны; I 2  I 2ид  q( 2 ) / l - для второй; I 3  I 3ид  q(3) / l , где l 1 x6  x0 126 Рис. 2.4.1 Принципиальная схема многозональной реальной сушильной установки. Графическая интерпретация процессов нагрева и сушки в такой установке. Сушка инертным газом. Чтобы исключить контакт высушиваемого материала с кислородом воздуха прибегают к сушке инертным газом. Чаще всего в качестве инертного газа используют азот, который является основным компонентом воздуха. Поэтому при расчете технологических параметров используют диаграмму Рамзина. На рисунке 3.4 представлена принципиальная схема сушильная установка с использованием в качестве СА инертный газ. СА циркулирует по контуру «калорифер – сушильная камера – конденсатор – вентилятор». Особенностью такой схемы является следующее обстоятельство. Так как СА, после прохождения через сушильную камеру, увлажняется, то для возврата его в процесс сушки требуется вывести из цикла поток влаги, поглощенный сушильным агентом в сушильной камере. С этой целью, в отличие от простой сушильной установки, при сушке инертным газом используют конденсатор, в котором сначала идет процесс охлаждения СА до относительной влажности в 100%, а далее идут одновременно два процесса: охлаждения СА и конденсация паров влаги до достижения исходных параметров СА. 127 Рисунок 3.4 – Принципиальная схема сушильной установки с использованием в качестве СА инертного газа. Графическая интерпретация процессов, протекающих на каждом этапе контура, в координатах “I – x”. Сушка топочными газами. В химической промышленности, помимо воздушной сушки, широко применяется сушка топочными газами. В качестве топлива могут быть использованы твердые, жидкие или газообразные вещества. Однако, для обеспечения высокой чистоты дымовых газов, а, следовательно, и продукта, в качестве топлива применяются в последнее время только жидкие или газообразные вещества. Принципиальная схема сушильной установки для сушки топочными газами представлена на рис. 4.4. В топочной камере 1 (камере сгорания) сгорает топливо при некотором коэффициенте избытка воздуха. Образующиеся дымовые газы поступают в камеру смешения 2, где смешиваются с наружным воздухом, количество которого зависит от требуемой температуры газо-воздушной смеси t1. Смесь с температурой t1 поступает в сушилку 3 и выходит оттуда с температурой t2. Воздух 2 1 g+l2, t1, I1 l1, t0, 0, B матери 3 g+l2, t2, I2 ал Топливо g, tT, IT Вторичный воздух l2, t0 , 0, I0 U’, t’’M Рисунок 4.4 – Схема сушки топочными газами: 1 – топка; 2 – камера смешения; 3 – сушильная камера 128 Газовая сушилка более экономична, чем воздушная. Стоимость 1 кг топочного газа примерно в два раза меньше стоимости 1 кг СА в воздушной сушилке (при тех же параметрах сушильного агента), что обусловлено: дороговизной производства водяного пара высокого давления, используемого в калорифере воздушной сушилки. Скорость сушки выше при сушке топочными газами за счет большей температуры сушильного агента в сушильной камере. Понятно, что такой способ сушки не применим для термолабильных веществ. Рассмотрим последовательность расчета основных параметров процесса сушки влажных материалов топочными газами. Расчет удельного теоретического расхода кислорода первичного воздуха на сжигание 1 кг топлива в топке согласно реакциям горения отдельных элементов топлива, lO 2 кгО 2 . кг.топл. Расчет теоретического расхода первичного а.с.в. на сжигание 1 кг топлива с учетом массового содержания кислорода в воздухе (23,2%), lT кг.а.с.в. . кг.топл . Расчет удельного действительного расхода первичного а.с.в. с учетом коэффициента избытка воздуха (около 1,2), l1 . Расчет влагосодержания топочных газов на выходе из камеры сгорания на основании уравнения материального баланса топки из расчета на 1 кг сухих топочных газов, xT [ кг.вл. ]. кг.с.т.г. Расчет энтальпии топочных газов на выходе из топки на основании уравнения теплового баланса камеры сгорания, IT [ кДж ]. кг.с.т.г. Определение температуры топочных газов на выходе из топки по найденным значениям влагосодержания и энтальпии т.г. с помощью энтальпийной диаграммы, t T [ 0 C ]. Расчет удельного массового расхода с.т.г. на выходе из топки, g[ кг.с.т.г. ] на кг.топл. основе уравнения материального баланса топки. Построение линии смешения вторичного воздуха с топочными газами в камере смешения в поле энтальпийной диаграммы. Определение параметров топочных газов на выходе из камеры смешения по заданной температуре t1 с помощью энтальпийной диаграммы (по точке пересечения линии смешения с изотермой). 129 Расчет удельного расхода вторичного а.с.в. в камере смешения на основании уравнения материального баланса камеры по влаге, l2  g ( xT  x 0 ) кг.а.с.в [ ]. x1  x 0 кг.топл. Построение линии идеальной сушки при известном значении относительной влажности на выходе из сушильной камеры,  2 . Определение параметра сушки (суммы удельных потерь теплоты в сушильной камере). Построение линии сушки при известных параметрах первой точки и известной относительной влажности СА на выходе из сушильной камеры. Расчет удельного расхода сухих топочных газов в сушильной камере по известным значениям влагосодержания в т.т. «1» и «2», l 1 кг.а.с.т.г. [ ]. x 2  x1 кг.вл. Расчет потока удаляемой влаги в сушильной камере по известным значениям влажности материала и расхода сухого материала, W  G(u   u ) . Расчет потребного массового расхода сухих топочных газов в сушильной камере по известным значениям удельного расхода с.т.г. и потока удаляемой влаги, L  l W[ кг.с.т.г. ]. с Расчет потребного расхода топлива. B L кг.топл. [ ]. g  l2 с Рисунок 5.4 – Диаграмма I – x процесса сушки топочными газами: O-T – линия смешения топочных газов со вторичным воздухом в камере смешения; 1-2 – линия сушки в сушильной камере. 130 Кинетика сушки. Задачи кинетики сушки. Форма связи влаги с материалом. Скорость процесса сушки зависит от множества факторов: природы высушиваемого материала и влаги, температуры процесса, скорости движения сушильного агента над поверхностью материала, геометрии материала, конструкции сушильной камеры, а также от формы связи влаги с материалом. В рамках кинетики сушки решается несколько задач: определение механизма процесса сушки; определение скорости сушки и ее продолжительности. Решение первой задачи позволяет определить оптимальный режим процесса сушки. Решение второй задачи способствует определению размеров сушильного аппарата. Различают следующие формы связи влаги с материалом: а) механическая связь – связь твердого вещества с поверхностной влагой в произвольных соотношениях; такая влага, удерживаемая силами механического сцепления, называется поверхностной или свободной, наиболее легко удаляемая; б) физико-химическая связь – связь обеспеченная осмотическими, капиллярными и сорбционными силами; осмотические силы значимы при высокой влажности материала, перемещение влаги происходит в виде жидкости; капиллярные силы проявляют себя при средней влажности, влага перемещается в виде пара и жидкости; сорбционные силы действенны при низкой влажности материала, перемещение влаги происходит в парообразном состоянии; в) химическая связь – строго в определенных количественных соотношениях, является наиболее прочной (кристаллогидраты). Влага, удерживаемая физико-химической и химической связями, носит общее название – связанная влага. Примечание. Осмос (толчок, давление) – диффузия вещества (обычно растворителя) через полупроницаемую перегородку. Давление насыщенного пара над вогнутой жидкой поверхностью всегда меньше чем над плоской поверхностью при той же температуре. Чем больше кривизна вогнутого мениска, тем больше понижается давление пара. Кинетика сушки. Кривые сушки. Кривые скорости сушки. Удаление влаги различных форм связи с материалом имеет свои особенности, которые выявляются при построении кинетических кривых процесса сушки. 131 Кривая сушки представляют собой зависимость относительной влажности материала от времени процесса сушки (рис. 5.4.а). Характер кривой определяется экспериментально при постоянной температуре процесса. На небольшом начальном участке кривой сушки изменение влажности мало, здесь имеет место прогрев материала. Далее влага удаляется с постоянной скоростью, о чем свидетельствует прямолинейный участок кривой. Говорят, о сушке в первом периоде (периоде постоянной скорости). В этот период удаляется свободная влага. В последующем удаление влаги происходит с падающей скоростью, когда с течением времени влажность материала асимптотически приближается к равновесной величине. Этот период называют вторым периодом сушки (периодом удаления связанной влаги). Более наглядными являются кривые скорости сушки. Под скоростью сушки понимается изменение влажности материала в единицу времени  dU , здесь d отрицательный знак обусловлен отрицательным знаком производной. Пример кривой скорости сушки показан на рисунке 5.4.б. Кривая скорости сушки построена методом графического дифференцирования кривой сушки (см. рис. 5.4.а). Период прогрева материала опущен. Первому периоду соответствует горизонтальный участок. Во втором периоде кривые скорости сушки в зависимости от свойств материала и влаги могут идти различным образом. Общим является устремление этих линий к равновесной влажности материала, достижение которой возможно только при бесконечно долгой сушке. Кривые скорости сушки, снятые для различных температур, служат основой для решения первой задачи кинетики сушки: выбора оптимального способа и аппарата для сушки этого влажного материала. Для решения задачи проектирования пользуются величиной, называемой напряжением по влаге, отнесенное или к 1 м3 объема сушильной камеры, Av [ кг.влаги ] , или к 1 м2 м об.камеры  час 3 условной поверхности (если испарение влаги происходит в небольшом слое материала или с поверхности тонкого листового материала) AF [ кг.влаги ] . Напряжение по влаге находят по средним данным м 2  час эксплуатации промышленных установок 132 Рисунок 5.4 – Кривые сушки и скорости сушки. Напряжение по влаге учитывает не только продолжительность процесса сушки конкретного материала (материал представляет собой субстанцию, состоящую из твердых частиц различной формы и размеров или листового материала), но и технологические параметры процесса, и принципиальные особенности сушильного аппарата. При расчете новых сушилок с помощью Av или AF для одного и того же материала необходимо, чтобы гидродинамические, температурные и другие условия были такими же, при которых определялось это напряжение по влаге. Зная напряжение по влаге в форме Av , определяют рабочий объем сушильной камеры и ее геометрические размеры. Так, например, объем сушильного барабана может быть найден по формуле V  L W . Зная соотношение между длиной барабана и его диаметром, m  б , Dб AV записывают V  Dб2 4 Lб  m Dб3 4  4W W ; Lб  mD б . Откуда: Dб  3 mAV AV Такой прямой метод использования результатов эксплуатации сушильных аппаратов при решении задач проектирования обусловлен сложностью явлений процесса сушки влажных материалов: внутренней миграции влаги в материале, диффузии ее с поверхности в поток сушильного агента, сопутствующих физикохимических превращений (дегидратации, фазовых переходов), одновременного протекания теплопереноса, поведения единичного зерна в массе высушиваемых зерен. Однако по мере проникновения в физическую сущность процесса возрастает роль теоретических построений. Они позволяют: 133 - грамотно поставить эксперимент; - построить его физическую модель процесса; - в отдельных (простых) случаях – математически описать и рассчитать процесс сушки (решить, как задачу эксплуатации, так и задачу проектирования). В качестве примера рассмотрим далее – непрерывный процесс сушки в псевдоожиженном слое высушиваемого материала, как наиболее удобный своей простотой и возможностью (при значительных упрощениях) довести анализ до расчетных выражений. Рисунок 5.5 – Принципиальная схема сушильной установки с псевдоожиженным слоем высушиваемого материала. Из общих соображений можно разделить процесс конвективной сушки на четыре стадии: - 1ая стадия - подвод влаги в зону сушки с влажным материалом; - 2ая стадия - диффузия влаги внутри ТМ из его внутренних областей к поверхности контакта с СА; - 3ья стадия - диффузия влаги с поверхности ТМ в поток сушильного агента; - 4ая стадия - вывод влаги из рабочей (сушильной) зоны с СА. Результирующая скорость сушки определяется интенсивностью каждой из этих стадий. Однако можно пойти по пути упрощения расчета, если скорость на какой-либо одной из стадий значительно меньше, чем на остальных. Тогда говорят, что эта стадия является лимитирующей. В таком случае расчету подлежит только эта стадия процесса, так как остальные в сравнении с ней протекают практически мгновенно. 134 Если в качестве лимитирующей стадии выступает 1ая стадии, то речь идет о сушке в условиях потоковой задачи по ТМ, а интенсивность процесса сушки определяется уравнением материального баланса W  G(U   U ) . Если в качестве лимитирующей стадии выступает 2ая стадия, то говорят о сушке в условиях внутренней задачи. В основе анализа этого случая лежит уравнение Фика. Для единичного сферического зерна радиусом R при симметричной сушке в случае постоянного коэффициента диффузии влаги в материале (DM) в отсутствие химических превращений оно записывается в сферических координатах:   2 C 2 C  C ;0  r  R,  0 , где C – концентрация влаги в материале  DM  2   r r   r Если в качестве лимитирующей стадии выступает 3ая стадия, то говорят о сушке в условиях внешней задачи. Основное уравнение внешнего массопереноса имеет вид W  Fxср , где  - коэффициент массоотдачи;  - плотность а.с.в.; F поверхность контакта фаз; xср  ( xM  x) ср - средняя движущая сила процесса, при x M - равновесное влагосодержание СА, x M  x M (U ) . Рисунок 5.6 – Равновесие при сушке. Если в качестве лимитирующей стадии выступает 4ая стадия, то речь идет о сушке в условиях потоковой задачи по СА. а интенсивность процесса сушки определяется уравнением материального баланса W  L( x2  x1 ) . Заметим, что в обоих случаях сушки в условиях потоковой задачи по ТМ и СА уравнения материального баланса дополняются равновесным соотношением x 2  x 2 (U ) . Видны очевидные упрощения при определении параметров сушки в условиях внутренней задачи, в самом деле: форма зерна может быть далека от сферической; коэффициент диффузии влаги в материале существенно зависит от ее 135 концентрации в нем; при изменении С могут изменятся физическое состояние влаги в материале и характеристики ее диффузии, т.е. тогда DМ нельзя считать постоянным в ходе процесса сушки (по объему зерна – тоже). Тогда усложняется написание уравнение Фика, если возможно написание его вообще. Дополнительные затруднения – в установлении и математическом выражении зависимости DМ от С. При сопоставимости скоростей хотя бы двух каких-либо медленных стадий задача именуется смешанной, ее расчет усложняется. 136 Лекция № 11. ЭКСТРАКЦИЯ Экстракция – один из эффективных методов разделения веществ в неорганической технологии. этот метод позволяет извлекать рассеянные, редкие элементы, цветные и другие металлы из растворов, полученных в результате кислотного разложения природных руд, получать концентрированные кислоты из разбавленных растворов без выпаривания, смещать реакции обменного разложения в сторону образования требуемых кислот и солей, осуществлять реакции, не идущие в водных системах, производить кристаллизацию солей из водных растворов, экстрагируя из них воду, осуществлять глубокую очистку веществ, разделять близкие по свойствам элементы. Экстракция – процесс извлечения вещества из водного раствора в жидкую органическую фазу. в большинстве случаев, вода и органическая фазы не смешиваются друг с другом, хотя в ограниченных пределах взаимно растворимы. Экстрагент – органическое вещество, образующее с извлекаемым веществом комплекс или соль, способные растворяться в органической фазе. экстрагентами служат органические кислоты, спирты, эфиры, кетоны и др. Разбавитель – органическое жидкое вещество, не смешивающееся с водой, служащее растворителем экстрагента. распространенные разбавители – керосин, ксилол, уайт-спирит и др. благодаря применению разбавителей можно использовать твердые экстрагенты или улучшить физические характеристики жидких экстрагентов (вязкость, плотность). разбавитель большей частью не взаимодействует с извлекаемым веществом, но он существенно влияет на показатели экстракции. Высаливатель – неорганическое вещество, обычно электролит, улучшающее показатели экстракции. добавление в водный раствор высаливателя способствует образованию легче экстрагируемых недиссоциированных молекул или комплексов. Экстракт и рафинат – соответственно органическая и водная фазы после экстракции. Классификация экстрагентов По типу взаимодействия с извлекаемым веществом экстрагенты делят на нейтральные и ионообменные. Нейтральные экстрагенты - это органические вещества, молекулы которых способны к образованию координационных связей (донорно-акцепторного типа) с извлекаемым ионом, более прочных, чем связи молекул воды, то есть энергия сольватации молекулами экстрагента превышает энергию гидратации. 137 К ионообменным экстрагентам относятся органические кислоты и их соли или органические основания и их соли, способные при контакте с водным раствором к обмену неорганического катиона или аниона, входящего в состав экстрагента, на неорганический катион или анион, находящийся в растворе. В этом случае условием протекания экстракции является более высокая энергия гидратации ионов, переходящих из органической фазы в водную, по сравнению с извлекаемыми из водного раствора ионами. Существует также экстракция, которая не сопровождается химическим взаимодействием и ее можно рассматривать как случай простого физического распределения. Свойства экстрагента и его выбор Селективность - основное свойство, которым должен обладать экстрагент. Это свойство характеризует способность экстрагента предпочтительно извлекать один из двух компонентов раствора. С этой точки зрения наиболее подходит тот экстрагент, который растворяет максимальное количество одного компонента и минимальное количество другого. Емкость. Если экстрагент не обладает большой емкостью, то есть способностью растворять относительно большое количество избирательно извлекаемого компонента, то, несмотря на его высокую селективность, применение экстрагента может оказаться неэкономичным из-за необходимости иметь в экстракционной системе большое количество циркулирующего экстрагента. Растворимость экстрагента. Желательно чтобы экстрагент и исходный растворитель извлекаемого компонента обладали наименьшей взаимной растворимостью. Это приводит к увеличению селективности, и кроме того, упрощается регенерация экстрагента и отпадает необходимость в дополнительной обработке получаемого рафината для выделения, растворенного в нем экстрагента. Плотность. При выборе экстрагента существенную роль играет разность плотностей фаз, которая должна быть возможно большей. Разность плотностей фаз определяет не только скорость расслаивания несмешивающихся жидкостей, но и производительность экстракционного оборудования. Кроме того, необходимо учитывать, что при смешении жидкостей происходит изменение плотностей фаз за счет их взаимной растворимости. Воспламеняемость. Это свойство экстрагента обычно характеризуется его температурой вспышки, которая в целях пожаробезопасности должна быть достаточно высокой. Если в процессе экстракции используется горячий экстрагент, он должен не только иметь достаточно высокую температуру вспышки, но и обладать узким диапазоном пределов взрываемости его паров в смеси с воздухом. 138 Токсичность. Использование в промышленности высокотоксичных экстрагентов сопряжено с трудностями выполнения требований техники безопасности, и их применения по возможности следует избегать. Токсичные экстрагенты не должны применяться в пищевой и парфюмерной промышленности. Стоимость. Низкая стоимость и доступность экстрагента являются важными характеристиками. Несмотря на то, что экстрагент регенерируют после экстракции, обычно бывает необходимо вводить в процесс некоторое количество свежего экстрагента для восполнения необратимых потерь. Межфазовое натяжение. Для ускорения коалесценции несмешивающихся жидкостей при их разделении (отстаивании) необходимо, чтобы межфазовое натяжение было достаточно высоким. Однако, чрезмерно большое межфазовое натяжение приводит к увеличению энергии, затрачиваемой на создание дисперсии. Жидкости с малым межфазовым натяжением образуют стабильные эмульсии, возникновение которых трудно предотвратить. Реакционная способность и стабильность. Химическая реакция между экстрагентом и компонентами исходного раствора нежелательна, поскольку усложняется стадия регенерации экстрагента. Вместе с тем, такая реакция обычно увеличивает коэффициент распределения вещества между фазами. Поэтому, если происходит химическая реакция, то она должна быть обратимой, иначе стоимость регенерации экстрагента будет велика. Например, уран, извлекают из разбавленных кислых растворов алкилами фосфорной кислоты, химически взаимодействующими с исходным раствором, при этом экстрагент регенерируют экстракцией из него урана более концентрированной кислотой. Необходимо, чтобы экстрагент при взаимодействии с исходным раствором был стабильным, например, экстрагент не должен изменяться под воздействием таких окислителей, как азотная кислота, если она присутствует в исходном растворе. Экстрагент не должен полимеризоваться или окисляться кислородом воздуха, а также изменяться при многократном нагревании вплоть до максимальной температуры, достигаемой в процессе регенерации его ректификацией. Следует избегать таких экстрагентов как эфир, которые образуют взрывоопасные перекиси. Вязкость. С уменьшением вязкости экстрагента уменьшаются затраты энергии на перекачивание и перемешивание, увеличивается скорость тепло- и массопередачи, а также скорость осаждения дисперсий. Иногда для уменьшения вязкости экстрагента его смешивают с инертным растворителем, например, при экстракции урана трибутилфосфат смешивают с керосином или другими углеводородами. 139 Регенерируемость. Во всех процессах жидкостной экстракции необходимо выделять экстрагент из продуктов экстракции, чтобы предотвратить загрязнение этих продуктов экстрагентом, а также свести к минимуму его потери. Если экстрагент выделяется посредством ректификации, важное значение имеет летучесть и теплота парообразования экстрагента. Для регенерации экстрагента помимо ректификации применяют другие методы, например, перегонка с водяным паром, выпаривание, кристаллизация, жидкостная экстракция, химическая реакция. Во многих случаях стоимость регенерации экстрагента составляет большую часть стоимости всего процесса разделения, поэтому вопросам выбора схемы регенерации следует уделять особое внимание. Из рассмотренных выше требований, которым должен удовлетворять экстрагент, наиболее важными являются селективность, регенерируемость, межфазовое натяжение, плотность, реакционная способность. Остальные свойства с технической точки зрения менее важны, но должны приниматься во внимание при выборе экстрагента и определении стоимости проведения процесса. В процессе жидкостной экстракции исходная смесь F, содержащая распределяемое вещество, вступает в контакт с экстрагентом (растворителем) S, в который в результате массопередачи переходит компонент. После разделения (отстаивание, центрифугирование или другой метод) получают две новые фазы – экстракт Е, представляющий собой раствор распределяемого вещества в экстрагенте, и рафинат R – исходный раствор, из которого частично или полностью извлечено распределяемое вещество. F+S = R+E, где F, S, R, Е – весовые расходы исходного раствора, экстрагента, рафината и экстракта. Каждая ступень такого экстрактора состоит из смесителя 1, где происходит собственно процесс экстракции при интенсивном перемешивании фаз, и отстойника 2, в котором осуществляется отделение экстракта от рафината. В смесителе происходит полное смешение фаз (т.е. этот аппарат работает по модели идеального смешения-МИС) и вследствие этого в смесителе обычно достигается состояние равновесия между фазами. Таким образом, в одной ступени фазы движутся прямоточно по отношению друг к другу, в то время как в целом в установке создается противоточное движение фаз. К достоинствам смесительно-отстойных экстракторов относятся их высокая эффективность (эффективность каждой ступени может приближаться к одной теоретической ступени разделении), возможность быстрой смены числа ступеней, пригодность для работы в широких интервалах изменения физических свойств и объемного соотношения фаз, относительно легкое масштабирование и др. 140 Недостатками этих экстракторов являются большая занимаемая производственная площадь, наличие смесителей с индивидуальными приводами, большие объемы гравитационных отстойных камер. Наиболее простыми по устройству представителями гравитационных экстракторов являются распылительные колонны. Они представляют собой полые колонны 1 с устройствами 2 для диспергирования тяжелой (рисунок, а) или легкой (б) фаз (исходного раствора или экстрагента). Сплошная фаза перемещается противотоком дисперсной. Капли диспергированной жидкости, пройдя сквозь столб сплошной фазы, коалесцируют и выходят из колонны. Тяжелая фаза уходит через гидрозатвор 3, с помощью которого регулируют уровень раздела фаз в колонне. Для лучшего отделения фаз иногда верхнюю и нижнюю части колонны 1 делают большего диаметра (при этом снижается скорость сплошной фазы и улучшаются условия сепарации фаз). В распылительных колоннах отсутствуют какие-либо внутренние устройства вследствие чего фазы в колонне могут свободно циркулировать в вертикальном направлении, т.е. в этих аппаратах имеются условия для продольного перемешивания фаз. Это явление еще более усиливается при увеличении отношения диаметра к высоте колонны. Продольное или обратное перемешивание, как известно, приводит к снижению скорости массопередачи в результате уменьшения движущей силы процесса. Поэтому распылительные экстракторы являются аппаратами низкой эффективности; высота единицы переноса в этих экстракторах достигает 5-6 м. К недостаткам распылительных экстракторов относится также снижение скорости захлебывания с увеличением доли диспергированной фазы в системе, так как при этом снижается сечение для движения сплошной фазы и увеличивается унос капель. Важным достоинством распылительных экстракторов является возможность обработки в них загрязненных жидкостей. Иногда эти аппараты применяют для экстрагирования из пульп. Достаточно широкое распространение в промышленности получили н а с а д о ч н ы е э к с т р а к т о р ы, которые по конструкции аналогичны насадочным абсорберам. В ситчатых экстракторах сплошная фаза (сплошной фазой является исходный раствор) течет вдоль тарелки 1 и перетекает с тарелки на тарелку через переливные устройства 2. После взаимодействия со сплошной фазой капли коалесцируют и образуют слой легкой фазы под каждой вышерасположенной тарелкой. Если диспергируется тяжелая фаза, то слой этой жидкости образуется над тарелками. Эти слои, которые называют подпорными, обеспечивают 141 секционирование колонны по высоте и перетекание сплошной фазы только через переливные устройства. Кроме того, эти слои создают гидростатический напор, необходимый для преодоления сопротивления отверстий тарелки, вследствие чего жидкость, проходя через отверстия тарелки, вновь диспергируется. В промышленности применяют обычно экстракторы с ситчатыми тарелками, имеющими круглые отверстия диаметром d0 от 2 до 10 мм (более крупные-для жидкостей с повышенной вязкостью), чаще 3-4 мм. Ситчатые гравитационные экстракторы просты по устройству, имеют достаточно высокую производительность, в них отсутствуют движущиеся части, вследствие секционирования (тарелками) продольное перемешивание в этих аппаратах невелико. Ситчатые экстракторы применяют в производстве синтетического каучука (для экстракции дивинила), в нефтехимии (для экстракции сероводорода из сжиженных газов и др.), в фармацевтической и других отраслях промышленности. В этом экстракторе на равном расстоянии друг от друга укреплены неподвижные кольцевые перегородки 2 (статор), делящие колонну на ряд секций небольшого объема. По оси колонны 1 на валу 3 располагаются гладкие горизонтальные диски (ротор). Диаметр дисков ротора несколько меньше диаметра отверстий колец статора. При вращении вала с дисками под действием сил трения и центробежных сил возникает движение сплошной фазы к стенкам аппарата, достигнув которых, жидкость движется вверх и вниз вдоль стенки и отражается кольцами статора. На это движение жидкости накладывается осевое. Диспергируемая распределителем 5 легкая фаза (экстрагент) движется противотоком к сплошной. В результате в каждом секции возникают тороидальные замкнутые потоки сплошной фазы, приводящие к интенсивному перемешиванию фаз. При этом дисперсная фаза многократно дробится дисками при столкновении со стенками и под действием турбулентных пульсаций. Дробление на капли сопровождается их коалесценцией при взаимных столкновениях, что способствует повышению интенсивности процесса массопередачи. После перемешивания при обтекании кольцевых перегородок, ограничивающих секции колонны, фазы частично разделяются вследствие разности плотностей. В отстойных зонах 4 и 6 фазы разделяются и затем выходят из аппарата. Роторные экстракторы различаются в основном конструкцией перемешивающих устройств. Вместо гладких дисков применяют различного вида мешалки, иногда секции заполняют насадкой и т.п. 142 К основным достоинствам роторных экстракторов относятся высокая эффективность массопереноса, малая чувствительность к твердым примесям в фазах, возможность создания аппаратов большой единичной мощности и др. Эффективность процесса массопереноса при экстракции можно повысить за счет пульсации фаз. В пульсационных экстракторах применяют два основных способа сообщения пульсаций жидкостям. По первому способу пульсации в колонном экстракторе генерируются наружным механизмом (пульсатором) гидравлически, по второму-посредством вибрации перфорированных тарелок, укрепленных на общем штоке, которому сообщается возвратно-поступательное движение. В качестве пульсаторов 2 используют поршневые бесклапанные мембранные, сильфонные и пневматические насосы. В ситчатых тарельчатых пульсационных экстракторах используются чаще тарелки 3 без переливных устройств, хотя разработаны и специальные конструкции ситчатых тарелок для проведения пульсационной экстракции. В пульсационных колоннах применяют также поршневые пульсаторы с воздушной подушкой, позволяющие изолировать поршень пульсатора от среды, что важно предусматривать при обработке агрессивных сред. Пульсационные экстракторы высокоэффективны, позволяют проводить экстракцию без контакта обслуживающего персонала с обрабатываемыми жидкостями, что очень важно, если жидкости радиоактивны или токсичны. К недостаткам пульсационных колонн относятся большие динамические нагрузки на фундамент, повышенные эксплуатационные расходы, трудность обработки легко эмульгируемых систем. Диаметр пульсационных колонн не превышает 1.0 м, поскольку с увеличением диаметра затрудняется равномерное распределение скоростей по сечению экстрактора и резко увеличивается расход энергии. 143 Лекция № 12. АБСОРБЦИЯ Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидким поглотителем (абсорбентом). При физической абсорбции поглощение компонента не сопровождается химической реакцией. Процесс в большинстве случаев обратим. На этом свойстве основано выделение поглощенного компонента из раствора - десорбция. Если поглощаемый компонент образует с абсорбентом химическое соединение, то процесс называют хемосорбцией. В промышленности процесс абсорбции обычно сочетают с десорбцией, что позволяет многократно использовать абсорбент и выделять поглощённый компонент в чистом виде. Примерами использования процессов абсорбции в промышленности могут служить выделение ценных компонентов из газовых смесей, получение соляной (абсорбция HCl водой) и серной (абсорбция SO3 водой) кислот, очистка газовых выбросов от вредных примесей (например, очистка топочных газов от SO2) и т.д. Жидкие поглотители (абсорбенты) выбирают по растворимости в них поглощаемых компонентов. Растворимость газов в жидких поглотителях зависит: 1) от физических и химических свойств газовой и жидкой фаз; 2) от температуры; 3) от давления газа в смеси. Схема абсорбционной установки непрерывного действия Периодическая абсорбция используется только в производствах малого масштаба. Наиболее часто используется непрерывная противоточная абсорбция. На рисунке 1 представлена схема абсорбционной установки. Газ на абсорбцию подаётся газодувкой 1 в нижнюю часть колонны 2, где равномерно распределяется перед поступлением на насадку или тарелки. Абсорбент из промежуточной емкости 9 насосом 10 подаётся в верхнюю часть колонны и равномерно распределяется по сечению абсорбера с помощью оросителя 4. Газ после абсорбции пройдя брызгоотбойник 3, выходит из колонны. Абсорбент стекает через гидрозатвор в ёмкость 13, откуда насосом 12 направляется на регенерацию в десорбер 7 после предварительного подогрева в теплообменнике-рекуператоре 11. Извлечение поглощённого компонента из абсорбента производится в кубе десорбера 8, обогреваемом насыщенным водяным паром. Перед подачей на орошение колонны абсорбент, пройдя теплообменник-рекуператор 11, дополнительно охлаждается водой в холодильнике 5. 144 Как и другие процессы массопередачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз. По способу образования поверхности контакта фаз абсорберы подразделяют на поверхностные, барботажные и распыливающие. Различают также аппараты с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. Распространенным поверхностным абсорбером является пленочный, в котором газ взаимодействует с жидкостью на поверхности пленки, стекающей по трубкам или плоским листам. Пленочный трубчатый абсорбер (рисунок 2) аналогичен кожухотрубному теплообменнику. Жидкость поступает на верхнюю трубную решетку, распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой пленки. Газ движется по трубам снизу-вверх навстречу стекающей жидкой пленки. Так как абсорбция лучше протекает при низкой температуре, то для отвода теплоты абсорбции в межтрубное пространство подают охлаждающий агент. Пленочные абсорберы обладают низким гидравлическим сопротивлением. Величина поверхности контакта фаз в них невелика. Кроме того, бывает трудно обеспечить равномерное орошение поверхности всех труб или листов. Насадочная колонна (рисунок 3) может работать как поверхностный абсорбер, которая заполнена насадкой 3 - твердыми телами различной формы. Насадка изготовляется из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и др.). Она укладывается на опорные решетки 4, имеющие отверстия для прохождения газа и стока жидкости. Жидкость равномерно орошает насадку с помощью оросителя 2 и стекает по поверхности насадки. При этом жидкость стремится переместиться к стенкам, где меньше скорость восходящего потока газа и меньше плотность укладки насадки (пристеночный эффект). Поэтому через определенные слои (секции) насадки (1,5 - 2 диаметра аппарата) устанавливают перераспределители жидкости 5 для обеспечения равномерного смачивания нижележащих слоев насадки. Гидравлический затвор 6 препятствует выходу газа из аппарата с жидкостью. В качестве насадки широко применяют кольца Рашига (слайд 5), высота и диаметр у них равны. Диаметр колец изменяется в пределах от 10 - 100 мм. Большие кольца (от 50  50 и выше) иногда укладывают правильными рядами. Загруженную таким способом насадку называют регулярной. Кольца малых размеров засыпают в колонну навалом. Регулярная насадка характеризуется более низким гидравлическим сопротивлением и допускает более высокие нагрузки по газу и жидкости. 145 Гидродинамические режимы насадочных колонн. Рассмотрим режимы работы насадочных колонн при противотоке газа и жидкости, используя графическую зависимость гидравлического сопротивления P насадки от скорости газа  в колонне (рисунок1.5). Первый режим - плёночный - наблюдается при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Для этого режима характерно, что насадка смочена не полностью. Жидкость стекает по насадке в виде тонкой плёнки, и контакт жидкости с газом происходит на поверхности этой плёнки. Плёночный режим заканчивается в точке А, называемой точкой подвисания. Второй режим - режим подвисания. После точки А повышение скорости газа приводит к увеличению сил трения газа о жидкость на поверхности контакта фаз. Происходит торможение жидкости газовым потоком, в результате чего скорость течения жидкости уменьшается, а толщина её плёнки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличивается, спокойное течение плёнки нарушается: появляются завихрения и брызги. Всё это способствует увеличению интенсивности массообмена. Вся насадка смочена жидкостью, P увеличивается. Этот режим заканчивается в точке В. Третий режим - режим эмульгирования - возникает при превышении скорости, соответствующей точке В. В результате происходит накопление жидкости в свободном объёме насадки до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести жидкости, находящейся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия фаз (жидкость становится сплошной фазой, а газ дисперсной). Аппарат из поверхностного превращается в барботажный. Образуется газожидкостная дисперсная система, по внешнему виду напоминающая барботажный слой (пену). Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, однако гидравлическое сопротивление колонны резко возрастает (почти вертикальный отрезок ВС). Как правило, в режиме подвисания и эмульгирования целесообразно работать только в том случае, если повышение гидравлического сопротивления в аппарате не имеет существенного значения (например, если абсорбер работает при повышенном давлении). Для абсорберов, работающих при атмосферном давлении, выгоднее плёночный режим (т.е. при скоростях газа до точки А). 146 Четвёртый режим (от точки С и выше) - режим уноса, или обращённого движения жидкости, выносимой из аппарата газовым потоком. Этот режим на практике не используется. Распространенным барботажным аппаратом со ступенчатым контактом фаз является тарельчатая колонна (рисунок 5а), внутри которой на определенном расстоянии друг от друга размещены тарелки. Взаимодействие газа и жидкости происходит на контактных тарелках в слое пены и брызг. Существует большое разнообразие конструкций тарелок. Тарелки бывают со сливными устройствами и без них. К первой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и другие тарелки; ко второй группе - провальные. Для создания гидрозатвора нижние концы сливных устройств погружены в жидкость. Это препятствует прохождению газа через сливное устройство. Широко применяются сливные устройства в виде сегментов, вырезанных в тарелках и ограниченных по хорде вертикальной перегородкой, выступающей выше тарелки и образующий сливной порог. Ситчатые тарелки (рисунок 5 б) имеют большое число отверстий диаметром 2 ÷ 8 мм, через которые газ поступает в слой жидкости на тарелке. Жидкость из приемного кармана движется к сливному устройству. Газ барботирует сквозь слой жидкости в виде мелких струек и пузырьков. Высота сливной перегородки определяет уровень газожидкостного слоя на тарелке. Чем выше слой, тем лучше эффективность массообмена, но и больше гидравлическое сопротивление тарелки. При нормальной работе тарелки газ должен двигаться с определенной скоростью и иметь достаточное давление, чтобы преодолеть сопротивление слоя жидкости на тарелке и предотвратить провал жидкости через отверстия, что отрицательно сказывается на эффективности процесса. К достоинствам ситчатых тарелок относятся простота устройства, легкость монтажа и ремонта, низкое гидравлическое сопротивление, достаточно высокая эффективность. Однако эти тарелки чувствительны к загрязнениям и осадкам, которые забивают отверстия. На рисунке 6 показана колпачковая тарелка с капсульными колпачками, которая по принципу действия похожа на ситчатую. Разница состоит в том, что газ поступает на тарелку не через отверстия, а через патрубки. Далее он проходит через прорези колпачков (рисунок 6 б, в), дробится в них на мелкие струйки и пузырьки и затем попадает в слой жидкости на тарелке, образуя пену. Жидкость движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому, перетекает с тарелки на тарелку и удаляется из нижней части аппарата. Высота слоя 147 жидкости на тарелке регулируется высотой сливного порога. Уровень жидкости на тарелке должен быть выше верха прорезей колпачка, а верхние концы патрубков должны быть выше уровня жидкости на тарелке. Над тарелкой должно быть сепарационное пространство для отделения брызг от газа. Колпачковые тарелки отличаются более высоким интервалом устойчивой работы, чем ситчатые, но они более сложны по устройству, металлоемки, обладают большим гидравлическим сопротивлением. Поэтому колонны с колпачковыми тарелками вытесняются более эффективными конструкциями контактных устройств. Тарелки с S-образными элементами (рисунок 7) напоминают колпачковые. Здесь газ выходит тоже через прорези, но не в колпачке, а в S - образной пластинке. Изготовление и монтаж таких тарелок проще и дешевле. На рисунок 8 изображена клапанная тарелка. Клапан 2, свободно лежащий над отверстием в тарелке 1, с увеличением расхода газа поднимается и увеличивает зазор между клапаном и тарелкой для прохода газа. Тем самым поддерживается постоянная скорость газа в зазоре, что обеспечивает эффективную работу тарелки в широком интервале нагрузок по газу. Гидравлическое сопротивление тарелки при этом увеличивается незначительно. Высота подъема клапана определяется высотой ограничителя 7. Диаметр отверстия под клапаном составляет 35 ÷ 40 мм, а диаметр самого клапана 45 ÷ 50 мм. Очень просты по устройству провальные тарелки (рисунок 8). В них отсутствуют сливные устройства. Газ и жидкость проходят через одни и те же отверстия в виде щелей (решетчатые тарелки) или круглых дыр. Дырчатые провальные тарелки по устройству аналогичны ситчатым и отличаются от них отсутствием сливных устройств. Диаметр отверстий в этих тарелках больше и достигает 15 ÷ 20 мм. Провальные тарелки просты по устройству и монтажу, обладают низким гидравлическим сопротивлением, но диапазон устойчивой работы этих тарелок очень узок. Необходимо обеспечить такую скорость газа, при которой жидкость на тарелке удерживается и газ барботирует сквозь этот слой. В распыливающих абсорберах контакт между фазами достигается разбрызгиванием жидкости в газовом потоке. На рисунке 9 изображены распыливающие абсорберы, представляющие собой полые колонны, в которых газ движется снизу-вверх, а жидкость подается через расположенные вверху форсунки 2. Эффективность таких абсорберов невысока, что обусловлено перемешиванием газа по высоте колонны и плохим заполнением ее сечения факелом распыленной жидкости. Поэтому распылительные форсунки в полых абсорберах часто устанавливают на нескольких уровнях. Эти абсорберы применяют для обработки сильно загрязненных и хорошо растворимых газов. Полые распыливающие 148 абсорберы отличаются простотой устройства, низкой стоимостью, малым гидравлическим сопротивлением. Гидродинамические режимы работы тарельчатых колонн В зависимости от скорости газа различают три основных гидродинамических режима работы тарельчатых колонн: пузырьковый, пенный и струйный (или инжекционный). Эти режимы различаются структурой газо-жидкостного слоя на тарелке, которая определяет его гидравлическое сопротивление, высоту и поверхность контакта фаз на тарелке. Пузырьковый (барботажный) режим возникает при небольших скоростях газа, когда он движется сквозь слой жидкости на тарелке в виде отдельных пузырьков. Поверхность контакта фаз при такой скорости невелика. Прорези колпачков открыты не полностью, а в ситчатых тарелках при малых скоростях газа жидкость проваливается через отверстия и газ проходит только через часть отверстий. Пенный режим возникает при увеличении скорости газа, когда его пузырьки, выходящие из прорезей или отверстий, сливаются в струи, которые, пройдя некоторое расстояние, разрушаются вследствие сопротивления барботажного слоя с образованием большого количества мелких пузырьков. При этом на тарелке образуется газо-жидкостная дисперсная система - пена, которая является нестабильной и после прекращения подачи газа мгновенно разрушается. Основной поверхностью контакта фаз является поверхность пузырьков, а также струй газа и капель жидкости над пеной, которые образуются при разрушении пузырьков газа в момент их выхода из барботажного слоя. Поверхность контакта фаз при пенном режиме максимальна, поэтому этот режим обычно является наиболее рациональным режимом работы тарельчатых колонн. Струйный (инжекционный) режим. При дальнейшем увеличении скорости газа длина газовых струй увеличивается и наступает такой режим, при котором струи выходят из газо-жидкостного слоя (пены) не разрушаясь, но образуя над пеной большое количество брызг, вследствие разрушения большого числа пузырьков газа. В этом режиме поверхность контакта фаз резко снижается. При ещё большей скорости газа, он начинает подбрасывать жидкость на большую высоту, что вызывает унос жидкости на вышележащую тарелку. Поверхность контакта фаз на тарелке зависит от числа отверстий и прорезей, чем их больше, тем больше струек газа будет поступать в слой жидкости на тарелке. Поэтому в колоннах с колпачковыми тарелками на тарелке устанавливают значительное число колпачков, расположенных на небольшом расстоянии друг от 149 друга. При этом колпачки имеют довольно много прорезей для разбивания потока газа на тонкие газовые струйки. 150 Рисунок 1 – Принципиальная схема абсорбционной установки 1 - вентилятор (газодувка); 2 -абсорбер; 3 - брызгоотбойник; 4, 6 - оросители; 5 холодильник; 7 - десорбер; 8 - куб десорбера; 9, 13 - ёмкости для абсорбента; 10, 12 насосы; 11 - теплообменник-рекуператор. Рисунок 2 – Трубчатый пленочный абсорбер; 1- корпус; 2 - трубки; 3 – перегородки Рисунок 3 – Насадочные абсорберы: а – со сплошным слоем насадки; б – с секционной загрузкой насадки: 1 – корпуса; 2 - распределители жидкости; 3 – насадки; 4 – опорные решетки; 5 – перераспределитель жидкости; 6 – гидравлические затворы. 151 Рисунок 4 – Зависимость гидравлического сопротивление насадки от скорости газа в абсорбере при L =const: 1- сухая насадка; 2 - орошаемая насадка. Рисунок – 5 Устройство тарельчатого абсорбера: 1 – тарелки; 2 – газовые (паровые) патрубки; 3 – круглые колпачки; 4 – переточные перегородки (или трубы) с порогами; 5 – гидравлические затворы; 6 – корпус колонны Рисунок – 6 Устройство колпачковой тарелки с капсульными колпачками: а – две соседние тарелки; б – капсульный колпачок; в – формы капсульных колпачков; 1 – тарелки; 2 – газовые (паровые) патрубки; 3 – круглые колпачки; 4 – переточные перегородки (или трубы) с порогами; 5 – гидравлические затворы; 6 - корпус колонны 152 Рисунок – 7 Тарелка с S-образными элементами Рисунок – 8 Устройство клапанных тарелок: а – две соседние тарелки с круглыми клапанами; б – принцип работы клапана; 1 – тарелка; 2 – клапан; 3 – переточная перегородка с порогом; 4 – гидравлический затвор; 5 – корпус колонны; 6 – диск клапана; 7 – ограничители подъема клапана; в – круглые клапана с верхним ограничителем (I) и с балластом (II): 1 – дисковый клапан; 2 – ограничитель; 3 – балласт. Рисунок – 9 Конструкции клапанных тарелок 153 Рисунок – 10 Устройство полых распыливающих абсорберов: а - вертикальная колонна с верхним распылом жидкости; б - вертикальная колонна с распылом жидкости по высоте аппарата; в горизонтальная колонна с перекрестным током; 1 - корпуса; 2 - форсунки; 3 - коллектор орошающей жидкости; 4 - брызгоотбойник; 5 - газораспределительная решетка 154 Лекция № 13. АДСОРБЦИЯ Адсорбция - изменение (обычно - повышение) концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз ("поглощение на поверхности"). Причина адсорбции - ненасыщенностью межмолекулярных связей вблизи поверхности, т.е. существованием адсорбционного силового поля. Тело, создающее такое поле, называют адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, - адсорбтивом, уже адсорбированное вещество - адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Природа адсорбционного поля различна. В случае, если адсорбция связна с ван-дер-ваальсовыми связями, то адсорбцию называют физической. Если это валентные связи, т.е. адсорбция проходит с образованием поверхностных химических соединений, то адсорбцию называют химической, или хемосорбцией. Важными чертами химической адсорбции являет: необратимость, высокие тепловые эффекты (сотни кДж/моль), активированный характер. В теории адсорбции различают статику (система адсорбент-адсорбат находится в термодинамическом равновесии) и кинетику (равновесия нет). Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров, или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из их смеси. Процессы адсорбции и абсорбции внешне схожи. Разница между ними заключается в том, что одном случае вещество поглощается всем объемом жидкости, а в другом – только поверхностью твердого поглотителя – адсорбента. Процессы адсорбции отличаются избирательностью и обратимостью, позволяя поглощать (адсорбировать) из газовых (паровых) смесей и растворов один или несколько компонентов, а затем в других условиях выделять (десорбировать) их из твердой фазы. При этом избирательность зависит от природы адсорбента и адсорбируемых веществ, а предельное удельное количество поглощаемого вещества зависит еще от его концентрации в исходной смеси и температуры, а в случае газов - также от давления. В процессе адсорбции происходит выделение теплоты, что ведет к повышению температуры системе и снижение активности адсорбентов. Поэтому для поддержания скорости процессов в промышленных адсорберах предусматривают охлаждение адсорбентов. Адсорбенты. Количество поглощаемого вещества зависит от площади поверхности поглотителя. Поэтому адсорбенты обладают чрезвычайно развитой поверхностью, 155 что достигается за счет образования большого количества пор в твердом теле. К наиболее распространенным адсорбентам относятся: Активированный уголь. Это самый распространенный адсорбент. Его получают сухой перегонкой дерева с последующей активизацией – прокаливанием при температуре около 900оС. Суммарная поверхность 1 г активированного угля 600-1700 м2. Размеры кусков его в зависимости от марки лежат в пределах от 1 до 5 мм. Недостатком этого адсорбента является его небольшая механическая прочность. Силикагели. Этот адсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами. Размер гранул от 0,2 до 7 мм. Суммарная поверхность 1 г силикагеля 400-770 м2. Цеолиты. Это пористые водные алюмосиликаты катионов элементов первой и второй групп Периодической системы Д.И. Менделеева. Встречаются в природе и добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой. В качестве естественных адсорбентов для доочистки сточных вод используют мелкодисперсные глины: бентонит, диатомит, каолин. Кислород является одним из наиболее применяемых человечеством газов, он широко используется практически во всех областях нашей жизнедеятельности. Металлургия, химическая промышленность, медицина, народное хозяйство, авиация – вот лишь краткий перечень сфер, где без этого вещества не обойтись. Адсорбционные кислородные установки зарекомендовали себя одними из лучших среди высокопроизводительных систем по изготовлению обогащенного кислородом воздуха. Они дают возможность получать бесцветный газ чистотой до 95% (до 99 % с применением дополнительной ступени очистки). Их использование оправдано в экономическом плане, особенно в ситуациях, когда нет необходимости в кислороде высокой чистоты, за который пришлось бы переплачивать. 156 Схемы адсорбционных установок и устройство адсорберов (принцип работы). 1, 2 – адсорбер, 3 – подогреватель, 4 – сепаратор, 5 – ёмкость, 6,7– фильтр, 8 – холодильник. Сырой газ со сборного пункта поступает во входной (первичный) сепаратор 4, где от него отделяется жидкая фаза, далее влажный газ поступает в адсорбер 1, где он проходит снизу-вверх через слой адсорбента – твердого вещества, поглощающего пары воды. Далее осушенный газ, пройдя фильтр 7 для улавливания уносимых частичек адсорбента, поступает в магистральный газопровод или подается потребителю. Процесс осушки газа осуществляется в течение определенного (12…16 ч) времени. После этого влажный газ пускают через адсорбер 2, а адсорбер 1 отключают и выводят на регенерацию. Для этого из газовой сети отбирается сухой газ и направляется в подогреватель 2, где он нагревается до температуры 180…200°С. Далее газ подается в адсорбер 1, где отбирает влагу от адсорбента, после чего поступает в холодильник 8. Сконденсировавшаяся вода собирается в емкости 5, а газ используется для осушки повторно и т. д. Процесс регенерации адсорбента продолжается 6…7 ч. После этого в течение около 8 ч адсорбер остывает. Рисунок – 2 Адсорбционная кислородная установка Принцип работы адсорбционной кислородной установки Воздушный компрессор (рисунок 2), работающий от электродвигателя, сжимает атмосферный воздух и подает его в ресивер для снижения пульсаций давления. После сжатия воздух подается на фильтры грубой и тонкой очистки для удаления механических примесей и паров масла, а после них в адсорбционный воздухоразделительный блок. Воздух под давлением 6 – 8 бар через один из 157 переключающихся электромагнитных клапанов поступает в адсорбер 1 (см. рис. 1 и рис. 2). При прохождении воздуха через слой адсорбента из него поглощается азот, в результате на выходе из адсорбера остается кислород, направляемый далее в ресивер или непосредственно потребителю. Одновременно в адсорбере 2 производится сброс давления и выброс накопленного азота. Кроме того, часть кислорода из 1 –го адсорбера поступает через перепускной дроссельный клапан в адсорбер 2 для вытеснения из него азот. Периодически, через время полуцикла, производится обмен функциями адсорберов. Адсорбер 2 насыщается азотом и производит кислород, а адсорбер 1 освобождается от накопленного азота. Далее цикл повторяется многократно. Во время работы адсорберы находятся в двух состояниях - поглощения и регенерации; на стадии поглощения кислород поступает в кислородный ресивер, а азот на стадии генерации отводится в атмосферу; после чего кислород направляется потребителю. Кислород, вырабатываемый адсорбционным воздухоразделительным блоком, поступает в ресивер, давление в котором поддерживается в пределах заданных значений автоматикой. Адсорбционные комплексы отличаются высоким уровнем надежности, полной автоматизацией, простотой в обслуживании, небольшими габаритами и весом. Используемый цеолит Honeywell. Компания Honeywell является одной из крупнейших химических компаний в мире (годовой объем продаж этой компании в 2011 году составил 65% от мирового объема). Клапана. Клапана – один из основных компонентов, на котором любят сэкономить производители, в связи с их высокой стоимостью. При выходе из строя клапанов, генератор кислорода останавливается. В Мировой практике, официально признаны лучшими клапанами – Omal – Италия. Именно данные клапана используются при производстве КЦА генераторов. Возможность остановки генератора исключена. Блок управления и программное обеспечение. Блок управления также является важной частью в генераторе кислорода. На протяжении многих лет мы используем Schneider Electric. В основе процесса адсорбционного разделения газовых сред лежит явление связывания твердым веществом, называемым адсорбентом, отдельных компонентов газовой смеси. Это явление обусловлено силами взаимодействия молекул газа и адсорбента. Работа адсорбционных газоразделительных систем основана на том, что поглощение компонента газовой смеси сильно зависит от температуры и 158 парциального давления. Таким образом, регулирование процесса поглощения газов и регенерации адсорбента происходит путем изменения давления и/или температуры. На сегодняшний день широкое распространение для производства кислорода получил хорошо зарекомендовавший себя процесс безнагревной короткоцикловой адсорбции (КЦА – метод). Принцип работы генератора, работающего по этой схеме основан на селективном поглощении молекул кислорода (а также некоторых примесных газов), содержащихся в атмосферном воздухе в зависимости от давления. При этом кислород адсорбентом не поглощается и выводится потребителю (рисунок 3). Процесс регенерации адсорбента осуществляется путем цикличного переключения между двумя адсорберами – колоннами, особой конструкции, наполненными адсорбентом. Рисунок - 3 Разделение газов с помощью адсорбционных технологий Процессы адсорбции проводятся в основном следующими способами: 1) с неподвижным слоем адсорбента; 2) с движущимся слоем адсорбента; 3) с псевдоожиженным слоем адсорбента Аппараты, с помощью которых происходит разделение газообразных и жидких сред поверхностью пористого твердого тела называются адсорберами. Наиболее распространено применение адсорберов для разделения паровых или газовых сред, осушки или очистки газа, а также для улавливания ценных органических веществ из газообразных сред. Широко распространены циклические установки с неподвижным слоем зернистого адсорбента, основной узел которых - один или несколько адсорберов, выполненных в виде полых колонн, заполняемых гранулированным адсорбентом. Работа данного адсорбера заключается в подаче газовой или паровоздушной среды через патрубок во внутреннюю часть корпуса адсорбера для её разделения. Затем газовая среда перемещается через зернистый адсорбент, который уложен слоем на сетке. 159 Адсорбент будет поглощать из газообразной среды только необходимое вещество, а поступившая среда удалится из адсорбера через выхлопной патрубок. Процесс поглощения определенного вещества адсорбентом будет происходить до определенного момента, после чего осуществляют процесс десорбции. Данный процесс заключается в прекращении подачи газообразной среды в адсорбер, затем начинается подача перегретого водяного пара. Его перемещение происходит в направлении обратном движению газовой среды. Смесь пара и извлеченного из газовой среды вещества выводится из адсорбера и поступает на ректификацию в специальную установку или в отстойник. Процессы десорбции и адсорбции длятся одинаковое время, а после процесса десорбции через слой адсорбента пропускают горячий воздух, в результате чего адсорбент просушивается. Горячий воздух перемещается по адсорберу, поступая через паровой патрубок и выходя через патрубок для смеси пара и извлеченного вещества. Затем в адсорбер поступает прохладный воздух, который охлаждает адсорбент до определенной температуры. Перемещается прохладный воздух также как водяной пар. После того, как адсорбент остынет, процесс адсорбции повторяется. В настоящее время адсорбер укомплектован системой устройств, работающие в автоматическом режиме и по заданным временным параметрам переключают процессы адсорбции и десорбции, процессы осушки и охлаждения. Для того, чтобы установка работала беспрерывно и постоянно делила газовую среду, она устраивается из нескольких адсорберов, которые попеременно включаются. На подобных установках после поглощения газовой среды в первом адсорбере подачу газовой среды переключают на следующий адсорбер. В это время в первом адсорбере происходит процесс десорбции, процессы осушки и охлаждения адсорбента. После процесса поглощения во втором адсорбере, газовая среда переключается на следующий аппарат или обратно на первый и так далее. Большое число стадий обусловливает низкую интенсивность и высокую энергоемкость процесса. Поэтому широкое распространение получили т. наз. короткоцикловые установки, весь цикл в которых занимает несколько минут. В них газ подается в адсорбер под значит. давлением, которое затем сбрасывается, и происходит десорбция. Весь процесс идет почти изотермически. Стадии цикла: адсорбция, сброс давления, десорбция, подъем давления. В установках с движущимся слоем адсорбента (гиперсорберах) последний под действием силы тяжести медленно опускается, выводится из нижней части адсорбера и попадает в т. наз. эрлифт, представляющий собой вертикальную трубу, 160 параллельную адсорбционной колонне. По этой трубе снизу-вверх движется поток воздуха, который поднимает зерна адсорбента в верхнюю часть колонны. Перерабатываемый газовый поток поступает в среднюю часть адсорбера и движется вверх противотоком к адсорбенту. В верхней части колонны непрерывно происходит адсорбция, в нижней под действием нагрева происходит процесс десорбции. 161