КИНЕТИКА СУШКИ

164
КИНЕТИКА СУШКИ
Исследование кинетики сушки обычно начинают с получения опытной
зависимости влагосодержания и температуры материала от времени процесса
сушки
U  f ( ) ;     
Зависимость U  f ( ) получается в лабораторной работе №24.
Лабораторная установка \схема есть в учебнике Стабникова\ отличается
постоянством температуры воздуха \ t=const\ от реальной сушилки, в которой
t=var. Схема установки представлена на рис. 177.
Рис. 177. Схема лабораторной циркуляционной сушилки.
1- вентилятор, 2- электрокалорифер, 3- сушильная камера, 4- влажный
образец, 5- весы.
Влажный образец 4 /кусок асбеста/ подвешивается на рычаг весов 5 в
сушильной камере 3. Фиксируется убыль массы образца с течением времени.
Данные сводятся в таблицу 10.
Таблица 10.
Данные по сушке влажного образца.
Масса образца
Продолжительность
Влагосодержание %
G, г
U
сушки , мин
Gн =130г
0
Uн=
------------Gкон.= 60г
90
Uкон.
Предварительно определяется масса абсолютно сухого образца Gсух.
Тогда влагосодержание образца определяется по формуле:
G G
cyx
U
100%
G
cyx
165
Данные таблицы 10 представляются на графике рис. 178.
Рис. 178. Опытная кривая сушки.
На опытной кривой сушки фиксируются:
Uн.; Uкр.; Uкон.; Uр.;  1;  2.
Критическое влагосодержание фиксируется на изломе прямой линии в
криволинейную / Uкр./. Равновесное влагосодержание Uр. фиксируется
горизонталью, к которой стремится кривая сушки при    .
В реальной сушилке можно зафиксировать изменение температуры
воздуха и материала с течением времени / Рис.179/.
В 1934 году А.В.Лыков предложил названия периодов сушки:
1- период постоянной температуры материала, 2- период повыщающейся
температуры материала. Однако предложение не получило распространения.
В 1936 году американский ученый Т.К.Шервуд продифференцировал
кривую сушки на рис. 178 и представил зависимость:
dU / d   (U )
Шервуд ввёл понятия:
1- период постоянной скорости сушки,
2- период убывающей /падающей/ скорости сушки.
166
Рис. 179. Изменение температуры воздуха и материала в реальной
прямоточной сушилке. 1- воздух, 2- материал.
Построение /график/ Шервуда представлено на рис.180.
Рис. 180. Кривая скорости сушки по Т.К. Шервуду.
1- период постоянной, 2- период убывающей скорости сушки.
Фиксируются: N=a1/b1 – скорость сушки в первом периоде,
U
K  tg 
- коэффициент сушки.
U
U
kp.
p
Понятие процесса скорости сушки по Шервуду / изменение влагосодержания
материала с течением времени/ не совпадает с понятием скорости сушки по
дисциплине ПАПП / количество влаги, испарённое с единицы поверхности
материала в единицу времени. j  dW
[кг/(м2 . с]
/155/
F  d
167
ПЕРВЫЙ ПЕРИОД СУШКИ
В первом периоде удаляется т.н. поверхностная влага и процесс сушки
аналогичен процессу испарения влаги со свободной поверхности при
одинаковых условиях. Схема испарения показана на рис. 181.
Рис. 181. Схема испарения влаги в первом периоде сушки.
Считается, что парциальное давление водяного пара в пограничном слое
над поверхностью влаги достигает насыщения, т.е.
Рм=Рн
Тогда движущая сила по Дальтону
 Р= Рн-Рп
В первом периоде cушка рассматривается как тепломассообменный процесс.
Дифференциальное уравнение массоотдачи
/156/
dW   p ( P  Pn )  F  d
H
где
 p - коэффициент массоотдачи, кг/ м2 .с.Па .
Более удобно использовать влагосодержание воздуха
dW   (d  d )  F  d
d н
п
Количество испаренной влаги прямо пропорционально количеству
подведенного тепла из воздуха.
dW  b  dQ
Дифференциальное уравнение теплоотдачи
dQ    F  (t  Q )  d
c
м
интегральные уравнения для /157, 158/
W    F  d  , кг
1
d
cp 1
Q    F  t   , кДж
1
cp 1
/157/
/158/
/157а/
/158а/
168
Зависимости /157а , 158а/ позволяют рассчитать W1;Q1 и  1 Для определения
коэффициентов скорости  и  d применяют критериальные уравнения
/В.Ф. Фролов. Моделирование сушки дисперсных материалов. -Л. :Химия,
1987.-208 с., с.6/
/159/
NU  2  A  Ren  Pr0.33 Gum
NUД  2  A  Re n  Pr0.33 Gu m
/160/
 
 
где NU 
; NU  d
- критерии Нуссельта,
c
Dc
Pr 

; PrД 

- критерии Прандтля,
a
Dc
Gu  Tc  Tм Tc - критерий Гухмана,
Re  W    - критерий Рейнольдса,
Tc , T м - температуры сухого и мокрого термометра,


Dc - коэффициент диффузии,
 - характерный линейный параметр.
Для определения средней разности температур и влагосодержаний воздуха
применяется диаграмма Рамзина /рис. 182/
Рис. 182. Определение параметров воздуха для первого периода
сушка.
Средняя разность температур /рис. 183/
tcp 
tб  t м
t
Ln б
t м
Рис. 183. К определению средней разности температур.
169
Средняя разность влагосодержаний воздуха /рис. 184/.
dcp 
dб  d м
d
Ln б
d м
Рис. 184. К определению средней разности влагосодержаний воздуха.
Основная масса влаги удаляется в первом периоде сушки. Удаление
поверхностной влаги не влияет на качество материала и не зависит от его
свойств. Материал экранирован влагой и не боится перегрева, его
температура остается неизменной / Qм =const /. Поэтому интенсификация
прогресса сушки осуществляется в основном в первом периоде.
Пути интенсификации.
1. Увеличение температуры сушильного агента / tс и  tср /.
2. Уменьшение относительной влажности сушильного агента
/ увеличение  dср /.
3. Увеличение скорости сушильного агента / увеличение Re,  ,  d /.
4. Увеличение поверхности контакта фаз F / измельчение, раздробление
материала /.
Этим условиям в наибольшей степени отвечают высокоинтенсивные
конвективные сушилки:
1. Пневматические,
2. Распылительные,
3. Аэрофонтанные,
4. Кипящего слоя,
5. Циклонные.
Конструкции некоторых сушилок представлены на рис. 185 - 194
/данные М-ТИ/.
ВТОРОЙ
ПЕРИОД СУШКИ
Во втором периоде сушки удаляется влага, из макро- и микрокапилляров
и адсорбционная. Каждый материал имеет свою характерную форму кривой
скорости сушки во втором периоде /рис. 195/.
Для второго периода сушки надежных теоретических зависимостей пока
не получено. Как отмечается в учебнике А.Н. Плановского, примене-ние
уравнения массопроводности для второго периода сушки может давать
значительную погрешность, доходящую подчас до 40 - 60%.
Поэтому продолжительность второго периода  обычно определяют
2
опытным путем.
170
1.Шнековый питатель.
2.Труба-сушилка.
3.Гравитационная кaмера для предварительного
отделения высушиваемого материала от
отработанного воздуха.
4.Вентилятор.
5.Калорифер.
6.Циклон.
Рис. 185. Устройство пневматической сушилки
Рис.186. Схема
двухступенчатой
пневматической сушилки.
1.Питатель. 2,3. Трубы-сушилки. 4.Затвори. 5.Циклон.
6.Вентилятор.
Рис. 187. Пневматическая сушилка.
1.Топка с цепной решеткой, на которой
сгорает твердое топливо.
2.Труба-сушилка. 3.Питательзабрасыватель. 4.Скребковый питатель.
5.Гравитационная камера. 6.Групповой
циклон. 7.Вентилятор-дымосос.
8.Мокрый пылеуловитель.
171
Рис. 188. Питатели для пневмосушилок:
а - шнековый питатель: 1.Бункер. 2.Мешалка. 3.Шнек.
б - питатель-забрасыватель: 1.Звездообразный дозатор материала.
2,3.Лопасти забрасывателя.
Рис. 189. Аэрофонтанная сушилка.
1. Камера /рюмка/. 2.Питатель. 3.Вентилятор, 4.Калорифер. 5.Циклон.
172
Рис. 190. Сушилка с центробежным распылением СРЦ-52ОО /производительность
по исходному продукту 5200 кг/час/. 1.Корпус. 2.Распиливающий диск,
вращающийся со скоростью 3000 об/мин. 3. Электродвигатель. 4.Жалюзийная
головка для распределения воздуха в зоне распыления. 5.Разгрузочное устройство.
Рис. 191. Диски, применяемые для центробежного распыления: а - тарельчатый
открытый; б - блюдцеобразный; в - с ударными шпильками; г - с радиальными
щелями; д - с радиальными отверстиями; е - трехъярусный.
173
Рис. 192. Сушилка с одноступенчатым
аппаратом кипящего слоя,
1. Распределительная решетка.
2. Корпус сушилки. 3.Вентилятор.
4. Калорифер. 5.Шнековый питатель.
6. Разгрузочное устройство.
7. Циклон.
Рис.194. Многоступенчатая противоточная
сушилка с дополнительным подводом
тепла.
1.Распределительная решетка. 2.Корпус.
3.Переточные трубы.
Рис.193.Сушилка с кипящим слоем, работающая на газе.
1.Рабочая камера сушилки. 2.Подрешеточное пространство. 3.Подача продуктов
сгорания. 4.Вентилятор. 5.Люк для чистки. 6.Трубопровод для подачи газа.
7.Трубопровод для подачи воздуха на смешение с продуктами сгорания.
8.Распределительная решетка.
174
Рис.195. Характерные кривые скорости сушки во втором периоде.
1 - бумага, тонкий картон, 2 - ткани, тонкие кожи, макаронное
тесто,
3 - пористые керамические материалы, 4 - глина, 5 - ломти
хлеба.
Конструкции конвективных сушилок
Помимо указанных выше различают сушилки:
6. камерные,
7. туннельные,
8. петлевые,
9. ленточные,
10. барабанные,
11. Турбинно-полочные,
12. комбинированные и др.
Koнструкции некоторых сушилок представлены на рис. 196 - 208.
Конвективные сушилки бывают противоточного и прямоточного
действия;
Схемы представлены на рис. 209.
Противоток
Прямоток
Рис. 209. Схемы противоточной и прямоточной сушилок.
175
Рис.196. Камерная сушилка.
1.Полки для загрузки
высушиваемого материала.
2.Вентилятор. 3.Калорифер.
4.Заслонка для регулирования расхода
свежего воздуха. 5,6.
Заслонки /шиберы/ для
регулирования расходов
рециркулирующего и
отработанного воздуха.
Рис. 197. Камерная сушилка с
промежуточным
подогревом и рециркуляцией
воздуха.
1.Полки на подвижных тележках.
2.Вентилятор с электродвигателем.
3,4,5. калориферы из ребристых
труб. 6,7.Воздуховоды для свежего
и отработанного воздуха.
8.Заслонка /шибер/ для
рециркулирующего воздуха.
9.Перегородки для разделения
потоков воздуха в камере.
Рис.198. Туннельная
сушилка.
1.Вагонетки,
медленно
перемещающиеся по
рельсам.
2.Вентилятор.
3.Калорифер.
4.Герметичные
двери. 5.Поворотные
круги.
176
Pис. 199. Туннельная сушилка для сушки топочными газами.
1.Вагонетки. 2.Подводящий канал для подачи топочного газа в камеру. 3.Отводящий канал для отработанного газа.
Рис. 200. Способы загрузки
материалов на
вагонетки:
а - загрузка сыпучих материалов на
противнях и лотках;
б,в - загрузка штучных
материалов на металлических
листах;
г - подвеска тканевых материалов;
д - загрузка объёмных материалов
в коробках;
е- подвеска волокнистых
материалов;
ж, з - укладка листовых материалов на прокладках.
177
Рис. 201. Устройство петлевой сушилки /а/ и элемент сетчатой ленты /б/.
1.Бесконечная сетчатая лента, в ячейки которой вдавливается высушиваемый
пастообразный материал. 2.Питатель влажного материала. 3. Обогреваемые
валки для вдавливания материала в сетку. 4.Цепной конвейер для передвижения
петель сетчатой ленты. 5.Ударный механизм. 6. Бункер со шнеком для выгрузки
высушенного материала.
Примечание: подача сушильного агрегата условно не показана.
Рис. 202. Петлевая
сушилка для
пастообразных
материалов.
1.Бункер с лопастной
мешалкой.
2.Шестеренчатый
питатель.
3.Движущаяся сеточная
лента. 4.Обогреваемые
вальцы. 5. Цепной конвейер. 6.Ударник для встряхивания ленты. 7.Шнековый
транспортер. 8. Центробежный вентилятор. 9.Пластинчатый подогреватель.
Рис. 203. Многоярусная ленточная
сушилка. 1.Ленточные транспортеры
для перемещения высушиваемого
материала; 2.Сушильная камера.
3.Ведущие барабаны. 4.Ведомые
барабаны. 5.Питатель. 6.Калорифер.
7.Вентилятор.
178
Рис. 204. Барабанная сушилка.
1.Загрузочный конец. 2.Фрикционное уплотнение. 3.Зубчатый венец. 4.Било.
5.Затвор. 6.Разгрузочный конец. 7.Кожух. 8. Роликовые опоры. 9.Бандажи.
10.Подъемные лопасти. 11.Электродвигатель. 12. Спиральные лопасти.
Рис. 205. Распылительная сушилка. 1.Kaмepa сушилки. 2. Диск . 3.Шнек для
выгрузки высушенного материала. 4.Циклон. 5. Рукавный фильтр. 6.Вентилятор.
7.Калорифер.
179
Рис.206. Устройство барабанной сушилки.
1. Барабан, медленно вращающийся со скоростью 1-8 об/мин и наклоненный к
горизонту под углом 2-7. 2. Зубчатый венец. 3.Шестеренчатая передача.
4.Электродвигатель. 5.Бандажи. 6.Опорные ролики. 7.Питатель. 8.Топка. 9.Окно
для подачи воздуха на смешение с топочными газами. 10.Разгрузочная камера.
11.Циклон. 12.Вентилятор. 13.Додъёмно—лопастная насадка.
Рис. 207.Типы внутренних насадок барабанных сушилок:
а - секторная /для крупнокусковых материалов с большим удельным весом/;
б - листовая /для вязких материалов/; в, г, д, е -распределительные /для
мелкокусковых материалов с хорошей сыпучестью/; ж, з - перевалочная
соответственно с закрытыми и открытыми ячейками /для материалов с очень
мелкими частицами, склонных к образованию пыли/.
180
Рис. 208.Чертеж барабанной сушилки.
1.Топка. 2.Дисковый питатель. 3.Бункер. 4.Элеватор. 5. Барабанная сушилка. 6.Циклон. 7.Труба для отработанных газов.
8.Электродвигатель. 9.Ленточный транспортер. 10.Питатель-трясун. 11.Растопочная труба.
181
Преимущества и недостатки прямотока и противотока.
Противоток.
а/ Материал имеет высокую температуру на выходе т.к. Q2 стремится к t1.
Применяется для термостойких материалов.
б/ Высушенный материал имеет очень низкую влажность W2 , т.к.  1 - мало.
Применяется для гигроскопичных материалов.
в/ Длительность сушки больше.
Прямоток.
а/ Материал уходит из сушилки с более низкой температурой, т.к.
Q2 стремится к t2. Применяется для нетермостойких материалов.
б/ Материал на выходе имеет существенную влажность W2 , т.к.
 2 -велико. Применяется для негигроскопичных материалов.
в/ Длительность сушки меньше.
Более удобен перекрестный ток.
О С О Б Е Н Н О С Т И
д р у г и х в и д о в с у ш к и
На рис. 210 представлены схемы контактной, радиационной и ТВЧ
сушки.
Рис. 210. Схемы: а/ контактной, б/ радиационной, в/ ТВЧ сушки.
1 - контактная поверхность, 2 - излучатель, 3 - пластина конденсатора, 4 влажный материал со слоями г/ и д/.
182
1.Указанные методы сушки являются более интенсивными по
сравнению с конвективной сушкой. Интенсивность сушки
W
jв  j  ja .
;
j
F 
Самой интенсивной признается сушка ТВЧ.
2. Наиболее сильно прогреваются и обезвоживаются слои г/ влажного
материала /рис. 210/. В слое г/ влага превращается в пар и перенос тепла
и влаги внутри материала осуществляется перемещающимся паром.
3. Создаются значительные градиенты давления, температуры и
влагосодержания, что может вызвать коробление материала и образование
трещин.
4. В инфракрасной сушке /рис. 210.б/ влага частично загоняется
внутрь материала, поэтому применяют прерывное облучение /пауза отлёжка/ с обдувом воздухом.
Конструкции некоторых сушилок представлены на рис. 211 - 217.
Некоторые материалы необходимо сушить при низких температурах,
т.к. незначительное её повышение вызывает резкое ухудшение их
технологических свойств. Сушка при низких температурах и атмосферном
давлении происходит очень медленно. Поэтому с целью интенсификации
процесса сушки таких нетермостойких материалов применяют сушку в
вакууме. Уменьшение давления резко увеличивает интенсивность испарения.
Но при этом передача тепла путём конвекции значительно снижается.
Поэтому, чтобы поддержать существенную интенсивность сушки в вакууме,
тепло, необходимое для испарения жидкости, подводится к материалу
путём теплопроводности от нагретой поверхности /контактная сушка/.
Обычно вакуум-сушилки работают при остаточном давлении 10 мм рт.ст.
и выше. Конструкции некоторых контактных вакуум-сушилок представлены
на рис. 218 -223.
СУБЛИМАЦИОННАЯ СУШКА.
Широко применяется для сушки пищевых продуктов: мясо /фарш/,
рыба /фарш и кусковая/, яблоки, малина, закваски., соки /апельсиновый;
лимонный, черной смородины, шиповника, томатный, малиновый/ и др.
/ А.В. Лыков. Теория сушки. -М.: Энергия, 1968.- 472 с., с. 384/.
По
существу это - вакуумная сушка материалов при давлении ниже
4,58 мм рт.ст. При этом материал имеет температуру ниже 0 °С, свободная
влага замерзает и ее испарение происходит без плавления /возгонка/. На
рис. 224 представлена тройная точка "О" для воды и направление
испарения влаги W путем сублимации.
Первой технологической операцией сушки сублимацией является
замораживание материала. Применяют:
а/ Предварительное замораживание /например, в жидком азоте/,
б/ Самозамораживание.
В последнем случае замораживание материала происходит в сушильной
камере вследствие интенсивного испарения жидкости при непрерывно
уменьшающемся давлении.
183
Рис. 211. Вальцовые сушилки:
а - одновальцовая; б - двухвальцовая; в - способ обогрева вальцов.
1. Пустотелые Медленно вращающиеся вальцы. 2. Корыто. 3. Ножи.
Рис. 212. Двухвальцовая
атмосферная сушилка СДА
800/2000П. /диаметр вальца
800мм, длина вальца 2000мм/,
Штуцера: А - подачи влажного
материала, Б - выхода готового
продукта, В - входа пара, Г выхода конденсата, Д - отсоса
испаренной влаги, Е - слива.
1. Вальцы. 2. Подвижный нож
для срезания материала. 3.
Корпус. 4. Шестеренчатая
передача. 5. Электродвигатель.
184
Рис. 213. Ламповая
радиационная сушилка.
1.Бункер. 2.Наклонный
вибротранспортёр. 3. Корпус.
4.Вибраторы. 5.Лампы,
6. Неподвижная панель для
крепления ламп.
Pис. 215. Терморадиационные
сушилки с газовый обогревом. а - открытым
пламенем; б - продуктами сгорания газов.
1. Излучающая панель. 2.Газовая горелка.
3. Транспортёр для материала. 4.Выхлопная
труба. 5.Вентилятор. 6.Камера сгорания.
7.Воздухоподогреватель.
Рис. 214. Ламповая радиационная сушилка для сушки изделий с
лакокрасочными покрытиями. 1.Лакировальная ванна. 2.Наносные
лакировальные валики. 3.Ленточный конвейер. 4.Зеркальные лампы СК-2.
5. Каркас сушилки. 6. Вытяжной воздуховод. 7.Теплоизоляционные маты.
8.Приводная звездочка.
185
Рис. 216. Устройство высокочастотной диэлектрической сушилки.
1. Пластины конденсаторов, к которым от высокочастотного генератора подводится
переменный ток высокой частоты; между пластинами происходит поляризация
высушиваемого диэлектрического материала, сопровождаемая трением между
молекулами и его разогревом.
2.Транспортер, перемещавший высушиваемый материал.
Рис. 217.Высокочастотая диэлектрическая сушилка.
1.Сеть переменного тока. 2.Газотронный выпрямитель. 3.Генератор
высокой частоты. 4.Конденсаторы. 5. Пластины конденсатора.
6. Транспортер.
186
Рис. 218. Установка с вакуум-сушильным шкафом.
1.Корпус . 2.Обогреваемые паром полки. 3.Противни с высушиваемым
материалом. 4.Конденсатор, охлаждаемый холодильным рассолом.
5.Вакуумный насос.
Рис. 219. Цилиндрический вакуум-сушильный шкаф ЦВШ-33 с
поверхностью загрузки 33 м2.
Штуцера: А - входа пара, Б - выхода конденсата, В - отсос воздуха и
паров влаги, Г - слива конденсата.
1.Корпус. 2. Съемная крышка. 3.Смотровые окна. 4.Греющие плиты
187
Рис. 220. Гребковая вакуум-сушилка периодического действия.
1. Kopпуc, 2. Паровая рубашка. 3.Мешалка с гребками, медленно
вращающаяся на валу от реверсивного двигателя, перемещающая материал
периодически от центра сушилки к ее концам и обратно к разгрузочному
устройству. 4.3агруэочный люк. 5. Переваливающиеся валки,
способствующие очистке лопастей мешалки от налипшего материала и
улучшающие перемешивание и дробление высушиваемого продукта.
6. Разгрузочный люк. 7. Штуцер для отсоса воздуха и паров влаги.
Варианты устройства гребковых мешалок:
а- сплошная одноходовая; б- ленточная одноходовая;
в- ленточная двухходовая; г- фасонная; д- лопастная.
Рис. 222 . Двухвальная
гребковая сушилка.
1.Kopпуc. 2.Мешалки.
188
Рис. 223. Вакуумная цилиндрическая гребковая сушилка с реверсивной мешалкой СВРЦ-4,9 /емкость
сушилки 4,9 м3 /. Штуцера: А - загрузки влажного материала, Б - выгрузки высушенного материала, В входа пара в паровую рубашку, Г - выхода конденсата, Д - отсоса воздуха и паров влаги, Е - выпуска
воздуха.
1.Корпус сушилки. 2.Паровая рубашка. 3.Мешалка. 4.Вал. 5.Валки. 6.Реверсивный двигатель.
189
Рис. 224. Тройная точка для системы вода-лёд-пар.
1 - вода, 2 - лед, 3 - пар,
4 - сублимация.
Для большинства пищевых продуктов метод само замораживания
является предпочтительным, т.к. при этом материал теряет от 12 до 50 %
влаги. Опытные кривые сублимационной сушки представлены на рис. 225.
Рис. 225. Опытные кривые сублимационной сушки.
а/ изменение температуры материала, б/ изменение влагосодержания
материала, А - период самозамораживания, 1 - первый период сушки,
2 - второй период сушки.
В периоде самозамораживания "А" температура материала резко
уменьшается, влагосодержание тоже уменьшается до тех пор, пока вода не
превратится в лед. Продолжительность периода обычно составляет 10 мин.
В первом периоде к материалу начинают подавать тепло контактным
способом, лед начинает возгоняться /период сублимации/, за счет этого
влагосодержание материала убывает, температура материала остается
неизменной /фазовое превращение/.
Во втором периоде происходит удаление адсорбционной влаги
/десорбция/, температура материала повышается и достигает нормальных
значений. Происходит практически полное обезвоживание материала при
низких и нормальных температурах, что не нарушает биологической
ценности продукта / витамины, белки, углеводы, антибиотики и др/.
Конструкции некоторых сублимационных сушилок представлены на
рис. 226 – 228.
190
Рис. 226. Сублимационная
сушилка.
1.Сушильная камера /сублиматор/.
2.Пустотелая плита. 3.Противень.
4.Конденсатор-вымораживатель.
Рис. 227. Сублиматор.
1.Корпус. 2.Крышка. 3.Устройство для
поворачивания крышки. 4.Противни
для сушки продуктов в замороженном
состоянии.
Рис. 228. Полунепрерывная сублимационная сушильная установка.
1. Тележка с нагревателями и высушиваемым материалом. 2. Выходной вакуумный
затвор. 3. Рычаги для уплотнения дверцы. 4.Уплотняющая дверца вакуумного
затвора. 5.Механизм для передвижения дверцы. 6.Вакуумное оборудование. 7.Рельсы
тележки. 8.Входной вакуумный затвор. 9.Пульт управления. 10.Несущая цепь.
11.Смотровые окна. 12.Основной вакуумный туннель. 13.Гидравлическая передача.
14. Механизм для приведения в движение цепи конвейера. 15.Вакуумная система для
обслуживания затвора.
191
РАСЧЁТ СУШИЛКИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ.
Задание.
Рассчитать сушилку кипящего слоя для хлористого калия
производительностью 100 т/ч сухого продукта. Начальная влажность соли
6 % , конечная 0,2% . Размер кристаллов 0,7 мм.
Схема аппарата представлена на рис. 229 /Ю.Я. Каганович, А.Г.
Злобинский. Промышленные установки для сушки в кипящем слое.-Л.:
Химия, 1970.-176 с., с. 146/.
Рис. 229. Схема аппарата кипящего слоя.
1 - топка, 2 - решетка, 3 - кипящий слой, 4 - сепаратор.
192
Исходные данные:
Калия хлорид - КСl - температура плавления 776 /790/ 0С, плотность
2000 /1989/ кг/м3 , теплоемкость 0,69 кДж/кг К. Встречается в природе в виде
минерала сильвина. Самое крупное в мире месторождение сильвина находится
в Соликамске /Пермская обл./. Применяется, в частности, как удобрение в
количестве 45-60 кг/га, особенно для картофеля, льна, свеклы и др.
Способствует быстрому росту растений, что очень важно в условиях
короткого лета Севера.
На основе промышленных данных принимаем в качестве сушильного
агента топочные газы с температурами:
t1  700C , t 2  110C.
Принимаем топливо - природный газ - с теплотворной способностью:
Qнр  34358 кДж нм3 .
Принимаем температуры материала:
Q1  20C , Q2  110 C.
Плотность паров воды при t2  110 C. :
М в  273
18  273
 пв 

 0.57 кг м3
22,4  273  t2  22.4  273  110 
Расчёты:
1. Количество влажного материала
100  W2
100  0.2
G1  G2 
 10000 
 106170 кг ч
100  W1
100  6
2. Количество испаренной влаги
W  G1  G2  106170  100000  6170 кг ч
3. Расход влажного материала на 1 кг испаренной влаги
G 106170
m 1 
 17.2 кг кг
W
6170
4. Количество тепла, отданное в слое теплоносителем при сжигании 1 нм3
природного газа
 t 
q  Qнр  2,514  t 2  1  2   
 t1 
 110 
3
 34358  2.514 110   1 
  0.94  27440 кДж нм
 700 
5. Расход тепла на испарение 1 кг воды


 m  1  C  t 
сл
m сл
 2480 .5  2  110   17.2  1  0.69  110  3930 кДж кг
q'  2480 .5  2  t
193
6. Количество воды, испаренное при сжигании 1 нм3 природного газа
q 27440
Wуд  
 7 кг м3
q' 3930
7. Расход природного газа /топлива/ на сушку
R  W Wуд  6170 7  881.4 нм 3 ч
8. Коэффициент избытка воздуха
2920  
2920  0.97

 0.43 
 0.43  3.62
t1
700
9. Часовой расход воздуха на горение и смешение с топочными газами
Vвозд  9.4    R  9.4  3.62  881.4  29992 .3 нм3 ч
10. Объемный расход топочных газов при н.у.
V0  9.4    1  R  9.4  3.62  1  881.4  30873 .7 нм3 ч
11. То же на входе и выводе из сушилки
T t
273  700
V1  V0  0 1  30873 .7 
 110037 м 3 ч
T0
273
V2'  V0 
T0  t2
273  110
 30873 .7 
 43313 м 3 ч
T0
273
Объем водяных паров
Vn  W nв  6170 0.57  10772 м3 ч
Расход отработанных газов
V2  V2'  Vn  43313 .6  10772  54085 .6 м3 ч
12. Скорость газа.
Для полидисперсного слоя при максимальном размере частиц 0,7 мм скорость
газа в аппарате принимается на основе опытных данных /Каганович, с. 114,
рис. 42/
WГ  1,6 м с
Скорость газа в сепараторе для уноса частиц размером 0,1 мм
рассчитывается по формуле Горошко, Розенбаума, Тодеса при порозности 1,0:
T
Г 0,021103 Пас(110С ); Г  0 0 1.293 273 0.922кг м 3
T0  t 2
273  110
 Г 0.021  10 3
   Г 2000  0.922
Г 

 2.3  10 5 м 2 с ; Т

 2.17  103
Г
0.922
Г
0.922
g  d 43 Т   Г 9.81  10 4 
Ar  2 

 2.17  103  40.24
5 2
Г
Г
2.3 10 
Ar
40.24
Re 

 1.84
18  0.61  Ar 18  0.61  40.24
Re Г 1.84  2.3  10 5
Wун . 

 0.423 м с
d4
10 4
3
194
13. Диаметр решетки и сепаратора.
V2
54085 .6
Dан 

 3.5 м
3600  0.785  WГ
3600  0.785  1.6
Dсеп 
V2
54085 ,6

 7м
3600  0.785  Wун
3600  0,785  0,423
14. Высота.
Принимаем потери капора в слое /Каганович, с. 113/
P  400 мм вод.ст.=400,981 Па
Высота кипящего слоя
P
400  9.81
H сл 

 0.8 м
1     Т  g 1  0.75  2000  9.81
Высота сепаратора
H сеп  4  H сл  4  0.8  3.2 м
Общая высота аппарата
H ап  H сл  H сел  0.8  3.2  4.0 м
Размеры днища аппарата принимаются конструктивно.
195
РАСЧЕТ БАРАБАННОЙ СУШИЛКИ
Задание
Для тех же условий, что и для сушилки KС, рассчитать прямоточную
барабанную сушилку. Напряжение по влаге принять А=80 кг/м3.ч.
Схема установки представлена на рис. 230.
Рис. 230. Схема барабанной сушилки.
1 - бункер, 2 - загрузочный желоб, 3 - приёмная камера, 4 - лабиринтное
уплотнение, 5 - бандаж, 6 - роликовая опора, 7 - зубчатый венец, 8 приводная шестерня, 9 - разгрузочная камера.
Расчёты:
Пункты 1-11 те же, что и для расчета сушилки КС / см. стр. 209210/.
12. Объем барабана.
W 6170

 77 м3
A
80
До объёму барабана поднимаем аппарат из каталога /Ю.И. Дытнерский.
Основные ПАХТ. 198З, с.167/
Vб  74м3 , №7207 /заводской номер/ , Dб=2,8м, L=12м, n=5 об/мин /число
оборотов/, М=65т /масса/, N=20,6кВт /мощность привода/.
Vб 
196
13. Проверка объема барабана через уравнение теплоотдачи.
Q
Vб  1.2 
 v  tср
Средняя разность температур
t  Q1   t2  Q2   700  18  10  159.15
tср  1
t  Q1
700  18
Ln 1
Ln
t2  Q2
10
Тепло на испарение влаги и нагрев материала
6170
Q  W  q'
 3930  6735 .6кВт
3600
Объёмный коэффициент теплоотдачи /Н.М. Михайлов. Вопросы сушки
топлива на электростанциях,1957г.,с.60/.
v  692 Вт м3  К
Теперь
6735 .6  103
Vб  1.2 
 73.4 м3
/совпадает/
692  159 .15
14. Время пребывания материала в барабане.
Средняя масса материала
G  G2 106170  100000
Gср  1

 28.63 кг с
2  3600
2  3600
Тогда время пребывания
V     74  1200  0.15
 б н

 465 .16с
Gср
28.63
где  н =1200 кг/м3 - насыпная плотность хлористого калия,
 = 0,15- степень наполнения барабана.
15. Число оборотов барабана.
L
n
a    Dб  tg
где
 =30 - угол наклона барабана, tg3° = 0.0524,
a = 1.2 - для подъемно-лопастной системы в барабане.
12
n
 0.146 об с  8.79  9 об мин
Теперь
1.2  465.16  2.8  0.0524
16. Мощность на вращение барабана.
N  0.078  Dб3  L   н    n
Принимаем для  =0,15 коэффициент  =0,053.
Тогда N  0.078  2.83 12 1200  0.053  0.146  190.8кВт
Для сушилки необходимо поставить другой привод /сравни с п. 12/.
197
АБСОРБЦИЯ
Абсорбция - избирательное поглощение газов или паров жидкими
поглотителями /абсорбентами/.
Если поглощаемый газ /абсорбтив/ образует с абсорбентом химическое
соединение, то процесс называется "хемосорбцией".
Абсорбция - обратимый процесс. Выделение поглощенного газа из
раствора называется десорбцией.
Десорбция проводится:
1/ путем подвода тепла к абсорбенту /нагревание раствора/,
2/ отгонкой в токе инертного газа,
3/ путем снижения давления над абсорбентом.
Абсорбция широко применяется в промышленности. Например, абсорбция серного ангидрида в производстве серной кислоты, хлористого водорода в
производстве соляной кислоты, абсорбция аммиака для получения
холодильного агента и в производстве минеральных удобрений, абсорбция
паров бензола, формальдегида, метанола и др.
Абсорбция широко применяется для очистки газов, выпускаемых в
атмосферу. Например, улавливание сернистого газа, который образуется при
сжигании топлив, содержащих серу /мазут, угли/. Как правило, при очистке
дымовых газов абсорбция совмещается с пылеулавливанием. Аппаратура
получается комплексной /скруббер, газопромыватель и др./.
Абсорбция играет существенную роль в регулировании состава атмосферного воздуха, в частности, содержания углекислого газа /СО2/.
Две трети поверхности Земли покрыто мировым океаном,
представляющим собой, образно говоря, "гигантский поверхностный
абсорбер".
Содержание СО2.
Атмосфера - 2,3 1 012 т - 0,03% об.
Гидросфера - 1,4 1 014 т - растворимость CО2 в воде:
0°С - 0,335 % масс.
20°С - 0,169% масс.
16
Литосфера - 5,5 1 0 т - кальцит, доломит, мрамор / CaСO3/.
Переход CО2
Атмосфера
Гидросфера
Литосфера
СО2  Н 2О  Н 2СО3  Са  СаСО3 - осадок
абсорбция
фитопланктон
хемосорбция
При увеличении содержания СО2 в воздухе возрастает концентрация СО2
в поверхностном слое океана. Это активизирует деятельность Фитопланктона
/мелкие ракообразные/, который за счет хемосорбции с ионом Са переводит
угольную кислоту в кальцит.
198
Вторым существенным поглотителем углекислого газа является зеленая
растительность на поверхности Земли. Таким образом, увеличение
содержания углекислого газа в атмосфере приводит к активизации деятельности поглощения, что возвращает систему в состояние прежнего
равновесия.
Основными источниками углекислого газа на Земле являются вулканы и
биомасса.
Влияние деятельности человека.
Ежегодно человечеством добивается 4 1 09 т углерода.
При сжигании углерода образуется 1,4 1 010 т углекислого газа.
При отсутствии поглощения прибавка CO2 в атмосфере составит
0,00018 % об. или 1/167 доля от общего содержания /0,03%/.
Какая концентрация CО2 в атмосфере необходима для начала парникового
эффекта, никто толком не знает.
Человек может выдержать содержание углекислого газа в воздухе до 4 %
об. Признаки отравления: шум в ушах, головная боль.
Углекислый газ утилизируется из дымовых газов по схеме: охлаждение хемосорбция раствором щелочи - выделение соды - прокаливание с
образованием углекислого газа - компремирование - умеренное охлаждение сухой лед / используется для мороженого/.
Принципиальные схемы абсорбции
1. Прямоток.
Схема установки и диаграмма У-Х представлены на рис. 231.
Рис. 231. Схема аппарата а/ и диаграмма У-Х, б/ для прямоточной абсорбции.
Расход абсорбента
L1  G 
Ун  Ук
;
Х к1  Х к 2
199
Удельный расход абсорбента
L
У  Ук
l1  1  *н
G Х к1  Х н
*
В пределе Х к1  Х к1 , тогда удельный расход абсорбента будет
минимальным
У  Ук
lmin  *н
Х к1  Х н
Однако в этом случае движущая сила процесса будет равна нулю,
колонна должна иметь бесконечно больше размеры, что нереально.
Оптимальный удельный расход абсорбента определяют на основе
технико-экономического расчета. Довольно часто принимают
lопт.  1.2  lmin
2. Противоток
Схема аппарата и диаграмма У-Х представлены на рис. 232.
Рис.232. Схема аппарата а/ и диаграмма У-Х б/ для противоточной
абсорбции.
Расход абсорбента
L2  G 
Ун  Ук
Х к2  Х н
Из рис. 231 и 232 видно, что X k 2  X k 1 , тогда L2  L1 , т.е противоток
обеспечивает меньший расход абсорбента, это является решающим
преимуществом его применения.
Из рис. 231 и 232 также следует, что средняя движущая сила
У 2 ср .  У1ср . , т.е. противоток обеспечивает меньшую
движущую силу. По основному уравнению массопередачи поверхность
M
M
; F2 
; F2  F1 .
контакта фаз F1 
K у  У1ср .
K у  У 2 ср .
Следовательно, противоток будет иметь большие габариты аппарата.
3. Схема абсорбции с рециркуляцией жидкости.
200
Рециркуляция жидкости всегда предпочтительна, когда возникает
необходимость отводить теплоту адсорбции. В этом случае в цепь
рециркуляции включают промежуточный холодильник. Схема установки и
диаграмма У-Х представлены на рис. 233.
Движущая сила процесса будет еще меньше, чем в противотоке.
Для извлечения поглощенного компонента применяется десорбция,
Последняя может следовать cpaзу же за абсорбцией, как это показано на рис.
234, 235.
Для более полного извлечения компонента из газовой фазы применяют
многоступенчатую абсорбцию / рис. 236, 237/.
КОНСТРУКЦИИ АБСОРБЕРОВ
1. Поверхностные.
2. Плёночные.
3. Насадочные.
4. Тарельчатые.
5. С подвижной шаровой насадкой.
6. Распыливающие.
7. Ротационные.
8. Барботажные.
9. Барботажные с механическим перемешиванием и др.
Некоторые конструкции абсорберов представлены на рис. 238-283. Наиболее
высокоинтенсивным / с точки зрения массообмена/ считается форсуночный
абсорбер Вентури. Скорость газа в горловине аппарата составляет 60-160 м/с.
Однако аппарат имеет высокое гидравлическое сопротивление до 25000 Па
/рис, 275/.
201
Рис. 233. Cxeмa абсорбции с рециркуляцией жидкости /а/ и изображение процесса
на диаграмме У -X /б/.
1.Абсорбер, процесс в котором сопровождается выделением тепла.
2.Промежуточная емкость. 3.Насос. 4.Холодильник.
Рис. 234. Схемы изотермической абсорбции при
повышенном давлении с регенерацией
абсорбента понижением давления/а/ и
понижением давления с последующей
продувкой инертным газом /б/. Изображение
процессов на диаграмме У-Х /в/.
1.Абсорбер, работающий при повышенном
давлении.
2.Редукционный вентиль.
3.Расширительный сосуд /экспанзер/ для
выделения растворенного газа при
пониженной давлении.
4.Десорбер для отдувки дополнительного
количества растворенного газа инертным
газон.
5.Насос.
202
Рис. 235.Схема абсорбционной установки с регенерацией
поглотителя десорбцией при
повышенной температуре.
1.Абсорбер.
2.Десорбер /регенератор раствора/
3.Теплообменник.
4.Холодильник.
5.6.Промежуточные сборники,
7.Насосы.
Рис. 236. Схема противоточной
многоступенчатой установки с
последовательным соединением
абсорберов и промежуточным
охлаждением жидкости.
1. Абсорберы.
2.Промежуточные сборники.
3.Насосы.
4.холодильники.
Рис. 237. Схема противоточной многоступенчатой абсорбционной установки
с рециркуляцией жидкости по ступеням и с регенерацией поглотителя.
1.Абсорбер. 2-4.Сборники. 5-7.Насосы. 8.Теплообменник. 9.Десорбер
/регенератор раствора/.
10.Холодильники.
203
Рис. 238. Абсорбер с горизонтальными /S -образными/ трубами, например,
кварцевыми или керамическими при абсорбции хлористого водорода водой.
1. Элемент абсорбера. 2. Опорная конструкция .
Рис. 239. Кожухотрубчатый пленочный абсорбер с отводом
выделяющегося тепла.
204
Рис. 240. Пленочный абсорбер с листовой /плоскопараллельной/
насадкой:
а -схема устройства; б -разрез аппарата. 1. Пакет листов с поверхностями,
орошаемыми пленкой жидкости. 2.Приспособление для равномерного
распределения жидкости /распределительное устройство/.
3.Перераспределительное устройство. 4.Подвод жидкости.
Рис. 241.
Распределительное
устройство для колонны с
листовой насадкой /поз. 2
на рис.А-3 /.
1.Оросительная коробка с
ниппелями.
2,3,4.Колосники из пластин;
ряды колосников уложены
крест-накрест.
5. Листы насадки.
205
Рис. 242.Пленочный абсорбер с восходящим движением жидкости:
а - одноступенчатый абсорбер; б - двухступенчатый абсорбер с прямотоком
фаз на каждой ступени, но с противотоком по аппарату в целом; в -схема
движения фаз на выходе из труб; г -схема движения фаз на входе в трубы.
1.Трубы /по их внутренней поверхности поднимающийся газ увлекает
жидкость в виде пленки /.
2.Трубные решетки.
3.Брызгоотбойники.
4.Распределительные патрубки.
206
Рис. 243. Насадочные абсорберы:
а -со сплошным слоем насадки;
б -с послойной загрузкой насадки.
1.Цилиндрический корпус колонны /часто
футерованный изнутри/. 2.Насадка.
3.Распределитель орошающей жидкости.
4.Решетки, поддерживающие насадку
/ложные днища/ 5.Перераспределитель
жидкости. 6.Гидравлический затвор,
предотвращающий выход газа с жидкостью
Рис. 244. Насадка из колец Рашига:
а -отдельное кольцо;
б -кольца навалом /в засыпку/;
в -упорядоченная загрузка /рядами,
смещенными в шахматном порядке /.
Рис. 245. Колонна с насадкой
из колец Рашига навалом.
Обозначения, как на рис.А-6;
7-Сетка,предотвращающая
подбрасывание насадки при
высоких скоростях газа.
207
Рис. 246. Некоторые фасонные насадки:
а - кольцо с вырезами и внутренними выступами /кольцо Палля/; б седлообразная насадка; в - кольца с крестообразными перегородками; г кольца с внутренними спиралями; д - пропеллерная насадка; е керамические блоки; ж - деревянная хордовая насадка.
Рис. 247. Некоторые типы перераспределителей жидкости
между слоями насадки: а - конусный; б - патрубковый; в - конусный с
патрубками.
Рис. 248.
Распределительные
плиты:
а – с затопленными
отверстиями,
б - с затопленными
отверстиями и газовыми патрубками, в — со свободным сливом: 1 - решетка;
2 - патрубки для жидкости; 3 - патрубки для газа.
208
Рис. 249. Распределительные
желоба со свободный сливом.
Рис. 250. Ороситель типа
сегнерова колеса.
1.Вращающаяся дырчатая труба.
2.Подпятник.
Рис.252. Тарельчатые разбрызгиватели:
а - с тарелкой с бортами; б - с тарелкой
без бортов;
в – многотарельчатый
Рис. 253. Брызгалки:
а - цилиндрическая;
б - полушаровая;
в - щелевая.
Рис. 251. Центробежный
разбрызгиватель.
Рис. 254.
Орошение насадки через правильно
уложенные кольца.
1.Подвод орошения. 2.Основной слой
насадки из колец в укладку.
3.Небольшой слой крупных колец
навалом.
209
См. следующую страницу.
210
Рис. 255. Нормализованная
колонна с насадкой /а/,
перераспределительная /б/ и
распределительная /в/ тарелки,
и опорная решетка /г/.
/начало cм. Предыдущую
страницу/
Техническая характеристика
перераспределительной тарелки /б/.
шаг p, мм
количество n,
шт.
диаметр d, мм
Диаметр D, мм
250
300
350
480
600
750
880
жидкостной патрубок
25×2
19
31
37
46
45×2,5
55
91
121
70
Вес тарелки
(ориентирово
чный), кг
из кислотостойкой стали
0,126
0,196
0,283
0,503
0,785
1,13
1,54
Тарелка
из углеродистой стали
400
500
600
800
1000
1200
1400
Площадь
сечения Fк, м
Внутренний
диаметр Dк,
мм
Колонный
ппарат
13
18
25
75
84
113
137
11,5
15,5
22
58
79
102
125
Примечание: Технические характеристики тарелок внутренним диаметром Dк более 1400
мм см. по действующим нормалям.
211
Pис. 256. Устройство колпачковых тарелок с капсульными колпачками:
а - колонна с тарелками; б - две соседние тарелки; в - капсульный колпачок;
г - 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.
212
Рис. 257. Устройство тарелок с
туннельными колпачкам.
1.Тарелки.
2.Газовые /паровые/ патрубки.
3.Прямоугольные колпачки.
4.Переточные перегородки /или трубы/
с порогами.
5.Гидравлические затворы. 6.Корпус
колонны.
Рис. 258. Устройство ситчатых переточных тарелок:
а - колонка с тарелками; б- две соседние тарелки.
1.Тарелки /перфорированные листы /. 2.Переточные перегородки/или трубы/ с
порогами. 3.Гидравлические затворы. 4.Корпус колонны.
213
Рис. 259. Устройство тарелок без переливов /провальных тарелок/:
а - колонна с провальными тарелками; б - две соседние дырчатые
провальные тарелки.
Рис. 260. Типы провальных тарелок:
а - дырчатая; б- решетчатые; в - волнистая; г - трубчатые.
1. Щели. 2.Трубы. 3.Перфорированный лист. 4.Коллекторы.
214
Рис.261. Колонна с перфорированными тарелками со змеевиками для
охлаждения жидкости водой или иным хладоагентом. Тарелки могут быть
провальные или переточные. 1.Пакет змеевиков. 2.Дырчатая тарелка. 3.
Корпус колонны. 4.Лаз. 5.Брызгоотбойник.
Рис. 262. Комбинированная колпачково –
ситчатая тарелка, позволяющая расширить
рабочий диапазон нагрузок по газу /пару/.
1.Туннельные колпачки. 2.Перфорированный лист.
215
Рис. 263.Устройство клапанных тарелок:
а - две соседние тарелки с круглыми
клапанами /при разных нагрузках по
газу - открыто разное число клапанов/.
б - принцип работы клапана. 1.Тарелка.
2.Клапан. 3.Переточная перегородка с
порогом. 4.Гидравлический затвор.
5.Корпус колонны. 6.Диск клапана.
7.0граничители подъема клапана.
Рис. 264. Круглый клапан с нижним
ограничителем подъема.
1.Диск клапана. 2.Полотно тарелки. 3.Отверстие в тарелке
диаметром d0. 4.Отогнутые короткие ножки - ограничители
движения клапана вниз. 5.Длинные ножки-ограничители
подъема клапана.
216
Рис. 265. Круглые клапаны с верхним ограничителем/а/ и с балластом/б/.
1.Дисковый клапан. 2.Ограничитель. 3.Балласт.
Рис. 266.Устройство направленноточных чешуйчатых
тарелок: а - схема потоков газа /пунктир/ и жидкости
/сплошные стрелки/ на двух соседних тарелках; б -типы
чешуй /арок/.
Рис. 267. Схема потоков газа /пунктир/ и
жидкости /сплошные стрелки/ на
направленноточных пластинчатых
/жалюзийных/ тарелках.
1.Гидравлический затвор. 2.Переливная
перегородка. 3.Тарелка. 4.Пластины.
5.Сливной карман.
217
Рис. 268. Схема потоков газа и
жидкости/а/ и форма
прорезей/б/ на секторных
направленноточных тарелках
/тарелках Киттеля/.
Рис. 269. Струйная направленноточная тарелка/1/ с
брызгоотбойниками/2/.
При изготовлении тарелок и
брызгоотбойников в металлических
листах дольют прорези и растягивают листы.
218
Рис. 270. Основные размеры струйной тарелки, изображенной на
рис. А-48, по ГОСТ 16453-70.
Рис. 271. Колонна с подвижной шаровой
насадкой, а - одноступенчатый аппарат; б - две соседние дырчатые тарелки /они могут быть
переточные или провальные/ многоступенчатого
аппарата.
1.Опорная тарелка. 2. Шаровая насадка. 3.Ограничительная тарелка.
4.Оросительное устройство. 5.Брызгоотбойник.
219
Рис. 272. Устройство полых распиливающих абсорберов:
а - вертикального с верхним распылом жидкости; б - вертикального с
распылом жидкости по высоте аппарата; в - горизонтального с
перекрестным током.
1.Корпус. 2.Форсунки. 3. Коллектор орошающей жидкости. 4.
Брызгоотбойник. 5.Газораспределительная решетка.
Рис. 273. Разрез полой колонны с распыливанием жидкости.
220
Рис. 274. Циклонный распыливающий абсорбер.
1.Центральная труба. 2.Форсунки. 3.Отражательный диск.
4.Раскручиватель потока газа.
Рис. 275. Форсуночные абсорберы Вентури:
а,б - с периферийным и с центральным вводами жидкости соответственно.
1.Горловина. 2. Центробежный брызгоуловитель циклонного типа.
3. Диффузор. 4. Конфузор. 5.Отверстия в горловине /а/ или форсунка
/б/ для ввода жидкости.
221
Рис. 276. Безфорсуночные абсорберы
Вентури:
а - с эжекцией жидкости; б - с пленочным орошением. 1.Корпус.
2.Сепаратор. 3.Циркуляционная труба. 4.Гидравлический затвор.
Рис. 277.Устройство многоступенчатой
абсорбционной колонны из труб Вентури.
1.Корпус. 2.Трубы Вентури для
распыления жидкости потоком газа.
З.Брызгоотбойники. 4.Перетоки жидкости.
222
Рис. 278. Абсорбционные устройства
сразбрызгиванием ЖИДКОСТИ
вал- . ками лопастного типа/а/ и
дисками /б/. 1.Вращающиеся
валы. 2.Лопасти /а/ или диски /б/.
3.Перегородки.
Рис. 279. Абсорберы с одновальным дисковым/а/ и
многовальным /б/ разбрызгивателями жидкости.
1.Корпус. 2.Валы. 3.Ситчатые диски/а/ или рифлёные валки/б/. 4.Перегородки.
223
Рис. 280.
Абсорберы с высоким барботажным слоем:
а - полая колонна; б - полая колонна, секционированная по высоте;
в - колонна с затопленной насадкой.
1.Распределитель газа. 2.Гидравлический затвор, обеспечивающий затопление
колонны. 3.Дырчатые секционирующие перегородки/б/ и опора под насадку /в/.
4.Насадка.5.Сетка, фиксирующая насадку.
Рис. 281. Барботажный кожухотрубный
абсорбер с отводом тепла.
1.Циркуляционная труба.
2.Барботажные трубы.
3.Отверстия для входа газа.
4.Кольцевая перегородка.
224
Рис. 282. Устройство барботажных абсорберов с механическим перемешиванием:
а - с вводом газа через барботер; б - с самовсасыванием газа мешалкой с
полым валок, изготовленной из трубы.
Рис. 283. Аппарат с высоким
барботажным слоем с двумя
мешалками /1/ по высоте /верхняя
самовсасывающая/
и со змеевиком/2/ для отвода или
подвода тепла.
-
225
ЭКСТРАКЦИЯ
Экстракция - процесс извлечения растворенного в одной жидкости
вещества другой жидкостью, или извлечение одного или нескольких компонентов из твердых тел с помощью избирательных растворителей / вода,
кислоты, щелочи/. Последний процесс / в системе твердое тело - жидкость/
часто называют выщелачиванием и рассматривают отдельно.
Экстракция в системе жидкость-жидкость широко применяется
для разделения жидких однородных смесей /конкурент ректификации/.
Достоинством экстракции является применение низких рабочих
температур/ обычно нормальная температура/ и более полное разделение по
сравнению с другими видами массообмена.
В процессе экстракции /система жидкость-жидкость/
взаимодействуют две жидкие фазы, нерастворимые или частично
растворимые друг в друге. В результате взаимодействия получают:
экстракт - раствор компонента /вещества/ в растворителе,
рафинат - остаточный раствор вещества в другой жидкой фазе.
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЭКСТРАКЦИИ.
1. Однократная экстракция для частично растворимых жидкостей.
Схема установки представлена на рис. 284.
Рис. 284. Однократная экстракция. 1 - экстрактор, 2 - отстойник,
F - исходная смесь, S - растворитель, М - смесь двухфазной
системы, E - экстракт, R - рафинат.
226
Материальный баланс
F S M RE
Соотношение потоков определяется по правилу отрезков на треугольной
диаграмме / Розебума/, которая представлена на рис. 285.
Рис. 285. Изображение однократной экстракции на треугольной
диаграмме.
1 - бинодальная кривая, К - критическая точка, 2 - коннода /хорда
равновесия/.
Из диаграммы на рис. 285
Расход растворителя
F SM

;
S FM
SF
R ME

;
E RM
FM
;
SM
Очевидно, что в точке М1, расход растворителя будет минимальным, а
в точке M2 - максимальным.
Точка Е' определяет состав экстракта после удаления растворителя.
Для более полного извлечения компонента из исходной смеси
применяют многократную экстракцию.
227
2. Многократная экстракция для частично растворимых
жидкостей.
Схема установки и треугольная диаграмма представлены на рис.286.
Рис. 286. Схема установки а/ и треугольная диаграмма
б/ для многократной экстракции. 1 - экстрактор, 2 - отстойник /сепаратор/.
228
Материальный баланс.
F  S1  M 1  R1  E1
Первая ступень.
FM1
;
M 1S
S1  F 
Вторая ступень.
S2  R1 
R1  M1 
M1E1
;
R1E1
E1  M 1  R1 ;
R1  S 2  M 2  R2  E2
R1M 2
;
M 2S
Третья ступень.
S3  R2 
R2  M 2 
M 2 E2
;
R2 E2
E2  M 2  R2 ;
R2  S3  M 3  R3  E3
R2 M 3
;;
M 3S
R3  M 3 
M 3 E3
;
R3 E3
E3  M 3  R3 ;
Расход растворителя
S  S1  S 2  S3
Выход экстракта
E  E1  E2  E3
Рафината
R3
3. Противоточная экстракция для частично растворимых жидкостей.
Схема аппарата представлена на рис. 287.
Рис. 287. Колонный аппарат для противоточной экстракции.
229
К недостаткам многократной экстракции следует отнести громоздкость аппаратуры и большой расход растворителя. Этих недостатков
лишена противоточная экстракция в аппарате колонного типа.
Для изображения процесса противоточной экстракции на треугольную
диаграмму наносят точки F, E1, S и Rк. Соединяют точки F и Е1 , Rk и S.
Линии продолжают дальше. Пересечение прмых F Е1 и RkS определяет
полюс диаграммы Q. Условным построением коннод R1E1, R2E2, RkE3,
определяется число теоретических ступеней /в данном случае Nc = 3/.
Диаграмма представлена на рис. 288.
Рис. 288. Треугольная диаграмма для противоточной экстракции.
Материальный баланс.
Для представления материального баланса условно соединют
точки F и S 1, Rк и E1. Линия RкE1 не является коннодой.
F  S  M  E1  Rk
S  Rk  E1  F  Q
Потоки:
SF
FM
;
MS
M F S;
Rk  M 
ME1
;
Rk E1
E1  M  Rk ;
230
4. Противоточная экстракция для взаимно нерастворимых жидкостей.
Для этой системы применимы обозначения и теория основ массопередачи. Схема аппарата и диаграмма У-Х приведены на рис. 289.
Рис. 289. Схема аппарата а/ и диаграмма У-Х б/ для противоточной
экстракции при взаимно нерастворимых жидкостях.
1 - исходная смесь, 2 - рафинад. 3 - растворитель. 4 - экстракт.
Материальный баланс
M  L   X н  X к   G  У к  У н 
Удельный расход растворителя
G Xн  Xк

L Ук  Ун
Конструкции экстракторов
1. Смесительно-отстойные.
2. Полые /распылительные/ колонны.
3. Насадочные колонны.
4. Тарельчатые колонны /ситчатые тарелки/.
5.Роторно-дисковые.
6. Пульсационные.
7. Центробежные /экстрактор Подбельняка/.
8. Инжекторные.
И другие.
Конструкции рассмотреть самостоятельно по учебнику
231
ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ
Экстракция в системе твердое тело - жидкость. Широко применяется
в производстве органических полупродуктов, красителей, минеральных
удобрений, при химической переработке рудных материалов, в химикофармацевтической промышленности, в производстве сухих порошков для
приготовления различных напитков и др.
Статика растворения
В качестве растворителей используют воду, водные растворы некоторых минеральных кислот и щелочей, органические растворители.
Состояние равновесия твердой и жидкой фаз характеризуется
кривой растворимости. Обозначим:
У - концентрация компонента в жидкой фазе,
Х - концентрация компонента в твердой фазе.
Диаграмма растворимости представлена на рис. 290.
Рис. 290. Диаграмма растворимости.
1 - пересыщенный раствор /область кристаллизации, 2 - кривая
растворимости /насыщенный раствор/, 3 - ненасыщенный раствор /область
растворения и выщелачивания/.
Движущая сила в начале и в конце процесса выщелачивания
Уб  У к  Ун ; У м  У к  Ук
Изменение движущей силы с течением времени представлено на рис. 291.
S  a  У ср  
Площадь под кривой
Откуда

У ср 
S a

или
У ср 
 У    d
0

232
Рис. 291. Изменение движущей силы с течением времени.
Материальный баланс для произвольного аппарата аналогичен
предыдущему:
M  G  У к  У н   L   X н  X к 
Расход растворителя.
X  Xк
G  L н
Ук  Ун
Кинетика растворения.
Схема массоотдачи представлена на рис. 292.
Закон Щукарева
dM
  у  F  У гр*  У 
d
Полагаем
 у  К у ;У гр*  У * ; dM  G  dy
Тогда
G  dy
d 
/161/
К у  F  y
Рис. 292. Схема массоотдачи.
Расчеты продолжительности
выщелачивания по уравнению /161/
затрудняются зависимостью двух величин от времени
У *  У  У  f1  ; F  f 2  
Для определения коэффициента массоотдачи  у применяется
критериальное уравнение
Nu Д  А  Rem  PrДn ;
Nu Д 
у l
D
; Re 
W l

; PrД 

D
.
233
Из кинетики следуют пути интенсификации процесса
выщелачивания
dM
/ увеличение
/:
d
1. Увеличение поверхности F твердого материала /измельчение/.
2.Увеличение относительной скорости движения жидкой фазы W.
3. Увеличение температуры проведения процесса t .
Аппаратура для выщелачивания.
1. Аппараты с мешалкой.
2. Аппараты с пневматическим перемешиванием.
3. Аппараты с пневмомеханическим перемешиванием.
4. Аппараты с просачиванием жидкости через неподвижный слой
зернистого материала / перколяторы/.
5. Аппараты под давлением / автоклавы/.
6. Шнековые.
7. Барабанные.
8. Трубчатые.
9. Со взвешенным слоем.
10. Каскад аппаратов с мешалками.
В качестве примера рассмотрим переход от аппарата с мешалкой /1/ к
каскаду аппаратов /10/.
/1/. Аппарат с мешалкой.
Схема аппарата и график изменения концентрации компонента в твердой фазе
с течением времени представлены на рис. 293.
Рис. 293. Схема аппарата с мешалкой а/ и график
изменения концентрации X с течением времени б/.
В общем случае продолжительность выщелачивания зависит от концентрации компонента в твердой фазе, температуры процесса и диаметра
частиц твердой фазы.
234
/10/ Каскад аппаратов с мешалками.
Для перехода от периодического процесса в одном аппарате к каскаду
аппаратов непрерывного действия, под кривой на рис. 293(б) строят
ступенчатую ломаную линию. Число ступеней определяет число
аппаратов в каскаде. Это показано на рис. 294.
Рис. 294. Определение ступеней для каскада аппаратов.
В принципе под кривой /рис. 294/ можно построить сколько угодно
ступеней. Поэтому оптимальное число ступеней принимается на основе
технико-экономического расчета, принимается критерий оптимальности
Е С 
К
П   ок
где:
С- себестоимость единицы продукции,
К - объем капиталовложений,
П - объем продукции,
 ок - нормативный срок окупаемости
Оптимальное число ступеней определяется по минимуму критерия
"Е", как это показано на рис. 295.
Рис. 295. Определение оптимального числа ступеней для каскада
аппаратов с мешалками.
235
АДСОРБЦИЯ
Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в
жидкостях веществ твёрдым поглотителем – адсорбентом.
Поглощаемое вещество носит название адсорбата или адсорбтива.
Адсорбция – обратимый процесс. Процесс выделения адсорбтива
называется десорбцией.
При химическом взаимодействии адсорбента и адсорбтива процесс
поглощения называется хемосорбцией. Например, поглощение хлора
твёрдым едким натром (натронной известью).
Адсорбция применяется главным образом при небольших концентрациях
поглощаемого вещества (адсорбтива) в исходной смеси. Ее преимущество
перед другими методами разделения – практически полное извлечение
адсорбтива.
Адсорбция широко используется при осветлении растворов (например,
сахарных сиропов), при очистке и сушке газов (например, природного газа),
при выделении некоторых компонентов из реакционных газов (например,
выделение ароматических углеводородов из коксового газа), при
гетерогенном катализе, когда исходные реагенты адсорбируются на
катализаторе и десорбируются при реакции.
При покраске различных изделий летучие растворители переходят в воздух
за счёт испарения. В целом по стране потери этих ценных растворителей
очень велики, к тому же они загрязняют атмосферу. Адсорбция позволяет
почти полностью извлечь летучие растворители из их смеси с воздухом.
Адсорбция применяется в системе кондиционирования воздуха жилых и
производственных помещений. В пищевых блоках адсорбция устраняет
раздражающие дымы и запахи.
Адсорбция в значительной мере используется в физико-химическом
анализе, например, в хроматографии (сочетание адсорбции и хемосорбции с
образованием окрашенного химического соединения).
Адсорбция учитывается при выборе строительных материалов при
строительстве жилых, промышленных, медицинских и общественных
зданий. Например, запрещается применять меловую побелку в больницах и
пищевых блоках.
Адсорбция используется в технике безопасности: промышленные
противогазы, спецодежда и т.д. Правила ТБ запрещают нахождение
работника в спецодежде вне служебного помещения.
Краткая история.
Ведущие позиции в развитии процесса адсорбции принадлежали
отечественным учёным. Так, в 1785 году русский академик Т.Е. Ловиц
открыл адсорбционные свойства активированного угля. В 1915 году Н.
Зелинский создал угольный противогаз. С 1929 года Н.А. Шилов провел
теоретические обогащения процесса адсорбции. С 1935 года адсорбцией
236
стала заниматься школа академика М.М. Дубинина. Далее можно отметить
работы О.М. Тодеса, П.Г. Романкова, Е.Н. Серпиновой и др.
Адсорбенты.
В качестве адсорбентов обычно применяют пористые твёрдые вещества, к
которым предъявляются следующие требования:
1. Большая удельная поверхность.
2. Избирательность или селективность.
3. Обратимость процесса (возможность десорбции).
4. Негорючесть.
5. Термостойкость.
6. Механическая прочность.
7. Низкая стоимость.
В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют адсорбенты,
представленные в таблице 11.
Таблица 11. Физические свойства адсорбентов.
Наименование
Формула
Поверхность
1г
м2
Термостойкость
Применение
1.Активированный
уголь
2. Силикагель
С
600-1700
200
H 2 SiO3
400-770
300
Органические
вещества
Осушка газов
3. Алкмогель
Al (OH ) 3
200-400
200
Осушитель
10-400
300
Разнообразное
4. Цеолиты
Na O  (CaO ) 
2
 SiO 2  Al2 O3  nH 2 O
По размеру твёрдых частиц различают адсорбенты:
1. Зернистые, 2-8 мм,
2. пылевидные, 50-200 мкм.
Различают поры в адсорбенте:
4
1) макропоры до 2  10 мм,
4
6
2) переходные поры от 2  10 до 6  10 мм,
6
6
3) микропоры от 6  10 до 2  10 мм.
Полагают, что ведущая роль в адсорбции принадлежит порам 1) и 2).
Теории адсорбции.
1. Физическая (потенциальная) теория, М. Поляни, 1914 г. (Брунауэр,
Эммет, Теллер, Эйкен).
Над поверхностью твёрдого тела существует поле действия сил
притяжения (адсорбционное поле), попадая в которое молекулы
компонента притягиваются к поверхности с силой, пропорциональной
237
потенциалу адсорбционного поля в данной точке и располагаются в
нем многими слоями. Полимолекулярная теория адсорбции.
2. Теория объёмного заполнения микропор, академик М.М. Дубинин и
его школа, 1947 г.
Адсорбционное поле существует во всём объеме микропор, что
вызывает их объёмное заполнение в процессе адсорбции (развитие
потенциальной теории).
3. Химическая теория, Дж. Дэнгмор, 1918г.
Предполагается возникновение химической связи между адсорбентом
и адсорбтивом с образованием нестойкого комплексного соединения.
Мономолекулярная теория адсорбции.
В пользу этой теории указывает тот факт, что адсорбция –
экзотермический процесс (выделение тепла). Теплота адсорбции
определяется опытным путём.
Равновесие в процессе адсорбции.
Обозначим: Х – концентрация адсорбтива в адсорбенте, кг/кг,
Y – концентрация адсорбтива в парогазовой смеси, кг/кг.
Равновесие адсорбции представляют в виде изотерм, которые могут иметь
самую разнообразную форму, но все сводятся к трём основным типам,
показанным на рис. 296.
Рис. 296. Изотермы адсорбции.
1 – прямолинейная, 2 – выпуклая, 3 – вогнутая.
Для адсорбции предпочтительна изотерма типа 2 (аналогия с абсорбцией).
На форму изотермы влияют факторы:
1. природа поглощаемого вещества (чем выше молекулярная масса, тем
выше концентрация Х),
2. давление и температура (с увеличением температуры Х уменьшается),
3. примеси, конкурирующее вещество,
4. пыль, забивающая поры адсорбента (необходимость фильтрования газа).
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АДСОРБЦИИ
238
Различают адсорбцию:
1. с неподвижным зернистым адсорбентом,
2. с псевдоожиженным стационарным слоем адсорбента,
3. с движущимся зернистым адсорбентом.
Адсорбция с неподвижным зернистым адсорбентом.
Схема аппарата и распределение концентраций по высоте адсорбера
представлены на рис.297.
Рис.297. Механизм адсорбции в слое неподвижного зернистого адсорбента.
Обозначения:
G – расход газовой фазы, кг/ч.
Н – высота слоя адсорбента, Ннас – высота слоя насыщения, м.
f – сечение адсорбента, м2.
W – фиктивная скорость газовой фазы, м/с.
Ун – начальная концентрация адсорбтива в газовой фазе.
Ус – концентрация адсорбтива в газовой фазе, которую ещё можно
определить анализом.
Хс – то же для твёрдой фазы.
X  , Х НАС - концентрация адсорбтива в адсорбенте (равновесная и
насыщения).
u
dH
- скорость перемещения фронта равных концентраций.
d
1
 K - коэффициент поглотительного действия слоя адсорбента.
u
 0 - время полного насыщения слоя, высотой ( H  H HAC ), или потеря
времени защитного действия слоя адсорбента.
ЗАДАЧА: для известной Н определить  .
Надёжной методики расчёта не существует.
Наиболее общий подход состоит в следующем.
239
Рассматриваем дифференциальное уравнение конвективной диффузии (2-й
закон Фика).
DC
 D 2 C
d
  2C  2C  2C 
C
C
C
C
 WX
 WY
 WZ
 D 2  2  2 

x
y
z
y
z 
 x
или
Рассматриваем изменение концентрации адсорбтива только вдоль оси Н
Y X
Y
 2Y
(162)

W
 DЭ
 
H
H 2
где DЭ - эффективный коэффициент продольной диффузии (учитывает
молекулярную и эффективную диффузии и грануляцию фронта).
Решение уравнения (162) в общем виде ещё не найдено.
Частные случаи.
1. DЭ =0.
Y X
Y

 W
умножаем на d
 
H
dy
dy
dy  dx  W
d делим на
dH
dH
 dy  dx 

dH  Wd 
dy


1  f ( y)dH  Wd
 (dH / d )  u  W /1  f ( y) (163) Формула Е. Викке.
Для линейной изотермы, представленной на рис.298.
Рис.298. Линейная изотерма адсорбции.
Из рис.298 следует:
dX
X  ( yH )
 f ( y )  tg 
dy
yH
W
yH

W

Тогда u 
(164) Формула М. Вильсона.
X  ( yH )
yH  X  ( yH )
1
yH
240
Из формулы (164) следует, что u  const .
В уравнении (163) отбрасывается знак ''минус'', который показывал, что
скорость ''u'' уменьшается. Тогда
dH
1
 u; d  dH ;   KH
d
u
(165)
Формула (165) обуславливает режим стационарного переноса фронта
равных концентраций с прямым обрывом концентрации Ун. Наглядно этот
режим представлен на рис.299.
Рис.299. Режим стационарного переноса фронта равных концентраций.
Из рис.299 следует, что K  tg  const;   K при Н  1.
Тогда здесь: К – продолжительность поглотительного действия слоя
адсорбента, высотой Н=1.
К концу времени  слой становится полностью насыщенным.
Баланс слоя по адсорбтиву за время  :
M    G( y H  yC )  H  f (1   0 )  T  X HAC или
  3600   Г  W  f  ( y H  yC )  H  f (1   0 )  T  X HAC откуда
(1   0 )  T  X HAC

 H  KH (165а)
  3600   Г  yH  W
3
где  Г - плотность газа, кг/м ,
T - плотность твёрдых частиц (кажущаяся), кг/м 3 ,
yC =0,  0 =0,38-0,42 – порозность неподвижного слоя.
2. DЭ  0 . В общем виде решение уравнения (162) не найдено.
В этом случае будет происходить размытие фронта равных концентраций,
как это показано на рис.297 (график Н-Y). Сначала размытие фронта будет
меньше, затем больше (по высоте Н). Таким образом, отмечается
прогрессирующее размытие фронта, которое приводит к непрерывному
уменьшению скорости перемещения фронта ''U'', последнее представлено на
рис.300.
241
Рис.300. Зависимость скорости перемещения фронта равных концентраций
от высоты слоя адсорбента.
1-стадия формирования фронта равных концентраций, 2-стадия
(приближённо) постоянной скорости перемещения фронта равных
концентраций.
Для второй стадии (U=const) решение уравнения (162) будет:

1
H   (Y ) (166)
u
Я.Б. Зельдович и О.М. Тодес вывели зависимость

y 
DЭ 1   H 
x ( yH ) 
 ( y)  

W
y
dy
yH
 f ( y)
x ( yH )
(167)
Использование зависимости (167) затруднительно, т.к. трудно определить
DЭ . Обычно полагают DЭ  A  W (168)
Частный случай зависимости (166) – формула А.Н. Шилова
1
u
 H
 ( y)
u
 KH   0 (169)
Формула Шилова (169) удобна для определения продолжительности
адсорбции  графическим путём. Для этого используется элементное
моделирование. Адсорбционная колонка, показанная на рис.301, (сечение
гораздо меньше, чем сечение промышленного аппарата, но высота слоя
адсорбента такая же) имеет на боковой поверхности ряд пробоотборников,
импульс газа от которых направляется на газоанализатор для фиксирования
концентрации yC . Отмечается время появления концентрации yC по высоте
слоя адсорбента. На основе полученных данных строится график,
представленный на рис.301.
242
Рис.301. Элементное моделирование процесса адсорбции.
а) Адсорбционная колонка, б) график фиксирования концентрации yC по
высоте Н.
Из треугольника АВС (рис.301б) следует
tg  K  d / dH
AB  BC  tg
 0    KH ;   KH   0 .
Существуют аналитические формулы для определения К и  0 :
f   H  X HAC
(170)
G  yH

 H  X HAC  y dy
0 

1
(171)

 Y    y H  y y  y  
3
где  H - насыпная плотность слоя, кг/м ,
 - удельная поверхность адсорбента, м 2 /м 3 ,
Y - коэффициент массоотдачи в газовой фазе.
K
H
C
Формулы (170,171) выведены из уравнений материального баланса для
адсорбтива и основного уравнения массопередачи, когда KY  Y .
Для определения Y применяется критериальное уравнение
Nu Д  A  Re m  PrДn (172)
 d
w d

где Nu Д  Y Э ; Re  0 Э ; PrД 
D

D
2 
d Э   0  d Ч - эквивалентный диаметр канала в слое.
3 1 0
w
w0  - истинная скорость газа в каналах слоя.
0
243
Нужно отметить, что применение основного уравнения массопередачи к
процессу адсорбции встречает значительные трудности. Основное
уравнение
M  K Y  YCP  F   (173)
Для определения средней движущей силы полагают:
Тогда YCP 
yH  yC
y
dy


y y  y
yC  0.05  y H ; yH  0.95  y H
H
C
Поверхность массопередачи F  H  f   .
Это будет точно для мономолекулярной адсорбции и неточно для
полимолекулярной адсорбции.
Коэффициент массопередачи K Y 
1
Y
где
 X  4  2

1
1
X

DЭ
w2
Di
- коэффициент массоотдачи в твёрдой фазе,
d Ч2
Di - коэффициент внутренней диффузии (трудно определяется),
d Ч - диаметр частиц.
РЕЗЮМЕ.
Расчёт продолжительности процесса адсорбции в неподвижном слое
адсорбента может быть выполнен по следующим методикам:
1.   KH ; K 
1
, ''u'' по формуле Вильсона. DЭ =0.
u
Идеальная адсорбция, ориентировочные расчёты.
1
H   ( y ); D Э  0;  ( y ) по формуле Зельдовича и Тодеса.
u
3.   KH   0 ; формула Шилова,  0 и К определяются графически или
аналитическим путём, KY  Y .
2.  
4. Из основного уравнения массопередачи (методика Е.Н. Серпионовой)

M
; KY  Y
K y  YCP  F
Общая продолжительность цикла адсорбции
 ОБЩ     д   с
где  д - время десорбции (обработка паром),
 с - время сушки (нагретым воздухом).
(174)
244
Для непрерывной работы установки необходимо   ( д   с ) .
Сечение аппарата f  G / 3600   Г  w (175)
W=0.08-0.25 м/с – принимается на основе опытных данных.
Адсорбция с псевдоожиженным стационарным слоем
адсорбента
К недостаткам адсорбции с неподвижным слоем адсорбента следует отнести
то обстоятельство, что часть слоя высотой ( H  H HAC ) остаётся
ненасыщенной. Этот недостаток устраняется при адсорбции в
псевдоожиженном слое
адсорбента, где каждая частица адсорбента
начинает поглощать компонент с самого начала адсорбции и доводится до
полного насыщения. Схема аппарата представлена на рис.302.
Рис.302. Схема адсорбера с псевдоожиженным слоем адсорбента.
Баланс слоя по адсорбтиву за время  :
M    G   y H  yC   X HAC  T (1   )  f  H
X   (1   )  f
Откуда   HAC T
 H  KH (176)
G  yH
yC  0,  - порозность слоя.
Уравнение
(176)
применяется
для
приближённого
расчёта
продолжительности процесса при бесконечно большой скорости адсорбции.
Более точно продолжительность адсорбции рассчитывается из основного
уравнения массопередачи (174).
Сечение аппарата определяется по формуле (175), где w (рабочая скорость
псевдоожижения) принимается до 0.5 м/с и выше.
Адсорбция с движущимся зернистым адсорбентом
Преимущество этой схемы состоит в применении непрерывного процесса.
Внешняя атрибутика во многом напоминает процесс абсорбции. Схема
аппарата и диаграмма У-Х представлены на рис.303.
245
Рис.303. Схема аппарата и диаграмма У-Х для непрерывной адсорбции с
движущимся зернистым адсорбентом.
Материальный баланс G y H  yK   L xK  xH 
Минимальный расход адсорбента LMIN  G 
yH  yK
xK  xH
Оптимальный расход адсорбента на основе технико-экономического расчёта
LОПТ  1.2  LMIN
Расчёт адсорбера.
1. Высота движущегося слоя адсорбента в аппарате H  hy  my
yH  yK
yCP
G
Высота единиц переноса hy 
 y  f 
Число единиц переноса m y 
Коэффициент массоотдачи
 y определяется из критериального уравнения
Nu Д  A  Re n
2. Сечение аппарата определяется по формуле (175), где w=1-5 м/с
принимается.
Конструкции адсорберов рассмотреть самостоятельно по учебнику.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ
Кристаллизация – процесс выделения твёрдой фазы из растворов, расплавов
или паров.
Наиболее широкое распространение в промышленности получила
кристаллизация из растворов, которой мы и уделим основное внимание.
Кристаллизация применяется в пищевой промышленности (сахар,
поваренная соль, питьевая сода, лимонная кислота и др.), в производстве
минеральных удобрений, взрывчатых веществ и пиротехнических составов,
246
в лакокрасочной промышленности, в производстве лекарственных веществ и
др.
Преимущество кристаллизации перед другими методами разделения –
получение веществ высокой чистоты (99.99999%). В этом смысле
кристаллизация
успешно
конкурирует
и
вытесняет,
например,
0
ректификацию (кристаллизация бензола из жидкой смеси при +4 С).
Обозначим:
b0 , b - равновесная и рабочая концентрация вещества в растворе, %мас.
Необходимым условием для проведения процесса кристаллизации является
наличие пересыщения.
П  b  b0 - движущая сила процесса.
В зависимости от способа создания пересыщения различают следующие
методы кристаллизации.
Методы кристаллизации
1. Изогидрическая или кристаллизация охлаждением – охлаждение раствора
в теплообменниках: поверхностных или смешения.
2. Вакуум-кристаллизация – охлаждение раствора под вакуумом с
частичным удалением растворителя.
3. Кристаллизация выпариванием – удаление части растворителя при
кипении раствора.
4. Кристаллизация нагреванием – нагрев раствора в теплообменниках.
5. Кристаллизация высаливанием – добавление к раствору вещества,
понижающего растворимость выделяемой соли. Например, высаливание
NaCl за счёт добавления MgCl2 или CaCl 2 .
6. Кристаллизация вымораживанием – охлаждение растворов до
температуры ниже 0 0С. Например, выделение NaCl  2 H 2O при
охлаждении рапы соляных озёр, CaSO4 из травильных растворов и др.
7. Кристаллизация в результате химической реакции – создание
пересыщения в результате химической реакции, например, получение
сульфата аммония при нейтрализации растворов серной кислоты аммиаком:
2 NH 3  H 2 SO4  ( NH 4 ) 2 SO4
СТАТИКА
Статика включает растворимость чистого вещества, равновесные формы
кристаллов и их состав. Применяется для определения начальной и
конечной концентраций вещества в растворе (материальный баланс), его
температуры (тепловой баланс), движущей силы процесса (кинетика).
Статику обычно представляют в виде кривой насыщения b0  f (t )
(растворимости) на графике ''концентрация-температура'', который
рассматривался для процессов выпаривания (рис.102).
247
Форма кривой насыщения определяет наиболее целесообразный метод
кристаллизации. Различают четыре формы кривой насыщения, которые
представлены на рис.304.
Рис.304. Типичные формы кривой насыщения и целесообразные методы
кристаллизации.
1-крутая ( KNO3 ), кристаллизация охлаждением, 2-средняя ( Ba(NO3 ) 2 ),
вакуум-кристаллизация, 3-пологая (NaCl), кристаллизация выпариванием,
4-обратная ( MnSO4 ), кристаллизация нагреванием.
Растворение твёрдых веществ обычно сопровождается тепловым эффектом
qPAC  q1  q2
где q1 - теплота разрушения кристаллической решётки (меньше нуля),
q2 - теплота сольватации (больше нуля).
q1  q2 , тт qPAC  0 ,
Если
например,
для
NaNO3 , NH 4 NO3 , CaCl 2  6 H 2O
Если q1  q2 , тт qPAC  0 , например, для ZnSO4 , Mg SO4 .
При отсутствии опытных данных по теплоте кристаллизации в практических
расчётах принимают ориентировочно q KP   q PAC .
КИНЕТИКА
Процесс кристаллизации из растворов включает две стадии:
1. образование центров кристаллизации,
2. рост кристаллов.
Образование центров кристаллизации.
Обозначим:
N – число образовавшихся центров,
dN
- скорость образования центров кристаллизации.
d
Скорость образования центров кристаллизации зависит от пересыщения
dN
 f (b  b0 )
d
248
Эту зависимость часто представляют в виде
dN
 A(b  b0 ) n .
d
Существуют теории:
1. гомогенного образования центров (Гиббс, Тамман), согласно которой
центрами кристаллизации становятся сиботаксические группы (блоки)
вещества в растворе;
2. гетерогенного образования центров (современные авторы), согласно
которой центрами кристаллизации могут быть примеси (пылинки) и
инородная поверхность.
Рост кристаллов.
Для стадии роста кристаллов применимо основное уравнение массопередачи
dM
 K b (b  b0 )  F (177)
d
1
Коэффициент массопередачи K b 
1
1

Д
P
Коэффициенты массоотдачи:
 Д - учитывает стадию диффузии вещества к поверхности кристалла.
Для растворов этот коэффициент определяется из критериального
уравнения:
Nu Д  A  Re n  PrДm (178)
В уравнении (178) Nu Д 
Д  L
D
; Re 
w L

L – характерный линейный размер кристалла.
Часто полагают K b   Д .
; PrД 

D
 P - учитывает стадию поверхностной реакции (миграция молекул или
блоков вещества по поверхности кристалла до присоединения), надёжных
формул для определения не существует.
При росте кристалла его поверхность переменна F=var.
2
3
Поэтому полагают F ~ L ; М ~ L .
От уравнения (177) переходят к уравнению (179)
dL
   K (b  b0 ) или   K (b  b0 ) n (179)
d
Когда K b   P ,   f(L) , правило Мак-Кэба.
Когда K b   Д ,   f(L) .
Следовательно зависимость   f(L) отражает преимущество той или иной
стадии роста кристаллов.
Кинетика применяется для определения фракционного состава кристаллов в
процессе кристаллизации. Это предсказание приближенно, т.к. трудно
249
учитывать другие факторы (природа кристаллизующейся соли, температура,
примеси и др.).
КОНСТРУКЦИИ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ
I Кристаллизация охлаждением.
1. Аппараты с мешалкой.
2. Батарея аппаратов с мешалкой.
3. Качающийся кристаллизатор.
4. Шнековый кристаллизатор.
5. Барабанный.
6. Со взвешенным слоем.
7. Башенный.
8. Вальцевый.
9. Барботажный и др.
II Вакуум-кристаллизация.
1. Аппарат с мешалкой.
2. С гидравлическим затвором.
3. Многоступенчатые.
4. Со взвешенным слоем.
5. Циркуляционные (со струйным или выносным насосом) и др.
III Кристаллизация выпаркой.
1. Аппарат с внутренней циркуляционной трубой.
2. С подвесной греющей камерой.
3. С выносной греющей камерой.
4. С принудительной циркуляцией.
5. Со взвешенным слоем.
6. Многокорпусные установки и др.
Конструкции некоторых кристаллизаторов представлены на рис. 305-316,
318-330.
Расчёт кристаллизаторов.
Схемы кристаллизаторов типа I-III представлены на рис.317.
250
Рис.317. Схемы кристаллизаторов.
I – охлаждением, II – вакуум-кристаллизатор, III – кристаллизатор выпаркой.
1. Материальный баланс.
а) По всему продукту
G P AC  GKP  GMAT
I
G PAC  GKP  GMAT  W
б) По безводному веществу G PAC  b1  GKP  K m  GMAT  b2
M
где K m 
, М – молекулярная масса безводной соли,
M ГИД
M ГИД - то же кристаллогидрата.
II и III
Из уравнений материального баланса определяют выход кристаллов
G PAC  b1  b2 
K m  b2
G  b  b2   W  b2
II и III GKP  PAC 1
K m  b2
I
GKP 
Количество сокового пара
II и III
W
G PAC  K m  b1   GMAT  K m  b2 
Km
2. Тепловой баланс.
I G PAC  c1  t1  GKP  qKP  GMAT  c2  t 2  GKP  cKP  t 2  QОХЛ  QПОТ
Определяется QОХЛ .
II G PAC  c1  t1  GKP  q KP  GMAT  c2  t 2  GKP  cKP  t 2  W  i  QПОТ
Определяется GMAT для расчёта W.
III
G PAC  c1  t1  GKP  q KP  QНАГ  GMAT  c2  t 2  GKP  c KP  t 2  W  i  QПОТ
251
Определяется QНАГ .
3. Расчёт основных размеров.
I F
QОХЛ
K  t CP 
II Конструктивно по эмпирическим уравнениям.
III F 
QНАГ
.
K  t CP
Рис.305. Кристаллизаторы периодического действия с охлаждением и
механическим перемешиванием.
а – аппарат с рубашкой; б – аппарат со змеевиком.
1.Корпус аппарата.2. Охлаждающая рубашка или змеевик. 3. Мешалка.
4. Штуцер для вывода суспензии на фильтр или центрифугу.
Рис.306. Батарея охлаждаемых
кристаллизаторов с мешалками,
позволяющая работать непрерывно в
условиях ''самозатравливания''
кристаллами в каждом аппарате.
252
Рис.307. Непрерывно действующий кристаллизатор с очищаемым в
процессе работы охлаждающим элементом.
1.Корпус. 2.Штуцер для ввода раствора в кольцевой зазор аппарата.
3.Переток для поддержания постоянства уровня раствора в аппарате.
4.Штуцер для вывода суспензии. 5.Устройство для встряхивания
охлаждающего элемента 6.
Рис.308. Кристаллизатор
непрерывного действия с ленточной
мешалкой.
1.Корыто с полуцилиндрическим
днищем.
2.Водяная рубашка.
3.Медленно
вращающаяся
ленточная мешалка.
253
Рис.309. Вальцовый кристаллизатор.
1.Корыто с паровой рубашкой. 2.Медленно вращающийся барабан с
внутренней водяной рубашкой 3 для охлаждения. 4.Слой кристаллов.
5.Нож для съёма кристаллов.
Рис.310. Барабанный кристаллизатор с воздушным испарительным
охлаждением по ГОСТ 11910-66.
1.Вращающийся от привода 2 барабан диаметром от 600 до 1000 мм и
длиной от 10 до 20 м. 3.Бандажи.
Рис.311. Непрерывно действующий качающийся кристаллизатор
испарительным охлаждением.
1.Корыто, имеющее небольшой наклон. 2.Бандажи. 3.Опорные ролики.
с
254
Рис.312. Распыливающий кристаллизатор с воздушным испарительным
охлаждением.
1.Шахта высотой до 30м. 2.Разбрызгивающие сопла для горячего раствора.
3.Вывод кристаллов с маточным раствором.
Рис.313. Кристаллизатор с барботажным охлаждением и перемешиванием.
1.Корпус.
2.Распределитель
воздуха.
3.Направляющая
труба.
4.Циркуляционная труба.
Рис.314. Вакуум-кристаллизатор непрерывного действия.
1.Корпус. 2.Испаритель. 3.Барометрическая труба. 4.Насос. 5.Труба для
ввода нагретого исходного раствора. 6.Циркуляционная труба. 7.
Конденсатор паров растворителя.
255
Рис.315. Многокорпусная вакуум-кристаллизационная установка.
Корпуса 1 находятся под вакуумом, создаваемым за счёт конденсации паров
растворителя на поверхности теплообменников 2 и поддерживаемым
вакуум-насосами. Горячий раствор через штуцер 3 подается в первый
корпус, где вскипает и за счёт самоиспарения охлаждается. Вместе с
выпавшими кристаллами он самотеком переходит в следующий корпус,
находящийся под большим вакуумом, где опять вскипает и охлаждается до
более низкой температуры. Наряду с образованием новых зародышей здесь
происходит рост кристаллов, поступивших из предыдущего корпуса. Число
корпусов может достигать 24. Из последнего корпуса суспензия по
барометрической трубе 4 отводится через гидрозатвор 5 на разделение.
Сконденсированный растворитель стекает обратно в корпуса. Для отвода
тепла конденсации вместо воды часто используют холодный раствор; это
позволяет регенерировать до 70% тепла, затрачиваемого на нагревание
раствора.
Рис.316. Кристаллизатор (выпарной аппарат) с удалением
растворителя и псевдоожижением выпадающих кристаллов.
части
256
1.Корпус.
2.Сепаратор.
3.Псевдоожиженный
слой
кристаллов.
4,5.Внутренняя и наружная циркуляционные трубы. 6.Отстойник для мелких
кристаллов. 7.Циркуляционный насос. 8.Выносная греющая камера. 9.Сосуд
для поддержания уровня раствора в аппарате и для отвода маточника.
Рис.318. Кристаллизатор с ленточной мешалкой.
1.Корыто. 2.Водяная рубашка. 3.Ленточная мешалка.4.Червячная передача.
5,6.Штуцеры для входа и выхода раствора.7,8.Штуцеры для входа и выхода
охлаждающей воды. 9.Соединительное колено.
Рис.319. Кристаллизатор с охлаждаемой мешалкой.
1.Цилиндрический корпус. 2.Мешалка-змеевик. 3.Скребки.
257
Рис.320. Барабанный кристаллизатор с воздушным охлаждением.
1.Вентилятор. 2.Теплоизоляционный кожух. 3.Труба для парового обогрева.
Рис.321. Барабанный кристаллизатор с водяным охлаждением.
1.Барабан. 2.Водяная рубашка. 3.Бобышки. 4.Бандаж. 5.Опорный ролик.
6.Упорные ролики. 7.Зубчатое колесо. 8.Штуцер для подачи раствора.
9.Распределительное устройство для ввода охлаждающей воды. 10.Кожух.
Рис.322. Вальцевый кристаллизатор с корытом.
1.Барабан с двойными стенками. 2.Корыто с паровой рубашкой. 3.Нож.
258
Рис.323. Вальцевый погружной кристаллизатор.
1.Корпус аппарата. 2.Барабан с двойными стенками. 3,4.Штуцеры для входа
и выхода раствора. 5.Лопастная мешалка.
Рис.324. Двухтрубчатый кристаллизатор (аппарат Вотатор).
1.Место ввода кристаллизуемого продукта. 2.Термометр на входе.
3.Металлический
кожух.
4,5.Место
ввода
жидкоохладителя.
6.Охладительная труба. 7.Вращающаяся труба. 8.Изоляция. 9.Жидкий
охладитель. 10.Кристаллизующийся продукт. 11.Скребки. 12.Термометр на
выходе. 13.Место вывода кристаллизуемого продукта.
Рис.325. Испаряющий кристаллизатор со смачиваемыми стенками.
1.Воздуходувка. 2.Воздух. 3.Стеклянная труба.
259
Рис.326. Вакуум-кристаллизатор периодического действия.
1.Корпус кристаллизатора. 2.Штуцер для подачи раствора. 3.Штуцер
сокового пара. 4.Поверхностный конденсатор. 5.Брызгоуловитель.
6.Гидравлический затвор. 7.Штуцер для выгрузки суспензии.
Рис.327. Горизонтальный многоступенчатый вакуум-кристаллизатор.
1.Цилиндрический корпус. 2.Лопастная мешалка. 3.Перегородка. 4.Штуцер
для выход суспензии. 5.Оросительное устройство. 6.Штуцер для подвода
раствора.
Рис.328. Вертикальный многоступенчатый вакуум-кристаллизатор.
260
Рис.329. Вакуумный кристаллизатор непрерывного
перемешиванием при помощи циркуляционного насоса.
действия
с
Рис.330. Вакуум-кристаллизатор с принудительной циркуляцией.
1.Дополнительная
циркуляционная
труба.
2.Центробежный
циркуляционный насос. 3.Струйный насос. 4.Сливная труба.