Процессы и аппараты

1.  Конструкции выпарных аппаратов.

     Процесс выпаривания заключается в удалении из раствора большей части растворителя и получении концентрированного раствора. Выпаривание следует вести  так, чтобы при заданной производительности получить сгущенный раствор требуемой концентрации без потерь сухого вещества и при возможно меньшем расходе топлива. Процесс выпаривания осуществляют в аппаратах однократного действия (однокорпусный выпарной аппарат) или многократного действия (многокорпусный выпарной аппарат). В последнем случае расход топлива на выпаривание значительно снижается.

     Если  температура поступающего раствора значительно ниже температуры кипения, то целесообразно его предварительно подогреть в отдельном теплообменнике, чтобы выпарной аппарат работал  только как испаритель, а не выполнял частично роль подогревателя, так как в последнем случае коэффициент теплопередачи аппарата несколько снижается. Чем выше концентрация начального раствора, тем меньше расход тепла на его упаривание.

     В литературе описано большое количество конструкций аппаратов, применяемых как ранее, так и сейчас в химической, сахарной и других отраслях промышленности. Строгой и общепринятой классификации выпарных аппаратов нет, однако их можно классифицировать по ряду признаков:

• по расположению поверхности нагрева — на горизонтальные, вертикальные и реже наклонные;
• по роду теплоносителя — с паровым обогревом, газовым обогревом, обогревом высокотемпературными теплоносителями (масло, даутерм, вода под высоким давлением), с электрообогревом (чаще всего применяют паровой обогрев, поэтому в дальнейшем внимание будет уделено аппаратам с паровым обогревом);
• по способу подвода теплоносителя — с подачей теплоносителя внутрь трубок (кипение в большом объеме) или в межтрубное пространство (кипение внутри кипятильных труб);
• по режиму циркуляции — с естественной и искусственной (принудительной) циркуляцией;
• по кратности циркуляции — с однократной и многократной циркуляцией;
• по типу поверхности нагрева — с паровой рубашкой, змеевиковые и, наиболее распространенные, с трубчатой поверхностью различной конфигурации.

К конструкции  выпарных аппаратов должны быть предъявлены  следующие требования:

• простота, компактность, надежность, технологичность изготовления, монтажа и ремонта;
• стандартизация узлов и деталей;
• соблюдение требуемого режима (температура, давление, время пребывания раствора в аппарате), получение полупродукта или продукта необходимого качества и требуемой концентрации, устойчивость в работе, по возможности более длительная работа аппарата между чистками при минимальных отложениях осадков на теплообменной поверхности, удобство обслуживания, регулирования и контроля за работой;
• высокая интенсивность теплопередачи, малый вес и невысокая стоимость одного квадратного метра поверхности нагрева.

     В промышленности наиболее часто применяют вертикальные выпарные аппараты. Их достоинства: компактность, естественная циркуляция (благодаря наличию циркуляционной трубы), значительная кратность циркуляции, малая занимаемая площадь, большое паровое пространство, удобство обслуживания и ремонта. Для большей компактности эти аппараты в последнее время изготовляют с удлиненными трубками (3-3,5 м).

                                                                 

Выпарной  аппарат с центральной  циркуляционной трубой 

     Для упаривания кристаллизующихся растворов  применяют аппараты с коническим днищем с углом наклона больше угла естественного откоса кристаллизующейся  массы.

     Некоторое распространение имеют пленочные  аппараты с однократной циркуляцией  раствора. Основная особенность этой конструкции заключается в возможности снижения потерь полезной разности температур от гидростатической депрессии. Подаваемый в нижнюю часть трубок аппарата раствор вскипает; при этом образуется много паровых пузырьков, увлекающих за собой раствор. Парожидкостная эмульсия, выходящая из трубок, ударяется о поверхность сепаратора с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение и отбрасывается центробежной силой к периферии, благодаря чему происходит довольно совершенная сепарация пара. Таким образом, выпаривание происходит в тонком слое при однократной циркуляции раствора. При большой длине кипятильной трубки (более 5 м) возможны разрыв и высыхание пленки жидкости в верхней части трубки с понижением при этом коэффициента теплоотдачи.

     Проведенные специальные заводские опыты показали, что пленочные аппараты не характеризуются большой интенсивностью теплоотдачи при кипении. Некоторым преимуществом пленочного аппарата является однократная циркуляция с быстрым прохождением раствора через трубы, что предохраняет растворы, чувствительные к высокой температуре, от порчи. Недостатки этих аппаратов: значительная длина трубок, затрудняющая ремонт, малая аккумулирующая способность, не обеспечивающая постоянную производительность и затрудняющая получение раствора равномерной концентрации. Труба, отводящая упаренный раствор на следующий корпус, должна иметь гидравлический затвор соответствующей высоты для предотвращения возможного прорыва пара в трубное пространство следующего корпуса. Эти аппараты дороже обычных вертикальных аппаратов. 

Аппарат с однократной  циркуляцией раствора 

     Выпарной  аппарат с выносной поверхностью нагрева целесообразно применять  для пенящихся растворов, так  как в основном в нем происходит самоиспарение перегретой в трубах жидкости при поступлении ее в сепаратор. При этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при достаточных размерах сепаратора не происходит уноса капелек жидкости и пены со вторичным паром.

                                                                  

Выпарной аппарат с выносной поверхностью нагрева 

     В некоторых случаях применяют  аппараты с принудительной циркуляцией. В этих аппаратах жидкость движется по трубкам с большой скоростью (2—3 м/с) под давлением; зона кипения  находится у верхнего конца трубок. Благодаря значительной скорости движения раствора в трубках отложения на поверхности теплообмена меньше, чем в обычных вертикальных аппаратах. Аппараты с принудительной циркуляцией целесообразно применять в определенном интервале тепловых нагрузок и, главным образом, при упаривании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена. В этих условиях достигается более высокий коэффициент теплоотдачи к кипящей жидкости, чем в обычных аппаратах, что позволяет соответствующим образом уменьшить поверхность нагрева аппарата по сравнению с вертикальным аппаратом с естественной циркуляцией раствора. С другой стороны, на привод циркуляционного насоса требуются довольно значительные затраты мощности, поэтому целесообразность применения подобных аппаратов следует обосновать соответствующим технико-экономическим расчетом. 
 

                                                                   

Аппарат с принудительной циркуляцией 

     Выше  указано, что в ряде случаев целесообразно  проводить упаривание растворов  в тонкой пленке в роторных аппаратах; особенно это касается вязких и термолабильных растворов. Раствор подается дозировочным насосом в верхнюю часть аппарата, откуда он стекает в виде тонкой пленки по внутренней стенке цилиндрического корпуса. Теплоноситель (вода, пар, дифенильная смесь) подается в рубашку аппарата. При отекании по стенке аппарата раствор захватывается лопатками и приводится в движение; при этом образуется пленка, отталкиваемая центробежной силой к внутренней стенке аппарата. Полученную на стенках пасту лопасти снимают и направляют на дно; затем паста удаляется через патрубок и секторный затвор. Окружная скорость ротора 2—3,5 м/с. Аппарат характеризуется высокой интенсивностью теплоотдачи. Незначительное время пребывания раствора в аппарате (10—15с) обеспечивает высокое качество продукта, что особенно важно для термолабильных растворов. Расход мощности на привод ротора при диаметре аппарата 600 мм составляет 3,0 кВт. Наряду с положительными качествами аппарат имеет некоторые недостатки — небольшую поверхность нагрева, а потому и сравнительно малую   производительность. Наличие вращающегося ротора усложняет и удорожает аппарат. Кроме того, трудно обеспечить малые и одинаковые зазоры между лопастями и корпусом аппарата.

     Основное  расчетное уравнение для выпарных аппаратов:

                                       

      Цель  расчета – определение F – площади поверхности нагрева.

                                                            

     Q – количество тепла, затрачиваемое на нагрев раствора.

     K – коэффициент теплопередачи.  

     - полезная разность температур.

                

     T – температура греющего пара;

     T' – температура вторичного пара;

       v – температурные потери.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.   Виды теплообмена. Движущая сила теплообменных процессов.

     Теплопередача – это учение о процессах переноса теплоты. Самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным полем температуры называют теплообменом.

     Существует  три вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением.

     Теплопроводность – это перенос теплоты в среде посредством хаотического (теплового) движения макрочастиц (молекул, атомов).

    Конвективный теплообмен - это перенос теплоты, осуществляемый движущимися макроскопическими элементами среды с одновременной теплопроводностью.

     Теплообмен      излучением –перенос    теплоты    посредством электромагнитного поля.

Большое практическое значение имеет конвективный теплообмен между движущейся жидкостью и поверхностью ее раздела с другой стороны. Например, конвективный теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела, между газом и поверхностью капельной жидкости.                                         

     Различают два вида конвекции (т. е. движения жидкости) – свободную и вынужденную. При свободной конвекции движущая сила обусловлена разностью плотностей жидкости в месте его контакта с поверхностью тела, имеющей другую температуру, и вдали от этой поверхности. Из-за разности плотностей возникают подъемные (архимедовы) силы. Такая конвекция происходит, например, в сосуде с жидкостью, в которою погружена нагревательная спираль. Вынужденная конвекция происходит под действием внешней движущей силы. При этом жидкость обтекает поверхность, имеющую более высокую или более низкую температуру, чем температура самой жидкости. Скорость движения жидкости при вынужденной конвекции больше, чем при свободной, поэтому при заданном перепаде температур может быть передано больше теплоты. Возрастание теплового потока связано с необходимостью рас хода энергии, затраченной для приведения жидкости в движение.

     Совокупность  двух или трех видов теплообмена  называют сложным теплообменом.

     Изучение  закономерностей сложного теплообмена  представляет собой довольно трудную задачу. Поэтому каждый из трех видов теплообмена изучают

отдельно, после чего становится возможным вести расчеты, относящиеся к сложному теплообмену.

     Многие  процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества – массообменом. Совместное протекание процессов теплообмена и массообмена называются тепломассообменом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Способы перемешивания жидких сред. Устройство смесителей.

     Перемешивание в жидких средах применяется для  приготовления эмульсий, суспензий  и получения однородной, гомогенной смеси из различных компонентов, а также для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов. В процессах тепло — и массообмена скорость переноса будет тем выше, чем выше интенсивность перемешивания, т.к. при этом увеличивается поверхность контакта фаз.

     Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов. Различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах и перемешивание с помощью сопел и насосов.

     Наиболее  важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, являются:

• эффективность перемешивающего устройства;
• интенсивность его действия.

   Эффективность перемешивающего устройства характеризует  качество проведения процесса перемешивания  и может быть выражена по-разному  в зависимости от цели перемешивания. Например, в процессах получения  суспензий эффективность перемешивания характеризуется степенью равномерности распределения твёрдой фазы в объёме аппарата; при интенсификации тепловых и диффузионных процессов – отношением коэффициентов тепло — и массоотдачи при перемешивании и без него. Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки.