Учебно-методический комплекс по предмету обсуждена на заседании кафедры «Химическая технология»

Принцип работы Alfa Vap. Alfa Vap - пластинчатый выпарной аппарат. Alfa Vap имеет два небольших ввода для подачи продукта и один широкий вывод для пара и концентрата. Для подачи греющего пара Alfa Vap имеет один широкий ввод и два небольших вывода для удаления конденсата. В установке Alfa Vap используются попарно сваренные пластины (кассеты). Греющий пар конденсируется внутри кассет, в то время как продукт проходит выпаривание в каналах между двумя кассетам и, соединенными через прокладку.
Уникальное проектное решение систем Alfa Vap позволяет добиться су­щественно большей эффективности теплообмена в сравнении с обычными кожухотрубными установками, что означает снижение необходимой поверхности теплообмена. Это делает установки Alfa Vap исключительно экономичными, особенно когда есть необходимость в применении дорогостоящих материалов, таких как титан, никель и др. Компактность конструкции Alfa Vap сокращает затраты по монтажу и эксплуатации оборудования в сравнении с традиционными кожухотрубными выпарными системами.

Рис. 8.3. Кипятильники выпарных аппаратов Alfa Vap

8.3. КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ

В химических и смежных отраслях промышленности, а также в лабораториях преимущественно применяют кристаллизация из расплавов и растворо, реже - кристаллизации из паровой и твердой фаз. Кристаллизация из расплавов используют главным образом для отверждения расплавленных веществ и, кроме того, для их фракционного разделения и выращивания монокристаллов. Отверждение веществ в виде отливок (блоков) осуществляют в специальных формах. В малотоннажных производствах (напр., реактивов) обычно применяют отдельные формы определенных размеров или конфигурации, в которых расплав охлаждается путем естественного теплообмена с окружающей средой; в крупнотоннажных производствах (нафталина и др.) кристаллизацию проводят в секционированных, трубчатых, конвейерных и иных кристаллизаторах со встроенными формами, принудительно охлаждаемыми водой, жидким NH₃, хладонами и т.п. Для получения продуктов в виде тонких пластинок или чешуек используют непрерывно действующие ленточные, вальцевые и дисковые кристаллизаторы, где отверждение происходит значительно интенсивнее, чем в формах.

В ленточном кристаллизаторе исходный расплав тонким слоем подается на движущуюся металлическую ленту, на которой он охлаждается до полного затвердевания.
В вальцевом аппарате (рис. 8.5) продукт кристаллизуется на наружной поверхности охлаждаемого изнутри вращающегося полого барабана (вальца), частично погруженного в ванну с расплавом; кристаллы снимаются с барабана неподвижным ножом. В дисковых аппаратах отверждение продуктов происходит на поверхности охлаждаемых изнутри вращающихся дисков. Основной элемент барабанного кристаллизатора - полый барабан с опорными бандажами, установленный под углом 15° к горизонтальной оси и вращающийся с частотой 5-20 мин-1. Раствор, охлаждаемый водяной рубашкой или воздухом (который нагнетают вентилятором через внутреннюю полость барабана), поступает с одного его конца, а суспензия отводится с другого. Вязкие растворы (например, жирных кислот) часто охлаждают в роторных кристаллизаторах - цилиндрических аппаратах, внутри которых с большой скоростью вращается ротор с ножами. Последние под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности кристаллизатора, очищая ее от осевших кристаллов. Раствор обычно подастся в аппарат под избыточным давлением. Для увеличения времени пребывания в кристаллизаторе раствора и большего его переохлаждения последовательно соединяют несколько аппаратов.

Для получения крупнокристаллических однородных продуктов часто применяют кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем (рис. 8.6). Исходный раствор вместе с циркулирующим осветленным маточником подается насосом в теплообменник, где в результате охлаждения раствор пересыщается и поступает по циркуляционной трубе в нижнюю часть кристаллорастворителя, в котором кристаллы поддерживаются во взвешенном состоянии восходящим потоком раствора. Кристаллизация происходит в основном на готовых центрах кристаллизации, при этом крупные кристаллы осаждаются на дно аппарата, откуда удаляются в виде сгущенной суспензии. Осветленный маточник разделяется на две части: одна отводится из верхней части аппарата, другая подается на рециркуляцию.

ОПОРНЫЕ СЛОВА

Ротор, вращающимся скребки, барботажный аппарат, погружные горелки, интенсификация теплообмена, снижение накипеобразования, пластинчатый выпарной аппарат, ленточный кристаллизатор, вальцовый аппарат, с псевдоожнжeнным слоем, барабанный кристаллизатор.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   В каких случаях применяется роторные выпарные аппараты?
   
2. 
   Устройство и принцип работы роторных выпарных аппаратов.
   
3. 
   Устройство и принцип работы барботажных выпарных аппаратов.
   
4. 
   В каких направлениях интенсифицируется работа выпарных аппаратов?
   
5. 
   Устройства и принцип работы выпарных аппаратов Alfa Vap.
   
6. 
   Достоинства и недостатки аппаратов Alfa Vap.
   
7. 
   В каких вариантах применяется выпарные аппараты Alfa Vap.
   
8. 
   Устройства и принцип работы ленточного кристаллизатора.
   
9. 
   Устройства и принцип работы вальцевого кристаллизатора.
   
10. 
    Устройства и принцип работы кристаллизатора псевдоожеженным слоем.
    
11. 
    Устройства и принцип работы выпарных кристаллизаторов.
    
12. 
    Устройства и принцип работы изотермического кристаллизатора.
    
13. 
    Устройства и принцип работы изогидрического кристаллизатора.
    

ЛЕКЦИЯ № 9. «Синтез аммиака» (4 часа)

9.1. Применение колонных аппаратов
9.2. Тарельчатые колонны
9.3. Колпачковые тарелки
9.4. Ситчатые и решетчатые тарелки

9.1. ПРИМЕНЕНИЕ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ

К колонным и башенным аппаратам в химической технологии относят в основном оборудование для процессов взаимодействия между жидкостью и азом (ректификация, абсорбция и мокрая очистка газов), жидкостью и жидкостью (экстракция) и газом и твердым телом (адсорбция). Особое положение занимают реакторы колонного типа.

Классические типы колонных аппаратов – тарельчатые и насадочные. В тарельчатых аппаратах контакт между жидкостью и газовой фазой через слой жидкости, а в насадочных – за счет стеканий жидкости по элементам насадки. В обоих случаях жидкость стекает вниз под действием силы тяжести, и газовая фаза движется навстречу снизу вверх.
Один из способов ускорения процесса массообмена – увеличение скорости взаимодействующих фаз, за счет чего увеличивается турбулентность двухфазного потока, однако с увеличением скорости резко возрастает пенно – и брызгоунос, устранить который очень трудно. Поэтому, например, в барботажных колоннах скорость пара, рассчитанная на полное сечение колонны, не превышает 1 – 1,5 м/с. В настоящее время ведутся усиленные работы по интенсификации процессов массообмена между жидкостью за счет приложения к системе дополнительной энергии. Был разработан и освоен в промышленности ряд аппаратов с вращающимися элементами, в которых для интенсификации процесса применяется центробежная сила, и ряд скоростных аппаратов, использующих энергию потока газа или жидкости.
При выборе конструкции рабочих (контактных) элементов колонных аппаратов необходимо считаться с такими факторами, как тепло- массообменная эффективность, гидравлическое сопротивление, диапазон изменения расходов по жидкой и газовой фазе, при котором аппарат работает устойчиво (диапазон должен быть достаточно широким), простота конструкции и надежность в эксплуатации.

9.2. ТАРЕЛЬЧАТЫЕ КОЛОННЫ

Конструкцию тарелки и способ ее соединения с корпусом выбирают в зависимости от диаметра колонны и конструкционного материала. При диаметре менее 1000 мм корпус колонны обычно собирают из небольших царг длиной не более 2–2,5 мм. В каждой царге помещается 4–7 тарелок. При диаметре колонны более 1000 мм возможно применение цельносварного корпуса. Тарелки небольшого диаметра (до 1600 мм) изготовляют в виде цельного листа с бортами. Монтируют их через верх колонны. Тарелки больших размеров делают разъемными, состоящими из нескольких сегментов. Монтируют их как через верх колонны, так и через боковые люки, размер которых должен быть достаточным, чтобы через них можно было пронести части тарелки. Люк устанавливают через каждые 4-10 тарелок.

Соединение тарелок с корпусом колонны должно быть конструктивно простым, герметичным и обеспечивать легкую замену тарелок. Простой способ крепления - приварка или припайка непосредственно к корпусу, но при нем трудно заменять тарелки и избегнуть их коробления. Поэтому такое соединение применяют редко и обычно только на колоннах малого диаметра. Разъемные соединения, как правило, обеспечивают регулирование горизонтальности тарелки. Горизонтальность тарелок устанавливают с помощью регулировочных винтов.
Тарелки в колонне необходимо устанавливать строго горизонтально, так как при перекосе часть колпачков оказываются, не залитыми жидкостью и через эти колпачки устремляется основной поток пара, что резко ухудшает работу колонны. Не допускаются коробление тарелок и прогиб их под действием собственного веса и веса жидкости. Максимальное отклонение отдельных точек тарелки от горизонтальной плоскости не должно превышать 6 мм. Для обеспечения этого требования тарелки больших диаметров укрепляют снизу ребрами жесткости.
Тарельчатые контактные устройства можно классифи­цировать по многим признакам; например, по способу передачи жидкости с тарелки на тарелку различают тарелки с переточ­ными устройствами и тарелки без переточных устройств (про­вальные).
Тарелки с переточными устройствами имеют специальные каналы, по которым жидкость перетекает с одной тарелки на другую, причем по этим каналам не проходит газ. На провальных тарелках нет переливных устройств, и жидкость, и газ проходят через одни и те же отверстия или прорези в полотне тарелки. Эти прорези работают периодически: в определенный момент времени одни прорези пропускают пар, другие — жидкость; затем их роли меняются.
По характеру взаимодействия газового и жидкостного пото­ков различают тарелки барботажного и струйного типов. Та­релки, на которых сплошной фазой является жидкость, а дисперс­ной газ или пар, называют барботажными. На струйных та­релках дисперсной фазой является жидкость, сплошной - газ; потоки взаимодействуют в прямоточном режиме на поверхности капель и жидкостных струй, взвешенных в газовом потоке.
Рекомендованные расстояния между тарелками приведены ниже:

Диаметр колонны, м до 0,8 0,8–1,6 1,6– 2,0 2,0–2,4 более 2,4

Расстояния между
тарелками, мм 200–350 350–400 400–500 500–600 более 600

9.3. КОЛПАЧКОВЫЕ ТАРЕЛКИ

Колпачковые тарелки сложны и металлоемки по сравнению с тарелками других типов. Некоторые их показатели уступают более современным типам тарелок, но они хорошо освоены и наиболее широко применяются в промышленности. Колпачки изготовляют круглыми и продолговатыми (туннельными), последние сейчас не находят широкого применения.

Колпачки различных типов отличаются конструкцией, размерами и способами крепления на тарелке. Стальные, медные и алюминиевые колпачки штампуют, чугунные – отливают. Крепление колпачков на тарелке может быть разъемным или неразъемным. Разъемные соединения более сложны, однако они допускают регулировку уровня колпачка при монтаже тарелки. Стальные штампованные колпачки, которыми в настоящее время комплектуется большинство тарельчатых колонн, крепят с помощью изогнутой шпильки, приваренной к паровому патрубку. Колпачок крепят на шпильке с помощью втулки и контргайки с шайбой. Патрубок развальцовывают в тарелке. Диаметр колпачков 60, 80, 100 или 150 мм. В некоторых конструкциях шпильку крепят к перекладине, вваренной в патрубок. Применяют групповую установку ряда колпачков с креплением их к общему несущему швеллеру. Чугунные колпачки крепят с помощью перекладины и стяжного болта. Неразъемные соединения колпачков осуществляют с помощью сварки или пайки. Неразъемный стальной колпачок приваривают к тарелке точечной сваркой. Патрубок образуется отбортовкой отверстия в тарелке. Медные колпачки крепят к тарелке с помощью развальцовки или пайки. Керамические колпачки устанавливают в тарелке на кислотоупорной замазке. Колпачки располагают на тарелке по вершинам равносторонних треугольников или в шахматном порядке. Расстояние между краями колпачков 40–60 мм. Если это расстояние велико, то ухудшается контакт между жидкостью и паром и образуется слой невспененной (светлой) жидкости. При очень малом расстоянии возрастает сопротивление движению жидкости по тарелке, тарелка начинает «захлебываться», уровень жидкости в разных ее частях становится разным. Зазор между колпачками и краем тарелки должен быть минимальным. Если он по конструктивным соображениям получается значительным, то для предотвращения прорыва жидкости по краю тарелки устанавливают отражательные перегородки, направляющие поток жидкости к колпачкам. Благодаря расположению подающего и сливного патрубков на противоположных краях тарелки жидкость проходит через зону барботажа колпачков и обеспечивает контакт между жидкостью и газом.
Переливы делают в виде сегмента, ограниченного перегородкой, или в виде овального или круглого патрубка. Чтобы предотвратить прорыв пара через переливной патрубок, нижний конец его опускают в слой жидкости и создают, таким образом, гидравлический затвор. Гидравлический затвор должен быть также обеспечен на патрубке, опущенном с самой нижней тарелки.
Основной частью колпачковой тарелки (рис. 9.1) является стальной диск 1 (или полотно тарелки) с отверстиями для паровых патрубков 6. Патрубки приварены к диску. Над патрубками уста­новлены колпачки 5 диаметром 60 или 80 мм. Колпачки имеют прорези высотой 15; 20 или 30 мм.
Для создания необходимого уровня жидкости на тарелке последнюю снабжают сливной перегородкой 3. Переливная пере­городка 1 образует переливной карман а, в который погружается сливная планка 4 тарелки, расположенной выше.

Применяют два варианта крепления колпачка к тарелке. В исполнении 1 положение колпачка можно регулировать по вы­соте, в исполнении 2 регулирование невозможно, и нижние кромки прорезей в этом случае упираются в полотно тарелки.

Тарелка работает следующим образом. Поступающая жидкость заполняет тарелку на высоту, определяемую сливной перегород­кой 3, при этом прорези колпачков должны быть погружены в жидкость. Пар проходит через паровые патрубки, щели колпач­ков и барботирует сквозь слой жидкости. Газ и жидкость взаимо­действуют в перекрестном токе: жидкость движется по тарелке от переливного кармана к сливной перегородке и далее на распо­ложенную ниже тарелку, а газ - вверх по оси колонны.
9.4. СИТЧАТЫЕ И РЕШЕТЧАТЫЕ ТАРЕЛКИ

Ситчатая тарелка – это лист с пробитыми в нем круглыми, щелевидными или просечными треугольными отверстиями размером 2–15 мм. Пар, проходящий в отверстия, барботирует через слой жидкости, которая стекает через переливные патрубки. Скорость пара в отверстиях 10–12 м/с. Ситчатые тарелки работают также и в провальном режиме, тогда переливные устройства на тарелке отсутствуют, а жидкость стекает в отверстие навстречу пару.

Отверстия в тарелках, работающих в провальном режиме, несколько крупнее, чем в переливных.
Интересна волнистая ситчатая тарелка. Волны придают тарелке повышенную жесткость и позволяют применять ее при большом диаметре колонны без опорных балок.
Ситчатые тарелки просты по конструкции и эффективны. Недостаток их – необходимость точного регулирования заданного режима (особенно по расходу газа) и чувствительность к осадкам и отложениям, забивающим отверстия. Ситчатые тарелки применяют в основном для колонн малого размера, так как при диаметрах более 2,5 м распределение жидкости на тарелке становится неравномерным.
Ситчатые тарелки со слив­ным устройством применяют в колонных аппаратах диаметром 400-4000 мм при расстоянии между тарелками от 200мм и более. Основной элемент таких тарелок - металлический диск с отвер­стиями диаметром 2-6 мм, расположенными по вершинам рав­носторонних треугольников (рис. 9.2).
В колоннах диаметром более 800 мм тарелки состоят из от­дельных секций. По креплению секций тарелки к корпусу и устройству переливов такие колонны аналогичны аппаратам с колпачковыми и клапанными тарелками. Преимущество ситчатой тарелки - большое свободное (т. е. занятое отверстиями) сече­ние тарелки, а следовательно, и высокая производительность по пару, простота изготовления, малая металлоемкость. По произ­водительности по пару (газу) эти тарелки на 30-40 % превосхо­дят колпачковые. Недостаток - высокая чувствительность к точ­ности установки. Аппараты с ситчатыми тарелками не рекомен­дуется использовать для работы на загрязненных средах; это может вызвать забивание отверстий.

Для уменьшения гидравличес­кого сопротивления и расшире­ния диапазона устойчивой работы ситчатых тарелок их комбинируют с клапанными устройствами (рис. 9.3); в результате повышается эффективность работы тарелки при малой и большой производитель­ности по пару. При малых на­грузках тарелка работает как обцчная ситчатая, с увеличением нагрузки открывается клапан 2 и между клапаном и тарелкой 1 об­разуется щель, откуда под неко­торым углом к горизонтали выхо­дит пар, обеспечивая перемещение жидкости по тарелке в направле­нии слива и уменьшая разность уровней жидкости на тарелке. Ситчато-клапанная тарелка обеспечивает большой диапазон устойчивой работы при небольшом гидравлическом сопротивле­нии, что делает ее пригодной для процессов, протекающих под вакуумом.

Свободное сечение тарелки, выбираемое из условия отсутствия «провала» жидкости, должно быть достаточно большим (не менее 30 % сечения колонны), чтобы тарелка обладала невысоким гидра­влическим сопротивлением. Благодаря этому такие тарелки ис­пользуют в вакуумных колоннах. Минимальное расстояние между тарелками в колонне 450 мм. Ситчатые тарелки наиболее распространены в качестве кон­тактных устройств ректификационных колонн воздухоразделительных установок, работающих при низкой температуре.
Решетчатые провальные тарелки используют в уста­новках, рабочая производительность которых отклоняется от расчетной не более чем на 25 %. К преимуществам этих тарелок следует, прежде всего, отнести простоту конструкции и малую металлоемкость. Кроме того, тарелки имеют большую пропускную способность по жидкости и, при достаточной ширине щели, могут быть использованы для обработки загрязненных жидкостей, оставляющих осадок" на тарелке. По эффективности решетчатые провальные тарелки обычно не уступают тарелкам с переливом. К недостаткам отно­сятся узкий диапазон устойчивой работы и сложность обеспече­ния равномерного распределения орошения по поверхности та­релок в начале процесса.

При работе колонны под давлением поступающих паров на полотне тарелки создается слой жидкости, через которую барботирует пар. При этом часть жидкости протекает через прорези на расположенную ниже тарелку. Прорези работают периоди­чески: места стока жидкости и прохода пара произвольно пере­мещаются по полотну тарелки.

ОПОРНЫЕ СЛОВА

Колонный аппарат, тарельчатые и насадочные колонны, гидравлическое сопротивление, диапазон изменения расходов по жидкой и газовой фазе, простота конструкции и надежность в эксплуатации, тарелки с переточными устройствами, провальные, барботажные, струйные, клапанные, колпачковые, ситчатые, язычковые, решетчатые, колпачки, разъемные, полотно тарелки, ситчатая тарелка, отверстия, решетчатые провальные тарелки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. 
   Назовите классических типов колонных аппаратов.
   

2. С какой целью в колонных аппаратах устанавливаются тарелки или засыпаются насадки?

2. 
   Какие требования предъявляют к контактным устройствам?
   
3. 
   Условия установки тарелок в корпусе аппарата.
   
4. 
   По каким признаком классифицируются тарельчатые контактные устройства?
   
5. 
   Устройства и принцип работы колпачковых тарелок.
   
6. 
   Устройства и принцип работы капсульных тарелок.
   
7. 
   Устройства и принцип работы ситчатых тарелок.
   
8. 
   Устройства и принцип работы решетчатых тарелок.
   

ЛЕКЦИЯ № 10. «Оборудование для сжигания и сушки химических веществ. Холодильники» (4 часа)

10.1. Клапанные тарелки
10.2. Струйно–направленные тарелки
10.3. Выбор тарельчатых колонных аппаратов
10.1. КЛАПАННЫЕ ТАРЕЛКИ

Основные элементы клапанной тарелки – подъемные клапаны круглой или прямоугольной формы, закрывающие отверстия в тарелке. Конструктивно клапан выполнен так, что подъем его возможен только на определённую величину. При определённой скорости паров в отверстии клапаны уравновешиваются потоками пара и при дальнейшем увеличении нагрузки начинают подниматься таким образом, что скорость пара в сечении между клапаном и полотном тарелки остается примерно постоянной. Следствием этого является равномерное распределение пара по площади тарелки, уменьшение уноса жидкости и меньшее гидравлическое сопротивление. Широкий диапазон устойчивой работы, малый вес и простота конструкции делают применение клапанных тарелок перспективными. Диаметр дисковых клапанов 50–100 мм, полная высота подъема 8–15 мм. В крайнем нижнем положении между клапаном и плоскостью тарелки имеется зазор 1–1,5 мм. Клапанные тарелки имеют сливные устройства того же типа, что колпачковые и ситчатые.

Клапанные тарелки изготовляют с дисковыми и прямоугольными кла­панами; работают тарелки в режиме прямоточного или перекрестного движе­ния фаз. На клапанной прямоточной тарелке в шахматном порядке расположены отверстия, в которых установлены саморегулирую­щиеся дисковые клапаны диаметром 50 мм, способные подниматься при движении пара (газа) на высоту до 6-8 мм.
Эффективность клапанных прямоточных тарелок: КПД = 0,70-0,85, F ≤ 2,5 (м/с) (кг/м³)^–0,5, диапазон устойчивой работы 3,5. В области саморегулируемой работы тарелки обладают относи­тельно небольшим гидравлическим сопротивлением.
Для увеличения производительности и диапазона устойчи­вой работы клапанные тарелки выполняют балластными. Над отверстием тарелки на специальных ножках установлены ограничители подъема, а внутри их - на ножках легкий клапан и балласт. Для исключения прилипания кла­пана к балласту имеются упоры. При малой производитель­ности по газу тарелка работает как обычная с дисковыми кла­панами меньшей массы; при увеличении нагрузки клапан упи­рается в балласт и работает совместно с ним как один утяжелен­ный клапан.
Клапанная тарелка со штампованными клапанами цилиндри­ческой формы показана на рис. 10.1. Клапан 1, лежащий на полотне тарелки 2, представляет собой часть цилиндра с огра­ничителями подъема 3. Клапан расположен в гнезде, имеющем отогнутую полку 4. Масса клапана, его конфигурация и положе­ние центра тяжести подобраны так, что при достижении определенной скорости пара клапан перекатывается по поверхности ото­гнутой полки. При этом между плоскостью тарелки и клапаном образуется щель, через которую в направлении слива жидкости выходит пар. При значительной производительности по пару клапан поднимается и зависает над тарелкой.

В жалюзийно-клапанной тарелке щель для входа газа на тарелку образуется при повороте плоских клапанов-жалюзей вокруг их оси, укрепленной в рамке.

Основные преимущества этих тарелок - способность обеспечить эффективный массообмен в большом интервале рабочих нагрузок, неслож­ность конструкции, низкая металлоем­кость и невысокая стоимость.

10.2. СТРУЙНО–НАПРАВЛЕННЫЕ ТАРЕЛКИ

В тарелках этого типа паровые струи имеют то же направление, что и текущая по тарелке жидкость. Чешуйчатые тарелки представляют собой лист, на котором выдавлены плоские или полукруглые язычки, придающие пару направленное движение. Жидкость, поступившая на тарелку, встречается с газом или паром, который с большой скоростью (20–50 м/с) проходит через щели тарелки. Жидкость диспергируется потоком газа и в виде мелких капель проносится вдоль тарелки к сливному стакану. Применяют также тарелки, в которых струйки пара имеют перекрестное направление.

До не­давнего времени повышение эффективности и производительности колонн обеспечивали увеличением их высоты и диаметра. Однако с увеличением диаметра колонны возрастает неупорядоченность движения взаимодействующих фаз: на тарелке появляются «байпасные» потоки, «мертвые» зоны, возникает поперечная нерав­номерность скорости газового потока и высоты жидкости на та­релке. Все это снижает эффективность массообмена в колонне. В связи с этим производительность аппарата следует повышать не увеличением размеров аппарата, а созданием контактных устройств, обладающих высокой производительностью по жид­кости и пару, в частности, продольным и поперечным секциони­рованием этих устройств. Известно, что производительность тарелок повышается при контактировании фаз в прямотоке. Однако при прямоточном взаимодействии и большой скорости пара (газа) жидкость сме­щается по направлению к сливному карману, что затрудняет ра­боту сливных устройств. Для компенсации прямоточного движения фаз и исключения его распространения на всю тарелку можно устанавливать на тарелке продольные и поперечные перегородки, обеспечивающие зигзагообразное движение жидкости на тарелке от перелива к сливу, а также создающие условия для движения потоков паро-жидкостной смеси по тарелке в противоположных или пересе­кающихся направлениях. Примером может служить продольно-секционированная та­релка с просечными элементами (рис. 10.2). На полотне тарелки 2 выштампованы просечки 1, отогнутые под углом а. Тарелка сек­ционирована вдоль потока жидкости вертикальными перегородками 3, причем для создания постоянного гидравлического сопро­тивления по всей тарелке перегородки перфорированы.

10.3. ВЫБОР ТАРЕЛЬЧАТЫХ КОЛОННЫХ АППАРАТОВ

Анализ работы тарельчатых контактных устройств позволил установить для не­которых тарелок описанных конструкций области применения в зависимости от технологического назначения и параметров работы. Установлено, что ситчатые тарелки эффективны в процессах, протекающих при стабильных режимах работы (диапазон устой­чивой работы тарелки до 2) и производительности L по жидкости до 40 м³/(м²час). Эти тарелки нельзя использовать для обработки жидкостей, вызывающих забивание осадком отверстий тарелок. Ситчатые многосливные тарелки применяют для процессов, тре­бующих эффективного контакта при большой удельной нагрузке по жидкости L до 180 м³/(м²·час), ситчато-клапанные - для про­цессов, проводимых под вакуумом и при атмосферном давлении, при L < 100 м³/(м²·час) и F<2,5 (м/с)·(кг/м³)^-0,5. Эти тарелки в меньшей степени подвержены забиванию твердыми включениями, которые под действием прямоточной составляющей скорости пара, выходящего из-под клапанов, сдуваются с поверхности тарелки.

Клапанные прямоточные тарелки применяют в процессах, протекающих при атмосферном и повышенном давлении, при L < 100 м³/(м²·час) и F ≤ 2,5 (м/с) (кг/м³)^-0,5. Диапазон устойчивой работы этих тарелок 3,5.
Жалюзийно-клапанные тарелки, обладающие вы­сокой эффективностью, имеют несколько более высокое гидравлическое сопротивление, чем ситча­то-клапанные, и применя­ются в основном для про­ведения процессов под давлением, при L < 130м³(м²·час) и F << 3,75 (м/с) (кг/м³)^-0,5. Диапазон устойчивой работы достигает 4,5. Колпачковые тарелки применяют в производствах относи­тельно небольшой мощности, а также при небольших нагрузках по жидкости. В этих условиях тарелки обеспечивают поддержание определенного запаса жидкости в контактной зоне.

ОПОРНЫЕ СЛОВА

Подъемные клапаны, равномерное распределение, дисковые клапаны, балласт, жалюзийно-клапанная тарелка, паровые струи, чешуйчатые, продольно-секционированная та­релка, диапазон устой­чивой работы тарелки, производительность.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Виды, устройства и принцип работы клапанных тарелок.

2. Виды, устройства и принцип работы струйно-направленных тарелок.
3. Виды, устройства и принцип работы тарелок с S-образными элементами.
4. Достоинства и недостатки основных тарелок (колпачковых , ситчатых, решетчатых, клапанных и струйно-направленных )
5. Выбор типа тарелок.

ЛЕКЦИЯ № 11, «Теплообменники, установленные внутри и снаружи печи. Оборудование для процесса замораживания фосфора» (2 часа)

11.1. Насадочные колонны
11.2. Перспективная массообменная техника

11.1. НАСАДОЧНЫЕ КОЛОННЫ

Насадочные колонны широко применяют для процессов абсорбции, очистки, охлаждения и увлажнения газов, иногда ректификации. Насадочные колонны удовлетворительно работают только при обильном и равномерном орошении насадки жидкостью. Различаются два основных режима работы насадочных аппаратов: пленочный, при котором жидкость, омываемая газом, стекает по элементам насадки, и эмульгационный, когда весь аппарат заполнен жидкостью, а через слой ее между элементами насадки барботирует газ.

Основные элементы насадочных колонн – насадка, опорные колосники, устройства для орошения и распределения жидкости.
По способу расположения насадки по высоте аппарата колонны подразделяют на полностью насаженные, разделенные на секции и частично насаженные. Колонны с насадкой, загружаемой навалом, имеют обычно высоту слоя не более (6÷8)D. Дальнейшее увеличение высоты слоя ограничивается тем обстоятельством, что жидкость, стекающая по беспорядочно загруженной насадке, перемещается к периферии и часть насадки остается несмоченной. Когда требуется высота слоя более (6÷8)D, насадку в аппарате располагают отдельными слоями (секциями). После каждого слоя жидкость собирают и с помощью распределительных устройств равномерно орошают нижний слой насадки. Колонны, частично загруженные, имеют над слоем насадки значительное свободное пространство, в котором жидкость реагирует с газом в распыленном состоянии.
К насадке предъявляются следующие основные требования: большая поверхность, нечувствительность к загрязнениям и осадкам, малое гидравлическое сопротивление, простота изготовления и низкая стоимость.
Различаются насадки насыпанные (из отдельных элементов) и хордовые (из полос, пластин, решеток).
Они просты по конструкции, дешевы в изготовлении и обеспечивают удовлетворительный контакт между жидкостью и газом. Лучше по своим показателям кольца Палля. Они в отличие от колец Рашига имеют языки, изогнутые внутрь. Седловидная насадка предпочтительна при работе с продуктами, загрязняющими насадку. Элементы насадки изготовляют из керамики, фарфора или тонколистового металла. В промышленных колоннах в основном применяют насадочные кольца диаметром 25 и 50 мм.
Диаметр насадочных колонн обычно не превышает 4000 мм. Для колонн большого диаметра трудно достичь высокой эффективности из-за сложности обеспечения равномерного рас­пределения газовой и жидкой фаз по сечению аппарата. Однако известны отдельные конструкции насадочных аппаратов диаме­тром до 12 м.
К орпус абсорбционной насадочной колонны (рис. 11.1) вы­полняют либо цельносварным, либо из отдельных царг с привар­ными или съемными крышками. Насадочные аппараты весьма чувствительны к неравномерности орошения, поэтому жидкость для орошения насадки подается через распределительную та­релку 2. Насадку 3 располагают по высоте аппарата в несколько слоев (секций) и укладывают на опорные решетки 4.
Для загрузки и выгрузки насадки в верхней и нижней частях каждой секции обычно устанавливают люки 6 и 8. При больших нагрузках по газу и перепаде давлений 400-700 Па на 1м высоты насадки сверху на каждый слой насадки укладывают удерживающую ре­шетку, предотвращающую выброс насадки. В верхней части колонны размещено отбойное устройство 7. Газ и жидкость движутся в насадочной колонне противотоком. При этом газ вво­дится в колонну снизу через штуцер А, а выводится через штуцер Б, орошаю­щая жидкость вводится сверху через штуцер В, а выводится через штуцеры Г или Д.
При стекании жидкости по насадке происходит ее перераспределение и на некотором расстоянии от распределитель­ной тарелки равномерность орошения может резко уменьшиться; при этом жидкость течет вдоль стенки аппарата, а центральная часть насадки остается неорошенной. Для исключения этого яв­ления насадочное пространство разделяют на слои и устанавливают между слоями перераспределительные тарелки 5, кото­рые собирают жидкость и распределяют, ее вновь по сечению аппарата.
В настоящее время в химической и нефтехими­ческой промышленности наиболее распространена нерегулярная насадка в виде колец Рашига и их модификаций.
Насадка Рашига имеет небольшую стоимость, но малоэффективна. Эти кольца из металла, фарфора, керамики, пластмасс изготовляют самых раз­личных размеров (диаметр 5-150 мм), хотя в промышленных ко­лоннах чаще используют кольца диаметром 25 и 50 мм (рис. 11.2, а). Кольца меньшего размера обладают значительным гидравлическим сопротивлением, большего размера менее эффективны.
Для повышения эффективности массообмена кольцевую на­садку изготовляют перфорированной и с внутренними перего­родками.
Предложена кольцевая насадка размером 50×50 мм из коррозионно-стойкой стали - так называемые кольца Палля (рис. 11.2, б). На цилиндрической поверхности насадки выштампованы и отогнуты вовнутрь лепестки шириной 10 мм. Механиче­скую прочность насадки обеспечивают кольцевые гофры, служа­щие также для перераспределения жидкости.

Разновидностью колец Палля является выпускаемая в США насадка «Хай-пак», отличающаяся от рассмотренной числом и рас­положением лепестков. К кольцевой насадке с перфорированной цилиндрической частью и внутренними перегородками относится насадка «Каскад-мини-ринг» (рис. 11.2, в).

Седлообразная насадка имеет большую удельную поверх­ность и высокую способность к перераспределению жидкости по сечению колонны. Такую насадку выпускают главным образом в виде седел «Инталокс» и Берля из керамики и пластмассы. Пластмассовая насадка «Gone торус садлес» отличается от седла «Инталокс» наличием отверстий в центре седла, что повышает ее эффективность, и гофр на краях, улучшающих перераспределение жидкости.
Особое место среди седловидных насадок занимает насадка «Инталлокс метал» обладающая высокой эффективностью.
Регулярная насадка (правильно уложен­ная) отличается от нерегулярной меньшим гидравлическим сопротивлением и поэтому особенно пригодна для процессов вакуумной ректификации. К недостаткам аппаратов с регулярной насадкой нужно отнести их высокую чувствительность к равномерности орошения.
Щелевая, или сотовая, насадка образована из гофрированных вертикальных листов, сдвинутых один относи­тельно другого так, что по высоте пакета образуются изолиро­ванные вертикальные каналы. Листы соединены в пакеты высо­той 400-1000 мм точечной сваркой. К. преимуществам этой на­садки относятся значительно более высокая (в 2-3 раза), чем у плоскопараллельной насадки, удельная поверхность, а также возможность нагревать или охлаждать контактирующие фазы, поскольку каналы, образованные гофрами, пригодны для подачи в них теплоносителя или хладагента. К недостаткам насадки сле­дует отнести неравномерность толщины пленки жидкости в ка­нале. Накопление жидкости в углах канала несколько ухуд­шает эксплуатационные качества этой насадки.
Хорошие характеристики имеют насадки из проволочной сетки. Примером может служить насадка Гудлоу - пакеты свернутой в рулон гофрированной проволочной сетки (диаметр про­волоки 0,1 мм). Гофры расположены под углом 60° к вертикали, высота пакета насадки 100-200 мм.
А последнее время за рубежом разработаны различные виды новой высокоэффективной насадки, способной работать при удель­ной нагрузке по жидкости. Насадка обеспечивает значительное число теоретических, ступеней на 1 м высоты и небольшое гидравлическое сопротивление (до 150 Па на 1 м высоты). Примерами может слу­жить насадка «Импульс пакинг» из металла и полимерных мате­риалов, насадка «Зульцер» из гофрированной сетки толщиной 0,16 мм, а также регулярная насадка «Роли пак», об­разованная ярусами наклонных листов с прорезями. В таблице 11.1 дана сравнительная характеристика насадок различных видов.

Таблица 11.1. Сравнительная характеристика насадок различных типов

Тип насадки	Производи­тельность	Эффектив- ность	Гидравличе­ское сопро­тивление
Кольца Рашига (d = 25 мм)	1	1	1
Кольца Палля (d = 25 мм)	1,4-1,5	1,00—1,25	0,70-0,75
Седла Берля	1,08-1,25	1,11	0,6-0,7
Седла «Инталокс»	1,2-1,4	1,3	0,45-0,50
«Гудлоу»	1,15-1,20	3,5	0,13
«Зульцер»	2	2,5	0,25-0,45

11.2. ПЕРСПЕКТИВНАЯ МАССООБМЕННАЯ ТЕХНИКА

Дальнейшее совершенствование и развитие техники массообмена должно идти главным образом по пути увеличения съема продукции с единицы объема аппарата, уменьшения пере­пада давлений на одну теоретическую ступень разделения и уменьшения удельной металлоемкости аппаратов.

Разработан ряд тарелок с контактными элементами, которые позволяют увеличить производительность массообменных аппа­ратов и эффективность разделения. Примером могут служить контактные элементы, в которых прямоточное взаимо­действие фаз в самом элементе сочетается с эффектом ударного слияния газожидкостных потоков на выходе из этих элементов (рис. 11.3)
Газ (пар) с тарелки поступает в контактную трубу 2 через патрубок 3 со скоростью 10-40 м/с, инжектируя жидкость с та­релки 1 через щель б. Далее газожидкостные потоки, взаимодей­ствуя, движутся прямоточно в трубе 2 и при повороте навстречу один другому соударяются. Попав в вырез а трубы 2, после удар­ного слияния потоков жидкость отбрасывается вниз на тарелку а газ выходит в межтарелочное пространство и поднимается на тарелку, расположенную выше.
По пропускной способности абсорбционные и ректификацион­ные колонны, снабженные такими контактными элементами, в 2,5 раза превосходят колонны с колпачковыми тарелками, при этом обеспечивается повышенная эффективность разделения. Преимущество таких контактных устройств - возможность без больших капитальных затрат использовать их при рекон­струкции колпачковых колонн заменой колпачков рассмотрен­ными контактными элементами.

Увеличение пропускной способности абсорбционных и ректи­фикационных колонн использованием прямоточного взаимодей­ствия фаз в контактных элементах при сохранении общего про­тивотока по колонне в целом возможно лишь при хорошей сепа­рации фаз на выходе из контактного элемента. Из большого разнообразия способов обеспечения сепарации фаз заслуживает внимание использование массовых центробежных сил.

В настоящее время разработано большое число контактных элементов, работающих в прямоточном режиме. При этом закру­ченный поток обеспечивает сепарацию газо- или парожидкостного потока под действием возникающих центробежных сил. На тарел­ках массообменного аппарата (рис. 11.4) устанавливают колпа­чок 2 с винтовым завихрителем 1, обеспечивающим вращательное движение газожидкостного потока. Аппарат работает следующим образом. Газ с нижележащей тарелки поступает в патрубок, где инжектирует жидкость с тарелки через щель а и, закручиваясь, поднимается вместе с жидкостью, обеспечивая контакт фаз. Под действием возникающих при этом центробежных сил жидкость отбрасывается к периферии колпачка и отделяется от газа. показан массообменный аппарат, в котором закручивание газожидкостного потока обеспечивает завихритель 3, образованный профилированными лопастями. Жидкость с та­релки подается в контактный элемент через трубки 4 под дей­ствием давления столба жидкости на тарелке. Для отделения жидкости от газа в верхней части колпачка 2 установлен торо­идальный сепаратор 1.
Такой принцип организации контакта фаз и сепарации газо­жидкостного потока позволяет обеспечивать пропускную способ­ность аппарата, на порядок превышающую производительность барботажных колонн при высокой степени разделения. Однако, гидравлическое сопротивление в таких колоннах несколько больше, чем в барботажных.
Как известно, для абсорбции легко растворимых газов доста­точно двух-трех теоретических ступеней контакта. Для этих целей разработан ряд простых массообменных аппаратов, обеспе­чивающих необходимую степень разделения при большой произ­водительности по газу. В аппарате с фонтанирующей насадкой (рис. 11.5) газ, поступая через штуцер 2, перемещается вверх по аппарату и поднимает шаровую насадку 1, которая фонтани­рует в коническом расширителе 5, обеспечивая контакт газа с жидкостью. Последняя поступает в аппарат через коллектор 4. Для предотвращения уноса шаровой насадки из аппарата пред­усмотрена решетка 3.

Разработан вихревой массообменный аппарат с винтовым факелом орошения (11.6). Газ, вводимый тангенциально через патрубок 4, поднимается по аппарату закрученным потоком. Для орошения газового потока жидкостью служит дефлекторный ороситель - центральная труба 2, по которой поступает жидкость. В трубе вдоль спиральной пластины 6 выполнены отвер­стия, через которые жидкость выходит в виде струй, ударяясь о кромку пластины 6 и образуя при этом расширяющуюся жидко­стную пленку.

Закрученный газовый поток разрушает пленку на мелкие капли, которые отбрасываются к стенке аппарата под действием центробежных сил и проникают в зазор между внутренним 3 и наружным 1 цилиндрами через отверстия во внутреннем ци­линдре, как бы отсекаясь от газа. Жидкость под действием грави­тационных сил опускается в пространстве между внутренним 3 и наружным цилиндрами и удаляется через штуцер 5. Газ, отделенный от жидкости, выводится из аппарата в газоход или атмосферу. Как показали промышленные испытания, в аппарате такого типа обеспечиваются скорость газа по сечению аппарата 18-20 м/с, гидравлическое сопротивление не более 1,6 кПа.

В последние годы все большее внимание уделяют разделению жидких и газовых смесей с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы). Полупроницаемые мембраны обла­дают замечательным свойством пропускать одни вещества и задерживать другие. Для использования в крупных промыш­ленных установках разработаны четыре основных типа аппаратов для мембранного разделения: с трубчатыми мембранными элемен­тами; типа фильтр-пресса с пло­скокамерными мембранными эле­ментами; с мембранами в виде полых волокон; с рулонными или спиральными мембранными элементами.
Один из наиболее простых ап­паратов с трубчатыми мембран­ными элементами показан на рис. 11.7. Основные узлы аппара­та - пористые трубы 1 (металличе­ские, керамические или пластмассо­вые), на внутреннюю (или внешнюю) поверхность которых нанесена полу­проницаемая мембрана. Исходный раствор насосом подается в трубы 1, где из раствора через мембрану про­фильтровывается один или несколько компонентов смеси, образуя фильтрат, попадающий в приемник. Сгущенный исходный раствор (концентрат) удаля­ется насосом 4 из аппарата.

ОПОРНЫЕ СЛОВА

Насадочные колонны, пленочный, эмульгационный, насадка, опорные колосники, устройства для орошения и распределения жидкости, требования, кольца Паля, кольца Рашига, седловидная насадка, седла «Инталокс», совершенствование, эффект ударного слияния газожидкостных потоков, прямоточный режим, аппарат с фонтанирующей насадкой, вихревой массообменный аппарат

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Применение, устройства и принцип работы насадочных колонн.

2. Достоинства и недостатки насадочных колонн.
3. Какие виды насадок применяются?
4. Устройства и принцип работы контактного элемента с соударением газожидкостных потоков.
5. Устройства и принцип работы аппарата с фонтанирующей насадкой.
6. Устройства и принцип работы вихревого массообменного аппарата.
7. Устройства и принцип работы установки с трубчатым креплением мембран.
ЛЕКЦИЯ № 12 «Основы проектирования» (4 часа)
12.1. Общие положения.
12.2. Туннельные сушилки
12.3. Ленточные сушилки

12.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сушка – это удаление паров влаги, образующихся при подводе теплоты к высушиваемым материалам (сыпучим, жидким и пастообразным). Интенсивность сушки зависит от способа подвода теплоты к высушиваемому материалу и отвода испаряющейся влаги, а также от скорости перемещения влаги из глубинных слоев материала к его поверхности. Последний показатель в свою очередь определяется теплофизическими свойствами высушиваемого материала и формой связи с ним влаги.

Вследствие большой номенклатуры подлежащих высушиванию материалов (в химической промышленности сушат более 200 тысяч видов материалов) используют много различных по конструкции сушильных аппаратов, что затрудняет их четкую классификацию и типизацию.
Сушилки, применяемые в химической промышленности, обычно классифицируют по способу подвода теплоты к высушиваемому материалу следующим образом конвективные (для сушки материала в слое, барабанные вращающиеся, для сушки материала в режиме псевдоожиженного и фонтанирующего слоев, для сушки материала в режиме пневмотранспорта, распылительные) кондуктивные (полочные барабанные вращающиеся, вальцовые) специальные (терморадиационные, высокочастотные сублимационные).
Из этих сушилок наиболее распространены работающие при атмосферном давлении конвективные сушилки, в которых в качестве сушильного агента используют топочные газы, подогретый воздух или их смесь. Доля этих сушилок в общем объеме применяемых сушильных аппаратов составляет около 80% процесс сушки в таких аппаратах может идти в условиях прямоточного или противоточного движения теплоносителя и материала, а также при перекрестном их движении при перекисном их движении наиболее экономичны по теплозатратам противоточные сушилки прямоток используют лишь в тех случаях, когда высушиваемый материал нельзя подвергать воздействию высокой температуры в конце процесса сушки.
В настоящее время все более широко использует аппараты для сушки в режиме псевдоожиженного или кипящего и фонтанирующего слоев (удаленный вес 25 %) и аппараты для сушки в режиме пневмотранспорта ( примерно 7%) в них можно интенсивно сушить сыпучие материалы а также пастообразные и жидкие раствор.
12.2. ТУННЕЛЬНЫЕ СУШИЛКИ

В туннельных сушилках (рис. 12.1) высушиваемый материал перемещается в сушильной камере (туннеле вагонетками, тележками, захватами подвесных конвейеров длина туннеля может достигать нескольких десятков метров (25-60 м). ежду очным ни 3 с материалом. Сушильный агент подвергада необходимо с Высота 2,0-2,5 м. Параллельно оси туннеля или перпендикулярно оси циркулирует сушильный агент (нагретый воздух, топочные газы перегретый пар). Двухсекционной туннельной сушилки работающей с рециркуляцией отработанного теплоносителя. В первой по ходу материала секции теплоноситель и материал движутся прямоточной, во второй где температура теплоносителя ниже,- противоточной.

Нагреваемый в калориферах воздух вентиляторами, снабженными приводом, по газоходу подается в секции сушилки Отработанный воздух через газоходы удаляется из туннеля вентилятором.

Вагонетки установлен вплотную одна к другой по всей длине туннеля, снабженного дверями и на загрузочном и разгрузочном концах. Вагонетки перемешаются по наклонному полу камеры или специальным толкателем, установленным со стороны загрузки и снабженным автономным приводом.
12.3. ЛЕНТОЧНЫЕ СУШИЛКИ

Ленточные сушилки предназначены главным образом для сушки штучных изделий, полуфабрикатов и сыпучих материалов. Исключение составляют тонкодисперсные пылевидные материалы, так как пыл не удерживается на полотне и оседает на поверхностях калориферов, а органическая пыль даже обугливается и загорается. В качестве сушильного агента в этих аппаратах обычно используют нагретый воздух или топочные газы.

Ленточные сушилки изготовляют в виде одного или нескольких расположенных один над другим ленточных конвейеров, размещенных внутри прямоугольной сушильной камеры. В качестве несущего полотна конвейера обычно используют металлическую плетеную сетку или перфорированные платины: лента может быть и сплошной (холост, бельтинг).
Высушиваемый материал, насыпанный на полотно конвейера, продувается сушильным агентом. В сушилках со сплошной лентой теплоноситель движется над слоем высушиваемого материала в направлении, противоположном движению ленты.

В пятисекционной одноярусной сушилке материал транспортируется ленточным конвейером, воздух, нагреваемый в паровом калорифере, центробожным вентилятором подается в распределительный канал и проходит через слой материала сверху вниз и через окно возвращается на рециркуляцию. Часть отработанного воздуха отводится вентилятором, а свежий воздух в необходимом количестве подсасывается через окна.

ОПОРНЫЕ СЛОВА

Удаление паров влаги, конвективные, кондуктивные, специальные, топочные газы, туннельная сушилка, калорифер, ленточная сушилка, сушильная камера.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. От каких параметров зависит интенсивность сушки?

2. Классификация сушилок.
3. Устройства и принцип работы туннельных сушилок.
4. Устройства и принцип работы ленточной сушилки.
5. Устройства и принцип работы петлевой сушилки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ