Расчеты процессов и аппаратов химической технологии. Общие принципы расчета процессов и аппаратов

Классификация основных процессов

Классификация основных процессов в технологии строительных материалов может быть проведена на основе различных признаков. Например, в зависимости от основных законов, определяющих скорость протекания процессов; по способу организации; в зависимости от изменения параметров процесса во времени; по направленности взаимодействующих потоков и др.

Так, в зависимости от закономерностей, характеризующих их протекание, процессы разделяют на пять основных групп.

Первая группа – механические процессы, основой которых является механическое воздействие на исходные материалы, описываемое законами механики твердых тел. К механическим процессам относятся измельчение твердых материалов, классификация (сортировка) сыпучих материалов, смешение и транспортировка твердых компонентов, формование изделий.

Вторая группа – гидромеханические процессы , скорость которых определяется законами гидродинамики – науки о движении жидкостей и газов. К ним относятся перемещение и перемешивание жидкостей и газов, разделение жидких неоднородных систем под действием сил тяжести (гравитационных сил) и центробежных (инерционных) сил (отстаивание, центрифугирование), а также движение твердых тел в жидкости или газе, псевдоожижение твердого зернистого материала.

Третья группа – тепловые процессы , скорость которых определяется законами теплопередачи – науки о способах распространения теплоты. В эту группу входят процессы нагревания, выпаривания, охлаждения и конденсации.

Четвертая группа – массообменные (диффузионные ) процессы . Скорость этих процессов определяется скоростью перехода веществ из одной фазы в другую, т.е. законами массопередачи. К диффузионным процессам относятся абсорбция, ректификация, экстракция, кристаллизация, адсорбция и др.

В технологии строительных материалов тепловые и массообменные процессы протекают, как правило, одновременно. В связи с этим их нередко объединяют в одну группу. Типичным примером таких сопутствующих друг другу процессов является сушка.

Пятая группа – химические процессы , связанные с превращением веществ и изменением их химических свойств. Получение многих строительных материалов связано с различными химическими превращениями исходных компонентов. Таковы, например, реакции гидратации при твердении цемента, реакции декарбонизации при получении извести, реакции полимеризации и поликонденсации в технологии органических строительных материалов и др. Скорость этих процессов определяется закономерностями химической кинетики.

По способу организации основные процессы в технологии строительных материалов подразделяются на периодические, непрерывные и комбинированные.

Аппараты, в которых осуществляются периодические процессы, работают в циклическом режиме. Все стадии такого процесса протекают в одном месте (камере, аппарате), но в разное время. Примером может служить автоклавная обработка силикатного бетона – типичный химический процесс, осложненный массообменными (первоначальным увлажнением с последующим испарением влаги в конце процесса) и теплообменными процессами (нагревом и охлаждением материала).

Цикл автоклавной обработки состоит из следующих технологических операций: загрузка автоклава, подъем температуры с одновременным подъемом давления в автоклаве, изотермическая выдержка, охлаждение и выгрузка. Изделия во время автоклавирования находятся на месте и в разные временные периоды подвергаются различным температурным воздействиям. По окончании цикла автоклавирования все технологические операции повторяются.

Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах (установках) с непрерывной загрузкой исходных материалов и непрерывной выгрузкой продуктов, прошедших обработку. Все стадии такого процесса протекают в одно и то же время, но в разных местах аппарата. Характерным примером такого процесса может служить обжиг клинкера во вращающихся печах при производстве цемента.

Для более четкой характеристики периодических и непрерывных процессов используют следующие понятия и обозначения.

Продолжительность процесса (τ ) – время, необходимое для завершения всех стадий процесса, начиная от момента загрузки исходных материалов и кончая выгрузкой готового продукта или полуфабриката.

Период процесса (t ) – время, протекающее от начала загрузки исходных материалов данной партии до начала загрузки материалов следующей партии. Частное от деления продолжительности процесса на период процесса (τ/t ) носит название степени непрерывности процесса (n ). Для периодического процесса период процесса t ≥ τ , поэтому степень непрерывности n ≤ 1. Для непрерывного процесса период процесса t → 0 и степень непрерывности n → ∞.

Непрерывные процессы имеют значительные преимущества перед периодическими: возможность специализации аппаратуры для каждой операции (стадии) процесса, стабилизация процесса во времени, улучшение качества продукта, легкость регулирования и возможность автоматизации. Этими преимуществами объясняется неизменная тенденция перехода от периодических процессов к непрерывным.

Комбинированные процессы представляют собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий которого проводятся непрерывно. Такие процессы также встречаются в технологии строительных материалов.

Различие между периодическими и непрерывными процессами касается только способа организации самого процесса и его аппаратурного оформления. Физико-химическая сущность процесса неизменна и не зависит от конструкции агрегата.

В зависимости от изменения параметров процесса во времени (скорость, давление, концентрация вещества) различают установившиеся (стационарные ) процессы, значение каждого из параметров которых постоянны во времени, и неустановившиеся (нестационарные ) процессы, значение параметров которых переменны во времени.

По направленности взаимодействующих потоков бывают прямоточные процессы, когда взаимодействующие вещества движутся в аппарате в одном направлении (например, пневмотранспорт) и противоточные процессы, когда движение взаимодействующих веществ осуществляется навстречу друг другу (например, при обжиге извести в шахтных печах).

При практических расчетах процессов и аппаратов обычно решаются следующие основные задачи:

1. Определение условий равновесного состояния системы;

2. Вычисление расходов исходных материалов и количества получаемого готового продукта или полуфабриката (составление материального баланса);

3. Определение необходимых расходов энергии для осуществления процесса (составление энергетического баланса);

4. Установление оптимальных режимов работы аппаратов и установление их основных размеров.

Очередность постановки этих задач и определяет содержание и последовательность инженерных расчетов. Рассмотрим содержание каждой задачи подробнее.

Первая задача . Начальным этапом расчета является расчет и анализ статики процесса , т.е. определение условий равновесия системы . Система, находящаяся в состоянии равновесия, не меняет своего состояния во времени. Для выведения такой системы из равновесия необходимо приложить к ней внешнюю силу. Определение направления протекания процесса в равновесных системах под действием внешней силы опирается на два основных положения термодинамики: принцип Ле Шателье – Брауна и правило фаз Гиббса .

Согласно первому принципу, направление сил, возникающих в системе, выведенной из состояния равновесия внешней силой, противоположно направлению этой силы. Рассматривая конкретные процессы на основе принципа Ле Шателье – Брауна, можно установить, какие параметры нужно изменять для изменения состояния системы в нужном для производства направлении.

Правило фаз Гиббса выражает зависимость между количеством компонентов системы k , фаз f и ее степеней свободы s . Степени свободы в термодинамике – независимые параметры состояния системы, находящейся в термодинамическом равновесии, которые можно изменять в определенных пределах так, чтобы сохранились все фазы, имевшиеся в системе, и не появились какие-либо новые фазы.

Согласно правилу фаз, соотношение между числом фаз f , числом компонентов k и числом термодинамических степеней свободы s имеет вид:

s + f = k + n ,

где n – число внешних факторов, влияющих на положение равновесия в данной системе.

Правило фаз формулируется так: сумма числа степеней свободы системы и числа фаз равна сумме числа независимых компонентов и числа внешних факторов, влияющих на равновесие этой системы.

Применительно к процессам массопередачи внешними факторами, влияющими на равновесие системы, являются лишь температура и давление. Поэтому n = 2 и правило фаз принимает вид:

s = k - f + 2 ,

т.е. число степеней свободы равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов влияют только температура и давление, равно числу независимых компонентов системы минус число фаз системы плюс два.

Правило фаз позволяет установить количество переменных, определяющих равновесие системы, которые могут быть выбраны произвольно. Из правила фаз следует, например, что для однокомпонентной системы (k = 1):

s = 3 - f ,

т.е. такая система не может содержать больше трех равновесно существующих фаз. В качестве примера такой системы может служить вода.

Возможность одновременного существования всех трех фаз (твердой, жидкой, газообразной) в такой системе по правилу фаз определяется отсутствием степеней свободы (система является безвариантной):

s = k - f + 2 = 1 - 3 + 2 = 0 .

Такая система может существовать только при строго определенных значениях температуры и давления (для воды t = 0,0075ºС и p = 4,579 мм рт. ст.). Изменение любого из этих условий приводит к исчезновению одной из фаз, и система становится двухфазной.

Наиболее интересной однокомпонентной системой является двухфазная система – жидкость и насыщенный пар. В этом случае

s = k - f + 2 = 1 - 2 + 2 = 1 ,

т.е. имеется одна степень свободы, и система является одновариантной. Следовательно, не нарушая фазового равновесия, можно произвольно менять либо температуру, либо давление. В таких системах строго однозначна зависимость между температурой и давлением насыщенного пара. Поэтому при изменении температуры пара одновременно будет соответственно меняться давление и, наоборот, при изменении давления соответственно меняется и температура. Для каждой жидкости можно, таким образом, построить кривую давления насыщенного пара.

Если система состоит из двух или большего числа компонентов, то ее положение и равновесие зависят не только от температуры и давления, но и от количественного состава фаз. Двухкомпонентная система, состоящая из двух фаз, по правилу фаз имеет две степени свободы:

s = 2 - 2 + 2 = 2 ,

что означает, что в таких системах можно без нарушения равновесия фаз менять одновременно два фактора – температуру и давление.

Для характеристики равновесного состояния этих систем один из факторов принимается постоянным, и тогда зависимость между другим фактором и составом фаз становится однозначной, т.е. при постоянном давлении каждой температуре, а при постоянной температуре каждому давлению соответствуют строго определенные составы фаз.

Вторая задача. Вычисление расходов исходных материалов и количества получаемого готового продукта или полуфабриката.

Эта задача решается на основе материального баланса . Материальный баланс основан на использовании закона сохранения массы. В общем виде для любой установки можно записать:

где ∑m н – суммарная масса исходных продуктов; ∑m k – суммарная масса конечных продуктов;

∑m n – суммарная масса необратимых потерь.

Материальный баланс составляют для процесса в целом или для его отдельных стадий; для системы в целом или по одному из входящих в нее компонентов.

Пример. Для процесса сушки материальный баланс составляют как по всему влажному материалу, поступающему на сушку, так и по одному из его компонентов: массе абсолютно сухого вещества или массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале.

Пусть m 1 – масса влажного материала, поступившего на сушку, u 1 – его влажность;
m 2 – масса высушенного материала, u 2 – его влажность; W – количество испарившейся влаги. Материальный баланс по всему количеству вещества запишется следующим образом:

m 1 = m 2 + W .

Материальный баланс по абсолютно сухому веществу, которое не меняется в процессе сушки, имеет вид:

m абс.сух. = m 1 (1 – u 1) = m 2 (1 – u 2) .

Третья задача. Определение необходимых расходов энергии для осуществления процесса. Эта задача решается путем составления энергетического баланса .

Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенное в процесс, равно количеству выделившейся энергии. Частью энергетического баланса является тепловой баланс, который в общем виде выражается уравнением:

,

где ∑Q Н – тепло, введенное в процесс; ∑Q к – отводимое тепло, которое складывается из тепла, удаляющегося с конечными продуктами и с отработанным теплоносителем;

∑Q n – потери тепла.

При этом вводимое тепло равно:

,

где Q 1 – количество теплоты, введенной в процесс с обрабатываемым материалом; Q 2 – количество теплоты, подведенной теплоносителем; Q 3 – тепловой эффект физических или химических превращений (если тепло поглощается, то перед Q 3 ставим знак минус).

На основании теплового баланса находят расход водяного пара и других теплоносителей, а по данным энергетического баланса определяют общий расход энергии на осуществление процесса.

Четвертая задача. Установление оптимальных режимов работы аппаратов и установление их основных размеров.

При определении основных размеров площадь поперечного сечения непрерывно действующего аппарата находится из соотношения

где Q – объем среды, протекающей через аппарат в единицу времени, м 3 /c;

w – линейная скорость среды (заданная или принятая), м/c.

По величине S определяется один из основных размеров аппарата, например, для аппарата цилиндрической формы – его диаметр.

Рабочий объем периодически действующего аппарата вычисляют по формуле:

где Q – заданная производительность, м 3 /с ; τ – период процесса, включающий его продолжительность, а также время, затрачиваемое на загрузку, выгрузку и другие вспомогательные операции, сек .

При очистке сточных вод сельскохозяйственных ферм широкое применение нашли биологические пруды следующих типов: пруды полной очистки животноводческих стоков; пруды доочистки стоков, предварительно прошедших биологическую обработку; рыбоводные пруды. Схема системы очистки стоков вод, используемых в рыболовно – биологических прудах приведена на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Схема очистки стоков свинокомплекса в

рыболовно – биологических прудах:

1 – приемный резервуар; 2 – установка разделœения; 3 – площадка биотермического обеззараживания; 4 – вертикальный отстойник; 5 – карантинные емкости; 6 – установки термического обеззараживания стоков; 7 – пруд-накопитель; 8 – водорослевой пруд;

9 – рачковый пруд; 10 – рыбоводный пруд; 11 – пруд накопитель чистой воды.

Жидкий навоз из свинарников направляют самотеком по каналам в приемный резервуар 1, а из него перекачивают в установку разделœения 2. Твердую фракцию складируют на площадке биотермического обеззараживания 3 и используют в последствии в качестве органического удобрения. Жидкую фракцию направляют в отстойник 4 для отставания и осветления. Осадок из отстойника обезвоживают с помощью центрифуги и также складируют на площадке 3. Осветленные стоки из отстойника и фугат (водную фракцию) с центрифуг направляют в карантинную емкость 7, на выдержку в течение недели. После этого стоки поступают в цепь биологической очистки состоящей из каскада прудов: пруда водорослевого 8, пруда рачкового (кормового) 9, пруда рыбоводного 10 и пруда-накопителя чистой воды 11.

Эффективность очистки стоков в каскаде прудов опытного хозяйства Московской области характеризует таблица.

Характеристика эффективности очистки каскада прудов

Примечание. Коли-титр – минимальное количество материала (воды, почвы и др.), в котором содержится 1 кишечная палочка; показатель фекального загрязнения исследуемой среды.

В пруде – накопителœе 7 осветленные стоки выдерживают независимо от времени года; здесь происходит анаэробное сбраживание органических веществ стоков микроорганизмами. Из пруда – накопителя частично минœерализованные стоки поступают в водорослевый пруд 8, в котором часть органических веществ потребляется на питание фитопланктон. За счет фитосинтеза происходит обогощение сточной воды кислородом, что приводит к дополнительному распаду органического вещества, освобождению биогенных элементов и накоплению планктоновых водорослей. В рачковом пруду 9 из-за наличия богатого питательного субстрата происходит массовое развитие ветвистоусых и веслоногих рачков (в частности, дафний, циклопов), червей (в частности коловраток) и личинок насекомых-корм для рыб. Далее из рачкового пруда стоки, содержащие кормовые зообиомассу и биомассу фитопланктона, поступают в рыбоводный пруд 10, обеспечивающий благоприятные условия для развития личинок и мальков карпа (карася). Очищенные в рыболовно - биологических прудах стоки поступают в пруд очищенной воды 11, воду из которого подают на орошение полей. Но и такая система не обеспечивает полного освобождения от патогенных микроорганизмов.

Научные разработки в области создания новых более оптимальных систем и сооружений в области биохимической очистки сточных вод непрерывно осуществляют исследователи многих стран.

Вопросы для самоконтроля.

1. Каков состав активного ила?

2. В чем отличие аэробных и анаэробных методов очистки сточных вод?

3. Опишите устройство полей орошения.

4. Опишите устройство биохимических фильтров.

5. Охарактеризуйте процессы протекания в аэротенках?

6. Что представляет собой метантенки?

7. Почему целœесообразно очищать совместно промышленные и бытовые воды?

Тема 7. Система обработки осадков

Целœевая установка – ознакомление с основными аппаратами систем обработки осадков, в результате чего студент должен знать достоинства и недостатки конкретных аппаратов, область их использования.

В результате проведения природоохранных процессов образуются большие массы осадков, которые крайне важно утилизировать или обрабатывать с целью уменьшения загрязнения биосферы. Указанные операции затруднены, т.к. осадки имеют разный состав и содержит большое количество жидкости. Так осадок выгружаемый из первичного отстойника может содержать до 95% воды при самотечном удалении. Осадки характеризуют содержанием сухого вещества (в г/л или в %); содержанием беззольного вещества (в % от массы сухого вещества), зольностью, элементным составом (содержанием азота (N), тяжелых металлов и т.д.), вязкостью и текучестью, гранулометрическим составом. Зольность осадков составляет: лежалых 50 – 57%, свежих – 40 – 47%. Содержание тяжелых металлов в лежалом осадке может составлять десятки процентов.

Осадки подразделяют на три группы:

Для обработки и обезвреживания осадков используют различные технологические процессы, которые представлены на рис. 7.1.

рис. 7.1. Схема процессов обработки осадка

Уплотнение осадка приводят в целях удаления свободной влаги; оно является крайне важной стадией всœех технологических схем обработки осадков. При уплотнении удается удалить в среднем 60% влаги, масса осадка сокращается ~ 2,5 раза. Наиболее трудно уплотняется активный ил. Его влажность составляет ~ 99%, частицы его малы по размеру и плотности, обладают плотной гидратной оболочкой, препятствующей уплотнению.

Для уплотнения используют гравитационный, флотационный, центробежный и вибрационный методы.

Гравитационный метод наиболее распространен, но мало эффективен. Основные аппараты: вертикальные и радиальные отстойники. Отстойники радиального типа обеспечивают более качественное концентрирование активного ила. Для интексификации процесса гравитационного уплотнения применяют коагуляцию , при которой происходит укрупнение частиц. Также в целях интексификации используют перемешивание, совместное уплотнение неорганических и органических осадков, термогравитационный метод при t = 80 ÷ 90 0 для уплотнения активного ила. В последнем случае гидратная оболочка вокруг частиц ила разрушится и они уплотняются.

Флотационный метод уплотнения осадков основан на прилипании частиц к пузырьком воздуха и всплывании частиц осадка вместе с воздушными пузырьками. Наибольшее распространение на практике получила напорная флотация. При этом в осадок подают определœенное количество воды, предварительно насыщенной воздухом по давлением ~ 0,6 МПа. При попадании в емкость с обычным атмосферным давлением ~ 0,1 МПа выделяется воздух в виде мелких пузырьков. Флотатор для уплотнения избыточного активного ила представляет собой резервуар цилиндрической формы диаметром до 12 м и глубиной до 3 м. В верхней части аппарата установлена перегородка, которая разделяет резервуар на фолотационную (рабочую) и отстойные зоны. Избыточный активный ил подают сверху, а рабочая жидкость снизу (навстречу) по перфорированным радиальным трубам. Продолжительность пребывания образовавшейся смеси в рабочей зоне составляет 40 – 60 мин. Насыщенный пузырьками воздуха активный ил всплывает и его удаляют в желоб специальными скребками. В нижней части флотатора (в зоне осаждения) скапливаются крупные плотные частицы. Их удаляют под гидростатическим давлением. При удельном расходе воздуха 15 л на 1 кг сухого вещества активного ила концентрация уплотненного ила достигает 50 кг/м 3 при содержании взвешенных частиц в удаляемой жидкости до 60 мг/л. Уплотнение избыточного ила также выполняют совместно с неорганическим осадком, чем достигают снижения влажности смеси.

Стабилизация осадков основана на изменении физико - химических характеристик осадков, с подавлением жизнедеятельности бактерий. Стабилизация осадков направлена на предотвращение загнивания осадков, которому способствует жизнедеятельность гнилостных бактерий.

Пути стабилизации активного ила:

Минœерализация органических веществ, ᴛ.ᴇ. превращение их в неорганические соединœения, пути реализации: анаэробное метановое брожение, аэробная стабилизация, тепловая обработка, биотермическое разложение;

Изменение активной реакции среды (реализуют повышением pH до 10 – 11, введением щелочей, извести с повышением температуры до 60 0 С);

Уничтожение кислотных микроорганизмов нагреванием (пастеризация, тепловая обработка, термическая сушка);

Обезвоживание осадков (удаление влаги фильтрованием и испарением);

Введение химических веществ, подавляющих развитие микроорганизмов (химические методы).

Аэробная стабилизация затратнее анаэробной. Применять аэробную стабилизацию целœесообразно на сооружениях производительностью не более (80 ÷ 100) · 10 3 м 3 /сут. Продолжительность аэробной или анаэробной стабилизации 7 – 12 суток.

При тепловой обработке осадок выдерживают при температуре 170 ÷ 200 0 в течение 1 часа. Также в целях стабилизации осадка применяют его замораживание при температуре (-5) ÷ (-10) 0 C в течение 1 – 2 часов.

К химическим методам стабилизации осадка относится, к примеру, жидкофазное окисление кислородом воздуха при температуре ~ 50 0 C.

Стабилизация, кроме изменения физико – химических характеристик осадков может сопровождаться:

Улучшением водоотдачи осадков (аэробная стабилизация, тепловая обработка, введение извести);

Сокращением объема (фильтрование, испарение, сушка

Получение побочных продуктов (метана при анаэробном ображивании)

Частным или полным обезвреживании (обработка известью и другими химическими веществами, сбраживание, термическая обработка);

Улучшением удобрительных свойств (обработка известью, аммиаком)

Изменением активной реакции среды, ᴛ.ᴇ. изменением pH.

Кондиционирование осадка проводят в целях снижения удельного сопротивления и улучшения водоотдающих свойств вследствие изменения структуры осадков и форм связи воды в них. Кондиционирование проводят реагентным и безреагентным способами. Вещества – реагенты бывают либо коагулянтами, либо – флокулянтами. Коагулянты кондиционирования осадков: соли алюминия и желœеза. Флокулянты кондиционирования осадков: полиакриламид, поликремниевая кислота и др. Флокулянты - растворимые полимеры, обычно полиэлектролиты. Для осадков с высоким содержанием органических веществ (зольность 25 ÷ 50%) целœесообразно использовать только катионные флокулянты; для осадков с зольностью 55 – 65% следует комбинировать катионные и анионные флокулянты; для осадков с зольностью 65 – 70% рекомендуют анионные флокулянты. При коагуляции взвешанные частицы укрупняясь осœедают вниз в дальнейшем их отделяют посредством отстаивания или фильтрования. При коагуляции улучшаются водоотдающие свойства осадка. В результате флокуляции, частицы находящиеся во взвешанном состоянии образуют рыхлые хлопьевидные агрегаты – флоккулы. Флокуляция – разновидность коагуляции. Обезвоживание осадка после флокуляции приводят посредством фильтрования и центрифугирования.

Расход флокулянтов значительно меньше, в связи с этим стоимость обработки сокращается примерно на ~ 30%.

К безреагентным методам кондиционирования осадков относится тепловая обработка (см. выше), замораживание с последующим отставанием, жидкофазное окисление (см. выше) и радиационное облучение.

Обезвоживание осадков как правило предшествует термической обработке.

Иловые площадки - ϶ᴛᴏ участки земли (корты), окруженные со всœех сторон земляными валами. Рабочая глубина площадок 0,7 – 1 м. Почва должна обладать хорошими фильтрующими свойствами. В случае если грунтовые воды находятся на большой глубинœе, то иловые площадки устраивают на естественных грунтах. При залегании грунтовых вод на глубинœе до 1,5 м фильтрат отводят через специальный дренаж из труб. Иногда, при плохой фильтрующей способности почв, делают искусственное основание. Площадь территории зависит от количества и структуры осадка, свойств грунта и климатических условий. Иловую воду направляют на очистные сооружения. В районах с теплым климатом для очистных сооружений производительностью более 10 ·10 3 м 3 /сут бывают оборудованы площадки с поверхностным удалением воды. Οʜᴎ находятся в каскаде из 4 – 8 площадок.

Иловые площадки уплотнители сооружают глубиной до 2 м. с водонепроницаемыми стенами и дном. Принцип действия их основан на расслоении осадка при отставании. Жидкость периодически отводят с разных глубин над слоем осадка, а осадок удаляют посредством специальной техники.

При механическом обезвоживании осадков на вакуум фильтрах может быть удалено в среднем 80%, на дисковых – 90%, на фильтр-прессах - % общего количества механически связанной воды. Производительность вакуум – фильтров наиболее высокая. Применение фильтр – прессов при низком сопротивлении осадка и низкой его сжимаемости позволяют получить еще более низкое влагосодержание. Вибрационные фильтры являются безнапорными. Οʜᴎ представляют собой наклонно установленную жесткую вибрирующую перегородку (металлическую сетку) через которую фильтруются осадки. При частоте вибрации 30 – 50 Гц, ускорении до 10 g (где g = 9,81 м/с 2 - ускорение свободного падения) и амплитуде 0,6 – 0,8 мм, активный ил сгущается до влажности 93 – 97%, а его смесь с осадком первичных отстойников – до 86 – 88% при выносœе с фильтратом 5 – 30% сухого вещества. Для более эффективного обезвоживания осадков их предварительно обрабатывают химическими реагентами: известью негашеной – CaO и хлоридом желœеза – FeCl 3 .

Достоинством центрифуг являются простота͵ экономичность легкость управления, низкая влажность обработанных осадков. Для обезвоживания используют в основном шнековые центрифуги, производительность которых при обработке осадков из первичных отстойников составляет 8 – 30 м 3 /ч, а сброженных осадков 12 – 40 м 3 /ч. Удельный расход энергии составляет ~ 3 кВт.ч на 1 м 3 обрабатываемого осадка. Учитывая зависимость отструктуры и состава осадка его влажность после центрифугирования колеблется в пределах от 50 до 80%. Рекомендованы следующие технологические схемы с использованием центрифуг: 1) раздельное центрифугирование сырого осадка первичных отстойников и активного ила; 2) центрифугирование осадков первичных отстойников с последующим аэробном сбраживанием фугата.

Для обезвоживания осадков также можно рекомендовать сепараторы, которые обеспечивают сгущение неуплотненного избыточного активного ила с исходной концентрацией – 4 кг/м 3 до концентрации 55 – 72 кг/м 3 . Также в сепараторах обезвоживают фугат центрифуᴦ. Рабочий орган сепаратора вращающийся вал с лопастями (ребрами) и неподвижные тарелки. Взвешенные в сепарируемой жидкости частицы в межтарелочном пространстве подвергаются действию двух сил: одна направлена к валу (к центру), другая в противоположном от него направлении – к периферии. В результате частицы осаждаются на внутренней поверхности наклонных тарелок. Сгущенный осадок сползает к периферии откуда и выходит из аппарата. Осветленная жидкость (фугат) выдвигается к оси вращения, в центральную часть аппарата и выводится через специальную трубу. Высокая скорость вращения вала с лопастями обеспечивает выделœение за счет центростремительной силы частицы диаметром менее 1 мкм при разности плотностей жидкой и твердой фаз более 3%. Следовательно, тонкослойное разделœение суспензий на жидкостных сепараторах устраняет основной недостаток центрифуг: большой вынос взвешенных частиц фугатом. Информация по некоторым аппаратам механического обезвоживания осадков приведена в разделœе 3.

Системы механического обезвоживания осадков кроме базовых аппаратов включают вспомогательное оборудование для подготовки осадков к обезвоживанию и транспортированию.

Термическая обработка осадков может включать их сушку

(t = 350 ÷ 800 0 C), сжигание (t = 600 ÷ 800 0), пиролиз (t = 700 - 900 0).

Важно заметить, что для сушки применяют ковективные (с интенсивными потоками газов) сушилки: барабанные, со встречными струями, с кипящим слоем, распылительные.

В качестве сушильного агента используют топочные газы, перегретый пар, горячий воздух. Наиболее часто применяют дымовые газы.

Широкое распространение для термической сушки обезвоженных осадков сточных вод получили барабанные сушилки. Сушильный барабан диаметром 1 – 3,5 м. и длиной 6 – 27 м. устанавливают под углом 3 – 40 0 . Барабан вращается со скоростью 1,5 – 8 об/мин. Для равномерного распределœения осадка внутри барабана устанавливают насадки. Высушенный материал удаляют транспортером. Отходящие газы после очистки в циклоне и скруббере выбрасывают в атмосферу. Влажность осадков до сушки 80%, после сушки 30 – 35%. Производительность сушилок по влаге от 0,3 до 15 т/ч. Удельный расход тепла 4600 – 5000 кг на 1 кг испаряемой влаги. Недостаток барабанных сушилок - громоздкость, следовательно большая металлоемкость, высокие капитальные и эксплуатационные затраты.

Сегодня достаточно широко используют сушилки со встречными струями. Обезвоженный осадок транспортером подают в приемную камеру сушилки, туда же возвращают часть высушенного осадка. Смесь шнековыми питателями (валами с винтообразными выступами) равномерно распределяют в разгонные трубы, куда с большой скоростью (100 – 400 м/с) поступают горячие газы, выходящие из сопел (специально спрофилированных узких каналов) камер сгорания. Осадок захватывается покотом газа и выбрасывается в сушильную камеру. В сушильной камере оба потока сталкивается, результате происходит измельчение частиц осадка, увеличение суммарной поверхности тепло- и массообмена, что интенсифицирует сушку осадка. Из сушильной камеры газовая взвесь попадает в сепаратор – циклон или мультициклон, где происходит доосушка осадка и одновременно разделœение газовой взвеси. Осадок выпадает в бункер готовой продукции, через нижнее отверстие конического днища циклона, а газ через верхнее отверстие цилиндрического корпуса циклона по трубопроводу поступает на очистку в скруббер. Производительность сушилок со встречными струями составляет 3 – 5 т/ч по испаряемой влаге. Удельный расход тела ~ 3,8 · 10 9 Дж на 1 кг испаряемой влаги. Влажность осадка на входе в камеру 60 ÷ 65%, на выходе из камеры – 30 – 35%.

Распылительные сушилки применяют для сушки очень влажных осадков. Предварительно высушенный активный ил концентрацией 50 – 80 г/л подают в верхнюю часть сушилки, куда из топки поступают газы при 350 0 С. Сушка осадка происходит с большой скоростью до влажности 8 – 10%. Газы очищают в батарейком циклоне. Высушенной ил по пневмопроводу через циклон поступает в бункер. Производительность сушилок от 2 до 15 т/ч по испаряемой влаги.

Сжигание приводит к уменьшению объема осадка в 80 -100 раз. Дымовые газы содержат CO 2, пары воды. Перед сжиганием осадок подготавливают в целях уменьшения его влагосодержания (см. выше рис. 6.1 и пояснения). При организации процесса учитывают токсичность осадков.

Простейшие сооружения сжигания – траншеи проложенные в земле глубиной 0,75 м и шириной до 1 м. На высоте 0,4 м от дна располагают колосники (решетки с металлическими прутьями). Под колосниками размещают горючий материал, а сверху - отходы. Влажные осадки смешивают с сухим мусором. В среднем для выпаривания 1 кг отходов крайне важно 5,4 · 10 6 Дж/кг, а для сжигания органической массы – более 25 · 10 6 Дж/кᴦ.

При сжигании в печах имеют место следующие стадии: нагревание, сушка, отгонки летучих веществ, сжигание горючей части и прокаливание для выгорания углеродных остатков. На нагревание и сушку осадка расходуется основное количество тепла и основное время. Различают следующие типы печей сжигания: печи кипящего слоя, многоподовые, барабанные, циклонные, распылительные.

Печь кипящего слоя представляют собой цилиндр с воздухораспределœенной решеткой. На решетке находится слой песка толщиной 0,8 – 1 м, размер частиц песка 0,6 – 2,5 мм. Псевдоожиженный слой образуется при продувании газов через распределительную решетку. Подаваемый в печь осадок интенсивно перемешивается с раскаленными песком и сгорает. Процесс горения длится не более 1 – 2 мин. Схема данного типа печи представлена на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Схема печи с псевдоожиженным слоем:

1 – зона плотной фазы песка; 2 – зона раздавленной фазы:

песок + осадок; 3 – корпус; 4 – циклон; 5 – труба циркуляции

материала; 6 – газораспределительная решетка.

Корпус многоподовых печей цилиндрический диаметром 6 – 8 м. Топочное пространство печи делится на 7 – 9 горизонтальных подов. Под – элемент конструкции печи, на котором располагают материалы, подвергаемые тепловой обработке. В центре печи расположен вертикальный вращающийся полый вал, на котором радиально укреплены гребковые устройства. Осадок подают в верхнюю камеру печи, и он движется вниз через отверстия, имеющиеся в каждом поде. В верхних камерах осадок подсушивается, а в средних сгорает. Эти печи отличаются простотой обслуживания и устойчивостью работы при колебаниях количества и качества обрабатываемых осадков, небольшим уносом пыли.

Циклонные и распылительные печи применяют для сжигания в распыленном состоянии жидких или мелкодисперсных твердых осадков. Принципиальная схема циклонной печи представлена на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема циклонной печи:

1 – газодувка; 2 – устройство подачи осадка; 3 – корпус печи.

Топочные газы подают в печь с помощью газодувки, где они совершают вращательное движение перемещаясь вместе с частицами осадка. Осадок подают через устройство 2.

Наиболее производительными являются циклонные печи и печи с псевдожиженным (кипящим) слоем.

Недостатки печей: 1) многоподовых – низкие удельные тепловые нагрузки, наличие вращающихся элементов в зоне высоких температур, высокие капитальные и эксплуатационные затраты; 2) распылительных – низкая производительность, сложность в эксплуатации, высокие капитальные затраты; 3) циклонных – крайне важность установки мощных пылеулавливающих устройств и оборудования для выгрузки шлака (твердого остатка горения);

4) с псевдоожиженным слоем – неравномерность распределœения частиц в слое, крайне важность пылеулавливания.

Система сжигания осадка помимо основного аппарата – печи, может включать: а) теплообменник, куда поступают дымовые газы после горения и где охлаждаются воздухом; б) циклон (мультициклон) отделœения твердых частиц от дымового газа;

в) скрубберы мокрой очистки газа, следующие за циклонами;

2) трубу выброса очищенного газа в атмосферу; д) отстойник для разделœения воды абсорбера и твердых частиц; е) фильтры, к примеру для фильтрования воды отстойника.

Различают горение и пиролиз. Пиролиз проводят при высокой температуре в отсутствие кислорода, ᴛ.ᴇ. в этом случае сгорания отходов не происходит. Пиролиз приводит к распаду молекул (кренингу) на мономерные и другие более простые органические соединœения, которые можно использовать при проведении химических синтезов. В результате проведения пирализа (разложения многоатомных молекул органических веществ на более простые органические вещества) получают два базовых типа продуктов: 1) твердые вещества; 2) коксовые газы. Коксовый газ после охлаждения разделяется на две фракции: а) пиролизный кондексат, состоящий из сложной жидкой смеси различных дегтеподобных и маслянистых веществ; б) пиролизный газ, оставшийся после конденсации.

Также в газовой фазе пиролиза могут присутствовать: сероводород, органические соединœения серы, циановодород, галогеноводороды. В твердых продуктах пиролиза могут присутствовать в высоких концентрациях поликонденсированные углеводороды. Таким образом пиролиз отходов нельзя считать экологически безопасным.

Утилизация продуктов термической обработки осадков: дальнейшее использование золы в сельском хозяйстве и в производстве стройматериалов, в дорожном строительстве (при высоком содержании тяжелых металлов, выше 3%); получение адсорбентов: исходного материала для получения активированного угля. Применение в качестве удобрений продуктов обработки осадков: золы, минœеральных солей, компоста – допустимо после обезвреживания токсичных примесей и снижения содержания металлов. Необходим постоянный контроль экологического качестве продуктов природоохранной технологии.

Вопросы для самоконтроля.

1. Каковы методы и устройства обезвоживания осадков?

2. Центрифуги какого типа применяют для обезвоживания осадков?

3. Фильтры какого типа применяют для обезвоживания осадков?

4. В чем различие процессов термической обработки осадков: сжигания и пиролиза?

Тема 8. Системы и сооружения переработки твердых отходов

Целœевая установка – изучив материал т. 8 обучаемый должен знать принципиальные схемы базовых аппаратов переработки твердых отходов (классов опасности 4 – 5) производства.

Накопление значительных масс твердых отходов (Т.О.) во многих отраслях промышленности обусловлено существующим уровнем технологии переработки соответствующего сырья, недостаточностью его комплексного использования.

8.1. Источники и классификация твердых отходов

Возникновение твердых отходов в промышленном производстве иллюстрирует схема рис. 8.1.

Конкретные причины образования Т.О. многообразны.

Основные источники Т.О.:

Предприятия добычи полезных ископаемых

Металлургическое производство

Тепловые электрические станции (ТЭС)

Углеобогтительные предприятия

Предприятия химической отрасли

Предприятия машиностроения

Жилищное хозяйство.

Сегодня отсутствует общепринятая классификация Т.О. промышленности. Их классифицируют по отраслям промышленности: отходы металлургической отрасли, отходы топливной отрасли, отходы химической отрасли и других отраслей. Существует внутриотраслевая классификация по конкретным производствам. К примеру, в химической отрасли различают отходы сернокислого, содового, фосфорнокислотного и др. производств. Также существует классификации по степени опасности (см. курс учебной дисциплины «безопасность жизнедеятельности»), по тоннажности, степени использования, ценностным показателям, воздействию на окружающую среду, способности к возгоранию, воздействию на оборудование и т.п.

Многообразие видов Т.О., значительное различие состава даже одноименных отходов усложняет их утилизацию, вызывая в ряде конкретных случаев крайне важность изыскания своеобразных путей решения. Тем не менее можно выделить наиболее общие методы переработки, хранения Т.О.

8.2. Переработка твердых отходов

Дробление и измельчение широко используют при переработке отходов добычи полезных ископаемых, для переработки шлаков металлургических предприятий, вышедших из употребления резиновых технических изделий, отвалов фосфогипса, отходов древесины, некоторых пластмасс, отходов строительных материалов и других. Дробление твердых и хрупких материалов производят раздрабливанием, раскалыванием и ударом; твердых и вязких – раздавливанием и истиранием. Дробление материалов обычно осуществляют сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды). При мокром измельчении отсутствует пылеобразование, облегчено транспортирование измельченных продуктов.

Результат дробления и измельчения оценивают степенью дробления, измельчения, равной отношению среднего характерного размера Д куска материала до измельчения к среднему характерному размеру d куска после измельчения (дробления)

Средний характерный размер определяют по специальным методикам.

Учитывая зависимость отразмеров наиболее крупных кусков исходного и измельченного материала ориентировочно различают следующие виды измельчения – табл. 8.1.

где - фактор разделения, = 3,14; - частота вращения частицы с потока, с -1 ; - радиус вращения, м; - ускорение свободного падения м/с 2 ; = 9,81 м/с 2 .

Величина - возрастает при увеличении .

Значение для циклонов имеет порядок сотен, а для центрифуг ~ 3000. При > 3000 аппараты называют сверх центрифугами.

3.7. Выбор аппаратов для разделения неоднородных систем

При выборе аппаратуры необходимо учитывать много факторов. Прежде всего следует иметь в виду требования предъявляемые к качеству разделения. В нашем случае это прежде всего обеспечение необходимого экологического состояния воздушной и водной среды. Необходимо учитывать концентрацию дисперсных частиц, распределение их по размерам, агрессивность среды, ее температуру и т.д. Следует принимать во внимание техникоэкономические показатели работы аппаратов.

При анализе показателей аппаратов для очистки газов можно увидеть, что рост эффективности обычно связан с увеличением затрат энергии и размеров аппаратов. Например, электрофильтры и рукавные фильтры дают лучший эффект очистки от пыли при меньших скоростях газа, т.е. при использовании аппаратов большего размера. Циклоны и скрубберы Вентури обеспечивают тем более эффективное разделение, чем больше их гидравлическое сопротивление, т.е. чем больше затраты энергии на перекачивание газа. Поэтому в каждом случае следует выбирать аппарат с учетом конкретных условий.

Ниже приведены некоторые усредненные характеристики основных типов аппаратов газоочистки.

Характеристика основных типов аппаратов газоочистки

Аппараты	Максимальное содержание пыли, C, кг/м 3	Размеры частиц пыли, d Э мкм, не менее	Степень очистки, %	Гидравлическое сопротивление, p, Па
Пылеосадительные камеры	Не лимитируется		30-40
Циклоны	0,4		70-99	400-700
Батарейные циклоны	0,1		85-95	500-800
Электрофильтры	0,01-0,05	0,005	95-99	100-200
Рукавные фильтры	0,02		98-99	500-2500
Центробежные скрубберы	0,05		90-95	400-800
Барботажные пылеуловители	0,3		80-99	500-1000
Скрубберы Вентури	0,05		95-99	3000-7000

Степень очистки - характеристика эффективности метода разделения в газообразной или жидкой среде.

где и - концентрация извлекаемого агента в газе или жидкости соответственно до и после разделения.

Пылеосадительные камеры и циклоны по капитальным и эксплуатационным затратам предпочтительнее других аппаратов, но они улавливают лишь крупные частицы. Поэтому самостоятельно их целесообразно применять на объектах малой мощности для очистки газов от крупной пыли. Чаще же аппараты этих типов используют в качестве первой ступени пылеулавливания для предварительной очистки газов перед электрофильтрами и рукавными фильтрами, перед вентиляторами для защиты лопастей от эрозии и т.п.

В электрофильтрах можно добиться высокой степени очистки газа, в том числе и от очень мелких частиц. Однако они часто требуют предварительной подготовки газа, непригодны для отделения частиц с небольшим удельным электрическим сопротивлением.

Рукавные фильтры дают высокую степень очистки для частиц любого размера более 1 мкм, однако способны работать при небольшой запыленности исходного газа. Требуют поддержания его температуры в определенных пределах. По капитальным затратам рукавные фильтры дешевле электрофильтров, но расходы на их эксплуатацию больше.

Аппараты мокрой очистки эффективны для очистки газов от пыли средней дисперсности. Наиболее целесообразно их применение, если желательно увлажнение газа. Эти аппараты достаточно просты в изготовлении, сравнительно дешевы, эксплуатационные расходы невелики. Однако их использование сопряжено с большим расходом воды, требуется серьезная защита аппаратов от коррозии. Если дисперсные частицы представляют угрозу загрязнения окружающей среды, необходима дополнительная аппаратура по их выделению из жидкой фазы.

Простейшими аппаратами для разделения суспензий являются отстойники. Они характеризуются небольшими капитальными затратами и эксплуатационными расходами. Однако из-за малой движущей силы отстойники громоздки, в них плохо отделяются мелкие частицы. Отстойники целесообразно использовать для предварительного разделения суспензий с большим содержанием твердой фазы, а также для классификации на фракции суспензий с относительно крупными частицами.

Значительно более производительны гидроциклоны и центрифуги. В них можно эффективно отделять мелкодисперсные частицы. Однако эти аппараты, в особенности центрифуги, значительно дороже, эксплуатационные расходы в них также существенно выше. Они непригодны для отделения частиц, оказывающих абразивное действие.

Эффективным способом разделения суспензий является фильтрование на фильтрах и фильтрующих центрифугах. В них имеются условия промывки и просушки выделенной в виде осадка твердой фазы суспензии. Однако эти аппараты дороги и сложны в эксплуатации.

Вопросы для самоконтроля.

1. В каких случаях применение пылеосадительных камер целесообразно?

2. На какой стадии очистки применяют фильтрование?

3. В каких случаях вместо одного циклона применяют батарейные циклоны?

4. Каковы области применения электрофильтров?

5. Почему гидроциклоны нецелесообразно использовать для очистки воды от взвешенных частиц кварца?

6. Какие аппараты сложнее по конструкции гидроциклоны или центрифуги?

Тема 4. Абсорберы

Изучив материал по данной теме, студент должен знать особенности аппаратурного оформления абсорбции, должен уметь делать сравнительный анализ аппаратов и обосновывать область их применения.

При обсуждении общих положений по разделению гомогенных систем (тема 1) рассмотрены особенности процесса абсорбции и область его применения.

4.1. Устройство абсорберов

Эффективность процесса абсорбции в многом определяется величиной площади поверхности контакта фаз. Поэтому абсорберы должны обеспечить развитую (большую) поверхность контакта между жидкой фазой абсорбента и очищаемой газовой фазой.

По способу образования этой поверхности, что непосредственно связано с конструктивными особенностями абсорберов их подразделяют на 4 основные группы: а) пленочные; б) насадочные; в) тарельчатые; г) распыливающие. Эти группы включают подгруппы аппаратов, отличающихся конструкцией при реализации конкретной формы поверхности.

Ниже обсудим по одной принципиальной схеме конструкции абсорберов, принадлежащих к каждой из 4 основных групп.

В пленочных абсорберах поверхностью контакта фаз является поверхность пленки жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке. В эту группу аппаратов входят: а)трубчатые абсорберы; б) абсорберы с плоскопараллельной или листовой насадкой; в) абсорберы с восходящим движением пленки жидкости.

Абсорбер с плоскопараллельной насадкой, пленочный, представлен на рис 4.1.

Рис. 4.1. Пленочный абсорбер с плоскопараллельной

(листовой) насадкой:

1 – пакеты листовой насадки; 2 – устройство распределения абсорбента.

Пакеты листовой насадки 1 в виде вертикальных листов помещают в колонну (абсорбер). Материал листов: металл или пластические массы, или натянутая на каркас ткань и др. В верхнюю часть абсорбера через распределительное устройство 2 подают поглощающий раствор или воду. Распределительное устройство обеспечивает равномерное смачивание листовой насадки с обеих сторон. Отработанный абсорбент (поглотитель) с поглощенным загрязнителем выводят через нижний штуцер аппарата. Загрязненный газ поступает в нижнюю часть аппарата, движется вверх вдоль листов, и выходит через штуцер расположенный на верхней крышке аппарата. Таким образом реализуют противоток контактирующих фаз, что позволяет поддерживать постоянное значение движущей силы процесса и эффективность использовать все пространство аппарата.

Пленочные противоточные колонны работают при скоростях газа, не превышающих скорости захлебывания. При превышении скорости захлебывания жидкость начинает двигаться в обратном направлении, аппарат заполняется жидкостью, через которую барботирует газ. При дальнейшем повышении скорости газа происходит выброс жидкости вместе с газом через верхнюю часть аппарата. Начало захлебывания характеризуется резким возрастанием гидравлического сопротивления. В противоточных пленочных аппаратах допустимая скорость газа (т.е. до точки захлебывания) достаточно высока – до 3 – 6 м/с. Гидравлическое сопротивление этих абсорберов мало (практически отсутствуют потери напора на преодоление местных сопротивлений). Аппараты целесообразно применять при больших производительностях по газу. Степень извлечения невысока.

Насадочные абсорберы представляют собой колонны, заполненные насадкой – твердыми телами различной формы: цилиндрами называемыми, кольцами: керамические кольца Рашинга, стальные кольца Рашига, керамические и стальные кольца Палля; деревянными хордами (сцепленные рейки на ребре) и др. Размер колец: диаметр 15 – 100 мм, высота 15 – 100 мм, толщина – от 0,5 до 10 мм. Насадку загружают на опорные решетки регулярно или внавал.

В насадочной колонке 1 (рис. 4.2, а, б) насадку 3 укладывают на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа и стока жидкости; последняя достаточно равномерно орошает насадку 3 с помощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде тонкой пленки вниз:

Рис. 4.2. Насадочные абсорберы:

а – со сплошным слоем насадки; б – с секционной загрузкой насадки: 1 – корпус; 2 – распределитель жидкости; 3 – насадка;

4 – опорные решетки; 5 – перераспределитель жидкости;

6 - гидравлические затворы

Однако равномерное распределение жидкости по всей высоте насадки по сечению колонны обычно не достигается. Для снижения неравномерности насадку в колонну загружают секциями (рис. 3.16, б) высотой в 4 – 5 диаметров аппарата, но не более 3 – 4 м в каждой секции. Между секциями (слоями насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5.

Жидкость в насадочной колонне течет по элементу насадки в виде тонкой пленки, поэтому поверхностью контакта фаз является в основном смоченная поверхность насадки. Однако при перетекании жидкости с одного элемента насадки на другой пленка жидкости разрушается и на нижележащем элементе образуется новая пленка. Часть жидкости переходит на расположенные ниже слои насадки в виде струек, капель и брызг.

Часть поверхности насадки, в основном в местах соприкосновения насадочных элементов друг с другом, бывает смочена неподвижной (застойной) жидкостью. В этом состоит основная особенность течения жидкости в насадочных колоннах в отличие от пленочных аппаратов, где пленочное течение жидкости происходит по всей высоте аппарата. К основным характеристикам насадки относят ее удельную поверхность a (м 2 /м 3) и свободный объем ε (м 3 /м 3) их числовые значения в случае конкретных насадок содержат технологические справочники.

Насадочные абсорберы могут работать в различных гидродинамических режимах.

Режим 1 – пленочный – характерен при небольших плотностях орошения и малых скоростях газа. Количество задерживаемой в насадке жидкости при этом режиме практически не зависит от скорости газа.

Режим 2 – режим подвисания. При противотоке фаз вследствие увеличения сил трения газа о жидкость, обусловленного повышением скорости газа и турбулизацией потока, на поверхности соприкосновения фаз происходит торможение жидкости газовым потоком. В результате этого скорость течения жидкости уменьшается, а толщина ее пленки и количество удерживаемой в насадке жидкости увеличиваются. В режиме подвисания с возрастанием скорости газа увеличивается смоченная поверхность насадки и соответственно интенсивность процесса массопередачи. В режиме подвисания появляются завихрения жидкости, брызги, т.е. создаются условия перехода к барботажу. Все это способствует увеличению интенсивности массообмена.

Дальнейшее повышение скорости газа обуславливает режим 3 – режим эмульгирования. При нем имеет место накопление жидкости в свободном объеме насадки. Накопление жидкости происходит до тех пор, пока сила трения между стекающей жидкостью и поднимающимся по колонне газом не уравновесит силу тяжести, находящийся в насадке. При этом наступает обращение, или инверсия фаз: жидкость становится сплошной фазой, а газ – дисперсной (раздробленной) фазой. Образуется пена. Путем тщательного регулирования подачи газа режим эмульгирования может быть установлен по всей высоте насадки. Режим эмульгирования соответствует максимальной эффективности насадочных колонн, но при этом резко возрастает гидравлическое сопротивление аппарата.

Работа в режиме подвисания и эмульгирования целесообразна только в случае, если повышение гидравлического сопротивления аппарата не имеет существенного значения (например, если абсорбер работает при высоком давлении). Большинство насадочных абсорберов работает в пленочном режиме.

Тарельчатые абсорберы обычно представляют собой вертикальные цилиндры – колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга по высоте колонны размещены горизонтальные перегородки – тарелки. Тарелки служат для развития поверхности контакта фаз (при противотоке) и многократного взаимодействия жидкости и газа. Процесс массопереноса в тарельчатых колоннах осуществляется в основном в газожидкостнных (пенах) системах, создаваемых на тарелках, поэтому в таких аппаратах процесс протекает ступенчато и тарельчатые колонны, в отличие от насадочных (в которых процесс непрерывен), относят к группе ступенчатых аппаратов. На каждой тарелке, в зависимости о ее конструкции, можно поддерживать тот или иной вид движения фаз: перекрестный ток или полное перемешивание жидкости.

По способу слива жидкости с тарелки абсорберы этого типа подразделяют на колонны с тарелками со сливными устройствами и с тарелками без сливных устройств (с неорганизованным сливом жидкости).

Основное влияние на эффективность тарелок любых конструкций оказывают гидродинамические условия их работы. Эти условия в значительной мере зависят от скорости газа.

В зависимости от скорости газа различают 3 основных гидродинамических режима работы тарельчатых аппаратов:

1) пузырьковой (или барботажный, поверхность контакта фаз мала);

2) пенный: основная поверхность контакта фаз – поверхность пузырьков, струя газа и капель жидкости над газожидкостной системой при разрушении пузырьков газа в момент выхода из барботажного слоя; поверхность контакта фаз наибольшая;

3) струйный (инжекторный) режим: большинство пузырьков разрушается, образование брызг; поверхность контакта фаз существенно меньше, чем в пенном. Пенный режим является наиболее рациональным режимом работы тарельчатых абсорберов.

В таблице 4.1 дана характеристика тарелок различных типов конструкции.

Тип тарелок	Достоинства	Недостатки
Тарелки со сливными устройствами
Колпачковые	Работают при значительных перепадах в нагрузках по газу и жидкости	Сложны по устройству, металлоемки, гидравлическое сопротивление велико, предельно допустимая скорость газа мала.
Ситчатые	Простота устройства, легкость монтажа и ремонта, небольшое гидравлическое сопротивление, высокая эффективность	Чувствительны к загрязнениям и осадкам(забивают); при внезапном прекращении подачи газа или значительном снижении его давлении с тарелок сливается вся жидкость, необходим перезапуск всей колонны.
Клапанные тарелки	Гидродинамически устойчивы, высокая эффективность в широком интервале изменения нагрузок по газу.	Повышенное гидравлическое сопротивление, усложненная конструкция.
Пластинчатые (характерен капельный режим работы, скорость газа высока: 20 – 30 м/с.)	Низкое гидравлическое сопротивление, большие допустимые нагрузки по жидкости и газу, небольшая материалоемкость.	Сложность подвода и отвода тепла, невысокая эффективность при низких нагрузках по жидкости.
Чешуйчатые (прямоток фаз)	Аналогичны пластинчатым	Аналогичны пластинчатым
Тарелки без сливных устройств (газ и жидкость проходят через одни и те же щели, жидкость «проваливается» на нижнюю тарелку, необходим более строгий подбор скоростей потоков)
Дырчатые (диаметр отверстий 4 – 20 мм)	Просты по устройству и монтажу, низкое гидравлическое сопротивление	Диапазон устойчивой работы незначителен.
Решетчатые (щели шириной 3 – 8 мм выштампованы)	Аналогичны дырчатым	Аналогичны дырчатым
Волнистые (гофрированные с изгибами), листы с отверстиями	Повышенная устойчивость работы	Сложны в изготовлении и монтаже
Трубчатые (из ряда параллельных труб)	Целесообразно применение при необходимости подвода или отвода теплоты к (от) жидкости.	Сложны в изготовлении и монтаже, высокая металлоемкость.

Более широко в промышленности применяют ситчатые переточные тарелки, а также дырчатые и решетчатые без сливных устройств.

Рассмотрим устройство колонны с ситчатыми переточными тарелками (рис. 4.3.)

Рис. 4.3. Устройство абсорбера (колонны) с ситчатыми

переточными тарелками:

а – колонна с тарелками; б – две соседние тарелки; 1 – тарелки; 2 – переточные перегородки или трубы с порогами; 3 - гидравлические затворы; 4 – корпус колонны.

Тарелка 1 имеет большое число отверстий диаметром 8-9 мм, через которые газ проходит в слой жидкости, текущий по тарелке. Уровень жидкости на тарелке 1 поддерживают переливными устройствами 2 (порогами этих устройств).

При малой (недостаточной) скорости газа его давление не удерживает слой жидкости, соответствующий высоте перелива и жидкость просачивается (частично «проваливается») через отверстия тарелки на нижерасположенную тарелку, что существенно снижает эффективность абсорбции. Поэтому газ должен двигаться с определенной скоростью и обладать давлением, достаточным для преодоления давления слоя жидкости на тарелке и предотвратить стекание жидкости через отверстия тарелки. Загрязненный газ подают в нижнюю часть аппарата под последнюю тарелку; отводят очищенный газ выше верхней тарелки. Очищающаяся жидкость движется протоком сверху вниз.

В распыливающих абсорберах контакта между фазами достигают распыливанием или разбрызгиванием жидкости в потоке газа. Эти абсорберы подразделяют на следующие группы 1) полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыливается на капли с помощью специальных устройств с отверстиями – форсунок; 2) скоростные прямоточные распыливающие абсорберы, в которых распыливание жидкости осуществляют за счет кинетической энергии газового потока; 3) механические распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыливается вращающимися деталями.

По сравнению с абсорберами других типов механические абсорберы более компактны и эффективны, но они значительно сложнее по конструкции и требуют больших затрат энергии для проведения процесса. Поэтому механические распыливающие абсорберы целесообразно применять в тех случаях, когда распыление с помощью форсунок или газом, взаимодействующим с жидкостью, по каким – либо причинам невозможно.

Рассмотрим более подробно устройство полых аппаратов, их применяют и для мокрой очистки воздуха от пыли. Схемы полых распыливающих абсорберов представлены на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Устройство полых распыливающих абсорберов:

а – вертикального с верхним распылом жидкости; б - вертикального с распылом жидкости по высоте аппарата; в - горизонтального с перекрестным током: 1 – корпуса; 2 – форсунки; 3 - устройство подачи жидкости; 4 – брызгоотстойник; 5 – решетки равномерного распределения газа.

В полых абсорберах (полых колоннах) газ движется снизу вверх, а жидкость подается через расположенные в верхней части колонны 1 форсунки 2 с направлением факела распыла обычно сверху вниз. Эффективность таких абсорберов невысока, что обусловлено перемешиванием газа по высоте колонны и плохим заполнением ее сечения факелом распыленной жидкости. Для уменьшения этого негативного эффекта распылительные форсунки в полых абсорберах часто устанавливают на нескольких уровнях (рис. 4.4, б). Эти аппараты отличает простота устройства, низкая стоимость, малое гидравлическое сопротивление, их можно применять для обработки сильно загрязненных газов. Недостатки: помимо низкой эффективности, скорости газа должны быть низкими (до 1 м/с) во избежание уноса жидкости, необходимы высокие плотности орошения, высокий расход энергии на распыление жидкости. Распылительные полые абсорберы целесообразно применять для улавливания хорошо растворимых газов. В скоростных прямоточных распыливающих абсорберах при прямотоке фаз скорости газа могут составлять до 30 м/с и выше, что повышает эффект очистки. К этому типу аппаратов относится абсорбер Вентури, основной частью которого является труба Вентури, описанная в теме 3. В скоростных абсорберах ее размещают вертикально.

Рассмотренные выше колонные аппараты используют и для проведения других процессов массопереноса, прежде всего для ректификации и жидкостной экстракции. В зависимости от технологических параметров реализуемого процесса, габариты колонных аппаратов колеблются в пределах: диаметр – 0,4 – 4,0 м; высота от 1 м до 50 м., толщина стенок: 10 – 24 мм.

Высота материала конструкционных элементов абсорбера определяется физико – химические свойствами потоков жидкости и газа, взаимодействующих в нем. Выбор жидкости – сорбента определяют химические свойства газов – загрязнителей. В таблице 4.2 в качестве примера приведены наиболее типичные загрязнители воздушной среды от промышленного производства и абсорбирующие их водные растворы (вода), применяемые в природоохранных технологиях.

Таблица 4.2

Газы – загрязнители и промышленные абсорбенты

Газ – загрязнитель воздушной среды	Абсорбирующее вещество хемосорбции (водные растворы)
Аммиак (NH 3)	Вода: H 2 O
Азота оксиды (NO x)	Гидроксид натрия: NaOH Карбонат натрия – сода: Na 2 CO 3 Соли железа: FeCl 2 + FeSO 4
Диоксид серы: SO 2	H 2 O Na 2 CO 3 NaOH Ароматические амины
Совместно: SO 2 +NO x	Na 2 CO 3
Сероуглерод: CS 2 Сероводород H 2 S Меркаптаны: RSH	NaOH Железосодовый раствор: Na 2 CO 3 +FeSO 4
H 2 S	Мышьяков содовый раствор: As 2 O 3 +Na 2 CO 3
Оксид углерода: CO	Комплексная медноаммиачная соль совместно с хлоридом меди и хлоридом алюминия:
Хлор: Cl 2	H 2 O NaOH тетрахлорид углерода: CCl 4 тетрахлорид титана: TiCl 4

Примечание: в производственной практике применяют и другие абсорбенты указанных в таблице газообразных загрязнителей.

4.2. Принципы подбора абсорберов

Промышленность выпускает абсорберы в большем ассортименте, чем описанные в 4.1. Оптимальным аппаратом для проведения конкретного процесса является тот, для которого технико – экономические показатели являются наиболее высокими. При этом расходы на обработку 1 м 3 газа должны быть наименьшими. Перед началом технико – экономического расчета необходимо выбрать наиболее вероятные типы аппаратов, с помощью которых можно успешно решить данную конкретную задачу. Необходимо составить таблицу: условия проведения процесса - конструкционно - технологические показатели абсорберов. Следует выбрать несколько аппаратов для последующего технико - экономического расчета и выбора окончательного оптимального варианта. Предварительно намеченные к технико - экономическом расчету абсорберы следует сравнить друг с другом в отношении простоты изготовления, расхода металла и других материалов, стоимости, удобств в эксплуатации и по другим показателям.

Вопросы для самоконтроля.

1. Приведите классификацию абсорбционных аппаратов?

2. Опишите оптимальный режим работы насадочных абсорберов?

3. В чем особенности гидродинамических режимов работы тарельчатых абсорберов? Какой режим является оптимальным для функционирования тарельчатых абсорберов?

4. В каких случаях распыляющие абсорберы имеют преимущества перед другими?

5. Какие жидкости применяют в качестве абсорбентов?

Тема 5. Адсорберы

Целевая установка – научить студента подбирать адсорбент исходя из параметров очищаемой среды; студент должен знать область применения ионитов и катализаторов применительно к природоохранной технологии.

Наиболее рационально адсорбцию применять для обработки систем с низкой концентрацией извлекаемых веществ. В этом случае увеличивается время работы адсорбционного аппарата – адсорбера на стадии собственно адсорбции до его переключения на десорбцию.

где - равновесная адсорбционная емкость, кг/м 3 , - скорость парогазовой смеси относительно полного сечения аппарата, м/с;

Задачи и примеры составлены на основе многолетнего опыта преподавания курса и выдержавшего десять изданий учебного пособия К. Ф. Павлова, П. Г. Романкова, А. А. Носкова "Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии". В книгу включены разделы: основы гидравлики, гидромеханика неоднородных систем, теплопередача, выпаривание и кристаллизация, основы массопередачи и абсорбция, перегонка и ректификация, экстрагирование, адсорбция и термическая сушка. В начале каждой главы приведены основные расчетные формулы, затем даны примеры решения типовых задач; главы заканчиваются контрольными задачами. В конце некоторых глав содержатся развернутые примеры и индивидуальные задания.
Для студентов высших учебных заведений и факультетов химико-технологических и машиностроительных специальностей.

ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ.
Перемещение текущих сред - газов, паров, капельных жидкостей или их смесей - происходит при наличии разности давлений. Движение текучих сред (жидкостей) требует затрат энергии на их подъем, на создание статического давления, на придание жидкости кинетической энергии (обратимые слагаемые общих затрат), а также затрат на работу потока на преодоление сил трения, возникающих между слоями вязкой жидкости, при взаимодействии потока со стенками трубопровода и в вихрях, образующихся в местах изменения вектора скорости потока (повороты, расширения, запорная и регулирующая арматура и т. п.). Энергия, затрачиваемая на работу против сил трения, необратимо рассеивается в форме теплоты.

Основной задачей прикладной гидравлики является определение гидравлических сопротивлений и затрат энергии при перемещении вязких сред в трубопроводах и технологических аппаратах.

Величина удельных (на единицу объема или массы) затрат энергии существенно зависит от скорости движения потока, возрастая приблизительно пропорционально квадрату скорости (для турбулентного режима течения), от вязкости перемещаемой жидкости, ее плотности и от шероховатости внутренней поверхности трубопроводов и аппаратов. Необходимая для перемещения текущих веществ внешняя мощность увеличивается пропорционально расходу перемещаемой текучей среды.

Содержание
Предисловие
Глава 1. Основы гидравлики

Примеры
Контрольные задачи
Пример гидравлического расчета трубопровода

Глава 2. Гидромеханика неоднородных систем
Основные зависимости и расчетные формулы
Осаждение под действием силы тяжести Фильтрование под действием разности давлений

Гидродинамика псевдоожиженного слоя
Перемешивание в жидкой среде
Примеры
Осаждение
Фильтрование
Разделение под действием центробежной силы инерции
Псевдоожиженный слой
Перемешивание в жидкой среде
Контрольные задачи
Пример расчета барабанного вакуум-фильтра
Пример расчета батареи циклонов
Глава 3. Теплопередача
Основные зависимости и расчетные формулы
Теплопроводность Теплоотдача
Теплопередача в поверхностных теплообменных аппаратах
Нестационарная теплопроводность в твердых телах
Умеренное и глубокое охлаждение
Примеры
Контрольные задачи
Примеры индивидуальных заданий
Примеры расчетов теплообменных аппаратов
Глава 4. Выпаривание. Кристаллизация
Основные зависимости и расчетные формулы
Примеры
Контрольные задачи
Пример расчета трехкорпусной выпарной установки
Глава 5. Основы массопередачи. Абсорбция
Основные зависимости и расчетные формулы
Примеры
Контрольные задачи
Примеры индивидуальных заданий
Глава 6. Перегонка и ректификация
Основные зависимости и расчетные формулы
Примеры
Контрольные задачи
Пример расчета тарельчатой ректификационной колонны
Глава 7. Экстрагирование
Основные зависимости и расчетные формулы Примеры
Контрольные задачи
Глава 8. Адсорбция
Основные зависимости и расчетные формулы
Примеры
Контрольные задачи
Глава 9. Термическая сушка
Основные зависимости и расчетные формулы
Примеры
Контрольные задачи
Пример расчета барабанной сушилки
Пример расчета сушилки с псевдоожиженным слоем
Пример расчета вальцовой сушилки
Ответы на контрольные задачи
Рекомендуемая литература
Приложения
Таблицы
Диаграммы и номограммы.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии, Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М., 2009 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать pdf
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

Расчеты процессов и aппаратов обычно имеют следующие основные пели: а) определение условий предельного, или равновесного состояния системы; б) вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, а также количеств потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей; в) определение оптимальных режимов работы и рабочей поверхности аппаратов; г) вычисление основных размеров аппаратов.

Эти задачи определяют содержание и последовательность расчетов. Исходным этапом являются расчет и анализ статики процесса, т.е. рассмотрение данных о равновесии, на основе которых определяют направление протекания и возможные пределы осуществления процесса. Пользуясь этими данными, находят предельные значения параметров процесса, необходимые для вычисления его движущей силы. Затем составляются материальные и энергетические балансы исходя из законов сохранения массы и энергии. Затем рассчитывают кинетику процесса, определяющую скорость его протекания. По данным о скорости и величине движущей силы при выбранном оптимальном режиме работы аппарата находят его рабочую поверхность или объем. Зная величину поверхности или объема, определяют основные размеры аппарата.

Материальный баланс. По закону сохранения массы количество поступающих веществ ∑G H должно быть равно количеству веществ ∑G К, получаемых в результате проведения процесса: ∑G H =∑G К. Однако на практике неизбежны необратимые потери веществ, и тогда мат. баланса: ∑G H =∑G К +∑ G П

Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. Баланс может быть составлен для всех веществ, участвующих в процессе, и лишь для одного из веществ, многокомпонентной смеси. Например, материальный баланс процесса сушки составляют как по всему влажному материалу, поступающему на сушку, так и по одному из его компонентов - количеству абсолютно сухого вещества или количеству влаги, содержащейся в высушиваемом материале. Баланс составляют за единицу времени, например за 1 час,либо сутки (или за одну операцию в периодическом процессе) в расчете на единицу количества исходных или конечных продуктов.

На основе материального баланса определяют выход продукта, под которым понимают выраженное в процентах отношение полученного количества продукта к максимальному, т.е. теоретически возможному. Выход продукта обычно рассчитывают на единицу затраченного сырья. При наличии нескольких видов сырья выход выражают по отношению к какому-либо одному из них.

Имейте введу, что практический расход исходных материалов обычно превышает теоретический, так как химические реакции не протекают до конца, происходят потери реагирующих веществ (через неплотности аппаратуры и т.д.)

Энергетический баланс . Этот баланс составляют на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделившейся энергии, т.е. приход энергии равен ее расходу. Проведение химико-технологических процессов обычно связано с затратой различных видов энергии - механической, электрической и др. Эти процессы часто сопровождаются изменением энтальпии системы вследствие изменения агрегатного состояния веществ (испарения, конденсации, плавления и т.д.). В химических процессах очень большое значение может иметь тепловой эффект протекающих реакций.

Частью энергетического баланса является тепловой баланс, который в общем виде выражается уравнением ∑Q H =∑Q К +∑ Q П

При этом количество вводимого тепла ∑Q H = Q 1 +Q 2 +Q 3

где Q 1 - тепло, вводимое с исходными веществами; Q 2 - количество тепла, подводимого извне, например с теплоносителем, обогревающим аппарат; Q 3 - тепловой эффект физических или химических превращений (если тепло в ходе процесса поглощается, то этот член входит с отрицательным знаком).

Количество отводимого тепла∑Q К складывается из тепла, удаляющегося с конечными продуктами, и отводимого с теплоносителем (например, с охлаждающим агентом).

В энергетическом балансе, кроме тепла, учитываются приход и расход всех видов энергии, например затраты механической энергии на перемещение жидкостей или сжатие и транспортирование газов.

На основании теплового баланса находят расход водяного пара, воды и других теплоносителей, а по данным энергетического баланса общий расход энергии на осуществление процесса.

Интенсивность процессов и аппаратов . Для анализа и расчета процессов химической технологии необходимо, кроме данных материального и энергетического балансов, знать интенсивность процессов и аппаратов.

Все основные процессы (гидродинамические, тепловые, массообменные) могут протекать только под действием некоторой движущей силы, которая для гидромеханических процессов определяется разностью давлений, для теплообменных разностью температур, для массообменных - разностью концентраций вещества.

В первом приближении можно считать, что результат процесса, характеризуемый, например, количеством М перенесенного вещества или тепла, пропорционален движущей силе (обозначаемой в общем виде через Δ ), времени τ и некоторой величине А , к которой относят интенсивность процесса. Такой величиной может быть рабочая поверхность, через которую происходит перенос энергии или массы, рабочий объем, в котором осуществляется процесс, и т.д. Следовательно, уравнение любого процесса может быть представлено в общем виде:

M= K∙A Δ∙τ (1)

Коэффициент пропорциональности К характеризует скорость процесса и, таким образом, представляет собой кинетический коэффициент, или коэффициент скорости процесса (коэффициент теплопередачи, коэффициент массоперсдачи и т. д.). Коэффициент К отражает влияние всех факторов, не учтенных величинами, входящими в правую часть уравнения, а также все отклонения реального процесса от этой упрощенной зависимости.

Под интенсивностью процесса понимают его результат, отнесенный к единице времени и единице величины A , т.е. количество энергии или массы, перешедшей вединицу времени через единицу рабочей поверхности

Соответственно величину К можно рассматривать как меру интенсивности процесса - интенсивность, отнесенную к единице движущей силы. Интенсивность процесса всегда пропорциональна движущей силе Δ ,и обратно пропорциональна сопротивлению R , которое является величиной, обратной кинетическому коэффициенту (например, гидравлическое сопротивление, термическое сопротивление, сопротивление массопередаче и т. д.). Таким образом, уравнение (1) может быть выражено также в форме: M= A Δ∙τ / R (2)

Из уравнения (1) или (2) находят необходимую рабочую поверхность или рабочий объем аппарата по известным остальным величинам, входящим в уравнение, или определяют результат процесса при заданной поверхности или объеме.

От интенсивности процесса следует отличать объемную интенсивность аппарата - интенсивность, отнесенную к единице его общего объема. С увеличением объемной интенсивности уменьшаются размеры аппарата и снижается расход материалов на его изготовление. Однако объемная интенсивность может лишь до определенной степени служить мерой совершенства аппарата. Это объясняется тем, что объемная интенсивность аппарата связана с интенсивностью процесса, но с увеличением коэффициента скорости процесса его интенсивность обычно возрастает лишь до какого-то известного предела. Увеличение коэффициента скорости сверх этой величины часто сопровождается уменьшением движущей силы, что может привести к прекращению увеличения интенсивности процесса.

При оценке конструкции аппарата или режима его работы решающее значение должны иметь технико-экономические характеристики данного аппарата. Оптимальным будет такой аппарат (или такой режим его работы), который обеспечит заданный результат с наименьшими затратами.

Затраты на осуществление процесса складываются нз капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Определение основных размеров аппаратов . Пользуясь уравнением (1) вычисляют основные размеры непрерывно действующего аппарата. Если известен объем среды, протекающей через аппарат в единицу времени и V сек и задана ее линейная скорость w , то площадь поперечного сечения S аппарата находят из следующего соотношения:

S =V сек / w

По величине S определяют один из основных размеров аппарата, например для аппарата цилиндрической формы - его диаметр D. Другим основным размером является рабочая высота (или длина) аппарата. Из уравнения (1) находят рабочий объем аппарата или поверхность F , требуемую для проведения процесса. Зная F и пользуясь зависимостью F = a∙V , где а поверхность, приходящаяся на единицу объема аппарата (удельная поверхность), рассчитывают его рабочий объем. По величине V определяют высоту H , применяя соотношение V = SH . Рабочий объем V периодически действующего аппарата определяют как произведение заданной производительности и периода процесса τ сек. включающего продолжительность самого процесса, а также время, затрачиваемое на загрузку, выгрузку и другие вспомогательные операции.

Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов . Исследование процессов и аппаратов в масштабах и условиях промышленного производства является сложным, длительным и дорогостоящим. В связи с этим большое значение имеет моделирование - изучение закономерностей процессов на моделях при условиях, допускающих распространение полученных результатов на все процессы, подобные изученному, независимо от масштаба аппарата.

Общие принципы моделирования вытекают из теории подобия. Согласно требованиям этой теории должны соблюдаться следующие правила моделирования:

1) необходимо, чтобы процессы в модели и в самом рабочем аппарате (оригинале) описывались одинаковыми дифференциальными уравнениями;

2) модель должна быть геометрически подобна оригиналу;

3) численные значении начальных и граничных условий, выраженных в безразмерной форме, для модели и оригинала должны быть равны;

4) необходимо, чтобы все безразмерные комплексы физических и геометрических величин, влияющих на процесс (критерии подобия), были равны во всех сходственных точках модели и оригинала.

Если последнее требование невыполнимо и протекание процесса практически мало зависит от тех или иных критериев подобия, то равенством их в модели и оригинале пренебрегают, проводя приближенное моделирование.

Моделирование процессов можно также осуществлять на основе математической аналогии одинаковой формы уравнений, описывающих физически различные явления. При использовании компьютерных технологий математическое моделирование позволяет значительно ускорить исследование наиболее сложных процессов химической технологии.

Заключительным этапом моделирования процессов является их оптимизация, выбор оптимальных условий проведения процесса. Определение этих условий связано с выбором критерия оптимизации, который может зависеть от оптимальных значений ряда параметров (например, температуры, давления, степени извлечения и др.) Между параметрами обычно существует сложная взаимосвязь, что сильно затрудняет выбор единого критерия, всесторонне характеризующего эффективность процесса. Задача сводится к поиску экстремального значения (минимума или максимума) целевой функции, выражающей зависимость величины выбранного критерия оптимизации от влияющих на него факторов.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства