Методы расчета процессов и аппаратов. Общие принципы расчета процессов и аппаратов

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.

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 аппаратов обычно имеют следующие основные цели:

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 соответствующей им рабочей поверхности или рабочего объема 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 и возможные пределы осуществления процесса. Пользуясь этими данными, находят предельные значения параметров про­цесса, необходимые для вычисления его движущей силы. Затем составляют материальные и энергетические балансы, исходя из законов сохранения массы и энергии. Последующий этап представляет собой расчет кинетики процесса, определяющей его скорость. По данным о скорости и движущей силе при выбранном оптимальном режиме работы аппарата находят его рабочую поверхность или объем. Зная поверхность или объем, определяют основные размеры аппарата.

Материальный баланс. По закону сохранения массы масса поступаю­щих веществ должна быть ра 5 вна массе веществ
, получаемых в результате проведения процесса, т.е. без учета потерь
+
.

Однако в практических условиях неизбежны необратимые потери веществ, обозначая которые через
находим следующее общее выра­жение материального баланса:

=
+
(I,1)

Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдель­ных его стадий. Баланс может быть составлен для системы в целом или по одному из входящих в нее компонентов. Так, материальный баланс процесса сушки 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. Баланс составляют либо за единицу времени, например за 1 ч, за сутки (или за одну операцию в периодическом процессе) либо в расчете на единицу массы исходных или конечных продуктов.

На основе материального баланса определяют выход продукта, под которым понимают выраженное в процентах отношение полученного ко­личества (массы) продукта к максимальному, т.е. теоретически возмож­ному.

Иногда понятию выход придают иной смысл, рассчитывая условно выход как массу продукта, отнесенную к единице массы затраченного сырья. При этом в случае использования нескольких видов сырья выход выражают по отношению к какому-либо одному из них. Практический расход исходных материалов обычно превышает теоретический вслед­ствие того, что 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, в частности, 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

=
+
(I,2)

При этом вводимое тепло

= Q 1 + Q 2 + Q 3

где Q 1 - тепло, вводимое с исходными веществами; Q 2 - тепло, подводимое 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).

Отводимое тепло 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 указанные выше основные процессы (гидродинамические, тепло­вые, массообменные и др.) могут протекать только под действием некоторой движущей силы, которая для гидромеханических процессов определяется разностью давлений, для теплообменных – разностью тем­ператур, для массообменных – разностью концентраций вещества и т.д. Выражения движущей силы для различных видов процессов будут рас­смотрены в соответствующих главах курса.

В первом приближении можно считать, что результат процесса, харак­теризуемый, например, массой М . перенесенного вещества или количеством переданного тепла, пропорционален движущей силе (обозначаемой в общем виде через ), времени  и некоторой величине A , 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.п. Следовательно, уравнение любого процесса может быть представлено в общем виде:

M = KA  (I,3)

Коэффициент пропорциональности К в уравнении характеризует скорость процесса и, таким образом, представляет собой кинетический коэффициент, или коэффициент скорости процесса (коэффициент теплопередачи, коэффициент массопередачи и т.д.). Коэффициент К отражает влияние всех факторов, не учтенных величинами, входящими в правую часть уравнения (I,3), а также все отклонения реального процесса от этой упрощенной зависимости.

Под интенсивностью процесса понимают результат его, отнесенный к единице времени и единице величины А , т.е. величину М/А , например энергию или массу, перешедшую в единицу времени через единицу рабочей поверхности (либо перенесенной из одной фаз в единице рабочего объема). Из уравнения следует, что

(I,4)

Соответственно величину К можно рассматривать как меру интенсив­ности процесса - интенсивность, отнесенную к единице движущей силы.

Интенсивность процесса всегда пропорциональна движу­щей силе  и обратно пропорциональна сопро­тивлению R , которое является величиной, обратной кинетическому коэффициенту (например, гидравлическое сопротивление, термическое сопротивление, сопротивление массопередаче и т.д.). Таким образом, уравнение (I,3) может быть выражено также в форме

(I,5)

Из уравнения (I,3) или (I,5) находят необходимую рабочую поверх­ность или рабочий объем аппарата по известным значениям остальных величин, входящих в уравнение, или определяют результат процесса при заданной поверхности (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 известного предела.

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.

Определение основных размеров аппаратов. Пользуясь уравнением (I,3), вычисляют основные размеры непрерывно действующего аппарата. Если известен объем Q среды, протекающей через аппарат в единицу вре­мени, и задана или принята ее линейная скорость w , то площадь по­перечного сечения S аппарата находят из следующего соотношения:

(I,6)

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) Н аппарата. Из уравнения (I,3) находят рабочий объем аппарата (если А = V ) или поверхность F , требуемую для проведения процесса. Зная F и пользуясь зависимостью F = aV , где а - поверхность, приходящаяся на единицу объема аппарата (удельная поверхность), рассчитывают его рабочий объем. По величине V определяют высоту Н , применяя соотно­шение V = SH . Рабочий объем V периодически действующего аппарата определяют как произведение заданной производительности (например, Q м 8 /сек) и периода процесса  сек, включающего продолжительность самого процесса, а также время, затрачиваемое на загрузку, выгрузку и другие вспомогательные операции:

V = Q  (I,7)

Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов. Исследование процессов и аппаратов в масштабах и условиях промышленного производ­ства является, как правило, 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:

необходимо, чтобы процессы в модели и аппарате натурального раз­мера (оригинале) описывались одинаковыми дифференциальными уравнениями;

модель должна быть геометрически подобна оригиналу;

3) численные значения 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 электронных вы­числительных машин математическое моделирование позволяет значи­тельно ускорить исследование наиболее сложных процессов химической технологии.

Заключительным этапом моделирования процессов является их оптимизация - выбор наилучших, или 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 указанными 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.

Основные характеристики процесса, как правило, связаны между собой так, что возрастание его эффективности по одной из них снижает в той или иной степени эффективность данного процесса по другим харак­теристикам. Так, например, в любых процессах разделения смесей (ректи­фикация, экстракция, грохочение и др.) полное разделение недостижимо. Качество же конечного продукта , определяемое со­держанием в нем целевого компонента (или нескольких компонентов), улучшается с увеличением полноты разделения . Однако при этом процесс удорожается, а производительность аппара­туры уменьшается. В связи с этим задача оптимизации сводится, по су­ществу, к нахождению наиболее выгодного компромисса между значениями параметров, антагонистически влияющих на процесс.

Наиболее универсальны экономические критерии оптими­зации, интегрально отражающие (в стоимостном выражении) не только основные технические характеристики, подобные указанным выше, но и затраты на энергию, рабочую силу и т.д. Принцип нахождения экономического оптимума для отдельных основных процессов изло­жен в соответствующих главах курса. Однако необходимо отметить, что оптимизация на основе экономических критериев связана с наличием гибкой системы цен, оперативно отражающих изменение стоимости про­дуктов (в том числе промежуточных) с развитием науки и технического прогресса.

В зависимости от конкретных условий применяют также технологи­ческие, термодинамические, статистические и другие критерии оптими­зации.

Для оптимизации процессов широко используют кибернетические ме­тоды и при экспериментальном изучении - статистические методы пла­нирования экспериментов, позволяющие на основе предваритель­ного математического анализа сократить число опытов до минимально необходимого.

Основные математические методы оптимизации (классический матема­тический анализ, вариационное исчисление, линейное и динамическое программирование, принцип максимума и др.) описываются в специальной литературе.

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

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.

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

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;