Предмет и задачи курса «Процессы и аппараты химической технологии»

Предмет и задачи курса «Процессы и аппараты химической технологии»

Химическая промышленность начала создаваться на рубеж 18 – 19 в.в. и за исторически короткий период (120 – 150 лет) превратилась в технически развитых странах в одну из основных отраслей народного хозяйства. С развитием химической промышленности возникла потребность в химической науке, обобщающей закономерности основных производственных процессов и разрабатывающей методы расчетов аппаратов на основе их рациональной классификации.

В нашей стране идея по общности ряда основных процессов и аппаратов, применяемых в различных химических производствах, была высказана профессором Денисовым в 1828 году. Позднее аналогичные принципы развивались Д. Менделеевым, предположившим основные процессы химических технологий. Эти идеи легли в основу новой учебной дисциплины по расчету и проектированию основных процессов и аппаратов, которая была введена профессором Крупским в конце 1890 – х годов в Петербургском техническом институте. И в 1912 году профессор Тищенко ввел в Московском техническом институте «Процессы и аппараты» в качестве самостоятельной науки.

Большой вклад в разработки отдельной науки ПАХТ внесли: Тищенко (автор теории расчетов выпарных аппаратов), Коновалов (заложил основы теории перегонки жидкости), Фокин и Павлов (создали уникальную теорию по созданию монографий по ПАХТ). Из зарубежной литературы, посвященной принципам основных расчетов процессов и аппаратов можно отметить книгу В. Бэджера и В. Мак – Кэба, вышедшую в 1932 году и на русском языке в 1933 году под названием «Основные процессы и аппараты химической технологии».

Инженерный курс основных процессов и аппаратов химической технологии построен на химии и физике и при расчетах позволяет определить выход веществ.

 

Материальный баланс.

МБ составляется на основе закона сохранения массы: масса поступающих веществ равна массам всех получающихся в результате проведения процесса веществ, т.е. без учета потерь: ∑Gн = ∑Gк. Однако, в практических условиях неизбежны необратимые потери веществ:  ∑Gн = ∑Gк + ∑Gп.

МБ составляется для процесса в целом или для отдельных его стадий. Он может быть составлен для системы в целом или по одному из входящих в нее компонентов. Так, МБ 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 веществе.

МБ составляется либо за единицу времени (за один час), либо в расчете на единицу массы исходных или конечных продуктов. На основе МБ определяется выход продукта, под которым понимают выраженное в % - ном отношении количество продукта к максимальному. Практический расход материалов обычно превышает теоретический в следствие того, что химические реакции не протекают до конца, происходят потери реагирующих веществ.

 

 

Энергетический баланс.

ЭБ составляется на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделяющейся энергии, т.е. приход равен расходу энергии.

Проведение химико-технологических процессов обычно связано с затратами различных видов энергии: механической, электрической и др. Эти процессы часто сопровождаются изменением энтальпии системы вследствие изменения агрегатного состояния вещества. В химических процессах большое значение может иметь тепловой эффект протекания реакции. Частью ЭБ является тепловой баланс, который в общем виде выражается уравнением ∑Qн = ∑Qк + Qп. При этом вводимое тепло ∑Qн = Q₁ + Q₂ + Q₃, где Q₁ – тепло, вводимое с исходным веществом, Q₂ – тепло, вводимое извне, Q₃ – тепло, вводимое физическими или химическими превращениями (это 1-3 % от прихода тепла). Отводимое тепло складывается из тепла, удаляющегося с конечными продуктами и отводимого с теплоносителем. В ЭБ кроме тепла учитывается приход и расход всех видов энергий. Например, затраты механической энергии на перемещение жидкости или сжатие и перемещение  газов. На основании теплового баланса находят расход водяного пара воды и др. теплоносителей, а по данным ЭБ – общий расход энергии на осуществление процесса.

 

Система единиц измерения

При расчетах технических процессов и оборудования приходится пользоваться химическими и физическими данными, которые имеют свои единицы измерения. Приходится пользоваться: М (1*10⁶), к (1*10³), д (1*10^-1), с (1*10^-2), м (1*10^-3), мк (1*10^-6). ГОСТ 6887-61 по СИ (м, кг, с); МКГСС (м, кгс, с); СГС (см, г, с).

 

Основные теории подобия

Изучение технологических процессов с целью получения уравнений, описывающих данный процесс, необходимых для их анализа и расчета, проводят чисто теоретически. Дифференциальные уравнения описывают целый класс однородных явлений. И для выявления конкретного явления необходимо дифференцированное уравнение ограничивать дополнительными условиями однозначности. Условия однозначности включают в себя геометрическую форму и размеры системы, физические константы участвующих в нем веществ, начальные условия, граничные условия. Для опытного изучения процесса необходима определенная теория – теория подобия процессов. Она позволяет при экспериментируемых опытах применять наименьшее количество физических величин, участвующих в процессе. Найти область применения производственных опытов. Подобие однозначности включает в себя:

1. геометрическое подобие

2. временное подобие

3. подобие физических величин

4. подобие начальных условий

5. подобие граничных условий.

 

1.Геометрическое подобие соблюдается, если сходственные стороны аппаратов являются пропорциональными величинами.

 

ℓ″₁/ℓ′₁ = ℓ″₂/ℓ′₂ = ℓ″₃/ℓ′₃ =…= K_ℓ

K_ℓ - множитель геометрического преобразования

ℓ″₁= K_ℓ*ℓ′₁, ℓ″₂ = K_{ℓ *} ℓ′₂, ℓ″₃ = K_ℓ * ℓ′₃

ℓ″₁, ℓ″₂, ℓ″₃ – характеризующие размеры второго аппарата, подобные первому аппарату.

 

2. Временное подобие соблюдается, если отношение интервалов времени двух подобных процессов является величинами постоянными.

τ″₁/τ′₁ = τ″₂/τ′₂ = τ″₃/τ′₃ =…= K_τ

K_τ - множитель временного преобразования

τ″₁= K_{τ *} τ′₁, τ″₂ = K_{τ *} τ′₂, τ″₃ = K_τ* τ′₃

 

3. Подобие физических величин соблюдается, если отношение этих величин для двух подобных процессов остается постоянным.

γ″₁/γ′₁ = γ″₂/γ′₂ = γ″₃/γ′₃ =…= K_γ

K_γ - множитель физического преобразования.

 

4. Подобие граничных условий соблюдается, если отношение величин, характеризующих данное условие на границе для двух подобных процессов, находится в постоянных соотношениях.

 

5. Подобие начальных условий соблюдается, если отношение величин для двух подобных процессов находится в постоянных соотношениях.

 

Подобие процессов однозначности распространяется на весь объем только начальный момент времени, в дальнейшем показывает подобие процесса на границе. Процессы подобны, если они описываются одним и тем же уравнением и системой дифференцированных уравнений при одних и тех же условиях однозначности.

Второй закон механики:

f = m(dW/dτ)

f′dτ′ / m′dW′ = 1                 (1)

f′′dτ′′ / m′′dW′′ = 1             (2) выразим переменные в Ур.2 через переменные Ур.1 путем умножения на преобразователь к_f

f′dτ′ K_τ / K_mm′dW′ K_w = 1

к_f K_τ / K_m K_w * f′dτ′ / m′dW′ = 1               (3)

Уравнение 1 и 3 отличаются комплексом физических величин. Когда к_f K_τ / K_m K_w = 1 уравнения 1 и 3 одинаковы.

f′τ′ / m′W′ = f′′τ′′ / m′′W′′ = idem

полученный комплекс физических величин называется критерием подобия; в данном случае критерий называется критерием Ньютона

Nℓ = fτ / mW.

 

Гидродинамические подобия.   

Преобразуем уравнение Навье – Стокса, получим функциональную зависимость между критериями, характеризующими силы, действующие при движении в вязкой жидкости. Запишем уравнение Навье – Стокса для капельной жидкости в развернутой форме для вертикальной оси z:

Для подобного преобразования этого уравнения воспользуемся правилом - критерий подобия можно получить путем деления одной части уравнения на другую и последующим отбрасыванием знаков математического преобразования.

Если движение жидкости установившееся, то ее скорость не зависит от времени, т.е. dω_z/dτ = 0, при этом заменяя в левой части уравнения характеризующие силы инерции, дифференциалы конечной силы инерции

 

 

где ℓ - определяющий линейный размер.

В правой части уравнения (1) отражающей действие силы тяжести равен ρg, а член dP/dz отражает влияние давления, его можно заменить на Р/ℓ, преобразуем все остальное отражает действие силы трения:

 

Разделим члены одной части на члены другой его части и найдем таким образом выражение, характеризующее соотношение между соответствующими силами и силами инерции, или иначе говоря, выразим эти силы в относительных единицах. Приняв за масштаб силы инерции, получим безразмерное соотношение величин, которое называют критерием подобия. Выражение, характеризующее отношение силы тяжести к силе инерции имеет вид:

ρg / ρω²/ℓ = gℓ / ρω² = Fr – критерий Фруда. Чтобы избежать отрицательных чисел, пользуются обратными выражениями: Fr = ω² / ρℓ. Fr отражает влияние сил тяжести или собственного веса на движение жидкости. Соотношение между силами может быть охарактеризовано выражением: Р/ℓ/ ρω²/ℓ = Р / ρω², которое называется критерием Эйлера. Обычно ему дают несколько другой вид, вводя вместо абсолютного давления разность давлений между двумя точками жидкости.

Еu = ΔР / ρω² – критерий Эйлера отражает влияние перепада гидростатического давления на движение жидкости, он характеризует отношение изменения силы гидростатического давления к силе инерции подобных потоку.

Найдем выражение, являющееся мерой силы трения к силе инерции, приняв за критерий подобия (для избежания чисел меньше 1) обратное отношение

ρω²/ℓ / μω/ℓ² = ωℓρ / μ = Re – критерий Рейнольдса – отражает влияние силы трения на движение жидкости. Он характеризует отношение инерционных сил к силам трения потока. При неустановившемся движении жидкости в уравнении Навье – Стокса

член dω_z /dτ ≠ 0, заменив член нестационарностью двигателя ρω / τ, и охарактеризуем соотношение этой величиной:

ρω²/ℓ / ρω/τ = Н_о – критерий гомохронности, учитывает характер движения в подобных условиях. Уравнение Навье – Стокса можно представить в виде функциональной зависимости между полученными критериями подобия: φ(H_o, F_r, E_u, R_e) = 0.

 

Метод анализа размерности

Теорию подобия можно применять в том случае, если есть возможность составить дифференциальное уравнение, описывающее данный процесс, и задаться начальными условиями. Если нет такой возможности, то воспользуемся методом анализа размерности. Для этого проводят предварительные опыты и выявляют параметры, влияющие на проведение процесса, т.е. движущие силы.

ПРИМЕР: по трубе движется жидкость, движение описывается данным уравнением

ΔР = ƒ(d,ℓ, ρ, μ, ω) (1)

Пусть функция общего вида (1) приближенно может быть представлена в виде степенной зависимости ΔР,d,ℓ,ρ,μ,ω, т.е.

ΔР = А [d]^a [ℓ]^b [ρ]^c [μ]^b [ω]^k (2)

Единицы измерения:

[ΔР] = [кгс/м²] = [F/L²]

[d] = [м] = [L]

[ℓ] = [м] = [L]

[ρ] = [кгс*с²/м²] = [F*T² / L⁴]

[μ] = [кгс*с/м²] = [F*T / L²]

[ω] = [м/с] = [L / T ]

В основу положена П – теория Бэкингема, согласно которой общая функциональная зависимость, связывающая между собой n переменных величин при m – основной единице измерения, можно представить в виде зависимости между безразмерной зависимостью этих величин (n – m), а при наличии подобия – в виде связи между крит. подобия, т.е. если рассматриваемое явление вписывается в общем виде в соотношение (1), связывающее 6 физических величин, и эти величины выражаются посредством трех основных единиц измерения, т.е. n = 6, m = 3, n – m = 3.

Основные параметры насоса.

1. Производительность (Q, [м³/с]) – это объем жидкости, подаваемый насосом в нагнетательный трубопровод в единицу времени.

2. Напор (Н, [м]) – характеризует удельную энергию, сообщаемую насосом единице веса перекачиваемой жидкости, т.е. на какую высоту может быть поднята перекачиваемая жидкость.

3. Полезная мощность N_п = γQH = ρgQH – энергия, затрачиваемая на сообщение жидкости энергии.

4. Мощность на валу N_ℓ > N_п, т.к. происходит потеря мощности в насосе. N_ℓ = N_п / η_н.

5. КПД характеризует мощности в насосе. Номинальная мощность в насосе N_дв > N_ℓ, т.к. происходит потеря энергии при передаче от электродвигателя к насосу.

КПД насосной установки:

η = η_v *η_г *η_мех *η_пер *η_дв, где

η_v - объемный, учитывающий потери при утечке через сальниковые уплотнения, неоднородные закрытия клапанов, выделения воздуха при всасывании;

η_г – гидравлический – учитывающий потери при движении жидкости через насос;

η_мех – это потери на механическое трение насоса;

η_{передачи} – это потери от электродвигателя к валу насоса;

η_{двигателя} – это потери в двигателе.

6. Установочная мощность двигателя (N_уст) – рассчитывается по величине номинальной мощности двигателя с учетом возможных перегрузок в момент пуска. N_уст = βN_дв

7. Коэффициент запаса мощности β = 1,1 – 2 чем меньше N_дв , тем больше β.

 

Центробежные насосы.

Всасывание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса с лопатками, заключенного в спиралеобразном корпусе. 1 – всасывающий трубопровод

2 – рабочее колесо

3 – корпус

4 – рабочая лопатка

5 – нагнетательный трубопровод

 

Жидкость проходит через всасывающий трубопровод и отбрасывается к стенке корпуса под действием центробежной силы, возникшей под вращением рабочего колеса. Частицы жидкости попадают в канал переменного сечения, вследствие чего по уравнению Бернулли происходит преобразование кинетической энергии потока в статистический напор, т.е. увеличение давления. Напор центробежных насосов ограничен с одним центр.колесом. Для достижения высокого напора применяют многоступенчатые насосы.

 

Характеристики центробежных насосов.

- это графическая зависимость напора мощности на валу и кпд насоса от его производительности при постоянном числе оборотов. Эти характеристики получают при испытании центробежных насосов, изменяя степень задвижки на нагнетательной линии. При малой производительности максимальный будет напор.

N_ℓ = ρgQH / η_н → η_н = ρgQH / N_ℓ

Напор ↓ т.к. при уменьшении расхода ↑ стоимость, следовательно ↑ скоростной напор и по уравнению Бернулли должно ↓ пьезометрический напор, т.е. ↓ давление (Q → max;H → 0). Мощность на валу ↑ с ↑ расхода увеличиваются потери, т.е. требуется большая мощность на вал.

 

 

Характеристика сети.

- это зависимость между напором и расходом жидкости, необходимом для перемещения жидкости по сети.

 

H_r – геометрическая (потери) высота подачи;

h – потери напора;

H = H_r + h_п

h_п = ∑ξ * ω²/2g

Q = ω *S

ω =Q /S

h_п = ∑ξ (Q² /S²2g) = k Q²

H = Hr + kQ

k – коэффициент пропорциональности.

Совмещая характеристику насоса и сети получаем рабочую точку А, т.е. точку, отвечающую наибольшей производительности насоса, работающего на данную сеть. Если она не совпадает с μ_{н max}, то либо заменяют насос, либо уменьшают гидравлическое сопротивление трубопровода.

 

Поршневые насосы

В поршневых насосах всасывание и нагнетание жидкости происходит при возвратно – поступательном движении поршня. 1 – всасывающий клапан,

2 – нагнетательный клапан,

3 – поршень,

4 – цилиндр,

5 – кривошипно – шатунный механизм.

Подача жидкости осуществляется импульсивно. По устранению этого недостатка используют импульсы двойного и тройного действия. Поршневые насосы различают: поршневые и плунжерные.

Рабочий орган – это поршень с поршневыми кольцами.

Плунжерные – без уплотнительных колец и имеет большое соотношение длины к диаметру. Производительность поршневых насосов простого действия зависит от объема цилиндра.

Q = Vц *n

Производительность зависит только от числа оборотов.

 

 

Конструкции насосов

1. Насос «Импеллер»

1 – рабочее колесо,

3– направляющий аппарат,

2 – корпус.

 

2. «Вихревой насос»

1 – корпус,

2 – рабочее колесо,

3 – входное окно,

4 – уплотняющий участок,

5 – кольцевой канал,

6 – нагнетательный клапан.

 

3. «Шестеренчатый» насос

Перемещение и сжатие газа

Машины, предназначенные для перемещения и сжатия газов, называются компрессорными машинами. Отношение конечного давления, создаваемого компрессорной машиной, к начальному давлению, при котором происходит всасывание газа, называют степенью газа.

В зависимости от степени сжатия компрессорные машины делятся на:

- вентиляторы (Р₂/Р₁ < 1), предназначенные для перемещения большого количества газов;

- газодувки  1,1 < P₂/P₁ < 3,0 – для перемещения газов при высоких сопротивлениях в газопроводах.

- компрессоры P₂/P₁ > 3,0 - для высоких давлений;

- вакуум – насосы, для отстаивания газов при давлении ниже атмосферного (Р₂/Р₁ < 8÷10).

По принципу действия компрессорные машины делятся на:

- поршневые – сжатие газа происходит за счет уменьшения объемов при движении поршня,

- ротационные – сжатие газов происходит за счет уменьшения объема эксцентрично расположенного ротора,

- центробежные – сжатие осуществляется за счет придания дополнительной энергии газу от вращающихся лопаток,

- осевые – газ сжимается вдоль оси рабочего колеса.

 

Поршневые компрессоры делятся по числу всасываний и нагнетаний за один двойной ход поршня на компрессор простого и двойного действия. По числу степени сжатия – на одноступенчатые и многоступенчатые.

Ступень сжатия – это часть компрессорной машины, где газ сжимается до конечного или промежуточного давления.

Рассмотрим одноступенчатый компрессор простого действия:

 

1 – поршень,

2 – кривошипно – шатунный механизм,

3 – цилиндр,

4 – клапан всасывающий,

5 – нагнетательный клапан,

6 – маховое колесо.

Одноступенчатые компрессоры могут быть одно- и многоцилиндровые. Для контроля за работой поршневых компрессоров снимается индикаторная диаграмма, представляющая собой зависимость между давлением и объемом газа, всасываемым и нагнетаемым поршнем за один двойной ход поршня или за один оборот коленвала.

 

Рассмотрим индикаторную диаграмму идеального компрессора. В нем всасывание начинается сразу же после начала движения поршня, вплотную подходящего к стенкам цилиндра. Горизонтальная прямая АВ соответствует процессу всасывания газа. Линия ВС – процессу сжатия газа в цилиндре от давления р₀ до р₁. Горизонтальная линия СД – процессу нагнетания газа. ДА – процессу стравливания газа. Заштрихованная площадь диаграммы соответствует работе, затрачиваемой на сжатие газа.

 

Ротационный компрессор.

В корпусе компрессора вращается ротор, расположенный эксцентрично относительно его внутренней поверхности. Пластины (зачерненные) в пазах свободно перемещаются в пазах ротора. И при его вращении выбрасывается центробежно из пазов. Эта же сила плотно прижимает пластины и внутренние поверхности корпуса. Таким образом, серповидное рабочее пространство между ротором и корпусом разделяется с помощью пластин, на ряд не равных по объему камер. Газ поступает из всасывающего патрубка и заполняет полости камеры. В камере, находящейся в положении В, всасывание прекращается и начинается сжатие. При вращении камеры вправо объем уменьшается и газ, находящийся в ней, сжимается. Сжатие заканчивается когда камера достигает положение С, в этом положении полость камеры сообщается с нагнетательным трубопроводом, после чего начинается нагнетание газа. В положении Д газ полностью вытесняется из рабочей камеры. Зазор между ротором и цилиндром в нижней части образует мертвое пространство Е, в положениях от Д до А происходит расширение газа в мертвом пространстве. В точке А начинается всасывание газов. Затем цикл повторяется.

 

 

Водокольцевые компрессоры

 

 

1 – корпус,

2 – ротор,

3 – всасывающее отверстие,

4 – нагнетающее отверстие.

В корпусе один компрессор расположен эксцентрично. Ротор – 2 с лопатками плоской формы. Перед пуском компрессор заполняется водой примерно на половину, которая при вращении ротора отбрасывается к периферии и образует водяное кольцо, соосное с корпусом компрессора и эксцентричное по отношению к ротору. Количество жидкости, заливаемое в компрессор, должно быть таким, чтоб концы всех лопаток были погружены в водяное кольцо. Между лопатками ротора и водяным кольцом образуются ячейки, объем которых за время первой половины оборота увеличивается, а за время второй – уменьшается. Газ рассасывается в ячейки, объем которых возрастает через отверстие 3 в торцевой крышке компрессора. При дальнейшем вращении ротора газ сжимается вследствие уменьшения объема ячеек и в конце оборота выталкивается в нагнетательное отверстие 4 крышки компрессора. В компрессорах такого типа жидкое кольцо играет по существу роль поршня. С помощью кольца изменяется объем рабочей камеры. Эти компрессоры называются также компрессорами с жидкостным поршнем. 

 

Механические процессы.

Крупное дробление.

Рассмотрим щековые дробилки.

1,2 – неподвижная и подвижная щеки,

3 – эксцентриковый интервал,

4 – шатун,

5,6 – распорные плиты.

В щековой дробилке материал измельчается путем раздавливания в сочетании с раскалыванием между неподвижной и подвижной щеками. Подвижная щека приближается при рабочем ходе или отходит при холостом ходе от неподвижной щеки при вращении эксцентрикового вала. Во время рабочего хода происходит дробление, а во время холостого – выгрузка дробленого материала под действием собственного материала.

Различают щековые дробилки с нижним и верхним подвесом щеки. Преимущества: простота и надежность, широкое применение, компактность и легкость обслуживания. Недостатки: периодический характер дробящего усилия, отсюда возникает вибрация и возможность сбивания рабочего пространства.

Конусные дробилки.

1 – подвижный конус,

2 – неподвижный конус,

3 – эксцентриковый вал.

Крупное дробление в конусных дробилках осуществляется в эксцентриковых дробилках, где конус вращается вокруг неподвижной оси с валом, расположенной на конической шестерне (ее нет). Среднее и мелкое дробление в конусных дробилках с верхним подвесом. Преимущества: большая производительность, уравновешенная работа, высокая степень измельчения. Недостатки: очень сложная конструкция, дороговизна, большая высота, сложность обслуживания.

 

 

Среднее и мелкое дробление.

1. Волоковая дробилка

1 – неподвижный волок

2 – подвижный волок

Измельчение производится путем раздавливания между двумя волоками. Привод осуществляется на каждый волок. Дробилки могут различаться по количеству, форме и скорости волоков. Также могут быть зубчатые волоки. При различной скорости волоков усиливаются стирающие действия.

 

2. Ударно – центробежные дробилки

Молотковая дробилка

1 – корпус

2 – отбойная плита

3 – диск

4 – молотки

5 – колосниковая решетка

Преимущества: высокая степень измельчения. Недостатки: значительный износ плит и молотков, сложность балансировки ротора.

 

3. Отражательная дробилка

1 – колосниковая решетка

2 – ротор

3 – лопатки

4 – щитки

Материал, проходя через решетку, поступает на ротор, обращающийся с окружной скоростью. С помощью лопаток куски отбрасываются на щитки, и измельчение происходит при ударе лопаток и кусков о щитки. Преимущества: высокая степень измельчения, высокая однородность продукта. Недостатки: износ лопаток и щитков.

 

Тонкое измельчение.

Барабанные мельницы

Измельчение происходит внутри измельчающего барабана под действием мелющих тел. Мелющие тела – шары или стержни – не применяют. Мелющие тела под воздействием центробежных сил и сил трения увлекаются вместе с движущейся стенкой на определенную высоту, а затем падают и измельчают материал ударами, истиранием, раздавливанием. Измельчение проводят как мокрым, так и сухим методом. Преимущества: универсальность, постоянство скорости вращения, надежность и простота обслуживания. Недостатки: износ мелющих тел, загрязнение продуктов, шум.

 

  *. Сверхтонкое измельчение

При сверхтонком измельчении материала разрушение происходит не по поверхности трещин, пересекающих всю толщу частиц, а главным образом путем «отшелушивания» (усталостного разрушения) вследствие поверхностной трещиноватости измельчаемых частиц. Наиболее эффективно и с наименьшими затратами энергии сверхтонкое измельчение осуществляется при высокочастотном воздействии на материал посредством сравнительно слабых ударов. Часто повторяющиеся, но относительно слабые воздействия на материал могут быть получены в мельницах с минимальной массой мелющих тел или без них.

Сверхтонкое измельчение производят в вибрационных, струйных и коллоидных мельницах, в которых частицы материала измельчаются ≈ от 10 – 0,1 мм до 75*10^-5 – 1*10^-4 мм.

 

Вибрационная мельница

представляет собой цилиндрический или корытообразный корпус – 1, примерно на 80 % своего объема загруженный шарами (иногда стержнями) – 2. Корпус приводится в колебательные движения валом – 3, снабженным дебалансом (в мельницах инерционного типа) или эксцентриковым валом (в гравитационных мельницах). При вращении неуравновешенной массы вала (вибратора) – 3 со скоростью от 1000 до 3000 мин^-1 корпус – 1 с шарами в нем и измельчаемым материалом совершает качательное движение по элептической траектории в плоскости, перпендикулярной оси вибратора. Мелющие тела при этом вращаются вокруг собственной оси, а все содержимое корпуса приводится в планетарное движение в сторону обратную направлению вибратора. Материал интенсивно измельчается под действием частых соударений мелющих тел и истиранием. Корпус установлен на пружинящие опоры – 4 и деревянные подкладки, предотвращающие передачу вибраций основанию мельницы. Вибрационные мельницы используют для сухого и мокрого измельчения периодического и непрерывного действия.

 

Схема струйной мельницы с трубчатой камерой:

1 – трубчатый контур, в нижнюю часть которого через систему сопел – 2 поступает энергоноситель. Материал на измельчение подается таким образом, чтобы каждая пара струй пересекалась в вертикальной плоскости на некотором расстоянии от противоположной стенки трубы. Материал измельчается при многократных соударениях частиц в точках пересечения струй и в общем вихревом потоке. Разделение измельченного материала по крупности частиц происходит в поле центробежных сил при поворотах потока в коленах 4 и 5 трубы. Крупные части отбрасываются к внешней стенке и вновь попадают в зону измельчения. Мелкие движутся у внутренней стенки трубы, выходят вместе с энергоносителем через жалюзи – 6 инерционного пылеразделителя в трубу -7 и далее во внешнюю систему улавливания (циклоны и матерчатый фильтр).

Достоинства струйных мельниц: высокая энергонапряженность и эффективность измельчения, отсутствие вращающихся деталей и мелющих тел, возможность сочетания помола и классификации с сушкой, окислением, восстановлением и т.д.

Недостатки: большой расход энергоносителя, высокая энергоемкость.

 

Коллоидные мельницы. В коллоидных мельницах, применяемых в основном для мокрого сверхтонкого измельчения, материал измельчается в весьма малом (до 0,05 мм) зазоре между быстро вращающимися (ω до 100 м/сек) дисковым ротором и неподвижным корпусом (статором). В вихревом потоке, образующемся в этом зазоре, частицы материала вращаются вокруг собственных осей с такими скоростями, что центробежные силы разрывают их.

 

Нагревание водяным паром

- широко применяется в химической промышленности для ускорения многих массообменных, диффузионных процессов. Преимущества: в результате конденсации пара получают большее количество тепла при относительно небольшом расходе пара, т.е. теплота конденсации его составляет приблизительно r = 2,26*10⁶Дж/кг при р = 1 атм.

Важным достоинством насыщенного пара является постоянство температуры его конденсации при данном давлении, что дает возможность точно поддерживать температуру его нагрева, а также в случае необходимости регулировать ее, изменяя давление греющего пара. Имеет постоянство вдоль всей поверхности стенки, что дает возможность легко автоматизировать процесс.

Основной недостаток водяного пара – значительное возрастание давления с повышением температуры => температуры, до которых можно производить нагревание насыщенным водяным паром, обычно не превышают 180 - 160˚С, что соответствует

р_пара ~ 10-12 атм. При больших давлениях требуется слишком дорогая толстостенная т/о аппаратура, а также велики расходы на коммуникации и арматуру.

 

 

Нагревание глухим паром

- это когда теплоноситель и хладагент разделены стенкой. Пар, соприкасаясь с холодной стенкой, конденсируется и пленка конденсата стекает с поверхности, температура ее приблизительно равна температуре пара. При расчете температуры пленки берут равной температуре пара. Пар подводят в аппарат обычно сверху, а конденсат отводят снизу. Расход глухого пара при непрерывном нагревании определяется из уравнения теплового баланса: D = G*c(t₂ – t₁) + Q_п / (I_п - I_к), где

D – расход глухого пара;

G – расход нагревательной среды;

с – удельная теплоемкость вещества (теплоносителя);

t₂ – температура нагретой среды;

t₁ – начальная температура нагреваемой среды;

Q_п – потери тепла в окружающую среду;

I_п – энтальпия или теплосодержание греющего пара;

I_к – энтальпия конденсации.

Если пар не будет полностью конденсироваться на поверхности т/о и его часть будет уходить с конденсатом, то это вызовет непроизвольный расход пара. Пар, который не сконденсировался – пролетный пар.

 

Нагревание острым паром

- применяют в тех случаях, если имеется возможность смешивания нагреваемой среды с конденсатом, т.е. пар непосредственно введен в эту среду. Это более экологичный метод нагрева, т.к. температура парового конденсата с нагреваемой средой выравнивается. Если одновременно с нагреванием жидкость нужно перемешивать, то ввод острого пара осуществляют через барбатер (трубы с отверстиями и закрытые с одного торца). Расход острого пара определяют, учитывая равенство конечных температур конденсата и нагревателя. Тогда находят уравнение теплового баланса

 D = G*c(t₂ – t₁) + Q_п / (I_п - с *t₂), где

с_к – удельная теплоемкость конденсата.

 

 

Нагревание горячей водой

Горячая вода в качестве нагревающего агента обладает определенными недостатками по сравнению с насыщенным водяным паром. Коэффициент теплоотдачи у воды как и у любой другой жидкости ниже коэффициента теплоотдачи у конденсирующего пара. Кроме того, температура горячей воды снижается вдоль поверхности теплообмена, что ухудшает процесс теплообмена и снижает его регулирование. Горячую воду получают в котлах и паровых водонагревателях (бойлерах). Вода применяется обычно для нагрева до температур не более 100˚С, для температуры больше 100 ˚С используют в качестве теплоносителя воду, находящуюся под избыточным давлением р_изб = 22,5 МПа.

 

 

Нагревание топочными газами

Дымовые или топочные газы относятся к числу наиболее давно применяемых нагревательных агентов. Топочные газы позволяют осуществлять нагревание до высоких температур (1000 - 1100˚С) при незначительных избыточных давлениях. Наиболее часто топочные газы используются для нагревания других газов через стенку других нагревательных агентов. При нагревании до 420˚С для изготовления т/о аппаратуры применяются обычные углеродистые стали. Расход топлива при нагреве топочными газами определяется из уравнения теплового баланса:

В = G*c(t₂ – t₁) + Q_п / (I₁ - I₂), где

В – расход газообразного топлива,

I₁ – энтальпия топочных газов на входе в т/о,

I₂ - энтальпия топочных газов на выходе из т/о.

 

 

Конденсация паров

- может быть осуществлена путем охлаждения пара, либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию пара в основном используют в ХТП, например, при выпаривании, в вакуум - сушке, и в других процессах для создания разряжения. Пары, подлежащие конденсации, обычно отводятся из аппарата, где они образуются, отдельный закрытый аппарат, служащий для конденсации паров, называемых конденсаторами. Объем получаемого конденсата в 1000 и 100 раз меньше объема пара, из которого он образуется. В результате в конденсаторе создается разряженное пространство, причем пространство уменьшается с уме