Осаждение в поле центробежных сил

Разделение неоднородных жидких систем может проводиться под действием центробежных сил, в этом случае происходит гораздо более интенсивное разделение, чем под действием сил тяжести.

Центробежное осаждение производится в гидроциклонах и в центрифугах.

Для более эффективного разделения твердой и жидкой фаз применяют гидроциклоны специальных конструкций, например, мультигидроциклоны (рис. 9).

Мультигидроциклоны состоят из параллельно работающих элементов (гидроциклонов) диаметром 10-150 мм. Цилонные элементы сверху и снизу герметично закреплены в решетках 1 и 2. Суспензия поступает на разделение снизу по трубе 3, осветленная жидкость — слив удаляется из циклонных элементов через общий патрубок 4, сгущенная суспензия — пески отводится через нижнюю камеру в общий патрубок 5. При использовании циклонных элементов небольшого диаметра величина центробежных сил значительно возрастает.

 

Фильтрование

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий при помощи пористой перегородки, пропускающей жидкость (фильтрат) и задерживающей взвешенные в ней твердые частицы.

Различают следующие виды фильтрования:

1) фильтрование с образованием слоя осадкана фильтровальной перегородке;

2) сгущение — отделение твердой фазы от жидкой не в виде осадка, а в виде высококонцентрированной (сгущенной) суспензии;

3) осветление — фильтрование жидкостей с незначительным содержанием твердой фазы.

Суспензии, содержащие 0,1 — 1% твердой фазы, перед фильтрованием желательно подвергать предварительному сгущению в отстойниках.

Фильтрование с образованием осадка наиболее распространено. В большинстве случаев твердые частицы в первые моменты с начала фильтрования проходят через поры фильтровальной перегородки, но вскоре накапливаются на ней, и через фильтр начинает протекать только осветленная жидкость — фильтрат. Таким образом, в этом процессе образующийся слой осадка играет роль основной фильтрующей среды.

Фильтрование с образованием осадка наиболее часто проводится при постоянном давлении, т.к. этот режим процесса прост и удобен в практическом отношении. Но при проведении процесса под постоянным давлением скорость фильтрования с увеличением слоя осадка будет уменьшаться. Для поддержания постоянной скорости фильтрования приходится увеличивать перепад давления на фильтре по мере протекания процесса. В некоторых случаях фильтрование проводят при постоянной скорости, например в фильтрпрессах.

В процессе фильтрования очень вязких жидкостей с небольшим содержанием мелких твердых частиц, частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются в них. При этом на поверхности фильтровальной перегородки почти не образуется слоя осадка. В таком процессе, фильтрование с закупориванием пор, по мере задержки все большего количества твердых частиц в порах фильтровальной перегородки ее сопротивление быстро возрастает и скорость фильтрования уменьшается. Поэтому фильтрования с закупориванием пор стремятся избежать, но на практике фильтрование иногда протекает с частичной закупоркой пор; возможно также сочетание процессов фильтрования с образованием осадка и частичным закупориванием пор.

Сгущение применяется для частичного отделения жидкой фазы путем фильтрования, т.е. для той же цели, что и отстаивание под действием сил тяжести. Однако сгущение путем фильтрования можно проводить в значительно более компактной аппаратуре и получить более чистый фильтрат.

Осветление жидкостей часто производится путем добавки вспомогательных веществ в суспензию или создания намывного слоя этих веществ на фильтре.

В качестве вспомогательных веществ применяют диатомит (осадочная горная порода, состоящая преимущественно из останков диатомовых водорослей; обычно рыхлая или слабо сцементированная, светло-серого или желтоватого цвета), бумажную массу, уголь, асбест, отбеливающую землю и др.

Эти вещества, накапливаясь на фильтре, задерживают очень мелкие частицы осадка (диаметром 1 мк и менее), а некоторые из них, например, отбеливающая земля и активированный уголь, адсорбируют на поверхности мельчайшие твердые частицы.

Вспомогательные вещества добавляют в количестве 0,1-0,5% (иногда до 2%) от веса суспензии и после промывки часто вновь используют. Иногда вместо добавления в суспензию вспомогательные вещества намывают в виде слоя небольшой толщины на поверхность фильтра, что значительно облегчает отделение тонкодисперсных взвешенных частиц.

Фильтрование часто сопровождается осаждением частиц под действием сил тяжести. Осаждение способствует фильтрованию, если движение суспензии вследствие разности давлений и движение осаждающихся частиц совпадают по направлению, т.е. если фильтровальная перегородка горизонтальна и находится под слоем суспензии. В противном случае осаждение частиц препятствует фильтрованию.

Получаемые при фильтровании осадки делятся на сжимаемые,частицы которых деформируются, и размер пор уменьшается с повышением давления, и несжимаемые,в которых размер и форма частиц практически не меняются с изменением давления. Кроме того, различают кристаллические, аморфные и коллоидные осадки. Аморфные и коллоидные осадки отделяются от жидкости труднее кристаллических и являются трудно фильтруемыми.

Для более полного удаления из осадка находящейся в нем жидкости (маточного раствора) осадки промывают. Иногда для полноты промывки фильтрование проводят в двух последовательно работающих фильтрах, осадок из первого фильтра смешивают с промывной жидкостью и вновь отфильтровывают (двухступенчатое фильтрование).

 

Устройство фильтров

Промышленные фильтры разделяются по режиму работы на фильтры периодического и непрерывного действия, а по величине рабочего давления – на вакуум-фильтры и фильтры, работающие под давлением.

Классификация фильтров:

 

Центрифугирование

Наиболее распространенным способом разделения жидких неоднородных систем под действием центробежных сил является центрифугирование(или фугование), которое осуществляется в машинах, называемых центрифугами. Основная часть центрифуги – барабан (корзина) со сплошными или дырчатыми стенками, вращающийся с большой скоростью на вертикальном или горизонтальном валу.

Различают следующие процессы разделения суспензий в центрифугах:

1) центробежное фильтрование;

2) центробежное отстаивание;

3) центробежное осветление.

Центробежное фильтрованиепредставляет собой процесс разделения суспензий в центрифугах с дырчатыми барабанами. Внутренняя поверхность такого барабана покрыта фильтровальной тканью. Суспензия центробежной силой отбрасывается к стенкам барабана, при этом твердая фаза остается на поверхности ткани, а жидкость под действием центробежной силы проходит сквозь слой осадка и ткань удаляется наружу через отверстия в барабане.

Центробежное фильтрование в общем случае складывается из трех последовательно протекающих физических процессов:

1) фильтрование с образованием осадка,

2) уплотнение осадка,

3) удаления из осадка жидкости, удерживаемой молекулярными силами.

При помощи центробежного фильтрования может быть достигнута высокая степень обезвоживания осадка.

Центробежное отстаивание представляет собой процесс разделения суспензий в центрифугах, имеющих барабаны со сплошными стенками. Суспензия вводится в нижнюю часть барабана и под действием центробежной силы отбрасывается к стенкам. Непосредственно у стенок образуется слой осадка, а жидкость образует внутренний слой и вытесняется из барабана поступающей на разделение суспензией. При центробежном отстаивании происходят два физических процесса:

1) осаждение твердой фазы;

2) уплотнение осадка.

Центробежное осветлениетакже проводится в сплошных барабанах и служит для очистки жидкостей, содержащих незначительное количество твердой фазы. Этот процесс применяется для разделения тонких суспензий и коллоидных растворов.

По физической сущности центробежное осветление представляет собой процесс свободного осаждения твердых частиц и в поле центробежных сил.

В барабанах со сплошными стенками производится также разделение эмульсий. Под действием центробежной силы компоненты эмульсин в соответствии с плотностью располагаются в виде разграниченных слоев: наружного слоя жидкость с большей плотностью и внутреннего слоя более легкой жидкости. Жидкости выводятся из барабана порознь.

Таким образом, центрифугирование представляет собой процессы отстаивания и фильтрования в поле центробежных сил.

Развиваемые при центрифугировании центробежные сил оказывают на разделяемую жидкую систему гораздо больше воздействие, чем силы тяжести и давления. Поэтому центрифугирование является гораздо более эффективным способом механического разделения неоднородных жидких систем, чем отстаивание и фильтрование.

Классификация центрифуг:

Очистка газов

Очистка промышленных газон от взвешенных в них твердых частиц или жидких веществ проводится:

1) для улавливания ценных продуктов;

2) для удаления примесей, отрицательно влияющих на последующую обработку газа или разрушающих аппаратуру;

3) для уменьшении загрязненности атмосферного воздуха.

Загрязнение атмосферного воздуха отходящими газами промышленных предприятий может быть устранено или сведено к минимуму. Для этого необходимы:

1) рациональная организации технологических процессов – применение таких способов производства и аппаратуры, при которых атмосферный воздух загрязняется в наименьшей степени;

2) применение герметичных приспособлений для внутризаводского транспортирования пылящих или выделяющих газы веществ;

3) разработка и внедрение промышленных способов использования золы, огарка, шламов и других отходов производства, загрязняющих воздух;

4) механизация производственных процессов и автоматизация управления ими.

Примеси, содержащиеся в отходящих промышленных газах в газо- или парообразном состоянии, извлекаются путем поглощения жидкостями (абсорбция) или твердыми веществами (адсорбция), а также путем каталитического окисления или сжигания.

Очистка промышленных газон от взвешенных частиц производится осаждением под действием сил тяжести, инерционных или электростатических сил, а также путем промывки и фильтрования.

Классификация пылеуловаителей, применяемые для очитски газов:

В ряде случаев для достижения требуемой степени очистки газов применяются двухступенчатые и многоступенчатые установки, состоящие из газоочистительных аппаратов разных типов. Иногда пылеочистители разных типов совмещают в одном агрегате.

 

Перемешивание

Перемешивание широко применяется в химической промышленности для приготовления суспензий, эмульсий и растворов. Посредством перемешивания достигается тесное соприкосновениe частиц и непрерывное обновление поверхности взаимодействия веществ. Вследствие этого при перемешивании значительно ускоряются процессы массообмена, например, растворениe твердых веществ в жидкостях, процессы теплообмена и протекание многих химических реакций. Перемешивание используют для ускорения абсорбции, выпаривания и других основных процессов химической технологии.

Наиболее распространением способом перемешивания в жидких средах является механическое перемешиваниепри помощи мешалок, снабженных лопастями.

Механические мешалки разделяются по устройству ломастей:

1) лопастные – с плоскими лопастями;

2) пропеллерные – с винтовыми лопастями;

3) турбинные;

4) специальные (якорные и др.)

Помимо механического перемешивания, применяют также перемешивание сжатым воздухом. Иногда жидкости перемешивают многократным перекачиванием их насосом через аппарат, т.е. путем циркуляции в замкнутом контуре.

 

Лекция 4

Тепловые процессы

I Основы теплопередачи

При тепловых процессах тепло передается от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса тепла одно из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещества, участвующие в процессе перехода тепла(теплообмене), называются теплоносителями. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдает тепло, будем называть горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, воспринимающее тепло, – холодным теплоносителем.

Существуютдва основных способа проведения тепловых процессов: путем непосредственного соприкосновения теплоносителей и передачей тепла через стенку, разделяющую теплоносители.

При передаче тепла непосредственным соприкосновениемтеплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.

При передаче тепла через стенкутеплоносители не смешиваются, и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившиеся и неустановившиеся процессы теплопередачи.

При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени; при неустановившемся (нестационарном) процессетемпературы изменяются во времени.

Установившиеся процессы соответствуют непрерывной работе аппаратов с постоянным режимом; неустановившиеся процессы протекают в аппаратах периодического действия, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия и изменении режима их работы.

Передача тепла от одного тела к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускани я.

Передача тепла теплопроводностью осуществляется путем переноса тепла при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела. При этом энергия передается от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц, без их перемещения друг относительно друга.

Передача тепла конвенцией происходит только в жидкостях и газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная или естественная конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Передача тепла лучеиспусканием происходит путем переноса энергии в виде электромагнитных волн. В этом случае тепловая энергия превращается в лучистую энергию (излучение), которая проходит через пространство и затем снова превращается в тепловую при поглощении энергии другим телом (поглощение).

Рассмотренные виды передачи тепла редко встречаются в чистом виде; обычно они сопутствуют друг другу (сложный теплообмен).

При непрерывном процессе теплоносители всмегда находятся во взаимном движении, направления котрого могут быть различны. Основными видами движения теплоносителей являются прямоток и противоток.

При прямотоке оба теплоносителя движутся вдоль поверхности теплообмена в одном и том же направлении.

При противотоке теплоносители движутся в противоположных направлениях.

1 Основные определения

Количество тепла, передаваемого в единицу времени от одного тела к другому, называется тепловым потоком.

Тепловая нагрузка аппарата – это количество тепла, передаваемого от горячего теплоносителя к холодному.

Температурный перепад – изменение температуры теплоносителей в процессе теплообмена (т.е. охлаждение горячего или нагревание холодного теплоносителя).

Удельная теплоемкость – это количество теплоты, которое необходимо подвести к единице массы вещества, чтобы нагреть его на единицу температуры.

Водяной эквивалент – это произведение количества теплоносителя на его удельную теплоемкость.

Температурный напор – это разность температур, являющаяся движущей силой процесса.

Коэффициент теплопередачи – это количество тепла, передаваемая через единицу поверхности в единицу времени при температурном напоре, равном единице.

Коэффициент теплопроводности – это количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу поверхности при разности температур 1ºС на единицу толщины стенки.

Коэффициент теплоотдачи – количество теплоты, отдаваемое с 1 м² поверхности за единицу времени при единичном температурном напоре.

Термодинамическое равновесие – состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды.

Насыщенный пар – это пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твёрдым телом того же состава.

Конвекция

При вынужденной конвенции теплоноситель движется вдоль поверхности теплообмена с определенной скоростью под действием внешней силы, например, силы тяжести или силы давления, развиваемого насосом, компрессором или вентилятором.

Свободная конвекция характеризуется движением отдельных частиц теплоносителя, возникающим вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц. Рассмотрим, например, неподвижную жидкость в сосуде, причем тепло подводится через стенки этого сосуда. Частицы жидкости, соприкасающиеся со стенками, нагреваются и становятся легче, в результате чегоони поднимаются вверх. На их место поступают холодные частицы, которые также нагреваются и поднимаются. В результате возникает движение частиц жидкости – так называемые конвекционные токи. Чем интенсивнее теплообмен, т.е. чем больше передавется тепла, тем интенсивнее конвекционные токи.

При соприкосновении пара состенкой, температура которой ниже температуры насыщения пара, происходит конденсация пара, причем конденсат осаждается на стенке. Различают пленочную конденсацию, когдаконденсат осаждается в виде сплошной пленки, и капельную конденсацию,когда конденсат осаждается в виде капель,

Капельная конденсация наблюдается в том случае, если конденсат не смачивает поверхность стенки, а также при конденсации пара с примесью масла и некоторых других веществ на полированной стенке. В большинстве случаев происходит пленочная конденсация.

Лучеиспускание

Лучеиспускание свойственно всем телам, при этом излучение энергии происходит непрерывно в результате сложных внутриатомных возмущений, интенсивность которых определяется температурой тела. Лучистая энергия представляет собой энергию электромагнитных колебаний с различными длинами волн.

При попадании лучистой энергии на какое-либо тело поглощается лишь часть этой энергии; другая ее часть отражается, а некоторая часть проходит сквозь тело. Тела, поглощающие всю падающую па них лучистую энергию, называются абсолютно черными.Тела, полностью отражающие падающую на них лучистую энергию, называются абсолютно белыми,а тела, пропускающие всю падающую на них энергию, – абсолютно непрозрачными.

Абсолютно черных, белых и прозрачных тел в природе не существует. Практически прозрачными телами являются одно- -и двухатомные газы (воздух, азот, кислород, водород и др.). Твердые тела и жидкости для тепловых лучей непрозрачны.

Поглощение и отражение лучистой энергии твердыми телами в значительной степени зависит от состояния их поверхности: гладкие и полированные поверхности обладают высокой отражающей способностью; шероховатые поверхности обладают высокой поглощающей способностью. Наиболее высокой поглощающей способностью, близкой к абсолютно черному телу, обладает сажа, которая поглощает 90-96% падающей на нее лучистой энергии.