Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Машины и аппараты химических производств: Учебное пособие. Часть I

Голосов: 3

В учебном пособии описаны основные разделы, включенные в программу дисциплины "Машины и аппараты химических производств": теплообменные аппараты, массообменные аппараты и аппараты для сушки материалов. Учебное пособие подготовлено на кафедре общей химической технологии Томского политехнического университета и предназначено для студентов специальности 170500 - "Машины и аппараты химических производств" Института дистанционного образования ТПУ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
           Уменьшение свободного объема насадки:
                                ГSнb
                         Пн          ,                            (2.11)
                                gVн
где    Г=L/F – плотность орошения колонны, м3/(м2.с);
       L – количество стекающей по колонне жидкости, м3/с;
       F – площадь сечения колонны, м2;
            23,7
       b          – постоянный коэффициент;
              0,3
           Re ж
                                      4Wж
                               Re ж        ,                      (2.12)
                                      Sн ж
где    Wж – массовая скорость жидкости, кг/(м2.с).

                2.3. Экстракционные аппараты для систем
                           жидкость-жидкость

      Жидкостную экстракцию, т.е. процесс разделения жидких компонентов
с помощью жидкого растворителя (экстрагента), широко применяют в про-
цессах переработки нефти, для разделения ароматических углеводородов и
редкоземельных элементов и др. Процесс экстракции осуществляется в аппа-
ратах, называемых экстракторами.
      Экстракторы подразделяются на гравитационные, в которых взаимное
движение фаз осуществляется за счет сил гравитации и центробежные, где
взаимодействие и сепарация фаз обусловлены полем центробежных сил.

              2.3.1. Колонные (гравитационные) экстракторы

      Колонные экстракторы для системы жидкость–жидкость разделяют на
аппараты без подвода энергии и с подводом энергии. К первым относятся:
распылительные, насадочные, ситчатые экстракторы; ко вторым – смеси-
тельно-отстойные, роторные, пульсационные, вибрационные и др.
      Распылительные экстракционные аппараты представляют собой по-
лые колонны, в которых одна из фаз движется сплошным потоком, а другая –
в виде капель. Эти аппараты просты по конструкции, но малоэффективны.
      Насадочные колонны по конструкции аналогичны насадочным колон-
нам для процессов ректификации и абсорбции. В качестве насадки в них ис-
пользуют преимущественно кольца Рашига.
      Ситчатая экстракционная колонна (рис. 2.19) имеет вертикальный ци-
линдрический корпус 1 и перфорированные (ситчатые) тарелки 2, снабжен-
ные переливными устройствами 3. Колонна работает следующим образом.
Тяжелая фаза ТФ через штуцер 4 подается непрерывно в колонну, сплошным

      91


потоком опускается по колонне и удаляется через штуцер 7. Легкая фаза ЛФ
непрерывно поступает через штуцер 6 в колонну под нижнюю тарелку 2.
Пройдя через отверстия тарелки, эта фаза диспергируется и в виде капель
поднимается на следующую тарелку. В верхней части дисперсная фаза коа-
лесцирует в сплошной слой, образуя уровень раздела фаз а и удаляется через
штуцер 5. В процессе образования капель и их движения осуществляется
процесс массообмена.
      Из аппаратов, работающих с подводом энергии, выделим, прежде все-
го, роторные экстракторы.
      Одной из первых конструкций роторных экстракторов является колон-
на Шайбеля (рис. 2.20), состоящая из чередующихся смесительных 1 и от-
стойных 2 секций. Для перемешивания в смесительных секциях размещены
закрепленные на валу мешалки 3. Отстойные секции заполнены насадкой
(плетеной сеткой с крупными ячейками).




      Рис. 2.19. Ситчатая экстракци-      Рис. 2.20. Экстракционная
  онная                                              колонна Шайбеля
              колонна

    92


      В конструкции, показанной на рис. 2.21, а, смесительная секция I изо-
лирована от отстойной секции II горизонтальными статорными кольцами 1.
В более поздних конструкциях колонн Шайбеля (рис. 2.21, б) перемешивание
фаз осуществляется турбинными мешалками 1 в зоне между неподвижными
кольцевыми перегородками 2 и слоем проволочной сетки 3.
      Роторно-дисковый экстрактор (рис. 2.22) представляет собой колонну,
по оси которой установлен ротор в виде вертикального вала 1 с круглыми го-
ризонтальными дисками 2. Диски вращаются в полости секции, образован-
ной закрепленными на корпусе статорными кольцами 3. Ротор приводится во
вращение от электропривода 4. ЛФ вводится в аппарат снизу, а тяжелая
фракция – сверху.
      Под действием вращающихся дисков фазы в секциях совершают слож-
ное циркуляционное движение, при котором совмещены радиальное и осевое
движение жидкости. Дисперсная и сплошная фазы движутся противотоком.
Капли дробятся дисками, отбрасываются на периферию колонны, сталкива-
ются со стенками колонны и между собой одновременно с дроблением ка-
пель происходит и их коалесценция.




         Рис. 2.21. Экстракционные           Рис.      2.22.     Роторно-
                    колонны с ме-        дисковый
          шалками                                   экстрактор


    93


     Рис. 2.23. Экстракционная уста-     Рис. 2.24. Вибрационный
 новка                                           экстрактор
         с пневматической системой
         пульсации
    В пульсационных экстракторах интенсификацию массообмена между
контактирующими фазами обеспечивают сообщением им колебательного
движения определенной амплитуды и частоты. Независимо от типа насадки
экстракционную колонну в этом случае снабжают генератором пульсаций


    94


(пневматическим, механическим и др.). Так, в установке с пневматической
пульсацией (рис. 2.23) воздух или инертный газ от компрессора 2 через ре-
сивер 5 и распределительный механизм 3 поступает в пульсационную камеру
1 экстрактора 4. При прямом импульсе уровень жидкости в пульсационной
камере снижается, вследствие чего жидкость в колонне поднимается. При
обратном импульсе камера соединяется с атмосферой, и жидкость в колонне
опускается. В аппаратах этого типа не требуется устанавливать переливные
устройства на тарелках, т.к. при подъеме столба жидкости в колонне через
отверстия тарелки проходит легкая фаза ЛФ, а при опускании - ТФ.
      В пульсационных экстракторах используют обычно ситчатые тарелки,
а также тарелки типа КРИМЗ. Последняя более эффективна и представляет
собой плоский диск, на котором отштампованы прямоугольные отверстия с
отбортовкой в виде наклонных направляющих лопаток. Отверстия размеще-
ны по концентрическим окружностям, причем лопатки соседних тарелок на-
клонены в противоположные стороны.
      В вибрационных экстракторах эффективный массообмен обеспечива-
ется возвратно-поступательным движением пакета перфорированных таре-
лок, через которые жидкость проталкивается в виде распадающихся на капли
струй. В отличие от пульсаций столба жидкости, вибрация тарелок происхо-
дит с меньшей амплитудой и большой частотой.
      На рис. 2.24 показан вибрационный экстрактор. ТФ и ЛФ движутся
противотоком. В верхней части колонны 1 размещен электропривод 4 с экс-
центриком 5. При вращении вала эксцентрик передает возвратно-
поступательное движение штоку 2, с которым жестко соединены перфориро-
ванные тарелки 3.

                   2.3.2. Центробежные экстракторы

    Являются перспективным оборудованием для проведения процессов
жидкостной экстракции. Поскольку ускорение генерируемого в них центро-
бежного поля превышает ускорение свободного падения в 103–104 раз, в этих
экстракторах достигается большая скорость взаимодействия жидкостей, вы-
сокая эффективность массообмена и четкая сепарация выходных потоков.
    В связи с этим такие аппараты компактны, в них невелики объемы жид-
костей, минимальна пожаро- и взрывоопасность, невелико время контакти-
рования. Они используются при обработке нестойких, легко эмульгируемых
жидкостей, а также для смесей компонентов с мало отличающимися плотно-
стями.
    Центробежные экстракторы можно разделить на две основные группы:
    – камерные или дискретно-ступенчатые, состоящие из отдельных
ступеней (камер), в каждой из которых происходят последовательно смеше-
ние и разделение противоточно движущихся фаз;



    95


     – дифференциально-контактные, в которых процесс протекает при
непрерывном контактировании противоточно движущихся фаз.
      Примером безнапорного экстрактора дифференциально-контактного
типа может служить центробежный экстрактор (рис. 2.25), разработанный
для селективной очистки смазочных масел. Аппарат состоит из цилиндриче-
ского ротора 2, заключенного в кожух 1 и опирающегося на подшипники 4.
Вал 3 ротора приводится от электродвигателя через клиноременную переда-
чу 5. На обоих концах вала расположены устройства 6 подвода жидкости.
Внутри ротора с переменным шагом размещены контактные цилиндры 11.
Ротор закрыт кожухом 12.
     Тяжелая ТФ и легкая ЛФ фазы жидкости самотеком через устройства 6
поступают в полый вал, откуда под действием центробежных сил перемеща-
ются: ЛФ – по радиальным каналам в диске 9 к периферии ротора, а ТФ – к
первому от оси аппарата контактному цилиндру. ЛФ сплошным потоком пе-
ремещается из периферийной зоны к центру аппарата, попадает в приемный
карман 13 и заборным диском 14 удаляется из аппарата. ТФ, диспергируясь
при истечении из отверстий вала 3, перемещается к стенкам контактного ци-
линдра. На периферии ротора дисперсная фаза сепарируется на тарелках 10,
коалесцирует, образует сплошной слой и отводится по каналам в диске 9 в
приемный карман a (образованный крышкой 8) для ТФ, откуда удаляется
заборным диском 7.




                Рис. 2.25. Безнапорный центробежный экстрактор

    96


                    2.4. Механический расчет тарелок
        Механический расчет тарелок в зависимости от их конструкции вклю-
чает:
     – расчет диска и опорного каркаса на прочность и жесткость;
     – проверку контактных устройств на жесткость;
     – расчет на прочность колосников для тарелок под насадку.
     Диск тарелки бескаркасного типа можно рассматривать как тонкую
круглую пластину, опертую по контуру и нагруженную равномерной нагруз-
кой от собственного веса и веса жидкости. В этом случае толщину диска оп-
ределяют по формуле:
                                     p
                        S 0,56 D        ,                          (2.13)

где     S – расчетная толщина пластины, м;
        D – диаметр пластины, м;
        p – равномерная нагрузка или давление, Па;
           – допускаемое напряжение, МПа.
        Прогиб в центре тарелки:
                                         pR4
                                    4,08      ,                     (2.14)
                                         64 N
где       – прогиб в центре пластины, м;
        R – радиус пластины, м;
        N - цилиндрическая жесткость, Н.м;
                                      E ( S )3
                                N                      ,            (2.15)
                                               2
                                    12(1           )
где   E – модуль продольной упругости, материала пластины, МПа;
       – коэффициент Пуассона (для стали =0,3).
     Величина прогиба диска тарелки не должна превышать 1/2000 ее диа-
метра.
      Каркас тарелки рассчитывают на нагрузку от веса тарелки Qт , веса
жидкости или насадки Qн , которые находятся на тарелке, и собственного ве-
са балок каркаса (рис. 2.26). Нагрузка на каркас определяется по формуле
                               Q Qт        Qн .                     (2.16)
        Удельная нагрузка на единицу площади тарелки:
                                     4Q
                                p          .                        (2.17)
                                     D2




      97


    Рис. 2.26. Схема каркаса тарелки           Рис. 2.27. Схема нагружения балки

     Нагрузки на площади F1 ,…, F6 , ограниченные по контуру опорными
балками и кольцом:
                     Q1 pF , Q2 pF2 и т. д.
                            1
    Удельную нагрузку, приходящуюся на единицу длины балок, рассчиты-
вают из условия равномерного распределения нагрузок ( Q1,Q2 и т.д.) по их
опорным периметрам, т.е.
                              Q1
                      q1             ,
                         ab bc ca
                                       Q2
                        q2                          и т. д.
                               ac cf        fe ea
     Суммарные удельные, равномерно распределенные нагрузки на от-
дельные участки балки bh с учетом нагрузки от собственного веса балки qб
можно подсчитать по формулам:
                        qbc    q1   q4      qб ,
                        qcf    q2   q5      qб ,

                        q fh   q3   q6      qб .

      Кроме равномерно распределенной нагрузки, на центральную балку bh
действуют сосредоточенные силы в местах крепления боковых балок в точ-
ках c и f (рис. 2.27)



    98


                   1                    1
             Gc      q1   q2    qб ac     q4   q5   qб сd ;
                   2                    2
                   1                    1
             Gf      q2    q3   qб ef     q5   q6   qб fq ,
                   2                    2
где qб - удельная, равномерно распределенная нагрузка от собственного
веса боковых балок.
      Каркас тарелки должен придавать ей необходимую жесткость. При не-
достаточной жесткости балок каркаса гидравлические затворы прорезей кон-
тактных устройств в центре тарелки будут больше, чем у периферии. Это
приведет к нарушению равномерности барботажа. В связи с этим максималь-
ный прогиб балок каркаса должен быть не более 1/2000 ее пролета и не более
3 мм. При расчете балок следует подбирать необходимый профиль с учетом
прибавки на коррозию.

                          2.5. Расчет опорной обечайки

        Расчет опорной обечайки (рис. 2.28) цилиндрических аппаратов вклю-
чает:
      – выбор размеров площади опорной поверхности фундаментного коль-
ца и проверку фундамента на напряжение сжатия, возникающие на опорной
поверхности;
      – определение толщины фундаментного кольца и других элементов
опоры;
      – расчет аппарата на устойчивость против опрокидывания (выбор числа
и размеров фундаментных болтов);
      – расчет сварного шва 2, соединяющего опорную часть 3 с аппаратом;
      – проверку устойчивости цилиндрической формы стенки опорной час-
ти аппарата.
      Максимальное напряжение на опорной поверхности фундаментного
кольца при максимальном весе Qmax и при рабочем весе Qр аппарата и со-
ответствующих изгибающих моментах M от действия ветровых и весовых
сил:
                           Qmax M
                      max           ;                        (2.18)
                             F    W
                           Qр M
                      max         ,                          (2.19)
                            F   W
               2    2
где     F     D2   D1 – опорная площадь фундаментного кольца, м2;
             4
где     D1 – внутренний диаметр опорного фундаментного кольца, м;
        D2 – наружный диаметр, м.


      99


                Рис. 2.28. Схема к расчету напряжений на опорной
                          поверхности аппарата при весе аппарата:
                         а – минимальном; б – максимальном.

              4   4
             D2 D1
     W                    – момент сопротивления изгибу опорной площади
          32   D2
фундаментного кольца, м3;
     Для цилиндрических аппаратов внутренний и наружный диаметры
фундаментного кольца обычно принимают равным, соответственно:
           D1   Dн (1 0,65ko ) ;    D2    Dн (1 1,35ko ) ,
    где    k o – коэффициент, определяемый графически и зависящий от
диаметра аппарата;
     Dн – наружный диаметр аппарата, м.



    100



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика