5. Плавильные процессы и установки

Плавильными называются теплотехнические процессы, протекающие при нагреве исходных материалов до температуры полного перехода их из твёрдого состояния в жидкое и последующим нагревом жидкости (расплава) до температуры выпуска ( на 50 - 200 ⁰С выше температуры плавления).

Если в процессе нагрева материал не претерпевает химических превращений, то плавильный процесс называется переплавом.

Доменная печь – это шахтная печь для получения жидкого чугуна, в отличие от шахтных движение газовых потоков характеризуется большими скоростями и повышенным давлением.

Доменная печь

Рис. 5.1 Доменная печь

Воздушный тракт печи состоит из подвижного колена 1, устройства регулирующего подвод воздуха 2, колена 3, сопла 4, корпуса водо-охлаждаемой формы 5 и корпуса плотно прилегающей к специальному отверстию водо-охлаждаемой амбразуры 6 закрепленной в кожухе 7. Поверхность гладко доменной печи 8 закрыта газонепроницаемым стальным кожухом. Масса кожуха и кладки шахты со всеми устройствами (холодильниками 16, засыпным аппаратом 11, газоотводным патрубком 12, заборником проб газа 13, измерителем уровня засыпки 14, рабочими площадками 15, для обслуживания системы охлаждения) воспринимается колоннами 17, которые

опираются на фундамент 18. Весь обрабатываемый материал воспринимается площадью 9. Выпуск шлака производится через водо-охлаждающую форму 19 по специальному желобу 20, а чугуна, через форму 21 по желобу 22.

Ванная стекловаренная печь

Рис. 5.2 Ванная печь

Мартеновская печь с продувкой ванны кислородом через сводовые фурмы

а – вертикальные; б - наклонные Рис. 5.3 Мартеновская печь

Двухванная сталеплавильная печь

Рис. 5.4 Двухванная печь

Схема кислородно-конвертерной установки для производства стали

Рис. 5.5 Кислородно-конвертерная установка

6. Дистилляционные и ректификационные установки

Бинарные смеси (смеси жидкости и газов) делятся на 3 класса:

1. с практически взаимно не растворимыми компонентами:

Вода и бензол, ртуть и вода. Кипящая смесь из двух взаимно нерастворимых веществ подчиняется закону Дальтона: парциальное давление пара каждого компонента в паровой смеси равно давлению насыщенного пара чистого компонента при температуре кипящей смеси.

2. смесь с компонентами, растворёнными один в другом полностью. Смеси жидкости, в которых силы сцепления между молекулами компонентов, входящих в эту смесь, такие же, как и между молекулами каждого компонента называются идеальными.

Идеальные смеси подчиняются закону Рауля:

Парциальное давление пара каждого компонента в паровой смеси над кипящей при какой-то температуре жидкой смесью равно давлению насыщенного пара этого компонента, кипящего в чистом виде при той же температуре, умноженному на молекулярную долю этого компонента в жидкой смеси.

3. с частично растворимыми компонентами.

Фенол и вода. Содержание летучего компонента в парах таких смесей вычисляется в две стадии: по закону Рауля в пределах растворимости, по закону Дальтона в пределах не растворимости.

.

Ректификацию и дистилляцию называют часто перегонкой, они представляют собой термический процесс разделения жидких смесей на их составные части.

Дистилляцией называют перегонку смеси с полной конденсацией полученных паров.

Рис. 6.1 Дистилляционная установка

Бинарная взаиморастворимая смесь поступает в подогреватель 1 с параметрами т.А и подогревается до состояния кипения т.В. В дистилляционном аппарате 2 получается пары смеси соответственной т. С. Далее пары с концентрацией Х₂ поступает в концентратор 3. Концентрация паров бинарной смеси протекает при Х₂=const. После этого дистиллят поступает во вторую ступень дистилляционной установки, аппарат 4. Во второй ступени получаются пары с более высокой концентрацией . Из аппарата 4 пары поступают в дефлегматор 5. В дефлегматоре происходит частичная концентрация паров и получается влажный пар в т. F. Влажный пар является смесью сухого пара с концентрацией Х₅ и жидкости с концентрацией Х₄. Затем поступает в сепаратор 6, где происходит отделение пара от жидкости. Жидкость с концентрацией поступает в дистилляционный бак 8, а пары с концентрацией направляется в конденсатор 7, где превращаются в дистиллят и поступают в бак 9.

Для достижения наиболее полного разделения компонентов применяют более сложный вид перегонки – ректификацию. Ректификации заключается в противоточном взаимодействии паров, образующихся при перегонке, с с жидкостью, получающейся при конденсации паров. Процесс ректификации осуществляется в установках, где происходит нагрев, испарение смеси, а затем многократный тепло и массообмен между жидкой и паровой фазами легкокипящей компонент переходит из жидкой фазы в паровую, а высококипящий компонент – из паровой фазы в жидкую.

Рис. 6.2 Ректификационная установка

В перегонном кубе I происходит испарение бинарной смеси. Пары смеси поднимаются в ректификационной колонне вверх, а навстречу им из дефлегматора III (через сепаратор IV) стекает флегма – жидкая бинарная смесь. Пары на входе из ректификационной колонны II, имеющие параметры т.8, поступая в дефлегматор, частично конденсируются за счет тепла, отдаваемого воде, которая циркулирует в дефлегматоре. Парожидкостная эмульсия с параметрами т.С, поступает в сепаратор IV, где происходит отделение пара с параметрами т.10 от жидкости с параметрами т.9. Отсепарированный пар поступает в конденсатор V, где конденсируется до т.11 и в виде готового продукта поступает в бак VI. Процесс в колонне происходит следующим образом: жидкость полученная в сепараторе IV с паром 9 вступает в контакт с парами т.6, в результате образуется пар состояния 8 и флегма состояния 7. Эта флегма по опускной трубе сливается на нижнюю тарелку и вступает в контакт с парами состояния 4. После сепарации образуется флегма состояния 5 и пары состояния 6 и т.д.

Количество флегмы в килограммах, приходящееся на 1 кг пара любого сечения колонны называется флегмовым числом. В расчетах по всей колонне принимается постоянное флегмовое число.

Для ректификации многокомпонентных смесей применяют установки состоящие из нескольких колонн.

Рис. 6.3 Типы ректификационных колонн

а – с туннельными желобчатыми колпачками; б – с капсульными колпачками; в – с ситчатыми тарелками; г- с насадками из колец Рашига:

1 – тарелка с туннельными колпачками; 2 – тарелка с капсульными колпачками; 3 – ситчатая тарелка; 4 – насалка; 5 – сливные трубы; 6 – тарелки для равномерного орошения насадки; 7 – люк; 8 – опорная решетка.