массооб колонн

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

М. Ю. Сарилов, П. М. Тягущев

МАШИНЫ И АППАРАТЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Утверждено в качестве учебного пособия Учёным советом Федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Комсомольск-на-Амуре

2015

УДК 66.02 ББК 35.113я7

С201

Рецензенты:

Кафедра теории и методики технологического образования ФГБОУ ВПО «Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет»,

заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент В. Ф. Иваненко; В. М. Козин, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией механики деформирования ФГБУН «Институт машиноведения и металлургии» Дальневосточного отделения Российской академии наук

Сарилов, М. Ю.

С201 Машины и аппараты массообменных процессов : учеб. пособие / М. Ю. Сарилов, П. М. Тягущев. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВПО

«КнАГТУ», 2015. – 52 с. ISBN 978-5-7765-1226-1

В учебном пособии рассмотрены вопросы, касающиеся оборудования массообменных процессов, конструкционных материалов, нормативных документов.

Предназначено для студентов направления 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», профиль «Оборудование нефтегазопереработки», и направления 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», профиль «Машины и аппараты химических производств».

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Массообменные процессы играют важную роль при переработке нефти, различных углеводородных и других смесей. Путем ректификации из нефти получают различные продукты: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масляные фракции, узкие (по температурам кипения) бензиновые фракции. При ректификации сжиженных газов выделяют этилен, этан, пропан, бутан и другие компоненты. Путем перегонки в вакууме получают специальные масла.

Абсорбцию жидкими поглотителями и адсорбцию твердыми веществами используют для извлечения из природных и попутных газов, а также из газов нефтеперерабатывающих заводов пропан-пропиленовой, бу- тан-бутиленовой, бензиновой фракций, которые служат сырьем для нефтехимической промышленности.

Для извлечения ароматических углеводородов из бензиновых фракций при производстве масел и очистке нефтепродуктов применяется процесс экстракции.

Процесс сушки нашел применение в производстве катализаторов и адсорбентов.

Даже такой неполный перечень использования массообменных процессов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности свидетельствует об их широком распространении и важности решаемых с помощью этих процессов технологических задач.

1. МАССООБМЕН

1.1. Общие сведения

Массообмен – необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или нескольких фаз. Осуществляется в результате хаотичного движения молекул. Массообмен включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз). Различают эквимолярный массообмен (например ректификация), при котором через поверхность раздела фаз в противоположных направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и неэквимолярный (например абсорбция). Массообмен лежит в основе разнообразных процессов разделения и очистки веществ, объединяемых в класс массообменных процессов. Многие тепловые процессы, такие, как прокаливание, конденсация, выпаривание, испарение – сопровождаются массообменом. При проведении химических процессов массообмен определяет скорость подвода вещества в зону реак-

4

ции и удаления продуктов реакции. В большинстве случаев в массообмене участвуют две или более фаз, в которых концентрации целевого компонента при равновесии различаются. При взаимодействии двух фаз в соответствии со вторым началом термодинамики их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством температур и давлений фаз, а также равенством химических потенциалов каждого компонента в сосуществующих фазах.

Массообмен осуществляется также под действием градиентов электрических потенциалов (при электрофорезе, в электрохимических процессах), температуры (например, в термодиффузионной колонне для разделения изотопов) и другого. Однако на практике движущую силу массообмена обычно выражают через градиент концентраций, что значительно упрощает связь между скоростью процесса и составом технологических потоков. В ряде случаев использование концентрации движущей силы можно обосновать теоретически.

Учет условий существования данного количества фаз и законов распределения компонентов в них, определяемых фаз правилом и законами равновесия, необходимо для понимания и анализа любого процесса массообмена. Термодинамическая теория фазовых равновесий разработана достаточно хорошо, хотя для практических расчетов, когда это возможно, в ряде случаев надежнее использовать экспериментальные данные, приводимые в справочной литературе. Условия контактирования фаз в процессах массообмена исключительно разнообразны. Так, при дистилляции в непосредственном контакте находятся насыщенный пар и кипящая жидкость, что способствует переносу менее летучих компонентов из пара в жидкость и более летучих – из жидкости в пар. В процессах адсорбции газовая или жидкая смесь разделяется в результате предпочтительной сорбции одного из компонентов на поверхности твердого адсорбента. Кристаллизацию используют для выделения кристаллизующейся твердой фазы из резервуара путем создания условий перенасыщения по нужному компоненту. Мембранные процессы разделения основаны на способности некоторых тонких пленок или пористых перегородок пропускать одни соединения и задерживать другие. Операции сушки зависят от переноса как жидкости, так и пара внутри твердого тела и затем пара в осушающий газ. Все эти процессы, а также ионный обмен, сублимация и другие, объединяются общими кинетическими закономерностями, определяющими скорость межфазного переноса массы. Последняя зависит от скорости молекулярной диффузии в неподвижной среде и скорости конвективной диффузии – в движущейся среде, а также от специфических условий на границе раздела фаз.

5

1.2. Классификация массообменных процессов

Ректификация (от позднелатинского rectificatio – выпрямление, исправление) – разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся температурами кипения, путем многократных испарения жидкости и конденсации паров. Для ректификации обычно используют колонные аппараты, называемые ректификационными колоннами, в которых осуществляется многократный контакт между потоками паровой и жидкой фаз. Движущая сила ректификации – разность между фактическими (рабочими) и равновесными концентрациями компонентов в паровой фазе, отвечающими данному составу жидкой фазы. Парожидкостная система стремится к достижению равновесного состояния, в результате чего пар при контакте с жидкостью обогащается низкокипящими компонентами, а жидкость – высококипящими компонентами. Поскольку жидкость и пар движутся, как правило, противотоком (пар – вверх, жидкость – вниз), при достаточно большой высоте колонны в ее верхней части можно получить практически чистый целевой компонент. В зависимости от температур кипения разделяемых жидкостей ректификацию проводят под различным давлением: атмосферным (температура кипения 30 - 150 °С), выше атмосферного (при разделении жидкостей с низкими температурами кипения, например сжиженных газов), в вакууме (при разделении высококипящих жидкостей для снижения их температур кипения). Ректификацию можно осуществлять непрерывно или периодически. Для непрерывной ректификации применяют колонны, состоящие из двух ступеней: верхней

– укрепляющей (в ней пар укрепляется, т.е. обогащается низкокипящий компонент) и нижней – исчерпывающей (где происходит исчерпывание жидкой смеси, т. е. извлечение низкокипящего компонента и обогащение ее высококипящим компонентом). При периодической ректификации в колонне производится только укрепление пара. Различают ректификацию бинарных (двухкомпонентных) и многокомпонентных смесей.

Экстракция (от позднелатинского extractio – извлечение), экстрагирование – процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов). Процесс экстракции включает 3 последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение (расслаивание) двух образующихся фаз; удаление экстрагента из обеих фаз и его регенерацию с целью повторного использования. После механического разделения получают раствор извлекаемого вещества в экстрагенте (экстракт) и остаток исходного раствора (рафинат) или твёрдого вещества. Выделение экстрагированного вещества из экстракта и одновременно регенерация

6

экстрагента производится дистилляцией, выпариванием, кристаллизацией и т. п. Достоинствами экстракции являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком экстракции в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ.

Адсорбция (от латинского ad – на, при и sorbeo – поглощаю), изменение, обычно – повышение концентрации вещества вблизи поверхности раздела фаз ("поглощение на поверхности"). В общем случае причина адсорбции – нескомпенсированность межмолекулярных сил вблизи этой поверхности, т.е. наличие адсорбционного силового поля. Тело, создающее такое поле, называется адсорбентом, вещество, молекулы которого могут адсорбироваться, – адсорбтивом, уже адсорбированное вещество – адсорбатом. Процесс, обратный адсорбции, называется десорбцией. Природа адсорбции может быть весьма различной. Если это ван-дер-ваальсовы силы, то адсорбция называется физической, если валентные (т.е. адсорбция сопровождается образованием поверхностных химических соединений), – химической, или хемосорбцией. Отличительные черты хемосорбции – необратимость, высокие тепловые эффекты (сотни кДж/моль), активированный характер. Между физической и химической адсорбцией существует множество промежуточных случаев (например, адсорбция, обусловленная образованием водородных связей). Возможны также различные типы физической адсорбции наиболее универсально проявление дисперсионных межмолекулярных сил притяжения, так как они приблизительно постоянны для адсорбентов с поверхностью любой химической природы. Физическая адсорбция может быть вызвана электростатическими силами (взаимодействия между ионами, диполями или квадруполями); при этом адсорбция определяется химической природой молекул адсорбтива (так называемая специфическая адсорбция). Значительную роль при адсорбции играет также геометрия поверхности раздела: в случае плоской поверхности говорят об адсорбции на открытой поверхности, в случае слабо или сильно искривленной поверхности – об адсорбции в порах адсорбента. В теории адсорбции различают статику (система адсорбент – адсорбат находится в термодинамическом равновесии) и кинетику (равновесия нет).

7

1.3. Требования, предъявляемые к массообменному оборудованию

На химических производствах задействовано огромное количество всевозможного промышленного оборудования, которое можно разделить на следующие классы:

машины;

аппараты.

Аппарат – инженерная конструкция, которая обладает рабочим объемом и оснащена энергетическими и контрольно-измерительными средствами управления и мониторинга техпроцессом.

Машина – инженерная конструкция, в которой протекание технологического процесса сопряжено с вводом в рабочий объем механической энергии посредством рабочих органов оборудования.

К оборудованию массообменных процессов относятся: адсорберы, сушилки, аппараты для диффузионных и баромембранных процессов, оборудование для выщелачивания и растворения, ионообменные аппараты, ректификаторы, экстракторы, растворители, нейтрализаторы, мембранное оборудование и прочее.

При создании современного промышленного оборудования для химических производств используют такие направления, как:

унификация – использование в различных отраслях химической промышленности аналогичных (очень похожих) по конструкции машин и аппаратов. Такой подход дает возможность однообразить не только какиелибо отдельно взятые детали, узлы и сборочные единицы, но и целый ряд машин и аппаратов.

Унификация химического оборудования в значительной мере облегчает не только работу на этапе проектирования машин и аппаратов, но и еще делает более легким их изготовление и эксплуатацию. Ко всему прочему, введение унификации в значительной мере повышает эффективность их использования по назначению. К примеру, если унифицировать на химических производствах теплообменные аппараты, это позволит значительно снизить затраты на их ремонт, ТО (техническое обслуживание) и замену, а так же несколько сократит время того же ремонта или аварийного простоя. Кроме этого, унификация помогает совершенствовать методы проведения необходимых ремонтных работ, уменьшает отходы материалов

идеталей и сокращает число персонала, занимающегося обслуживанием и ремонтом данных машин и аппаратов;

интенсификация – резкое повышение интенсивности и эффективности производственного оборудования в силу некоторого увеличения масштаба того или иного химического производства. Это достигается, как правило, путем преобразования технологического процесса за счет использования более высоких температур и давления, увеличения скорости, при-

8

менения более активно действующих катализаторов, положительных изменений гидравлических режимов в машинах и аппаратах и так далее. К примеру, сегодня многие российские химические предприятия уже освоили процесс синтеза таких продуктов, как аммиак, метанол, бутиловый спирт и карбамид, которые осуществляются в аппаратах под давлением.

Стоит отметить, что осуществлять интенсификацию химических отечественных производств сегодня помогает так же внедрение новейших технологий, в основу которых легли плазменные, мембранные, импульсные, электронно-лучевые и другие химические и физические тонкие процессы. Например, применение плазменной технологии позволяет сложные химические реакции, которые требуют высокой температуры, давления и длительного времени, осуществлять в минимально короткие сроки.

повышение надежности – механическую надежность, бесперебойную и длительную работу химического оборудования определяют такие свойства оборудования, как прочность, жесткость, герметичность, устойчивость и долговечность. Надежность в установках химических производств очень тесно связана с температурами, давлением и агрессивностью рабочих сред, одним словом, со специфическими условиями работы производственного оборудования.

Сегодня очень важно повышать надежность современного промышленного оборудования, установок и аппаратов, так как они нередко работают при очень высоких или, наоборот, очень низких температурах, давлениях, больших скоростях и могут обрабатывать самые различные среды, в том числе токсичные, взрывоопасные и пожароопасные.

При проектировании такого химического оборудования, как аппараты высокого давления, прочность и надежность ставят на первое место. Особое внимание при их создании уделяют тому, чтобы в процессе эксплуатации сосуды и внутренние устройства аппаратов высокого давления не нужно было вскрывать, осматривать и ремонтировать. Особенно таких действий не должны требовать агрегаты большой единичной мощности, так как их даже небольшие простои ведут к громадным потерям выпускаемой продукции.

Еще одним немаловажным условием надежной работы химического оборудования является герметизация. Особенно важна герметичность тех машин и аппаратов, которые работают с токсичными, взрывоопасными и пожароопасными средами, так как любая утечка из них перерабатываемой жидкости или газа в окружающую среду может привести к самым печальным последствиям – может случиться взрыв, возгорание, пожар или отравление рабочего персонала.

Избежать таких ситуаций помогает использование герметичного оборудования. Сегодня надежные и герметичные аппараты находят все

9

более широкое применение в самых различных отраслях отечественной промышленности:

эргономика – в связи с тем, что технологические процессы постоянно механизируются и автоматизируются, изменяя условия труда, очень важно, чтобы человеку было удобно работать с новым оборудованием. Поэтому при проектировании химических агрегатов обязательно учитываются свойства и возможности людей, которые будут заниматься обслуживанием этого промышленного оборудования. Самыми главными элементами эргономики являются эстетические, гигиенические и физиологические требования к конструкции химического оборудования. О качестве машин, устройств и аппаратов нельзя судить только по их эффективности, проектируемые агрегаты не должны создавать на производстве неблагоприятные гигиенические условия труда. Управление и обслуживание оборудования должно быть максимально простым и легким. Человек не должен выполнять на химическом оборудовании слишком много операций, не должен прилагать слишком большие усилия, делать резкие движения и работать в неудобной для него рабочей позе. Производственное оборудование своим внешним видом, окраской и пропорциями должно вызывать у человека только приятные эмоции;

укрупнение оборудования – в связи с тем, что сегодня многотоннажные производства все больше требуют увеличения единичной мощности химического оборудования, появляется необходимость создания укрупненных, то есть крупногабаритных машин, комбинированных устройств и совмещенных аппаратов. Использование на производстве укрупненного химического оборудования позволяет в разы увеличить его производительность и значительно снизить все капитальные затраты и эксплуатационные расходы, так как сокращается количество машин и аппаратов, контрольно-измерительных приборов, уменьшается протяженность производственных коммуникаций и площадей и убавляется количество рабочего персонала.

Проектировщики при создании крупногабаритного химического оборудования обязательно должны учитывать то обстоятельство, что его нужно будет еще и транспортировать. Увеличение производительности машин и аппаратов, как сказано выше, неизбежно ведет к их укрупнению, поэтому ранее вполне транспортабельное оборудование может стать совершенно неприспособленным к перевозке в готовом собранном виде, особенно это касается его транспортировки по железной дороге в силу ограниченных размеров подвижного состава. Поэтому еще на стадии проектирования оборудования разработчики должны обязательно позаботиться о том, чтобы все отдельные части (узлы и блоки) агрегатов были транспортабельны и имели наименьшие размеры в верхней и боковой части.

10