массооб колонн

двух измерениях, через который осуществляется массоперенос, вызванный действием различных движущих сил. Все мембраны можно разделить на два больших класса – природные (биологические) и синтетические мембраны. Синтетические мембраны в свою очередь можно разделить на полимерные и неорганические. Полимерные мембраны делят на две группы – симметричные (пористые, пористые с цилиндрическими порами, гомогенные или непористые) и асимметричные. Симметричные пористые мембраны имеют одинаковые структурные и транспортные свойства по сечению мембраны. Непористая (плотная) мембрана не содержит детектируемых пор. Асимметричная мембрана состоит из двух или большего числа структурно неоднородных слоев, как правило, на поверхности мембраны расположен тонкий слой с мелкими порами, который и определяет селективные свойства и производительность мембраны. Разновидностью асимметричной мембраны является композиционная мембрана, у которой отдельные слои выполнены из разных материалов. В качестве материала для мембран могут быть применены разнообразные вещества: неорганические (керамика, стекло, металлы) или органические (различные виды полимеров) (табл. 6.1).

Получение синтетических мембран осуществляется следующими методами: спекание, вытяжка, травление ядерных треков, инверсия фаз, выщелачивание из пленки, нанесение покрытий.

41

Эффективность и эксплуатационные качества мембраны можно охарактеризовать следующими показателями: удельная производительность мембраны (поток через мембрану, скорость проницания или массопереноса) – количество вещества, проходящего через единицу поверхности мембраны в единицу времени; константа проницаемости – количество вещества, проникающего через единицу поверхности мембраны, имеющей единичную толщину, в единицу времени, на единицу движущей силы. Следующим важнейшим показателем является селективность – способность мембраны к избранному пропусканию веществ (растворенное вещество частично или полностью задерживается, а растворитель проходит через мембрану).

К баромембранным процессам относят обратный осмос, ультрафильтрацию, микрофильтрацию, нанофильтрацию и пьезодиализ. Общим для этих процессов является то, что движущей силой является разность давлений по обе стороны мембраны. Обратный осмос заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающим осмотическое, через селективные мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы либо ионы растворенных веществ. Раствор и чистый растворитель разделены мембраной, пропускающей молекулы растворителя и не пропускающей молекулы растворенного вещества. Химический потенциал растворителя в чистом растворе больше, чем его химический потенциал в растворе. В системе начнется процесс, приводящий к выравниванию химических потенциалов, то есть растворитель будет переходить через мембрану в раствор, что ведет к разбавлению раствора Ото явление получило название осмос (его впервые описал Жан-Антуан Нолле в 1748 г.). Проникновение растворителя в раствор можно предотвратить, если к нему приложить внешнее давление. Давление, при котором наступает равновесие, называется осмотическим. Осмотическое давление зависит от температуры раствора, природы растворенного вещества и его концентрации в растворе, но не зависит от типа мембраны. Для разбавленных растворов осмотическое давление можно рассчитать по уравнению Вант-Гоффа:

,

где R – универсальная газовая постоянная; T – температура; c – мольная доля растворенного вещества.

Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то перенос растворителя будет происходить из раствора в чистый растворитель, то есть в обратном направлении по сравнению с осмосом. Будет иметь место процесс обратного осмоса. Поток растворителя через мембрану пропорционален перепаду давления

J = А( р - ),

42

где А – коэффициент проницаемости растворителя, ∆р – перепад давления над и под мембраной. ∆π – разность осмотических давлений в исходной смеси и в пермеате.

Ультрафильтрация – процесс мембранного разделения смесей под действием давления, основанный на различии молекулярных масс (размеров молекул) компонентов разделяемой смеси. В процессе ультрафильтрации коллоидные и высокомолекулярные вещества отделяются от низкомолекулярных (при обратном осмосе размеры молекул растворителя и растворенных веществ имеют одинаковый порядок). Обратный осмос и ультрафильтрация имеют существенное отличие от обычной фильтрации. При обычной фильтрации сырье делится на две части – фильтрат и целевой продукт, который откладывается в виде осадка на поверхности фильтра. При обратном осмосе и ультрафильтрации образуется два раствора, один из которых фильтрат, а другой (концентрат) обогащен растворенным веществом, при этом выпадение осадка на поверхности мембраны недопустимо, так как наличие осадка существенно снижает производительность аппарата.

Нанофильтрация занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обратным осмосом. Данный процесс характеризуется малой селективностью по солям с одновалентными анионами и высокой селективностью по солям с двух- и поливалентными анионами.

Микрофильтрация – процесс мембранного разделения коллоидных растворов и микровзвесей под давлением. Она занимает промежуточное положение между ультрафильтрацией и обычной фильтрацией.

Баромембранные процессы могут быть реализованы в промышленных условиях разнообразными схемами. Выделяют тупиковый режим, при котором производят непрерывный отвод пермеата без отвода концентрата. Данный режим используют для микрофильтрации и лабораторных исследований обратного осмоса и ультрафильтрации. Непрерывный проточной режим заключается в однократном прохождении исходной смеси через мембранную установку с постоянным отводом пермеата и концентрата. Периодический режим осуществляют без добавления исходной смеси в установку, с постоянным отводом пермеата и многократной рециркуляцией исходной смеси, концентрат выводится после завершения процесса.

В табл. 6.2 приведены характеристики и области применения баромембранных процессов.

При проведении баромембранных процессов в результате концентрационной поляризации на поверхности мембраны может образовываться слой слаборастворимых солей (обратный осмос), гель (ультрафильтрация) или осадок микрочастиц (микрофильтрация). Вследствие этого резко падает производительность мембранного аппарата, процесс приходится останавливать для очистки или даже замены мембраны. Таким образом,

43

надежная работа мембран в течение многих лет обеспечивается правильным выбором технологической схемы предварительной подготовки сырья, нахождением оптимального временного интервала между операциями по регенерации мембран и способа очистки поверхности мембран. Приемы предварительной подготовки сырья могут включать: регулирование pH среды, хлорирование, адсорбцию, фильтрацию, химическое осветление растворов. В каждом конкретном случае необходимо оптимизировать величину затрат на предварительную очистку сырья и регенерацию мембран.

Таблица 6.2 Характеристика и области применения баромембранных процессов

Выбор метода очистки зависит главным образом от типа мембранного аппарата, химической стойкости мембраны, вида загрязнений. Выделяют пять основных методов очистки мембран: механический, гидродинамический, физический, химический и комбинированный. Механический способ позволяет эффективно удалять с поверхности мембраны так называемые рыхлые осадки, например с помощью мягких губок. Как правило, он реализуется вручную. Автоматизация используется при обработке трубчатых мембран, когда в разделяемый поток вводят губчатые мягкие шары (например каучуковые), имеющие диаметр больший, чем диаметр напорного канала. Двигаясь в напорном канале по поверхности мембраны, шары снимают загрязнения. Данный способ применяют, как правило, в совокупности с другими методами очистки. Гидродинамические методы очистки включают обратную промывку мембраны чистой водой (применимо только для микрофильтрационных и крупнопористых ультрафильтрационных

44

мембран). Достаточно простым является способ очистки мембран путем снижения рабочего давления и подачей воды с высокой скоростью. В некоторых случаях проводят одновременно обратную промывку и промывку газожидкостной эмульсией. Физические методы очистки заключаются в воздействии на мембрану электрическими или магнитными полями, применением ультразвука или центробежных сил. Химическая очистка предполагает изготовление специальных промывочных растворов с учетом концентрации очищающих агентов и времени обработки поверхности мембраны. В качестве химических реагентов используют кислоты (соляную, щавелевую, лимонную, фосфорную), щелочи (гидроксид натрия), растворы альдегидов, поверхностно активные вещества, дезинфицирующие вещества и т. п.

7. СУШИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Многие процессы химической технологии связаны с обработкой твердых веществ в растворенном или диспергированном виде в какой-либо жидкой среде (воде, opганическом растворителе), а при необходимости получения сухих продуктов используют процессы сушки. Многообразие материалов, подвергаемых сушке, и значительные различия их по химической природе, структуре, физическим и гигроскопическим свойствам требует применения разнообразных способов сушки и аппаратурного оформления. Систематизация высушиваемых материалов и сушильного оборудования на основе классификаций по определяющим характеристикам облегчает задачу выбора рационального способа сушки и эффективного типа сушильного аппарата.

Наиболее существенными признаками классификации материалов как объектов сушки являются энергия связи влаги с материалом, характеристика пористой структуры, агрегатное состояние.

Различают следующие формы связи влаги с материалом в порядке убывания энергии связи: химическая (вода в кристаллогидратах), физикохимическая (осмотическая и адсорбционная влага) и физико-механическая (капиллярная и свободная влага прилипания).

По структуре твердой фазы высушиваемых материалов различают непористые, капиллярно-пористые, коллоидные и коллоидные капиллярно пористые материалы. Более детально объекты сушки классифицируют по величине радиуса пор и способности материала изменять пористую структуру при высыхании.

Классификация объектов сушки по агрегатному состоянию дает возможность осуществить выбор способа сушки и аппаратурного оформления процесса. Согласно этой классификации, высушиваемые материалы разделяются на сыпучие, пастообразные и жидкие. Причем сыпучие материалы

45

подразделяются на кусковые (размер кусков – более 5 мм), крупнозернистые (2 - 5 мм), мелкозернистые (0,5 - 2 мм), порошкообразные (0,01 - 0,5 мм), а также с волокнистой и пластинчатой формой частиц. Пастообразные материалы подразделяются в зависимости от консистенции на густые неподвижные или малоподвижные, тиксотропные и вязкотекучие. Жидкие материалы обрабатываются в виде истинных или коллоидных растворов, взвесей, суспензий и композиционных систем (например, синтетические моющие средства).

Все разнообразие способов сушки и типов сушильных аппаратов можно разделить на следующие основные группы в соответствии с классификационными признаками:

по давлению в рабочем пространстве – атмосферные, вакуумные, под избыточным давлением;

по режиму работы – сушилки периодического и непрерывного действия;

по виду теплоносителя – с использованием воздуха, дымовых или инертных газов, перегретого или насыщенного пара, жидких теплоносителей, электрического тока;

по способу подвода тепла к материалу – конвективные, кондуктивные (контактные), волновые (терморадиационные, высокочастотные, акустические);

по способу отвода испаренной влаги из аппарата – с естественной конвекцией, вакуумным отсосом пара, с газообразным теплоносителем (сушильным агентом);

по гидродинамическому режиму – с неподвижным, перемешиваемым и взвешенным слоем высушиваемого материала;

по конструкции – полочные, шахтные, ленточные, барабанные, распылительные сушилки и т. д.

Конструкция сушильного аппарата определяется совокупностью перечисленных характеристик материалов и особенностей процесса сушки. В то же время множество конструктивных типов сушилок можно разделить на ограниченное число групп на основе одного или нескольких классификационных признаков, что дает возможность системного подхода к обоснованию методов технологического расчета. Наиболее удобной характеристикой является гидродинамический режим, который можно представить как способ взаимодействия слоя высушиваемого материала с греющей поверхностью или агентом сушки. В соответствии с этим можно выделить три основные группы сушильных аппаратов:

1) сушилки с неподвижным или движущимся плотным слоем материала (камерные, тарельчатые, ленточные, вальцовые, шахтные);

2) сушилки с механически перемешиваемым слоем материала (шнековые, роторные, барабанные, вибрационные);

46

3) сушилки со взвешенным слоем материала (пневматические трубные, вихревые, распылительные, аэрофонтанные, кипящего слоя).

В объектах сушки механизм переноса влаги определяется структурой материала, его влагосодержанием и условиями сушки.

При сушке капиллярно-пористых материалов перемещение влаги в нем происходит как в виде жидкости, так и в виде пара. Перенос жидкости может осуществляться под воздействием разности капиллярных потенциалов, пленочного течения, поверхностной диффузии в микропорах, гравитанионных сил в макропорах, термокапиллярного течения жидкости. Перенос парообразной влаги происходит путем обычной молекулярной и стесненной диффузии, термодиффузии, бародиффузии, молярного течения и др.

Перенос влаги в непористом материале происходит по типу молекулярной диффузии путем скачков молекул влаги в свободные межмолекулярные пространства тела, образующиеся в результате теплового движения молекул.

Коллоидные капиллярно-пористые материалы, обладая пористой структурой, имеют также полупроницаемые стенки пор, перенос влаги через которые происходит молекулярной или осмотической диффузией под воздействием осмотического давления. Перенос влаги в таких материалах обусловлен суммарным действием механизмов, характерных как для непористых, так и для капиллярно-пористых материалов.

Вклад каждого механизма массопереноса в общий поток влаги в теле зависит от конкретной структуры материала и условий сушки, причем вследствие изменяющихся содержания влаги температуры, явлений усадки в процессе удаления влаги, все действующие на распределяемое вещество силы постоянно изменяются и взаимодействуют, создавая сложную картину общего силового поля.

Сушилки с неподвижным или движущимся плотным слоем ма-

териала. Существует обширный класс сушильных аппаратов, в которых высушиваемый материал (кусковой, гранулированный, зернистый, волокнообразный, листовой, пастообразный, жидкий) находится в зоне сушки в виде неподвижного или медленно движущегося плотного слоя. Отличительной особенностью сушилок этого класса является наличие камеры коробчатой или цилиндрической формы с размещенными внутри слоями высушиваемого материала и устройствами для его транспортирования. Подвод тепла в них осуществляется конвективным, кондуктивным, высокочастотным, радиационным или комбинированным способом. По признаку наличия камеры эти сушилки часто называют камерными. Все они в зависимости от конструктивного исполнения подразделяются на полочные, туннельные, тарельчатые, ленточные, вальцовые, шахтные.

Простейшая полочная сушилка периодического действия, называемая также сушильным шкафом, показана на рис. 7.1.

47

мер, в случаях, когда нежелателен контакт высушиваемого материала с воздухом или удаляемая влага является органическим растворителем, используется контактная сушка под вакуумом.

Наибольшее распространение в малотоннажных производствах получили вакуум-сушильные шкафы периодического действия (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Вакуум-сушильный шкаф: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – полка; 4 – противень; 5 – опора; А – к вакуумной линии, Б – вход пара;

В – выход конденсата

Такая сушилка представляет собой герметически закрывающуюся камеру круглого сечения (иногда прямоугольного), снабженную рядом нагреваемых изнутри горизонтальных плит (полок). Высушиваемый материал укладывается на эти плиты либо непосредственно, либо на съемных противнях. Образующиеся при сушке пары, которые обычно разбавлены небольшим количеством воздуха, проникающего через неплотности или десорбированного из материала, отсасываются вакуум-насосом через конденсатор. Конденсат отводится по назначению, а остаточная парогазовая смесь выбрасывается вакуум-насосом в атмосферу.

Поверхность нагрева вакуум-сушильных шкафов достигает 250 м2, а масса загружаемого продукта составляет 100 - 160 кг/м2 этой поверхности. Сушилки этого типа металлоемки и малопроизводительны: напряжение греющей поверхности по испаренной влаге составляет всего 0,5 - 3,5 кг/(м2*ч), что объясняется низкой теплопроводностью слоя материала и недостаточно полным контактом его с поверхностью нагрева.

Вакуум-сушильные шкафы находят применение для сублимационной сушки термочувствительных материалов или при необходимости сохранения их структуры в процессе удаления влаги. Процесс проводят при глубоком вакууме (0,11 мм рт. ст.) и низкой температуре (не выше -20 °С).

49

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вхимическом и нефтехимическом производствах находят широкое применение различные по характеристикам и конструкции массообменные аппараты. В данном учебном пособии классифицированы массообменные процессы. Рассмотрены вопросы, касающиеся требований, предъявляемых

кмассообменному оборудованию. В пособии приведены нормативные документы, используемые при проектировании массообменного оборудования.

Большое внимание уделено конструкционным материалам, применяемым при производстве массообменного оборудования, таким как – стали, чугуны, алюминий и сплавы на его основе, медь и ее сплавы, титан и сплавы на его основе.

Вучебном пособии подробно рассмотрены колонные аппараты массообменных процессов, они подразделяются на колонные и насадочные. Уделено внимание экстракционным аппаратам, аппаратам для процессов адсорбции, оборудованию диффузионных процессов и сушильному оборудованию.

НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

1.ГОСТ 5520-79. Прокат листовой из углеродистой, низколегированной и легированной стали для котлов и сосудов, работающих под давлением. Технические условия.

2.ГОСТ 380-2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества.

Марки.

3.ГОСТ 1050-2013. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия.

4.ГОСТ 19281-2014. Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия.

5.ГОСТ 1412-85. Чугун с пластинчатым графитом для отливок.

Марки.

6.ГОСТ 380-2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества.

Марки.

50