42. Перегонные и ректификационные установки: конструкции и принцип действия.

Основными элементами перегонных установок являются подогрева­тель (кипятильник) и сепарационное устройство. По технологическим особенностям перегонные аппараты разделяют на емкостные и пленочные.Емкостные аппа­раты имеют значительные объемы для перегоняемой жидкости. Данные аппараты непригодны для переработки термически нестойких (термолабильных) веществ. Емкостные аппараты при­меняют в установках периодического и непрерывного действия. Пленоч­ные перегонные аппараты, в которых жидкость находится небольшое время, бывают двух типов: с падающей пленкой и роторные (рис. 1). В первых, жидкость распределяется в виде пленки по стенке внутренней поверхности труб специальными вставками. Данные аппараты делятся на прямоточные и противоточные

. а, б — прямоточный и противоточный с падающей пленкой; в--роторный<a

В роторных аппаратах корпус обогревается снаружи рубашкой, а по внутренней его поверхности стекает жидкость, распределяемая по по­верхности вращающимся ротором.

В ректификационных установках используются главным образом аппараты двух типов насадочные и тарельчатые ректификационные колонны. Кроме того, для ректификации под вакуумом применяют пленочные и роторные колонны различных конструкций.

Ректификационные колонны снабжены теплообменными устройствами – кипятильником (кубом) и дефлегматором. Кроме того, для уменьшения потерь тепла в окружающую среду ректификационные аппараты покрывают тепловой изоляцией.

Кипятильник или куб, предназначен для превращения в пар части жидкости, стекающей из колонны, и подвода пара в ее нижнюю часть (под насадку или нижнюю тарелку). Кипятильники имеют поверхность нагрева в виде змеевика или представляют собой кожухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны.

Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые устанавливают ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную циркуляцию жидкости.

В периодически действующих колоннах куб является не только испарителем, но и емкостью для исходной смеси. Поэтому объем куба должен быть в 1,3 – 1,6 раза больше его единовременной загрузки (на одну операцию). Обогрев кипятильника наиболее часто производится водяным насыщенным паром.

Дефлегматор, предназначенный для конденсации паров и подачи орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, в межтрубном пространстве которого обычно конденсируются пары, а в трубах движется охлаждающий агент (вода).

В случае частичной конденсации паров в дефлегматоре его располагают непосредственно над колонной, чтобы обеспечить большую компактность установки, либо вне колонны. При этом конденсат (флегму) из нижней части дефлегматора подают непосредственно на верх колонны.

43. Сушильные установки, формы связи влаги с материалом, основы кинетики и динамики сушки.

Сушка — удаление жидкости (чаще всего влаги-воды, реже иных жидкостей, например, летучих органических растворителей) из веществ и материалов тепловыми способами.

Наиболее распространены следующие виды сушки:

Конвективная сушка - тепло передается от теплоносителя к поверхности высушиваемого материала. В качестве теплоносителей используют воздух, инертные и дымовые газы.

А) Б) В)

А) Применяется, когда необходима сушка при высоких температурах.

Б) Применяется если сушка ведется при низких температурах, но с высокой влажностью.

В) Такая схема наиболее часто применяется на практике т.к. она наиболее экономична. Имеет место если сушка ведется при низких температурах, но с высокой влажностью.

Контактная сушка - сушка осуществляется за счет тепла, по лученного материалом от соприкосновения с нагретой плоской или ци линдрической твердой поверхностью. В большинстве случаев нагрев по верхности производится водяным паром, а в некоторых случаях — горя чей водой, горячим маслом или высокотемпературными теплоносителями.

Рис. Вальцовая сушилка атмосферного типа. 1-валец с подогревом, 2-корыто, 3-нож для срезки высушенного материала, 4-паровая рубаха для подогрева сушимого материала.

Терморадиационная сушка. Здесь применен способ суш ки материалов — инфракрасными лучами. По виду генераторов инфракрасного излучения терморадиационные сушилки можно разделить на ламповые, сушилки с кварцевыми и труб чатыми или спиральными электронагревателями и сушилки с металли ческими и керамическими излучателями при газовом обогреве .

Рис. Терморадиационная сушилка. 1-терморадиационнве панели, 2-сушимый материал.

Сублимация сушка - представляет собой процесс испарения твердого тела, т. е. превращение его непосредственно в газообразное состояние без прохождения через жидкое состояние, и является процессом обезвоживания или сушки материала в замороженном состоянии. Сушка сублимацией применяется в настоящее время для весьма чувствительных к нагреву материалов, например биологических фармацевтических препаратов (пенициллин, стрептомицин, кровяная плазма, биопрепараты и т. п.), а также для некоторых пищевых продуктов (мясо, рыба, ягоды, фрукты и т. т.)

Сушка материалов в поле токов высокой частоты. При высокочастотной сушке внутренние, более влажные слои ма териала нагреваются быстрее наружных (т.к. вода - проводник). При этом в средней части ма териала устанавливается более высокая температура, чем на его поверх ности. Под действием температурного градиента влага интенсивно пе ремещается к поверхности, благодаря чему скорость суш ки материалов увеличивается иногда в десятки раз. Однако этот способ сушки не получил широкого промышленного при менения вследствие значитель ного расхода электроэнергии (2,5—4 кВт• ч/кг испаренной влаги) и высокой стоимости сушки.

Рис. Сушка материалов в поле токов высокой частоты. 1-конденсатор, 2-электропреобразователь, 3-электромагнитное поле, 4-ленточный конвейер.

(Второй вариант)

Удаление влаги преследует следующие цели: - увеличение теплоты сгорания топлива, - обеспечение сохранности материалов, - повышение прочности при сушке керамических изделий, древесины и т.д.

Удаление влаги осуществляется: - механическим путем (отжатие, фильтрование, центрифугирование), - посредством тепловой сушки, - поглощение химическими веществами.

Способ сушки определяется: - видом материала, - начальным и конечным соотношением между количеством влаги и сухим остатком в нем.

Подвод тепла к материалу осуществляется: - путем теплообмена с окружающим газообразным теплоносителем (конвективная сушка), - путем непосредственного контакта между греющей поверхностью и материалом (кондуктивная), - инфракрасными лучами (радиационная).

Для сушки применяются следующие теплоносители: - нагретый воздух, - топочные газы, - перегретый пар.

В основе материального и теплового балансов сушильных установок лежат законы сохранения вещества и энергии. Рассмотрим сушильный материал и нагреваемый воздух, которые состоят из сухой части и влаги (G_с и G_св, G_в и G_п). Тогда: G_м = G_с + G_в; G_воз = G_св + G_п.

Процесс массоотдачи сопровождается теплоотдачей. Испарение жидкости может быть обеспечено тепловым движением молекул или движением газовой фазы за счет понижения давления. Под действием этих сил молекулы испаряющегося вещества с поверхности будут поступать в газовую фазу. Часть молекул за счет термодиффузии вернутся на поверхность испарения. При испарении из жидкости удаляются молекулы с повышенной кинетической энергией, поэтому испарение жидкости сопровождается понижением температуры вещества.

Парциальное давление пара испаряемой жидкости меньше чем у поверхности тела, следовательно, поток массы будет направлен от поверхности тела в среду.

Для равновесного состояния уравнение, устанавливающее соотношение между плотностями потоков массы и теплоты, запишется виде: q = L_пар*m = α(t₀ – t_пов). Где: L_пар – скрытая теплота парообразования, Дж/кг; m – плотность потока влаги; α – коэффициент теплоотдачи от фазы к поверхности тела; t₀ – температура ядра фазы; t_пов – температура поверхности тела. Это уравнеие можно представить виде: L_пар*β_р(р_н – р₀) = α(t₀ – t_пов), откуда t_пов = t₀ – (L_пар*β_р(р_н – р₀)) / α. Температуру, определяемую таким образом, называют температурой мокрого термометра или адиабатного испарения.

Для точного определения коэффициентов тепло- и массо- отдачи при испарении воды со свободной поверхности и вынужденным движением фазы пользуются формулами Нестеренко: Nu = A*Pr^0,33*Reⁿ*Gu^0,175 (для теплоотдачи), Nu = 2+A^'*Pr^0,33*Re^n'*Gu^0,135 (для массоотдачи).

Количество влаги в материале, выраженное в %, называют влажностью. Различают относительную влажность w (отношение массы влаги к массе всего материала) и влагосодержание w^с (отношение массы влаги к массе абсолютно сухого материла).

w = 100 W/G =100 W(G_с+W); w^с = 100 W/G_с=100 W/100 – W; w =100 W^с/100 – W^с, где: W, G, G_с – массы влаги, всего материала, сухого материала.

Рассматривая сушильный материал и нагреваемый воздух, состоящими из сухой части и влаги (G_с и G_св, G_в и G_п). Запишем: G_м = G_с+G_в; G_воз = G_св+G_п;

G_св1+ G_п1+ G_с1+ G_в1= G_св2+ G_п2+ G_с2+ G_в2

Если в процессе сушки нет уноса материала, то масса абсолютно сухого вещества остается неизменной. Количество влаги, содержащееся в воздухе на выходе G_п2 возрастает из-за испарения влаги из материала, тогда баланс массы G_п1+ G_в1= G_п2+ G_в2; G_в1 - G_в2= G_п2 - G_п1.

Количество влаги, испаренное из материала: W= G_в1 - G_в2= G_п2 - G_п1.

w₁ = 100%*(G_в1 / G_с)=100%*((G_m1 – G_с) / G_с); w₂ = 100%*(G_в2 / G_с)=100%*((G_m2 – G_с) / G_с)

Следовательно W= G_с /100(w₁ - w₂), кг/с.

Если известными являются количество материала, подаваемое в сушилку, и удаляемого из сушилки, то уравнение материального баланса: W= G_m1[(w₁ - w₂)/(100+ w₁)]= G_m2[(w₁ - w₂)/(100+ w₂)].

В зависимости от содержания влаги различают 3 состояния материала: - влажное (влага к среде), - равновесное (влага отсутствует), - гигроскопическое (влага забирается из окружающей среды). Для удаления влаги из тела нужно затратит теплоту, количество которой зависит не только от содержания влаги в материале, но и от связи влаги с материалом.

Различают 3 вида связи: - химическую (характеризуется ионной и молекулярной связями и при сушке влага не удаляется. Ее можно удалить прокаливанием); - физико-химическая (влага удаляется адсорбционно и астматическими связями. Первая покрывает мономолекулярным слоем стенки капилляров и поверхность пористого тела. При удалении этой влаги она сначала испаряется, а затем перемещается виде пара к поверхности тела. Вторая или влага набухания находится в замкнутых ячейках тела. Она характеризуется очень малой энергией связи и может диффундировать через стенки капилляров через разности концентраций); - физико-механическая (в зависимости от радиуса капилляры делятся на: микро капилляры R=<0,01мм и макро капилляры R= >0,01мм).

В зависимости от связи с материалом материалы делятся на: - капиллярно-пористые (при преобладающем капиллярном), - коллоидное (при преобладающих астматических связях, например тесто), - коллоидное капиллярно-пористое (при наличии капиллярных и астматических связей).