книги из ГПНТБ / Бушмелев, В. А. Процессы и аппараты целлюлозно-бумажного производства учебник

Поскольку Ар = Я, формула (4-32) примет следующий вид:

Н — напор, нІмг.

Таким образом, мы получили ранее выведенную для насосов фор­ мулу (3-8), что и следовало ожидать, так как при малом изменении давления газ почти не сжимается и становится подобным жидкости.

КЛАССИФИКАЦИЯ МАШИН ДЛЯ ПОДАЧИ ГАЗА

Для подачи газа служат газовые насосы, основанные на различных принципах действия. Если нужно получить высокое давление и боль­ шую степень сжатия, то применяют поршневые компрессоры.

По тому же принципу, что и поршневые компрессоры, работают ротационные газодувки, отличающиеся от первых своим конструк­ тивным устройством. Ротационные газодувки не рассчитаны на высо­ кие давления и большую производительность. В случае, когда не тре­ буется высокое давление, а нужна большая производительность, при­ меняют турбокомпрессоры и турбогазодувки, работающие по тому же принципу, что и центробежные насосы. Для очень низких давле­ ний используют вентиляторы, которые по принципу работы подобны турбокомпрессорам.

В тех случаях, когда нужно подавать газ из резервуара, имеющего вакуум, чаще всего применяют струйные насосы, принцип действия которых описан выше.

В большинстве случаев газовые насосы либо забирают газ с атмос­ ферным давлением и повышают его давление до требующейся вели­ чины, либо забирают газ из резервуара с вакуумом и повышают дав­ ление до атмосферного или близкого к нему. В первом случае газовые насосы называются вентиляторами, газодувками или компрессорами в зависимости от величины создаваемого давления, а во втором — ва­ куум-насосами.

Мы перечислили основные области применения газовых насосов разных видов. Однако насос одного и того же вида может быть при­ менен для разных целей. Например, поршневые и ротационные на­ сосы можно применять и в качестве вакуум-насоса. Строят также и турбогазодувки малой производительности.

Поршневые компрессоры и вакуум-насосы

Устройство поршневых компрессоров и вакуум-насосов в основном такое же, как и у описанных поршневых насосов. Однако то обстоя­ тельство, что они подают не жидкость, а газ, вносит некоторые осо­ бенности в их устройство.

При работе компрессора или вакуум-насоса давление газа внутри цилиндра зависит от объема, который занимает газ, а следовательно, от положения поршня, и, кроме того, от направления его движения.

87

В тот момент, когда поршень полностью выдвинут из цилиндра и до­ стигает своего крайнего положения, газ заполняет весь объем Ѵг ци­ линдра и имеет начальное давление р ѵ Затем поршень начинает дви­ гаться внутрь цилиндра. При этом оба клапана закрыты, вследствие чего происходит сжатие газа до объема Ѵ2 и его давление возрастает по адиабате до конечного значения р 2 (рис. 4-5, а).

При давлении р 2 нагнетательный клапан открывается и при даль­ нейшем движении поршня до крайнего положения газ вытесняется из цилиндра без изменения давления (рис. 4-5, б).

В силу конструктивных причин поршень не может полностью вы­ теснить весь газ, поэтому некоторый его объем Ѵ0 остается в цилиндре

ляет делать компрессоры и вакуумнасосы быстроходными. Увеличение их скорости весьма желательно, так как дает возможность получать достаточную производительность при минимальном объеме цилиндра.

Большое число ходов поршня в минуту требует частого1открытия и закрытия клапанов, поэтому клапаны с большой инерционной мас­ сой мало пригодны. Их делают в виде легкой, тонкой пластины с про­ резями, которая прижимается к клапанным отверстиям несколькими эластичными пружинами (рис. 4-6).

При адиабатическом сжатии газа его температура значительно возрастает; это ставит предел практически возможной степени сжа­ тия. Для облегчения температурных условий работы цилиндра его стенки делают пустотелыми и через пустоты пропускают охлаждаю­ щую воду. Однако даже при водяном охлаждении достичь высокого давления в одном цилиндре невозможно, поэтому с одним цилиндром

88

обычно делают компрессоры невысокого давления и вакуум-насосы. Для получения высоких давлений применяют многоступенчатые компрессоры, в которых газ сжимается в первом цилиндре и из него поступает в охладитель, где температура газа снижается, после чего

Рис. 4-6. Нагнетательный (а) и всасывающий (б) клапаны порш­ невых компрессоров:

/ — клапан; 2 — клапанные отверстия; 3 — прижимающие пружины; 4 — крышки цилиндра

он снова подвергается сжатию во втором цилиндре, затем опять ох­ лаждается и направляется для сжа­ тия в следующий цилиндр и т. д. Таким образом, весь процесс сжа­ тия газа и получения высокого дав­ ления происходит не в одном цилин­ дре, а последовательно в несколь-

ких, т. е. разделяется на ряд ступеней, в каждой из которых происходит сжатие и последующее охлаждение газа. Схема устройства двух­ ступенчатого компрессора показана на рис. 4-7.

Ротационные газодувки и вакуум-насосы

Устройство ротационной газодувки показано на рис. 4-8. У кор­ пуса 1 цилиндрической формы имеется всасывающий 2 и нагнетатель­ ный 3 патрубки. Внутри корпуса на валу 4 эксцентрично относительно корпуса закреплен ротор 5 насоса. На роторе сделаны прорези 6, в ко­ торые вставлены лопасти 7. При вращении ротора под действием цен­ тробежной силы лопасти прижимаются к цилиндрической поверхно­ сти корпуса. Внутренняя поверхность корпуса и кромки лопастей

89

тщательно обработаны, вследствие чего лопасти плотно прилегают к внутренней поверхности корпуса.

Промежутки между лопастями, сообщающиеся со всасывающим отверстием, заполняются газом, давление которого равно давлению

возрастающее с повышением давления. Поэтому ротационные насосы рассчитаны на небольшие давления, их используют как газодувки или вакуум-насосы для получения неглубокого вакуума.

Центробежные вентиляторы

Устройство центробежного вентилятора показано на рис. 4-9. Его кожух 1 имеет форму расширяющейся улитки, заканчивающейся на­ гнетательным патрубком 2. Сбоку кожуха имеется всасывающий пат­ рубок 3. Внутри кожуха на валу 4 насажен ротор 6, лежащий в под­ шипниках 5. По окружности ротора укреплены изогнутые лопасти 7.

Газ через всасывающий патрубок поступает во внутреннюю часть ротора и захватывается его лопастями, которые придают ему враща­ тельное движение. При вращении газа развиваются центробежные силы, под действием которых газ выбрасывается с большой скоростью в улитку кожуха. Благодаря этому газ приобретает кинетическую энер­ гию и создается динамический напор.

По улитке газ движется к нагнетательному патрубку в направле­ нии ее расширения, вследствие чего скорость уменьшается и динами­ ческий напор преобразуется в статический, под действием которого

90

газ нагнетается в нагнетательный газопровод. Направление движе­ ния газа внутри вентилятора показано на рисунке стрелками.

Сравнивая работу центробежного вентилятора и центробежного насоса для жидкостей, мы видим, что принцип их действия совершенно одинаков. Вентиляторы создают небольшое давление, поэтому пода­ ваемый ими газ почти не сжимается и его удельный вес остается прак­ тически постоянным, т. е. газ ведет себя, как жидкость. В связи с этим все выводы, сделанные для центробежного насоса, справедливы и для центробежного вентилятора. Так, производительность, напор и потребляемая мощность центробежного вентилятора будут изменяться в зависимости от числа оборотов согласно формулам (3-17), (3-18), (3-20) и (3-28) по следующим соотно­ шениям:

Имеется в виду, что вентиляторы работают всегда только на гидрав­ лическое сопротивление, поскольку статические напоры на их всасы­

вающей и нагнетательной сторонах уравновешиваются, так как при небольшом удельном весе газов величины статических напоров, соз­ даваемых весом газового столба, незначительны.

Мощность вентилятора согласно формуле (3-27) равна

т] — к. п. д. вентилятора, колеблющийся в пределах 0,4—0,8; чем мощнее вентилятор, тем выше его к. п. д.

Для каждого центробежного вентилятора расчетным или опытным путем может быть получена зависимость его напора от производитель­ ности, которая называется характеристикой вентилятора. Эта харак­ теристика имеет такой же вид, как и для центробежного насоса (см. рис. 3-14) и согласно уравнению (3-14) графически изображается па­

раболой.

Для разных оборотов вентилятора строят ряд характеристик. Поль­ зуясь ими, можно определить число оборотов вентилятора, необхо­ димое для получения нужного напора и производительности.

Из полученной ранее формулы (3-16) следует, что, чем больше средний диаметр и чем больше разность наружного и внутреннего диа­ метров ротора, тем выше развиваемый напор. Путем увеличения этих

91

размеров можно получить вентилятор, развивающий повышенный напор. Такой вентилятор называется турбогазодувкой.

Если на общий вал тіадеть несколько роторов, каждый из которых развивает высокий напор, и подаваемый газ пропустить последова­ тельно через все роторы, как это делается у многоступенчатых центро­ бежных насосов, то напоры, создаваемые всеми роторами, будут скла­ дываться. В результате общий напор получится достаточно высоким.

ченных насосов.

Насос первой ступени забирает газ, частично повышает его давле­ ние и подает к насосу второй ступени, который повышает давление газа до атмосферного. Если рабочим телом двухступенчатого насоса является пар, то из первой ступени выходит смесь пара и транспорти­ руемого газа. Для того чтобы этот пар не загружал вторую ступень насоса, парогазовую смесь после первой ступени пропускают через охладитель, где пар конденсируется. Оставшийся после этого газ на­ правляют во вторую ступень насоса. Образующийся в охладителе кон­ денсат отводят через гидрозатвор. В зависимости от того, что явля­ ется рабочим телом струйного насоса — пар или вода, струйные вакуум-насосы называют пароили водоструйными эжекторами. Двухступенчатый пароструйный вакуум-насос показан на рис. 4-10.

92

Глава 5. РАЗДЕЛЕНИЕ ЖИДКИХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Неоднородной называется система, состоящая из нескольких фаз. Одна из них обычно представляет собой сплошную среду, внутри ко­ торой распределяются частицы других фаз. Эта сплошная среда на­ зывается внешней или дисперсионной фазой. Другая фаза, находя­ щаяся в мелкодисперсном состоянии внутри сплошной среды, называ­ ется внутренней или дисперсной фазой. В зависимости от агрегатного состояния фаз различают следующие виды неоднородных систем:

Любая из этих систем характеризуется концентрацией дисперсной фазы, размерами ее частиц, удельным весом, вязкостью среды и т. п.

В зависимости от размеров частиц суспензии можно разделить на следующие группы:

Отделить твердую фазу от жидкости можно отстаиванием, центри­ фугированием и фильтрацией. Область применения отстаивания ог­ раничивается размерами частиц 0,4—0,5 мкм. При меньших части­ цах суспензии считаются устойчивыми вследствие броуновского дви­ жения взвеси. При центрифугировании и особенно фильтрации можно достичь более тонкой очистки жидкости от взвешенных частиц.

Эмульсии состоят из несмешивающихся жидкостей. Они устойчивы лишь при размерах дисперсной фазы меньше 0,4—0,5 мкм. Расслаи­ вание эмульсий производится отстаиванием и центрифугированием.

Пены — это газо-жидкостные системы, близкие по свойствам к эмульсиям. Отделение газа от жидкости в пенах иногда довольно затруднительно. Особой устойчивостью отличается пена сульфатного черного щелока. Задача ее рационального разрушения остается пока нерешенной. Отделение газа от жидкости в пенах производится от­ стаиванием (пена гасится под действием собственного веса) или разру­ шением пены под действием внешнего давления или механических воздействий.

Технология целлюлозы и бумаги связана с обработкой большого количества различных жидкостей. К ним относятся целлюлозная и бумажная масса, концентрация волокна в которой в процессе произ­ водства многократно изменяется: происходит то обезвоживание массы, то разбавление, то снова сгущение и т. п. Обезвоживание и сгущение волокнистых суспензий производятся методом фильтрации.

93

В целлюлозной и бумажной массе всегда содержится небольшое количество минеральных примесей (загрязнений) в виде песка, гипса, известкового шлама и т. п. Отделяют пх главным образом центрифу­ гированием, иногда — отстаиванием.

Значительно большие количества взвешенных частиц содержат неочищенные растворы химических реагентов, предназначенных для варки целлюлозы, а именно: белый щелок после каустнзации и только что полученная сырая башенная кислота. Отделение взвешенных ча­ стиц от этих жидкостей производится в основном отстаиванием и филь­ трацией, а иногда — центрифугированием. Центрифугирование приме­

Движение взвешенных частиц в жидкой или газообразной средах, вызванное любой произвольной силой и направленное на отделение ча­ стиц от среды, называется осаждением. Скорость частицы при осаж­ дении называется скоростью осаждения. Если осаждение происходит под действием силы тяжести, то такой процесс называется отстаива­ нием, а скорость — соответственно скоростью отстаивания.

Необходимым условием отстаивания является неравенство плот­ ностей фаз, а также неподверженность взвешенных частиц броунов­

при отстаивании не наблюдается. Сопротивление осаждающимся ча­ стицам оказывается только со стороны жидкости. Такое отстаивание называется с в о б о д н ы м . Отстаивание в ограниченном объеме жидкости при большой концентрации твердой фазы характеризуется взаимным соприкосновением частиц. Сопротивление движению твер­ дых частиц при этом будет зависеть не только от сопротивления среды, но и от взаимного трения и соударения частиц. Такое отстаивание называется с т е с н е н н ы м .

Процесс отстаивания можно разбить на несколько стадий. Если при небольшой концентрации исходной суспензии отстаивание сначала будет свободным во всем объеме, то по истечении некоторого времени вблизи поверхности осаждения концентрация твердой фазы может возрасти настолько, что отстаивание в этой части объема будет уже стесненным. При этом верхний слой жидкости освобождается от взве­ шенных веществ и становится осветленным, а на поверхности осажде­ ния постепенно образуется слой уплотненного осадка. Между слоем осветленной жидкости и слоем осевших на дно твердых частиц отстаи­ вание продолжается как в свободном (вверху), так и в стесненном (внизу) режимах. Если проследить движение единичной твердой ча­

94

стицы в суспензии с низкой начальной концентрацией, то она сначала осаждается свободно, затем стесненно, после чего оседает на уплот­ ненный слой частиц. Внизу этого слоя располагаются крупные ча­ стицы, выше — более мелкие и наверху — самые мелкие.

Скорость отстаивания

Скорость отстаивания является наиболее важной характеристикой этого процесса. Для получения уравнения скорости отстаивания рас­ смотрим общий случай движения частицы в среде. Допустим, что ча­ стица с массой т движется под действием силы F с ускорением а. Воз­ никающие при этом сопротивления 5 направлены в противоположную сторону. Тогда справедливо равенство F—S = та. Это общий закон движения.

При отстаивании действующей силой F является разность силы тяжести частицы G и выталкивающей архимедовой силы А, т. е. F = = G—А. Сразу же после начала отстаивания сила сопротивления среды возрастает настолько, что движение частиц из ускоренного пре­ вращается в равномерное, при котором ускорение.а = 0. В этом слу­ чае общий закон отстаивания будет представлен равенством G—А — —S = 0. Соответствующая этому выражению равномерная скорость частиц, движущихся в среде под действием силы тяжести, и будет ско­ ростью отстаивания.

Таким образом, для того чтобы происходило отстаивание, дейст­ вующая на частицу сила, равная G—А, должна быть больше силы со­ противления среды S, или равна ей, т. е. должно быть соблюдено ус­

— (Pi —Р)Д

Сила сопротивления 5 определяется по формуле (2-15). Подставив

Эта формула устанавливает взаимосвязь критерия Ar с критерием Re и коэффициентом сопротивления X.

Для ламинарного режима отстаивания X = — . Подставив это

Re

в формулу (5-1), получаем А г = — • — -Re2, откуда Re = — . Этим

95

соотношением воспользуемся для установления критического числа Архимеда (Агкр), с помощью которого можно характеризовать границу ламинарного и переходного режимов осаждения. Подставив в него

ReKp = 2, получим Агкр = 2-18 = 36.

Аналогичным методом, используя формулу (5-1) и формулы коэф­ фициентов сопротивления (2-17) и (2-38), находим зависимость числа Re от критерия Аг и условия их применимости для других режимов отстаивания.

В итоге будем иметь следующие расчетные формулы:

Вычислив по критерию Аг величину числа Re, скорость отстаива­

Практически отстаивание суспензий проходит в ламинарном ре­

Эта зависимость известна как уравнение Стокса, по которому ско­ рость отстаивания при ламинарном режиме пропорциональна квадрату диаметра частиц и разности плотностей частиц и среды и обратно про­ порциональна вязкости среды.

Скорость стесненного отстаивания wCT обычно меньше вычислен­ ной по формуле (5-5) скорости свободного отстаивания, так как при этом возникают дополнительные сопротивления трения от столкнове­ ния частиц. Помимо определяющих физических величин, входящих в формулу (5-5), величина w„ будет зависеть еще и от объемной доли

жидкости в суспензии в = ^ "» гАе У и Уі — объемы жидкости и

1 Плановский Н. А., Рамм В. М., Каган С. 3. Процессы и аппараты хими­ ческой технологии. М., 1967, с. 246.

96