книги из ГПНТБ / Холланд Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов

определяют по уравнению для безразмерного фактора тепло­ передачи /т:

для одной и той же жидкости и оди­ наковых температурных условий. Поверхность теплопередачи внутри труб определяют из уравнения

Скорость массового потока М через теплообменник определяют уравнением:

Это уравнение справедливо и для многоходовых теплообмен­ ников, если число ходов на промышленной и пилотной установках равны. Отношение поверхностей теплопередачи при разных масштабах к массовым потокам равно:

Перепишем это уравнение в виде:

151

Для одинаковых температурных условий отношение тепловой нагрузки при разных масштабах равно отношению массовых потоков. Следовательно

Следовательно, в случае одинаковых температурных условий на промышленной и пилотной установках имеем:

Рейнольдса для промышленной установки при заданном числе трубок определенной длины. По критерию Рейнольдса из графика на рис. VIII-3 определяем фактор /Те. Часто ноток находится в ламинарном режиме, поэтому знание отношения длины трубок к их диаметру необходимо для получения ]Тг. Для жидкости плотностью 961 кг/м3 и вязкостью 0,0115 Н • с/м2, текущей со средней линейной скоростью 1,524 м/с по трубкам наружным диаметром 0,019 м, значение Re = 2100. Это значение критерия

152

Рис. VIII-3. Зависимость безразмерного /т-фактора от критерия Рейнольдса для потока в трубе по данным работы [4].

СЛ

СО '

Рейнольдса показывает, что жидкости с относительно низкой вязкостью находятся в трубках в ламинарном режиме.

В табл. 10 приведены величины )т, и /т„ (ZTp2/^Tp.) Для раз­ личного числа и длины трубок.

•со стороны трубок в промышленном теплообменнике. Если при­

ход со стороны трубок для теплообменника промышленной уста­

новки.

Рассмотрим теплообменник промышленной установки с 500 трубками длиной 3,57 м. Поверхность теплопередачи внутри трубок равна 86,3 м2, что в 50 раз больше, чем поверхность

154

теплопередачи в теплообменнике пилотной установки, хотя на­ греваемый объем на промышленной установке только в 27 раз больше, чем на пилотной. Это показывает, что даже если можно задавать коэффициент теплоотдачи пленки со стороны трубок, теплопередачу (даже в первом приближении) нельзя масштаби­ ровать исходя только из соотношения тепловых нагрузок при одинаковых условиях.

Примем коэффициент теплоотдачи внутренней пленки жидко­ сти на пилотной установке а равным 450 Вт/(м2 • К), а коэффи­ циент теплоотдачи пленки кон­ денсирующегося в рубашке пара с включением любых загрязне­ ний '<хр равным 5700 Вт/(м2 • К).

При этом отметим, что нет необ­ ходимости определения точного значения коэффициента теплоот­ дачи внутренней пленки жидко­ сти. Он служит для оценки ошибки предположения:

«25вн2 ^2*^вн2 а1‘^ВН1 *lSBHl

Из уравнения (VIII,30) по­ лучим:

155

Тогда

в этом случае приводит к ошибке в 3%. Ошибка будет составлять 1,5% при а р = И 400 Вт/(м2 • К) и около 6% — при а р = = 2850 Вт/(м2 • К).

Отметим, что в основном требуется одинаковая площадь теплопередачи для 700 трубок с линейной скоростью жидкости

МАСШТАБНЫЕ ПЕРЕХОДЫ ДЛЯ РЕАКТОРОВ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

При проектировании периодических реакторов, в которых объем реакционной массы постоянен, можно применять уравнение

по этому уравнению и могут быть использованы при проектиро­ вании промышленной установки при условии, что все факторы, влияющие на скорость реакции W, одинаковы на установках обоих масштабов*.

Масштабные переходы для реакторов периодического действия осложнены различным характером изменения температуры во времени. Время пребывания реакционной массы при температурах ниже рабочей в периоды нагрева или охлаждения должно быть одинаковым на установках малых и больших размеров. Для рас­

156

ЖИДКОСТНАЯ ЭКСТРАКЦИЯ В КОЛОННАХ И АППАРАТАХ С МЕШАЛКАМИ

Dпоследнее время возросло значение жидкостной экстракцпи как метода физического разделения. Ее широко при­

меняют в нефтяной и атомной промышленности. Наиболее часто используют экстракторы с механическим перемешиванием вслед­ ствие нх высокой разделяющей способности и возможности со­ здания в жидкостных’Системах большой межфазной поверхности.

Жидкостная экстракция обусловлена распределением веще­ ства между двумя взаимно нерастворимыми или ограниченно растворимыми жидкими фазами, вступающими в тесное взаимо­ действие.

Эффективность процесса зависит от скорости массопередачи, т. ц. распределения растворенного вещества между двумя несме­

ОБОРУДОВАНИЕ II ПРОЦЕССЫ

Процессы жидкостной экстракции разделяют на периодиче­ ские, ступенчатые и непрерывные. Первые два осуществляют в аппаратах с механическим перемешиванием, последний — в экс­ тракционных колоннах перемешивания.

158

Периодическая экстракция

Наиболее простой и традиционный метод проведения процесса жидкостной экстракции состоит в следующем. Две ограниченно растворимые жидкости, в одной из которых, находится извлекае­ мое вещество, смешивают в аппарате с мешалкой и дают возмож­ ность двум жидким фазам отстояться. Затем более тяжелую

•фазу выпускают снизу, а более легкую отводят сверху. Экстрак­ торы с механическим перемешиванием фаз применяют очень часто несмотря на большое разнообразие других типов экстракторов.

При смешении нерастворимых жидкостей в аппарате с мешал­ кой одна из них распадается на отдельные капельки, распределен­ ные в другой жидкости. Первую жидкость называют дисперсной фазой, вторую — дисперсионной средой. Если дисперсная фаза составляет более 3/„ общего объема жидкости, диспергирование представляет трудную задачу [1]. Если дисперсная фаза составляет менее 7з общего объема, диспергирование осуществляется легко. В аппаратах с механическим перемешиванием периодического действия жидкость, окружающая неподвияшую мешалку, обычно является дисперсионной средой [2, 3]. Если неподвижную ме­ шалку расположить на уровне межфазной поверхности, можно диспергировать любую жидкость, в зависимости от скорости мешалки, хотя обычно диспергируют более легкую жидкость [3].

Площадь межфазной поверхности между двумя нераствори­ мыми жидкостями является функцией степени перемешивания. Миллер и Менн [4] получили данные по степени перемешивания и мощности, потребляемой мешалкой, для двухфазных систем без перегородок с мешалками различных типов, используя в экс­ периментах смесь масла и воды. На основе этих данных они при­ шли к выводу, что в аппаратах без перегородок тип использу­ емой мешалки имеет относительно небольшое значение, так что площадь межфазной поверхности почти полностью зависит от мощности, потребляемой мешалкой. В своих экспериментах Миллер и Менн применяли следующие типы мешалок; лопастную с двумя прямыми лопастями; лопастную с двумя лопастями, наклоненными к горизонтальной плоскости под углом 45° С; лопастную с четырьмя прямыми лопастями; две лопастных с че­ тырьмя лопастями, наклоненными к горизонтальной плоскости под углам в 45°; пропеллерную и турбинную спиральную ме­ шалки.

Миллер и Менн выразили критерий мощности как функцию критерия Рейнольдса для двух несмешиваемых жидкостей, при­ чем критерий Re определяли по средней плотности смеси и сред­ ней вязкости р q, рассчитываемой из соотношения:

где р* и р^ — абсолютные вязкости обеих фаз; х, у — соответ­ ственно объемные доли фаз в смеси.

15а

Лейти и Трейбал [2] получили зависимость критерия мощ­ ности от критерия Рейнольдса для жидкостной двухфазной смеси в системах с турбинными мешалками с шестью прямыми ровными лопатками, без перегородок и с перегородками.

Миллер и Менн [4] пришли к выводу, что для двухфазных жидкостных систем масштабные переходы можно осуществлять на основе геометрического подобия исходя из мощности, отнесен­ ной к единице объема. Они нашли также, что мешалка должна работать в зоне тяжелой фазы. Во всех экспериментах с турбин­ ными мешалками они наблюдали резкое уменьшение однородности системы, если мешалку поднимали выше уровня статической межфазной поверхности, в зону легкой фазы. Миллер и Менн отметили также, что потребляемая мощность мешалки не зависит от ее расстояния до статического уровня межфазной поверхности.

Для эффективного проведения процесса жидкостной экстрак­ ции и надежного масштабного перехода в аппаратах с механиче­ ским перемешиванием оценивают турбулентность, проводя экс­ перименты в экстракторах с перегородками или в закрытых аппаратах, наполненных жидкостью. В последних не будет газо­ жидкостной границы раздела.

Флинн и Трейбал [5] пришли к выводу, что в сосудах с ме­ шалками без газо-жидкостной границы раздела процессы про­ текают так же, как и в сосудах с перегородками.

Экстракторы с механическим перемешиванием имеют ряд преимуществ перед колоннами с механическим перемешиванием. Одно из них заключается в том, что можно широко варьировать состав фаз и степень перемешивания, не опасаясь захлебывания аппарата. Недостатком экстракторов с механическим перемеши­ ванием является их громоздкость.

При периодической одноступенчатой жидкостной экстракции в аппаратах с мешалками в одном и том же сосуде проводят и сме­ шение, и осаждение. Капельки, образующие дисперсную фазу, должны быстро коалесцировать после процесса экстракции, так как скорость осаждения растет с увеличением размера ка­ пель. Низкие значения вязкости дисперсионной среды и поверх­ ностного натяжения, а также различные плотности обеих фаз способствуют осаждению.

Ступенчатая экстракция

При непрерывной ступенчатой жидкостной экстракции в ап­ паратах с мешалками один и тот же сосуд нельзя использовать и для смешения, и для осаждения. Кроме смесителя, необходимоеще иметь оборудование для осаждения. Цоэтому система сме­ ситель — отстойник составляет одну ступень в ступенчатых экс­ тракторах. При проведении прямоточной и противоточной экст­ ракции можно использовать любое число таких ступеней. Противоточная экстракция обычно более эффективна, чем прямоточ^

■160