The Basics of Process Technology (Основы технологических процессов). Учебное пособие
.pdfswirling liquid near the surface, which deposits in the swirling suspended crystals until they leave again via the circulating pipe. The vapors leave through the top. A steamjet ejector provides vacuum.
There are different ranges of crystallization application. For example it is widely used in pharmaceutical industry. The control of crystal size and shape constitutes one of the main challenges in industrial manufacturing.
Ответьте на вопросы:
∙What is the physical meaning of crystallization?
∙What two major processes does crystallization consist?
∙Can you give the examples of nature crystallization?
∙What types of artificial crystallization do you know?
∙What devices are used for the process of crysatllization?
71
Text 7
EVAPORATION
Evaporation is the process by which molecules in a liquid state spontaneously become gaseous. It is the opposite of condensation. Generally, evaporation can be seen by the gradual disappearance of a liquid, when exposed to a significant volume of gas.
On average, the molecules do not have enough energy to escape from the liquid, or else the liquid would turn into vapor quickly. When the molecules collide, they transfer energy to each other in varying degrees, based on how they collide. Sometimes the transfer is so one-sided that one of the molecules ends up with enough energy to be considered past the boiling point of the liquid. If this happens near the surface of the liquid it may actually fly off into the gas and thus "evaporate". Liquids that do not appear to evaporate visibly at a given temperature in a given gas (e.g. cooking oil at room temperature) have molecules that do not tend to transfer energy to each other in a pattern sufficient to frequently give a molecule the "escape velocity" - the heat energy - necessary to turn into vapor. However, these liquids are evaporating, it's just that the process is much slower and thus significantly less visible.
Evaporation is an essential part of the water cycle. Solar energy drives evaporation of water from oceans, lakes, moisture in the soil, and other sources of water. In hydrology, evaporation and transpiration are collectively termed evapotranspiration.
For molecules of a liquid to evaporate, they must be located near the surface, be moving in the proper direction, and have sufficient kinetic energy to overcome liquid-phase intermolecular forces. Only a small proportion of the molecules meet these criteria, so the rate of evaporation is limited. Since the kinetic energy of a molecule is proportional to its temperature, evaporation proceeds more quickly at higher temperature. As the faster-moving molecules escape, the remaining molecules have lower average kinetic energy, and the
72
temperature of the liquid thus decreases. This phenomenon is also called evaporative cooling. This is why evaporating sweat cools the human body. Evaporation also tends to proceed more quickly with higher flow rates between the gaseous and liquid phase and in liquids with higher vapor pressure. For example, laundry on a clothes line will dry more rapidly on a windy day than on a still day.
If the evaporation takes place in a closed vessel or hot places , the escaping molecules accumulate as a vapor above the liquid. Many of the molecules return to the liquid, with returning molecules becoming more frequent as the density and pressure of the vapor increases. When the process of escape and return reaches an equilibrium, the vapor is said to be "saturated," and no further change in either vapor pressure and density or liquid temperature will occur. For a system consisting of vapor and liquid of a pure substance, this equilibrium state is directly related to the vapor pressure of the substance, as given by the Clausius-Clapeyron relation. If a liquid is heated, when the vapor pressure reaches the ambient pressure the liquid will boil.
The ability for a molecule of a liquid to evaporate is largely based on the amount of kinetic energy an individual particle may possess. Even at lower temperatures, individual molecules of a liquid can potentially evaporate if they have more than the minimum amount of kinetic energy required for vaporization.
Factors influencing the rate of evaporation:
∙Concentration of the substance evaporating in the air: if the air already has a high concentration of the substance evaporating, then the given substance will evaporate more slowly.
∙Concentration of other substances in the air: if the air is already saturated with other substances, it can have a lower capacity for the substance evaporating.
∙Flow rate of air: this is in part related to the concentration points above. If fresh air is moving over the substance all the
73
time, then the concentration of the substance in the air is less likely to go up with time, thus encouraging faster evaporation. This is result of the boundary layer at the evaporation surface decreasing with flow velocity, decreasing the diffusion distance in the stagnant layer.
∙Concentration of other substances in the liquid (impurities): if the liquid contains other substances, it will have a lower capacity for evaporation.
∙Temperature of the substance: if the substance is hotter, then evaporation will be faster.
∙Inter-molecular forces: the stronger the forces keeping the molecules together in the liquid state the more energy that must be input in order to evaporate them.
∙Surface area: a substance which has a larger surface area will evaporate faster as there are more surface molecules which are able to escape.
∙Heating: the thickness of the object being heated was thick at a time of heating, the heat being delivered for evaporation of
the water could be reduced. If there was no thickness, the heat might have been delivered more to the evaporation of the water.
Evaporation is very essential part which is used for many technological processes in industry and for personal services.
Ответьте на вопросы:
∙What is the physical meaning of evaporation?
∙Where can you see the process of evaporation every day?
∙What are the main factors influencing the rate of evaporation?
∙What is the opposite process of evaporation?
74
ПРАКТИКУМ ПИСЬМЕННОГО ПЕРЕВОДА
Противоточный теплообменник
Теплообме>нник– устройство, предназначенное для передачи тепла от потока горячего теплоносителя к более холодному без смешивания этих потоков. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслей промышленности. Различают теплообменные аппараты с противоточным, параллельным и перекрестным течениями жидких или газообразных сред. Противото>чный теплообме>нник – теплообменник со встречным движением двух взаимодействующих сред. В процессе теплообмена среды обмениваются температурами. Таким образом, охлаждающая среда нагревается до температуры нагревающей среды, а последняя охлаждается до температуры охлаждающей среды.
Противоточный теплообменник состоит из двух полостей, контактирующих между собой своими стенками. Конструкция в целом может быть теплоизолирована от окружающей среды. Трубы располагают как рядом, так и одна в другой. Вследствие маленького температурного градиента между трубами, в соответствии с уравнением теплопроводности, удельный перенос тепловой энергии также небольшой. Для увеличения процесса теплоотдачи применяются специальные, конструктивные приёмы, такие как увеличение длины труб или замена трубок на пластины с большой суммарной площадью. Поэтому к конструктивным недостаткам противоточного теплообменника следует отнести громоздкость конструкции.
Противоточный теплообменник широко используется в многоконтурных тепловых системах. Пластинчатые противоточные теплообменники нашли своё широкое применение в системах вентиляции и кондиционирования воздуха, где они используются как для нагрева, так и для охлаждения поступающего в помещение воздуха.
75
Ректификация
Ректификацию широко применяют в промышленности, например для получения спирта-ректификата, с отделением сивушных масел и альдегидных фракций, для выделения бензинов, керосинов и других фракций из нефти, а также получения компонентов воздуха. Ректификация – один из способов разделения жидких смесей, основанный на различном распределении компонентов смеси между жидкой и паровой фазами. Потоки пара и жидкости в процессе ректификации, перемещаясь противотоком, многократно контактируют друг с другом в специальных аппаратах, которые называются ректификационными колоннами. Часть выходящего из аппарата пара (или жидкости) возвращается обратно после конденсации (для пара) или испарения (для жидкости). Такое противоточное движение контактирующих потоков сопровождается процессами теплообмена и массообмена, которые на каждой стадии контакта протекают до состояния равновесия; при этом восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая жидкость менее летучими.
Ректификационная колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены тарелки (контактные устройства различной конструкции) или помещен фигурный кусковой материал — насадка. Как в насадочных, так и в тарельчатых колоннах кинетическая энергия пара используется для преодоления гидравлического сопротивления контактных устройств и для создания динамической дисперсной системы пар – жидкость с большой межфазной поверхностью. Существуют также ректификационные колонны с подводом механической энергии, в которых дисперсная система создаётся при вращении ротора, установленного по оси колонны. Роторные аппараты имеют меньший перепад давления по высоте, что особенно важно для вакуумных колонн.
76
Адсорбенты
Адсорбент – твердое или жидкое вещество, на поверхности частиц которого происходит адсорбция. В качестве адсорбентов используют силикагель, активированный уголь и цеолиты. Адсорбент – это химическое вещество, характеризующееся кристаллически-пористой структурой. Адсорбент может быть природным или же синтезированным химическим путем. Основное свойство адсорбентов - поглощение веществ, газов и растворов. Это означает, что такое вещество, как адсорбент, может быть хорошим тепло- и звукоизолятором. Являясь ионным обменником, адсорбент с успехом применяется для очистки природных и сточных вод, как и для очистки газов и воздуха. Адсорбенты нашли большое применение в строительстве для изготовления стен с высокой степенью тепло и звукоизоляции. В бытовых холодильниках и морозильниках для очистки рабочей среды от влаги и кислот применяют адсорбент, встраиваемый в фильтры-осушители. Помимо всего вышесказанного, адсорбенты являются хорошим огнезащитным материалом, благодаря чему стены с применением покрытия из таких материалов обеспечивают надежную огнеустойчовость. Адсорбент широко применяется и в сельском хозяйстве для удобрения грунтов минеральными веществами, для поддержания необходимого воздухо-водного баланса, для обеспечения рыхлости грунтов.
77
Экстракция
Экстрагирование – процесс разделения смеси жидких или твёрдых веществ с помощью избирательных (селективных) растворителей (экстрагентов).
Процесс экстракции включает три последовательные стадии: смешение исходной смеси веществ с экстрагентом; механическое разделение 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 экстрагента производится дистилляцией, выпариванием, кристаллизацией, высаливанием и т. п.
Наиболее эффективна непрерывная экстракция, осуществляемая в многоступенчатых аппаратах (экстракторах) при противотоке исходного раствора и экстрагента. Многоступенчатые экстракторы обычно представляют собой вертикальные колонны, разделённые поперечными перфорированными тарелками, вращающимися дисками, мешалками и т.д. В каждой ступени происходит перемешивание взаимодействующих фаз и их расслаивание.
Экстракция широко применяется в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, фармацев- тической, пищевой и др. отраслях промышленности, например для извлечения ароматических углеводородов из нефтепродуктов, масляных фракций из сернистых нефтей, фенола из сточных вод, металлов (в т. ч. редких) или их соединений из руд, многих природных органических соединений из растительного сырья, фармацевтических препаратов из корней и листьев растений и т. п.
78
Промышленные сушилки
В соответствии с типами высушиваемых материалов, их свойств и условий обработки, конструкции сушилок разнообразны и отличаются: по способу подвода теплоты (конвективные, контактные, специальные); виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые); давлению в сушильной камере (атмосферные, вакуумные); способу организации процесса (периодичного или непрерывного действия); взаимному направлению движения высушиваемого материала и сушильного агента (прямоток, противоток, перекрестный ток); состоянию слоя влажного материала в аппарате (с неподвижным, движущимся или взвешенным слоем).
Рассмотрим конвективные сушилки. Необходимая теплота обычно доставляется нагретым воздухом, топочными газами либо их смесью с воздухом. В некоторых случаях сушильными агентами служат инертные газы, либо перегретый водяной пар.
В камерных сушилках высушиваемый материал находится неподвижно на полках, установленных в одной или нескольких сушильных камерах. Засасываемый вентилятором и нагретый в калориферах воздух проходит между полками над материалом.
Ленточные сушилки имеют вид многоярусного ленточного транспортера, по которому в камере, действующей при атмосферном давлении, непрерывно перемещается материал, постепенно пересыпаясь с верхней ленты на нижележащие.
Барабанные сушилки распространены благодаря высокой производительности, простоте конструкции и возможности непрерывной сушки при атмосферном давлении. Такая сушилка
–это установленный с небольшим наклоном к горизонту цилиндрический барабан с бандажами. Влажный материал через питатель поступает в барабан и равномерно распределяется по его сечению размещенными внутри насадками.
Сушильные аппараты широко применяются в пищевой, деревообрабатывающей, химической и легкой промышленности.
79
БИБЛИОГРАФИЯ
1.Mobley R.K. Plant Engineer’s Handbook – ButterworthHeinemann, 2001. – 1122p.
2.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, изд. 8, «Химия», М.: 1971. – 784с.
3.Детдаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – М.: Высш. шк.: 1989. – 608 с.
4.McCabe W., Smith J. and Harriott P. Unit Operations of Chemical Engineering, 7th Edition, McGraw Hill, 2004 – 1152p.
5.Бонами Д. Английский язык для будущих инженеров: Уч. пособие. – 3-е изд., испр. – М.: ООО «Издательство Астрель»:
ООО «Издательство АСТ», 2003. – 320с.
6.Acheson, D.J. Elementary Fluid Dynamics – Clarendon Press, 1990. – 123p.
7.http://www.book-encyclopedia.ru
8.http://www.en.wikipedia.org
9.http://www.xumuk.ru
80