Литература от Абакумова ч1 / 0917183_820FF_lekcii_po_processam_i_apparatam_himicheskih_tehnologiy

-низкий расход энергии на единицу оюъёма конечного раствора. Аппараты для растворения и выщелачивания делятся:

-периодически действующие;

-непрерывно действующие.

В зависимости от взаимного направления движения фаз различают аппараты:

-прямоточные;

-противоточные;

-смешанного тока.

По способу создания скорости обтекания твёрдых частиц:

-с неподвижным слоем твёрдого материала;

-с механическим перемешиванием;

-со взвешенным или кипящим слоем.

7 Адсорбция.

Адсорбция – процесс поглощения одного или несколько компонентов из газовой смеси или раствора твёрдым веществом – адсорбентом. Поглощаемое вещество адсорбат, адсорбтив.

Десорбция – выдесение поглощённых веществ из адсорбента.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и сушке газов, очистке и осветлении растворов, разделение смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами.

Значение адсорбционных процессов сильно возросло за последнее время вследствие расширения потребности в веществах высокой чистоты.

8 Десорбция.

Извлечение адсорбированного вещества из твёрдого поглотителя (десорбции) является необходимой составной частью всех технологических процессов адсорбции, проводимых в замкнутом цикле. К числу основных методов десорбции относятся: вытеснение из адсорбента поглощённых компонентов посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощённые компоненты; Испарение поглощённых компонентов, обладающих относительно высокой летучестью, путём нагрева слоя адсорбента.

Устройство адсорбентов и схемы адсорбционных установок. Периодические процессы адсорбции часто проводятся четырёхфазным способом ( в 4 стадии ). Первая стадия – адсорбция. Вторая стадия – десорбция. Третья стадия – сушка. Четвёртая стадия – охлаждения. В случае отсутствияодной из двух последних фаз, метод проведения процесса будет трёхфазным. Существует также двухфазный метод.

Также существуют адсорберы с кипящим слоем поглотителя. В кипящем слое при прочих равных условиях интенсивность внешнего массопереноса также выше, чем в неподвижном слое, вследствие больших скоростей газа, движущегося через слой.

111

В промышленности обычно применяют непрерывно действующие многокамерные адсорберы с кипящим слоем. Но также существуют однокамерные адсорберы.

9 Ионнообменные процессы.

В ионнообменных процессах осуществляется изборательное поглощение одного или нескольких компонентов из растворов с помощью ионитов. Отличие ионнообменных процессов от адсорбционных состоит в том, что обмен ионами, происходящий между ионитами и раствором, обычно связан с протеканием гетерогенной химической реакции между ионитом и химическими соединениями, находящимися в водном растворе.

10 Сушка.

Удаление влаги из твёрдых и пастообразных материалов позволяет удишевить их транспортировлу, придать им свойства, уменьшить коррозию аппаратуры и трубопрововодов при хранении или последующей обработке этих материалов.

Влагу можно удалять механическими способами (фильтрование, центрифугирование). Но полное обезвоживание достигается путём испарения влаги и паров, т.е. с помощью тепловой сушки.

В химической технологии применяется искуссиверрая сушка материалов в специальных сушильных установках, и естественная сушка на открытом воздухе – длительный процесс.

По способу подвода к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

112

-конветивная сушка – при соприкосновении высушиваемого материала с сушильным агентом (нагретый воздух или топочные газы).

-Контактная сушка – путём передачи тепла от теплоносителя к материалу через стенку.

-Радиационная сушка – передача тепла инфракрасными лучами.

-Диэлектрическая сушка – путём нагрева в поле токов высокой частоты.

-Сублимационная сушка – сушка в замороженном состоянии при глубоком вакууме.

10.1 Кристаллизация.

Выделение твёрдой фазы в виде кристаллов главным образом из растворов и расплавов. Кристаллы представляют собой однородные твёрдые тела различной геомметрической формы, ограниченные плоскими гранями. Явление образования нескольких крисьаллических форм у данного химического соединения носит название полиморфизма.

Удаление влаги из твердых и пастообразных материалов позволяет удешевить их транспортировку, придать им необходимые свойства (например, уменьшить слеживаемость удобрений или улучшить растворимость красителей), а также уменьшить коррозию аппаратуры и трубопроводов при хранении или последующей обработке этих материалов.

Влагу можно удалять из материалов м е х а н и ч е с к и м и способами (отжимом, отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием). Однако более полное обезвоживание достигается путем испарения влаги и отвода образующихся паров, т. е. с помощью тепловой с у ш к и .

Этот процесс широко используется в химической технологии. Он часто является последней операцией на производстве, предшествующей выпуску готового продукта. При этом предварительное удаление влаги обычно осуществляется более дешевыми механическими способами (например, фильтрованием), а окончательное — сушкой. Такой комбинированный способ удаления влаги позволяет повысить экономичность процесса.

По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. Как будет показано ниже, удаление влаги при сушке сводится к перемещению тепла и вещества (влаги) внутри материала и их переносу с поверхности материала в окружающую среду. Таким образом, процесс сушки является сочетанием связанных друг с другом процессов тепло- и массообмена (влагообмена).

По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки:

113

которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы (как правило, в смеси с воздухом);

глубоком вакууме. По способу передачи тепла этот вид сушки аналогичен контактной, но своеобразие процесса заставляет сублимационную сушку выделять в особую группу.

Последние три вида сушки применяются относительно редко и обычноназываются с п е ц и а л ь н ы м и видами сушки:

Высушиваемый материал при любом методе сушки находится в контакте с влажным газом (в большинстве случаев воздухом). При конвективной сушке влажному газу (являющемуся сушильным агентом) принадлежит основная роль в процессе. Поэтому изучение свойств влажного газа необходимо при рассмотрении процессов сушки и их расчетах.

10.2 Основные параметры влажного газа

При конвективной сушке сушильный агент передает материалу тепло и уносит влагу, испаряющуюся из материала за счет этого тепла. Таким образом, сушильный агент играет роль тепло- и влагоносителя. При прочих методах сушки находящийся в контакте с материалом влажный газ (обычно воздух) используется лишь для удаления испарившейся влаги, т. е. выполняет роль влагоносителя.

Влажный газ является смесью сухого газа и водяного пара. В дальнейшем под влажным газом будет подразумеваться только влажный воздух, учитывая, что физические свойства топочных газов и влажного воздуха отличаются лишь количественно. Влажный воздух как влаго- и теплоноситель, характеризуется следующими основными параметрами:абсолютной и относительной влажностью, влагосодержанием и энтальпией (теплосодержанием).

А б с о л ю т н а я в л а ж н о с т ь определяется количеством водяного пара в кг, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха. С достаточной для технических расчетов точностью можно считать, что влажный воздух подчиняется законам идеальных газов. Тогда водяной пар как компонент газовой смеси (влажного воздуха), находясь под парциальным давлением рп, должен занимать весь объем смеси (1 м3). Поэтому абсолютная влажность равна массе 1 M3 пара, или плотности водяного пара рп (в кг/м3) при температуре воздуха и парциальном давлении рп.

Относительной влажностью, или степенью насыщения воздуха φ называется отношение массы водяного пара в 1 м3 влажного воздуха рп при данных условиях, температуре и общем барометрическом давлении к максимально

114

возможной массе водяного пара в 1 м3 воздуха рн (плотности насыщенного пара) при тех же условиях:

(1)

В соответствии с уравнением состояния идеальных газов (уравнение Менделеева

— Клапейрона)

( 2)

где Т — абсолютная температура, °К; Мп — масса 1 кмоль водяного пара, равная 18 кг/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, равная 8,314

дж/(кмоль-град) = 1,99 ккал/(кмоль∙град); рн—давление насыщенного

водяного пара при данной температуре (в Т°К.) и общем барометрическом давлении, н/м2.

Подставляя значения рп и рн в выражение (1), получим

(3)

Если температура воздуха ниже или равна температуре насыщения, соответствующей общему (барометрическому) давлению (т. е. ниже примерно 100 °С), то максимально возможное давление водяного пара равно давлению сухого насыщенного пара, которое может быть взято из Международных таблиц водяного пара при данной температуре воздуха.

Если температура воздуха выше температуры насыщения, то максимально возможное давление водяного пара будет равно общему, или барометрическому, давлению В. В этих условиях

(4)

Относительная влажность φ является одной из важнейших характеристик воздуха как сушильного агента, определяющая его влагоемкость, т. е. способность воздуха к насыщению парами влаги.

При нагревании воздуха приблизительно до 100 °С величина рн, входящая в выражение (3), возрастает и соответственно снижается φ; дальнейшее повышение температуры/происходит при φ = const. При охлаждении воздуха в процессе сушки, которое сопровождается поглощением влаги из материала, /зн уменьшается, а φ возрастает, в отдельных случаях вплоть до насыщения воздуха (φ = 1).

В процессе сушки воздух увлажняется и охлаждается и соответственно изменяет свой объем. Поэтому использование в качестве параметра воздуха его абсолютной влажности усложняет расчеты. Более удобно относить влажность воздух к единице массы абсолютно сухого воздуха (lкг сухого воздуха) — величине, не изменяющейся в процессе сушки.

Количество водяного пара (в кг), содержащегося во влажном воздухе и приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется в л аго- с о д е р ж а н и е м воздуха:

115

(5)

где тп и mcв — масса водяного пара и масса абсолютно сухого воздуха в

Для того чтобы установить связь между влагосодержанием х и относительной влажностью φ, подставим в выражение (5) значения рп и рсв, определенные из уравнения (2). Тогда

Подставляя в приведенное выше выражение для х эти значения ри и рсв, а также численные величины Мп и Мсв, получим

(6)

Э н т а л ь п и я / влажного воздуха относится к 1 кг абсолютно сухого воздуха и определяется при данной температуре воздуха / (в °С) как сумма энтальпий абсолютно сухого воздуха ссв t и водяного пара xin (дж/кг сухого воздуха)

(7)

где ссв — средняя удельная теплоемкость абсолютно сухого воздуха, которая может быть принята приближенно равной 1000 дж/(кг-град) [0,24 ккал/(кгград)]; /п — энтальпия водяного пара, дж/кгл Водяной пар находится в процессе сушки в перегретом состоянии в смеси

с воздухом. Обозначим энтальпию водяного пара при О °С через r0 (r0 = 2493103 дж/кг) и примем среднюю удельную теплоемкость перегретого водяного пара сп = 1,97-103 дж/(кг-град). Тогда энтальпия перегретого пара

(8)

Подставляя выражение /п и значение сcв в уравнение (7), получим (в дж/кг сухого воздуха)

( 9)

При использовании внесистемных единиц энтальпия влажного воздуха выражается соответственно следующим образом (в ккал/кг сухого воздуха):

(9)

116

Кроме х, φ и / при расчетах процесса сушки необходимо знать плотность или обратную ей величину — удельный объем влажного воздуха. Плотность влажного воздуха рвл.в равна сумме плотностей абсолютно сухого воздуха рс.в и водяного пара рп. Учитывая, что, согласно выражению (5), плотность водяного пара рп = -φс.в, плотность влажного воздуха

Плотность абсолютно сухого воздуха из уравнения состояния

Подставляя значения рсв и х = 0,622 рп/(Р — рп) (см. уравнение (6)] в выражение для плотности влажного воздуха, находим

или

(10)

Из уравнения (10) видно, что при данном внешнем давлении Р плотность влажного воздуха является функцией парциального давления водяного пара рп и температуры Т. В процессе сушки воздух увлажняется (возрастает рп) и охлаждается (уменьшается Т). Снижение Т оказывает относительно большее влияние на величину рс.в и, как следует из уравнения (10), плотность воздуха при сушке увеличивается. При увлажнении воздуха содержание в нем водяного пара (обладающего меньшим молекулярным весом, чем сухой воздух) возрастает за счет снижения содержания сухого воздуха. Поэтому с увеличением влажности воздух становится легче.

10.3 I-х - диаграмма влажного воздуха

Основные свойства влажного воздуха можно с достаточной для технических расчетов точностью определять при помощи I — х -диаграммы, впервые разработанной Л. К. Рамзиным. Диаграмма I — х (рис. 1) построена для постоянного давления Р = 745мм рт.ст. (около 99 кн/м2), которое, по многолетним статистическим данным, можно считать среднегодовым для центральных районов СССР.

Диаграмма имеет угол 135° между осями координат, причем на оси ординат отложены в определенном масштабе энтальпии, а на наклонной оси абсцисс

— влагосодержания х, которые, для удобства пользования диаграммой, спроектированы на вспомогательную ось, перпендикулярную оси ординат.

На диаграмме нанесены: 1) линии постоянного влагосодержания (х = const) —

117

вертикальные прямые, параллельные оси ординат; 2) линии постоянной энтальпии (/ = const)—прямые, параллельные оси абсцисс, т. е. идущие под углом 135° к горизонту; 3) линии постоянных температур, или изотермы (/ = const); 4) линии постоянной относительной влажности (φ = const); 5) линия парциальных давлений водяного пара рп во влажном воздухе, значения которых отложены в масштабе на правой оси ординат диаграммы.

Линии t = const, ф == const и рп построены на диаграмме следующим образом.

Линии постоянных температур, или изотермы, выражающие зависимость / от х при / = const, строятся с помощью уравнения (XV, 9). Задаваясь при

118

данной температуре t^ = const двумя произвольными значениями хг и дс2. вычисляют пс уравнению (9) соответствующее каждому х значение /. Полученные точки (хг. /х) и (д;г, /2) наносят на диаграмму и проводят через них прямую, которая является изотермой /J = const. Наклон изотерм несколько увеличивается с возрастанием температуры, так как теплоемкость водяного пара сп, а следовательно, и tn [см. уравнение (8)] при этом возрастает.

Линии постоянной относительной влажности построены с помощью уравнения

(6). выражающего зависимость между х и рн при ф = const. Задаваясь при данном φ = const несколькими произвольными температурами t1 t2, t3, ..., для каждой, из них находят по таблицам водяного пара соответствующее значение рн и вычисляют отвечающее ему значение х по уравнению (6). Точки с известными координатами (t1, хг), (t2, х2), (t3, x3) и т. д. соединяют кривой, которая является линией фг= const.

Линии ф = const образуют пучок расходящихся кривых, выходящих из одной точки (не показанной на диаграмме) с координатами / = —273 °С и х = 0. Для того чтобы линии ф = const не подходили очень близко друг к другу, что затруднило бы пользование диаграммой I— х, последняя построена, как указывалось выше, в косоугольной системе координат. При температуре 99,4 °С давление насыщенного пара рн = В, т. е. становится равным постоянному барометрическому давлению В = — 745 мм рт. ст., для которого построена диаграмма.

В этом случае, согласно выражению (4), величина φ = рп/В и уравнение (6) принимает вид

Следовательно, при температурах / > 99,4 °С величина φ не зависит от

119

температуры и практически является величиной постоянной, так же как и влагосодержание воздуха х (при данном значении рп и В — const). Поэтому при t = 99,4 °С линии φ = const имеют резкий перелом и идут почти вертикально вверх. Незначительное отклонение направления линий φ=const от вертикального объясняется тем, что в этой области высоких температур значения рп, а значит, и ф несколько зависит и от температуры.

Линия φ = 100% соответствует насыщению воздуха водяным паром при данной температуре. Эта линия ограничивает снизу расположенную над ней

агента. Площадь диаграммы, расположенная под линией φ= 100%, относится к воздуху, пересыщенному водяным паром, и для расчетов сушилок интереса не представляет.

Линия парциального давления водяного пара строится по уравнению

Задаваясь произвольно различными значениями х, рассчитывают рп и получают, согласно этому уравнению, прямую, идущую из начала координат. Парциальное давление водяного пара в воздухе с влагосодержанием хг определяют, проводя линию x = const до пересечения с линией парциальных давлений и затем яроводя из точки пересечения горизонталь до правой оси ординат со шкалой рп.

На диаграмме /—х по любым двум известным параметрам влажного воздуха можно найти точку, характеризующую состояние воздуха, и определить все его остальные параметры.

Изображение процессов изменения состояния воздуха на диаграмме. При нагревании влажного воздуха в специальных теплообменниках — калориферах— его относительная влажность φ уменьшается, а влагосодержание х остается постоянным. Поэтому на диаграмме / — х процесс нагр е в а воздуха изображают отрезком AВ (рис. 2), проводя из точки, отвечающей начальному состоянию воздуха (t0;x0), вертикальную линию x=const вверх до пересечения с изотермой, отвечающей температуре нагрева воздуха t1.

Процесс охлаждения воздуха (имеющего начальную температуру t ) при постоянном влагосодержании до его насыщения изображается вертикалью, проведенной из точки В (характеризующей начальное состояние охлаждаемого воздуха) вниз до пересечения с линией φ = 100% (отрезок ВС). Точка пересечения линий х = const и φ = 100% (точка С на рис. 2) характеризует состояние воздуха в результате его охлаждения при х = const и называется точкой росы. Изотерма, проходящая через эту точку, определяет температуру точки росы /р. Дальнейшее охлаждение воздуха ниже температуры точки росы (например, до температуры /п) приводит к конденсации из него части влаги и соответственно — к уменьшению его влагосодержания от х0 до хп. На диаграмме процесс охлаждения насыщенного воздуха совпадает с линией φ = 100% (кривая

СЕ).

120