5.2.3 Горизонтальні центрифуги з ножовим зніманням осаду

Відноситься до відстійних центрифуг. У цих центрифугах вивантажується осад при обертанні ротора, при цьому частота обертання не знижується, що заощаджує електроенергію. Суспензія подається в горизонтально обертовий ротор, де розділяється на тверду й рідку фази. Осад зрізується ножем, що підводить (шляхом повороту) до ротора за допомогою гідроциліндру й попадає в похило розташований лоток, яким і виводиться із центрифуги. Відстійні центрифуги застосовуються для виділення твердої речовини із важкофільтрованих суспензій середньої дисперсності. Основний недолік автоматичних центрифуг з ножовим зніманням осаду - можливе здрібнювання часток при його зніманні.

1 - канал для видалення осаду; 2 - труба для суспензії; 3 - ротор перфорований; 4 - гідроциліндр для підйому ножа; 5 - кожух; 6 - ніж; 7 - ринва; 8 - штуцер для фугату

Рисунок 5.2.3 - Горизонтальна центрифуга з вивантаженням осаду ножем

5.3 Центрифуги безперервної дії. Конструкції, принцип дії

5.3.1 Центрифуги зі шнековим вивантаженням осаду

Вони можуть бути осаджувальними й фільтруючими. Суспензія надходить через трубу в порожній барабан шнека, звідки через отвори попадає у внутрішню порожнину конічного ротора, що обертається в роторі. Під дією відцентрових сил суспензія відкидається до стінок ротора.

Тверда фаза суспензії осаджується на стінці ротора й за допомогою шнека переміщається безупинно до розвантажувальних отворів і далі через штуцер виводиться з машини. Рідка фаза (фугат) збирається в широкого торця шнека, досягає отвору й через штуцер виводиться із центрифуги. Ротор і шнек обертаються з різною частотою (шнек повільніше).

1 - отвір для осаду; 2 - отвір для суспензії; 3 - конічний ротор зі скошеними стінками; 4 - кожух; 5 - отвір для фугату; 6 - камера для фугату; 7- шнек; 8 - камера для осаду

Рисунок 5.3.1 - Центрифуга горизонтальна шнекова

5.3.2 Центрифуги з пульсуючим поршнем

У хімічній промисловості застосовують безперервно діючі центрифуги з вивантаженням осаду пульсуючим поршнем. У цих машинах суспензія подається безупинно, а осад періодично виштовхується поршнем - штовхачем з розташованого на горизонтальному валу перфорованого барабана, обтягнутого фільтруючим ситом.

Істотні недоліки центрифуг цього типу: складність конструкції; забруднення фугату осадом, що частково проходить через отвори сита; значна витрата енергії на переміщення осаду, а також порівняно швидке зношування фільтруючої сітки.

5.3.3 Центрифуги з інерційним вивантаженням осаду

У центрифугах безперервної дії з інерційним вивантаженням осаду конічний ротор обертається навколо вертикальної осі. Суспензія надходить у центрифугу зверху через вирву, відкидається відцентровою силою до ротора з перфорованими стінками. Рідка фаза проходить через отвори й віддаляється через штуцер, тверда затримується на стінці ротора, й утворює шар. Оскільки кут нахилу стінок ротора більше кута тертя твердих часток об його поверхню, то осад переміщається до нижнього краю ротора й приділяється із центрифуги по каналі для твердих часток. Для збільшення тривалості періоду, протягом якого рідина відділяється від твердих часток, рух їх гальмується шнеком, що обертається повільніше ротора.

Застосовується для поділу суспензій грубозернистих матеріалів. Недолік - неможливо регулювати швидкість руху осаду.

6 Машини і апарати для змішування матеріалів

6.1 Класифікація

Метою змішання є одержання із двох або більше компонентів, узятих у певних співвідношеннях, однорідної в будь-якому малому обсязі маси, різні компоненти якої входили б у цей обсяг у тих же пропорціях, у яких вони були взяті спочатку.

Процес змішання здійснюється в системах тверда речовина - тверда речовина, рідина - рідина, тверда речовина - рідина. Залежно від поставленого завдання в результаті процесу змішання може бути досягнуто: простої фізичне змішання; диспергування; зміна фізичного стану компонентів (розчинення, кристалізація); керування хімічними реакціями.

У хімічній промисловості застосовується велика кількість змішувачів сипучих, рідких, шароподібних матеріалів і різних неоднорідних систем. Така розмаїтість привела до утруднень при класифікації, тому була запропоновано наступна схема класифікації, у якій один апарат міг ставиться до різних видів.

6.2 Машини і апарати для змішання сипучих матеріалів. Конструкції, принцип дії

6.2.1 Барабанні змішувачі

Барабанні змішувачі з обертовим корпусом без пристроїв, що перемішують, ставляться до найпоширеніших машин для змішання сипучих матеріалів. Розрізняються вони формою корпуса і його розташуванням стосовно осі обертання. У промисловості використаються різні види барабанних змішувачів: тихохідні періодична й безперервна дії.

1 - барабан; 2 - бандаж; 3 - опора; 4 - привод; 5 – люк

Рисунок 6.2.1 - Змішувач барабанний циліндричний періодичної дії

У циліндричному змішувачі з горизонтальною віссю немає сил, які змусили б переміщатися частки уздовж осі барабана, тому для збільшення поздовжнього перемішування, а саме переміщення часток уздовж усередині корпуса монтуються спеціальні пристрої: спіральні стрічки й похилі лопатки.

До переваг барабанних змішувачів ставляться - простота пристрою, можливість змішання компонентів без стирання, перемішування абразивних компонентів. Недоліки - погана якість і тривалий цикл змішання, більші енергетичні витрати на одиницю готової продукції.

6.2.2 Лопатеві змішувачі

Є універсальними змішувачами, тому що в них можна змішувати сухі сипучі матеріали, зволожені суміші й пасти. Виготовляються з одним або двома валами, на яких змонтовані змішувальні елементи (деякі конструкції лопат нагадують черв'яків, і називаються черв’ячно-лопатевими).

1 - барабан; 2 - лопати; 3 - вал приводу; 4 – привод

Рисунок 6.2.2 - Змішувач одновальний лопатевий

Лопатеві змішувачі мають значно меншу металоємність у порівнянні з барабанними при однакових показниках енерговитрат, часу змішання й обсягу матеріалу, що перешиває. Недолік - при змішанні часток, які значно відрізняються друг від друга по щільності, можливе відкладення на дні корита важких часток.

6.2.3 Барабанно-лопатневі змішувачі

З метою усунення відкладення часток і більшої інтенсивності процесу змішання застосовуються барабанно-лопатневі змішувачі. Вони є комбінацією першого й другого видів змішувачів і характеризуються тим, що в процесі змішання обертаються барабан і лопатевий вал. Напрямок обертань вала й барабана можуть бути однаковими й різними. Можуть працювати в періодичному й безперервному режимі.

Ці змішувачі ставляться до тихохідного виду.

1 - барабан; 2 - лопати; 3 - привод лопати; 4 - опора барабана; 5 - полки; 6 - привод барабана

Рисунок 6.2.3 - Змішувач барабанно-лопатевий

6.2.4 Відцентрові змішувачі

У змішувачах даного типу для змішання матеріалів використається енергія обертового пристрою, що перемішує, і відцентрова сила, під дією якої частки рухаються й взаємно перемішуються.

1- гальмо рамки; 2 - корпус; 3 - конус; 4 - рамка; 5 - привод конуса

Рисунок 6.2.4 Відцентрований змішувач

При обертанні конуса матеріал, що потрапив у нього при засипанні, починає обертатися під дією сил тертя об стінки конуса. Частки матеріалу під дією відцентрових сил починають рухатися по конусі нагору, пересипаються через його верхній край і попадають у кільцевий простір між конусом і корпусом. Внаслідок деякого розрядження в нижній частині конуса матеріал з кільцевої порожнини надходить знову в усередину, утворюючи тим самим циркуляційний рух.

Відцентрові змішувачі є високо інтенсивними й ефективними змішувачами, що забезпечують у короткий період одержання однорідної суміші. Можуть працювати в періодичному й безперервному режимах.

6.2.5 Пневмотичні змішувачі

Принцип дії заснований на псевдозрідненні шару сипучого матеріалу повітрям або інертним газом, кінетична енергія яких використається для наступного перемішування. Для запобігання утворення вирв усередині змішувача в апаратах установлюють: 1) аэрируючі ґрати; 2) механічний пристрій, що перемішують; 3) вплив на зважений шар додатковими газовими потоками.

1 - корпус; 2 - мішалка лопатева; 3 - ґрати; 4 - днище; 5 - підшипники; 6 - привод мішалки

Рисунок 6.2.5 - Змішувач пневматичний з мішалкою

Пневмозмішувачі працюють як періодично, так і безупинно. Вихідна суміш надходить на ґрати, а після змішання відбирається, перебуваючи у зваженому стані, завдяки потоку повітря, через вихідний штуцер. Зріднююче повітря або газ виходить через вихлопну трубу апарата й попадає в сепаратор і фільтри.

6.3 Мішалки. Конструкції, принцип дії

6.3.1 Лопатеві мішалки

Апарат для механічного змішування рідин складається з корпуса, пристрою, що перемішує яке включає три основних елементи: мішалка, вал і привод.

Лопатеві мішалки застосовуються для перемішування мало грузлих рідин, розчинення або диспергування твердих речовин з малою питомою вагою. Лопатеві мішалки відрізняються простотою конструкції й малою вартістю.

1 - привод; 2 - вал приводний; 3 - корпус; 4 – лопата

Рисунок 6.3.1 - Мішалка лопатева

Для збільшення турбулентності середовища в апаратах з більшим відношенням висоти до діаметра використаються багаторядні дволопатеві мішалки, повернених відносно один одного на 90.

Недоліки - мала інтенсивність перемішування густих і грузлих рідин, повна непридатність для перемішування легко розшаручих речовин.

6.3.2 Турбінні мішалки

Застосовуються для утворення суспензій, розчинення, абсорбції газів, інтенсифікації теплообміну й проведення хімічних реакцій.

Робочий елемент мішалки має форму колеса водяних турбін із плоскими або похилими лопатками, укріплених на вертикальному валу. В апарату створюються переважно радіальні потоки рідини.

Можуть бути відкритого й закритого типів. Закриті мають два диски з отворами в центрі для проходу рідини.

1- вал приводний; 2 - закрита турбіна; 3 - напрямний апарат; 4 – корпус

Рисунок 6.3.2 - Мішалка турбінна

6.3.3 Якірні і рамні мішалки

Для перемішування рідин з високою в'язкістю, а також для апаратів що обігрівають або охолоджуваних сорочкою, особливо у випадку випадання осаду або забруднення, застосовуються якірні або рамні мішалки. Вони мають форму, що відповідає внутрішньої конфігурації апарата, і діаметр, близький до діаметра апарата або змійовика. При обертанні ці мішалки очищають стінки й дно апарата від налипань.

1 - вал приводний; 2 - лопати (якір); 3 – корпус

Рисунок 6.3.3 - Мішалка якірна

6.3.4 Стрічкові мішалки

Стрічкові мішалки являють собою конструкцію, яка включає в себе вертикальний вал, на якому на рівних відстанях одна від іншої встановлені два циліндричні траверси. На периферійну частину траверс опираються дві плоскі стрічки.

Рисунок 6.3.4 Стрічкова мішалка

6.4 Машини і апарати для змішання пастоподібних матеріалів: валкові, роторні й черв'ячні змішувачі. Конструкції й принцип дії

Найбільше поширення в загальнохімічних виробництвах знайшли двороторні машини без тиску, які називаються метальниками, і машини з постійним тиском на масу, що забезпечує її піджаття до органів, що перемішують, - пастозмішувачі.

Валкові й черв'ячні машини використаються в спеціальних виробництвах, зокрема, для гомогенізації й пластикації синтетичних смол, гумових сумішей і їм подібних матеріалів.

Мішателі є машинами більше енергоємними в порівнянні зі змішувачами. Їхній корпус, ротори більше тверді.

6.5 Принципи параметричних розрахунків машин і апаратів для змішання матеріалів

Для розрахунку змішувачів визначають:

1. продуктивність змішувача;

2. робочу частоту обертання;

3. потужність привода.

7 Теплообмінні апарати

7.1 Класифікація

Процеси теплообміну здійснюються в теплообмінних апаратах різних типів і конструкцій. По способі передачі тепла вони діляться на поверхневі й змішувальні.

У поверхневих апаратах робітничі середовища обмінюються теплотою через стінки з теплопровідних матеріалів, а в змішувальних - теплота передається при безпосереднім перемішуванні робітничих середовищ. Змішувальні апарати по конструкції простіше поверхневих, теплота в них використається повніше, однак вони придатні коли припустиме змішання робітничих середовищ.

Поверхневі апарати діляться рекуперативні й регенеративні. У рекуперативних апаратах теплообмін відбувається через розділові стінки, а регенеративних - теплоносії поперемінно стикаються з однієї й тією же поверхнею нагрівання.

Рекуперативні апарати підрозділяються на прямоточні, противоточні, перехресного або змішаного типу.

7.2 Кожухотрубчаті теплообмінники: жорсткої, нежорсткі і напівжорсткі. Конструкції, принцип дії

Кожухотрубчаті теплообмінники одержали широке поширення завдяки простоті конструкції й технології виготовлення. Залежно від призначення вони можуть бути підігрівниками, холодильниками, конденсаторами й випарниками. Тепло, що обмінюють середовища, рухаються звичайно противотоком - є середа, що нагрівається, направляється знизу, а що віддає тепло - зверху. Для збільшення швидкості теплообміну виготовляють багато ходові теплообмінники. Жорсткі теплообмінники використаються при порівняно невеликих різницях температур корпуса й труб.

1 - кришка; 2 - перегородки в кришці; 3 - ґрати трубна; 4 - перегородки у міжтрубному просторі; 5 - корпус; 6 - опора; 7 – труби

Рисунок 7.2 - Кожухотрубчатий теплообмінник багатоходовий вертикальний (жорсткий)

Теплообмінник півжорсткий містить у своїй конструкції лінзовий компенсатор, що служить для компенсації температурних розширень трубок. Останнє виникає внаслідок різної температури середовища в трубках і міжтрубному просторі.

У нежорстких теплообмінниках (U - образні апарати) самі труби виконують роль пристроїв, що компенсують. При цьому спрощується конструкція апарата, тому що має лише одні нерухомі трубні ґрати. Недоліком таких теплообмінників є труднощі очищення внутрішньої поверхні труб, складність розміщення великої кількості труб у трубних ґратах.

Трубні грати - диски, у яких висвердлені отвори під трубки.

7.3 Пластинчасті теплообмінники

Поверхня теплообміну створюється пластинами, кожна пара яких утворить канал. Теплоносії в пластинчастих теплообмінниках можуть рухатися противотоком, прямотоком і по змішаній схемі. Переваги пластинчастих теплообмінників: інтенсивний теплообмін; малий гідравлічний опір; компактність; зручність монтажу й очищення від забруднень. Недоліки - неможливість роботи при високих тисках і температурах внаслідок труднощів вибору еластичних хімічно й термічно стійких матеріалів для прокладок.

7.4 Спіральні теплообмінники

Являють собою тонкі металеві аркуші, згорнуті у вигляді спіралі й приварені до розділової перегородки - керну. Для додання аркушам твердості й міцності, а також для фіксування відстані між спіралями до аркушів по обидва боки приварені бобишки. Відрізняються компактністю, малим гідравлічним опором і інтенсивністю теплообміну при високих швидкостях теплоносіїв. Недоліки - відрізняються складністю виготовлення, неможливістю роботи при високих тисках.

1 - аркуші згорнуті в спіраль; 2 – перегородка

Рисунок 7.4 - Теплообмінник спіральний

7.5 Принципи параметричних розрахунків теплообмінників

Тепловий розрахунок звичайно включає:

- вибір конструкції апарата, основних його розмірів, швидкостей, місця руху теплоносіїв;

- визначення теплового навантаження або витрат теплоносіїв;

- розрахунок параметрів температурного режиму процесу теплообміну;

- визначення коефіцієнта теплопередачі;

- обчислення площі теплообміну.

8 Випарні апарати й установки

8.1 Класифікація

У хімічних виробництвах застосовуються випарні апарати в складі випарних установок. Установки можуть складатися з одного випарного апарата (однокорпусна) або декількох апаратів (багатокорпусна).

Будь-який випарний апарат складається із двох частин: камери, що гріє, і сепаратора. Камера, що гріє (кип'ятильник) призначена для кип'ятіння випарюваного розчину, а сепаратор - для збору й відділення вторинної пари від упареного розчину.

Випарні апарати класифікують по наступних ознаках:

- по розташуванню осі апарата в просторі - на вертикальні, горизонтальні й похилі;

- по виду обігріву - з обігрівом парою, газом і високотемпературними теплоносіями (масло, даутерм), з електрообігріванням;

- по способі підведення теплоти через стінку (трубчасті, змієвикові, із сорочкою) і при безпосереднім змішанні (із заглибними пальниками);

- по режиму циркуляції - природної й штучної;

- по кратності циркуляції - однократної й багаторазової.

8.2 Випарні апарати з випарюванням у об’ємі. Конструкції, принцип дії

8.2.1 Випарні апарати зі співвісною гріючою камерою і істотною циркуляцією

Трубчасті випарні апарати можуть бути зі співвісної й виносною нагрівальною камерою (кип'ятильником). Апарати з виносним кип'ятильником доцільно використати для пінливих розчинів.

Сепаратор являє собою паровий простір, обмежений ємкістною частиною апарата, з розташованим угорі бризковловлювачем. Бризковловлювачі це відбійники, установлені над кришкою сепаратора; інерційні циклони; конусоподібні штуцера. В відбійниках і циклонах бризки відділяються від пари шляхом різкої зміни швидкості й напрямку руху корпуса.

1 - бризковловлювач; 2 - сепаратор; 3 - відбійник; 4 - труба скипання; 5 - труба циркуляційна; 6 - камера нагрівальна

Рисунок 8.2.1 - Випарний апарат зі співвісним кип'ятильником і природною циркуляцією

8.2.2 Випарні апарати зі співвісною гріючою камерою і примусовою циркуляцією

У випарних апаратах із примусовою циркуляцією рідина рухається по трубках з великою швидкістю під тиском. Зона кипіння перебуває у верхнього кінця трубок.

Завдяки значній швидкості руху розчину в трубках відкладень на поверхні теплообміну менше, ніж у звичайних апаратах. Ці апарати доцільно використати при розпарюванні грузлих рідин, коли природна циркуляція утруднена. Однак привод циркуляційного насоса вимагає додаткових енергетичних витрат.

8.2.3 Випарні апарати з виносною гріючою камерою і істотною циркуляцією

1 - сепаратор; 2 - опора; 3 - розширена частина кожуха кип'ятильника; 4 - штуцер для уведення пари; 5 - штуцер для конденсату; 6 - циркуляційна труба

Рисунок 8.2.3 - Випарний апарат із природною циркуляцією й виносною камерою, що гріє

Для зменшення швидкості, запобігання місцевого перегріву трубок і захисту їх від корозії пар уводиться в межтрубний простір через штуцер у розширювальну частину, де встановлений обтічник. З обтічником пар надходить рівномірно з усіх боків у трубний пучок через розширену частину кожуха й ця частина одночасно є компенсатором температурних подовжень трубок.

8.3 Плівкові випарні апарати

8.3.1 Випарні апарати з плівкою, що сходить

1 - штуцер для виходу вторинної пари; 2 - бризковловлювач; 3 - сепаратор; 4 - штуцер для виходу упареного розчину; 5 - камера нагрівальна; 6 - штуцер для виходу конденсату; 7 - штуцер уведення вихідного розчину; 8 - штуцер для пари

Рисунок 8.3.1 - Трубчастий плівковий випарний апарат зі співвісним кип'ятильником і висхідною плівкою

У плівкових апаратах розчин рухається в трубках у вигляді плівок. В апаратах з висхідною плівкою розчин подається в нижню частину трубок, скипає; при цьому утвориться багато парових пухирців, що захоплюють за собою розчин. Парорідинна емульсія, що виходить із трубок, ударяється об поверхню сепаратора з вигнутими лопатками, одержує обертовий рух і відкидається відцентровою силою до периферії, завдяки чому відбувається досить повна сепарація пари. Випарювання відбувається в тонкому шарі при однократній циркуляції розчину. При великій довжині труб можливо розрив і висихання плівки рідини у верхній частині трубок, при цьому відбувається зниження коефіцієнта тепловіддачі.

8.3.2 Плівкові випарні апарати з плівкою, що стікає

У випарних апаратах зі стікаючою плівкою камера, що гріє, розташована вгорі, а сепаратор - унизу. Свіжий розчин подається зверху через штуцер і проходить через трубний пучок униз, де утворює на поверхні трубок тонку плівку. Вторинна пара виводиться через верхній штуцер сепаратора, а упарений розчин - через його нижній штуцер.

1 - штуцер для входу свіжого розчину; 2 - штуцер для пари; 3 - штуцер для виходу конденсату; 4 - штуцер для виходу вторинної пари; 5 - штуцер для виходу упареного розчину

Рисунок 8.3.2 Випарний плівковий апарат зі стікаючою плівкою з виносним кип'ятильником

Плівкові апарати мають високий коефіцієнт теплопередачі, однак вони характеризуються великою інтенсивністю тепловіддачі при кипінні. Недолік - довжина трубок, що утрудняє ремонт, мала здатність, що акумулює, що не забезпечує постійну продуктивність і утруднення одержання розчинів рівномірної концентрації.

8.3.3 Плівкові роторні апарати

Різновидом плівкових апаратів, використовуваних для розпарювання грузлих і термолабільних розчинів, є роторний випарний апарат.

Розчин подається дозувальним насосом через штуцера звідки стікає у вигляді тонкої плівки по внутрішній частині циліндричного корпуса. Теплоносій (вода, пара) подається в сорочки апаратів. При стіканні по стінці апарату розчин захоплюється лопатками ротора й приводиться у рух; при цьому утвориться плівка, що відштовхує відцентровою силою до внутрішньої стінки апарата.

Апарат характеризується високою інтенсивністю тепловіддачі. Незначне перебування розчину в апарату забезпечує висока якість продукту, що важливо для термолабільних розчинів.

Недоліками роторних апаратів є невелика поверхня нагрівання, порівняно невисока продуктивність, складність конструкції й більша вартість.