8.4 Випарний апарат з заглибною горілкою. Конструкції, принцип дії

У плоскій кришці корпуса апарата розташована одна або кілька пальників, занурених під рівень розчину, що випарюється, рівень підтримується постійно за допомогою переливної труби.

У заглибну горілку подається під тиском повітря й горючий газ. Суміш газу й повітря запалюється від електричної свічі. Після розігріву вогнетривких стінок камери горіння пальник опускається в розчин на глибину, при якій відбувається найбільш ефективний теплообмін. Пухирці газу й пари, що утворяться при роботі апарата інтенсивно перемішують розчин, забезпечуючи гарний теплообмін і масообмін між розчином і газом.

1 - сепаратор; 2 - пальник; 3 - корпус; 4 - переливна труба

Рисунок 8.4 - Випарний апарат із заглибним пальником

8.5 Принципи параметричних розрахунків випарних апаратів

Методика теплового розрахунку включає:

- вибір конструкції апарата, основних його розмірів, швидкостей і т.д.;

- визначення теплового навантаження або витрат теплоносіїв;

- розрахунок параметрів температурного режиму процесу теплообміну;

- визначення коефіцієнта теплопередачі;

- обчислення площі теплообміну.

9 Масообмінні апарати

Апарати, призначені для проведення технологічних процесів, протікання яких визначається швидкістю переносу речовини (маси) з однієї фази в іншу, називається масообмінними.

Абсорбція - вибірне поглинання газів або пар рідкими поглиначами - абсорбентами.

Екстракція - вибірне добування окремих компонентів із суміші рідких або твердих речовин за допомогою розчинника (экстрагентов).

Ректифікація - поділ рідкої суміші на чисті або збагачені складові в результаті противоточної взаємодії потоків пари й рідини.

Адсорбція - вибірне поглинання газів, пару або розчинених у рідинах речовин твердими поглиначами - адсорбентами.

Кристалізація - виділення твердої фази у вигляді кристалів.

9.1 Класифікація апаратів

Масообміні апарати можуть бути безперервної й періодичної дії, суцільнозварними й збірними, що складаються з окремих частин (царг), які з'єднуються між собою за допомогою фланців.

9.2 Апарати з фіксованою поверхнею контакту фаз. Конструкції, принцип дії

9.2.1 Плівкові масообмінні апарати

1 - трубні ґрати; 2 - труби; 3 - корпус; 4 – днище

Рисунок 9.2.1 - Плівковий трубчастий масообмінник (абсорбер)

Плівкові апарати являють собою вертикальні колони, усередині яких перебуває насадка (контактні пристрої) із труб або аркушів. Рідина стікає по стінках насадки у вигляді плівки під дією власної ваги, а газ рухається противотоком знизу нагору.

Існують плівкові апарати, у яких плівка рідини рухається по стінках насадки не зверху вниз, а знизу нагору під дією кінетичної енергії газу, що йде знизу - апарати з висхідним рухом плівки. Плівкові апарати трубчастого типу виконуються по типу кожухотрубчатого теплообмінника й складаються з вертикального корпуса, усередині якого розміщаються труби, закріплені в трубні ґрати. Для рівномірної подачі рідини служать розподільні пристрої.

Переваги - більша швидкість газів і відносно малий гідравлічний опір.

9.2.2 Поличні апарати

1 - корпус; 2 - диск; 3 - кільце

Рисунок 9.2.2 - Поличний масообмінник з полками типу диск – кільце

У поличних апаратах плівка рідини утвориться на полках, якими служать тарілки перегородки, що мають форму дисків або кілець, або глухих тарілок і сегментних вирізів. Поличні апарати застосовуються для здійснення рідкої екстракції. Краплі важкої рідини обтікають перегородки у вигляді тонкої плівки, омиваною суцільною фазою.

9.2.3 Розпилювальні масообмінні апарати

Використаються в процесах абсорбції й рідинної екстракції. У першому випадку рідина розприскується до краплинного стану й уже у вигляді крапель попадає в суцільний газовий потік. У другому випадку легка рідина вводиться у вигляді крапель у суцільне середовище важкої рідини й після масопередачі відстоюється у верхній частині апарата.

Розпилювальні апарати по способу розпилення рідини діляться:

- апарати з розпиленням рідини за допомогою форсунок (абсорбери й екстрактори);

- апарати з розпиленням рідини за рахунок кінетичної енергії газового потоку, що рухається з великою швидкістю (швидкісні абсорбери Вентурі).

Газ у них рухається звичайно знизу нагору, а рідина зверху вниз через факели форсунок під деяким кутом. При великій висоті колони розпилювачі розташовуються в кілька ярусів. Швидкість газу неповинна бути високої, тому що це викличе віднесення рідини й вимагає додаткової апаратури (сепаратора).

1- форсунки; 2 - колона

Рисунок 9.2.3 - Порожній розпилювальний масообмінник (абсорбер)

Відрізняються високою продуктивністю, але разом з тим дуже низькою інтенсивністю масопередачі, обумовленої зворотним перемішуванням - це є причиною обмеженого застосування цих апаратів.

9.3 Колонні апарати. Конструкція зовнішніх елементів

Діаметри масообмінних апаратів змінюється в широкому діапазоні - від 0,3 м до 8-10 м (вежі в сірчанокислому виробництві). Металеві апарати мають висоту до 50 м і більше (ректифікаційні колони). Для зручності обслуговування площадки є люки - лази. Каркас площадки виготовляє з куточків сталі, а її горизонтальні ділянки покриваються металевими аркушами. Площадки повідомляються один з одним за допомогою полегшених металевих сходів. До декількох поруч розташованих колон виготовляють загальні для кожного рівня обслуговуючі площадки. Апарати встановлюються на спеціальні фундаменти або підвішуються на будівельних конструкціях, і тоді їхні опори аналогічні теплообмінникам. Для забезпечення підйому окремих елементів конструкції на верхньої царгі встановлюється кран-укосина, що дозволяє під час ремонту піднімати кришку апарата.

9.4 Тарілчасті колони. Конструкції, принцип дії

9.4.1 Ковпачкові стальні тарілки

Ковпачкові тарілки сталеві з капсульними круглими ковпачками виготовляють для колон діаметром до 1 м, корпус яких збирається із царг (циліндрична частина апарата, що з'єднує з іншими частинами фланцевими з'єднаннями).

Рідина через сигментну трубу заповнює тарілку на рівень, обумовлений положенням регульованою планкою. Ковпачки своїми прорізами занурені в рідину. Пара проходить знизу через парові патрубки, щілини ковпачків і барботують крізь шар рідини; при цьому відбувається масообмін. Рідина переливається на нижче розташований рівень, а пара йде нагору.

1 - ковпачки круглі; 2 - трубки зливальні; 3 - тарілка; 4 - патрубки газові

Рисунок 9.4.1 - Тарілчасті колони із круглими ковпачками

9.4.2 Ковпачкові керамічні тарілки

Головна перевага - стійкість до кислот будь-яких концентрацій, крім плавикової й фосфорної.

Тарілки бувають - цільні й складові.

Аналогічні по конструкції й застосуванню тарілки з деталями з вуглеграфітових матеріалів.

9.4.3 Тунельні тарілки

Застосовують у нафтопереробній промисловості. Тарілки збирають із окремих поздовжніх секцій, штампованих з листової сталі й покладених на опорні куточки. Борта двох рядом закріплених секцій утворять між собою довгу вертикальну щілину (паровий канал), над якою за допомогою двох шпильок закріплюють тунельні (жолобчастий) ковпачок. Ковпачок має зубчасті краї.

1 - тарілка; 2 - патрубки газові; 3 - ковпачки тунельні; 4 - трубки зливальні

Рисунок 9.4.3 - Тарілчасті колони з тунельними ковпачками

9.4.4 Тарілки з S - подібними елементами

Тарілки збирають зі штампованих з листової сталі робочих елементів, які кріплять гвинтами до опорної рами. У зібраному виді ковпачкова частина із зубчастою крайкою одного елемента перекриває ринва сусіднього елемента. Для додання більшої жорсткості й закриття торців між елементами закріплюють поперечні пластини.

Тарілки з S - образними елементами мають ряд переваг - прості у виготовленні, мають невелику масу й високий к.п.д.

1 - тарілка; 2 - S - образні елементи; 3 - трубки зливальні

Рисунок 9.4.4 - Тарілчасті колони з S - подібними елементами

9.4.5 Сітчасті тарілки

Сітчасті тарілки з відбійними елементами призначені для апаратів колонного типу із внутрішнім діаметром від 1200 до 4000 мм. Залежно від діаметра тарілки складаються з 12 -16 секцій, виготовлених з перфорованого аркуша заліза товщиною 2 мм із просічно - витяжними щілеподібними отворами. Для зменшення бризкоуносу на тарілці встановлені під кутом 60 відбійні елементи.

9.4.6 Струминні тарілки

У струминні (пластинчастих) тарілках рідина й газ рухаються в одному напрямку. Рідина надходить із вищележачої тарілки в гідравлічний затвор і через переливну перегородку попадає на тарілку, що складається з ряду похилих пластин. Дійшовши до першої щілини, рідина зустрічається з газом, що з великою швидкістю проходить крізь щілини. Внаслідок невеликого кута нахилу газ виходить на тарілку в напрямку, близькому до паралельного стосовно площини тарілки. При цьому рідина эжектується, диспергується газовим потоком на дрібні краплі й відкидається уздовж тарілки до наступної щілини, де процес взаємодії газу й рідини повторюється. У результаті рідина з великою швидкістю рухається по тарілці від переливної перегородки до зливальної кишені. У цьому випадку немає необхідності в установці переливного порога в кишені, що зменшує загальний гідравлічний опір у тарілці.

Достоїнство - інтенсивний краплинний режим, низький гідравлічний опір, можливість роботи із забрудненими рідинами, низька витрата металу.

Недоліки - труднощі підведення й відводу тепла, зниження ефективності при невеликих витратах рідини.

1 - кишеня зливальної; 2 - пластина; 3 - перегородка переливна

Рисунок 9.4.6 - Тарілчаста колона зі струминною тарілкою

9.4.7 Клапанні тарілки

Клапанні тарілки застосовують у ректифікаційних колонах працюючих при змінних навантаженнях по парі й рідині.

Клапанні однопотокові тарілки для колон діаметром від 1000 до 4000 мм і двопоточні тарілки для колон діаметром від 1400 до 8000 мм складаються з барботажной частини й переливного пристрою. Барботажну частину збирають із секцій, покладених на опорну полицю й балки. У секціях є отвори діаметром 40 мм, у яких установлені саморегулюючі клапани, тобто пристрою, які самі відкривають проходи для пари залежно від його кількості й підтримують цим стабільний процес ректифікації.

9.4.8 Решітчасті і дірчасті тарілки

Складаються з 3 - 10 секцій, виготовлених з вуглецевої сталі товщиною 2 - 4 мм. Полотно секції має довгасті отвори, розташовані рядами. Секції укладають на опорне кільце й балки. У відмінності від інших тарілок, конструкція цієї тарілки не має переливних пристроїв, вони є провальними тарілками.

9.5 Апарати насадкові. Конструкції, принцип дії

Насадкові колони являють собою вертикальні циліндричні апарати, виготовлені суцільнозварними зі знімними кришками або збирають із окремих царг за допомогою фланців.

Залежно від способу розміщення насадки по висоті апарату колони можуть бути із суцільний і з пошаровою насадкою.

9.5.1 Схема апарата із затопленою насадкою

1 - корпус; 2 - насадка; 3 - затвор гідравлічний; 4 - тарілка розподільна

Рисунок 9.5.1 Насадкова колона із затопленою насадкою (эмульгаційна колона)

Насадкові колони застосовують для процесів абсорбції, очищення, охолодження й зволоження газів, екстракції й ректифікації. Вони задовільно працюють тільки при рясному й рівномірному зрошенні насадки рідиною. Конструкції насадкових колон є найбільш простими. Розрізняють два основних режими роботи насадкових колон: плівковий, при якому рідина, омивана газом, стікає по елементах насадки, і эмульгаційний, коли весь апарат заповнений рідиною, а через шар між елементами насадки барботує газ (або легка рідина при екстракції).

9.5.2 Схема апарата з насадкою, розділеної на секції

1 - розподільник рідини; 2 - насадка; 3 - ґрати опорні; 4 - перерозподільник рідини

Рисунок 9.5.3 - Насадкова колона зі змоченою насадкою, розділеної на дві секції

9.5.3 Види насадок. Опорні ґрати

Для того, щоб насадка працювала ефективно, вона повинна задовольняти наступним основним вимогам: 1) мати велику поверхню в одиниці об'єму; 2) добре змочуватися рідиною, що зрошує; 3) робити малий гідравлічний опір газовому потоку; 4) рівномірно розподіляти рідину, що зрошує; 5) бути стійкою до хімічного впливу рідини й газу; 6) мати малу питому вагу; 7) мати високу механічну міцність; 8) мати невисоку вартість.

У промисловості застосовують різноманітні за формою й розмірами насадки:

- насадки у вигляді керамічних кілець (кільця Рашига);

- хордова насадка (дерев'яні бруси);

- фасонна насадка (керамічні сідла, пропелери).

Грати опорна (колосник) служить для втримання насадок. Вона повинна мати наступні властивості: 1) мати мінімальний гідравлічний опір; 2) мати високу механічну міцність, щоб витримувати вага насадки.

Металеві грати виготовляють із вертикально поставлених смуг, між якими встановлюються дистанційні втулки. Зібрані ґрати стягають шпильками.