Тепловая нагрузка аппарата

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Содержание самостоятельной работы студента

Содержание и выполнение курсового проекта

Целью проектирования является завершающая проверка освоения курса студентами, осуществляемая в процессе их самостоятельной инженерной работы.

Курсовой проект включает расчет типовой установки (выпарной, сушильной, ректификационной) и ее графическое оформление. Расчетно-пояснительная записка содержит описание схемы установки, конструкции аппаратов, материальные, тепловые, конструктивные и механические расчеты, мероприятия по технике безопасности, список использованной литературы. Объем записки составляет 20-40 машинописных страниц. Выполнение расчетов предполагает использование вычислительной техники.

Графическая часть курсового проекта состоит из чертежа общего вида установки в 2-3 проекциях и чертежа основного аппарата с разрезами и узлами, выполненными на листах формата А1.

В период работы студенты знакомятся с действующими ГОСТами, пользуются справочной литературой, приобретают навыки выбора аппаратуры.

Самостоятельная работа состоит в систематической проработке лекционного курса, самостоятельном изучении отдельных разделов и тем курса, освоении вопросов, выносимых на самостоятельное изучение и оформление лабораторных работ, выполнении и оформлении курсовых проектов, подготовке к зачетам и экзаменам.

Основная:

1. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М., Химия, 1987.
2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Химия, 1973.

Дополнительная:

1. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты пищевых производств. М., Агропромиздат, 1985.
2. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., Хи­мия, 1981.
3. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л., Химия, 1987.
4. Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Посо­бие по проектированию. М., Химия, 1983.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ КУРСА

Отдельные технологические процессы: фильтрование, выпаривание, сушка и др. – были известны человечеству еще в глубокой древности и применялись исключительно для пищевых целей. Применялась весьма примитивная аппаратура. Но ПАПП являются родоначальником и исторически сложились ранее ПАХТ.

Понятие "глубокая древность" является в значительной мере относительным. У археологов нет пока стройной системы происхождения человека. Известно, что скелет самого древнего человека найден в Африке. Возраст скелета составляет 5 млн. лет. Однако появление культуры земледелия и скотоводства, связанной с разнообразными орудиями труда и предметами быта, относят обычно к концу ледникового периода, т.е. 75-100 тыс. лет назад. Это время мы и будем называть "глубокой древностью".

Существенное влияние на развитие ПАПП оказали сахарная и винокуренная промышленности. Первоначально сырьем для производства сахара служил сахарный тростник /родина – Индия, Китай, Океания/. Еще в древности на территории Индии получали сладкий сироп /выпаривание/. Твердый сахар /кристаллизация/, по-видимому, научились делать арабы 800 лет назад. Колумб привез черенки сахарного тростника на Антильские острова. После этого Куба и Пуэрто-Рико стали главными центрами производства сахара в мире.

В конце 18 века в России начались поиски заменителей сахарного тростника, которые увенчались открытием сахарной свеклы. Первый свеклосахарный завод был построен в России в 1802 году. Примерно в это же время возник первый завод в Германии, а спустя несколько лет – во Франции. В 1812 году был создан промышленный вакуум-выпарной аппарат, в 1820 г. – фильтрпресс.

В конце ледникового периода люди стали жить в стойбищах /деревянные и каменные поселения/. Когда мужчины охотились, женщины и дети собирали в окрестностях съедобные ягоды, плоды, коренья и травы. Излишки плодов и ягод складывали в глиняные ямки, прокаленные огнем. Через месяц хранения при температуре 25-30 °С за счет естественного брожения из плодов и ягод получалось сухое вино. Этот напиток избавил людей от многих кишечных заболеваний и способствовал продлению жизни /в среднем она составляла 30-35 лет/. Открытие алкоголя привело к созданию особой культуры человечества – виноделию. 7 тыс. лет назад в древнем Египте производство вина из винограда уже было поставлено на поток, в Китае – 5 тыс. лет назад. Применялись керамические и деревянные сосуды.

Первые попытки перегонки сухого вина были предприняты в древнем Египте /Александрия/ монахом по имени Зосима де Панополис. В 1334 году алхимик из Прованса /Франция/ Арно де Вилльнев получил дистилляцией винный спирт.

На Руси испокон веков готовили медовые пиво и брагу. Производство этой "медовухи" сохранилось до сих пор в Суздале. В 14 веке монах Исидор "подсмотрел" за границей устройство самогонного аппарата и соорудил такой жe в подмосковном монастыре. Для приготовления бражки стали применять зерно /пшеница, рожь, ячмень, овес/ и дрожжи /в Германии – картофель, в Швеции – целлюлоза/. В 1813 году была создана промышленная ректификационная колонна.

Нефть и горючие газы были известны людям с древнейших времен. Нефтью заполняли светильники, зажигательные бомбы, а в древнем Египте бальзамировали умерших. Перегонка, заимствованная из винокуренной промышленности, существенно повлияла на нефтепереработку. Промышленная переработка нефти появилась в 18 веке. Так, в 1745 году в Печорском крае на реке Ухте Федор Прядунов на заводе купца Набатова ежегодно вырабатывал 20 тыс. литров очищенного керосина. В Германии керосин получен из нефти в 1830 г. /Рейхенбах/, в США – 1858 г. /полковник Дрэк/.

Переработка нефти по сути сформировала химическую технологию. Привлекая значительные материальные ресурсы и научные кадры, ХТ в 20 веке стала доминирующей. Сама ХТ в свою очередь стала подразделяться на отдельные направления, отрасли: основной органический синтез /ООС/, технология синтетического каучука /СК/, лакокраска и др. Пищевая и химико-фармацевтическая промышленности стали составной частью ХТ. Например, барабанные сушилки, разработанные ХТ, могут быть использованы для сушки и кварцевого, и сахарного песка.

Ледниковый период, остатки которого наблюдаются и сейчас, являясь по сути природным холодильником, способствовал сохранению скоропортящихся продуктов: мясо, птица, рыба и др. – и, как ни странно, выживанию человечества. Туша мамонта, добытого летом, могла прокормить людей максимум в течение недели, далее мясо портилось. Зимой эта же туша могла прокормить людей в течение нескольких месяцев. До сих пор в некоторых хозяйствах заготовляют лед зимой, а летом держат его в подполье для сохранения продуктов. В слое вечной мерзлоты /тундра/ созданы специальные хранилища, в которых в течение года государство хранит стратегические запасы мяса.

По мнению отечественного астронома проф. И.С. Шкловского /Звезды: их рождение, жизнь и смерть. – 1984, с.146/ Земля переживает ледниковый период, который длится уже 2 млн. лет, а обычная длительность ледниковых периодов /они происходят каждые 200-300 млн. лет/ составляет 10 млн. лет. Сейчас мы имеем короткую передышку /15 тыс. лет/, но уже в этом веке астрономы ожидают резкое похолодание климата Земли. Парниковый эффект, возможно придуманный для назидания, расчетами не подтверждается.

Для переработки нефти природный холодильник оказался совершенно недостаточным. Нужно было конденсировать пары легколетучих углеводо­родов и сжижать газы. Потребовалось искусственное охлаждение. В 1845 году создается воздушная холодильная машина, в 1874 г. – парокомпрессионная, в 1895 г. появляется глубокое охлаждение / жидким азотом/. Пищевая промышленность не осталась без внимания ХТ: сейчас трудно найти пищевое или торговое предприятие, где бы не было парокомпрессионной холодильной машины /глубокое охлаждение тоже исполь­зуется для быстрого замораживания пищевых продуктов/.

Химическая технология в значительной мере работает на пищевую промышленность, например, поставляет сельскому хозяйству: горючесма­зочные материалы, минеральные удобрения /к сожалению, в России в настоящее время 85% удобрений идут на экспорт/, гербициды /от сорня­ков/, инсектициды /от вредных насекомых, удивительно, люди совсем забыли саранчу, а она вдруг объявилась летом 2001 года сначала в Казахстане, затем перекинулась на Дагестан и Ставропольский край/, микроэлементы роста растений и др.

Если царская Россия была в основном сельскохозяйственной стра­ной и экспортировала зерно /англичане до сих пор предпочитают черный хлеб, испеченный из русской ржи/, а также другие продукты, то в настоящее время Россия импортирует /ввозит/: мяса 34%, молоко и молочных продуктов 20%_, сахар 70%, растительное масло 41%.

Недостаточность сельского хозяйства по обеспечению продуктами питания породила стремление по созданию искусственной пищи. Начало было положено химической технологией в 19 веке.

В 1854 г. Бертело /Бертло/ синтезировал жиры /глицерин + жирные кислоты/. В годы второй мировой войны в Германии был построен завод по производству десятков тыс. тонн заменителя сливочного масла /маргарина/. В настоящее время маргарин вырабатывается также из раститель­ного масла. Натуральное сливочное масло дороже маргарина в несколько раз. Парадокс состоит в том, что, как показала проверка, опубликован­ная в СМИ, в России сейчас остались только два вида вологодского натурального сливочного масла. Все остальное масло является маргарином, но продается по цене натурального сливочного масла.

Первый синтез сахара осуществил отечественный ученый А.М. Бутле­ров в 1861 году /параформальдегид + щелочь = сахар, близкий к глюкозе/. Синтез виноградного сахара, который встречается в природе /α – глюко­за/ был выполнен в 1890 году Эмилем Фишером /из глицерина/. Глицерин применяется также как косметическое средство и пищевая добавка.

С синтезом белков дело оказалось значительно сложнее и задача до сих пор далека от решения. Ученые-химики пошли по пути расщепления природных белков на аминокислоты, изучения структуры и синтеза последних, затем их объединение в белковые молекулы. Первая аминокисло­та – глицин – была получена Браконно в 1820 году /Л. и М. Физер. Органическая химия. – 1949, с. 359/. С тех пор изучено несколько десятков аминокислот, некоторые из них синтезированы. Получены белковоподобные вещества /пластеины/ с молекулярной массой 100 тыс. и более. Природные белки имеют мол. массу в несколько миллионов /протеины/. Работы получили химико-фармацевтическое и медицинское направление. В результате были развиты: ультрацентрифугирование, рентгеноструктурный анализ, экстракция /последняя входит в дисциплину ПАПП/. Канадским ученым Бантингу и Маклеоду за открытие инсулина /1921 г./ была присуждена Нобелевская премия. Однако гормональные белки /например, инсулин, тироксин, адреналин/, полученные синтетически, пока еще во многом уступают природным белкам, получаемым экстракцией из туши быка /поджелудочная и щитовидная железы, кора надпочечников/. Поэтому в дальнейшем мясокомбинату целесообразно иметь дополнительный цех в виде фармацевтической фабрики, т.к. лекарственные препараты, получа­емые из туши быка, по стоимости намного превосходят стоимость самого быка.

Для массового производства после второй мировой воины был создан кормовой белок из нефти и древесины. В последнее время все большее внимание пищевиков привлекает соя. Зерно сои содержит: 24-45% белка, 13-27% жира, 20-32% крахмала. Приготовление из сои молока и сыра /трудно отличить от коровьего/ было известно китайцам в глубокой древности. И опять казус: соевый белок, обработанный и сформированный в волокна, которые объединяются в кусочки "мяса", в настоящее время продается в консервных банках с этикеткой "говядина" и по цене говядины.

Этиловый спирт /этанол/ является важным сырьем в производствах ООС и СК. В 19 веке этанол получали спиртовым брожением, о котором уже говорилось. В 1855 г. Бертло в лабораторных условиях получил этанол сернокислотным методом гидратации этилена. В промышленности метод был осуществлен в 1919 г. /СССР – 1933 г./. В 1948 г. в США и СССР был осуществлен промышленный синтез этанола прямой гидратацией этилена /температура 290-300 °С, давление 7-8 МПа, катализатор – фосфорная кислота. Технический этанол, полученный по этому методу, содержит до 2% диэтилового эфира /температура кипения 34,5 °С, обладает приятным запахом. Последний очень токсичен: вызывает потерю сознания и может привести к внезапной остановке сердца. В последнее время технический спирт рекой хлынул в пищевую промышленность /был обнаружен даже на Ярославском ликероводочном комбинате/. В резуль­тате ежегодно в России от напитков с техническим спиртом погибает несколько десятков тысяч человек.

Таким образом, химическая промышленность, имеющая в основном крупнотоннажные производства, в настоящее время, а тем более в будущем, в состоянии обеспечить пищевую промышленность миллионами и миллионами тонн ежегодно синтетическим пищевым сырьем: жиры, углеводы, белки. По мнению врачей, искусственная пища не может полностью заменить пищу из натуральных природных продуктов, т.к. миллионы лет эволюции наилучшим образом приспособили человеческий организм именно к последней пище. Доказано, что отсутствие в пище природных белков /мясо, птица, рыба, молочные продукты и др./ приводит к истощению человеческого организма и даже к летальному исходу. Поэтому врачи выступают против вегетарианства и всякого рода "постов". Фальсификация природных пищевых продуктов, которая наблюдается в последнее время, должна преследоваться по закону.

Обобщение производственного опыта по химической и смежным технологиям относится к началу 19 века. В России в 1828 году проф. Ф.А. Денисов опубликовал труд под названием "Пространное руководство к общей технологии...", в котором выразил идею об общности ряда основ­ных процессов и аппаратов. В конце 90-х годов 19 века проф. Александр Кириллович Крупский ввел в Петербургском технологическом институте учебную дисциплину по расчету и проектированию основных процессов и аппаратов. В 1909 году А.К. Крупский опубликовал книгу под назва­нием "Начальные главы учения о проектировании по химической технологии", которая по существу является первым учебником по дисциплине ПАХТ. В 1912 году проф. Иван Александрович Тищенко ввел на химическом факультете МВТУ курс ПАХТ в качестве самостоятельной дисциплины.

В США только в 1923 году вышел в свет труд Уокера, Льюиса и Мак-Адамса под названием "Принципы науки о процессах и аппаратах". В качестве учебника в США в 1931 году вышла книга В. Бэджера и В. Мак-Кэба "Основные процессы и аппараты химических производств".

Большой вклад в разработку отдельных разделов науки о процессах
и аппаратах внесли отечественные ученые И.А. Тищенко /теория расчета
выпарных аппаратов/, Д.П. Коновалов /основы теории перегонки жидких
смесей/, Л.Ф. Фокин и К.Ф. Павлов /оригинальные и глубокие по содер­жанию монографии/. Далее идеи курса развивались отечественными учеными: A.M. Трегубовым, С.Н. Обрядчиковым, А.Г. Касаткиным, Н.М. Жаворонковым, А.В. Лыковым /ярославец, окончил ЯГПИ им. Ушиского/, П.Г. Романковым, А.Н. Длановским, Н.И. Гельпериным, В.Н. Стабниковым, В.В. Кафаровым и др.

Следует отметить труды проф. В.Н. Стабникова /Киевский пищевой институт/, автора учебника по дисциплине ПАПП.

1. Стабников В.Н., Харин С.Е. Теоретические основы перегонки и ректификации спирта. – Пищепромиздат, М., 1951.
2. Стабников В.Н. Ректификационные аппараты. – М.: Машгиз, 1965.
3. Стабников В.Н., Попов В.Д., Редько Ф.А., Лысянский В.М. Процессы
   и аппараты пищевых производств. – М.: Пищепромгиз, 1966.
4. Стабников В.Н. Расчет и конструирование контактных устройств
   ректификационных и абсорбционных аппаратов. – Киев, Техника, 1970.
5. Стабников В.Н., Лысянский В.М., Попов В.Д. Процессы и аппараты
   пищевых производств. – М.: Агропромиздат, 1985.

ПРЕДМЕТ КУРСА И ЕГО ЗАДАЧИ

Процессы и аппараты, общие для пищевой, химической, химико-фармацевтической и других смежных отраслей промышленности, получили название основных процессов и аппаратов.

Изучение теории основных процессов, принципов устройства и методов расчета аппаратов и машин составляет предмет и задачу курса.

Одной из задач курса является выявление общих закономерностей протекания различных процессов, например, для переноса вещества и тепла.

В курсе рассматриваются закономерности перехода от лабораторных процессов и аппаратов к промышленным, т.е. проблемы моделирования.

В курсе изучается так называемая макрокинетика, связанная с види­мым, массовым движением вещества: струйки, капли, пузырьки, твердые частицы и др. При этом только для объяснения некоторых явлений ис­пользуется микрокинетика, т.е. движение вещества на молекулярном уровне.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ

В зависимости от закономерностей, характеризующих протекание процессов, последние классифицируются:

1. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ – смешение и разделение неоднородных газовых и жидких систем.
2. ТЕПЛОВЫЕ – перенос тепла от одного теплоносителя к другому.
3. МАССООБМЕННЫЕ – перенес /преимущественный/ вещества из одной фазы в другую для достижения равновесия.

В курс также входят холодильные, механические и химические процессы. Но для данной специальности они рассматриваются в других дисциплинах.

По организационно-технической структуре процессы можно разделить на периодические /нестационарные/ и непрерывные /стационарные/.

В периодическом процессе отдельные его стадии /например, нагревание – кипение – охлаждение/ осуществляются в одном аппарате, но в разное время. Экономически эти процессы целесообразны в производствах мелкого масштаба при разнообразном ассортименте выпускаемой продукции, что типично для пищевой промышленности.

В непрерывном процессе отдельные его стадии осуществляются одновременно, но в разных аппаратах /подогреватель – кипятильник – холодильник/. Экономически выгодны в средне- и крупнотоннажных произ­водствах /выпаривание/, позволяя провести механизацию и автоматизацию, а также применить стандартную аппаратуру.

ОБЩАЯ СХЕМА

ИССЛЕДОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ И РАСЧЕТА АППАРАТУРЫ

1. На основе законов статики устанавливают начальные и конечные значения параметров процесса и направление его течения.
2. На основе закона сохранения материи составляют материальный баланс.
3. На основе закона сохранения энергии составляют энергетический /тепловой/ баланс.
4. На основе законов кинетики устанавливают движущую силу и коэффициент скорости процесса.
5. По полученным данным определяют основной размер аппарата.
6. Рассчитывают несколько вариантов аппаратуры и на основе технико-экономического анализа определяют оптимальный вариант.

Законы статики и кинетики, сохранения материи и энергии, являясь фундаментальными законами природы, по сути сформировали дисциплину ПАПП в качестве науки. Наука отличается от других "учений" тем, что ответ на нарушение закона на каком-либо производстве следует незамедлительно: авария, пожар, взрыв, катастрофа и т.д. Во избежание этого техника безопасности /ТБ/ проходит через весь курс ПАПП. Рассмотрим изложенные выше пункты схемы чуть более подробно.

1. СТАТИКА ПРОЦЕССОВ

Любой процесс протекает до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия. Статика рассматривает процесс в состоянии равновесия.

Различают гидростатику /учение о равновесии жидкостей/, а также тепловое, фазовое и химическое равновесие.

Например, фазовое или диффузионное равновесие для насыщенных растворов в воде при 100 °С /растворимость/:

поваренная соль /хлористый натрий/ – 39,8 г/100 г воды; 28,5% мас.

сахар – 487 г/100 г воды; 83% масс.

2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

В общем виде его можно записать так:

/1/

где – количество веществ, поступающих на переработку;

– количество веществ, полученных в результате переработки

Современные технологии должны предусматривать, что потерь и отходов не должно быть /безотходные технологии/. Но пока они есть.

Отходы в пищевой промышленности обычно используются для откорма животных /дополнительный цех/.

Потери химической промышленности довольно часто отравляют окружающую среду, в том числе и население. Например, Ярославский НПЗ /Славнефть/ ежегодно "теряет" в атмосферу 100 тыс. т углеводородов. В 1999 году выбросы загрязняющих веществ /не только от химической промышленности/ в атмосферу города Ярославля составили 270 тыс. т.

Из Западной Европы с попутным ветром в Россию ежегодно поступает 2 млн. т сернистого газа и 10 млн. т сульфатов.

3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ /ТЕПЛОВОЙ/ БАЛАНС

В общем виде записывается так:

/2/

где – тепло, поступающее с исходными веществами,

– тепловой эффект процесса,

– тепло, уходящее с конечными продуктами,

– потери тепла в окружающую среду.

Потери тепла неизбежны; но они должны быть сведены к минимуму /подбор тепловой изоляции/ или утилизированы /тепловые потери аппаратов учитываются в системе отопления цеха/. Одним из лучших теплоизоляторов считается стекловолокно /маты/, плотность 120-200 кг/м³, коэффициент теплопроводности 0,04 Вт/м.°С, которое к тому же явля­ется надежной защитой от грызунов.

Потери тепла в виде "дымовой завесы" от печей, котельных и тепловых электростанций /ТЭС/ связаны с загрязнением окружающей среды. Так, ТЭС, работающие на каменном угле, на 1 млн. кВт-ч выра­батываемой электроэнергии выбрасывают в атмосферу: 15 т сернистого газа, 10 т золы и 3 т оксидов азота.

Дисциплина ПАПП имеет обширный арсенал аппаратуры для очистки /до ПДК – предельно допустимая концентрация/ дымовых газов от пыли и вредных газовых компонентов, а также для утилизации из них тепла: аппараты пылегазоочистки, контактные теплообменники, абсорберы, адсорберы и др.

4. КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ

Кинетика рассматривает процессы в их развитии, в их стремлении к состоянию равновесия.

– Степень отклонения системы от состояния равновесия выражает движущую силу процесса.

Для процессов дисциплины ПАПП применима основная кинетическая закономерность:

– Скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.

Для механических и химических процессов эта закономерность не применяется. Но эти процессы подчас находятся на производстве в одной технологической линии с основными процессами, например, сахарную свеклу перед выщелачиванием измельчают или шинкуют. Поэтому в некоторых вузах указанные процессы вводят в дисциплину ПАПП.

Для гидромеханических процессов основная кинетическая законо­мерность принимает вид:

/3/

где V – объем протекающей жидкости, м³,

S – сечение аппарата, м²,

τ – время, с,

ρ – плотность жидкости, кг/м³,

g = 9,81 м/с²,

R_Г – гидравлическое сопротивление, кг/м².с,

K_Г– коэффициент скорости, м².с/кг,

ΔH_d – разность полных гидродинамических напоров, м.

Последняя величина определяется по уравнению Бернулли:

/4/

В учебной и технической литературе за гидравлическое сопротив­ление часто ошибочно принимаются потери напора в аппарате /Δp_n или h_n /.

Для тепловых процессов кинетическое уравнение записывается:

/5/

где Q – количество переданного тепла, Дж,

F – поверхность теплопередачи, м²,

Δt – разность температур между теплоносителями, К или °С,

R – термическое сопротивление, м².К/Вт,

K – коэффициент теплопередачи, Вт/м².К.

Для массообменных процессов:

/6/

где М – количество вещества, перенесенного из одной фазы в другую, кг или кмоль,

F – поверхность контакта фаз /массопередачи/, м²,

K_Y – коэффициент массопередачи, кг/м².c. ,

R_Y – диффузионное сопротивление, м².с. /кг,

ΔY – разность между равновесной и рабочей /или наоборот/ концент­рациями для одной из фаз, кг А/кг В – относительные массовые доли, или кмоль А/кмоль В – относительные мольные доли.

Например, если для растворения сахара при 100 °С принимается чистая вода /Y=0/, то в начальный момент времени движущая сила процесса растворения составит:

ΔY = Y_нас. – Y = 487/100 – 0 = 4,87 отн. мас. долей.

5. ОСНОВНОЙ РАЗМЕР АППАРАТА

Определяется из интегрального вида уравнений /3, 5, 6/, например, из уравнения /5/, т.е. из основного уравнения теплопередачи:

/7/

где Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт,

Δt_ср – средняя разность температур между теплоносителями, К или °С.

По основному размеру аппарат принимается по каталогу /стандарт­ный/ или разрабатывается конструктивно /нестандартный/.

6. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Расчеты по этой теме обычно бывают очень громоздкими, поэтому проводятся с применением ЭВМ. Так, для расчета теплообменника возможны 264 варианта.

Прежде всего принимается критерий оптимальности. Таких крите­риев может быть несколько: экономические /удельная себестоимость продукции, прибыль производства и др./, производственные /произво­дительность, качество продукта и др./ и т.д. Оптимальный вариант принимается по максимуму или минимуму критерия оптимальности. При выборе вариантов, помимо всего прочего /например, тип теп­лоносителя, его начальная температура и др./, учитываются:

а/ материал аппарата должен соответствовать требованиям техники безопасности – почность, антикоррозийность, безвредность;

б/ адаптация человека /эргономика/;

в/ эстетические требования;

г/ экологические требования.

МАТЕРИАЛЫ

А. Металлы

Следует избегать контакта с пищевыми продуктами таких металлов, как Fe, Аl, Сu, Zn, Cd, Ni, Ti, которые используются до сих пор самостоятельно или в виде покрытий.

Токсичность указанных выше металлов.

/Грушко Я.M., Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу. Справ. изд. – Л.: Химия, 1987. – 192 с./

1. Al – алюминий /температура плавления 660,4 °С, плотность 2699 кг/м³/.

Вызывает пневмосклероз, алюминоз, поражение печени, дерматит, acтму, изменения в тканях глаза.

Перед такой "перспективой" возникает желание собрать всю домашнюю алюминиевую посуду и сдать ее в металлолом.

1. Fe – железо /1539 °С, 7870 кг/м³/.

Отставание в росте, изменения в легких, раздражающее действие /глаза, слизистые оболочки/, канцерогенное действие.

1. Сd – кадмий / 321,1 °С, 8650 кг/м³/.

Головокружение, головная боль, слюнотечение, кашель, рвота, носовое кровотечение, прободение носовой перегородки, металлический вкус во рту, желто-золотистое окрашивание десен – "кадмиевая кайма", эмфизема и фиброз легких, поражение костей, канцерогенное, мутагенное и тератогенное действие.

1. Сu – медь /1084,5 °С, 8960 кг/м³/.

Мутагенное действие, головная боль, головокружение, слабость, боли в мышцах, нарушение функции печени и почек, раздражает кожу и глаза, изъявление носовой перегородки и роговицы глаза, расстройства нервной системы, сладкий вкус во рту, повышение температуры тела до 38-39 °С, "медная лихорадка".

1. Ag – серебро /261,9 °С, 10500 кг/м³/.

Пигментация кожи и слизистых оболочек.

1. Zn – цинк /419,5 °С, 7130 кг/м³/.

Канцерогенное действие, сладкий вкус во рту, сухость в горле, кашель, тошнота рвота, раздражение кожи и слизистых оболочек, бессонница, похудение, ослабление памяти, потливость, малокровие, кровоизлияния, отек легких.

Пауза. Реклама автомобиля ИЖ: "А кузов-то – с оцинковкой. Будете ездить со сладким вкусом во рту...".

1. Ni – никель /1455 °С, 8900 кг/м³/.

Канцерогенное, мутагенное и тератогенное действие.

1. Ti – титан /1665 °С, 4320 кг/м³/.

Канцерогенное действие.

Рекомендуются:

/Малахов А.И., Андреев Н.Х. Конструкционные материалы химической аппаратуры. – М.: Химия, 1978. – 224 с./

а/ Коррозионно-стойкие /нержавеющие/ конструкционные стали.

Например, сталь 2Х13 /0,2% углерода, 13% хрома/, термостойкость до 600 °С, предел прочности 850 МПа.

б/ Обычные углеродистые стали ст.2 и ст.З с покрытием:

– оловом, Sn, /231,9 °С, 5850 кг/м³/, жесть, консервные банки.

– эмалями на основе кремнийорганических соединений /плотность эмалей 2100-2500 кг/м³, термостойкость до 300 °С, предел прочности на сжатие 600 МПа.

– тефлоном /полимер CF₂=CFCl или фторопласт 3/, плотность 2100-2160 кг/м³, термостойкость до 210 °С, предел прочности при растяжении 35-40 МПа.

Б. Силикатные материалы

Данные сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Материал	Плотность кг/м^3	Предел прочности при сжатии МПа	Предельная температура °С
Кварцевое стекло
Боросиликатное стекло	2200-2400	600-1300	300-400
Ситаллы	2500-2700	450-880	600-900
Фарфор	2300-2500	450-500

Следует обратить особое внимание на ситаллы – материалы будущего. Ситалл – прозрачный, коррозионно-стойкий материал, по прочности превосходящий обычную углеродистую сталь, а по плотности гораздо легче ее /на уровне алюминия/. В последнее время из ситалла изготовляют аппаратуру /включая трубопроводы/ для цеха по переработке молока, ректификационные колонны /пока небольшой производительности/ и др.

В. Полимерные материалы

1. Фторопласт 4 – полимер тетрафторэтилена, плотность 2160-2260 кг/м³, предел прочности при растяжении 14-25 MПa, предельная температура 327 °С /трубы, арматура, прокладки и др./.

2. Фторкаучук /условное название резины, содержащей фторкаучук и до 30% мас. наполнителя – кремнекислота, вулканизация проводится с применением диаминов/ – плотность 1800-1900 кг/м³, предел прочности на растяжение 20-25 МПа, предельная температура 200-250 °С /шланги, ленты, прокладки и др./.

Г. Другие материалы

В этой рубрике следует отметить материалы, которые не являются конструкционными для промышленности, но очень широко используются в артельных производствах /виноделие, квашение и др./, а также для изготовления бытовой утвари.

1. Дерево – плотность сырой древесины 300-900 кг/м³, предел прочности на сжатие: пихта – 47, дуб – 65 МПа; термостойкость до 150 °C, температура вспышки /при внесении огня/ 230-260 °С, температура самовоспламенения: /нагревание без огня/ около 400 °С.

В настоящее время примерно треть земной суши покрыта лесами, но только 11% лесного покрова Земли можно назвать лесными угодьями, т.е. используются. Человек научился обрабатывать древесину более 10 тыс. лет назад. На Руси испокон веков были развиты ремесла по обработке дерева /чаны, бочки, кадки, посуда и др./. Некоторые ремесла дошли до наших дней и вышли на уровень искусства, например, производство деревянной посуды с яркой лаковой росписью /Хохлома/, которая имеет большой спрос, особенно у иностранцев.

1. Керамика /фаянс/ – обожженная смесь гончарной глины, кварцевого песка, полевого шпата и др., покрытая глазурью. Температура обжига 1250-1300 °С, плотность 1800-1900 кг/м³, предел прочности при сжатии 100-130 МПа.

Археологические раскопки у села Триполье Киевской области показали, что по крайней мере 6 тыс. лет назад человек знал гончарное ремесло. Изготовлялись: кувшины, вазы, чаши, посуда, плитки и др. В настоящее время производство фаянсовых изделий /посуда, сантехника, плитка и др./ осуществляется на промышленной основе.

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

Для аппаратов, работающих под внутренним избыточным давлением, должен быть представлен расчет на прочность по формуле Госгортехнадзора. Толщина стенки аппарата:

мм /8/

где D_в – внутренний диаметр аппарата, мм,

p – расчетное давление, МПа /1,03-1,1 от номинального/,

φ – поправочный коэффициент прочности сварного шва /1,0-0,8/,

С – прибавка на коррозию, мм,

σ _доп – допустимое напряжение, МПа.

Для аппаратов, расположенных на открытом воздухе, проводится расчет на ветровую нагрузку. Скорость ветра принимается 45 м/с /скорость урагана 33 м/с/. Для вращающихся барабанов, имеющих две опоры, осуществляется расчет на изгиб. Для решеток, работающих под нагрузкой, представляется расчет на срез.

ЭРГОНОМИКА, ЭСТЕТИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Эргономика – наука, занимающаяся изучением взаимной адаптации человека и машины. Эргономические показатели отражают взаимодей­ствие человека с техникой в комплексе гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических свойств человека.

Эргономика непосредственно связана с техникой безопасности, собственно, вышла из нее. При выборе вариантов аппаратуры, например, нужно предусматривать ограждения вращающихся деталей, удобство фор­мы и расположение рукояток управления, небольшие усилия для приведения их в действие. Между аппаратами должны быть достаточные проходы для удобства обслуживания и ремонта. Если аппараты располагаются на откры­том воздухе /выпаривание, ректификация/, то рабочее место оператора должно быть организовано рядом в помещении. Освещенность, температура и влажность воздуха на рабочем месте должны соответствовать стандарту /кондиционер/. Рабочее место должно быть защищено от запыленности, шума, вибрации, излучения, действия вредных веществ, иметь запасной выход для срочной эвакуации. Персонал снабжается спецодеждой /каска, куртка, брюки, сапоги, рукавицы, очки и др./, питьевой водой /допус­каются чай и кофе/, горячим душем и т.д.

Эстетические показатели характеризуют информационную выразитель­ность, рациональность формы, целостность композиции, совершенство исполнения аппаратов и машин. Немаловажное значение имеет цветовое оформление аппаратов и рабочего места.

Для умственной работы /ИТР/ рекомендуются оттенки холодного цвета /голубой, зеленый/, для физической работы – оранжевый, желтый. Желательно иметь цветы или декоративные растения на рабочем месте.

По технике безопасности принимается следующая окраска трубопро­водов:

водяной пар – красный,

вода очищенная – зеленый,

пожарный трубопровод – оранжевый,

техническая вода – черный.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

Экология – отношение организмов между собой и с окружающей средой.

Экологические показатели – это уровень вредных воздействий на окружающую среду, которые возникают при эксплуатации оборудования, например, содержание вредных примесей, вероятность выбросов вредных частиц, газов, излучений и др.

В условиях платности природных ресурсов возникает и платность за загрязнение окружающей среды. В зависимости от величины загрязне­ния взимаются платежи за сбросы загрязняющих веществ. Величина пла­тежей устанавливается на основании проекта норм предельно допустимых сбросов /ПДС/ и выбросов /ПДВ/.

Интегральный показатель выбросов

/9/

где

К – коэффициент выполнения нормативов,

а – коэффициент значимости,

Р_б – базовые показатели,

P_i – фактическое значение показателей ПДВ и ПДС.

При K_i < 1 наблюдается низкий уровень работы предприятия и оно должно быть остановлено.

Зоологическая экспертиза проекта установки, цеха или предприятия проводится по Закону РФ "0б охране окружающей природной среды". Экспертиза проводится Министерством охраны окружающей среды, Минздравом, Санэпиднадзором.

Проект должен обеспечивать улавливание, утилизацию, обезвреживание вредных веществ и отходов, либо полное исключение выбросов загрязняющих веществ.

МАСШТАБНЫЙ ПЕРЕХОД И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Различают три основных вида моделирования процессов:

1/ физическое,

2/ математическое,

3/ элементное.

1/ Физическое моделирование

По этому методу исследование процесса с обработкой опытных данных последовательно проводят на физических моделях: лабораторная /стекло, емкость до 1 л/, пилотная /металл, до 100 л/, полупромышлен­ная /до 0,5 м³/, промышленная /5 м³ и более/. Метод очень громоздкий и длительный, но обеспечивает надежные результаты.

Физическое моделирование основано на теории подобия.

Определение. Явлениями, подобными друг другу, называются системы тел,

а/ геометрически подобные друг другу;

б/ в которых протекают процессы одинаковой природы;

в/ в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа

x´ = a_x · x´´ /10/

где a_x – константа подобия.

Сам по себе принцип "подобия" был известен человечеству в глу­бокой древности /наглядный пример – египетские пирамиды/. Однако теория подобия сформировалась только в 20 веке. Основу теории сос­тавляют три теоремы.

/Брайнес Я.M. Подобие и моделирование в химической и нефтехимической технологии. – М.: Гостоптехиздат, 1961. – 220 с./

1-я теорема. Жозеф Бертран, французский математик, 1848 г.

– У подобных явлений индикаторы подобия равны единице или критерии подобия численно одинаковы.

/Индикатор подобия – комплекс констант подобия, критерий подобия – безразмерный комплекс величин/.

2-я теорема. Т.А. Афанасьева-Эренфест, 1925 г., отеч. математик.

– Система уравнений, буквенно одинаковая для группы подобных явлений, может быть преобразована в критериальное уравнение.

3-я теорема. М.В. Кирпичев, А.А. Гухман, 1930 г., отеч. ученые.

– Для подобных явлений критерии подобия, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.

Условия однозначности включают:

а/ геометрические размеры системы;

б/ физические константы веществ;

в/ характеристика начального состояния системы;

г/ состояние системы на ее границах /граничное условие/.

Таким образом, применение теории подобия к исследованию и раз­работке процесса состоит в следующем.

1. Составление полного математического описания процесса, т.е. вывод дифференциального уравнения и постановка условий однозначности.

2. Проведение подобного преобразования дифференциального уравнения и условий однозначности, определение критериев подобия и об­щего вида критериального уравнения / метод анализа уравнений /.

3. Определение опытным путем на моделях конкретного вида критериального уравнения /физическое моделирование/.

Для сложных процессов, когда невозможно пока составить дифферен­циальное уравнение, критерии подобия получают на основе метода ана­лиза размерностей величин, влияющих на процесс /теоремы Бертрана и Букингэма/. Таким методом были, например, получены критерии меха­нического перемешивания.

Различают геометрическое, гидродинамическое, тепловое, диффузионное и химическое подобие.

Геометрическое подобие учитывается симплексами "Г", например, отношение длины трубопровода к диаметру.

Гидродинамическое подобие изучается в курсе гидравлики на примере подобного преобразования уравнения Навье-Стокса. Тепловое и диффузионное подобия рассматриваются в дисциплине ПАПП.

Вспомним критериальное уравнение гидродинамики:

/11/

где – критерий гомохронности, учитывает неустановившееся движение жидкости;

– критерий Фруда, учитывает силы тяжести;

– критерий Эйлера, учитывает силы гидростатического давления;

– критерий Рейнольдса, учитывает силы внутреннего трения.

2/ Математическое моделирование

Методы теории подобия применяются и при использовании других видов моделирования, в которых моделирующие процессы отличаются от моделируемых по физической природе. Важнейшим из них является математическое моделирование, при котором различные процессы воспро­изводятся на электрических моделях – электронных вычислительных машинах /ЭВМ/.

По Р. Фрэнксу общая схема математического моделирования включает семь стадий /Фрэнкс Р. Математическое моделирование в химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 272 с./.

1. Постановка задачи.
2. Определение фундаментальных законов, которым подчиняется механизм явлений, лежащих в основе проблемы.
3. На основе выбранной физической модели применительно к реша­емой задаче записывается система соответствующих математических уравнений.
4. Проводится естественное расположение уравнений с помощью
   построения блочной поточно-информационной диаграммы. Диаграмма
   отражает схему связей отдельных стадий технологического процесса.
5. Выбирается один из нескольких возможных способов решения системы уравнений /модели/, например, логический, аналитический, численный с применением ЭВМ.
6. Решение /анализ модели/.
7. Изучение и подтверждение результатов, полученных при решении математической модели /проверка адекватности модели/.

Математическое моделирование гораздо дешевле физического моде­лирования, позволяет решать вопросы автоматического регулирования и оптимизации процессов, исследовать процесс при неполном математи­ческом описании /кибернетическая задача/.

3/ Элементное моделирование

При этом моделировании процесс исследуется на элементарной ячейке промышленного аппарата, а сам аппарат принимается затем состоящим из сотен и тысяч таких ячеек. Например, исследуется теп­лообмен на одной трубке аппарата, а теплообменник будет состоять из 1000 таких труб. Метод применяется для процессов фильтрования, теплообмена, каталитического крекинга и др., позволяет в кратчайшие сроки перевести лабораторные данные в промышленность.

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

В пищевых производствах многие процессы приводят к образованию неоднородных смесей, которые в дальнейшем подлежат разделению /кристаллизация, сушка и др./.

Часто встречается задача противоположного характера: из веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях, оказывается необходимым получить смесь /смешение, перемешивание/.

Решение как первой, так и второй задачи относится к области гидромеханических процессов.

Классификация

В гидромеханических процессах применяются неоднородные системы. Последние по меньшей мере состоят из двух фаз:

а/ внутренней или дисперсной фазы, находящейся в тонко раздробленном состоянии;

б/ внешней фазы или дисперсионной среды, окружающей частицы внутренней дисперсной фазы.

Различают системы.

1. Газ – твердое тело: а/ пыль, диаметр частиц 5-50 мкм,

б/ дым, 0,3-0,5 мкм.

/Для сравнения: размер космической пыли 0,1–1 мкм/.

1. Газ – жидкость: а/ туман 0,3–3 мкм; б/ пена.
2. Жидкость – твердое тело: а/ грубые суспензии, > 100 мкм,

б/ тонкие суспензии, 100-0,1 мкм,

в/ коллоидные растворы, < 0,1 мкм.

1. Жидкость – жидкость; а/ эмульсии.

По классификации гидромеханических процессов не существует единого мнения. Однако большинство авторов склоняется к следующей классификации.

1/ Разделение газовых неоднородных систем.

2/ Разделение жидких неоднородных систем.

3/ Псевдоожижение.

4/ Перемешивание.

Во всех гидромеханических процессах имеет место движение частиц в газовой или жидкой среде. Изучение закономерностей этого движения составляет важную задачу гидродинамики. Некоторые общие понятия и закономерности движения частиц рассматриваются ниже.

Движение тел в жидкостях

Определяющий размер

За определяющий размер твердой частицы произвольной формы принимается эквивалентный диаметр шаровой частицы, имеющей ту же массу /М/ и объем /V/.

/12/

где – плотность твердой частицы, кг/м³.

Режимы обтекания

Для оценки режима обтекания твердой частицы внешним потоком применяют число Рейнольдса:

/13/

где – плотность и вязкость среды.

Различают области.

1. Ламинарное обтекание, Re < 2 /0,1 по другим данным/.
2. Переходная область, 2 /0,1/ < Re < 500.
3. Турбулентное обтекание, Re > 500.

Осаждение частиц в поле силы тяжести

При осаждении частицы в неподвижной среде через короткий промежуток времени /от секунды до долей секунды/ устанавливается равновесие сил и движение частицы становится равномерным.

– Скорость равномерного движения частицы при балансе сил, действующих на нее, называется скоростью осаждения.

В идеальном случае действие сил на одиночную частицу шаровой формы при осаждении в неподвижной среде представлено на рис. 1.

Рис. 1. Силы, действующие на частицу при осаждении

в поле силы тяжести.

Силы: G_T – тяжести, А – Архимеда, R_c – сопротивления.

Баланс сил:

G_T – A = R_c /14/

Или

/14а/

где ξ – коэффициент сопротивления.

Откуда скорость осаждения

/15/

Для ламинарного режима: , d = 2 · r, тогда

/15a/

Уравнение /15а/ представляет собой закон Стокса.

Другая обработка. Умножим обе части уравнения /14а/ на

, левую часть – еще на ,

Или

; ;

Обозначим – критерий Архимеда, учитывает влияние выталкивающей силы /силы Архимеда/.

Тогда получим уравнение в общей форме:

Re = f(Ar) /16/

Уравнение /16/ для идеальных условий осаждения шаровой частицы принимает вид:

1. Ламинарный режим, Ar < 36 /3,6/

/16a/

1. Переходный режим, 36 < A_r < 83000

Re = 0,152 · /16б/

1. Турбулентный режим, A_r > 83000

Re = 1,74 · /16в/

Для реальных условий осаждения учитывает пристеночный эффект, коллективное осаждение и фактор формы частиц.

Осаждение частиц в поле центробежных сил

В поле центробежных сил на частицу массой "m", будет дополнительно действовать центробежная сила, как это показано на рис 2.

Рис. 2. Силы, действующие на частицу при осаждении

в поле центробежных сил.

R – радиус вращения частицы, W_R – окружная скорость, G_ц – центробежная сила, W_ос – скорость осаждения, Ц – центр.

Поле центробежных сил создается при вращении частицы относительно центра "Ц" с радиусом "R". Частица движется по окружности с окружной скоростью "W_R" и в то же время под действием центробежной силы отбрасывается к периферии /осаждается/ со скоростью "W_ос" вдоль радиуса "R". Частица пойдет по спирали /R будет увеличиваться/.

Центробежная сила

/17/

Вводим понятие – фактор разделения – показывает, во сколько раз центробежная сила больше силы тяжести.

/18/

Для определения скорости осаждения, входящей в критерий Re, применяется уравнение

Re= A · (Ar · K_p)ⁿ /19/

Значения констант "А" и "n" для уравнения /19/ принимаются такими же из уравнений /16a, б, в/.

Неоднородные системы в пищевой промышленности имеют очень малый /микронный/ размер частиц. Осаждение таких частиц в поле силы тяжести будет протекать очень медленно по уравнению /16/. Например, осветление вин в бочках может длиться годами /заодно и выдержка/. Поле центробежных сил явилось мощным средством для интенсификации процесса осаждения. Осветление /декантация/ вин /а также растительного масла, соков и др./ в сверхцентрифугах /К_р = 60000/ проводится за несколько секунд.

1/ РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Классификация методов и аппаратуры

Классификация приводится по учебнику /Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Химия, 1971. – 784 с./ и сводится в таблицу 2.

Таблица 2.

Классификация методов и аппаратуры по разделению газовых

неоднородных систем

Метод очистки	Аппаратура
1. Гравитационная – осаждение частиц под действием силы тяжести.	Пылеосадительная камера
2. Инерционная – осаждение частиц под действием инерционных и центробежных сил.	1/ Инерционные пылеуловители 2/ Циклоны 3/ Ротационные пылеуловители
3. Фильтрование – пропускание потока газа через пористую перегородку, способную задерживать частицы пыли.	1/ Рукавные /тканевые/ фильтры 2/ Керамические фильтры 3/ Масляные /висциновые/ фильтры и другие.
4. Мокрая очистка – улавливание пыли путем ее столкновения с каплями или со свободной поверхностью жидкости.	1/ Скрубберы – полые и насадочные 2/ Струйный скруббер Вентури 3/ Инжекционные скрубберы 4/ Дезинтеграторы 5/ Пенные аппараты и другие.
5. Электроочистка – улавливание заряженных частиц в электрическом поле.	Электроосадители /электрофильтры/: а/ трубчатые, б/ пластинчатые.
6. Акустическая – укрупнение частиц пыли с помощью звуковых волн с дальнейшим улавливанием.	Акустические пылеуловители
7. Комбинированная – сочетание некоторых предыдущих методов очистки в одном аппарате.	Комбинированные пылеуловители

Конструкции некоторых пылеуловителей представлены на рис. 3-19 /данные МХТИ/. Подбор некоторых пылеуловителей /циклон, батарейный циклон, рукавный фильтр, полый скруббер/ не представляет собой сложности и выполняется студентами самостоятельно при курсовом проектировании по печатному пособию.

РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВЫХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ

Рис. 3

Пылеотстойный газоход

I. Перегородка

II. Бункеры – сборники пыли.

Рис. 4. Пылеосадительная

камера: устройство /а/

и разрез аппарата /б/.

1. Горизонтальные полки. 2. Люки для удаления пыли.

3. Колокольные затворы.

Рис. 5.

Центробежный пылеуловитель – циклон.

1. Штуцер для тангенциального ввода запыленного газа.
2. Цилиндрический корпус с коническим днищем.
3. Патрубок для вывода очищенного газа.
4. Разгрузочный бункер для пыли.

Рис. 6. Батарейный циклон /а/, его элементы /б/ и наглядное изображение /в/.

1. Корпус аппарата. 2. Штуцер для ввода запыленного газа. 3. Газораспределитель­ная камера. 4. Верхняя и нижняя трубные решетки. 5. Штуцер для вывода очищенного газа. 6. Корпуса отдельных циклонных элементов. 7. Патрубки циклонных элементов для вывода

из последних очищенного газа. 8. Устройства на внешних поверхностях патрубков 7 для закрутки газа внутри элементов. 9. Разгрузочный бункер для пыли.

Рис. 7. Инерционные жалюзийные пылеуловители: принцип действия /a/, устройство /б/ и золоуловитель ВТИ /в/.

1. Первичный жалюзийный отбой­ник пыли /сквозь него проходит большая часть газа/. 2. Жалюзи в виде набора наклонных колец или пластин, установленных с зазором 2-3 мм и немного перекрывающих друг друга. 3. Вторичный пылеуловитель - циклон, в который поступает небольшая часть газа с повышенным содержанием пыли.

Рис. 8. Рукавный фильтр /а/ и его наглядное изображение /б/.

1 и 3. Штуцера для ввода и вывода газа. 2. Матерчатые рукава /мешки/ c кольцами жесткости. 4. Встряхивающие устройства. 5. Трубная решетка для крепления рукавов снизу. 6. Разгрузочный бункер. 7. Шнек для удаления пыли.

Рис. 10. Фильтр с пористыми металлокерамическими патронами.

1. 1.Корпус. 2. Фильтрующие элементы. 3. Трубная решетка. 4. Подвод сжатого воздуха или небольшого количества очищенного газа для регенерации фильтрующих элементов.

Рис. 9. Схема работы рукавного

фильтра с удалением пыли из

рукавов обратной продувкой

атмосферным воздухом.

а – период фильтрации;

б – период регенерации.

Рис. 12. Полый скруббер для мокрой очистки газа

от пыли /В верхней части аппарата устанавливается брызгоуловитель, не

показанный на рисунке/.

Рис. 13. Центробежный мокрый скруббер

1. Цилиндрический корпус. 2. Тангенциальный ввод газа. 3. Распределитель воды по внутренней стенке циклона. 4. Коническое днище со штуцером для стока воды со шламом. 5. Штуцер для выхода газа.

Рис. 14. Схема установки скруббера Вентури для мокрого пылеулавливания.

1. Конфузор. 2. Горловина. 3. Отверстия лдя ввода воды. 4. Диффузор. 5. Циклонный брызгоуловитель. 6. Отстойник для осветления воды. 7. Насос для воды.

Рис. 15. Тарельчатый /пенный/ пылеуловитель.

1. Цилиндрический или прямоугольный корпус. 2. Перфорированная тарелка /металлический лист с отверстиями/. 3. Переточный порог. 4. Слой газожидкостной дисперсии /пены/ на тарелке.

Рис. 16. Скруббер с подвижной шаровой насадкой /а/ и его наглядное изображение /б/.

1. Опорная тарелка. 2. Шаровая насадка. 3. Ограничительная тарелка. 4. Распределитель жидкости. 5. Брызгоотбойное устройство. 6 и 7. Ввод запыленного и вывод очищенного газа. 8. Вывод загрязненной жидкости. 9. Штуцер, через который вводится поплавковое устройство, обеспечивающее постоянство уровня жидкости в нижней части скруббера.

Рис. 17. Формы и расположение электродов электрофильтров –

а – трубчатые; б – пластинчатые.

1. Коронирующие электроды. 2. Осадительные электроды.

Рис. 18. Трубчатый /а/ и пластинчатый /б/ электрофильтры.

1 и 7. Штуцера для ввода запыленного и вывода очищенного газа соответственно. 2. Осадительные электроды – трубчатый /а/ и пластинчатый /б/. 3. Коронирующие электроды. 4. Рама. 5. Изоляторы. 6. Стряхивающее приспособление.

Рис. 19. Пластинчатый электрофильтр с прямоугольным корпусом /а/ и трубчатый электрофильтр с цилиндрическим корпусом /б/.

Показатели работы пылеуловителя

Работу каждого пылеуловителя характеризуют показатели.

1. Характерный размер улавливаемых частиц, d_э мкм.
2. Потери напора, Δp_г Па.
3. Степень очистки /эффект разделения/, η %.
4. Расход электроэнергии, пара, воды.
5. Стоимость аппарата.
6. Стоимость очистки 1000 м³ газа.
7. Экологический эффект.

Степень очистки

Обозначим:

G_вх – количество входящей пыли,

G_ул – количество пыли, уловленной в аппарате,

G_вых – количество пыли, выходящей из аппарата.

Материальный баланс пылеуловителя по пыли:

G_вх = G_ул + G_вых /20/

Откуда

G_ул = G_вх – G_вых

Вводим понятие – степень очистки – отношение количества уловленной пыли к количеству входящей пыли:

/21/

Количество входящей и выходящей пыли за время τ:

G

Дата добавления: 2014-01-03