Галактионова Н.А. Промышленная экология - файл n1.doc

приобрести
Галактионова Н.А. Промышленная экология
скачать (1064 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1064kb.24.08.2012 05:13скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

Основной характеристикой любого теплового процесса является количество передаваемого в процессе тепла; от этой величины зависят размеры тепловой аппаратуры. Основным размером теплового аппарата является теплопередающая поверхность, или поверхность теплообмена.

Часто в процессе теплообмена нагреваемые или охлаждаемые материалы изменяют агрегатное состояние: испаряются, конденсируются, плавятся или кристаллизуются. Особенности таких процессов теплообмена заключаются в том, что тепло подводится к материалам или отводится от них при постоянной температуре и распространяется не в одной, а в двух фазах.

5.4.2. Нагревание

Нагревание широко применяется в химической технике для ускорения многих массообменных процессов и химических превращений. В зависимости от температурных и других условий проведения процесса применяются разнообразные методы нагревания. Для каждого конкретного процесса приходится выбирать наиболее оправданный в технологическом и экономическом отношении метод нагревания.

Наибольшее распространение в химической технике получили следующие методы нагревания: водяным паром, топочными газами, промежуточными теплоносителями, электрическим током.

НАГРЕВАНИЕ ВОДЯНЫМ ПАРОМ

Для нагревания применяется преимущественно насыщенный водяной пар при абсолютных давлениях до 10—12 ат. Использование пара большего давления требует сложной и дорогостоящей аппаратуры, что, как правило, экономически не оправдывается. Соответственно абсолютному давлению 10—12 ат нагревание насыщенным водяным паром ограничено температурой —180° С. В процессе нагре­вания насыщенный пар конденсируется, выделяя при этом тепло, равное теплоте испарения жидкости.

Довольно широкому распространению способа нагревания водяным паром способствовали преимущества этого метода обогрева, а именно:

1) большое количество тепла, выделяющегося при конденсации единицы водяного пара (539—476 ккал на 1 кг конденсирующегося пара при абсолютных давлениях соответственно 1—12 ат);

2) равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре.

Нагревание «острым» паром. При нагревании «острым» паром водяной пар вводится непосредственно в нагреваемую жидкость; конденсируясь, он отдает тепло нагреваемой жидкости, а конденсат смешивается с жидкостью.

Для одновременного нагревания и перемешивания жидкости пар вводится через барботер — трубу с рядом небольших отверстий. Барботер располагают на дне резервуара в виде спирали (рис. 4.18)







(
Рис.4.18. Паровой барбатер:

1 – резервуар; 2 – барбатер;

3 – паропровод; 4 – запорный

вентиль.
7.1)


При обогреве «острым» паром происходит неизбежное разбавление нагреваемой жидкости конденсатом — водой. Обычно этот способ применяют для нагревания воды и водных растворов.

Нагревание «глухим» паром. Если нагреваемая жидкость взаимодействует с водой, контакт между ними недопустим или нельзя разбавлять нагреваемую жидкость, применяют нагревание «глухим» паром. В этом случае жидкость нагревается паром через разделяющую их стенку в аппаратах с рубашками, со змеевиками и т. д.

Греющий «глухой» пар целиком конденсируется и выводится из парового пространства нагревательного аппарата в виде конденсата. Температура конденсата может быть принята с достаточной точностью равной температуре насыщенного греющего пара.

На рисунке 4.19 схема аппарата с рубашкой для нагревания глухим паром.



Рис. 4.19. Схема аппарата с рубашкой для нагревания глухим паром:

1 – нагревательный аппарат (рубашка);

2 – отдувочный вентиль;

3 – водоотводчик;

4,5 – запорные вентили;

6 – запорный вентиль;

7 – обводная линия.


НАГРЕВАНИЕ ТОПОЧНЫМИ ГАЗАМИ

Нагревание топочными газами — самый старый способ обогрева в химической промышленности. Этим способом осуществляется нагревание до температур 180—1000° С. Дымовые газы образуются при сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива (преимущественно при атмосферном давлении) в топках или печах различной конструкции.

Особенностей нагрева дымовыми газами являются «жесткие» условия нагревания: значительные перепады температур. Благодаря большим температурным перепадам при нагревании дымовыми газами достигаются высокие тепловые нагрузки. Однако при этом методе нагревания трудно регулировать процесс и избежать перегрева материалов из-за неравномерности обогрева; кроме того, при разбавлении дымовых газов большим количеством воздуха происходит окисление металлов. Следует отметить огнеопасность обогрева дымовыми газами.

Непосредственное нагревание топочными газами осуществляется в трубчатых печах, а также в печах для реакционных котлов или автоклавов.

Простейшая трубчатая печь изображена на рисунке 4.20. Топочные газы образуются в топке 1, куда вводится топлива (твердое, жидкое, газообразное) и необходимый для горения воздух. Для понижения температуры газов в топочном пространстве в топочную камеру 2 через окно 3 вентилятором 4 нагнетается воздух. Топочные газы омывают трубчатый змеевик 5, расположенный в шахте 6, а затем удаляется через боров 7.


Рис. 4.20. Трубчатая печь:

1 – топка; 2 – топочная камера;

3 – окно; 4 – вентилятор;

5 – змеевик; 6 – шахта;

7 – боров.





НАГРЕВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫМИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯМИ

При нагревании многих материалов для сохранения качества продуктов или обеспечения безопасной работы недопустим даже кратковременный их перегрев. В этих случаях для обогрева применяют промежуточные теплоносители, которые сначала нагреваются топочными газами, а затем передают воспринятое тепло обрабатываемым материалам.

В качестве промежуточных теплоносителей применяют минеральные масла, перегретую воду, высокотемпературные органические теплоносители, расплавленные смеси солей и др.

Нагревание топочными газами через жидкостную баню относится к простейшим способам нагревания промежуточными теплоносителями. В этом случае аппарат снабжают рубашкой, заполненной, например, маслом. Топочные газы омывают рубашку и передают тепло маслу, а масло через стенки аппарата — обрабатываемым материалам.

Для повышения эффективности нагревания используют установки с циркулирующим жидким промежуточным теплоносителем. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 4.21 Жидкий теплоноситель нагревается в змеевике 2 печи 1. В результате уменьшения при нагревании удельного веса теплоносителя он перемещается по трубопроводу вверх к обогреваемому аппарату 3. Теплоноситель проходит по змеевику, расположенному вокруг этого аппарата, и отдает тепло нагреваемому материалу.





Рис. 4.21. Принципиальная схема нагревательной установки с естественной циркуляцией жидкого промежуточного теплоносителя:

1 — печь; 2 — змеевик; 3 — обогреваемый аппарат


Температура теплоносителя при этом снижается, а удельный вес увеличивается, в результате чего он стекает по трубопроводу вниз. Таким образом осуществляется замкнутая циркуляция теплоносителя.

НАГРЕВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

В химической технике довольно широко применяется нагревание электрическим током в различных электрических печах. При нагревании электрическим током можно легко и очень точно регулировать процесс при равномерном обогреве.

По способу превращения электрической энергии в тепловую различают электрические печи сопротивления индукционные и дуговые. Электрические печи сопротивления делятся на печи прямого действия и печи косвенного действия.

В электрических печах прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь и нагревается при прохождении через него электрического тока. Часто печь прямого действия представляет собой аппарат, корпус которого является одним из электродов; другой электрод размещают в аппарате. Между электродами помещают жидкие или расплавленные нагреваемые материалы.

Электрические печи сопротивления косвенного действия получили большое распространение. В них тепло выделяется при прохождении электрического тока по специальным нагревательным элементам; выделяющееся тепло передается материалу лучеиспусканием, теплопроводностью и конвекцией. В таких печах осуществляется нагревание до температур 1000—1100° С. Схема такой печи показана на рис. 4.22.


Рис. 4.22. Электрическая печь сопротивления косвенного действия:

1 — обогреваемый аппарат;

2 — футеровкапечи; 3 — тепловая изоляция; 4 — спиральные нагревательные элементы;

5выводные электрошины.

Футеровка печи 2 выполнена из огнеупорного кирпича. В пазах футеровки уложены спиральные нагревательные элементы 4, к которым подводится ток через электрошины 5. Тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через спиральные нагревательные элементы, передается обогреваемому аппарату 1 лучеиспусканием и конвекцией. Тепловая изоляция В уменьшает потери тепла в окружающую среду.





Рис. 4.23. Принципиальная схема электрической индукционной печи:

1 — обогреваемый аппарат; 2 — соленоид.
Электрические индукционные печи (рис. 4. 23). Нагревание в этих печах осуществляется индукционными токами. Обогреваемый аппарат 1 является сердечником соленоида 2, охватывающего аппарат; по соленоиду пропускается переменный ток, при этом вокруг соле­ноида возникает переменное магнитное поле, которое индуцирует в стенках обогреваемого аппарата электродвижущую силу. Под действием возникающего вторичного тока нагреваются стенки аппарата.

Соленоид выполняется из медной или алюминиевой проволоки, имеющей малое омическое сопротивление.

Дуговые печи. В дуговых печах применяется нагревание электрической дугой до температур 1500 – 1300 оС. Электрическая дуга возникает в газообразной среде. В дуговых печах при возникающих больших температурных перепадах невозможны равномерный обогрев и точное регулирование температуры. Дуговые печи применяются для плавки металлов, получения карбида кальция и фосфора, для переработки бытовых отходов.

5.4.3. Охлаждение до обыкновенных температур

В химической технике очень часто возникает необходимость охлаждать газы, пары и жидкости. Для их охлаждения обычно используют наиболее распространенные и доступные теплоносители — воду и воздух. Охлаждение происходит в результате теплообмена между охлаждаемой и охлаждающей средами, при этом температура охлаждающей среды должна быть ниже температуры охлаждаемой.

В зависимости от времени года и климатических условий охлаждение воздухом осуществляется до 25—30° С. Водой удается охладить теплоносители до более низких температур. Обычно температуру охлаждающей воды, которая также зависит от времени года и климатических условий, принимают равной 15—25° С. Вода, отбираемая из артезианских скважин, имеет температуру 8—12° С.

Охлаждение водой и воздухом осуществляется в различных теплообменниках, при этом охлаждающая и охлаждаемая среды либо разделены стенкой (если контакт между этими средами по каким-либо причинам недопустим), либо непосредственно контактируют между собой.

Кожухотрубчатый теплообменник, широко распространенный в химической технологии, в котором охлаждение водой производится через стенку, показан на рис. 4.24. Охлаждающая вода вводится в нижнюю часть межтрубного пространства теплообменника и выводится из верхней. Охлаждаемый теплоноситель вводится в верхнюю часть трубного пространства и выводится из нижней.

Охлаждение льдом проводят в тех случаях, когда необходимо достигнуть близкой к нулю температуры охлаждаемой жидкости.

Очень часто при охлаждении лед вносится непосредственно в охлаждаемую жидкость. При этом лед нагревается жидкостью до 0° С, а затем плавится, отнимая теплоту плавления от охлаждаемой жидкости. Такой метод охлаждения применяется для жидкостей, которые не взаимодействуют с водой и для которых допускается разбавление.

Время охлаждения льдом зависит от условий проведения процесса; оно уменьшается с уменьшением размеров кусков льда (вносимого в охлаждаемую жидкость) и с увеличением интенсивности перемешивания жидкости. Точный расчет времени охлаждения льдом затруднителен, поэтому время охлаждения принимают на основании опытных данных.






Рис. 4.24. Теплообменник для охлаждения теплоносителя водой.
5.4.4. Конденсация

Широкое распространение в химической технике имеют процессы конденсации (ожижения) паров различных веществ путем отвода от них тепла. Конденсация осуществляется в аппаратах, называемых конденсаторами.

Различают два вида конденсации:

1) поверхностную (или просто конденсацию), при которой конденсирующиеся пары и охлаждающий агент разделены стенкой, и конденсация паров происходит на внутренней или внешней поверхности холодной стенки;

2) конденсацию смешением, при которой конденсирующиеся пары непосредственно соприкасаются с охлаждающим агентом.

Поверхностная конденсация осуществляется в различных теплообменниках — поверхностных конденсаторах. В общем случае в поверхностный конденсатор поступает перегретый пар. Очень часто охлаждающим агентом является вода. В частности, кожухотрубчатый теплообменник, изображенный на рисунке 4.24, может быть использован и как конденсатор, когда в межтрубное пространство поступает перегретый пар.

Конденсация смешением. Если конденсации подвергаются пары нерастворимых в воде жидкостей или пар, являющийся неиспользуемым отходом того или иного процесса, охлаждение и конденсацию этих паров можно проводить путем непосредственного смешения с водой в аппаратах, называемых конденсаторами смешения. Эффективность работы таких аппаратов находится в прямой зависимости от поверхности соприкосновения охлаждающей воды и пара. Поэтому поверхность соприкосновения увеличивают, распыляя охлаждающую воду при помощи различных устройств.

5. ВЫПАРИВАНИЕ
5.4.5. Выпаривание

Выпаривание — процесс концентрирования растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого летучего растворителя в виде паров. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отводе полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводится при кипении, т. е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. Пар, образующийся над кипящим раствором, называется в технике выпаривания вторичным паром.

Процесс выпаривания относится к числу широко распространенных. Последнее объясняется тем, что многие вещества, например едкий натр, едкое кали, аммиачная селитра, сульфат аммония и др., получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

Научный анализ процессов выпаривания был дан впервые в 1915 г. проф. И. А. Тищенко в монографии «Современные выпарные аппараты и их расчет»; ему же принадлежат работы, посвященные изучению свойств кипящих водных растворов.

Технические процессы выпаривания растворов. В химической технике используются следующие основные способы выпаривания: простое выпаривание, проводимое как непрерывным, так и периодическим методами, многократное выпаривание, осуществляемое только непрерывно, и выпаривание с применением теплового насоса. Два последних способа проведения процесса обеспечивают значительную экономию тепла и поэтому имеют преобладающее значение.

Все перечисленные процессы проводят как под давлением, так и под вакуумом, в зависимости от параметров греющего пара и свойств выпариваемых растворов.

Простое выпаривание. Простое выпаривание осуществляется на установках небольшой производительности, когда экономия тепла не имеет особого значения и может проводиться как периодически, так и непрерывно.

В периодическом процессе с единовременной загрузкой исходный раствор помещается в выпарной аппарат, где нагревается до температуры кипения и выпаривается. Образовавшийся вторичный пар поступает в конденсатор. Конденсат выводится из системы, упаренный раствор перекачивается в сборник готового продукта.

Многократное выпаривание. Многократное выпаривание — процесс, при котором в качестве греющего используют вторичный пар и, следовательно, достигается значительная экономия тепла. Проведение подобного процесса возможно либо при использовании греющего пара высокого давления, либо при применении вакуума.

Сущность многократного выпаривания состоит в том, что процесс выпаривания проводится в нескольких соединенных последовательно аппаратах, давление в которых поддерживают так, чтобы вторичный пар предыдущего аппарата мог быть использован как греющий пар в последующем аппарате. Например (рис. 4.25), вторичный пар давлением РВТ1, образовавшийся в аппарате 1, используется как греющий пар давлением РГР2 в аппарате 2 (РВТ1 ? РГР2,).

О
1

2

РВТ1

РВТ2
чевидно, что многократное выпаривание позволяет сокращать расход тепла на проведение процесса приблизительно пропорционально числу последовательно соединенных аппаратов или, как принято называть в технике выпаривания, числу корпусов. Установки для многократного выпаривания всегда имеют несколько корпусов поэтому называются многокорпусными.

Раствор



РГР1
Раствор




Конденсат
Конденсат


Рис. 4.25. Схема многократного выпаривания (прямоточная).

Cопоставим прямоточную и противоточную схемы. Очевидним преимуществом прямоточной схемн является возможность перемещения раствора из корпуса в корпус без применения насосов, работающих на горячих потоках. К недостаткам прямоточной схемы можно отнести неблагоприятные для теплопередачи условия..

В [3] показано, что преимуществом противоточной схеми является меньшая поверхность нагрева, а недостатком — необходимость включення в схему насосов, работающих на горячих потоках.

Недостатки прямоточних схем менее существеннн, чем противоточннх, позтому первне получили значительно большее распространение в промышленности.


4.6. Массообменные процессы

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую называются массообменными процессами, а аппаратура, предназначенная для проведения этих процессов, — массообменной аппаратурой.

Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологических процессов.

В подавляющем большинстве случаев производственные установки химической промышленности создают по схеме, приведенной на рис. 4.26. Исходное сырье поступает в реактор, где лишь частично превращается в продукты реакции. Выходящая из реактора смесь продуктов реакции и непрореагировавшего сырья направляется в массообменную разделительную аппаратуру, в которой производится разделение смеси на продукты реакции и непрореагировавшее сырье. Последнее возвращается в реактор, а продукты реакции поступают на дальнейшую переработку.

Из изложенного следует, что между реакционными и разделительными аппаратами существует тесная технологическая связь. Общий закон этой связи таков: чем меньше нагрузка на реакционный аппарат, т. е. чем меньше превращение исходного сырья в продукты реакции, тем больше нагрузка на разделительный агрегат, и наоборот.

Очевидно, что оптимальное сочетание нагрузок на реакционный и разделительный аппараты и приводит к минимальным производственным затратам — к оптимизированному процессу. Следовательно, основа химического производства — реакционный аппарат — работает оптимально только в сочетании с оптимально работающим разделительным агрегатом и работа последнего имеет в химической промышленности не меньшее значение, чем работа самого реакционного аппарата.

В разделительном агрегате могут производиться разнообразные процессы. Основными и важнейшими из них являются абсорбция, экстракция, ректификация, адсорбция и сушка.

Абсорбцияизбирательное поглощение газов или паров жидкими поглотителями - абсорбентами. Процесс используется во многих производствах, где из смеси газов необходимо извлечь какой-либо компонент или группу компонентов В этом процессе имеет место переход вещества или группы веществ из газовой или паровой фаз в жидкую.

Экстракция 11извлечение растворенного в одной жидкости вещества или группы веществ другой жидкостью. Процесс используется в случаях, когда из раствора необходимо извлечь растворенное вещество или группу веществ. В этом процессе имеет место переход вещества из одной жидкой фазы в другую жидкую фазу.


Непрореагировавшее сырье

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации