ТПГК Дисциплина: Процессы и аппараты Тема: Разделение газовых неоднородных систем Выполнила: Лелина И.С. Томск, 2013

Содержание: 1. Неоднородная система 2. Классификация неоднородных систем 3. Классификация методов разделения 4. Пылеосадительная камера 5. Циклоны 6. Электрофильтры 7. Основные термины и определения 8. Список литературы

Неоднородная система – это система состоящая из двух и более фаз, разделенные между собой границей раздела. (НС) Фаза – агрегатное состояние частиц. Неоднородная система:

Неоднородная система состоит из двух частей: 1. Дисперсионная среда – фаза, занимающая больший объем. (ДС) 2. Дисперсная фаза – часть неоднородной системы, занимающая меньший объем и равномерно распределенная в дисперсионной среде. (ДФ)

Классификация НС : По агрегатному состоянию: Взесь (пыль) - газ+твердое Туман - газ+жидкость

Классификация методов разделения неоднородных систем: 1. Осаждение (движется дисперсная фаза): a. Сила тяжести b. Центробежная сила – центрифугирование c. Циклонирование – центробежная сила (специальный ввод неоднородной системы) d. Электрические силы – разделение в электрическом поле e. Ультразвуковое разделение – разделение под действием ультразвуковых волн (имеет ограниченное применение из-за стоимости) 2. Фильтрование: a. Под давлением столба жесткости b. Под избыточным давлением силы тяжести c. Под вакуумным давлением d. Центрифугирование e. Межтрубное разделение с помощью мембран, разделение на молекулярном уровне

Под действием силы тяжести: Пылеосадительная камера: Установка вертикальных перегородок в газоходе приводит к возникновению инерционных сил, что способствует процессу осаждения твердых частиц. Запыленный газ подается непрерывно, а пыль из бункеров выгружают периодически. Известно, что производительность отстойников прямо пропорциональна поверхности осаждения. Поэтому установка горизонтальных полок 2 в пылеосадительной камере резко увеличивает производительность аппарата. Вертикальная отражательная перегородка 3 обеспечивает равномерное распределение газа между полками. Степень очистки в таких камерах невелика и составляет 30 – 40 %, причем частицы размером 5 мкм и меньше вообще не отделяются от газа. 1- корпус 2 – полки 3 – отражательная перегородка 4 – люки для удаления пыли

Центробежные силы: Основные виды циклонов (по подводу газа): а – спиральный; б – тангенциальный; в –винтообразный; г, д – осевые (разеточные) Рис.1

a - одинарный: 1 - входной патрубок; 2 - выхлопная труба; 3 -цилиндрическая камера; 4 - коническая камера; 5 - пылеосадительная камера; б - групповой: 1 входной патрубок; 2- камера обеспыленных газов; 3 - кольцевой диффузор; 4 циклонный элемент; 5 бункер; 6 пылевой затвор Циклоны: Рис.2

а - схема: 1- корпус; 2 - распределительная камера; 3 - решетки; 4 - циклонный элемент; б - элемент с направляющим аппаратом типа "винт"; в - элемент с направляющим аппаратом типа "розетка" Батарейный циклон: Рис.3

Вихревые пылеуловители: а - соплового типа; б - лопаточного типа; 1 - камера; 2 - выходной патрубок; 3 - сопла; 4 - лопаточный завихритель типа "розетка"; 5 - входной патрубок; 6 - подпорная шайба; 7 - пылевой бункер; 8 - кольцевой лопаточный завихритель Рис.4

Центробежный механизм осаждения основан на действии центробежной силы, возникающей при вращении очищаемого газового потока в очистном аппарате или при вращении частей самого аппарата. Наибольшее распространение в промышленности получили циклонные аппараты. Это объясняется тем, что циклоны имеют ряд преимуществ. Они отличаются простотой изготовления и эксплуатации, надежностью работы при повышенных температурах (вплоть до 500 Си высоких давлениях газов, возможностью выделения пыли в сухом виде и очистки газов с большой начальной запыленностью, почти постоянным гидравлическим сопротивлением аппарата, компактностью, низкой металлоемкостью и высокой производительностью. К недостаткам циклонов относят высокое гидравлическое сопротивление порядка 1500 Па, невозможность использования для очистки газов от липких загрязнений. Сравнительно небольшая фракционная эффективность (порядка 60%) в области фракций пыли размером от 5 до 10 мкм является основным недостатком циклонных аппаратов. Отмеченный недостаток обусловлен особенностями работы циклонов, в частности, турбулизацией потока запыленного воздуха, которая препятствует сепарации пыли. Повышение эффективности очистки, особенно в области мелких фракций, достигается благодаря более равномерной подаче, распределению и закручиванию пылегазового потока.

Схема основных конструкций циклонов по способу подвода газов представлена на рисунке 1. Принцип работы циклона показан на рисунке 2. Запыленный газ через входной патрубок подается в цилиндрическую камеру, где движется по спирали сверху вниз. Под действием центробежной силы частицы пыли отбрасываются к стенкам аппарата, передавая им свой импульс, они теряют скорость и, под действием силы тяжести, падают вниз, поступая в бункер для сбора пыли. Очищенный газ устремляется вверх через турбулизованное ядро потока у оси циклона и через выхлопную трубу удаляется из аппарата. Эффективность улавливания частиц пыли в циклонах прямо пропорциональна скорости газов и обратно пропорциональна диаметру аппарата, поэтому процесс предпочтительно проводить при больших скоростях и небольших диаметрах. Однако увеличение скорости может приводить к уносу пыли из циклона и резкому увеличению гидравлического сопротивления. Поэтому эффективность циклона увеличивают за счет уменьшения диаметра аппарата. В промышленности принято разделять циклоны на высокоэффективные и высокопроизводительные. Первые эффективны, но требуют больших затрат на осуществление процесса очистки; циклоны второго типа имеют небольшое гидравлическое сопротивление, но хуже улавливают мелкие частицы.

Эффективность улавливания частиц пыли в циклонах прямо пропорциональна скорости газов и обратно пропорциональна диаметру аппарата, поэтому процесс предпочтительно проводить при больших скоростях и небольших диаметрах. Однако увеличение скорости может приводить к уносу пыли из циклона и резкому увеличению гидравлического сопротивления. Поэтому эффективность циклона увеличивают за счет уменьшения диаметра аппарата. В промышленности принято разделять циклоны на высокоэффективные и высокопроизводительные. Первые эффективны, но требуют больших затрат на осуществление процесса очистки; циклоны второго типа имеют небольшое гидравлическое сопротивление, но хуже улавливают мелкие частицы. На практике широко используют циклоны цилиндрические (с удлиненной цилиндрической частью) и конические (с удлиненной конической частью). Цилиндрические относятся к высокопроизводительным аппаратам, а конические к высокоэффективным. При больших расходах очищаемых газов применяют групповую компоновку аппаратов. Это позволяет не увеличивать диаметр циклона, что положительно сказывается на эффективности очистки. Схема групповых циклонов изображена на рисунке 2. Запыленный газ входит через общий коллектор, а затем распределяется между циклонными элементами.

Батарейные циклоны объединение большого числа малых циклонов (мультициклонов) в группу. Снижение диаметра циклонного элемента преследует цель увеличения эффективности очистки. Схема батарейного циклона приведена на рисунке 3. Элементы батарейных циклонов (вид б, в на рисунке 3) имеют диаметр 100, 150 или 250 мм. Оптимальная скорость газов в элементе лежит в пределах от 3,5 до 4,75 м/с, а для прямоточных циклонных элементов от 11 до 13 м/с[7]. Для циклонов высокой производительности, в частности батарейных циклонов (производительностью более м3/ч), степень очистки составляет около 90% при диаметре частиц более 30 мкм. Для частиц с размерами от 5 до 30 мкм степень очистки снижается до 80%, а для частиц от 2 до 5 мкм она составляет менее 40%. В вихревых пылеуловителях, как и в циклоне, сепарация пыли основана на использовании центробежных сил. Основным отличием вихревых пылеуловителей от циклонов является наличие вспомогательного закручивающего газового потока. В промышленности наиболее распространены два вида вихревых пылеуловителей: сопловые и лопаточные. Схема вихревых пылеуловителей показана на рисунке 4.

Электрические силы: Трубчатый электрофильтр: 1 – коронирующие электроды 2 – осадительные электроды 3 – рама 4 – устройство для встряхивания электродов 5 - изоляторы

Для осаждения частиц в поле электрических сил применяют электрофильтры, которые по форме электродов делятся на трубчатые и пластинчатые, а в зависимости от вида удаляемых из газа частиц – на сухие (улавливается сухая пыль) и мокрые (удаляется влажная пыль). Трубчатый электрофильтр (рис. 2.13) питается постоянным током высокого напряжения (порядка 60тыс. вольт) и представляет собой аппарат, в котором расположены осадительные электроды 2, выполненные в виде труб диаметром 0,15 - 0,3 м и длиной м. По оси труб проходят коронирующие электроды 1 из проволоки диаметром 1,5 - 2 мм, которые подвешены к раме 3, опирающейся на изоляторы 5. Запыленный газ входит в аппарат через нижний штуцер и далее двигается внутри труб 2. Так как поверхности электродов различны, то у отрицательно заряженного электрода, выполненного в виде проволоки, образуется высокая напряженность электрического поля и возникает коронирующий разряд. Внешним признаком ионизации является свечение слоя газа или образование «короны» у катода. Отрицательно заряженные ионы устремляются к положительному электроду (аноду) в виде труб. На своем пути они «бомбардируют» частицы пыли, адсорбируются и сообщают им отрицательный заряд. Отрицательно заряженные частицы пыли устремляются к положительному электроду, разряжаются и оседают на его поверхности, а очищенный газ выходит из аппарата через верхний штуцер. В сухих электрофильтрах пыль удаляется периодически путем встряхивания электродов с помощью специального устройства 4. В мокрых электрофильтрах осевшие частицы пыли удаляются промывкой внутренней поверхности электродов водой. Степень очистки составляет 95 – 99 %.

Рукавный фильтр: 1- корпус; 2 – встряхивающее устройство; 3 – рукав; 4 – распределительная решетка Корпус рукавного фильтра представляет собой металлический шкаф, разделенный вертикальными перегородками на секции, в каждой из которых размещена группа фильтрующих рукавов. Верхние концы рукавов заглушены и подвешены к раме, соединенной с встряхивающим механизмом. Внизу имеется бункер для пыли со шнеком для ее выгрузки. Встряхивание рукавов в каждой из секций производится поочередно. Схема рукавного фильтра. В тканевых фильтрах применяют фильтрующие материалы двух типов: обычные ткани, изготавливаемые на ткацких станках, и войлоки, получаемые путем свойлачивания или механического перепутывания волокон иглопробивным методом. Ткани, используемые в качестве фильтровальных материалов, должны отличаться высокой пылеемкостью, воздухопроницаемостью, механической прочностью, стойкостью к истиранию при многократных изгибах, стабильностью размеров и свойств при повышенной температуре и агрессивном воздействии химических примесей, а также минимальным влагопоглощением и способностью к легкому удалению накопленной пыли, низкой стоимостью. Не все применяемые в промышленности материалы удовлетворяют перечисленным требованиям, поэтому каждый материал используют в определенных, наиболее благоприятных для него условиях.

Основные термины и определения: Абсолютная влажность – количество водяных паров, содержащихся в 1 м 3 влажного воздуха. Абсорбент – жидкий поглотитель для избирательного поглощения абсорбтива в процессе абсорбции. Абсорбция – избирательное поглощение газов или паров жидкости поглотителем (абсорбентом). Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой или паровой фазы в жидкую. Адсорбент – твердое тело, на поверхности пор которого конденсируется поглощаемое вещество (адсорбтив) в процессе адсорбции. Адсорбция – избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси. Азеотропная перегонка – перегонка с введением специальных растворителей, применяется для разделения азеотропных смесей. При азеотропной перегонке применяют растворители, образующие с одним из компонентов азеотропную смесь с минимальной температурой кипения. Растворитель удаляется с дистиллятом.

Азеотропные смеси (нераздельнокипящие) – смеси, обладающие следующими особенностями: 1) имеют минимальную или максимальную температуру кипения по сравнению со смесями этих компонентов другого состава; 2) испарение азеотропной смеси, как и чистых веществ, происходит при постоянной температуре; 3) азеотропная смесь испаряется без изменения состава. Активность адсорбента – количество вещества, поглощенного единицей веса (или объема) адсорбента за время от начала адсорбции до начала «проскока», определяет динамическую активность адсорбента. Количество вещества, поглощенное тем же количеством адсорбента за время от начала адсорбции до установления равновесия, характеризует статическую активность. Аэрозоли – системы, состоящие из твердых или жидких частиц, взвешенных в газообразной среде (например, пыль, дым, туман). Бинодальная кривая (кривая равновесия) – кривая, разбивающая диаграмму на две области. Область, ограниченная этой кривой, соответствует двухфазным (расслаивающимся) системам и является рабочей частью треугольной диаграммы. Область диаграммы, лежащая вне этой кривой, соответствует гомогенной системе. Влагосодержание воздуха – количество водяного пара (кг), приходящееся на 1 кг абсолютно сухого воздуха. Влажный воздух – смесь сухого воздуха с водяным паром.

Водоотводчики (конденсатоотводчики) – устройства, применяемые для удаления из аппарата конденсата без выпуска с ним пара. Водяной пар – теплоноситель (насыщенный водяной пар), имеющий следующие преимущества: 1) высокий коэффициент теплоотдачи; 2) большое количество тепла, выделяемое при конденсации единицей количества пара; 3) возможность транспортировки по трубопроводам на значительные расстояния; 4) равномерность обогрева, так как конденсация пара происходит при постоянной температуре; 5) легкое регулирование обогрева. Вторичный пар – пар, образующийся при выпаривании растворов. Выпаривание – процесс концентрирования растворов, заключающийся в удалении растворителя путем испарения при кипении. Высота единицы переноса – высота участка, соответствующая одной единице переноса. Гетерогенные (неоднородные) системы – системы, состоящие из двух или нескольких фаз. Фазы, составляющие систему, могут быть в принципе механически отделены одна от другой. Гигроскопическая точка – равновесная влажность, соответствующая полному насыщению среды влагой. Гидравлическая депрессия – температурная поправка, которая учитывает повышение давления в аппарате вследствие гидравлических потерь при прохождении вторичного пара через ловушку и выходной трубопровод. Гидравлический радиус – отношение площади сечения потока S к смоченному периметру канала (трубопровода) П: r г = S / П.

Гидростатическая депрессия – температурная поправка, которая вызывается тем, что нижние слои жидкости в аппарате закипают при более высокой температуре, чем верхние (вследствие гидростатического давления верхних слоев). «Глухой» пар – пар, который не соприкасается с обогреваемой жидкостью, жидкость отделена от него стенкой, через которую и передается тепло. Градирни – аппараты башенного типа, в которых охлаждаемый воздух движется снизу вверх навстречу стекаемой жидкости. При этом охлаждение происходит не только за счет теплоотдачи, но в значительной степени и за счет испарения части жидкости. Граничные условия – условия, характеризующие взаимодействие среды с телами, ограничивающими объем, в котором протекает процесс. Греющий пар – насыщенный водяной пар, используемый в качестве теплоносителя в выпарных аппаратах. Движущая сила гидродинамического процесса – разность давлений между двумя точками или сечениями аппарата. Движущая сила процессов массопереноса – в общем случае разность химических потенциалов распределяемого компонента в фазах. В частных случаях разность между рабочими и равновесными концентрациями: Dу = у - у* или Dх = х* - х.

Список литературы: 1. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов / Ю.И. Дытнерский. – М.: Химия, – Ч.1, Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии / А.Г. Касаткин. – 9-е издание. – М.: Госхимиздат, – 754 с. 3. Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии / А.Н. Плановский, П.И. Николаев. – М.: Химия, – 540 с. 4. Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической технологии / А.Н. Плановский, В.Н. Рамм, С.З. Коган. – Л.: Химия, – 847 с. 5. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии / Н.И. Гельперин, И.Н. Гельперин. – М.: Химия, – 812 с. 6. Айнштейн, В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: учебник для вузов / В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Т.А. Носов. – М.: Химия, Кн.1 – 888 с. 7. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии / К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, П.П. Носков. – Л.: Химия, – 576 с. 8. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие / под ред. П.Г. Романкова. – 6-е изд., перераб. – Л.: Химия, – 256 с. 9. Коган, В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии / В.Б. Коган. – Л.: Химия, – 592 с.