Справочники. Словари. Энциклопедии

 Энциклопедический словарь юного техника

Аппараты для гидромеханических  процессов.

Гидромеханические процессы — это простейшие процессы, с которыми мы сталкиваемся в химической технологии. Свое название они получили потому, что используются для механического разделения неоднородных смесей жидкостей и газов, их очистки от твердых частиц. Всем хорошо знакомы неоднородные смеси, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни,— туман, запыленный воздух, мутная вода. Они составлены из не смешивающихся друг с другом фаз: газовой и жидкой, газовой и твердой, жидкой и твердой. Причем одна фаза сплошная, например воздух или вода, а другая дисперсная, т. е. находится в сплошной фазе в виде мелких взвешенных частичек. Целью разделения неоднородных смесей в промышленности бывает или очистка жидкостей и газов от загрязнений, или же выделение ценных продуктов, содержащихся в виде мелких частиц.

Проехал автомобиль — поднялась пыль. Через некоторое время пыль осела, воздух снова стал чистым. Здесь мы наблюдаем простейший возможный способ разделения неоднородных смесей — путем осаждения под действием силы тяжести. В химической технологии тоже иногда используется такой принцип, например в отстойниках для суспензий — жидкостей, содержащих во взвешенном состоянии твердые  частицы.  Основное достоинство процесса отстаивания — простота. Однако силы тяжести, действующие на мелкие частицы, невелики, и осаждение происходит очень медленно. Гораздо эффективнее осаждение под действием центробежных сил. Такой принцип используют в широко распространенных аппаратах — циклонах и центрифугах.

В циклоне (рис. 1) запыленный газ вводится в цилиндрическую часть аппарата с большой скоростью по касательной. Благодаря этому газовый поток начинает интенсивно вращаться, и частицы пыли отбрасываются к стенкам. Перемещаясь по спирали к нижней части аппарата, они ссыпаются в бункер, из которого удаляются. Вдоль оси аппарата установлена труба, по которой отводится очищенный газ.

Центрифуг и используют для очистки жидкостей от мелких частиц. В неподвижном кожухе центрифуги () вращается с большой частотой барабан. Суспензия подается внутрь барабана и благодаря силам трения начинает вращаться вместе с ним. Твердые частицы отбрасываются к стенкам и оседают на них. Осветленная жидкость вытесняется в пространство между кожухом и барабаном и выводится из центрифуги. Осадок удаляют или периодически, после заполнения барабана, или непрерывно.

Наиболее полная очистка жидкостей и газов от примесей достигается с помощью фильтрования. Для фильтрования суспензий часто применяют барабанные вакуум-фильтры — барабаны, покрытые снаружи фильтровальной тканью. Они имеют множество отверстий (). Перегородки делят барабан на несколько изолированных друг от друга камер (на рисунке их 8). При вращении барабана каждая камера поочередно соединяется с помощью труб с вакуумом или сжатым воздухом. Благодаря этому на фильтре происходит одновременно несколько процессов: фильтрование, подсушивание и промывка осадка.

Для тонкой очистки газов используют рукавные фильтры и электрофильтры. В рукавных фильтрах газ пропускают через матерчатые рукава, которые задерживают твердые частицы. Электрофильтры имеют два электрода, проходя между которыми газ ионизируется. Отрицательно заряженные ионы и электроны, двигаясь к положительному электроду, соприкасаются с пылинками или капельками и сообщают им свой заряд. В результате частицы пыли или тумана тоже начинают двигаться к положительному электроду и оседают на нем.

Другая важная составная часть гидромеханических процессов — перемешивание. В химической технологии перемешивание используют для приготовления растворов, суспензий, эмульсий и пен, а также для увеличения скорости химических, тепловых и массообменных процессов.

Не сложно растворить кусок сахара в стакане воды с помощью ложки. Совсем другое дело — перемешивание в больших промышленных аппаратах. Чтобы жидкость перемешивалась во всем объеме аппарата, недостаточно одного кругового движения мешалки. Необходимо создать и осевой поток жидкости — по высоте, аппарата и радиальный — от центра к стенкам (рис. 4). Чем больше размеры мешалки и частота ее вращения, тем интенсивнее перемешивание. Однако при этом резко возрастает потребляемая   мощность.   Знание  теории   позволяет выбрать оптимальную конструкцию мешалки и ее размеры, рассчитать необходимую мощность двигателя. На рис. 5 показаны некоторые мешалки, часто используемые в промышленности.

Аппараты   для   массообменных процессов.

Разделение продуктов химических реакций и получение бензина из нефти, очистка сточных вод и выделение кислорода из воздуха — эти и многие другие, столь не похожие внешне друг на. друга задачи решаются с помощью массообменных процессов (см. Очистка сточных вод и Очистка отходящих газов). Сейчас в промышленности используют свыше 10 массообменных процессов, а ученые и инженеры работают над созданием новых. В этих процессах разделение однородных смесей происходит благодаря различию в физико-химических свойствах компонентов — температуре кипения, растворимости и т. п. Важнейшие массообменные процессы — абсорбция, адсорбция, ректификация, экстракция, сушка, кристаллизация, мембранные разделения: обратный осмос, ультрафильтрация, диализ, электродиализ, диффузионное разделение.

Абсорбция — это поглощение отдельных компонентов из газовых смесей жидкими поглотителями — абсорбентами. В качестве абсорбентов используют жидкости, которые хорошо растворяют  извлекаемый  компонент. Абсорбция — основная технологическая стадия ряда важнейших производств. Например, путем абсорбции оксидов азота, серы и хлористого водорода водой получают азотную, серную и соляную кислоты; из коксового газа извлекают аммиак, бензол и другие ценные компоненты. Абсорбция широко используется при санитарной очистке отходящих газов от вредных примесей — ядовитых оксидов, соединений фтора и т. д.

Процесс абсорбции проводят в аппаратах, называемых абсорберами. Главное требование к конструкции абсорбера — создать как можно большую поверхность контакта фаз (газовой и жидкой). Для этого жидкость дробится на капли, струи или пленки, а газ — на пузыри и струи. Одна из распространенных конструкций абсорберов показана на рис. 6.

Адсорбция. Это процесс поглощения компонентов из газовых или жидких смесей твердым веществом — адсорбентом.

Адсорбция происходит на поверхности любого материала, будь то металл или стекло, дерево или пластмасса. Внутри твердого тела атомы или молекулы взаимно притягивают друг друга. Те из них, которые находятся на поверхности, испытывают притяжение только с одной стороны — изнутри материала, а избыточные силы притягивают молекулы других веществ извне. Значения этих сил зависят от строения поглощаемой молекулы и природы адсорбента. Если адсорбент поместить в раствор, содержащий смесь веществ, то преимущественно поглотится только одно или несколько из них, для которых силы притяжения, максимальны.

Чем больше поверхность адсорбента, тем больше  молекул   может  на  ней  задержаться.

Поэтому чаще всего в качестве адсорбента используют активированный уголь, который обладает исключительно высокой пористостью: в 1 г угля поверхность пор достигает 1500 м2!

Первоначально адсорбенты использовали только в медицине для лечения отравлений, в начале XX в. их стали применять в противогазах для поглощения отравляющих веществ. Теперь же адсорбция — один из важных массообменных процессов химической технологии. С ее помощью удается практически полностью очистить химические продукты от примесей, извлечь из смесей ценные вещества, даже если их концентрация очень мала.

Принципиальная схема адсорбера показана на рис. 7. На сетку в нижней части аппарата загружают адсорбент. После этого в аппарат подают газовую или жидкую смесь. Необходимый компонент извлекается адсорбентом, а очищенная смесь выводится из аппарата.

Ректификация. Этот процесс разделения жидких смесей основан на различии температур кипения компонентов смеси. Если испарять смесь двух жидкостей, например воды и ацетона, то пары будут обогащаться ацетоном, так как у него температура кипения ниже. При конденсации полученных паров в первую очередь сконденсируется вода — у нее температура кипения выше.

Повторяя процессы испарения и конденсации многократно, можно получить практически чистые ацетон и воду.

Ректификацию начали использовать в XIX в. в нефтяной и спиртовой промышленности. Теперь ее можно встретить в самых различных областях химической технологии — в органическом синтезе, производстве изотопов,  полимеров, полупроводников, во много раз выросли масштабы применения ректификации для извлечения продуктов из нефти.

Экстракция. Это процесс извлечения компонентов из растворов или из твердых тел с помощью избирательных растворителей — экстрагентов. Разделение основано на различной растворимости компонентов смеси в экстрагенте. Умело подобранный экстрагент позволяет выделить из смеси только интересующий нас компонент. В отличие от ректификации при экстракции не удается сразу получить чистое вещество: образуется новая смесь — раствор нужного компонента в экстрагенте. И для окончательного разделения необходимо использовать какой-либо другой массообменный процесс. Поэтому экстракцию применяют главным образом тогда, когда первоначальную смесь трудно разделить другими методами.

Сушка. Это удаление влаги из твердых материалов путем ее испарения. Благодаря сушке уменьшается слеживаемость удобрений, повышается качество угля и торфа, удешевляется транспортировка материалов. Поэтому сушка широко распространена в химической технологии. Этот процесс часто является последней стадией производства, предшествующей выпуску готового продукта. Обычно в промышленности используют конвективную, контактную и радиационную   сушки.

При конвективной сушке материал обдувается горячим воздухом или топочными газами. Скорость сушки достаточно высока. Однако непосредственный обогрев возможен не всегда — многие материалы портятся от соприкосновения с кислородом воздуха, топочными газами. В этих случаях применяют контактную сушку — здесь теплота передается высушиваемому материалу через стенку. Для высушивания пленок, тонких листов, лакокрасочных покрытий часто применяют радиационную сушку, при которой теплота сообщается инфракрасными лучами (см. Инфракрасная техника).

Кристаллизация. Это выделение вещества в виде кристаллов из растворов или расплавов. В химической технологии чаще используют кристаллизацию из растворов, для чего их охлаждают или же удаляют часть растворителя выпариванием.

Мембранные методы разделения. Эти массообменные процессы начали использовать в химической технологии совсем недавно. Но в природе они существуют уже миллионы лет. Все процессы обмена веществ в организме живого существа происходят с помощью полупроницаемых мембран (в переводе с латинского «мембрана»—«кожица», «перепонка»), которые пропускают одни вещества и задерживают другие. Мембраны поддерживают нашу жизнь, пропуская необходимые организму вещества внутрь клетки и удаляя из нее отходы. Полностью воспроизвести свойства биологических мембран современной науке пока не под силу. Тем не менее в последние десятилетия создан ряд процессов разделения с помощью мембран — обратный осмос, ультрафильтрация, электродиализ, диализ и диффузионное разделение газов. Каждый из этих процессов характеризуется своим особым механизмом перехода веществ через мембрану.

В 1748 г. аббат А. Нолле, перегородив воду и спирт пленкой из бычьего пузыря, заметил, что вода проникает через эту перегородку и смешивается со спиртом. Это явление получило название осмос, что в переводе с греческого означает «давление». И действительно, движущей силой для проникновения воды через мембрану является давление, правда не Совсем обычное — осмотическое.

Это давление проявляется только тогда, когда чистую воду и водный раствор (скажем. морскую воду) разделить полупроницаемой мембраной, которая задерживает молекулы и ионы растворенного вещества, но пропускает молекулы воды. Чистая вода потечет через мембрану в раствор, и остановить это течение можно, только приложив к раствору давление, равное по величине осмотическому давлению.

Если к раствору приложить давление больше осмотического, то вода пойдет в обратном направлении — из раствора. И мы можем. например, из морской воды получить воду, пригодную для питья. На этом и основан о б-ратный осмос. Для этого процесса требуется очень мало энергии, разделение происходит при обычных температурах. Воду можно очистить сразу от всех растворенных веществ. бактерий, вирусов, а также и других загрязнений.

В обратном осмосе используют мембраны с множеством мельчайших пор. Однако по размеру они все-таки в несколько раз больше, чем диаметры молекул и ионов, даже с гидратными оболочками. И долго было непонятно, благодаря чему мембраны являются полупроницаемыми. Лишь недавно ученые нашли ответ. Оказывается, вода, заключенная внутри пор мембраны, связывается физико-химическими силами с ней. Из-за этого вода теряет свою растворяющую способность и становится как бы преградой на пути растворенных веществ. Отсюда понятно, что наилучший материал для мембраны такой, с которым вода хорошо «связывается». Этому требованию отвечают сильно набухающие гидрофильные полимеры, например ацетат целлюлозы.

Современные аппараты могут вмещать несколько тысяч квадратных метров мембран в 1 м3 своего объема. Поэтому в одной комнате помещается аппарат, способный перерабатывать сточные воды крупного завода. Обычные же очистные сооружения занимают несколько гектаров!

Конструкция мембранного аппарата с плоскопараллельной укладкой мембран показана на рисунке 8. Каждый элемент аппарата состоит из пористой подложки, на которой уложены мембраны. Подложка позволяет мембранам выдерживать рабочие давления и создает каналы для отвода фильтрата.

Помимо очистки сточных вод обратный осмос используют для получения особо чистой и питьевой воды из природных вод, пресной воды из морской, концентрированных фруктовых ;: овощных соков, разделения и очистки водных растворов в химической промышленности.

Если необходимо очищать разбавленные растворы, содержащие только неорганические соли, то применяют э л е к т р о д и а л и з. При этом способе разделяемый раствор прокачивают между мембранами в электрическом поле. Ионы растворенных веществ, двигаясь к противоположно заряженным электродам, переходят через мембраны, и вода очищается от солей.

Все большее применение в промышленности находит диффузионное разделение газов. Метод основан на различии скоростей диффузии (прохождения) газов через мембрану. Он используется для обогащения кислородом воздуха, применяемого для дутья при выплавке металлов, выделения водорода из отходящих газов и гелия — из природных.

Аппараты для теплообменных процессов.

Подобно тому как нельзя приготовить обед без нагревания, так и ни одна химическая «кухня» не обходится без тепловых процессов. Процессы распространения тепла называются теплопередачей. Знание этой науки' необходимо для  расчета теплообменников — аппаратов, в которых осуществляют   нагревание   и   охлаждение   жидкостей, газов и твердых веществ, конденсацию паров и кипение жидкостей. В любом из этих процессов теплота передается от более нагретого тела — горячего  теплоносителя  к  менее нагретому   телу — холодному   теплоносителю.

В качестве горячих теплоносителей в химической   технологии   наиболее   часто   применяют топочные   газы,   водяной   пар,   горячую   воду, расплавленные  металлы  и некоторые  органические вещества. Для охлаждения обычно используют воздух и воду.

Наиболее широко в промышленности используют кожухотрубные теплообменники (рис. 9). Такой теплообменник состоит из кожуха и приваренных к нему трубных решеток, в которых закреплены трубы. Один теплоноситель движется внутри труб, другой — в межтрубном пространстве кожуха. Главное достоинство подобных теплообменников — компактность, поскольку поверхность теплообмена, образованная стенками труб, очень велика. В кожухотрубных теплообменниках можно осуществлять процессы нагревания, охлаждения и конденсации.

Испарение жидкостей происходит в выпарных аппаратах (рис. 10). В греющую камеру аппарата подается горячий теплоноситель, который отдает теплоту кипящему раствору. При кипении раствора образуются пузырьки пара, и они вместе с жидким раствором поднимаются вверх по трубкам. По наружной необогреваемой циркуляционной трубе опускается жидкий раствор, плотность которого значительно больше, чем плотность па-рожидкостной эмульсии в трубах греющей камеры. Этим обеспечивается . интенсивное перемешивание раствора в аппарате. В  сепараторе пар отделяется от капелек раствора благодаря брызгоотбойнику, а также тому, что площадь сечения сепаратора во много раз больше площади сечения трубок и скорость пара здесь резко снижается.

Аппараты для химических процессов

В большинстве химических производств химическая стадия — самая важная часть технологического процесса, а реактор (аппарат для прохождения химической реакции) — основной аппарат. И хотя реактор может, быть любым по конструкции и далеко не самым дорогим из применяемого в химической технологии оборудования, выбор его наилучшей конструкции чрезвычайно важ_ен. Дело в том, что любые отклонения от оптимального проведения химической реакции способны не только резко снизить ее скорость, но и привести к образованию многих ненужных примесей.

Задача выбора оптимальной конструкции реактора очень сложна — помимо чисто химических закономерностей надо использовать данные гидродинамики, теплопередачи, массо-передачи и экономики. Трудно представить себе, как справлялись с этой задачей еще несколько десятилетий назад, когда у инженеров-химиков не было верных помощников — катализаторов, которые изменяют скорость химической реакции, вступая в промежуточные химические взаимодействия с ее участниками. Однако в состав продуктов реакции катализаторы не входят, и после реакции катализатор остается таким же, как и до ее начала. Катализаторы способны увеличить скорость необходимой реакции во много тысяч раз, резко повышая выход основного продукта. Иногда удается подобрать такой катализатор, который одновременно снижает скорости побочных реакций, является по отношению к ним ингибитором, т. е. веществом, замедляющим скорость прохождения реакции (см. Коррозия). Ингибиторы бывают нужны и для снижения скорости основной реакции, если она слишком велика. Например, реакции, в обычных условиях протекающие со взрывом, благодаря ингибиторам «приручаются». Из одного и того же сырья в присутствии различных катализаторов образуются самые разные продукты. Так, из смеси оксида углерода и водорода, меняя катализаторы, можно получить метан, метиловый спирт, изобутиловый спирт и даже твердые высокомолекулярные вещества.

Практически все новые химические процессы являются каталитическими, т. е. осуществляются с помощью катализаторов. Различают гомогенные   и   гетерогенные    каталитические процессы. В первом случае катализатор находится в той же фазе, что и реагирующие вещества, во втором — образует отдельную фазу. Наиболее часто в промышленности применяют гетерогенные каталитические процессы, в которых реагирующие вещества — жидкости или газы, а катализатор — твердый, в виде пористых гранул.

Реакторы для гомогенного каталитического процесса обычно не сложны. Реакции в однородной среде легко осуществимы, например в аппаратах типа кожухотрубного теплообменника. В трубное пространство подается :месь исходных реагентов. При их движении по трубам происходит реакция и ее продукты выводятся с другой стороны аппарата. В межтрубном пространстве пропускают теплоноситель для подвода или отвода теплоты.

Реакторы для гетерогенных каталитических процессов разнообразны. Их конструкция зависит от фазового состояния реагирующих компонентов и катализатора, способа контакта между ними.