/
Text
Ю. Н. ШАПОВАЛОВ ,
В. С. ШЕИН .
МЙШ1И11Н1Ы1
ИЙППЙРйтЫ
ОБЩЕХИМИЧЕСКОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
Допущено Министерством высшего и среднего
специального образования РСФСР в качестве
учебного пособия для студентов-механиков
ВОРОНЕЖ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ВОРОНЕЖСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
1981
УДК 66.023
III а ион а л он Ю. II., Шеин В. С. Машины и аппараты общехими-
ческого назначения. Учебное пособие. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981,
304 с.
В учебном пособии в соответствии с программой курса «Машины и аппараты
химических производств» рассматривается современное типовое хтмяческое оборудо-
вание, предназначенное для осуществления основных механических, гидромеханических,
тепловых, массообменных и реакционных процессов. Приводятся конструктивные схемы
большинства типовых машин и аппаратов, описываются конструкции наиболее распро-
страненных из них. Даются примеры параметрических расчетов оборудования.
Книга предназначена для студентов-механиков химических специальностей. Опа
может быть использована инженерами-конструкторами н механиками, работающими
В области химического машиной и аппаратостроения.
Библ, ссылок 6>1, ил. 140, табл. 20.
Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета
Воронежского университета
Научный редактор — канд. техн, паук доц. 10 И. Ш а п о в а л о в
Р е ц е н з е н т ы:
кафедра, машин и аппаратов химических производств
Новочеркасского
политехнического института;
д-р техн, паук проф. В. II. Блин и ч ев
ШМ174(ОЗ)-ЗГ43'81 2801020000
(С) Издательство
Воронежского университета, 1981
ПРЕДИСЛОВИИ
Одной из главных задач, поставленных XXVI съездом КПСС в обла-
сти развития высшего образования в стране, является подготовка спе-
циалистов широкого профиля, способных ориентироваться в своей и
в смежных профессиях. Поэтому появилась необходимость в система-
тизации учебного материала по общехимическому оборудованию, кото-
рый будет помогать инженеру-механику в решении задач любого про-
изводства, независимо от его разновидности.
За последние годы был издан ряд учебников и учебных пособий,
посвященных описанию оборудования отраслевого назначения (напри-
мер, для переработки пластмасс, синтетического каучука и т. д.), а так-
же монографий, относящихся к отдельным группам машин и аппаратов
(центрифуги, фильтры, смесители и т. п.). Однако ограниченность вре-
мени, отводимого на изучение курса «Машины и аппараты химических
производств», малые тиражи книг, описывающих отраслевое оборудо-
вание, затрудняют самостоятельную работу студентов.
Авторы сделали попытку в относительно небольшом объеме учеб-
ного пособия изложить основные сведения о современном типовом обо-
рудовании общехимического назначения.
В основу распределения материала по главам положена классифи-
кация машин и аппаратов по функционально-конструктивному признаку.
Учитывая весьма обширные сведения, излагаемые в курсе «Процессы
и аппараты химической технологии» по.некоторым видам оборудования,
например, теплообменным и массообменным аппаратам, сушилкам
и т. д., авторы сочли возможным уменьшить соответствующие главы
пособия и остановиться лишь на особенностях их конструкции, экс-
плуатации и специфических расчетах.
В целях исключения повторений при описании типов и конструкций
оборудования, в частности реакторов, теплообменных и массообменных
аппаратов, последние группируются в соответствующих разделах посо-
бия по конструктивному признаку, независимо от наименования продук-
ции, получаемой по той или иной схеме технологического процесса.
Внутри кащдой главы материал излагается в следующем порядке:
общие положения и классификация машин и аппаратов; конструктивные
схемы типовых современных видов оборудования, приведенные в таб-
лице; описание, конструкции основных типов машин и аппаратов и осо-
бенностей их эксплуатации; параметрические расчеты некоторых видов
оборудования (расчет производительности, мощности привода, разме-
ров основных элементов конструкции), вопросы техники безопасности.
, В пособии использованы материалы, опубликованные в отечествен-
ной и зарубежной литературе.
Главы 1—5 написаны Ю. Н. Шаповаловым, 6—8 — В. С. Шеиным.
ГЛАВА i
МАШИНЫ ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
МАТЕРИАЛОВ
1. 1. СПОСОБЫ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ
Химическая промышленность не имеет себе равных по многообра-
зию измельчаемых материалов, степени измельчения, типам и размерам
измсльчителыюго оборудования.
Измельчаемые материалы могут быть твердыми, мягкими, хрупки-
ми, вязкими, липкими, термически неустойчивыми, нейтральными, хими-
чески активными, вредными, безвредными для окружающих и т. д.
В химической промышленности применяют все виды измельчения,
начиная от самого крупного (размер кусков материала достигает
200—300 мм) и кончая коллоидным (размеры частиц достигают долей
микрона). В широком диапазоне изменяются производительность и раз-
меры измельчителей.
В зависимости от крупности исходного сырья и требований к конеч-
ному продукту измельчение производят в один или несколько приемов
по открытому или замкнутому циклу. В первом случае перерабатывае-
мое сырье не возвращается в измельчитель, во втором — крупные ча-
стицы возвращаются вновь в измельчитель для дальнейшей обработки.
В зависимости от размера пусков исходного сырья и конечного про-
дукта измельчение делят на несколько классов:
Класс измельчения Размер кусков до Размер кусков
измельчения после измельчения
Дробление <1и, мм <1к, мм
крупное 1000 230
среднее 250 20
мелкое 20 1—5
Помол
грубый 1 —5 0,01—0,10
средний 0,1—0,04 0,005—0,015
тонкий 0,1—0,04 0,001—0,005
коллоидный —0,1 —0,001
Отношение размеров кусков до и после измельчения называют сте-
пенью измельчения i. Различают линейную = ) и объемную
(Z = VH/Vк) степени измельчения.
Способы измельчения. Твердый материал можно разрушать и из-
мельчать раздавливанием, раскалыванием, разламыванием, истиранием,
ударом, резанием, распиливанием и различными комбинациями этих
способов, первые пять из которых оказались наиболее пригодными для
промышленного использования. Раскалывание применяется для полу-
чения кусковых материалов; истирание — для тонкого измельчения
мягких и вязких материалов, при этом оно всегда комбинируется с раз-
давливанием или ударом.
Дробление материалов обычно осуществляется сухим способом (без
применения воды), тонкое измельчение — мокрым (е использованием
воды). При мокром измельчении не наблюдаетсяшылеобразовання и об-
легчается транспортирование измельченных материалов.
4
В последние годы применяют новые способы измельчения: элект-
рогидравлический, ультразвуковой, гравитационный, метод быстро ме-
няющихся высоких и низких температур, измельчение световым лучом,
полученным при помощи квантового генератора.
Классификация измельчителей. Существует два принципа класси-
фикации измельчителей: 1) по крупности получаемого продукта; 2) по
способу измельчения.
По крупности Получаемого продукта измельчители подразделяют-
ся на дробилки и мельницы.
По способу измельчения машины бывают: 1) раскалывающего и
разламывающего действия; 2) раздавливающего действия; 3) истираю-
ще-раздавливающего действия; 4) ударного действия; 5) ударно-истира-
ющего действия; 6) коллоидные измельчители.
Оба принципа классификации не учитывают конструктивный при-
знак машин, что является их недостатком. Избежать же этого недостат-
ка практически невозможно, так как существует большое разнообразие
измельчителей как по конструкции и способам разрушения материала,
так и по величине конечной крупности готового продукта. Больше пред-
ставлений о назначении и конструкциях измельчителей дает первый
принцип классификации, который используется в дальнейшем из-
ложении.
Па рис. 1. 1. приведена схема классификации измельчителей с уче-
том крупности получаемого продукта и основных конструктивных при-
знаков. Каждый из указанных :на данной схеме видов измельчителей
имеет несколько конструкпивьых разновидностей.
Рис. 1.1. Схема классификации измельчителей
Подразделение измельчителей внутри каждого типа будет показано
в виде конструктивных схем в соответствующих параграфах.
Ввиду большого числа измельчителей и невозможности 'рассмотре-
ния всех их разновидностей в данном пособии в дальнейшем дается
описание лишь тех из них, которые получили наибольшее 'распростра-
неиие п имеют различные способы измельчения материалов. Более
подробные сведения об измельчителях можно получить в работе [52].
5
1.2. ДРОБИЛКИ
Дробилки применяются для измельчения сравнительно крупных
кусков материала (начальный размер — 20-4-1000 мм, конечный—•
2-4-20 мм). Имеются дробилки крупного, среднего и мелкого дробле-
ния.
В табл. 1.1. показаны упрощенные конструктивные схемы дроби-
лок.
Щековые дробилки относятся к измельчителям раскалывающего и
разламывающего действия. Они используются для крупного измельче-
ния и получения кускового материала с минимальным выходом мелочи.
Рабочими элементами дробилок являются две щеки: неподвиж-
ная 1 и подвижная (качающаяся) 2. Щеки образуют пасть, в которую
сверху поступает материал. При сближении щек куски материала раз-
рушаются, а при расхождении измельченный материал высыпается че-
рез нижнюю щель пасти. ..
Т а б л и ц и 1.1
Схемы оснонных е.идои дробилок
. Вид
дробилки
Разновидность Ko'jiTpvKTHBHi IV схем
С верхним подвесом щеки и
простым ее качением: 1 — щека
неподвижная; 2 — щека подвиж-
ная; 3 — вал эксцентриковый;
4 — шатун; 5 — плиты распор-
ные; 6 — пружина-. 7 — тяга
С верхним подвесом щеки и
сложным ее качанием: 1 — щека
неподвижная; 2 — щека подвиж-
ная; 3 — вал эксцентриковый;,
4 -- плита распорная; 5 - тяга;
6 — пружина
С нижним креплением щеки и
простым ее качанием: 1 — щека
неподвижная; 2 — плита подвес-
ная; 3 — шатун; 4 — нал экс-
центриковый; 5 — опора
6
П родол жен и е та 6л. i. I
I
Конусная
С эксцентриковым креплением
обоих торцов осп конуса: 1 —
конус неподвижный; 2 — конус
подвижниц; 3,— опора эксцент-
риковая; 4 — привод
С эксцентриковым креплением
только нижнего торца оси кону-
са: 1 -- конус неподвижный; 2 --
конус, подвижный; 3 — опора
эксцентриковая; 4 — привод
С гидравлическим амортизатором:
1 - цилиндр; 2 -- плунжер; 3 —
шестерил ведомая; 4 — стакан экс-
центриковый; 5 — станина; 6' — вал;
7 - конус подвижный; — конус
неподвижный; 9 — шестерня веду-
щая; 10 -- аккумулятор; 11 — кла-
пан предохранительный; 12 — ре-
зервуар масла; 13 — насос
Конусная
. С прежнппым амортизатором: 1 —
конус неподвижный; 2 - - крышка;
3 — конус подвижный; 4 -- стани-
на; 5 -- тяга; 6' — пружина-, 7 --
опора эксцентриковая; 8 — привод
7
Валковая
О к о н *i а п и с та 6 л. I.
Одловалковая зубчатая с
Двухвалковая с глад-
кими ваякамп; ./ — бун-
кер; 2 — привод; 3 —
станина; 4 — ipy/кина;
.5, 6 — валок
колосниковой
бункер; 2 --
3 — корпус;
5 — тяга; 6
пиковая
решеткой: 1 —
валок зубчатый;
4 — пружина;
решетка колос-
Валковая
молотковая
Четырехвалковая; 1 —
бункер; 2 --- станина;
3 — валок скользящий;
4 — пружина; 5 — ва-
лок нескользящий
Молотковая реверсив-
ная: I — сгапина; 2 -
плита отбойная; 3 —
ротор; 4 — молоток; 5 —
решетиа; 6 — люк для
выгрузки
Подвижную щеку укрепляют шарнирно -сверху или- снизу. При
верхнем креплении (подвесе) наибольший размах совершает нижний
конец подвижной, щеки. Ширина щели во время работы изменяется,
размер кусков выходящего материала различен.
При нижнем креплении подвижной щеки наибольшие (качания со-
вершает ее верхний конец. Ширина выходной щели не изменяется, по-
этому получаемый продукт более однороден по гранулометрическому
составу. Однако в этом варианте возможно образование застойных зон
н нижней части дробилки, что затрудняет выход материала, снижает
производительность и увеличивает расход энергии на дробление. Ще-
ковые дробилки с нижней опорой подвижной щеки изготавливают не-
большой производительности и применяют в основном для исследова-
тельских целей.
Наибольшее распространение получили дробилки с верхним под-
весом подвижной щеки.
8
Дробилка, показанная на рис. 1.2, состоит из литой станины 1,
броневых плит 2, подвижной щеки 4, подвешенной на ос,и 5, маховика 6,
шатуна 8, установленного на эксцентриковом валу 7, винта 9 для
подъема клина 10, нажимных плит 12 и тяги 13, обеспечивающей кон-
такт между подвижной щекой, нажимными плитами, шатуном и упор-
ным клином 11. Для уменьшения износа станины и подвижной щеки
на их рабочие поверхности устанавливают броневые плиты 2 и клинья
3, которые изготавливают из износостойкой стали или закаленного чу-
гуна.
Рис. 1. 2. Щековая
дробилка с верхним
подвесом, и простым ка-
чанием щеки:: 1 — ста-
нина; 2 — плиты бро-
невые; 3 — распорные
клппвя; 4 — щека под-
вижная; ,5 — ось кача-
ния щеки; 6 — маховик;
7 — вал гксцентрико-
вый; 8 — шатун; 9 —
винт подъемный; 10 —
клин подвижный; И —
клин упорный; 12 —
плиты нажимные; 13 —
тяга
Наибольшему износу подвергается нижняя часть зоны измельче-
ния плит. Для увеличения срока службы плиты изготавливают таким
образом, чтобы' по мере износа этого участка плиты се можно было
перевернуть верхним концом вниз. Рабочие поверхности плит имеют
продольные выступы треугольной формы.
Крупность получаемого материала регулируют, изменяя ширину
щели с помощью специальных клиньев 10, И и винта 9, либо заменяя
одну из нажимных плит 12. Для предотвращения поломки сложных и
дорогостоящих деталей машины при случайном попадании в нее посто-
ронних предметов (куски рельс, кувалды и т. п.) предусматривается
выход из строя одной из нажимных плит, которая при перегрузке или
ломается сама, или в ней срезаются заклепки.
Характерной особенностью дробилки на рис. 1.3 является то, что
верхний конец подвижной щеки совершает круговое движение, а ниж-
ний— по дуге радиуса, равного длине нажимной плиты. Суммарное
движение щеки. является сложным, поэтому машина получила назва-
ние дробилки со сложным качанием плиты. В этих дробилках отсут-
ствует холостой ход подвижной щеки, так как при отходе 'верхней час-
ти работает нижняя, и наоборот, что уменьшает неравномерность ра-
боты дробилки и ее привода. Кроме того, при сложном движении щеки
к прямому раскалывающему действию выступов броневых плит до-
бавляется разрезающее, чем облегчается процесс разрушения материа-
ла, но увеличивается износ плит.
Существенным недостатком данных дробилок является то, что уси-
лия дробления передаются непосредственно эксцентрику приводного
вала, что затрудняет создание дробилок больших размеров.
Отечественные предприятия выпускают три вида щековых, дроби-
лок с простым качанием щеки. Их основные параметры:
9
Ширина приемной пасти — 900—1500 мм;
Ширина разгрузочной щели при сомкнутых 'щеках— 150—300 мм;
Средняя производительность (при насыпной плотности материала 1,6 т/м3) —
140—500 т/ч;
Мощность двигателя — 110—280 кВт;
Масса дробилки без привода — 59—215 т.
Рис 1.3. Щековая дробилка с верхним подвесом щеки на эксцентри-
ковом валу: 1 — станина; 2 — плиты броневые; 3 — клинья распорные;
4 щека подвижная; 5 — вал эксцентриковый; 6 — маховик; 7 — винт
подъемный; 8 — клип подвижный; 9 — пружина натяжная; 10 — тяга;
11 — винт упорный; 12'— плита нажимная
Дробилки со сложным (качанием щеки имеют обозначение ЩДС, С,
СМ (например: ЩДС-4; С-182 А; СМ-11 и т. д.). Их основные пара-
метры:
Ширина приемной пасти — 250—600 мм;
Ширина разгрузочной щели— 15—200 мм;
Средняя производительность — 1,6—120 т/ч;
Мощность двигателя — 7—75 кВт;
Масса дробилки без двигателя— 1,5—154 т.
Конусные дробилки относятся также к дробилкам раскалывающе-
го и разламывающего действия и используются для крупного, сред-
него и мелкого измельчения (в последнем случае они являются конус-
ными мельницами). Рабочими элементами дробилок являются поверх-
ности двух входящих друг в друга конусов. Внешний конус неподвиж-
но связан со станиной, а внутренний установлен на оси.
В одних конструкциях нижний конец оси крепят эксцентрично в
стакане, вследствие чего ось при вращении описывает конус с верши-
ной в точке О. В других конструкциях ось крепится в ссосных подшип-
никах с эксцентриситетом относительно оси внешнего конуса.
Во время вращения внутренний конус в одной части окружности
приближается к неподвижному конусу, разрушая материал, а в другой
(противоположной) части удаляется от неподвижного конуса. Измель-
ченный материал при этом высыпается через расширившуюся выход-
ную щель.
Следовательно, в отличие от щековых в конусных дробилках раз-
рушение материала и удаление его из зоны измельчения происходит
непрерывно. За счет непрерывности и большей равномерности в рабо-
те производительность конусных дробилок на единицу собственной мас-
сы выше, чем щековых. Конусные дробилки расходуют меньше энергии
10
и не нуждаются в громоздком маховике. Однако при малой производи-
тельности и большой крупности исходного сырья щековая дробилка мо-
жет оказаться выгоднее конусной.
Рис. 1.4. Конусная
дробилка для крупного
дробления с централь-
ной выгрузкой дробле-
ного материала: 1— вал
центральный; 2, 4 — ста-
каны эксцентриковый и
направляющий; 3 —
втулка; 5 — станина;
6,7 — конусы защит-
ный и внешний; 8— фу-
теровка броневая; 9 —
траверса; 10 — броня
траверсы; 11 — колпак;
12, 17 — гайка; 13 —
стакан опорный; 14 —
втулка опорная; 15 —
втулка сменная; 16 —
кольцо опорное; 18 —
броня внутреннего кону-
са; 19 — конус внутрен-
ний; 20 — шайба уплот-
няющая; 21, 24 — ше-
стерни ведомая и веду-
щая; 22 — вал ведущий;
23 — стакан
На'рис. 1.4. показана конструкция конусной дробилки для круп-
ного дробления с центральной выгрузкой измельченного материала.
Основными ее элементами являются станина 5, внешний конус 7, за-
крепленный на ней, траверса 9 для подвески вала 1, внутренний конус
19 с валом и приводом. Внутри станины расположены направляющий
4 и эксцентриковый 2 стаканы и защитный конус 6, предохраняющий
попадание «продукта на ведомую 21 и ведущую 24 конические шестер-
ни.
Внешний конус 7, футерованный изнутри броневыми плитами 8 из
марганцовистой стали, с помощью нижнего фланца и болтов крепится
к станине. Траверса 9, или паук, опирается на верхний фланец внеш-
него конуса и поддерживает вал 1 внутреннего конуса 19, который име-
ет также защитные броневые плиты 18. Верхний конец вала 1 подвеши-
вается в траверсе с помощью гайки 12, опорного стакана 13 и опор-
ных втулок 14 и 15. Все эти детали закрыты колпаком 11.
Нижний торец вала 1 входит в эксцентриковый стакан 2, на кото-
ром смонтирована ведомая шестерня 21. Ведущая шестерня 24 привод-
ной конической пары укреплена консольно на валу 22, находящемся в
стакане 23.
Такие дробилки удобнее в монтаже, эксплуатации ,и ремонте. По-
скольку эксцентриковый стакан 2 устанавливается сверху, при измель-
чении влажных или глинистых материалов уменьшается опасность за-
бивания дробилки. Материал поступает в пространство между внешним
и внутренним конусами, измельчается я наводится через нижнее цент-
ральное отверстие станины.
Крупность дробленого материала определяется шириной выходной
щели, которую можно менять, перемещая внутренний конус с помощью
гайки 12. При подъеме конуса ширина уменьшается, при опускании —
увеличивается.
Конусные дробилки для мелкого измельчения (конусные мельни-
цы) отличаются от дробилок для крупного и среднего дробления фор-
мой и соотношением размеров внешнего и внутреннего конусов. Обра-
зующая внешнего конуса является прямой, расширение 'приемной (верх-
ней) части зоны измельчения обеспечивается скосами защитных плит
и уменьшением их толщины. В нижней части зоны измельчения значи-
тельно увеличен участок с параллельными рабочими поверхностями ко-
нусов, что позволяет выводить измельченный материал, более однород-
ный по размеру частиц.
В крупных конусных дробилках используют гидравлическую амор-
тизаций и регулирование ширины выходной щели. Центральный вал
таких дробилок опирается на плунжер, цилиндр которого заполнен мас-
лом и соединен маслопроводом с газовым аккумулятором, насосом и
сборником масла (см. табл. 1. 1).
Отечественные предприятия выпускают конусные дробилки для
крупного измельчения — марок В, для среднего—марок КОД и для
мелкого — марок КМД. Их основные параметры:
В кед КМД
Ширина загрузочного отверстия, мм 500—1500 75—375 55—130
Ширина разгрузочного отверстия, мм 75—300 12—80 3—15
Производительность, т/ч 250—3750 ' 20—200С 13—500
Частота качаний конуса, мин--1 140—80 350—185 290—185
Установочная мощность двигателя, кВт 130—430 28—280 55—280
Масса дробилки, т 39—606 4—80 11—108
Наибольший габаритный размер, м 4—15 1,7—7,2 3,4—7,3
Валковые дробилки применяются для крупного, среднего и мелко-
го дробления материалов с различными физико-механическими свой-
ствами, в том числе влажных и вязких.
Основными рабочими элементами валковых машин являются мас-
сивные пустотелые цельные или сборные валки цилиндрической фор-
мы.
По количеству валков дробилки делятся на одновалковые, двух-
валковые и четырехвалкйвые.
По форме рабочей поверхности дробилки бывают с зубчатыми,
рифлеными и гладкими валками. Дробилки с зубчатыми и рифлены-
ми поверхностями валков применяются для крупного и среднего дроб-
ления, с гладкими валками —для мелкого дробления.
В зубовалковых дробилках материал измельчается в основном рас-
калыванием, в гладковалковых —раздавливанием и частично истира-
нием.
В двухвалковых дробилках подлежащий измельчению материал
захватывается в зазор вращающихся навстречу друг другу валков, где
и измельчается.
На рис. 1.5 показана Двухвалковая зубчатая дробилка, предназна-
ченная для крупного и среднего измельчения хрупких и малопрочных
материалов (уголь, кокс, соль и т. п.). Валок 5 посажен на подвиж-
ные подшипники 8 с амортизирующими пружинами 9, служащими для
защиты дробилки от поломок. При попадании в зазор между валками
3 и 5 предметов, не поддающихся дроблению, валки разойдутся, сжав
пружины 9, и предмет пройдет между ними, не причинив машине серь-
езных повреждений.
12
Рис. 1.5. Двухвал-
ковая зубчатая дробил-
ка: 1 — рама; 2 — ось
нескользящего валка; 3—
валок нескользящий; 4 —
кольца зубчатые; 5 —
валок скользящий; 6 —
ось скользящего валка;
7 — подшипник непо-
движный; 8 — подшип-
ник скользящий; 9 —
пружина; 10 — шпиль-
ка направляющая; 11—
тарелка опорная
В дробилках с односторонней амортизацией возникает неуравно-
вешенность вращающихся деталей, действие которой может быть сни-
жено установкой мощного фундамента. Этот недостаток устранен в
валковых дробилках, где оба валка установлены на амортизационные
подвижные подшипники. Однко двухсторонняя амортизация усложня-
ет конструкцию, увеличивает габариты и .стоимость дробилки.
В некоторых конструкциях двухвалковых дробилок для двух под-
шипников скользящего валка устанавливается общее коромысло, кото-
рое имеет амортизационную пружину. Это делается для того, чтобы из-
бежать перекоса валков, который появляется три независимой аморти-
зации каждого подшипника.
В одновалковой зубчатой дробилке материал измельчается в за-
зоре между валком и колосниковой решеткой или подвешенной щекой.
В четырехвалковых дробилках имеется две пары валков ।— верхняя
и нижняя. Верхняя служит для предварительного, нижняя'—для окон-
чательного измельчения. На зубовалковых дробилках по мере продви-
жения материала сверху вниз размеры зубьев на валках уменьшаются,
а частота их увеличивается. Зазор между валками, т. е. ширина выход-
ной щели, у пары верхних валков больше, чем у нижней, поэтому для
обеспечения одинаковой пропускной способности нижние пары валков
вращаются с большей частотой.
Однако даже в этом случае производительность четырехвалковой
дробилки ограничивается производительностью нижней пары валков,
так как верхняя пара работает с недогрузкой (достигается максималь-
но возможная окружная скорость валков, превышение которой недо-
пустимо) .
Тем не менее использование четырехвалковой дробилки, дающей
13
высокую степень измельчения (например, 20), целесообразнее двух от-
дельных валковых дробилок или других типов измельчителей. Четырех-
валковая дробилка менее металлоемка, для ее установки требуется
меньшая производственная площадь.
Отечественная промышленность выпускает зубовалковые дробилки
марок ДДЗ-1М, ДДЗ-2М, ДДЗ-ЗМ, ПМ-2100, ДОЗ-М и др. Их основ-
ные параметры:
Диаметр валков — 450—1500 мм
Длина валков - 500—1200 мм
Частота вращения валков -- 36—64 об/мин
Максимальная крупность кусков
исходного материала —- 125—900 м
конечного продукта 4—200 м
Установочная мощность 11—80 кВт
Масса дробилки - 3,1—31,9 т
Двухвалковые дробилки с гладкими валками выпускаются моде-
лей ДВГ-2, ДВГ-3, СМ-12, СМ-23, СМ-24, НКМЗ. Их параметры:
Диаметр валков - 400—1500 мм
Длина валков _ -. 250—660 мм
Частота вращения — 50—180 об/мш
Производительность - 5—104 т/ч
Максимальная крупность кусков
исходного материала - 32—80 мм
конечного продукта — 0—20 мм
Мощность двигателя - 4,5—85 кВт
Масса дробилки без электродвигателя - 2,12—43,4 т
Молотковые дробилки. Основными рабочими органами молотковых
дробйлок являются ротор с молотками и статор — корпус. Материал
измельчается свободным или стесненным ударом. В первом случае раз-
рушение происходит в результате столкновения частиц с ударяющими
телами или друг с другом в полете, во втором—материал разрушает-
ся между двумя соударяющими поверхностями, а осколки разрушаемо-
го тела свободно разлетаются только в боковые стороны. В соответст-
вии с видами разрушения молотковые дробилки могут быть со свобод-
ным, стесненным и комбинированным ударом.
По направлению вращения ротора дробилки выпускаются односто-
роннего и реверсивного движения.
На рис. 1.6 показана молотковая дробилка с односторонним вра-
щением ротора, предназначенная для измельчения сухих и хрупких
материалов, имеющих прочность ниже средней (шамот, шлак, извест-
няк и т. п.). Корпус дробилки состоит из нижней 1 и верхней 4 час-
тей. Нижняя часть корпуса служит основанием. В ней установлена
подовая решетка 2, для обслуживания которой предусмотрены окна <3
с откидными крышками. Верхняя часть корпуса 4 имеет наклонную за-
грузочную воронку 5, шарнирно подвешенную шторку б, предупреждаю-
щую выброс материала из дробилки, и броневые плиты 7, восприни-
мающие на себя удары отлетающих от молотков частиц измельчаемого
материала. Ротор дробилки состоит из вала 10, на котором находятся
диски 13 и фиксирующие кольца 15. По окружности дисков просверле-
ны отверстия, через которые пропущены стяжки 14. На оси между
дисками надеты молотки 12. Диски и молотки удерживаются на валу
в собранном состоянии с помощью концевых шайб 11, закрепленных на
стяжках 14. На концах вала посажены шкивы 8, один из которых вы-
полняет роль маховика. Ротор вращается в подшипниках, укрепленных
в корпусе дробилки.
Поступающий через воронку материал попадает под удар быстро
вращающихся молотков, разрушается от столкновения с ними и отбра-
сывается к броневой плите. Ударившись о нее, частицы отлетают и по-
14
'6
Рис. 1.6. Молотковая дробилка малой модели (С-218): 1— ниж-
няя часть корпуса; 2 — решетка подовая; 3 — люк; 4 — верхняя часть
корпуса; 5 — воронка приемная; 6 — шторка; 7 — плиты броневые; 8—
шкив-маховик; 9 — подшипник; 10 — вал; 11 — шайба концевая; 12 —
молотки; 13 — диски; 14 — стяжки; 15 — кольца фиксирующие
падают опять под молотки. Разрушенные и отброшенные второй раз
к броневой плите частицы снова возвращаются под молотки. Такое
движение и разрушение материала происходит до тех пор, пока час-
тицы не попадут на колосниковую (подовую) решетку и не выйдут из
зоны измельчения через ее отверстия. Куски материала, не успевшие
разрушиться до необходимого размера за первый проход через зону
измельчения, движущимися молотками могут измельчаться и на подо-
вой решетке или подниматься и возвращаться в зону интенсивного из-
мельчения.
Размер частиц измельченного материала определяется размером
отверстий в подовой решетке.
В молотковой дробилке можно измельчать материал.и без подо-
вой решетки, но в этом случае гранулометрический состав получаемо-
го продукта более неоднороден.
Корпус дробилок изготовляется сварным. Наибольшему износу
подвергаются молотки и отбойные (дробильные) плиты, несколько
меньшему — подовая решетка. В конструкции корпуса предусмотрены
специальные люки, через которые можно менять плиты и подовую ре-
шетку.
Для удлинения срока службы молотков их наконечники или удар-
ники (их два) изготовляют обычно из особо прочных и износостойких
материалов. При износе одной стороны ударника его переворачивают
другой, а при полном износе одного ударника молоток подвешивают
другим ударником.
Реверсивность движения ротора способствует удлинению монтаж-
ного срока его службы почти в два раза.
В дробилках с реверсивным ротором (рис. 1.7) конструкция ста-
тора и кожуха отличается тем, что обе стороны их имеют одинаковое
устройство и состоят из дробильных и поворотных плит, а загрузочная
воронка размещена в центре верхней части кожуха.
Отечественная промышленность .выпускает дробилки марок С-218,
ДМ-2, ДМ-3, ДМ-4, ДМ-5, ДМ-7, СМ-431, СМ-19А и др. Их основные
параметры:
15
Диаметр ротора
Длина ротора
Частота вращения
Производительность
Крупность питания
Крупность продукта
Мощность двигателя
Масса дробилки
— 600—1700 мм
— 400—1600 мм
— 580—1480 об/мин
— 18—500 т/ч
— 80—600 мм
— 2—180 мм
— 14—430 кВт
— 1,3—72,6 т
Рис. 1.7. Реверсивная молотковая дробилка: 1 — кожух;
2 — люк для выгрузки; 3 — решетки подовые; 4 — меха-
низм для подъема решеток; 5 — пружины натяжные; 5 —
люк для обслуживания решеток; 7 — плиты поворотные; 8 —
механизм для подъема плит; 9 — ось. поворота; 10 — плиты
дробильные; 11 — крышки наклонные; 12 — воронка прием-
ная
Минимальные значения диаметра ротора, производительности,
мощности двигателя и массы относятся -к дробилке С-218, максималь-
ные — к дробилке с подвижной стенкой. '
1.3. МЕЛЬНИЦЫ
Мельницы используются для измельчения (помола) материалов с
начальным размером частиц 1—5 мм и конечным — до единиц и долей
микрометра. Различают мельницы грубого, среднего, тонкого и сверх-
тонкого (коллоидного) помола.
Для грубого помола применяются барабанные, ролико- и шаро-
кол-ьцевые, бильные, шахтные, центробежные и другие мельницы, де-
зинтеграторы, дисмембраторы, бегуны и прочие измельчители.
Для среднего и тонкого помола используются газоструйные, бисер-
ные, вибрационные и другие мельницы.
Сверхтонкий (коллоидный) помол реализуется в виброкавитацион-
ных, конусных, с решетчатым ротором мельницах, в реактронах и дру-
гих измельчителях.
Схемы основных видов мельниц
Таблица 1. _
Вид
мельниц
Разновидность конструктивных схем
барабанная
Однокамерная периодичес-
кого действия: 1 — барабан;
2 — штуцер; 3 — опора; 4 —
загрузка мелющая; 5 — при-
вод
Однокамерная непрерывного
действия: 1 — цапфа бараба-
на полая; 2 — барабан; 3
загрузка мелющая, 4 — при:
вод; 5 — опора
Многокамерная (трубная) непре-
рывного действия: 1 — цапфа по-
лая; 2 — барабан; 3 — секции бара*
бана; 4 — опора; 5 — загрузка ме-
лющая; 6,— диафрагма
Роликокольцевая
Вертикальная; / — кольцо
размольное; 2 — ролик; 3 —
винт; 4 — рычаг; 5 — корпус;
6 — пружина; 7 — крышка;
8 — ролик ведущей; 9 —
ось ролика-; 10 — коромысло;
11 — воронка питающая
Горизонтальная: 1 — стани-
на; 2 — кольцо размольное;
3 — ролик; 4 — ось ролика;
5 — вал центральный; 6 —
привод
2 Заказ 710
ГтХ-г-. R 5 П 8 Л
g i.» — --
П р о д о л ж е п и с т а б л. 1. 'л
1
2
Шарокольцевая
Одноярусная: 1 — пружи-
на; 2 — нажимное кольцо;
3 — корпус; 4 — шар; 5 —
водило
Двухъярусная: 1 — корпус;
2 — пружина; 3 — нажимное
кольцо; 4 — водило; 5 —
шар; 6 — опорное кольцо
Бегуны
Дезинтегратор,
днсмембратор
С вращающейся ча-
шей: 1 — чаша; 2 — ка-
ток; 3 — ось катка; 4 —
опора; 5 — привод
С вращающимися кат-
ками: 1 — каток; 2 —
чаша; 3 — вал привод-
ной; 4 — привод
Дезинтегратор: 7 —
станина; 2 — стойка с
подшипниками; 3 —
шкив; 4 — вал; 5 —
ступица; 6 — воронка
приемная; 7 — кожух;
3 — диск; 9 — паль-
цы
Днсмембратор с гори-
зонтальной осью враще-
ния диска: 1' -- корпус;
2 — крышка откидная;
3, 6 — пальцы; 4 —
воронка; 5 — хиск; 7 —
нал приводной-, 3 — гай-
ка зажимная
18
Продолжение табл. 1.2
J I
Бильная,
бисерная
Центробежная
Бильная мельница: / —
штуцер выходной; 2 —
ротор; 3 — била; 4 —
штуцер для отходов
Бисерная мельница: 1 — ци-
линдр; 2 — кожух; 3 — вал;
4 — диски; 5 — сито; 6 —
приемник; 7 — электродвига-
тель; 8 — станина; 9 — би-
сер или песок
Без мелющей загрузки: 1 —
корпус; 2 — чаша; 3 — коль-
цо размольное; 4 — кольцо
защитное; 5 — привод чаши
Вибрационные
С шаровой мелющей загруз-
кой: 1 — кольцо размольное;
2 — шары; 3 — чаша; 4 —
привод чаши; 5 — патрубок
для отвода газа и помола
С внутренним вибрато-
ром: J — корпус; 2 —
вибратор; 3 — подшип-
ник; 4 — шары; 5 —
пружина; 6' — муфта;
7 — рама; 8 — электро-
двигатель
С вынесенным вибратором: 1 —
штуцер питания; 2 — барабан; 3 —
амортизатор; 4 — шары; 5 — пере-
точпые рукава; 6 — вал с дебалан-
сом; 7 - - штуцер для вывода размо-
лотого материала; 8 — станина
19
Окончание табл. 1.2
1
Газоструйные
2
С горизонта; ьной размоль-
ной камерой: 1 — камера из-
мельчения; 2 — сопло; 3 —
штуцер для подачи энергоноси-
теля; 4 — газораспределитель;
5 — штуцер для подачи ма-
териала; 6 — корпус сепарато-
ра; 7 — труба для вывода
топкой фракции; 8 — сбор-
ник крупной фракции
С вертикальной трубчатой
размольной камерой: 1 — соп-
ла; 2— труба восходящего по-
тока; 3 — штуцер отводной;
4 — решетка жалюзийная;
.5 — инжектор питания
Коллоидная
Противоточная двухструй-
ная: 1 — камера измельчения;
2 — трубка разгонная; 3 —
сопло; 4 — рукава питания и
возврата крупной фракции из
сепаратора; 5 — труба вывод-
ная; 6 — сепаратор; 7 — шне-
ковый питатель
Конусная: 1 — вал; 2 —
ротор; 3 — корпус; 4 — гай-
ка, накидная; 5 — статор; 6—
канавки; 7 — воронка прием-
ная; 8 — крышка; 9 — шту-
цер выводной
Виброкавитационная: 1 —
корпус; 2 — статор; 3 — ро-
тор; 4 — канавки продольные;
5 — штуцер питания; 6 —
штуцер вывода пульпы; 7 —
штуцер для охлаждения или
нагрева; 8 — вал ротора
20
В табл. 1.'2 приведены упрощенные конструктивные схемы мель-
ниц. Принцип действия многих из них ясен из этих схем и не будет
описан.
В промышленности и лабораторных исследованиях используется
большое количество разнообразных по конструкции мельниц (более
20 разновидностей). Остановимся на тех, которые нашли наибольшее
распространение в промышленности. Более подробные сведения о
мельницах и методах их расчета можно1 найти в работе [52].
Барабанные мельницы являются наиболее распространенным видом
измельчителей для тонкого помола в многотоннажных производствах.
Рабочими органами этих мельниц являются защищенный брониро-
ванными плитами барабан и загруженные в него мелющие тела — ша-
ры, стержни, диски, морская галька и т. д. При вращении барабана
мелющие тела центробежной силой прижимаются к его стенке, подни-
маются и, достигнув определенной высоты, падают или скатываются
вниз. Когда в барабане находится подлежащий измельчению материал,
то мелющие тела (ударом при падении, раздавливанием и истиранием
при скатывании) будут его измельчать.
В зависимости от режима работы барабанные мельницы могут
быть периодического и непрерывного действия.
По количеству рабочих пространств, в которых измельчается ма-
териал, мельницы бывают однокамерные и многокамерные, (трубные).
Процесс измельчения в барабанных мельницах может быть сырым
и мокрым.
В барабанных мельницах периодического действия измельчаемый
материал загружается через люк, который используется также для вы-
грузки готового продукта. Такие мельницы применяют в размольных ус-
тановках малой производительности или когда наряду с измельчением
в барабане идут другие процессы и должно быть выдержано время
пребывания материала в зоне измельчения.
В барабанных мельницах непрерывного действия измельчаемый ма-
териал непрерывно вводится в барабан и выводится из него через по-
лые цапфы. Материал в барабане движется или вследствие разности
уровней его па входе и выходе, или с помощью газового потока (газ
поступает со стороны питающей цапфы, подхватывает мелкие частицы
и выносит их через выходную цапфу), или под действием потока жид-
кости (жидкость поступает в мельницу вместе с измельчаемым мате-
риалом и при движении выносит мелкие частицы из барабана).
При всех способах вывода из барабана в готовом продукте содер-
жатся наряду с целевой фракцией также и более крупные частицы.
Чтобы разделить измельченный материал на фракции, мельницы долж-
ны работать в замкнутом цикле с классифицирующими устройствами —
грохотами, воздушными сепараторами или гидравлическими классифи-
каторами.
На рис. 1.8 показана однокамерная мельница для сухого измель-
чения, работающая в замкнутом цикле с сепаратором.
Материал подается питателем через загрузочный патрубок 1 в ба-
рабан, измельчается там и выносится воздушным потоком через раз-
грузочный патрубок 9 в сепаратор или непосредственно к месту потреб-
ления.
В таких мельницах материал кроме измельчения 'может еще и под-
сушиваться, для чего в барабан подается подогретый воздух.
В многокамерных мельницах крупность измельчаемого материала
уменьшается по мере его продвижения от входной цапфы к выходной.
В каждую камеру загружают мелющие тела, размер которых соот-
ветствует крупности измельчаемого материала. Самые крупные тела
будут в первой камере, а самые мелкие —в последней. Такое распре-
21
Рис. 1.8. Барабан-
ная шаровая мельница
для сухого измельчения
(ШБМ): 1 — патрубок
загрузочный; 2,8 — под-
шипники; 3,7 — перед-
няя и задняя торцовые
крынки; 4 — венец зуб-
чатый; 5—барабан; 6 —
защита броневая; 9 —
патрубок выходной; 10—
люк; 11 — привод; 12 —
система смазки
деление мелющих тел несколько улучшает процесс и снижает энерго-
затраты на единицу размолотого материала.
На рис. 1.9 показана четырежамерная мельница. Подлежащий
измельчению материал подается в мельницу через штуцер питания 1.
Рис. 1.9. Барабанная многокамерная мельница для сухого измель-
чения: 1 — штуцер питания; 2 — вкладыш; 3, 15 — подшипник; 4 — пе-
редняя крышка с цапфой; 5 — барабан; 6 — плиты защитные; 8 — за-
щита броневая; 7,9 — диафрагмы; 10 — насадка последней камеры;
И — бункер разгрузочный; 12 — сито; 13 — решетка разгрузочная;
14 — задняя крышка с цапфой и разгрузочными окнами; 16 — привод;
17 — штуцер для вывода готового продукта; 18 — штуцер для отвода
боя
Пройдя последовательно все четыре камеры и разгрузочную решет-
ку 13, измельченный материал попадает в окна задней торцовой крыш-
ки и далее через цилиндрическое сито 12—в бункер И. Крупные час-
тицы и осколки разбитых шаров задерживаются на сите и периодичес-
ки выводятся через штуцер 18, а готовый продукт непрерывно выходит
через штуцер 17.
Самостоятельную группу барабанных мельниц составляют стержне-
вые, которые применяются как для сухого, так и для мокрого из<мельче;
ния. Такое название они получили в связи с тем, что в 'качестве мелю-
щих тел в барабан загружают металлические стержни, длина которых
несколько меньше длины барабана. При падении стержней удар по из-
мельчаемому материалу происходит не в точке, как в шаровых мель-
ницах, а по линии. Это позволяет вести процесс без глубокого пере-
измельчения материала, получать продукт более однородный по круп-
ности и с меньшим содержанием пыли.
Барабаны промышленных мельниц изготовляют из углеродистой
стали, реже — из нержавеющей стали или керамики. Внутренняя по-
верхность барабанов имеет облицовку, защищающую их от износа. Об-
лицовка выполняется в виде плит из марганцовистой стали. В случае
измельчения химически активных материалов облицовочные плиты из-
готовляются из базальта или аналогичных материалов.
Лучший подъем мелющих тел обеспечивается приданием облицо-
вочным плитам ступенчатой формы или таким их креплением к кор-
пусу, при котором на внутренней поверхности барабана образуются по-
рожки.
Отечественными заводами выпускаются различные модели бара-
банных мельниц. Основные характеристики однокамерных барабанных
мельниц сухого помола марок ШБМ:
Диаметр барабана
Длина барабана
Частота вращения барабана
Мощность двигателя
Масса с мелющей загрузкой
— 1600—3800 мм
— 2350—5500 мм
— 25—19 об/мин
— 60—550 кВт
— 5—151 т
Многокамерные барабанные мельницы:
Диаметр барабана
Длина барабана
Число камер
Частота вращения барабана
Мощность двигателя
Масса с мелющей загрузкой
— 2000—3200 мм
— 10500—15000 мм
— 3—4
— 23—16,5 об/мин
— 380—1776 кВт
— 152—517 т
Производительность мельниц зависит от крупности помола. Напри-
мер, для конечного продукта крупностью —0,30 производительность из-
меняется при мокром помоле материалов средней прочности в однока-
мерных мельницах от 0,55 до 80 т/ч.
Шарокольцевые мельницы предназначены для измельчения мате-
риала при одновременном раздавливании и истирании с помощью ша-
ров, катящихся по размольному кольцу.
По количеству рядов измельчающих шаров различают мельницы
одноярусные (один ряд шаров) и многоярусные (два и более рядов
шаров).
В зависимости от сил, прижимающих шары к размольному кольцу,
различают мельницы центробежные и с пружинным прижимом.
На рис. 1. 10 показана одноярусная шарокольцевая мельница, в
которой шары прижимаются пружинами 8 к размольному кольцу, ук-
репленному на водиле 5. Материал подается питателем И в централь-
ную часть вращающегося водила 5, отбрасывается центробежной силой
под шары 6, где и измельчается.
Идущий снизу из короба 12 воздух подхватывает измельченный ма-
териал и выносит его в сепаратор 10. Крупные частицы' из сепаратора
возвращаются в мельницу па доизмельчение, а целевой продукт уно-
сится потоком.
Регулировочными винтами 9 можно изменять силу давления шаров
4
Рис. 1.10. Одноярусная шаро-кольцевая мельница: 1 —
подпятник; 2 — вал центральный; 3 — пара приводная; 4 —
корпус; 5 — водило; 6 — шары; 7 — кольцо нажимное; 8 —
пружина нажимная; 9 — винт регулировочный; 10 — вра-
щающийся сепаратор; 11 — питатель; 12 — короб для воз-
духа; 13 — кольцо воздушное
на размольное кольцо, что позволяет измельчать в такой мельнице
хрупкие материалы различной прочности.
В центробежных шарокольцевых мельницах материал измельчает-
ся под действием шаров, которые поджимаются к размольному коль-
цу центробежной силой при вращении водила.
В многоярусных шарокольцевых мельницах измельчаемый мате-
риал проходит первый ('верхний) ряд шаров, самотеком- попадает во
второй (нижний) ряд и далее уносится воздушном потоком в сепара-
тор. Однако из-за серьезных технологических недостатков (неравно-
мерность питания ярусов, накопление крупных частиц на нижнем яру-
се и др.) эти мельницы не получили широкого применения. Их изуче-
ние и конструирование новых моделей продолжается. Появились мно-
гоярусные мельницы с наклонными рабочими поверхностями, что облег-
чает движение материала там, где ему приходится преодолевать дейст-
вие центробежных сил (при переходе с одного яруса па другой).
Шарокольцевые мельницы обеспечивают тонину помола до 0.15 мм;
можно получить конечный продукт крупностью — 0,043 мм.
Дезинтеграторы и дисмембраторы предназначены для измельчения
материала с помощью удара. Основными рабочими органами дезипте-
24
-гратора являются два барабана, входящие друг в друга (см. табл.
1.2) и имеющие собственные приводные валы.
Барабан состоит из диска 8, на котором по -концентрическим ок-
ружностям укреплены пальцы 9. По мере удаления от центра расстоя-
ние между пальцами уменьшается. Диск прикреплен к ступице 5, сидя-
щей на валу 4. Ряды "пальцев одного барабана находятся между ряда-
ми пальцев другого. Барабаны вращаются в противоположных направ-
лениях.
Подлежащий измельчению материал поступает через воронку 6
в центральную часть одного барабана и попадает между движущими-
ся навстречу друг другу пальцами. Продвигаясь от центра к периферии
барабанов, частицы многократно ударяются о пальцы и разрушаются.
Интенсивность разрушения нарастает, так как уменьшается шаг меж-
ду пальцами, а окружная скорость их возрастает. Чем выше скорость
вращения барабанов, чем больше рядов и пальцев на дисках, тем вы-
ше степень измельчения материалов.
Измельченный материал выбрасывается в кожух дезинтегратора и
спускается вниз к выходному штуцеру.
В зависимости от размера дезинтегратора число концентрических
ряд-:::, пальцев на одном барабане колеблется от 2 до 4 и, следователь-
но, на двух барабанах от 4 до 8. Пальцы изготавливают из стали, брон-
зы, дюралюминия и других материалов в зависимости от фтзико-меха-
нических и химических овойств измельчаемого продукта. Пальцы до-
вольно часто выходят из строя, поэтому дезинтеграторы применяются
для сухого измельчения хрупких, мягких пород с малой абразивностью
(каолин, мел п др.).
Отечественные заводы выпускают дезинтеграторы с основными
параметрами:
Диаметр барабана — 600—1250 мм
Частота вращения барабанов - 500—900 об/мин
Потребляемая мощность — 4,4—50 кВт
Масса машины — 725—2800 кг ।
Производительность дезинтегратора зависит от вида измельчаемого
материала и крупности конечного продукта.
Дисмембратор состоит из корпуса (см. табл. 1.2), диска с пальца-
ми, загрузочной воронтш, находящейся в крышке, и приводного вала.
Па крышке укреплены пальцы.
Материал из воронки поступает в -камеру измельчения, где попа-
дает п пространство между подвижными и неподвижными пальцами.
По мере продвижения вниз к разгрузочному отверстию частицы мате-
риала измельчаются путем удара и истирания как о пальцы, так и
между собой.
Так как у ди-смембрагоров подвижен только один барабан, то по
своей -конструкции машина является более компактной по сравнению с
дезинтегратором.
В практике измельчения материало-в применяются дисмембраторы
п с вертикальной осью вращения диска. Их п-ре-имуществом я-вляется
го, что измельчаемый материал распределяется нижним (вращающим-
ся) диском по зоне измельчения более равномерно, а грануло-метричес-
кий состав готового продукта более однороден.
Нашей промышленностью выпускаются дисмембраторы с горизон-
тальной осью вращения барабана. Их основные параметры:
Диаметр барабана
Частота вращения барабана
Потребляемая мощность
Масса машины
— 250—600 мм
— 2300—2800 об/мин
— 1,1 — 11,0 кВг
— 115—830 кг
25
Производительность машин зависит от вида .размалываемого ма-
териала и крупности готового продукта. Для известняка, например, она
изменяется от 40 до 1000 т/ч при диаметре отверстий в решетке 0,5 мм.
Вибрационные мельницы применяются для тонкого и сверхтонкого
измельчения (с размером частиц готового продукта менее 1 —10 мкм).
По режиму работы они подразделяются на мельницы периодического
и непрерывного действия, по количеству барабанов — на одно- и двух-
барабапные; по виду источника колебаний — па инерционные л гира-
циоиные (эксцентриковые). Материал измельчается путем удара и ис-
тирания.
Одиобарабаниая вибрационная мельница инерционного типа, ра-
ботающая в периодическом режиме, показана па рис. 1. 11.
Рис. 1.11. Вибрационная мельница (гуммированная): 1 — амортиза-
торы резиновые; 2 — рама опорная; 3, 11 — патрубки для подачи и от-
вода воды; 4 — кольцо разрезное конусное; 5 — дебалансы; 6 — под-
шипник; 7 — вал дебалансный; 8 — футеровка резиновая; £' — корпус;
10. 12 — трубы; 13 — муфта эластичная; 14 — электродвигатель; 15 —
пружины
Мельница состоит из корпуса 9, опирающегося на пружины 15, ко-
торые установлены на раме 2, находящейся па резиновых амортизато-
рах 1. В корпусе мельницы расположен вибратор, состоящий из труб
10 и 12, между которыми имеется полость для охлаждающей воды, по-
ступающей через патрубок 3 и выходящей через патрубок 11. В трубе
12 расположен дебалансный вал 7, вращающийся в подшипниках 6 со
сферическими роликами. На выступающих шейках вала закреплены до-
полнительные дебалансы 5, при помощи которых регулируется ампли-
туда. колебаний. Вибратор закреплен в корпусе мельницы при помощи
двух конусных колец 4. Вал получает движение от электродвигателя
14 через эластичную муфту 13. Корпус мельницы и вибратор футеруют-
ся резиной 8 для изоляции материала, не допускающего примеси ме-
талла.
При вращении дебалансного вала корпус мельницы вибрирует, пе-
редавая колебания шарам. Вибрирующие и взаимно перемещающиеся
шары вызывают интенсивное измельчение материала.
В мельницах гнрациопного типа колебания корпуса вызываются
эксцентриковым валом. По эффективности измельчения гирацпонные
мельницы не отличаются от инерционных, но ввиду трудности их урав-
новешивания не получили распространения. Частота колебаний меаь-
ниц составляет 25—30 кол/с.
26
В мельницах непрерывного- действия целевая фракция непрерывно
отводится из корпуса воздушным потоком, а сырье непрерывно подает-
ся в зону измельчения. Для этой цели в корпусе мельницы имеются
специальные штуцера.
Тонина помола в вибрационных мельницах периодического дейст-
вия зависит от времени пребывания материала в зоне измельчения;
для мельниц непрерывного действия на тошшу помола влияет скорость,
газового потока в корпусе и его выносная способность. Чем выше ско-
рость прохождения воздуха, тем крупнее выносимые частицы.
Отечественные предприятия выпускают вибрационные мель-
ницы марок М-10, М-50, М-200-1,5, М-400-3 и другие с основными па-
раметрами:
Объем барабана 10 - 100 л
Амплитуда колебаний 2- - -1 мм
Дебалапеовый момент - 1,3-28,5 нм
Масса измельчаемого материала - 80—140 кг
Мощность электродвигателя - 1,5-----10 кВт
Масса мельницы без шаров - 185 -1750 кг
В вибрационных мельницах с центральным вибратором, располо-
женным внутри барабана, затрудняется работа мелющих шаров, повы-
шается удельный расход энергии, ухудшается равномерность вывода
продукта, так как коэффициент заполнения барабана довольно высок
(0,8—0,9).
Этих недостатков удается избежать в значительной степени в двух-
барабанных мельницах (табл. 1.2), состоящих из станины, на которую
опираются посредством пружин-амортизаторов два рабочих барабана и
вибратор, имеющий корпус и вал с дебаланеом.
Привод вибратора осуществляется от электродвигателя через элас-
тичную муфту с частотой 17—25 кол/с. Барабаны мельницы заполня-
ются на 70°/q мелющими шарами и соединяются между собой переточ-
ными рукавами. Материал загружается и выгружается через штуцера.
Газоструйные мельницы служат для измельчения материала под
действием кинетической энергии газовой струи, подхватывающей час-
тицы исходного сырья п ударяющей их как о специальные помольные
поверхности, так и между собой.
Энергоносителем в этих мельницах является сжатый воздух или
перегретый пар. Насыщенный пар не пригоден для измельчения.
В зависимости от скорости газового потока мельницы этого вида
могут быть низкоскоростными и высокоскоростными.
По устройству размолы.’ых камер газоструйные мельницы делят-
ся на три труппы с большим конструктивным разнообразием внутри
каждой из них: 1) с плоской горизонтальной камерой; 2) е трубчатой
вертикальной камерой; 3) е ’противоточной камерой.
Газоструйная мельница с горизонтальной камерой (о.м. табл. 1.2)
состоит из размольной камеры Л и циклопа — осадителя Б. Материал
специальным инжектором подается в зону измельчения через штуцер 5.
Сюда же из распределительного кольца через сопла 2 поступает газ
или пар. Сопла направлены таким образом, что струи газа внутри ка-
меры пересекаются. Частицы материала, увлекаемые газом, в местах
пересечения струй соударяются с большой скоростью и измельчаются.
Так как струи газа входят в камеру под некоторым углом, вся пы-
легазовая смесь получает вращательное движение. В результате час-
тицы оказываются в поле действия центробежных сил и разделяются па-
фракции. Болес крупные собираются в периферийной части зоны из-
мельчения, а мелкие оттесняются к центру. Поскольку в камеру непре-
рывно поступают новые порции энергоносителя, пылегазовый поток,
вращаясь, непрерывно уходит из зоны измельчения в корпус циклона —
27
•осадителя Б и, отдав в нем до 80% твердой фазы, направляется через
отводную трубу 7 на окончательную очистку.
Отечественная промышленность выпускает размольные камеры ма-
рок СНВ-60 и СПВ-24*0 для измельчения абразивных к неабразивных
материалов до размеров не более 5 мкм.
Струйные вертикальные трубчатые измельчители представляют со-
бой замкнутую камеру (см. табл. 1.2), в нижней части которой распо-
ложены два ряда сопл и коллектор энергоносителя. Каждая пара сопл
наклонена друг к другу, а также в сторону движения материала.
Подлежащий измельчению материал подается в размольную зону
инжектором, к которому из коллектора подводится энергоноситель.
Измельченный материал по восходящей ветви камеры поднимает-
ся в сепарационную часть, имеющую жалюзийную решетку, установ-
ленную перед отводным штуцером. При повороте пылетазового пото-
ка в сепарационной трубе на частицы действуют центробежные силы,
пропорциональные массе частицы. Поэтому крупные г истицы будут
прижиматься к внешней стенке сепарационной трубы и оттеснять при
этом мелкие ко внутренней. Через отводной штуцер пылевоздушная
смесь, содержащая тонкую фракцию, отсасывается.для отделения пы-
ли, а крупные частицы по трубе нисходящего потока снова опускают-
ся в размольную зону па допзмельчение.
Тонина помола в этих мельницах зависит от радиуса закругления
сепарационной трубы, ее диаметра и положения жалюзийной решетки.
Твердые материалы измельчаются в таких мельницах до частиц в не-
сколько микрометров.
Основной частью противоточной мельницы (р.ис. I. 12) является по-
Рис. 1.12. Противо-
точная двухструйная
размольная камера СП:
1 — камера; 2 — футе-
ровка камеры; Л —
штуцер питания; 4 —
разгонная трубка; 5 —
сопло; 6 — воронка при-
емная; 7 — штуцер от-
водной
мольная камера 1, имеющая футеровку 2 и приемную воронку 6, раз-
гонные трубы 4, укрепленные в держателях, напорные сопла 5 с устрой-
ствами для перемещения их по горизонтальной осй.
Энергоноситель подается в цилиндрическое сопло 5 под давлени-
ем 0,4—0,8 МПа (сжатый воздух с температурой 293° К или пере-
гретый пар с температурой 573° К), затем совместно с измельчаемым
материалом поступает в разгонные трубы 4 и далее — -в томольную ка-
меру 1, где материал измельчается за счет соударения частиц во
встречных потоках. Измельченный материал с энергоносителем через
отводной штуцер 7 направляется в классификатор., после, чего готовый
продукт поступает в пылеосадитель, а грубая фракция возвращается на
повторный помол в камеру.
Противоточные мельницы применяют для измельчения твердых
материалов с крупностью исходного сырья около 10 мм до частиц раз-
мером 50—80 М'км. Опп используются для измельчения антрацита, кок-
са, асбеста, древесной целлюлозы, слюды, руды, пластмасс, известня-
ка, красителей, плавикового шпата и других материалов, а также для
смешивания порошков.
28
Коллоидные мельницы предназначены для получения продукта с
размером частиц, близким к коллоидным, т. е. порядка единиц или до-
лей микрометра. В принципе такой продукт можно получить в измель-
чителях для тонкого помола при соблюдении определенных условий.
Однако технологически и экономически оказалось целесообразным ис-
пользовать для этих целей специальные коллоидные мельницы. В свя-
зи с тем, что частицы материала, размер которых близок к коллоид-
ным. притягиваются друг к другу, слипаются или даже спрессовывают-
ся под действием внешних сил, коллоидное измельчение ведется в при-
сутствии диспергирующей среды. Коллоидное измельчение почти всег-
да мокрое. Отношение твердой и жидкой фаз в зависимости от свойств
измельчаемого 'материала .изменяется от 1 : 2 до 1:6.
Большинство коллоидных мельниц, нашедших промышленное 'ис-
пользование, измельчают материал путем удара, разрыва и истирания
частиц'. Известны конусные, бильные и виброкавитациопиые мельницы,
измельчители с решетчатым ротором, «Реактран».
Принцип размола частиц в конусных мельницах аналогичен из-
мельчению материала в конусных дробилках, рассмотренных ранее.
Отличие рабочих конусов состоит в том, что в данных мельницал они
разделены по высоте на несколько кольцевых зон и имеют на поверх-
ности наклонные параллельные канавки, ширина которых уменьшает-
ся, а количество увеличивается по мере перехода от верхних зон к
нижним.
Исходный материал в виде пульпы поступает в зазор между кону-
сами (см. табл. 1. 2), продвигается по нему вниз и измельчается меж-
ду пересекающимися канавками. Тонина помола регулируется как за-
зором между ротором и статором, так и циркуляцией пульпы измель-
чаемого материала по замкнутому контуру, состоящему из мельницы,
бака с мешалкой, насоса и системы трубопроводов.
В сильных мельницах материал измельчается аналогично тому,
как это происходит в молотковых дробилках. Для увеличения интенсив-
ности измельчения и тонины помола в корпусе бильной мельницы уста-
новлены контрудариики, которые располагаются между рядами бил
ротора.
Высокая степень измельчения материала в этих мельницах дости-
гается в результате истирания и сжатия частиц м'ежду билами и коптр-
ударниками, а также вследствие существования кавитационного эффек-
та, развивающегося цз-за высокой скорости движения бил и частиц и
их встречи с контрударниками.
Размер частиц готового продукта в таких мельницах достигает L—
20 мкм.
Виброкавитационные мельницы и «Реактрон» измельчают материал
в пространстве между неподвижным статором и быстро вращающимся
ротором.
В виброкавитационных мельницах ротор на своей цилиндрической
поверхности имеет канавки (вдоль образующих), по которым движет-
ся измельчаемый материал при вращении ротора: от канавок ротора к
канавкам статора. П’ри этом частицы совершают колебания с частотой,
близкой к ультразвуковой.
В «Реактроне» материал измельчается с помощью истирания и раз-
рыва на рабочих элементах измельчителя по аналогии с тем, как это
происходит в дисмембраторах.
Измельчители «Р.еактроны» могут быть одноступенчатыми с одним
ротором и трехступенчатыми с двумя роторами на одном валу, через
которые последовательно проходит пульпа измельчаемого материала.
«Реактроны» широко используются как измельчители, разрыхли-
тели, смесители, гомогенизаторы и аппараты для проведения некоторых
химических и массообменных процессов.
29
1.4 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ
Целью параметрических расчетов является определение размеров
основных элементов конструкций измельчителей, оптимальных режимов
их работы, энергетических затрат, требуемых для осуществления про-
цесса измельчения.
Исходными данными для параметрических расчетов обычно явля-
ются:
— размер кусков материала до измельчения d„ и после измель-
чения с!к;
— производительность измельчителя G;
— физико-механические характеристики измельчаемого материала:
насыпная плотность рп , угол естественного откоса ср, коэффициент тре-
пня скольжения материала ио рабочим органам машины f и др.
Подлежат определению обычно' следующие параметры машины:
— размеры и взаимное расположение основных рабочих органов
(щек, валков, молотков, барабанов, роликов и т. и.) измельчителя,
обеспечивающих заданную производительность;
— частота кинематического цикла измельчающего рабочего орга-
на (частота хода подвижной щеки, вращения барабана, ротора и т. д.
в минуту);
— .мощность привода измельчителя N;
— расход жидкого и газового агента для измельчителей, где эти
агенты обязательны (мокрое измельчение, газоструйные мельницы);
— размеры и объемы мелющих загрузок в мельницах (барабан-
ных, центробежных, вибрационных ,и т. д.).
Наиболее сложным является расчет мощности привода измельчи-
телей. Как известно, ни одна из гипотез измельчения не дает воз-
можности точно определить величину работы, расходуемой при
измельчении. Поэтому в практике инженерных расчетов широко поль-
зуются эмпирическими формулами для вычисления N.
Ниже будут рассмотрены параметрические расчеты некоторых ви-
дов измельчителей.
Щековые дробилки. При параметрическом расчете щековых дроби-
лок исходными данными являются: производительность G (т/ч); на-
чальный dH и конечный dK размеры кусков измельчаемого материала
(мм); насыпная плотность материала рн (т/м3).
Подлежат определению: .угол захвата а; число качаний подвиж-
ной щеки (частота вращения приводного вала) п; зависимость произ-
водительности и мощности дробилки от ее размеров и степени измель-
чения продукта.
Угол захвата. На кусок материала, находящийся между щеками,
действуют силы (рис. 1. 13): сжимающая Р, выталкивающая R, удер-
живающие Т и трения:
Рис. 1.13. Схема к
определению угла захва-
та, числа качаний под-
вижной щеки и произ-
водительности дробилки
R = 2P sin (a/2); T = F cos(a/2); F=Pf, (1- 1)
;дс f — коэффициент трения материала о щеку; из соотношений (1. 1)
T=Pf cos(a/2).
Куски останутся в дробилке, если 2ТДэЯ. Следовательно, услови-
ем захвата материала является 1/5tg (a/2), или 2cp^a, где ф угол
трения материала куска о щеку.
Число качаний подвижной щеки (частота вращения приводного ва-
ла). Для подвешенной сверху подвижной щеки имеются два крайних
положения ее нижнего конца 1 и 2 (см. рис. 1. 13). За один размах
качаний S из пасти дробилки может высыпаться под действием собст-
венного веса объем материала, примерно соответствующий заштрихо-
ванному контуру W. Для этого необходимо, чтобы время Т| отхода ще-
ки из положения I в положение 2 было равно времени Т2 высыпания
материала по высоте 11.
Если подвижная щека совершает z полных качаний в минуту, то
Т| = 30/z. С другой стороны, T2 = V2h/g. Но ti=T2- Следовательно,
2h/g = 302/z2 и z2 = 302g/21i.
Так как а во время работы мало изменяется, то h=S/tga. Тогда
z2 = 302g-tg a/2S, или z==66,5ytg a/S.
В соответствии с данным соотношением ,и с учетом схемы привода
щеки определяем п. Для шарнирно-рычажного привода (см табл. 1.2)
П = Z.
Производительность и размеры дробилки. Размеры элементов кон-
струкции дробилки выбираются из следующих соотношений-.
ширина пасти дробилки ,в верхней части А =.(1,15—1,20) d„ ;
высота передней стенки Н= (А—е)/tg- a;
ширина щели e = dK , или -е—dK—S.
Часовая объемная производительность дробилки определяется из
выражения:
V,, =60pvz, (1.2)
где р, — коэффициент разрыхления, определяемый опытным путем и из-
меняющийся в пределах 0,4—0,6; v = 0,5(e-f-S+e)hL = d,: SL/tgа —
объем измельчаемого материала (сумма e-)-S-|-e^2dK) h = S/tg a); L —
длина'-пасти дробилки. ’ ’
Если в формулу (1.2) подставить значение объема измельчаемого
материала и ввести плотность, то получим массовую производитель-
ность '
G = 60ppHzLSdK /tg а. (1.3)
Из данного выражения
L = G tg a/(60ppHzSdK).
Длина пасти дробилки должна быть больше размера,d„ и связа-
на с ним соотношением L = md„ + (0,15—0,20) d„ , где ш=1, 2, 3 ...
Следовательно, L должна быть кратна начальной крупности кусков и
включать добавку для обеспечения свободного входа кусков в пасть
дробилки.
Потребляемая мощность. Для дробилки с простым качанием щеки
мощность N (в кВт) может быть определена по одному из эмпиричес-
ких выражений:
N = cAL; (1.4)
N = ll,7kLHSn, (1.5)
где с — коэффициент, зависящий от величины загрузочного отверстия
(например С= 1/60 для A-L —250-400; с= 1/120 для А • 1 ==900 1200);
31
A, L — ширина и длина загрузочного отверстия в см для соотношения
(1.4) и в м для (1.5); Н — высота неподвижной щеки, м; к — конст-
руктивный коэффициент (для дробилок Уралмашзавода к = 0,56—0,60);
S — ход подвижной щеки, м.
Для дробилок со сложным качанием щеки
N = 12HLrn, (1.6)
где г — эксцентрик вала, м.
Установочная мощность двигателя принимается обычно на 56%
выше расчетной.
Гладковалковые дробилки. В расчете гладковалкэвой дробилки
исходными являются те же данные, что и для щековой. Подлежат опре-
делению: угол ’захвата а; размеры валков; частота их вращения; по-
требляемая мощность.
Угол захвата. Рассмотрев силы, действующие па кусок материала
во время его сжатия (рис. 1. 14), и их взаимосвязь, устанавливаем, что
Рис. 1.14. Схема к
определению угла захва-
та
угол захвата должен быть меньше двух углов трения, т. е. а^2ф.
В противном случае куски материала не будут затягиваться в пасть
дробилки и, следовательно, не будут измельчаться.
Размеры валков. Из рис. 1. 14 видно, что
D/2+e/2=(-^- +^-)cosa/2,
откуда
л 7
dncos -у- - е
1 — COS -g-
Расстояние между валками е устанавливается в соответствии с dK.
Если е=с!к , то при наличии пружинного прижима одного из валков
измельченный материал в действительности может содержать куски
больше dK, так как в случае максимального нагружения один пз вал-
ков отойдет и увеличится расстояние между валками.
Рабочая длина валков определяется в зависимости от производи-
тельности G. При равномерном (по длине валков) питании измельчен-
ный материал выходит в виде разрыхленной ленты, ширина которой
равна рабочей длине валков, а толщина — конечной крупности. Ско-
рость выхода такой ленты принимается равной окружной скорости
валков:
G = 360OL'dK7„ pinDn/60, (1.8)
где L—рабочая длина валков; ц — коэффициент разрыхления мате-
риала па выходе (изменяется в пределах 0,1—0,3 для d,. -^6,5--25 м.м);
п — частота вращения валков в минуту; у,—насыпной удельный вес
материала.
32
Из выражения (1.8)
L = G/(188,4p.Y„dKn).
Частота вращения валков п (об/мин) должна быть наибольшей,
но не превышать значений, при которых появляется повышенный их
износ, увеличиваются расход энергии, вибрация машины и т. п.
Рассмотрим зависимость п от различных факторов. Измельчаемый
материал движется к выходной щели под действием сил тэения, воз-
никающих между материалом и поверхностью валков. В начале зоны
измельчения (см. рис. 1. 14) скорость движения материала мала, затем
она растет и в некоторый момент достигает окружной сксрости вал-
ков.
Скорость движения материала можно представить в виде произве-
дения ускорения а на время т:
nDn/60 = VM =ат. (1.9),
Но ускорение вызывается действием силы трения F = Pf. В свою оче-
редь a = F/m, m = Vy„/g (здесь V — объем материала, находящегося
между валками).
Время, в течение которого скорость движения материала становит-
ся равной окружной скорости валков, определяется из выражения:
(,.10)
л 360 60п t
где р — угол поворота валка, соответствующий времени т.
Силу Р можно примерно определить из соотношения:
PA//2=oI,2V/2£, (1.11).
где А/ — путь, на котором действует сила Р:
A/ = dH — dK.
Тогда
P = oy2V/[E(dfl —dI()]. (1.12)
Из выражения (1.9) поЬле подстановки значений ант найдем
„ сиз»
•rtDEy„(dH—dK) r ’
или для g = 9,81 м/с2
0 = 5,571/— . (1.14)
V B-7HD(dH-dK) v 7
где у„ выражен в Н/м3; D, dK , dH — в м.
В уравнении (1. 14) все величины, кроме р, известны. Угол р ме-
няется от 0 до а/2. Оптимальное значение этого угла найти аналитичес-
ки пока не удается, так как оно зависит от многих трудно учитывае-
мых факторов. На основании опытных данных р~а/30.
Тогда
n = /op2M[EyH D(d„—dK)]. (1-15)
Производительность дробилки растет с увеличением р до а/2.
Дальнейший рост р не вызовет увеличения G, а приведет только
к повышению расхода энергии и износа дробилки.
Потребляемая мощность. В валковых дробилках энергия расходу-
ется на дробление материала, преодоление сил трения материала о по-
верхности валков, под действием которых материал продвигается в за-
зор между валками, и сил трения в подшипниках. Учет этих затрат
энергии необходим обычно в тех случаях, когда измельчение ведется
при больших скоростях валков (до 10 м/с). Для небольших скоростей
валков (2—4 м/с) мощность можно определить из соотношения:
3. Заказ 710
Nmax= 1,39-IO-6 Igi,
где = 0,32—0,38 — общий механический к. п. д. дробилки.
Барабанные мельницы. Исходные данные для параметрических рас-
четов барабанных мельниц те же, что и для дробилок.
Требуется определить: критическую и оптимальную частоту вра-
щения барабана; величину мелющей загрузки (в % внутреннего
объема барабана); связь производительности с размерами и режимом
работы мельницы; мощность приводного электродвигателя; размер ме-
лющих тел.
Критическая и оптимальная частота вращения барабана. При вра-
щении мельницы мелющие тела увлекаются силой трения в сторону
вращения, поднимаются на некоторую высоту, а затем или сползают
по его внутренней поверхности, или скатываются, или, оторвавшись от
стенки, падают вниз. За счет энергии движения тел материал и измель-
чается.
Подъем мелющих тел и характер их последующего движения за-
висит от частоты вращения барабана и коэффициента трения между
телами и его поверхностью.
При небольшой угловой скорости барабана циркуляция загрузки не
будет интенсивной,-так как шары, поднимаясь на некоторую высоту,
скатываются по поверхности контура без удара. При слишком боль-
шой частоте вращения барабана шары под действием центробежных
сил нс будут отрываться от стенок даже в верхней точке С (рис. 1. 15).
Рис. Схема
движения единичного те-
ла во вращающемся ба-
рабане
В этом случае сила инерции Р превышает силу тяжести шара G : PjJsG,
или nWRp^mg, откуда критическая угловая скорость
0’Kp = /g7R, (1-17)
где g—‘ускорение свободного падения, м/с2; R— радиус вращения ша-
ра, м.
При оптимальной угловой скорости шар имеет наибольшую высо-
ту падения Н, определяемую координатами точки отрыва шара от сте-
нок (точка А) и точки встречи со стенкой барабана (точка В).
Отрыв шара от стенки в точке А будет, если Gcosa^P, или
mg cos (i>mo-R,
откуда ________ #
cos a/R. (1-18)
Траектория движения шара в свободном падении представляет со-
бой параболу (с началом координат в точке А) и описывается систе-
мой уравнений:
34
Х = И«В«, j
Y = vtsina—gt2/2. I
Решая совместно эту систему с учетом того, что v = wR=7gR cos a,
получим
Yb = X tg a—X2/(2R cos3 a). (1.20)
Траектория движения шарою в системе .координат X0OY0 (с нача-
лом в центре окружности О) описывается уравнением:
X^+Y^-R2. (1.21)
II i рис. 1. 15
X, = XB—R sin a и Y| = Yb—R cos a.
Подставив значения X. и Yt в уравнение (1.21) и заменив Yu из
соотношения (1.20), получим
Хл3 , Хд __ .
R cos'1 a • 4R cos2 а Ш1~
Корни Х! = Х2 = Х3, соответствующие пересечению параболы с ок-
ружностью в точке А (т. е. в начале координат), равны нулю. Тогда
остается решить уравнение
(1-22)
tv,----------sin a = 0,
4R cos2 a
(1-23)
откуда
XB=4R cos2 a sin a.
Подставив полученное значение Хв в уравнение (1.20), получим
Yb=—4R sin21 a cos a. (1-24)
Наибольшая энергия удара шара будет при максимальной 'коорди-
нате YB, для определения которой возьмем первую производную ее
функции (1.24) и приравняем к нулю:
Yb'=8R sin a cos2 a—4R sin3 a= 4R sin a(2cos2 a—sin2 a).
Поскольку a и R не равны нулю, то 2cos2 a—sin2a==0, откуда
tg2 a = 2; a = 54°40z.
Подставив полученное оптимальное значение угла а в соотношение
(1. 18), найдем оптимальную частоту вращения барабана:
%пт = }'g cos 54o40'/R = 2,38/7R" = 0,76Уj/R, (1.25)
или
ПО11Т = 30 Шопт/Я = 22,8yg/(n2R) « 22,8/УR? (1.26)
где рлал2.
Оптимальная загрузка барабана. Координаты точек отрыва и па-
дения шаров будут различными для каждого их слоя, поскольку они
определяются соотношением
<o2R = g cos а, или R/cos a = g/co2.
Обозначив g/a2 = 2p, получим выражение R = 2pcosa, которое является
уравнением окружности в полярных координатах.«Следовательно, кри-
вая АЛ] (рис. 1. 16) является дугой окружности радиуса р с центром
О|, расположенным на вертикальном диаметре сечения барабана на
расстоянии р от его оси. Геометрическое место точек падения шаров
(линия BiB) определяется соответствующим радиусом и углом р.
Из рис. 1. 16
sin p=Yi/R= (4R sin2a-cos a—R cos a)/R. (1-27)
Рис. 1.16. Контур
мелющей загрузки
Преобразовав выражение (1.27) с учетом того, что 4 cos3 а—
—3cos a = cos За, получим
sin p = cos(90°—р) =—cos 3a = cos(180°—За),
откуда
₽ = 3а—90°.
(1-28)
Величина угла а для каждого слоя шаров определяется из соотно-
шения (1. 18).
Можно построить контур мелющей загрузки и определить траекто-
рии движения шаров, что позволит установить оптимальную загрузку
барабана. Практически шары должны занимать 0,30—0,35 объема ба-
рабана.
Производительность мельницы. Производительность мельницы за-
висит от ее технических данных, физико-механической характеристики,
начальной и конечной крупности измельчаемого материала и условий
эксплуатации. Поскольку точное теоретическое определение удельной
работы, расходуемой на измельчение, еще не получено, то в настоящее
время при расчете как производительности, так и мощности привода
мельниц часто применяются эмпирические формулы.
Например, в цементной промышленности для расчета производи-
тельности (в т/ч) используется формула В. В. Алявдина:
где G3 — удельная производительность мельницы при размоле мате-
риала, принятого за эталон (остаток на сите № 009 равен 10%),
кг/'Ч-кВт; Кр. —коэффициент размолоспособности материала; т|р —
коэффициент, характеризующий эффективность размола; Yo, Y —оста-
ток на сите № 009 в материале, соответственно посту тающем в мель-
ницу и выходящем из нее, %; ш — показатель степени, зависящий от
свойств материала и условий размола; V — внутренний объем бараба-
на мельницы, м3; D — внутренний диаметр барабана, м; М — масса
шаровой загрузки, т.
Для определения производительности (в т/ч) трубных многокамер-
ных мельниц в цементной промышленности используют формулу
G = qK6,45V/D 11/ у
(1.30)
36
Выражения (1.29) и (1.30) дают удовлетворительные результаты в
пределах частот вращения барабана (0,7—0,8) пкр, (где пкэ =42/]/D)
й коэффициентов заполнения барабана <р = 0,2—0,3.
Мощность привода мельницы. При работе мельницы энергия расхо-
дуется на подъем шаров и сообщение им 'кинематической энергии, пре-
одоление сопротивления трения в подшипниках опор и передаточных
механизмах:
NA = .(N34-Nc)/n, (1 31)
где Мд — мощность двигателя мельницы, кВт; N3 — мощность, расхо-
дуемая на подъем шаров и сообщение им кинематической энергии, т.'е.
мощность мелющей загрузки, кВт; Nc — мощность, расходуемая на пре-
одоление сопротивления трения в подшипниках опор, кВт; q — общий
к.и.д. привода мельницы.
Величина N3 может быть рассчитана различными способами.
Рассмотрим один из них [6).
Работа, затрачиваемая на подъем шаров (в Дж)
A, = MgYB, (1.32)
где М —масса шаров, кг; YB— высота подъема шаров, м; g—ускоре-’
ние свободного падения, м/с2.
Все слои загрузки, движущиеся на .своих радиусах, заменяем од-
ним фиктивным слоем, расположенным на расстоянии радиуса инерции
Ro от центра мельницы:
Ro=V(R4R?)72,’ (1.33)
где R, Rj—радиусы соответственно барабана и внутреннего контура
загрузки (см. рис. 1.16).
При степени заполнения барабана <р = 0,3 можно принять Ro»
«0.86R. Тогда оптимальный угол подъема ао фиктивного слоя, опреде-
ляемый из выражения (1. 18), с учетом соотношения (1.25) будет ра-
цеи:
Высота подъема шаров в соответствии с (1.24) составит
YB = 4R0 sin2 а0 cos u0~ 1,3R.
Тогда
Ai = l,3MgR. (1.34)
Работа, сообщаемая загрузке (в Дж):
л __ Mv2 Mcoo^Ro2 М / ./geos а0 2
2 “ 2 .“ 2 <|/ Ro ) К° “
/Ко
Суммарная работа, расходуемая за один цикл движения шаров
(в Дж):
А = А|4-А2= 1,514 MgR.
За один оборот барабана загрузка совершает несколько циркуляций.
Продолжительность одной циркуляции складывается из времени tb за-
трачиваемого на движение шаров по круговой части траектории, и вре-
мени t2, необходимого для движения по параболе.
1 ол 02, соответствующий прохождению шара по параболе (см.
рис. 1. 16), при рассмотрении движения на фиктивном радиусе Ro будет
равен:
37
02 = ао+90°+Ро.
Учитывая, что р0 = За0—90°, получим 02 = 4ао. Угол 0,, соответствующий
дуге, по которой шары движутся по окружности радиуса Ro, составит:
0( = 36ОО—4а0. При частоте вращения барабана п (в сб/мин) и <tQ = -60°
время движения по окружности (в с)
_ 60 360—4 а0 _ 60-0,334 .
1 п 360 ~ п
Время 12 равно:
Хв 4 Ro sin czq cos2 an • 60_____ 60 -0,2/4
2 v cosa.0 2nRon cos «о n
Следовательно,
t = t1+t2 = 60-0,608/n.
Число циклов слоя загрузки за один оборот барабана
60 о
Z ; ~ 60 -0,008-11 ' ’ ’ ’
(1.36)
(1.37)
(1.38)
(1.39}
Мощность N., (в кВт) с учетом массы измельчаемого материала
(принимаемой обычно 0,14 от массы мелющей загрузки) равна:
A<oz
N =---------
3 2к-10“
-^1^5.10-5.MgRn. (1.40)
Массу шаровой загрузки можно определить по формуле:
M = <ppyjtR^L, (1-41)
где ср — коэффициент загрузки барабана (<рср = 0,3); ц—коэффициент
плотности загрузки (и.~ 0,57); у — плотность мелющих тел, кг/м3; 1.—
длина барабана, м.
Мощность Nc для барабана, опирающегося на полые цапфы, можно
определить следующим образом. Если обозначить вес барабана и за-
грузки, находящейся на круговом участке ее движения, через W, внеш-
ний радиус цапфы — г„, радиус приводного венца барабана — RU1,
коэффициент трения в подшипниках — f, то уравнение моментов сил,
приложенных к барабану, будет:
P-R,„=Wfru,
где Р — окружная сила па приводном валу.
Nc = Pv/103 = nfWrlln/(3-104), (1. 42)
где v = лРш-п/30.
Размер мелющих тел. От правильного подбора размера мелющих
тел зависит эффективность работы мельницы.
Л. Б. Левинсон рекомендует выбирать диаметр стальных шаров d
в следующих пределах:
Do/18 (или D й/24) >d>90d„.
К. А. Разумов предложил на основании полученных им экспери-
ментальных данных определять размер стальных шаров по формуле:
d = Kd,
где к и п — опытные данные.
В. А. Олевскпй установил, что размер шаров зависит от тонины по-
мола:
d = 4,8 lg d1(/d„,
где dK— условная тонина помола, при которой на сите с отверстиями
размером dK остается 10% помола.
38
1.5. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЕЙ
Общими условиями безопасной работы для измельчающих машин
являются:
механизированная равномерная загрузка и выгрузка материа-
лов;
предотвращение выброса материала из машины;
установка устройств, предупреждающих поломку легален и
обеспечивающих быстрый останов машины в случае поломки;
меры по предотвращению или уменьшению пыления;
г.,,едитьращщпщ загорании и ьзрывов иыаеыщных юрючих ма-
териалов;
снижение шума и вибрации во время работы.
Щековые и конусные дробилки снабжены устройствами, позволяю-
щими без применения ручного инструмента поднимать или переворачи-
вать куски материала, застрявшие в рабочем пространстве щек (кону-
сов). Для удаления металлических предметов в местах загрузки на ну-
ги транспортирования устанавливаются магнитные ловушки.
В дезинтеграторах, молотковых дробилках и .мелькни ах имеете#
опасность выброса центробежной силой износившихся час’ей пальцев
или бил, поэтому наружный корпус этих машин делают достаточно
прочным.
В дробилках я мельницах устанавливаются надежные быстродей-
ствующие тормоза. Для уменьшения вибрации, вызываемой движением
больших масс, применяют массивные фундаменты и демпфирующие
устройства (пружины, эластичные прокладки и т. д’).
Пусковые устройства располагают таким образом, чтобы опера-
тор имел 'возможность просматривать все рабочие места и проходы
около пускаемой в ход машины.
Для предотвращения пылевыделения машины должны быть за-
крыты, обеспечены аспирационными отсосами, блокируемыми с пуско-
выми устройствами и поддерживающими внутри машины небольшое
разрежение. Места загрузки и выгрузки оборудуются местной венти-
ляцией. Иногда, если это допускается технологией, применяют мокрое
пылеподавление.
Для предотвращения загорания и взрыва пылей при измельчении
угля, серы и других горючих материалов, а также многих оэганичсоких
веществ необходимо уетраН|ИТЬ возможность воспламенения прежде
всего от статического электричества (например, заземлением), поддер-
живать высокую концентрацию пыли, при которой она не сгособна вос-
пламеняться, вести в отдельных случаях процесс в токе ипеэтного газа.
Иногда предусматривается подвод в рабочее пространство машины па-
ра для пожаротушения.
(2 целью снижения возникающего шума при работе некоторых из-
мельчителей (например, барабанных мельниц, .молотковых дробилок и
т. д.) применяют звукоизолирующее покрытие наружной или внутрен-
ней поверхности корпуса машины.
Обслуживающий персонал имеет индивидуальные средства защи-
ты — наушники, респираторы и др.
В большинстве случаев измельчители являются энергоемкими ма-
шинами, поэтому в системе управления электродвигателями преду-
сматривается надежная тепловая защита, предохраняющая выход из
строя двигателя в случае попадания в рабочую зону недробимого мате-
риала или других, нарушений работы машины.
ГЛАВА 2
МАШИНЫ И АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ
2.1. АППАРАТЫ И МАШИНЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ НА ФРАКЦИИ
В различных процессах химической технологии твердые материа-
лы должны иметь определенный размер частиц, который обусловлива-
ет оптимальное протекание требуемых превращений. Например, для
проведения процесса в кипящем слое крупность частиц должна быть
не ниже 0,1 мм, а в выпуске лакокрасочных материалов размер час-
тиц равен единицам микрометра, причем чем меньше частицы, тем луч-
ше.
t При добыче и измельчении твердых материалов редко удается сра-
зу получить продукт требуемого состава. Измельченный материал со-
стоит обычно из частиц различного размера и формы, из него надо вы-
делить требуемые фракции.
Разделение твердых зернистых материалов на классы по крупно-
сти кусков или зерен называется классификацией.
Известны две основные разновидности классификации:
1) ситовая (грохочение)—механическое разделение на ситах;
2) гидравлическая — разделение смеси на классы зерен, отличаю-
щихся одинаковой скоростью осаждения в воде или е. воздухе. В по-
, следнем случае классификация называется воздушной сепарацией.
Разделение смесей происходит в поле гравитационных, гравита-
ционно-инерционных и гравитационно-центробежных сил. Первые два
вцда силовых полей используются для ситовой и гидравлической, тре-
тий вид — для воздушной классификации.
На рис. 2. 1 приведена схема классификации аппаратов и машин
____г——-------------
Грохотя
— Колосниивые
— Валковые
— Ситовые
— Барабашке
Аппарата (машшы)
7= I , „__________3_________
I Гкхроклас<лфкхаторы| [Воэху а" сепараторы
__ОтотоАшпш _______
— Спиральные
__Реотане
__ Чаиевне
___Центробеыкна____
Рис. 2.1. Схема классификации аппаратов и машин для
разделения сыпучих материалов на фракции
.Для разделения сыпучих материалов, основанная ' на конструктивной
общности и учитывающая вид классификации (рассев, гидравлическая
Или воздушная).
Почти в каждом из указанных в схеме видов аппаратов имеются
разновидности конструкций. В табл. 2. 1 приведены принципиальные
упрощенные схемы наиболее распространенных классификаторов каж-
дого вида, а ниже дано описание лишь некоторых из них.
4С
Таблица 2. 1
Схемы основных видов классификаторов
Вид
аппарата
Разновидность конструктивных схем
1
Грохоты
ситовые
Односнтоный качающийся:
/ — короб; 2 — сито: .3 —
подвеска; 4 — рама опорная;
.5 — привод
Односитовый вибрационный:
1 — короб; 2 — спто; <3, 6 —
подвеска пружинная; 4 — вал
дсбалапспый-, 5 — дебалапс
Мпогоситовый с верти-
кальной компоновкой: 1 — си-
то крупное; 2 — сито среднее;
3 — сито мелкое
Барабанные
грохоты
Многоситовый с горизонталь-
ной компоновкой: 1 — сборник
фракции; 2 — сито мелкое;
3 — сито среднее; 4 — сито
крупное
Мпогоситовый с концентри-
ческой компоновкой сит: 1 —
кожух; 2 — барабанные сита
Мпогоситовый с последова-
тельной компоновкой СНТ’. 1 —
барабан; 2 — сборник фрак-
ций
41
Окончание табл. 2. 1
2
Классифи-
каторы-от-
стойники
Классифи
катор спи-
ральный
Многосскциопный гидроклас-
сификатор: 1 — выгружатель;
2 — мешалка; 3 — сборник
фракции; 4 — штуцер питания;
5 — корпус; б — вал привод-
ной для мешалок; 7 — пере-
городка; 8 — штуцер выхода
жидкости
Газоход отстойный; 1 — вы-
гружатель я^йковый; 2 —
сборник фракции; 3 — штуцер
входа загрязнсиного газа; 4 —
корпус; 5 — перегородка; 6 —
штуцер выхода счищенного га-
за
Спиральный: 1 — рама; 2—
штуцер спускной; 3 — корыто;
4 — карман с желобом для
слива; 5 — механизм подъема
спирали; 6 — лоток приемный;
7 — спираль; 8 — привод спи-
рали; 9 — ось поворота спи-
рали; 10 — штуцер для круп-
ной фракции
Реечный: 1 — корыто; 2 —
рама гребковая; -3 — пульпа;
4 — штуцер сливной; 5 — ло-
ток сливной; 6 — механизм
качания рамы грибковой
Воздушно-проходной: 1,6,
7 — патрубки; 2 — конус от-
бойный; 3 — корпус; 4 — ко-
нус внутренний; 5 — завихри-
тель
Воздушно циркуляционный:
1 — вал; 2, 9, 10 — патруб-
ки; 3 — колесо вентиляторное;
4 — диск вращающийся; 5 —
конус внутренний; С — завих-
ритель; 7 — конус; 8 — кор-
пус
42
Грохоты подразделяются на неподвижные и подвижные. По форме
просеивающей поверхности они бывают плоскими и цилиндрическими
(барабанные). Кроме того, могут быть наклонными и горизонтальны-
ми.
Плоским неподвижным грохотом является колосниковая решетка,
устанавливаемая с наклоном 30—50° и имеющая размер щели между
колосниками не менее 50 мм.
К. грохотам с подвижными колосниками относятся валковые, про-
сеивающей поверхностью которых являются диски, насаженные на вра-
щающиеся горизонтальные валы, установленные параллельно друг дру-
гу. Рассеиваемый материал движется по дискам, просев проваливается
в зазоры между дисками, а отсев разрушается в конце процесса гро-
хочения. Основной недостаток их —износ дисков.
Плоские грохоты с принудительным движением сита могут быть
односитовыми и многоситовыми, компонуемыми по вертикали или по
горизонтали. Многоситовые грохоты имеют большую производитель;
лесть, позволяют получить не две, как в односитовых, а несколько
фракций (число фракций равно числу сит плюс единица).
По виду привода плоские ситовые грохоты могут быть качающими-
ся, ги рационными (нолув.ибрационны1ми) и вибрационными.
Просеивающая поверхность в качающихся грохотах совершает
принудительное движение от приводного эксцентрика через жесткую
кинематическую связь. Достоинствами этих грохотов являются отно-
сительно высокая производительность и эффективность; компактность
и удобство обслуживания; незначительное крошение материала. Ос-
новной недостаток — неуравновешенность конструкции и быстрый вы-
ход из строя опорных стоек грохота.
В гирационном грохоте просеивающая поверхность движется под
действием эксцентрикового вала, на котором она закреплена. Центро-
бежные силы инерции, возникающие при движении корпуса, урав-
новешиваются контргрузами, установленными на дисках, которые на-
сажены на эксцентриковый вал. Вследствие этого данные грохоты
уравновешены, имеют более высокие производительность и эффектив-
ность грохочения.
В вибрационных грохотах возмущающая сила возникает под дей-
ствием дебалансов, укрепляемых на валу, который жестко связан с кор-
пусом грохота.
На рис. 2. 2 показан вибрационный грохот с эллиптической траек-
торией качания корыта 8. Грохот подвешен на пружинных подвесках
2 и устанавливается под углом 8—25°. Внутри корыта размещен деба-'
лансный вал 1, смонтированный на двух роликоподшипниках 4. С обеих
сторон вала на шпонках закреплены шкивы 6 с дебалансами 5, уста-
новку которых можно регулировать беоступенчато. Дебаланоный вал
защищен от проникновения пыли трубкой 3.
В корыте 8 находятся два друса сит,_ закрепленных при помощи
деревянных клиньев 7 и растяжек.
В отдельных конструкциях пружинная подвеска изготовляется с
резиновым демпфером, более надежно изолирующим строительные кон-
струкции от вибрации.
Вибрационные грохоты широко используются в промышленности.
IIx достоинствами являются, высокая производительность г эффектив-
ность грохочения; значительно .меньшая возможность забивания отвер-
стий сит по сравнению с грохотами других видов; пригодность для
крупного и тонкого грохочения; компактность и легкость смены сит-
относительно небольшой расход энергии. ’
Отечественная промышленность выпускает вибрационные грохоты
марок ВГД, ГВР, ГВП и ГУП. Их основные параметры:
43
Рабочая площадь грохота
Максимальная крупность питания
Число сит
Размер отверстий в сите
Частота колебаний в минуту
Ориентировочная производительность
Потребляемая мощность
Габариты
Масса без электродвигателя
— 3,13—5,25 ма
— 100—200 мм
— 2—3
— 13—50 мм
— 900—1300
— .70—300' м3/ч
- 3,8—8,0 кВт
— 2,60X1,07X1,45 м
— 1,11—2,00 т
Рис, 2.2. Вибрационный грохот: 1 — вал дебалансный; 2 —
подвеска пружинная; 3 — труба; 4 — роликоподшипник; 5 — де-
баланс; 6 — шкив; 7 — клип; 8 — корыто
Барабанный грохот состоит из дырчатого вращающегося бараба-
на, опорного устройства н приводного механизма. Подлежащий фрак-
ционированию материал поступает внутрь барабайа, 1подн.имается под
действием сил трения на некоторую высоту и 'вследствие небольшого
наклона барабана (4—7°) продвигается к выходному его торцу. Во
время движения и происходит рассев._ Барабанные грохоты собирают-
ся обычно из отдельных сит, которые крепятся к каркасу.
Главными достоинствами барабанных грохотав являются просто-
та их конструкции и равномерность работы. Недостатки — громозд-
кость, малая удельная производительность и низкая эффективность
(особенно при грохочении мелкого материала). Эти грохоты вытесня-
ются вибрационными.
Гидроклассификаторы. В основу работы положена зависимость
скорости осаждения в воде зерен твердого материала от их размеров.
Наиболее простая конструкция гидроклассификаторов представлена
мно1госекцио1нны|м,и отстойниками, вдоль которых движется поток жид-
кости (или газа), содержащий частицы разной крупности. Поступаю-
щая в классификатор суспензия (или смесь частиц с воздухом) посте-
пенно теряет скорость в направлении выходного штуцера. В первом
сборнике оседает самая крупная или тяжелая фракция, а в каждом
последующем —нее более мелкая.
44
В промышленности применяются так называемые механические
классификаторы — аппараты, .снабженные механическим транспортным
устройством дл,я непрерывного удаления осевшего нижнего продукта
(песков). Они используются для разделения мелкого материала (5—
0,05 мм и менее), получаемого в мельницах, .и работают с ними в
замкнутом цикле. При этом слив классификатора является готовым
продуктом, а пески возвращаются в мельницу на доизмельчение.
В спиральных (или шнековых) классификаторах транспортирую-
щим органам является медленно вращающаяся одна (или две) спираль,
частично погруженная в жидкость. Угол наклона корыта, число обо-
ротов спиралей и концентрация твердого, материала в пульпе являют-
ся основными факторами, влияющими на эффективность классифика-
ции и производительность аппарата.
В реечных классификаторах пески транспортируются в корыте ко-
робчатого сечения с помощью рамы со скребками, совершающими воз-
вратно-поступательное движение. Периодически опускаясь на дно ко-
рыта, рама перемещается на некоторое расстояние вверх, сгребая осев-
шие пески, после чего поднимается над дном .и перемещается обратно.
Затем гребки вновь опускаются на дно, и цикл повторяется. Эти клас-
сификаторы имеют меньшую удельную производительность, более слож-
ны по конструкции в сравнении со спиральными и поэтому в крупнотон-
нажных производствах вытесняются последними.
Общим недостатком механических классификаторов является низ-
кий к. п. д., так как выдаваемые ими на доиз1мельчение в мелытицы
пески содержат большое количество тонкого материала (до 20% клас-
са —75 мим).
Высокая производительность и эффективность .классификации до-
стигается в центробежных классификаторах, в качестве которых ис-
пользуются гидроциклоны и отстойные центрифуги со шнековой вы-
грузкой, которые будут рассмотрены в дальнейшем.
Воздушные сепараторы, работающие в открытом или замкнутом
циклах с мельницами сухого помола, делятся на воздушнопроходные
и воздушно-циркуляционные (воздушно-замкнутые).
В сепараторах первого типа выделение крупных частиц (грубой
•фракции) из смеси происходит сначала в кольцевом пространстве
между конусами (см. табл. 2. 1) под действием силы тяжести вследст-
вие резкого снижения скорости потока, а затем под действием центро-
бежных сил, возникающих при з акр учив а ниц потока, в лопатках за-
вихрителя, расположенного в верхней части внутреннего конуса. Кро-
ме неподвижного завихрителя некоторые конструкции сепараторов име-
ют принудительно вращающиеся завихрители. В этом случае достига-
ется более тонкое разделение (до 30—60 мкм).
Воздушно-циркуляционные сепараторы отличаются от описанных
выше тем, что воздушный поток циркулирует внутри аппарата и не
выводится наружу. Выполняя одновременно функции классификатора,
вентилятора и циклона, воздушно-циркуляционные сепараторы по
сравнению с воздушно-проходными более компактны и требуют мень-
ших затрат энергии.
22. АППАРАТЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
Промышленная очистка газов от взвешенных в них твердых или
жидких частиц проводится для уменьшения загрязненности воздуха,
улавливания из газа ценных продуктов или удаления из него вредных
примесей, отрицательно влияющих на последующую обработку газа.
Различают следующие способы очистки газов; 1) осаждение под
действием сил тяжести (гравитационная очистка); 2) осаждение под
действием инерционных (центробежных) сил; 3) фильтрование; 4) мок-
45
рая очистка; 5) осаждение под действием электростатических сил
(электрическая очистка).
Для реализации этих способов имеются различные конструкции
аппаратов, классификация которых приведена на рис. 2. 3.
' ,’да оч?/газе?,
— ... — ' —т г----------
| Су:ля очистка!- «-------1 ---------Ц/Ц’
Енмосахпелыше сшеда СхдоОДю ——!
j-Ссмоги
• |--4шп>трн
I Электрофаимры Еарбиаягаз—.
Рис. 2.3. Схема классификации аппаратов для очистки
газов
77ылеосадительные камеры. Осаждение взвешенных в газовом по-
токе частиц в пылеосадительных камерах происходит под действием
сил тяжести. Простейшими конструкциями аппаратов этого типа явля-
ются отстойные газоходы, снабженные иногда вертикальными перего-
родками. Для очистки горячих печных газов широко грименяются мпо-
гополочные пылеосадительиые камеры, внутри которых установлены
горизонтальные перегородки (полки) с расстоянием 0,1—0,4 м. При
движении газа между полками частицы пыли оседают на полки и пе-
риодически удаляются с них вручную специальными скребкам.]), Эти
камеры громоздки и малоэффактитаны. Оци используются для предва-
рительной грубой очистки газов от частиц размером более 100 мкм,
степень очистки составляет 30—40%.
Циклоны. Этот вид аппаратов относится .к центробежным осадите-
лям. Частицы твердого .материала, содержащиеся в газовом потоке,
осаждаются в поле центробежных сил, появляющихся вследствие того,
что очищаемый газ .поступает в циклоп! по трубопроводу, направлеипо-
му по касательной к цилиндрической части аппарата. В результате газ
вращается внутри циклона, частицы большей массы отбрасываются
к периферии, осаждаются на стенках и затем выводятся через нижнюю
коническую часть аппарата. Очищенный газ через .выхлопную трубу
поступает в производство или выбрасывается в атмосферу.
Конструкции циклонов разнообразны' (табл. 2.2). Распростране-
ны циклоны конструкции НИИОГАЗа. Эти аппараты отличаются от-
носительно небольшим гидравлическим сопротивлением, хорошо очища-
ют газы, концентрация пыли в которых может достигать нескольких
сотен граммов на 1 м3. Циклоны выпускаются диаметром от 40 до
800 мм.
В табл. 2. 2 показана схема .конструкции циклона НИИОГАЗа.
Циклон состоит из корпуса 7, конического днища 2, крышки 3 и пы-
лесборника 5. В верхней части корпуса касательно к его цилпидричес-
кой поверхности располагается входной патрубок 4, а в крышке смон-.
тирована -ныхлогштая труба 6, входящая своим нижним концом в кор-
пус примерно на две трети его высоты. Степень очистки газа зависит
от величины центробежной силы, которая увеличивается с уменьшени-
ем радиуса циклона. Это обстоятельство учтено при конструировании
батарейных циклопов, более эффективных по сравнению с обычными.
Батарейный циклон (см. табл. 2. 2) состоит из параллельно уста-
новленных элементов малого диаметра (10-:-250 мм). Эти циклоны име-
ют прямоугольный кориус и состоят из одной или нескольких секций.
46
Таблиц а 2. 2
Схемы основных аппаратов для очистки газов
Вид
аппарата
Разновидность конструктивных схем
Циклоны
Конструкции НИИОГЛТ 7—
корпус; 2 — крышка,.? —тру-
ба выхлопная; 4 — патрубок
входной-, 5 — днище коничес-
кое; 6 — пылесборппк
Батарейный: 1 — патрубок
щля очищенного газа' 2 о ~
решетки; 3 — корпхе; 4
элемент; 6 — днище конусное; .
7 — патрубок Для ввода запы-
ленного газа
Фильтры
Рукавный периодического
действия: 1 -- входной газо-
ход; 2 — рама; .?, 5 — клапа-
ны дроссельные; 4 — патрубок
для очищенного газа; 6 — ме-
ханизм встряхивающий; 7 --
рукава; 8, 9 — вентиляторы;
10 — камера; 11 — затвор
шлюзовый; 12 - шпек; 13 —
решетка распределительная
С движущимся слоем зер-
нистого фильтрующего мате-
риала: 1 -т- корпус; 2 — пере-
городка фильтровальш я; 3 —
штуцер входной; 4 — мате-
риал фильтрующий; 5 — за-
творы; 6 — штуцер выходной;
7 — питатели
47
Окончание табл. 2.1
2
Электрофильтры
Трубчатый: 1 — входной
газоход; 2 — электрод осади-
тельный; 3 — электрод коро-
пирующий; 4 — камера; .5 —
изолятор; 6 —- рама; 7 — вы-
ходной газоход; 8 — рама;
9 — решетка распределитель-
ная
Пластинчатый: 1 — входной
газоход; 2 — камера; 3 —
осадительный электрод; 4 —
короиирующий электрод; 5.
8 — рамы; 6 — изолятор; 7—
выходной газоход; 9 — ре-
шетка распределительная
Аппараты для
мокрой очистки
Барботажный (пенный) пы-
леуловитель: ] — штуцер для
воды; 2 — тарелка; 3 — ка-
мера; 4 — порог; 5 — штуцер
сливной; 6 — штуцер для за-
пыленного газа
48
Они применяются в широком диапазоне температур очищаемого
саза (до 400° С) с размерами осаждаемых частиц до 5—20 мюм. Сте-
пень очистки зависит от размера осаждаемых частиц и для указанно-
го выше интервала изменяется от 65 до 95%. При этом содержание
пыли в очищаемом газе составляет 0,05—0,10 кг/м3.
В циклонных элементах (рис. 2.4) газ поступает не тангенциально,
Рис. 2.4. Элемент
батарейного циклона:
1 — труба выхлопная;
2 — лопасти винтовые;
3 — корпус
а сверху через кольцевое пространство между корпусом 3 и выхлоп-
ной трубой /. В кольцевом пространстве установлены две винтообраз-
ные лопасти 2, наклоненные под углом 25°. При помощи этих лопас-
тей газовый поток получает вращательное движение, способствующее
осаждению твердых частиц на стенках корпуса. Очищенный газ выхо-
дит через выхлопную трубу в верхнюю часть циклана.
Общими недостатками центробежных пылеосадителей являются:
высокое гидравлическое сопротивление; быстрое истирание стенок.час-
тицами осаждаемого материала; чувствительность к колебаниям на-
грузки; недостаточная очистка газа от тонкодиспареной пыли.
В промышленности применяются циклоны конструкции ВТИ * и
ЦККВ, отличающиеся несколько иным исполнением выхлопной трубы.
Фильтры. При очистке фильтрованием газы, содержащие взвешен-
ные твердые частицы, проходят пористые перегородки, которые пропус-
кают газ и задерживают на своей поверхности твердые частицы. В за-
висямости от .вида перегородки различают следующие фильтры:
1) с гибкими пористыми перегородками из природных, синтетичес-
ких и минеральных волокон (тканиевые материалы), нетканых волок-
нистых, пористых листовых и других материалов;
2) с полужесткими пористыми перегородками (слои из волокон,
стружки, сеток);
3f с жесткими пористыми перегородками из зернистых материалов
(пористые керамика, пластмассы, спрессованные или спеченные по-
рошки металлов и др.);
4) с зернистыми слоями из кокса, гравия, кварцевого песка и т. д.
В первой группе наиболее распространенными стали рукавные
фильтры. В этих фильтрах запыленный газ нагнетается вентилятором
через входной газоход в камеру, проходит через рукав и удаляется из
аппарата через выхлопную трубу. Пыль осаждается в порах ткани и
периодически удаляется путем встряхивания рукавов.
Промышленные фильтры состоят обычно из нескольких секций,
каждая из которых периодически отключается для очистки рукавов.
* Всесоюзный. теплотехнический институт им. Дзержинского.
4 Заказ 710
49
В рукавных фильтрах достигается высокая степень очистки (до 98—
99%), улавливаются частицы размером 2—10 мкм.
Высокая степень очистки газов достигается также; в фильтрах с
полужесткими и жесткими перегородками, которые представляют собой
вертикальные аппараты с расположенными внутри фильтрующими пе-
регородками плоской или цилиндрической формы (гильзы). Например,
гильзы металлокерамических фильтров, изготовленных из гранул и по-
рошка пли стружки металла путем прессования и спекания, проката
или литья, способны задерживать твердые частицы размером до
0,5 мкм.
Фильтры с зернистым слоем могут быть двух разновидностей: Г) с
неподвижным фильтрующим слоем и 2) с непрерывно движущимся
фильтрующим слоем. В первом случае фильтрующие слои могут рас-
полагаться вертикально или горизонтально, во втором — зернистый
фильтрующий материал движется сверху вниз между двумя перфори-
рованными перегородками, осаждает и увлекает за собой твердые час-
тицы из пылегазовой смеси, очищается от загрязнений (например, с
помощью воды) и снова подается в фильтр питателем.
Фильтры с зернистым слоем фильтрующего,материала применяют-
ся для тонкой очистки газов.
Электрофильтры. Работа электрофильтров основана на ионизации
молекул газа в электрическом поле, создаваемом двумя электродами:
отрицательным (коронирующим) и положительным (осадительным).
Частицы твердого матертала, встречаясь с отрицательно заряженны-
ми шопами шли электронами, заряжаются также отрицательно и дви-
жутся к положительному электроду, на котором 'И осаждаются. Послед-
ний периодически встряхивается для разгрузки от осажденных частиц.
В зависимости от формы электродов электрофильтры могут быть,
трубчатыми и пластинчатыми (см. табл. 2.2). Трубчатые электро-
фильтры представляют собой камеры, в которых установлены осади-
тельные электроды в виде круглых или шестигранных труб.
Коронирующимт электродами служат отрезки проволоки, натяну-
тые на оси труб. Сверху электроды прикреплены к раме, подвешен-
ной на изоляторах, снизу — связаны общей рамой для предотвращения’
колебаний. Газ распределяется равномерно по трубам с помощью га-
зораспределительной решетки.
В пластинчатых электрофильтрах осадительные электроды пред-
ставляют собой параллельно установленные гладкие металлические
листы или сетки, натянутые на рамы. Между ними располагаются в
виде проволоки коронирующие электроды.
Трубчатые электрофильтры обеспечивают создание более эффек-
тивного электрического поля и равномерного распределения газа по
элементам, что улучшает очистку п увеличивает производительность ап-
парата. Трубчатые электрофильтры применяются для очистки трудпо-
улавливаемюй пыли, капель жидкости из туманов (не требующих
встряхивания электродов) и для наиболее высокой степени очистки
сухих газов. Пластинчатые электрофильтры более просты по конструк-
ции и облегчают встряхивание осадительных электродов. Они исполь-
зуются для очистки сухих газов.
Аппараты для мокрой очистки газов. Эти аппараты применяются
для тонкой очистки газов, заключающейся в промывке газов водой
или другой жидкостью.
Тесное взаимодействие между жидкостью и запыленным газом осу-
ществляется .на noBeipxiiiocTiH капель (полые скрубберы, скрубберы Вен-
тури), на поверхности стекающей по вертикали жидкой пленки (пле-
ночные или насадочные скрубберы) или пузырьков газа (барботажные
пылеуловители). В соответствии со способом поглощения взвешенных
частиц из пылегазовой смеси аппараты для очистки газов делятся на
50
полые насадочные, струйные, центробежные скрубберы и барботажные
аппараты (ем. табл. 2. 2).
Мокрая очистка газов 'наиболее эффективна тогда, когда допусти-
мы увлажнение и охлаждение очищаемого газа, а отделяемые твердые
или жидкие частицы имеют незначительную ценность.
Существенным недостатком мокрой очистки газов является обра-
зование большого количества сточных вод (шламов), которые вызыва-
ют коррозию аппаратуры и должны подвергаться дальнейшему разде-
лению 'или очистке.
Полые или насадочные скрубберы представляют собой вертикаль-
ные аппараты прямоугольного или круглого сечения. Запыленный газ
движется в них снизу вверх со скоростью не более 0,8—1,5 м/с (для
снижения брызгоуноса) и орошается водой, подаваемой форсунками
или брызгалами, установленными по всей высоте аппарата. Насадкой
н насадочных скрубберах являются кольца, хорды, кусковой кокс,
Кварц и другие материалы. Степень очистки газа составляет 60—85%.
Центробежный скруббер по своей конструкции подобен циклону.
Запыленный газ поступает через входной штуцер касательно к стенке
аппарата, по которому стекает пленка жидкости. Частицы твердой
взвеси отбрасываются к стенке центробежной силой и улавливаются
водой, которая уносит их в нижнюю конусную часть апгарата в виде
шлама. В центробежных скрубберах степень очистки газа достигает
95% при улавливании частиц размером 5—30 мкм.
Барботажные (пенные) пылеуловители применяются для очистки
сильно запыленных газов (например, технологических, выхлопных и
дымовых), вентиляционного воздуха содового прюизвадства и т. д.
В этих аппаратах жидкость, взаимодействующая с газом, приводится
в состояние подвижной пены, что обеспечивает большую поверхность
контакта между жидкостью и газам.
Барботажный пылеуловитель представляет собой аппарат кругло-
го пли прямоугольного сечения, внутри которого находится перфори-
рованная тарелка. Бода или другая жидкость поступает сверху на
эту тарелку, а очищаемый газ подается снизу под тарелку, проходит
через ее отверстия .и барботирует через жидкость, превращая ее в слой
подвижной иены. В слое пены пыль поглощается. Большая часть жид-
кости и пены (до 80%) удаляется через регулируемый порог над та-
релкой, а оставшаяся часть (~20%) сливается через отверстия в та-
релке. и улавливает в подтарелочном пространстве более крупные час-
тицы.
В таких аппаратах устанавливаются тарелки, число которых оп-
ределяет степень очистки газов. Последняя достигает 95—99'/0 при от-
носительно низких капитальных затратах и эксплуатационных расхо-
дах.
2.3. АППАРАТЫ И МАШИНЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
ЖИДКИХ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ
Жидкие неоднородные системы — суспензии и эмульсии, разделя-
ются фильтрованием и центрифугированием.
Фильтрование осуществляется с помощью фильтров, одним из ос-
новных элементов которых является пористая перегородка, пропускаю-
щая жидкую фазу и 'задерживающая твердые частицы в виде осадка.
Для фильтрования необходимо создать разность давлений по обеим
сторонам перегородки, выполняющей роль начального сопротивления;
появляющийся затем осадок создает дополнительное сопротивление.
Центрифугирование реализуется в специальных машинах’—центри-
фугах, где отставание и фильтрация осуществляются в поле центро-
4'
5)
бежных сил. Эти машины 'более эффективны по сравнению с фильтра-
ми.
Фильтры. Современные фильтрующие аппараты и Мишины класси-
фицируются по различным признакам.
По режиму работы фильтры подразделяются на аппараты перио-
дического и непрерывного действия. В зависимости от способа обра-
зования перепада давлений на фильтрующей перегородке фильтры мо-
гут работать под вакуумом и под давлением. По форме фильтрующей
поверхности фильтры бывают с плоскими и криволинейными фильтрую-
щими перегородками.
Внутри каждой из этих групп фильтров имеется большое разно-
образие конструкций. С учетом распространения в производстве, эф-
фективности использования и 'конструктивной общности можно пред-
ставить схему классификации современных фильтров (рис. 2.5).
*вхьтрв
Периодического1
действия
Непрернвного
даРствки
— Нутч^жльтрн —
___<ИШСМ
— Фыьтр>прес<ш —
— Листовке —
Плоски
♦ииячи
перегородка
— Лепоявне —-
1
— джоаовне -
— Тарвльчатнв—
*— Каруовшш —
_Патронная 'фшируацая**" I—БврвЛиваю —
I перегородйа |
Рис. 2.5. Схема классификации фильтров
Нутч-фильтр является наиболее простым фильтром периодическо-
го действия, работающим под вакуумом или давлением. В этих фильт-
рах сила тяжести фильтрата совпадает с направлением его движения.
Они 'Представляют собой вертикальные аппараты цилиндрической или
прямоугольной формы (табл. 2.3). Суспензия подается сверху, фильт-
рат проходит фильтрующую перегородку под действием вакуума, соз-
даваемого под перегородкой, или избыточного давления, образуемого
над суспензией с помощью сжатого воздуха. Осадок остается на фильт-
рующей перегородке и удаляется обычно вручную после промывки.
Достоинством всех путчей является возможность равномерной и
полной промывки осадка; так как промывная жидкость может быть
равномерно распределена по всей его поверхности в необходимом ко-
личестве. Общий недостаток —относительно большая занимаемая пло-
щадь . помещения, приходящаяся на 1 м2 поверхности фильтрования.
Большого промышленного распространения нутч-фильтры сейчас не
имеют.
Фильтр-пресс автоматизированный камерный ФПАК.М периодичес-
кого действия имеет большое распространение в промышленности. Он
предназначен для фильтрования тонкодисперсных суспензий, содержа-
щих 5—500 кг/м3 твердых частиц размером .не более 3 мм при темпе-
ратуре суспензий 5—90° С. ФПАКМ состоит из горизонтальных плит /
(рис. 2.6), перемещающихся по стяжкам 2 с помощью электромехани-
ческого зажимного устройства 12, фильтрующей перегородки в виде
бесконечного полотна 7 и системы питания фильтра, суспензией, про-
мывной жидкостью, отвода фильтрата и жидкости.
Фильтр работает следующим образом. Фильтровальные плиты при
опускании образуют зазор шириной 45 мм. Фильтровальная ткань в
52
” а б л и u a 2. 3
Схемы основных видов фильтров
Вид
фильтра
Разновидность конструктивных схем
С плоской
фильтрующей
перегородкой
Путч, работающий под дав-
лением: 1 — перегородка опор-
ная; 2 — перегородка кольце-
вая; 3 — рубашка; 4 — кор-
пус; 5 — клапан предохрани-
тельный; 6 — штуцер для
сжатого воздуха; 7 — крышка
съемная; 8 — штуцер для сус-
пензии; 9 — сетка защитная;
10 — перегородка фильтро-
вальная; 11 — днище; 12 —
штуцер для фильтрата
ФПАКМ — фильтр-
пресс автоматизирован-
ный камерный (с гори-
зонтальными камерами):
1 — плиты фильтро-
вальные; 2 — плиты
опорные; 3 — ролики
направляющие; 4 —
ткань фильтровальная
Фильтр-пресс с вертикальными рамами (плиточнэрам-
пый фильтр-пресс): 1 — плита неподвижная; 2 — плиты; 3 —
рамы; 4 — плита подвижная; 5 — опорный брус; 6 — гид-
равлическая система; 7 — штуцер для промывной жидкости;
8 — штуцер для суспензии
Дисковый: 1 — вал полый;
2 — диски; 3 — ванна; 4 —
головка распределительная
Тарельчатый: 1 — дн:к горизон-
тальный пустотелый; 2 — ткань
фильтрующая; 3 — нож; 4 голов-
ка распределительная; 5 — трубка
для фильтрата
53
Продолжение табл, 2. 3
С плоской
фильтрую-
щей перего-
родкой
Ленточный вакуум-фильтр:
1 — ролик; 2 — барабан при-
водной; 3 — вакуум-камеры
для промывной жидкости; 4 —
форсунки для промывной жид-
кости; 5 — лента резиновая
опорная; 6 — вакуум-камера
для фильтрата; 7 — лоток для
суспензии; К — барабан на-
тяжной; 9, 10 — коллекторы;
12 — бункер для осадка
С цилин-
дрической
фильтрую-
щей перего-
родкой
Барабанный ячейковый ва-
куум-фильтр с наружной по-
верхностью фильтрования; 1 —
барабан; 2, 6 — полости рас-
пределительного устройства,
сообщающиеся с источником
вакуума; 3 — ролик направ-
ля ющий,- 4 — устройство раз-
брызгивающее; '5 — лента бес-
конечная; 7, 11 — полости рас-
пределительного устройства,
сообщающиеся с источником
сжатого воздуха; 8 — устрой-
ство распределительное; 9 —
нож для съема осадка; 10 —
трубка соединительная; 12 —
мешалка; 13 — резервуар для
суспензии
Барабанный ячейковый вакуум-
фильтр с внутренней поверхно-
стью фильтрования; 1 — борт
кольцевой; 2 — планка продоль-
ная; 3 — устройство распредели-
тельное; 4 — трубка соединитель-
ная; 5 — ячейка; б —перегород-
ка опорная; 7 — цилиндр; 8 —
бункер; 9 — транспортер ленточ-
ный
Барабанный безъячейковый ва-
куум-фильтр: 1 — барабан пер-
форированный; 2 — вал нспо-
движний; 3 — труба для фильт-
рата; 4 — камера; 5 — трубы
для удаления промывной жидко-
сти; 6, 10 — трубки для сжато-
го воздуха; 7,9 — щели; 8 —
колодка; 11 — устройство для
подачи сжатого поатуха
54
Окончание табл. 2. 3
Патронный фильтр: 1 —
корпус; 2 — патроны; 3 — ка-
нал в плите; 4 — канал в пат-
роне; 5 — штуцер для цирку-
лирующей суспензии; 6 —
крышка; 7 — вертикальный
канал в плите; 8 — плита;
Р — шарнирное устройство;
10 — перегородка перфориро-
ванная; 11 — груба для сус-
пензии; 12 — днище
этот период перемещается с помощью приводного барабана 15 через
желоб (камеру регенерации) 13 и через .натяжное приспособление вхо-
дит в плитное пространство. При сжатых плитах суспензия поступает
в камеры фильтрования (рис. 2.7). Жидкая фаза проходит через
фильтрующую ткайь и перфорированный лист 4 в камеру и коллектор
1 фильтра. •
Твердая фаза задерживается на поверхности ткани п виде осад-
ка с максимальной толщиной 0,5 <мм. Затем осадок промьвается соот-
ветствующей жидкостью и отжимается резиновой диафрагмой.
Во время разгрузки фильтровальная ткань приводится в движе-
ние, осадок снимается ножами 8 (см. рис: 2. 6) и одновременно выгру-
жается на транспортеры 14 с обеих сторон плит. По окончании вы-
Рис. 2.6. Автомати-
ческий фильтр-пресс
ФПАКМ: 1 — фильтро-
вальная ткань; 2 — на-
тяжное устэйство; 3,4 —
коллекторы соответст-
венно для суспензии и
фильтрата; 5, 12 — пли-
ты верхняя ц нижняя;
6 — стяжкг, 7 — филь-
тровальные плиты; 8 —
ножи съем; осадка; 9—
роппки", 10 — плита на-
жимная; 11 — устройст-
во электромеханическое
зажимное; 13 — желоб;
14 — транспортер; 15 —
приводной барабан для
передвижения ткани
Рис. 2.7. Фильтрующие камеры ФПАКМ и схема их ра-
боты: 1 — секция коллектора; 2 — рама; 3 — плита; 4 --
перфорированный лист; 5 — спирали; 6 — диафрагма; I —
фильтрация; II — просушка осадка; III — выгрузкА осадка;
Л — отвод фильтрата, концентрированной и слабой нэомын-
иых жидкостей; В — подача суспензии, промывной жидко-
сти и воздуха; С — подача воды па диафрагму
грузит осадка от электрогидравлического командоаппарата автомати-
чески отключаются система подачи воды (или другой моющей жидко-
сти) в камеру регенерации, где ткань промывается струями жидкости
и очищается скребками или щетками, и механизм движения выгрузоч-
ного транспортера. ФПАКМ полностью автоматизировал, что позволяет
быстро настроить его на оптимальный технологический режим. Метал-
лоемкость фильтр-пресса, отнесенная к единице произвбдительности по
фильтруемой суспензии, в 2—3 раза меньше, чем у рамных прессов, а
металлоемкость, отнесенная к 1 м2 фильтрующей поверхности, ниже,
чем у барабанных фильтров непрерывного действия.
Использование ФПАКМ позволяет увеличить производительность
груда в 4—10 раз по сравнению с рамными фильтр-преосами периоди-
ческого действия и резко сократить расход фильтровальной ткани.
Детали и узлы ФПАКМ изготовляют из углеродистых сталей при
работе с щелочными и нейтральными средами и из стали Х18Н10Т и
титана при работе с кислыми средами.
Отечественная промышленность выпускает ФПАКМ со следующи-
ми параметрами:
Площадь поверхности фильтрации
Ширина ткани
Зазор между плитами
Максимальное рабочее давление
Занимаемая площадь
Масса
.- 2,5—25 »г
— 0,75—1,10 м
— 45 йм
-• 1,5 МПа
— 4,0—8,6 м2
-- 4,55—15,00 т
Рамный фильтр-пресс является фильтром перигадичеокопо действия.,
работающим под давлением. В нем сила тяжести фильтрата перпенди-
кулярна направлению его движения. Фильтр-пресс, с вертика.'.пшыми
рамами (см. табл. 2. 3) состоит из чередующихся плит и рам одина-
ковых размеров, опирающихся на два горизонтальных бруса. Между
соприкасающимися поверхностями! плит и рам располагаются ткане-
вые фильтровальные перегородки, служащие также для уплотнения
плит и рам по периферии в период смыкания пресса, осуществляемо-
го путем прижима к неподвижной плите .всех фильтрующих плит и рам
от гидропривода через подвижную плиту. В неподвижной плите име-
ются штуцера для входа суспензии и промывной воды. Эти штуцера
5G
сообщаются с каналами, которые образованы совпадающими отвер-
стиями в плитах in рамах во В|ремя их смыкания. Фильтрат и промыв-
ная жидкость удаляются через штуцера, имеющиеся в каждой проме-
* ж уточ но й пли те.
Конструкции плит и рам разнооОразны и отличаются взаимным
расположением каналов для суспензии, промывной жидкости и сжатого
воздуха, наличием или отсутствием каналов для циркуляции теплоно-
сителя или охлаждающей жидкости. Плиты и рамы могут иметь пря-
моугольную или круглую форму, изготавливаться из чугуна, стали, ке-
рамики, дерева. Размеры чугунных рам—до 1X1X0,045 м.
К достоинствам рамных фильтр-прессощ относятся большая поверх-
ность фильтрования на единицу занимаемой площади (общая поверх-
ность фильтр-пресоов с размерами плат 1X1 м достигает 140 м2), воз-
можность отключения отдельных ’неисправных плит, отсутствие движу-
щихся частей в процессе эксплуатации.
Их недостатки — необходимость в ручном обслуживании, несовер-
шенная •промывка осадка, быстрое изнашивание фильтрующей ткани.
Имеются модели фильтр-прессов с механизированной выгрузкой
осадка, в которых используются устройства для перемещения плит и
рам [12]. „
Плиты и рамы фильтр-пресса изготовляют из металла, пластичес-
ких масс, армированной резины или дерева [16].
Листовые фильтры работают под давлением. Направление движе-
ния фильтрата и силы тяжести у них .взаимно перпендикулярны. Имеет-
ся’ несколько конструктивных разновидностей фильтров. Большее рас-
пространение получили вертикальные листовые фильтры, основными
элементами которых являются фильтровальные листы, расположенные
внутри цилиндрического корпуса. Суспензия поступает через штуцер
в корпус фильтра. Жидкая фаза проходит'внутрь фильтровальных лис-
тов. собирается в коллекторе и выходит из аппарата. Твердая фаза на
капливается в виде осадка на внешней поверхности листав, сбрасыва-
ется с нее обратным толчком сжатого воздуха или воды и удаляется
из конической части днища фильтра через штуцер.
В новой конструкции фильтра ЛВ-130 (рис. 2.8) фильтрующий
лист представляет собой раму 4, состоящую из каркаса и фильтрую-
щей сетки или ткани. В верхней части рамы имеются две планки: одна
входит в паз гребенки корпуса 2, другая — в специальную направляю-
щую корпуса с зажимным устройством. Прорези в середине рамы да-
ют возможность свободно вынимать ее без выдвигания питающей тру-
бы. Последняя служит для подачи суспензии и промывной жидкости.
Во время разгрузки фильтра труба приводится во вращение и получа-
, ет одновременно возвратно-поступательное -движение; при этом струи
воды из ее сопл смывают осадок за несколько оборотов трубы.
Лопасти 5, вращающиеся с частотой 10—12 об/мин, предназначе-
ны для ускорения выгрузки осадка из конической части фильтра.
Фильтрат отводится из каждой рамы через штуцер в кольцевой кол-
лектор 7, через который может также подаваться пар или сжатый воз-
дух для отдувки или пропаривания осадка.
Крышка фильтра соединяется с корпусом при помощи байонетного
затвора, для поворота которого служат гидроцилиндры. Гидроцилиндр
8 предназначен для подъема крышки 1. Управление работой фильтра
автоматизировано; возможно и дистанционное управление. Техническая
характеристика фильтра ЛВ-130:
Поверхность фильтрования - 130 м2
Число фильтрующих рам - - 42
Максимальное давление фильтрования - - 3,0 МПа
Давление смывной жидкости — 5,0 МПа
Производительность по фильтрату — 20 м3/ч
Масса фильтра — 9,8 т
57
Воздух.
к
Рис. 2.8. Автоматизированный вертикальный листовой фильтр ЛВ-130:
I — крышка; 2 — корпус; 3— труба для подачи суспензии и смывной, жидко-
сти; 4 — рама фильтровальная; 5 — механизм выгрузки осадка; 6 — привод
механизма выгрузки осадка; 7 —коалектор фильтрата; 8 --цилиндр механиз-
ма затвора крышки
Фильтр ЛВ-130 .занимает меньшую (на 60%) площадь и менее ме-
таллоемок (на 55%) по сравнению с горизонтальными листовыми
фильтрами.
Патронный фильтр- по принципу действия аналогичен листовому
и отличается от него тем, что вместо листов внутри корпуса фильтра
располагаются фильтровальные патроны, состоящие из пористых колец
/ (рис. 2.9), нанизанных на закрытую снизу центральную трубу 2
с радиальными отверстиями 3 и продольными ребрами 5.
funompam
Рис. 2.9. Фильтрующий
патрон (в разрезе): 1 — коль-
цо пористое; ‘1 — труЗ а цент-
ральная; 3 — радиальное от-
верстие; 4 — слон ссадка; 5—
рфр т> продол: пос'. Г; —j ana'i
вертикальный
Барабанные фильтры являются аппаратами непрерывного дейст-
вия. Различают барабанные фильтры, работающие пол вакуумом .(для
них направления движения фильтрата и действия его силы тяжести
противоположны) и под избыточным давлением (здесь направление си-
лы тяжести и движения фильтрата совпадают). В зависимости от кон-
струкции барабана фильтры могут быть ячейковыми и безъячейковы-
ми. Если фильтрат поступает внутрь барабана, а осадок остается на
внешней его поверхности, то аппарат называется фильтром с наружной
поверхностью фильтрования.
58
Наибольшее распространение в химической промышленности по-
лучили вакуумные барабанные фильтры с наружной фильтрующей по-
верхностью.
На рис. 2. 10 показан продольный разрез ячейкового барабанного
вакуум-фильтра.
Рис. 2.10. Ячейко-
вый барабанный вакуум-
фильтр с нг ружной по-
верхностью фильтрова-
ния: 1 - барабан; 2 --
ячейка; 3 — соедини-
тельная труба; 4 — цап-
фа полая; 5 — вал; б —
распределительное уст-
ройство; 7 — мешалка
маятниковая
Основными элементами конструкции данного фильтра являются
полый барабан 1 с перфорированной цилиндрической шверхностью,
разделенный на ячейки 2, которые образованы внутренними прямо-
угольными перегородками и сообщаются с помощью соединительных
трубок 3 с распределительным устройством 6. Посредством соедини-
тельных трубок барабан крепится к полой цапфе 4, которая жестко
соединяется с полым валом 5, передающим ему крутящий момент от
привода. Барабан частично погружен в резервуар с суспензией (сте-
пень погружения — 0,3—0,5), где для предотвращения осаждения твер-
дых частиц медленно качается маятниковая мешалка 7. Перфорирован-
ный металлический барабан покрывается сверху фильтрующей тканью.
Схема действия фильтра показана в табл. 2. 3.
При вращении барабана в направлении стрелки каждая ячейка со-
единяется трубкой' с различными полостями неподвижной’ части рас-
пределительного устройства и проходит последовательно золы фильтро-
вания, первого обезвоживания, промывки, второго обезвоживания, уда-
ления осадка н регенерации ткани. В зоне фильтрования ячейка сопри-
касается с суспензией, находящейся в резервуаре, и соединяется труб-
кой с полостью распределителя, которая сообщается с источником ва-
куума. При этом фильтрат через трубку и полость уходит в сборник,
а на поверхности ячейки (фильтрующей ткани) образуется осадок.
В зоне первого обезвоживания осадок соприкасается с атмосфер-
ным воздухом, а ячейка продолжает сообщаться с вакуумом. Жидкая
фаза из (кадка отсасывается.
В зоне, промывки на частично обезвоженный оеадок из разбрызги-
вающих устройств подается промывная жидкость, а ячейка сообщается
с вакуум-л’инией, по которой эта жидкость уходит в другой сборник.
59
В зоне второго обезвоживания промытый осадок вновь соприкаса-
ется с атмосферным воздухом, а ячейка остается соединенной с вакуу-
мом. Для предотвращения образования в осадке трещин во время про-
мывки и последующего обезвоживания на него накладывается беско-
нечная лента, которая перемещается вместе с осадком вследствие сил
трения, сглаживая и разравнивая его поверхность.
В зоне удаления осадка ячейка через трубку сообщается с по-
лостью сжатого воздуха, под действием которого осадок разрыхляется,
отделяется от ткани, после чего скользит по поверхности ножа и по-
ступает на дальнейшую обработку.
В зоне регенерации ткань продувается сжатым воздухом, продол-
жающим поступать через трубку в ячейку. Для предохранения от рас-
тяжения при продувке ткань прижимается к поверхности барабана
специально намотанной тонкой проволокой.
Для последовательного соединения каждой ячейки с источниками
вакуума или сжатого воздуха служит распределительное устройство
(рис. 2. 11).
Рис. 2.11. Распределительное устройство барабанного вакуум-
фильтра: 1 — трубопровод для удаления промывной жидкости;
2 — трубопроводы для подачи Сжатого воздуха; 3 — корпус не-
подвижный; 4 — вакуумметры; 5 — вращающаяся цапфа; 6 —
вращающаяся шайба; 7 — пружина; 8 — отверстия в шайбе; 9,
11, 12, 13 — прорези в неподвижной шайбе; 10 — шайба съемная
неподвижная; 14 — соединительная трубка; 15 — трубопровод
для удаления фильтрата
•При вращении барабана каждая ячейка трубкой 14 й отверстием
1 последовательно соединяется с прорезями 13, 9 (зоны фильтрования
и первого обезвоживания), 11 (зона удаления осадка) и 12 (зона реге-
нерации ткани). Из распределительного устройства фильтрат и промыв-
ная жидкость поступают в сборники соответственно по трубопроводам
/5 и 1.
Сжатый воздух подается в распределительное устройство по тру-
бопроводам 2; вакуум в зонах, соответствующих прорезям 13 и 9, из-
меряется вакуумметрами 4.
В барабанных фильтрах без распределительной головки ячейки со-
единяются с внутренним пространством фильтра, находящимся под
разряжением, с помощью короткого патрубка, снабженного маятнико-
вым клапаном. Противовес клапана удерживает его в одном положе-
нии; при вращении барабана клапан скользит по поверхности патруб,-
ка, который открывается и закрывается на соответствующем секторе.
Фильтрат отводится через полую цапфу. Промывка осуществляется ма-
лым количеством вады, которая смешивается с фильтратом. Осадок
снимается без отдувки.
Такие фильтры по сравнению с ячейковыми имеют высокие произ-
водительность и эффективность промывки; малые гидравлические со-
противления каналов; их поверхности легко защитить от действия аг-
рессивных суспензий защитными покрытиями; у них значительно сни-
жается засасывание воздуха через неплотности и улучшаются условия
прохождения фильтрата через каналы. Но поскольку последний смеши-
вается с промывной жидкостью, такие фильтры попользуются в тех
случаях, когда фильтрат не представляет особой ценности и может
быть смешан с промывной) жидкостью.
Другая конструкция аппарата без распределительной головки—
безъязыковый фильтр (см. табл. 2.3). В нем барабан вращается во-
круг пустотелой оси, являющейся -опорой для камер промыт.ки и отдув-
ки осадка. Oct) разделена радиальными перегородками на несколько
каналов, к которым подведены трубопроводы, соединяющие камеры
фильтра с источниками вакуума и сжатого воздуха. К достоинствам
этого фильтра можно отнести малый расход сжатого воздуха и воз-
можность разделения фильтрата и промывной жидкости. Однако в нем
затруднительна замена уплотняющего материала в зоне отдувки осад-
ка.
Стандартные барабанные вакуум-фильтры с поверхностью фильт-
рации от 1 до 40 м2 имеют барабан диаметром 1—3, длиной 0,35—4,0 м.
Барабан вращается от электродвигателя мощностью 1,1—4,5 кВт с
частотой 0,1—3,0 об/мин, регулирование которой производится с по-
мощью коробки скоростей.
Барабан и ванна фильтров общего назначения изготавливаются
из чугуна или стали. При разделении кислых и нейтральн 4х суспензии,
когда недопустимо попадание окислов железа в ф-ильтрат или осадок,
применяются фильтры, в которых все детали, соприкасающиеся с сус-
пензией и фильтратом, сделаны из нержавеющей стали, пластмасс или
гуммируются. Конструкционными материалами для изготовления бара-
банных фильтров служат также легированные стали и монель.
Дальнейшее усовершенствование таких фильтров предусматривает
улучшение условий перемешивания суспензии в ванне, качества про-
мывки и обезвоживания осадка на фильтре и предотвращение растрес-
кивания осадка. Важное место занимает выбор рационального метода
съема осадка с фильтрующей ткани.
Дисковые фильтры. В этих аппаратах направление движения филь-
трата перпендикулярно действию силы тяжести. Они представляют со-
бой резервуар, разделенный на секции 5 (рис. 2. 12), в каждой из кото-
рой вращается вертикальный фильтровальный диск 2. Все диски укреп-
лены па одном полом приводном валу. Для отвода фильтрата и пода-
чи сжатого воздуха служит распределительное устройство 3, соединен-
ное с трубопроводами 1 и 2. Конструкция распределителы-ого устрой-
ства аналогична описанной выше для барабанных вакуум-фильтров.
Фильтры больших моделей имеют две распределительные головки.
Суспензия поддерживается на одинаковом уровне в секциях резер-
вуара с помощью переливных трубок и постоянно перемешивается
маятииковымн мешалками. Диски погружены в суспензию примерно на
половину диаметра. Они изготовляются из отдельных секторов. Для об-
легчения съема осадка и уменьшения износа фильтрующей перегород-
ки секторы делают выпуклыми.
61
4
Рис. 2.12. Диско-
вый взкуум-фильтр: 1 —
вакуум-трубопроводы;
2 — трубопроводы сжа-
того воздуха; 3 — рас-
пределительное устрой-
ство; 4 — фильтроваль-
ные диски; 5 — секция;
6 — ножи для съема
осадка
Осадок снимается с помощью сжатого воздуха . (для отдувки) и
ножей или валиков. Направляющими для отделенного осадка служат
наклонные пластины, закрепленные шарнирно в секции резервуара.
Отечественные стандартные дисковые фильтры имеют следующие
значения параметров:
Фильтрующая поверхность
Диаметр диска
Число дисков
Частота вращения дисков
Мощность электродвигателя
— 1—85 м2
— 0,9—2,5 и
— 1 — 10
— 0,13—2,0 об/мин
— 0,2—5,0 кВт
По сравнению с другими аппарата-ми дисковые фильтры отличают-
ся наибольшей фильтрующей поверхностью на единицу . занимаемой
площади, возможностью осуществлять ремонт отдельных дисков, ма-
лым расходом фильтрующей ткани и небольшим расходом энергии.
Недостатки фильтров — плохо осуществляется промывка -осадка.
Поэтому они пригодны для разделения суспензий, содержащих доста-
точно однородные и медленно осаждающиеся твердые частицы, кото-
рые образуют не растрескивающийся и -не требующий промывки оса-
док.
Дисковые фильтры, как и барабанные, могут работать и под дав-
лением. В этом случае вал с дисками помещен в закрытом корпусе, где
с помощью сжатого воздуха или инертного газа создастся давление до
0,70 МПа. Мутный и чистый фильтрат выходит раздельно через концы
дискового вала. Осадок снимается ножами и выводится из аппарата
шнековым устройством с пружинным клапаном. Фильтрующая поверх-
ность таких фильтроз составляет 2,3—74,3 м2.
Ленточные фильтры. Это фильтры непрерывного действия, направ-
ление действия силы тяжести и движения фильтрата в них совпадает.
Они представляют собой горизонтальные аппараты (см. табл. 2.3), в
которых опорная резиновая лента с про-резями и бортами перемещает-
ся ио замкнутому пути при помощи приводного и натяжного бараба-
нов. Фильтровальная ткань в виде бесконечной ленты прижимается к
опорной резиновой при натяжении роликов. Суспензия поступает на
фильтровальную ткань из лотка, а промывная жидкость .подается на
образовавшийся осадок из форсунок. Фильтрат отсасывается в камеры,
находящиеся под опорной резиновой лентой на участке осаждения, и
отводится через соответствующий коллектор. Промывная жидкость от-
сасывается (по аналогии с фильтратом) в свои камеры на участок про-
мывки осадка и уходит через коллектор в другой сборник. На привод-
ном барабане фильтровальная ткань отходит от ре'-пновоп лепты и
5:1
огибает ролик, вследствие чего осадок отделяется от ткани и падает
в приемный бункер..Для улучшения отделения осадка от фильтрующей
ткани этот ролик делается перфорированным; во внутреннюю камеру
его подается сжатый воздух или пар. На холостой ветви фильтрующая
ткань промывается или очищается щетками.
В ленточных фильтрах имеются также устройства для заглажива-
ния трещин на осадке и вибраторы для уменьшения его влажности.
Ленточные фильтры изготовляют с шириной ленты 0,5—1,0 м и
площадью фильтрации 3,2—4,8 м2. Преимущества данных стильтров —
отсутствие распределительной головки, возможность осаждения круп-
ных частиц под действием силы тяжести и работы с тонким слоем
осадка, удобство промывки. Их недостатки — малые поверхность фильт-
рации и коэффициент использования фильтрующей ткани, необходи-
мость равномерной подачи суспензии, получение мутного фильтрата, ох-
лаждение суспензии.
Усовершенствованной моделью^ является непрерывно действующий
ленточный фильтр, работающий под давлением. Устройство его ана-
логично вакуум-фильтру, только весь он заключен в герметический кор-
пус, внутри которого создается избыточное давление с помощью возду-
ха или инертного газа.
Выбор фильтрующей перегородки и типа фильтра. Материал
фильтрующей перегородки выбирается в зависимости от агрессивности
фильтруемой суспензии и дисперсности ее твердой фазы. Фильтрующие
перегородки изготовляются из текстильных и волокнистых материалов:
бязи, парусины, тика, сукна, шелка, асбеста, шлаковой и стеклянной
ваты, бумаги .и картона. Для повышения кислотостойкости хлопчатобу-
мажные ткани подвергаются нитрованию. Шерстяные ткани устойчи-
вы к кислотам, но разрушаются щелочами. Наиболее устойчивы фильт-
рующие перегородки из асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, а также
металлические сетки -из бронзы и коррозионно-стойкой стали. Зернис-
тые и волокнистые перегородки изготовляют из песка, инфузорной зем-
ли, кокса, угля, целлюлозы и т. п. Эти перегородки используются в тех
случаях, когда твердая фаза суспензии имеется в малом количестве и
не используется после фильтрования.
Жесткими фильтрующими перегородками являются керамические
кольца, плитки, свечи, галька, стойкие к действию кислот и щелочей и Л
позволяющие получить чистый фильтрат. Коллоидные пленки или ма-
териалы изготовляют из нитроцеллюлозы, пергаментной бумаги и др.
Они имеют мелкие поры (1—3 мкм) и могут задерживать коллоидные
частицы.
Центрифуги. Одним из распространенных методов разделения не-
однородных жидких систем (суспензий и эмульсий) является центри-
фугирование, осуществляемое в специальных машинах — центрифугах.
В центрифугах процессы отстаивания и фильтрации происходят в по-
ле центробежных сил, которые дают больший эффект раздодеиия, чем
силы, действующие в фильтрах.
Основным источником возникновения центробежных сил в центри-
фуге является быстро вращающийся .ротор (барабан).
При вращении ротора и находящегося в нем материала .возникает
центробежная сила С (в Н), величина которой равна:
_ mW2 _ GW2 _ Gn2R
R gR 900 ’
при .T~g,
R n
где G — вес ротора с материалом, Н; W='-^- —окружная скорость
ротора, м/с; п — частота вращения ротора, об/мин; R — внутренний ра-
диус ротора, м; g—ускорение свободного падения, м.'сФ
При вращении тела весом G=1H C = n2R/900. Одним из основных
критериев оценки эффективности работы центрифуги является фактор
разделения:
Ф?, = w'1R/g « n2R/'9OO.
Он показывает, во сколько раз центробежное ускорение, развивае-
мое в данной центрифуге, больше ускорения свободного падения. Чем
больше ФР, тем интенсивнее происходит процесс центрифугирования.
Величина фактора разделения в современных центрифугах лимитиру-
ется'условиями прочности in динамической устойчивости машин.
Вторым важным показателем работы центрифупи является индекс
производительности 2, характеризующий разделяющую способность
центрифуги:
2=ПФР,
где F — площадь цилиндрической поверхности осажден ля в роторе, м2.
Центрифуги 'классифицируются по различным признакам.
По величине фактора разделения центрифуги подразделяются па
нормальные (Фр<3500) и .сверхцентрифуги (Фр>3500).
По принципу действия центрифуги делятся на отстойные и фильт-
рующие. Роторы отстойных центрифуг имеют сплошную, а фильтрую-
щих перфорированную стенку, покрытую фильтровальной сеткой или
тканью. Нормальные центрифупи могут быть отстойными и фильтрую-
щими, а сверхцентрифуги — отстойного типа, используемые для разде-
ления топкодисперсных суспензий (трубчатые оверхцентрифуги) и
эмульсий (жидкостные сепараторы).
Фильтрующие центрифуги применяют для разделения сравнитель-
но крупнодисперсных суспензий кристаллических и аморфных продук-
тов, промывки получающихся осадков, а также для обезвоживания
штучных изделий.
Отстойные центрифуги предназначены для плохо фильтрующихся
суспензий и эмульсий, а также для разделения суспензий по крупности
частиц твердой фазы. Отстойные центрифуги подразделяются па уни-
версальные, обезвоживающие, осветляющие, сепарирующие.
По способу выгрузки осадка из ротора различают центрифуги с
ручной, ножевой (с помощью ножей или скребков), шнековой, инер- ,
ц-ионной,, гидравлической, пневматической (с предварительным подреза-
нием осадка ножом) выгрузкой, с пульсирующими или выталкивающи-
ми поршнями и т. д.'
По расположению оси ротора в пространстве центрифуги могут 'г
быть вертикальными, горизонтальными и наклонными.
По способу крепления вала вертикальные центрисэуги делятся на
подвесные с верхним приводом и вертикальным валом, имеющим шар-
нирную упругую опору над ротором; подвесные с нижним приводом
(маятниковые), упруголодвешенные на колоннах; с опорами вертикаль-
ного вала, расположенными в общем жестком корпусе; с валом, имею-
щим'жесткие или упругие опоры ниже ротора (с подтертым валом).
По режиму работы центрифуги делятся па машины периодическо-
го и непрерывного действия.
На рис. 2. 13 показана схема классификации основных видов цен-
трифуг, построенная на основе учета расположения оси вращения рото-
ра. в пространстве, режима работы центрифуги и способа выгрузки
осадка из ротора.
В данной схеме классификации не обозначено, какие центрифуги
являются отстойными и какие фильтрующими потому, что многие
центрифуги могут быть как первого, так и второго вида. Ниже будет
указано, какие из машин имеют преимущественное пспольтшачнд т
качестве фильтрующих и отстойных.
64
[Центрифуги [
Периодического
действия
। . I - —. . J--------1
[ Вертикальные | [ Горизонтальные| [Наклонные
цействия| Периодического
------------ действия -----------
Непрерывного' действия
С ручной ____
выгрузкой
_ С гидравлической
выгрузкой
С ножевой
(скребковой)____
выгрузкой
С выталкивающим
поршнем
С ножевой
(скребковой;
выгрузкой
С пульсирующим поршнем—
С гравита-
ционной _ _
выгрузкой _ £О шнековой выгрузкой —
С пневмо-
механической . _ X
выгрузкой L- С инерционной выгрузкой^
Рис. 2.13. Схема классификации центрифуг
В табл. 2. 4 приведены схемы конструктивных разновидностей ма-
шин, нашедших наибольшее распространение в промышленности.
Вертикальные центрифуги с ручной (верхней или нижнеа) выгруз-
кой осадка являются машинами периодического действия. Наибольшее
распространение в химической промышленности получили подвесные
трехколенные (маятниковые) центрифуги.
Трехколонные центрифуги с верхней выгрузкой имеют марки ФМБ,
с нижней выгрузкой — ФМД. Их основные параметры:
ФМБ ФУ.Б (2 вида)
Диаметр ротора, мм
Рабочая емкость ротора, л
Частота вращения ротора, об/мин
Фактор разделения
630—1500
45—100
1450—760
740—48 В
809, 1200
99, 250
1289, 950
739, 600
Эти центрифуги применяются для отделения жидкости ст механи-
ческих примесей и разделения средне- и крупиодисперсных суспензий,
требующих длительного центрифугирования.
Однако ручная выгрузка осадка снижает производительность цент-
рифуг и требует применения тяжелого физического труда. Поэтому по-
явились различные варианты механизации .выгрузки осадка из цент-
рифуг. Для этой цели используются различного вида ножи или скребки,
приводимые в движение от электродвигателей, гидро- или ииевмоци-
ЛИН!ДРО1В.
Верхняя механизированная выгрузка труднотранспортируемых
пастообразных осадкой большой влажности осуществляется с помощью
устройства «Родоматик», состоящего из ножа и шнека, расположенного
н трубе диаметром 80—100 мм. Нож срезает осадок, а шнек, вращаясь
с частотой 300—700 об/мин, обеспечивает быструю выгпузву осадка
[54]. •
Для сыпучего осадка успешно применяется пневмомеханическая
выгрузка. Специальным вентилятором высокого давления внутрь цент-
рифуги подводится воздух или инертный газ под давлением 2—4 кПа.
5. Заказ 710
65
Таблица 2.4
Схемы основных видов центрифуг
Вид
центрифуг
Разновидность конструктивных схем
Вертикаль-
ные
С подвесом на колонках
(маятниковая) н верхней вы-
грузкой осадка: 1 — корпус;
2 — ротор: 3 — пружина; 4 —
колонка; 5 — станина; 6 —
днище
Подвесная с шжней скреб-
ковой выгрузкой осадка: 1 — 1
трубопровод д/я суспензии;
2 — ротор сс> сплошными
стенками; 3 — вал; 4 — ко-
жух; <5 — крынка коническая;
6 — штуцер для фугата; 7 —
ребра соединительные
Горизон-
тальные
С выгрузкой осадка ножом
(скребком): 1 — канал для
удаления осадка; 2 — труба
для суспензии; 3 — ротор
перфорированный; 4 — гидро-
цилиндр для подъема ножа;
5 — кожух; 6 — нож; 7 —
желоб; 8 — штуцер для фуга-
та
С. пульсирующим поршнем для
удаления осадка: 1 — поршень; 2 —
сито щелевое; 3 — ротор перфориро-
ванный; 4 — воронка коническая;
5 — труба для суспензии; 6 — ка-
нал для удаления осадка; 7 — шту-
цер для фугата; <’ — вал полый; 9 —
шток; 10 — диск, перемещающийся
возвратно-поступательно
66
Окончание табл. 2. 4
2
Шнеко-
вые
Горизонтальная осадитель-
ная: 1 — отверстия для осад-
ка; 2 — отверстия для про-
хождения суспензии; 3 — ко-
нический ротор со скошенны-
ми стенками; 4 — кожух; 5 —
отверстия для , фугата; б —
труба внутренняя 7 — труба
наружная; 8 — полые цапфы;
9 — камера для фугата; 10 —
шнек; 11 — отверстия для
прохождения суспензии; 12 —
цилиндрическое основание шне-
ка; 13 — камера для осадка
Вертикальная фильт-
рующая с инерционной
выгрузкой эсадка; 1 —
воронка для суспензии;
2 — ротор; 3 — штуцер
для жидкой фазы; 4 —
канал для удаления
твердых частиц; 5 —
j1рсцессион-
ная
шпек
сшерхцент-
рифуги
С инерционной выгрузкой осадка:
1 — корпус; 2 — ротор; 3 — муфта
карданная; 4 — вал; 5 — вал по-
лый; 6 — шкивы
. Трубчатая: 1 — лопасть;
2 — ротор; 3 — кожух; 4 —
отверстия; 5 — шкив; 6 —
опора; 7 — шпиндель; 8 —
труба для отвода осветленной
жидкости; 9 — подпятник;
10 — труба для суспензии
Сепаратор жидкостной: 1 — реб-
ра; 2 — отверстие для отвода бо-
лее тяжелой жидкости; 3 — канал
кольцевой для отвода легкой жидко-
сти; 4 — труба для эмульсии; 5 —
тарелки
Срезанный ножом осадок захватывается газом, который уходит через
выходной патрубок, и по трубе доставляется в циклон, где отделяется
от газа. Освобожденный .от твердой фазы газ вновь наплетается венти-
лятором в центрифугу. Транспортировка осадка может сопровождаться
его подсушкой. В этом случае между вентилятором и центрифугой
устанавливаются конденсатор (для выделения из газа испарившейся
влаги) и пластинчатый теплообменник (для подогрева газа, идущего
в центрифугу).
В трехколенной центрифуге со скребком и нижней выгрузкой
(рис. 2. 14) суспензия поступает через штуцер 9 и отбрасывается к пер-
Рис. 2.14. Трехколонная фильтрующая центрифуга со
скребком: 1 — колонка; 2 — станина; 3 — тяга; 4 — конус;
5 — корпус; б — ротор; 7 — гидроцилиндр механизма дви-
жения скребка; 8 — скребок; 9 — штуцер для подачи сус-
пензии; 10 — крышка; 11 — вал приводной
форированному, покрытому изнутри фильтровальной тканью или ме-
таллической сеткой ротору 6. Ротор смонтирован внутри корпуса 5
на приводном валу И с помощью конуса 4. Корпус укреплен на ста-
нине 2, упруго подвешенной на трех стойках-колонках 1 с помощью
тяг 3.
Жидкая фаза суспензии пройдя через фильтрующую перегородку
и отверстая ротора, собирается в нижней части станины, откуда отво-
дится через соответствующий штуцер. Частицы твердей фазы образу-
ют осадок, который выгружается с помощью скребка 9. Скребок вы-
полнен винтообразным и приводится в движение (поворачивается) с
помощью силового гидроцили'ндра 7 и зубчато-реечной передачи. Оса-
док, срезанный скребком, проходит через отверстия, имеющиеся в ниж-
ней-'части конуса, и выводится из аппарата. В аппаратах данного ви-
да все операции центрифугирования (загрузка, фильтрация, промывка
и выгрузка осадка) автоматизированы и выполняются при различ-
ных частотах вращения ротора.
Хорошо зарекомендовали себя в промышленности автоматические
подвесные центрифуги с нижней выгрузкой осадка (см. та (л. "2 4). Ош
отличаются устойчивостью и -некоторой свободой колй а.нии ротора,
сравнительно легкой и быстрой разгрузкой осадка. Кроме того, опора
68
приводного вала и детали привода не подвергаются коррозии, так как
не соприкасаются с жидкостью.
Подвесные центрифуги предназначены для разделения суспензий,
требующих короткого цикла центрифугирования. Загрузка суспензии
и выгрузка осадка происходят периодически при сниженной частоте
вращения ротора (до 300 об/мин при загрузке суспензии и до 50—
100 об/мин при выгрузке осадка).
Отечественная промышленность выпускает подвесные центрифуги
моделей ФПН (с ножевой выгрузкой) и ФПС (с гравитационной вы-
грузкой). Их основные параметры:
Диаметр ротора
Рабочая емкость ротора
Частота вращения ротора
Фактор разделения
— 100—1250 mn
— 300—710 л
— 1000—1450 об/мин
— 700—1480
Горизонтальные фильтрующие центрифуги периодического дейст-
вия выпускаются марок ФГН. Их основные параметры:
Диаметр ротора
Рабочая емкость ротора
Частота вращения ротора
Фактор разделения
— 350—2200 мм
— 7,5—2700 л
— 600—3500 об/мин
— 445—2400
Отстойные горизонтальные центрифуги имеют марку ОГН. Наи-
большее распространение получили горизонтальные центрифуги авто-
матического действия с ножевым съемом осадка (серий АГ и АОГ).
В этих центрифугах можно выгружать осадок, не снижая частоту вра-
щения ротора, что благоприятно оказывается на режиме работы приво-
да и способствует экономии электроэнергии. Суспензия подается в го-
ризонтально вращающийся ротор (см. табл. 2.4), где разделяется на
твердую и жидкую фазы. Осадок срезается ножом, который подводит-
ся (путем поворота) к ротору с помощью гидроцилиндра и попадает в
наклонно расположенный лоток, которым и выводится из центрифуги.
Фильтрующие автоматические центрифуги (АГ) предназначены
для разделения средне- и крупнюдисперсных суспензий, зернистых, кри-
сталлических и коротковолокнистых материалов, измельчение осадка
которых при выгрузке допускается. Отстойные центрифуги (АОГ) при-
меняются для выделения твердого вещества из труднофильтруемых
суспензий средней дисперсности.
Автоматические центрифуги нормализованы, диаметр их ротора
изменяется от 800 до 1800 мм, фактор разделения составляет 520—
1300.
Основной недостаток автоматических центрифуг с ножевым съемом
осадка — возможное измельчение частиц при его съеме.
Большое распространение в промышленности получили центрифуги
непрерывного действия со шнековой выгрузкой осадка. Они могут быть
осадительными и фильтрующими. Первые распространены шире.
Осадительная шнековая центрифуга (рис. 2. 15) работает следую-
щим образом. Суспензия поступает через, трубу 6 в прлый барабан
шнека 5, откуда через отверстия 3 попадает во внутреннюю полость
конического или цилиндраконического ротора 4, вращающегося в ко-
жухе /. Под действием центробежной силы суспензия отбрасывается к
стенкам ротора. Твердая фаза суспензии осаждается на стенке ротора
п с помощью шнека 5 перемещается непрерывно к разг^хузочным от-
верстиям 2 и далее через штуцер 11 выводится из машины. Жидкая
фаза (фугат) собирается у широкого торца шнека, достигает отвер-
стий 7, переливается через них и по штуцеру 10 выводится из центри-
фуги.
Ротор и шнек вращаются с различной частотой (шнек медленнее),
69
Рис. 2.15. Осадительная шнековая центрифуга типа ОГШ: 1 —- ко-
жух; 2 — отверстия для выхода осадка; 3 — отверстия для суспензии;
4 — ротор; 5 — шнек; 6 — труба для подачи суспензии; 7 — отверстия
для выхода фугата; 8 — цапфа полая; 9 — привод; 10 — штуцер для
фугата; 11 — штуцер для осадка
вследствие чего твердый осадок .перемещается к разгрузочным окнам.
Частота вращения шнека снижается с помощью планетарного редукто-
ра /2. *
Шнековые осадительные центрифуги непрерывного действия отли-
чаются высокой производительностью и пригодны для обработки мсл-
коизмельчениых . материалов с высоким содержанием твердой (разы.
Недостатки этих центрифуг: сравнительно высокий расход энергии на
перемещение осадка и потери в редукторе, значительное измельчение
осадка и загрязнение фугата мелкоизмельченной твердой фазой.
Нашли применение в промышленности шнековые фильтрующие
центрифуги типов ФГШ и ФВШ, которые отличаются тем, что имеют
перфорированный ротор. Жидкая фаза в этих центрифугах проходит
через отверстия в роторе и выводится из машины через штуцер, соеди-
ненный с кольцевой полостью, которая образована ротором и кожухом.
Твердая фаза выводится из ротора так же, как m з осадительных
центрифугах. Машины Могут быть горизонтальными (ОГШ) и верти-
кальными (ФВШ).
Предприятия выпускают осадительные и фильтрующие центрифуги
со следующими основными параметрами:
Диаметр ротора, мм
Частота вращения ротора, об/мпп
Фактор разделения
Производительность lio осадку, т/ч
ОПП ’
200-1200
6000—800
4000—385
0,3-14
ФГ111 (ФВ.Ч)
160 400
1400- 2575
1750- 150(1
0,4-8
В химической промышленности применяют непрерывно действую-
щие центрифуги с выгрузкой осадка пульсирующим поршнем. В этих
машинах суспензия подается непрерывно, а осадок периодически вы-
талкивается поршнем-толкателем из расположенного на горизонталь1
пом валу перфорированного барабана, обтянутого фильтрующим си-
том (см. табл. 2. 4).
Существенные недостатки центрифуг этого типа: сложность конст-
рукции; загрязнение фугата осадком, частично проходящим через от-
верстия сита; значительный расход энергии на перемещение осадка,
а также сравнительно быстрый износ фильтрующей сетки.
В центрифугах непрерывного действия с инерционной выгрузкой
осадка конический ротор вращается вокруг вертикальной оси (см.
70
табл. 2.4). Суспензия поступает в центрифугу сверху через воронку,
отбрасывается центробежной силой к ротору с перфорированными стен-
ками. Жидкая фаза проходит через отверстия и удаляется через шту-
цер, а твердая фаза задерживается на стенке ротора, образуя слой
осадка. Поскольку угол наклона стенок ротора больше угла трения
твердых частиц о его поверхность, то осадок перемещаемся к нижнему
краю ротора и отводится из центрифуги по каналу для твердых час-
тиц. Для увеличения длительности периода, в течение которого жид-
кость отделяется от твердых частиц, движение их тормозится шнеком,
вращающимся медленнее ротора.
Эти цецгрнф;,;!! лрзмщщются для разделения суспензий крупно-
зернистых материалов. Их недостаток состоит в том, что невозможно
регулировать скорость движения осадка вдоль станок ротора. Весьма
перспективными являются центрифуги прецессионного типа, в которых
ротор вращается не только вокруг собственной оси, но н вокруг оси
прецессии, расположенной под углом, который можно изменять в пре-
делах 0—5°; регулируя тем самым время пребывания осадка в рото-
ре.
Изменение времени пребывания осадка в роторе можно осущест-
влять в центрифугах с вибрационной выгрузкой осадка. Особенность
этих машин .заключается в том, что ротор имеет угол наклона стенок
меньше, чем угол трения частиц о его поверхность. Следовательно, час-
тицы не могут перемещаться вдоль образующей ротора под действием
центробежных сил. Поэтому для перемещения осадка в роторе ис-
пользуются осевые вибрации, которые создаются механическим, ги-
дравлическим или электромагнитным устройствами!. Вследствие .невысо-
кого фактора разделения вибрационные центрифуги пока не получили
широкого применения в химической промышленности.
Для разделения очень тонких суспензий и эмульсий, а также для
очистки' лаков и масел применяются сверхцептрпфугп. Их преимущест-
ва — в высокой интенсивности разделения, компактности и Герметич-
ности. Последнее особенно ценно при обработке вредных и горючих жид-
костей. Недостатками сверхцентрифуг являются небольшая емкость и
периодичность работы при разделении суспензий. ,
На рис. 2. 16 показана трубчатая сверхцентрифуга. Она имеет ро-
тор 4, выполненный в виде трубы, небольшого диаметра (100—200 мм),
который в несколько раз меньше ее длины. Ротор подвешен на валу,
приводимом от электродвигателя через ременную передачу. Внутри
ротора имеется крыльчатка ic тремя-четырьмя лопастями 10, которые
препятствуют отставанию жидкости от стенок ротора при его враще-
нии.
Суспензия подается снизу в ротор через полый вал, вращается вме-
сте с ротором, перемещаясь одновременно вдоль его осн. Твердые час-
тицы осаждаются на стенках ротора, а фугат отводится через отвер-
стия в головке 2 в сливную камеру. Осадок периодически удаляется
вручную.
При разделении эмульсии расслоившиеся жидкости отводятся че-'
рез отверстия в головке 2. Более тяжелая жидкость поступает в от-
верстия у стенки ротора, а легкая отводится через отверстия, располо-
женные ближе к оси. Частота вращения сверхцептрифуг достигает,
15 000 об/мин, фактор разделения — 15 000. (
Осадительными сверхцентрифугами непрерывного действия явля-
ются жидкостные сепараторы, служащие для разделения эмульсий или
о с в с т л е.н 11 я ж и д к < гс то й.
В жидкостном сепараторе тарельчатого типа (см. табл. 2.4) об-
рабатываемая смесь в зоне отстаивания разделена на несколько слоев.
Эмульсия подается по центральной трубе в нижнюю часть ротора и
71
Рис. 2.16. Сверх-
центрифуга трубчатая:
1,3 — сборники; 2 —
головка; 4— ротор; 5 —
кожух; 6 — тормоз; 7—
диск; 8 — днищё; 9 —
корпус; 19 — радиаль-
ные лопасти
через отверстия в тарелках распределяется тонкими слоями между
ними. Более тяжелая жидкость, перемещаясь по поверхности тарелок,
отбрасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится
через внешнее кольцевое пространство. Легкая жидкость направляет-
ся к оси ротора и удаляется через внутренний кольцевой накал. Отвер-
стия в тарелках располагаются примерно по поверхности раздела тя-
желой и легкой жидкости (обозначена пунктиром). Чтобы жидкость не
отставала от ротора, последний снабжен ребрами 5.
Ротор имеет диаметр 150—300 мм, частота его вращения.— 5000—
10 000 об/мин.
2.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
МАШИН И АППАРАТОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ
В задачи параметрических расчетов машин и аппратов для раз-
деления неоднородных систем входят:
I) установление (или расчет) оптимального режима выполнения
заданного процесса (рассев, фильтрация, центрифугирование и т. п.);
2) расчет расходов неоднородных сред и их компонентов (воды,
воздуха или жидкости и газа в общем случае и т. д.);
3) определение размеров основных элементов конструкции исходя
из заданной производительности;
4) расчет энергетических затрат на реализацию процесса, т. е. рас-
чет мощности привода машин или движущихся элементов аппаратов.
Необходимо заметить, что кроме машин, предназначенных для раз-
деления смесей твердых материалов (проходов), все оборудование,
рассмотренное в данной главе, требует весьма обширны?, технологичес-
ких расчетов. Они охватывают первую и вторую задачи из указанного
перечня и решаются обычно в курсе «Процессы и аппараты химичес-
кой технологии». Поэтому ниже будут рассмотрены только отдельные
примеры таких расчетов, а большее место отводится для энергетичес-
ких расчетов.
72
Расчет вибрационного грохота. В процессе расчета устанавливает-
ся связь между весом грохота, весом, радиусом и частотой вращения
дебалансов, а также между параметрами грохота и величиной потреб-
ляемой мощности.
‘ При вращении дебаланса весом q на вал действует центробежная
сила (полагая л2^g):
P = q(o2r/g^qrn2/900, (2-1)
где г—-радиус от оси вращения до центра массы дебалачса, м; п —
частота вращения дсбаланса, об/мин.
Если грохот подвешен на z пружинах, то на одну пружину прихо-
дится все G0 = Gr/z (здесь Gr —вес грохота). Этот груз деформирует
пружину на величину а, которая с учетом жесткости пружины с опре-
деляется из соотношения:
n = Gr/(zc)=G0/c. (2.2)
Период упругого колебания массы грохота находится из соотноше-
ния, известного из теории упругих колебаний:
т,,=--2л)т/с =2n]/G0/gc. (2.3)
Период колебаний грохота возмущающей силы вибратора равен
времени одного его оборота: т = 60/п.
Затраты энергии на колебания будут минимальными, если собст-
венные колебания массы грохота совпадают с колебаниями, вызывае-
мыми вибратором, т. е.
Т,: = Т, или 2n}'Go/gc = 6O/n,
т. е.
G0/gc = 3600/nMn2,
откуда жесткость пружины
c = Gon2/9OO=G2n79OOz. (2.4)
Величина возмущающей силы вибратора, приходящейся на одну
пружину, равна Pu = P/z. Эта сила вызывает сжатие или растяжение
пружины на величину е — Ро/с.
Следовательно, с учетом выражений (2.1) и (2.4) получим
Grn2 Рп Р qrn2
С = У/ОГ = V = “zT. = 900ze ’ ОТКУДЭ
GPe=<qr.
(2. 5)
. Выражение (2. 5) устанавливает зависимость между величинами
□ г , е, q, г. Обычно Gr известен, амплитуда вибрации е принимается
по опытным данным от 1 до 3 мм. Следовательно, задаваясь одной
величиной (q или г), определяем другую из них.
Потребляемая грохотом мощность (в кВт) расходуется на преодо-
ление силы трения в подшипниках вала, величина которой определя-
ется из соотношения:
Т = ГР=^гп3(/900,
где f — коэффициент трения вала в подшипниках.
Мощность двигателя (щ кВт) с учетом к. п. д. ц привода (он ра-
вен обычно 0,8—0,9) определяется из выражения:
N - Tv - TCdn = nfqTdn3
lOOCJ-rj 900ц-103-60 60 5,4-107ц’
где d — диаметр подшипников, м.
73
Производительность вибрационных грохотов точному расчету не
поддается и является величиной опытной. Однако можно отметить, что
она пропорциональна ширине грохота, высоте слоя материала на грохо-
те и скорости его движения вдоль сита, Последняя в свою очередь
зависит от угла наклона грохота и режима вибрации сита. Ориентиро-
вочно се можно определить следующим образом. Находящаяся на на-
клонном сите частица подбрасывается в результате вибрации па вы-
соту, равную удвоенной амплитуде, т. е. 2е, а затем под действием
силы тяжести движется вертикально, смещаясь вдоль сита на величи-
ну, равную S = 2etga (где a — угол наклона сита). При и колебаний
сита в минуту скорость движения частицы v (в м/с) составляет:
v = 2e tg a-n/60.
При длине L. время пребывания частицы на сите (в с)
т= L/v = 30'L/(en tg a).
За это время должен произойти рассев материала на сэракции.
Изложенная методика расчета т является приближенной, так как
не учитывает многих факторов (помехи движению частицы со сторо-
ны других частиц в потоке, возможность прохода частицы через слой
себе подобных в поперечном направлении, проход частицы через от-
верстие в сите и т. д.). Эти факторы являются следствием случайных
событии и поэтому их количественная оценка должна осуществляться
на основе законов теории вероятности. Такая попытка предпринята в
работе [33].
Если известна скорость движения материала вдоль сита и время
рассева материала при заданной толщине слоя, то для этого потре-
буется длина сита
L = VT = enx tg a/30. (2.7)
Производительность грохота (в т/ч) можно определять ориенти-
ровочно по соотношению
Q = 3600 Bhvp„ , (2.8)
где В — ширина сита, м; h—высота слоя материала на сите, м; рп —
насыпная плотность материала, т/м3.
Расчет циклонов. Данный расчет сводится к определению основных
размеров циклона и гидравлического сопротивления газовому потоку.
При осаждении частиц в условиях, соответствующих закону Сток-
са, теоретическую скорость осаждения Wa (в м/с) ,находят по форму-
ле:
iir _ d (pl ps)Wr ..
’ (2‘9)
где рь р2 — плотность соответственно улавливаемых частиц и газовой
среды, кг/м3; Wr— окружная скорость газа в циклоне, м/с (принима-
ется равной 12—14 м/с); d — диаметр (или поперечный размер) части-
цы, м; vr—кинематическая вязкость газа, м2/с; D—диаметр цикло-
на, м/
Диаметром циклона сначала задаются, а проверяют при после-
дующем расчете.
Площадь сечения входного патрубка (в м2) определяется из соот-
ношения:
f=bh=Vc/WHX, (2. 10)
где Vr — действительный секундный объем газа, поступающего в цик-
лон, м3/с; Wnx— скорость газа во входном патрубке циклона, м/с (при-
74
нимается равной 20 м/с); Ь,
(рис. 2. 17) циклона, связанные
и остями:
h — размеры входного патрубка
с его диаметром следующими зависи-
Рис. 2.17. Схема к
расчету циклона
b = 0,21D, h = 0,66D—для циклонов НИИОГАЗа;
b = 0,66D, h = 0,68D—для циклонов ВТИ.
Формула (2.9) проверяется по соотношению Re = Wod/v2^O,2. Ес-
ли Re>0,2, то Wo определяется следующим образом.
Находят критерий Архимеда Аг:
Лг Hd3 pi—Ра
V
.затем фактор разделения
Фр = W, 2/gR = 2W?/gD.
Критерий Re подсчитывается по формулам:
при Аг Фг,<84000
1
при Аг Фр>84000
Re= 1,71уАг-ФР. (2.12)
Но найденным значениям Re определяют Wo из выражения
W0 = Revr/d.
Исходя из заданной производительности циклона находят диаметр
выхлопной трубы dT:
dT= 1,13]/УСЖТ (2.13)
где Wr — скорость газа в выхлопной трубе, м/с (принимается равной
4—8 м/с).
Наружный диаметр выхлопной трубы (в м)
D । = dr-|-26,
где 6 — толщина ее стенки.
Правильность выбранного значения диаметра циклона проверяет-
ся ио Формуле:
где WOc — действительная скорость осаждения частиц (в м/с), всегда
меньшая' Wo вследствие того, что О'ни имеют произвольную форму, в
большинстве случаев отличающуюся от шаровидной (обычно принима-
ют Woc = 0,5-Wo).
Высота цилиндрической части циклона
h1 = 2Vc/Wr(D—Di). (2.15)
Высота конической части h2 зависит от типа циклона и связана с
его диаметром (например, для конструкции НИИОГАЗа —соотношени-
ем h2 = 2D).. Надежный выход из циклона улавливаемых частиц обеспе-
чивается, когда угол при вершине конуса составляет 30—40°.
Гидравлическое сопротивление (в Н/м2) определяется по форму-
ле:
АР = у ^грг , (2.16)
где у — коэффициент сопротивления, зависящий от конструкции цикло-
на (для циклонов ЦККБ = 2,5; ВТИ — у = 6; НИИОГАЗ—у=7).
При расчете батарейного циклона прежде всего находится необхо-
димое число его элементов:
z = 28,75 • 10 2Vt/[d3ДДР/ (S yp2g) ], (2. 17)
где d3— диаметр элемента циклона, м; ДР — гидравлическое сопро-
тивление аппарата, мм вод. ст.; Sy — суммарный коэффициент сопро-
тивления батарейного циклона, отнесенный к условной скорости газа
(по опытным данным 2у = 85).
Гидравлическим сопротивлением ДР задаются с последующей про-
веркой. При максимальной нагрузке аппарата принимают ДР =
= 60-4-85 мм вод. ст., при нормальной нагрузке ДР = 354-60 мм вод. ст.
Ширина рабочей камеры циклана
В =dsZ1+ (0,034-0,05) (zi+1); (2. 18)
длина этой камеры *
L = d3z2+(0,034-0,05) (z2-H), (2.19)
где Zi, z2—количество элементов соответственно по ширине и длине
камеры.
Далее определяются площадь сечения элемента 1э и условная ско-
рость газа (в м/с) в нем WyCjl
f3=^d32/4; WyCJ1=Vc/(f3n).
Тогда действительное гидравлическое сопротивление (в мм вод.
ст.) батарейного циклона
AP=v7w2ycJ1pr/2.
Задаваясь скоростью газа в. выхлопной трубе элемента циклона
WT, определяют диаметр трубы (в м):
внутренний: dT= l,13yVc/(WTz); (2.20)
наружный: d„ =dT-|-2S. (2. 21)
76
Высоту вводного канала (в м) в распределительную камеру ба-
тарейного циклона можно вычислить по уравнению
h = Vc/(WBX(B-n1dH)],
(2. 22)
где Wnx = 144-20 м/с—средняя скорость газа в живом сечении перво-
го ряда элементов камеры циклона.
Расчет дисковых фильтров. При расчете дисковых фильт-
ров устанавливаются функциональные связи между размерами фильт-
соотношения отдельных
ЗОН
ра и его производительностью, а также
фильтрующего диска.
Рис. 2.18. Схема к
расчету фильтра
Для вывода расчетных формул рассмотрим работу сектора диака
радиусом г (рис. 2. 18). Объем фильтрата, полученного в единицу вре-
мени с поверхности элементарного кольца на диске, равен:
dQ = 2nrdrnV', (2.23)
где г—.радиус кольца, м; dr— толщина кольца, м; п — частота вра-
щения'диска, об/мин; V'— объем фильтрата с единицы поверхности
элементарного кольца за время фильтрации цикла т.
Угол зоны секции фильтрации (в град.)
^p = 0,5(f7-|-0,5(prd—qw = arccos-y -f-0,5<p rd— gw, (2. 24)
где <pr — угол погруженного в суспензию сектора, который описан ра-
диусом г; фгя — угол погруженного в суспензию сектора, который опи-
сан радиусом г^; фтг — угол сектора мертвой зоны (от уровня жидко-
сти до границы зоны фильтрации).
Время фильтрации (в мин )
т = ф/(360-п). (2.25)
Объем фильтрата, полученного с единицы поверхности фильтра за
время т, находим из уравнения
V' =
arccos — -(-0,5cprd—<pmr
(Vo')4 Г
360 nb.
—Vo',
(2. 26)
где Vo'—условный объем фильтрата на единицу площади, м3/м2; Ь, —
константа уравнения фильтрации, мин/м2.
Vo' = Ro/ (C • rm);
(2. 27)
Ь^ЗОцг^С/Р. (2.28)
Здесь Ro — удельное сопротивление фильтрующей перегородки, 1/м;
Rd = Ro'P'"; Ro' — удельное сопротивление несжимаемой фильтрующей
77
перегородки, 1/м; m — степень сжатия фильтрующей перегородки; Р —
перепад давлений, Па; гт — среднее массовое удельное сопротивление
осадка, м/кг; rm=rm'Ps; S—степень 'сжатия осадка; гт'— среднее
массовое сопротивление несжимаемого осадка, м/кг; ц— динамическая
вязкость фильтрата, Па-с; С—массовое количество сухого осадка на
единицу фильтрата, кг/м3.
Полная производительность фильтра, имеющего i дисков, !<аждый
из которых погружен в суспензию до половины (обычный вариант),
определяется по уравнению:
Q = 2nin {[(Vo')J—V/U,?-^). (2.29)
IL OUU 11 L) । J J
Мощность привода фильтра расходуется на преодоление следую-
щих сопротивлений:
1.' Момент сопротивления Mi (в Н-м), возникающий вследствие
неуравновешенности слоя осадка при вращении дисков, так как осадок
покрывает 3Д фильтрующей поверхности дисков:
(2.30)
Mi = Girsin-
Gt = Flh2f>0,
где Gj — вес осадка на неуравновешенной части фильтрующей поверх-
ности дисков, Н; г — расстояние от центра тяжести неуравновешенной
части осадка до оси диска, м; а — угол сектора неуравновешенной
части осадка; обычно а=л/2; F, — площадь поверхности, покрытой не-
уравновешенной частью осадка, м2; Fi=iF/; р0 — объемный вес осад-
ка, Н/м3; i—число дисков; F/—площадь фильтрующей поверхности
одного диска, покрытая неуравновешенным осадком, м2.
Если неуравновешенная часть диска составляет 1/4 поверхности,
то
где
F-Y=2- • -2-(D2-d2) = -2-(D2-d2),
D и d — диаметры соответственно диска и вала, м;
(2.31}
2 D3—d3
Г 3 ‘ D-’ ;!
Sin 4 n „ D3—d3
- ' I)-’ d- '
(2. 32)
4
г в уравнение (2.30), получим
M,=0,187ip»h2(D3—d3). 1
2. Момент сопротивления М2 срезу
М2 = 21„1к1^-Ё
1'и — коэффициент трения ножа о
Подставив значения F/ и
осадка
1ь,г,
(2. 33)
диск при срезании осадка; к —
где
удельное сопротивление срезанию осадка.
3. Момент сопротивления М3 трению барабана о суспензию (по
некоторым опытным данным)
М3=-0,02М2. (2.34)
4. Момент сопротивления М4 трению вала фильтра о расвределя-
гельную головку
М4--7.1'Р]Гу; Гт— >-л-
О
do3—d33
d22-d32 ’
(2.35}
78
где z — число распределительных, головок фильтра; f—коэффициент
трения между валом и распределительной головкой; P, = Fp— сила
прижима головки к торцу вала, Н (F — площадь поверхности трения,
м2); р — удельное давление между трущимися поверхностями вала и
головки; Па; г?- — радиус трения, м.
F=-2- (d22—(i32)— nJo,
где d2, d3 — соответственно наружный и внутренний диаметры торца
вала фильтра, м: F — площе ч ь отверстия ячейки, '-'Л
лж.яснт с.щро! явления М5 TpvHHio в иодши-п'никах вала
Ms = p0Gdu/2, . ’ (2.36)
где G — вес вала с дисками и осадком, Н; р.о — коэффициент трения
цапф вала в подшипниках; d1(—диаметр цапфы, м.
Полная мощность привода барабана (в кВт)
где Т| — к. п. д. привода.
Полезный объем ванны (в м3)
< V-D^Q-угт; Qcy<: G/pryc, (2.38)
где Q,v,. объем поступающей суспензии, м3/мип; ргус—плотность сус-
пензии, кг/м3; ’
________J_________
*<У' С|/рт4-(1—С[)/рж
Для расчета сечений трубопроводов можно принимать следующие
скорости: для жидкостей — 0,5 м/с; для мокровоздушной смеси — 4 м/с.
Расчет о т с т о иных центрифуг п е р и о д и ч е с к о г о дей-
ствия. Производительность отстойной центрифуги (:в м3/ч) периоди-
ческого действия определяется из уравнения:
V=3600<pV6v (2.39)
где Vo =.nR2L—полный объем центрифуги, м3; R, L — радиус и длина
барабана, м; тц — общая длительность цикла центрифугирования, с;
р — коэффициент заполнения барабана, <р = 0,4—0,6.
Общая длительность цикла центрифугирования складывается из
четырех составляющих:
Тц =Т1 + т2-(-Тз+Г4,
где Т|, т2, тз, 14 — длительности периодов соответственно пуска, осаж-
дения, торможения и разгрузки, с.
Длительность процессов пуска, торможения и разгрузки в общем
случае не может быть точно подсчитана. Она зависит ст степени ме-
ханизации труда и вида привода центрифуги.
Длительность осаждения определяем из соотношения:
T2=(R-ri)/W0, (2.40)
где г,—внутренний радиус слоя материала в барабане (для <р = 0,5;
n=0,71R),M.
Скорость осаждения, происходящего в условиях, .соответствующих
закону Стокса (в, м/с), равна:
g2id2 (pi-— р2)Ф?)
18ц ’
(2.41)
79
где d —заданный минимальный размер улавливаемых твердых час-
тиц, м; pi, р?— плотность соответственно твердых частиц и жидкости,
кг/м3; ц— динамическая вязкость жидкости, н-с/м2.
2.5. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАШИН И АППАРАТОВ
ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ СИСТЕМ
При эксплуатации машин, предназначенных для классификации
твердых материалов, необходимо соблюдать в основном те же требо-
вания безопасности работы, которые предъявляются к измельчителям.
Эксплуатация аппаратов для очистки воздуха предусматривает
наличие надежной вентиляционной и аспирационной систем, так как в
большинстве случаев их работа сопровождается пылеобразаванием
(кроме мокрой очистки). Обязательным является защита оборудова-
ния от статического электричества. При работе электрофильтров боль-
шое внимание уделяется надежности электроизоляции основных рабо-
чих органов (электродов) от остальных частей конструкции. Кроме то-
го, необходимым является наличие систем блокировки, отключающей
электропитание в случае открытия дверей или люков, предназначенных
для осмотра и ремонта фильтров.
Эксплуатация фильтров периодического действия для разделения
суспензий связана с ручным или недостаточно м-ехапизигэова'нным уда-
лением осадка, частой сменой и промывкой фильтрующей перегородки
и другими работами, требующими физических усилий рабочего, с раз-
ливом и разбрызгиванием фильтруемых суспензий, кондаком работаю-
щих с продуктами и газовыделениями фильтрации. Поэтому их приме-
нение должно ограничиваться и может быть допустимо только для
нетоксичных и невзрывобезопаоных продуктов. Во всех случаях ис-
пользования фильтров периодического действия аппараты и рабочие
места должны быть обеспечены вытяжной вентиляцией.
При эксплуатации фильтров .непрерывного действия необходимо
следить за наличием и исправностью ограждений на приводах, пере-
дачах, муфтах и прочих приводных механизмах. Для предотвращения
разлива суспензий корыта снабжают переливными трубами. Все слив-
ные устройства систематически промывают и пропаривают. Во время
работы установки нельзя очищать осадок вручную с фильтровальной
ткани и срезающего ножа, становиться на край корыта (ванны). На-
кладывание заплат на прорвавшуюся фильтровальную ткань и другие
ремонтные работы допускаются только после остановки фильтра, при
этом все пусковые устройства должны быть обеспечены «двойным вы-
ключением». При фильтрации агрессивных веществ обязательно при-
менение индивидуальных защитных средств.
Основной особенностью работы центрифуг является большая часто-
та вращения барабана (ротора) и . высокое давление жидкости (до
1,5 МПа). При износе или коррозии ротора, увеличении скорости сверх
расчетной, недостатках балансировки и неравномерном распределении
осадка внутри ротора, вызывающих вибрацию, может произойти его
разрыв, травмирование работающих, даЖе разрушение здания.
Центрифуги периодического действия с ручной или ’частично меха-
низированной выгрузкой осадка имеют блокировку, допускающую от-
крывание крышки центрифуги только при полной остановке,' а пуск —
при закрытой крышке.
Современные непрерывно действующие центрифуги являются
сложными автоматическими машинами с высокой степенью герметиза-
ции, которая обеспечивается торцовыми уплотнениями и гидрозатвора-
ми. Они имеют обширную систему автоматизации, управляющую все-
ми механизмами машины.
80
Помимо блокировки, позволяющей пуск машин только при закры-
той крышке, они снабжены автоматической защитой от разноса, вы-
ключающей машину в случае превышения допустимой частоты враще-
ния ротора.
Для остановки ротора используются быстродействующ? е тормоза,
равномерно и плавно замедляющие вращение.
Органы управления размещаются на пульте вблизи центрифуг. Все
движущиеся части машин ограждаются.
Важными факторами безопасности являются соответствие обраба-
тываемого продукта условиям эксплуатации, непрерывная и равномер-
ная загрузка ротора. При перерыве в подаче необходимо остановить
центрифугу, очистить ротор от осадка, промыть его и только после это-
го начинать новую загрузку.
Центрифуга должна быть немедленно остановлена при возникнове-
нии недопустимо большой вибрации, изменении характера шума во вре-
мя работы (резкие звуки, стуки), нагреве подшипников выше нормы.
Центрифугу проверяют не реже одного раза в три месяца, а при рабо-
те с агрессивными средами —каждый месяц.
6 Заказ 710
ГЛАВА 3
МАШИНЫ И АППАРАТЫ
ДЛЯ СМЕШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
3.1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СМЕШЕНИЯ
И КЛАССИФИКАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
Целью смешения является получение из двух или более 'компонен-
тов, взятых в определенных соотношениях, однородной в любом малом
объеме массы, разные компоненты которой входили бы ib этот объем в
тех же пропорциях, в каких они были взяты первоначально [15].
Смешение широко применяется в химических производствах. Оно
используется для получения однородных смесей из сытучих компонен-
тов, введения в перерабатываемый материал различных добавок (кра-
сителей. наполнителей, стабилизаторов в производстве полимеров, рас-
творителей и т. п.), глубокого перемешивания (гомогенизации) пасто-
образных материалов.
Процесс смешения осуществляется в системах твердое 'вещество —
твердое вещество, жидкость'— жидкость, твердое 'вещество — жидкость.
В зависимости от поставленной задачи в результате процесса смешения'
может быть достигнуто: простое физическое смешение; диспергирование
(двух несмешивающихся жидкостей, твердых тел в жидкостях, газов в
жидкостях и т. д.); изменение физического состояния компонентов (рас-
творение, кристаллизация, плавление)управление химическими реак-
циями и их ускорение.
Наиболее общий характер носит простое физическое смешение,
протекающее без изменения агрегатного состояния и размеров частиц
компонентов. Остальные процессы сопровождаются, как правило, теп-
ло- или масеообменпыми явлениями, им присущи свои особенности и в
данной главе.они не рассматриваются. Оборудование, в 'котором реа-
лизуются эти процессы, относится .к специальному (для переработки,
например, пластических масс, резиновых смесей широко применяются’
вальцы, пластосмосители, червячные пластикаторы и другие машины).
В процессе простого смешения наиболее неудобными для получе-
ния однородной смеси являются сыпучие материалы. Это объясняется-
сложностью и специфичностью как самого процесса смешения, так и
анализа свойств материалов и готовых 'композиций [32].
Качество процесса смешения характеризуется однородностью гото-
вой смеси, которая оценивается статистическими метода ми по результа-
там анализа проб, 'отбираемых из смеси.
Для количественной оценки процесса смешения, например, сыпучих
материалов, был предложен ряд методов и критериев. Наибольшее рас-
пространение в СССР получил коэффициент неоднородности:
где с — среднее арифметическое значение концентрации ключевого (по
которому ведется расчет) компонента в пробах, %; Cj—концентрация
ключевого компонента в пробе; N — число проанализированных проб.
Величина К<- в процессе смешения уменьшается, достигая некото-
рой величины, зависящей как от 'свойств смеси, так и от конструкции
аппарата или машины, в которых смешиваются компоненты.
82
В химических производствах применяется большое, количество сме-
сителей для сыпучих, жидких, пастообразных материалов и различных
неоднородных систем. Такое разнообразие смесителей несколько за-
трудняет их классификацию, которая учитывала бы как конструктив-
ные признаки, так и функциональное назначение. Было предложено
классифицировать смесители ио многим признакам [19], но при этом
один и тот же аппарат мог относиться к различным видам г зависимо-
сти от рассматриваемого признака. В дальнейшем было отмечено, что
важнейшим признаком для смесителей является их конструкция [32].
Вероятно, эта точка зрения более приемлема. На рис. 3. 1 приведена
схема классификации, основанная на использовании конструктивной
общности смесителей, их назначения и характерных особенностей ра-
боты.
[~Сш:учлх мате риалов
, ;смесители)
Lcrc-zb -
Не пр е равного !
действия I
Машины и аппараты для смешения |
Жидкостей
(мешалки)
Пастообразных, ьетериалов i
(мешатели) I
I— Барабанные
Лопастные
(шнековые)
Барабанно-лопастные
I— Центробежные
j— Пневматические ——
j— Гравитационные
Периодического
действия
-^Турбинные
— Лопастные
— Пропеллерные
Непрерывного г~----------------
действа? 1 Периода-
L— ।— ----------1 ческого
____ I действия
Бегчны ----
- Валковые
- Роторные
Центробежные ---- - |
-Планетарные
Червячные
Вибрационные --- ----- — Вибрационные
• С быстро вращающимся ротором-
Рис. 3.1. Схема классификации машин и аппаратов для смешенья материалов
3.2. СМЕСИТЕЛИ ДЛЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
В химических производствах нашло применение большое число
смесителей различных конструкций. Процесс, смешения осуществляется
за счет -создания в аппарате циркуляционного движения компонентов
по перекрещивающимся траекториям. Такое движение частиц сыпуче-
го материала достигается в результате движения самого корпуса сме-
сителя, его внутренних перемешивающих устройств, действия инерцион-
ных сил.
В табл. 3. 1 показаны -схемы основных видов смесителей для сыпу-
чих материалов. В каждом из них имеются разновидности конструк-
тивного исполнения. Ни>йе будут даны описания конструкций смесите-
лей, нашедших наибольшее распространение.
Барабанные смесители с. вращающимся корпусом без перемеши-
вающих устройств относятся к наиболее распространенным машинам
для смешения сыпучих материалов. Различаются они формой корпуса
и его расположением по отношению к оси вращения. В п том ьпп ле.! ше-
сти используются различные виды барабанных смесителей; их схемы
показаны на рис. 3. 2.
Барабанные смесители относятся к тихоходным машинам периоди-
ческого и непрерывного действия. Линейная скорость вращения бара-
бана составляет обычно 0,17—1 м/с.
В зависимости от степени заполнения в барабанных смесителях
с цилиндрическим корпусом можно наблюдать три режима движения
6*
83
Таблица 3.1
Схемы основных видов смесителей
Вид
смесителя
Разновидность конструктивных схем
Смесители
для сыпучих
материалов
Барабанный цилиндрический:
1 — барабан; 2 — бандаж;
3 — опора; 4 — привод; 5 —
люк
Барабанный биконический;
1 — барабан; 2 — опора; 3—
привод
Лопастной одновальный: 1 —
барабан; 2 — лопасти; 3 —
вал приводной; 4 — привод
Барабанно-лопастной: 1 — бара-
бан; 2 — лопасти; 3 — привод ло-
пастей; 4 — опера барабана; 5 —
полки; 6 — привод барабана
Центробежный: / —
тормоз рамки; 2 — кор-
пус; 3 — конус; 4 —
рамка; 5 — привод ко-
нуса
С быстро вращающимся ро-
тором: 1 — корпус; 2 — диск
верхний с прорезями; 3—диск
нижний сплошной; 4 — при-
водной вал
84
Продолжение табл 3 1
2
Смесители
для сыпучих
материалов
Пневматический с добавоч-
ной мешалкой: 1 — корпус;
2 — мешалка лопастная; 3 —
решетка; 4 — днище; 5 —
подшипники; 6 — привод ме-
шалки
Пневматический по
принципу эрлифта: 1 —
корпус; 2 — труба эр-
лифта; 3 — решетка;
4 — труба для ввода
воздуха в эрлифт
Г равитационный ударно-распыли-
тельный: 1 — штуцера для смеши-
ваемых компонентов; 2 — лоток на-
клонный; 3 — обечайка цилиндри-
ческая; 4 — днище конусное; 5 —
шибер; 6 — наконечник ударно-рас-
пылительпыц
85
О к о 1 ч а н и с т а б л. 3. I
Мешалки
для жидко-
стей
Турбинная: 1 — вал привод-
ной; 2 — закрытая турбинка;
И — направляющий аппарат;
4 — корпус
1 — при-
приводной;
4 — ло-
Лопастная:
вод; 2 — вал
3 — корпус
пасть
Пропеллсрная: 1 — вал при-
водной; 2 — корпус; 3 — диф-
фузор; 4 — пропеллер
Якорная: 1 — вал привод-
ной; 2 — лопасти (якорь);
3 — корпус
сыпучей массы: 1) при малой степени заполнения (3%) материал со-
вершает колебательное движение, скользит по поверхности барабана
как одно целое без перераспределения; 2) при заполнении барабана
на 3—10% материал скользит по поверхности барабана теак одно це-
лое, оставаясь 'неподвижным в состоянии равновесия на некотором до-
стигнутом уровне; 3) при степени заполнения барабана 30—70% ма-
териал непрерывно обрушивается и перемешивается.
Барабанные смесители с цилиндрическим корпусом работают в
третьем режиме.
В цилиндрическом смесителе с горизонтальной осью пет сил, ко-
торые заставили бы перемещаться частицы вдоль оси барабана, хо-
тя медленное продольное перемешивание в нем происходит. Это мож-
но объяснить тем, что скользящая по плоскости частица за счет слу-
чайных столкновений с другими частицами может отклониться от пря-
мого пути, лежащего в плоскости сегмента, в ту или другую сторону.
86
Рис. 3.2. Схемы барабанных
смесителей: а — цилиндрический го-
ризонтальный; б
наклонный; в —
тикальный; г —
д — со сложным
дра (чаши); е —
зонтальный; ж —
тальный
— цилиндрический
биконический вер-
бицилиндрический;
движением цилин-
биконический гори-
граненый горизон-
Процесс подобных осевых перемещений частиц развивается медленно.
Внешне он подобен процессу диффузии в жидкостях и газах.
Для увеличения продольных перемещений частиц в цилиндричес-
ких барабанных смесителях с горизонтальной осью вращения, (смесо-
вых барабанах) внутри их корпуса монтируются специальные устройст-
ва: спиральные ленты (полки) и наклонные лопатки.
В фигурных барабанных смесителях (смесители б, в, г, д, е на
рис. 3.2) таких устройств не требуется, так как частицы, пересыпаясь,
движутся по более сложным траекториям, обеспечивающим их продоль-
ное перемещение. ।
Для механизации загрузки и разгрузки компонентов смеси часто
в барабанных смесителях применяют специальные транспортирующие
шнеки.
Барабанный смесйтель, изображенный на рис. 3.3, состоит из ба-
Рис. 3.3. Барабанный смеситель со шнековым питанием и разгруз-
кой: 1 — барабан; 2 — ленточная спираль; 3 — бандаж; -4 — продоль-
ные полки; 5 — опорные катки: 6 — заслонка; 7 — реверсивный шнек-
а —• труба; 9 — ручной привод для поворота заслонки
87
рабана 1, на внутренней поверхности которого приварены ленточная
спираль 2 и четыре продольных полки 4 с перегородками реверсивно-
го шнека 7', находящегося >в трубе 8. На барабан надеты чугунные бан-
дажи 3, которыми он опирается на четыре катка 5. Одна пара этих
катков является приводной.
Загрузка в шнек производится через верхний патрубок при правом
вращении. По окончании перемешивания шнек реверсируется, и про-
дукт, поднимаемый в барабане полками и спиралью, попадает через-
заслонку 6 на шнек и выгружается через нижний патрубок.
Смесительные барабаны, за_ исключением цилиндричеокого гори-
зонтального, устанавливают только на цапфы с подшипниками каче-
ния или скольжения.
Корпусы барабанных смесителей изготовляются из листовой стали
с хорошими показателями износостойкости. Внутреш яя поверхность
корпуса может быть необработанной, шлифованной, полированной,
эмалированной.
Отечественные предприятия изготовляют барабанные смесители ма-
рок СБИ и СБУ. Их основные параметры:
Одноразовая загрузка — 1,5—20 т
Диаметр барабана — 1400—2600 мм
Частота вращения барабана — 7—8 об/м.ин
Мощность привода барабана — 5,5—20 кВт
Масса смесителя — 2,5—11,9 т
К прец|мущест1ва1М барабанных смесителей можно отнести: просто-
ту устройства, возможность смешения компонентов без истирания и
разрушения формы зерна, перемешивания абразивных компонентов.
Их недостатки: плохое качество и длительный цикл смешения, большие
энергетические затраты на единицу готовой смеси.
Барабаны цилиндрических смесителей непрерывного действия име-
ют большую длину, их ось наклонена под углом до 4° к горизонту, что
обеспечивает продвижение материала от одного торца (загрузочного)
барабана к другому. Исходные компоненты поступают в барабан не-
прерывно через течку, расположенную в торце. Готовая смесь выхо-
дит через такую же течку с противоположного торца. Барабан приво-
дится во вращение от шестерни, зацепляющейся с зубчатым венцом,
жестко укрепленным на внешней поверхности барабана. В зависимости
от длины барабана имеется два или более бандажей, посредством ко-
торых смеситель опирается на ролики, образующие опорные станции,
одна из которых является упорно-опорной. Опорные ролики монтиру-
ются на двух радиальных двухрядных сферических роликоподшипни-
ках, устанавливаемых в отдельных корпусах.
Лопастные смесители являются универсальными. В них можно сме-
шивать как сухие сыпучие материалы, так и увлажненные смеси и
пасты. Изготовляются они с одним или в большинстве случаев с двумя
валами, на которых смонтированы смесительные элементы. Последние
имеют различные конструктивные исполнения. Некоторые конструкции
лопастей напоминают червяки, вследствие чего такие смесители назы-
вают червячно-лопастными. НИИХИММАШем разработаны двухваль-
ные горизонтальные смесители общего назначения (нормаль ОН 12-42-
62), в которых компоненты смешиваются двумя горизонтальны-
ми лопастными валками, вращающимися -навстречу друг другу с раз1
личной частотой. Днище корыта образовано двумя полуцилиндрами,
внутренние поверхности которых могут быть футерованными (к-сп-олне-
ние II) или полированными (исполнение I). При изготовлении корыт
(корпусов) этих смесителей учитывают, будут .ли они работать при
атмосферном давлении, под вакуумом до 150 мм рт. ст. или иод избы-
точным давлением до 0,1 МПа.
88
Корыта могут иметь рубашку для нагрева или охлаждения сме-
шиваемой массы. Для интенсификации процесса смешения и улучшения
условий разгрузки готового продукта смесители типа СРШ имеют ре-
версивный шнек, установленный в месте сопряжения двух полуцилинд-
ров корыта. Такой смеситель показан на рис. 3.4.
Рис. 3 4. Двухлопа-
стный смеситель с ревер-
сивным шнеком типа
СРШ: 1 —корыто (кор-
пус); 2 — реверсивный
шнек; 3 — лопастный
вал; 4 — торцовая стен-
ка; 5 — фильера
Торцовые стенки 4 камеры смешения (.корпуса) являются съемны-
'.ми, на их наружной стороне закрепляются опоры лопастны’х валов 3
и шнека 2. На передней стенке, кроме того, установлен выгрузной пат-
рубок шнека с фильерой 5. Реверсивный шнек в зависимости от направ-
ления вращения может интенсифицировать смешение или разгружать
см есь.
Отечественные предприятия изготовляют смесители СРШ со сле-
дующими основными параметрами:
Рабочая емкость корыта
Частота вращения переднего вала
Частота вращения пнкка
Мощность двигателя
Масса
— 0,005—0,800 м3
— 29,5—16,2 об/мин
39,5 21/7
42,5 об/мин
— 25-—10 кВт
— 5,18—7,72 т
Лопастные смесители имеют значительно меньшую металлоемкость
но сравнению с барабанными при одинаковых показателях энергозат-
рат, времени смешения и объема перемешиваемого материала. Одна-
ко при смешении компонентов, частицы которых значительно отлича-
89
ются друг ст друга по плотности, возможно отложение на дне корыта
тяжелых частиц.
С целью устранения этого явления и для большей интенсификации
процесса смешения применяются барабанно-лопастные смесители (см.
табл. 3. 1). Они являются комбинацией первого и второго видов смеси-
телей и характеризуются тем, что в процессе ‘смешения вращаются и
барабан, и лопастный вал (один или два). Направление вращения ба-
рабана и лопастного вала может быть одинаковым л противополож-
ным. В первом случае частоты вращения их различны. Барабатю-ло-
пастиые смесители могут работать в периодическом и непрерывном ре-
жимах.
Рассмотренные виды смесителей относятся к тихоходным. Процесс
смешения материалов ускоряется с увеличением частоты вращения
смесительных устройств. Когда скорость их вращения достигает вели-
чин, способствующих псевдоожижению материала, смесители относят-
ся к машинам с быстровращающимся ротором.
Смесители с быстровращающимся ротором и псевдоожижением сы-
пучего материала. Псевдоожижение сыпучего материала с помощью
вращающейся в его среде лопастной мешалки зависит главным обра-
зом от скорости вращения, формы и геометрических размеров лопастей,
от высоты слоя материала над лопастью и его физ.чко--.мехапических
свойств. Переход сыпучего материала в псевдоожиженное состояние
включает несколько этапов: при малых окружных скоростях лопасти
(менее 1 м/с) материал уплотняется, и высота его слоя в сосуде сни-
жается; при скорости 1—2 м/с частицы слоя начинают вибрировать,
слой продолжает уплотняться с образованием трещин; рост скорости
лопасти до 24-2,5 м/с приводит к медленному движению материала в
сосуде и пер.мещению отдельных частиц по концентрачеюким окружно-
стям; увеличение скорости до 3—3,5 м/с вызывает некоторое расшире-
ние слоя, кютооый вспучивается сначала 'только у вала, а затем во
всем сосуде; при скорости 4—5 м/с материал, образуя воронку вокруг
вала, начинает циркулировать внутри сосуда; циркуляция материала
становится наиболее интенсивной при скорости вращения лопасти 5 —
8 м/с.
Экспериментально установлено, что чем выше слой материала над
лопастями, тем больше должна быть скорость их вращения. Для каж-
дого конкретного сыпучего материала и конструкции рабочего‘органа
есть своя предельная высота слоя над лопастями, выше которой мате-
риал не переходит в псевдоожиженное состояние.
В .зависимости от конструкции ротора циркуляцяоиныс смесители
с псевдоожижением слоя можно подразделить на лопастные/ дисковые,
шнековые. Эти смесители являются машинами периодического дейст-
вия.
В лопастных циркуляционных смесителях на быстров.ращающемся
валу установлены различного вида лопасти (прямоугольного сечения,
фигурные и т. п.). Одна из моделей такого смесителя показана на
рис. 3.5.
В цилиндрическом корпусе 3 этого смесителя общей емкостью
1,2 м3 вращается вал 2, на .котором укреплены три радиальные лопа-
сти 4 прямоугольного сечения с углом наклона плоскости лопасти к
горизонту, равным 45°. Лопасти сдвинуты относительно друг друга на
60°. Вал вращается от электродвигателя 6 через коробку скоростей 5
и редуктор. Коробка скоростей позволяет подбирать оптимальный ре-
жим работы для различных сыпучих материалов, а г пусковые момен-
ты работать на меньших скоростях.
Подлежащий смешению материал в количествах до 1 м3 загру-
жается через штуцер 1, а выгружается по окончании цикла смешения
через разгрузочную коробку 8 с задвижкой, из которой смесь трапс-
90
Рис. 3.5. Лопастный смеситель
< псевдоожижением материала: 1 —
штуцер для загрузки компапентов;
2 — пал; 3 — корпус; t — лопасть;
5 - - коробка скоростей 6 — элект-
родвигатель-, 7 — шнек; 8 — ко-
робка разгрузочная с задвижкой
портируется на дальнейшую переработку пшеном 7 е индивидуальным
приводом. Данные смесители используются в производстве продуктов
генного органического синтеза. Лопастные циркуляционные смесите-
ли непрерывного действия изготовляются обычно из нескольких царг,
соед и 11 ен н ы х последов а тел ьно.
В дисковых циркуляционных смесителях (ом. табл. 3. 1) разрых-
ление н псевдоожижение материала обеспечивается быстровращающи-
мися дисками, один из которых (верхний) плоский и имеет прорези
около центра, а второй (нижний) —сплошной со скругленными по фор-
ме дна корпуса краями. При вращении дисков материал увлекается
ими и перемешивается, проходя через прорези верхнего диака на ниж-
ний и отбрасываясъ последним к стенкам смесителя.
, Смесители с дисковым ротором используются для сухого смешения
поливинилхлоридных композиций, окраски полиэтиленового порошка,
увлажнения порошкообразных и зернистых материалов.
Центробежные смесители. В смесителях этого типа для смешения
материалов используются энергия вращающегося перемешивающего
устройства .и центробежная сила, под действием которой частицы дви-
жутся и взаимно перемешиваются. Конструктивная схема центробеж-
ного смесителя приведена на рис. 3. 6. ,
Основным рабочим органом смесителя является полый усеченный
конус 5, смонтированный в корпусе 6, имеющем коническую нижнюю
часть. Конус укреплен на вертикальном консольном валу 9, прохо-
Рпс. 3.6. Смеситель центробежный;
1 - штуцер для загрузки; 2 — крышка;
3 - рамка; 4 — ленточный тормоз; 5 —
конус; 6 —корпус; 7 — электродвигатель;
8 клинорсменная передач:; 9 — вал;
К) -- клапанная коробка; 11 — подставка
(основание); 12 — клапан; 13 — лопасть;
14 — отверстие
91
дящем через дно корпуса. К нижней части конуса жестко прикреплена
лопасть 13, наклоненная к горизонту под углом 45°. Конус имеет в
своей нижней части два отверстия 14.
Смеситель запружается сыпучим материалом через штуцер 1
(один или несколько), находящийся в крышке 2. Готовый продукт вы-
гружается через клапанную коробку 10, прикрепляемую к дну корпу-
са. Привод клапана 12, открывающий или удерживающий закрытым
разгрузочное отверстие, ручной или пневматический. Корпус смесите-
ля установлен на сварной подставке 11 цилиндрической формы. Вал 9
приводится во вращение от электродвигателя 7 через клинюременную
передачу 8.
При вращении конуса 5 материал, попавший в него при засыпке,
начинает вращаться .под действием сил трения о стенки конуса. Части-
цы материала под действием центробежной силы начинают двигаться по
конусу вверх, пересыпаются через его верхний край и топадают в коль-
цевое пространство между конусом и корпусом. Вследствие некоторого
разрежения в нижней части конуса материал из кольцевой полости по-
ступает через отверстия 14 опять внутрь конуса, образуя тем самым
циркуляционное движение. Лопасть 13, вращаясь с конусом, увеличи-
вает подвижность сыпучего материала в нижней части смесителя, спо-
собствуя продвижению его внутрь конуса через отверстия. Материал
перемешивается так при подъеме его по конусу вследствие разных
траекторий движения частиц, так и вне конуса в результате их пере-
распределения во время отскока от стенок, опускания по кольцевому
пространству вниз и псевдоожижения лопастной мешалкой 13.
Для материалов с плохой сыпучестью в корпусе устанавливают
свободно вращающуюся рамку 3 с лопастями и скреби,ом, который вхо-
дит внутрь конуса. Рамка вращается под действием кинетической энер-
гии вращающегося сыпучего материала. Скорость вращения рамки ре-
гулируется ленточным тормозом 4. Вследствие устанавливаемой с по-
мощью тормоза разности скоростей вращения рамки и материала по-
следний дополнительно перемешивается.
Центробежные смесители являются высокойнтенаи,в1ным,и и эффек-
тивными смесителями, обеспечивающими в короткий период получение
однородной смеси. Например, при перемешивании легких порошкооб-
разных материалов коэффициент неоднородности готовой смеси состав-
лял 1,5—2%, в то время как в барабанных смесителях коэффициент
неоднородности меньше 10—15% получить не удается.
Центробежные смесители могут работать в периодическом и не-
прерывном режимах.
В промышленности применяется центробежный смеситель непре-
рывного действия, состоящий из отдельных царг, в каждой из которых
имеется свой конус и лопасти. Смесь последовательно проходит все
царги .[32].
Пневмосмесители. Принцип действия этих смесителей основан! на
псевдоожижении слоя сыпучего материала воздухом или инертным га-
зом, кинетическая энергия которых используется для последующего
перемешивания. Известно, что при псевдоожижении слоя сыпучего .ма-
териала газом его гомогенизация может быть достигнута за очень ко-
роткий промежуток времени. Этому способствуют продольное переме-
шивание частиц и общая циркуляция массы в сосуде над газораспре-
делительным устройством.
Однако одной только турбулизацией порошковых материалов газо-
вым потоком, как правило, не удается получить достаточной однород-
ности смешения, особемно если смешиваемые материалы отличаются
формой зерен, их размерами и плотностями. Даже при равномерном
распределении газового потока по сечению аппарата г ряде случаев на-
блюдаются местные прорывы газа с образованием каналов — воронок.
92
Основной газовый поток проходит через эти каналы, и зернистый слой
теряет свою подвижность, переходя в состояние фильтрующего слоя.
Наиболее эффективными мерами, предупреждающими воронкооб-
разование или способствующими ликвидации образовавшихся воронок,
а также улучшающими пвперечную циркуляцию материала, являются.
1) правильный выбор аэрирующей решетки; 2) механическое переме-
шивание с помощью лопастей медленно вращающихся над аэрирую-
щей решеткой; 3) воздействие на взвешенный слой дополнт.тельными
газовыми струями по принципу эрлифта (см. табл. 3.1) или „непрерыв-
ной подачей этих струй через полый вал и полости лопастей с перфо-
рированной верхней пластиной, расположенных под аэрирующей ре-
шеткой и вращающихся вокруг вертикальной оси.
Пневмосмесители работают как в периодическом, так и непрерыв-
ном режимах. Они представляют собой вертикальные аппараты, в ниж-
ней части которых находится газораспределительная решета а. Исход-
ная сыпучая смесь поступает на эту решетку, а после смешения отби-
рается, .находясь во взвешенном состоянии, через выходной штуцер.
При непрерывном режиме работы исходная смесь постоянно поступает
в нижнюю/асть аппарата непосредственно на аэрирующую решетку, а
готовый продукт непрерывно отбирается в верхней части аппарата.
Ожижающий воздух или инертный газ выходит через .выхлопную тру-
бу аппарата и попадает в сепараторы и фильтры для улавливания уно-
симых мелких частиц смеси.
3.3. СМЕСИТЕЛИ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ
И ВЫСОКОВЯЗКИХ МАТЕРИАЛОВ.
Перемешивание жидкостей находит широкое применение в хими-
ческой промышленности для приготовления эмульсий, суспензий, одно-
родных физических смесей, для интенсификации тепло- и массо обмен а-
и многих, химических реакций.
Наибольшее распространение нашел механический способ переме-
шивания, характеризующийся введением в перемешиваемую среду ме-
ханической энергии из внешнего источника. Значительно реже исполь-
зуется пневматическое (сжатым воздухом или -инертным газом) пере-
мешивание или пермеши1в.ание с помощью сопл и насосов.
Аппарат для механического смешивания жидкостей состоит обычно
из корпуса (преимущественно вертикального), перемешивающего уст-
ройства, включающего три 'основных элемента' собственно мешалку,
вал и привод. Мешалка является рабочим элементом, закрепляемым на
вертикальном, горизонтальном или наклонном валу. Привод может
быть осуществлен либо непосредственно от электродвигателя (для
быстроходных мешалок), либо через редуктор или клинорехшиную пе-
редачу.
Механическое перемешивание осуществляется лопастными, пропел-
лерными, турбинными и специальными мешалками.
Лопастные мешалки применяются для перемешивания маловяз-
ких жидкостей (до 103 МПа-с), растворения или диспергирования
твердых веществ с .малым удельным весом.
Лопастные мешалки отличаютоя простотой конструкция и малой
стоимостью изготовления. Наиболее просты мешалки с плоскими ло-
пастями из полосовой или угловой стали, установленными перпендику-
лярно или наклонно к направлению их движения (рис. 3.7). Частота
вращения таких мешалок изменяется в интервале 18—80 об/мин. При
превышении частоты вращения лопастей указанного предела эффектив-
ность снижается.
Поскольку в мешалках, изображенных на рис. 3.7, создаются в
основном горизонтальные потоки, не обеспечивающие .во многих случа-
93
Рис. 3.7.l Лопгстная мешалка:
/ — привод; 2 — еэл; 3 — наклад-
ка; 4 — лопасть; 5 — шпонка; 6 —
подпятник
ях эффективного перемешивания, то используются видоизмененные кон-
струкции лопастей. Некоторое увеличение осевого потока жидкости
достигается при наклоне лопастей под углом 30—45° к оси вала. Та-
кая мешалка способна удерживать во взвешенном состоянии частицы,
скорость осаждения которых невелика.
Для увеличения турбулентности среды в аппаратах с большим от-
ношением высоты к диаметру используются многорядные двухлопаст-
ные мешалки с установкой на валу нескольких .рядов мешалок, повер-
нутых друг относительно друга на 90°. Расстояния между соседними
рядами выбираются в пределах (0,3—0,8) D, где D—диаметр ме-
шалки.
Для перемешивания жидкостей вязкостью не более 104 МПа-с, а
также для аппаратов, обогреваемых-с помощью рубашки или внутрен-
них змеевиков, особенно' в случаях выпадения осадка или загрязнения
теплопередающей поверхности, применяются якорные (напоминают по
форме якорь) или рамные (см. табл. 3. 1) мешалки. Они имеют форму,
соответствующую внутренней конфигурации аппарата, и диаметр, близ-
кий к диаметру аппарата или змеевика. При вращении эти мешалки
очищают стенки и дно аппарата от налипаний.
К недостаткам лопастных меШалок относятся малая интенсивность
перемешивания густых и вязких жидкостей, а также полная непригод-
ность для перемешивания легко расслаивающихся вещ'зств.
Пропеллерные мешалки применяются для интенагиного перемеши-
вания маловязиих жидкостей (до 2-103 МПа-с), растворения, образо-
вания взвесей, быстрого перемешивания, проведения химических реак-
ций в жидкой среде, образования маловязких эмульсий и гомогениза-
ции больших объемов жидкости.
Рабочей частью пропеллерной мешалки является пропеллер (см.
табл. 3. 1) —устройство с несколькими фасонными лопастями, изогну-
тыми по профилю гребного винта. Наибольшее распространение полу-
чили трехлопастные пропеллеры. На валу мешалки в зависим ости от
высоты слоя жидкости устанавливаются один или несколько пропелле-
ров. Пропеллерные мешалки создают преимущественно осевые потоки
.'Перемешиваемой среды, что позволяет сократить продолжительность
перемет ин ания. Их эффективность сильно зависит ог формы аппарата
и расположения в, нем мешалки. Пропеллерные мешалки следует при-
менять в цилиндрических аппаратах с выпуклыми днищами. При уста-
новке их в прямоугольных аппаратах с плоскими днищами интенсив-
ность перемешивания падает вследствие образования застойных зон.
Для улучшения перемешивания больших объемов жидкости и орга-
низации направленного ее течения (при большо-м отношении высоты
аппарата к диаметру) используют направляющий аппарат, или диффу-
зор. Он представляет собой цилиндрический или конический стакан,
внутри которого размещается мешалка. При больших частотах враще-
ния мешалки в аппарате без диффузора устанавливаются отражатель-
ные перегородки.
Турбинные мешалки применяются для образования взвесей, раство-
рения, абсорбции газов, интенсификации теплообмена и проведения хи-
мических реакций.
Рабочий элемент мешалки имеет форму колеса водяных турбин с
.плоскими, наклонными или криволинейными лопатками, укрепленны- \
ми, как правило, на вертикальном валу (ом. табл. 3.1). В аппаратах
с турбинными мешалками создаются преимущественно радиальные по-
токи жидкости. Однако при большой частоте вращения возможно воз-
никновение тангенциального (кругового) течения содержимого аппара-
та и образование воронки.
Турбинные мешалки могут быть открытого и закрытого типов. За-
крытые турбинные мешалки имеют два диска с отверстиями в центре
для прохода жидкости; диски сверху и снизу привариваются к плос-
ким лопастям. Жидкость поступает в мешалку параллельно оси вала,
выбрасывается ею в радиальном направлении и достигает наиболее
удаленных точек аппарата, обеспечивая интенсивное перемешивание во
всем объеме аппарата. При больших отношениях высоты аппарата к
диаметру используются многорядные турбинные мешалки.
Отечественные предприятия выпускают турбинные мешалки с диа-
метром турбин от 400 до 800 мм и частотой их вращения от 42 до
600 об/мин.
Специальные мешалки распространены в химической промышлен-
ности в меньшей степени, чем указанные выше. К специальным отно-
сятся дисковые, вибрационные и барабанные мешалки.
Рабочими элементами дисковых мешалок являются один или не-
сколько гладких дисков, укрепленных на быстроиращающемся валу.
Течение жидкости в аппарате происходит в тангенциальном направле-
нии за счет сил трения жидкости о диск. Иногда края диска делают
зубчатыми. Диаметр диска составляет 0,10—0,15 диаметра аппарата.
Окружная скороють изменяется в интервале 5—35 м/с.
Вибрационные мешалки имеют вал с закрепленными иг нем одним
или несколькими перфорированными дисками. Вал и диски совершают
колебательные движения (обычно ,в вертикальном направлении), обес-
печивающие интенсивное перемешивание жидкостей. Энергия, потреб-
ляемая этими мешалками, невелика. Они используются для перемеши-
вания жидких суспензий преимущественно в аппаратах, работающих
под давлением. Время, необходимое для растворения, гомогенизации,
диспергирования, при применении вибрационных мешалок значительно
сокращается. Поверхность жидкости при перемешивании остается спо-
койной, воронок не образуется. Вибрационные мешалки изготовляются
диаметром до 300 мм и применяются в аппаратах емкостью не более
3 м3.
Выбор того или иного типа мешалок определяется целевым назна-
чением перемешивающих, устройств и конкретными условиями протека-
ния процесса.
95
Смесители для вязких и пастообразных материалов. Для переме-
шивания вьнооковязких материалов применяются роторные, валковые,,
червячные смесительные машины и бегуны. Наибольшее распростране-
ние в общехимичеоких производствах нашли двухротсрные машины,
без давления, которые называются метателями, и машины с постоян-
ным давлением на массу, обеопечи1вающи'.м ее поджатие к перемеши-
вающим органам,:— пл астосм сеятели.
Вал.ковые и червячные машины используются в специальных про-
изводствах, в частности, для гомогенизации и пластикации синтетичес-
ких смол, резиновых смесей и им подобных материалов. Они относят-
ся к специальному оборудованию и в настоящем учебном пособии не
рассматриваются. Достаточно обширные сведения об этих машинах
можно получить в работах [50, 22].
Метатели являются машинами более энергоемким i по сравнению
со смесителями для сыпучих и жидких продуктов. Их корпус, роторы
и другие элементы конструкции обладают большей жесткостью. При
конструировании этих машин приходится решать задачи теплоотвода,
механизации загрузки и выгрузки, чистки и т. и.
Обогрев корпуса метателей может быть паровым, водяным или.
электрическим. Для охлаждения корпуса (при перемешивании высоко-
вязких материалов) используется вода, циркулирующая в рубашке или-
в специальных каналах корпуса.
Разгрузка смесителей механизируется путем опрокидывания кор-
пуса, открытия откидной боковой стенки, установки г. нижней части
корыта разгрузочпюго шнека или затвора (чаще всего гидравлическо-
го типа).
Для опрокидывания корпуса метателя используются следующие-
способы: опрокидывание с помощью цепей, жестко соединенных с дни-
щем корыта и перекинутых через две приводные звездочки, располо-
женные на стойке смесителя, опрокидывание с помощью вертикально-
го винта и движущейся по нему гайки, соединенной посредством ры-
чагов с корпусом; опрокидывание с помощью гидроцил'индри.
Как показала практика эксплуатации, наилучшие результаты да-
ет разгрузка готовой массы с помощью специального шпека (смесителя1,
серии СРШ, см. рис. 3.4), с нижней выгрузкой через затвор, а также
путем опрокидывания корпуса с помощью гидроцилиндра. В дальней-
шем предполагается заменить машины с поворотом корпуса на маши-
ны с неподвижным корпусом, снабженным специальным затвором.
Один из видов таких смесителей показан на рис. 3. 8.
Смеситель состоит из корпуса 2 с крышкой 1, в которой разме-
щены штуцера для подачи сырья и люк для разгрузки готового про-
дукта. Корпус и торцовые стенки смесителя снабжены рубашками -для
обогрева паром под давлением 060 МПа.
В корпусе размещены две Z-образные лопасти 17 (роторы), вра-
щающиеся навстречу друг другу. Частота вращения переднего рото-
ра— 44,2 об/мин, заднего — 24,4 об/мин.
Вращение лопастей осуществляется от электродвигателя 16 взрыво-
безопасного типа (N = 42 кВт, п=1500 об/мин) через муфту 12, ци-
линдрический двухступенчатый редуктор 13 (1 = 15,75), зубчатую муф-
ту 15 и пару зубчатых колес, заключенных в кожух //.
Готовый продукт выгружается из корпуса через два люка 9, раз-
мещенных в нижней части каждой половины корпуса. Люки открыва-
ются и закрываются вручную с помощью рукоятки 4 или мехапниеско-
го привода от электродвигателя 3 (N = 5 кВт) через муфте, шшичсс.-
кий редуктор и винт с гайкой. Винт, перемещая гайку, псре.твш'.ает по
направляющим 10 нижнюю шаровую опору 7, в которой закреплен
кронштейн 8, соединенный шарнирно с люком 9. При перемоще.ч.-тл
96
2500
Рис. 3 8. Смеситель
емкостью 2600 м3 с па-
ровым обогревом и' ниж-
ней выгручкой смеси:
1 — крышка; 2 — кор-
пус, 3, 16 — электро-
двигатели; л — рукоят-
ка ручной разгрузки;
5 — фундаментная пли-
та для корпуса; 6—винт,
с гайкой; 7 — шаровая
опора ими; 8 — шар-
ппр-кронштейп; 9 —раз-
грузочный люк; 10 —
направляющ 1е опоры;
11 — кожу::; 12 — уп-
ругая муфт:.; 13 — ре-
дуктор; 14 — плита для
привода; /5 — зубча-
тая муфта; 17 — ло-
пасть
плево опора 7 освобождает место опускания люка вниз. Места шарово-
го соединения кронштейна с люком и опорой закрыты кожухами.
Корпус смесителя с механизмом разгрузки расположен на фунда-
ментной плите 5, электродвигатель привода роторов с редуктором —
па плите 14. Масса смесителя 19 т.
Типовые формы лопастей показаны на рис. 3.9.
Основные параметры смесителей с Z-образными лопастями пе-
риодического действия общего назначения нормализованы НИИХИМ-
МЛШем. Их основные технические данные-.
Рабочий объем
Диаметр лопастей
Частота грани.чтя ч'-'редш'н лопасти
Мощность электродгмгггеяя чршод а
роторов
— 5-в 600 л
— 110—600 мм
- - 40-020 об'/мив
— 0,8-040 кВт
Для смешения и глубокой гомогенизации пластических масс при-
меняются пластосмесители серии ПС. Упрощенная конструктивная
схема машины ПС-140 показана на рис. 3. 10.
Масса загружается в камеру 5 из воронки 3 при открытой откид-
ной крышке. 2. С помощью ппевмоцилиндра 1 масса проталкивается
плунжером 4 и во время перемешивания вжимается в зазор между фи-
гурными валками 6, вращающимися навстречу друг другу. Готовая
масса разгружается через нижнее отверстие, перекрытое в гериюд пе-
ремешивания скользящим затвором 8 (при этом затвор 8 перемещает-
ся в плоскости, перпендикулярной чертежу, с помощью пневмоцилинд-
ра).
7. Заказ 710 Q7
г
а
Рис. 3.9. Формы
лона'.тек (роторов) двух-
вальчых смесителей: а—
г — для перемешивания
масс умеренной вязко-
сти; е — для масс с во-
локнистыми компонента-
ми; д. ж — для вязких
( тяжелых) масс
Рис. 3.10. Пласто-
смеситель серна ПС в
поперечном р'азрезе: 1 —
пневмоцилиндр; 2 —
крышка воронки; 3 —
воронка для загрузки;
4 — -плунжер; 5 — ка-
мера перемешивания; 6—
фигурные валчи; 7 —
станина; 8 — разгрузоч-
ный затвор
Камера, валки и затвор имеют водяное охлаждение. Модель
ПС-140 полезной емкостью 140 л (при полном объеме, камеры 253 л)
потребляет мощность до 240 кВт при частоте вращения валков 17/20
об/мин.
Отечественные предприятия выпускают также пластосмесители
СП-45 и СП-180.
3.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СМЕСИТЕЛЕЙ
Одним из основных вопросов в теории работы смесителей является
установление времени смешения, обеспечивающего заданную степень
неоднородности получаемой смеси. В большинстве случаев время сме-
98
шсния определяется на основе экспериментальных исследо1ваний, про-
водимых на модельном или на промышленном смесителе того типа, ко-
торый предполагается использовать.
В последние годы появились первые теоретические разработки [32],
касающиеся математического описания процесса смешения материа-
лов, Эти разработки основываются на том, что движение частиц в пе-
риод смешения (в частности, сыпучего материала) представляет собой
случайный процесс. Для смесителей периодического действия уста-
новлен ряд типовых зон, для большей части из которых можно уже,
сейчас получить функции времени пребывания в них частиц материала
и рассчитать время смешения. В смесителях непрерывного действия
время пребывания частиц в смесителе в значительной степени зависит
как от характера питания исходными компонентами (работа дозато-
ров), так и конструкции самого смесителя. Методика расчета длитель-
ности пребывания частиц (обычно частиц ключевого компонента)
здесь более сложна.
Указанные теорет^еокир разработки пока не доведены, до инже-
нерных методов расчета времени смешения материалов.
Еще более сложным и малоизученным в теоретическом отношении
является процесс смешения жидких и высоковязких материалов. Имею-
щиеся разработки касаются в основном расчета энергетических затрат
па перемешивание и подробно изложены в курсе «Процессы и аппара-
ты химической технологии». Ниже рассмотрены примеры расчета не-
которых смесителей для сыпучих материалов.
Барабанные смесители. Производительность барабанных смесите-
лей периодического действия (в кг/ч) определяется из соотношения:
q^..60V^(pk.k)cL)
т
где V — полный объем аппарата, м3; <р — коэффициент заполнения ба-
рабана (ср = 0,^04-0,75), его величина зависит от формы барабана;
рк, ак — соответственно насыпная плотность (в кг/м3) и массовая доля
отдельных компонентов смеси; т — время смешения, мин.
Производительность барабанных смесителей непрерывного дейст-
вия определяется производительностью дозаторов для каждого из ком-
понентов.
Рабочая частота вращения попт (в об/мин), обеспечивающая опти-
мальное качество смеси, зависит в основном от типа смесителя, физико-
механических свойств перемешиваемых компонентов и мождт быть оп-
ределена из следующего выражения:
попт = (15004-2000) ]/dr/Rmax, (3.3)
где ci,- — среднее арифметическое значение диаметра частит, смешивае-
мых компонентов; Rmax — 'максимальный радиус вращения корпуса сме-
сителя.
Мощность N (в кВт), потребляемая барабанным цилиндрическим
см(тоитсле1м, слагается из четырех составляющих:
N = N;4-iN2+:N3-EN4, '.(3.4)
где Ni, N2, N3, N4—мощности, расходуемые соответственнао па подъем
материала до угла естественного откоса; на перемешивание, на преодо-
ление трения в цапфах роликов (опор); на преодоление трения качения
оандажей по роликам (там, где барабан опирается на ролики посред-
ством бандажей).
Пусть Q[ — вес материала, поступающего в барабан в секунду, Н;
Ro — радиус центра массы этого материала, распределенного в сегмен-
те, м; ® — угловая скорость вращения барабана, с-1; ф— угол естест-
9'1
венного откоса сыпучего материала, рад. Материал поднимается на вы-
соту h=-R0(l—cos ф) за время t = xp/<o и, следовательно,
м _ Qih _ io-jQiRo(l—cosxp)ы
4i i000t ° ' ф
(3.5)
Эта мощность невелика и существенной роли в общем балансе не
играет.
Мощность N2 определяется следующим образом. Пусть в момент,
когда масса достигла положения, характеризуемого углом г|:, барабан
повернется на угол da. Центр массы поднимется на высоту h =
= Roda sin гр (рис. 3. 11). Работа подъема равна:
dA = Q2Rn sin гр da.
dh-dSsin %-
Рис. 3.11. Схема к
расчету мощности N2
Разделив dA на dt и заметив, что da/dt = w, получим:
N2 — 10-3Q2Ro<o sin гр,
(3.6)
где Q2—вес материала в барабане, Н.
Эта мощность является наиболее значительной в общем балансе.
Для определения мощности N3 рассмотрим сначала одну пару роликов,
где расходуется мощность N3':
м 2Sv 2ДТ
3 1000 1000
"г Rfi ~Рбп
30 ‘ Rp 3-Ю4
cosy Rp ’
Q» . д
так как S = fT, T = Qi/(2cos у), v =
где Q; — реакция опоры барабана, Н; у — угол, образованный силой Т
и вертикалью’, R6 и Rp — радиусы соответственно бандажа и роли-
ка, м; г—радиус цапфы ролика, м; п—числю оборотов барабана в ми-
нуту.
Для всего смесителя N3 = SN3', где сумма распространяется на
число роликовых пар. Если, как это обычно бывает, радиусы всех ро-
ликов, цапф и бандажей постоянны, то
где 2Qt—общий вес смесителя.
Для барабанов, опирающихся не с помощью-бандажей и опорных
роликов, а посредством цапф, жестко соединенных с торцами бараба-
на, мощность N3 будет определяться из выражения:
_ 2Q; vi;f _ SQf TrRun -R„n
1000 1000 ‘ 30 3-10v^vl
(3.8)
где — радиус цапфы барабана, м.
Мощность на преодоление трения качения бандажей пю роликам
равна:
100
N4 = E . _21_ . k (3 9j 3-10 cosy Rp
где к — коэффициент трения качения, обычно принимаемый равным
0,05 см.
Для R0+Rp=eonst
л(Кб + Вр)п ^-iQi k /rj N4~ 3-104' , ’ cosy V
Мощность Ni незначительна.
Полная мощность электродвигателя
N = (Nr+Na+Na+NJ-, (3. i!) д' q
где г) — к. п.д. привода смесителя.
Пневматические смесители, как известно, работают на принципе
создания «кипящего слоя» или псевдоюжиженн'опо состояния порошко-
вых материалов. Такое состояние характеризуется следующим уравне-
н и ем: -^=g^P3, (3-12)
где ф— безразмерный коэффициент сопротивления" трения при движе-
нии зерна относительно среды, зависящий от формы и шероховатости
зерна; р3, р3 —плотности соответственно газа и зерна, кг/м3; d3 — диа-
метр зерна, м; WB— средняя скорость газа в свободном сечении дис-
пергированного слоя взвешенных зерен, м/с.
_ Wr _ WrH
Sp Н—ho
(3.13)
где Wr — скорость газа, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с;
sr — объемная доля газа при взвешенном состоянии зернистого слоя,
равная (Н—h0)/H; Н — высота взвешенного слоя, м; h0 — расчетная
высота.твердого материала, равная отношению суммарного объема зе-
рен, заполняющих данный аппарат, к площади его поперечного сече-
ния, м.
Подставив в выражение (3. 22) значение для W„ и упростив его,
получим:
(314>
Ч- \ Г1 П() ! о
Увеличение скорости газа повлечет унос зерен в виде взвеси, т. е.
переход системы в состояние, соответствующее пневмотранспорту.
Критическая скорость воздушного потока Wnp , отнесенная к пол-
ному сечению аппарата, при которой частицы неподвижного' слоя на-
чинают переходить во взвешенное состояние, может быть’ определена
с точностью до ±20% следующим уравнением:
ReKp =Аг/( 1400+5,22VAr), (3.15)
где ReK()=WKp prda рг; Ar==pd.,J(p3 — pr)pr ;рт-; —вязкость газа, Па-с.
Для частиц разного диаметра критерий Архимеда необходимо оп-
ределять по усредненному их диаметру. Для частиц неправильной фор-
мы учитывается также фактор формы:
<1эк„= у7 6v/ii= 1,24 y^G/рз,
где G — масса частицы, кг.
101
3.5. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СМЕСИТЕЛЕЙ
Подавляющее больтин1ст1во смесителей являются машинами, имею-
щими движущиеся части. Поэтому к ним предъявляются обычные в
этих случаях требования: все движущиеся и передаточные механизмы
(клиноремеиные передачи, муфты и т. п.) должны иметь ограждения,
предохраняющие доступ к ним во время работы.
Смесители с вращающимися рабочими, органами (лопасти, рото-
ры, турбины, пропеллеры и т. п.) имеют системы блокировки, которые
позволяют запустить машину только при закрытой крышке. Если пре-
дусматривается выгрузка готового продукта с медленным вращай нем
лопастей, то система блокировки содействует переключению привода
на малую частоту вращения рабочих органов.
Смесители периодического действия для сыпучих материалов
должны иметь аспирационные системы, в задачу которых входит отса-
сывание пылевоздушной массы от разгрузочных и загрузочных штуце-
ров с последующим отделением пыли от воздуха.
Корпуса смесителей должны иметь падежную герметизацию-. Виб-
рационные смесители, как и вибрационные грохоты и мельницы, изо-
лируются от фундаментов устройствами, гасящими колебания (пружи-
ны, упругие неметаллические опоры и т. д.).
При эксплуатации пластосмесителей п мешателеп следует обращать
внимание на исправность системы охлаждения корпуса и роторов сме-
сителя. Повышение температуры выше установлен него предела приво-
дит не только к нарушению технологического процесса, но и к перегре-
ву самого смесителя, который может вызвать дополнительные напря-
жения в элементах конструкции машины, нарушение герметичности,
уменьшение зазоров в подшипниках и заклинивание роторов, т. с. по-
ломку оборудования. Чтобы избежать перегрева, на линиях охлаждаю-
щей воды устанавливают контактные термометры, управляющие расхо-
дом хладагента.
В смесителях для высокавязких материалов повышенные требова-
ния предъявляются к защите двигателей от перегрузки, так как эти
машины являются энергоемкими (мощности их приводных двигателей
составляют сотни киловатт).
При обработке вредных продуктов повышаются требования к уп-
лотнениям валов, разъемных соединений (крышки, штуцера, клапаны)
и других элементов конструкции, где возможно.просачивание продук-
тов в окружающую среду.
Особое внимание обращается на .возможность образования взрыво-
опасной смеси как внутри смесителя, так и во время его открытия.
Поэтому необходимо строго соблюдать установленные режимы венти-
ляции, использовать инертные газы, особенно в тех случаях, когда го-
рючие газы выделяются в самом процессе смешения.
Рабочий персонал, обслуживающий смесители такого вида, имеет
индивидуальные средства защиты.
Г Л А В Л 4
ТЕПЛООБМЕННЫЕ И ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ
4.1. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛООБМЕННИКОВ
Процессы теплообмена огущестрляются • в '"вг т.п:)Aohuo.iv
iax ра.тлiiHiibik типов и конструкций, но способу.передачи теплоты теп-
лообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные.
В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются тентогой
через стенки из теплопроводного материала ,а в смесительных, аппара-
тах теплота передается при непосредственном перемешивании рабочих
сред.’ Смесительные аппараты по конструкции проще поверхностных. ,
теплота в них используется полнее. Однако они пригодны лишь в тех.
случаях, когда по технологическим условиям производства ишустимо
смешение рабочих сред.
Поверхностные теплообменники в свою очередь делился на реку-
перативные и регенеративные. В рекуперативных, аппарат.х. теидооб-
меп между различными теплоносителями происходит через раздели-
тельные стенки. При этом тепловой поток в каждой точке стенки со-
храняст одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках
теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхно-
стью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точ-
ке стенки периодически меняется.
Наибольшее распространение и промышленности получили рекупе-
ративные поверхностные теплообменники непрерывного действия.
, Эти аппараты подразделяются в свою очередь по ряду признаков
на многие разновидности.
По направлению потоков рабочих сред они могут быть прялшточ-
, нымн, противоточными, перекрестного или смешанного типа
По числу ходов в трубном пространстве аппараты делятся па од-
ноходовые и многоходовые.
По конструкционному материалу они могут быть металлическими'
и'неметаллическими (в частности, графитовыми).
Наибольшее значение в классификации теплообменной аппарату-
ры принадлежит конструктивным признакам, таким, как конфигурация
теплообменной поверхности, компановка, жесткость конструкции и
т. и. На рис. 4.1 представлена схема классификации рекуперативных
поверхностных теплообменников .в основу которой полож^кы их. кон-
структивные особеннссти. В табл. 4.1 приведены .конструктивные схе-.
мы наиболее распр'остр аде иных аппаратов.
Кижухотрубчатые теплообменники получили! широкое расшрост ра-
нение благодаря простоте конструкции и технолег-ии пзштов'кч . hw.
Имеются следующие обозначения кожухотрубчатых. тежшобме!! ников- ..
TH—с неподвижными трубными решетками (жесткий кожух, и жест-
кое закрепление трубных решеток); ТК—с температурным компенса-
тором на кожухе; ТП—с плавающей головкой', ТС — с са пшиком па
плавающей! головке; ТУ—с U-образными теплообменными трубками.
В зависимости от назначения они могут быть подогреваТОлями , о-
лодильниками, канденуат орами и испарителями.
Теплоо'бмени'вающпес 'я среды движутся обычно противотоком .под-
ием нагреваемая среда направляется снизу, а отдающая теплоту -
сверху. Такое направлен нс движения сред совпадает с тем, в кото-ром
стремится двигаться кажда-я среда под влиянием измепе'нич. ее пчот -
нести при нагревании или охлаждением .
103
Теплообменники
Г
[Поверхностные |_______
| Рекуперативные |
| Смешения]
[ Регенеративные |
| Кояухотрубчатые
Трубчатая поверхность
теплообмена
Жесткие
Полухест-
кие
---- Вертикальные
'Труба в трубе’
—!— Горизонтальные
Змеевиковые
Нелесткие ----
Наклонные
----Элементные
Витые
Листовая поверхность
теплообмена
Спиральные
Пластинчатые
Рис. 4.1. Схема классификации теплообменников
Таблица 4. 1
Схемы основных видов рекуперативных теплообменников
Вид
теплообмеп-
ни ков
Разновидность конструктивных схем
Кожухо-
трубчатый
Одноходовой верти-
кальный (жесткий):
1 — крышки; 2 —
решетка трубная; 3 —
корпус; 4 — опора;
5 — трубки
Многоходовой верти
кальпый (жесткий): 1 —
крышки; 2 — перегород-
ки в крышках; '1 — ре-
шетка трубная; 4 — пе-
регородки в межтруб-
ном пространстве; 5 —
корпус; б — опора; 7 —
трубы
104
Продолжение табл. 4. I
Кожухо-
трубчатый
Полужссткий с лин-
зовым компенсато-
ром: 1 — корпус;
— компенсатор;
•’>’ — трубки; 4 — ре-
шетка трубная; 5 —
крышка
Нежесткий с ' подвиж-
ной трубной решеткой:
1 — корпус; 2 — решет-
ка трубная; 3 — крыш-
ка; 4 — перегородка в
крышке; 5 — решетка
трубная подвижная; 6 —
крышка подвижная
Нежесткий с
пучком U-образ-
пых труб: 1 —
корпус; 2 — пере-
городка; 3 — пу-
чок труб
Нежесткий с сальни-
ковым уплотнением на
корпус: 1 — крышка;
2 решетка трубная;
<? — трубы; 4 — стакан;
5 — уплотнение саль-
никовое; 6 — корпус
105
П род о л же н ис. та бл. 4. I
Кожухо-
трубчатый
Горизонтальный с двойными
трубками: 1, 3 — решетки труб-
ные; 2 — трубы внутренние;
4 — трубы наружные
Элементный: J — кожух
секции: 2 — трубки; 3 — ком-
пенсатор линзовый; 4 — фла-
нец; 5 — калач
Типа «труба
в трубе»
Двухтрубчатый: 1 —
трубы внутренние; 2 —
трубы внешние; 3 — па-
трубок; 4<— калач
Змеевиковый: I — змеевик
спиральный; 2 — корпус; 3 —
стакан внутренний; 4 — круп-
ление змеевика
106
О к о н ч а н и е т а б л. 4. 1
Ороситель-
ный
Оросительный: 1 — секция
прямых трубок; 2 — калач;
3 — желоб распределитель-
ный; 4 — рама; 5 — поддон
Пластинчатый теплообменник: 1 — плита неподвижная;
2 — штуцер для входа и выхода теплоносителя I; 3 — шту-
цер для теплоносителя II; 4 — пластины четные; 5 — плита
подвижная; 6 — устройство стяжное; 7 — штуцер для теп-
лоносителя II; 8 — штуцер для входа и выхода теплоноси-
теля I; 9 — пластины нечетные
Пластинчатый калорифер:
1 — коллектор для приема
конденсата; 2 — труба ореб-
ренная; 3 — коллектор для
входа лара
Спиральный
Спиральный теплообменник:
1, 2 — листы, свернутые в
спираль; 3 — перегородка;
4, 5 — крышки
Для увеличения скорости движения теплоносителей и, следователь-
но, повышения коэффициента теплоотдачи изготовляют многоходовые
(двух-, четырех-, шести- и двенадцатиходовые) теплообменники.
На рис. 4.2 показан вертикальный теплообменник типа ТК. Он
Рис. 4.2. Теплообменник
типа ТК вертикальный, двух-
ходовой: / — днище; 2 — про-
кладка; 3, 15 — штуцера для
выхода и входа теплоносите-
ля I; 4 — корпус; 5 — стяж-
ка; 6 — перегородка; 7—лин-
зовый компенсатор; 8 — труб-
ки; 9 — трубная решетка; 10,
13 — штуцера для входа и
выхода теплоносителя II; 11—
перегородки; 12 — распреде-
лительная камера; 14 — обте-
катель; 16 — опора
состоит из цилиндрического корпуса (кожуха) 4, в средней части кото-
рого вварен линзовый компенсатор 7, служащий для компенсации тем-
пературных расширений трубок. Последнее возникает вследствие раз-
ной температуры среды в трубках и межтрубном пространстве. Трубки
удлиняются или укорачиваются больше, чем кожух.
Кожух имеет два днища 1, распределительную камеру 12, которые
соединены между собой с помощью фланцев с прокладкам и 2. Труб-
ный пучок образован трубками 8, закрепленными в двух трубных ре-
шетках 9, приваренных к корпусу.
Распределительная камера 12 имеет перегородку 11, которая слу-
жит для образования двух ходов по трубкам. Штуцера 15 и 3 служат
для направления в межтрубное пространство второго теплоносителя.
Для создания зигзагообразного движения теплоносителя в межтруб-
ном пространстве установлены перегородки 6, соединенные стяжками
5. Для защиты трубок от истирания движущейся средой внутри кожу-
ха напротив вводного штуцера 15 установлен обтекатель 14, представ-
ляющий собой изогнутую стальную пластинку, приваренную к кожуху.
Аппарат устанавливается с помощью опор 16, приваренных к корпусу.
Показанный на рис. 4.3 теплообменник типа ТП состоит из корпу-
са (кожуха) 5 и трубного пучка, образованного трубками 6 и двумя
трубными решетками 4 и 11.
Левая трубная решетка 4 зажата между фланцами, соединяющими
кожух 5 и распределительную камеру 3, закрытую фланцевой плоской
крышкой 1. Правая подвижная трубная решетка И установлена внут-
ри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной к ней выпук-
лой крышкой 10 «плавающую головку». На трубках 6 установлены
108
Рис. 4.3. Теплооб-
менник типа ТП гори-
зонтальный дг-ухходовой:
1 — плоская крышка;
2, 15 — штуцера для
входа и выхода воды;
3 — распределительная
камера; 4, 11 — труб-
ные решетки; 5 — кор-
пус; 6 — трубки; 7 —
перегородка; 8, 14 —
штуцера для ввода пара
и отвода конденсата; 9,
10 — крышки; 12 —
опорная платформа; 13—
опора
ходовые перегородки 7. Правая часть корпуса закрыта фланцевой
крышкой 9, прикрепленной к переходному фланцу корпуса.
При нагревании и удлинении трубок «плавающая головка» сво-
бодно перемещается («плавает») внутри теплообменника. Для правиль-
ного расположения трубного пучка и облегчения сборки теплообмен-
ники с диаметром корпуса свыше 800 мм снабжаются специальными
роликовыми опорными платформами 12. Аппарат установлен: на опо-
рах 13, приваренных к корпусу. Принцип действия данного теплооб-
менника аналогичен описанному выше.
Теплообменники, изображенные на рис. 4. 2 и 4.3, относятся со-
ответственно к полужесткой и нежесткой конструкциям.
В другом виде нежесткой конструкции теплообменников (U-образ-
пые аппараты) сами трубы выполняют роль компенсирующих уст-
ройств. При этом упрощается и облегчается конструкция аппарата,
имеющего лишь одну неподвижную трубную решетку. Наружная по-
верхность труб может быть легко очищена при извлечении всей труб-
чатки из кожуха. Кроме того, в этих теплообменниках, являющихся
двух- или' многоходовыми, достигается довольно интенсивный теплооб-
мен. Недостатками теплообменииков с U-образными трубками являют-
ся трудность очистки внутренней поверхности труб, сложность разме-
щения большого числа труб в трубной решетке. В аппаратах, жесткой
конструкции отсутствуют элементы, служащие компенсаторами темпе-
ратурных расширений корпуса и трубок. Эти аппараты используются
при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка
труб.
Полужесткая конструкция аппарата обеспечивает компенсацию
температурных деформаций, если они не превышают 10—15 мм, а ус-
ловное давление в межтрубном пространстве составляет не более
0,25 МПа.
Детали и узлы .теплообменников в зависимости от параметров ра-
бочих сред изготовляют из стали различных марок (чаще всего), цвет-
ных сплавов, биметаллов, а также из неметаллических материалов
(фторопласт, углеграфит и т. д.).
Корпуса аппаратов выполняют в виде цилиндрических обечаек из
л истовы х материалов.
Трубные решетки представляют собой диски, в которых высверле-
ны отверстия под трубки. Отверстия располагаются по вершгн’ам рав-
носторонних треугольников или квадратов. Они могут быть гладкими
(рис. 4. 4, а) пли с канавками (рис. 4.4,6). Крепление трубок в труб-
ной решетке должно быть прочным, герметичным и обеспечивать лег-
кую замену груб. Используются несколько вариантов крепления: раз-
вальцовка труб в гладких отверстиях (рис. 4. 4,в) или в отверстиях с
кольцевыми проточиами (рис. 4. 4, г); развальцовка труб с их отбортов-
кой (рис. 4.4,6); приварка труб к трубной решетке (рис. 4. 4, е); при-
пайка или приклейка труб (рис. 4. 4, ж).
109
Рис. 4.4. Виды от-
верстий и нарианты
крепления трубок в труб-
ных решетках
Наибольшее распространение получила развальцовка труб в от-
верстиях трубной решетки.
Кожухотрубчатые теплообменники изпотовляютоя по ГОСТ
9929—67 и ГОСТ 15118—69. Основные параметры теплообменников ти-
па TH и ТК:
Диаметр корпуса
Число .ходов по трубам для
теплообменников с диаметром
корпуса:
< 159 и 273 мм
325 и 400 мм
6004-1200 мм
Поверхность теплообмена
Температура сред
Условное давление в трубном
пространстве для теплообмен-
ников типа TH при диаметре
корпуса:
до 100 мм
1200 мм
Условное давление для теплооб-
менников типа ТК:
в трубном пространстве
л кожухе
-- 159 -1200 мм
1
1; 2
]-, 2; 4; б
1- 964 м2
(-30) —(+350)“ С
0,6; 1; 1,6; 2,5; 4 МПа
0,6; 1, 1,6; 2,5 МПа
— 0,6; 1; 1,6; 2,5 МПа
0,6; 1; 1,6 МПа
Элементные (секционные) теплообменники состоят из последова-
тельно соединенных элементов*—секций (табл. 4. 1). Сочетание не-
пескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу
работы многоходового кожухотрубчэтого аппарата по наиболее выгод-
ной схеме — противоточной. Отсутствие перегородок снижает гидравли-
ческие сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного
пространства. Элементные теплообменники эффективны тогда, когда
теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения
агрегатного состояния или при высоких давлениях рабочих сред. Од-
нако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменни-
ками они менее компактны и более дороги из-за увеличения числа до-
рогостоящих элементов аппарата — трубных решеток, фланцевых со-
единений, компенсаторов и т. д. Поверхность теплообменника одной
секции элементных теплообменников составляет 0,75—30 м2, число тру-
бок — от 4 до 140.
Двухтрубчатые теплообменника типа «труба в трубе» (теплообмен-
ники 'ГТ по ГОСТ 9930—67) собираются из отдельных звеньев, состоя-
щих из наружной 1 и внутренней 2 теплообменных труб и элементов
их соединения (рис. 4.5), в вертикальный ряд--секцию. При этом
внутренние трубы соединяются между собой коленьями 3 (калачами),
а наружные — штуцерами 4 с фланцевыми креплениями. Звенья крс-
110
Рис. 4.5. Теплооб-
менник тина ГТ: / —
груба внешняя; 2 — гру-
ба внутренняя; 3 — ко-
лено; 4 — штуцер; 5 —
1\арк-|£'. 6 —стткан-,7—
набивка сальниковая;
8 — втулка; 9 — фла-
нец
пятен скобами к металлическому каркасу 5 (рис. 4.5, а), старенному
из уголков, швеллеров л косынок.
Один из теплоносителей (обычно высокого давления) движется по
внутренней трубе, другой (в конденсаторах — вода)—по кольцевому
межтруб'ному .зазору.
Теплообменники ТТ изготовляют жесткой конструкции л с компен- .
сирующими устройствами. В жестком элементе внутренняя труба при-
варивается к двум кольцам, а последние — к наружной трубе (рис.
4.5,6). Средняя разность температур теплоносителей в этих аппаратах
не превышает 70°. Если средняя разность температур более 70° или
требуется чистить межтрубное пространство, применяются тетлообмен-
ники ТТ с компенсирующими устройствами. Один из вариантов такого
компенсирующего устройства показан на рис. 4. 5, в, .где сольцевая
щель .между трубами уплотняется с помощью сальника. Последний со-
стоит из фланца 9, стакана 6, сальниковой набивки 7 и прижимной
втулки 8. При затяжке шпилек втулка 8 сжимает набивку 7, которая,
деформируясь, плотно герметизирует кольцевой канал. Во время нагрс-
ва внутренняя труба удлиняется, не нарушая герметичность соедине-
ния.
Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффи-
циент теплоотдачи, при годность для нагрева или охлаждения сред
при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслужива-
ния. Их недостатками являются громоздкость и высокая стоимость
вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участ-
вующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.
Пластин-ютые теплообменники (рис. 4. 6) состоят из отдельных
пластин 7, двух плит 6 (подвижной) и .9 (неподвижной), согднтенных
между собой с помощью горизонтальных штанг 1 и 2, гаек 3, втулок 4
и боковых стяжек 8. Аппарат устанавливается па опору 5 и плиту 9.
Штуцера для входа и выхода теплоносителей находятся на пли-
тах 6 и 9.
Поверхность теплообмена создается пластинами, каждая пара ко-
111
Рис. 4.6. Пластинчатый теплообменник на дпухопорной раме: 1,2 — штан-
ги; 3 — ганка; 4 — втулка; 5 — опора; 6 — плита прижпмпар; 7 — пластина;
8 — стяжка боковая; 9 — плита неподвижная
горых образует канал шириной 3—6 мм. Пластины штампуют из тон-
колистовой стали (толщина 0,7 мм). Их проточная часть делается гоф-
рированной или ребристой для увеличения поверхности теплообмена и
турбулизации потока теплоносителей. Гофры могут быть горизонталь-
ными или расположены в «елочку» (шаг гофр 11.5; 22,5; 30 мм).
Пластина имеет на передней поверхности (рис. 4.7) три проклад-
ки. Прокладка 1 ограничивает канал для движения жидкости I между
пластинами, а также отверстия 2 и 6 для входа жидкости I в канал и
выхода из него. Две кольцевые прокладки 3 уплотняют отверстия 4 и 5,
через которые поступает и удаляется жидкость 11.
Теплоносители в пластинчатых теплообменниках могут двигаться
противотоком, прямотоком и по смешанной схеме. Преимущества плас-
тинчатых теплообменников: интенсивный теплообмен (коэффициент
теплопередачи достигает 3800 Вт/м2); малое гидравлическое сопротив-
ление', простота изготовления; компактность; удобство монтажа и
Рис. 4.7. Пластина
теплообменника: 1, 3 —
прокладки; 2, 6— отвер-
стия для жидкости I; 4,
6 - отверстия для жид-
кости II
112
очистки от загрязнений. К их недостаткам относится невозможность
работы при высоких давлениях (не более 1 МПа) и температурах (до
150° С) вследствие трудности. выбора эластичных химически и терми-
чески стойких материалов для прокладок.
Отечественные предприятия выпускают пластинчатые разборные
теплообменники типа ТИР четырех наполнений: консольные, двухопор-
пые, трехопорпыс, двухопорпые с промежуточной плитой. Они имеют
поверхность теплообмена от 1 до 160 м2 и содержат от 7 до 303 пла-
стин.
Известны [59] пластинчатые сварные теплообменники, собираемые
нз блоков, в каждом из которых пластины свариваются между собой
без прокладок. Такие теплообменники могут иметь поверхность тепло-
обмена до 320 м2, работать при давлениях до 2,5 МПа и температурах
от —150 до 4-4003 С. Однако они не могут эксплуатироваться со среда-
ми, способными образовать отложения па теплообменной поверхности,
так как затруднена очистка этих поверхностей.
Оросительные теплообменники представляют собой ряд располо-
женных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой (см.
табл. 4.1).
Трубы соединяются сваркой или на фланцах при помощи «кала-
чей». Эти теплообменники применяются в основном в качестве холо-
дильников для жидкостей и газов или как конденсаторы.
Орошающая вода подается равномерно сверху через желоб с зуб-
чатыми краями. Вода частично .иапаряется, отбирая теплоту' от труб,
вследствие чего расход ее в ороси тельных теплообменниках несколько
ниже., чем в холодильниках других типов. Однако оросительные тепло-
обменники довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низ-
кой интенсивностью теплообмена. В то же время эти теплообменники
просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требует-,
ся небольшая производительность, а также при охлаждении химически
агрессивных сред.
Спиральные теплообменники представляют собой тонкие металли-
ческие листы, свернутые в виде спирали и приваренные к раздели-
тельной перегородке — керну (табл. 4. I).
Для придания листам жесткости и прочности, а также для фикси-
рования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон прива-
рены дистанционные бобышки. Два соседних листа образуют каналы
прямоугольного сечения, которые ограничиваются торцевыми крышка-
ми.
Спиральные теплообмемники отличаются компактностью, малыми
гидравлическими! сопротивлениями и значительной интенсивностью
теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.
Недостатками этих теплообменников являются сложность изготов-
ления. и ремонта, невозможность применения при давлениях ра бзчих
сред выше 1 МПа.
I рафитовые теплоооменники используют в качестве холодильников
или нагревателей и конденсаторов для одной или двух агрессивных
сред.. Высокая коррозионная стойкость и значительная теплопровод-
ность делают графит незаменимым в некоторых производствах.
Для устранения пористости графит предварительно пропитывает-
ся фснолоформальдегидными смолами.
1Тромышлен1н.ость выпускает блочные, кожухотрубчатые, ороси-
тельные. и погружные теплообменники.
Вертикальный блочный графитовый теплообменник (рис. 4. 8) со-
стоит из графитовых прямоугольных блоков 3 и двух распределитель-
ных крышек 8, iCKpc'nлепных с помощью плит 10 и шпилек 5.
В блоках просверлены каналы: вертикальные диаметром 12, 18 и
28 мм и горизонтальные диаметром 12 мм. Горизонтальные каналы
8. Заказ 710 113
Рис. 4.8. Теплооб-
менник блочный графи-
п.ный: 1, 9 — патрубки;
2, 7—штуцера для теп-
лоносителя горизонталь-
ных каналов; 3 — блок;
4, 5 — шпильки; 6 —
крышка чугунная; 8 —
крышка; 10 — плита
сообщаются с переливными круглыми крышками 6, соединенными
шпильками 4.
На распределительных крышках и переливных боковых плитах
имеются патрубки 1 и 9 для ввода и вывода агрессивной среды, движу-
щейся в вертикальных каналах, а также штуцера 2 и 7 для теплоноси-
теля, перемещающегося зигзагообразно в горизонтальных каналах. Ес-
ли оба теплоносителя являются агрессивными, вместо чугунных крышек
6 устанавливаются графитовые.
Графитовые блоки и крышки уплотняются между собой проклад-
ками из резины пли тефлона.
Вертикальные графитовые блочные теилообмеп'ни1ки .имеют поверх-
ность теплообмена от 1,8 до 18,5 м2; они рассчитаны на рабочее дав-
ление де. 0,3 МПа и температуру от —18 до -|-150оС.
Кроме вертикальных изготовляются й горизонтальные блочные
графитовые теплообменники, • имеющие меньшую поверхность теплооб-
мена (до 11 м2).
Кожухотрубчатый графитовый теплообменник состоит из труб,
трубных решеток и крышек из графита и металлического кожуха с
сальниковым уплотнением для компенсации температурных удлинений.
Трубы прикреплены к решеткам замазкой «Арзамит». Уплотняющие
прокладки изготовлены из фторопласта.
Кожухотрубчатые теплообменники выпускают с поверхностью
теплообмена от 3,5 до 14 м2; они работают при давлении до 0,5 МПа
и температур от —18 до -ф150°С.
114
*
В химических производствах применяются также витые, погруж-
ные, тарельчатые и некоторые другие виды теплообменников, сведения
о которых 1М0Ж1Н0 получить в литературе [16].
Теплообменники смешения. В теплообменниках этого типа теплота
передается от одной среды к другой путем непосредственного контакта
потоков. Их можно использовать в том случае, если смешение потоков
допустимо. Теплообменники смешения можно подразделить по принци-
пу действия на барботеры, градирни и конденсаторы.
Барботеры представляют собой аппараты, на дне которых распо-
лагается одна или несколько труб с отверстиями. Аппараты чаще все-
го предназначены для нагрева жидкости паром. Поэтому в трубы по-
дается пар, который, проходя сквозь слой жидкости в взде пузырьков,
перемешивает ее и нагревает. Трубы могут иметь форму опирали, кон-
центрических колец или решетки, состоящей из прямых отрезков труб.
Градирни получтли широкое распространение в качестве водоох-
лаждающих устройств в оборотных системах водоснабжения. Конст-
руктивно градирни представляют собой высокую деревянную или же-
лезобетонную башню, в нижней части которой смонтирован ороситель,
предназначенный для увеличения поверхности контакта охлаждаемой
воды и воздуха. В зависимости от конструкции оросителя различают
градирни пленочные, капельные, брызгальные и капельно-пленочные.
С целью уменьшения высоты градирни и интенсификации процес-
са охлаждения воды стали использовать вентиляторы большой мощно-
сти для проеаськвания воздуха через решетку. Такая градирня показа-,
на на рис. 4. 9. Вода, подлежащая охлаждению, с помощью водораспре-
делительного устройства лоткового типа, равномерно орошает всю-
верхнюю часть решетки оросителя. В оросителе вода движется вниз, а
навстречу ей поднимается поток воздуха, поступающего снизу' под дей-
ствием разрежения, создаваемого вентилятором 1 и разностью плот-
ностей более холодного и сухого наружного воздуха и воздуха в верх-
ней части башни, подвергшегося в оросителе нагреву и увлажнению.
Плотность орошения решетки принимается около 10 м3/(-м2-ч). В гра-
1‘tic. 4.\). Однопен-
тн.опорная градирня:
I -- вентилятор; 2 —
лестница; 3 — верти-
кальной вал; 4 — оро-
ситель; 5 — редуктор;
6' — гидромуфта; 7 —
электродвигатель; 8 —
вход А галерею градир-
ни
8*
115
дирнях можно охладить воду на 15—30°. Охлажденная вода собирает-
ся в нижней части башни.
Конденсаторы применяются для сжижения (конденсации) паров
воды или других жидкостей. По способу действия конденсаторы быва-
ют двух типов — мокрые и сухие. В мокрых конденсаторах охлаждаю-
щая вода, конденсат и газы откачиваются одним насосом, в сухих —
вода и конденсат стекают самотеком по одной трубе, а газы откачива-
ются вакуум-насосом по другой.
4.2. ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ И УСТАНОВКИ
В химических и смежных с ними производствах применяется боль-
шое количество выпариых аппаратов, которые работают в составе вы-
парных установок. Последние могут состоять из одного выпарного ап-
парата (однокорпуспая установка) или нескольких аппаратов (много-
корпусная установка).
Любой, выпарной аппарат состоит из двух частей: преющей каме-
ры и сепаратора. Греющая камера (кипятильник) предназначена для
кипячения упариваемого раствора, а сепаратор—для сбора и отделе-
ния вторичного пара от упаренного раствора.
Выпарные -аппараты можно классифицировать по ряду признаков:
по расположению оси аппарата в пространстве — на верти-
кальные, горизонтальные и реже—наклонные;
по виду обогрева — с обогревюм паром, газом и высокотемпе-
ратурными теплоносителями (масло, даутерм и др.), с электрообогре-
вом;
по способу подвода теплоты через стенку (трубчатые, змееви-
ковые, с рубашкой) и при непосредственном смешении (с погружными
горелками);
по режиму циркуляции — с естественной и искусственной (при-
нудите л ьно й) циркул я ци е й;
по кратности циркуляции — с однократной и многократной
циркуляцией.
Наибольшее распространение получили вертикальные поверхност-
ные трубчатые выпарные аппараты с паровым обогревом.
На рис. 4. 10 показана схема классификации вертикальных аппа-
ратов, основанная на их конструктивных особенностях и характере
движения жидкой и паровой фаз упариваемого раствора.
В табл. 4. 2 приведены конструктивные схемы наиболее распрост-
раненных выпарных аппаратов и установок.
Вертикальные выпарные аппараты
Рис. 4. 10. Схема классификации вертикальных выпар-
ных аппаратов
Таблица 4.2
Схемы основных видов выпарных аппаратов
Вид
аппарата
Разновидность конструктивных схем
Трубчатый
(кипение в
объеме)
С соосным кипятильником и
циркуляционной трубой: 1 —
брызгоуловитель; 2 — сепаратор;
•3 — корпус; 4 — трубы кипя-
тильные; 5 — труба циркуля-
ционная; 6 — кипятильник
С выносной циркуляцион-
ной трубой: 1 — центробеж-
ный брызгоус овитель; 2 —
сепаратор; 3 — труба цирку-
ляционная; 4 — кипятильник
С соосным кипятильником и ес-
тественной циркуляцией: 1 —
брызгоуловитель; 2 — сепаратор;
3 — отбойник; 4 — труба вски-
пания; 5 — труба циркуляцион-
ная; 6 — камера нагревательная
С соосным кипятильником и
принудительной
1 — сепаратор;
нагревательная;
циркуляционная;
циркуляционный
циркуляцией:
2 — камера
5 — труба
4 — насос
117
Окончание табл. 4. 2
2
Трубчатый
(пленочный)
С соосным кипятильником
и восходящей пленкой: 1 —
штуцер для выхода вторично-
го пара; 2 — брызгоуловитель;
3 — сепаратор; 4 — шту-
цер для выхода упарспно'
го раствора; 5 — камера на-
гревательная; 6 — штуцер для
выхода конденсата; 7 — шту-
цер для ввода свежего раство-
ра; 8 — штуцер для пара
С выносным кипятиль-
ником и стекающей плен-
кой: 1 — штуцер для
входа свежего раство-
ра; 2 — штуцер для па-
ра-, 3 — штуцер для вы-
хода конденсата; 4 —
штуцер для входа вто-
ричного пара; 5 — шту-
цер для выхода упарен-
ного раствора
Роторный прямоточный: 1 —
сепаратор; 2 — корпус; й —
рубашка паровая; 4 — ротор;
5 — скребки
Змеевиковый: 1 —
брызгоуловитель; 2 —'
корпус; 3 — змеевики
ЧЯ
Трубчатые выпарные аппараты. Наибольшее распространение в .
промыше.нности получили вертикальные трубчатые выпарные аппараты
с соосной или выносной нагревательной камерой (кипятильником). Ап-
параты с выносным. кипятильником целесообразно использовать для пе-
нящихся растворов, так как в нем в основном происходит самоиспаре-
иие перегретой в трубах жидкости при поступлении ее в сепаратор.
В этих условиях жидкость испаряется спокойно, и при достаточных раз-
мерах сепаратора капельки жидкости и пены вторичным паром не уно-
сятся.
Основные элементы конструкций выпарных аппаратов аналогичны
соответствующим элементам теплообменников. ГОСТ 11987—73 уста-
навливает ряды размеров диаметров преющих камер, сепараторов и
трубок, а также величину поверхности теплообмена.
Так, диаметр обечаек кипятильников изменяется в диапазоне
325—3200 мм; диаметр сепараторов — 600—800 мм; поверхность теп-
лообмена— 10—3150 м2. Размеры трубок в нагревательных камерах:
диаметр 25 и 38 мм (реже 57 мм), длина 3—9 м.. ’
На рис. 4.11 показан выпарной аппарат с естествен»!эй циркуля-
Рис. 4.11. Выпарной аппарат
с естественной циркуляцией и вынос-
ной греющей камерой: / — сепа-
ратор; 2 — опоры; 3 — расширен-
ная часть кожуха кипятильника; 4—
обтекатель; 5 — штуцер для ввода
пара; 6 — штуцер для вывода кон-
денсата; 7 — циркуляционная труба
Рис. 4.12. Роторный выпарной
аппарат: 1 — призод; 2 — уплотне-
ние вала; 3 — сепаратор; 4 — шту-
цер для ввода раствора; 5 — опора;
6 — паровая рубгшка; 7 — вал ро-
тора; 8 — лопат <а; 9 — опорный
подшипник; 10 — штуцер для выво-
да раствора
119
цисй it выносной преющей камерой. Циркуляционная труба 7 аппара-
та изготовляется из труб или обечаек диаметром от 150 до* 1600 мм..
Соотношение площадей сечения циркуляционных труб и греющих ка-
мер рекомендуется принимать в пределах 0,3—0,6.
Трубный пучок собирается из стальных труб с размещением их
по вершинам равносторонних треугольников.
Для уменьшения скорости, предотвращения местного перегрева,
трубок it защиты их от коррозии пар вводится в межтрубное прост-
ранство через штуцер 5 в расширенную часть 3 кожуха, где установ-
лен обтекатель 4. С обтекателя пар поступает равномерно со всех сто-
рон в трубный пучок через расширенную часть кожуха. Эта часть ко-
жуха является одновременно компенсатором температурных удлине-
ний трубок.
Для вывода конденсата из межтрубното пространства над нижней
трубной решеткой устанавливается штуцер 6.
Сепаратор 1 представляет собой паровое пространство, ограничен-
ное емкостной частью аппарата, с расположенным вверху брызгоуло-
вптелем. Брызгоуловителями являются чаще всего отбойники, установ-
ленные под крышкой сепаратора; инерционные циклоны; конусообраз-
ные штуцера, отводящие вторичный пар. В отбойниках и циклопах
брызги отделяются ст пари путем резкого1 изменения скорости и на-
правления движения пара.
В выпарных аппаратах с принудительной циркуляцией жидкость
движется ню трубкам (см. табл. 4. 2) с большой скоростью (2—3 м/с)
под давлением. Зена кипения находится у верхнего конца трубок.
Благодаря значительной скорости движения раствора в трубках
отложений на поверхности теплообмена меньше, чем в обычных верти-
кальных аппаратах. Эти аппараты целесообразно применять в опреде-
ленном интервале тепловых нагрузок и, главным образом, при упари-
вании вязких жидкостей, когда естественная циркуляция затруднена.
Однако на привод циркуляциемного насоса требуются дополнитель-
ные затраты мощности, поэтому необходимость использования подоб-
ных аппаратов следует обосновывать соответствующими технико-эко-
номическими расчетами.
В пленочных выпарных аппаратах раствор движется в трубках в.
виде пленки. В аппаратах с восходящей пленкой (см. табл. 4. 2) рас-
твор подается ,в нижнюю часть трубок и вскипает; при этом образует-
ся много паровых пузырьков, увлекающих за собой раствор. Парожид-
костпая эмульсия, выходящая из трубок, ударяется о поверхность
сепаратора с изогнутыми лопатками, получает вращательное движение
и отбрасывается центробежной силой к периферии, благодаря чему
происходит достаточно полная сепарация пара. Собственно выпарива-
ние протекает в тонком слое при однократной циркуляции раствора.
При большой длине кипятильных труб (более 5 м) возможны разрыв
и высыхание пленки жидкости в верхней их части с понижением при
этом коэффициента теплоотдачи.
В выпарных аппаратах со стекающей пленкой (см. табл. 4.2)
греющая камера расположена вверху, а сепаратор—внизу. Свежий
раствор подается через штуцер сверху и проходит трубный пучок вниз,
образуя па поверхности трубок тонкую пленку. Вторичный пар выво-
дится через верхний штуцер сепаратора, а упаренный раствор — через
его нижний штуцер.
Пленочные аппараты имеют высокий коэффициент теплопередачи,
однако, как показали специальные заводские испытания [35], они нс
.характеризуются большой шгтопсив'ностыо теплоотдачи шуч кипеня ж
Некоторым преимуществом пленочного аппарата является однократ-
ная циркуляция с быстрым прохождением раствора через грубы, ч го
120
предохраняет растворы, чувствительные к высокой температуре, от
порчи.
К недостаткам пленочных аппаратов относятся значительная дли-
на трубок, затрудняющая ремонт, малая аккумулирующая способность,
не обеспечивающая постоянную производительность и затрудняющая
получение раствора равномерной концентрации.
Разновидностью пленочных аппаратов, используемых для упарива-
ния вязких и термолабильных растворов, является роторный выпарной
аппарат (рис. 4. 12).
Раствор подается дозировочным насосом в верхнюю часть аппа-
рата через штуцера 4 откуда стекает в виде тонкой пленки по внутрен-
ней стенке цилиндрического корпуса. Теплоноситель (вода, пар, дифе-
нильная смесь) подается в рубашки аппаратов. При стекании по стен-
ке аппарата раствор захватывается лопатками 8 ротора и приводится
в движение; при этом образуется пленка, отталкиваемая центробеж-
ной силой к 'внутренней стенке аппарата.
Полученную на стенках пасту лопасти снимают и натравляют на
дно, откуда она удаляется через штуцер 10 и секторный затвор. Ок-
ружная скорость ротора составляет обычно 2—3,5 м/с. Аппарат ха-
рактеризуется высокой интен«ив1ностыо теплоотдачи. Незначительное
пребывание раствора в аппарате (10—15 с) обеспечивает высокое ка-
чество продукта, что особенно важно для термолабильных растворов.
Недостатками роторного аппарата являются небольшая поверх-
ность нагрева, сравнительно невысокая производительностэ, сложность
конструкции и большая стоимость.
Непосредственное соириноснотение теплоносителей реализуется в
аппаратах с погруженными горелками и барботажных аппаратах (см.
табл. 4. 2).
Одна из конструкций аппаратов с погружными горелками показана
па рис. 4. 13. В плоской крышке корпуса 3 аппарата расположена од-
на или несколько горелок 2, погруженных под уровень выпариваемого
раствора, который поддерживается постоянней с помощью переливной
трубы 4.
Впорииныи 1—1 I Га»
ВазЛ/х
Рис. 4.13. Выпарной ап-
парат с погружной горелкой:
1 — сепаратор; 2 — горелка;
3 — корпус; 4 — переливная
труба
Рис. 4.14. Схема гыпарной ус-
тановки, работающей под разреже-
нием: 1 — котел паровой; 2 — паро-
перегреватель; 3 — турбина паро-
вая; 4 — пароувлажнптель; !—V —
аппараты выпарные; Е;—Е, — коли-
чество экстрапара
121
В погружную горелку подается под давлением воздух и горючий
газ. Смесь газа и воздуха зажинается в горелке от электрической све-
чи, работающей от специального транс форм а тори ого устройства. После
разогрева огнеупорных стенок камеры горения горелка погружается в
раствор на такую глубину, при которой происходит наиболее эффектив-
ный теплообмен. Горелки диаметром 50 мм рекомендуется погружать в
раствор на глубину 250 мм; диаметром 250 мм — на глубину 500 мм.
Отработанные газы вместе со вторичным паром поступают в конден-
сатор или скруббер, где пар конденсируется, а газы удаляются венти-
лятором в атмосферу. Пузырьки газа и пара, образующиеся при рабо-
те аппарата, интенсивно перемешивают раствор, обеспечивая nunfr
тепло- и массообмен между раствором и газом.
Многокорпусные выпарные установки позволяют значительно спи
зить расход теплоты за счет многократного .испо аьзова-ния пира.В та-
кой установке температура кипения раствора понижается от первого
корпуса к последнему; только при этом условии вторичный пар какого-
либо корпуса может служить греющим паром в исследующем аппара-
те. Сравнительно высокая температура кипения устанавливается в пер-
вом корпусе, а температура 323—333 К—в последнем корпусе выпар-
ной установки под разрежением. Последний корпус соединяют с ко.ч-
д он с это р ом, ’слаб же ни ы М в аку у м - н асссом.
Па практике число корпусов не превышает обычно 5, что объяс-
няется необходимостью получения полезной разности температур п
каждом корпусе не меньше 7—8°.
В установке,, работающей под давлением, температура кипения ь
первом корпусе 398 К н- выше, в последнем—несколько выше 373 К,
чтобы температура вторичного пара была 375—376 К, число корпусов
в таких установках нс превышает 3.
Наиболее общим классификационным признаком схем выпарных
установок является давление-, при котором раствор кипит в последних,
корпусах.
Преимущества установок, работающих под разрежением’.
— большая общая полезная разность температур, что позво-
ляет многократно использовать (теплоту и снизить расход рабочего па-
ра в установке;
— низкая температура кипения в последних корпусах, в свя-
зи с чем мала вероятность пригорания растворов органических ве -
щест'в; ;
— меньшая чувствительность к колебаниям нагрузки, так как
конденсатор служит буфером, воспринимающим эти колебания.
.Недостатки этих установок: более сложное оборудование; потеря
вторичного пара ('из последнего корпуса), направляемого в кондодса-
тор; пониженная темперитуря вторичного пара последних корпусов.
Типовые схемы выпарных установок изменяются по мере совершен-
ствования теплосилового хозяйства завода. Новая типовая схема уста-
новки, работающей под разрежением, показала па рис 4. 14 [35]
Пар из парового котла поступает через па репере грев ат е т: ид паро -
вую турбину. Отработанный пар из турбины с противода-влепием па
правляется в пароувлажнитель (во избежание чрезмерного перегрева),
а затем в. корпус I выпарной установки. ВтЬричный пар каждого пре-
дыдущего Корпуса (эюстрапар) направляется в качестве греющего на
последующий корпус. .
Отличительной особенностшо установки, работающей под давлени-
ем, является возможность использования пара из последнего корпуса в
качестве экстра пара (рис. 4.15).'
Преимущества этих установок: лучшее использование теплоты; бо-
лее высокая температура вторичного пара,- что позволяет устанавли-
вать теплообменные аппарата; с меньшей поверхностью нагрева; значив
122
Рис. /5.Схемэ вы-
парной устаювкн, рабо-
тающей пол. давлением
установки; меньшая пло-
тельно меньшие размеры конден1сацион1ной
щадь, занимаемая 'аппаратами, так как «рисло корпусов обычно мень-
ше, чем в-установке, работающей под разрежением.
Недостатки этих установок: чувствительность к колебаниям на-
грузки, в связи с чем трудно поддерживать стабильный режим и полу-
чать упаренный раствор равномерной плотности; опасность порчи про-
дуктов, чувствительных к высоким температурам, поскольку последние
корпуса работают при высоких температурах.
Многокорпусные установки комплектуются из выпарных аппара-
тов, рассмотренных ранее.
Области пришнгния и выбор выпарных аппаратов. Конструкция
выпарною аппарата должна удовлетворять ряду общих требований,
числу которых относятся: высокая производительность и .интенсив-
ность теплоперецачл три возможно меньшем объеме аппарата и рас-
ходе металла на его изготовление, простота устройства, надежность в
эксплуатации, легкость очистки П'оверхиоети теплообмена, удобство'об-
служивания и ремонта.
Вместе с этим выбор конструкции и материала аппарата опреде-
ляется- в каждом конкретном случае физикохи-мическимн свойствами
выпариваемого раствора.
Можно указать следующие области преимущественного примене-
ния выпарных аппаратов различных типов.
Для выпаривания растворов небольшой вязкости (до 8- 10 3 Пл- с)
без образования кристаллов чаще всего используются вертикальные ап-
параты е многократной естественной циркуляцией. Из них наиболее
эффективны аппараты с выносной нагревательной камерой и с вынос-
ными пеобогреваемьим.и циркуляционными трубами. Выпаривание пе-
криеталлисзирующмхея растворов.большой вязкости, (до 0,1 Па-с) про-
изводят в аппаратах е принудительной циркуляцией, реже-—в прямо-
точных со стекающей пленкой или в роторных .аппаратах.
Для сильно пенящихся растворов рекомендуются прямоточные вы-
парные аппараты с поднимающейся пленкой или с вынос ним кипятиль-
никам.
4.3. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Для теплообменных аппаратов, работающих при температурах до
400° С, предусматривается наружная изоляция. Она служит для умень-
шения потерь теплоты и предотвращения ожогов обслуживающего пер-
сонала. Допустимая температура поверхности теплоизоляции по усло-
виям техники безопасности составляет 45° С.
Применяются следующие виды наружной тепловой изоляций:
1. Мастичные, наносимые н>а поверхности любой формы. Этот вид
теплоизоляционных покрытий требует больших затрат времени и труда
для его выполнения; используется для изоляции поверхностей слож-
ной формы.
2. Формованные, укладываемые на поверхность на подмазке или
насухо. На корпусе аппарата они крепятся с помощью проволоки.
123
3. Оберточные и засыиные (плиты, маты, шнур, стеклоткань, крош-
ка, войлок).
4. Сборно-блочные, устанавливаемые и закрепляемые на изолируе-
мой поверхности без подгонки.
Теплоизоляционный слой для удержания на поверхности аппара-
та обвязывается проволокой, из которой плетется сетка с ячейкой
150X150 им. На вертикальных по.верх|настях через 2—3 м устанавли-
ваются разгрузочные кольца из угловой или листовой стали, восприни-
мающие нагрузку вышележащего слоя изоляции. Разгрузочные кольца
остаются внутри слоя изоляции, так как их ширина должна составлять
75% от толщины слоя изоляции. Для прочного соединения теплоизо-
ляционного слоя с изолируемой поверхностью, а также для создания
жесткого каркаса внутри изоляционного слоя используются крепления,
состоящие из стержней, приваренных к корпусу и выходящих за преде-
лы изоляции. Выступающая часть стержней имеет резьбовую нарезку,
служащую для закрепления с помощью гаек и шайб листовой стали
или металлической сетки. Крепления являются тепловьими мостиками,
через которые продолжается утечка теплоты. Металлическая сетка
помогает выполнению изоляционных работ и может служить для креп-
ления ПОКрОВНОГО' слоя.
Изоляционное покрытие оостаит' из двух слоев: изоляционного и
покровного. Изоляционный материал является рыхлой массой, в кото-
рой теплота передается теплопроводностью твердого скелета и воздуха
в порах материала, лучеиспусканием и конвекцией воздуха в порах. Та-
ким образом, коэффициент теплопроводности изоляции является эффек-
тивной величиной, учитывающей все способы передачи теплоты через
материал.
Кроме коэффициента теплопроводности л, характеристиками изо-
ляционного материала являются максш-мальная температура примене-
ния tmax и объемная масса у, которая .влияет через весовую нагрузку
па опорную конструкцию. Чрезмерные весовые нагрузки особенно
опасны для трубопроводов, поэтому для них установлены предельные
толщины изоляции, при которых весовая нагрузка не превышает допу-
стимого значения. Свойства некоторых изоляционных материалов пред-
ставлены ниже:
у. кг/м3 К X, В г/м2-град
.Асбестовые’ изделия 200—500 723 0,12
Диатомовые обжиговые изделия 500—600 1173 0,14
Пено ша м от и ы е изд ел и я 950 1623 ОДО
Минеральная вата 200 873 0,05
Стекловолокно 200 723 0,042
Покровный слой служит для предохранения изоляционного слоя от
разрушения. Он имеет большую теплопроводность и прочность.
Покровный слой изготовляется из: 1) цементной, алебастро-асбес-
товой асбозуритовой штукатурки и т. д.; 2) ив отдельных элементов
сухой штукатурки; 3) гибких материалов (хлопчатобумажная тканы
стеклоткань, рубероид); 4) листового металлического материала (сталь
кровельная, сталь тонколистовая нержавеющая, жесть белая, алюми-
ний листовой).
Толщина штукатурного слоя составляет 10—20 мм. Ткани (мит-
каль, парусила, мешковина) применяются до температуры 353 К. Наи-
более часто ткани 'используют для защиты изоляции трубопроводов,
проходящих внутри помещений.
Для изоляции фасонных частей — фланцев, компенсаторов, арма-
туры, требующих частого наблюдения и смены, применяются матрацы
из изоляционного материала, поверх которых крепятся металлические
кожухи, состоящие из двух шарнирно соединенных половой!.
124
Расчет толщины изоляционного слоя может быть выполнен 'Или
ио заданной температуре на поверхности изоляции, или по заданной
потере теплоты аппаратом,' или по заданному снижению температуры
реагентов при их транспортировке (для трубопроводов).
4.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
При проектировании теплообменной аппаратуры выполняют теп-
ловой, конструктивный и прочностной расчеты.
Задачей теплового расчета является определение поверхности теп-
лообмена совместным решением уравнений теплопередачи и теплового
баланса при заданных расходах теплоносителей и температурных ус-
ловиях.
Конструктивный расчет теплообменников состоит в определении
основных размеров аппаратов; при этом исходными данными служат
результаты' теплового расчета.
Прочностной расчет служит для определения таких размеров эле-
ментов конструкции аппарата, которые гарантируют надежную рабо-
ту при заданных параметрах теплоносителей.
Ниже кратко рассмотрены методика теплового расчета и конст-
руктивный расчет кожухотрубчатых теплообменищкот, как папбол'щ
распрострапенпых.
М е т о д 'И к а те п левого р а с чета
Тепловой расчет обычно включает:
— выбор конструкции аппарата, основных его размеров, ско-
ростей, места движения теплоносителей и т. п.;
— определение тепловой нагрузки или расходов теплотюепте -
лей;
— расчет параметров температуриого режима процесса тепло-
обмена;
— определение коэффициента теплопередачи-,
— вычисление площади теплообмена.
Обычно тепловой расчет увязывается с конструктивным и гидрав-
лическим.
Конструкция проектируемого теплообменного аппарата ьыбирает-
ся на о,снова.1НИ|И Tex'irj-iiKio-^icciHOLV'iiM-eiOK'iix соображений -с учетам дости-
жения высокой интенсивности теплообмена и обеспечения простоты,
компактности, удобства монтажа и ремонта, надежности в работе и ми-
нимальной стоимости.
Скорости рабочих сред в аппаратах должны обеспечива"ь благо-
приятные условия теплообмена, но не вызывать возрастания гидравли-
чеоких сопр опивлени й.
Практика эксплуатации рекомендует следующие значенья скоро-
стей: для жидкостей и растворов — до 3 м/с; для газов в зависимости
от давления и температуры—до 25 м/с; для насыщенных паров при
конденсации — до 10 м/с.
Место движения сред в трубном пли межтрубном пространстве
выбирается в зависимости от температуры теплоносителей п пх вида,
характера загрязнений, величины гидравлических сопротивлений и пр.
Вещества, дающие плотные осадки, желательно пропускать по внутрен-
ним каналам, конденсирующиеся>—в межтрубном пространстве и т. д.
Тепловая нагрузка аппарата определяется из уравнений теплового
баланса. Например, для теплоносителей агрегатное состояние которых
не изменяется, Лспользуется уравнение
125
Q = G|Ci(t|/—t1//)nn = G2c2(tt"—12'); (4.1)
где Q — тепловая нагрузка, кВт; Gi, G2—расход теплоносителей, кг/ч;
О, с2 —средние удельные теплоемкости теплоносителей в соответствую-
щем интервале температур, кДж/кг-град; t/, t|", t2Z, t2"—начальные и
конечные температуры теплоносителей, град; —коэффициент, учи-
тывающий полезное использование тепла в аппарате (т]п = 0,97—0,98).
Расчет температурного режима состоит в определении средней раз-
ности температур Atcp и средних температур теплоносителей t|CP и
12с Р-
В теплообменниках возможны три основных вида изменения темпе-
ратурного режима теплоносителей:
1) температуры обоих теплоносителей остаются в процессе тепло-
обмена постоянными;
2) температура одного теплоносителя остается постоянной, а дру-
гого — непрерывно изменяется;
3) температуры обоих теплоносителей непрерывно и одновременно
изменяются.
Движение теплоносителей, как известно, может быть прямоточным,
противоточным и смешанным.
Средняя разность температур для всех видов движения теплоноси-
телей может быть определена как разность средних температур рабо-
чих сред:
AlcP = tk-P—'t2cp. . (4.2)
При постоянных температурах рабочих сред (кипение, конденса-
ция) среднюю разность температур определить несложно. Так, для
прямоточной и противоточной схем Atcp определяется как среднеариф-
метическая или среднелогарифм1ическая разность [35].
В остальных случаях выражение (4. 2) не может быть практичес-
ки использовано, так как не известны ticp и t2cp.
Физические параметры теплоносителей зависят от установленного
теплового режима и выбираются при температуре, которая принята
определяющей для обработки опытных данных гари получении расчет-
ного критериального уравнения.
Значения физических параметров (коэффициент теплопроводности
А, удельная теплоемкость с, плотность р, вязкость ц и коэффициент
температуропроводности а) выбираются по таблицам опытных данных
или определяются расчетным путем.
Коэффициент теплопередачи К, входящий в основное уравнение
теплообмена,
Q = KFAtcpT (4.3)
характеризует сложный теплообмен' в целом и может быть представ-
лен как функция коэффициентов теплоотдачи щ и а2 по обеим сторо-
нам разделяющей стенки, термических .сопротивлений стенки d/А и за-
грязнений (R3=<\3 /А3).
Величина К зависит от формы стенки, разделяющей теплоносите-
ли.
Для плоской стенки толщиной 3
к= ' <4,4>
а, 1 А ' а...
Для многослойной плоской стенки в данную формулу вводят сум-
му термических сопротивлений всех слоев стенки Sdi/Aj.
। ।
Для цилиндрической стенки (внутренний диаметр dt, наружный
d2)
к,_т, .„т ' (4.5)
---, - - - /п — ' -,
ля|(1| 2tj. о, ла2<12
при этом значение коэффициента теплопередачи относится к 1 м дли-
ны трубы (К/).
Для мяо гасло иной цилиндрической станки в уравнение (4. 5) 'вво-
дится
сумма
i - и
термических сопротивлений всех слоев: У
5^ ~Г-
2~t. dj
Если для труб d2/di<;2, то величину К можно рассчитать по урав-
нению (4.4); при этом погрешность расчета не превысит 4()/0.
В промышленных аппаратах поверхность теплообмена покрыта
обычно слоем накипи окшслов, осадков, пригара и других загрязнений,
создающих дополнительные термические сопротивления. Поскольку точ-
ный их расчет не представляется возможным (в силу неизвестности
толщины слоя и его коэффициента теплопроводности), в расчетной
практике нашел применение способ косвенного учета влияния загряз-
нений с помощью коэффициента использования поверхности теплообме-
на [35].
Определив Ku для чистой поверхности теплообмена по- формулам
(4.4) пли (4.5), вычисляют расчетное значение коэффициента тепло-
передачи:
К = фКо- (4.6)
Значения ф принимаются па основании опытных данных.
Кроме термического сопротивления загрязнений, введением коэф-
фициента ф учитывают также влияние застойных зон, неиспользован-
ных частей поверхности теплообмена и т. п.
Коэффициент теплоотдачи а определяется из известного соотноше-
ния (i = Nu—, где критерий Нуссельта рассчитывается из того крите-
риального уравнения, которое соответствует рассматриваемому режи-
му теплообмена и движения теплоносителей.
В большинстве случаев для аппаратов, не требующих частой очи-
стки, ф = 0,7—0,8. Если из рабочих сред, участвующих в теплообмене,
активно выпадают осадки, то <р = 0,4—0,5.
Поверхность теплообмена F определяется из выражения (4.3).
' Методика конструктивного расчета
Задачей конструктивного, расчета кожухотрубчатых теплообменни-
ков является определение числа труб, схемы их размещения, диамет-
ра аппарата, числа ходов в трубном и межтрубном пространствах и
размеров патрубков.
Количество труб и их размещение. Общее число труб определя-
ется из соотношения'.
где dp, I — соответственно расчетный диаметр и длина труб м.
Число труб одного хода в трубном пространстве вычисляют по из-
вестному расходу и выбранной скорости движения теплоносителей:
п,.= ---<—°Г’
J 3600ndmp PWTp ’ ' ' dIH1>WTp ’
127
где GT,, — расход теплоносителя в трубном пространстве, кг/ч; dB11
внутренний диаметр трубок, м; р — плотность теплоносителя, кг/м3;
WTp — скорость теплоносителя, м/с.
Число ходов zTp в Трубном пространстве находится из соотноше-
ния: у
n = nozTp. (4.9)
Рекомендуется принимать zTp равным 1, 2, 3, 4, 6, 12.
При размещении трубок в трубных решетках необходимо обеспе-
чить максимальную компактность, надежное крепление' трубок, удоб-
ство размотки трубных решеток и монтажа трубного пучка.. Наиболее
целесообразно располагать трубы по вершинам правильных треуголь-
ников (шахматный пучок), квадратов (коридорный пучок) и по кон-
центрическим окружностям.
Для наиболее распространенного шахматного пучка (как самой
компактной схемы) связь между общим количеством труб п, числом
труб на диагонали в и па стороне а наибольшего шестиугольника вы-
ражается простым соотношением:
п = 3а(а—1) +1; (4.10)
в = 2а—1. (4.11)
Расстоянию между осями труб, или шаг t, зависит от наружного
диаметра il„. Чаще всего 1= (1,2ч-1,4) d„.
Общее количество труб п должно быть таким, чтобы в, а, пп бы-
ли целыми числами. Это достигается расчетом ио мевдту последова-
тельных приближений и соответствующим выбором диаметра, длины
трубок, скорости движения теплоносителей в трубном пространстве.
Внутренний диаметр аппарата зависит от диаметра п шага труб,
а также схемы их расположения:
D0 = t(e-l)+4dH. (4.12)
Рассчитанную величину Do необходимо округлить до ближайшего
стандартного значения D.
' Число ходов в межтрубном пространстве z определяют, исходя из
площади живого сечения межтрубного П'ростра1нют®а, расхода теплоно-
сителя и его скорости в самом узком сечении:
z== (мт До, (4. 13)
где fMT—площадь живого сечения межтрубного пространства, м2; f() —
площадь живого сечения одного хода межтрубного пространства, м2.
При размещении труб по сторонам правильного треугольника са-
мым узким нередко бывает сечение на стороне шестиугольника (рис.
4. 16). Тогда
f мт =1(4—dH) (а— 1)Ч-ЗПцгЬД]/; fo = G/(36OOPW),
где A = D—Do — разность значений диаметров корпуса стандартного
и вычисленного по формуле (4.12): G—расход теплоносителя в меж-
трубном пространстве, кг/ч; W — скорость теплоносителя в самом уз-
ком сечении, м/с; р — плотность теплоносителя., кг/м3.
Диаметр патрубков dn зависит от расхода и скорости теплоноси-
теля. Его определяют п.з уравнения:
Tdu2/4 = G/(3600pW),
откуда du =0,0188yG/pWn ); (1. ’ i;
Wn—скорость теплоносителя в патрубке, м/с.
128
Рис. 4.16. Схема
к расчету трубной ре-
шетки
Скорость теплоносителя в патрубке принимается несколько боль-
шей, чем в аппарате.
Полученную из выражения (4. 14) величину dn необходимо округ-
лить до ближайшего стандартного значения.
4.5. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
В кожухотрубчатых теплообменниках, составляющих около 8Э%
от общего количества изготовляемой теплообменной аппаратуры, од-
ним из основных условий безопасной эксплуатации является компен-
сация температурных напряжений, достигаемая различными приемами,
которые были .изложены выше.
Другим ус'.тошгем бсзопас/юн работы является освобождение от на-
кипи па стопках трубного пучка, а также от отложений и- грязи, заби-
вающих трубы. Для облегчения очистки в конструкции те!тлообмен1ни-
ка предуоматрмылстся удойный .доступ к трубам с обоих концов: крыш-
ки теплообменника делаются легко ан.ймаемы'мн, а трубные пучки —
удобно вынимаемыми’.
В теплообмоптжах-пщгарителях, обогреваемых топочными газами,
большая опасность возникает при понижении уровня жидкости ниже
«огневого», над которым стенки аппарата омываются горячими газа-
ми. При нагреве жидкости теплоносителем источник нагрева (змеевик,
трубы и т. п.) должен быть постоянно полностью погружен в жидкую
фазу. Недопустимо переполнение закрытого сосуда жидкостью. Для
наблюдения за уровнем жидкости сосуд снабжается, как минимум,
двумя уровнемерами, имеющими сигнализаторы.
Значительное внимание должно уделяться качественной тепловой
изоляции теплообменников, так как обнаженные поверхности аппара-
тов могут явиться причиной ожога при случайном с ними соприкосно-
вении.
S. Заказ 710
ГЛАВА 5
МАССООБМЕННАЯ АППАРАТУРА
5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТОВ
Аппараты, предназначенные для проведения технологических про-
цессов, протекание которых определяется скоростью переноса вещест-
ва (массы) из одной фазы в другую, называются массообменнымм.
В подавляющем большинстве случаев производственные установ-
ки химической промышленности работают по схеме: исходное сырье
поступает в реактор, где частично превращается в продукты реакции;
выходящая из реактора смесь направляется в массообменную раздели-
тельную аппаратуру, в которой разделяется на продукты реакции и
непрореагировавшсе сырье; последнее возвращается в реактор, а про-
дукты реакции поступают на дальнейшую переработку.
Таким образом, между реакционными и разделительными аппара-
тами существует тесная технологическая связь. Общий закон этой свя-
зи таков: чем меньше нагрузка на реакционный аппарат, т. е. чем мень-
ше превращение исходного сырья в продукты реакции, тем больше на-
грузка на разделительный агрегат, и наоборот.
В разделительном агрегате могут происходить разнообразные про-
цессы. Важнейшими из них являются абсорбция, экстракция, ректифи-
кация, адсорбция, кристаллизация.
Абсорбция — избирательное поглощение газов или паров жидкими
поглотителями — абсорбентами. Процесс используется во многих про-
изводствах, где из смеси газов необходимо извлечь какой-нибудь ком-
понент или группу компонентов. В этом процессе имеет место пере-
ход вещества пли группы веществ из газовой или паровой фазы, в жид-
кую. Аппараты, предназначенные для 'проведения этих процессов, на-
зываются абсорберами.
Экстракция — избирательное извлечение отдельных компонентов
из смеси жидких или твердых веществ с помощью растворителей (экст-
рагентов). Наибольшее распространение в промышленности получила
жидкостная экстракция. Аппараты, осуществляющие данный процесс,
н аз ыв а юс я экстракторам и.
Ректификация — разделение жидкой смеси на чистые или обога-
щенные составляющие в результате противоточного взаимодействия
потоков пара и жидкости'. Ректификацию используют в тех производ-
ствах, где необходимо частичное или полное разделение жидких одно-
родных смесей на чистые компоненты или их группы. В этом процессе
имеет место переход вещества из жидкой фазы в паровую, и наоборот.
Аппараты данной группы называются ректификационными колоннами.
Адсорбция — избирательное поглощение газов, паров или раство-
ренных в жидкостях веществ твердым поглотителем — адсорбентом.
Процессы адсорбции осуществляются в аппаратах, называмых адсор-
берами.
Кристаллизация — выделение твердой фазы в ваде кристаллов
(главным образом, из растворов и расплавов). Аппараты, в которых
осуществляется процесс, называются кристаллизаторами.
В настоящей главе рассматривается массообменная аппаратура,
используемая в процессах абсорбции, ректификации, жидкостной экст-
ракции. Что же касается аппаратов, в которых протекают процессы
адсорбции и экстракции в системах твердое тело — жидкость, то пер-
130
вые аналогичны некоторым видам сушилок (с псевдоожиженным сло-
ем) или реакционным аппаратам и фильтрам (адсорберы с неподвиж-
ным слоем зернистого адсорбента), а вторые—.многим смесительным
аппаратам (барабанные, шнековые) или газютвердым реакторам (с ки-
пящим слоем зернистого материала), которые были описаны ранее или
будут освещены в последующих главах.
Наиболее распространенными являются аппараты колонного ти-
па. Они представляют собой цилиндрические сосуды с большим отно-
шением высоты к диаметру. Внутри колонны устанавливаются различ-
ные устройства, Которые способствуют образованию необходимого кон-
такта взаимодействующих фаз. Конструкции этих устройств весьма
разнообразны и выбираются в зависимости от вида массообменного
процесса и физико-химических свойств реагирующих компонентов.
Из теории маосопередачи известно, что' количество вещества, пе-
решедшего из одной фазы в другую, пропорционально поверхности фа-
зового контакта и движущей силе массообменного процесса (разности
концентраций рассматриваемого компонента).
Поскольку движущая сила массообменного процесса имеет задан-
ные ограничения, то основным путем интенсификации процесса являет-
ся увеличение поверхности контакта взаимодействующих фаз. Следова-
тельно, принцип образования межфазной поверхности может быть по-
ложен в основу классификации массообменных аппаратов.
На рис. 5. 1 показана схема классификации наиболее типичных
массообменных аппаратов, нашедших широкое применение в промыш-
ленности;
Массообменные аппараты
С фиксированной поверх-
ностью фазового контакта
С поверхностью контакта, об-
разуемой в процессе движения
потоков
-----------1
С внешним подводом
энергии
— Пленочные
L- Полочные
— Распылительные
—| Тарельчатые | | Насадочные
С механическими—
мешалками
— Колпачковые
— Клапанные
— Со смоченной
насадкой
— Ситчатые
— Струйные
— С затопленной
насадкой
— Решетчатые
Пульсационные —
— 5 -образные
Ротационные
Рис. 5.1. Схема классификации • массообменных аппаратов
В данной схеме классификации отсутствуют кристаллизаторы, .так
как сам процесс кристаллизации является в значительной степени теп-
лообменным процессом. Кристаллизаторы составляют самостоятельную
группу маосоюбменной аппаратуры.
Массообменные аппараты могут быть непрерывного и периодичес-
кого действия, цельносварными и сборными, состоящими из отдель-
ных частей (царг), которые соединяются между собой с помощью
фланцев.
Диаметры массообменных аппаратов изменяются в широком диа-
пазоне—от 0,3 м (для малых установок) до.8—40 м (башни в серно-
кислотном и других производствах). Металлические аппараты имеют
диаметры обычно до 4 м. Высота аппаратов различна и может дости-
гать 50 м и более (ректификационные колонны). Для удобства обслу-
живания таких высоких аппаратов на их внешней поверхности монти-
руются круговые обслуживающие площадки, располагающиеся на тех
уровнях, где имеются люки-лазы (рис. 5.2). Каркас площадки изготав-
131
Рис. 5.2. Коиетру!»
тивная схема колонного
аппарата с обслуживаю-
щими площадками: 1 —
кран-укосина; 2— крыш-
ка; 3 — корпус колон-
ны; 4 — площадка об-
служивающая; 5 — ле-
стница; 6 — перила пло-
щадки; 7 — люк-лаз;
8 — кипятильник вынос-
ной; 9 — опора колон-
ны
Рис. 5.3. Варианты опор колон-
ных аппаратов: I — опорная цилин-
дрическая или коническая обечайка
(юбка); 2 — косынка; 3 — стойка;
4 — фундаментное кольцо; 5 —
спорный пояс; 6 — лаз
ливается из уголковой стали, а ее горизонтальные участии покрывают-
ся металлическими листами, перфорированными или гофрированными.
Площадки сообщаются друг с другом с помощью облегченных метал-
лических лестниц. К нескольким рядом расположенным колоннам из-
готавливают общие для каждого уровня обслуживающие площадки.
Аппараты устанавливаются или на специальные фундаменты, и
тогда их опорная часть выполняется по вариантам, изображенным на
рис. 5. 3, или подвешиваются на строительных конструкциях, и тогда их
опоры аналогичны тем, которые были на теплообменных аппаратах.
Для обеспечения подъема отдельных элементов конструкций на
верхней царге аппарата нередко устанавливается кран-укосина, позво-
ляющий во время осмотра или ремонта поднимать крышку аппарата,
элементы внутренних его устройств, поддерживать крышки люков-ла-
зов (если они не имеют оси поворота) и осуществлять другие работы.
5.2. АППАРАТЫ С ФИКСИРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
ФАЗОВОГО КОНТАКТА
Массообменные аппараты этой группы характеризуются тем, что
поверхность фазового контакта между жидкостью и газом (паром)
представляет собой пленку жидкости, образованную на внутренних кон-
тактных устройствах.
К аппарата^ данного типа относятся пленочные, полочные и рас-
пылительные.
В табл. 5. 1 показаны схемы основных видов массообменных аппа-
ратов с фиксированной поверхностью фазового контакта. Ниже дается
краткая характеристика аппаратов каждой группы и приводится опи-
сание конструкций наиболее распространенных из них.
132
Таблица 5.1
Схемы основных видов массообменных аппаратов с фиксированной поверх-
ностью фазового контакта
Вид
аппарата
Разновидность конструктивных схем
Пленочный
Трубчатый (абсорбер):
/ — трубная решетка;
2 — трубы; 3 — корпус;
4 — днище
Листовой (абсорбер): 1 —
листовая насадка; 2 — распре-
делительное устройство; 3 —
крышка; 4 — корпус
Трубчатый с восходящей
пленкой (абсорбер): 1 — тру-
бы; 2 — решетка трубная;
3 — камера; 4, 5 — патруб-
ки для подачи соответственно
газа и абсорбента
Полочный
С полками типа диск-
кольцо: 1 — корпус; 2 —
диск; 3 — кольцо
С чередующимися полками
1 — корпус; 2 — полка ти
па [; 3 — полки типа П
133
Продолжение табл. 5.1
Распыли-
тельный
ИЫчете
Распылительный абсорбер
Вентури: 1 — конфузор; 2 —
горловина; 3 — диффузор; 4 —
камера сепарационная
Полый распылитель-
ный (абсорбер): 1 —
форсунка; 2 — колонна
Распылительный колонный
(экстрактор): 1 — трубы для
нвода тяжелой жидкости; 2—
корпус; 3 — распылитель лег-
кой жидкости; 4 — затвор гид-
равлический
Пленочные аппараты представляют собой вертикальные колонны,
внутри которых находится насадка (контактные устройства) из труб
или листов. Жидкость стекает по стенкам' насадки в виде пленки под
действием собственного веса, а газ (или пар) движется противотоком
снизу вверх.
Существуют пленочные аппараты, в которых пленка жидкости
движется по стенкам насадки не сверху вниз, а снизу вверх под дей-
ствием кинетической энергии газа, идущего снизу,— аппараты с восхо-
дящим движением пленки. Пленочные аппараты трубчатого типа вы-
полняются по типу кожухотрубчатого • теплообменника и состоят из
вертикального корпуса, внутри которого размещаются трубы, закреп-
ленные в трубные решетки. Для равномерной подачи жидкости служат
специальные распределительные устройства.
На рис. 5.4 показан пленочный трубчатый абсорбер, в котором'
корпус 6, трубки 7 и крышки 1 и 10 выполнены из металла, а труб-
ные решетки 4 и 8 и днища 2 и 9 — из графита. Аппарат используется-
134
Рис. 5.4. Пленочный труб-
чатый абсорбер: 1. 10— крыш-
ки; 2, 9 — днища соответст-
венно верхнее и нижнее; 3 —
распределитель; 4, 8 — труб-
ные решетки; 5, 11 — штуцера
для хладагента; 6 — корпус;
7 — трубки
'для обработки агрессивных сред. Абсорбент с помощью специальных
распределительных устройств 3 натравляется в трубки и в виде тон-
кой пленки стекает по их внутренней поверхности. Газовая смесь дви-
жется по трубкам снизу вверх и взаимодействует с пленкой жидкости.
Для обеспечения необходимого режима работы в межтрубное прост-
ранство подается хладагент через штуцера .5 и 11.
Аппараты с листовой насадкой (юм. табл. 5. 1) представляют.собой
колонны с вертикальными пластинами из твердого материала (металл,
дерево, пластмасса) пли туго натянутыми полотнищами из ткани.
В верхней части аппарата находится распределяющее устройство, рав-
номерно орошающее каждую пластину с обеих сторон.
Условием нормальной работы аппаратов с листовой насадкой яв-
ляется строго вертикальная установка пластин и равномерное распре-
деление орошающей жидкости, что является довольно трудной задачей.
Основные преимущества этих аппаратов: большие скорости газов
и относительно малое гидравлическое сопротивление. Гидравлическое
сопротивление значительно увеличивается в пленочных аппаратах с
восходящим движением жидкой пленки (см. табл. 5.1). В этих аппа-
ратах жидкость поступает в трубы через щели. Движущийся с большой
скоростью газ увлекает жидкую пленку в направлении своего движе-
ния (снизу вверх). По выходе из трубы жидкость сливается на верх-
нюю трубную решетку и выводится из аппарата. Для отвода теплоты
абсорбции по межтрубному пространству пропускают хладагент.
135
В аппаратах с восходящим движением пленки вследствие больших
скоростей газового потока (до 30—40 м/с) достигаются высокие значе-
ния коэффициентов маосопередаии.
Трубчатые пленочные ректификационные аппараты отличаются от
аналогичных абсорберов наличием специальных теплообменных уст-
ройств— кипятильников (кубов .колонны) и дефлегматоров.
Кипятильники предназначены для превращения жидкости, стекаю-
щей из колонны, в пар и подвода его в нижнюю часть аппарата. По-
верхность нагрева кипятильников представляет собой змеевик или ко-
жухотрубчатый теплообменник, встроенный в нижнюю часть колонны.
Более удобны для ремонта и замены выносные кипятильники, которые
устанавливаются ниже колонны с тем, чтобы обеспечить естественную
Цирку Л Я Ц|И Ю Ж ИДКОС'11; t.
Дефлегматор, продназшаченный для конденсации паров и подачи
орошения (флегмы) в колонну, представляет собой кожухотрубчатый
теплообменник, в ме «трубном поостранствс которого обычно конден-
сируются пары, а в трубах движется хладагент (вода). В случае час-
тичной копр 1011,03'11(1111 паров дефлегматор располагают либо вне колон-
ны, либо непосредственно над нею, чтобы обеспечить большую ком-
пактность установки. Конденсат (флегма) в этом случае поступает че-
рез гид роз атвор на верх колонны.
При плсночноЛ копдепгсаиип паров дефлегматор устанавливают
выше колонны, неш'срсдст'вешю на колонне илн ниже верха колонны
для того, чтобы уменьшить общую высоту установки. В последнем
случае флегму из дефлегматора подают в колонну насосом.
В полочных аппаратах (см. табл. 5. 1) пленка жидкости образу-
ется на полисах, которыми служат тарелки-перегородки, имеющие фор-
му либо чередующихся дисков и колец, либо глухих тарелок с закраи-
нами и сегментными вырезами, либо дисков с вырезами. Расстояние
между соседними полками составляет обычно 50—150 мм.
Полочные аппараты применяются чаще псего для осуществления
жидкостной экстракции. Капли тяжелой жидкости, коалесцируя, обте-
кают перегородки и виде тонкой ।пленки омываемой сплошной фазой
Интенсивтость массопе редач и в полочных колоннах несколько выше,
чем, например, в распылительных, в ооновнам за счет их секционмро-
ва|Н1И1я посредством перегородок, приводящего к уменьшению обратного
перемешивания.
Распылительные аппараты используются в процессах абсорбции и
жидкостной экстракции. В первом случае жидкость разбрызгивается до
капельного состояния и уже в виде капель попадает в оплошной газо-
вый поток. Во втором случае легкая жидкость вводится в виде капель
в сплошную среду тяжелой жидкости и после массапереда'чи отстаива-
ется в верхней части аппарата.
Таким образом, в обоих случаях 'Поверхностью раздела фаз являет-
ся поверхность капель жидкости.
Распылительные аппараты можно разделить на две группы по
способу распыления жидкости:
1) аппараты с. распиливанием жидкости с помощью форсунок (аб-
сорберы и экстракторы);
2) аппараты с распылением жидкости за счет (кинетической энер-
гии движущегося с большой скоростью газового потока ((скоростные
прямоточные абсорберы Вентури).
В табл. 5. 1 показаны некоторые типы колонн t распыли1ва’Н1ием
жидкости, выполненных в виде полых аппаратов. Га.з в них движется
обычно снизу вверх, а жадность подается через расположенные в верх-
ней части колонны распылители с направлением факела распыла свер-
ху вниз или под некоторым углом к горизонту. Во многих случаях, осо-
бенно при большой высоте колонны, распылители располагаются в пе-
136
сколько ярусов. При этом факелы распыла направляют сверху вниз,
под углом к горизонту или снизу вверх.
В полых распылительных .колоннах скорость газа нельзя значи-
тельно повысить, так как это вызвало бы унос с ним большей части
распыленной жидкости. Принимается скорость газа до 1 м/с. В случае
прямотока газа и жидкости 'процесс проводят при 'больших скоростях
газа (до 20—30 м/с и выше), причем вся жидкость уносится с газом и
отделяется от 'него в сепарационном устройстве.
Рабочий объем скоростных прямоточных распылитель: ых абсорбе-
ров обычно имеет 'форму расходомерной трубы Вентури, (поэтому их
называют абсорберами Вентури). Он состоит (см. табл. 5.Y) из сужаю-
щейся части — конфузора. Жидкость подают в горловину д ли в конфу-
зор. Пройдя с большой скоростью через горловину, газ поступает в
диффузор, где его скорость постепенно снижается, затем направляется
в сепарационное устройство.
Распылительные экстракторы представляют собой полые колонны,
внутри 'которых имеются лишь устройства для ввода лепкой и тяже-
лой фракций.
В табл. 5. 1 показана схема распылительного экстрактора, в кото-
ром диспергируется легкая фаза, поступающая в корпус через распы-
литель. Проходя через отверстия распылителя, легкая фаза в виде ка-
пель движется снизу вверх сквозь тяжелую фазу, заполняющую сме-
сительную зону колонны. К этой зоне сверху и снизу примыкают от-
стойные зоны, имеющие обычно больший по сравнению со смеситель-
ной зоной диаметр для лучшего отстаивания жидкостей.
В верхней отстойной зоне капли сливаются, образуя слой легкой
фазы, тяжелая жидкость отводится в нижней части колонны.
В соответстэгаи с высотой перелива тяжелой жид кости устанавли-
вается положение раздела фаз в колонне. В промышленных условиях
этот уровень автоматически регулируется вентилем, установленным на
выходе тяжелой жидкости из колонны и связанным с датчиком уровня
раздела фаз.
Каждой скорости движения тяжелой жидкости должна соответст-
вовать некоторая предельно допустимая скорость движения легкой
жидкости., и наоборот. Чрезмерно большая скорость движения легкой
фазы приводит к увеличению объемной долм этой жидкости в аппара-
те, к возникновению циркуляционных токов дисперсной фазы, т. е. к об-
ратному перемешиванию, которое существенно уменьшает движущую
силу 'И соответственно — интенсивность массопередач1и.
Распылительные экстракторы отличаются высокой производитель-
ностью, но вместе с тем очень низкой интенсивностью массопередачи,
обусловленной обратным (продольным) перемешиванием. Это являет-
ся причиной весьма ограниченного промышленного применения этих ап-
паратов.
5.3. АППАРАТЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ КОНТАКТА,
ОБРАЗУЕМОЙ В ПРОЦЕССЕ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКОВ
К массообменпым аппаратам данного вида относятся тарельчатые
и насадочные колонны. Поверхность контакта фаз образуется в этих
аппаратах при противотоке жидкости и газа (пара), который барботи-
рует через слой жидкости, стекающей по насадкам различного типа.
В тарельчатых колоннах жидкость в виде слоя определенной тол-
щины перетекает с одной горизонтальной перегородки — тарелки на
другую, а газ (пар), движущийся снизу вверх, дробится с помощью
контактных устройств различного вида, находящихся на тарелке, взаи-
модействует с жидкостью и выходит в верхней части колонны.
В насадочных колоннах поверхность контакта фаз образуется с
137
Таблица 5. 2
Схемы основных видов тарелок, и насадочных аппаратов, в которых поверхность
контакта образуется в процессе движения потоков
Вид
аппарата
Разновидность конструктивных схем
1
Тарельчатые
колонны
С круглыми колпачками: 1 —
колпачки круглые; 2 — трубки
сливные; 3 — тарелка; 4 —
патрубки газовые
С туннельными колпачками:
1 — тарелка; 2 — патрубки
газовые; 3 — колпачки тун-
нельные; 4 — трубки сливные
С ситчатой тарелкой: .1 —
тарелка ситчатая; 2 — трубка
сливная; 3 — перегородка пе-
реливная; 4 — перегородка
сливная
С клапанной тарйЛкой: 1 —
тарелка; 2 — перегородка пе-
реливная; 3 — клапан; 4 —
перегородка сливная; 5 —
трубка сливная
С решетчатой тарелкой: 1 —
тарелка; 2 — отверстие
С дырчатой тарелкой: 1 —
тарелка; 2 — отверстия
138
Окончание табл. 5. 2
2
Тарельчатые
«олонны
Со струйной тарелкой: 1 —
пластина; 2 — карман слив-
ной; 3 — перегородка перелив-
ная; 4 — тарелка
С двойной зоной фазового
контакта: 1 — тарелка ситча-
тая; 2 — патрубок сливной;
3 — диск распиливающий
С S-образными элементами:
1 — тарелка; 2 — S-образные
элементы
С подвижной шаровой на-
садкой: 1 — тарелка ситча-
тая; 2 — насадка шаровая
Насадочные
колонны
Со смоченной насадкой, раз-
деленной на 2 секции: 1 —
распределитель жидкости; 2 —
насадка; 3 — решетка опор-
ная; 4 — перераспределитель
жидкости
С затопленной насадкой
(эмульгационная колонна),
размещенной в одну секцию:
1 — корпус; 2 — затвор гид-
равлический; 3 — насадка;
4 — тарелка распределитель-
139
помощью насадки, заполняющее &пу7р£инюю полость вертикального
аппарата. Жидкость поступает в верхнюю часть колонны w движется
сквозь насадку вниз, а газ (пар) проходит через насадку снизу
вверх и, взаимодействуя с жидкостью, уходит из 'верхней части колон-
ны.
Аппараты этой группы работают, как правило, в непрерывном ре-
жиме. Они широко используются в процессах абсорбции и ректифика-
ции и называются соответственно абсорберами и ректификационными
колоннами.
Основные отличительные конструктивные признаки этим аппара-
там сообщают тарелки, виды и способы размещения насадок. Поэтому
в табл. 5. 2 приводятся схемы основных видов тарелок, а не аппара-
тов в целом.
Т а р е л ь ч а т ы е а п п а р а т ы
Тарельчатые (барботажные) масоооб1менные аппараты (абсорбе-
ры и ректификационные колонны) представляют собой вертикальные
колонны, внутри которых на определенном расстоянии друг от друга
размещены горизонтальные перегородки — тарелки. С помощью таре-
лок осуществляется направленное движение фаз и многократное их
взаимодействие.
В настоящее время в промышленности применяются разнообразные
конструкции тарельчатых аппаратов. По способу слива жидкости с
тарелок барботажные аппараты подразделяются на две группы: 1) с
тарелками со сливными устройствами и 2) с тарелками без сливных
устройств.
В тарельчатых колоннах со сливными устройствами жидкость
переливается с одной тарелки на другую при помощи сливных трубок,
карманов и тому подобных устройств. Нижние концы трубок погруже-
ны в стакан на нижерасположенных тарелках и образуют гидравличес-
кие затворы, исключающие возможность прохождения газа через слив-
ное устройство. Жидкость поступает на верхнюю тарелку, сливается
с тарелки на тарелку через переливные устройства и удаляется из ниж-
ней части колонны. Газ поступает в нижнюю часть аппарата, прохо-
дит последовательно сквозь отверстия тарелки, распределяется в виде
пузырьков в слое жидкости на тарелке, образуя на ней слой пены, яв-
ляющийся основной областью массообмена и теплообмена на тарелке.
Отработанный газ удаляется сверху жоланны.
Переливные трубки располагаются на тарелках так, чтобы жид-
кость на соседних тарелках протекала во взаимопротивоположных на-
правлениях. В последнее время стали шире применять сливные уст-
ройства в виде сегментов, вырезанных в тарелке и ограниченных по-
рогом-переливом.
К тарелкам со сливными устройствами относятся: колпачковые,
ситчатые, пластинчатые и др.
В колоннах с тарелками без сливных устройств газ и жидкость
проходят через одни и те же отверстия или щели. На тарелке одно-
временно со взаимодействием жидкости й газа путем барботажа про-
исходит сток жидкости на’ нижераспо1ложемную тарелку<—«провали-
вание» жидкости. Поэтому тарелки такого типа называются проваль-
ными. К ним относятся дырчатые, решетчатые, трубчатые и др.
Тарельчатые колонные аппараты комплектуют тарелками следую-
щих типов: стальными с капсульными круглыми колпачками (TCK-I,
ТСК-Ш, ТСК-Р—однопоточные; ТСК-РЦ, ТСК-РБ — двухпоточные); с
туннельными колпачками (ТСТ — одно- и двухпоточные); с чугунными
колпачками (ТЧК — однопоточные); с медными колпачками (ТМК —
однопоточные); с S-образными элементами; ситчатыми с отбойными
140
Элементами (ТСБ-П — одно- и двухпоточные); клапанными одно- и
двухпоточными; с керамическими колпачками (ТСК—однопоточные);
решетчатыми.
Колпачковые тарелки стальные с капсульными круглыми колпач-
ками типа ТСК-I изготовляют для колонных аппаратов диаметром
400; 500; 600; 800; 1000 мм, корпус которых собирают из царг (ци-
.лищдри1ческая часть аппарата, соединяемая с другими его частями с
.помощью фланцев).
Главным элементом такой тарелки (рис. 5. 5) является основание
А-А
Рис. 5.5. Тарелка
колпачковая типа TCK-I:
1 — переливная перего-
родка; 2 — колпачок;
3 — паровой патрубок;
4 — труба сливная сег-
ментообразная; 5 — ос-
нование; 6 —• прижим-
ное кольцо; 7 — стой-
ка; 8 — опознай плита;
9 — регулировочная
планка; 10 — сливная
перегородка; 11 — шпиль-
ка; 12— скобы; 13 — на-
бивка сальниковая; 14 —
регулировочный винт;
15 — опорное кольцо
.5 — стальной отбортованный диск толщиной 4 мм с отверстиями для
установки паровых патрубков 3 и сегментной сливной трубы 4. Над па-
ровыми патрубками установлены стандартные колпачки 2. Для созда-
ния необходимого уровня жидкости тарелка снабжена сливной пере-
городкой 10, к которой винтами прикреплена регулировочная планка
9. Перегородка 1 образует так называемый входной карман, в кото-
рый погружается сливная трубка выше расположенной тарелки. Ниж-
няя тарелка установлена на кольце 15, приваренном к обечайке. Точ-
ность горизонтальной установки обеспечивается регулировочными вин-
та mih 14.
Для монтажа располагаемой выше тарелки служат стойки 7,
имеющие опорные плитки 8. Таким образам заполняют всю царгу (три-
пять тарелок).
Зазор между бортом основания тарелки и царгой уплотняют саль-
никовой набивкой! 13 и зажатием ее прижимным кольцом 6 с помощью
шпилек 11 и скоб 12.
На рис. 5. 6 показаны конструкции стандартных колпачков, в двух
исполнениях: /—нерегулируемые по высоте и II — регулируемые.
141
Колпачки изготавливаются из углеродистой стали СтЗкп и легирован-
ных сталей 08X13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т.
Рис. 5.6. Капсуль-
ные колпачки: 1 — кол-
пачки; 2 — паровые па-
трубки; 3 — шайбы; 4—
гайки; 5 — болты
Колпачки 1 прикреплены к паровым патрубкам 2 специальными»
. болтами 5, шайбами 3 и гайками 4. По краю колпачок имеет прорези
шириной 4 мм и высотой 15; 20 или 30 mim.
Жидкость через сегментную сливную трубу заполняет тарелку на
уровень, определяемый положением регулировочной планки 9. Колпач-
t ки своими прорезями погружены в жидкость. Пар проходит снизу че-
рез паровые патрубки, щели колпачков и барботирует сквозь слой жид-
кости; при этом происходит массообмен. Жидкость переливается на
ниже расположенную тарелку, а пар идет вверх. Расстояние между та-
релками принимают из ряда значений: 200; 250; 300; 350; 400; 450 и
500 мм.
Тарелки типа ТСК-III изготовляют из углеродистой и легирован-
ной сталей (облегченные) для колонных аппаратов диаметром 1200;
1400; 1600; 1800 мм, состоящих ив отдельных царг или имеющих цель;
носварной .корпус и съемную крышу.
По конструкции они аналогичны тарелкам типа TCK-I, но из-за
большого диаметра каждая тарелка имеет опорное кольцо, представ-
ляющее собой разрезной бандаж, к которому по концам приварены
металлические планки с соосными отверстиями. В отверстия вставле-
ны шпильки. После установки бандаж разжимают с помощью двух
гаек, и он прилегает к внутренней поверхности корпуса; при этом ши-
пы, приваренные к корпусу, входят в отверстия бандажа.
. Тарелки стальные типа ТСК-Р изготовляют из углеродистой стали
для колонных аппаратов диаметрам от 1000 до 3600 мм, имеющих
цельносварной корпус и крышку.
Тарелки снабжены стандартными капсульными колпачками диа-
метром 80; 100 п 150 мм.
Конструктивно тарелка типа ТСК-Р отличается от рассмотренных
ранее тем, что ее основание состоит из отдельных секций, каждая из
которых прикреплена к опорной раме 1 и опорным балкам 2 специаль-
ными шпильками или винтами. Раму приваривают к корпусу.
Опорные балки, изготовляемые из П-образного проката, крепят
142
болтами к кронштейнам, приваренным к раме. Число секций (от 2 до
10) выбирают по нормали в зависимости от диаметра колонны. Число
опорных балок может быть от 1 до 4; толщина секций в нормальном
исполнении равна 6 мм, в облегченном исполнении— 2,5 мм.
Разборная конструкция тарелки позволяет вести монтаж и демон-
таж через лазы. Рас стояние между тарелками 300; 350; 400; 450; 500;
600; 700; 800; 900; 1000 и 1200 мм.
Тарелки стальные разборные двухпоточные колпачковые изготов-
ляют типа ТСК-РЦ (с центральным сливом) и ТСК-РБ (с боковым
сливом) для колонных аппаратов диаметром от 1400 до 5000 мм.
Конструктивное отличие их от тарелок типа ТСК-Р состоит в том,
что первая тарелка имеет центральное диаметральное сливное устрой-
ство, а вторая—два боковых в виде двух открытых секторов. Благо-
даря этому перелив и движение жидкости осуществляются двумя пото-
ками.
Тарелки типа ТКК (рис. 5. 7) изготовляют для установки в метал-
лических колонных аппаратах диаметром от 300 до 1800 мм.
Рис. 5.7. Тарелки колпачковые керамические типа ТКК: а — цель-
ные; б — составные
Главное их преимущество — стойкость к кислотам любых кон-
центраций, за исключением плавиковой и фосфорной.
Тарелки бывают двух исполнений: I (рис. 5. 7, а) —цельные для
аппаратов диаметром до 600 мм; II (рис. 5.7,6) —составные для ап-
паратов диаметрам от 800 до 1800 мм.
Аналогичны по конструкции и применению тарелки с деталями из
углеграфитовых материалов ATM.
В последнее время практикуется изготовление тарелок из пласт-
масс (например, из фторопласта-4). Их применяют в колоннах ректи-
фикации высокоагрессивных сред.
Тарелки типа ТСТ иэгото1вляют по отраслевым нормалям для рек-
тификационных колонн диаметром свыше 1400 мм, применяемых в
н е ф те п ер е р а б ат ыюа юще й п р ом ыш л ен наспи.
143
Тарелки собирают из отдельных продольных секций, штампован-
ных из листовой стали и уложенных на опорные уголки. Борта двух
рядом закрепленных секций образуют между собой длинную верти-
кальную щель (паровой канал), над которой с помощью двух шпилек
закрепляют туннельный (желобчатый) колпачок. Колпачок имеет зуб-
чатые края. Изготовляют колпачки штамповкой из углеродистой или
легированной стали длиной 760; 810; 1092; 1170; 1400; 1600; и 1800 мм,
шириной и высотой 80 мм.
Клапанные тарелки применяют в ректификационных колоннах диа-
метром от 1000 до 4000 мм, работающих при переменных нагрузках по
пару и жидкости.
Клапанные однопоточные тарелки для колонн диаметром от 1000
до 4000 мм и двухпоточные тарелки для колонн диаметром от 1400 до
8000 мм состоят из барботажной части и переливного устройства: Бар-
ботажную часть собирают из секций, уложенных на опорную полку и
балки. В секциях имеются отверстия диаметром 40 мм, в которых ус-
тановлены саморегулирующие клапаны, т. е. устройства, которые сами
открывают проходы для пара в зависимости от его количества и поддер-
живают этим стабильный процесс ректификации. Расстояние между
тарелками принимают равным 450; 500; 600; 700; 800 и 900 мм. Та-
релки изготовляют из сталей ВСтЗси4, 08X13, 12Х18Н10Т,
10Х17Н13М2Т.
Ситчатые тарелки с отбойными элементами предназначены.для ап-
паратов коленного типа с внутренним диаметром от 1200 до 4000 мм
(рис. 5.8). В зависимости от диаметра тарелки состоят из 12—16 сек-
Рис. 5.8. Тарелка
:нтчатая с отбойными
элементами: 1 — секция;
2 — перегородка слив-
ная; 3 — отбойник; 4 —
водослив; 5 — сегмент
ций 1, изготовленных из перфорированного, листа толщиной 2 мм с про-
оечно-вытяж1ным!и щелевидными отверстиями. Тарелка имеет, сливное
устройство и барботажную часть. Для уменьшения брызгоупоса на та-
релке установлены под углом 60° отбойные элементы 3. Расстояние
между тарелками 450; 500; 600; 700; 800 и 900 -мм.
В ситчатых тарелках без отбойных элементов диаметр круглых
отверстий составляет 1,6—9,6 мм, причем суммарная площадь сече-
ния отверстий равна 10% от площади тарелки. Расстояние между та-
кими-! тарелками — 0,15—0,60 м.
Решетчатые тарелки (рис. 5.9) состоят из трех-десяти секций 2,
изготовленных из углеродистой листовой стали толщиной 2—4 м-м. По-
лотно секции имеет продолговатые отверстия, расположенные рядами.
144
Рис. IF. 9. Тарелка
решетчатая: 1 — про-
кладка; 2 — секция; 3—
косынка', 4 — кронш-
тейн; 5 —балка; 6 —
опорное кольцо; 7 —
специальная шайба
Секции укладывают на опорное кольцо 6 и балки 5. В отличие от рас-
смотренных ранее конструкций эти тарелки не имеют переливных уст-
ройств, они являются прывальными тарелками.
Решетчатые разборные стальные тарелки применяют для колонн
диаметром от 1000 до 2400 мм. Расстояние между тарелками 300; 350;
400; 450; 500 и 600 мм. Размеры отверстий: ширина — 6 мм, длина —
60 мм. Расстояние между отверстиями в ряду—10 мм. Шаг рядов —
8; 10; 12, 14; 16; 18; 20; 22; 24; 28; 32; 36 мм.
Тарелки изготовляют из сталей ВСтЗсп, 08X13, 12Х18Н10Т,
10Х17Н13М2Т. 7
Толщина полотна для тарелок из легированных сталей — 2 мм, для
тарелок из углеродистых сталей — 4 мм.
Тарелки с S-образными элементами (рис. 5. 10) собирают из штам-
пованных из листовой стали рабочих элементов 1, которые крепят вин-
тами к опорной раме 2. В собранном виде колпачковая часть с зубча-
той .кромкой одного элемента перекрывает желоб соседнего элемента.
Для придания большей жесткости и закрытия торцов межцу элемента-
ми закрепляют поперечные пластины 3.
Переливные устройства выполняют так же, как и у тарелок типа
ТСК-Р- Тарелки с S-образными элементами такого типа находят все
большее применение благодаря преимуществам перед другими (просты
в изготовлении, имеют небольшую массу и высокий к. п. д.).
Тарелки с направленным движением фаз отличаются большей эф-
фективностью благодаря организации такого контакта фаз, при кото-
ром пар выходит из прорезей в направлении движения жидкости на
тарелке. Помимо этого за счет кинетической энергии струи пара ско-
рость жидкости на тарелке возрастает, что позволяет увеличить нагруз-
ку колонны по жидкости. Унос в таких колоннах ниже, чем в обыч-
ных колпачковых. Используются две разновидности таких тарелок.
Тарелки с направленными прорезями (чешуйчатые) представля-
ют собой плоский лист, па котором в шахматном порядке прорезаны и
отогнуты вверх на одинаковый угол направляющие пластины в форме
10. Заказ 710
145
Рис. 5.10. Тарелка с
S-образными элементами:
а — тарелка в сборе;
б — элементы тарелки;
1 — S-образный эле-
мент; 2 — опорная ра-
ма; 3' — поперечные пла-
стины
языка (рис. 5.11). Тарелка имеет сепментные переливные устройства..
При конструировании тарелок рекомендуются следующие размеры: для
языка /,==/2 = 50 мм; расстояние между языками; ai=15—20 мм, о2 =
= 20—25 мм; угол наклона — 20°. Для колонн, работающих под дав-
лением, целесообразно применять наклонные переливы, составляющие
около 30% от сечения колонны.
Рис. 5.11. Тарелка
чешуйчатая: а — общий
вид тарелки; б — слив-
ной стакан с перелив-
ной перегородкой*, в —
сливной стакан без пере-
ливной перегородки; г —
прорезь
Первый ряд отверстий (по ходу жидкости) располагается на рас-
стоянии 30 мм от перелива, последний — на расстоянии 100—150 мм.
В пластинчатых, (струйных) тарелках жидкость и газ движутся
также в одном направлении. Жидкость (движение ее показано сплош-
ными стрелками на схеме в табл. 5. 2) поступает с вышележащей та-
релки в гидравлический затвор н через переливную перегородку попа-
дает на тарелку, состоящую из ряда наклонных пластин. Дойдя до
первой щели, жидкость встречается с газом (пунктирные стрелки), ко-
торый с большой скоростью (20—40 м/с) проходит сквозь щели. Вслед-
ствие небольшого угла наклона (10—15°) газ выходит на тарелку в
направлении, близком к параллельному по отношению к плоскости
тарелки. При этом жидкость эжектируется, диспергируется газовым
'потоком на мелкие капли и отбрасывается вдоль тарелки к следующей
146
щели, где процесс взаимодействия газа и жидкости повторяется. В ре-
зультате жидкость с большой скоростью движется ПО' тарелке от пере-
ливной перегородки к сливному карману. В данном случае нет необхо-
димости в установке переливного порога у кармана, что уменьшает об-
щее гидравлическое сопротивление в тарелке.
Пластинчатые тарелки работают так, что жидкость является дис-
персной, газ—сплошной фазой, а контактирование фаз осуществляет-
ся на поверхности капель и брызг. Все это позволяет повысить нагруз-
ки по жидкости и газу.
Следовательно, достоинствами этих тарелок являются интен-
сивный капельный режим, .низкое гидравлическое сопротивление, воз-
можность работы с загрязненными жидкостями, низкий расход металла.
Их недостатки: трудность отвода и подвода тепла, снижение эф-
фективности при небольших расходах жидкости.
Тарелки с двумя зонами контакта (ом. табл. 5.2) появились позд-
нее рассмотренных выше. Они имеют дополнительную зону контакта
(раз за счет специально организованного слива жидкости с одной та-
релки па другую. Газ (пар) проходит через пленку жидкости (допол-
нительная зона контакта фаз) и барботирует через жидкость на тарел-
ке. Сепарирующее действие пленки позволяет повысить скорость газа
в колонне по сравнению с ситчатыми и колпачковыми тарелками.
Тарелки с шаровой насадкой (см. табл. 5. 2) являются разновид-
ностью устройств, в которых поверхность контакта фаз развивается
потоком газа (пара). Слой шаров, помещенных на тарелку ситчатого
или провального типа, образует плотную сепарирующую завесу между
тарелками при определенном расходе газа. Эти аппараты позволяют по-
высить скорость газа в колонне в 3—4 раза по сравнению с ситчатыми
тарелками, но они имеют большее гидравлическое сопротивление.
На рис. 5. 12 показан, упрощенный чертеж тарельчатой колонны
с колпачковыми тарелками, переливными трубками, выносным кипя-
тильником и собственной опорой. Корпус колонны состоит из отдельных,
царг, соединенных с помощью фланцев.
10*
Рис. 5.12. Тарель-
чатая колпачковая ко-
лонна: / — переливной
патрубок; 2 — тарелка;
3 — корпус; 4 — опора;
5 — кипятильник; 6 —
опорное кольцо; 7 —
фланцы; 8 — царга; 9 —
крышка
1'47
Насадочные колонны
Насадочные колонны широко применяют для процессов абсорбции,
очистки, охлаждения и увлажнения газов, экстракции и ректификации.
Они удовлетворительно работают только при обильном и равномерном
орошении насадки жидкостью. Конструкции насадочных аппаратов яв-
ляются наиболее простыми. Различаются два основных режима рабо-
ты насадочных аппаратов: пленочный, при котором жидкость, омывае-
мая газом, стекает по элементам насадки, и эмульг анионный, когда
весь аппарат заполнен жидкостью, а через слой ее между элементами
насадки барботирует газ (или легкая жидкость при экстракции).
Насадочные колонны представляют собой вертикальные Цилинд-
рические аппараты, изготовляемые цельносварными со съемными крыш-
ками или собираемые из отдельных царг с помощью фланцев.
В зависимости от способа размещения насадки по высоте аппара-
та колонны могут быть со сплошной и с послойной насадкой.
На рис. 5. 13 показан чертеж типового насадочного абсорбера. Он
Рис. 5.13. Типовой насадочный
абсорбер: / — штуцер для выхода
газа; 2 — штуцер для ввода жид-
кости; 3 — распределительное уст-
ройство; 4 — опорная решетка; 5 —
перераспределительная тарелка; 6 —
штуцер для входа газа; 7 — люк-
лаз; 8 — штуцер для выхода жид-
кости; 9 — опора
состоит из вертикального цилиндрического корпуса, внутри которого
на решетках 4 размещаются слои иасадыи. В верхней части для рав-
номерного распределения жидкости по всему сечению аппарата уста-
новлено распределительное устройство — тарелка типа ТСН-Ш. Меж-
ду слоями насадки жидкость вновь собирается п распределяется рав-
номерно на нижележащий слой насадки. Для этой цели в колонне
устанавливаются перераспределительные тарелки 5 (типа ТСН-Н).
148
Газ (пар) входит и выходит через штуцера 6 и 1, а жидкость —
через штуцера 2 и 8. Для осмотра, обслуживания и ремонта внутрен-
них устройств предусмотрены люки-лазы 7. Для облегчения съема,
крышки и обслуживания верхней части колонны установлен кран-уко-
сина.
Насадочные колонны, как и тарельчатые, имеют большую высо-
ту. Поэтому для обслуживания люков-л азов, штуцеров и других эле-
ментов конструкций служит круговые площадки.
Основными внутренними элементами конструкции насадочных ко-
лонн являются насадка, решетка опорная, устройства для распределе-
ния жидкости.
Насадки. Для того чтобы насадка работала эффективно, она долж-
на удовлетворять следующим основным требованиям: 1) обладать
большой поверхностью в единице объема; 2) хорошо омачиваться оро-
шающей жидкостью; 3) оказывать малое гидравлическое сопротивле-
ние газовому потоку; 4) равномерно распределять орошающую жид-
кость; 5) быть стойкой к химическому воздействию жидкости н газа;
6) иметь малый удельный вес; 7) обладать высокой механической проч-
ностью; 8) иметь невысокую стоимость.
В промышленности применяют разнообразные по форме и разме-
рам насадки, которые в той или иной степени удовлетворяют требова-
ниям, являющимся основными для данного конкретного процесса. На
рис. 5. 14 показаны наиболее распространенные виды насадки.
Насадка в виде керамических колец высотой, раиной диаметру
(кольца Рашита), изображена на рис. 5. 14, а. Размеры колец изменя-
ются в пределах 15—150 мм. Кольца малых размеров засыпают в ко-
лонну навалом, большие кольца (не менее 50><50 мм) укладываются
Рис. 5.14. Насадки:
а — кольцевая; б — хор-
довая; в — фасонная
149
правильными ряда/ми, сдвинутыми друг относительно друга (рис.
5. 14, а). Такая насадка называется регулярной. Она имеет ряд преи-
муществ перед нерегулярной (насыпанной навалом): обладает мень-
шим гидравлическим сопродавлением, допускает высокие! скорости га-
за.
Хордовая насадка (рис. 5. 14, б) изготавливается, как правило, из
деревянных брусьев, располагающихся правильными рядами друг над
другом. Эта насадка используется в аппаратах, имеющих большой
диаметр. Основное ее достоинство — простота изготовления; недостат-
ки —относительно небольшая удельная поверхность, малый свобод-
ный объем и низкая коррозионная стойкость.
Фасонная насадка (рис. 5. 14, в) выполняется из керамики в виде
седел, цилиндров с перегородками, пропеллеров и т. д., загружается в
аппарат навалом.
Применяются и другие виды наладок, например, спиральные и сет-
чатые, изготавливаемые из стальной оцинкованной ленты и загружае-
мые в аппарат правильными рядами, а также куски кварца или кокса
размерами 25—100 мм, засыпаемых в колонну навалом (кусковая на-
садка).
При выборе размеров насадки следует учитывать, что чем больше
размеры ее элементов, тем выше допустимая скорость газа (и соот-
ветственно— производительность аппарата) и ниже его гидравлическое
сопротивление. Общая стоимость колонны с насадкой из элементов
больших размеров будет ниже за счет уменьшения диаметра аппарата,
несмотря на то, что его высота несколько увеличится.
Мелкая насадка предпочтительна при проведении процесса под по-
вышенным давлением, так как в этом случае гидросопротивление аппа-
рата не имеет существенного значения. Кроме того, мелкая насадка,
обладающая большой удельной поверхностью, эффективнее для осуще-
ствления процессов глубокого разделения или абсорбции. Максималь-
ная высота слоя наседки в аппарате составляет 6—8 диаметров аппа-
рата. Дальнейшее увеличение высоты слоя ограничивается тем обстоя-
тельством, что жидкость, стекающая по насадке, перемещается к пе-
риферии, и часть насадки остается несмоченной. Когда требуется боль-
шая высота насадки в аппарате, ее располагают отдельными слоями
(секциями). После каждого слоя жидкость собирают и с помощью рас-
пределительных устройств равномерно орошают нижний слой насадки.
Колонны, частично загруженные насадкой, имеют над ее слоем значи-
тельное свободное пространство, в котором жидкость реагирует с газом
в распыленном состоянии.
Решетки опорные. Насадку располагают на опорной решетке (ко-
лоснике), которая должна иметь минимальное гидравлическое сопро-
тивление и обладать достаточной механической прочностью, чтобы вы-
держать вес насадки и удерживаемой ею жидкости. Опорные решетки
в виде плит с отверстиями применять не рекомендуется, так как они
имеют значительное гидравлическое сопротивление.
Металлические решетки иногда изготовляют из вертикально по-
ставленных полос, между которыми устанавливаются дистанционные
втулки. Собранную решетку стягивают шпильками. Решетки больших
размеров выполняют из нескольких секций, укладываемых на опорные
балки. Просвет между колосниками решетки должен быть не более
6,6—0,7 от наименьшего размера насадочного элемента. Колосниковые
решетки малых аппаратов делают цельносварными. Хорошая опорная
конструкция для колонн малого диаметра — решетки из просечно-вы-
тяжного листа.
Распределительные устройства предназначены для равномерного
распределения жидкости, поступающей в аппарат, по всему его попе-
речному сечению. К этим устройствам предъявляются следующие тре-
бования; 1) орошение должно быть равномерным по площади попереч-
ного сечения колонны; 2) изменение расхода жидкости не должно отра-
жаться на равномерности орошения; 3) распыление жидкости оросите-
лем должно быть 1минимальным, так как при этом увеличивается унос
брызг; 4) высота, занимаемая оросительным устройством, должна
быть минимальной; 5) ороситель не должен быть чувствителен к осад-
кам и загрязнениям, содержащимся в жидкости; 6) ороситель должен
быть прост по конструкции .и удобен в ремонте.
Многочисленные конструкции оросителей подразделяются на струй-
чатые (точечные) и разбрызгивающие.
Струйчатые оросители. Из них жидкость вытекает на насадку от-
дельными струйками через отверстия или прорези. Такое орошение це-
лесообразно при ограниченных расходах жидкости и когда унос брызг
нежелателен или недопустим. Важная характеристика струйчатого
оросителя — число точек орошения на 1 м2, т. е. число струй, попадаю-
щих на 1 м2 поперечного сечения насадки. Необходимое число точек
орошения изменяется в довольно широких пределах. Ориентировочно
можно принимать для беспорядочно засыпанной насадки 2G—25 точек
на 1 м2 и для насадки, Сложенной радами,— 50 точек на 1 м2.
Для аппаратов диаметром до 3 м применяют струйчатые оросите-
ли в виде распределительных тарелок. При большем диаметре ис-
пользуют распределительные желоба или плиты в виде отдельны*
секторов.
На рис. 5.15 показана распределительная тарелка, представляющая
Рис. 5.15. Распре-
делительная тарелка ти-
па ТСН-П : 1 — диск-
основание; 2 — перелив-
ные патрубки; 3—слив-
ной стакан; 4 — регу-
лировочный винт
собой диакуоснование с патрубками 2, через которые перетекает жид-
кость. Для равномерного слива жидкости, поступающей на тарелку че-
рез стакан 3, патрубки имеют прорези. Уровень тарелки регулируют с
помощью регулировочных винтов 4. Диаметр тарелки составляет 0,6—
С,7 диаметра аппарата. Из рисунка видно, что периферийные участки
насадки не орошаются. Предполагается, что они будут заполняться
жидкостью при ее растекании в слое насадки.
В аппаратах большого диаметра применяют желобчатые распре-
делители, состоящие из ряда параллельных 2 и расположенного над ни-
ми главного 1 распределительного желоба. Жидкость ив желобов сте-
кает через прямоугольные или треугольные прорези. Желоба являются
громоздкими оросителями и требуют тщательной регулировки горизон-
тальности, которую осуществляют установочными винтами.
В некоторых случаях применяют оросители в виде ряда параллель-
ных труб с отверстиями, через которые под слабым напором вытекает
жидкость.
Разбрызгивающие оросители гораздо более компактны по сравне-
нию со струйными. Они могут обеспечить орошение значительной пло-
151
щади из одной точки. Их осноэной недостаток 'распыление части
жидкости.
Простейший вид разбрызгивающего оросителя — перфорированным
стакан (рис. 5. 16), в который жидкость подают под давлением до
Рис. 5.16. . Распре-
делитель разбрызгиваю-
щий
Рис. 5.17. Распределитель звезд-
чатый разбрызгивающий: 1 — пита-
ющий патрубок; 2 — звездочка
5 Н/см2. Стаканы изготовляют из металла или керамики и применяют
в основном для орошения колонн, работающих на чистой жидкости.
Отверстия в стакане направлены в разные стороны, благодаря чему
обеспечивается равномерное распределение жидкости.
Разбрызгивающие вращающиеся звездочки (рис. 5. 17) применяют
в основном при башенном способе производства серной кислоты. Звез-
дочка имеет ряд наклонных лопастей различной длины, на которые
подается жидкость. Благодаря разной длине лопастей жидкость посту-
пает на различные точки насадки. Оросители с разбрызгивающей звез-
дочкой применяют для аппаратов диаметром до 10 м. Они в отличие от
оросителей других типов требуют механического привада.
Многоконусные (дефлекторные) оросители (рис. 5. 18) используют
преимущественно в колоннах большого диаметра (до 8 м). Действие
этих оросителей основано на обтекании жидкостью конусор с различ-
ными углами наклона, в результате чего возникает ряд струй, имек}-
Рис. 5.18. Ороситель мно-
гоконусный
Рис. 5 JQ . Тарелка перераспре-
делительная типа TCH-II: 1 — конус;
2 — подвеска; .3 — основание; 4 —
переливной патрубок
152
щих форму зонтов. Подбирая углы наклона зонтов, можно изменять
распределение жидкости по поверхности насадки. М/ногоконусные оро-
сители имеют высокую пропускную способность, но чувствительны к ко-
лебаниям расхода.
Значительное распространение получили центробежные, форсунки
с тангенциальным вводом жидкости. Жидкость входит В кольцевую ка-
меру форсунки, где приобретает вращательное движение, и за счет
центробежной силы выбрасывается из нижнего отверстия. Танген-
циальные форсунки обеспечивают И1нтенси1в1ное и равномерное ороше-
ние в радиусе 2—2,5 м. При орошении аппаратов большого диаметра,
устанавливают несколько форсунок.
Наряду с описанными выше оросителями имеется много других
специфических конструкций, однако принципы их действия аналогич-
ны рассмотренным.
В насадочных колоннах, разделенных по высоте на секции, после
каждого слоя насадки устанавливают устройства, перераспределяющие
жидкость. На рис. 5. 19 показана перераспределительная тарелка типа
ТСН-П. Жидкость с помощью воронки собирается в осноБании 1 та-
релжи и через патрубки сливается на нижний слой насадки.
Основными достоинствами насадочных колонн являются простота
конструкции и низкое гидравлическое сопротивление.
Их недостатки: трудность отвода тепла (при абсорбции) и плохая
смачиваемость насадки при низких плотностях орошения. Отвод тепла
из этих аппаратов и улучшение смачиваемости насадки достигаются пу-
тем рециркуляции сплошной фазы, что усложняет и удорожает уста-
новку. Для проведения одного и того же процесса требуются насадоч-
ные колонны обычно большего объема, чем барботажные. Насадочные
колонны мало пригодны для работы с загрязненными жидкостями. Для
этой цели успешнее используются барботажные аппараты с шаровой
насадкой, рассмотренные ранее.
5.4. АППАРАТЫ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ЭНЕРГИИ
В аппаратах этой группы поверхность взаимодействия фаз созда-
ется путем дробления общего потока жидкости с помощью механичес-
кой или .инерционной сил. В /первом случае применяются различного
вида вращающиеся внутренние устройства, во втором используются
вибрационные колебания, передаваемые от механического источника
колебаний жидкой фазы в .аппарате.
Аппараты с внешним подводом энергии можно подразделить на
три вида в зависимости от способа подвода энергии и конструктивных
схем: 1) аппараты с мешалками; 2) роторные; 3) пульсационные.
Аппараты с мешалками применяются в качестве жидкостных экст-
ракторов. Их конструкции незначительно отличаются от обычных сме-
сительных аппаратов и в этой главе рассматриваться не будут.
Роторные аппараты работают на основе использования центробеж-
ной силы, возникающей в жидкости, которая движется в вице пленки
по рабочим поверхностям ротора — основного элемента конструкции
аппарата. Роторные аппараты применяются для проведения процессов
ректификации (особенно под вакуумом и для смесей, обладающих ма-
лой термической стойкостью) и экстракции. Для процессов абсорбции
роторные аппараты используются редко.
Пульсационными массообмецными аппаратами являются в основ-
ном экстракторы. Внешняя энергия в виде колебаний передается жид-
костям с помощью .различного вида пульсаторов. Под действием коле-
баний процесс миасообмена интенсифицируется, повышается произво-
дительность аппаратов.
В табл. 5. 3 приведены схемы основных видов аппаратов с подво-
153
Таблиц й' 5. 3
Схемы основных видов аппаратов с внешним подводом энергии
Вид
аппарата
Разновидность конструктивных схем
Роторный
Роторно-центробежный аб-
сорбер: 1 — тарелки непо-
движные; 2 — ребра кольце-
вые; ,3 — тарелки вращаю-
щиеся
Роторно-дисковый экс-
трактор: 1 — привод;
2, 6 — отстойные зоны;
3 — корпус; 4 '— пере-
городки; 5 — ротор; 7—
распределитель легкой
фазы
Роторно-пленочный дистил
лятор (ректификационный ап-
парат): 1 — корпус; 2 — ру-
башка; 3 — опора; 4 — ро-
тор; 5 — сепаратор; 6 — при-
вод ротора
*
154
Продолжение табл. 5.3
Пульсацион-
ный
(2 вибрирующими та-
релками: 1 — привод та-
релок; 2 — верхняя от-
стойная зона; 3 — кор-
пус; 4 — тарелки; 5 —
нижняя отстойная зона;
6 — распределитель лег-
кой фракции
С вибрирующими тарелками
н с перегородками: 1 — при-
вод тарелок; 2 — верхняя от-
стойная зона; 3 — корпус; 4—
тарелка; 5 — перегородка
кольцевая; 6 — нижняя от-
стойная зона; 7 — распредели-
тель легкой фракции
С ситчатыми тарелка-
ми и поршневым пульса-
тором: 1 — корпус; 2 —
пульсатор
С насадкой и пневматичес-
ким пульсатором: 1 — корпус;;
2 — поршень; 3 — камера
1'55
дом энергии извне, а ниже дано описание конструкций некоторых из
них.
Роторные аппараты подразделяют на роторно-пленочные, роторно-
дисковые и роторно-центробежные.
Роторно-пленочная ректификационная колонна (рис. 5. 20) состоит
Рис. 5.20. Роторно-
пленочная ректификаци-
онная колонна: 1 — кон-
денсатор-дефлегматор;
2 — штуцер для ввода
флегмы; 3 — штуцер
для ввода исходной сме-
си; 4 — колонна; 5 —
рубашка; 6 — ротор; 7 —
штуцер для ввода пара;
8 — роторный шпари-
тель; 9 — штуцер для
вывода остатка
из собственно колонны, или ректификатора 4, снабженного наружным
обогревом через паровые рубашки 5 и ротором 6, роторного испарите-
ля 4 и конденсатора /. Ротор, представляющий собой полую трубу с
лопастями, охлаждаемую изнутри водой, вращается внутри корпуса
колонны.
Исходная смесь подастся в колонну через штуцер 3. Сверху ко-
лонна орошается флегмой, поступающей из конденсатора 1 через шту-
цер 2. Пар подводится в колонну через штуцер 7 из испарителя 4,
снабженного неохлаж.даемы1м ротором. Поднимаясь в пространстве
между ротором 6 и корпусом колонны 4, пар конденсируется на на-
ружной поверхности ротора. Образующаяся пленка конденсата отбра-
сывается центробежной силой по поверхности лопастей ротора к пери-
ферии. Попадая на обогреваемую внутреннюю поверхность, жидкость
испаряется, и образующийся пар поднимается кверху. Таким конден-
сационно-испарительным способом достигается четкое разделение сме-
си при малом времени ее пребывания в аппарате и незначительном
перепаде давлений по высоте колонны. Роторные ncnapiтели 4 могут
быть использованы в качестве самостоятельных аппаратов для ваку-
156
умной дистилляции смесей, чувствительных к высоким температурам.
Недостатки роторных колонн: ограниченность их высоты и диа-
метра (из-за сложности 'изготовления и требований, предъявляемых к
прочности и жесткости ротора), а также высокие эксплуатационные
расходы.
Роторно-дисковые экстракторы (ом. табл. 5. 3) имеют внутри ци-
линдрического корпуса неподвижные кольцевые перегородки, располо-
женные на равном расстоянии друг от друга. По оси колонны прохо-
дит вертикально вал с горизонтальными плоскими дисками, или ротор,
приводимый во вращение приводом. Диски ротора расположены сим-
метрично относительно перегородок, .причем каждые две соседние коль-
цевые перегородки и диск между ними образуют секцию колонны. Че-
редующиеся кольца и диски препятствуют продольному перемешива-
нию. К смесительной зоне колонны примыкают верхняя и нижняя от-
стойные зоны.
Одна из фаз, например легкая, диспергируется с помощью распре-
делителя и затем многократно дробится (редиспергируется) посредст-
вом дисков ротора в секциях колонны. После перемешивания фазы час-
тично разделяются вследствие разности плотностей при обтекании ими
кольцевых перегородок, ограничивающих секции колонны. При этом
легкая фаза поднимается вверх, а тяжелая опускается вниз, где захва-
тывается соответствующими дисками ротора для последующего переме-
шивания.
Роторно-центробежный экстрактор напорный (такое название он
получил потому, что реагирующие жидкости, особенно легкая, подают-
ся в аппарат под давлением, т. е. под напором) состоит из ротора (см.
табл. 5.3), жестко соединенного с полым валом, который размещен
на подшипниковых опорах. Внутри ротора по всей его ширине разме-
щена спиральная перегородка из перфорированной ленты или коак-
сиально расположенные перфорированные цилиндры. В каналах меж-
ду витками (или цилиндрами) противотоком друг другу движутся лег-
кая и тяжелая фазы от оси к периферии ротора, а легкая—от его
периферии к оси. Обе фазы перемешиваются, проходя через отверстия
спиралей (цилиндров), и разделяются в каналах под действием цент-
робежных сил. Следовательно, смешение и сепарирование жидкостей
происходят одновременно н многократно повторяются. Тяжелая фаза
отводится у наружной поверхности ротора, а легкая—-вблизи его оси.
Обе фазы удаляются через разные отводные каналы.
В безнапариых центробежных экстракторах обе фазы поступают
в аппарат самотеком (без давления). Характер смешения и разделе-
ния фаз остается без изменений: тяжелая фаза поступает через коль-
цевой зазор центральных труб (рис. 5.21) и, пройдя через отверстия
в цилиндрах 3, отходит к периферии ротора 2 и выводится через ниж-
ний патрубок корпуса; легкая жидкость поступает через центральную
трубу, движется противотоком по отношению к тяжелой жидкости, со-
бирается в верхней зоне ротора и с помощью второго кольцевого кана-
ла отводится из аппарата через верхний штуцер.
Пульсационные аппараты. Введение дополнительной энергии в
жидкости путем сообщения им возвратно-поступательных колебаний
(пульсаций) возможно двумя способами:
1) с помощью вибрирующих внутри аппарата перфорированных
тарелок или тарелок других конструкций, укрепленных на общем што-
ке, которому' сообщается возвратно-поступательное движение;
2) посредством специального механизма ('пульсатора), находяще-
гося вне аппарата; создаваемые пульсатором колебания гидравличес-
ки передаются жидкостям в экстракторе.
Пульсации способствуют лучшему дроблению диспергируемой фа-
зы на капли и соответственно увеличению, поверхности контакта фаз,
157
Рис. 5.21. Центробежный экстрактор (безнапорный): 1 — кор-
пус; 2 — ротор; 3 — гофрированные цилиндры; 4 — приводной вал
интенсивному их перемешиваиию, а также увеличению времени пребы-
вания диспергируемой фазы в колонне.
Использование пульсаций как средства интенсификации процесса
маосообмена возможно в экстракторах различных констрг/кций. Наибо-
лее распространены ситчатые и насадочные пульсационные экстракто-
ры.
На рис. 5.22 показана экстракционная колонна с насадкой
КРИМЗ. Колонна состоит из трех частей: насадочной, нижней и верх-
ней отстойных зон. Особенностью колонны является насадка 2, пред-
Рис. 5.22. Пульси-
рующая экстракционная
колонна с насадкой
КРИМЗ: 1, 5 — отстой-
ные зоны; 2 — насадка
КРИМЗ; 3 — опорная
решетка; 4, 8 — распре-
делители; 6 — стержень;
7 — распорная втулка
;58
ставляющая собой диски (тарелки) диаметром на 2—10 мм меньше
диаметра колонны. На концентрических окружностях дисков находит-'
ся максимально возможное по условиям прочности количество прямо-
угольных отверстий с направляющими лопатками по обеим сторонам
диака. Направляющие лопатки двух соседних дисков направлены в
противоположные стороны. Это способствует тому, что направление
движения потока 'изменяется через каждые 50—250 мм, т. е. стано-
вится спиралеобразным.
Диски насадки закрепляются на проходящих внутри колонны
стержнях 6 распорными втулками 7, фиксирующими расстояние между
тарелками. ,
Для дисп ер пирования легкой жидкости служит распределитель 4.
Верхняя отстойная зой"а 1, предназначенная для разделения фаз, пред-
ставляет собой цилиндрическую обечайку с приваренным фланцем.
В крышке находятся штуцера для контрольно-измерительных прибо-
ров, для подачи тяжелой фазы и слива легкой.
Нижняя отстойная зона 5, служащая для разделения фаз и пода-
чи лепкой фазы, аналогична верхней. В ней размещены штуцера для
подачи и слив.а реагентов, подсоединения к пульсопрюводу и т. п. На-
значение штуцеров колонны: А—для подачи водной фазы; Б—для
слива органической фазы; В—для подачи органической фазы; Г —
для дренажа; Д — для слива водной фазы; Е — воздушна; М—для со-
общения импульса .колебаний.
Колонна работает следующим образом. Исходный водный раствор
(тяжелая фаза) поступает через штуцер А в верхнюю часть колонны
и с помощью устройства 8 равномерно распределяется по насадке. Ор-
ганическая фаза (легкая) подается через штуцер В, диспергируется
устройством 4 и движется навстречу тяжелой жидкости через тарелки
в виде капель. Попадая в верхнюю разделительную зону, капли объеди-
няются, и жидкость отводится из апарата через штуцер Б. Тяжелая
жидкость выводится из аппарата через штуцер Д.
Колебательное движение жидкости сообщается от пневматическо-
го пульсатора.
Насадка КРИМЗ эффективна в аппаратах диаметром 5(1—1500 мм
и высотой от 1 до 10 м. Колонны с этой насадкой обладают рядом
преимуществ по сравнению с пульсационными колоннами других ти-
пов: производительность их в 2—3 раза выше, так как проходное се-
чение насадки КРИМЗ велико; потоки по сечению и высоте колонны
распределяются равномерно в аппаратах различных диаметров.
Промышленность страны выпускает пульсационные колонны
КРИМЗ с основными характеристиками:
Диаметр колонны — 100—600 мм
Высота колонны _ — 3000—10000 мм
Расстояние между тарелками — 50—100 мм
Рабочая нагрузка — 12—40 м3/м2
Интенсивность пульсации . — 15—27 мм/с
В пульсационных аппаратах применяются пульсаторы различного
вида: поршневые (плунжерные), мембранные, сильфонные и пневмати-
ческие.
Поршневой пульсатор—это бесклапанный поршневой насос, кото-
рый присоединяется либо к линии подачи легкой фазы, либо непосред-
ственно к днищу колонны (см. табл. 5. 3).
С помощью Пневматического пульсатора (см. табл. 5. 3) при дви-
жении поршня периодически изменяется давление воздуха или инерт-
ного газа над свободным уровнем жидкости в камере, соединенной с
насосом. Эти колебания давления в свою очередь вызывают колеба-
тельное движение жидкости в экстракционной насадочной колонне.
159
В мембранных пульсаторах колебательное движение жидкости со-
общается через мембрану, которая разделяет рабочую и обрабатывае-
мые в аппарате жидкости.
Сильфонные пульсаторы преобразуют механические колебания
сильфона в соответствующие колебания жидкости, заполняющей силь-
фон.
Отделение аппарата от пульсатора'значительно облегчает обслужи-
вание в тех случаях, когда недопустимо соприкосновение персонала с
обрабатываемыми жидкостями (например, при работе с радиоактив-
ными и ядовитыми растворами).
Основной недостаток пульс анионных экстрактов — ограниченность
диаметра аппарата (600—800 мм). С увеличением диаметра возраста-
ют трудности гидродинамического характера (.неравномерность распре
деления скоростей по сечению аппарата , возможность кавитации) , а
также резко увеличивается расход энергии на сообщение пульсаций
большим объемам жидкостей в аппарате.
Экстракторы с вибрирующим внутри корпуса пакетом тарелок,
приводимым в колебательное дв ижение от эксцентрикового вал,а назы-
ваются также вибрационными экстракторами .В этих аппаратах могут
быть достигнуты значительные производительности (суммарно по обе-
им фазам) в сочетании с высокими степенями извлечения целевого
продукта.
5.5. КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ
Известны следующие способы кристаллизации: кристаллизация с
удалением части растворителя, кристаллизация с охлаждением или на-
греванием раствора, ^с1мбинир1О1ва1Н1Ные способы (|ва1куум-кристаллиза-
ция, кристаллизация1 с испарением части растворителя в зоне носите-
ля, дробная, или ф ракциовировавиа я, кристал л'изация).
В соответствии с этими способами кристаллизаторы классифици-
руются следующим образом:
— кристаллизаторы с удалением части растворителя;
— кристаллизаторы с охлаждением раствора;
— вакуум-кристаллизаторы;
— кристаллизаторы с псевдоожиженным слоем.
Кристаллизаторы с удалением части растворителя. Известно, что
наиболее простым способом удаления части растворителя является вы-
паривание. Однако появление ц растворе кристаллов и создание усло-
вий для их роста требуют внесения определенных . изменений в конст-
рукции, которые будут отличаться от обычных выиаргых аппаратов.
На рис. 5. 23 изображен выпарном аппарат-кристаллизатор с под-
весной нагревательной камерой 2 и двумя работающими поочередно
путч-фильтрамц 3 для отделения кристаллов от маточного раствора
(раствора, оставшегося после выпадения из него кристаллов). Содер-
жание кристалав в циркулирующей суспензии составляет 10—20 мне.%.
Скорость раствора в трубках нагревательной камеры не должна превы-
шать 3 м/с, иначе наступает истирание ,кристаллов.
Кристаллизаторы с охлаждением раствора. К этой группе аппара-
тов относятся качающиеся, шнековые, ленточные, барабанные и валь-
цевые криста л л'из а то р ы.
Качающийся кристаллизатор представляет собой длинное неглубо-
кое корыто, на котором закреплены бандажи, уста1Н’оеле1нпые на опор-
ные ролики. Кристаллизатор имеет небольшой наклон вдоль продоль-
ной оси и с помощью специального привода совершает медленные маят-
никовые движения. Горячий раствор подается в верхнем конце крис-
таллизатора и непрерывно протекает вдоль корыта, отдавая тепло в
окружающую атмосферу. При этом часть жидкости испаряется.
160
Рис. 5.23. Выпарной
аппарат - кристаллизатор
с подвесной греющей
камерой и иутч-фильтра- •
ми: 1 — корпус; 2 —
камера ' нагревательная;
3 — нутч-фильтры
Медленное охлаждение раствора при слабом движении, обеспе-
чивая малую скорость образования зародышей, позволяет получать
крупные кристаллы (3—25 мм). Этому способствуют и установленные
па дне корыта в шахматном порядке невысокие поперечные перегород-
ки, которые увеличивают время пребывания кристаллов в аппарате.
Скорость .движения кристаллов вдоль аппарата составляет 0,1'—0,2 ско-
рости движения маточного раствора.
Продвигаясь по дну корыта, кристаллы не срастаются, а приобре-
тают правильную форму. Длина аппаратов — дю 15 м, ширина—до
1,5 м.
Наряду с названными преимуществами качающиеся кристаллиза-
торы имеют и ряд недостатков — у них невелика производительность,
что обусловлено низким коэффициентом теплопередачи; пары раство-
рителя попадают непосредственно в цех, увлажняя и загрязняя атмо-
сферу.
Шнековые кристаллизаторы состоят ив горизонтального корыта
с полуцил'индрическим днищем, внутри которого вращается шнек или
ленточная мешалка, установленные с малым зазором между краями
шнека и стенками аппарата. Корыто имеет .рубашку, в которой движет-
ся охлаждающая вода. В зависимости от условий производства коры-
то может быть закрытым или открытым. Шнек перемещает кристаллы
вдоль аппарата и поддерживает их' во взвешенном состоянии, способ-
ствуя -образованию хорошо сформированных и сравнительно однород-
ных по размеру кристаллов. Интенсиф.икация охлаждения по сравне-
нию с качающимися кристаллизаторами создает возможность образо-
вания инкрустаций. Поэтому аппараты приходится периодически оста-
навливать для промывки.
11. Заказ 710
161
Средний размер кристаллов, получаемых в шнековых аппаратах,
обычно не превышает 0,4—0,6 мм. Высокая производительность таких
кристаллизаторов, простота их устройства и обслуживания обусловили
их значительное распространение в химической промышленности. Их
недостатки: наличие движущихся частей; возможность заклинивания
мешалки; нежелательное перемешивание раствора вдоль оси аппа-
рата.
Барабанный вращающийся кристаллизатор с водяным или воздуш-
ным охлаждением является одним из наиболее распространенных ме-
ханических кристаллизаторов.
Аппарат с водяным охлаждением представляет собой вращающий-
ся' барабан с водяной рубашкой, установленный под небольшим углом
к горизонту. На барабане закреплены бандажи, опирающиеся на опор-
ные ролики. Для предотвращения осевого смещения барабана у одно-
го бандажа устанавливаются упорные ролики. Вращение передается на
барабан от привода через зубчатый венец, укрепленный на барабане.
Горячий раствор подается в верхний конец барабана и медленно дви-
жется вдоль его осн, занимая по высоте сечения 1/8—1/5 диаметра.
Толщина слоя раствора в барабане, угол наклона и числю оборотов ба-
рабана, т. е. факторы, определяющие время пребывания раствора в
аппарате, выбираются в зависимости от свойств раствора и требова-
ний к продукту.
Как и во всех механических кристаллизаторах с водяным охлажде-
нием, в барабанных аппаратах образуются довольно мелкие, но внут-
ренне однородные кристаллы. Существенным недостатком таких аппа-
ратов является значительная инкрустация поверхности барабана. Для
устранения пристенных осадков в барабан на всю длину помещают тя-
желую цепь, шарнирно закрепленную на его верхнем конце. При вра-
щении барабана цепь перекатывается по его внутренней поверхности
и сбивает наросты соли.
В целях предупреждения образования инкрустаций и получения
кристаллов больших размеров используются барабанные кристаллиза-
торы с воздушным охлаждением. Раствор здесь охлаждается сильной
струей воздуха, подаваемой вентилятором противотоком движению
раствора. Охлаждение происходит, главным образом:, за счет испаре-
ния части .растворителя.
Вальцевый кристаллизатор состоит (рис. 5. 24) из цилиндрнческо-
Рис. 5.24. Вальце-
вый кристаллизатор: 1—
барабан; 2 — корыто;
3 — валы полые; 4 —
нож тля съема кристал-
лов
го барабана 1, частично погруженного в корыто 2 с раств^ором или рас-
плавом соли. Барабан медленно вращается. На поверхности его, вы-
ходящей из раствора, инкрустируется соль, которая срезается специаль-
ным ножом 4, установленным тангенциально к поверхности барабана.
Во избежание преждевременной кристаллизации корыто обогре-
вается с помощью паровой рубашки. Через полые вальцы 3, вращаю-
щиеся вместе с барабаном, внутрь последнего поступает и удаляется
с противоположного конца охлаждающая вода, иногда холодные рас-
162
солы. Валы соединены с неподвижными трубопроводами при помощи
сальниковых уплотнений. Частота вращения вальце®'—0,1—1,0 м/с.
Такие аппараты особенно эффективны при кристаллизации сильно
инкрустирующих солей. Кроме того, их применение целесообразно для
вязких растворов и расплавов, когда количество маточного раствора
невелико по сравнению с выходом кристаллического продукта. Поверх-
ность охлаждения таких аппаратов обычно от 2 до 12 м2. Коэффициент
теплопередачи—около 350 Вт/м^-град.
В некоторых конструкциях вальцевых кристаллизаторе® корыто
отсутствует, а раствор подается сверху на барабан через распредели-
тельный желоб. В последние годы созданы вальцевые кристаллизато-
ры с ребристой поверхностью барабана для кристаллизации нафтали-
на, капролактама, трипатрийфоюфата. Эти аппараты при одинаковых
габаритах имеют производительность в 2,5—3 раза выше, чем аппара-
ты с гладкими вальцами. Но конструкция ребристого барабана слож-
на. _
Продукт, получаемый в описанных аппаратах, имеет чешуйчатую
(форму и обычно загрязнен примесями, что ограН|Ичивает область при-
менения вальцевых кристаллизаторов.
Вакуум-кристаллизаторы. не имеют охлаждающих устройств, по-
этому их можно изготавливать из коррозионно-стойких материалов с
низкой температуропроводностью (например, из керамики, кислото-
упорного чугуна и др.). •
Однокорпусные вакуум-кристаллизаторы представляют собой обыч-
но вертикальные аппараты цилиндрической формы с рамной или якор-
ной мешалкой. Перемешивание раствора препятствует отложению
кристаллов на стенках аппарата и ускоряет снижение концентрации
раствора. Отсасывание и конденсация паров растворителя осущест-
вляются с помощью конденсатора или пароструйного насоса . соединен-
ного с верхней частью аппарата.
Более экономичны многоступенчатые вакуум-выпарные аппараты,
состоящие обычно из 3—4 ступеней.
Вакуум-кристаллизаторы имеют большую производительность и ши-
роко используются в крупнотоннажных производствах.
При вакуум-кристаллизации образуются мелкие кристаллы (со
средним размером 0,1—0,15 мм). Применение аппаратов с принуди-
тельной циркуляцией позволяет получить более крупные кристаллы.
Вакуум-кристаллизатор (рис. 5.25) состоит из корпуса-сепарато-
ра 3, циркуляционного контура, включающего трубы 7, 8 и насос 9,
пульпоотводящих труб 4 и 6'. Внутри сепаратора установлен отбойник
2 для отражения струи раствора и уменьшения брызгоуноса. Горячий
раствор, из которого необходимо выделить кристаллы, поступает че-
рез штуцер 10, смешивается с циркулирующим маточным раствором и
по трубе 8 направляется с помощью насоса в сепаратор. В последнем
поддерживается вакуум, поэтому раствор бурно вскипает. Вследствие
испарения и охлаждения раствора происходит кристаллизация при бо-
лее низкой температуре. Кристаллы увлекаются циркулирующим ма-
точным раствором. Часть суспензии выводится по пульпозтводящим
трубам для последующего отделения кристаллов. Труба 1 соединяет
смотровой фонарь 5 с сепараторам и предназначена для выравнивания
в них давления.
Кристаллизаторы с исевОоожиженным слоем обеспечивают уве-
личение скорости процесса и получение однородных кристаллов пра-
вильной формы размером 1—3 мм. Они работают в режиме с удале-
нием части растворителя испарением или с охлаждением раствора до
его пересыщения. к
Выпарной аппарат-кристаллизатор с псевдоожиженным слоем по-
казан на рис. 5. 26. Исходный раствор смешивается с поступающим по
Рис. 5.25. Вакуум-кристаллиза-
тор с циркуляцией раствора: 1 —.
труба; 2 — отбойник; 3 — корпус-
сепаратор; 4, 6 — трубы пульпоот-
водящие; 5 — фонарь; 7 — труба
обратная; 8 — труба напорная; 9 —
насос; 10 — штуцер для подачи ис-
ходного раствора; И — штуцер для
отвода пара
Рис. 5.26. Кристал-
лизатор с псевдоожижен-
ным слоем и выносной
нагревательной камерой:
1 — сепаратор; 2 —
груба вскигапия; 3—7,
8 — циркуляционные
трубы; 9 — корпус ап-
парата; 10 — фонарь
трубе 7 маточным раствором, насосом 4 прокачивается через нагрева-
тельную камеру 5 и по трубе 3 направляется в расширяющуюся квер-
ху трубу вскипания. 2. После энергичного парообразования пересыщен-
ный раствор по трубе 7 опускается в нижнюю часть корпуса кристал-
лизатора. Здесь происходит (во взвешенном состоящей) образование и
рост кристаллов. Крупные кристаллы оседают на дне- и отводятся сни-
зу аппарата, а мелкие удаляются через сборник 4. Во избежание на-
копления загрязнений часть маточного раствора удаляется из аппара-
та через фонарь 10.
В этих аппаратах подвергаются кристаллизации растворы с не-
большой степенью пересыщения, поэтому производительность невелика.
Основное достоинство аппаратов — получение крупных (до 2 мм) крис-
таллов веществ с отрицательной растворимостью.
5.6. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
При проектировании массоов-менных аппаратов выполняются обыч-
но два вида расчетов: технологический и конструктивный.
В технологическом расчете подлежат определению: диаметр и вы-
сока аппарата, гидравлическое сопротивление •внутренних устройств,
материальный и тепловой балансы.
В конструктивном расчете определяются: размеры элементов ап-
парата (толщина стенки обечаек, днища, штуцера, внутренние устрой-
ства и т. д.) исходя из условий прочности и режима его работы; вид и
164
размеры опорной части аппарата с учетом ветровой нагрузки (для ап-
паратов, располагающихся па открытом воздухе).
Технологические расчеты для всех оановных видов М1ассообменкы.х
аппаратов составляют основу самостоятельного большого курса «Про-
цессы и аппараты химической технологии» и довольно подробно излага-
ются во многих источниках [16, 35, 42, 57], поэтому мы ограничимся
лишь краткими сведениями.
Многие прочностные расчеты химической аппаратуры раоом!атрива-
ются в самостоятельном курсе «Расчет и конструирование химических
машин и аппаратов», поэтому здесь также даются лишь некоторые из
НИХ.
Рассмотрим сначала общие принципы выполнения расчетов, а за-
тем методику расчетов отдельных видов аппаратов.
Заданными величинами для расчетов обычно являются:
— объемные и массовые расходы фаз, в частности, тех, кото-
рые определяют производительность аппарата;
— начальные п конечные концентрации компонентов, участ-
вующих в процессе ма«кю&мена;
— физико-химичесыис и теплофизические характеристики ком-
понентов м'ассообмена;
— температурный режим массообменного процесса;
— характер взаимодействия компонентов с материалом аппа-
рата (агрессивность среды);
С помощью расчетов требуется определить:
— диаметр и высоту аппарата;
— расход жидкой фазы (при абсорбции);
— расход теплоносителя или хладагента (с определением не-
обходимой поверхности теплообмена —в основном для процессов ректи-
фикации) ;
— гидравлическое сопротивление в аппарате;
— размеры элементов конструкции аппарата;
— вид п размеры тепловой изоляции аппарата (выполняется
для кипятильников или аппаратов, работающих при повышенных тем-
пературах) .
Т е хи ол orи чес к и е рас ч е т ы
1. Диаметр аппарата.
Диаметр аппарата определяется из выражения:
V€ = SW0, (5.1)
где Vc—объемный расход фазы, скорость которой определяет площадь
поперечного сечения аппарата (например, газа —при абсорбции, па-
ра — при ректификации и т. д.); Wo— фиктивная или приведенная ско-
рость той же фазы, т. е. скорость, отнесенная к полному сечению аппа-
рата; S — площадь поперечного сечения аппарата.
Для круглого поперечного сечения S=nD2/4 и, следовательно,
D = V4V7(nW0). (5.2)
Величина Vc обычно бывает задана, и для расчета D необходимо
выбрать или подсчитать фиктивную скорость сплошной фазы. Послед-
нее выполняется в зависимости от вида масоообмен/ного 'аппарата и его
внутренних устройств. Однако в любом случае (величина \V0 должна
быть оптимальной (на основе технико-экономических соображений).
2. Высота аппарата.
Высота маюссюб ценного аппарата определяется в зависимости от
того, является контакт (раз в нем непрерывным или ступенчатым.
165
При не п р ер ыв ном к он т а кт е фаз высоту аппарата можно вы-
числить двумя способами: 1) на основе уравнения маюсопередачи;.
2) с помощью высоты единиц переноса и числа единиц переноса.
В первом случае могут быть использованы соотношения:
Н ------------; (5.
kyaSAYr^
И , (5.
kxaSAXc, ’
где М—масса вещества, переходящая из фазы в фазу; кг/ч; к», к»
поверхностные коэффициенты массопередачи, кмоль/(м2-ч); а — удель-
ная поверхность контакта фаз; AY<-p, АХГр—средние движущие силы
массопередачи.
Во втором случае
Н = ho;/ пОу; (5. 5)
Н = ЬОжПох, (5-6)
где 'hUy, hox — высота единиц переноса; По», nOjc — число единиц пере-
носа.
При ступенчатом контакте фаз высоту аппарата определя-
ют через число действительных ступеней изменения 'концентраций
и расстояние между ступенями (тарелками) h:
* H = n^h, (5.7)
где nfJ находится аналитическим и графическим способами, a h выби-
рается в зависимости от вида тарелок.
3. Гидравлическое сопротивление в аппарате определяется в каж-
дом конкретном случае в зависимости от типа внутренних устройств-
аппарата, физико-механических свойств 'компонентов и материала наса-
док, режимов движения фаз.
4. Материальные и тепловые расчеты для маосообманных аппара-
тов выполняются на основе общих положений, т. -е. составляются мате-
риальные и тепловые балансы, учитывающие приход и расход компо-
нентов (или тепла), с помощью которых определяются необходимые
величины. Вид уравнений матерталыного и теплового балансов заиисит
от Maccoo&MieHmoro процесса (абсорбция, ректификация и т. д.).
К он с т р ук т и в п ы е р а с чст ы
1. На основании полученных в технологических расчетах величин
D и Н принимаются ближайшие стандартные значения D -и устанавли-
вается точное значение Н для аппаратов, состоящих, как правило, из
двух н более обечаек, имеющих стандартные размеры.
2. Выбирается вид .внутренних устройств (тарелки, насадка и т. п.)
и определяются их размеры.
3. Рассчитываются размеры штуцеров для подвода и отвода компо-
нентов м аосоп ер ед ач и.
4. Выполняются прочностные расчеты (определяются толщина
стенки аппарата, расчеты на прочность несущих элементов внутренних
устройств, усилия затяжки болтов во фланцевых соединениях и т. д.).
5. Проводится расчет аппаратов, стоящих на открытом воздухе, на
ветровую .нагрузку и определяются размеры опор.
166
Тарельчатая р ежтмф и к а ц и о н пая к о л о н ца
п е п р е р ы 'В н ого д е й с т в и я
Исходными данными для расчетов являются: количество получае-
мого дистиллята, кг/ч (про1изводительно'сть колонны по готовому про-
дукту); количество 'исходной смеси, кг/ч; концентрации низкокипящего
компонента смеси, мае. %; скрытая теплота парообразования компонен-
тов смеси, кДж/кмоль; ди1на1МИ'Ч'еокие вязкости компонентэв смеси,
Па-с; теплосодержание компонентов, участвующих в процессе, кДж/кг.
Для расчета необходимо иметь данные об изменении концентрации
к:>м:.ьмюпп;в ил;: упругое тп '..еров в за;дтл ~огя от температуры, но ко-
торым строится диаграмма равновесия.
Подлежат определению размеры колонны, се внутренних устройств,
расходы ком попет! топ и тепла.
1. Диаметр колонны D (в м) определяется для ее нижней (исчер-
пывающей) п верхней (укрепляющей частей) ® 'Зависимости от средней
скорости и количества поднимающихся паров q6p. Последнее можно
определить как среднее арифметическое количество паров, поступаю-
щих на нижнюю тарелку и уходящих с верхней тарелки [35], ис-
пользуя уравнения материального и теплового балансов для верхней
части колонны.
Средняя скорость паров в свободном сечении колонны можно вы-
числить по различным зависимостям [35, 37].
В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности
для определения скорости пара \Vn (в м/с) в тарельчатых колоннах
используется приближенная формула:
в I 5ч (5.8)
где 1<! = 0,5—1,6 (часто принимают ki = 0,818); рп—плотность пара,
кг/(м3.
Площадь
живого сечения колонны
Р _ ________Осо____
4 3600<рп^п)ср
откуда
4_
3600л
(5. 9)
Чур
(5. 10)
__ q< P
По нормалям принимают диаметры колюп'н из ряда: 1000, 1200,
1400, 1600, 1800, 2200, 2600, 3000 мм.
2. Высота колонны Н (в м) зависит от числа тарелок пр, расстоя-
ния между ними h и толщины тарелки дт.
H = nd(h+M- (5.И)
Действительное число тарелок пр определяется в зависимости от
теоретического их числа п т и к. и. д. тарелки гр
—п т/т|,
где т] = 0,2—0,9.
Теоретическое число тарелок пт определяют графически по диа-
грамме х—у.
Расстояние между тарелками h следует выбирать таким образом,
чтобы можно было свести к минимальному механический унос парами
частиц жидкости. Очень часто величину h выбирают на основе опыт-
ных данных. Для предварительного выбора значения h в зависимости
от D можно использовать следующие рекомендации [35]:
167
D — 0—0,6
h «— 152
0,6—1,2
305
1,2—1,8
460
1,8 м и более
610 мм
В ректификационных колониях с круглыми колпачками, работаю-
щих под атмосферным давлением, расстояние между тарелками прини-
мают 250, 300, 350, 400 и 450 мм. В общем случае h= ЮОч-600 мм.
3. Количество исходной смеси и кубового остатка определяют из
уравнений материального баланса всей колонны и низксикипящего ком-
понента.
4. Расход греющего пара и охлаждающей воды вычисляется из
уравнеш'й тепловых балансов.
5. Число и размеры колпачков' и сливных патрубков. Обычно в ко-
лонне устанавливают одинаковые колпачки па тарелках верхней и ниж-
ней частей аппарата. Однако их число бывает различным. Основные
размеры колпачков, подлежащие расчету или выбору, показаны на
рис. 5. 27.
Рис. 5.27. Схема к
расчету колпачков
Диаметр парового патрубка колпачка dn принимают по стандарту;
50,75,100,125,150 мм.
Число п колпачков па тарелке зависит от D и dn. По практичес-
ким данным площадь живого сечения всех паровых’ патрубков прини-
мают равной 10% площади живого сечения колонны, т. е.
nnd2n/4 = 0, 1jiD2/4,
откуда
n = 0,lD2/d2n- (5.12)
Высоту ha части колпачка над паровым патрубком определяют из
условий равенства площадей живых сечений парового патрубка и ци-
линдрической поверхности ndnh2:
rtd2n/4 = jrdnh2, (5. 13)
откуда 112 = 0,25d п .
Диаметр колпачка dK определяют из условия равенства скоростей
пара в паровом патрубке и кольцевом сечении площадью -^-[dK'=(dn-|-
4-26)2].
Следовательно,
4к = Уб2п + (d., + 26), (5. 14)
где 6 — толщина стенки парового патрубка, мм.
168
Расстояние от нижнего края зубца колпачка до тарелки: S —
= 04-25 мм. Высота уровни жидкости над верхним обрезом прорезей
колпачка [35]: h!= 15—40 мм.
Высоту прорезей / определяют из условий оптимального барбота-
жа, соответствующих полному открытию прорезей для пара, по форму-
ле [35]:
Z = Wo2e.pn/(gp ж), (5.15)
где Wo —скорость пара, соответствующая полному открытию прорезей;
е — коэффициент сопротивления (е= 1,5—2,0); рж—плотность жидко-
сти, кг/м3; g — ускорение свободного падения, м/с2;
(5. 16)
где Vn— средний расход пара в колонне, м3/ч.
Ширина прорезей в и их количество z зависят от dn’ и. расстояния
между прорезями а. В расчетах принимается, что площадь живого
сечения всех прорезей при их полном открытии должна быть равна
площади живого сечения патрубка:
zb/ = .Td2n/4; z(a-|-e)=nd,
откуда ,
<517>
e = ndsn/(4Zz).
(5. 18)
По практическим данным размеры прямоугольных прорезей имеют
обычно значения: в = 2—7 (м.м; Z=104-5Q мм; п=34-4 мм.
Диаметр сливного патрубка dc (в м) определяется расходом сте-
кающей жидкости Grp (в кг/ч) и ее скоростью Wc в сливном патруб-
ке:
dc = - °>0188 I/7—67^- • (5- 19>
у 3600л о.,. \\czc у PjrWcZc
где Wc = 0,l—0,2 м/с — рекомендуемые значения [35, 42]; zc — число
сливных патрубков (zc=l—8).
Высота уровня жидкости над сливным патрубком Ah (в м) нахо-
дится из выражения (35]:
ЛЬ= |/ (збОО- l,85ndj ’ (5-20)
где V)K—объем стекающей жидкости, м3/ч.
Расстояние S, от нижнего торца сливного патрубка до тарелки, на
которую сливается жидкость, определяют из условия равенства площа-
ди живого сечения сливного патрубка и площади поверхности цилинд-
ра ndcS|, т. е.
ndc3/4 = ndcSi,
откуда
Sj = 0,25dc. (5.21)
Расстояние hc от верхнего торца сливного патрубка до тарелки вы-
числяют по соотношению:
he—(Hi 1 -|- S)—Ah. (5.22)
Колпачки на тарелках размещаются обычно ио вершинам равно-
169
стороннего треугольника (шахматная схема); иногда — по 'концентри-
ческим окружностям.
Минимальный шаг колпачков при шахматном размещении
tmin ='d к 4-2д К -f-h, (5. 23)
где дк—толщина стенки колпачка, мм; /2 — минимальный зазор между
колпачками (рекомендуют 'принимать /2 = 35 мм или вычислять его по
эмпирической формуле: /2= 12,5-|-0,25 dn).
Расстояние от осн сливного патрубка до оси ближайшего, колпач-
ка:
. ,4 = 0,5dcH-6c4-0,5dK+aK4-/ll (5.24)
где б<- — толщина стенки сливного патрубка, мм; 1\ — минимальный за-
зор между колпачком и -сливным. патрубком (рекомендуют принимать
/1 = 75 мм).
6. Диаметры, патрубков d (в м) ввода исходной смеси и флегмы,
отвода кубового остатка и паров определяются расходом 'соответствую-
щей фазы и ее скоростью:
d = "S' (5.25)
у 3600л pw у pW
где G — расход фазы, кг/ч; р — плотность фазы, кг/м3: W — скорость
движения фазы, м/с.
7. Гидравлическое сопротивление колонны. Величину гидравличес-
кого 'сопротивления Дрт барботажных тарелои рассчитывают как сум-
му трех частных сопротивлений:
Арт= Арг-фАрг+Арз, ’ (5.26)
где Api—сопротивление сухой тарелки, Н; Др2 — сопротивление, обу-
словленное силами поверхностного натяжения жидкости, Н; Ар3— со-
противление газожидкостного слоя на тарелке, Н.
AP1 = eW%TBpr/2, (5.27)
где WOTI1 =Wn/FCB —скорость газа в отверстиях тарелки, м/с; е—ко-
эффициент сопротивления тарелок (изменяется -в широких пределах:
—0,5—4,0 и зависит от конструкции тарелок); значения е приводятся в
специальной литературе [16]; рг—плотность газа (пара), кг/м3.
Ap2=4o/d3, (5.28)
где о— поверхностное натяжение жидкости Н-м; d3 — эквивалентный
диаметр отверстия, м.
Арз = Ь0ржЯ=Нгжргж§, (5.29)
где ho, hr)K—высота жидкости и газожидкостного слоя на тарелке, м;
Рж> Ргж ‘— плотность жидкости и газожидкостной смеси на тарелке,
кг/м3.
5.7. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
Массообменные процессы являются, как было указано, наиболее
распространенными в химической технологии. Значительная доля из
них 'предусматривает использование газовых и жидких сред. В одних
случаях требуется выделить 'ценный газовый продукт из смеси, в дру-
гих — разделить -смеси жидкостей на компоненты или очистить одну
из составляющих от примесей. В некоторых производственных процес-
се
,cax газовая смесь, 'направляемая на обработку, например абсорбцию,
содержит газы различной растворимости, и может оказаться, что ис-
ходная невзрывоопаоная смесь, проходя через аппарат, станет взрыво-
опасной, что обусловлено, в частности, относительно высокой раство-
римостью одного из,компонентов.
Для предотвращения взрывов необходимо регулировать состав
поступающего газа с таким расчетом, чтобы в аппарате не могла об-
разоваться смесь взрывоопасной концентрации, исключать попадание
в аппаратуру воздуха извне и ’подавать инертный газ.
Большое внимание необходимо уделять надежности регуляторов
уровня, так как при работе смежных аппаратов с разным, давлением
возможен прорыв среды с более высоким давлением в аппарат с мень-
шим давлением, что чаще всего возникает вследствие нарушения задан-
ного уровня жидкостей в аппаратах.
Аппараты, работающие при высоких давлениях (например, часть
ректификационных колонн), должны иметь наружную изоляцию, как и
в любом теплообменном аппарате. Требуется соблюдать точное соот-
ношение среды, поступающей в кубовую часть колонны, и теплоносите-
ля, направляемого в ее кипятильник. В случае нарушения равновесия
возможны полное испарение компонентов, перегрев кипятильника и вы-
ход КОЛОМНЫ из строя.
Исключительно важное значение придается тщательной герметиза-
ции массообменных аппаратов и всех емкостей, мерников, а также ка-
нализационных стоков, сопрягаемых с ними. В случае нарушения гер-
метизации млн в результате неполного извлечения взрывоопасных ком-
понентов могут создаться условия для образования газовых смесей
взрывоопасных концентраций на территории предприятия или цеха и
их воспламенения. Предотвращение таких аварий достигается рацио-
нальной схемой удаления газов из сбрасываемых стоков, строгим со-
блюдением технологического регламента и использованием высокочув-
ствительных систем сигнализащ|и об опасной концентрации в атмосфе-
ре веществ, которые могут взрываться или самовоспламеняться.
Для массообменных аппаратов, где обрабатываются вещества,
склонные к окислению с образованием полимерных и других высоко-
вязких, губчатых материалов, способных закупорить трубопроводы и
тем самым превысить заданное давление (например, при обработке
диеновых и ацетиленовых углеводородов и некоторых органических
растворителей), необходимо предусматривать дополнительные меры
безопасности. Общими «мерами безопасности в таких случаях являют-
ся применение ’эффективных ингибиторов (стайеров) процессов полиме-
ризации и поликонденсации и ведение процессов в мягких режимах
(при низких оптимальных температурах и давлениях, под вакуумом и
т. д.).
Снижению опасности образования взрывных смесей «способствует
также размещение массообменных аппаратов на открытых, площадках
и продуваемых этажерках. Вынос оборудования на открытые площад-
ки позволяет уменьшить воздействие тепловыделений на 'Обслуживаю-
щий персонал, исключить необходимость устройства дорогостоящей
вентиляции, снизить опасность отравлений токсичными газовыделейия-
мн.
ГЛАВА &
СУШИЛЬНЫЕ АППАРАТЫ И УСТАНОВКИ
6.1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА СУШКИ
* И КЛАССИФИКАЦИЯ СУШИЛОК
Сушка — это процесс удаления влаги из твердого или пастообраз-
ного материала путем испарения содержащейся в нем жидкости за
счет подведенной к материалу теплоты.
Сушка>—весьма сложный комплекс тепловых, диффузионных, а
часто биологических и химических явлений. Нет такой отрасли про-
мышленности или сельского хозяйства, где бы она не применялась.
В химической промышленности высушивается более 200 тыс. материа-
лов. Это продукты горно-химической и содовой промышленности, мине-
ральные удобрения и пластмассы, разнообразные красители псредства
защиты растений, каучуки и химические реактивы. Более 20% затрат
топлива и электроэнергии ib химии расходуется на выпарку и сушку.
Разнообразие свойств продуктов требует индивидуального подхода
к разработке рациональных методов их сушки. Для проведения процес-
са сушки важное значение имеют такие свойства материала, как разме-
ры и форма его частиц, влажность, допустимая температура нагрева,,
взрывоопасность и пожароопасность, химическая апреогинность и ток-
сичность.
В химической технологии .наибольшее распространение получили
конвективный и контактный методы сушки. При конвективной сушке
теплота передается от теплоносителя к поверхности высушиваемого ма-
териала, при контактной — теплота передается материалу через обо-
греваемую перегородку, соприкасающуюся с материалам. Несколько
реже применяют радиационную сушку (инфракрасными лучами) и суш-
ку электрическим таком (высокой или промышленной частоты); еще
реже — сушку сублимацией в жидких средах со сбросом давления.
Ход процесса сушки. С течением времени влатооодержание высу-
шиваемого материала уменьшается, изменяется его температура (рис.
6. 1, а).
В ходе процесса сушки различаются три следующих друг за дру-
гом периода: период .прогрева 'материала (<на рис. 6. 1, а не показан),
первый (АВ) н второй (ВС) периоды сушки.
В первом периоде сушки влага .испаряется с поверхности материа-
ла, поскольку она подводится из внутренних слоев в таком количестве,
что поверхность остается влажной (подвод из крупных пор). Темпера-
тура материала в течение этого периода остается постоянной и близ-
кой к температуре мокрого термометра (АВ). Скорость сушки (коли-
чество испаренной штаги в расчете на 1 кг абсолютно сухого материа-
ла в единицу времени) в этот период тоже постоянна и имеет наи-
большее значение (участок АВ на рис. 6. 1, б).
Во втором периоде сушки, который начинается с момента дости-
жения критического влагосодержания, скорость процесса определяется
скоростью перемещения влаги из внутренних слоев к поверхности; ско-
рость сушки непрерывно падает, пока материал не достигнет равновес-
ного влагосодержашия, температура материала приближается к тем-
пературе окружающей среды (температуре воздуха—при конвектив-
ной сушке, температуре греющей поверхности — при контактной суш-
ке) .
172
0
Рис. 6.1. Кривые сушки: а — зависимость влагосодержания (АВС| и темпе-
ратуры материала (А'В'С') от времени; б — зависимость скорости сушки от
влагосодержания
Теплоносители. Теплоносителями в промышленных сушильных ус-
тановках 'Служат чаще всего воздух, топочные вазы и водяной" пар.
В сушильных установках -малой производительности используются
электрический ток промышленной и высокой частоты ,и -радиационный
нагрев.
Водяной пар предназначается для сушки термочувствительных ма-
териалов. Его используют как -для -нагрева -высушиваемых материалов
в контактных сушилках, так и для -подогрева в теплообменниках (ка-
лориферах) воздуха, который затем направляется в качестве теплоно-
сителя в конвективные сушилки. -Пар — чистый теплоноситель. Темпе-
ратуру водяного пара легко регулировать путем дросселирования. Он
обладает высокой теплотой -конденсации и -высоким коэффициентом
теплоотдачи. Следовательно, его расход -и требуемая поверхность теп-
лоотдачи меньше, чем у горячего -воздуха или топочных газов. Кроме
того, пар безопасен -в пожарном -отношении.
Поступающий из котельной насыщенный пар всегда содержит не-
которое количество воды -в результате конденсации в паропроводе, и
перед подачей -на сушильную установку его' надо осушить, используя
конце нс атоотвод-ч-ик и пароперегреватели. Перегретый пар -при охлаж-
дении -не будет конденсироваться до тех пор, пока его температура не
станет равной температуре кипения -воды при данном давлении. Обыч-
но пар перегревают лишь настолько, чтобы -он не конден-аир-овался.
Топочные газы в смеси с атмосферным воздухом широко исполь-
зуют при сушке различных материалов, -в том числе и органических
продуктов. Многие материалы, например песок, глину, топливо, неор-
ганические соли и т. д., высушивают при довольно высоких темпера-
турах — от 300 до 800° С и выше. Для этой цели можно использовать
топочные газы, разбавляя их до -нужной температуры атмосферным
воздухом.
Если непосредственное сопр-икосн-овение топочных газов -с материа-
лом не рекомендуется, применяются огневые калориферы, в которых
-воздух подогревается топочными газа-ми -и направляется в сушилку .
173
• *
Топочные газы получают при сжигании газообразного, жидкого
(мазут, нефть) или твердого (уголь, торф) топлива >в топках и смеши-
вают их в специальных камерах (камерах смешения) с атмосферным
воздухом для получения смеси определенной температуры.
Топочные (дымовые) газы состоят из кислорода, азота, окиси и
двуокиси углерода, сернистого газа и водяных паров. Состав топочных
газов зависит от количества воздуха, подводимогб в тспку для сжига-
ния топлива (первичный воздух) и подмешиваемого к продуктам сгора-
ния для понижения их температуры до заданной (вторичный воздух).
К л а с с и ф и к а ц и я с у ш н л о к
В химических и родственных им производствах применяется боль-
шое количество разнообразных сушильных аппаратов. Они отличаются
друг 'ОТ' друга по многим признакам как конструктивного, так и техно-
логического характера.
Учитывая, однако, что одним из важных вопросов при выборе су-
шильного аппарата является характер взаимодействия высушиваемого
материала с теплоносителем и рабочими органами сушилки, можно
привести схему классификации, /показанную на рис. 6. 2.
|Сушилки
□ Копвемгивные Нкрн-гактные |
----Камерные
---- Туннельные
--- Барабанные
---- Ленточные
---- Петлевые
—I Специальные|
------Терморадиацдаввые
------ Высокочастотные
(диэлектрические)
-----Сублимационные
____Пневматические
___ Гребковые
вакуумные
—- Вальцовые
---Барабанные
— Турбинные
---- Шахтные
--- С псевдоожиженным
- слоем
— - С виброкишщим
• слоем
Распылительные
1---Аерофонтанные
Рис. 6.2. Схема классификации сушилок
Данная схема классификации основана на том, какой вид тепло-
обмена существует в сушилке (конвекция или теплопроводность), как.
ведет себя .материал в сушилке (неподвижен /на рабочих органах или
движется относительно них), каковы конструкции сушилок, используе-
мых для реализации соответствующих методов сушки. Безусловно, дан-
ная классификация не охватывает всех признаков отжчия (или сход-
ства) сушильных аппаратов, но она учитывает наиболее основные из.
них.
Кроме того, сушилки классифицируются еще по следующим при-
знакам:
по величине давления в сушильном пространстве — атмосфер-
ные и вакуумные;
по режиму работы — периодического и непрерывного действия;
по направлению движения сушильного агента — прямоточные,
противоточные, перекрестные, реверсивные;
по характеру движения сушильного агента — с естественной, и>
с принудительной циркуляцией;
174
по способу нагрева сушильного агента — с паровыми 'подогре-
вателями, с огневыми подогревателями, путем смешения с топочными
газами, с электронаправом.
6.2. КОНВЕКТИВНЫЕ СУШИЛКИ
Эти сушилки являются наиболее распространенными в химической
технологам. Существует большое число конструкций конвективных су-
шилок. Рассмотрим наиболее 'часто используемые аппараты и установ-
ки.
Камерные сушилки являются аппаратами периодического дейст-
вия, работающими, .как правило, под атмосферным давлением. Они ис-
пользуются в маломасштабных 1произво,дствах для материалов, требую-
щих невысокой температуры сушки. Материал в этих сушилках распо-
лагается на лотках (противнях), установленных на стеллажах или ва-
гонетках.
В табл. 6. 1 показана сушилка системы Строганова, предназначен-
ная для сушки сыпучих зернистых материалов (например, перхлор-
виниловой смолы, катализаторов или мелких изделий). Сушка материа-
ла в слое происходит при омывании его потоком нагретого воздуха.
Сушильная камера оборудована двадцатью горизонтальными полками,
Таблица 6. 1
Схемы основных видов конвективных сушилок
С выносным вентилятором: 1 — вентилятор; 2 — за-ру-
зочная каретка; 3 — загрузочное устройство; 4 — воздуш-
ные короба; 5 — поворотные пластины, 6 — разгрузочный
бункер
175
Продолжение табл. 6. I
2
Одноходовая: 1 — вход влажного материала; 2 — вход аген-
та сутки; 3 — вагонетки; 4 — механизм передвижения вагонеток;
5 — траверсная тележка; 6 — выход отработанной смеси; 7 — раз-
движные двери; 8 — обходной путь; 9 — выход высушенного ма-
териала
Двухходовая: 1 — размоточное устройство; 2 — нож; 3 —
туннель; 4 — намоточное устройство
Ленточная
Одноленточная: / -.. высушиваемый материал; 2 — па-
роперегреватель; а — вентилятор; 4 — сопла; 5 — выхлоп
пара
176
Продолжение табл. 6. I
Ленточная
йнсушеи/шй нате/ми
Многоленточная: 1 — камера сушилки; 2 — бесконечная
лента; 3 — питатель; 4 — ведущие барабаны; 5 — калори-
фер; 6 — ведомые барабаны
Петлевая
Линейная: 1 — питатель; 2 — прижимные валки; 3 —
направляющий барабан; 4 — сетчатая лента с пастой' 5 —
транспортер, несущий петли1, 6 — разгрузочный ролик; 7 —
ударники; 8 — шнек для высушенного материала; 9 — пус-
тая сетка
12. Заказ 710
177
Продолжение табл. 6. 1
Петлевая
U-образная: 1 — узел размотки; 2 — нож; 3 -- входная каме-
ра; 4 — ткань; ,5 — камера для термообработки; 6' — механизм
для перемещения ткани; 7 — выходная камера; 8 — тянущее уст-
ройство; 9 — узел намотки •
Турбинная
Двухтурбиниая: 1 — кожух; 2 — рама; 3 — тарелки; 4 —
турбины; 5 — скребки; 6 --- сбрасыватели; 7 — разгрузочный
желоб; 8 — транспортер
178
Продолжение табл. 6.1
— опорные роли-
; 6 — питатель;
— разгрузочная
Одноходовая: 1 — барабан; 2 бандажи, 3
КН- 4 - передача; 5 — опорно-упорные ролики
7 лопасти; 8 — вентилятор; 9 — циклон; 10
камера; 11 — разгрузочное устройство
179>
12’
Продолжение табл. б. I
Варабанная
Двухходовая: 1 — питатель; 2 — внутренний барабан; 3 на-
ружный барабан; 4 — бункер для выгрузки продукта
С псевдо-
ожиженным
слоем
Однозонная прямоугольная
Многокамерная горн -
зонтальной компоновки:
1 — камера; 2 — пере-
городка; 3 — решетка;
4 — циклон-, 5 — за-
слонка
180
Продолжениетабл. 6.1
С псевдоожи-
женным слоем
С вибро-
кипящим
слоем
Многокамерная сту-
пенчато-противоточная
Одноходовая: 1 — вибропривод; 2 — распределительный
короб; 3 — сушильная камера
18!
Продолжение табл. 6.1
2
Аэрофонтаи-
иая
Материал
ки
С поддерживающей решет-
кой
Распыли-
тельная
С дисковым распылением: 1 — привод;
тельное устройство; 3 — газовый короб
2 — газораспредели-
182
Окончание табл. 6. I
2
С пневматическим распылением: а — с центральным закручен-
ным подводом теплоносителя (прямоточная); б—с центральным
подводом теплоносителя и раздельным отводом газон и продукта;
в— с равномерным распределением газов по сеченио через газо-
распределительную решетку; г — с радиальным (по периферии)
подводом теплоносителя и центральным отсосом; д — с локальным
подводом газов к форсунке; "е — с параллельным и противоточным
движением газов и теплоносителя; ж—с центральным и перифе-
рийным подводом теплоносителя и отводом газов по центру
.состоящими из 16 отдельных поворачивающихся металлических плас-
тин размером 1,1X0,3 м. Пластины удерживаются в горизонтальном
положении при помощи пружин. Рабочая площадь одной пластины
составляет 0,132 м2, всей полки — 2,11 м2. Материал подается на верх-
нюю полку. Через определенные промежутки времени пластины пово-
рачиваются вокруг продольных осей на 90°, при этом материал пере-
сыпается на вторую полку, находящуюся в это время в горизонтальном
положении. Аналогичным образом материал попадает со второй полки
на третью и т. д. Пластины поворачиваются автоматически при помо-
щи специальных механизмов с приводом от электродвигателя.
Воздух засасывается из помещения центробежным вентилятором
и подается сначала в калорифер с поверхностью теплообмена 78 м2, а
затем в нижнюю зону сушильной камеры.
Загрузочный механизм состоит из каретки и двух ленточных транс-
портеров шириной 0,2 м. Таким образом, сушилка работает по прин-
ципу противотока материала и агента сушки.
Поток воздуха омывает пять полок, затем его направление меня-
ется па 180°, н воздух проходит над следующими пятью полками, и
т. д. Таким образом, агент сушки движется над материалом в горизон-
тальном, направлении и, креме того, омывает материал при пересыпа-
183
нии его с полки на полку. Для обеспечения последовательного поступ-
ления воздуха из нижней эоны в расположенную выше в вертикальных
распределительных каналах установлены перегородки.
Непрерывное пересыпание материала обеспечивает довольно ин-
тенсивное и равномерное высушивание его. При повороте нижней пол-
ки материал осыпается в бункер и далее через шлюзовой затвор выгру-
жается из •сушилки. В этих сушилках три зоны — сушки, прокаливания
и охлаждения материала. К недостаткам сушилки следует отнести
сложность механизмов подачи в нее материала и возврата пластин в
горизонтальное положение, а также заклинив1ание пластин при сушке
материала с плохой сыпучестью.
Средние показатели сушилки: производительность по испаряемой
влаге — 80—100 кг/ч, по сырому продукту — 500—35С0 кг/ч; длитель-
ность сушки — 20—50 мин; удельный расход электроэнергии —•
0,086 кВт-ч/кг влаги.
Общими недостатками камерных сушилок являются высокая дли-
тельность сушки и, следовательно, низкая производительность, так как
слой высушиваемого материала неподвижен. Кроме того, сушка в них
неоднородна из-за неравномерности температур в камере. Для созда-
ния более равномерной циркуляции воздуха в некоторых современных
конструкциях камерных сушилок наружный вентилятор заменяют внут-
ренними реверсивными или применяют эжекторы.
Туннельные сушилки. К этой группе относятся сушилки, в которых
высушиваемый материал при помощи транспортирующего устройства
перемещается вдоль туннеля с периодическими остановками или непре-
рывно. Материал либо свободно укладывают на транспортирующее
устройство, либо закрепляют на нем при помощи специальных приспо-
соблений. Передвигаясь от загрузочного устройства к выходному, ма-
териал соприкасается с сушильным агентом.
В рассматриваемых аппаратах можно высушивать как листовые
и штучные материалы (картон, плиты из синтетических материалов,
шкурки и т. д.), так и зернистые, пастообразные, жидкие (в лотках),
волокнистые и др. Эти сушилки различаются в основном транспорти-
рующими устройствами (вагонетка, конвейер, лент4, рама), примене-
ние которых должно соответствовать свойствам высушиваемого мате-
риала.
По принципу движения материала и агента сушки различают су-
шилки противоточные, с параллельным ,и смешанным током. В зависи-
мости от свойств материала ,п требований, предъявляемых к процессу
сушки, используют одиозонные или мдгЮгозонные туннельные сушилки,
причем в разных зонах одной сушилки может одновременно осущест-
вляться несколько процессов: сушка, увлажнение, прокаливание, охлаж-
дение. Каждая эона может работать при различных температурах и
влажности агента сушки. Кроме того, сушилки могут быть одноходо-
выми и многоходовыми.
Циркуляция агента сушки может быть продольной (по оси тун-
неля) пли поперечной. В последнем случае требуется повышение коли-
чества циркулирующего сушильного агента. При этом используют осе-
вые вентиляторы, имеющие большую производительность. При продоль-
ной циркуляции чаще всего используют центробежные вентиляторы.
Длительность и качество сушки в большой степени зависит от спо-
соба подачи сушильного агента. В зависимости от формы п вида мате-
риала свежий сушильный агент подают снизу через распределитель-
ное окно или сбоку с двух сторон по всей высоте камеры. Обычно' агент
сушки отсасывается через окно в верхнем или нижнем перекрытии ка-
меры.
Скорость газов обычно принимают такой, чтобы не происходило
184
пыления 'материала, опрокидывания или поворачивания изделий, но не
менее 1,0—1,5 м/с (на полное сечение туннеля).
В качестве агента сушки1® используют воздух, топочные газы или
перегретый пар. При сушке нагретым воздухом паровые калориферы
делают выносными (с расположением обычно на ®рыше камеры), ус-
танавливают в камере или же рядом в специальных отсеках.
Туннельная конвейерная сушилка (рис. 6.3) длиной 1'2,70 м, ши-
Рис. 6.3. Одноходовая туннельная сушилка для крошки каучука: 1 — уст-
ройство для ввода крошки; 2 — распределитель крошки; 3 — верхняя и ниж-
няя ветви конвейера; 4 — калориферы; 5 — окна для воздуха; 6 — приводы
вентиляторов; 7 — привод конвейера; 8 — сборный шнек; 9 — течка для вы-
хода каучука; 10 — дверки; 11 — вытяжные вентиляторы
риной 3,70 м и высотой 2,44 м состоит из корпуса, конвейера, четырех
циркуляционных вентиляторов и одного вытяжного вентилятора, двух
калориферов, шнекового распределителя (питателя), разгрузочного
устройства, узла Приготовления силиконовой жидкости, системы пожа-
ротушения, узла автоматической смазки и привода.
Корпус сушилки собран из щитов и металлических конструкций.
Его длина — 7,48 м, ширина — 3,70 м, высота — 2,44 м.
Корпус делится металлической перегородкой на две температур-
ные зоны.
Первая зона снабжена:
двумя вентиляторами на одном валу с электродвигателем,
каждый мощностью 5,5 кВт;
калорифером, состоящим из шести рядов;
металлической сеткой для фильтрации циркулирующего воз-
духа, подаваемого вентиляторами;
термопарами для замера и автоматического регулирования
температуры ,в зоне.
Вторая зона имеет:
два вентилятора на одном • валу с электродвигателем, каж-
дый мощностью 2,2 кВт;
калорифер, состоящий из трех рядов;
металлическую сетку для фильтрации циркулирующего возду-
ха, подаваемого вентиляторами;
185
термопары для замера 'И автоматического регулирования тем-
пературы.
В корпусе сушилки имеется шесть дверей по ходу продукта — четы-
ре с правой стороны и две с левой для свободного доступа внутрь для
ремонта конвейера, калориферов, вентиляторов, трубопроводов и воз-
духом од (Тв.
Конвейер предназначен для транспортирования гранул полимера
в зоны сушки. Конвейер изготовлен из нержавеющих перфорированных
стальных пластин размером 2230X200 мм, которые 'соединены шарнир-
но. С каждой стороны пластины поддерживаются массивной цепью с
роликами, которые опираются на боковые рельсы, расположенные
вдоль стен сушилки. Внутри .конвейера имеется настил (перекрытое).
С входной и выходной сторон конвейер насаживается роликовой цепью
на звездочки колес ведущего и ведомого валов. Ведомый вал имеет
приспособление для натяжения конвейера. Расстояние между ведущим
и ведомым валами 10 860 мм.
Главный привод состоит из электродвигателя мощюстыо 4,5 кВт,
вариатора, промежуточного редуктора и редуктора с большим пониже-
нием числа оборотов. Он служит для приведения в движение конвейера
сушилки и скребкового механизма , состоящего из двух барабанои со
скребками.
Средняя скорость движения конвейера составляет около 0,006 м/с.
Скорость 'можно 'изменять .при помощи вариатора.
Шнековый распределитель (питатель) служит для равномерного
распределения гранул полимера по всей'" ширине конвейера перед по-
ступлением на сушку. Он представляет собой спиральный шнек из не-
ржавеющей стали, имеющий приспособление с двумя маховичками для
перемещения в вертикальном направлении в пределах от 19 до 119 мм
при изменении слоя гранул на конвейере сушилки. Привод шнекового
распределителя осуществляется от электродвигателя через вариатор и
цепную передачу. Частота вращения шнека '.может изменяться от 30 до
120 об/мин.
Разгрузочное устройство, предназначенное для снятия сухого поли-
мера с конвейера и транспор тир онани я его в шприц-машину, состоит
из двух барабанов для снятия слоя полимера ,и очистки конвейера ме-
таллического шнека в неподвижном желобе и подвижного желоба.
Сушилка снабжена щитом контроля п управления, где смонтирова-
ны пускатели электродвиТателей (привода, вентиляторов, загрузочного’
устройства) ,и электронные мосты ЭМИ-120 для измерения и регулиро-
вания температуры n.o зонам.
Сушилка работает следующим образом. Гранулы полимера, содер-
жащие 25—33% воды, поступают после дробилки на конвейер сушил--
ки, 'распределяются слоем 15—30 мм с помощью распределителя и
вместе с конвейером поступают в первую зону сушилки, где поддер-
живается температура воздуха в пределах 130—150° С .
Во второй зоне гранулы досушиваются при температуре 100—
120° С.
Циркуляция воздуха в первой и во второй зонах обеспечивается
вентиляторами, засасывающими воздух через калориферы, в которых
он 'подогревается. Нагретый воздух проходит через металлическую
сетку, которая «фильтрует его и задерживает механические примеси .За-
тем воздух поступает в сушилку, перемещается сверху вниз сквозь слой
гранул полимера и сетку конвейера.
Если слой полимера очень тонкий, то при большой скорости цир-
кулирующего воздуха нарушается его равномерность. При повышении
температуры сушки качество полимера ухудшается .
Воздух, насыщенный парами воды, 'выводится из сушилки по двум
воздуховодам. На воздуховодах имеются шиберы для регулировки ко-
186
личества выбрасываемого -в атмосферу влажного’ воздуха. На устройст-
ве для выброса воздуха из вытяжного вентилятора установлен влаго-
мер. Количество выбрасываемого из сушилки воздуха зависит от его
абсолютной влажности на входе в сушилку. В дождливую погоду
шибер на выходе должен быть открыт больше, чем щ сухую.
По выходе из сушилки гранулы снимаются с конвейера при помо-
щи скребкового механизма, на барабане которого имеются двенадцать
кожаных продольных лезвий, расположенных по всей ширине конвейе-
ра. Для дополнительной очистки сетки конвейера от гранул полимера
снизу размещен также металлический барабан с четырьмя ’резиновыми
лезвиями. В результате вращения барабанов сначала с конвейера сни-
маются гранулы, а затем конвейер очищается. После конвейера грану-
лы поступают в металлический шнек, помещенный в неподвижном же-
лобе с отверстием посредине. Шнек транспортирует гранулы к середи-
не -иеподвижиого желоба, .откуда через отверстия и подвижный желоб
они направляются в шприц-машину.
Перед подачей гранул полимера конвейер 'Обрабатывают раство-
ром силиконовой жидкости при помощи ’инжекторных распылителей.
Обрызгивание конвейера силиконовой жидкостью необходимо для
предотвращения прилипания к пластинам конвейера гранул. Средний
расход силиконовой жидкости 45 л/ч, давление в емкости для ’Приготов-
ления силиконовой жидкости должно быть не более 0,7 МПа.
Ленточные сушилки эксплуатируются давно. Главной их частью
является ленточный транспортер, на который насыпан слой высушивае-
мого материала (см. табл. 6. 1). Сушильный агент продувается сквозь
слой или вдоль слоя. Наиболее рациональна продувка сквозь слой с
циркуляцией газа. Сушилка разделена на зоны, в каждой из которых
может поддерживаться свой режим. Такую позонную сушку стали при-
менять после того, как выяснилось, что удаляемая влага связана со
структурой материала в зависимости от ее количества; в первую зону
оказалось возможным подавать значительное количество воздуха с по-
вышенной температурой.
Область применения ленточных сушилок значительно расшири-
лась, когда после предварительной подготовки на ленту стали загру-
жать пастообразные материалы. Большое распространение в послед-
ние годы получили вальцешенточмые сушилки для пастообразных мате-
риалов, в которых формирование материала в виде палочек осущест-
вляется рифленым горячим валком, снабженным гребенчатым но-
жом.
Палевые сушилки. Применяются для сушки тонких гибких мате-
риалов (пленки, ткани, бумаги и т. д.), а также паст. Уста.тонка пред-
ставляет собой камеру прямоугольного сечения, внутри которой мате-
риал перемещается в виде петель, опирающихся на ролики или поддер-
живающие стержни. Ширина камеры — 3,5—4,0 м, высоте — до 5 м,.
длина в зависимости от производительности достигает 100 м. Емкость
сушилки составляет 1500 м3 при длине петли 5 м. Скорость выхода
изделий: бумаги — 6—10, кинопленки — 4—7 м/мин.
В табл. 6. 1 показана схема петлевой линейной сушилки для паст
(красителей, литопона и др.). Пасту подают на пару валков, из кото-
рых сна выходит в виде слоя, ширина которого равна ширине сетча-
той ленты. Этот слой, наложенный ла сетку, пройдя через прижимные
валки, вдавливается внутрь ячеек. Лента поступает в сушилку, где об-
разует петлю за счет выступов на специальных планках, расположен-
ных друг от друга на ленте на расстоянии, равном двойной высоте пет-
ли. Выступы опираются на несущий цепной транспортер. Из сушилки
петля выбирается специальным роликом и направляется к ударникам.
Последние выбивают сухой продукт из сетки в бункер, откуда он отво-
дится шнекам. Очищенная сетка вновь поступает для наголнения.
187
Описанные сушилки работают с рециркуляцией отработанного воз-
духа. В зависимости от свойств материала процесс в них ведут в двух,
трех и более зонах с различными температурой и влажностью воздуха.
Толщина слоя материала—от 5 до 25 мм; нагрузка по сухому продук-
ту на I м2 сетки 'составляет 5—15 кг. Расстояние между полотнами пе-
тель— 100—200 мм. Температура агента сушки в за|ни'ои1мости от тер-
мочувствительности материала может достигать 300° С.
Основные недостатки этих сушилок — малая интенсивность сушки!,
частые поломки сетки, выкрашивание из нее продукта и, как следствие,
засорение камеры.
При сушке фотобумаги с толщиной слоя эмульсии 15 г/м2 и кино-
пленки с толщиной слоя эмульсии 160—300 г/м2 температура воздуха
составляет 24—45° С; в конце процесса поддерживают более высокую
температуру. Воздух проходит специальную очистку in высушивается
г, кондиционерах. Сушилка для кинопленки имеет четыре зоны: зону
подготовки, две зоны сушки и последнюю зону — кондиционирования
(для выравнивания влажности пленки ио площади ленты). Длитель-
ность сушки — 45 мин.
Турбинные сушилки. Применяются для высушивания и прокалива-
ния различных сыпучих материалов (динатр.ийфосфат, уголь и др.).
Они отличаются хорошей гер1мет,ич!но1стыо, поэтому в качестве 'агента
сушки можно (югеользовать инертные газы.
Турбинная сушилка (см. табл. 6. 1) представляет собой неподвиж-
ный металлический кожух, плотно обшитый листовой сталью. Внутри
сушилки имеется круглая рама, вращающаяся вокруг вертикальной
оси. На раме укреплены тарелки толщиной 2 мм, состоящие из секто-
ров. Во время работы сушилки рама с тарелками совершает примерно
2 об/мин.
• Внутри ограниченного рамой 'пространства расположено несколько
турбин, вращающихся со скоростью 60 об/мин и перемещающих газ в
сушилке в направлениях, указанных стрелками.
Свежий газ .поступает в сушилку снизу, отработанный выходит
сверху через вытяжную трубу, а в некоторых случаях часть его на-
правляется в смесительную камеру топки для снижения температуры
газообразных продуктов горения до требуемого предела.. Количество
циркулирующего газа регулируется при помощи дроссельных клапа-
нов. Циркуляция осуществляется при постоянной скорости 2 м/с.
На неподвижном корпусе сушилки над каждым рядом тарелок ук-
реплены разравнивающие скребки и за .ними (если смотреть по направ-
лению вращения тарелок) сбрасыватели. И скребки, и сбрасыватели
иа отдельных этажах сушилки смещены по спирали; аналогично сме-
щены зазоры между секторами тарелок, благодаря чему материал с
конца верхнего сектора попадает в начало сектора, расположенного
ниже.
Материал поступает в сушилку сверху через загрузочное отверстие
и шлюзовые затворы, преграждающие доступ воздуха в 'сушилку. При
вращении рамы материал через зазоры между секторами ссыпается с
тарелки на тарелку, а с нижней тарелки поступает на неподвижное
дно. Отсюда укрепленные па раме скребки перемещают его к загрузоч-
ному желобу. Далее ..материал конвейерам подается ® бункер.
Днище сушилки выполнено из чугунных плит. Полость между ни-
ми и нижней обшивкой заполнена порошкообразным тяжелым шпа-
том. Такая конструкция обеспечивает достаточную герметичность, пред-
отвращает выход пыли, а при расширении плит под тепловым воздей-
ствием позволяет им перемещаться без изгибов и трещин.
Преимущество описанной сушилки по сравнению с барабанной и
пневматической состоит в том, что температуру 'газа в любой ее точ-
ке можно повысить при помощи расположенных внутри неё нагрева-
188
тельных устройств или путем дополнительной подачи горячего газа.
Благодаря этому процесс сушки можно разделить на несколько' этапов,
соответствующих потреблению теплоты на отдельных участках сушил-
ки, что позволяет установить оптимальный для данного (материала тем-
пературный режим.
Турбинные сушилки изготовляют диаметром до 12 м с числом та-
релок до 20. Теплота передается слою высушиваемого материала кон-
векции (от газа) и путем теплопроводности или кондукцией (от нагре-
той тарелки); при высоких температурах часть теплоты передается лу-
чеиспусканием.
При одновременной сушке и нагреве материала удельная плотность
теплового потока составляет примерно 3800 кВт/м2 (в расчете иа пол-
ную поверхность тарелок).
В рассмотренных установках процесс проходит довольно равномер-
но. Основными их (недостатками являются малая интенсивность сушки,
сложность конструкции и наличие двух приводов — рамы и турбин.
Шахтные сушилки. Применяются для зернистых хорошо сыпучих
материалов (катализаторы, зерно, гранулированный уголь и т. д.).
Главным элементом аппарата является (вертикальная шахта, в (которой
материал ' высушивается,' перемещаясь под действием силы тяжести.
Сушильный агент проходит через слой сыпучего материала.
По характеру движения материала внутри шахты эти сушилки раз-
деляются на три типа:
— со свободным падением материала внутри шахты;
— со свободным падением материала, искусственно замедлен-
ным путем установки полок различного вида;
— с замедленным движением материала ((материал движет-
ся (В шахте сплошной массой, скорость его перемещения определяется
количеством отбираемого высушенного материала).
Сушилки первых двух типов можно использовать для сушки ма-
териалов, из которых необходимо удалить поверхностную влагу (асбес-
товая руда, поваренная соль и т. д.). Длительность сушки в них со-
ставляет несколько секунд. Ввиду (малой интенсивности сушки и прак-
тически нерегулируемого времени пребывания материала они очень
редко применяются на практике. Высота этих сушилок достигает 60—
80 м. .
В сушилках с замедленным движением материала длительность
процесса можно регулировать в широких пределах — от .'нескольких
минут до нескольких часов. Эти сушилки (применяются достаточно ши-
роко в различных отраслях промышленности.
На рис. 6. 4, а показана шахтная сушилка 'производительностью
24 т/ч, работающая на смеси топочных газов с воздухом. Установка
состоит из двух шахт, между которыми расположена распределитель-
ная камера. Камера разделена горизонтальными перегородками на три
части; первая и (вторая предназначены для распределения газов в зо-
нах сушки, третья (нижняя) — для подачи наружного воздуха в зону
охлаждения. Шахта заполнена коробами с открытыми днищами; одни
ряды коробов овязаны с нагнетающей камерой сушилки, другие —с от-
сасывающей. Агент сушки, проходя от 'натнетателыных коробов 1 к (вса-
сывающим 2, продольным потоком пронизывает материал (рис. 6.4,6).
Отработанные газы выбрасываются из сборной камеры в атмосферу.
Иногда отработанный газ из второй зоны сушки (подают в первую. Воз-
дух после зоны охлаждения используют (в топке. В нижней части шах-
ты установлено разгрузочное устройство, с помощью которого регули-
руются длительность сушки и равномерность выпуска материала по се-
чению шахты.
Интенсивиоспэ процесса обусловливается температурой агента
сушки и скоростью прохождения его через слой (материала. Каждая зо-
189
Уровень
пола
joooooaoooaotl .
2 а о о о о. од°Д°,°п‘
?1 оооо оо о оо о о с
о^оЪо о о о оо о о о J
Л ПГ|ППППГ>ОГ1П,Л
о сзооооооаааос
Л О 2 о о о о о О Л СП
2 coooooaoaoooot
(^П^Г1Г1гЛг*1Г|Г>О'А1ОГ)Г)
О OOOOOOOOOOOOQt
Г1^лг1Г>^Г1'~'г’лГ,Лп^
з оооаооооаоооос
Г2Г>ЛГ2П^ПГ|Г>ЛГ|ЛАП
о оаоооаооОоооос
Рис. 6.4. Шахтная сушилка: а — разрез шахты; б — схема расположения
коробов; 1 — отсасывающие короба; 2 — нагнетательные короба
190
на сушилки может работать по принципу параллельных или встречных
потоков материала и теплоносителя. Расстояние между коробами по
гор излит али определяется свободным прохождением материала без за-
висания и сводообразования и количеством подаваемого агента сушки.
Большие скорости газа в коробах недопустимы, так как они могут при-
вести к уносу материала и повышению гидравлического сопротивления
движению теплоносителя. Условная скорость газа, проходящего через
слой материала, обычно составляет 0,2—0,3 м/с.
Оптимальная условная скорость газов через слой материала опре-
деляется в каждом отдельном случае в зависимости от характеристики
материала (те|рмочу’вствительности, сыпучести, наличия пыли и т. д.).
Расстояние между нагнетающими и отсасывающими коробами обу-
словлено допустимыми гидравлическим сопротивлением слоя материа-
ла п количеством переданной материалу теплоты, определяющим не-
обходимое снижение температуры агента сушки. Толщину слоя мате-
риала обычно принимают 200 мм (для зерна).
Основной недостаток шахтных сушилок —малря интенсивность
процесса сушки. Из-за сводообразования в зоне влажного материала
движение его неравномерно, что приводит к неравномерной сушке. На-
личие мелких частиц в материале значительно снижает фильтрующие
свойства его слоя. Поскольку мелкие частицы и пыль распределены по
** сечению шахты неравномерно, то и агент сушки распределяется нерав-
номерно. В застойных зонах происходит так называемое запаривание
материала, а иногда и возгорание его, если для сушки г применяются
топочные газы.
Барабанная сушилка представляет собой установленный наклонно
вращающийся барабан, на который надеты два бандажа и .зубчатый
венец. Бандажами барабан опирается на четыре ролика, смонтирован-
ные на рамах. Два опорных ролика ограничивают осевое смещение
корпуса барабаня. На обоих концах барабана имеются кг.меры: в од-
ной предусмотрены ввод газов и загрузка влажного материала, в дру-
гой— вывод сухого продукта и отвод газов. Между камерами и бара-
баном делают специальные уплотнения для предотвращения подсоса
• наружного воздуха. Следует отметить, что особенно вреден подсос со
стороны выгрузочной камеры. Максимальный наклон барабана 4°.
Отечественные предприятия выпускают барабанные сушилки диа-
метром от 1 до 3,5 м, причем барабаны диаметром до 2,8 м могут быть
различной длины (L/D = 4—8 м). Барабаны диаметром 2,8; 3 и 3,5 м
изготавливают только одной длины—соответственно 14; 20 и 27 м.
Общий вид агрегата барабанной сушилки представлен на рис.
6. 5. Основными сборочными единицами являются топка 1, дисковый
питатель 2, бункер 3, элеватор 4, барабан 5, циклон 6, дымосос 7 и
ленточный транспортер 9.
Со стороны выхода отработанной смеси воздуха и газов располо-
жено пылеотделительное и вытяжное устройства. С торцов барабана ус-
танавливаются скользящие уплотняющие 'приапособления, препятствую-
щие проходу воздуха. Для выгрузки высушенного материала применя-
ются шнеки или затворы-мигалки.
В зависимости от свойств высушиваемого материала применяют
различные внутренние устройства барабана.
На рис. 6. 6, а показаны самоочищающиеся прямые поворотные
лопатки. Их устанавливают за винтовой распределительной насадкой
при сушке слипающихся материалов. При сушке достаточно сыпучих
материалов за винтовой насадкой помещают периферийную подтемно-
лопастную насадку. Форма лопаток может быть различной (рис.
6. 6, б—и). В конце барабана устанавливают секторную насадку (рис.
6. 6, д, е) с пятью или шестью 1оекторями.
191
ю
КЗ
Рис. 6.5. Барабанная сушилка: 1 — топка; 2 — дисковый питатель. з — бун-
кер, 4 — элеватор; 5 — барабан; 6 — циклон; 7 — дымосос; 8 — электР°Двигатель;
9 — ленточный транспортер; 10 — растопочная труба
ппх устройств барабана
Следует отменить, что расположение лопаток в секторах должно
быть таким, чтобы человек мог свободно пролезать для -(.«чистки на-
садки от 'налипшего материала. Если -материал обладает хорошими
сыпучими свойствами, за -винтеж-ой -насадкой комещают секторную/При
этом !штспси'4яи'В(Нру<ис.я су-шк-а <и снижается расход электроэнергии на
вращение барабана. Для хорошо сыпучих материалов полню исполь-
зовать насадку, -показанную на рис. 6. 6, ж.
Материал поступает в барабан ио течке, которая -в некстооых слу-
чаях оборудована специальным подающим устройством. Ит-огда течки
снабжены рубаижой, в которой движутся -охлаждающие вола и воздух.
Это позволяет избежать «прикревлетгия» материала к стоике, омывае-
мой горячим1!-! газамл.
В табл. 6. 1 приведена схема двухходовой барабанной сушилки.
Она представляет собой два барабана — внутренний и наружный.
Внутренний барабан состоит из трех частей, соединенных между собой
болтами. Для компенсации температурных расширений в -местах соеди-
нения поставлены специальные прокладки. Наружный барабан цельно-
сварной. Внутренняя насадка обоих ба'рабайюв н-одъсмн-олоиастная.
Материал из питателя поступает во внутренний ба'рабаш. Сюда.же по-
дают агент сушки при температуре до 700° С. Далее материал посту-
пает во внешний барабан для окоичателшиой просушки, оттуда--в ка-
меру, а затем удаляется из сушилки. Газы из камеры направляются на
очистку в циклоны.
Сушилки с псевдоожиженным (кипящим) слоем. В настоящее вре-
мя разработано большое количество различных -по конструкции сушм-
л-ок с кипящим слоем. Рассмотрим наиболее перспективные для про-
мышленности установки.
В табл. 6. 1 даны принципиальные схемы наиболее распространен-
ных сушилок с кипящим слоем. Однокамерная сушилка с ненаправ-
ленным движением материала имеет в сечении окружность. Камера мо-
жет быть цилиндрической (при сушке крупно,зернистых материалов)
или расширяющейся (для уменьшения уноса мелких частиц из каме-
ры). Максимальное ’ сечение подбирают 'из расчета отсутствия уноса
мелких частиц. Такие установки обычно используют для сушки термо-
стойких материалов (например, хлористого калия, доломита, энерге-
тических углей м т. д.).
Камеры с сечением в виде прямоугольника с малым отношением
L/B (равным примерно 1—2) и квадратные камеры с ненаправлен-
ным движением материала используются реже, чем круглые, так как в
них больше вероятность образования застойных зон. Для зыраини-ва-
13. Заказ 710
193
ния времени пребывания частиц в камере устанавливают перегородки,
пережимающие поток материала. Угол 'наклона решетки принимают
в зависимости от скорости кипения частиц, длины решетки и измене-
ния свойств частиц в процессе сушки. Сечение камеры в направлении
газового потока может быть прямоугольным и трапецевидным для
уменьшения уноса частиц. Такие сушилки работают с перекрестным
потоком матери ал а и агента сушки. Их рекомендуется применять при
удалении влаги из трудмовысыхающих материалов, для которых необ-
ходима высокая равномерность сушки.
В мн-опозоиных сушилках зоны располагаются друг за другом. -
Подобные сушилки могут работать с направленным и ненаправленным t
движением материала. В каждой зоне могут создаваться различные
гидродинамические и тепловые режимы, так как агент сушки посту-,
пает в них от самостоятельных вентиляторов. Эти сушилки применяют
для переработки термочувствительных материалов, свойства которых
сильно изменяются в процессе сушки. Расположение зон одна над дру-
гой делает установку компактной, однако область сепарации в них
ограничена. В связи с этим сушилки с вертикальной компоновкой и на-
правленным движением .материала рекомендуются длг крупнозернис-
тых материалов с хорошими сыпучими свойствами.
В сушилках с горизонтальным расположением зон распределитель-
ный газовый короб разделен перегородками на отдельные камеры, в
которые подают агент сушки с' определенными параметрами. Каждая
зона может работать со своими значениями температуры и скорости
газов. Над решеткой зоны не разделяются «порогами», что обеспечи-
вает беспрепятственное движение полидисперсногю материала.
Необходимо отметить, что в многоценных сушилках различие тем-
ператур в зонах всегда связано с увеличением числа тягодутьевых уст-
ройств.
На рис. 6. 7 показана цилиндрическая сушилка с кипящим слоем
диаметром 4,2 м. В качестве агента сушки используют топочные газы,
получаемые в. топке 2, работающей под давлением. В сушильную каме-
Рис, 6.7. Схема цилиндрической сушилки с кипящим
слоем: 1 — вентилятор: 2 — топка; 3 — шнек; 4 — бункер;
5 — сушильная камера; 6 — циклоны; 7 — брызгоуловитель;
8 — скруббер
194
ру 5 материал подают из бункера 4 шнеком 3. Газы из камеры посту-
пают на очистку в циклоны 6 и горизонтальный мокрый скруббер 8
Рис. 68. М.ногозон-
ная сушилка с кипящим
слоем: 1 — вентилятор-,
2 — топка; 3 — газовый
калорифер; 4 — трехзон-
ная сушилка; 5 — цик-
лон; 6 — затвор-мигал-
ка; 7 — автоматические
весы с вибропитателем;
8 — затвор; 9 — холо-
дильник
На рис. 6.8 показана мнотозонная сушилка с -кипящим слоем для
сушки п дегидратации мелкакри1сталлич1еск.их материалов;, которые
при 'нагревании могут слипаться. Газовая топка 2 .работает на естест-
венной тяге. В качестве агента сушки используют воздух, нагреваемый
в трубчатом газовом калорифере 3, изготовленном из жаропрочной ста-
ли. Температура топочных газов перед калорифером 800—1000°. Воз-
дух вентиляторам подают .в калориферы, где он нагревается до 300—
350° С, а затем поступает ;в трехзонную сушилку 4 Исходный мат ериал
через автоматические весы 7 с. вибропитателем и шлюзовой затвор 8
подается в сушилку. В первой и второй зонах (по ходу материала)
осуществляются сушка .и частичная дегидратация материала.
Каждая .зона работает при различных скоростях 1кипения и тем-
пературах воздуха в зависимости от свойств материала. 'Необходимые
температуры воздуха в первой (100—140° С) и второй (140—180° С)
зонах создаются путем добавления холодного воздуха от вентилятора.
В третьей зоне происходит окончательная дегидратация продукта при,
высоких температурах.
За счет возврата пыли продукта из циклона осуществляется цир-
куляция материала. Это позволяет вести процесс при повышенных ско-
ростях кипения в более опасной (первой) зоне, благодаря чему обеспе-
чиваются равномерное ра1спределен1ие воздуха по сечению решетки,
предотвращение агломерации частиц в первой зоне и достигается высо-
кая производительность аппарата. Кроме того, возвращаемая высуй ен-
ная или частично дегидратированная пыль агломерирует с исходным
материалом; при этом увеличивается выход товарного продукта с не-
обходимыми степенью дегидратации и размером частиц.
Для уменьшения продольного перемешивания между второй и
третьей зонами установлена п ерт ородка с нижним протоном материа-
ла. Готовый продукт охлаждают в мондуктивнюм теплообменнике 9, по
трубам которого течет холодная вода.
Для обеспечения равномерного кипения и надежного транспорти-
рования материала, создания более оптимального процесса при сушке
тотчютчстерспых материалов с высокой адгезией, а также трудно-
. 195
сыпучих и подверженных агрегированию материалов в сушильных ка-
мерах устраивают специальные ворошителя, шнеки, мешалки, движу-
щиеся перегородки и т. д. Для разрушения каналов используют вибра-
цию решетки. Однако необходимо отметить, что к специальным приспо-
соблениям следует прибегать только в особых случаях. Иногда целе-
сообразнее использовать другой способ сушки, чем значительно услож-
нять конструкцию сушилки с кипящим слоем.
Конструкция решетки. От конструкции решетки в Зольшой степе-
ни зависит состояние кипящего слоя. Решетка выполняет двойную
функцию: равномерно распределяет газовый поток по сечению камеры
и удерживает слой при остановках сушилки. Еще более равномерное
распределение газов дают пористые плиты. Но для практических це-
лей они неприменимы, так как часто забиваются и имеют большое гид-
равлическое сопротивление. В настоящее время применяют два типа
решеток: провальные и беспровальные.
Провальные решетки представляют собой перфорированные плиты,
на которых -материал удерживается в процессе работы под действием
скоростного напора газа. Толщина листа материала, из которого из-
готовляются решетки, обычно составляет 10—20 мм, что создает боль-
шую жесткость и значительную длину каналов, при которой вероят-
ность просыпания материала сводится к пулю. Незначительные проги-
бы и неровности-решетки приводят к неравномерному кипению и зале-
ганию .материала. На рис. 6. 9 .приведены конструкции 'Провальных ре-
шеток. Наиболее распространенная решетка показана га рис. 6. 9, а.
Рис. 6.9. Конструк-
ции провальных решеток
Для крупнозернистых материалов иногда можно использовать
штампованные сетки с жестким каркасам.
Беспровальные решетки выполняются трех типов л представляют
собой (рис. 6.10): а—плиты из жаропрочного бетона или чугуна, в
отверстия которых вставлены сменные сопла — колпачхиг, б—два па-
раллельно расположенных листа или набор кюлосникоь, оси отверстий
которых смещены по отношению друг к другу; в — дза параллельно
расположенных листа, промежуток между которыми заполнен огне-
упорным дробленым материалом. Недостаток решеток с засыпкой в
том, что постепенно они могут забиваться высушиваемым материалом.
Живое сечение решеток составляет 3—10%. Нижний предел обычно
принимают при работе с малыми скоростями кипения, т. е. при сушке
тонкодисперсных материалов с малой плотностью частиц. Диаметр от-
верстий чаще всего равен 1,5—2,5 мм, иногда до 5 мм.
Для равномерного распределения газов необходимо, чтобы сопро-
196
Рис. 6 /0. Конструк-
ции беспровальных ре-
шеток: / — плита; 2 —
колпачок; 3 — винт
тнвлепие решетки .возрастал^ с увеличением диаметра аппарата. Ско-
рость газов в отверстиях должна быть больше скорости витания час-
тиц, размеры которых равны диаметру отверстия. С возрастанием пере-
пада температур живое сечение решетки при прочих равных условиях
также увеличивается. Для лучшего выравнивания потока под основной
решеткой на расстоянии 50 мм и больше устанавливают вторую решет-
ку с живым сечением 40—50% и диаметрам отверстий до 25 мм.
Часть камеры, прилегающая к решетке, может быть с параллель-
ными стенками или расширяющаяся. В первом случае на рабочем уча-
стке, равном высоте слоя, сохраняется примерно одна и та же ско-
рость газа. Расширение же аппарата для уменьшения уноса пыли на-
чинается над слоем. Во втором случае сечение аппарата увеличивает-
ся непосредственно под решеткой. Угол конусности а/2 должен соот-
ветствовать безотрывному течению газа, что составляет 7—8°. Такие
аппараты применяют для сушки полидисперсных или тонкодисперсных
материалов.
Загрузка, и выгрузка материала. Материал можно подавать в су-
шилку при помощи шлюзовых затворов, виброп1итателей с автомати-
ческими весами, шнеков или специальных забрасывателей (например,
П1Н0вмозаб|раеывателей). Материал необходимо выгружать непосредст-
венно с решетки, чтобы в сушилке не скапл1И1вались частицы и не обра-
зовывались агломераты. При этом производительность разгрузочного
устройства регулируется так, чтобы высота слоя оставалась постоян-
ной.
При сушке однородных материалов иногда применяют переливные
пороги, высота (которых определяет толщину слоя. В нижней части по-
рога иногда делают отверстия для прохода крупных частиц. Величину
отверстия выбирают такой, чтобы через него не мог пройти весь ма-
териал. При наличии порога нет необходимости щ установке специаль-
ного питателя на выгрузке.
Сушилки с виброкипящим слоем. Сушка в впброкипящем слое воз-
можна и без применения газа в .качестве сушильного и псевдоожижаю-
щего агента. Теплота, необходимая для испарения (влаги, подводится
через обогреваемую поверхность (или с помощью облучения. Наиболь-
ший интерес для химической промышленности представляют конвек-
тивные вибросушилки с кипящим слоем. Они могут быть кат: с продоль-
ным, так и с поперечным обдувом материала. Последний вариант пред-
почтительнее, так как ои обеспечивает большую интенсивность процес-
са и более широкую область применения аппарата.
197
В горизонтальных вибросушилках -с кипящим елеем сушильный
агент продувается сквозь слой материала. Наибольший интерес пред-
ставляет устройство, которое позволяет изменять 'направление вибра-
ционных колебаний. Разработана двухсекционная сушилка с вибро-
кипЯ’ЩНМ слоем для сушки комкующихся полимерных материалов (см.
табл. 6. 1).
Влажный материал секторным питателем подается на сетку, где
высушивается по мере движения к 'выгрузному устройству. В каждой
секции .может поддерживаться различный режим параметров вибрации
(частота, амплитуда и направление колебаний), а также параметров
сушильного агента (скорость и температура). Сушильный агент нагре-
вается в паровых калориферах, проходит сквозь слой высушиваемого
материала и после очистки в циклопе от пылевой фракции, захвачен-
ной потоком, выбрасывается в атмосферу. Производительность уста-
новки по сухому продукту—iQT 25 до 10 000 кг/ч, расход сушильного
агента от 60 до 600 м3/ч, установленная мощность электродвигателей —
от 3,2 до .45 кВт.
Исследовдиия пидродинамики процесса показали, что аппараты
указанной канютруаадпи близки к аппаратам идеального вытеснения, в
которых время обработки для всех частиц одинаково. Если переме-
шивание по длине аппарата практически отсутствует, то по высоте слоя
оно весьма интенсивно. Такое сочетание пидродинам1И'чеоких характе-
ристик обуславливает возможность применения виброкипящего слоя
для сушки болгшого количества самых различных продуктов.
В настоящее время, нашли применение сушилки с виброкипящим
слоем для удаления органических растворителей из химических мате-
риалов. На рис. 6. 11 показана схема установки, предназначенная для-
Рис. 6.11. Схема установки с вибро-
кииящпм слоем, работающей в замкнутом
цикле с регенерацией растворителя: 1 —
сушилка с виброкипящим слоем; 2 — ус-
тановка для обеспыливания; 3 — газовый
холодильник; 4 — каплеотделитель; 5 —
вентилятор; 6 — газовый теплообменник
Рис. 6.12. Схема распы-
лительной сушилки для пасто-
образных материалов: 1 —
бункер; 2,3 — шнеки-питате-
ли; 4 — сушильная камера; 5—
рукавный фпльтз; 6 — циклон
извлечения бензина из полиэтилена и полипропилена. Продукт подает-
ся в сушилку с одного конца, продвигается вдоль.сетки и выгружается-
через переливной штуцер с противоположного конца аппарата. Су-
шильный агент нагревается в газовых теплообменниках, проходит,
сквозь слой продукта и вместе с парами растворителя и пылью продук-
та направляется в систему 'конденсации. После сухого пылеулавлива-
ния газы поступают в конденсатор-холодильник. Затем через каплеот-
бойник осушенный газ вентилятором подается в теплообменник и после-
нагрева — опять, в сушилку.
198
Распылительные сушилки. На рис. 6. 12 показана схема распыли-
тельной сушилки для пастообразных материалов. Сушильная камера 4
состоит из цилиндричеоко'й и конической частей. .Горячий воздух вхо-
дит тангенциально в кольцевой канал и из него через прорези --- в су-
шильную камеру. Паста на сушку поступает в бункер 1 и через два
горизонтальных шнековых питателя 2 подается в вертикальные [гарные
шнеки 3 регулируемым числом оборотов, которые прессуют пасту
в нарезанной по кругу насадке. Из насадки паста выходит в форме
шнуров толщиной (jkocio 5 мм. Цилиндрическая часть ‘насадки враща-
ется. благодаря чему лента равномерно выходит по -всему объему па-
елл iti. . ' '
Вводимый в центр насадки воздух распыляет насту па мелкие
частицы. Раопылителынсе устройство находится вне сушильной каме-
ры. Тонкораспы ленный материал ‘вдувается через отверстие в крышке
в сушильное пространство’. Давление воздуха для довольно зязюи.х паст
не превышает 0,3 МПа. Иногда паста, взятая из центрифуги или ва-
куум-фильтра, ‘подается насосом. В этом случае распылительное уст-
ройство может оставаться таким же, как и при шнековом питателе.
Чаще же и римсп я ют механические форсунки, [непосредственно распы-
ляющие пасту и сушильной камере. Высушенный ‘материал улавлива-
ется в циклопе 6 и рукавном фильтре 5. Температура воздуха на вхо-
де может ’Изменяться от ПО до 850° С, высушенного продукта—от 50
до 85° С. Сушилка предназначена для высушивания паст органических
п неорганических красителей, пигментов, окисей металлов, гидроокиси
алюминия, карбоната кальция и других продуктов, а также для полу-
чения паст порошкообразных моющих средств. В последнем случае су-
шилки имеют зону охлаждения.
На рис. 6. 13 представлена двухступенчатая сушилка, разработан-
ная в ЛТИ им. Ленсовета П. Г. Ромашковым, для пастообразных ма-
териалов. Влажный материал подают во внутренний конус. Подсушен-
ный продукт поступает в ‘кольцевое пространство ‘между двумя кону-
сами. Первая зона работает в режиме аэрофонтана при товышенных
температурах газа. В каждую зону газ подводят самостоятельно.
На рис. 6. 14 показана двухступенчатая установка, предназначен-
ная для совместной сушки и и-ракадавания материала (авторы —
М. В. Лыков, К- П. Деревщикова, В. В. Ковальский). Комкующийся
материал подают в аэрофонтан, где он высушивается до требуемой
влажности. Затем но течке он поступает в зону кипящего слоя с на-
Блажный
материал
Рис. 6.13. Двухступенчатая су-
шилка системы ЛТИ: 1 — внутрен-
няя камера; 2 — регулируемая щель;
3 — наружная камера; 4 — пита-
тель
Рис. 6.14. Схема комби-
нированной установки для
сушки и прокалки материалов:
1 — дона сушки; 2 — зона
прокалки
199
правлеиным движением материала; здесь происходит прокаливание
продукта. В кипящем слое можно легко регулиро1вать время пребыва-
ния материала в аппарате путем изменения скорости подачи теплоно-
сителя.
В зависимости от технологических требований сушку растворов
проводят при прямоточном, -противоточном и 'перекрестном потоках ма-
териала п агента сушки. Большинство сушилок работает по принципу
параллельного тока, обеспечивающего интенсивную и экономичную
сушку с получением продукта высокого' качества.
Противоточное движение 'материала л газов применяют, например,
нри-сов’-едгийи сушки с прокалкой, при получении продукта с боль-
шой насыпной плотностью и т. д. Опытами установлено, что при повы-
шении илчалыной температуры газов .в прямоточной сушилке насыпная
плотность продукта уменьшается вследствие раздутия частиц. Большое
значение при -сушке распылением имеет равномерное распределение
газа по всему сечению камеры и быстрое 'смешение его с распыленны-
ми каплями раствора. Скорость шлеш-окия газа м раствора в данном
случае пшшбре'тает особое значение, так как длительность сушки очень
мала. Рашюмерное 'и быстрое 'распределение газов по сушильной каме-
ре <и между каплями раствора цдшстгт ст способа ввода в камеру газов
и вывода пгх.
Конструкции сушильных камер .при раюпыл-аиии жидкостей центро-
бежными дисками >и (Нопсункамл различны. В табл. 6. 1 приведены
схемы наиболее расП'ростоачювпых форсуночных сушильных камер.
В схеме сушилки фирмы «Нубилоза» (ФРГ) газы .вводят танген-
циально в центр камеры со 'скоростью 6—12 м/с; отводят их также из
центра вместе с 'высушенным продуктом. Форсунки установлены в верх-
нем перекрытии; их количество достигает 32 в зависимости от произ-
водительности камеры. На схеме камеры с центральной подачей газов
через решетку и отводом через трубу паз отбирается внизу цилиндри-
ческой части корпуса. Вместе с газами отводятся толью мелкие части-
цы материала. При сушке высоковлажных материалов тарами с низ-
кими температурами последние 'можно подавать через решетку равно-
мерно по всему сечению камеры или по периферии через окна.
В сушилке с раздельной подачей газов основную их часть подают
непосредственно к форсунке; в некоторых случаях поток закручивает-
ся. Закрученные струи газа и факел распыла создают циркуляцию ма-
териала, который может налипать на верхнее перекрытие камеры. Что-
бы избежать этого, остальное количество газов подают равномерно по
всему сечению камеры через решетку. Описанный способ ввода газов
более сложен, чем другие, но при этом значительно интенсифицирует-
ся процесс сушин.
Сушилка по типу аппарата фирмы «Лурги» (ФРГ) может работать
как с прямоточным, так и с противоточным движением газа и распы-
ленного материала. Форсунки устанавливаются на 2 м ниже верхней
части цилиндра для создания зоны сепарации при рабе те по принципу
противотока. В противоточной сушилке, .в 'Которой газы подают через
радиальные окна над верхней тарелкой и под тарелку, форсунки рас-
положены на 1,5 м ниже верхнего перекрытия. Эти аппараты исполь-
зуют для сушки термостойких растворов и при совмещении сушки с де-
гидратацией или -прокалкой.
При дисковом распылении скорость газов по сечению камеры зна-
чительно меньше, чем при форсуночном, поэтому и вопросы, связан-
ные с распределением газов, решить намного труднее. Способ ввода
газов в камеру и отвода их в основном обусловлен производитель-
ностью диска, отношением L/G и физико-химическими свойствами рас-
твора. Наиболее рационально подводить газы к корню факела распы-
ла, чтобы максимально использовать для сушки горизонтальный учас-.
200
ток полета капель с большой скоростью, сократить диаметр факела и
обеспечить подачу газа к диску для его самовентиляции. Таким обра-
зом можно подавать газы при высоких температурах, не опасаясь пере-
грева высушенных частиц материала. Отводить газы целесообразнее
из центра камеры.
Схемы сушилок с дисковым распылением представлены в табл. 6. 1.
По способу -ввода газов их можно разделить на сушилки с равномер-
ной подачей газов над факелом по всему сечению камеры и с сосредо-
точенной подачей газов к корню факела распыла. Причем последние
подразделяются на сушилки с подачей газов над факелом и под него.
Вывод газов и материала осуществляется раздельно. При низкотемпе-
ратурной сушке высоковлажных растворов скорость газов по сечению
камеры обычно принимают не. менее 0,2 м.
Наиболее рационально подавать газы к корню факела распыла.
В камере сушилки по типу установки фирмы «ЦАН» (ФРГ) имеется
двойное потолочное перекрытие для распределения газов к корню фа-
кела распыла. Для закручивания потока установлены лопатки. Сред-
няя скорость газов по вертикали на выходе из направляющего цилинд-
ра составляет 5—8 м/с. Расстояние от оси потока — 0,9 м. При диа-
метре 1\. =9 м отношение II/D,.. =0,75.
В сушилках фирмы «Ниро-Атомайзер» (Дания) подача газов осу-
ществляется через распределительную головку снизу.
Изменением скорости истечения газа из жалюзей регулируется по-
ложение факела распыла. Недостатки такого распределения — затемне-
ние камеры газоотходами и опасность забивки распределительной го-
ловки высушиваемым материалом, что может привести к нарушению
гидродинамической обстановки в сушилке 'и возгоранию продукта.
В сушилке с подачей газов к корню факела сверху в центре каме-
ры установлен защитный кожух, в котором размещается привод с
электродвигателем. Теплоноситель подводится к газораспределительно-
му конусу при помощи равнорасходного кругового' газохода. Поток га-
зов на выходе из конуса должен быть закручен настолько, чтобы не
происходило поднятия факела распыла и поток газов не «пробивал»
его, а перемещался вместе с частицами раствора в горизонтальном
направлении.
В сушилке конструкции Гипрохим—НИУИФ подвод газов осуще-
ствляется к корню факела распыла. Выгрузка сухого продукта произ-
водится при помощи механических Скребков. Наличие двух днищ по-
зволяет отводить газы Из центра камеры и уменьшать унос пыли. На
газовом тракте от сушилки к циклонам отсутствуют горизонтальные
участки большой длины.
Производительность сушилок с дисковым распылением—до
35 т/ч раствора. Разработаны конструкции сушилок производительно-
стью до 60 т/ч. При использовании многоярусных дисков с различным
диаметром сопел диаметр факела распыла увеличивается непропорцио-
нально производительности сушилки. Поэтому плотности 'орошения и
скорости газов по сечению камеры с такими дисками будут выше, а
процесс сушки — интенсивнее, чем в других распылительных установ-
ках.
Для таких сушилок часть газов подают сверху непосредственно к
корню факела распыла, а остальную часть равномерно распределяют
по всему сечению камеры. Диаметр камеры — до 12 м, высота—до
25 м.
Аэрофонтанные сушилки. Впервые применялись для сушки волокна
и зерна. Их особенность — восходящая струя газа в центре сушилки
с пневмотранспортом частиц и возвращением материала в слой по
стенкам аппарата. Таким образом, происходит циркуляция материала
с частотой, зависящей от скорости потока газов. В широкой части ап-
201
парата обычно создается режим кипения с условной скоростью газа по
всему сечению 0,2—0,5 м/с.
Существует два типа аэрофонтанных сушилок: без решетки и с
решеткой (см. табл. 6. 1). В первом случае в узкой части сушилки ско-
рость газа принимают равной устойчивой скорости! пневмотранспорта
крупных частиц, т. е. в пределах 1,5—2,0 м/с.
Материал подают в узкую -часть трубы, где он подхватывается по-
током газов. Поток либо -выгружают сливом через боковое отверстие
на цилиндрической части «рюмки», либо он по мере высыхания пневмо-
транспортом выносится из камеры. Способ выгрузки зависит от при-
нятых скоростей газа в широком сечении аппарата и от величины сепа-
рационной зоны над слоем.
На установках с решеткой скорость газа в узком сечении может
быть близка к скорости витания, а в широком сечении — к оптималь-
ной скорости кипения. Материал подают как 'сверху, так и снизу в
зависимости от конструкции аппарата.
Рис. 6.15. Аэрофон-
танная сушилка: 1 —
топка; 2 — бункер; 3 —
камера: 4 — циклон;
5 — вентилятор
На рис. 6. 15 показана аэрофонтанная сушилка, разработанная
А. П. Ворошиловым. Материал подают в пневмотрубу, где он подхва-
тывается» потоком горячих газов, предварительно подсушивается и по-
ступает на окончательную сушку в аэрофонтан. Высушенный продукт
полностью уносится газами и затем выгружается из циклона.
6.3. КОНТАКТНЫЕ СУШИЛ КИ
При контактном способе сушки воя теплота передается влажному
материалу ют .нагретой поверхности. В качестве источника теплоты в
большинстве случаев используют водяной пар, высококипящие органи-
ческие теплоносители, воду температурой выше 100° С при соответст-
вующем давлении, а также расплавы солей или металлов. При этом
теплота к материалу передается через стенку с хорошей теплопроЕод-
ностью.
Коэффициенты теплообмена при передаче теплоты от теплоносите-
ля к стенке должны быть очень высоки. Поэтому нагретые газы редко
применяют в качестве источника теплоты (вследствие -малых коэффи-
циентов теплообмена). Можно также нагревать непосредственно ме-
таллическую стенку, на которой расположен материал, токами про-
мышленной частоты. Теплота к высушиваемому материалу может пере-
даваться от другого дисперсного твердого или жидкого (расплав ме-
таллов, солей) промежуточного теплоносителя, а также от высушенно-
го продукта, который после сушки нагревают до высокой температу-
ры и возвращают в сушилку.
При непосредственном контакте высушиваемого материала с жад-
ким или твердым теплоносителем отсутствуют теплопередающая по-
верхность и возможны очень большие тепловые потоки, так как темпе-
ратура теплоносителя может быть настолько высокой, насколько позво-
202
ляют свойства высушиваемого материала. Во многих случаях от кон-
тактной сушки приходится отказываться только потому, что до настоя-
щего времени нет конструкционных материалов, которые могли бы вы-
держивать высокие температуры при агрессивном действии высушивае-
мого материала.
При выборе рационального источника теплоты исходят из техно-
логических требований к процессу сушки и технико-экономических со-
ображений.
Контактная сушка используется для различных материалов, поэто-
му конструкции сушильных установок зависят от вида (материала. При
этом контактные сушилки можно разделить «а сушилки для сыпучих
веществ (трубчатые, барабанные, тарельчатые, шнековые и др.), для
пастообразных и жидких веществ (вальцовые), а также для тонких
листовых материалов (цилиндрические).
Гребковые вакуул1-сушилки. Являются аппаратами периодического
действия, поэтому для увеличения скорости сушки материал перемеши-
ваетея медленно вращающейся горизонтальной мешалкой с гребками.
Загрузку и выгрузку материала можно механизировать.
Гребковая сушилка (табл. 6. 2) состоит из цилиндрического корпу-
са с паровой рубашкой и мешалки. Мешалка имеет реверсивный при-
вод, автоматически меняющий каждые 5—8 мин направление ее вра-
щения; гребки мешалки закреплены на валу взаимно перпендикуляр-
но: на одной половине длины барабана они изогнуты в одну сторону,
на другой половине — в противоположную. Такое конструктивное уст-
ройство мешалки обеспечивает периодическое перемещение материала,
загруженного через люк, от периферии к середине барабана и в обрат-
ном направлении. Свободно перекатывающиеся между гребками трубы
способствуют разрушению комков и дополнительно1 перемешивают ма-
териал. Дополнительный нагрев материала может (Осуществляться че-
рез полый вал 'мешалки. Разгрузка высушенного (Материала произво-
дится через люк. Корпус сушилки соединен с -поверхностным или баро-
метрическим кондесатором и вакуум-насосам.
Производительность сушилки зависит от температуры греющего
пара, величины разрежения и начальной влажности материала. Нанря-
Т а.6 л и ц а 6. 2
Схемы основных видов контактных сушилок
Вид
сушилок
Разновидность конструктивных схем
Гребковая
вакуумная
Схема гребково-вакуумной сушилки: 1 — корпус сушилки; 2 —
паровая рубашка; 3 — мешалка; 4 — загрузочный люк; 5 _____ тру-
бы, способствующие перемешиванию материала; 6 — разгрузочный
люк; 7 — штуцер для присоединения к вакууму
Окончание табл. 5.2
Вальцовая
Двухвальцовая: 1 — кожух; 2 — ведомый полый валок на
подвижных подшипниках; 3 — ведущий полый валок (установ-
ленный неподвижно); 4 — сифонные трубки для отвода конденса-
та; 5 — привод; 6 — ножи, расположенные вдоль образующей вал-
ков; 7 — верхние дрсушиватели; 8 — нижние досушиватели
Барабанная
Схема барабанной сушилки: 1 — топка; 2 — барабан;
3— внутренний цилиндр; 4 — вентилятор
204
жение .поверхности но влаге в анилинокрасочной промышленности
колеблется в пределах 6—8 кг/м2-ч.
К 'недостаткам (сушилок этого ®ида следует отнести периодичность
их действий, сложность сушильного агрегата и большие эксплуатацион-
ные расходы.
Применение таких сушилок диктуется технологическими соображе-
ниями; гребковые вакуум-сушилки пригодны для сушки чувствитель-
ных к высоким температурам, а также токсичных и взрывоопасных ве-
ществ, для получения высушенных продуктов повышенной чистоты, а
также в тех случаях, когда необходимо улавливание (конденсация) па-
ров неводных растворителей, удаляемых из материалов.
Вальцовые сушилки предназначены для осуществления непрерыв-
ной сушки жидкости и текучих пастообразных материалов при атмо-
сферном давлении или при разряжении. Основной частью вальцовых
сушилок является полый, обогреваемый изнутри барабан (валок).
Греющий пар поступает через полую цапфу внутрь валка, паровой
конденсат отводится через сифонную трубу. Ввод пара и вывод конден-
сата производится со стороны, противоположной приводу. Валки мо-
гут также обогреваться горячей водой или высокотемпературными ор-
ганическими теплоносителями.
Высушивание материала происходит интенсивно в танком слое
в течение одного неполного оборота валков. Пленка подсушенного ма-
териала снимается ножами, .расположенным,и .вдоль образующей каж-
дого валка. Чем тоньше слой материала на валках, тем (быстрей и рав-
номерней он сушится. Однако вследствие малой продолжительности
сушки требуется досушивание материала, которое осуществляется в го-
ризонтальных лотках с паровым обогревом (досушила тенях), в которых
вращаются валы с гребками.
В одновальцовых сушилках (см. табл. 6. 2) в корыте вращается
один валок. Под ним имеется питающее устройство с мешалкой.
Тщательно перемешанный в ванне питающего устройства мате-
риал наносится тонким слоем (толщиной 1—2 мм) на валок.
В двухвальцовых сушилках (см. табл. 6.2) валки медленно вра-
щаются (п = 2—10 об/мин) в кожухе навстречу друг другу. Сверху
между валками непрерывно подается .высушиваемый (материал, кото-
рый покрывает их поверхность тонкой пленкой. Толщина пленки опре-
деляется величиной зазора (между (валками. Обычно (величина зазора
0,5—1,0 мм регулируется перемещением (ведомого валка. В двухвальцо-
вых 'сушилках напряжение поверхности валков по (влаге колеблется от
13—15 кг/м2-ч (атмосферные сушилки) до 20—30 кг/ма-ч (вакуумные
сушилки).
В вакуумных вальцовых сушилках все рабочие части находятся
внутри герметичного кожуха, соединенного с установкой для создания
вакуума.
Вальцовые сушилки обеспечивают эффективную сушку в тонком
слое (пленке) материалов, не выдерживающих длительного воздейст-
вия высоких температур, например, красителей. Однако эти сушилки
имеют невысокую производительность и повышенную (конечную влаж-
ность материала.
В барабанных контактных сушилках (см. табл. 6. 2) топочные га-
зы, полученные в топке, омывают барабан снаружи, а затем проходят
через внутренний цилиндр и отсасываются (вентилятором. Высушивае-
мый материал движется слева направо по кольцевому пространству
между стенками барабана и цилиндра. Наружный воздух без предва-
рительного подогрева вводится в кольцевое пространство и движется
противотоком по отношению к материалу. Воздух подогревается внутри
самого барабана.
205
Такие сушилки следует 'Применять только в тех случаях, кеч да
загрязнение высушиваемого материала от соприкосновения с топорны-
ми газами недопустимо.
6.4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СУШИЛКИ
Сушка инфракрасными и ультрафиолетовыми лучами уже 'нашла
применение в промышленности. Имеются установки для работы с лаки-
рованными поверхностями с помощью ультрафиолетовых лучей. В аппа-
рате предусмотрена бесступенчатая регулируемая система транспорти-
ровки древесных плит с нанесенным на них лаковым покрытием, кото-
рое затвердевает и просыхает в сушильных зонах. Фотоэлектрическое
управление устройствами для перемещения и переворачивания плгт в
сочетании с автоматическим управлением сменой периодов облученья и
сушки с обдувом воздухом обеспечивают высокую экономичность уста-
новки. Новый способ дает возможность .значительно улучшить поверх-
ность плит.
Если ультрафиолетовые лучи применяют для сушки в опытзых
масштабах, то инфракрасные уже широко используются в ряде от-
раслей промышленности, особенно в производстве лакокрасочных по-
крытий. Кроме того, в последнее время инфракрасные лучи использу-
ют как средство интенсификации процесса сушки в конвективных (на-
пример, ленточных и с псевдоожиженным слоем) сушилках, а также в
в а ку ум сушил ьн ых уст двойках.
Непрерывно действующая терморадиационная сушилка для сыпу-
чих материалов (табл. 6.3) работает следующим образом. Материал
из бункера через двойной затвор и промежуточную емкость подают на
ленту сушильной камеры. Теплота, необходимая для испарения влаги,
подводится радиацией от термоэлементов. Для создания равномерной,
сушки материал пересыпается с одного конвейера на другой. Высушен-
ный продукт через затворы и промежуточную емкость поступает в сбор-
ник.
Сушка токами высокой частоты (ом. табл. 6.3) основана на ис-
пользовании явления нагрева диэлектриков и полупроводников в элект-
рическом поле тока высокой частоты. Если тело изотропное, нагрев бу-
дет равномерным. Фактически такое случается весьма редко, вследст-
вие чего сушка токами .высокой частоты имеет ограниченное примене-
ние, главным образом тогда, когда высушиваются: небольшие количест-
ва дорогостоящих продуктов, не допускающих контактов с металличес-
кой поверхностью (например, люминофоров для цветного телевидения).
В настоящее время для этих целей используют также токи промыш-
ленной частоты.
Особый интерес представляет сушка в магнитном поле, так как
при этом значительно интенсифицируются и ускоряются химические
реакции, что очень важно при решении некоторых вопросов технологии.
Магнитное поле — своеобразный катализатор процесса, а основная теп-
лота для испарения влаги подводится другими способами.
В последнее .время в химической промышленности применяется
сушка со сбросом давления. При сбросе давления происходит само-
вскипание и частичный механический вынос влаги, так как в материале
создается нерелаксируемое избыточное давление. Удельный расход теп-
лоты составляет 1400—1600 кДж/кг влаги, т. е. меньше теоретической
величины. Последнее объясняется тем, что влага частично удаляется
механическим путем, причем в основном вытекает из макрокапилляров.
во время прогрева материала (с повышением температуры вязкость и
поверхностное натяжение .воды уменьшаются, и влага .вытекает из мак-
рокапиллярюв).
Начинает применяться в химической промышленности сушка пере-
206
Таблица 6. 3
Схемы основных видов специальных сушилок
Вид
сушилок
Разновидность конструктивных схем
Терморадиа-
ционпая с
газовым
сбогр.' во .-л
Высокочас-
тотная (ди-
электричес-
кая)
Обогрев открытым пламенем (а) и продуктами сгора-
ния (б): 1 — излучающая панель; 2 — газовая горелка; 3 —
транспортер; 4 — выхлопная труба; 5 — вентилятор; 6 —
камера сгорания; 7 — эжектор; 8 — воздухоподогреватель
Схема ' высокочастот-
ной сушилки: 1 — лам-
повый высокочастотный
генератор; 2 — сушиль-
ная камера; 3, 4 —
пластины конденсатора;
5, 6 — бесконечные лен-
ты с материалом; 7 —
выпрямитель
207
Продолжение табл. '5. 3
1
Пневматическая
Циклонная со спиральным движением материала (а);
циклонная с кольцевым движением материала (б): 1 — под-
вод сушильного агента; 2 — выход отработанного агента
сушки; 3 — загрузка влажного материала; 4 — выгрузка
высушенного материала
'2 Ц ''S
Труба с направляющими винтовыми вставками: / — труба;
2 — калорифер; 3 — патрубок; 4 — питатель; 5 — циклон; 6 —
вентилятор; 7 — сепаратор; 8 — дополнительная труба; 9 — вен-
тилятор
208
Окончание табл. 6. 3
2
Пневмати-
ческая
Вихревая сушилка с организован-
ной циркуляцией: 1 — газораспреде-
лительная камера; 2 — сушильная
камера; 3 — сепаратор; 4 — решет-
ка; 5 — направляющие; 6 — конус
Вихревая сушилка со щелевым
вводом газа: 1 — ввод теплоносите-
ля; 2 — камера смешения; 3 —
щель; 4 — рабочая часть аппарата;
5 — ввод материала; 6 — вывод
материала; 7 — козырек; 8 — сепа-
ратор; 9 — вывод теплоносителя
гретыми парам,и. Так как теплоемкость пара больше, -чем воздуха, то
при одинаковых скоростях потока теплоню1снтелей в случае использова-
ния перегретого водяного пара к материалу подводится большее коли-
чество теплоты. Водяной пар — инертный теплоноситель, поэтому в нем
безопасно сушить легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества.
Большое значение приобретает использование перегретых паров орга-
нических жидкостей в качестве агента сушки, так как возврат дорого-
стоящего растворителя в технологический цикл в этом случае 'осуще-
ствляется сравнительно просто.
П невматические сушилки. Исследования возможности увеличения
количества теплоты, подводимой с газом при сушке дисперсного мате-
риала, и повышения скоростей фаз привели к созданию нового метода
сушки дисперсных материалов — в закрученном потоке сушильного
агента. Большие скорости движения частиц относительно газа при со-
хранении развитой поверхности контакта фаз позволили дополнитель-
но интенсифицировать сушку и расширить область применения суши-
лок со взвешенным слоем.
Многочисленные конструкции сушильных аппаратов с закручен-
14. Заказ 710
209
ным потоком можно разделить на три группы: аппараты циклонного
типа, трубы с направляющими винтовыми вставками и вихревые су-
шилки.
В табл. 6. 3 показаны циклонные сушилки с несколькими танген-
циальными .вводами теплоносителя по высоте цилиндрической камеры
и регулируемым временем пребывания материала в аппарате. Прт: этом
движение материала может быть спиральным, если газ непрерывно по-
дается во все штуцера со скоростью не более 5—20 -м/с, или в виде
прерывистых колец, если осуществляется поочередная подача газа в
тангенциальные вводы (сверху вниз) с большими скоростями — до
100 м/с. В последнем случае об,разуется кольцевой слой циркулирую-
щего материала сначала у верхнего ввода, а затем, после мгновенного
прекращения (или уменьшения подачи газа, у последующего ®вода и
т. д. Продолжительность пребывания материала в зоне сушки может
регулироваться в широких пределах :и доходит до метолбких минут.
Высушенный продукт в конической части камеры отделяется бла-
годаря центробежному эффекту ,и через секторный затвор выгружается
из камеры, а отработанный газ покидает сушилку через штуцер в верх-
ней ее части.
Интересной конструкцией, в которой эффективно используется кон-
• тактная теплоотдача в условиях закрученного потока, является сушил-
ка ,в виде трубы диаметром до 2 м и длиной до 25 м с винтовой
вставкой. Коаксиально с трубой размещена внутренняя труба—вытес-
нитель, снабженная спиральными поверхностями в виде четырехзаход-
ного винта. Вытеснитель вращается с небольшой скоростью — до
10 об/мин для предотвращения налипания материала на стенки аппа-
рата. Наружная труба,и вытеснитель обогреваются парам. Материал,
подаваемый питателем, транспортируется потокам газа по спиральной
траектории в пространстве между трубами и винтовой лептой. Высу-
шенный продукт выносится в циклон, где отделяется от транспорти-
рующего газа, который циркулирует в системе, осушаясь в холодиль-
нике-конденсаторе. Газ нагревается главным образом за счет тепло-
ты, подводимой к вытеснителю. Часть теплоты передается материалу
непосредственно путем кондуктивной теплопередачи. Отсутствие кало-
рифера и /относительно небольшой расход газа делают такие аппара-
ты особенно эффективными при сушке химических материалов от орга-
нических растворителей в замкнутом цикле инертного газа.
В сушилке с организованной циркуляцией материала теплоноси-
тель /равномерно распределяется по нижней части при помощи решет-
ки, выполненной в виде щелей с направляющими, что обеспечивает
тангенциальный подвод воздуха в слой и продвижение материала как
вверх по наружной стенке, так и по окружности. Внутри сушильной
камеры предусмотрен конус, по стенкам которого материал стекает
вниз. Благодаря наличию конуса создаются переменные скорости по
высоте аппарата, что позволяет приводить во взвешенное состояние по-
ли дисперсные материалы. Наружная часть сушильной камеры несколь-
ко расширена кверху (угол— 10°).
В конструкции беспровальной сушилки вихревого слоя, в которой
сушильный агент может быть разделен на 2 потока, вводимых через
щель (меньшая часть) .и в слой (большая часть), достигнуто значи-
тельное снижение сопротивления /слоя при достаточно высоких нагруз-
ках по теплоносителю. Сушилка представляет собой камеру прямо-
угольного сечения,, нижняя часть которой выполнена в виде желоба.
При помощи перегородки и отбойника создается .организованное вих-
ревое движение твердой фазы. Материал движется с большой скоро-
стью по наклонной стенке, отбойником отбрасывается в виде «завесы»
к противоположной стенке и то ней медленно, в плотной фазе, стекает
вниз и вновь подхватывается потоком.
210
6.5. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ СУШИЛОК
Расчет сушилок включает составление материального и теплово-
го балансов установки, определение габаритов аппарата, расчет и вы-
бор вспомогательного оборудования.
' При расчете материального баланса сушилки определяются:
— количество влаги, .испаряемой в процессе сушки;
— производительность сушилок по сухому материалу;
— расход теплоносителя.
При расчете теплового баланса сушилки вычисляются:
— расход теплоты на сушку;
— количество топлива, электроэнергии и пара, расходуемых
на сушку.
При определении габаритов сушилки ima основе материального и
теплового балаиоов при известных оптимальной температуре и скоро-
сти теплоносителя рассчитывается поверхность материала, через кото-
рую осуществляется перенос теплоты и испарение влаги. Затем нахо-
дится длительность сушки материала.
Методика расчета сушилки с кипящим слоем >
Выбор конструкции сушилки и условий ее работы
Устанавливаются факторы, влияющие на выбор конструкции су-
шилки:
— • состояние высушиваемого материала (сыпучий, комкующий-
ся во влажном состоянии и т. п.);
— .маисим.альна1Я температура материала;
— отношение максимального размера (dMaKC) -к минимально-
му (<1МИц);
— характер связи влаги с материалом;
— тип решетки, размер максимального отверстия^б0ТВ. —
_ (1макс\
dimin- >
Для обеспечения лучших гидродинамических условий принимают
круглое сечение аппарата.
Высоту кипящего слоя в аппарате принимают в 4 раза больше
высоты зоны действия струи:
hCTp==20 dOTn; йкип^4йСТр.
Количество влажного материала определяется по соотношению
С -Г 100~и2
G1 G2 100—U1 ’
где Gi — количество влажного материала, т/Ч; G2— производительность
по высушенному материалу, т/ч; Uj, U2 — начальная и конечная влаж-
ность материала.
Количество испаряемой влаги рассчитывается по формуле
W = Gi—G2. (6.2)
Расход теплоты равен:
Q = Qitcn +Q кагр +Qiiot> (6.3)
где Qll(:n, Qaarp, QnoT—соответственно количество теплоты, затра-
чиваемой на испарение влаги, нагрев материала м потери в окружаю-
щую среду сушилкой.
Удельный раскол теплоты определяется по формуле
14
211
q = Q/W.
(6. 4)
Расход сушильных газов рассчитывается ио формуле
cr(ti—Ф>) ’
Гб. 5)
где сг—теплоемкость газов; ti, tg—температура поступающих з су-
шилку газов и выходящих из нее.
Удельный расход газов определяется по соотношению
'“4- |б-б>
Скорость газов. Предварительно рассчитывается ’критическая ско-
рость псевдоожижения для ’частиц среднего размера:
VKp= <6. 7)
где Ly — критерий Ляшенко; v — кинематическая вязкость теплоноси-
теля; рм—плотность материала; рг—плотность теплоносителя; g —
ускорение свободного падения.
Рабочее значение Lu выбирается при наибольшей пороаностг: ки-
пящего слоя (е = 0,75), так как для первого периода процесса сушки
интенсивность ее тем выше, чем больше скорость газов.
Скорость газов относительно полного сечения решетки определя-
ется по формуле:
V = KvVKp, (6.8)
где — число псевдоожижения.
Скорость газов непосредственно у решетки выше из-зр более вы-
сокой температуры и равна
г/ __v 2734-ti q,
ypew-V 273+ta (6.9)
Живое сечение решетки принимается равным 10% от всей ее пло-
щади. Тогда скорость газов в отверстиях решетки
Уотп = ЮУреш- (6. 10)
Размер решетки. Полная площадь решетки определяется из выра-
жения
Speiu =L/(prV). (6.11)
Диаметр решетки
Орет” Vl>27Speuj. (6. 12)
Сепарационное пространство. Высота сепарационного пространст-
ва принимается в 4 раза больше высоты ’кипящего слоя:
hcen = 4hKHn. (6.130'
Общая высота аппарата (над решеткой) равна
^1 = ^кип'1_^сеп- , (6. 14)
Диаметр сепарационного пространства равен
Осеп == 1,27Scen. (6 15)
212
6.6. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУШИЛОК
Большое числю видов сушильных установок можно .разбить на две
группы: периодического и непрерывного действия.
Применение сушилок периодического действия ограничено в связи
с тем, что обслуживающий персонал находится в неблагоприятных ус-
ловиях (запыленная камера, непосредственный контакт с продуктами
при погрузке и разгрузке, использование дополнительных механизмов
и т. д.).
В сушилках непрерывного действия места выгрузки и загрузки
твердых пылящих материалов должны быть по .возможности гермети-
зированы и обеспечены вытяжной вентиляцией. При сушке вредных ве-
ществ применяются вакуумные .аппараты, которые позволяют лучше
улавливать пыль, вредные испарения и снижать температуру сушки.
Взрывоопасные продукты сушат в токе инертного газа, который
циркулирует по замкнутой схеме. Влага и органические вещества из-
влекаются из газа в герметически закрытом скруббере, газ после
скруббера нагревается калорифером и возвращается в сушилку. Иногда
взрывоопасный продукт смешивают с негорючим инертным наполните-
лем и сушат полученную пасту.
Во всех сушильных устройствах тепловыделяющие части корпуса
покрывают теплоизоляцией, чтобы температура их наружной поверх-
ности не превышала установленную санитарными нормами.
При с-ушке в кипящем слое могут образовываться так называемые
застойные зоны, в которых происходит комкование продукта, вызываю-
щее его перегрев, а иногда .разложение и загорание. Для устранения
этого явления сушилки оборудуются рыхлителями., подвижными решет-
ками, предусматривают пульсирующую подачу газа и т. п.
В процессе сушки при движении и трении частиц продукта воз-
можны их электризация и образование зарядов статического электри-
чества. Наиболее сильно электризация проявляется в аппаратах с ки-
пящим слоем при сушке органических веществ, особенно пластмасс.
Для предотвращения накопления статического электричества применя-
ют специальные устройства для его снятия.
ГЛАВА 7
РЕАКТОРЫ
7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ РЕАКТОРОВ
И ОСНОВЫ ИХ РАБОТЫ
Химическими реакторами принято ' считать аппараты, в которых
осуществляются химические процессы с целью получения определенно-
го вещества в рамках одного технологического процесса.
В широком смысле к химическим реакторам могут быть отнесены
и многие другие аппараты для проведения химических р еакции, кото-
рые, однако, используются не для получения определенного вещества, а
для каких-либо других целей (например, горелки различных видов,
двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, электрические
батареи, аккумуляторы и т. д.). Во всех таких устройствах главным
является не продукт, получаемый в результате химической реакции, а
тепловой или электрический эффект, механическая работа и т. д.
Химические реакторы по агрегатному состоянию взаимодействую-
щих веществ могут быть гетерогенными и гомогенными. Если при про-
ведении химической реакции в аппарате имеется только одна фаза, то
реакция и реактор называются гомогенными. Если в реакции прини-
мают участие две и более фаз, то реакция и реактор называются ге-
терогенными. Существует столько типов гетерогенных реакторов, сколь-
ко комбинаций можно составить из трех агрегатных состояний: газ,
жидкость, твердое тело. Гетеро генные реакции проводятся в аппаратах
периодического и непрерывного действия. В гетерогенных условиях про-
текает значительная часть каталитических реакций.
Независимо от конструкций и назначения к аппаратам предъявля-
ются общие требования:
1) обеспечение оптимального времени пребывания реагирующих ве-
ществ в зоне реакции для получения требуемой степени превращения;
2) создание наилучшего контакта между реагирующими вещества-
ми, а также между ними и катализатором;
3) обеспечение оптимального температурного режима процесса;
4) механическая прочность аппарата, стойкость его материала к
воздействию реакционной среды и отсутствие обратного воздействия;
5) удобство обслуживания, монтажа, ремонта реактора, управле-
ния процессом;
6) доступность материалов, дешевизна и простота изготовления ап-
парата.
Конструкция реактора зависит от следующих основных факторов:
1) агрегатного состояния реагирующих и образующихся веществ;
2) температуры и давления в реакционной зоне;
3) теплового эффекта и интенсивности теплообмена;
4) химических свойств перерабатываемых веществ;
5) 'интенсивности перемешивания реагирующих веществ;
6) непрерывности или периодичности ведения процесса;
7) наличия катализатора и его состояния.
Температура и давление относятся к важнейшим побудителям хи-
мических процессов. Оба эти фактора влияют на конструкцию реакто-
ра. В зависимости от температуры ведения процесса приходится при-
менять те или иные теплоносители или хладагенты. Давление среды
определяет форму и габаритные размеры аппарата, его материал, кон-
211
струкцию перемешивающих устройств и сальников. Аппаратам, рабо-
тающим под высоким давлением, обычно придают цилиндрическую или
шаровую форму. Чем выше давление среды, тем меньше диаметр кор-
пуса аппарата.
Тепловой эффект реакции определяет необходимость теплообмен-
ной поверхности реактора, ее (размеры. Иногда интенсивность тепловы-
делений бывает настолько большой, что [имеющихся способов отвода
теплоты не хватает для поддержания заданной температуры реакции.
В. этом случае приходится соответствующими методами снижать ско-
рость реакции.
Химические свойства реагирующих веществ определяют выбор кон-
струкционных материалов для изготовления реактора, при этом в пер-
вую очередь принимается во внимание агрессивность среды и ее корро-
зионное воздействие на аппарат.
Большинство химических процессов протекает значительно эффек-
тивнее. при перемешивании реагирующих веществ. При 'взаимодейст-
вии, например, лесмешивающихся жидкостей или жидкостей с твер-
дым веществом перемешивание является одним из главных факторов
интенсификации процесса. В других случаях перемешивание обеспечи-
вает лучший теплообмен, уменьшает возможность пригорания.
Реакционная масса (Перемешивается с помощью специальных уст-
ройств, конструкция которых зависит от требуемой интенсивности пе-
ремешивания -и от консистенции перерабатываемых продуктов.
Непрерывность и периодичность ведения процесса (Сказываются на
конструктивном решении реактора меньше, чем рассмотренные выше
факторы.
Катализатор, его активность, физическое состояние (жидкость, газ,
твердое), форма и особенно 'его подвижность или неподвижность в
реакционной зоне существенно влияют на конструкцию реактора.
Химические реакторы можно классифицировать по ряду основных
признаков.
1. По агрегатному состоянию реагентов (реакторы подразделяются
на газофазные, жидкофазные, газожидкостные и реакторы для химичес-
кого превращения твердых веществ.
Газофазные процессы протекают в присутствии катализатора или
без него. Большинство процессов (Осуществляется с [использованием
твердого катализатора. Реакторы, в которых происходят эти процессы,
называются газотвердыми. 'Газофазные процессы без (Катализаторов
протекают, как правило, при высоких температурах, а аппараты, где
они реализуются, называются химическими печами.
К химическим печам (относятся также аппараты, в которых осуще-
ствляются химические превращения в (Системах твердое тело — твердое
тело. Эти аппараты будут рассмотрены в (следующей главе.
Наибольшее распространение получили газотвердые и жидкофазные
реакторы. В последних реагирующие вещества (являются жидкостями.
Аппараты, в которых обрабатываются 'системы газ—жидкость,
жадность — твердое тело, в качестве реакторов применяются довольно'
редко.
2. По способу организации технологического процесса имеются
реакторы непрерывного, периодического и полунепрерывного действия.
В реакторы периодического действия реагенты загружаются одно-
временно в начале операции. По истечении времени, необходимого для
достижения заданной степени превращения, продукт реакции выгружа-
ется. Основные параметры химического процесса (состав, температура
или давление) изменяются во времени. Продолжительность реакции
можно измерить непосредственно.
В реакторе непрерывного действия подвод исходных веществ и
у дальние продуктов реакции 1из З'пп з р з т з ооуществ л я юте я тгегтрер ы в но
Значения всех технологических параметров, в том числе концентраций
кЛипонентов, температуры и давления, в отдельных точках аппарата не
изменяются во времени.
Реакторы полупериОдическопо действии характеризуются тем, что
один из реагентов поступает в аппарат непрерывно, а другой перио-
дически, или реагенты подаются в реактор периодически, а продукт
реакции удаляют .непрерывно. Такие реакторы работают в переходном
режиме; основные параметры процесса изменяются во времени. Вырав-
нивание концентраций компонентов в объеме реактора достигают .не-
прерывным перемешиванием.
3. По режиму движения реакционной среды вое реакторы непре-
рывного действия делятся на 2 класса: реакторы смешения и реакторы
вытеснения.
Реактор смешения представляет собой некоторый объем, в кото-
ром происходит непрерывное перемешивание реакционной смеси. Эле-
мент объема потока исходных веществ, поступающий в реактор через
питающий трубопровод, мгновенно перемешивается с содержимым
реактора. Концентрация веществ -в этом элементе резко меняется от
состава питания до состава смеси в реакторе. Наличие перемешиваю-
щего устройства создает такие условия, при которых реакционная среда
проходит через реактор большое число раз. Аппарат называется о е ак-
тором идеального смешения.
Реактор вытеснения характеризуется большим отношением длины
к диаметру и не имеет никаких приспособлений для перемешивания
потока в реакционном объеме. В нем любой элемент объема потока,
непрерывно протекающего через аппарат, движется с постоянной ско-
ростью, не смешиваясь с соседними элементами потока. Состав элемен-
та объема изменяется последовательно по длине реактора вследствие
химической реакции. При движении по реактору элемент объема подоб-
но поршню -вытесняет все, что находится под ним. Такой аппарат на-
зывается реактором идеального вытеснения.
4. По тепловому режиму .реакторы делятся на -изотермические,
адиабатические и политропные.
Изотермические реакторы работают при постоянной температуре,
которая сохраняется во всех точках реакционного объема. Скорость
реакции зависит только от состава веществ. Для -осуществления изо-
термических условий необходимо -отводить определенное количество
тепла от реактора или -подводить его -к реактору. С этой целью в кон-
струкции изотермического -реактора предусмотрена специальная по-
верхность теплообмена — змеевик внутри реакционного объема или ру-
башка.
Адиабатические реакторы работают -в таких условиях, когда теп-
лообмен -с внешней средой приктичеюки- исключен. Это достигается хо-
рошей теплоизоляцией внешней поверхности ‘реактора. -При протекании
реакции в адиабатических условиях изменяется температура в реакто-
ре, и, следовательно, -скорость реакции.
В политропных реактора-х тепловой режим определяется -не толь-
ко -собственным тепловым эффектам процесса химического превращения
вещества, но и теплотехническими и конструктивными факторами ап-
паратуры.
В некоторых случаях -для увеличения -выхода целевого продукта
осуществляют теплообмен с изменением температуры во времени или
в пространстве, или одновременно во времени и в пространстве. Ис-
пользуемые при этом реакторы называются реакторами- -с программи-
рованным тепловым режимом. Программирование -осуществляется ав-
томатически с помощью конструктивных прйспособлений.
5. По величине давления в реакционном объеме реакторы могут
216
быть аппаратами, работающими под .раку умом, при (атмосферном ,и не-
большом избыточном давленый, под высоким давлением (выше 10 МПа.)
Следует отметить, что один и тот же реактор (может попасть в раз-
ные классификационные группы. Поэтому часто используют 'классифи-
кацию реактор ав по смешанным призмакам. Удобно при рассмотрении
конструкций 'реакторов использовать 'классификацию по двум призна-
кам: агрегатному -состоянию реагентов л наличию 'катализатора. При
подобной 1классифи1кации ibcc химические 'реакторы •можно разбить на
следующие большие группы (рис. 7. 1).
РЕАКТОРЫ
Реакторы для систем
газ - твердое тело
(с катализатором)
Парно диче схо:го • Напреоымгого
_ j действия
С неподвижным
катализатором
— Шахтные
_ I
Реакторы душ
систем жид-
кость-жидкость
I
Реакторы для
сметем газ -
твердое тело
(без даталя-
эатора)
1
I Рессоры для
сигтоы твер-
дое Tt£3 -
твердое тело
I_______________
— Полочные
- Трубчатые
Периодического
Д-Э'ЙСТЗДЯ
Хтсческие пани
Идеального
смсаэппд
/----------------
— Кубовые
одноаппаратныа
— Каскад (батарея)
кубовых аппаратов
— Комбинированные
С подвижным
катализатором
Идеала,кого
вытеснения
Вертикальные
Го ри з о нтальные
— Трубчатый (типа
’’труба в трубе")
—____Колонный
— С псевдоожижен- ——Ленточный
кым катализатором j
1— Червячний
Pz.’c. 7.1. Схема классификации наиболее распространенных реакторов .
7.2. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ГАЗОТВЕРДЫЕ РЕАКТОРЫ
Газофазные процессы обычно вдут при высоких температурах, что
ведет к увеличению побочных реакций. Снижение температуры ц 'Повы-
шение избирательности процесса .достигаются с помощью 'катализатора.
Соединениями, ускоряющими контактно-каталитические процессы,
обычно являются металлы и окислы металлов: Pt, Ag, Ni, ZnO, MgO,
Сг20з, TiO2, A12O3j SiO2 и др.
Металлические катализаторы могут применяться в виде сеток,
сплетенных из -проволоки диаметром 0,05—0,10 мм, с активной поверх-
ностью 1—2 м2 .на 1 м2 сетки, в виде порошка или покрытий, нанесен-
ных па инертное 'вещество, в 'качестве которого используются селика-
гель, алюмотель, кизельгур (инфузорная земля) — природное SiO2, об-
разованное из кремнеземных' оболочек июкопаёмых инфузорий. Воз-
можно применение и .непористых носителей (например, кварцевого пес-
ка). Форма катализатора может быть любой в зависимости от спосо-
ба его производства (молотый, та'бл'ет1ирС'В.а|ННЫЙ, чешуйчатый, шари-
ковый и т. д.).
Таблетированный катализатор изготавливают в виде таблеток диа-
метром 5—12 мм с торцовыми поверхностями, сферичеокая форма ко-
торых предотвращает их от ‘перекрытия при засыпке слоя. Для про-
цоасов с движущимся катализаторс1М применяется шариковый катали-
затор — он хорошо движется в аппарате без зависания и мало исти-
рается. Для процессов с поев до-ожи жен ным катализатором применяет-
ся пылевидный (’.молотый) или микрос ферм чес кий катализатор, кото-
217
' рый по сравнению с молотым меньше истирается сам и меньше исти-
рает аппаратуру.
При реакции происходит отравление катализаторов (дезактива-
ция). Оглавление '.катализаторов отложение?! на нем кокса является
обратимым процессом, так как при регенерации катализатора, прово-
димой в таке воздуха при температуре 500—600° С, активтюсто его
.воост-а-наеллваегся. При отложении та катализаторе солей щелочных
металлов .происходит необратимое его отравление.
В зависимости от состояния катализатора все аппараты ката лити-
ческих газофазных' процессов мотаю класоифиадировать на три кюнов-
ные группы:
1) 'реакторы с неподвижным слоем катализатора;
2) реакторы с контактным движущимся слоем шарикового ката-
лизатора;
3) реакторы с псевдоожиженным слоем зернистого «нл>и пылевидно-
го катализатора.
Эта кл'аос.иф11?кац.ия газ., фазных каталитических реакторов приня-
та за основную ври рассмотрении их 1конструкций (табл. 7. 1).
Реакторы с неподвижным слоем катализатора
Реакторы такого типа представляют собой цилиндрические ьерти-
кальные сосуды, в которых катализатор размещен на перфорирован-
ных пластинах. Число слоев катализатора и .их высота зависят о" скот
роста реакций, активности катализатора,, характера движения газа
внутри слоя, р.азмсра, формы и способа укладки катализатора в слое
и ряда других факторов.
В зернистом глее катализатора часть пространства занимакт его
частицы, а остальную — поры, образующие извилистые каналы. Го ка-
налам движется реакционный газ.
В завишмости от способа расположения катализатора реакторы
могут быть шахтными, полочными, трубчатыми и комбинированными
(сочетающими в себе свойства, например, шахтных и трубчатых реак-
торов) .
По способу подвода теплоты реакторы подразделяются на три ви-
да:
— реакторы с предварительным перегревом (или недогрэвом):
поступающей смеси;
— реакторы с предварительным перегревом катализатора;
— реакторы с вводом дополнительных количеств нагретой
(или охлажденной) исходной смеси.
Реакторы с предварительным перегревом (недюгревом) исходной
смеси могут быть использованы для проведения как экзотермических,
так и эндотермических реакций. При прорадении экзотермических реак-
ций исходная смесь, поступающая в реактор, должна иметь температу-
ру ниже оптимальной. В процессе реакции смесь нагревается. При про-
ведении эндотермических реакций исходная смесь, поступающая в реак-
тор, предварительно перегревается выше оптимальной температуры..
В реакторе смесь охлаждается по мере прохождения через катализа-
тор. Реакторы подобного типа называют адиабатическими.
Реакторы с предварительным перегревом катализатора применя-
ются только для проведения эндотермических реакций. В процессе
реакции предварительно ладогретый -катализатор охлзадается. Га его
поверхности 'откладывается коке. Пэ мере уменьшения температуры
ниже оптимальной производят регенерацию, и катализатор вновь пере-
гревается.
Реакторы с вводом дополнительно нагретого (охлажденного) сырья
применяются в случае значительного изменения температуры' по высо-
те слоя катализатора, что существен1Н1О оказывается на его работе и
выходе конечного продукта. Для того чтобы по всей высоте слоя под-
2!8
Таблица 7. 1
Схемы основных видов каталитических газотвердых реакторов
Вид
реактора
Разновидность конструктивных схем
Шахтные
С предварительным перегревом
сырья: 1 — корпус; 2, 7 — решетки;
3, 4, 6 — слои насадки; 5 — ката-
лизатор; 8 — распределительное уст-
ройство; 9 —' смеситель; 10 — соп-
ла; 11 —трубки
Ншодчое сырьг
С вводом дополнительной
теплоты: 1 — корпус; 2 —•
люк; 3 — катализатор; 4 —
парораспределитель; 5 — ре-
шетка; 6 — коллектор
С перегретым катали-
затором: I — корпус;
2 — катализатор
Для реакций с боль-
шим тепловым эффек-
том: а — без холодиль-
ника; б — с подкон-
тактным холодильником;
1 — катализатор
219-
Продолжение табл. 7. I
Полочные
С одинаковой толщи-
ной катализатора на
полках
С разной толщиной
слоя катализатора на
полках
Трубчатые
Продукт
реакции
Иехадкае
сырье
Многотрубный (а) и кожу-
хотрубчатый (б) для эндотер-
мических реакций: 1 — корпус;
2 — трубки; 3 — катализатор
Кожухотрубчатый для экзо-
термических реакций: 1 — кор-
пус; 2 — трубки; 3 — катали-
затор; 4 — трубная решетка
Комбиниро-
ванный
Меюдное сырье
Комбинированный по-
лочно-трубчатый реак-
тор: 1 — корпус; 2 —
трубки; 3 — пластина;
4 — ситчатое дно 5 —
катализатор
£20
Продолжение табл. 7. У
2
С движени-
ем катали-
затора в
плотном
слое
'Взаимное вертикальное рас-
положение реактора и регене-
ратора: 1 — реактор; 2—ре-
генератор; 3 — транспортер;
4 — трубы, заполненные ка-
тализатором; 5 — азотный
затвор
Взаимное горизонтальное
расположение реактора и реге-
нератора: 1 — засыпная во-
ронка; 2 — реактор; 3 — ре-
генератор; 4, 5 — транспор-
теры
С псевдо-
ожиженным
слоем ката-
лизатора
С движением типа «гипер-
флоу»: 1 — реактор; 2 — пи-
татель; 3 — сепаратор; 4 —
транспортный стояк
Без циркуляции катализато-
ра: 7 — водяной теплообмен-
ник; 2 — газовый теплообмен-
ник; 3 — фильтры; 4 — слой
катализатора
221
Окончание табл. 7. 1
2
С псевдо-
ожиженным
слоем ката-
лизатора
С циркуляцией катали-
затора-. 1 — регенера-
тор; 2 — реактор; 3, 4 —
трубопроводы; 5, 6 —
шиберы
держинать температуру, близкую к оптимальной, .исходную смесь пода-
ют в несколько мест по высоте 'реактора.
Реакторы шахтного типа являются наиболее простыми из группы
контактных реакторов. Катализатор в этих аппаратах засыпан сплошным
слоем. По тепловому режиму шахтные реакторы являются аппаратами
адиабатического типа, т. е. подвод или отвод теплоты в пределах слоя
катализатора отсутствует. Поэтому использование таких реакторов
возможно в случаях, если тепловой эффект реакции невелик или име-
ется возможность снижения количества выделяющейся теплоты путем
разбавления реагента инертным газом.
На рис. 7.2 показана одна из конструкций такого реактора. Кон-
Рис. 7.2. Схема ре-
актора адиабатического
типа конической формы:
1 — распределительное
устройство; 2 — решет-
ка; 3 — контактная ка-
мера; 4 — вь водная тру-
ба; 5 — труба для за-
грузки катализатора; 6—
гильза термопары; 7 —
смеситель; 8 — люк для
выгрузки катализатора
;'.’2
такпная камера 3 футерована огнеупорным кирпичом. В нижней части
реактора смонтированы распределительное устройство 1 и решетка 2,
на которой уложен зернистый катализатор. Загрузка катализатора
осуществляется через трубу 5, расположенную в верхней части реакто-
ра. Выгрузка отработанного катализатора производится через нижний
люк 8. Исходная смесь поступает на контактирование .снизу вверх.
Реакционные газы удаляются через трубу. Для уменьшения тепловых
потерь корпус реактора изолирован .изоляционной .массой и двумя слоя-
ми изоляционного кирпича. Кожух из листового железа делает камеру
реактора газанеирю'ница1ам1ой.
Реактор шахтного тина (рис. 7.3) состоит из корпуса 4 с внут-
Рис. 7.3. Адиабатический шахтный реактор сферической фор-
мы: 1 — смеситель водяных паров и паров углеводородов; 2 —
газораспределитель; 3 — инертная насадка; 4 — корпус; 5 — гиль-
зы для термопар; 6 — Люки загрузочные; 7 — катализатор; 8 —
облицовка; 9 — изоляция; 10 — перфорированный элемент.
ренней футеровкой, устройства для смешения поступающих реагентов с
водяным паром 1, распределителя 2, реакционной смеси по сечению ап-
парата. Для измерения температуры реагентов в слой катализатора 7
введены термопары 5. Для выравнивания потока реагентов служат слои
инертной насадки. Вывод продуктов производится через конусный пер-
форированный элемент 10.
Водяной пар является теплоносителем; кроме того, катализатор
может быть пересыпан инертным (ноюителем, что позволяет аккумули-
ровать теплоту реакции в самом слое при работе аппарата в цикличес-
ком режиме.
Иногда применяют .несколько последовательно соединенных реак-
торов, в которых процесс идет в аддаб этических условиях, а между ре-
актор a.VHI -охлажденная смесь нагревается в трубчатой печи (например,
проц-сх риформинга прямогонных бензинов).
В шахтных реакторах теплч;х>б.ман осуществляется при -не посредст-
венном сопр-и-маон-ов-он.п-и газа -с катализатором. Во -всех аппаратах
шахтного типа имеется -слой шаровой -или кусковой насадки (в ниж-
ней части — под слоем катализатора,. >в верхней части—над слоем),
над ip а чек не которой заключается в выр-а ввивании потока газа перед
входом 'в слой каттоп-гатора н y-Me-iibiii-eiiiH-ii гидравлического сопротив-
ления перед ВХОДОМ В БЫВ-СДНОЙ -патрубок.
Реакторы полочного типа. Чем больше тепловой эффект реакции,
тем больше нагревается реакционная смесь. Для -каждой р-еажедтшд су-
ществует допустимый максимум температуры. Если при дг-н-и-ом объеме
каталлз-ат-оръото слоя тампе-ра-тура -на выходе ла реакторе - превышает
такой максимум, то слой делят на -части, между йог'-.-уы-оги у-етш а-влп-
вают -про-межуто’чг юс их л ажде-лие (с-екшпонирова-нные м кого по-л з-чны-е
контактные аппараты).
В иол-оч-пых аппаратах температурный режим -пр-оцосса регулиру-
ется подогревом пл-н охл-ажданном реагентов -между пинками. Объем
катализатор а -на п-ол-ках может быть оддаажязым -или различным (-см.
табл. 7. 1). Если объем катализатора на всех -полках одинаков, то -мак-
снма-дьисе падеюте том'Ш1Л.‘1.туры набтюта-ется на п-еовон полке. Иди ж-
пО'Льзовапи-и. различных -обшив г-ататютл-с-ра -на полках удается до-
биться более -p-a-BHCiMopно-го тем-пср-а-турио-г-о режима.
IIpm -работе -контактно-го аппарата тк> схемам, изображенным в
табл. 7. 1, в общем корпусе -н-ео-бходамг) устанавливать п-сл'-кп -с ката-,
ллзатэром и тепл*ххбмевные устройства.
По-лкп- с катализатором -находятся внутри -стакана, помещенного
в -корпус. .Поступающие газы движутся -в кольцевом зазоре -между ста-
каном и корпусом, пред-ох-р-а-ня-я т-аиим образом иосл-едн-нй от нагрева,
а сами нагреваются до температуры .реакции вначале в •кольцевом про-
странстве между корпусом -и стаканом, затем во вст-р-о-аиню-м теплооб-
м-ешнике в нижней ч-асти аппарата -и, наконец, в центральной трубе.
Кроме организации движения реагентов и использования теплоты от-
ходящих газов для нагрева поступающей смеси применяют -смешение
реагентов с байп-ассным газом.
При см-еш-енип байпа-осн-ого газа -с -реагентом, прошедшим через
слой катализатора, температура -омеои будет -ниже, чем температура
реагента после выхода -из слоя катализатор-а. Так осуществляется сни-
жение температуры реагента после каждой полки. Недостаток этого
сп-оею-ба р-егу-ли,рсваии-я температуры в полоч-н-ом -аппарате заклю-ч-ается
в том, что концентрация продуктов реакций -уменьшается -при кажд-о-м
смешении -с бай-пасоным газом.
Реакторы трубчатого типа. Среди различных -к-омст-рукций реакто-
ров -с непрерывным регулированием температуры -практическое -пр-и-м-е-
н-ен1ис нашли трубчатые аппараты, обладающие н-днл учшым-ч элошлуа-
т а ци о-н-н ы мм, тех но лю-гич-е-ж! 1 мм д аи-пнымм.
Трубчатые контактные аппараты могут быть двух типов: с катали-
затором в т-руок-а-х и теплоносителем в межтрубном -простран-стве—
много-трубные аппараты; с -катал-изато-р-ом в межтрубнюм пр-остраянств-е
и те плоню-си толем, движущимся по тру-б-кам,— юожухотрубчатые аппа-
раты. Последние для улучшения теплопередачи .изготавливают иногда
или с ребристыми трубками (-ребристо-трубчатые ап-п-араты), или -со
сплошными пластинам-и, надетыми -на трубы (пластинчаты’?. резкт-ооы).
На рис. 7.4 показан трубчатый реактор для .чеэндркртавия этил-
бензола. Он имеет -корпус, выполненный из огнеупорного кирпича, труб-
ный пучок, состоящий нз^трубок 1, трубные решетки и перегородки.
224
Рис. 7.4. Трубчатый
реактор с корпусом ив
огнеупорного кирпича:
1 — трубки; 2 — фор-
сунка; 3 — смеситель-
ное устройство; 4 —
тонка
Трубки заполнены катализатором и обогреваются дымовыми газами,
образующимися тярл сжиганпкн газового топлива. Топливный газ впрыс-
кивается с помощью форсунки 2 в топочное, пространство 4, смеши-
ваясь предварительно с -воздухом в смесительном устройстве 3. Дымо-
вые газы поступают в межтрубное пространство и проходят сложный
путь (на рпр. 7. rj показан стрелками), омывая трубки поперечным
потоком. Трубки и трубные решетки -изготовляют .из жаропрочного ме-
талла, так как они работают при температуре около' 600° С.
Одним из вар-иантов кожухотрубчатого реактора является аппарат
для проведения процессов при жидком тепланс1сите1ле.
Реактор (рис. 7. 5) разделен по высоте на пять камер нижней 1,
глазной Ц, катал,изаторной 10 и верхней 5 трубными решетками.
В нижнюю камеру, образов а,иную днищем 12 и нижней трубной решет-
кой, поступает теплоноситель, которым обычно служит расплавленная
соль. Теплоноситель протекает по трубам 8, обогревая катализаторное
пространство в период эндотермической реакции или о-х каждая его
в период регенерации (экзотермический процесс), и далее подается
в камору, образованную нижней и главной трубными решетками, от-
куда выводится.
Пары сырья (или воздух в период регенерации) поступают в про-
странство между главной и катализаториом трубными решетками,
идут по трубкам 9, причем сначала проходят по внутренним трубкам,
открытым сверху, и попадают в кольцевое пространство между -ними
н наружными глухими трубками. Последние имеют ряд отверстий, че-
рез которые пары сырья направляются в 'катализа торную зону, равно-
мерно распределяясь но высоте слоя катализатора. Продукты реакции
(itjffzi реакционные газы) собираются трубками 3, заглушенными снизу
и открытыми сверху. Ути труби; свальцованы в верхнюю трубную ре-
шетку в имеют по высоте ряд отверстий, что обеспечивает равномер-
ный отвод газов из каталнзаторной зоны. Трубки для теп-лоиооителя
снабжены ребрами, увеличивающими поверхность теплообмена .
Кожухотрубчатые реакторы имеют существенные преимущества
перед мпо-готрубпыгм,!! в обеспечении более строгого теплового режи-
ма, так как в них достигаются более благоприятные условия теплооб-
мена и образуются большие тепл,опережающие поверхности. Их недо-
статки заключаются в трудностях при загрузке и разгрузке к а та ли зато-
15. Заказ 710
пог
Часть сечении А-А
Рис. 7. 5. Кожухотрубчатый реактор с жидким теплоносителем:
1 — нижняя трубная решетка; 2 — штуцер для выгрузки катали-
затора; 3 — собирательные трубки; 4 — кожух; 5 — верхняя
трубная решетка; 6 — крышка; 7 — труба для загрузки катали-
затора; 8 — трубки для теплоносителя; 9 —г распределительные
трубки; 10 — катализаторная трубная решетка; 11 — главная
трубная решетка; 12 — днище
ра и происходящих при этом деформациях трубок. Кожухотрубчатые
реакторы более сложны в изготовлении.
Для эндотермических реакций чаще всего применяют многотрубча-
тыс реакторы с катализатором в трубках или адиабатические аппара-
ты.
Реакторы с неподвижным слоем катализатора имеют ряд сущест-
венных недостатков:
— периодичность работы из-за науглероживания катализато-
ра и необходимости переключения аппарата на регенерацию;
— большое гидравлическое сопротивление слоя . .катализато-
ра;
— большие градиенты температур в сечении и по высоте слоя
из-за малой теплопроводности неподвижного слоя катализатора;
— 'неуста.нов'ившийся выход в результате падения активности
катализатора по мере его дезактивации.
Эти 'недостатки можно устранить, организуя движущийся слей ка-
тализатора.
Реакторы с движущимся слоем катализатора
Реакторы с движущимся (взвешенным) слоем катализатора на-
шли широкое применение в химической технологии для проведения ка-
та литииеских реакци й.
В аппаратах этого типа зернистый катализатор движется под дей-
ствием собственного веса сверху вниз. В связи с необходимостью не-
прерывно регенерировать отработанный катализатор реакторные уста-
новки с подвижным слоем катализатора состоят из двух основных ап-
паратов: собственно реактора и регенератора.
226
В зависимости от располюжания реактора и регенератора в про;
страирстве различают вертикальную компоновку (реактор и регенератор
располагаются на одной вертикальной оси) и горизонтальное размеще-
ние (реактор и генератор установлены параллельно друг другу).
При вертикальной компоновке реактор располагается под регене-
ратором. Между ними устанавливается, как правило, азотный затвор,
предохраняющий взаимное проникновение реакционных и регенера-
ционных газов (табл. 7.1).
Катализатор из реактора в регенератор перемещается одним из
грех способов:
1) с помощью ковшевого элеватора или скипового подъемника
(сопровождается истиранием катализатора в результате действия на
пего ковшей);
2) в плотном слое катализатор перемещается под действием сжа-
того газа, причем частицы его не удаляются друг от друга на большие
расстояния — материал движется, жа-к поршень; для реализации этого
способа требуется значительный перепад давления газа;
3) с помощью П|пе'В1Мотраисп'арта.
Гидравлическое сопротивление всех материалопроводов, соеди-
няющих реактор с регенератором, должно быть таким, чтобы исклю-
чить проникновение реакционного газа в регенератор, а регенерацион-
ного газа — в реактор.
Для того чтобы движение катализатора в реакторе, регенераторе
и трубопроводах осуществлялось без образования пробок, катализатор
имеет шаровую форму. Для уменьшения истирания корпусов скорость
движения катализатора составляет 2—8 .мм/с.
Реакторы с потоком катализатора отнооительно просто разрешают
труднейшие технологические задачи; осуществляют непрерывную реге-
нерацию катализатора и регулирование теплового режима реакторов
для процессов с высоким 'положительным или отрицательным тепло-
вым эффектом.
Наиболее существенные преимущества движущегося слоя катали-
затора:
1) большая поверхность взаимодействия реагентов вследствие ма-
лых размеров и большой,подвижности твердых частиц;
2) быстрое выравнивание температур;
3) высокий коэффициент теплопередачи.
Регулирование теплового режима реактора достигается изменени-
ем температуры и 'количества поступающего в реактор 'катализатора,
который является теплоносителем. При эндотермической реакции тем-
пература катализатора на входе в прямоточный реактор выше, чем
па выходе, и теплота, внесенная им, расходуется на реакцию. При эк-
зотермическом процессе, наоборот, катализатор нагревается в реакторе
и уносит из него' теплоту.
Реакторы н регенераторы представляют собой вертикальные ци-
линдрические аппараты (рис. 7.6), внутри которых располагаются рас-
пределительные устройства (для катализатора и газа) в виде перфо-
рированных или вибрационных тарелок, цилиндрических течек (для
высокотемпературных процессов).
Скорость движения катализатора в течках регулируется задвиж-
ками. Подвод или отвод газа в нижней части аппарата 'осуществляет-
ся по трубопроводам с конусообразными колпачками обтекаемой фор-
мы для того, чтобы не мешать движению зерен катализатора. Для
регулирования потоков катализатора и реагентов аппараты снабжены
сложной системой распределительных и сепарационных устройств и
питателей.
Продукты
пар для
*•” отпарки
ка та^ц.
зо-тсра.
Катализатм
I
К о.гпо..ли затор
Рис. 7.6. Прямоточный (а) и противоточный (б) реакторы с дви-
жущимся катализатором (система Термофор)
Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора
Процессы с псевдоожиженным кипящим слоем катализатора —
крупное достижение в области технологии коитактнс>-каталит.ичезк1их
процессов. Благодаря простоте технологического оформления и другим
преимуществам реакторы этого типа широко распространены в различ-
ных отраслях химической промышленности.
Псевдоожиженный слой создается при пропускании газа или
жидкости снизу через свободно лежащий на решетке слой тонко из-
м ельченного катализ атор а.
Повысить устойчивость псевдоожиженного слоя можно при исполь-
зовании твердой фазы, состоящей из частиц различного размера. Обыч-'
но размер зерен катализатора 20—120 мкм, в отдельных случаях при-
меняются и более крупные. Зерна меньше 20 мкм применять нецеле-
сообразно, так как при этом начинают проявляться силы межмолеку-
лярного притяжения, и частицы сбиваются в комки диаметром в не-
сколько миллиметров.
Псевдоожиженный слой катализатора имеет ряд преимуществ.
При интенсивном перемешивании частиц кипящего слоя создаются ус-
ловия, близкие к условиям идеального смешения. Благодаря этому ус-
танавливаются одинаковые температуря и концентрация реагентов по
всему рабочему пространству аппарата. Поступающее сырье практи-
чески мгновенно смешивается со всем реакционной массой; выделяю-
щаяся теплота также почти мгновенно распределяется по всему слою.
Теплоотдача от слоя к теплообменным поверхностям осуществляется
твердыми частицами, которые, ударяясь о поверхность, получают |1и1Л.и
отдают) теплоту. При этом теплоотдача в десятки раз (и даже сотни)
интенсивнее, чем в неподвижном слое.
228
Высокая теплопроводность кипящего слоя и -высокий коэффициент
теплоотдачи к стенке ведут к уменьшению поверхности теплообмена в
реакторах ji упрощают конструкцию теплообменных элементов. По-
движность псевдоожиженного слоя позволяет осуществлять непрерыв-
ную регенерацию -катализатора, а также 'использовать катализатор как
теплоноситель для подвода теплоты в реактор и для удаления ее из ре-
генератора.
Применение зерен -катализатора малых размеров является суще-
ственным преимуществом псевдоожиженного слоя, так как в них пол-
нее используется внутренняя поверхность зерна за счет процесса диф-
фузии. В контактно-каталитических процессах других типов такое из-
мельчетие катализатора недопустимо из-за сильного увеличения гид-
равлического сопротивления слоя.
При быстром -смешении компоненты можно раздельно вводить в
реактор без предварительного смешивания. Это особенно важно, если
компоненты образует взрывчатую смесь. В самом реакторе опасность
взрыва устраняется благодаря быстрому выравниванию температуры
и отсутствию местных перегревов.
В настоящее время в реакторах с псевдоожиженным слоем ката-
лизатора осуществляют следующие процессы:
1) контактные с непрерывной регенерацией катализатора либо с
использованием катализатора как тсплоноантеля. К ним относятся про-
I цессы крекинга, дегидрирования низших углеводородов и др.;
2) экзотермические контактные с большим тепловым эффектом,
требующие для достижения высоких выходов регулирования темпера-
туры в узком (интервале (окисление этилена, получение фталевого
ангидрида и др.);
3) процессы, протекающие в области внутренней диффузии, т. е.
при неполном №П'0льЗ'авани1и внутренней поверхности -катализатора.
К этим процессам относятся конверсия окиси углерода, синтез мета-
нола, дегидратация спиртов и др. Однако -псевдоожижение катализа-
торов при осуществлении таких 'процессов применяется пока редко.
Химические реакторы -с псевдоожиженными катализаторами пред-
ставляют собой цилиндры -с различными отношениями высоты к диа-
метру. Применение узких и высоких цилиндров нежелательно из-за
трудности управления в них псевдоожижением. В узких аппаратах
возможны тюршневые выбросы всего катализатора из реактора.
В соответствии» с особенностями химических процессов, происходя-
щих в аппаратах с псевдоожиженными катализаторами, их выполняют
с циркуляцией катализатора или без нее. Конструктивная схема реак-
тора- без циркуляции катализатора показана в табл. 7. 1. Устройство
такого реактора несложно. Нижняя решетка, на которой лежит слой
катализатора, снабжена отверстиями, покрытыми колпачками, чтобы
не просыпался катализатор. Решетка отчасти напоминает барботаж-
ные тарелки. Унос 'катализатора предотвращается установкой на вы-
ходе -из реактора пористого керамического фильтра, который выполнен
в виде закрытых снизу керамических труб с пористыми стенками и раз-
делен на секции, работающие попеременно. Секция, забивающаяся ка-
1 ализаторной пылью, продувается газам. Если используется катализа-
тор из крупных зерен (около 1 мм и более), то предотвратить -его унос
легче и можно обойтись без фильтров.
Реакторные устройства с циркуляцией катализатора (см. табл.
7. 1) применяют для осуществления процессов крекинга и дегидриро-
вания. Сырье, жидкое‘или частично-испаренное, смешивается с нагре-
тым катализатором, выходящим из регенератора, и направляется с ним
в реактор. В транспортной линии под действием тепла, аккум у лиров эн-
ного катализатором, сырье д «испаряется, и начинается эндотермичес-
кая реакция. Процесс завершается в реакторе. При этом " вследствие
229
побочных пр1еэраще1пий образуется иекотиро'С количество кокса, отла-
гающеюся на катализаторе. Такой закоксованный п частично охлаж-
денный катализатор поступает в нижнюю часть реактора, откуда за-
хватывается струен воздуха- -п выносится в регенератор. В присутствии
воздуха кокс выжигается с понерлтюстп зерен катализатора. При этом
зерна нагреваются, после чего катализатор снова готов для примене-
ния.
В процессах с циркуляцией катализатора температура- регулирует-
ся твердым теплоносителем при подводе н отводе теплоты частицами
катализатора -и •реакционной смеют. В реакторах, где нет циркуляции
катализатора, обычно применяется непрерывный тепл-орбмен. Для этого
в пеевдоожижеипый слой помещают тсчгло'оимеиные устройства.
Тсплочюмеипые устройства работают лучше при -вертокзлыюм
расположении- поверхностей тепло-обмен а. Горизонтальное -расположе-
пие трубчатых Teiiiao-ooMeiiiinKoiB снижает юлэффициеит теплоотдача! на
20—25%, ‘что объясняется образованием застойной зоны 1каталз!.затора.
. Юшструк-шш реактора и .регенератора -каталитических п-роиесеов
показаны 'IIа рис. 7. 7.
Рис. 7.7. Кппструк! iiBiioe
оформление реактора и реге-
нератора с псевдоожиженным
слоем пылевидного катализа-
тора
а — реактор: 1 — обе-
чайка; 2 — люк; У —циглоны
для улавливания катализато-
ра из контактного газа; У —
секционирующие решетки: 5 —
газораспре;делите зыпя решет-
ка;
б — регенератор. 1 — обе-
чайка; 2 — циклоны для улав-
ливания катализатора из реге-
нерационного газа; 3 — отра-
жатель потока катализатора',
4 — секционирующие решет-
ки; 5 — транспортная линия
катализатора; 6 — газор «‘пре-
дел и тел иная решетка'
Рса-кторы иредстпвляют собой цилледричеокие аппараты с i-олу-
ша'ровымн лви'щамл. В з а-виеимостн от пр-оиз-водительноети дм а.м стр -их
2,5—12 м, высота цилиндр ической -части — 10—80 im. Корпус реактора
нзготоздяют из уг л-ер о диетой стали, при коррозикмию-активпом сырье
применяю г биметалл. Внутри аппараты облицовывают теплоизюляди-um-
И'ОЙ футеровкой.
В реакторе --имеется несколько зон: зон-a .ввода и -раепредслолия
сырья и катализатора-, реакционная зона; сепарационная зона; зона
размещения циклонных устройств и зона -отпарки.
230
Катализатор транспортируется потоком .сырья ..и подается под рас-
нрсдслптсль'иое устройство —решетку, .которая выполняется из ле пиро-
вант ых .сталей с высокой эрозионной стойкостью.
В рсашитоиштой зоне размещают решетин .из труб/ограничивающие
внутреннюю ч’лр'кузуэдю сыр-чя. л/, ката Л'Изат<‘р.а .
В сенорационной золе прктасхспит оссдаише мелкшх частик, лыпе-
ссииых из слоя. Высота седарацшниюй залы — 4—4,5 м.
В верхнем! части аппарата монтируют одно- или двухступенчатые
циклены для улашипвачагя катализатора.
В ложней части аппарата размещается отпарная зона, в .котооур
!:. . : 'л . I 'L'..-J XU.J фi; В IjI'j 1 JCIh'JiI .
Регенераторы имеют также цил|и:н!дрв)чоакую форму с. полуша>ровы-
м.и или кситчоскимп днищами. Диаметр регенератора 6—17 м. Исполь-
зуются рсгепераЧ'О'ры с о дной и двумя зонами выжитаиия кокса. Для
отвода 'избыточной теплоты (внутри. аппаратов устанавливают змеевики
пароводяного охлаждагля или птыпоопыс котлы-утилизаторы.
Наряду с. несохтигш.ным.и преимуществами реакторы с нсевдсо.ожи-
жеииым слоем катализатора .имеют .и ряд недостатков. Глатены.мм из
них является 1Н1изк".1й коэффициент полезного действия как аппа.ратов,
работающих в условиях полного смешения, ухудшаемый значительным
проскоком газа. Поэтому необходимо увеличивать 'количество ка Гали-
за ; ра для достижения 'Определенной П1рс1и1зноди1тельно1стн. Это .имеет
значение для реакций, .скорость которых тормозится целевыми продук-
тами.
Недостатками псевдоожиженного слоя являются также истирание
катализатора, унос, его с газом и эрозия аппарата. Степень 'истирания
зерен катализатора завнюит от их механической прочности,. к которой
предъявляются более высокие требования, чем при .использовании ка-
тализатора в неподвижном слое. Степень эрозии зависит от материа-
ла зерен, nix формы и от угла встречи зерна с поверхностью металла.
Для того 'чтобы уменьшить эрозию, .изготовляют катализатор с зерна-
ми правильной шарообразной форм ы (гмикросферы). Это частично иск-
лючает возможность применения для П1севдоо.'Ж1ижения катализаторов,
хорошо зарекомендовав)них себя в •кеподвн!лснюм слое, .и требует раз-
работки 'Совершенно новых механически прочных катализаторов.
7.3. ЖИДКОФАЗНЫЕ РЕАКТОРЫ
Реакции, в которых все. компоненты являются жидкостями., наибо-
лее распространены и химической технологни.
Если все вещества, участвующие, в хим1и>ческ1их превращениях, пред-
ставляют 'собой смешивающиеся жидкости, то для достижения гомоген-
ной смеси чаще всего достаточно либо молекулярной диффузии, либо
простого перемешивания (течению в скрещивающихся потоках, ввод
одп.их реагентов в поток других), либо применения специалыных пере-
мсш1ивающнх устройств (в .случае значительного отличия жидкостей по
плотности).
Гетерогенные (реакции могут протекать в системе из двух или бо-
лее 'песмешивающихся шли частично смешивающихся жидкостей. Реак-
ционная смесь состоит обычно из двух фаз — органической и водной,
образующих эмульсию. Продукт может быть распределен и обеих фа-
зах. Реакция обычно прнисх'одит .на поверхности раздела фаз, реже —
в .одной адз взаимодействующих фаз. Скорость процесса зависит от ско-
рости диффузии компонентов по. направлению к поверхнюста раздела
фаз. Поэтому хорошее перемешивание может значительно уменьшить
сопротш.вленме диффузии >и одновременно увеличить поверхность кол-
такга (межфазную поверхность) Г1сс'мс'11г111в<1ющихся жидкостей. Это до-
стигается с помощью различных перемешивающих устройств /для цир-
231
куляции жидкости внутри аппарата: циркуляционных насосов, создаю-
щих внешнюю циркуляцию реакционной смеси; колонн с насадками, в
которых жидкости движутся противотоком, трубчатых аппаратов
и др.
Большую эффективность имеют аппараты барботажного типа, в ко-
торых легкая жидкость барботирует через слой тяжелой или легкая и
тяжелая жидкости движутся противотоком. Часто для обеспечения за-
данной степени превращения при минимальном объеме перемешивания
и непрерывном режиме работы используют систему последовательно
соединенных в ряд реакторов (каскад, батарея).
В за. в пси мости от условий, необходимых для развития реакции, хи-
мические процессы в жидкой фазе могут быть проведены в реакторах
периодического, .полунериодичеокого и непрерывного действия.
В малотоннажных или экспериментальных производствах обычно
применяют реакторы периодического действия, так как условия, к ко-
торых происходят реакции, .могут легко поддерживаться путем периоди-
ческого млн постоянного контроля рабочего давления, температуры, pH
среды и других параметров.
В случае мощных экзотермических реакций процесс чаще всего
проводят полупериодичесми (один из реагентов вводят в реактор не-
прерывно, ,а другой периодически). Полупериодически действующие
реакторы с перемеш1И.ва1Н1ием аналогичны по 1кон1струкщи1и реакторам не-
прерывного действия и отличаются от них только методикой проведе-
ния операций.
Реакторы непрерывного действия применяют в крупнот,отважных
промышленных процессах при больших скоростях и теплотах реакций.
Реакторы периодического действия целесообразно попользовать при
большой длительности реакции, в частности, в производстве термюреак-
тивных 'И эпоксидных смол, ацетилцеллюлозы (триацетат, диацетат) и
других продуктов.
Реакторы периодического действия в зависимости от конструк-
ции могут быть в виде реакционных котлов, автоклавов, горизонталь-
ных бара'банов и вертикальных колонн.
Один цикл, работы реактора периодического действия состоит из
следующих стадий:
1) загрузка аппарата;
2) подготовка реакционной массы к условиям реакции (чаще все-
го — это подогрев массы);
3) реакция — собственно химическое превращение;
4) охлаждение реакционной массы до условий разгрузки аппара-
та;
5) разгрузка аппарата и подготовка его к следующему циклу.
' Для осуществления и интенсификации процесса химических превра-
щений, нагрева и охлаждения реакционной .массы реакторы снабжают-
ся перемешивающими и теплообменными устройствами.
Вид перемешивающих устройств обусловлен вязкостью реакцион-
ной 'массы. В частности, .пропеллерные и турбинные мешалки применя-
ются при обработке маловязких растворов и суспензий; лопастные —
для тех же целей, но при больших реакционных объемах; якорно-лопа-
стные — при обработке вязких продуктов.
Конструкции перемешивающих устройств аналогичны рассмотрен-
ным в третьей главе.
Для обеспечения заданного температурного режима в большинст-
ве случаев необходимо нагревание для образования активных центров
реакции и охлаждение для съема теплоты при ее экзотермичностм. Од-
ни и те же теплообменные поверхности и устройства в некоторых слу-
чаях могут применяться как для нагревания, так и для охлаждения.
При 'использовании разных агентов для нагревания и охлаждения (на-
232
пример, вода и оргалпн-ч-ескпге теплоиююитеда) эти устройства выполня-
ются 'раздельно. В качестве теплообменных поверхностей обычно при-
меняются .наружны^ поверхности аппаратов. При недостаточности 'на-
ружных поверхностей аппарата для размещения требуемых по усло-
виям технолог-ин процесса греющих элементов иди .невозможности и
11 ецел есооб ра з пости такого pci ч они я по «онст ргужтганн ы м с ообр а-жешн ям
жслстано размещаются внутри аппаратов в виде цилиндрических и
еиирэльлых змеевиков или ста-канов с двойными стенками.
Конструктивное оформление внешних 'поверхностей нагревания или
охлаждения определяется величиной давления пара теплоносителей,
в качестве которых применяются: вода — при температурах реакции
до 340 К; 'насыщенный пар — в интервале температур 340—420 К; пе-
регретая вода, .насыщенный пар повышенного давления или оргапнчес-
кпе тенлои'О1С11тс1ЛП в жидком или парообразном состоянии— три тем-
пературах более 420 К-
Пр-н давлении тсил сикеля до 0,8 МПа в качестве внешних грею-
щих уттрщкТ'В прим чо.ся сюы|1.'|ныс гладкие рубашки (рис. 7. 8, а),
ирл.’ давлениях д-,-> 2,6 AiПа — п-р«<неу?1мые дмеевужи из углового проката
(рис. 7.8,6), а также рубашки юо штампованным1и и отиор'клшгдщми
.л ворсил ям-и — вмятинами (рис. 7. 8, г). Стопки вмятин привариваются
Рис. 7.8. .Вилы теж-
лообмеппых устронсте:
а — гладкая рубашка;
б — змеевик трубчатый
приварной; в — змеевик
из профклыюй стали
приваркой, г - р-'бм:-
ка, армированная вмяти-
нами
к корпусу реактор, а, образуя анкерные связи между ним и .рубашкой,
вследствие чего уменьшается толшдаа стенки не только рубашки, но
п самого а-ппарата за счет увеличения ее устойчивости. .При более вы-
соких давлювнях теплоносителя приварные змеевики выполняются из
труб (рис. 7.8,6). Применение высокснипящих орпаничеешх теплоно-
сителей (ВОТ) позволяет, как правило, снизить давление в рубашках
и в змеешгках .до атмосферного (теплоиооитель в жидкой фазе) 'или не-
сколько повышенного (в паровой фазе до 0,6—0,7 МПа) и, следова-
тельно, ожрищает расход металла на сьз готов лешие аппарата. Однако
ВОТ целесообразно использовать для реакторов или аппаратов боль-
шой единичной емкости.
На рее. 7.9 пчпказгн реактор nep'k'oei'n'iecKOJ'o действия, предназна-
ченный для нарки смол, лаков и др.
Корпус и крышка аппарата выпелнены из двухслойного металла
(углеродистой и 'нержавеющей .кислотостойкой сталей) , причем па до-
лю 'кнслотостлйжого слоя преходится 20% толщины. На валу мешалки
7 закреплены две лопасти 8, два трех лопастных пропеллера 9, а также
пропеллер 10, юпут-еллиый в сливное отверстие бобышки дна. Частота
вращения таала — 200—400 об/мин. Теплообменная поверхность общей
площадью 13 м2 состокт из двух секций наружной рубашки 4 и 5 и
впут’.'иппого лмсешпва 6. Привод вала мешалки 3 смонтирован на -крон-
штейнс « состоит из электродвигателя, конического редуктора' и двух
соедпчштсльных муфт. В крышке 2 реактора имеются люк для ремонта
внутренних устройств аппарата, смотровое стеклю и штуцера для ис-
ходных к<,мпо!1С;нтов. Вал мешалки имеет сальниковое уплотнение, рас-
233
Рис. 7.9. Реактор перио-
дического действия для прове-
дения реакций в гетерогенной
жидкой фазе: 1 — корпус;
2 — крышка; 3 — привод;
4 — верхняя секция рубашки;
5 — нижняя секция рубашки;
6 — змеевик; 7 — мешалка;
8 — малый пропеллер; 9 —
большой пропеллер; 10 — винт
Рис. 7.10. Реактор для проведения
реакций в жидкой среде с повышенной
вязкостью: 1 — привод; 2 — стойка; 3 •—
сальник; 4 — гильза для термопары; 5 —
крышка реактора; 6 — корпус реактора;
7 — механизм сливного канала; 8 — ме-
шалка; 9 —• штуцер для удаления масла;
10 — загрузочное отверстие; 11 — элект-
родвигатель; 12 — редуктор
положенное в крышке. В нижней части аппарат снабжен разгрузочным
штуцером. Аппарат опирается на лапы, приваренные в верхней части
корпуса 1. '
На рис. 7. 10 изображен реактор для проведения реакций в жид-
кой среде с повышенной вязкостью (моноаппарат). Моноаппаратами
принято называть реакторы, в которых осуществляется два или более
процессов, проводимых последовательно. Они применяются, в частно-
сти, в производствах фенолоформальдегидных смол для ведения по-
следовательно двух операций — варки и сушки смолы.
Аппарат имеет сварной корпус 6, соединенный с крышкой 5 с по-
мощью фланцев, наружную (рубашку с вмятинами, якорно-рамную ме-
шалку 8, приводимую во вращение электродвигателем И через редук-
тор 12. Для открытия и закрытия сливного клапана предназначен ме-
ханизм 7. Температура в реакционном пространстве измеряется с по-
мощью термопары, которая помещается в гильзу 4.. Вал мешалки уп-
лотняется сальником 3, просачивающееся масло из которого удаляет-
ся с помощью штуцера 9. В промежутке между редуктором и сальни-
ком вал мешалки охлаждается водой, циркулирующей в стойке 2. Про-
бы отбираются во время работы аппарата' через люк 10..
Корпус, крышка и мешалка изготовлены из кислотостойкой стали.
Рубашка двухсекционная, причем нижняя секция обогревается как
во время варки, так и в период сушки -смолы.
234
Коэффициент заполнения аппарата по исходной смеси равен при-
мерно 0,7—0,8 и (Снижается при сушке до 0,3—0,4. Длительность цик-
ла зависит от марки смол и колеблется от 5 до 15 ч.
Особое внимание при кс1нструиро1вани!и смоловаренных котлов сле-
дует уделять оформлению узла слива.
Реакторы-автоклавы относятся к аппаратам, работающим под вы-
соким давлением, и будут рассмотрены в следующем параграфе.
Горизонтальные барабанные реакторы находят ограниченное при-
менение (например, для ацетилирования целлюлозы в производстве
триацетата п диацетата). Здесь они we рассматриваются, так как име-
ют специальное, а не общехимгаческое назначение.
Реакторы непрерывного действия. В (реакторах (непрерывного дей-
ствия исходные компоненты реакции и готовый продукт подводятся и
отводятся -непрерывно, причем концентрации компонентов, оставаясь по-
стоянными во времени, изменяются по длине аппарата плавно или сту-
пенчато. В (первом случае (реактор выполняется в форме трубчатки (по
типу теплообменников ГТ), колонны пли конвейера и относится к реак-
торам идеального вытесн'анпя. Во втором случае -реактор состоит из
ряда последовательно соедигаешных секций или аппаратов, в каждом
из которых обеспечиваются интенсивное перемешивание и постоянная
во воем -объеме концентрация (-каскад котлов, секционная колонна,
трубчатки с рециркуляцией и т. п.). Такой реактор (батарея), имеющий
от 2 до 12 секций, относится к аппаратам идеального смешения. В част-
ных случаях при высоких скоростях реакций аппарат (идеального сме-
шстлия может быть выполнен в одном корпусе. В табл. 7. 2 представ-
лены схемы основных тйи-ов реакторов непрерывного действия.
Таблица 7. 2
Схемы основных сидов жидкофазных реакторов
Вид
реактора
Разновидность конструктивных схем
Идеально си
смешения
Одноаппаратный (ко-
тел с мешалкой): 1 —
корпус; 2 — гладкая ру
башка; 3 — мешалка
Идеального
вытеснения
Типа трубчатки: ] — реак-
ционное пространство (труба);
2 рубашка; 3 — соедини-
т'\ль;ю? колет (<:каля!1>И
Каскад реакционных котлов
(батарея реакторов): 1 —
корпус; 2 — рубашка; 3 —
мешалка
Колонна: I — секция
Й-'НкЮ; 2 р у За 11
235
На рис. 7.11 показан полимеризатор емкостью 12 м3, применяе-
мый в производстве стирольного каучука по водно-эмульсионному не-
прерывному методу. Батарея состоит из 10—12 аппаратов, охлаждае-
мых хладагентом (рассолом), имеющим температуру 263—268 К. Кор-
пус 1 полимеризатора выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т, снаб-
жен -рубашкой 2 со спиральным ходом хладагента и внутренним ста-
каном о. Суммарная поверхность охлаждения доведена до 40 м2. При
применении пропеллерной мешалки 4 внутренний двухстснный стякан
выполняет одновременно роль диффузора, улучшая циркуляцию эмуль-
сии. Аппараты такого типа могут иметь емкость до 40 м3.
Рис. 7.11. Реактор непре-
рывного действия для поли-
меризации в эмульсии: 1 —
корпус; 2 — рубашка; 3 —
диффузор (стакан); 4 — ме-
шалка
Рис. 7.12. Секционный колон-
ный реактор для непрерывной поли-
конденсации новолачиой смолы: I —
III — секции; 1 — царга; 2 -- крыш-
ка; 3 — плита промежуточная с за-
твором; 4 — днище; 5 — перемеши-
вающее устройство; 6 — труба пере-
ливная; 7 — рубашка
Примером секционного колонного реактора сможет служить аппа-
рат, показанный на рис. 7. 12, который используется для 'Непрерывной
поликонденсации гонолачиой смолы. Аппарат состоит из трех секций
(царг) 1, отделенных друг от друга горизонтальными перегороди ами
(затворами) 3, снабженными центральными трубами для прохода ва-
ла мешалки 5. и удаления газообразиых компонентов смеси. Высота
каждой центральной трубы подбирается таким образом, чтобы ее верх-
няя кромка располагалась несколько выше выпускного штуцера дан-
ной секции, чем исключается преждевременный перелив реакционной
смеси из предыдущей смеси в последующую и вместе с тем обеспечи-
вается сообщение между собой паровых пространств секций.
Реакционная фенолоформальдегидная смесь поступает в нижнюю
часть верхней царги и после частичной поликонденсации 'непрерывно
перетекает через верхний штуцер этой царги в нижнюю часть средней
царги и т. д.
236
Наиболее типичным представителем аппаратов идеального вытес-
нения является трубчатка, конструктивно мало чем отличающаяся от
теплообменников типа «труба в трубе». Такие реакторы применяются,
в частности., для получения этилена 1вы1сокого давления. Процесс проте-
кает при давлении 130—150 МПа и при температуре до 473 К, поэтому
к реактору предъявляются повышенные требования относительно проч-
ности п автоматизации управления.
На рис. 7. 13 показан аппарат коленного типа, работающий по
принципу реактора идеального вытеснения и применяющийся для поли-
меризации стирола в полистирол.
Рис. 7.13. Полиме-
ризационная колонна:
1—6 — царги; 7 — ко-
нус; 8, 9 — змеевики
(показаны условно толь-
ко в верхней царге) ПО-
крышка
Реактор высотой 8 м состоит из шести цилиндрических царг 1—6,
нижнего конуса 7, крышки 10 и образует семь температурных зон,
снабженных отдельными рубашками для ВОТ (дипила). Кроме того,
в царгах расположены внутренние змеевики 8 и 9. Для интенсификации
теплообмена (особенно необходимой в условиях ламинарного движе-
ния реакционной массы) в полости каждой рубашки изнутри к ее стен-
ке приварена полоса, образующая спиральный ход для потока тепло-
носителя. Цилиндрические змеевики диаметром 38\2 выполнены из
нержавеющей стали XI81 ПОТ. Царги :и конус реактора изготовлены
из той же стали и соединяются .между собой с помощью стальных на-
кидных фланцев.
Реактор работает следующим образом: 28%-ный раствор полиме-
ра в мономере непрерывно вводится в верхнюю царгу аппарата, а
расплав готового продукта инепрерывию выгружается через штуцер в
ко-пус аппарата. Скорость движения реакционной массы в аппарате не
превышает 0,1 м/ч, что говорит о ламинарном характере потока .
Сравнивая жидкостные реакторы идеального вытеснения и идеаль-
ного сжшсния между собой, можно заключить, что первые являются
более перспективными и универсальными .Действительно .использова-
ние аппаратов типа «труба в трубе» позволяет наивыгаднейшим обра-
237
зом конструктивно оформить отдельные секции аппарата, легче осуще-
ствить изменения (по секциям) читтеы’ен.виост.и теллообйша, разделе-
ние подачи различных .регул яффов .реакции, скорости прод,ви.жсипя
реакционной массы за счет ссзотвстствующего изменения диаметра
труб.
Однако широкому применению этих аппаратов препятствуют в ос-
новном два обстоятельства.
1. При небольшой средней скорости движения реакционной мас-
сы в аппарате (т. е. ламинарном характере течения) градиент скоро-
стей по сечению трубы весьма значителен. Поэтому внешние слон по-
тока проходят весь путь по длине аппарата медленнее, чем его ядро.
Это неизбежно приводит к одловременлому образованию продуктов
с различными свойствами.
Переход к турбулентному режиму движения повышает равномер-
ность течения потока по сечению трубы. Турбулизацию потока можно
обеспечить как путем уврличетия скорости подаваемой реакш! энной
массы, так п установкой между отдельными секциями диафрагм, сопел
ускорителей и других средств, однако, не всегда эффективных (напри-
мер, при образовании в процессе реакции высоковязиих продуктов).
2. При проведении гетерогенных реакций возникает опасное ь по-
степенного осаждения твердой или высоковязкой фазы ,на стенка:; тру-
бы или даже полное ее забивание.
Таким образом, трубчатые аппараты идеального вытеснения нель-
зя рассматривать в качестве универсальных реакторов. Их можно ре-
комендовать для ведения гетерогенных процессов.
7.4. РЕАКТОРЫ ВЫСОКОГО ДАЗЛ ГНИЯ
Эти аппараты по условиям проведения процессов могут быть отне-
сены к реакторам какой-либо из ранее рассмотренных групп, т. е. это.
могут быть аппараты е мешалками, барботажные контактно-к ат; лити-
ческие реакторы и другие, в которых процесс ведется под высоким дав-
лением,— более 10 МПа.
Использование высоких давлений для проведения химических про-
цессов объясняется рядом технологических н экономических факторов.
При этом давление:
1) сдвигает равновесие по принципу Ле-Шателье, увеличенадви-
жущую силу реакции;
2) позволяет вести процесс при температурах, превышающие тем-
пературу кипения реагентов, что приводит .к росту скорости реакции;
3) уменьшает объем таарерабатывиемых газов, что значительн > уве-
личивает про1113В10ДИ'телыюст1> единицы объема аппарата;
4) в некоторых случаях позволяет получить более качественный
продукт. Например, полиэтилен высокого давления имеет более развет-
вленную структуру и поэтому более эластичен и легче перерабатыва-
ется в изделия;
5) при образован им .неустойчивых продуктов предотвращает их
разложение (например, при синтезе мочевины).
Примерами, процессов, проводимых под давлением, являются:
1. Синтез спиртов: .
СО+2Н2^СН3ОН (Р = 60 МПа);
С2Н4+Н2О^С2Н5ОН (Р = 80 МПа).
2. Получение бензина пи дроге! шПацией бурых углей, нефтяных ос-
татков, каменноугольных смол (Р = 30—70 МПа).
3. Полимеризация этилена с получением полиэтилена высокого
давления (Р==100—150 МПа).
4. Процессы риформинга н гидроочистки в нефтепереработке (Р =
= 3 МПа).
238
»
5. Синтез аммиака:
N2+3Ib-2NII3 (Р-60-.....109 МПа).
6. Синтез мо'ювп-ны:
CO2+2NII3= (NH2)2CO+H2O (Р = 40 МПа).
Для 'проведения .процессов- «од давлением в химической техноло-
гии 'Нашли применение реакторы нескольких •конструктивных разно-
видностей (табл. 7.3):
• Т а г. ,ч 'I н s 7.3
Схемы огненных endue реакторов высокого давления
Вид
реакторов
Разпог.пдпость конструктивных схем
Колонны
ВЫСОКОГО
давления
Автоклав с персмишг
на юши м устройство;.!.
1 — корпус; 2 — ру-
башка; 3 — крышка;
7 - - вал мешалки
Колонный аппарат: о--кор'
нус кованый с цизипдри.ч«тай
обетяйкой и крышками; б —
корпус ковано-сварной с при-
варным днищем и крышкой;
о — корпус, ковано-сварной с
приварным днищем и горлови-
ной
i) автоклавы — аппараты с перемешивающим устройством для
проведения периодических процессов;
2) 'Колонные-аппараты для проведения непрерывных процессов;
3) аппараты змеевикового типа.
Реактор-автоклав прост по конструкции н является одним из са-
мы.х распространенных реакционных аппаратов, применяемых для про-
ведения гомогенных и гетеро генных периодических процессов,-— поли-
меризации хлорвинила по суспензионному методу, хлорвиниллдева,
этилена но циклическому методу, капролактам-а, фторопласт:т„ этлл-
целлюлюзы и некоторых процессов иол<икондене.ац’и>н.
239
Автоклавы представляют собой стальные, чаще всего вертикаль-
ные котлы со 'сферическими днищами и крышками (см. табл. 7.3).
Для изготовления автоклавов используют стальное литье; если пе-
рерабатываются агросаивные вещества, то применяют эмалированные
автоклавы, или специальные защитные вкладыши.
Герметичность крышки с кор л усом автоклава достигается с по-
мощью фланцевого соединения «шип — паз».
Плотность фланцевого соединения создается благодаря прокладке
вырезанной точно по форме уплотнительной канавки из меди, свин-
ца, алюминия; при низком, рабонем давлении—.из парснита. Для за-
тягивания болтов иримеияются гайковерты с электро- или пневмопри-
водом .
При очень высоком давлении (Р>20 МПа) рекомендуется приме-
нять бессальниковый герметичный привод.
В крышке автоклавов могут быть люки и лазы, однако их нажине
снижает мехатчежую прочность крышки, и ее приходится изготовлять
у ан ленно й коне тр ук i тин.
Необходимой при1пацлсж-ноетью каждого автоклава являются ма-
нометры п предохранительный клапан. Устанавливают не 'менее дзух
манометров.—один рабочий, другой контрольный. Для .наблюдения за
изменения"™ давления «д температуры в автоклаве применяют самопи-
шущие манометры .я термометры.
На крышке автоклава размещают также' штуцера для труб па-
«•олненпя и передавливания, для подвода сжатого воздуха и для соеди-
нения с атмосферой (воздушники).
Если компоненты процессов под высоким давлением хорошо сме-
шиваются друг с другом, реакционная масса .имеет невысокую вязкость
(например, .в процессе алкилирования), то применяют автоклавы без
i щр ем е ш и в а ю щн х устройств.
Для проведения же большинства процессов под давлением необ-
ходимо перемешивание реакционной массы, поэтому автоклавы снаб-
жают мешалками различной конструкции.
Герметизация вала мешалки достигается с помощью еальникотых
и торцовых уплотнений. Сальник является наиболее уязвимым местом
автоклава — при высокой температуре набивка сальника может обуг-
литься, и герметичность аппарата в целом нарушается. Поэтому боль-
шой интерес представляет бессальниковый автоклав (рис. 7. 14). Верх-
няя часть, внутри которой размещен ротор 2 электродвигателя, вы-
полняется итз немагнитного материала (хромоникелевый сплав). С на-
ружной стороны крышки расположен .статор 7; .выходящий из него
магнитный поток вращает ротор, наса.женный на вал мешалки 4.
Бессальниковые автоклавы с мешалками являются весьма пер-
спективными аппаратами .высокого давления.
Колонные аппараты высокого давления представляют собой верти-
кальные цилиндрические сосуды небольшого диаметра (0,6 —1,2 м).
Это позволяет:
1) выдерживать более высокое давление, так как усилие, воз пи-
кающее в металле корпуса, пропорционально диаметру;
2) облегчить уплотнение, так как уменьшается периметр уплотне-
н и н.
Корпус колонного аппарата делается .кованым из цельной сталь-
ной отливки. В отливке возможны дефекты — раковины и пустоты. При
ковке эти дефекты устраняются. Фланцы толстостенных .колонн отко вы-
ваются вместе с корпусом. Кроме кованых, используются сварные и
оплеточные корпуса. Последние состоят из центральной гильзы, на ко-
торую в несколько слоев наматывают стальную ленту специального
профиля в горячем виде. При остывании сна' сжимает внутреннюю
240
Рис. 7.14. Бессалышковый
привод мешалки: / - - статор;
2 — ротор; 3 — неподвижная
экранирующая гильза; 4 — пал
мешалки; 5 — корпус; 6 — пе-
рекидной стакан
Исходная гахобая
Рис. 7.15. Конструкция
колонны высокого давления:
1 — катализаторная коробка;
2 — центральная труба-, 3 —
катализаторные полки; 4 —
теплообменник
гильзу, чем обеспечивается 'благоприятное распределение напряжений
по толщине стенки.
В нут ренине устройства (полки с катализатором, решетки, гильзы
из нержавеющей стали и т. д.) вводятся в аппарат через крышки. Ни-
каких отверстий на корпусе делать не рекомендуется.
Наиболее распространенные кованые аппараты .могут иметь дни-
ще, откованное заодно с цилиндрической частью, крышку, диаметр ко-
торой равен дша-метру аппарата, или горловину, диаметр которой мень-
ше диаметра аппарата.
В соответстшш с этим изготавливаются аппараты пяти типов:
I) тип ГД — аппарат, имеющий горловину и днище;
2) тип ЦД — аппарат, имеющий -крышку н днище;
3) тип ГГ — аппарат с двумя горлови!на1М1и;
4) тип ЦГ — аппарат с крышкой и горловиной;
5) тип ЦЦ — аппарат с двумя крышками.
В табл. 7. ,3 изображены конструкции колонн высокого давления.
Аппараты с крышкой используются тогда, когда размеры насадки рав-
ны внутреннему диаметру корпуса аппарата. Если размеры насадки
меньше внутреннего диаметра корпуса, целесообразно применять гор-
ловину, у которой периметр уплотняемой поверхности меньше, чем у
крышки. Фланцы аппарата могут также изготовляться отдельно и при-
вариваться к корпусу или наворачиваться на корпус с помощью резь-
бы. Днища также могут выковываться отдельно и привариваться к
корпусу. Поскольку п реакторах высокого давления сложно организо-
вать отвод теплоты от реакционной смеси к теплоносителю, то в этих
аппаратах используют конструктивные приемы, обеспечивающие отвод
реакционной теплоты на нагрев исходной холодной смеси. При этом на-
правляют газы так, чтобы температура аппарата была наименьшей.
Па рис. 7. 15 показана колонна высокого давления для синтеза
метилового спирта. Колонна снабжена полочной насадкой. В верхней
части колонны размещается катализаторная коробка 1 с полками 3
и электр(июдогре1вом для газа в пусковой период. В нижней части ко-
1G. Заказ 710
241
лопны имеется теплообменник 4. Основной ноток синтез — газа сводит-
ся сверху п проходит вниз по кольцевому пространству между гюрнусом
колотгпы и корпусом каталнзаторной коробки. Далее газ поступает в
межтрубное пространство теплообмсмн'пка и подогрезается. за счет
тепЛоты продуктов реакции, проходящих по трубам. В мсжтрубпч>м
простра-нстве теплообменника имеются порсгородюи, панра вл зпощ'ие
часть газотото потока поперек труб, благодаря тему значите анис, уве-
личивается коэффициент теплоотдачи.
Из теплообменника газ через центральную трубу 2 поступает в ка-
тализаторное пространство, где протекает реакция -образования мети-
лового спирта. Продукты реакции проходят ио трубкам теплссбмепми-
ка, охлаждаются поступающим 'свежим газом 'и через тройни-.-. в ниж-
ней крышке выводятся из колонны синтеза. Для предотвращения пере-
грева -катализаторной '.массы в 'колоп'ну через специальные трубил на
каждую полку иодается холодный (байпассиый) газ. Количество i оку-
пающего холодного газа регулируется клапанами, установленными па
подводящих трубках.
П| (гизводптельность колонны синтеза зависит от .конетрукп ;iri на-
садки. В промышленности применяют насадки различных конструкций.
Внутренняя поверхность колонны футерована 'медью или ее си."а.вами,
стойкими к коррозаклиюму ’воздействию водорода н сычей '•углерода.
Трубчатые аппараты, легко выдерживающие давление, целесооб-
разно применять для ряда процессов химической технологам. Аппара-
ты-этого типа просты по конструкции, дешевы в изготовлении, удобны
в обслуживании. Кроме того, в подобных аппаратах можно н-ров щнть
процессы без специальных размешивающих устройств, поскольку в
трубах 'небольшого сечения создается турбулентный поток.
Аппараты этого .вида конструктивно сходны с -реактор а’мм идеаль-
ной* вытеснения типа трубчатки, чзо имеют большую толщину стенки.
Затворы и уплотнения. К уплотнениям и затворам, применяемым
в разъемных соединениях, предъявляются высокие требования. Они
должны обеспечивать надежную герметизацию, быть просты в изготов-
лении и удобны при монтаже и ремонте.. В реакторах высокого дав-
ления используются несколько типов затворов.
Наибольшее распространение получили затворы с плоской-метал-
лической прокладкой (при давлениях до 32,5 МПа) типа «шли---паз»,
«в замок» и др.; с прокладкой треугольной или 'овальной формы; конус-
ные и двухкоиусные (для давлений 10—100 МПа). На рис. 7. 16 пока-
зан двухконусный затвор (обтюратор), состоящий из уплотнится иного
кольца 2, вставленного ,в фигурную проточку крышки 3, и поддержи-
вающего кольца 5. Между уплотнительным ..кольцом, и при вал очными
поверхтгзетя'ми (конусные поверхности в крышке и корпусе аппарата
с углом конуса в 30°) находятся медные или алюминиевые прокла дки 4
толщиной 1,0—1.5 м.м. Крышка крепится к корпусу 1 с помощью шпи-
лек (па чертеже показаны), обеспечивая прсдварителы-гх: vnш/п емче •
Рис. 7.16 Двухко-
пуснос уплотнение: 1 —
корпус; 2 — кольцо уп-
лотнительное; 3— крыш-
ка; ! — прокладка; 5 —
кольцо поддерживающее
242
Данный затвор относится к .самоуплотняющимся. Это означает, что
внутреннее давление •Д'еформ1ируе'Т (растягивает) кольцо 2 и поджнме-
ст его к -прлважяшым поверхностям, увеличивая герметизацию.
Уплотнения валов в аппаратах-с мешалками осуществляются ,с не-
мощью салиптових и бжеа’iniui'i’OBbix устройств (торцовые уплотне-
ния)
Конструкции сальниковых устройств '(«бщскэвестны. Их ос<Я/ешк>сть
для аппаратов высоюно давления заключается в том, что они делают-
ся, как праозло, двойнгоги, являющимтася по существу последователь-
ным соединением двух простых одинарных сальников. Ир,и необходи-
мости сальниковое устройство снабжается рубашкой для охлаждения.
Торцовые уплотнения обеспечивают повышенную герметичность по
сравнению с сальниковыми. Имеются одинарные и двойные торцовые
уплотнения (с подводом уплотняющей жидкости), которые исключают
возможность утс'щи среды в атмосферу.
Однако как садыгитовые, так и торцовые уплотнения не дают же-
лаемых результатов при повышенных давлениях (более 3,2 МПа).
7.5. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ
4
3 а 1 ц и т.п ы е п о к ры т и я и ф у тер о в к а
Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации реакторов показал,
.что значительное количество легированных сталей и сплавов можно за-
менить обычными углеродистыми сталями с защитными покрытиями.
Защита химического оборудования осуществляется следующими
способами: нанесением покрытий (эмаль, резина и т. п.), футеровкой,
окраской и изоляцией.
Материал, конструкция защитных покрытий и изоляция выбирают-
ся с учетом конкретных условий .работы аппаратов, места установки
и их назначения.
От действия агрессивной среды металлические реакторы защища-
ются антикоррозионной футеровкой с помощью материалов, обладаю-
щих большей коррозионной стойкостью в агрессивных средах, чем ме-
таллы. От действия высоких температур корпус аппаратов футеруется
изнутри тепловой изоляцией.
Для футеровки применяются материалы неорганического и орга-
нического происхождения и металлы*При футеровке металлами сталь-
ной корпус аппарата несет на себе нагрузку от внутреннего давления
среды и веса всех узлов аппарата. Облицовочный слой из меди, свинца,
нержавеющей стали, титана и других металлов предохраняет стальной
корпус аппарата от действия агрессивной среды. Так как нержавею-
щая сталь и титан имеют высокие прочностные свойства и етгосебшы
нести нагрузки от давления среды и весовые нагрузки, то многие ап-
параты в настоящее время целиком изготовляют из этих .материалов.
Расход дорогого химически стойкого металла при этом увеличивается,
но затраты труда на проведение облицовочных работ сокращаются.
Одним из эффективных способов экономии дефицитных коррозион-
носто'йких сталей является использование двухслойных металлов с ос-
новным слоем из углеродистой стали н плакирующим (защитны,м) сло-
ем из коррозионной стали пли цветных металлов и сплавов. Примене-
ние двухслойных металлов кроме экономии дефицитных металлов и
сплавов позволяет получить такое сочетание нужных свойств, которого
нельзя достичь при использовании какого-либо одного металла.
Изготовление стенок реакторов из двухслойном стали особенно це-
лесообразно тогда, когда необходимо обеспечить прочность аппарата
за счет бопьНюй толщины стенок (в аппаратах, работающих под дав-
лением), а также если предъявляются особые требования к чистоте об-
рабатываемых сред.
16* 213
Из неорганических материалов для антикоррозионной футеровки
находят применение эмали, керамические 'изделия и литые каменные
породы в виде футеровочных плиток и кирпичей, кислотоупорные це-
менты.
Эмалевое покрытие представляет -собой смесь из кварцевого песка,
полового шпата, -соды, буры и других веществ. После нанесения смеси
изделие обжигают при температуре 700—900° С. Вещества, составляю-
щие покрытие, -сплавляются -и образуют твердую .стекловидную -корку.
Эмалевое покрытие обладает хорошей сцеп-ляем-остью с металлом, но
перерабатываемый продукт к эмалевому покрытию практически не при-
липает.
Эмалированная поверхность отличается высокой устойчивостью к
цоздействию- большинства неорганических м органических кислот лю-
бой KOimeinpaiuHin -и их солей, а также щелочных холодных растворов.
Эмалированная аппаратура пригодна к эксплуатации при температуре
не выше 150° С.
Аппаратура -с эмалевым покрытием, не отличаясь в о-он-овиом по об-
служиванию -н эксплуатации от не-эмалированно-й’, имеет ряд преиму-
ществ: высокая коррозионная стойкость эмалевого- покрытия, чистота
обрабатываемых .продуктов, использовачьис не,дефицитных конструк-
ционных материалов для ее -изготовления (чугун, малоуглеродистая
сталь).
Недостатки эмалированной аппаратуры: корпус аппарата должен
иметь плавные очертания; при эксплуатации недопустим быстрый на-
грев или ох-лаждсн'ис аппарата -и резкое -повышение давления, так как
это ведет к нарушению -сплошности покрытия; при выполнении монтаж-
ных и ремонтных работ аппараты требуют осторожного обращение! во
избежание отколов эмали. Изготовление эмалированной аппаратуры
производится па специализированных заводах.
В настоящее время созданы ситалловы-е эмали. Они обладают вы-
сокими механическими -и термическими -свойствам,и. Применение -оитал-
ловых эмалей увеличит долговечность и надежность химической эма-
лир-о-ва-ниой аппаратуры.
Для футеровки реакторов широко используются керамические -из-
делия. Они выпускаются -в виде кирпичей, фасонных камней, плиток,
труб. Из керамики -изготавливается и насадка в виде колец Рашита.
Получают керамические 'изделия спеканием смеси огнеупорной глины,
полевого шпата н обожженной глины. Кернмичс-ские изделия -имеют
гладкую поверхность .и применяются в качестве .кислотоупорных мате-
риалов.
• Для футеровки аппаратов наиболее часто применяется плите а —
керамическая или диабазовая. Для -крепления плитки к корпусу аппа-
ратов -используется замазка, представляющая собой кислотоупорный
цемент. Наиболее уязвимым местом в такой футеровке являются пвы
между плитками из-за проницаемости замазки. Футеровка производит-
ся на месте установки аппарата. Футеруемый аппарат не должен под-
вергаться сотрясениям и вибрации.
Количество полимерных композиций, применяемых для' футер-евки ,
очень велико. Наиболее -широко .используются следующие материалы.
Фаолит—-кислотоупорная масса, состоящая из фенолформальде-
гидной смолы и наполнителя. Основной составляющей наполнителя яв-
ляется асбест. В сыром виде -фа-олит легко режется ножом и формует-
ся. Отвержденный фа-олит легко обрабатывается на металлорежущих
станках. Соединение отдельных деталей производится сырой фа-олито-
вой замазкой. Наибольшее распространение фаолит получил не для
футеровки, а для изготовления полностью фаол-итовых аппаратов, так
как коэффициенты линейного расширения фаолита -и стали очень раз-
личаются.
244
Винипласт— продукт термической пластикации 1гол1ихлор!вин'ил(>вой
смолы со стабилизаторами, мягчителями и другими добавками. Вини-
пласт имеет большой коэффициент линейного расш1ирсн1ия, но •сохраня-
ет прочность только до 70° С. Применяется для футерооки и пзготов-
лсшия полностью впниил-а-стовых аппаратов и их оборотных единиц.
Полиэтилен — полимер, получаемый 'пол'имеризаци1ей этилена, по
многих отношениях подобен винипласту.
Полн'изобутилен стоек до температуры 100° С .и применяется в ка-
честве подслоя при футеровке аппаратов неоргаппчеокими материала-
ми • Н eop rairn ч ес вне .киелотоуп орн ы е м а тер нал ы предохр ан яют полил зо-
бутилен от механических, .повреждений, так как при температуре белее
50° С иолиизобутилон размягчается и не выдерживает механических на-
грузок.
Обкладка резиной (гуммирование) применяется для футеровки
аппарат ...л, подверженных вибрации.
Лайковые покрытия такйсе являются по/шмерпымп материалами' н
служат для покрытия аппаратов. Для склеивашня футеровочных орга-
нических материалов используются различные клеи — БФ-2, БФ-3,
БФ-6, эг,. к-, ад те смолы и т. д.
Аппараты, работающие при высоких температурах (400° С и бо-
лее), футеруются изнутри слоем тепловой изоляции. Внутренняя тен-
лоазоляцпя необходима для того, чтобы сохранить прочность корпуса
аппарата, так как при нагреве прочность его будет снижаться. Таким
образом, внутренняя теплоизоляция -0006011110 необходима для аппара-
тов, работающих при высокой температуре и высоком давлении. На-
ружная поверхность .корпуса при этом не .изолируется. Для предо хра-
пения обслуживающего персонала от ожогов корпус аппарата обтяги-
вается металл'ич-еокой сеткой.
Так как в большинстве случаев необходима .и антикоррозионная
футеровка, то -общая толщина футеровки складывается из двух слоев:
1) внутреннего теплоизоляционного слоя относительно большой
толщины;
2) наружного э-р-озионио или коррозмоп-н-остойкого слоя меньшей ’
толщины.
Материалами для теплоизоляционной футеровки служат кирпичи
из шамота, дни аса и других материалов, жаростойкий бетон, торкрет-
масса.
Кирпичи и 'фасонные детали изготовляются определенных разме-
ров по ГОСТу из шамота, динаса н других материалов. Фасонные дета-
ли предназначены для выкладки различных переходов и футеровки ци-
линдрических 'аппаратов. Для заполнения швов .между кирпичами при-
меняются мертели (замазка, состоящая из молотого -шамота или дина-
са с добавкой 15—30% -огнеупорной глины и 'небольшого количества
жидкого стекла). Огнеупорная глина является связующим компонен-
том. Если ее клеящей способности недостаточно, то в замазку добав-
ляется жидкое -стекло или -цемент.
Торкрет-масса может использоваться до температуры 1100—1200° С.
Она имеет следующий сослан: шамот молотый -- 70%, глина огнеупор-
ная — 15%, цемент— 10%, жидкое стекло— 5%.
Внутренняя теплоизоляция обычно является огнеупорной и приме-
няется при температуре более 400° С. Аппараты, работающие при тем-
пературе менее 400° С, имеют наружную теплоизоляцию, которая слу-
жит для уменьшения теплоты и для предотвращения ожогов обслужи-
вающего персонала. Она выполняется так же, как и для теплообмен-
ной аппаратуры (ем. главу 4).
245
Обогрев р е а кц-ио и ио йаппаратур ы
Для создания в реакторах температуры, необходимой для проведе-
ния процесса, требуется обогрев или -охлаждение с помощью соответ-
ствующих теплоносителей или хладагентов. Сама химическая реакция
сопровождается выделением или поглощением теплоты, поэтому при
обогреве реакторов должен учитываться тепловой эффект химической
реакции.
Возможны следующие методы организации теплообмена в реак-
ционных аппаратах.
Внутренний теплообмен (отсутствие теплообменной поверхности):
i) перегрев исходной смеси реагентов, обеспечивающий компенса-
цию затрат теплоты на осуществление химической реакции;
2) носителем теплоты является один из компонентов реакционной
системы. Таким носителем являются пар, который при смешении с реа-
гентами отдает теплоту; сам реагент, добавляемый в различных точках
аппарата для отвода теплоты (например, байпаюоный газ в полосных
аппаратах); один из реагентов (например, в газожидкостных процес-
сах газ, участвующий в реакции); катализатор или инертный материал
для аппаратов с неподвижным, псевдоожиженным и движущимся слоем
катализатора.
Внешний теплообмен — передача теплоты через теплопередаюную
поверхность, осуществляемый с помощью теплоносителей ' или хлад-
агентов. При выборе теплоносителя определяющим фактором является
необходимая температура процесса. Для осуществления процессов при
температуре 60—100° С могут быть выбраны теплоносители, примене-
ние которых для процессов, идущих при температуре 300—400° С, ока-
жется невозможным. -Поэтому основной характеристикой теплоносите-
ля является рабочий ’интервал температур применения.
Требования к теплоносителям:
1) низкая упругость пара в широком интервале температур;
2) большая теплоемкость и большая скрытая теплота парообразо-
вания нлп конденсации;
3) термостойкость, т. е. способность не окисляться и не разлагать-
ся при высоких температурах;
4) -огнеопасность, нетокс-ичность;
5) малая стоимость.
Ни один -из существующих теплоносителей не удовлетворяет одно-
временно всем перечисленным требованиям. Например, вода из, всех
жидкостей имеет наибольшую теплоту парообразования, нетоксична,
термостойка, дерева, но уже при небольших температурах имеет вы-
сокую упругость паров, поэтому применение воды -в качестве теплоно-
сителя при температурах 200—300° С, а соответственно и -насыщенного
водяного пара требует поддержания высоких давлений -в системе цир-
ку л яци и теп л-С'1 юсителя.
Используются следующие виды теплоносителей: электрический
ток; -насыщенный водяной пар; дымовые газы; легкоплавкие соли; лег-
коплавкие металлы; высокотемпературные -органические теплоносите-
ли; минеральные масла, глицерин, кре-мн-ийорганические жидкости; тииз-
коки п-ящи е ж-ищ,кости.
Электрообогрев может осуществляться следующими способами.
При нагреве сопротивлением -стенка аппарата -обматывается спи-
ралью в -керамических кольцах и изолируется. Удобна открытая про-
кладка спирали без керамических колец, -но при этом -обязательно
между металлической стенкой аппарата и -спиралью укладывается
слой электроизоляционного материала (асбест, -стеклоткань и др.), а
снаружи спираль покрывается -слоем теплоизоляции. При нагреве газов
(при непосредственном -соприкосновении -с эле-ктро-спи-ралью) спираль,
намотанная на электроизоляционный стержень, помещается в трубо-
провод пли аппарат.
Для увеличения теплоотдачи стержни устанавливаются перпенди-
кулярно потоку газа в несколько слоев с шахматным расположением.
Серийными электроподогрователями являются трубчатые электри-
ческие нагреватели (ТЭНы). Они представляют собой П-образные
трубки длиной 1,0—1,5 м ‘и диаметром 12—ЗО'мм. Внутри трубок име-
ется ^нихромовая спираль.
Для хорошей передачи теплоты электронагреватель делают из тон-
костенной бесшовной трубки из углеродистой или нержавеющей стали.
Пространство между спиралью л стенками трубки заполняется порош-
ком плавленой окиси .магния. Этот .порошок является хорошим электро-
изолятором, так как обладает высоким электрическим сопротивлением,
жаростойкостью и хорошей проводимостью теплоты.
Для комплектации теплообменного нагревательного элемента не-
сколько ТЭНов монтируются в общей трубной доске, которая затем
подсоединяется к нагревательному объему. Используются ТЭНы чаще
всего для нагрева жидкостей.
« Электроподогренатели применяются не только в качестве техноло-
гических, т. е. работающих во время ведения технологического процес-
са, но и в качестве пусковых — для разогрева реактора в период пуска
при проведении реакций, идущих с выделением теплоты.
Индукционный обогрев основан на использовании вихревых токов,
при прохождении которых через проводник тока выделяется теплота.
Таким образом, при и.пдукц|иоН|НОМ обогреве должна быть катушка, яв-
ляющаяся первичной обмоткой трансформатора, а вторичной обмот-
кой служит стенка аппарата или иной предмет, в котором индуктиру-
ются вихревые токи. При индукционном обогреве используется элект-
рический ток промышленной частоты (50 Гц) напряжением 220 или
380 В. Катушка должна быть изолирована от стенки аппарата слоем
электроизоляционного материала, в качестве которого чаще всего при-
меняется асбест. Поскольку в самой катушке также происходит выде-
ление теплоты, то она охлаждается током воздуха, а иногда и воды.
Степки аппарата для получения больших магнитных потоков долж-
ны быть выполнены из ферромагнитных 1ма.териалов с высокой магнит-
ной проницаемостью. Зазор между катушкой| и стенкой аппарата дол-
жен быть минимальным. Устанавливаются катушки па цилиндрической
части аппарата и па днище, а также внутри аппарата, при этом тепло-
та будет выделяться не г> стенке аппарата, а в стальном кожухе, окру-
жающем катушку.
Нагрев электрической дугой находит применение при электрокре-
кипге углеводородов, при производстве карбида кальция, фосфора и
т. д. При нагреве в электрической дуге достигаются высокие темпера-
туры (1600° С), йодля создания электрической дуги требуются высокие
напряжения (7000 В) и большая сила тока (900А).
Помимо отмеченных способов электрообогрева возможен также
нагрев токами высокой частоты и инфракрасными лучами, но в реак-
ционных аппаратах эти способы не применяются.
Электрообогрев является дорогим видом нагрева, но он позволяет
легко регулировать температуру реакционной массы. Для'малогабарит-
ных установок его применение является целесообразным, так как элект-
ронагреватели практически не требуют больших эксплуатационных рас-
ходов, которые неизбежны ИР|И использовании любого теплоносителя.
Водяной пар может использоваться в насыщенном или перегретом
виде. Перегретый водяной пар практически является газом и характе-
ризуется так же, как н дымовые газы, высокой теплоем1ко4тью. Насы-
щенный водяной пар — самый доступный и поэтому самый распростра-
ненный теплоноситель. Достоинство насыщенного водяного пара за-
247
ключастся в высоком значении коэффициента теплоотдачи при конден-
сации (~2300 Вт(м2-К), а недостаток — в высокой упругости паров.
Дымовые газы, в отличие от насыщенного водяного пара позволя-
ют осуществить нагрев до очень высоких температур (1OOO°CJ). Они
широко применяются для Обогрева разнообразной реакционной аппа-
ратуры. Недостатком дымовых газов являются низкое значение коэф-
фициента теплоотдачи (77—58 Вг(м2-К), неравномерность обогрева,
трудность регулирования нагрева, высокое содержание кислорода, что
при высоких тем агратурах ведет к окислению материала аппаратуры,
высокая температура отходящих газов (500° С), что -не позволяет пол-
ностью использовать теплоту -сгорания топлива.
Регулирование температуры при- обогреве дымовыми газами воз-
можно путем смешения дымовых газов, имеющих высокую температуру
(1000—1800° С), с отработанными дымовыми газами, с низкой темпе-
ратурой (500-—ii00J С). По сравнению с разбавлени ем свежих дымовых
газов воздухом разбавление отработанными дымоиь'.ди газами позво-
ляет снижать \т.>де.ржанис кислорода -в дымовых газах, подаваемых на
обогрев, и уменьшать окисление стопок аппаратуры.
К легкоплавким солям •относятся питрат. нитритные смеси. Смесь,
содержащая 50% Na.NO2, 50% KNO3, имеет температуру плавления
128,5° С и предел п-рцтмснелия 200—450° С. Смесь, содержащая 40%
NaNO2, 7% NaNO3 и 53% KNQj, имеет температуру .плавления 115° С
•и предел применения 200—540° С. Нитрат-нитритные смеси позволяют
осуществлять нагрев до высоких температур. Они используются для
обогрева контактных аппарлтиц в которых идут реакции с большим
тепловым эффектом. Коэффициент теплоотдачи для .нитрзт-штритпых
смесей состав.'!нет 4200—8000 Вт(м2-К).
Недостатком этих -смесей как теплоносителей является высокая
температура плавления. Для запуска системы циркуляции теплоноси-
теля «е-збхчхджмо смесь «предварительно расплав ить и нагреть в спе-
циальной емкости с помощью какого-то другого теплоносителя, про-
греть систему циркуляции и после этого заполнить ее смесью. При ос-
тановке аппарата смесь необходимо слить перед ее охлаждением в спе-
циальную емкость. Прт работе нигриты окисляются до нитратов, в ре-
зультате чего том пера ту-p а плавления смеси повышается до 160е С;
после этого смесь необходимо заменить. Для уменьшения окисления
применяется азотная подушка.
Легкоплавкие мета а щ имеют наибольшее зиачете коэффициен-
та теплоотдачи (35 000 Вт (.VI2 К) и высокую ттопиутатмру применения.
Температура плавления металлического натрия 98° С, темпер:тура
кипения 880° С. Так как этот металл легко соединяется с кшелородом,
то его необходимо защищать подушкой ттертпмлго газа. Температура
плавления свинца 28° С, температура кипения 1740° С. Темпера-
тура плавления ртути 38° С, температура кипения 357° С. Для обо-
грева опа может применяться в парообразном состояигпп и использует-
ся при нагрева до температуры 1400° С.
Пуск/и работа .установок с жидким металлом сложны, а сами уста-
новки дороги; что же касается ртути, то опа дорога и -токсична, поэто-
му легкоплавкие металлы дня обогрева хпмичоско|’< аппаратуры имеют
о г р ан и че h i ioc i i р н м е не иие.
Среди гл>есог,01емпе^ат1}/1ч1лх оргянцнескил теплоносителей находят
применение дифенильная смесь, да фенил, дл||олнлметам, дикумнлметан
п г. д. Наиболее распространенный -органический теплоноситель•---ди-
фенильная смесь — является азеотропной смесью дифенила (26,5%) н
дифенилового эфира (73,5%). Химическая формула д-и-фендала
С6Н5—С6Н5, а дифенилового эфира — С6Н5О—CfiH5. Азеотропная смесь
этих веществ имеет более низкую температуру плавления, чем отдель-
248
ные компоненты. Температура плавления смеси 12° С, температура ки-
пения 258° С. В отличие от водяного пара упругость паров дифениль-
ной смеси невысока.
Верхним пределом применения дифенильной смеси является тем-
пература 380° С, выше которой дифенильная смесь начинает разлагать-
ся. Таким образом, дифенильная смесь используется .в жидком виде
до температуры 258° Сив парообразном состоянии до температуры
380° С и давления 0,6 МПа. Скрытая теплота парообразования дифе-
нильной смеси очень мала и составляет 23-104—29-104 Дж/кг при тем-
пературе 258—380° С, но так как плотность паров дифенильной смеси
примерно в 7 раз выше, чем плотность водяного пара, то объемная теп-
лота Koii/iemoaninH паров дифенильной смеси остается достаточно вы-
сокой. Коэффициент теплоотдачи при конденсации паров дифенильной
смеси несколько ниже, чем при конденсации водяного пара, и состав-
ляет примерно 17 000 Вт(м2-К)-
В отличие от обогрева дымовыми газами и водяным паром обогрев
дифенильной смесью так же, как и любыми другими теплоносителями
или хладагентами, требует замкнутой системы циркуляции теплоноси-
теля. Эта система •состоит не обогреваемых аппаратов (или одного ап-
парата), парогенератора, циркуляционных насосов и других устройств,
необходимых для нормальной работы системы обогрева. Парогенератор
представляет собой обычный паровой котел с топкой, форсункой, труб-
ным пучком и т. д. Для аппаратов малого размера парогенераторы ус-
танавливаются непосредственно на аппарате в виде обогревающих ру-
башек со встроенными электронагревательными элементами.
Для обеспечения циркуляции теплоносителя парогенератор должен
быть установлен ниже обогреваемых аппаратов. Высота столба жидко-
сти для преодоления сопротивления циркуляционного контура на прак-
тике составляет 1—5 м. При расчете циркуляционного контура ско-
рость паров принимается 10—12 м/с, а конденсата — 0,4—0,6 м/с. Да-
же при принудительном возврате конденсата скорость его от конденса-
I ционного горшка до сборной емкости сохраняется ib этих же пределах.
Дифенильная смесь не взаимодействует с водой и не поглощает
влагу. Она обладает большой проницаемостью, поэтому все коммуни-
кации рекомендуется соединять на сварке или использовать фланце-
вые соединения «шип—паз». Дифенильная смесь невэрьввоопасна и не-
токсична, но горюча. Так как в процессе работы см?есь разлагается,
то необходим периодический вывод из системы газов, образующихся
при разложении/а сама смесь через 500 ч. анализируется на содержа-
ние смолы.
Седьмая группа теплоносителей включает различные вещества, ис-
пользуемые чаще всего в жидком виде. Минеральные'масла применя-
ются до температуры 250° С,, глицерин — до 220—250° С. Он неядовит,
невзрывоопасен, но гигроскопичен. Кремнийорганические соединения
имеют температуру кипения 400—440° С и стойки до температуры
320° С, они. также, неядовиты и .невзрывоопасны.
В качестве хладагентов применяются иода, растворы и рассолы.
Этиловый спирт замерзает при температуре —112° С, а водные
растворы этилового спирта имеют температуру замерзания от 0° С до
— 112° С. Температура замерзания 23%-ного раствора NaCl —21° С, а
30 %-него раствора СаС12 —55° С.
Н из ко кипящие жидкости применяются для отвода теплоты при их
испарений. Аммиак имеет температуру кипения —33° С и несмотря на
то, что ядовит, широко применяется в качестве хладагента. Температу-
ра кипения этана и этилена —88° С и —103° С; кроме них, широко при-
меняются пропан, пропилен, пентан и т. д.
Если аммиак токсичен, органические жидкости этан и этилен огие-
и взрывоопасны, то фреоны не токсичны, не воспламеняются и хими-
249
чески инертны. Фреон-12 имеет температуру кипения —30° С, фресн-13,
—81,5° С, фреон-14 —128° С. В лабораторных исследованиях применя-
ется жидкий азоте температурой k'hiic-wmi —196° С.
7.6. МЕТОДИКА РАСЧЕТА РЕАКТОРОВ
ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ
Расчет данного реа.ктора имеет целью определение 'Полетного объе-
ма V и ч-и'сла секций m по заданной либо но одному шз .компонентов ис-
ходной реакционной смеси, пибо по сотовому продукту объемной иро-
нзвод11тсл1лк.’сти V4 в м3/ч, а также начальной хч и .конечной '<г. кон-
центрациям исходного -реагента. При этом считается ,'его те сие" тс-.у^.т. и
реакторе или в каждой его секцпгн, а также концентрация поддержива-
ются постоянными.1.
Существуют две методики расчета реактора: графоаналитическая
п аналитическая. Расчет производится графоаналитически, сели из чест-
на построенная экспериментально кривая за виси мости копцоптрацд'И х
от времени т, или аиалитически, когда имеется уравнение. кч.чегики
реакции.
Г р а ф о а и а л и т и ч е с к и й м е т о д р а с ч е т а
Но полученной экеиер'имеиталыгой .кривой х = Г(т) рсактпда рис.
7.17) строят дифференциальную кривую™ ™f(x) (рис. 7.18). Для'
Рис. 7.17. Эксперимен-
тальная зависимость x = f(x)
Рис. 7.18. Диффе-
ренциальная крнвая-за-
,;а виси месть <lx/dr = I (х)
этого кривую х = 1 (г) разбивают па большое количество участков 0—1,
1—2 л т. д., для каждого из которых находят отношения - Х--,
Т.--То
Х]“—х2 .,
------- п т. л. подученные отношения п]хирав'111нваю.тся к пролшгодпым
— Tj
cl X
dx/dr, после чего строится кривая — =Д(х). Для одноступы1чг.того
реактора длительность реакционного процесса (в мин.) определяется
по уравнению:
еде
Д!х\
^/к
_ _ 'о--Х_к_
11 " “ (dx/d г) ,< ’
—соответствует зиачетно конечной
(7-1)
концентрации xlf и
определяется ио дифференциальной кривой.
250
Полный объем -реактора Vn (в м3) связан с объемом, заполненным
в реакторе -реакционной -массой V}>, следующим соотношением:
V„=:V>p, (7.2)-
V '<. г (7. 3)
р 1000 Мл Хо
где <(=0,7—0,8 — коэффициент заполнения реактора; рл— плотность
одного из входящих -в реакцию компонентов, на пример, -компонента Д
в кг/м3; УМ1Ш заданная объемная --проиэводитслБНоеть аппарата но то-
му же -компоненту А, м3/<мотн; Мд — молекулярная масса компонентов,
кмоль.
Для ступенчатого реактора, состоящего из нееколь-ких аппаратов
идеального смешения ода-йпакового объема Vр, предварительно задает-
ся к. п.д. с последующей проверкой рк.и.
yIk-h ~'и чен > (7- 4)
где тп, tr.. п - -длительность реакционного процесса -в интервале - х0—хк
в е луч ас периодического и непрерывного процесса (в каскаде реакто-
ров идеального смешения), мин.
Находатм длительность пронесла в -каждом отдельно взятом аппа-
рате, каскада'.
т' = т< и, пт-—тпг(к.п/1п . (7.5)
Ирш этом для всех аппаратов каскада справедливым будет следующее
уравнение:
/_• Хщ — I Xpi -•_> -Х?п—1 „
Т (dx/dv),,, (dxydr) m_, ’ ' ’
где in • последний аппарат каскада с концентрацией компонента А на
выходе х,„; m—1 — предпоследний аппарат каскада е концентрацией
ко-мпол-епта А на 1выходе х„,^| и т. д.
З-иачемде скорости реакцией для m-го аппарата (dx/dr)m иаход’лм
по дифференциальной кривой (см. рис. 7. 18) по заданной величине
х,„. Подставляя значения (dx/da)m и х,„ -в уравнение (7.6), находим
Хм - ! •
Проводим аналогичные вычисления для предпоследнего аппарата,
находим х-,,,-2 и- т. д. вплоть до первого по ходу реакции аппарата.
Для первого аппарата уравнение (7. 6) принимает вид:
Уравнение- (7. 7) должно превратиться в тождество, так как значе-
ния к, и (-dx/dr) 1 были уже получены при рассмотрении второго ио хо-
ду реакции аппарата, а значение х0 задано вводными условиями.
Если тождество (7.7) -не соблюдается, -необходимо изменить при-
нятое значение ш и повторить весь расчет, начиная е решения урав-
нения (7.5). Допускается иногда изменять ир-инятое ранее значение
т]к.п, например, уменьшить его для того, чтобы обеспечить заданную
степень превращения х,« ~\п с. меньшим количеством аппаратов в кас-
каде.
По уточненным значениям m -и 1||чп окончательно находим длитель-
ность процесса в каждом аппарате каскада -и ото -объем:
(7.8)
Мл Х|)
где т' определяется по уравнениям (7. 6) и (7. 7):
251
Vp.'.p = mVn; (7.9)
K>p==VII.K.p/<p=rn Vp.K.H/<s. (A 10)
Аналитический метод расчета
Для .наиболее распространенных реакций .второго порядка интегри-
рование дифференциальных уравнений, описывающих скорость реакции,
приводит к следующим расчетным формулам:
1) при неодинаковых начальных кон цен грациях исходных веществ
А и В:
---J---1пХ2И - 2S±=knT; (7.Ц)
Хао—Хво Хао Хд
2) при их одинаковых начальных концентрациях (хао = Хв<=хо;
хл = хц = х):
= кт„, (7.12)
Х'о X
где Хи — начальные копцентрац|И1И исходных веществ; х — концентрации
тех же веществ через промежуток времени т от начала реакции; к —
константа скорости реакции.
Введем дополнительные обозначения:
Axi = x0—X; — разность концентраций на входе в i-й и первый ап-
парат, .причем для од|ноа.ппарат|но1го реактора Дх = х0—х1(.
При расчете необходимо задаться значениями Цк-в. ти, х0 (или
Хао и хй0) и хк (или хЛк и хвк). Расчет ведется при условии, что у
всех последовательных аппаратов каскада одинаковые объемы.
По уравнению (7. 6) определяем желательную длительность про-
цесса в каждом отдельно -взятом аппарате каскада т'. Из уравнений
(7. 11) или (7. 12) .находим константу К.
Для каждой ступени
Дх,-1=ДХ;—КтДХо—Дх,)2, (7,13)
или, начиная с последней ш-й секции, ;Дхта = х0—хт, где хт = хк.
Для предпоследней секции
Дхт-1=ДХт К1/(Хо Х771)(7. 14)
откуда
Х)м—)=Хо Д.Хт— 1.
Для первой секции
ДХ| =Дх2—Кт'(х0—Дх2)2, (7 15)
откуда xi = x0—Ах,.
Проверочной формулой’будет служить тождество
Дх| = Кт'(х0—Дх,)2. (7.16)
В случае невыполнения тождества (7. 16) необходимо провести пе-
рерасчет, задаваясь новым значением числа аппаратов в каскаде.
Возможно так же, как и при использовании графоаналитического мето-
да, уменьшение принятого значения л к и •
После того как будут окончательно установлены значения m и
уточняются т' и тп [формулы (7.5) и (7. 16)] и определяются ис-
комые объемы (полезный и полный) отдельного аппарата в каскаде
и реактора (каскада) в целом [формулы (7.8) — (7. 10)].
252
7.7. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ РАБОТЕ РЕАКТОРОВ
Для химической технологии характерно большое разнообразие кон-
струкций аппаратов и машин, а также условий их эксплуатации.
Химическая промышленность располагает реакционными аппара-
тами .высотой до 90 м и диаметром до 16 м со сложными внутренними
устройствами, работающими при температурах от >—180 до 3000’С,
давлениях До 200 МПа или глубоком вакууме и с весьма агрессивными
средами. Это определяет условия их оптимальной (конструкции и без-
опасной эксплуатации, специфические для каждого вида и типа обо-
рудования.
В реакторах полного вытеснения продукты реакции движутся с
большой скоростью; объем реакторов сравнительно невелик.
Ведение каталитических процессов в таких реакторах связано со
сложностью замены катализатора при уменьшении его активности.
В процессах, в которых активность катализатора сохраняется сравни-
тельно долго, при его замене аппарат подвергают продувке и охлажде-
нию, а затем вскрывают. В процессах, в которых катализатор быстро
теряет спою активность в связи с образованием на нем углеродистых
отложений, через катализатор продувают кислород или воздух при
нысоких температурах.
Циклы контактирования и регенерации следуют один за другим,
при их смене в реакторах (возможно образование взрывной смеси про-
дукта с воздухом, поэтому перед регенерацией контактный газ, а после
регенерации воздух вытесняют из реакторов водяным паром или инерт-
ным газом.
В реакторах полного «мешения в связи с большим объемом реак-
ционного пространства 'возможно неравномерное конт акта ров а пне по-
ступающих продуктов, что приводит к развитию • нежелательных по-
бочных реакций и вторичных процессов. Для предотвращения этого
явления в аппаратах предусматривают устройства для лучшего пере-
мешивания.
Реакторы для проведения каталитических процессов могут быть с
неподвижным, движущимся или псевдоожиженным («кипящим») слоем
катализатора.
В реакторах с гранулированным движущимся слоем ,катализатора
основной опасностью является прорыв контактного газа из реактора
в регенератор через транспортную систему. Эта опасность предотвра-
щается подачей инертного газа в участки, через которые контактный
газ может проникнуть в регенератор, или другими 'способами. Другой
опасностью является образование мелкой пыли от истирания катализа-
тора, что приводит к (нарушению гранулометрического 'состава зерен и
неравномерной фильтрации газа через поток катализатора. От пыли
избавляются при смене катализатора в системе.
В установках с кипящим слоем попадание контактных газов в ре-
генератор предотвращается отпаркой катализатора от продукта ост-
рым водяным паром и подачей азота, создающего газовый затвор для
реакционных газов. Катализаторная пыль улавливается в циклопах, в
которые контактные газы поступают после выхода из псевдоожиженно-
го слоя. Уловленную пыль либо возвращают в кипящий слой, либо уда-
ляют из системы.
Аппараты высокого давления можно условно разбить па 2 груп-
пы: автоклавы для проведения периодических прюцеосов in (колонны для
осуществления (непрерывных процессов с постоянным 'вводом в них
сырья н выводом продуктов реакции. Высоким давлением считается
давление выше 10 МПа, сверх высоким — выше 150 МПа.
В автоклавах наиболее важным является обеспечение герметично-
253
сти соединения крышки с корпусом, достигаемой с помощью затвора.
Затвор позволяет быстро, многократно и безопасно снимать и откры-
вать крышку. Современные конструкции аппаратов высокого давления
снабжены механизмом для поворота и открывания крышки, приводи-
мым в действие электродвигателем. Автоклавы имеют также блокиро-
вочное устройство, исключающее возможность пуска пара (газа) в ап-
парат при незакрытой крышке и открывание ее при давлении в аппа-
рате.
Поскольку герметизация сальников мешалки представляет собой
трудную задачу, в современных конструкциях автоклавов используют
бессальниковые приводы с экранированным электродвигателем.
В колоннах высокого давления основным фактором надежности и
безопасности работы является автоматизация системы защиты,- позво-
ляющая при возникновении аварийных ситуаций перевести в безопас-
ное состояние весь агрегат. Для наиболее ответственных органов управ-
ления предусматривают так . называемый третий 'автономный источник
питания, к которому можно подключить электроприводы вентилей, ус-
тановленных на основных технологических потоках системы сиг-
нализации и блокировок, дублирующие приборы для 'измерения пара-
метров наиболее 'Опасных в аварийном 'отношении систем. В перспек-
тиве намечается включать в автоматическую систему защиты электрон-
но-вычислительные машины.
ГЛАВА 8
ПЕЧИ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
8 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕЧАХ
И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
В (речах всех разновидностей осуществляютоя термотехнологичес-
кис и тепл10тех1П1ческие процессы.
Термотех1нологлческ1н,с процессы определяют .необходимый тепло-
вой режим в печш -и атмосферу в шей. При этом изменяется химичес-
кий состав 41 происходят физико-химические превращения исходного
материала, 'которые отражаются па агрегатном состоянии или кристал-
лической модификации (веществ.
Теплотехнические процессы, обеспечивающие' скоростное и полное
проведение термотехиолопн'ческих процессов, включают в себя получе-
ние теплоты, теплопередачу, движение пазов и материалов, тепловую
р а бот у ф ут еровки.
Теплотехнические п термотедпологические процессы протекают в
иечах одновременно.
Следовательно, промышленная иечь — это термотехнологическое
устройство, предназначенное для осуществления химических и физико-
химических превращений исходных материалов путем тепловой обра-
ботки их при оптимальных температурах.
Тепловая энергия, получаемая в печи, должна покрывать расходы
теплоты во время работы. Она расходуется непосредственно на прове-
дение химического или физико-химического превращения материала и
на (компенсацию потерь (с .продуктами, отходящими газами и через фу-
теровку). В печах используется теплота, полученная от сжигания топ-
лива, от преобразования электрической энергии в тепловую и от тер-
мической реакции.
В химической промышленности печи применяются для различных
процессов. Широкое распространение в1 неорганическом синтезе ‘име-
ют обжиговые печи для обработки твердых частиц. Эти печи во многом
напоминают контактно-каталитические аппараты, в которых процесс
ведется при высокой температуре. В органическом синтезе печи при-
меняются для 'осуществления различных химических процессов при вы-
сокой температуре, т. е. химическая печь является термореактором.
Промышленная печь включает в себя следующие основные элемен-
ты: топочное устройство, рабочую камеру, устройство для использова-
ния теплоты отходящих дымовых газов и продукта, тягового и дутье-
вого приспособлений, газопроводов и каналов.
Топочное -устройство (топка) предназначено для сжигания топлива.
В 'результате сжигания образуются продукты горения, отдающие теп-
лоту материалу.
Рабочая камера служит для тепловой обработки материалов по за-
данному режиму.
Устройство для использования теплоты отходящих газов и продук-
та применяется для подогрева воздуха или газообразного топлива, а
также иногда для получения пара и горячей воды.
Тяговые устройство (дымовые насосы, дымовые трубы) служат для
отвода в атмосферу дымовых газов; дутьевые устройства подводят
воздух и газообразное топливо в печь.
Газопроводы и каналы предназначены для упорядоченного движе-
ния в печной системе газов.
Печная установка (рис. 8. 1) включает рабочую камеру /, горе-
лочное устройство 2, вентиляторы 3 для подачи воздуха к горелкам,
перевальную стенку 4, водонагреватель или паровой котел 5, котел-ути-
лизатор 6, дымосос 7, дымовую трубу 8, канал для отвода дымовых
газов 9.
Рис. 8.1. Схема печной установ-
ки: 1 — рабочая камера; 2 — горе-
лочное устройство; 3 — вентилятор:
4 — перевальная стенка; 5 — паро-
вой котел; 6 — котел-утилизатор;
7 — дымосос; 8 — дымовая труба;
.9 — канал для отвода дымовых
газов
Основным (источником тепловой энергии для печей является топли-
во. Наибольшее значение для химических печей имеет углеродное топ-
ливо. Оно бывает твердое, жидкое и газообразное. Основные разновид-
ности природного топлива —уголь, нефть и природный газ.
К 'искусственному топливу относятся: кокс, бензин, керосин, ма-
зут, сжиженные газы п отходящие реакционные газы, содержащие
окись углерода.
Твердое топливо в печах .в настоящее .время используется редко.
Наиболее распространенным жидким топливом является мазут,,
а газообразным — природный газ. Газообразное топливо является наи-
лучшим видом топлива и перед жидким .имеет следующие преимущест-
ва: простота регулирования процесса горения при малом избытке воз-
духа и полном сгорании, возможность высокотемпературного подогре-
ва его и воздуха перед сжиганием, малое содержание минеральной пы-
ли и пр.
Сжиженные газы, представляющие собой в большинстве случаев
смесь пропана и бутана с небольшим количеством этана и других при-
месей, являются высококачественным топливом .и применяются в. чех
случаях, когда нет природного газа, а по технологии требуется газо-
образное топливо.
Электрический обогрев может быть реализован по методу сопро-
тивления — нагрев материалов при пропускании через них тока; с по-
мощью электрической дуги, возникающей между двумя электродами,
которые помещены в обрабатываемую среду; 'индукционный нагрев ма-
териала. •
Дуговой нагрев .в зависимости от способа передачи' тепловой энер-
гии может быть следующих (видов: а) прямой нагрев, когда дуга меж-
ду электродом и расплавленным материалом; б) .косвенный .нагрев,
когда дуга между двумя электродами, а расплав находится на некото-
ром расстоянии от нс,е; в) комбинированный нагрев, когда электри-
ческая дуга создастся между шихтой и погруженным в нее электродом;
г) нагрев в дуговых реакторах, когда нагреваемый материал помеща-
ется в потоке низкотемпературной плазмы.
При проведении в печах термотехнологнческ1их процессов образу-
ется большое количество горячих газов, движение которых в реаьпион-
пом пространстве печи и в газоходах существенно влияет па ход про-
цесса, горение топлива, теплопередачу к перерабатываемым материа-
лам и на движение твердых и жидких веществ.
Естественное и принудительное движение газов. Есхготвенчас дви-
жение газов в тракте печи возникает под действием сил тяжести. Оно
происходит без постороннего побуждения извне. Так, при изие.тепил
удельных весов газов за счет •напрева.ния их при горении н соярикос-
256
новения с горячими и холодными стенками возникает геометрический
напор и, как следствие его, естественное движение газов. Принудитель-
ное движение газов возникает под действием сил, приложенных извне.
К таким силам можно отнести кинетическую энергию струй, выходя-
щих из горелок или форсунок, или разность давлений в начале и кон-
це печной камеры или в канале. В большинстве печных установок дви-
жение газов вызывается совокупностью сил, возникающих в самой
газовой среде и вне се.
Направление движения газов. Равномерное заполнение
рабочего пространства нагревающими газами и недопущение сосредо-
точенного нагрева достигают путем создания циркуляции газов, осуще-
ствляемой за счет соответствующего направления факела.
Отвод отработанных газов из рабочей камеры наиболее целесо-
образен в мпжитей части печи. В этом случае максимально использует-
ся теплота газов. Если газы отводятся в’своде печи, то они удаляются
из печи менее использованными, т. е. довольно горячими. При этом мо-
жет оказаться, что нижняя часть печи не заполнена газами, и равно-
мерное распределение температур в рабочей камере не достигается.
Если горячие газы подаются сверху вниз в рабочую камеру, то
температуру опускающихся газов понижается вследствие отдачи ими
теплоты, а равномерный нагрев материалов по вертикали затрудняет-
ся. Если же горячие газы подаются на уровне пода, то происходит
выравнивание температуры по высоте камеры вследствие сильного из-
лучения'поступающих газов. ‘
В топку печи поступает расширяющаяся струя, состоящая из топ-
лива, воздуха и продуктов горения. Струя движется вдоль поверхности
и уходит через выводной канал. При 'конструировании печей следует
избегать -коропкого пути движения газов, т. е .поступления их из вход-
ного отверстия непосредственно в отводное.
Приспособления для перемещения газов. Газы, выхо-
дящие из печи, отводятся или естественной тягой, создаваемой дымо-
вой трубой, или принудительной тягой — вентиляторами-дымососами и
эжекторами. Газы движутся в дымовой трубе за счет разности удель-;
пых весов. Отвод газов с помощью дымососов не исключает примене-
ния дымовой трубы в соответствии с санитарными условиями. При от-
сасывании газов отдельные части печи находятся под большим разре-
жением, что вызывает подсос наружного' воздуха через неплотности.
я Величина напора, создаваемого приспособлениями для перемеще-
ния газов, обосновывается расчетом сопротивлений ' по пути движе-
ния газов. ' '
Огнеупорные Материалы, применяемые для футеровки печей, под-
разделяются по ряду признаков, основными из которых являются сте-
пень огнеупор нести и химико-минералогический состав.
По степени огнеупорности материалы могут быть огнеупорными
(15804-1770° С), высокоогнеупорными (1770-4-2000° С), высшей огне-
упорности (более 2000°С).
По химико-минералогическому составу материалы, подразделяются
па кремнеземистые, алюмосиликатные, магнезиальные, хромистые, кар-
бидные п нитридные.
Теплоизоляционные материалы, применяемые при строительстве
печег для снижения потерь теплоты в окружающую среду, подразделя-
ются па природные и искусственные.
К природным теплоизоляционным материалам относятся диатомит,
трепел и асбест. Искусственными теплоизоляционными материалами
являются диатомитовый и пенодиатомовый кирпичи и др.
По способу использования теплоизоляционные материалы делятся
на мастичные, засыпные, оберточные и мастично-формованные.
При защите стенок с высокой температурой используют много-
17. Заказ 710
257
сложную изоляцию. На горячую поверхность сначала наносят материал,
который выдерживает большую температуру, но не имеет высоких изо-
ляционных свойств, а .затем материал с малой теплопроводностью, т. е.
с высокими изоляционными свойствами. Снаружи на изоляционный
слон, как правило, наносятся защитные покрытия из асбоцементной
штукатурки, смеси битума с диатомитом и др.
К л а с с и ф и к а ц и я печей
Печи химической промышленности можно классифицировать по
многим признакам. Предлагается классифицировать печи по видам про-
изводства, НО теХНОЛОГИчеСКИМ, ‘ГеПЛОТеХНИЧ'еСКИ'М И КОНСТруКТИ'ЕНЫМ
признакам. Учесть все особенности печей в одной схеме классификации
практически невозможно из-за большого разнообразия как самих при-
знаков, так и подразделений внутри каждого признака.
Классификация печей по видам производства и технологии при-
ведет к тому, что конструктивно одинаковые печи будут входить в раз-
личные группы.
Принимая во внимание то, что одну из основных ролей в техно-
логическом процессе печи играет характер фазового взаимодействия
обрабатываемого материала и теплоносителя, можно разделить печи на
две группы, в одной из которых теплообмен организован через стенку
(преобладает теплопроводность), а в другой — при непосредственном
соприкосновении горячих газов и материалов (преобладает конвектив-
ный теплообмен).
Схема классификации печей, учитывающая их конструктивные осо-
бенности показана на рис. 8. 2.
Сопротивления —
- Трубчатые
Шахтные
Индукционные
— Ретортные
Камерные
- Муфельные
Туннельные __
Дуговые
— Ванные
Барабанные -
С КИПЯЩИУ
слоем обра-
батываемого
материала
Плазменные
Рис. 8.2. Схема классификации основных видов химиче-
ских печей
Кроме указанных в схеме классификаций признаков существуют и
другие особенности, по которым подразделяются печи. Они могут быть
периодического и непрерывного действия, с экзотермическими и эндо-
термическими процессами, с внутренним и внешним подводом теплоты
(для эндотермических процессов).
Используются в промышленности печи и таких конструкций, как
карусельные — в реакционной камере вращается подина с материалом
258
в твердом состоящий; полочные— реакционная камера представляет
собой несколько полок (секций), на которых лежит обрабатываемый
материал.
Названия конструкций печей, указанных на рис. 8.2, аналогичны
во многих случаях названиям, которые были рассмотрены в главе 6.
Конструкции соответствующих аппаратов также сходны. В частности,
основные признаки конструкций сушилок и печей не изменяются, о чем
свидетельствуют следующие сопоставления:
камерные печи — реакционное устройство в виде камеры, куда
поступает обрабатываемый материал (через форсунки), в ’ камерных
сушилках—аналогично: камера, куда помещается обрабатываемый
материал;
шахтные печи.—реакционная камера представляет собой вер-
тикальную шахту, в которой материал движется сверху вниз (в шахт-
ных сушилках так же);
барабанные печи—реакционная камера представляет собой
цилиндрический вращающийся барабан, заполненный материалом
(полная аналогия с такими же сушилками);
печи с кипящим слоем'—материал, находящийся в реакцион-
ной камере, взвешен потоком воздуха (полная аналогия с сушилка-
ми) .
Однако при наличии принципиального сходства в конструкциях
сушилок и печей имеются существенные различия этих аппаратов, ко-
торые заключаются прежде всего в температурных режимах, в мате-
риалах конструкций, в характере получения и движения теплоносите-
лей.
Рассмотрим особенности конструкций печей, нашедших наиболь-
шее распространение в промышленности.
8.2. ПЕЧИ С ТЕПЛООБМЕНОМ ЧЕРЕЗ СТЕНКУ
Печи этой группы применяются в различных химических производ-
ствах: для высокотемпературного нагревания углеводородов и водяно-
го пара в основном органическом синтезе и в переработке нефтепро-
дуктов (например, термический крекинг, пиролиз, коксование, дегидри-
рование и т. п.); для прокалки антрацита в производстве фосфора
и т. д.
Печи с теплообменом через стенку классифицируются по многим
признакам, основные из которых учтены на схеме классификации, по-
казанной на рис. 8. 3.
__Г Пани с теплообменом через
I___\_____ _ стешу
[Ретортные
___Конвенционные
— С горязонгадьнши
трубками
[ Муфалыше |
С вертикальными
трубками
Радиантное
конвекционные
С параллельным
— расположением
реторт
С круговым
— расположением
реторт
С трубчатым
муфелем
С круговым
муфелем
С барабанным
муфелем
С неподвижной
ванной
С вращающейся
ванной
Однокамерные
Мвогсчсэде раме
Риг. 8.3. Схема классификации ночей с теплообменом через стейку
17*
259
Таблица 8.)
Схемы основных видов печей с теплообменом через стенку
Вид печи * * Разновидность конструктивных схем
1 2
Трубчатые
Конвекционная с пламенным
горением и горизонтальным
расположением труб: 1 —
трубчатый змеевик; 2 — пере-
вальная степка; 3 — дымоход
Конвекционная с вер-
тикальным расположени-
ем труб: 1 — трубчатый
змеевик; 2 — котел-ути-
лизатор
Радиантно-конвекционная
однокамерная с боковым рас-
положением конвекционной ка-
меры: 1 — горелки; 2 — ра-
диантный змеевик; 3 — кон-
векционный змеевик;
Радиантно-конвекционная од-
нокамерная с нижним располо-
жением конвекционной каме-
ры: 1 — горелки; 2 — ра-
диантный змеевик; 3 — кон-
векционный змеевик; 4 — ды-
моход; 5 — перевальная стен-
ка
Радиантно-конвекционная
двухпоточпая с горизонталь-
ным сводом и пламенным го-
рением: 1 — горелки; 2 —
радиантный змеевик; 3 — кон-
векционный змеевик; 4 — ды-
моход; 5 — перевальная стей-
ка
Радиантно-конвекцион-
ная четырехкамерная с
пламенным горением: 1 —
радиантная камера; 2 —
конвекционная камера
260
Продолжение таб'л. 8.1
2
Трубчатые
Раднантно-конвекционная
вертикальная цилиндрическая:
1 — горелки; 2 — радиантный
змеевик; 3 — конвекционный
змеевик; 4 — дымоход
Ретортные
Радиантно-конвекционная
однокамерная с панельными
горелками: 1 — панельные го-
релки; 2 — радиантный змее-,
вик; 3 — конвекционный змее-
вик; 4 — дымоход
Дата&ой гаг
Дынобой гаг
А
неладный
реагент .
Проекты
поЛеенцто
С параллельным расположе-
нием реторт: 1 — корпус; 2 —
футеровка; 3 — реторта; 4
механизм загрузки; 5 — го-
релка
Муфельные
С круговым расположением ррторт:
1 — распределительный коллектор,
на входе реагентов; 2 — сборный
коллектор на выходе продуктов; 3 —
реторта; 4 — корпус; 5 — форсун-
ка
С трубчатыми муфелями, го-
ризонтальными: 1 — корпус;
2 — футеровка; 3 — муфели;
4 — выход дымового газа; 5 —
горелка
С цилиндрическим му-
фелем, вертикальным-. 1 —
мешалка; 2 — корпус;
3 — футеровка
261
Окончание т а б л. 8. )
С барабанным муфелем: / — барабан; 2 — опорная станция;
3 - - горелка; 4 — механизм привода; 5 — опорно-упорная сап-
пня
С круговым (чечевице-
образным) муфелем: 1 —
корпус; 2 — футеровка;
3 — муфель; 4 — ме-
шалка
Ванные
Туннельные
С вращающейся круглой
ванной: 1 — корпус; 2 — фу-
теровка; 3 — крышка; 4 —
электроды; 5 — плита; 6 — ме-
ханизм вращения
С неподвижней круг-
лой ванной: 1 — корпус;
2 — футеровка; 3 —
крышка; 4 — электроды
С прямым каналом: I — продукты горения; 2 — загруз-
ка изделий; 3 — иодача топлива; 4 — воздух для охлажде-
ния н горения
262
В табл. 8. 1 приведены схемы основных видов печей с теплообме-
ном через стенку; ниже дано описание наиболее распространенных ти-
повых конструкций печей, изложены их достоинства, недостатки и осо-
бенности эксплуатации.
Трубчатые печи наибольшее распространен,не нашли в нефтехими-
ческой промышленности, где они используются для высокотемператур-
ного нагрева и несколько реже. — для реакционных превращении жид-
ких 'и газообразных продуктов.
Трубчатые печи обладают следующими достоинствами:
а) высоким коэффициентом теплопередачи в связи с тем, чго пе-
хотный прздккт. ту'."...тлт печ.:;ну Гг....;>:ду с бо:шш.ш скорое тью;
б) .высокой тепловой эффективностью, так как значительная часть
теплоты передается «излучением и копвекциеи",
в) малым временем пребывания в зоне высоких температур и не-
большим количеством продукта в змеевике, позволяющим напревать
его до высоких температур без разложения и кокооотложеиия в труб-
ках;
г) комплектностью и удобством в эксплуатации, несложностью ав-
томатизации и небольшой числсн1но>стью обслуживающего персонала;
д) возможностью сооружения печей высокой тепловой мощности.
Современная трубчатая печь включает в себя две камеры: камеру
сгорания (радиации), в которой сжигается топливо и размещаются ра-
диайтные трубы, и камеру конвекции, в которую поступают дымовые
газы из камеры егсранш-i, где размещены конвекционные труоТл, или
только одну камеру сгорания с радиантными трубами.
Высокий к. и. д. трубчатых печей обеспечивается использованием
теплоты отходящих газов для «предварительного подогрева топлива и
воздуха, идущих на горение, а также проведением ряда других меро-
приятий, позволяющих добиваться полного сгорания топлива при низ-
ких значениях коэффициента избытка воздуха. Для этого применяют
предварительное смешение газообразного топлива с воздухом, уста-
навливают форсунки в карборундовых муфелях, способствующих уско-
рению процесса горения, сокращению длины факела, у1М|ен1>ше’ШГ«о коэф-
фициента избытка воздуха. •
Трубчатые печи можно классифицировать по многим признакам
(см. рис. 8. 3).
Конвекционные печи с пламенным горением. Первоначально рас-
смотрим трубчатые печи конвекциелшюго типа наиболее простой кон-
струкции. Такие печи имеют только конвекционную «поверхность и не-
большую камеру сгорания топлива. Поток ды«мовых газов («как восхо-
дящий, так -и нисходящий) способствует более эффективной передаче
теплоты. В печах конвекциотюго типа горячие дымовые газы стремят-
ся при своем движении запять наиболее высокие места.
В табл. 8. 1 показана схема конвекционной трубчатой печш с го-
ризонтальным расположением труб. Сечение камеры конвекции посте-
пенно суживается в направлении нисходящего потока дымовых газов,
что создаст более равномерную теплоиапряжеипоеть поверхности на-
грева для различных рядов конвенционных труб. Уменьшение сечения
камеры повышает скорость движения дымовых газов., а следовательно,
и коэффициент теплоотдачи конвекцией.
Печи с вертикальным расположением трубного, змеевика созданы
сравнительно недавно. Их преимуществом является некоторая упрощен-
ность в креплении и ремонте труб. Существенный недостаток печей
конвекционного типа заключается в частом прогаре первых по ходу
движения дымовых газов рядов труб.
Радиантно-конвекционные печи с пламенным горением. Недостат-
ки конвекционных печей удалось устранить при переходе к печам ра-
диа|НТН'0-копвекц!1Ю'Ииого типа. Печь состоит из топочной камеры, змее-
263
вика, в котором происходит нагрев‘сырья, металлического каркаса с
площадками для обслуживания и лестницами, гарнитуры,'а также об-
муровки и кровли, поддерживаемой стропильными фермами.
Наиболее распространенными являются печи с шатровой кровлей:
двускатные и односкатные.
На рис. 8. 4 представлена радиантно-конвекционная печь с не-
сколькими камерами радиации и общей камерой конвекции, с верти-
кальным расположением труб и горизонтальным факелом. Печь ис-
пользуется для каталитического риформинга и гидроочистки.
Рис. 8.4. Радиант-
но-конвекционная , печь:
1 — радиантные секции;
2 — подвески труд ра-
диантной секции; 3 —
перевальные стенки; 4 —
конвекционная секция;
5 '— подземный канал
Змеевики секций /, 4 состоят из стальных труб, соединенных меж-
ду собой стальными печными двойниками (ретур бейтам и). К их конст-
рукции предъявляются следующие требования: прочное и герметичное
соединение труб, минимальное гидравлическое сопротивление, легкость
вскрытия для осмотра и механической чистки труб, возможность заме-
ны труб.
Печные двойники по способу изготовления разделяются на кованые
и литые. Наибольшее распространение получили литые двойники, изго-
товление которых обходится в несколько раз дешевле, чем кованых.
На рис. 8. 5 изображена конструкция литого коробчатого, двойника
ушков ого типа.
Рис. 8.5. Конструкция литого
коробчатого двойника ушковогэ ти-
па: 1 — корпус двойника; 2 — ко-
нусные пробки; 3 — траверсы; 4 —
прижимные винты
Кованый двойник по конструкции мало чем отличается от литого.
Вместо ушек в его корпусе сделаны подковообразные выступы, ферма
корпуса тоже несколько иная.
В некоторых печах трубы змеевика соединяются гнутыми или свар-
ными двойниками из Труб (калачами) на аварке или на фланцах. Змее-
вик состоит из конвекционной секции, размещаемой в конвекционной
шахте, где происходит начальный нагрев сырья, и радиантной секции,
которая экранирует топочную камеру. В последней за счет теплоты
радиации происходит окончательный нагрев сырья до требуемой тем-
пературы.
В .зависимости от температуры и давления, а также от степени
264
коррозийност.и сырья, трубы для змеевика изготавливают из углеро-
дистой или легированной стали. Материал печных двойников выбирает-
ся также в зависимости от указанных выше условий. Для металличес-
кого каркаса применяется профильный прокат. Каркас служит несу-
щей конструкцией для змеевика, обмуровки, изоляции и гарнитуры.
К нему крепятся лестницы и площадки, а сверху устанавливаются
фермы кровли.
Обмуровка стен, пода и свода печи выполняется из фасонного ог-
неупорного кирпича. Кирпичи свода и стен крепятся к каркасу подо-
гревателя специальными кронштейнами и подвесками.
Для кровли печи используется волнистый асбошифер. Для облег-
чения работы по -смене груб и печных двойников над торцовыми сте-
нами печи укрепляют монорельсы с подъемными приспособле.ния’ми.
Топливом для печей служат мазут или нефтяной газ, подаваемые
через ком 5 ння-роваи иные газонефтяные форсунки. При сжигании только
газа последний подастся в печи через специальные газовые форсунки.
Радиантная поверхность, размещенная в камере сгорания, воспринима-
ет часть теплоты. Это. позволяет снизить температуру дымовых газов,
поступающих в камеру конвекции, и тем самым уменьшить прогар
конвекционных труб.
Первоначально радиантная поверхность имела небольшие размеры,
что приводило к .-небольшой величине прямой отдачи, высокой тепло-
напряжснности поверхности нагрева радиантных труб и высокой тем-
пературе газов на перевале. Дальнейшее усовершенствование печей
такого типа шло по пути увеличения радиантной поверхности путем
экранирования как свода камеры, так боковых стен н пода печи
Довольно широкое, распространение получили печи двухкамерные
и двухскатные (ом. табл. 8.1). Наклонный свод способствует более
равномерному поглощению лучистой теплоты. Такие печи могут быть
одно- и двухпоточные. При малых мощностях печи такого типа выпол-
няются с одной камерой и одним наклонным сводом.
Иногда применяются четырехкамерные печи, имеющие четыре ка-
меры радиации и одну камеру конвекции. Исходное -сырье движется
четырьмя параллельными потоками. Камеры сгорания образованы с
помощью промежуточных порогов. Равномерность нагрева каждого
потока сырья осуществляется регулированием расхода количества топ-
лива, сжигаемого в каждой камере. Печи имеют боковой и потолочный
экраны.
Большое распространение получили печи с вертикальным располо-
жением оси факела. Отличительной особенностью печи является нали-
чие двухрядного экрана с двухсторонним обогревом и нижним распо-
ложением конвекционной камеры (см. табл. 8. 1).
Печи такого вида могут быть однокамерными или многокамерны-
ми. Форсунки располагаются в верхней части печи под сводом.
Радиантно-конвекционные печи с беспламенным горением. В связи
с возросшими .возможностями- перевода трубчатых печей на газообраз-
ное топливо начали широко внедряться печи с беопламен.ныьми панель-
ными горелками.
Процесс сжигания топлива в печах происходит не в топочной каме-
ре, а в специальных горелках.
Блок распределительной камеры горелки в сборе с керамиковыми
призмами (туннелями), в которых происходит процесс- горения газа,
является одновременно элементом стены трубчатой печи.
Собранные из таких элементов две противоположные стены печи
с внутренней стороны образуют панели с многочисленнумИ каналами,
из которых дымовые газы поступают в зону расположения змеевика
печи. При этом происходит интенсивное излучение теплоты поверхно-
стью панелей обеих стен. Этот фактор, а также возможность регули-
265
ротания теплоотдачи по высоте излучающих стен позволяют значитель-
но .интенсифицировать теплоотдачу радиантным трубам двухрядного
змеевика, смонтированного между излучающими стенами, и повьсить
средние тепловые напряжения труб.
В печах отсутствуют потери на химический недожог топлива при
малом коэффициенте избытка воздуха.
По сравнению с обычными печами, работающими на жидком топ-
ливе, печи с излучающими стенками кроме высоких теплотехнических
показателей прт-i одинаковой теплоггроивиодательности немеют маиыпие
габариты, а также требуют меньше металла и огнеупорного кирпича,
что делает их .весьма экономичными.
В зависимости от рабочих условий змеевик печи дщ-.пежлиется
из углеродастой или лег<И1рова>иной стали.
Печь поставляется отдельными узлами, сборка которых произво-
дится .на месте монтажа.
Беспламенная панельная горелка (рис. 8. б) состоит <из корпуса 7,
Рис. 8.6. Беспламенная панель-
ная горелка: 1 — туннели; 2. -- труб-
ит, 3 — эжектор; 4 — газовое соп-
ло; 5 — регулятор подачи воздуха;
6 — слой изоляции; 7 — корпус; 8—
керамиковые призмы
сваренного из листовой стали и являющегося распределительной гаме-,
рой газозоздушной смеси, трубок 2 диаметром 20 мм, в которых сжи-
гается газ, изоляционного слоя 6 из диатома, керамиковых приз\ 8 с
туннелями /, эжектора 3 с газовым соплом 4 и регулятора подачи воз-
духа 5. Печь имеет «двухрядный горизонтальный экран двухстороннего
облучения. Экран располагается в средней! части, а излучающие стены
по обеим сторонам от него.
Расположение конвекционной и радиантной камер бывает как
верхнее, так и нижнее. Верхнее расположение конвекционной камеры
приводит к снижению сопротивления газохода, что позволяет умень-
шить высоту дымовой трубы. Нижнее расположение радиантной каме-
ры позволяет организовать естественный поток газов снизу вт.ерк без
циркуляции и завихрений и создает условия для более удобного об-
служивания горелок. Верхнее расположение радиантной камеры вызы-
вает необходимость движения газов сверху вниз. Поскольку разложе-
ние в верхней части камеры незначительно, возникают циркуляционные
потоки газов, приводящие к созданию .завихрений и увеличению лест-
ных тепловых напряжений. Количество конвекционных камер может
быть и ДНО'.
Ретортные печи. Основным конструктивным признаком ретортной
печи является наличие реторты (металлического сосуда), размеры ко-
торой в поперечнике значительно меньше ее длины . Форма поперечно-
го сечения -реторт может быть различной (круг, прямоугольник , кв а т-
рат, овал н т. д.). Наилучшей оказалась форма сечения в виде, вытя-
нутого прямоугольника (эффективнее организуется тепловой режим).
Твердый катализатор п реакционные газь? находятся внутри ретор-
ты. Снаружи реторта обогревается, как правило, печным газом, и «ред-
ка — с помощью электронагревателей.
266
Риг. 8.7. Ретортная пламенная контактная печь: 1 — распредели*ельнып кол*
тектоп паров слнрта; 2—рсторты; 3—коллектор контактных газов; 4 топка.
5 _ 'газовая камера; 6 — каналы. отводящие дымовые газы в боров; / — ооров
Ретортные печи нашли применение в химической и нефтехимичес-
кой промышленности (в производствах синтетического1 каучука, фос-
фора, углеводорода и других продуктов).
Ретортная пламенная контактная печь, предназначенная для син-
теза дивинила из этилового спирта, показана на рис. 8. 7. Она пред-
ставляет собой корпус с двойными стенками, в котором радиально
размещены реторты.
Узкий кольцевой промежуток между стенками является топкой 4
печи, снабженной четырьмя или восемью (расположенными в два яру-
са) горелками, в которых сжигается газ или мазут. Пары спирта, подо-
гретые до температуры контактирования в специальном перегревателе,
поступают в коллектор 1 и из него распределяются по всем ретортам 2
печи. Контактные газы, образующиеся в результате разложения спир-
та в ретортах, собираются ,в верхнем коллекторе контактных газов 3.
Реакция идет с увеличен нем объема, поэтому процесс должен про-
водиться под вакуумом. Вакуум па выходе из реторт 0,026 МПа. Тем-
пература реакции 360—370° С. Диаметр аппарата — 6,5 м, высота —
6,5 м.
Основным элементом печи является реторта (рис. 8.8). Прямо-
Катсиш^тор
ф-ф О -ф' р
Ф ф ф -6
Ф ф ф ф
Ф GO ф
Ф ф ф ф
Ф ф G ф
Рис. 8.8. Схема ре-
торты: / — штуцер для
термопары; 2 — тяги
угольное сечение реторты позволяет получить меньший перепад темпе-
ратуры по сечению слоя катализатора, чем в круглой трубе (при рав-
ной площади поперечного сечения), и компактно разместить реторты в
печи. Особенностью печи является также наличие корпуса (муфеля),
теплота от которого передается ретортам лучеиспусканием, в результа-
те чего достигается более равномерный прогрев реторт, чем при пла-
менном обогреве.
Для сообщения жесткости через боковые стенки реторты пропуде-
268
ны металлические прутки, .которые приварены к .наружной поверхно-
сти стенок реторты. Прутки предотвращают вдавливание стенок верх-
ней части реторты, находящейся под вакуумом, и раздувание стенок
нижней части реторты, которая находится под небольшим избыточным
давлением.
Ретортные печи в нашей промышленности работают с момента пус-
ка первых заводов синтетического каучука, и еще сохраняют свое зна-
чение. За этот период ретортные печи претерпели некоторые конструк-
тивные изменения. Первоначально были 16-рстортпые печи, затем раз-
работаны печи с 24 и 30 ретортами. Второе усовершенствование каса-
ется размера реторт. В. настоящее время реторты изготовляют сечени-
ем 80)<1000 мм вместо 100X1000 мм и длиной 5000 мм. Это позволи-
ло уменьшить перепад температур в сечении реторты и благодаря это-
му повысить выход бутадиена. *
Газ перед попаданием в реторту ранее пропускался через змеевик,
расположенный в печи.. Это дозволяло использовать для нагрева па-
ров этилового спирта теплоту отходящих дымовых газов. Однако про-
гар змеевиков заставлял часто останавливать печь. В настоящее вре-
мя вместо этих змеевиков , число которых равнялось числу реторт, на-
грев паров осуществляется в одном выносном перегревателе.
Для прокалки антрацита в производстве фосфора применяются
прямоточные ретортные печи, в которых антрацит нагревается косвен-
ным образам теплотой, передаваемой через стенку из огнеупорного
материала, т. е. нет непосредственного контакта горячих газов с антра-
цитом.
Ретортная печь (рис. 8. 9) состоит из четырех реторт 1, располо-
женных по две в два.ряда и имеющих овальную форму, размерами
174X360 мм; толщина стенок равна 80умм. Высота реторты 6020 мм.
В верхней части каждой реторты имеется четыре окна для вывода
летучих веществ, образующихся при прокалке антрацита. Летучие ве-
щества через соединительный капал поступают в сборный канал, рас-
положенный в верхней части печи. Сборный канал имеет отверстие
для чистки, закрываемое специальной крышкой, которая одновременно
является взрывным клапаном. Для обеспечения герметичности печи
отверстие обрамляется корытообразной чашей с водой, в которую
устанавливается крышка. В сборный канал с задней, стороны печи
подведена металлическая труба для подачи природного газа, с до-
бавлением которого повышается теплотворная способность летучих ве-
ществ при горений, что необходимо для поддержания в огневых кана-
лах .необходимой температуры.
Сжигание летучих веществ пли смеси летучих веществ п природно-
го газа производится в горелке 5, расположенной в фронтальной части
печи. Топливный газ и воздух подводятся к горелке через каналы в
кладке фронтальной стенки печи. Регулирование подаваемого топливно-
го газа и воздуха из рекуператоров 2 осуществляется керамическими
шиберами 7, установленными на каналах. Горелка позволяет создавать
факел на всю длину огневого капала, что очень важно для равномер-
ного нагрева .реторт. Каждая реторта обогревается с двух сторон го-
рячими газами, протекающими последовательно по восьми горизон-
тальным огневым каналам, составляющим одни вертикальный канал,
а их в печи четыре.
В нижней части печи установлены охлаждающие устройства — ва-
тержакеты для охлаждения термоантрацита до 100° С. Средний расход
воды на охлаждение 1 т термоантрацита составляет 2000—2500 л.
На фронтальной части печи на линии горелок установлены люки
для очистки огневых каналов от сконденсированных смолистых веществ
и ввода временных горелок, 'используемых для .сушки .вновь построен-
ной или капитально отремонтированной печи.
269
Рис. 8-9. Конструкция ретортной печн: 1 — реторта: 2 — рекуператор; 3 ме-
ханизм загРУзки; 4 — каркас; 5 — горелка; 6 — Футеровка; 7 — шибер
Горелка для сжигания природного газа применяется только при
сушке печи. Конструкция представляет „собой разновидность горелки
типа «груба в трубе».
Г 1а задней стороне печи имеются люки для наблюдения за процес-
сами горения топливного газа п установки приборов КИП.
Для придания механической прочности корпус печи стягивается .
каркасом 4 нз профильной стали. Галки KaipKaca подвижные и крепят-
ся круглыми связями из проката.
Футеровка печи. Реторты и огневые каналы печи выполняются из
фасонных блоков, что вызвано удобством монтажа, возможностью при-
дания блокам при формовке необходимых конфигураций, уменьшения
числа швыв, улучшения герметичности реторт п ускорения выполнения
футеровочных работ. Материалом для изготовления блоков реторт и
огневых, каналов выбран динас, имеющий высокие огнеупорные свойст-
ва, коэффициент теплопроводности, механическую прочность на исти-
рание при высоких температурах футеровки, что исключительно важ-
но для ретортной печи, и сравнительно низкую стоимость (по сравне-
нию с карборундом, который может быть использован для футеровки;
1 т дина сотых изделий стоит в 10 раз дешевле).
Срок службы футеровки из динасовых блоков составляет 5 лет
при непрерывной эксплуатации. Отрицательными свойствами динаса
являются малое, число теплосмен (1—4) и неравномерный коэффициент
расширения при нагревании.
При футеровке печи должно быть уделено внимание обеспечению
газоплотиости реторт, чтобы нагретый воздух не попадал в реторты.
В качестве теплоизоляционного материала принят легковесный
шамот, сочетающий в себе одновременно наиболее высокие огнеупор-
ные и теплоизоляционные свойства. Наружный теплоизоляционный
слой выполняется из красного кирпича, немеющего хорошие теплоизо-
ляционные свойства при высокой механической прочности.
Муфельные печи. Основным элементом их является муфель, кото-
рый устанавливается в огневой камере. Обогревающие дымовые газы
непосредственно не соприкасаются с реагирующими веществами, так
как теплота передается через стенку муфеля. Поэтому продукт получа-
ется более чистый и высокой концентрации.
На рис. 8. 10 приведена сульф атсол ян а я печь на газовом топливе.
Печь состоит из керамического муфеля-реактора 8 круглой формы, вы-
полненного из фасонных огне- и кислотоупорных шамотных или карбо-
рундовых блоков. Муфель заключен в огнеупорную футеровку 9, имею-
щую каналы, по которым движутся дымовые газы, обогревающие му-
фель с реагирующими в нем материалами. Внутренняя футеровка вы-
полнена из шамотного кирпича, а наружная — из глиняного (крас-
ного) .
Футеровка печи для герметизации заключена в сварной металли-
ческий кожух из листовой стали. Механическая прочность печи обеспе-
чивается сварным каркасом из профильного проката. Над печью к
каркасу приварена площадка для обслуживания загрузочных уст-
ройств.
Хлорид натрия через загрузочную трубу из дозатора непрерывно
поступает в муфель. Туда же по трубе подается кислота; перемешива-
ние и передвижение реагентов осуществляются мешалкой с четырьмя
плечами, расположенными крестообразно. Продукт реакции г—хлорис-
тый водород — с темп ери ту рой около 400° С через прямоугольное от-
верстие на боковой стенке муфеля направляется на абсорбцию водой.
Сульфат натрия (другой продукт реакции) с температурой 500°С че-
рез круглое отверстие в поду муфеля покидает печь и поступает в
размольно-холодильный барабан.
271
to
>
Рис. 8.10. Конструк-
ция сульфатсоляной му-
фельной печи: 1, 10 —
лазы; 2 — дымопровод;
,3 — газоход; 4 — ме-
шалка; 5 — «гусак»; 6 —
площадка для обслужи-
вания; 7 — шибер; 8 —
муфель; 9 — футеровка;
11 — охладительно-раз-
мольный барабан; 12 —
привод барабана; 13 —
опора; 14 — привод ме-
шалки
Рис. 8.11. Печь муфельная с вращающимся барабаном:
1 — барабан; 2 — фасонный кирпич; 3 — горелочная голов-
ка; 4 — устройство разгрузки; 5 — опорная станция; 6 —
механизм привода; 7 — опорно-упорная станция; 8 — уст-
ройство загрузки
Конструкция цилиндрической печи приведена на рте. 8.11. Она
состоит из сварного металлического барабана, внутри которого, кроме
обычной огнеупорной футеровки, предохраняющей корпус от перегрева
и уменьшающей потери теплоты в окружающую среду, имеется вторая
специальная футеровка из фасонных огнеупорных блоков. Внутри них
размещаются каналы.
Смонтированные блоки образуют один центральный канал (му-
фель) и восемь периферийных продольных каналов. Центральный ка-
нал является реакционной камерой, где происходит обжиг полуфабри-
ката, по периферийным каналам движутся продукты сгорания газо-
образного топлива. Газы движутся навстречу материалу. Горючая газо-
воздушная смесь приготавливается в восьми инжекционных горелках,
собранных в сжигательную головку печи. Горение газовоздушной сме-.
си происходит в керамических туннелях и частично в периферийных ка-
налах.
Цилиндрический корпус печи опирается на две опорно-упорные
станции 7 и 5, закрепленные на фундаментные колонны. Печь имеет
устройства для разгрузки 8 и отвода дымовых газов. Блоки муфеля со
стороны сжигательной головки и футеровка печи имеют отверстия, че-
рез которые высыпается прокаленный продукт по мере вращения печи
в транспортные устройства, а реакционные газы удаляются из муфе-
ля через те же отверстия.
Вращение барабана производится приводным механизмом, состоя-
щим из электродвигателя, редуктора и малой шестерни, находящейся
в зацеплении с большой венцовой шестерней.
Разгрузочное устройство и устройство для отвода дымовых газов
футерованы огнеупорным кирпичом и заключены в металлический ко-
жух. Устройства для загрузки, разгрузки и отвода дымовых газов име-
ют контактные уплотнительные элементы для герметизации печи.
Ванные печи нашли широкое применение в химической технологии,
в частности, в карбидном производстве. Основным элементом печи яв-
ляется ванна, в которой продукт находится в расплавленном состоя-
нии. Ванны по форме могут быть прямоугольные и круглые. Печи с
круглой ванной делятся на стационарные и вращающиеся. Кроме то-
го, печи могут быть открытые, полузакрытые и закрытые (герметич-
ные) .
В открытых печах выделяющиеся реакционные газы сгорают на
18. Заказ 710
273
слое загруженного сырья. Поэтому печи оборудуют приспособленцами
для отвода сильно запыленных продуктов сгорания в (вытяжную трубу.
В полузакрытых печах выделяющиеся печные газы (до 35—50%)
можно собрать при помощи газовых коллекторов, а в герметичных пе-
чах улавливается до 70% реакционных газов.
Ванная печь представляет собой реактор, где одновременно про-
текают химико-технологИческие и электротехнические процессы, тесно
связанные между собой.
На рис. 8. 12 представлена герметичная круглая печь -с вращаю-
Рис. 8.12. Печь карбидная герметичная с вращающейся ванной: 1 —
механизм вращения ванны; 2 — ванна; 3 — крышка; 4 — электродер-
жатель; 5 — механизм для перемещения электрода; 6 — механ^»м дли
перепуска нижнего кольца; 7 — механизм для перепуска верхнего коль-
ца; 8 — цилиндр для перепуска электрода; 9 — железобетонная плитг
274
щейся ванной 2. Цилиндрическая форма печи выбрана для улучшения
изготовления металлического кожуха, удешевления футеровочных ра-
бот, увеличения пространства ванны, а, следовательно, и производи-
тельности печи. Подина ванны и ее стенки до высоты 1200 мм от пода
выложены угольными блоками, верхняя часть стенок ванны —шамот-
ным кирпичом. Под ванны имеет уклон 1 : 50 в сторону летки для сли-
вания ферросилиция. Ванна стоит на двутавровых балках, обеспечи-
вающих доступ для осмотра и ремонта днища. Она имеет две летки
для слива карбида кальция и одну —для слива ферросилиция. В местах
установки леток на стенке кожуха устраиваются водоохлаждаемые
карманы.
Крышка 3 печи представляет собой кессон с водяным охлажде-
нием каждой секции. Конструктивно она состоит из конической боко-
вины и верхней крышки, имеющей 19 электроизолированных секторов,
уложенных на водоохлаждаемый каркас из труб. В крышке имеются
3 входа для электродвигателей, 13 штуцеров для загрузки и 2 — для
газов. На конической боковине расположены 6 лазов для осмотра
и ремонта печи.
Механизм вращения ванны 1 состоит из приводного электродвига-
теля, редукторной передачи, основной зубчатой передачи (конической
или цилиндрической), которая прикреплена к стальной иди железобе-
тонной плите центральной цапфой, предупреждающей смещение пли-
ты, ходовых катков, круглого рельса, заложенного в фундамент печи.
Управляется механизм вращения ванны автоматически. Для плавного
изменения скорости вращения ванны применяют шунтовые электродви-
гатели постоянного тока; передача вращения осуществляется двумя ци-
линдрическими или червячными редукторами.
Электродержатель 4 заключен в водоохлаждаемый кожух для со-
хранности в условиях воздействия горячей среды и пламени. В прост-
ранстве между кожухом и оболочкой электрода подается инертный паз
для создания противодавления, препятствующего выбиванию окиси уг-
лерода из рабочей зоны печи, и попаданию воздуха в печь, что может
привести к образованию взрывоопасной смеси газов. Обдув предохра-
няет поверхность электродов от оседания пыли и образования диэлект-
рического слоя, ухудшающего контакт между плитами и электродом.
Контактная плита изготавливается литая, со змеевиком из двух па-
раллельных ветвей. Ток к контактным щекам подводят с помощью мед-
ных водоохлаждаемых труб. Прижим контактных щек осуществляется
пружинно-гидравлическим рычажным механизмом.
Электроды перемещаются с помощью двух'гидравлических домкра-
тов, шарнирно соединенных с траверсой. Подъем электрода осущест-
вляется подачей масла в гидродомкраты, а опускание — за счет собст-
венной массы. В процессе работы печи производят передвижение
электродов с помощью специального механизма, состоящего из двух
колец — верхнего и нижнего (верхнее опирается на нижнее через гид-
роцилиндры). Кольца снабжены устройством, зажимающим электрод.
Перемещение производится при отжатии одного из колец и осуществля-
ется в ту и другую сторону с помощью связывающих колец • гидроци-
линдров.
8.3. ПЕЧИ С ТЕПЛООБМЕНОМ
ПРИ НЕПОСРЕДСТВЕННОМ СОПРИКОСНОВЕНИИ
ГОРЯЧИХ ГАЗОВ С ОБРАБАТЫВАЕМЫМ МАТЕРИАЛОМ
Печи данного вида применяются в том 'случае, если допускается
контакт обрабатываемых материалов с горячими печными газами или
продуктами сгорания жидкого топлива (табл. 8. 2).
В промышленности используются печи разнообразных конструк-
18*
275
Таблица 8. 2
Схемы основных видов печей с непосредственным соприкосновением материалов
и печных газов
Вид печи
Разновидность конструктивных схем
2
Шахтные
Однозонная: 1 — кор-
пус; 2 — футеровка; 3 —
загрузочное устройство;
4 — горелки; 5 — вы-
грузное устройство
Многозонная: 1 — корпус;
2 — футеровка; 3 — зона;
4 — загрузочное устройство;
5 — система подачи и выво-
да теплоносителя; 6 — выгруз-
ное устройство
Однокамерная: 1 —
корпус; 2 — футеровка;
3 — устройство для вы-
вода отработанного га-
за; 4 — устройство для
подачи и распределения
воздуха
Многокамерная: 1 — корпус;
2 — футеровка; 3 — перето-
ки; 4 — устройство вывода
отработанных газов; 5, 6 —
первая и вторая зоны подогре-
ва; 7 — зона обжига; 8 — по-
дача газа; 9 — подача возду-
ха
276
Продолжение табл. 8.2
2
Камерные
^плоносцтепь
Горизонтальная одно-
камерная: 1 — корпус;
2 — футеровка; 3 — ог-
неупорная засыпка; 4 —
тигли; 5 — устройство
для сжигания топлива;
6 — вывод дымовых га-
зов
Горизонтальная двухкамер-
ная: 1 — корпус; 2 — футе-
ровка; 3 — устройство для
загрузки материала; 4 — ка-
мера для сгорания; 5 — ре-
шетчатая перегородка; 6 —
перевальная стенка; 7 — ка-
мера для догорания; 8 — ко-
лосниковая решетка; 9 — уст-
ройство для выгрузки
ДшнаВай iai
' Отрадотаикыи мз
На сжииние
Т
/ОгмиОНый
iai _ h
'' I.г 3=
Воздух
Воздух
Горизонтальная циклонная:
/ —1 устройство для сгорания
топлива; 2 — камера сгорания;
3 — горелка; 4 — камера ре-
акции; 5 — вывод дымовых
газов
Вертикальная циклонная:
1 — корпус; 2 — футеровка;
3 — взрывной клапан; 4 —
устройство для вывода дымо-
вых газов; 5 — устройство для
подачи продуктов на сжига-
ние; 6 — горелка
барабанные
3^ I
.га gq
На ежигмп
о о
о
7оплиднши fai
С откатной головкой: 1 — барабан; 2 — загрузочное
устройство; 3 — приводная станция; 4 — опорная станция;
5 — опорно-упорная станция; 6 — откатная головка; 7 —
выгрузное устройство
277 •
Окончание табл. 8. 2
2
С кипрящим
слоем (КС)
Однокамерная: 1 —
корпус; 2 — футеровка;
3 — окно для горелки
Многокамерная: 1 — корпус:
2 — футеровка; 3 — .зона ре-
генерации; 4 — зона актива-
ции; 5 — зона смешения; 6 —
газораспределительная решет-
ка
Туннельные
Одноходовая: / — каркас печи; 2 -— тележка; 3 рель-
совый путь; 4 — камера охлаждения и выгрузки; 5 — каме-
ра нагрева; 6 — камера загрузки
ций. Обрабатываемый материал в тих находится, как,правило, в по-
движном состоянии. На рис. 8. 13 показана схема классификации печей
данного типа. Кроме тех признаков, которые вошли ,в схему класси-
фикаций, печи подразделяются еще гго ряду следующих признаков;
1) непрерывного и периодического действия;
2) с загрузкой материала самотекам и с помощью специальных за-
грузочных устройств.
Шахтные печи -в зависимости от количества рабочих пространств
могут быть однозонными и МНОГОЗОН1НЫ1МИ. В первом, случае рабочая
камера (шахта) имеет одну зону, где полностью реализуется техноло;
гический процесс; во втором — печь содержит несколько зон, в каждой
из которых осуществляются отдельные стадии технологического про-
цесса.
В зависимости от вида топлива и способа его подачи в шахту пе-
чи могут быть двух видов: печи, в которых твердое топливо сгорает в
среде материала, и печи, работающие на газе или снабженные вынос-
ными топками (полугазовые).
Для сжигания непосредственно в шахте твердое топливо смешива-
ют с обрабатываемым материалом перед загрузкой, добавляют в
278
Печи с теплообменом при соприкооЕовеш.'П гаэо:
с материалом
Шахтные
Камерные | [с кипящий слоем| [Барабанные
[Туннельные
-Однозонные
Многозонные
Простые
горизонтальные
вертикальные
Циклонные
гори зонтальные
Однокамерные
_ Многокамерные
С загрузочно-
- разгрузочными
устройствами
‘С откатными
головками
С прямым
туннелем
С кольцевым
L туннелем
Циклонные
вертикальные
Рис. 3.13. Схема классификации печей
сырьевую смесь при брикети1ров1ани1и ил;и во время их совместного
размола.
Шахтные печи на газовом топливе работают на, искусственной тя-
ге, обеспечиваемой соответствующими вентиляторами.
В полугазовых печах можно сжигать местное топливо: бурые уг-
ли, сланцы, торф, дрова. Основными недостатками полугазовых печей
являются 'малая скорость паза в пламенном окне, неравномерность рас-
пределения температур по сечению шахты.
Наибольшее распространение получили шахтные печи на газовом
топливе.
На рис. 8. 14 приведена конструкция шахтной многотонной печи.
Печь металлическая, сварная, собранная из семи отдельных прямю-
угольных секций, которые крепятся между собой болтами. Каждая
секция печи состоит из трех камер: камеры распределения теплоноси-
теля или охлаждающего воздуха, рабочей камеры, где протекают тех-
нологические процессы, и сборной камеры. Каждая эона 'имеет ввод
теплоносителя или охлаждающего воздуха и вывод отработанного теп-
лоносителя или нагретого [воздуха.
Рабочая камера каждой секции имеет по два ряда нагнетающих
и отсасывающих коробов-туннелей 7, приваренных со стороны распре-
делительных и сборных камер; 'Отверстия для подачи или отсоса тепло-
носителя или воздуха. Каждая секция содержит люки 2, 3 для очистки
и осмотра печи. Прокаливаемый катализатор загружают в загрузоч-
ную воронку 1, и он движется «низ за счет действия сил гравитации.
Катализатор перемещается в рабочей камере печи сплошной массой,
обтекая кор об а-туннели и равномерно пронизываясь теплоносителем
или охлаждающим воздухом.
Вследствие эффективности теплообмена в плотном слое легко обес-
печить перепад температуры газов, 'необходимый для хорошего тепло-
использования. Однако этот принцип термической обработки характе-
ризуется неравномерностью температуры обжигаемого материала, что
является основной причиной неудовлетворительной работы шахтных
печей, особенно при обжиге спекающихся материалов. Неравномерный
обжиг этих материалов в реакционной зоне не только ухудшает каче-
ство продукции, но и приводит к образованию конгломератов, которые
резко снижают надежность работы печей. Для их ликвидации требу-
ются большие затраты 'ручного труда.
Неравномерность обжига в шахтных печах объясняется неравно-
279
Рис. 8.14. Конструкция
шахтной многозонной печи:
1 — загрузочная воронка; 2—
смотровой люк; 3 — люк; 4 —
секция печи; 5 — разгрузоч-
ный конус; 6 — разгрузочная
воронка; 7 — короб
мерными по сечению печи загрузкой сырья, выгрузкой готового про-
дукта и распределением газов. Именно эта неравномерность ограни-
чивает увеличение размеров и производительности печей и повышает,
таким образом, удельный расход рабочей аилы. Кроме того, нет воз-
можности наблюдать за состоянием материала в шахтных печах. Вме-
сте с тем шахтная печь имеет и ряд преимуществ. Они выражаются в
небольших капитальных затратах на строительство, в частности на ме-
талл, в простоте изготовления и в относительно низком суммарном
удельном расходе теплоты и энергии на обжиг.
Камерные печи. Основным элементом их конструкции является
реакционная камера, куда материал вводится через форсунку или дру-
гое устройство.
280
По принципу работы камерные печи можно разделить на два ти-
па:
а)1 печи простые — распыл иватгие и обезвоживание материала про-
изводится дымовыми газами или вторичным воздухом, подаваемым на
дожигание органической составляющей смеси;
б) печи циклонные — раепыли-ваиие и обезвоживание смеси осуще-
ствляется в камере в закрученном потоке дымовых газов или вторич-
ного воздуха.
Простые печи по конфигурации камеры можно разделить на два
вида: прямоугольные и интондричсскпе, причем применяют как веоти-
кальпые, так и горизонтальные цилиндрические печи. Циклонные печи
изготовляют только цилоттдричоски-мм. В камерных печах в качестве
догюлпптелъното применяют, как жидкое., так и газообразное топливо,
а в циклонных >— и рш! мужественно газообразное.
На рис. 8. 15 изображена простая двухкамерная муфельная печь
для сжигания твердых отхсщор .химических произведете. В первой каме-
ре п-пои’сходат с горение твердых отходов, но второй — догорание. Печь
футерована шамота нм кор ничем и заключена в мггаллическин каркас.
Сжигание отходов ггрпччиодагся. в слое на неподвижной”колосниковой"
решетке. Загружают этады в печь через бункер 8, расположенный над
печью. Бункер имеет засленку типа мешалки, которая автоматически
закрывает ого после загрузки. Для сжигания влажных материалов в
Рис. 8.15. Конструкция двухкамерной, муфельной печи: 1 —
корпус; 2 муфель; 3 — горелка; 4 — канал; 5 — дверцы, 6 —
взрывной клапан; 7 — гляделка; 8 — бункер
281
печи установлена инжекционная горелка. Агрегатная нагрузка печи
до 100 кг/ч.
' На рис. -8. 16 показана вертикальная циклонная печь для сжига-
ния. Она представляет собой вертикальный цилиндр, футерованный ша-
мотным кирпичом, шамотом-легковесом, и теплоизолирована красным
кирпичом. Печь имеет, как правило, два огневых пояса и два пояса
распыливания сточных вад.
Пояс распыливания сточных вод всегда располагается над огне-
вым поясом.
Газовые горелки располагаются тангенциально и при работе печи
создают закрученный поток раскаленных дымовых газов, который оро-
Рис. 8.16. Печь цик-
лонная вертикальная: 1—
футеровка; 2 — горелка
для газов; 3 — форсунка
для подачи сточных вод;
4 — взрывной клапан-,
5 — кожух
282
шается сверху каплями сточных вод, поступающих из форсунок, распо-
ложенных радиально. В объеме печи происходит обезвоживание сто-
ка, окисление органической составляющей, а п^и наличии минеральных
солей их расплавление. Парогазовая смесь удаляется из верхней части
печи через трубу.
Печь заключается в металлический кожух, который устанавливает-
ся на бетонный фундамент и крепится болтами. Падина печи выполне-
на наклонной для стекания плава и его удаления.
В нижней части корпуса предусматриваются лазы для ремонта
кладки печи.
Циклонные печи являются основными в производстве техническо-
го углерода (сажи), который получается при разложении углеводоро-
дов под воздействием высокой температуры. Необходимую для разло-
жения сырья теплоту создают за счет сжигания газообразного или жид-
кого топлива или части самого сырья. Более прогрессивными конструк-
циями печей считаются такие, в которых для нагревания используется
топливный таз, а не сырье.
При сжигании горючего в камере создаются вращающиеся потоки
пламени. В эти потоки впрыскивается нагретое и распыленное в фор-
сунке сырье. Потоки горящего топлива и паров сырья смешиваются
и переходят в реакционную камеру. В результате интенсивного тур-
булентного движения газов в этой камере происходит разложение
сырья и образование технического углерода. Процесс протекает быст-
ро (0,05—0,06 с). Чтобы прекратить его, в реакционную камеру впрыс-
кивают воду с помощью форсунок, установленных в каналах зоны
охлаждения печи. Испарение воды в этой зоне понижает температуру
сажегазовой смеси до 750—800° С. Сажегазовая смесь через выходной
патрубок удаляется из печи для 'Охлаждения и (выделения из нее
сажи.
На рис. 8. 17 представлена коническая печь для получения техни-
ческого углерода из жидкого сырья (печь форсуночная).
Печь состоит из нескольких камер горения, расположенных во-
круг конического коллектора, в которых осуществляется сжигание
сырья, распыленного в форсунках. Технический углерод и газообраз-
ные продукты от отдельных топок поступают в сборный (коллектор пе-
чи и далее по каналу направляются в систему охлаждения сажегазо-
вой смеси и выделения из нее сажи.
Рис. 8.17. Конструктивная схема конической форсуноч-
ной печи для получения сажи: 1 — канал для удаления на-
гара; 2 — штуцер для подачи воздуха; 3 — горелочное уст-
ройство; 4 — щель для ввода воздуха из подковообразного
-канала; 5 — подковообразный поддувальный канал; 6 ______
форсунка
’83
Камера горения представляет собой сочетание двух усеченных ко-
нусов и цилиндра между ними, 'имеющих общую горизонтальную ось.
Форсунка для ввода сырья расположена по оси камеры горения в пе-
редней части. В нижней части камеры имеется канал 'прямоугольного
сечения с дверкой, который предназначен для удаления кокса и нага-
ра, образующихся при горенки сырья. Через этот канал может быть
подан дополнительный воздух. Изменяя количество воздуха, подавае-
мого в различные части камеры горения, можно изменять свойства
сажи.
Печи с кипящим слоем (печи КС) 'используются во многих произ-
водствах: для сжигания сточных вод, содержащих минеральные соли,
нефтяного шлама, термического разложения отработанных минераль-
ных кислот, в сернокислотной промышленности, для обжига сульфид-
ных руд в цветной металлургии.
Печи КС можно разделить на следующие типы: 1) КС однозон-
ные; 2) УКРС и 3) ДКСМ (печь с двумя кипящими слоями Малеца).
Печь КС однозоппая для обжига колчедана. Конструирование пе-
чей КС для обжига флотационного колчедана шло по пути создания
аппаратов с максимально' возможной подовой интепсиЕНостыо при од-
новременном сокращении их высоты за счет расширения верхней части,
расположенной над кипящим слоем.
По конструктивным соображениям диаметр верхней части цилинд-
рического корпуса был принят в 1,3—1,4 раза больше нижнего, что
приводит к падению скорости обжигового газа печи в 1,8 раза. Кон-
струкция печи КС представлена па рис. 8. 18.
Рис. 8. 18. Однозонная печь с
кипящим слоем для обжига колче-
дана: 4 — засыпка; 2 — асбестовая
изоляция; 3 — люк форкамеры; 4 —
форкамера; 5 — горелка для газа
или форсунка для мазута; 6 — люк;
7 — коллектор для подачи воздуха
к провальной решетке форкамеры;
8 — решетка; 9 — камера для пода-
чи воздуха к беспровальной решет-
ке форкамеры; 10 — окно для уста-
новки охлаждающего ачемента,-
11 — распределительная решетка;
12 — подовая решетка; 13 — опор-
ная часть печи; 14 — жароупорный
бетон; 15 — сопло; 16 —• кожух пе-
чи; 17 — диатомовый кирпич; 18 —
шамотный кирпич; 19 — смотровое
окно; 20 —• окно для горелки или
форсунки; 21 — крышка печи
Стальной корпус печи футерован шамотным кирпичом. Печь име-
ет загрузочную камеру (форкамеру), снабженную ировальной и не-
провалыгой решетками. Приме1нен'ие форкамеры предохраняет подину
печи от забивания крупными кусками колчедана, снеками огарка, по-
сторонними предметами и дает возможность вертикально1 расположить
спускную -трубу от тарельчатого питателя (в-о избежание зависания в
ней колчедана).
284
Под печи состоит из беопровальной решетки (~90% площади), час-
тично заходящей в форкамеру, и провальной колосниковой решетки.
Беспровальная решетка представляет собой стальной .перфорирован-
ный лист, залитый жароупорным бетоном на высоту 120 мм и арми-
рованный двумя рядами круглой стали. В отверстиях беспровальной и
колосниках провальной решеток установлены воздушные сопла (гриб-
ки). При помощи решетки, устанавливаемой в воздушном коробе,
достигается равномерное распределение воздуха по сечению. Скорость
выхода воздуха из решетки составляет не менее 10—12 м/с. Воздух
под подину печи подается раздельно тремя потоками: под провальную
и беспровальную решетки форкамеры и беспровальную решетку пода.
Для 'Интенсификации кипения влажного и более тяжелого, чем ога-
рок, колчедана под колосниковую решетку подается воздуха в 1,8—2,0
раза больше, чем в беспровальную.
Огарок удаляется из печи через бункер форкамеры из противопо-
ложной стороны печи через клапанный затвор, расположенный на уров-
не нсшровалыюй решетки.
Для розжига печи над кипящим слоем наклонно к горизонту ус-
iaiii(лзлеиы газовые горелки (мазутные форсунки).
Над решеткой в футеровке имеются отверстия для установки ох-
лаждающих элементов в кипящем слое. Для (наблюдения за состояни-
ем слоя и факелом горения установлены гляделки, обдуваемые возду-
хом. Для более полного 1к>польэова1Н’НЯ внутреннего объема печи выход
газа осуществляется в центре овода. Для проведения 'чистки и ремонта
внутри печи установлены лазы, расположенные на уровне пода и рас-
ширенной верхней цилиндрической части печм.
Рис. 8.19. Конст-
руктивная схема печи с
кипящим слоем: 1 —
свод печи; 2 — кожух;
3—6—перетоки; 4 — ка-
мера выдачи; 5 и 9 —
гляделки; 7 — футеров-
ка; 8 — газораспреде-
лительная решетка
285
На рис. 8. 19 приведена конструкция печи для обжига известняка
в кипящем слое производителыюстью 300 т/сутки (на природном га-
зе) .
Печь имеет вид цилиндрической шахты, состоящей из четырех ка-
мер. В двух верхних камерах осуществляется предварительный водо-
греи известняка, в остальных — обжиг и охлаждение. К-мсры нодогре-
ва и обжига выполнены из огнеупорного материала. Свод печи выпол-
нен из подвесных огнеупорных блоков. Газораспределительные решет-
ки в камерах подогрева и обжига изготовлены из огнеупорного бетона
в виде свода с 'Отверстиями, в которые вставлены сопла из нержавею-
щей стали. Футеровка печн заключена в металлический" кожух.
Печи КС выполняются как ностояглиого, так и переменного п-т вы-
соте сечения. Последнее вызвано стремлением организовать вад подом
наиболее интенсивное перемешивание и в то же время замедлить унос
огарка. Однако если угол раскрытия стенок аппарата слишком велик,
вместо кипящего образуется так называемый фонтанирующий слой; с
увеличением же высоты слоя (что также позволяет получить большую
разницу в скорости газа на уровне пода и поверхности слоя) растет
потеря напора газа в слое.
Известны конструкции обжиговых печей , различающихся как по
конфигурации самой печи (прямоугольные, круглые, конусныеi. так и
по конструкции отдельных элементов (узла питания, .распределитель-
ной решетки, пода, узла выгрузки огарка и экранов). Принцилкаль'пых .
отличий между печами для обжига колчеданов, цинковых pv.i и дру-
гих печей нет; работа этих печей различается по режиму.
В печах КС можно обжигать не только флотационный колчедан,
по и более крупный дробленый материал. При сжигании дробленого
колчедана можно работать ,с более высокой скоростью газа и соответ-
ственно обжигать большое количество колчедана на единицу площади
решетки, не опасаясь уноса пыли с газом; однако скорость обжига
при этом снижается.
Так как уиос огарка в печах КС велик, обжиговый газ подверга-
ют двойной очистке: вначале в циклонах (где отделяется основная мас-
са наиболее крупных частиц пыли), а затем в электрофильтрах.
Из-за высокой скорости процессов горения и интенсивности переме-
шивания в кипящем слое практически подвергается обжигу го колче -
дан, а огарок. Высота кипящего слоя достигает 1000 мм.
Температура в печах КС, .во 'избежание слипания частиц сырья
не должна превышать 800° С. Полное выгорание серы обеспечивается
при поддержании в слое температуры около 750° С, температуру по
выходе из печи поднимают до 850—900° С.
Барабанные печи, барабанные вращающиеся печи нашли широкое
применение в химической промьйпленности. В них можно проводить
как непрерывные, так и периодические термохимические процессы об-
жига, восста'.Еовяение и окисление различных материалов при высокой"
температуре. Хорошие условия теплопередачи от раскаленных газов к
обрабатываемому материалу как непосредственно, так и через .корпус
печи -или 'керамические муфели являются преимуществом вращающих-
ся печей. Перемешивание, материалов в процессе термообработки без
специальных механических устройств, только за счет вращения, вы-
годно отличают вращающиеся печи от иечей других типов. Использова-
ние газообразного и жидкого топлива, а также электр онагр ев а дела-
ют вращающиеся печи универсальными. Простота в эксплуатации, дли-
тельный межремонтный срок делают их экономически выгодными и
п рактн чески цел е соо б р ази ыми.
Использование движущегося слоя в процессе -взаимодействия гне-
тем газ — твердое вещество уменьшает возможность существования
286
застойных зон; кроме того, относительное движение частиц в таком
слое создает условия, для взаимодействия газа с большей, чем при не-
подвижном слое, поверхностью твердой фазы.
Печи с вращающимся барабаном можно разделить на следующие
виды:
но назначению— на печи общего •пазпачовия, в которых мож-
но проводить различные термохимические реакции, и на печи специаль-
ного назначения, в которых можно проводить только рассчитанный
процесс;
по способу нагреза—на печи прямого .нагрева, где происходит
I;'У:!? л; Т S?'. Г 'Д .1) И G ..’..'J-TO С nd, И НЗ ik'lji пс-
п рта о го Нагрева, где отсутствует кот'акт мед<;ду газом и материалом
(рассмотрены выше);
по организации проводимого технологического процесса в пе-
чи—на непрерывные и периодические;
по виду получаемого тепла—па топливные печи и печи с
электрообогревом;
по направлению движения газов и материала — на прямоточ-
ные iii противоточные и т. д.
Барабанные вращающиеся печи с прямым нагревом общего назна-
чения предназначены .для проведения тепловой обработки различных
материалов, допускающих прямой контакт с дымовыми газами.
Барабаны вращающихся печей, применяемых в химической про-
мышленности, имеют длину до 200 м и диаметр до 4 м. Расстояние
между опорами устат1авл1ивает1ся в зависимости от длины барабана и
при двух опорах принимается равным ее половине, а длина его кон-
сольных частей равна 1/4 всей длины барабана. При большем числе
опор расстояние между ними определяется расчетом.
Печь с вращающимся 6apai6anoiM непрерывного действия (см. табл.
8. 2) представляет собой цилиндрический сварной корпус, на котором
при помощи башмак..:; закреплены бандажи; корпус (барабан) печи
опирается бандажами на опорные ролики соответствующих станций
(опорной, опорной с упором, упорно-опорной).
Барабан печи 'вращается при помощи зубчатого венца. Общее
передаточное число механизмов привода между электродвигателем и
вращающимся барабаном должно 'обеспечить заданное число оборотов,
которое для печей обычно принимается .в пределах 0,2—3,5 о^мии.
Корпус барабана печи изготовляется сварным из стандартных
стальных листов толщиной 20—22 мм. Внутри барабан футеруется
огнеупорным кирпичом, марка которого выбирается в зависимости от
температурного режима печи, причем последним также определяется
й толщина футеровки. Для закрепления футеровки в барабане к его
торцам привариваются так называемые кольцевые пороги. Между фу-
теровкой и стенками барабана прокладываются асбестовые листы. Тор-
цы барабана, а также места посадки бандажей п зубчатого венца уси-
ливаются кольцами жесткости.
Для 'перемещения материала в сторону выгрузки печь устанавли-
вают .ш>д небольшим углом к горизонту (в пределах 5°).
Нагрузка кечи на опоротые ролями передается бандажами, изготов-
ляемыми из стального углеродистого литья. Внутренний диаметр его
поперечного сечения зависит от 'наружного диаметра барабана и опре-
деляется нормалями завода-изготовителя. Крепление бандажа на кор-
пусе барабана производится при помощи башмаков. Выйду возможно-
сти теплового расширения барабана в радиальном направлении меж-
ду башмаками и бандажом оставляется зазор от 1 до 2,5 мм.
Ролики опорной станции обычно располагаются на сплошной чу-
гунной раме, закрепляемой нспюсредственпо на фундаменте печи. Сами
ролики отливаются из стали той же марки, что и бандажи, или не-
287
сколько меньшей прочности. При этом ролики скорее изнашиваются,
чем бандажи, замена которых более сложна и трудоемка.
Кроме опарных роликов у одного 1ИЗ бандажей холодного^конца
печи устанавливаются упорные .ролики, закрепляемые на общей раме
опорно-у пор ной станции.
Печи оборудованы отдельно стоящими, топками, конструкция ко-
торых зависит от вида топлива, пли откатными головками. Откатная
головка печи, одновременно служащая топочной камерой, монтирует-
ся на четырехколосной тележке, установленной на рельсах. Корпус Го-
ловин изготовляют из листовой стали и футеруют внутри огнеупорным
кирпичом.
ОткаТную головку присоединяют к корпусу барабана npji помощи
специальных уплотняющих устройств, обоапсчивающих надлежащую
герметичность этого, соединения. При ремонте л смене футеровки голов-
ку отсоединяют от барабана и отодоигают по рельсам на требуемое
расстояние. В нижней части головки имеются отверстие л патрубок
для выпуска продукции.
С про'т’шзопол'ожвото конца печь примыкает к лылииой камере,
в .которой улавливаются частицы материала, уносимые из печи. К. этой
камере присоединен дымоход, через который отводятся продукты сго-
рания и реакционные газы.
Чтобы предотвратить скольжение твердого .материала по гладкой
внутренней поверхности цилиндра, к внутренним стенкам приварива-
ют продольные металлические полосы для подъема материала. Эти по-
лосы действуют так, что слой материала переворачивается и при этом
постоянно обновляется поверхность для тепло- и массопереноса.
Для предупреждения налипания материала на внутреннюю по-
верхность цилиндра иногда используют тяжелые цепи. Чтобы цепи
могли поворачиваться, не запутываясь звеньями, их укрепляют на обо-
их концах аппарата шарнирно. Цепи должны проходить через слой
обрабатываемого материала и очищать стенки от нйлипшей твердой
фазы. В этом случае нет необходимости использовать ^подъемные поло-
сы (внутреннюю насадку), так как перемешивание материала также
происходит за счет движений цепей.
Для обеспечения герметичности вращающиеся печи .имеют уплот-
няющие устройства трех типов: лабиринтные, контактные и аэродина-
мические. Широко применяемые контактные уплотняющие устройства
герметизируют печь двумя трущимися точеными кольцами, из которых
одно закрепляется на барабане печи, другое на пылеосадительной ка-
мере и откатной головке.
Топливо и воздух вводят в нижний конец печи, вблизи которого
происходит горение. От 15 до 35% воздуха, потребного для горения
топлива, подается через форсунку, остальной воздух поступает из со-
общающегося с печью холодильника. В холодильнике воздух подогре-,
вается охлаждающимся материалом. Таким образом, физико-химичес-
ки£ процессы Црсисходят во вращающейся печи под влиянием тепло-
вой энергии, которая развивается в результате горения топлива и пе-
редается обжигаемому материалу при .перемещении его навстречу про-
дуктам горения. Отходящие из печи газы проходят через пылеосади-
тельное устройство и затем отводятся в атмосферу. Уловленная пыль
возвращается в печь.
Важнейшим достоинством вращающихся печей является относи-
тельная равномерность температуры обжигаемого материала, обуслов-
ленная его пересыпанием, и, следовательно, равномерность обжига,
обеспечивающая высокое .качество продукции.
На участках вращающихся печей, характеризующихся высокой
температурой, преобладает теплообмен излучением, который здесь, ие-
288
cmot'xi i;a слаборазвитую поверхность теплообмена, достаточно эффек-
тивен вследствие большой степени черноты излучающего, газового
слоя, высокой температуры газов и значительной разницы между тем-
пературами материала и газа.
В направлении от горячего к холодному концу печей температура
газон и разница между пей и температурой материала уменьшаются,
причем эффективность общего теплообмена резко падает, несмотря на
интенсификацию конв'Охт1ив.пого теплообмена. Поэтому вращающиеся
печи имеют большие размеры, и их установка связана со значительны-
ми капитальными затратами.
Вращающиеся печи отличаются высокой производительностью и
надежлостью в эксплуатации при обжиге самых различных материа-
лов «I нрн использовд|»им многих видов твердого, жидкого и газообраз-
ного тоилява. В настоящее время нет более надежного устройства для
сижаижш материалов, чем вращающаяся печь.
1'ьные печи подразделяются на печи с прямым-и кольцевым
канал ими (ом. табл. 8.2). В ;псч.и е прямым каналом изделия распо-
лагаются п-а вагонетке:., в печи с кольцевым каналом—на сплошном
вращающемся поду. Наиболее .распространены туннельные печи с
прямым каналом. К преимуществам туннельных печей с кольцевым ка-
налом относятся: большая плотность пода печи, который делается
сплошным; отсутствие парка вагонеток, а также объездных и -аереда-
Т0Ч1ИЫХ путей для них; возможность сосредоточить загрузку и выгрузку
в одном пли смежных участках. Недостатками таких печей являются:
малый фронт работы во загрузке, выгрузке и ремонту вращающегося
пода; более сложная схема грузовых потоков и >в некоторых случаях
неудобство размещения круглой печи по сравнению с прямой; отсутст-
вие места для охлаждения изделий вне туннеля и, следовательно, не-
обходимость лучшего их охлаждения в печи.
Туннель условно разделяется по длине на три основных зоны:
подогрева, обжига >и охлаждения. Сначала вагонетки с изделиями подо-
греваются отходящими из зоны обжига продуктами горения, затем про-
ходят через зону обжига, подвергаясь воздействию высоких темпера-
тур, после чего .поступают в зону охлаждения, где остывают, отдавая
свое тепло омывающему их воздуху. Отработанные газы отводятся в
зоне поступления изделий обычно с помощью дымососа. Воздух подво-
дится в устройстве выхода ватонеток из печи. Применяются печи пря-
мого .нагрева и муфельные. В последнем случае газы не поступают
внутрь рабочего канала печн, и находящийся в нем воздух движется
только вследствие естественной циркуляции, вызываемой разностью
температур по сечению канала. Воздух, идущий на охлаждение муфе-
ля, не поступает непосредственно' в зону обжига.
В начале печи (перед зоной подогрева) и в конце ее (после зоны
охлаждения) устанавливают входные и выходные камеры, вмещающие
одну вагонетку. Эти камеры изолируют рабочее пространство печи во
время ввода и вывода из нее вагонеток.
Имеются и другие схемы туннельных печей, отличающиеся на от-
дельных участках направлением газовых потакав.
Для непрерывного прокаливания шихты применяют электропечь
сопротивления (рис. 8.20).
Электропечь выполнена с одним механическим толкателем. Шихту,
прокаливаемую в кварцевых тиглях или кюветах, устанавливают на
малую тележку. Со стороны загрузки 'имеется рама, по которой продви-
гается большая тележка, имеющая рельсы, по которым вкатываются
малые тележки. Рельсовые пути находятся по обеим сторонам боковых
стенок заектропечн. Большая тележка с установленной на ней малой
тележкой перемещается по раме вручную. Необходимые остановки осу-
ществляются с помощью трех фиксаторов на рельсовом пути рамы.
19. Заказ 710 239
рис. 8.20. К°нстРУктнвная схема туннельной электРОпечи; — механизм для
подкех,а двери; 2 _ фУТерОвка; 3 — фундамент; 4 — каркас; 5 — механизм для
передвижения тележки; 6 — малая тележка
Вдоль всей печи с двух сторон имеются рельсовые пути возврата те-
ло ж юи.
Электродвигатель механизма передвижения тележек может оыть
включен только при полностью открытой заслонке на стороне загрузки.
При возврате толкателя заслонка .может начать опускаться. Подъем
заслонок механизирован.
Электропечь работает непрерывно. Ее каркас выполняется из лис-
тового и профильного проката н •состоит из четырех секций, соединен-
ных между собой болтами. Футеровка печи зависит от температуры
зоны: в первой -зоне, т. е. в той части печи со огороды загрузки, где
пет нагревателей, огнеупорный слон выполнен из шамота-легковеса, в
остальных зовах —из шамота.
Теплоизоляционный слой во -всех зонах нагревания ’ВЫ'ПОЛ’ИС-л из
шамота-ультралегковеса и минеральной ваты. В зоне охлаледення огне-
упорный слой выполнен из шамота-легковеса, теплоггзотяция — из диа-
томита. Свод печи делается двухслойным из плит шгмота-лепковеса и
ультр алегковеюа.
Проем электропечи снизу закрывается проходящими через печь фу-
терованными тележками. Тележки передвигаются по рельсам, проло-
женным через всю печь. Благодаря хорошей футеровке тележек рель-
сы в печи и ходовые части тележек не нагреваются.
С целью уменьшения тепловых потерь из печи, а также перепада,
температур по высоте весь проем под тележками перекрыт листами с
асбестовым уплотнением. Для обеспечения легкого хода тележек в ус-
ловиях высоких температур оси колес установлены в подшипниках
скольжения на графитовых втулках.
Для отвода газов, образующихся при прокаливании шихты, в верх-
ней и боковой частях футеровки имеются отверстия и каналы. Для до-
полнительного охлаждения футеровки в зоне охлаждения предусмотре-
ны каналы с отверстиями в поде печи. При помощи имеющихся шибе-
ров можно регулировать температуру охлаждения.
В качестве нагревателей применяются селитовые стержни, которые
имеют утолщенные концы диаметром 28 мм, среднюю часть диаметром
16 мм и рабочую длину 600 мм. Для равномерного прогревания прока-
ливаемого материала селитовые нагревательные стержни имеют рабо-
чую часть большей длины, чем высота рабочей части печи. Нагрева-
тели размещены в параболических нишах вертикально на обеих боко-
вых стенках. Благодаря такому размещению стержней обеспечивается
хорошее отражение тепловых лучей на обжигаемый материал. Стержни
имеют защиту от обваливающегося обжигаемого материала.
Мощность почт! составляет 120 кВт и распределена по четырем
электрическим зонам. Каждая зона имеет 12 пелитовых стержней, сое-
диненных по 4. Каждая зона подключена к трансформатору, с помощью
которого мощность нагревания стержней .может регулироваться соот-
ветственно нуждам производства.
8.4. ВЫБОР ТИПА ПЕЧИ, НЕКОТОРЫЕ
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
Тип печи выбирается на основе технико-эконамичесиих соображе-
ний (способа п объема 'производства, условми нагрева материала, ме-'
тода транспортирования его в печи, свойств применяемого топлива,
местных условий и т. д.). Проектируя печь, стремятся обеспечить ее
высокую удельную производительность, получение продукции высокого
качества, низкий удельный расход топлива, огнеупоров и других строи-
тельных материалов, высокую стойкость, .механизировать обслужива-
ние и улучшить условия груда. Предусматривают 'надлежащие условия
загрузки и перемещения обрабатываемых материалов, подвода топли-
ва, распиливающей среды (в случае жидкого топлива) и воздуха для
19* 291
сжигания топлива и охлаждения изделий, отвода отходящих газов и
использование их теплоты, 'снижения потерь в окружающую' среду, ис-
кусственное охлаждение кладки.
По технологическим соображениям обосновывается целесообраз-
ность гриме нения того или другого вида топлива. Качество топлива
иногда улучшают путем его переработки или .подготовки. Большое зна-
чение имеет правильное расположение в печи горел oik, топок и созда-
ние условий, позволяющих повышать или понижать температуру фа-
кела и изменять распределение тепловых потоков. Горелки и топки на-
до размещать в тех местах рабочего пространства печи, где жела-
тельно увеличить niirrcncM.BHocTb нагрева изделий, и в местах, удобных
для (шелужпвапия. Если необходимо повысить температуру внутри
топки, то ее закрывают со стороны рабочего пространства печи.
Для •повышения температуры в .печах необходимо:
а) уменьшить содержание в реагирующих газах инертных приме-
сей (азота, водяных паров и т. in.) за счет уменьшения коэффициента
избытка воздуха при горении, подсоса воздуха, подсушки топлива, а
также 1гС1гэ.льзо1ва1Н1НЯ для горения обогащенного, кислородом воздуха;
б( уменьшить теплоотдачу от факела пламени, в окружающую сре-
ду ('з частности, совмещение топочного пространства с рабочим);
ь) предварительно подогревать воздух и горючий газ;
г) увеличить количество топлива, сжигаемого в рабочем простран-
стве в единицу времени.
Для понижения температуры газов должны быть приняты проти-
воположные меры, в частности, разбавление реагирующих газов 1пнерт-
ны1М.и. Чтобы вводимые инертные газы не уносили теплоту и не влияли
неблагоприятно на тепловой баланс печи в целом, продукты сжигания
топлива следует разбавлять не добавлением к ним атмосферного воз-
духа, а путем рециркуляции продуктов горения; тогда ’количество га-
зов, отводимых 'из печи, не увеличивается и, следовательно, не возрас-
тут и потери теплоты. .
Размеры рабочей камеры желательно определять из условий до-
пустимой скорости нагрева, влагоотдачи, шротекания химических реак-
ций и т. д. В ряде случаев выполнение .подобного расчета представля-
ет значительные трудности. Однако следует, стремиться производить
расчет именно таким образом, тан как это позволяет выявить истин-
ное влияние действующих факторов, вскрыть причины низкой эффек-
гив'нысти работы агрегатов и (наметить пути ее повышения.
При выборе типа и ,ко:нстр|уировани!и печей следует предусматри-
вать доступность к любой их части для осмотра и ремонта. Все части
печи по возможности должны быть на поверхности, так как заглубле-
ние в землю вызывает удорожание строительства, затрудняет осмотр;
кроме того, в печь могут поступать грунтовые воды и т. д.
Определение размеров рабочей камеры. Проектирование печи на-
чинается с обоснования и составления .ее эскиза, а также предвари-
тельного определения основных размеров. После этого приступают к
расчетам по сжиганию топлива, теплопередаче, нагреву материалов,
механике газов и другим, позволяющим уяснить себе работу печи и
сделать прогноз ее работы обоснованным и надежным.
При расчете шахтной обжигательной печи размеры отдельных зон
определяют в зависимости от скорости нагрева или охлаждения мате-
риалов и допускаемых скоростей газов, па основании сопротивлений
движению пли выноса мелких кусков материала из прчп.
Некоторые особенности имеются в расчете установок с кипящим
или взвешенным слоем. ,
Размеры печей периодического действия и отдельных зон туннель-
ной печи для обжига изделий желательно определять в зависимости
от допустимых скоростей нагрева и охлаждения. Следует принимать
292 •
максимальные скорости, допустимые с точки зрения возникновения в
материале напряжений, вызывающих трещины.
После определения необходимой температуры поверхности изде-
лий находят требуемую температуру газов. В туннельных печах для
создания по ее длине заданного температурного режима на отдельных
участках может потребоваться подвод «илн отвод теплоты, т. е. нужно
учитывать тепловой баланс отдельных участков. Для обеспечения тре-
буемого режима обжига, а также равно1.мерности распределения тем-
ператур в сечении- печи необходимо принять специальные меры для
того, чтобы неравномерность распределения температур в сечении пе-
чи лишь незначительно чвеличивала длительность тепловой обработки.
Расчет ванной печи сводится к определению поверхности ванны,
требуемой для передачи «необходимой теплоты шихте и массе и охлаж-
дения массы, размеров •пламояного пространства, для размещения го-
релочных устройств, а также учету условий нагрева шихты, нагрева и
охлаждения массы. При этом -следует принимать во внимание ко-пвек-
циониые потоки массы.
Расчет -вращающейся печи сводится к определению теплообмена
в пламенном йред'П’ранстое, нагреваемом материале и кладке, с учетом
условий вращения и конструкции печи.
Если методика расчета агрегата не разработана или недостаточ-
но известны зг-.ачетия 'коэффициентов в теоретически обоснованных
формулах, то используют практические данные, характеризующие ско-
рость протекания «процесса в тех или иных ^условиях. Такими данными
являются удельная нагрузка (напряженность) площади сечения и
объема рабочей камеры, скорость =п«ротек®Н1ИЯ протеста .и т. д. Однако
они недостаточно полно отражают влияние основных теплотехничес-
ких и технол'огпчюских факторов на скорость процесса, имеют времен-
ное значение и подлежат проверке и уточнению.
Некоторые размеры рабочей камеры определяются чисто, конструк-
тивными сорбражваиями, а именно: расоошожевием и размером- окон
для обслуживания, газо-вых каналов, подъемом свода, «неабхоД'И'Мостью
избежать разрушения кладки, минимально допустимой длиной факела,
условиями расположения топок -и горелок, а также условиями раз.ио-
мерности нагрева, охлаждения и распределения материалов.
Количество печей устанавливается с учетом желательной или до-
пустимой их производительности на основании теоретических данных,
материалов проектных организаций, производственного опыта и сп-е-
цнальн-ого технико-экономического расчета. При определении произво-
дительности печи учитываются отходы, бой, брак и угар, а также про-
стой, обусловленный ее ремонтами и связанного е ней оборудования,
количеством праздничных дней и наличием перерывов в работе.
Расход топлива определяется размерами топочных устройств, го-
релок, приспособлений для использования теплоты отходящих газов,
газопроводов, дымовых труб и энергетического оборудования.
При проектировании испытанных конструкций расход топлива или
теплоты часто рассчитывают по статическим данным, относя его к
единице продукции или к единице размера рабочей камеры — 1 м2 пло-
щади сечения пода или 1 м3 объема печи. Однако отнесение расхода
теплоты к единице продукции для печей с -низким к.п.д. может дать
лишь ориентировочные величины. Целесообразно определять расход
теплоты с помощью теплового баланса всей печи или рабочей камеры,
что позволяет также охарактеризовать распределение теплоты и найти
к.п.д. Предварительно производят расчет горения и устанавливают
расход воздуха, выход продуктов горения, а также температуру горе-
ния.
Тепловой баланс печи. При составлении теплового баланса обыч-
но ведут -отсчеты, температур от 0°С. Если отходящие газы удаляются
293
из печи при температуре выше точки росы и влага не конденсируется,
то теплоту конденсации влаги не учитывают.
В печах непрерывного действия каждому участку соответствуют
постоянные параметры, поэтому легко задаться температурами сырье-
вых материалов, продукта, топлива, воздуха, отходящих газов, кладки
и составом отходящих газов.
При расчете теплового баланса печей периодического действия сле-
дует руководствоваться изменениями температуры и состава отходящих
газов во .времени. Весь процесс делят па периоды, для которых от-
дельные параметры принимаются постоянными, и составляют тепло-
вые балансы для отдельных периодов. При этом устанавливают изме-
нения температуры в материалах и кладке, а также потери теплоты в
окружающую среду. Отдельные балансы суммируют. Возможен более
точный расчет при помощи графических «или аналитических -решений.
Учет изменения количества и состава •продуктов горения произво-
дят разными методами. Можно принимать состав продуктов горения
по практическим измерениям в производственных условиях либо по
данным, рассчитаин ым для заданного избытка воздуха-. По составу
продуктов горения -и известному составу топлива определяются избы-
ток воздуха, количество и теплосодержание продуктов горения. Этот
метод применяют при возможности проведения аналогии -между рас-
считываемой печью и печью, исследованной в производственных усло-
виях.
В начальный период нагрева изделий горение не может быть пере-
несено в рабочее пространство вследствие низкой температуры в нем.
В этом случае расчет основывается на принятии допустимой разности
температур по высоте садки изделий; при этом .используются следую-
щие формулы:
Уд=(Э/(Д1сд); At' = Q7(VJlcJl),
(8. 1)
где Уд -среднечасовой объем продуктов горения, м3/период; Q, Q' —
расход теплоты соответственно в садке и .в пространстве между топкой
и садкой, кДж/период; At — принятая разность температур газов меж-
ду верхом и низом садки, ° С; At' — то же, между топкой и садкой, 0 С;
сд—удельная теплоемкость -продуктов горения при средней темпера-
туре периода, кДж/.1 (кг-К).
Необходимая температура газов на выходе из топки tT определя-
ется из зависимости:
:T=(tu+tKy2+AB.
(8- 2)
Здесь tn и tK — температура газов в начале и .конце рассматривае-
мого периода, взятая по заданному режиму. Тем самым температура
отходящих газов увязывается с температурным режимом обжига. От-
сюда можно определить теплосодержание продуктов горения на выхо-
де из топки QT, а, следовательно, и расход (средний) теплоты и топ-
лива за данный период:
Qt Vд CT tT,
Qt Vb Cu tB
QHP
(8. 3)
(8. 4)
где В — расход топлива, кг или м3 за период; Q„ р — теплота сгорания
рабочего топлива, кДж/кг (кДж/м3); рт—полезная отдача топки, в
долях единицы; Vn , св, tB —соответственно объем, м3, теплоемкость,
кДж/K и температура, ° С, воздуха, используемого для горения; при
этом Ув приравнивается по величине общему количеству продуктов
сгорания, т. е. Уд; с т —удельная теплоемкость 'продуктов горения при
средней температуре газов tT, кДж/(кг-К).
При температурах выше 700—800° С необходимость в подобном
расчете отпадает, так как имеется возможность перевести горение .не-
посредственно в садку и, -следовательно, организовать горение при ма-
лых избытках воздуха (ц = 1,05—1,3). В этом случае принимают состав
продуктов горения по практическим данным или же рассчитывают его,
задаваясь величиной а.
Пр и 'составлении теплового .баланса все расчеты относят к опреде-
лен! ной единице: -времени, количеству продукта, топлива и т. д. В боль-
шинстве случаев балансы относят к единице времени. При составлении
материалы!ого и теплового балансов следует четко 'представлять себе
выбранные границы и относить к ним все -статьи баланса.
В -случае состав ле-нп я -балансов отдельных зон, -в которые мате-
риалы поступают и из которых продукты отводятся, будучи нагреты до
температуры, значительно отличающейся от температур, для которых
приводятся тепловые эффекты реакции (0—25° С), и если отсчет тем-
ператур ведется нс от нуля, то -нужно учитывать зависимость тепло-
вого эффекта реакции от температуры, при которой -она протекает.
Температурный коэффициент теплового эффекта равен разности суммы
теплоемкостей 'исходных и полученных веществ
=^-^2, (8.5)
io-1 !
где Eci — сумма теплоемкостей исходных веществ; Хсг-—то же, для
конечных веществ; Qi — тепловой эффект реакции при температуре Ть
Q2 — то ж-е, при Т2.
Если теплоемкость продуктов -реакции больше, чем исходных ве-
ществ, то Q2 меньше Qt, и наоборот. Если теплоемкости равны, то
тепловой эффект не зависит -от температуры. Тепловой эффект реакции
зависит лишь от начального и конечного состояния системы и не
за:нисит от промежуточных -стадий. Таким образом, в уравнение тепло-
вого баланса входят тепловые эффекты превращений, взятые при той
температуре, которая выбрана за нулевую точку (точку отсчета тепло-
содержаний) .
При составлении балансов отдельных зон следует также учиты-
вать, что температуры газ-о-в и материала на границах -рассматривае-
мых з-о-н являются заданными из условий ведения технологического или
физико-химического процессов, и эти условия определяют параметры
работы остальных зон.
В общем случае приходными статьями теплового баланса являют-
ся:
1) потенциальная теплота (теплота -сгорания) рабочего топлива;
2) теплота -нагрева топлива;
3) теплота нагрева -воздуха (и -водяного пара или каких-либо га-
зов, если они вводятся);
4) -теплота нагрева обрабатываемого материала.
В отдельных случаях -могут быть и дополнительные приходные
статьи. Так, для туннельных -печей при -составлении теплового баланса
отдельных зон нужно учитывать теплоту, -выносимую вагонетками,
а для ванных печей — теплоту, выносимую -кан'В0кц1исин1НЫ1М'й потоками
массы. Для печей периодического -действия нужно вводить статью —
теплоту нагрева кладки, а для стекловаренных -печей, -кроме того, —
теплоту нагрева -стекломассы и горшков. Если тепловой эффект -про-
цесса -обработки материала положителен, то взамен расходной статьи
затрат теплоты на процессы, -протекающие в обрабатываемом материа-
ле, появляется соответствующая приходная статья.
295
Расходными статьями теплового баланса являются:
1) затрата теплоты на процессы, протекающие в обрабатываемом
материале;
2) теплота нагревания продукта при температуре, соответствующей
граните баланса;
3) потери теплоты с отходящими газами за счет их нагрева и хи-
мической неполноты горения;
4) теплота .нагрева продуктов разложения обрабатываемого мате-
риала;
5) передача теплоты из Одного участка печи в другой;
G) потери теплоты в окружающую среду. Эта статья обычно со-
стоит из нескольких: теплоотдача наружу через кладку, теплоотдача
излучением через открытые отверстия наружу и в смежные части печи,
потеря с газами, выбивающимися через отверстия, с охлаждающими
печь водой и воздухом, а. также вследствие отвода теплоты элемента-
ми, вводимыми в печь;
7) аккумуляция теплоты кладкой мечей периодического действия;
8) потери теплоты с горючим в остатках и уносе.
В отдельных случаях имеются дополнительные расходные статьи:
теплота, уносимая вагонетками в отдельных зонах туннельных печей и
конвекционным,!! потоками в отдельных зонах ванных печей.
Если известны размеры лечит, то можно установить •количество
передаваемой- теплоты по заданным температурам отдельных участков.
При этом учитывается теплота, неродзваем'ая излучением потоками
газов через свободное пространство.
Если давление в печи определяется только геометрическим -напо-
ром, то количество газов, выбивающихся ’через верхнюю горизонталь-
ную щель заслонки, составляет (в м3/с):
Vr,t=<₽f2 ’ (8.6)
Д-t
где <р — коэффициент расхода (примерно 0,8); f2— площадь горизон-
тальной щели между заслонкой и верхним краем окна, м2; Н—высота
от .нейтральной линии до верхнего края окна, m;<vb , vr-t—соответст-
венно удельный вес внешнего .воздуха .и газов в печи, Н/м3; g— ускоре-
ние силы тяжести.
Количество газов, .выделяющихся через вертикальные щели заслон-
ки f/ и f|Z/, опра'шичен1ные верхним краем окна и нейтральной линией,
в 1,5 раза меньше, чем выбивающихся из горизонтальной щели той
же площади вверху заслон,ии, т. е. на уровне верхнего края вертикаль-
ной щели.
В печах непрерывного действия подсчет потерь теплоты в окру-
жающую среду через ограждения сравнительно преет. Величина по-
верхности ограждения в соответствии с формой и размерами' огражде-
ний обычно вычисляется по средним линиям кладкж Для этого ис-
пользуется эскиз печи. В исчах периодичосж?го действия для состав-
ления баланса каждого 'периода помимо расхода тЪплюты ио другим
статьям, пользуясь ’методам конечных разностей, подсчитывают количе-
ство теплоты, а1К'кумулирова1НГ[1(Н! кладкой m потерянной в окружающую
среду. Часто принимаются упрощающие предположения, допускающие
использование заканомсрности стационарного теплового потока.
Температура подогрева воздуха и горючего газа. Вел ич . на требуе-
мого минимального подогрева воздуха и горючего газа опреде-
ляется с учетам приблизительного значения пирометрического к. п. д.
рп , выражающего отношение величины действительной температуры
горения tr к калориметрической температуре 1 . Погло.яовятелыность
296
расчета при определении температуры подогрева только воздуха сле-
дующая:
— ^г/'бп’>
Ок: = ^ПрТ' Спрт- tK;
QiI04 = Qk₽ QhP,
— Qno4/(^Bca)>
(8. 7)
(8. 8)
(8.9)
(8.10)
где QK—теплота нагрева продуктов горения при калориметрической
температуре в условиях выбранного режима (избыток воздуха),
кДж/единица топлива; QHP—теплота сгорания единицы (кг или м3)
топлива, кДж; Qno.n—теплота подогрева воздуха для горения,
кДж/едииица топлива; tB — температура подогрева воздуха, °C; Vв —
объем воздуха, м3/единица топлива; са — удельная теплоемкость воз-
духа, кДж/(кг-К); спр-г — удельная теплоемкость дымовых газов,
кДж/(кг-К); Vnp.r—объем продуктов горения, м3/единица топлива.
Аналогично определяется и минимальная температура подогрева
газа. Если подогревается воздух <и гав до tB, то
— QtlOJ ( ^ВС0“ГСг).
(8.11)
Если газ подогревается до tr , то температура подогрева воздуха
1в'—(QnOA СГ^г)/('7вСв).
(8. 12)
Здесь tr и сг —соответственно температура газа, °C, и его удельная
теплоемкость, кДж/(кг-К).
8.5. ОСНОВЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕЧЕИ
Печи, применяемые в химической промышленности, можно разде-
лить на две основные группы: реакционные аппараты и печи для полу-
чения теплоты, расходуемой в* технологических процессах.
К первой группе относятся, например, печи для сжигания серного
колчедана или серы в сернокислотном производстве, хлора и водорода
при получении хлористого водорода, печи в производстве карбида
кальция, для обжига известняка и другие, т. е. печи, в которых полу-
чаемая при горении топлива теплота передается обрабатываемому про-
дукту.
Печи второй группы могут передавать теплоту, получаемую при
сжигании твердого, жидкого или газообразного топлива через стенку
(котлы, реторты, трубчатые печи) или через промежуточные теплоно-
сители (горячую воду, водяной пар, высокотемпературные теплоноси-
тели и т. д.).
Наиболее безопасными теплоносителями являются водяной пар и
горячая вода. Однако и они имеют свои недостатки.
Недостаток пара как теплоносителя состоит в значительном воз-
растании его давления с повышением температуры. Поэтому насыщен-
ный водяной пар применяют при температурах до 180—190° С, что
соответствует давлению пара 1,0—1,2 МПа. При более высоких давле-
ниях используются более толстостенные трубы, так как опасность
системы в этом случае повышается.
297
Другим 'недостаткам водяного пара как теплоносителя является
необходимость удаления из тру бои ров одев конденсата без выпуска па-
ра, что осуществляется конденсатоотводчиками, усложняющими систе-
му теплопередачи и требующими постоянного надзора.
Применение нагретой воды в качестве теплоносителя также имеет
отрицательные стороны: низкий коэффициент теплопередачи и сниже-
ние температуры горячей воды вдоль поверхности теплообменника, что
затрудняет регулирование нагрева.
Высокотемпературные теплоносители (ВОТ) —производные арома-
тических углеводородов'—позволяют получить высокую температуру
без применения высокого давления, что дает возможность использовать
вместо трудно обслуживаемого змеевика более простые и безопасные
теп лообменные устр ойств а - ру башки.
ВОТ позволяют получать температуру нагрева до 400° С.
При необходимости нагревания .продуктов до .более высоких тем-
ператур используют неорганические теплоносители: расплавленные
соли и металлы, с помощью которых при атмосферном давлении осуще-
ствляется нагрев до 800° С и выше.
Применение электрообогрева имеет рад преимуществ по сравне-
нию с другими видами обогрева. Он позволяет полностью герметизи-
ровать реакционное пространство, строго выдерживать требуемую для
реакции окислительную, восстановительную или нейтральную среду,
исключить загрязнение реакционной массы золой, шлаками, продукта-
ми сгорания, точно регулировать температуру в реакционной зоне. Од-
нако использование электрообогрева во взрывоопасных производствах
ограничено.
Печи, применяемые в промышленности, могут работать на твер-
дом, жидком и газообразном топливе. Подача топлива должна быть
механизирована. При использовании пылевого топлива для предотвра-
щения образования взрывоопасной смеси необходимо поддерживать
большой избыток пыли, при котором взрыв смеси невозможен.
При использовании жидкого и 'газообразного топлива наибольшая
опасность заключается в .образовании взрывоопасной смеси его с воз-
духом в топочном пространстве. Это может произойти при розжиге пе-
чи и при ее работе. Преи срыве пламени с горелки (форсунки) посту-
пающий газ или пары жидкого топлива в смеси с воздухом заполняют
камеру сгорания и при повторном зажигании факела может произойти
взрыв. Для предотвращения‘этого при любом срыве пламени необходи-
мо перекрыть подачу топлива и продуть паром топочное пространст-
во, чтобы удалить взрывоопасную смесь. Предотвратить возможность
взрыва газовых смесей внутри печи позволяет применение беспламен-
ных панельных горелок, теплоотдача в которых осуществляется пе от
газового факела, а от раскаленных стенок печи.
Для защиты топок от разрушения при небольших взрывах (хлоп-
ках) в топочном пространстве, в торцовых стенах печи по ходу газа
устанавливают предохранительные взрывные окна (люки). Они пред-
ставляют. собой навесные чугунные крышки, подвешенные на петлях
без запоров. В случае повышения давления крышка отбрасывается и
ослабляется действие взрыва в топочном пространстве. Между внут-
ренним пространством печи и крышкой помещают легкую (2—3 мм
толщиной) асбестовую прокладку, которая защищает материал крыш-
ки от действия высоких температур и не допускает подсоса воздуха в
печь.
Рабочие отверстия печей закрывают дверками или заслонками, по-
крытыми изоляцией и имеющие запорные устройства. Открывание и
закрывание дверок должно быть механизировано. Смотровые окна за-
крывают защитными крышками или заделывают синими стеклами. Все
298
вентили паротушения располагают недалеко от печи, в определенном
месте, которое должно быть хорошо -известно обслуживающему персо-
налу.
В случае применения жидкого топлива (мазута) расходные храни-
лища располагают изолированно от печи. Они должны иметь воздуш-
ку, измеритель уровня, переливные линии без запорной арматуры для
предотвращения переполнения емкости и опускные линии, соединенные
с аварийной емкостью, установленной вне печного помещения.
Газообразное топливо подают из заводского распределительного
пункта, где происходит редуцирование газа, поступающего из магист-
рального газопровода.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
,1. Александров И А. Ректификационные и абсорбционные аппараты.
М.—Л,, 1966.
2. Альбом химического оборудования, изготовляемого заводам,и УССР.
Киев,! ,1965.
3. Альперт Л. 3. Основы проектирования химических установок. М„, 1976.
4. Аппараты выпарные. Каталог-справочник. М., 19'65.,
5. Б а р а и о в с к и й Н. В. Пластинчатые теплообменники пищевой промышлен-
ности. М., 1962.
6. Б а у м а н В. А. и др. Механическое оборудование предприятий строительных
материалов, изделий и конструкций. М., 1981.
7. Вейлас С. Химическая кинетика и расчеты промышленных реакторов/Пер.
с англ. М, 1964.
8. В ихм а н Г. Л., Круглов С. А. Основы конструирования аппаратов и машин
нефтеперерабатывающих заводов. М.,, 1978.
9. Генкин А. Э. Оборудование химических заводов. М., 1970
,10 . Голубев Б. А., Ершов Б. А. Типовые конструкции механизмов в хими-
ческом машиностроении. М., 1966.
,1: 1. Демат М. П., М,а ршев В. Э., ЭльяшМ. Л. Монтаж оборудования пред-
приятий нефтяной и химической промышленности. М., 1969,.
12. Ж У ж и, к о в В. А. Фильтрование. М., 1971.
13. Ильин В. Г. Теплообменные аппараты из графита. М., 1965.
14. И с л а м о в М. Ш. Печи химической промышленности. М., 1,975.
15. Канторович 3. Б. Машины химической промышленности, т. 1, М., 196,1.
16. Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.
М.. 1973.
17. К а ф а р о в В. В. Методы кибернетики в химии и химической технологии.
М., 1971.
18. Кафар’ов В. В.. Михайлов Г. В. Введение в инженерные расчеты реак-
торов с неподвижным' слоем катализатора. М., 1969.
19. Ким В. С., Скачков В. В. Оборудование подготовительного производства
заводов пластмасс. М., 1977.
20. Кичигин М. А,, Костенко Г. Н. Теплообменные аппараты и выпарные
установки. М.,, 1955.
21. Клинов И. Д. и др. Химическое оборудование в коррозионно-стойком ис-
полнении. Справочник. М„ 1970.
22. Козулин Н. А.„ Шапиро А. Я., Г а в у р и н а Р. К. Оборудование для
производства и переработки пластических масс. Л. 1967.
23. Козулин Н. А., Соколов В. Н., Шапиро А. Я. Примеры и задачи по
курсу оборудования химической промышленности. М., 1966.
24. К р а м е р с X., В е с т е р т е р п К. Химические реакторы/Пер. с англ. М., 1967.
25. Красников В. В. Кондуктивная сушка,. М., 1973..
Й6. КриворотА. С. Конструкция и основы проектирования машин и аппара-
тов химической промышленности. М., 1976.
27. Л а щи некий А. А.,. Тол чин с кий А. Р. Основы конструирования и рас-
чета химической аппаратуры. Л., 1970.
.28 . Лебедев П. Д. Расчет и проектирование сушильных установок. М., 1963.
29. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов/Пер. с
англ. М.„ 1969.,
30. Лыков М. В. Сушка в химической промышленности. М„ 1970.
31. Лыков М. В., Л е о н ч и к Б. И. Распылительные сушилки. М., 1966.
32. Макаров Ю. И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. М., 1973.
33. М а к а, р о в Ю. И., Генкин А. Э. Технологическое оборудование химических
и иефтегазоперерабатывающих заводов. М., 1976.
34. М а т ус е в,и ч Л. Н. Кристаллизация из растворов химической промышлен-
ности. М., 1968.
35. Машины и аппараты химических производств/Под ред. И. И. Чернобыль-
ского. М„ 1,975.
36. Михаил Р., Кир лога и у К. Реакторы в химической промышленности
М„ 1968.
300
37. Нормали машиностроения «Аппараты с перемешивающими устройствами»;
М., 1968.
38. Оборудование для смешения сыпучих .и пастообразных материалов (ка-
талог). М., 1973.
39. Павлов К. Ф., Ром анков И. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по
курсу процессов и аппаратов химической технологии. М.—Л., 1960.
40. Петровский Ю. В., Фастовский В. Г. Современные эффективные тепло-
обменники. М., 1962.
41, П л а н о веки й А. Н., Гуревич Д. А. Аппаратура промышленности орга-
нических полупродуктов и красителей. М., 1961.
42. Плановекий А. Н„ Николаев П. И. Процессы м аппараты химической
и нефтехимической технологии. 2-е изд.,,, перераб. и доп. М., 1972.
43. Пульсационная химическая аппаратура. М., 1971.
44. Пульсирующие экстракторы. М., 1964.
45. Рамы В. Н. Абсорбция газов. М., 1966.
46. Р е й х с ф е л ь д В. О., Ер ко в а Л. Н. Оборудование заводов основного,
органического синтеза и синтетических каучуков. Л., 1974.
47. Р е й х с ф е л ь д В. О., Шеин В. С., Ермаков В. И. Реакционная аппара-
тура и машины заводов основного органического синтеза и синтетического каучука.
Л., 1975.
48. Родионов Е. А. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назна-
чения типа TH. Каталог-справочник. М., 1965.
49. Ро манко в П. Г., Раш ко век а я Н. Б. Сушка во взвешенном состоя-
нии. 2-е изд. Л., 1068,
50. Рябинин Д. Д., Лукач Ю. Е. Смесительные машины для пластмасс и
резиновых смесей. М., 1972.
51. Сапожников Н.Я-, Гиберов 3. Г. Механическое оборудование заводов,
по производству изделий с применением пластмасс и древесины. М., 1976.
52. Сиденко П. М. Измельчение в химической промышленности. М., 1977.
53. Современные машины и аппараты химических производств. — Мате-
риалы I Всесоюзной научной конференции,, т. I и II. Чимкент,, 19717 .
54. Соколов В. И. Современные промышленные центрифуги. М., 1967,
55. С о к о л о в В. И. Центрифугирование. М., 1976.
56. Стабников В. Н. Расчет и конструирование ректификационных аппаратов.
М, 1965.
57. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками. Л., 1975.
58. Сушильные аппараты и установки. (Каталог). М., 1972.
59. Тарасов Ф. М. Тонкослойные теплообменные аппараты. М.—Л., 1964.
60. Т р о ф и м о в М. Г., Футеровка индукционных печей. М.„ 1968.
61, . Шкоропад Д. Е„ Лысковцев И. В. Центробежные экстракторы.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Глава 1. Машины для измельчения материалов......................... 4
1.1. Способы измельчения и классификация измельчителей . д. . . 4
1.2. Дробилки........................................................ 6
1.3. Мельницы...................................................... 16
1.4. Параметрические расчеты измельчителей...........................30
1.5. Основы техники безопасности при эксплуатации измельчителей . 39
Глава 2. Машины и аппараты для разделения неоднородных систем . . 40
2.1. Аппараты и машины для разделения сыпучих материалов на фрак-
ции .................................................................40
2.2. Аппараты для очистки газов ........ 45
2.3. Аппараты и машины для разделения жидких неоднородных систем . 51
2.4. Параметрические расчеты машин и аппаратов для разделения неод-
нородных систем ...... .................. 72
2.5. Основы техники безопасности при эксплуатации машин и' аппаратов
для разделения неоднородных систем .................................80
Глава 3. Машины и аппараты для смешения материалов .... 82
3.1. Основы процесса смешения и классификация оборудования . . 82
3.2. Смесители для сыпучих материалов................................83
3.3. Смесители для жидкостей и высоковязких материалов ... 93
3.4. Параметрические расчеты смесителей .............................98
3.5. Основы техники безопасности при эксплуатации смесителей . . 102
Глава 4. Теплообменные и выпарные аппараты . . . .. . 103
4.1. Типовые конструкции теплообменников ...........................103
4.2. Выпарные аппараты и установки..................................116
4.3. Тепловая изоляция теплообменных аппаратов......................123
4.4. Параметрические расчеты теплообменных аппаратов . . . 125
4.5. Основы техники безопасности при эксплуатации теплообменных аппа-
ратов ............................................................ 129
Глава 5. Массообменная аппаратура . ...........................130 , Ь
5.1. Общие сведения и классификация аппаратов . . . . х130
5.2. Аппараты с фиксированной поверхностью фазового контакта . 132
5.3. Аппараты с поверхностью контакта, образуемой в процессе 'движения
потоков - . 137
5.4. Аппараты с внешним подводом энергии...........................153
5.5. Кристаллизаторы............................................. 160
5.6. Параметрические расчеты массообменных аппаратов .... 164
5.7. Основы техники безопасности при эксплуатации массообменных ап-
паратов ...........................................................170
Глава 6. Сушильные аппараты и установки.................................172
6.1 Основы процесса сушки и классификация сушилок . . . .172
6.2. Конвективные сушилки.......................................... 175
6.3. Контактные сушилки.............................................202
6.4. Специальные сушилки...............................‘ . 206
6.5. Параметрические расчеты сушилок................................211
6.6. Основы техники безопасности при эксплуатации сушилок . . 213
302
Глава 7. Реакторы............................................... . .214
7.1. Классификация реакторов и основы их работы.....................214
7.2. Каталитические газотвердые реакторы............................217
7.3. Жидкофазные реакторы.......................................... 231
7.4. Реакторы высокого давления.....................................238
7.5. Дополнительные вопросы проектирования реакционной аппаратуры . 243
7.6. Методика расчета реакторов идеального смешения .... 250
7.7. Основы техники безопасности при работе реакторов .... 253
Глава 8. Печи химической промышленности..................................255
8.1. Общие сведения о печах и их классификация......................255
8.2. Печи с теплообменом через стенку.......................... . 259
8.3. Печи с теплообменом при непосредственном соприкосновении горячих
газов с обрабатываемым материалом . . . . . . . 275
8.4. Выбор типа печи, некоторые параметрические расчеты . . . 291
8.5. Основы техники безопасности при эксплуатации печей . . . . 297
Рекомендуемая литература.................................................300
ИБ № 618
Юрий Николаевич Шаповалов
Владимир Сергеевич Шеин
МАШИНЫ И АППАРАТЫ
ОБЩЕХИМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Учебное пособие
Редактор В. В. Пушкаренко
Художник А. Г. Лось
Технический редактор Ю. А. Фосс
Корректоры Н. В. Плахина, Г. И. Старухина
Сдано в набор 04.06.81. Поди, в печ. 25.09.81. ЛЕ 09848. Форм. бум. 70X108/16
Бумага типографская № 3. Литературная гарнитура. Высокая печать. Усл. п. л. 26,6.
Уч.-изд. л. 24. Тираж 2500. Заказ 710. Цена 1р. 10 к.
Издательство Воронежского университета
Воронеж, ул. Ф. Энгельса, 8
Типография издательства ВГУ
Воронеж, ул. Пушкинская, 3