10.2 Основные процессы химической технологии и аппаратура для них

10.2.1 Гидромеханические процессы

Гидромеханическими процессами называются процессы, протекающие в гетерогенных, минимум двухфазных системах и подчиняющихся законам гидродинамики. Подобные системы состоят из дисперсной фазы, находящейся в раздробленном состоянии, и дисперсной среды. В зависимости от агрегатного состояния дисперсионной среды и размеров частиц дисперсной фазы различают:

– для газовой среды: пыль(5-10мкм), дым(0.3-5мкм), туман (0.3-3мкм);

– для жидкой среды: суспензии (0.1-100мкм), коллоидные растворы (менее 0.1мкм), эмульсии и пены.

К гидромеханическим процессам относятся: осаждение, фильтрование, псевдоожижение, перемешивание в жидкой фазе.

Осаждение – процесс разделения жидких или газовых неоднородных систем путем выделения из жидкой или газовой фазы твердых или жидких частиц дисперсной фазы. Скорость осаждения их подчиняется закону Стокса:

U = d²* (_t -_ж) / К*, (10.2)

где: К - постоянная, равная для частиц сферической формы, d-диаметр частицы,

_т и _ж – плотность частиц и дисперсионной среды, соответственно,  - вязкость дисперсионной среды.

Процесс осаждения может происходить под действием различных сил. В соответствии с этим к осаждению относятся следующие процессы:

– отстаивание, т.е. осаждение под действием силы земного тяготения;

– циклонирование и центрифугирование, т.е. осаждение под действием центробежной силы;

– электроосаждение, т. е. осаждение под действием сил электрического поля.

Для осаждения используют аппараты различной конструкции, которые должны удовлетворять двум требованиям: время пребывания частицы в аппарате должно быть равно или больше времени ее осаждения, и линейная скорость потока в аппарате должна быть значительно меньше скорости осаждения.

Для отстаивания применяются отстойники различного типа периодического и непрерывного действия, снабженные в ряде случаев гребками для удаления твердого осадка.

Циклонирование применяется для разделения пылей и реже для разделения суспензий (гидроциклонирование). Для этой цели применяют аппараты – циклоны, в которых центробежная сила возникает за счет вращения потока газа или жидкости. Из выражения:

G_ц = m*w² /r. (10.3)

G _ц – центробежная сила, m- масса частицы, r-радиус циклона, w-окружная скорость частицы в циклоне.

Из формулы следует, что производительность аппарата возрастает с уменьшением его диаметра. На этом основано использование серии параллельно работающих аппаратов малого диаметра, но с той же поверхностью осаждения, что и одного большого циклона.

Центрифугирование применяется для разделения суспензий и эмульсий и осуществляется в центрифугах, в которых центробежная сила создается за счет вращения самого аппарата. Процесс центрифугирования подчиняется тем же законам, что и циклонирование. Центрифуги для разделения эмульсий называются сепараторами.

Электроосаждение применяется для осаждения взвешенных в газе твердых (пыль) или жидких (туман) частиц под действием электрического тока и осуществляется в аппаратах называемых сухими и мокрыми электрофильтрами. Процесс электроосаждения состоит из последовательных стадий:

– ионизация молекул за счет потоков электронов излучаемых катодом при создании в аппарате высокой разности потенциалов:

К → nе, М + е →Мⁿ

– адсорбция образовавшихся ионов на частицах пыли или каплях:

П +mМ^-n→П(М^-n)_m,

– перемещение заряженных частиц к аноду, их разряд на нем и осаждение:

П(М^-n)_m–mnе →П +mМ

В этой схеме: М- молекулы газа, П – частица ( пылинка, капля)

Метод электроосаждения обеспечивает высокую степень разделения и применяется для систем, содержащих частицы малого размера.

Фильтрование – процесс разделения суспензий, пылей или туманов путем пропускания их через пористую перегородку (фильтр), способную задерживать взвешенные в дисперсионной среде частицы. В качестве материала фильтров используются зернистые материалы (гравий, песок), ткань, сетки из металлических и полимерных нитей, пористые керамика и пластмассы.

Движущей силой процесса фильтрования служит разность давлений перед фильтром и после него или центробежная сила, оказывающая давление на фильтр. В соответствии с этим процессы фильтрования подразделяются на:

-фильтрование под действием перепада давления или собственно фильтрование за счет разности давления перед фильтром и за ним,

-фильтрующее центрифугирование, протекающее под действием центробежной силы, возникающей в фильтрующей центрифуге.

Разновидность процесса фильтрования – вакуум – фильтрование, в котором движущая сила процесса возрастает за счет создания разряжения за фильтром.

Конструкции фильтрующих аппаратов весьма разнообразны. Они подразделяются на газовые и жидкостные фильтры, фильтры непрерывного и периодического действия, фильтрующие центрифуги. Наиболее распространены ленточные и барабанные вакуум-фильтры, обладающие максимальной производительностью.

Псевдоожижение – процесс приведения твердого зернистого материала в состояние, при котором его свойства приближаются к свойствам жидкости. Псевдоожиженные системы способны принимать форму аппарата, перемещаться по трубопроводу, выталкивать тела меньшей плотности, обладают свойствами вязкости и текучести. Режим псевдоожижения (режим кипящего слоя) достигается при таком состоянии системы, когда вес зернистого материала, приходящийся на единицу площади сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя.

ΔР =m_сл : S

Для проведения процессов в кипящем слое используются аппараты различной конструкции, в которых по всей высоте аппарата обеспечивается стабильный и одинаковый гидродинамический режим. Это достигается регулированием подачи газообразного агента, применением мешалок, использованием центробежной силы. Эти аппараты широко используются для проведения химических (обжиг руд, крекинг углеводорода), физических, физико-химических (сушка, адсорбционная очистка газов) и механических (обогащение, транспортировка сыпучих материалов) процессов.