95789

Техническое оборудование химического производства органических соединений азота

Лекция

Химия и фармакология

Задачи: изучение гидродинамики, массообмена, теплообмена, процесса протекающего в оборудовании с учетом его конструктивных особенностей; изучение взаимодействия между собой элементов и деталей оборудования; определение нагрузок, действующих на элементы и детали оборудования; решение вопросов техники безопасности, экономических вопросов...

Русский

2015-09-29

897.5 KB

1 чел.

Лекция № 1

Цели и задачи дисциплины

Цели: изучение основного технического оборудования химического производства органических соединений азота.

Задачи:

  •  изучение гидродинамики, массообмена, теплообмена, процесса протекающего в оборудовании с учетом его конструктивных особенностей;
  •  изучение взаимодействия между собой элементов и деталей оборудования;
  •  определение нагрузок, действующих на элементы и детали оборудования;
  •  решение вопросов техники безопасности, экономических вопросов и условий эксплуатации и монтажа.

Требуют определенного уточнение понятия машина и аппарат.

Машина − это вид оборудования предназначенного для преобразования энергии в полезную работу (например, холодильная машина, дробилка, мельница,  и т. д.).

Аппарат это оборудование, предназначенное для проведения процесса. В нашем случае это аппараты с мешалкой, сушилки, фильтры и т.д.

Имеется оборудование, которое сложно отнести к машинам или аппаратам. Например, центрифуга является машиной или аппаратом, поскольку, с одной стороны, в ней энергия вращения преобразуется в полезную работу по разделению неоднородной системы жидкость твердое, а с другой, идет процесс фильтрования или осаждения под действием центробежной силы. В данном случае следует учитывать целенаправленность применения центрифуги. Основное ее назначение не преобразование энергии, а разделение неоднородной системы. Следовательно, центрифуги можно считать аппаратами. Подобные рассуждения позволяют нам говорить об аппаратов с перемешивающими устройствами (мешалками).

Перемешивание

 

Цель перемешивания – гомогенизации – заключается в снижении концентрационного или температурного градиента, либо обоих одновременно, в перемешиваемой системе.

Распределение частиц отдельных компонентов в исходной смеси случайно, на них может действовать сила тяжести, может происходить сегрегация или седиментация. При помощи перемешивания стремятся достигнуть совершенного взаимного распределения частиц. Совершенным, или полным, можно назвать такое перемешивание, в результате которого бесконечно малые пробы смеси, отобранные в любом месте перемешиваемой системы, будут иметь одинаковый состав, а температура в любой точке системы окажется одинаковой. Однако достичь такого состояния на практике не представляется возможным.

Для перемешивания необходимо движение перемешиваемых веществ. Способы приведения массы в движение, равно как и способы поддержания этого движения определяются особенностями среды, от свойств которой зависит характер смеси, поэтому подход к теоретическим основам перемешивания будет разным для смесей с различными свойствами. Перемешиваемые системы могут быть либо жидкостями, либо сыпучими веществами. Жидкости делятся на сжимаемые (газы) и несжимаемые (капельные). При рассмотрении перемешивания целесообразно подразделять собственно жидкости на ньютоновские и на неньютоновские. Движение газов и ньютоновских капельных жидкостей описывается одинаковыми законами, которые, однако, неприменимы для описания течения неньютоновских жидкостей. Законы же движения сыпучих масс отличаются от обоих предыдущих. При приготовлении композиций на основе полимерных материалов может иметь место диспергирование сыпучих компонентов и деструкция полимера. Поэтому необходимо различать:

  •  перемешивание в газах и жидких средах;
  •  перемешивание паст и тестообразных масс или перемешивание неньютоновских жидкостей;
  •  смешивание твердых сыпучих материалов;
  •  смешивание (приготовление) полимерных композиций.

Перемешивание в жидких средах широко применяется в химической промышленности для приготовления эмульсий, суспензий и получения гомогенных систем (растворов), а также для интенсификации химических, тепловых и диффузионных процессов. В последнем случае перемешивание осуществляют непосредственно в предназначенных для проведения этих процессов аппаратах, снабженных перемешивающими устройствами.

Цель перемешивания определяется назначением процесса. При приготовлении эмульсий для интенсивного дробления дисперсной фазы необходимо создавать в перемешиваемой среде значительные срезающие усилия, зависящие от величины градиента скорости. В тех зонах аппарата, где градиент скорости жидкости имеет наибольшее значение, происходит наиболее интенсивное дробление диспергируемой фазы. В случае гомогенизации, приготовления суспензий, нагревания или охлаждения перемешиваемой гомогенной среды целью перемешивания является снижение концентрационных или температурных градиентов в объеме аппарата.

При использовании перемешивания для интенсификации химических; тепловых и диффузионных процессов в гетерогенных системах создаются лучшие условия для подвода вещества в зону реакции, к границе раздела фаз или к поверхности теплообмена. Увеличение степени турбулентности системы, достигаемое при перемешивании, приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличению и непрерывному обновлению поверхности взаимодействующих фаз. Это вызывает существенное ускорение процессов тепло- и массообмена. Перемешивание применяют при абсорбции, выпаривания, экстрагирования и других процессах химической технологии.

Основной предпосылкой перемешивания является движение перемешиваемых масс. В жидкостях могут иметь место два вида движения: свободное и вынужденное. Как известно, взаимно-смешивающиеся жидкости, находящиеся в замкнутом пространстве, через некоторое время самопроизвольно смешаются. Это перемешивание вызывается движением частиц жидкости, которое возникает под влиянием молекулярной диффузии или происходит вследствие массопередачи в условиях свободной конвекции, возникающей из-за неодинаковой плотности жидкостей или разной температуры в различных слоях жидкости, или же осуществляется под влиянием обоих процессов одновременно. При нормальной температуре и давлении преобладает влияние молекулярной диффузии. В технике самопроизвольное перемешивание почти не применяется, так как протекает слишком медленно. Для достижения перемешивания более быстрого, чем самопроизвольное, используют передачу массы или тепла посредством вынужденной конвекции, которая достигается направленным движением жидкости – течением.

Способы перемешивания. Способы перемешивания и выбор аппаратуры для его проведения определяются целью перемешивания и агрегатным состоянием перемешиваемых материалов. Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью – газ, жидкость или твердое сыпучее вещество, – различают два основных способа перемешивания в жидких средах: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах, с помощью сопел и насосов и пульсационное перемешивание.

Механическое перемешивание. Наибольшее распространение в химической промышленности получило перемешивание с введением в перемешиваемую среду механической энергии из внешнего источника. Механическое перемешивание осуществляется с помощью мешалок, которым сообщается вращательное движение либо непосредственно от электродвигателя, либо через редуктор или клиноременную передачу. Известны также мешалки с возвратно-поступательным движением, имеющие привод от механического или электромагнитного вибратора.

Пневматическое перемешивание сжатым инертным газом или воздухом используют в тех случаях, когда перемешиваемая жидкость отличается большой химической активностью и быстро разрушает механические мешалки. Перемешивание сжатым газом является малоинтенсивным. Расход энергии при пневматическом перемешивании больше, чем при механическом. Пневматическое перемешивание не применяют для обработки летучих жидкостей в связи со значительными потерями перемешиваемого продукта. При использовании воздуха может сопровождаться окислением или осмолением веществ. Перемешивание проводят в аппаратах, снабженных специальными устройствами – барботером или центральной циркуляционной трубой. Барботер представляет собой расположенные по дну аппарата трубы с отверстиями, с помощью которых осуществляется барботаж газа через слой обрабатываемой жидкости. При циркуляционном (эрлифтном) перемешивании газ подают в циркуляционную трубу. Пузырьки газа увлекают за собой вверх по трубе жидкость, находящуюся в сосуде, которая затем опускается вниз в кольцевом пространстве между трубой и стенками аппарата, обеспечивая циркуляционное перемешивание жидкости.

Перемешивание в трубопроводах является простейшим способом перемешивания жидкостей (капельных и газообразных), применяемым при транспортировании их по трубопроводам, и происходит под действием турбулентных пульсаций. Поэтому такой способ можно пользоваться при условии, что течение турбулентно и трубопровод, по которому перекачиваются смешивающиеся жидкости, имеет длину, достаточную для обеспечения заданного среднего времени пребывания жидкости в трубопроводе. Часто для улучшения перемешивания жидкостей в трубопровод помещают специальные вставки, винтовые насадки или инжекторы.

Перемешивание с помощью сопел и насосов. Сопла в аппаратах применяют для перемешивания газообразных и капельных жидкостей – чаще всего циркуляционным способом. Струя жидкости, вытекающая из сопла, передаёт за счет внутреннего трения часть своей кинетической энергии прилегающим слоям жидкости, приводя их в движение. В пространстве, которое занимали эти слои, возникает разрежение. Снижение давлений заставляет жидкость подсасываться в эту часть пространства. Такая последовательность взаимодействия струи и находящейся в аппарате жидкости происходит непрерывно и многократно, обеспечивая перемешивание содержимого аппарата. Сопла для капельных жидкостей применяют обычно совместно с циркуляционным насосом, который сообщает жидкости, подаваемой в сопло, необходимую кинетическую энергию. Кинетическая энергия струи будет использована наиболее эффективно при значениях отношения расстояния от устья сопла к его диаметру 15–20 раз. В некоторых случаях жидкости перемешивают, многократно перекачивая их через аппарат с помощью циркуляционного насоса без применения сопел.

Аппараты с мешалками.

Перемешивание – прием для приготовления растворов, эмульсий, суспензий и интенсификации массообмена и химических процессов.

Цель: снижение температур, концентрации и градиентов. Идеальное перемешивание – температуры в любой точке объема должны быть одинаковы (суспензия, эмульсия – концентр)

Рисунок  – аппарат с перемешивающим устройством

Аппарат с перемешивающим устройством состоит из следующих конструктивных элементов: 1 – корпус, 2 – крышка, 3 – патрон для термопары,

4 – труба передавливания, 5 – змеевик, 6 – мешалка.

ГОСТ 20680-86 Аппараты с механическими перемешивающими устройствами, вертикальные. Типы и основные размеры.

ОСТ 26-01-1225-75, ОСТ 26-01-1228 -75 Приводы вертикальные для аппаратов с перемешивающими устройствами.

ОСТ 26-01-1245-83 Мешалки. Типы, параметры, конструкции, основные размеры.

ОСТ 26-01-1246-75 Корпуса стальные, вертикальные аппаратов с механическими перемешивающими устройствами.

РТМ 26-01-72-82 Валы вертикальных аппаратов с перемешивающими устройствами.

РТМ 26-01-90-76 Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные. Методы расчета.

ОСТ 26-01-1242-75 Уплотнение валов для аппаратов с перемешивающими устройствами. Гидрозатворы.

ОСТ 26-01-1247-75 Уплотнение валов для аппаратов с перемешивающими устройствами. Уплотнения сальниковые.

При этом Hж – высота налива жидкости; D – диаметр аппарата, d − диаметр мешалки. Отсюда следует определение симплекса геометрического подобия

ГД=D/d.

Гидродинамическое подобие определяет критерий Рейнольдса, рассчитанный по скорости конца лопасти мешалки

,

который часто называется центробежный критерий Рейнольдса.

Различают следующие типы мешалок:

  •  тихоходные (лопастная, якорная, рамная),
  •  быстроходные (турбинная открытая, турбинная закрытая, пропеллерная).

Лопастная

Якорная

Рамная

Турбинная

открытая

Турбинная     

закрытая

Пропеллерная

µ·10-3 ,Па·с

1÷500

1÷10000

1÷10000

1÷40000

1÷25000

1÷4000

wокр м/с

1.5÷5

0.5÷4

0.5÷4

2.5÷10

2÷12

4÷16

ГдD/d

1.5

1.15

1.15

3÷4

3÷4

3÷4

Интенсивность и эффективность перемешивания.

Эффективность перемешивающего устройства характеризует качество перемешивания и может быть выражена по-разному в зависимости от цели перемешивания. Например, при получении суспензий эффективность перемешивания характеризуется степенью равномерности распределения твердой фазы в объеме аппарата; при интенсификации тепловых и диффузионных процессов – отношением коэффициентов тепло- или массоотдачи при перемешивании и без него. Эффективность перемешивания зависит не только от конструкции перемешивающего устройства и аппарата, но и от величины энергии, вводимой в перемешиваемую жидкость.

Интенсивность перемешивания определяется временем достижения заданного технологического результата или числом оборотов мешалки при фиксированной продолжительности процесса (для механических мешалок). Чем выше интенсивность перемешивания, тем меньше времени требуется для достижения заданного эффекта перемешивания. Интенсификация перемешивания приводит к уменьшению размеров проектируемой аппаратуры и увеличению производительности действующей.

Для производства желательно, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим устройством следует учитывать общий расход энергии за время, необходимое для обеспечения заданного результата перемешивания. Наиболее важными характеристиками перемешивающих устройств, которые могут быть положены в основу их сравнительной оценки, являются: эффективность перемешивающего устройства; интенсивность его действия.

Гомогенизация. Целью перемешивание взаимно растворимых и взаимно смешиваемых сред является достижение заданной степени относительной неоднородности концентрации вещества  или температуры  среды в объеме аппарата  за время  (время гомогенизации), меньшее, чем время пребывания среды в аппарате. Предельным состоянием перемешиваемых сред, достигаемым за время , является получение гомогенной среды. Под гомогенной понимается среда, имеющая в различных дискретных точках одинаковые физические и химические характеристики. Мерой отклонения перемешиваемой среды от гомогенной могут служить максимально возможные отклонения местных (локальных) концентраций  или температур  от их средних значений  и , причем

                               ; .                               (1)

В зависимостях (1)  и  – дискретные значения концентрации и температуры.

Относительная величина неоднородности концентрации вещества определяется по формуле

,

а относительная величина неоднородности температур – по выражению

При этом средняя концентрация вещества Сер в аппарате определяется по формуле

                                         ,                                                (2)

где G – масса компонента, введенного в аппарат, заполненный жидкостью, объем которой равен .

Рис. 1. Изменение концентрации С в функции времени  ( – начало процесса – ввод веществ в аппарат;  – конец процесса).

Гомогенизация как процесс перемешивания характеризуется изменением концентрации одного вещества в другом. При этом (рис.1) в начале процесса продукт A1 распределен в продукте А2 таким образом, что концентрация продукта А1 постоянна и равна С1. В момент времени  в аппарат загружают дополнительную порцию продукта A1, в результате чего в точке ввода этого продукта местная концентрация С становится максимальной. В результате колебательного процесса концентрация достигает в конце процесса (время ) значения, характеризующегося заданной степенью неоднородности . На рис. 1 буквы А и Б соответствуют максимальному  и минимальному  локальным значениям массовой концентрации вещества А1 в аппарате, а В – его среднему  значению, определенному при .

В периодически действующих аппаратах в качестве меры, определяющей однородность перемешиваемых сред, может быть использована зависимость , где  – коэффициент однородности;  – минимальная концентрация;  – средняя концентрация вещества, определяемая по формуле (2).

Для гомогенизации используются различные типы быстроходных и тихоходных мешалок. При выборе мешалок предпочтение отдается той, которая обеспечивает при минимальных энергетических затратах заданную степень однородности вещества за меньшее время.

Гомогенизация жидких сред в аппаратах с отражательными перегородками характеризуется временем  выравнивания концентраций, величина которого пропорциональна объемной мощности перемешивания  и симплексу геометрического подобия . В общем случае для определения времени гомогенизации  используют выражение

,                                             (3)

в котором постоянная величина  определяется типом мешалки. С учетом симплекса геометрического подобия зависимость (6.1. .1) имеет вид

            .                                        (4)

Значения постоянной  представлены в табл. 6.1. .1.

Таблица 6.1. 1 

Значения постоянной 

Тип мешалки

 для аппарата

гладкостенного

с отражательными перегородками

Трехлопастная

170

10

Винтовая

170

10

Открытая турбинная

90

6,2

Шестилопастная

80

12,9

Закрытая турбинная

65

5,1

Лопастная

35

9,2

Клетьевая

18

Зависимость (1) представляет собой функцию

.                                              (5)

Для винтовых мешалок в диапазоне  функция (5) может быть заменена выражением

                                           ,                                          (6)

а в диапазоне  – зависимостью (3), в которой =87,7=const.

В случае применения открытой турбинной мешалки в аппарате с отражательными перегородками нестандартного типа зависимость (4), для  может быть заменена выражением

,

а для  – зависимостью

,

в которых 0,25(HD-1,0–1); hМ2  расстояние от оси мешалки до дна аппарата (см. рис. 1); b – высота лопасти мешалки.

Расчет времени гомогенизации  в аппаратах различного типа целесообразно осуществлять методом последовательных приближений. При этом в качестве первого приближения для расчета аппаратов, работающих в турбулентном режиме, можно использовать кривые, приведенные для некоторых мешалок. Обработка приведенных данных позволяет связать кривые единой зависимостью

.

С учетом формулы для  эта зависимость может быть представлена выражением

,

позволяющим определить время гомогенизации  в зависимости от выбранной конструкции аппарата, характеризуемой частотой вращения мешалки п, симплексом геометрического подобия  и критерием мощности . В первом приближении расчета не определяется достигаемая степень неоднородности перемешиваемых сред. Для решения этой задачи во втором приближении необходимо выполнить специальный расчет.

PAGE  4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12847. ИГРА «ДВА КОРАБЛЯ» 27.5 KB
  ИГРА ДВА КОРАБЛЯ ПЕРИОД СМЕНЫ: основной. ВОЗРАСТ: старшие отряды. КОЛИЧЕСТВО ДЕТЕЙ: в идеале 2 команды по 10 человек остальные дети жюри если отряд большой число участников можно увеличить. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ: 1час. МЕСТО ПРОВЕДЕНИЯ: отрядное место или люба
12848. ГЕРБЫ 20.5 KB
  ГЕРБЫ. Задача: познакомить детей. Период смены: орг. период. Возраст детей: старший отряд. Продолжительность: 3050 минут. Количество детей: весь отряд. Место проведения: отрядное место. Оборудование: бумага карандаши. Раздаем гербы. Их запоминае...
12849. ГАЗЕТА 23 KB
  ГАЗЕТА. Задачи: сплочение коллектива развитие творческой сообразительности показать детям то что они должны искать в окружающей жизни больше положительных моментов в отличии от современных СМИ которые освещают слишком много негативного. Период смены: серед
12850. ВЫДУМАННЫЙ ПОРТРЕТ 20.5 KB
  ВЫДУМАННЫЙ ПОРТРЕТ. Задача: познакомить детей друг с другом. Период смены: орг. период. Возраст детей: с 10 лет. Продолжительность: 4060 минут. Количество детей: весь отряд. Место проведения: отрядное место. Оборудование: инструмент сигнал которого обозначает н
12851. Ассоциации отрядное дело. Развитие ассоциативного мышления 20.5 KB
  АССОЦИАЦИИ. Задачи: развитие ассоциативного мышления. Период смены: вторая половина основного периода. Возраст детей: от 12 лет. Продолжительность: от 30 минут. Количество детей: весь отряд. Место проведения: отрядное место. Оборудование: Сначала во...
12852. Анкета отрядное дело. Знакомство детей в пионерлагере 23.5 KB
  АНКЕТА. Задачи: познакомить детей Период смены: орг. период. Возраст детей: до 11 лет. Продолжительность: от 1 часа до . Количество детей: весь отряд. Место проведения: отрядное место. Оборудование: анкеты на каждого ребёнка листы бумаги А5. Вожатый раз...
12853. Автопортрет отрядное мероприятие. Знакомство детей в пионерлагере 21 KB
  АВТОПОРТРЕТ. Задача: познакомить детей друг с другом. Период смены: организационный. Возраст детей: кроме старших. Продолжительность: 4060 мин. Количество детей: весь отряд. Место проведения: отрядное место. Оборудование: 5 карточек. Делим отряд на 5 г...
12854. СТРАШНЫЙ СУД Карточная групповая профориентационная игра 182 KB
  СТРАШНЫЙ СУД Карточная групповая профориентационная игра Эта игра помогает подростку увидеть свои возможности и в соответствии с ними выбирать профессиональные и жизненные цели. Игра имеет диагностические психокоррекционные и прогностические аспекты. ОБЩЕЕ
12855. ИГРА Профконсультация 208.5 KB
  ИГРА Профконсультация Целью игры профконсультация является специально организованная помощь школьников друг другу при выборе профессии под наблюдением и контролем психолога. Игра имеет разные варианты которые имеют отдельные описания. В некоторых вариантах иг