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

36308. Виды комплексов и компонентов САПР. Программно- методический комплекс, программно-технический комплекс САПР, их разновидности 40.64 KB
  Виды комплексов и компонентов САПР. Программно методический комплекс программнотехнический комплекс САПР их разновидности. Комплексы средств автоматизированного проектирования – это совокупность компонентов проектирования предназначенная для тиражирования и ориентированная на проектирование объектов определённого класса вида типа и выполнения унифицированных процедур в проектирующих или обслуживающих подсистемах САПР. Комплексы средств могут быть представлены одним из компонентов САПР или комбинированными САПР.
36309. Интегрированная система управления (СУ) 36.78 KB
  Интегрированная система управления СУ является иерархической многоуровневой. Разделение функционирования подсистем входящих в интегрированную систему управления по уровням обусловлено задачами решаемыми каждой из подсистем и в целом на предприятии. Рассмотрим разделение уровней в интегрированной системе управления предприятием и взаимосвязь выделенных уровней.Автоматизированная система управления предприятием обеспечивает административный персонал предприятия оперативной информацией о состоянии производства.
36310. Классификация исполнительных механизмов. Их характеристики 12.96 KB
  По виду энергии создающей перестановочное усилие ИМ делятся на гидравлические пневматические электрические и комбинированные. Гидравлические: мембранные поршневые лопастные гидромуфты Пневматические: мембранные поршневые сильфонные Электрические: электродвигатели электромагнитные электрические устройства позиционного типа переменной скорости постоянной скорости По типу движения все вышеперечисленные ИМ делятся на прямоходные однооборотные многооборотные.
36311. Приведите и поясните основные принципы управления 23.52 KB
  Управление по возмущению управление без обратной связи по регулируемой величине – разомкнутые системы управления.Управление по отклонению управление с обратной связью по регулируемой величине – замкнутые системы управления. Управление по возмущению В таких системах выходная величина объекта у не измеряется управляющее воздействие не зависит от у. Управление в разомкнутых системах может осуществляться: а в виде программного управления: при этом регулятор УУ действует по заранее заданной...
36312. Стадии и этапы проектирования систем автоматизации 15.92 KB
  Исследование и обоснование создания АСУТП. На этой стадии формируют цель создания АСУТП требования к системе в целом перечень автоматизируемых функций а также определяют источники эффективности системы. На этой стадии проводят анализ известных случаев применения АСУТП для аналогичных объектов и техникоэкономическое обследование существующего ТехОбУпр. Результатом работ на этой стадии являются техникоэкономическое обоснование ТЭО создания АСУТП и результаты обследования и анализа ТОУ в виде отчета.
36313. Исполнительное устройство – силовое устройство, которое изменяет величину регулируемого параметра в соответствии с сигналом, подающимся от регулирующего устройства 30.48 KB
  Исполнительное устройство – силовое устройство которое изменяет величину регулируемого параметра в соответствии с сигналом подающимся от регулирующего устройства. Схема исполнительного устройства: Исполнительное устройство должно иметь вспомогательные средства управления. На входе исполнительного устройства ставят блоки усиления БУ которые усиливают командный сигнал для передачи от регулирующего устройства к исполнительному.
36314. Виды и типы схем. Их назначение. Примеры 76.8 KB
  Виды и типы схем При разработке схем автоматического управления и технологического контроля применяют различные приборы и средства автоматизации соединяемые с объектом управления и между собой по определенным схемам. В зависимости от используемых приборов и средств автоматизации электрических пневматических гидравлических и линейной связи в проектах автоматизации разрабатывают схемы которые различают по видам и типам. Наибольшее распространение в практике автоматизации технологических процессов получили электрические приборы и средства...
36315. Выбор типа исполнительного механизма 11.96 KB
  ИМ выбирают в зависимости от величины усилия необходимого для перестановки регулирующего клапана или величины момента для поворотных заслонок. Для поворотных заслонок величину момента Нм необходимого для их вращения определяют по формуле М=кМрМт где Мр – реактивный момент; к – 2 ÷ 3 – коэффициент учитывающий затяжку сальников и загрязненность трубопровода; Мт – момент трения. Момент на валу ИМ д б равен или больше момента необходимого для вращения заслонки. Реактивный момент обусловленный стремлением потока закрыть заслонку равен:...
36316. Задачи расписания и упорядочения 12.1 KB
  Задачи расписания и упорядочения Задачи распределения и упорядочения возникают тогда когда требуется установить последовательность выполнения операций на различных агрегатах и определить время начала и окончания этих операций. Рассмотрим схему прокатки металла на сортовом стане отражающую производственную структуру участка для которой требуется определить расписание работы: В этом случае задача состоит в определении расписания и выполнения операций при которых некоторый критерий оценки эффективности работы объекта принимает экстремальное...