close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

3827 makarov yu. i. genkin a. e tehnologicheskoe oborudovanie himicheskih i neftegazopererabativayushih zavodov

код для вставкиСкачать
V '
6 .о 7 \
Ю. И. М акаров
А. Э. Генкин
М (^
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
ХИМИЧЕСКИХ
И НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮШИХ
N ЗАВОДОВ
Издание 2-е, переработанное
и дополненное
Допущено Главным управлением кадров и учебных заведений
Министерства монтажных и специальных
строительных работ СССР в качестве учебника
для учащихся техникумов
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1976
I1
к
Е Ж И Г 1И О Т Е Н 4
*
»
I
I
6.08
М15
УДК 66.013.05 : 665.6.05
Рецензент инж. А. Л. Зильберберг
Макаров Ю. И., Генкин А. Э.
М15 Технологическое оборудование химических и нефте­
газоперерабатывающих заводов. Учебник для тех­
никумов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М., «Машино­
строение», 1976.
[
У;:''' р ■' 4
368 С. С. ИЛ.
В учебнике приведены общие сведения об основных процессах
химической и нефтехимической технологии. Описано основное
технологическое оборудование химических и нефтегазоперера­
батывающих заводов.
Дополнительно, по сравнению с первым изданием (1969 г.),
введены главы «Дробильно-размольное оборудование» и «Обо­
рудование и сооружения очистки и обезвреживания промышлен­
ных сточных вод».
Учебник предназначен для учащихся техникумов по спе­
циальности «Монтаж и ремонт промышленного оборудования».
30804—260
038 (01)-76 260*76
6.08
© Издательство «Машиностроение», 1976 г.
ВВЕДЕНИЕ
Перспективные планы развития промышленности и
сельского хозяйства предусматривают увеличение вы­
пуска продукции химической промышленности и в пер­
вую очередь минеральных удобрений, синтетического
каучука, пластических масс и химических волокон.
Обеспечить выпуск этих продуктов во все возраста­
ющих количествах возможно только при широком вне­
дрении автоматизации и механизации производственных
процессов, использовании новейшего высокопроизводи­
тельного оборудования и быстром внедрении последних
достижений науки и техники.
Достижения в области машиностроения, металлургии,
сварки, а также теоретические и экспериментальные
исследования химических процессов позволили разрабо­
тать совершенную высокопроизводительную химическую
аппаратуру. Теперь химическая технология располагает
аппаратами высотой до 90 м со сложными внутренними
устройствами, работающими при температурах от — 185
до +3000 С, давлениях до 200 АШ/м2, глубоком вакууме
и в наиболее агрессивных средах.
Большую роль в совершенствовании химического обо­
рудования сыграли работы советских ученых Н. И. Гельперина, Н. М. ЖаЕоронкова, А. Г. Касаткина, В. В. Кафарова М. В. Кирпичева, А. Н. Плановского, П. Г. Романкова, И. А. Тищенко и др.
Химическое оборудование отличается огромным раз­
нообразием. Трудно назвать другую отрасль народного
хозяйства, в которой использовалось бы такое множество
различных по принципу действия, конструкции, мате­
риалам и размерам аппаратов и машин. Однако все это
оборудование можно подразделить на несколько групп.
В основу классификации химических аппаратов по
группам можно положить тот или иной признак: кон­
структивный, по назначению, по принципу ор 13*&зации
процесса, гидравлическому или тепловому режиму и т. п.
Наиболее удобно классифицировать химическое обору­
дование по основному процессу, протекающему в аппа­
рате. Этот принцип и был положен в основу классифика­
ции технологического оборудования.
В книге рассмотрены узлы и детали, общие для раз­
личных химических машин и аппаратов, и изложены
основные принципы их конструирования.
Глава
I.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
О ПРОЦЕССАХ ХИМИЧЕСКОЙ
И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
§ 1. Классификация оборудования и процессов
химической и нефтехимической технологии
Разнообразны е процессы химической и нефтехимиче­
ской технологии можно разделить на два основных класса:
химические и физико-механические.
Химические процессы связаны с химической реакцией
и являю тся обычно основным звеном в химических и
нефтехимических производствах. А ппаратура для хими­
ческих процессов наиболее слож на и разнообразна по
конструкции, так к ак химические реакции, как правило,
сопровождаются значительным тепловым эффектом, изме­
нением агрегатного состояния реагирующ их веществ,
требуют интенсивного теплообмена и применения ката­
лизаторов.
Физико-механические процессы служ ат для подготовки
исходного сы рья, разделения продуктов реакции, приве­
дения к товарному виду готовой продукции и т. д Иногда
именно физико-механические процессы определяют про­
изводительность всей технологической схемы. •Физико­
механические процессы можно подразделить на механи­
ческие, гидромеханические, тепловые и массообменные
процессы.
Механические процессы связаны с переработкой твер­
дых материалов. К ним относят измельчение твердых
материалов (дробление и помол), классификацию (сорти­
ровку) материалов по размеру частиц, смешение сыпучих
и переработку пастообразных материалов.
Гидромеханические процессы связаны с переработкой
ж и дки х и газообразных систем. Это перемешивание про­
дуктов, разделение суспензий путем фильтрации, отстаи­
вание, центрифугирование, разделение эмульсий, очистка
газов от пыли.
Тепловые процессы связаны с охлаждением, нагрева­
нием, испарением, конденсацией ж идких и газообразных
продуктов. Сюда относят также выпаривание растворов,
кристаллизацию, нагрев твердых веществ и получение
искусственного холода.
Массообменные процессы связаны с переходом веще­
ства из одной фазы в другую: растворение, сушка, ректи­
фикация, абсорбция (поглощение газов жидкостью), адсорб­
ция (поглощение газов на поверхности твердого тела),
экстракция (извлечение жидкостей с помощью специально
подобранных растворителей).
Во многих случаях одновременно протекают- разные
процессы, например, процессы массообмена, как правило,
сопровождаются тепловыми и гидромеханическими про­
цессами.
Конструкция технологических аппаратов и, способы
проведения процессов в значительной степени зависят от
агрегатного состояния (фазовых систем) реагирующих
веществ. В аппаратах возможны следующие агрегатные
состояния:
газ—газ;
газ—жидкость;
жидкость—жидкость;
жидкость—твердое вещество;
газ—твердое вещество;
твердое вещество—твердое вещество.
В системе газ—газ проводят высокотемпературные
химические процессы. Большинство из них протекает на
поверхности катализатора, поэтому аппараты этого типа
выполняют в виде трубчатки, заполненной катализатором,
или в виде полого цилиндра с поперечными полками, на
которые насыпан слой катализатора. Газы, проходя слой
катализатора, контактируют (взаимодействуют) друг с дру­
гом. Эти аппараты называют поэтому контактными.
Иногда для проведения процесса нет необходимости в ка­
тализаторе и требуется только нагрев обрабатываемых
продуктов. В этих случаях реакцию проводят в обогре­
ваемых снаружи трубах, т. е. в трубчатых печах.
системе газ—жидкость проводят процессы ректифи­
кации, поглощения газов, мокрой газоочистки и многие
химические процессы. Интенсивность этих процессов во
многом зависит от величины поверхности соприкоснове­
ния жидкости с газом. Для ее увеличения жидкость за ­
ставляют протекать через слой насадки, составленной
из твердых тел различной формы (кольца, шары, сетки,
гравий). Аппараты этого типа называют насадочными.
В некоторых аппаратах жидкость находится на тарел­
ках, смонтированных в цилиндрическом корпусе. Пузыри
газа проходят через слои жидкости на каждой тарелке.
Процесс этот называют барботажем (газ барботирует),
а аппараты — барботажными.
Для газов, хорошо растворимых в жидкости, доста­
точна небольшая поверхность контакта. В этих случаях
процесс проводят в простейших аппаратах барботажного
или поверхностного типа (в последних газ просто движется
над слоем жидкости).
В системе жидкость—жидкость проводят процессы
экстракции (разделения жидкостей), сепарации (разделе­
ния эмульсий) и разнообразные химические процессы.
Для них применяют емкостные аппараты с мешалками
или без мешалок или аппараты змеевикового типа.
В системе жидкость—твердое вещество проводятся
процессы фильтрации, отстаивания, центрифугирования,
для которых используют соответственно фильтры, от­
стойники и центрифуги. Химические процессы в системах
жидкость—твердое вещество происходят в емкостных
аппаратах с мешалками или в проточных камерах, запол­
ненных твердым продуктом.
В системе газ—твердое вещество проводится очистка
газа от пыли, сушка, а также ряд химических процессов
(в основном высокотемпературных, таких, как обжиг
сырья). Простейший аппарат для этого — камера, запол­
ненная твердым продуктом, омываемым потоком газа.
Для интенсификации процесса твердый продукт пере­
мешивается в гребковых аппаратах (с помощью враща­
ющихся гребков) или во вращающихся барабанах. К аппа­
ратам этого типа можно отнести и аппараты с так назы­
ваемым псевдоожиженным или «кипящим» слоем.
Системы твердое вещество—твердое вещество в хими­
ческой технологии используются редко. Для этих систем
применяют аппараты гребкового типа, вращающиеся
навстречу друг другу валки и шнеки.
Наряду с рассмотренными выше основными процес­
сами существуют различные вспомогательные операции,
такие, как хранение и транспортировка жидких, газооб­
разных и твердых продуктов, дозирование, загрузка их
в тару и т. д. Для указанных операций применяют хра­
нилища жидкостей и газов и всевозможные промежуточ­
ные емкости, а именно: резервуары для жидкостей, мер­
ники, напорные баки, ловушки, разделительные сосуды,
X
3
а
си
2
О л
о о
о о
о о
осо о
2 оа'
3 &
н С !
со
о.
СО
с
с
<
Яэи’лрйоой’в аое
вл винэи-эйевс! в \г\[
дэийрйозрв аое
вл винэггаЯевс! в&Й
уэиПнвёхэне
НЭХООМНИЖЭИНЭ1ГЭ^еес{
уэипвм
-ифихнэс! цэю онК иж
винэ 1гэ#ев <1 В1г #
а о 1гвис1эхви
1
X
3
ш
О
Ч СП
м оо
и а
н а>
2 X
ь О
св о.
а с
со
С
С
<
1
а) у
!
5 *
о Й
0, 9
СГ °*
х с
и х д
ИИНВЕИ1Г1ГВХЭИС!М В1Г^
цэхоонИиж
в и н в в и й в ч и а вхт^з*
винэй'жвц*
-ХО И1ГИ БвЭЙЛВН В1Г^
ЦЭХЭОМЙ'ИЖ |
винэшэмэ вь*^
1
2*8
н х
СО О
Си ^ 1
СО 2
с я
5
*
^ X
аоевл имхоиьо В1г^2* |
я
оо
а
4)
=г
о
о«
с
X
8
X
и
а>
я*
5 1
г {
Я 1
X
С
?
«К
X
X
<и
ц
а>
Н
о
Ои
С
К
ч
2
О*
о
X
0)
0*
эевф доВДэах а
л
ч
хнневфонЙ иж
4
хнневфоевл
хииээьихи 1гехен
4
хнневфоевл I
химоэьихи!гехвмэн I
■
«
#
?.-прV?,
УИ6Н911ЭЛЭ
винэхгэйевс! в^У/
М
-------------------------------------------------------------------------- 1
т
ш ш ш ш
ь
■
2н
СО
сС
и5 со
X
о
С
о
о»
со0ЕГ
)и
ф*
5 5ЯЯ
О
•адсX
оо.
к аг»с
асо
Щ
0
а о 1гвис!эхеи хиь
-Лино винэш эиэ В1г^2*
О
В
со
Си
со
С
со
3
•Ц
$**
-■ ■
^
>; :-''агГ
;
’
к
о
X
о
О
Щ
Р
%
а о 1гви(1эхвм хиьАи
- 1чо имаойихйоо в и*#
*
О
к
1гэх х и М э а х
винэьч!гэмеи ни*!/
Р ис
Основное оборудование
химических
производств
Х1ЧНЖВ 1ГЗ ИНГПЛо В 1Г #
газгольдеры, ресиьеры и т. д. К вспомогательному обо­
рудованию причисляют также машины для перемещения
жидкостей, газов и твердых веществ: насосы, компрес­
соры, транспортеры и т. д.
Кроме основного технологического и вспомогатель­
ного оборудования, в состав химических и нефтехимиче­
ских цехов входят также трубопроводы, электрооборудо­
вание,
контрольно-измерительные
приборы
(КИП),
автоматические средства управления и регулирования,
вентиляционные системы.
Таким образом, современный химический или нефте­
химический цех представляет собой сложную и взаимо­
связанную систему различных видов машин, аппаратов
и оборудования.
Единой классификации химического оборудования пока
нет. Известны следующие принципы классификации: по
конструктивному признаку (полочные колонны, аппараты
змеевикового типа, аппараты с мешалкой, трубчатые,
цилиндрические и т. п.); по принципу организации про­
цесса (периодического и непрерывного действия); по
агрегатному состоянию реагирующих веществ (аппараты
для системы газ + газ, газ + жидкость и т. д.); по основ­
ному процессу, протекающему в аппарате (отстойники,
фильтры, теплообменники, реакторы и т. д.). Часто
название аппаратов определяется смешанной классифи­
кацией, в которой присутствуют элементы вышеперечис­
ленных классификаций.
Для учебных целей наиболее удобно использовать
классификацию химического оборудования по основному
процессу, протекающему в аппарате. Основные типы хи­
мического оборудования с использованием этого прин­
ципа классификации подразделяются на несколько групп
(рис. 1). ~
•'
г
§ 2. Характеристика основных производств
химической и нефтехимической технологии
Разнообразные производства химической и нефтехими­
ческой технологии можно разделить на следующие основ­
ные группы:
1. Производство неорганических продуктов: серной
кислоты, аммиака, азотной кислоты, минеральных удоб­
рений, солей и т. д. Большой объем в этом виде произ­
водства занимают процессы переработки твердых веществ,
поэтому наряду с крупногабаритной и высокопроизводи­
тельной реакционной аппаратурой в них широко при­
меняют оборудования для дробления, размола, филь­
трации и сушки.
2. Процессы основного органического и нефтехими­
ческого синтеза включают производстваубрганических
полупродуктов и на их основе производства пластмасс,
синтетических каучуков и различных синтетических про­
дуктов. Эти производства также становятся многотоннаж­
ными и приближаются по мощности к производствам
неорганической химии. В отлитие от неорганических
производств процессы основного органического синтеза,
как правило, связаны с переработкой жидких и газооб­
разных продуктов.
^
3. В отдельную группу выделяют производства тон­
кой химической технологии, включающие производство
полупродуктов и красителей, реактивов и лекарственных
веществ. Эти процессы, как правило, малотоннажные,
периодические и очень разнообразные по технологии,
составу перерабатываемых продуктов и применяемому
оборудованию.
4. Производства, связанные с переработкой пластмасс
и резины, отличаются от всех предыдущих тем, что в них
решающую роль играют не химические, а физико-механи­
ческие процессы, и основным оборудованием для данных
производств являются прессы, литьевые машины, сме­
сители, вальцы, экструдеры и другое оборудование для
физико-механических процессов.
Технологические процессы различных химических про­
изводств в основном состоят из следующих стадий:
1) подготовка исходных веществ к химической реак­
ции, включающая дробление и размол твердых веществ,
смешение компонентов, испарение жидкостей, нагрев,
охлаждение, очистку продуктов от посторонних примесей
и т. д.; иногда подготовка сырья является сложным и
многоступенчатым процессом: например, сернистый газ—
исходное сырье в производстве серной кислоты — очи­
щается последовательно в пяти—семи аппаратах;
2) химическая реакция;
3) разделение продуктов реакции для выделения из
них целевого продукта, охлаждение продуктов реак­
ции т. д.
Большинство технологических схем включает не­
сколько последовательно проводимых химических реак-
ций, которые чередую тся е различны ми ф изико-м ехани­
ческими процессами.
И ногда в технологической схеме предусматривается
четвертая стадия — приведение продукта к товарном у
виду путем его суш ки , дроблен и я, г р а н у л я ц и и , а т а к ж е
з а г р у з к а продукта в тар у .
Т ехнологический процесс может быть периодическим
и непрерывны м. Все стадии периодического процесса
последовательно проходят в одном аппарате: исходные
вещества за г р у ж а ю т в ап п ар ат, а после окончания п ро­
цесса из ап п ар а та вы груж аю т готовый продукт. В не­
прерывном процессе все стадии протекаю т одновременно,
подача исходных веществ и в ы гр у зк а готового продукта
происходят непреры вно.
Н епреры вн ы е процессы имеют преимущ ества перед
периодическими: их производительность выше, расход
энергии меньше, их легче автом атизировать и м ех ан и зи ­
ровать; поэтому в современной технологии прим еняю т
в основном непреры вны е процессы. П ериодические про­
цессы использую т в м алотоннаж ны х производствах и
в некоторы х с л у ч а я х , обусловленны х специфическими
условиям и производства.
П ром еж уточное полож ение меж ду периодическими и
непрерывными процессами заним аю т полунепреры вны е
процессы, в которы х один компонент, например твердое
вещество или ж и дкость, за гр у ж а е т с я и в ы гр у ж ается
периодически, а д р у го й подается непреры вно.
П р а к т и к а эк сп л у атац и и и п р оекти рован и я химической
и нефтехимической ап п ар ату р ы и многочисленные иссле­
д о вател ьски е работы позволили вы работать определенны е
приемы интенсификации технологических процессов. Один
из этих приемов — м акси м альное увеличение поверхности
к о н так та реагирую щ и х веществ или рабочей поверхности
а п п а р а т а . У величение поверхности к о н так та достигается
распы лением или дроблением реаги рую щ и х компонентов
и применением сп ец и ал ьн ы х элементов, обеспечиваю щ их
разд ел ен и е потока ж идкости или га за на отдельны е
стр у й к и .
Р а б о ч а я поверхность а п п а р а т а , наприм ер поверхность
ф и л ьтр ац и и или поверхность теплообм ена, я в л я е т с я одним
из в аж н е й ш и х п о к азател ей , х ар ак те р и зу ю щ и х со вер ­
ш енство ап п ар ата.
В торой прием — м ак си м ал ьн ая интенсиф икация про­
цессов взаим одействия. Т а к , наприм ер, малоэффективные
аппараты барабанного или гребкового типа для обработки
твердых продуктов заменяют аппаратами с псевдоожиженным («кипящим») слоем сыпучего материала. Состоя­
ние псевдоожижения наступает, когда через слой сыпу­
чего материала пропускают газ с так называемой крити­
ческой скоростью, при которой слой сыпучего материала
приобретает подвижность. В псевдоожижецном материале
чрезвычайно интенсифицируются процессы тепло- и массообмена.
При конструировании химической аппаратуры при­
ходится сталкиваться с различными, иногда противоре­
чивыми факторами. Например,
для интенсификации процессов
тепло- и массообмена желательно увеличивать скорости
реагирующих
еществ, что,
однако, вызывает значительное
повышение расхода энергии.
Увеличение давления, ведущее
к ускорению процесса, иногда
ограничивается
прочностью
6)
а)
в)
конструкционного
материала
Рис. 2.
Принципиальные
и т. /а»
схемы движения продуктов
Движение продуктов в апв аппарате:
парате может быть прямоа — противоток;
6 — прямо­
ток; * — перекрестный ток
точ н ым
и
противоточным
(рис. 2). Прямоточное (парал­
лельное) движение продуктов (говорят также «прямоток»)
применяется при обработке однородных систем (смеши­
вающихся жидкостей, газов), когда другое движение
невозможно. При обработке разнородных систем (жид­
кость + газ, жидкость + твердое тело и т. д.), как
правило, более целесообразно противоточное движение,
способствующее более быстрому протеканию процесса.
§ 3. Общие методы расчета химической аппаратуры
Основными задачами при расчете химического аппа­
рата являются:
1) определение по заданной производительности основ­
ных размеров аппарата, зависящих от размера его основ­
ных элементов, — объема, поверхности теплообмена, ко­
личества катализатора и др.;
2) определение расхода воды, пара, электроэнергии
и других теплоэнергетических средств.
Расчет отдельного аппарата для какой-либо стадии
технологического процесса или для всего процесса начинается обычно с составления материального баланса
согласно которому количество материала, поступающего
в аппарат (приходные статьи материального баланса)
равно количеству материала, выходящего из аппарата
(расходные статьи баланса). Д ля непрерывных процессов
материальный баланс составляют на единицу вр ем ен и __
час, смену, сутки и т. д.; для периодических процессов —
на одну операцию.
Материальный баланс можно составлять как в мас­
совых (весовых), так и в объемных единицах. Баланс
составляется как по всему количеству продукта, так
и по какому-либо отдельному компоненту, отдельному
веществу или группе веществ.
Приходные и расходные статьи баланса, как в общем,
так и по отдельным продуктам, должны сходиться (ба­
лансироваться).
Тепловой (энергетический) баланс аппарата основы­
вается на законе сохранения энергии. Он позволяет опре­
делить тепловые потоки внутри аппарата и необходим
при тепловых расчетах. В некоторых случаях материаль­
ный и тепловой балансы составляются для отдельной
части аппарата.
Д ля большинства физико-механических процессов
можно применить общее уравнение
N = К Г Ат,
' В'
где N — количество вещества (или тепла), передаваемое
через поверхность взаимодействия Р за время т;
а
коэффициент пропорциональности (коэффициент
скорости процесса);
А
движущая сила процесса (разность температур,
разность давлений,
разность концентраций
и т. д .).
Из уравнения видно, что производительность уста­
новки прямо пропорциональна движущей силе процесса,
поверхности взаимодействия и времени протекания про­
цесса. Д ля непрерывных процессов производительность
относят к единице времени.
П ракти чески е расчеты по этому уравнению иногда
представляю т серьезны е трудности из-за слож ности опре­
деления значений К .
Расчет химической аппаратуры обычно производят
в следующем порядке:
технологический расчет — для определения основных
размеров аппарата;
тепловой расчет — для определения теплового режима,
поверхности теплообмена и расхода теплоносителей;
гидравлический расчет — для определения потерь на­
пора, мощности на перемешивание и т. д.;
механический расчет, производимый обычно послед­
н и м ,— для определения конструктивных.размеров, ха­
рактеризующих прочность элементов ада ар ата. *
В некоторых случаях очередность расчетов изменяют.
Как правило, в процессе расчета данные технологи­
ческого, теплового и гидравлического расчетов прихо­
дится взаимно координировать и корректировать.
Расчет аппаратов периодического действия сводится
к определению производительности аппаратов, их раз­
меров или их числа.
Суммарный необходимый объем аппаратов данного
производства можно обеспечить установкой большого
числа небольших аппаратов или небольшого числа аппа­
ратов большого размера. Установка небольшого числа
крупногабаритной аппаратуры большой мощности более
рациональна, так как облегчается обслуживание аппа­
ратов, уменьшаются теплопотери и т. д. Поэтому при
непрерывно возрастающих объемах производства стре­
мятся максимально увеличивать единичную мощность
аппаратов. Наибольшие размеры аппаратов ограничи­
ваются возможностями их изготовления и транспортиро­
вания, а в некоторых случаях и свойствами конструк­
ционного материала. Часто увеличение размеров аппа­
рата ограничивается невозможностью равномерного рас­
пределения потоков по его сечению и другими техноло­
гическими причинами.
Размеры аппаратов непрерывного действия определяют
на основе объемной производительности, т. е. количества
продукта, получаемого в единицу времени с единицы
объема аппарата.
Глава
И.
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ
ХИМИЧЕСКОГО
И НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
§ 4. Основные принципы конструирования химической
и нефтехимической аппаратуры
Химические и нефтехимические машины и аппараты
работают, как правило, в тяжелых условиях. Иногда
они подвергаются одновременному действию высоких
температур, коррозии и механических воздействий; пере­
рабатываемые продукты часто бывают токсичны, пожарои взрывоопасны. Поэтому предъявляются повышенные
требования к качеству конструкционных материалов,
прочности конструкции химических и нефтехимических
аппаратов. При расчете этих аппаратов принимаются
повышенные запасы прочности по сравнению с изделиями
общего машиностроения.
Во многих случаях решающими являются требования
герметичности аппарата, для повышения которой стре­
мятся максимально уменьшить число разъемных соеди­
нении. Наиболее трудно обеспечить полную герметичность
в подвижных соединениях.
С увеличением производительности и широким вне­
дрением автоматизации повышаются требования к надеж­
ности машин и аппаратов. Расчетный срок службы аппа­
ратов принимают обычно 10— 12 лет. Фактический ж е
срок службы иногда существенно отличается от этой
величины.
Повышение долговечности и надежности аппаратуры
достигается использованием материалов, устойчивых про­
тив коррозии и действия высоких температур, а также
с помощью контроля за состоянием стенок аппарата,
сварных швов и антикоррозионных покрытий. Корпус
аппарата служит обычно дольше, чем внутренние устрой­
ства, которые периодически заменяются во время ремонтов*
З а последнее время наблю дается тенденция так о го
подбора конструкционны х м атериалов и конструкций
н аи бол ее ответственных узлов ап п ар ата, при котором
все его элементы работают достаточно надежно весь
период между капитальными ремонтами.
При конструировании химической аппаратуры необ­
ходимо учитывать коррозионные свойства продуктов и
выпадение осадков и отложений. Слабое коррозионное
действие имеют иногда даже нейтральные среды, поэтому,
например, не рекомендуется устраивать внутри аппа­
рата резьбовые соединения.
В связи с тенденцией увеличения размеров аппаратов
существенное значение приобретает возможность транс­
портирования аппаратуры с машиностроительных заводов
на место установки. Громоздкие аппараты и их части,
предназначенные к перевозке по железной дороге, должны
умещаться в пределах железнодорожных габаритов. Аппа­
раты диаметром до 3250 мм и длиной до 10,5 м перевозят
по железной дороге без специального согласования.
Аппараты диаметром до 4200 мм и длиной до 10 м,
а также диаметром до 3400 мм и длиной до 45 м отно­
сятся к негабаритным грузам. Для их перевозки тре­
буется специальное согласование с МПС. Аппараты
диаметром более 4200 мм не могут транспортироваться
по железной дороге. Водным транспортом можно пере­
возить аппараты диаметром до 8 м и длиной до 55 м,
а с буксировкой на плаву — диаметром до 10 м и длиной
до 100 м. Возможна также перевозка крупногабаритных
аппаратов по шоссейным дорогам на специальных при­
цепах. При перевозке по шоссейным дорогам предвари­
тельно проверяется маршрут движения, состояние дороги
и грузоподъемность мостов. Аппараты большой длины
собирают из отдельных частей (царг) на монтажной
площадке.
Применяются также новые методы, повышающие транс­
портабельность аппаратов большого диаметра: метод рулонирования, заключающийся в том, что цилиндрическая
обечайка сваривается на заводе-изготовителе в виде
полотнища и сворачивается в рулон, который затем
развертывают на монтажной площадке; метод частичной
деформации, состоящий в том, что обечайка, разрезанная
по образующей, сворачивается, насколько позволяет упру­
гая деформация, благодаря чему диаметр ее уменьшается
до размеров, допускаемых габаритом железнодорожного
транспорта.
В связи с широким внедрением индустриальных мето­
дов монтажа в настоящее время предъявляется ряд тре-
бований к качеству и степени готовности оборудования.
Машины и аппараты должны поставляться в полностью
собранном виде или максимально большими транспорта­
бельными узлами. Имеется опыт монтажа аппаратов
совместно с трубопроводными узлами и контрольно­
измерительными приборами.
Химические и нефтехимические аппараты отличаются
большим разнообразием, однако они изготовляются из
сравнительно небольшого числа однородных деталей и
элементов: днищ, фланцев, штуцеров, обечаек, приводов
и т. п. Это позволяет использовать в основном нормали­
зованные детали и узлы. На большинство деталей и эле­
ментов химического оборудования разработаны ГОСТы
и отраслевые нормали, регламентирующие технические
требования к их изготовлению. Кроме того, для наиболее
массовых видов аппаратуры (теплообменников, фильтров,
аппаратов с мешалкой, трубчатых печей, колонных аппа­
ратов и т. д.) разработаны ГОСТы и каталоги, в которых
^ приведены технические характеристики аппаратов, выд пускаемые типы, модификации и т. п.
§ 5. Требования техники безопасности
Вопросы техники безопасности при конструировании
химической аппаратуры, особенно при переработке ядо­
витых, огне- и взрывоопасных продуктов, имеют большое
значение. В правилах техники безопасности для данных
производств 1 предусматривается ряд требований к кон­
струкции аппаратов и методам их испытания. В данных
правилах, в частности, предусматривается пневматиче­
ское испытание на герметичность аппаратов, работающих
с пожаро- и взрывоопасными веществами, даже если они
работают без давления; предусматриваются штуцера для
промывки и продувки аппаратов, устройство предохрани­
тельных клапанов и т. д. На аппараты, работающие под
избыточным давлением свыше 0,07 МН/м2, распространяются правила Госгортехнадзора 2.
Правила Госгортехнадзора не распространяются на
сосуды под давлением емкостью менее 25 л, у которых
1 Правила и нормы техники безопасности и промышленной сани­
тарии для проектирования и эксплуатации пожаро- и взрывоопасных
производств химической и нефтехимической промышленности. М..
«Недра», 1967.
*
• Правила по устройству и безопасности эксплуатации сосудов
работающих под давлением. М., «Металлургия», 1975.
2
Ю. И. Макаров
ЬИБЛИОТРНл
I
I
Г
•г
1Л
I
I
(
17
произведение объема в литрах на давление в атмосферах
составляет не свыше 200; сосуды, работающие под давле­
нием воды при температуре не выше 115° С, а также
сосуды, работающие под давлением других неедких,
неядовитых и невзрывоопасных жидкостей при темпера­
туре, не превышающей точки кипения данных жидкостей
при давлении 0,07 МН/м2; сосуды, состоящие из труб
с внутренним диаметром не более 100 мм без коллекто­
ров, а также с коллекторами, выполненными из труб
с внутренним диаметром не более 150 мм; сосуды, рабо­
тающие под вакуумом.
Таким образом, исключение распространяется на
аппараты, в которых отсутствует и нСможет образоваться
большой объем сжатых газов и паров.
Конструкция, качество материала и сварки аппаратов,
подведомственных Госгортехнадзору, должны отвечать
специальным требованиям. Основные из них следующие.
1. Сосуды с внутренним диаметром более 800 мм
должны снабжаться достаточным для их осмотра и ре­
монта количеством лазов, расположенных в местах,
доступных для осмотра.
Размеры лазов овальной формы по наименьшей и наи­
большей осям должны быть 325 и 400 мм, а при невозмож­
ности конструктивно достичь указанных размеров — не
менее 300 и 400 мм. Круглые лазы должны иметь диаметр
в свету не менее 400 мм.
Сосуды и аппараты, установленные под открытым не­
бом, должны изготовляться с лазами диаметром не менее
450 мм, чтобы через них в зимнее время мог пролезть
человек в одежде.
Сосуды с внутренним диаметром 800 мм и менее должны
иметь круглые или овальные лючки с размером наимень­
шей оси 80 мм, через которые можно было бы осматривать
и очищать стенки сосуда.
Трубчатые сосуды, состоящие из цилиндрического
корпуса и решеток с завальцованными в них трубами
(теплообменники), разрешается изготовлять без люков и
лазов независимо от давления в сосуде.
При наличии у сосудов съемных днищ или крышек,
а также люков или штуцеров, обеспечивающих возмож­
ность внутреннего осмотра их, устройства специальных
лазов не требуется.
2. Внутренние устройства в сосудах (мешалки, змее­
вики, тарелки, перегородки и другие приспособления)»
препятствующие осмотру сосуда, должны быть, как пра­
вило, съемными.
3. Шарнирно-откидные или вставные болты, вклады­
ваемые в прорези, хомуты и всякие зажимные приспособ­
ления люков, лазов, крышек и фланцев следует кон­
структивно предохранить от сдвига или ослабления.
4. Опрокидывающиеся сосуды должны быть снабжены
приспособлениями, предотвращающими самоопрокидывание.
5. Продольные и поперечные сварные швы обечаек
стальных сосудов должны быть только стыковыми. Д о­
пускаются соединения втавр для приварки плоских
днищ, фланцев, трубных решеток, штуцеров и других
аналогичных элементов.
При проектировании сварных стыковых соединений
между элементами разной толщины необходимо преду­
смотреть плавный переход от одного элемента к другому
путем постепенного утончения более толстого элемента
на длине.
Продольные^ сварные швы в отдельных обечайках
цилиндрической части сосуда не должны являться про­
должением один другого, а должны быть смещены один
по отношению к другому на величину двукратной тол­
щины наиболее толстого листа, но не менее чем на 100 мм
(между осями).
6. К сварке сосудов и их элементов должны допу­
скаться сварщики, сдавшие испытания в соответствии
с Правилами испытания электросварщиков и газосвар­
щиков, утвержденными Госгортехнадзором СССР.
В зависимости от рабочего давления среды и темпе­
ратуры определенный процент сварных швов подвергают
просвечиванию гамма- или рентгеновскими лучами, про­
водят также механические и металлографические испыта­
ния образцов, вырезанных из контрольных пластин или
сварных соединений изделий (табл. 1).
7. Материалы, применяемые для изготовления, мон­
тажа и ремонта сосудов, работающих под давлением,
должны удовлетворять требованиям правил Госгортех­
надзора и должны выбираться с учетом воздействия среды
на металл и условий эксплуатации.
8. На каждый изготовленный сосуд, подлежащий
действию настоящих правил, заводом-изготовителем дол­
жен быть составлен и передан заказчику паспорт уста­
новленного образца.
Контроль сварных соединений
Н азначение сосуда
Д л и н а к о н тр о л и - I
руемых с в ар н ы х 1
ш вов, % от общ ей
ДЛИНЫ
1
Для обработки, хранения и транспортирова­
ния взрывоопасных продуктов и сильнодейству­
ющих ядовитых веществ (независимо от парамет- |
100
Для работы под давлением выше 5 МН/м2 при
температуре стенки выше 200° С и ниже —70° С
Для работы под давлением до 5 МН/м2 при
температуре стенки от —70 до + 2 0 0 ° С . . . .
Для работы под давлением до 1,6 МН/м2 при
температуре стенки от —40 до + 2 0 0 ° С Д К . .
100
50
25
Аппараты,
подведомственные
Госгортехнадзору,
должны иметь в обязательном порядке следующую тру­
бопроводную арматуру: запорные приспособления (вен­
тили, краны, задвижки), позволяющие полностью от­
соединить аппарат от системы трубопроводов; манометр
и не менее чем один рычажный или пружинный предохра­
нительный клапан.
Если группа аппаратов связана с общим источником
давления, допускается установка одного предохранитель­
ного клапана на трубопроводе, питающем аппараты сжа­
тым воздухом или паром.
На сосудах, обогреваемых открытым пламенем, а также
топочными газами или электрообогревом с температурой
выше 450° С, устанавливают указатели уровня жидкости.
На каждом сосуде должно быть приспособление (вен­
тиль, кран) для контроля отсутствия давления в сосуде
перед его вскрытием. Сосуды, снабженные байонетными
и подобного типа запорами, должны иметь предохрани­
тельные устройства, исключающие возможность включе­
ния сосуда под давлением при неполном закрытии крышки
и открывания ее при наличии в сосуде давления.
Инспекция Госгортехнадзора осуществляет наблюдение за правильным изготовлением и нормальной эксплуа­
тацией аппаратов под давлением. Все сосуды, подведом­
ственные Госгортехнадзору, один раз в четыре года под­
вергают внутреннему осмотру и не реже чем через каждые
восемь лет гидравлическому испытанию с предваритель­
ным внутренним осмотром. При внутреннем осмотре
проверяют состояние стенок аппарата и сварных швов,,
исправность арматуры и крепежных деталей.
Целью гидравлического испытания является проверка
плотности сварных швов и разъемных соединений и про­
верка целостности аппарата. Пробное давление при
гидравлическом испытании определяется по табл. 2.
[Таблица 2
Пробные избыточные давления при гидравлическом испытании
сосудов (по правилам Госгортехнадзора)
I
Вид сосудов
Сварные и
кованые
Литые
Рабочее
избыточное
д авлен и е р
П робное избыточное давление
к г с /с м * |м н /м *
кгс/см 2
М Н/м*
< 5 < 0 ,5
5 и 0,5 и
выше выше
1,5р, но не
менее 2
1,25р, но не
менее р + 3
1,5р, но не
менее 0,2
1,25р, но не
менее р + 0,3
Любое
1,5р, но не
менее 3
1,5р, но не
менее 0,3
При гидравлическом испытании аппарат отсоединяют
от коммуникаций, заливают водой и в нем создается дав­
ление гидравлического испытания. Под пробным давле­
нием аппарат выдерживается в течение 5 мин, после чего
давление снижают до рабочего. После этого сварные швы
обстукивают молотком массой от 0,5 до 1,5 кг (в зависи­
мости от толщины стенки). Сосуд считают выдержавшим
испытание, если не обнаружено признаков разрыва, течи
в швах и фланцевых соединениях, остаточных дефор­
маций.
Необходимо иметь два штуцера, в верхней и нижней
точке аппарата, чтобы обеспечить полный выход воздуха
и слив воды из аппарата после испытания. Если нижний
штуцер не может быть установлен, в проекте необходимо
предусмотреть способы опорожнения аппарата от воды.
Обычно для указанных целей используют технологические
штуцера, но в случае необходимости устанавливают спе­
циальные штуцера для гидравлического испытания. Ко­
лонные аппараты иногда испытывают в горизонтальном;
положении перед монтажом. В этом случае необходимо
иметь обязательно два диаметрально расположенных
штуцера на боковой стенке аппарата для слива воды и
выхода воздуха.
При пневматических испытаниях принимают специаль­
ные меры безопасности: например, вентили и манометр
выносят в специальное помещение, а люди на время
испытания удаляются в безопасное место.
Аппараты с ядовитыми веществами и аппараты под
вакуумом подвергают специальной проверке на герме­
тичность с помощью аммиака или фреона. При испытании
-аммиаком аппарат заполняют аммиачно-воздушной смесью,
я затем с помощью индикаторной ленты проверяют с на­
ружной стороны сварные швы и фланцевые соединения.
Испытание фреоном позволяет выявить самые незначи­
тельные неплотности сварных швойЗи фланцевых соедине­
ний. Аппарат заполняют смесью воздуха и фреона (обычно
концентрация фреона составляет 10%), поднимают давле­
ние до рабочего и проверяют сварные швы и соединения
специальным чувствительным индикатором, определя­
ющим самую ничтожную утечку фреона. Индикатор (га­
лоидный течеискатель) представляет собой электронный
лрибор, реагирующий на ничтожные следы фреона.
§ 6. Конструкционные материалы химического
и нефтехимического машиностроения
Конструкционные материалы выбирают в зависимости
от температуры, давления, коррозионного действия среды
и эксплуатационных требований к прочности материала.
Большое значение имеет стоимость материала и его
дефицитность, однако нередко целесообразнее изготов­
л ять аппарат из дорогого материала, если он обеспечи­
вает длительную эксплуатацию. Такие вопросы решаются
на основе технико-экономического анализа.
Конструкция и способы изготовления аппарата су­
щественно зависят от свойств конструкционного мате­
риала. Так, стальные сварные аппараты, литые аппараты
и аппараты из пластических масс существенно отличаются
по конструкции. Ниже приведены краткие характери­
стики основных материалов химического и нефтехими­
ческого машиностроения.
Чугуны. Серый чугун имеет хорошие литейные свой*
<ства и легко обрабатывается. Чугунное литье широко
применяют для деталей аппаратов — сальников, стоек,
редукторов, трубопроводной арматуры. Из чугуна также
изготовляют царги колонн и емкостей аппаратуры на
избыточное давление не более 0,8 МН/м2. Коррозионная
стойкость серого чугуна немного выше, чем стали. Ч у­
гунные детали не должны иметь острых углов и кромок»
стенки должны иметь по возможности одинаковую тол­
щину. Сопряжение стенок разной толщины следует вы­
полнять с помощью плавного перехода.
Применяют отливки и из специальных легированных
чугунов. Никелевые щелочестойкие чугуны используют
в условиях работы аппаратов с концентрированными ще­
лочами при повышенных температурах. Для работы с сер­
ной и соляной кислотами применяют кремнистый чугун
(ферросилид), имеющий очень высокую химическую стой­
кость. Недостатки кремнистого чугуна — хрупкость, чув­
ствительность к резким колебаниям температуры и труд­
ность обработки резанием.
Углеродистые стали. Углеродистые стали — одни из.
самых массовых конструкционных материалов химиче­
ского и нефтехимического машиностроения. Углеродистую
сталь обыкновенного качества в зависимости от способа
выплавки разделяют на мартеновскую, бессемеровскую
или конвертерную. Различают стали кипящие, спокойные
и полуспокоиные. При выплавке кипящей стали в ней
остается больше вредных примесей, вследствие чего при­
менение ее ограничено.
Правилами Госгортехнадзора и по ОСТ 26-291__71
г ^ т К?™СЯ™ рИМенение №®ящей стали (ВСтЗкп2 по
™
« г Л ) В аппаРатах. работающих при темпера™Р> к мн,?.* 1 давлении ДО 0,07 МН/м», а при давлении
до 1,0 МН/м — при температуре не выше 200° С. При боили Вп п Г 1 ^ РаМеТраХ следУет применять спокойные
пол
" Г СТаЛИ- АппаРаты, установленные
под открытым небом, во многих районах СССР зимой
подвергаются действию температур ниже —20° С Данные
З
а16ШВЙ Ж ° г изготовл; ть из марганцовистой
” али 1 - С или 09Г2С, имеющеи при минусовой темпе­
ратуре высокую ударную вязкость.
Высоколегированные стали. При наличии свел вычы
вающих коррозию, или при высокой температуре'приме­
няют кислотостойкие и жаропрочные стали, легирован­
ные хромом, никелем, молибденом и другими добавками
Хромистые стали марок 08X13, 08Х17Т и 15Х25Т более
дешевые, однако они плохо свариваются, и п р и м е н ^
их для аппаратов, подлежащих контролю Госгортехнад­
зора, не допускается.
Из кислотостойких и жаропрочных сталей наиболее
широко применяется хромоникелевая сталь марки
12Х18Н10Т (или 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т). ^га сталь
схорошо сваривается и обрабатывается; она выдерживает
температуру до 600—700° С и устойчива во многих кор­
родирующих средах. В некоторых производствах ее заме­
няют более экономичной сталью марки 08Х22Н6Т с пони­
женным содержанием никеля. Для более тяжелых условий
работы применяют стали с присадкой молибдена —
10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13МЗТ. К числу еще более леги­
рованных сталей относится 06ХН28МДТ устойчивая,
например, в разбавленной серной кислоте.
Для уменьшения расхода кислотостойких сталей и
цветных металлов выпускают двуслойны й листовой ма­
териал (биметалл), состоящий из двух соединенных: слоев—
основного толстого слоя из дешевой углеродистой стали
и тонкого плакирующего слоя из кислотостойкой стали
или цветного металла. Толщина плакирующего слоя
2 —5 мм. Толщину основного слоя выбирают по условиям
прочности.
При сварке биметалла кромку обрабатывают с двух
сторон. Двухслойную сталь с плакирующим слоем из
стали 12Х18Н10Т или 10Х17Н13М2Т применяют при тем­
пературе до 450° С. Сварка углеродистой стали с кислото­
стойкой возможна; сварной шов получается достаточно
прочным, однако коррозионная стойкость кислотостойкой
стали вблизи сварного шва снижается вследствие диффу­
зии легирующих элементов и изменения структуры ме­
талла. Поэтому при такой сварке сварные швы, в особен­
ности при малой толщине листа, необходимо относить
от мест, соприкасающихся с корродирующей средой.
Цветные металлы. В химическом и нефтяном машино­
строении применяют медь, алюминий, свинец, титан,
никель й\их сплавы.
Медь применяют для изготовления ректификацион­
ных колонн, емкостной и теплообменной аппаратуры.
Д л я химических аппаратов применяют медь марокМ2иМЗ.
Медь устойчива к воздействию органических кислот и
многих других сред. Максимальная температура приме­
нения медных аппаратов +250° С.
Медь — пластичный материал; медные листы легко
вальцуются и гнутся. Медь является ценным конструк-
ционным материалом в технике глубокого холода, так к а к
сохраняет при низких температурах пластические свой^
ства.
Д л я изготовления медных аппаратов применяют
сварку; при небольшой толщине стенок (до 2—3 мм)
когда электросварка затруднительна, используют пайку
мягкими и твердыми припоями. Соединения мягкими
припоями легко распаять, не наруш ая целостности дета­
лей. Твердые припои сплавляются с основным металлом
и характер соединения приближается к сварному шву!
П айку, как правило, производят внахлестку.
Алю миний применяют для изготовления аппаратуры
используемой в производствах азотной, фосфорной и
органических кислот. Максимально допустимая темпе­
ратура для алюминиевых аппаратов + 1 5 0 ° С. Д л я соеди­
нения частей алюминиевых аппаратов применяют газовую
и электроду говую сварку. Вследствие недостаточной ме­
ханической прочности алюминия аппараты из него нельзя
применять на повышенное давление.
Свинец имеет высокую стойкость ко многим корроди­
рующим средам. Недостаток свинца — низкая термо­
стойкость и низкая механическая прочность (конструкции
тяжести?3 ° ° едают даж е под Действием собственной силы
,
” ! „ ° ВИНЦа ИЗГ0Т0ВЛЯЮТ отдельные части аппаратов
т » к * .Не„К„ОТОрЫе трубопр ° вод“ И т - п.), его применяют такж е для защиты аппаратов. Покрытие произво5пгпЯ листовьш свинцом или с помощью более рациональ­
ного метода гомогенного освинцевания, при котором на
Н И В
В В
наносится расплавленный свинец
таем Г ™ * 3" ХОр° Шую связь мея« У свинцовым покрыв
оцй1 ТОш
“ И аппарата. Гомогенное осви н ц еван и е—
чень тяжелый и трудоемкий процесс; в настоящее время
разрабатываются установки для его механизации З а
свинец"в6 зн ачи теп ° М
»Н° ГИХ отРаслях промышленности
массами 3начительнои степени заменен пластическими
Ш ш Ш ж имеет высокую стойкость в расплавленных
щелочах и некоторых других корродирующих соелах Он
хорошо куется и штампуется. Н икель - дорого / м а т е р ш
“ " “ “ У Редко применяется д л я и з г о т о в л е н и я ш и “
материал Сплавы” ня с„амостоя™льны* конструкционный
_______
основе никеля, известные пол пЯШИМ названием «хастеллой», имеют о и е Г в ы с Г у ю Тими!
ческую стойкость. Они устойчивы в соляной, серной и
горячей фосфорной кислоте.
Титан хорошо куется, штампуется и сваривается.
По прочности титан почти не уступает стали, а плотность
его значительно меньше. Титан стоек в азотной кислоте,
в атмосфере влажного хлора, разбавленной серной кислоте.
Из титана изготовляют отдельные детали машин и аппа­
ратов и целые аппараты. Все более широкое применение
титан находит в химической промышленности.
Неметаллические материалы органического происхо­
ждения. Всевозможные полимерные материалы широк©
применяются в химическом машиностроении.
Винипласт относится к термопластичным пластмассам
(термопластам), размягчающимся при нагреве и снова
затвердевающим при охлаждении. Винипласт хорошо
поддается всем видам обработки: пластической дефор­
мации, сварке, склейке, механической обработке; имеет
высокую химическую стойкость почти ко всем кислотам
и щелочам (за исключением сильных окислителей). Не­
достаток винипласта — невысокая механическая проч­
ность и низкая термостойкость (до 60° С).
Винипласт выпускается промышленностью в виде
листов толщиной до 20 мм, труб и стержней и применяется
для изготовления трубопроводов, воздуховодов, частей
аппаратуры и небольших аппаратов.
Аналогичные свойства имеет другая термопластичная
пластмасса — полиэтилен, все более широко применяе­
мый в промышленности. Термостойкость полиэтилена
также не превышает 60° С.
Весьма перспективным является полипропилен. По
свойствам он близок к полиэтилену, но имеет более вы­
сокую теплостойкость — до 150° С.
Фаолит относится к термореактивным пластическим
массам (реактопластам). Изделия из реактопластов изго­
товляются из сырой пластмассы и затем подвергаются
полимеризации, после чего изменить их форму пластиче­
ским деформированием невозможно. Отвержденные фаолитовые изделия хорошо поддаются механической обра­
ботке; их можно склеивать сырым фаолитом, причем
после отверждения получается прочный и плотный
шов.
Фаолит устойчив во многих корродирующих средах
и органических растворителях. Температурные пределы
применения фаолита от —30 до 4-110° С. Из фаолита
изготовляют трубопроводы, газоходы, емкостные и ко­
лонные аппараты, ванны и различные детали аппаратов
Фторопласт имеет исключительно высокую химиче­
скую стойкость и теплостойкость (до 250° С), что лелает
его чрезвычайно ценным материалом химического маши­
ностроения.
I П^ 1 °Р °ПЛДСТ в ы п У с к а ю т в в и д е л и с т о в , п л а с т и н , труб
и прутков. Он хорошо поддается механической обработке
не сваривается и с большим трудом поддается склеи■анию. Из
сЬтооо
—
Ф т о о о п л я г т я по^диолмют
и з г о т о в л я ю т о т д е л ь н ы е оответтветвенные дета л и аппаратов, работающие в корродирующих
средах.
средах.
очень
.нД1ипзк
й лкоэффициент
ТГ
»овтхгт Фторопласт имеет
---•
о XVиПИ
и^ф ф ициент
поэтомУ его успешно применяют в качестве на­
бивки для сальниковых уплотнений и втулок подшипниКОВ сС - н
рбппкш пй
и огт,от,л А
3
небольшой
Листовые
П°КрЫтия Резиной и полиизобутиленом.
Резины у,„'гПустойчивы ВО МНОГИХ к о р р о д и р у ю щ и х СПРПЯУ
Термическая стойкость резины достигает 90° С Резиновый
покрытия (гуммирование) имею? высокую с т о й к о й к аб
разивному изнашиванию, вибрации и к р е з к и м т е ^ п а .
турным колебаниям. В зависимости от условий работы
гуммирование производится эбонитом, мягкой резиной
или резиной с подслоем эбон ита.
, о ^ ^ Р°1
а1
Н
1
"
Р"
ме.
н
яют
?
ЛЯ
емкостных
к
колонных
аппаратов, центрифу
и
отдельных
частей
аппаратуры
труб
г^ - передавливания, мешалок и т л
Я М Е
не рассчитанных на такое давление б“ ьших аппаратов.
Ж
" РИ~
т е |Щ Ё
Iа
одоб ный 3 Эмате ри ал — ^полиизобупи^-
лен. В отличие от резины полиизобутилен не нуждается
в вулканизации, что значительно упрощает нанесение
покрытия, но его термостойкость не превышает 60е С.
Нижний температурный предел применения полиизобу­
тилена —20° С, что необходимо учитывать при защите
аппаратов, установленных под открытым небом. Кроме
того, полиизобутилен очень непрочен. При температуре
выше 60° С он размягчается и может сползти со стенок
аппарата, поэтому полиизобутилен применяют обычно
лишь для защиты небольших аппаратов, а также в ка­
честве непроницаемого подслоя под футеровку.
Материалы на основе графита имеют высокую хими­
ческую стойкость и одновременно хорошую теплопровод­
ность, что дает возможность применять их для тепло­
обменников.
Чистый графит — йористнр: материал. Более широко
поэтому применяют графит, Пропитанный различными по­
лимерными материалами. Наряду с пропитанными гра­
фитами применяют материалы, спрессованные из смеси
графитового порошка с различными смолами.
Кроме теплообменников, из графитовых материалов
изготовляют небольшие аппараты. Плитки на основе
графита применяют для футеровки аппаратов.
Неметаллические материалы неорганического проис­
хождения. Из материалов неорганического происхождения
в химическом и нефтехимическом машиностроении приме­
няют стекло, фарфор, керамику, природные кислотоупор­
ные камни и каменное литье. Химическая стойкость всех
этих материалов в корродирующих средах и органиче­
ских растворителях очень высока.
Из стекла, фарфора и керамики изготовляют химиче­
ские аппараты и их части, трубопроводы. Стеклянные и
керамические трубы находят широкое применение в хи­
мической промышленности. С другой стороны, из-за
хрупкости и механической непрочности указанных ма­
териалов ограничено их применение для изготовления
аппаратуры.
Из керамики делают небольшие аппараты и насадочные
кольца. Последние применяют не только при работе
с кислыми средами, но и для нейтральных продуктов.
Из керамики изготовляют также футеровочную плитку.
Из стекла изготовляют небольшие колонные и емкост­
ные аппараты, в основном пелупромышленного типа,
а также змеевики и теплообменники.
Фарфор применяют для изготовления химической
аппаратуры сравнительно редко. Главные его преиму­
щества — высокая термостойкость и нечувствительность
к температурным колебаниям.
Из природных кислотоупорных камней изготовляют
большие кислотные башни. Более широко применяются
плавленые кислотоупорные горные породы, чаще всего
диабаз. Из плавленого диабаза изготовляют футеровочные плитки, желоба, шары для мельниц и некоторые
детали аппаратов.
Покрытие антикоррозионными лаками — перхлорвиниловым и бакелитовым — для защиты химической аппа­
ратуры применяется ограниченно. Л акам и защищают
обычно неответственные поверхности, например крышки
аппаратов.
Одним из видов антикоррозионной защиты аппаратов
я (ляется эмалирование. Эмаль представляет собой стекло­
видное покрытие, имеющее высокую химическую стой­
кость к кислотам и растворителям. Аппараты, подлежащие
эмалированию, должны иметь простую конструкцию и
плавные очертания. Недостаток эмалевого п о к р ы т и я __
небольшая прочность. Повреждение в одном месте при­
водит к быстрому разрушению всего покрытия, поэтому
эмалированные аппараты требуют очень осторожного
монтажа и бережной эксплуатации. Эмалирование можно
ратуре "до
эксплУа™Руемых при темпе§ 7. Основные узлы и детали химической
и нефтехимической аппаратуры
ч а й Й Н=
,элементами аппаратуры являются обеи
щ 'I фланцы’ штуцера, бобышки, опоры, люки
и лазы, смотровые окна.
по ГОТТНадГ 7 еСк 7 е ®бечайки- Диаметр обечаек в ы б и р ает
Лл и 1 . Г ®
Суды и аппараты. Ряды диаметров»,
д л и н а обечаек определяется в зависимости от конструкн ю б х о д и м ао Му ч и т ь , Г П аР аТ а' П р " В Ы боре д л и н ы ° 6 е ч а й к и
неооходимо учитывать возможности наиболее оаиионалк
ного раскроя листов материала
рациональПЯТР ]ри конструировании аппаратов необходимо учитыЛ н и ш Г л Г ОТКЛ0НеНИе Диаметров и овальность
днища. Для цилиндрических сосудов и а п п я п я т л п
конические Н
Н
В
Ш
Ш
таР - ь - ™ е ,
Эллиптическое днище (рис. 3, г) — один из основных
типов днищ, применяемых для аппаратов под давлением.
Поперечное сечение днища представляет собой половину
эллипса. Эллипс характеризуется непрерывно меняющи­
мися радиусами кривизны, благодаря чему в днище не
наблюдается концентрации напряжений, которая соз­
дается при резком изменении профиля днища. По
ГОСТ 6533—68 отношение высоты эллиптической части
к диаметру Н /Б = 0,25. Чтобы отнести сварной шов
от закругленной части днища и не загружать его изги­
бающими напряжениями, днище снабжают цилиндри­
ческим бортом высотой 1 = 25ч-70’мм. По ГОСТ 6533—68
выпускаются днища диаметром от 159 до 4000 мм.
д)
Рис. 3. Днища цилиндрических аппаратов
а — сферическое;
б
сферическое отбортованное; в — коническое;
г — эллиптическое; д — тарельчатое
Полушаровые (сферические) днища применяют в основ­
ном для аппаратов большого диаметра (свыше 4000 мм).
Сфера является идеальной формой оболочки, так как
в ней совсем не возникают изгибающие напряжения
(рис. ч3, а).
Коробовые
(сферические
отбортованные)
днища
(рис. 3, б) имеют шаровую поверхность, край которой
отбортован. Они менее совершенны, чем эллиптические,
так как на линии перехода между сферой и отбортовкой
возникают значительные изгибающие напряжения. Ранее
коробовые днища были очень распространены. В настоя­
щее время они почти полностью вытеснены эллиптиче­
скими.
Тарельчатые днища (рис. 3, д) имеют сферическую
поверхность без отбортовки. Эти днища приваривают
непосредственно к цилиндрической обечайке или при­
соединяют к фланцам. Для аппаратов, подведомственных
Госгортехнадзору, применять днища без отбортовки не
допускается.
Конические днища устанавливают в тех случаях, когда
в аппарате находятся сыпучие вещества или очень вяз­
кие жидкости, разгрузка которых затруднительна. Кони­
ческие переходы также применяют для соединения обе­
чаек разного диаметра. Угол у основания конических
днищ обычно принимают 90 и 120°. Конические днища
делают неотбортованными и отбортованными (рис. 3, в).
Основные
Для аппаратов, подведомственных Госгортехнадзору до­
пускается применение конических днищ без отбортовки
с углом у основания не более 45°
Плоские
днища
наиболее
просты
. — в изготовлении по
равнению с описанными выше, однако их толщина полу­
чается значительно больше, чем у выпуклых днищ, работающих в тех же условиях, поэтому их не допускается
применять для аппаратов диаметром свыше 500 мм ра­
ботающих под давлением.
’ * Р
И
Я
*
соединения плоской крышки с обечайкой
показаны на рис.
оис. ■4. Наиболее предпочтителен вариант
отбортовкой края днища, но он и наиболее сложен
в изготовлении.
Фланцы служат 1ля соединения частей аппаратов,
трубопроводов и
* яппогчо
г
присоединения различных устройств
* 1П"а? ату- Герметичность фланцевого соединения
пР°кладкои, которая деформируется пг
фланцев и заполняет все неровности на привалочных (присоединительных) поверхностях. На
рис. 5
1 формы уплотнительных поверхностей *
| Щ И — 1 ........... фланцы
ными поверхностями (рис. 5, а), но они не всегда обеспе-'
чивают необходимую герметичность соединения. При глу­
боком вакууме, повышенных давлениях и работе с сильно
ядовитыми веществами применяют уплотнение «шип—
паз» (рис. 5, в), в котором узкая прокладка закладывается
в кольцевую щель, а сверху на прокладку давит кольце­
вой выступ. Вследствие малой ширины прокладки на
нее действует большое удельное давление, а стенки щели
Рис. 5. Основные типы уплотнительных по­
верхностей фланцев:
а — п лоская;
б — «выступ— впадина>;
в —
«ш ип—паз»; г — с линзовой прокладкой; д — с
овальн ой п рокладкой
мешают прокладке деформироваться. Соединение «вы­
ступ—впадина» (рис. 5, б) применяют обычно в тех слу­
чаях, когда требуется обеспечить соосность сопряженных
деталей.
В зависимости от конструкции самих-фланцев разли­
чают плоские фланцы и фланцы, приваренные встык
(рис. 6, а, б). У фланцев, приваренных встык, жесткость
больше, поэтому их обычно применяют при повышенных
давлениях.
На аппаратах и трубопроводах из кислотостойких
сталей, цветных металлов и некоторых пластических
масс применяют свободные (накидные) фланцы (рис. 6, в);
в этом случае край трубы или обечайки отбортовывается
и прижимается свободно надетым стальным фланцем.
Свободные фланцы не рассчитаны на повышенное давление.
Д ля хрупких материалов применяют свободные фланцы
с утолщением (буртом) (рис. 6, г). Д л я удобства их мон­
тажа применяют разъемные подкладные кольца.
Стальные фланцы с буртом применяют для соединения
элементов аппаратов высокого давления.
Прокладку выбирают в зависимости от давления
температуры, свойств уплотняемой среды и конструкции
фланцевого соединения (табл. 3).
нунции
Прокладка должна быть достаточно прочной и эла­
стичной, чтобы при затягивании болтов хорошо уплотнять
фланцевое соединение и надежно работать в условиях
заданной температуры и среды. Материалами для про­
кладок служат картон, резина, паронит, асбест, хлор\\>
л>
ч
X
*)
г)
Рис. 6. Типы фланцев:
п л о ск и е; б
ш ей кой ; в — свободны е с о т б о р то в ан н ы м к р аем ;
г — свободны е с буртом
винил, фторопласт и мягкие металлы. Чем выше давлекля’п о ^ н
6 жесткий материал применяют для про­
кладок. Например, при давлении свыше 20 МН/м2 ис­
пользуют прокладки из мягких металлов — меди алю­
миния, низкоуглеродистой *стал и.
’
Ш Ш Ш применяют только для воды и нейтральных
Д О Г м н Э Т ТУРе Д° 12°° С И избыт°чном давлении
^ рм’ й ™ /м | Весьма распространен паронит, используемыи для воды, пара и различных химических продук­
тов при температурах до 450° С и давлении до 5 МН/м2
В
Ш
Я
В
Й
Я
сред
И
высоких
температур
применяют
асоестовые прокладки.
является хорошим прокладочным материалом
для сред, не растворяющих и не разрушающих ее. Чаще
лотами еЗИН° ВЫе прокладки используют при работе с кисПо конструкции различают прокладки плоские, шнуР
н Г
” СЛОЖНОЙ ф0рмы <рис* ?) Наиболее распространалрезов иИтп Р° КЛаДс И'
прокладке не должно быть
надрезов и трещин. Если диаметр аппарата велик и
прокладку невозможно вырезать из цельного листа, ее
3 Ю. И. Макаров
33
составляют из отдельных частей, причем края сопрягае­
мых частей срезают наискось (под углом) и следят за
тем, чтобы они были хорошо пригнаны. Шнуровые про­
кладки изготовляют из асбестового резинового шнура или
из шнуров, комбинированных из нескольких материалов.
При повышенных давлениях и температурах исполь­
зуют фасонные и комбинированные прокладки. Напри­
мер, применяются^ паронитовые прокладки, армирован­
ные металлической лентой или проволокой, асбомедные
и асбоалюминиевые прокладки; прокладки из паронита,
а
О)
Рис. 7. Типы прокладок:
I
а — плоская;
б — ш нуровая;
в, г — ком бинированная; д — з —
фасонные м еталлические
обернутые фторопластовой фольгой. Применяются также
зубчатые прокладки. При. высоких давлениях использу­
ются прокладки в виде шлифованных металлических колец.
Весьма ответственным элементом фланцевых соеди­
нений являются крепежные детали. При низких давле­
ниях применяют болты, при избыточном давлении свыше
1,6 МН/м2 вместо болтов — шпильки, так как в головках
болтов возникают значительные местные напряжения.
По правилам Госгортехнадзора фланцы из аустенитных
(хромоникелевых) сталей должны соединяться крепеж­
ными деталями из стали того же класса.
Фланцевые соединения нормализованы и выбираются
по величине ^условного прохода и условному давлению
с учетом свойств уплотняемой среды. Условное давление
определяется в зависимости от рабочего давления, тем­
пературы и конструкционного материала. При темпе34
ратуре среды до 200 С рабочие и условные давления для
фланцев из углеродистой стали совпадают. При более
высокой температуре среды условное давление для флан­
цевых соединений принимают выше рабочего. Например
при рабочем давлении 1 МН/м2 и температуре 300° С
•необходимо применять
VII /Д 1 и Ч^У1иП1
фланцы
из
углеродистой
стали
на
1РЛ ТТАТ1НАЛ ПЛ П ТТ/Ч«*V*/ч 1 С ХАТ Т /_ _О Т"? «
4
условное давление 1,6 МН/м ьсли фланцы изготовлены
из материала, сохраняющего
И
высокие механические ха­
рактеристики при повышенной температуре, то разница
Таблица 3
Области применения прокладочных материалов
М атериал прокладки
Резина
Паронит
Картон технический
Картон асбестовый
Асбестометаллическое
армированное волокно
Полихлорвинил
Фибра
Медь
Свинец
Алюминий
Фторопласт-4
Р а б о ч а я ср ед а
Вода, воздух, кис­
лоты
Вода, пар, кисло­
ты, щелочи
Вода, масло
Пар, горячие газы
Горячие газы
Кислоты
Бензин, керосин,
кислоты
Вода, воздух
Кислоты
Пар, масло
Кислоты, щелочи
П редель­
н а я тем п е­
р а т у р а , °С
60
П редель­
ное р а б о ч е е
давление,
М Н /м *
0,6
450
5
40
450
150
0,4
0,1 5
60
80
250
100
300
200
1
0,4
1
*
22
0,2
6,0
10
рабочими и условными давлениями невелика
Когда решающим обстоятельством является не прочность, а герметичность соединения, условное давление
принимают значительно И В рабочего. Например, на
аппаратах под вакуумом обычно применяют сЬланкы ня
условное давление р у не менее 1,6 МН/м” П ри Р а б о т е
с ядовитыми или взрывоопасными веществами такж е пои
меняют фланцы
Лляипм |на ш
| | 1,0-т—, 6 М Н /м ^ даже если
параты работают без давления’''
“ ’ ДЙЖе еСЛИ ап‘
чтобы
.........н “ фланцев. Вместо того
фланцев на трубы сех
диаметров, имеется ограниченное
число типоразмеров,
фланцы всех видов.
з
У
Л
Т
Л
П
1
т
*
<
_________ __________________________________________
Следует отметить, что для соединения труб и присоеди­
нения трубопроводов к штуцерам аппаратов и для соеди­
нения частей аппаратов применяют фланцы по разным
нормалям: трубопроводные фланцы более массивны по
сравнению с аппаратурными, так как они помимо давле­
ния подвергаются действию изгибающих нагрузок от
трубопровода. Штуцером называют деталь аппарата, со­
стоящую из фланца и обрезка трубы (патрубка) (рис. 8).
Минимальная длина патрубка должна быть достаточно
удобной для установления болтов при сборке фланцевого
соединения. При необходимости установки длинных шту-
Рис. 8. Штуцера:
о
приваренны й
встык;
б
приваренны й
с отбортовкой
в н ак л ад к у ;
в — приваренны й
церов малого диаметра их во избежание поломки укрепляют ребрами жесткости; иногда в штуцера вставляют
патрубки наполнения, чтобы предотвратить стекание жид­
кости по стенкам аппарата (рис. 9). При подаче в аппарат
легковоспламеняющихся жидкостей патрубки наполнения
опускают до дна аппарата, чтобы предотвратить накоп­
ление на струе жидкости статического электричества.
Днища в местах установки штуцеров большого диаметра
и люков в случае необходимости укрепляют кольцами
жесткости (рис. 10, а—в) для компенсации ослабления
стенки отверстием. Хорошим способом укрепления яв­
ляется отбортовка края отверстия. Иногда на аппаратах
штуцера заменены бобышками. Бобышки из углеродистой
стали представляют собой утолщенный фланец, вварен­
ный в корпус аппарата (рис. 11). На медных и алюминие­
вых аппаратах применяют стальные бобышки, защищен­
ные цветным металлом.
Для осмотра аппаратов, загрузки сырья и контроля
за ходом процесса служат лазы, люки и смотровые окна.
Смотровые окна при­
соединяются к бобышкам
(рис. 12) или к штуцерам.
Окна изготовляют диамет­
ром от 50 до 150 мм и
снабжают толстостенными
плоскими стеклами, вы­
держивающими избыточ­
ное давление до 0,6 МН/м*.
Обычно на аппарат уста­
навливают два смотровых
стекла, и одно из них
служит для светильника.
Лазы для внутреннего
осмотра аппарата выпол­
няют круглого и оваль­
ного сечения. На цельно­
сварных аппаратах, фу­
терованных или снабжен­
ных антикоррозионными
покрытиями, для обеспечения надежной вентиляции
аппарата при нанесении покрытия необходима установка
двух люков диаметром не менее 800 мм.
а)
Рис. 10. Укрепление
6)
корпуса
в месте
в)
врезки
штуцера
Конструкция люков (и лазов) зависит от частоты их
открывания. Если люк открывается очень редко, крышку
люка присоединяют как заглушку на болтах (рис. 13 а).
Если люк необходимо открывать часто, применяют одну
Рис.
II.
Бобышка из углеро
диетой стали
Рис. 12. Смотровое окно
|
Рис. 13. Конструкции люков:
л ю к -з а г л у ш к а ;
б
с откидными
болтами; в *- с ш арнирной укосиной
из конструкций быстрооткрывающихся люков, напри­
мер, люк на откидных болтах (рис. 13, б). Для подъема
тяжелых крышек люков (массой более 20 кг) применяю?
шарнирные укосины с винтом (рис. 13, в).
^именяют
а)
•)
Рис. 14. Лапы аппаратов:
л — опорная;
б — боковая
Лапы и опоры служат для установки аппаратов на
фундаменты и несущие конструкции. Боковые и опорные
лапы вертикальных аппаратов (рис. 14) нормализованы.
Аппараты ставят обычно на четыре опоры.
В громоздких тонкостенных аппаратах в местах уста­
новки лап приваривают усиливающие накладки.
Рис. 15. Приспособления для монтажа
а-
м онтаж ное ушко; б -
монтажный крюк; в -
монтажный штуцер
Для строповки аппаратов при монтаже применяют
ушки, крюки и монтажные штуцера (цапфы) (рис. 15).
Ушки (рис. 15, а) обычно делают на крышках вертикаль­
ных аппаратов. Устанавливают, как правило, три ушка
что обеспечивает равномерную нагрузку на стропы.
Наиболее прогрессивны грузоподъемные устройства
в виде цапф, дающие возможность повернуть аппарат из
горизонтального положения в вертикальное. Цапфы
'
ч/1/ Ч”
Ч*> цйУ г/к
и
0,05 о,/О 0,15 Ц20 0,25 0,3077*
Рис. 16. Графики к расчету прочности стенки аппарата в месте уста­
новки монтажного штуцера
должны быть приварены не менее чем на 200—300 мм
выше центра тяжести аппарата.
Для монтажа можно использовать и достаточно проч­
ные элементы аппарата, например штуцера больших
диаметров. В этом случае установка грузозахватных ^ои~
СНИИ
необязательнаЕсли
грузозахватные
устройСТВЗ
К
с
е
л
я
т
с
я
К
т
а
м/'с»
тт
я
_____
*
,
*
ства крепятся к тяжелым тонкостенным аппаратам
стенку аппарата необходимо проверять на прочность!’
Проверка прочности стенки аппарата при установке пап* Ш Ш
производиться по методике ВНИИМОНТАЖСП БИСТРОЯ Г Л
определяют изгибающий момент
Сначала
где к
_
у~
М =
коэффициент
коэффициент
коэффициент
К„КЯК У<21 Н м ,
перегрузки, равный 1,1;
динамичности;
условий работы при подъеме аппарата
|Щ ИМ ^ рсой 1 '§ пр"
I — нагрузка на цапфу, Н;
I — вылет цапфы, м.
Расчетные напряжения равны
Щ
В В В ^ Я
< |4 ( ^ + Л |Н М
где
о ,,
а
1 ^ ° атв^ венно ^ридиональное и кольцевое напряжения в месте приварки лапы, Н/м2г - радиус цапфы, м;~
К — радиус аппарата, м;
8 — толщина стенки аппарата, м-
I р®' 11с я т а . т а д т
у И
Г л а в а III.
АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
СУСПЕНЗИЙ
§ 8. Отстойники
I | Ц
Процессы отстаивания, фильтрации и центрифугиро­
вания применяют для разделения жидких неоднородных
систем, состоящих из жидкой фазы и твердых взвешенных
в ней частиц.
По степени раздробленности твердых часиш. условно
различают: грубые суспензии (с размером частиц более
100 мкм); тонкие суспензии (с размером твердой фазы
от 100 до 0,5 мкм); мути — с размером частиц от 0,5
до 0,1 мкм; коллоидальные растворы — с размером ча­
стиц менее 0,1 мкм.
В процессах химической технологии встречаются все
виды суспензий, причем в большинстве случаев взвешен­
ные частицы неоднородны по размерам.
Суспензии с взвешенными частицами больших разме­
ров поддаются разделению под действием собственной
силы тяжести. Если плотность твердых частиц больше
плотности жидкости, взвешенные частицы оседают на дно;
если же их плотность меньше, чем у жидкости, они всплы­
вают. Осаждение твердых частиц под действием силы
тяжести называют отстаиванием (сгущением). Концентра­
ция получающихся при отстаивании осадков целиком
зависит от структуры и размера частиц и обычно не
превышает 40—50%.
Производительность отстойника определяют по фор­
муле
(2 = ЗбООо»/7 м3/ч,
где ю — скорость осаждения частиц, м/с;
Р — площадь отстойника, м2.
Как видно из формулы, производительность отстой­
ника не зависит от его высоты, а зависит только от ско­
рости осаждения и площади, поэтому отстойники имеют
обычно большую площадь поперечного сечения и неболь­
шую высоту.
Процесс ведется в отстойниках периодического или
непрерывного действия. В отстойниках периодического
действия суспензия заливается в аппарат, а затем через
промежуток времени, необходимый для оседания частиц,
слой осветленной жидкости сливают (декантируют), а оса­
док выгружают из аппарата.
Суспензия
Осветленная
жидкость
1
I исааок
Рис. 17. Отстойник непрерывного действия:
/
мешалка; 2 — кольцевой желоб
В аппаратах непрерывного действия подача суспен­
зии» удаление осадка и осветленной жидкости происхо­
дят непрерывно. Д л я отстаивания больших , объемов
жидкости, содержащей незначительное количество осадка
например при очистке сточных вод, отстаивании питьевой
воды и т. д., служат резервуары очень большой емкости
работающие по комбинированной схеме; жидкость в них
протекает непрерывно, а осадок удаляется периоди­
чески.
к м
На рис. 17 показан отстойник непрерывного действия
Аппарат имеет коническое днище, способствующее спол­
занию осадка к центральному разгрузочному патрубку
ерез который осадок (шлам) удаляется из аппарата!
непосредственной близости от днища вращается греб*°*“
аЛК1 С накл°нными гребками, перемещающими
осадок от периферии к центру. Суспензия подается в центр
аппарата, а осветленная жидкость сливается в кольцевой
желоб, приваренный к боковым стенкам, и через штуцер
удаляется из аппарата. Чтобы не взмутить осадка, ме­
шалке придают очень малую частоту вращения (0,5—
0,1 об/мин). Для получения таких малых частот вращения
применяют двойные планетарные приводы с большим
передаточным отношением или последовательно соединяют
несколько редукторов. Подобные аппараты имеют боль­
шой объем (100—200 м3 и более). Применяют отстойники
еще больших размеров — до 100 м в диаметре. В этом
случае их обычно делают бетонными. Для уменьшения
площади, занимаемой аппаратом, применяют многоярус­
ные отстойники с несколькими горизонтальными пере­
городками, над каждой из которых, помещена гребковая
мешалка.
,г
При необходимости более полного удаления жидкости
из осадка его промывают. Промывку устраивают, когда
жидкость представляет собой- раствор, содержащий цен­
ные продукты, или наоборот, когда осадок необходимо
очистить от веществ, содержащихся в жидкости. При про­
мывке осадок из первого отстойника передается во вто­
рой, гд е, он промывается чистой жидкостью (обычно
водой). Осадок во втором отстойнике будет содержать
то же количество жидкости, что и в первом, но содержа­
ние растворенного в ней вещества будет значительно
меньше. В случае необходимости промывку производят
в третий раз.
Общий недостаток отстойников — их громоздкость и
недостаточно полное разделение жидкости и осадка.
§ 9. Фильтры
Фильтрацией называют процесс разделения суспен­
зий с помощью пористой перегородки, пропускающей
жидкость, но удерживающей частицы твердой фазы.
Фильтрацию применяют, когда разделение суспензии
отстаиванием невозможно вследствие плохого осаждения
частиц или когда необходимо получить осадок с мини­
мальным содержанием жидкости.
Различают следующие виды фильтрации:
1) фильтрация с образованием слоя осадка на филь­
трующей перегородке;
2) осветление — фильтрация жидкости с очень малым
содержанием осадка;
3)
сгущение — при котором из суспензии удаляется
только часть жидкости, а твердая фаза отводится в виде
концентрированной суспензии.
Наиболее широко применяют фильтрацию с образова­
нием осадка.
Фильтровальные перегородки должны хорошо задер­
живать твердые частицы, иметь достаточную механическую
прочность, быть устойчивыми к химическому воздей­
ствию разделяемых веществ и теплостойкими при темпе­
ратуре фильтрования. В качестве фильтровальных пере­
городок наиболее широко применяют различные ткани.
Реже применяют металлические сетки, пористые керами­
ческие плиты или пористые металлические перегородки.
В качестве тканевых перегородок обычно применяют
хлопчатобумажные ткани, реже — шерстяные ткани
(сукно различных видов), которые устойчивее, чем хлоп­
чатобумажные, к растворам кислот и кислых солей.
Иногда применяют перегородки из синтетических тка­
ней — хлориновые, полиамидные, ткани из стекловолокна.
Ткани и плетеные сетки являются нежесткими филь­
трующими перегородками, поэтому они нуждаются в же­
сткой основе в виде решеток, сеток, колосников.
Жидкость (фильтрат) в процессе фильтрации преодоле­
вает гидравлическое сопротивление фильтрующей пере­
городки и слоя осадка.
Кристаллические осадки хорошо фильтруются, так
как между кристаллами остаются поры, по которым
проходит жидкость. Аморфные, липкие осадки филь­
труются плохо. Некоторые осадки при повышении давле­
ния способны сжиматься и дополнительно увеличивать
свое сопротивление.
Перепад давления при фильтрации выбирают прежде
всего с учетом свойств осадка. Хорошо фильтрующиеся
осадки не требуют большого давления, иногда бывает
достаточно гидростатического давления небольшого слоя
жидкости. Во многих случаях перепад давления создается
вследствие вакуума под фильтрующей тканью. Аппараты
такого типа называют вакуум-фильтрами. В вакуумфильтре разность давлений не превышает обычно
0,06 МН/м2, что для фильтрации многих осадков недо­
статочно. В таких случаях применяют фильтры под
Обычно давление над осадком не превышает
> МН/м . Фильтры под давлением по конструкции зн а­
чительно сложнее, чем вакуум-фильтры.
В зависимости от способа работы различают фильтры
периодического и непрерывного действия.
Фильтры периодического действия менее производи­
тельны, разгрузка осадка в них затруднена, но благодаря
простоте конструкции они применяются в различных
отраслях промышленности, К
к, наиболее распространен­
ным фильтрам периодического действия относятся нутчфильтры, друк-фильтры, фильтр-прессы и листовые
фил ьтр ы.
фильтр
открытую сверху, с двойным дном, причем верхнее ложное
дно выполнено в виде решетки, на которую укладывают
фильтрующую ткань или пористую керамическую плитку.
В пространство между дном аппарата и фильтрующей
тканью^ (или плиткой) вводится вакуумная линия, по
которой отсасывается фильтрат. Основной недостаток
нутч-фильтра — ручная выгрузка осадка. В некоторых
конструкциях нутч-фильтров предусмотрены мешалки для
механизированной выгрузки осадка.
Простейший друк-фильтр — вертикальный цилиндри­
ческий аппарат, перегороженный решеткой с фильтру­
ющей тканью. На решетку подается суспензия. Избыточ­
ное давление в аппарате, равное 0,2 МН/м2, создается
обычно с помощью сжатого воздуха. Осадок с ткани
выгружается через съемную верхнюю крышку.
На рис. 18 показан механизированный друк-фильтр,
в котором осадок выгружается через боковой люк с по­
мощью мешалки 5. Наклонно поставленные гребки ме­
шалки перемещают осадок от центра к периферии. Во
время фильтрации мешалка находится в верхнем поло­
жении, а по окончании фильтрации она медленно опу­
скается и, вращаясь, удаляет слой осадка. Подъем ме­
шалки производится гидравлическим цилиндром 2 или
с помощью вспомогательного привода. Для облегчения
обслуживания фильтрующей поверхности и смены ткани
днище друк-фильтра с фильтрующей тканью опускается
с помощью гидравлического цилиндра 3 на 400—500 мм.
фильтр
рубашкой для обогрева.
В зависимости от коррозионных свойств среды друки нутч-фильтры изготовляют из углеродистой кислото­
стойкой стали или с эмалированными рабочими поверх­
ностями.
т
Г
—
,
---------------------------------- —
—
-------- ------------------ —
Г
Л
--------------------- —
“
^
/
- 4
Общий недостаток друк- и нутч-фильтров — неболь­
шая поверхность фильтрации (в самых крупных аппара­
тах не более 7—8 м2).
Принцип действия фильтр-пресса показан на рис. 19.
Фильтр-пресс состоит из комплекта плит 1 и рам 2, раз­
деленных фильтрующей тканью. Весь комплект сжимается
Фильтрат
Фильтрат
Рис. 18. Друк-фильтр с ме­
ханизированной разгрузкой
осадка:
/ — привод;
2 — гидравлический цилиндр для подъема мешалки; 3 — цилиндр для опускания днища;
4 — решетки;
5 — гребковая мешалка
Рис. 19. Схема действия фильтр-пронесся*
ц
*
а — фильтрация;
б — промывка;
плита; 2 — рама
/ —
с помощью^ гидравлического или механического зажим­
ного устройства. Плиты и рамы имеют отверстия. При
сборке комплекта эти отверстия совмещаются и образуют
канал для подачи суспензии и промывной жидкости.
Суспензия подводится в аппарат под давлением и через
отверстия в верхних стенках рам попадает в камеры,
образованные плитами и рамами. Фильтрат стекает по
вертикальным канавкам, выполненным на поверхности
плит, и выводится из плит по внутренним каналам. По
мере заполнения камеры осадком фильтрацию прекра­
щают, в случае необходимости промывают и продувают
осадок, затем раздвигают комплект плит и рам и выгру­
жают осадок.
Фильтр-пресс показан на рис. 20. Основой фильтра
служат упорная плита 3 и головка 4 , связанные двумя
стяжками 6 и 7. На стяжки опираются плиты и рамы,
Рис. 20. Фильтр-пресс:
1 и2
опорные стойки; 3 — у п о р н ая рама; 4 — головка; 5 — балки; 6 и 7 _
с т я ж к и ; 8 — стойки; 9 — з а ж и м н а я плита; 10 — ступица; 11 — винт- 12 —
ф ильтрую щ ие плиты; 13 — р ам а
по ним же перемещается подвижная задняя рама 9 фильтрпресса, связанная с зажимным механизмом. Сила заж а­
тия, создаваемая зажимным устройством, очень велика
и составляет десятки тонн.
Гидравлическое зажимное устройство представляет
собой цилиндр, внутри которого перемещается поршень,
связанный через шток с задней рамой фильтра. При по­
даче в цилиндр жидкости под большим давлением поршень
перемещается, сдвигая заднюю раму. Механическое за­
жимное устройство выполняют в виде винта, связанного
с электродвигателем системой передач.
Фильтрующие плиты и рамы изготовляют из чугуна
алюминия, дерева и пластических масс. Толщину плиты
в зависимости от механической прочности материала при°
Ра3меР плит и рам не превышает обычно
1 0 0 0 X 1 0 0 0 мм. Масса плит должна быть не очень боль­
шой, так как при разгрузке осадка они перемещаются
вручную. В крупных фильтр-прессах укладывают до
5 0 6 0 комплектов рам и плит с общей фильтрующей
поверхностью до 50 м2.
Фильтрат поступает из краников в плитах в корыто и
уходит в сборник. По внешнему виду жидкости можно
судить о ходе процесса фильтрования. Помутнение филь­
трата означает, что ткань порвана и пропускает осадок
При фильтрации вредных продуктов предусматривают
отвод фильтрата по закрытому каналу. Осадок выгружается в выдвижное корыто или в бункер.
Достоинства фильтр-пресса: большая поверхность
фильтрации; возможность создания значительного пере­
пада давления, что позволяет фильтровать на нем трудно
фильтрующиеся суспензии; простота сборки и разборки
фильтра. Существенный недостаток фильтр-пресса_тя­
желый ручной труд при его обслуживании. В последнее
время сделаны попытки механизировать разгрузку фильтрпресса. Наиболее успешно эта задача решена в автомати­
чески действующем фильтр-прессе типа ФПАКМ
1
этого фильтр-пресса (рис. 21) расположены
горизонтально, между ними заложены резиновые надув­
ные прокладки. Фильтрующая поверхность представляет
собой бесконечную ленту 7 ткани, зигзагообразно про­
ходящую между плитами. Периодически, по мере отло­
жения осадка, комплект плит разжимают с помощью
электромеханического зажима 12 или гидравлической
системы, и лента протягивается между плитами, причем
осадок с ленты срезается ножами 14. Лента в процессе
всего движения проходит промывную ванну 9.
т а я п я м Т и ! ЧаСТЬ аистовых фильтров — полая трубчаая рама, на которой крепится проволочная сетка. Рама
Я К
обтягиваются фильтрующей тканью: Жидкость
проходит внутрь рамы и отводится по трубке к коллекИ В Рамы укрепляют на специальной тележке, и вместе
Листовые Т и УТ выдвиг*ться
резервуара с суспензией.
Шстовые фильтры обычно работают под вакуумомвуапТРяУпЩИ6 ЭЛ6МеНТЫ погРУжаются в открытый резеруар, а вакуум-насос присоединяется к линиям, отводя-
1
щим фильтрат из элементов. У листовых фильтров, ра­
ботающих под давлением, корпус цилиндрический; филь­
трующие элементы связаны с крышкой аппарата и вы­
двигаются из корпуса вместе с ней (рис. 22).
Фильтр работает следующим образом. Когда толщина
осадка на фильтре достигает предельной величины, из
корпуса 2 вынимают фильтрующие элементы 1 и переносят
Рис. 21. Схема действия фильтр-пресса ФПАКМ:
1 — ф ильтровальны е плиты; 2 — с т я ж к а ; 3 — в е р х н я я у п о р н а я плита; 4 —
коллектор отвода; 5 — коллектор подачи; 6 — н атяж н ое устройство; 7 — ф иль­
т р о в ал ь н а я ткан ь; 8 — привод передвиж ения ткани; 9 — пром ы вная ванна;
10 — транспортер; I I — н и ж н я я опорная плита; 12 — электромеханический
заж им ; 13 — ролики; 14 — нож и съема осадка; 15 — н аж и м н ая плита
их в резервуар для промывки (если промывка осадка
необходима). После промывки фильтрующие элементы
переносят в разгрузочный бункер, и обратным током
воздуха (или пара) осадок сбрасывается.
Фильтры непрерывного действия работают, как пра­
вило, под вакуумом. В последнее время появились кон­
струкции фильтров, работающих под давлением. Из
фильтров непрерывного действия наиболее распростра­
нены барабанные, дисковые и ленточные фильтры.
Основ
элемент барабанного вакуум-фильтра
вращающийся барабан, покрытый фильтровальной тканью,
внутри которого с помощью вакуум-насоса создается разреженне (рис. 23). Внутренняя полость барабана 1 разделяется продольными перегородками 2 на отдельные сек-
Рис. 22.
Листовой фильтр:
фильтрую щ ие
элементы;
2 — корпус
ции. Барабан вращ ается на валу, один конец которого
соединен с приводом, а полая цапфа другого примыкает
к распределительному устройству. Поверхность барабана
частично погруж ена в суспензию, находящ ую ся в резервуаре (корыте) 3. К аж дая
секция барабана с помощью
трубки, проходящей в по­
лой цапфе вала, соединена
с ^ распределительным уст­
ройством.
При
вращении
барабана каж д ая секция со­
единяется с различными по­
лостями неподвижной
го­
ловки^
распределительного
устройства и проходит по­
следовательно зоны ф ильт­
рования, первой подсушки,
промывки, второй подсушки,
Р и с. 23. Схема действия б а р а ­
удаления осадка и реген ера­
банного
вакуум-фильтра
ции ткани.
В зоне ф ильтрования
сается с
“ Ж
Я Ш
вакуума. Пр„Р зто'м ^ ^ с т Г у х о *
дит через тр у б ку в сборник ф ильтра, а на
поверхности
секции образуется осадок. —---------*
П ри дальнейш
ем
повороте
барабана секция поднимается из суспензии,
и под д е й ­
ствием ваку у м а воздух вытесняет из пор осадка остатки
4*
фильтрата ( / / — зона первой подсушки). Затем фильтру­
ющая секция попадает в зону, где осадок промывается
путем орошения барабана водой. Промывные воды также
отсасываются вакуумом, но через другую полость распре­
делительной головки — в сборник промывных вод. В зоне
второй подсушки из осадка удаляются остатки промывных
вод, причем секция остается соединенной с той же по­
лостью.
В зоне удаления осадка I I I секции соединяются с ли­
нией сжатого воздуха, который отдувает осадок от ткани.
Разрыхленный слой осадка срезается ножом. После сня­
тия осадка производится регенерация фильтровальной
ткани продувкой ее воздухом и промывкой водой (зона IV).
Чтобы предотвратить отрыв ткана от поверхности бара­
бана при отдувке осадка, ткань обматывают проволокой.
Концы ткани закрепляют на боковых стенках барабана.
Важная деталь фильтра — распределительная го­
ловка, при помощи которой производится чередование
циклов процесса фильтрации. Головка состоит из двух
тщательно прошлифованных дисков — вращающегося и
неподвижного. Отверстия подвижного диска, связанные
с соответствующими секциями барабана, последовательно
соединяются с различными полостями неподвижного
диска.
Барабаны вакуум-фильтров имеют диаметр до 3,5 м
и длину до 8 м. Поверхность их достигает 100 м2. Бара­
баны изготовляются литыми чугунными или стальными
сварными. Для фильтрации корродирующих продуктов
применяют вакуум-фильтры с поверхностями, защищен­
ными гуммированием. Боковая поверхность барабана
представляет собой решетку с отверстиями. На решетку
накладывается металлическая сетка, а на сетку натяги­
вается фильтрующая ткань. Барабан вращается с очень
малой частотой — 1—3 об/мин. Барабан приводится через
редуктор с большим передаточным отношением или через
два редуктора, соединенные последовательно. Осадок
снимается с ткани ножом или роликом, который прижи­
мается к фильтрующей поверхности. Снятый осадок сбра­
сывается в корыто и удаляется из него с помощью шнека.
Недостаток барабанного вакуум-фильтра состоит
в том, что суспензия при фильтрации движется снизу
вверх, в то время как под действием силы тяжести она
осаждается сверху вниз. Чтобы предотвратить осаждение
крупных частиц суспензии, в корыте устанавливают
ных фильтров с внутренней т Ш Ш М Ш Ш
В этом фильтре секции с отводящими трубками располо
жены на наружной поверхности барабана, а фильтрующая
ткань находится внутри него. Суспензия поступает внутрь
барабана и в его нижнюю часть. Смена циклов работы
фильтра такая, что и в барабанном фильтре с наружной
поверхностью фильтрации осадок, с н и м а й ножом
Рис. 24. Дисковый вакуум-фильтр:
/ -д и ски ;
2 -
пустотелый
вал;
3 - корыто
г
1‘ 9
падает в бункер, расположенный внутри барабана
сторРоУн Т 1арабан аМОЩЬЮ “
■
|
: Ж
и
ЧерЮ 0ТКРЬ,ТУЮ ™Р«»вую
° К°Р " У « . Рзссчитанном на давление
МН/м ■ П В
выгружается из аппарата под
п и тателГ ° П° М° ЩЬЮ шлюзовой ^ м е р ы или секторного
Наряду с барабанными фильтрами широкое распоостраненне получили дисковые вакуум-фильтры(рас 24)
"к Ряда„дасков Д насаженных на пустовал 2‘ На боковой поверхности дисков закреплены
секторы, обтянутые фильтрующей тканью. Вал с диском
медленно вращается в корыте 3 с суспензией. Фильтрат
удаляется через пустотелый вал. Осадок срезается но­
жами с поверхностей дисков. Схема циклов работы ди­
скового фильтра такая же, как и у барабанного. По
сравнению с барабанными дисковые фильтры имеют бо­
лее развитую поверхность и допускают более быструю
смену фильтрующей ткани.
Ленточный фильтр (рис. 25) состоит из сварной метал­
лической станины, на которой укреплены два гуммиро­
ванных барабана 1 (приводной и натяжной). Между ба­
рабанами натянута бесконечная резиновая лента 2 спе-
Рис. 25. Схема устройства ленточного фильтра:
/ — барабаны;
2 — лента;
3 — вакуум -кам ера;
4 — лоток
циального профиля с рифленой поверхностью. К ленте
плотно прилегает фильтрующая ткань. По краям ленты
ткань закрепляется в специальных пазах. Вдоль оси
ленты расположены сквозные отверстия, через которые
выводится фильтрат. Верхняя ветвь ленты при своем
движении скользит по горизонтальному столу, в середине
которого по всей длине расположена вакуум-камера 3,
состоящая из отдельных, разобщенных между собой от­
секов. Нижняя ветвь ленты свободно провисает или опи­
рается на ролики. При переходе на плоскость стола края
ленты с помощью боковых направляющих поднимаются
и лента принимает форму желоба. Суспензия подается на
ленту по лотку 4 в начале стола. Примерно в средней части
стола на ленту подается промывная жидкость. Через от­
верстия в ленте фильтрат проходит в расположенный под
лентой^ специальный отсек вакуумной камеры. Образо­
вавшийся осадок промывают, а промывные воды отводят
в следующие отсеки вакуум-камеры. Выгрузка осадка
происходит на концевом барабане.
Ленточные фильтры выпускают нескольких типораз­
меров; у наибольшего из них поверхность фильтрации
о к о л о 10 М Г Рт !
1 ТЫ 1,25 м и ° б щ е й д л и н е ф ильтра
о к о л о 10 м. С тан и н у ф ильтра состав л я ю т из н еск ол ьк и х
сек ц и и , что п о зв о л я е т при о д н о й и той ж е ш ири не баоя
и ленты со б и р а т ь ф ильтры р а зн о й длины .
§ 10. Центрифуги
спетаий и э м ,-ние ~ это процесс разделения су­
спензии и эмульсии с помощью центробежных сил Ос
новная часть центрифуги - барабан (ротор) впашаю
щиися с большой скоростью.
^
р ;’ ВРащаюВ Дентрифуге однородные смеси разделяются по прин­
ципу фильтрации или по принципу отстаивания
Фильтрующие центрифуги имеют барабаны с дырча"
Т
’ иокрытой фильтровальной тканью. Цен?роп п ^ Д фильтрация в общем случае складывается из
последовательно протекающих операций: фильтрация
^ Г и ° з а0" адМ
ка0СГ „ а; УПЛ0Т“ НИе
У Д але„и?ж „д
из осадка. С помощью центробежной Фильтпянии
можно достичь высокой степени обезвоживания о Г ь“
Центробежное отстаивание производят в барабанах
со сплошными стенками. При действии центробежных
б о л е7 т я ж ел " аЯя Ра„Ся ? аНВаеТСЯ' Т в ер д а я Фа з а .
п р ав и л о.
повевхно?™ йя’„
:полагается в «дружном слое, вблизи
поверхности барабана, а жидкость собирается во в н у т п р н
нем слое и сливается через край барабана
УР
барабанах со сплошными стенками производится
также разделение эмульсий (сепарация). Под действием
пГпло?ностиЙвСв и ^ КОМПОненты эмУльсии располагаются
2° "
о
д отдельных слоев: наружный слой из
более тяжелой жидкости и внутренний слой из более лег­
кой жидкости. Жидкости выводятся из центробежного
сепаратора порознь.
исшрооежного
Центробежные силы, развиваемые при центрифуги
воздейотиеКачемВГ Т " а материал значительно большее
тп !1 ?г
ЛЫ тяжести и давления. Поэтому цен^ Л гир0вание ~ чрезвычайно эффективный способ об­
работки жидких неоднородных систем.
сивнпг?!КТерИС1ИК0Й центрифуги, определяющей интензываюший ял р Ы’ СЛужит фактоР Разделения Ф, покаУскГения,сВ
обопЛЬК°
РЭЗ
центробежное
ускорение
больше
ускорения свободного падения:
0 =
_ _ п %2
к
900
где <в — угловая скорость вращения барабана, рад/с;
# — радиус барабана, м;
8 — ускорение свободного падения, м/с2;
п — частота вращения барабана, об/мин.
Чем больше фактор разделения, тем эффективнее ра­
бота центрифуги. Из формулы видно, что фактор разде­
ления значительно быстрее растет при увеличении числа
оборотов, чем при увеличении радиуса (диаметра) бара­
бана. Поэтому центрифуги с большим фактором разделе­
ния имеют, как правило, малый диаметр барабана и очень
большую частоту вращения.
По характеру процесса центрифугирования центри­
фуги делят на машины периодического и непрерывного
действия; в зависимости от расположения ротора разли­
чают горизонтальные и вертикальные центрифуги. По
способу выгрузки осадка из ротора различают центри­
фуги с ручной выгрузкой, с выгрузкой под"действием
собственной силы тяжести осадка, выгрузкой ножом,
пульсирующим поршнем, посредством вибрации и с инерционнои выгрузкой.
фа
ифуги условно делят на нормальные центрифуги с Ф
3000 и скоростные, или сверхцентрифуги, у которых
Ф > 3000.
•V - Л .
V
Наиболее широко применяют центрифуги непрерыв­
ного действия. Периодически действующие центрифуги
вследствие более низкой производительности и трудности
выгрузки осадка находят ограниченное применение, в ос­
новном в малотоннажных производствах.
К наиболее распространенным центрифугам периоди­
ческого действия относятся трехколонные центрифуги и
подвесные центрифуги с верхней опорой. В трехколон­
ной центрифуге (рис. 26) осадок выгружается вручную
через верхний борт ротора 1. Корпус центрифуги подве­
шен с помощью тяг на трех колоннах, вибрация барабана
воспринимается пружинами. Привод центрифуги — от
электродвигателя 5 через клиноременную передачу. Лен­
точный тормоз центрифуги сблокирован с электродвига­
телем. Блокирующее устройство автоматически тормозит
ротор при выключении двигателя и растормаживает его
при включении двигателя. Система блокировки не до­
пускает открытия крышки при работающем двигателе.
Трехколонные центрифуги применяют для разделения
суспензий и для отделения жидкости от штучных изделий
(пряжа, ткани, мелкие металлические детали и т д } Т прх
колонные центрифуги нормализованы и выпускаются
Ц И | ( Ц В Ц и осадительными роторами диаметром
от 450 до 1500 мм. Основной недостаток трехколонных
центрифуг - тяжелая ручная выгрузка и н л о ^ й доступ
к подшипникам ротора.
Эти
о
,
мере устранены В ПОЛКРГной центрифуге с нижней выгрузкой (рис. 27). В такой
центрифуге барабан подвешен к валу, имеющему верх-
Рис. 26. Трехколонная центрифуга с нижней выгрузкой-
I РОТОР: 2 1 3аЛОРаг ^ ? Ч 1 7леГрУ
о Ж
аЛьРЭТОРа: 4 - —
чивает^я ^л^ш ая^уст^й« 1 лъостьси^темы* и Т ® 0беСПе*
руемость. Расположение опоры и пг^инппя самоцентР
пРо Г Г м Вк Г УК
Ряа Г
р
'
о
Г
«
*
про и з в в д ^ ы е Т а т р а Г в р ём ен а° Г э ^ и Г с м з а ^ н ы е
Ф 1286
Рис. 27. Автоматическая подвесная центрифуга с нижней выгрузкой
58
с частыми остановками для выгрузки осадка. Этот недо­
статок устранен в центрифугах с автоматическим наполне­
нием барабана и удалением осадка на полном ходу.
Центрифуги с ножевым съемом осадка (рис. 28) имеют
горизонтальный ротор. Суспензия поступает в ротор /
через питательную трубу 5. По истечении определенного
срока подача суспензии прекращается. После фугования
с помощью гидравлического цилиндра 6 нож 2 медленно
поднимается и начинает срезать осадок, который падает
в наклонный желоб 4. Д л я облегчения разгрузки осадка
одновременно включается
пневматический молоток,
заставляющий
вибриро­
вать стенки желоба. На
передней стенке центри­
фуги сделаны смотровые
окна для наблюдения за Поступление
сругата
процессом и люки осмотра
центрифуги.
Недостаток
ножевым
рифу
съемом осадка — сильное
измельчение
Эти центрифуги непри­
годны для обработки сус­
пензий с липким м аж у­
Выход
Выгрузка
щимся осадком.
ф угат а
осадка
К центрифугам непре­
рывного действия отно­ Рис. 28. Схема центрифуги с но­
жевым съемом осадка:
сятся центрифуги с пуль­
сирующей выгрузкой, в ко­ / — рото’р; 2 — н о ж ; 3 — к о ж у х ; 4 —
п р и е м н ы й ж е л о б ; 5 — т р у б а д л я подачи
торых суспензия подается с у с п е н з и и ; 6 — г и д р а в л и ч е с к и й ц и ­
л и н д р д л я п о д ъ ем а н о ж а
непрерывно, а осадок вы­
талкивается
отдельными
п о р ц и я м и С помощью поршня-толкателя или подвижно го д н и щ а . Эти центрифуги предназначены для разштоиоованных суспензий. Эффективная рацентрифу
фаз
нем
поступает
в
бараконус
и
через
отверстия
водится
щелевым
ситом.
|металл
ическим
баи, покрытый изнутри
Слой осадка, отложившийся на сите, перемещается поршнем-толкателем к открытому концу барабана. Ход поршня
равен 1/ю высоты барабана. Поршень-толкатель совершает
обычно 10— 16 ходов в минуту.
^
^
^
^
^
Н
м
а
т
е
Р
и
а
л
а
-
т
I-
■
»
V
■
*
-------
—
—
---------« Г
1
-
69
Барабан закреплен на полом валу, установленном на
подшипниках. Внутри полого вала на бронзовых втулках
перемещается шток толкателя, на одном конце которого
установлен пульсирующий поршень, а на другом пор­
шень цилиндра высокого давления. Направление движе­
ния поршня изменяется автоматически.
Центрифуги непрерывного действия со шнековой вы­
грузкой осадка работают обычно как осадительные. Го­
ризонтальная осадительная центрифуга со шнековой вы­
грузкой (НОГШ) имеет сплошной многоступенчатый ци­
линдроконический ротор 1 (рис. 29), внутри которого
расположен спиральный шнек 2. Шнек и ротор имеют раз­
ную частоту вращения, вследствие чего шнек перемещает
твердый продукт, осаждающийся на стенках, к узкому
концу ротора и выгружает его через окна в его торцовой
крышке.
<
Осветленная жидкость сливается через окна с проти­
воположной стороны. Окна прикрываются заслонками,
с помощью которых регулируют величину открытия окон:
чем больше открыты окна, тем меньше слой жидкости
в барабане. Спираль шнека 2 выполняется одно- или
двухзаходной. Разница в частоте вращения ротора и шнека
очень невелика и равна в современных конструкциях
0,6—4%. Для достижения такой разницы применяют спе­
циальный планетарный редуктор, соединяющий вал ротора
центрифуги со шнеком. Этот редуктор 8 — один из
наиболее сложных узлов центрифуги.
Преимущество центрифуг со шнековой выгрузкой —
высокая производительность и непрерывность работы,
а недостатки — высокий расход энергии, значительное
измельчение осадка и сильный износ шнека при работе
с абразивными материалами.
Для разделения тонких суспензий, коллоидных систем,
стойких эмульсий применяются сверхцентрифуги, имею­
щие высокий фактор разделения (Ф > 3000).
Трубчатая сверхцентрифуга (рис. 30) имеет глухой
ротор 3 в виде трубы небольшого диаметра (100—200 мм),
который в несколько раз меньше ее длины. Ротор подве­
шен на валу, приводимом от электродвигателя через ре­
менную передачу. Внутри ротора расположена крыль­
чатка с тремя-четырьмя радиальными лопастями 10, пре­
пятствующими отставанию жидкости от ротора. Внизу
ротор имеет трубчатый вал для передачи суспензии, ко­
торая, вращаясь вместе с ротором, перемещается в осе-
э*
<с
§
с
к
ч
3
о
>.
о.
53
■>о
ЭоЯ =о=
н
со •е>»
§1 2
Ш
о
и ю
3 а._^
•
л
ш
й)
н о.
о
соо зо я3
а о.
с
о
а> х
х сй ьи
3
С
О
I
о
и
сип мшI
>» я ••в- кС к
04 3 оI
Я
5
х
<
и
С
ЕГ
всо: >1О
Я
а
рО
х
Ч >>
со *
н 0
х я с
О
С
П
1
3
5
к
а . 0,5
о
и
со
**
о
Я
см
а
о
5
а
С'*
а
о
н
о
о.
С
а
н
В
Т
V
СО
О)
С
>»
»•
и
О
и
о
я
вом направлении. Твердые частицы осаждаются на стен­
ках ротора, а фугат отводится через выходное отверстие
в головке в сливную камеру. Осадок периодически уда­
ляют вручную. При разделении эмульсий расслоившиеся
жидкости отводятся через отверстия в головке центри­
фуги. Более тяжелая
жидкость удаляется
через отверстия, рас­
положенные у стенки
ротора, а более лег­
кий компонент уда­
ляется через отвер­
стия, расположенные
ближе к оси ротора.
Частота
вращения
сверхцентрифуг до­
стигает 15 ООО об/мин
при факторе разделения
15 ООО.
При малом диаметре
ротора и большой ча­
стоте вращения мо-
Рис. 30. Трубчатая сверхПитание
центрифуга:
1
3
5
8
— корпус;
2 — кожух;
— ротор;
4 — головка;
— днище; 6 — диск; 7 и
— сборники; 9 — тормоз;
10 — радиальные лопасти
жно получить значительную центробежную силу без
чрезмерного увеличения напряжения в стенках ротора.
Основной и наиболее ответственный элемент центри­
фуги — ротор (барабан). Роторы изготовляют сварными
или литыми из углеродистой и коррозионно-стойкой
стали. Иногда ступицу ротора делают литой и к ней при­
варивают обечайку из листовой стали. После сварки ро­
торы обрабатывают и подвергают тщательной баланси­
ровке.
Глава
IV.
АППАРАТЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ
ГАЗОВ
§ 11. Классификация способов очистки газов
Процессы газоочистки, широко применяемые во многих отраслях промышленности, служ ат для очистки от
примесей газов, выбрасываемых в атмосферу, или для
извлечения из газов целевых продуктов производства.
Иногда обе задачи совмещаются. В некоторых случаях
газы, поступающие на очистку, имеют высокую темпе­
ратуру (до 1000° С) или насыщены парами кислот, что
создает дополнительные трудности при конструировании
газоочистных аппаратов.
В зависимости от агрегатного состояния примесей и
размера частиц различают:
а) пылевоздушные смеси (размер твердых частиц 3—
50 мкм);
б) дымы (размер твердых частиц 0,001— 1,0 мкм);
в) туманы (размер капель жидкости 0,001— 1,0 мкм).
Способы очистки газов можно разделить на основные
группы:
1) механическая очистка, при которой частицы пыли
осаждаются под действием собственной силы тяжести или
центробежной силы;
2) мокрая очистка путем орошения газа жидкостью
или барботажа его через слой жидкости;
3) фильтрация газа через ткань или другие пористые
материалы;
4) электрическая очистка газа путем осаждения взве­
шенных частиц в электрическом поле высокого напряж е­
ния.
Качество газоочистительных установок характери­
зуется величиной гидравлического сопротивления, слож ­
ностью эксплуатации и коэффициентом улавливания.
Коэффициентом улавливания или к. п. д. газоочисти­
тельной установки г] называется отношение количества
осажденной
в газе:
пыли
к первоначальному ее
1
количеству
:
•I
где сн и ск — соответственно начальная и конечная кон­
центрация пыли.
§ 12. Инерционные и фильтрующие газоочистители
К аппаратам инерционной очистки газов относятся от­
стойные камеры, циклоны и жалюзийные пылеуловители.
Простейшими
пылеуловите♦
лями,
работающими
способом
Очищенный К
газ
осаждения частиц под действием
силы тяжести, являются отстоиные камеры, Они лрименяются
для выделения грубых частиц,
например для улавливания золы
из дымовых газов.
Запылен
ньщ газ
Принцип действия циклонов
основан на использовании цент­
робежной силы, развивающейся
при вращательном движении га­
зового потока (рис. 31). Газ по­
ступает через тангенциально уста­
новленный патрубок, очищенный
II
/ \п ы л ь
газ выходит через центральную
трубу, пыль собирается в бункере
в нижней части циклона.
Циклоны эффективно очищают
газ, однако их применение огра­
ничено: частицы размером менее
1 мкм в циклонах практически
Рис. 31. Схема действия
не улавливаются.
циклона
Входной патрубок в цикло­
нах разных типов устанавливают
как горизонтально, так и наклонно. Подсосы газа
через отверстие для выгрузки пыли резко ухудшают
работу циклона, поэтому это отверстие должно быть на­
дежно уплотнено; это достигается установкой «мигалки»
клапана, открывающегося периодически под действием
силы тяжести пыли. В некоторых случаях пыль разгру­
жают в бункер, который периодически опорожняется.
При большом расходе газа устанавливают группу
циклонов, работающих параллельно. Пыль из группы
циклонов разгружают в общий бункер. При групповой
установке большое значение имеет равномерное распре­
деление газа между циклонами. Установка более восьми
циклонов в группе не допускается (рис. 32).
Рис. 32. Группа циклонов
Циклоны изготовляют из листовой стали. К качеству
изготовления предъявляются повышенные требования,
так как смещение кромок листов, незачищенные сварные
швы внутри аппарата создают очаги скопления пыли.
Батарейный циклон представляет собой пылеулавли­
вающий аппарат, составленный из большого числа парал­
лельно включенных элементов, объединенных в одном
корпусе (рис. 33). Запыленный газ через входной патру­
бок поступает в распределительную камеру. Из камеры
он входит в кольцевые зазоры циклонных элементов, где
установлены спиральные направляющие аппараты, за­
кручивающие поток газа. По центральным трубам очи­
щенный газ поступает в верхнюю камеру и выходит из
аппарата, а пыль ссыпается в сборный бункер.
Элементы батарейного циклона (рис. 34) имеют диа­
метр 150 250 мм. Вращение газа достигается путем уста­
новки
винтовых
лопаток
или
Газ
восьмилопастной розетки с нак­
лонными лопастями. Элементы ба­
тарейных циклонов должны изго­
товляться еще более тщательно,
чем' циклоны, поэтому во многих
случаях от их установки отказыва­
ются, заменяя их циклонами ма­
лых диаметров или другими газо­
очистительными аппаратами.
В жалюзийных пылеуловите­
2
лях пыль осаждается из-за резкого
изменения направления потока
газа. Конический жалюзийный
пылеуловитель (рис. 35) состоит
из колец разного диаметра, име­
ющих форму усеченного конуса.
Кольца соединены жесткими ребрами, расположенными по образующей аппарата. Запыленный
газ поступает через большое ос­
нование конуса, а очищенный от
пыли газ выходит через кольцевые щели. Обогащенные пылью
газы отсасываются через нижнее
основание конуса. Жалюзийные
Рис. 33. Батарейный ци­
пылеуловители просты по конст­
клон:
рукции, имеют малое гидравличе­
/ — камера чистого воздуха;
ское
сопротивление,
однако
в
них
2 — распределительная к а ­
мера; 3 — бункер для сбора
осаждается
только
крупная
пыль
пыли; 4 — просеянный шлак
размером частиц 30 мкм и
более. В фи
газоочи­
стителях газ очищается путем фильтрации его через слой
ткани или какие-либо пористые перегородки. Важное
преимущество фильтрующих газоочистителей — ] ысокая
степень очистки газа, значительно более высокая, чем
в циклонах. Недостатки их — большое гидравлическое
сопротивление и низкая производительность.
Матерчатые фильтры применяются только при низких
температурах газа — не более 120° С. Нельзя очищать
в матерчатых фильтрах газы при температурах, лежащих
ниже температуры конденсации содержащихся в газе во­
дяных паров, так как при этом ткань увлажняется и за­
мазывается, вследствие чего ее сопротивление резко воз­
растает.
Наиболее широко применяют в промышленности ру­
кавные фильтры. Внутри прямоугольного корпуса та­
кого фильтра (рис. 36) размещены
Неочищенные г алы
в шахматном порядке матерчатые
г -— §--------------------рукава 1 диаметром 150—200 мм
Рис. 34. Элементы батарейного циклона:
а — с направляющим аппаратом в виде двух
винтообразных лопаток; б —то же в виде
восьмилопастной розетки
Газы, обогпидейные
пылью
Рис. 35. Схема действия
конического
жалюзи й ного пылеуловителя
из шерстяных, хлопчатобумажных или синтетических тка­
ней. Применение рукавов из стекловолокна позволяет уве­
личить температуру газа до 300° С. Нижние концы рукавов
закреплены в решетке и сообщаются с бункером. Верхние
концы рукавов закрыты заглушками, которые связаны
со встряхивающим механизмом 2. Газ входит внутрь
рукавов, фильтруется через их поверхность и удаляется
из корпуса фильтра через верхний газоход; пыль оседает
на внутренней поверхности рукавов. Рукава очищают от
пыли встряхиванием с одновременной продувкой обрат­
ным потоком воздуха.
Рукавные фильтры обычно делают многосекционными.
Каждая секция поочередно отключается от выхлопного
коллектора на период встряхивания и продувки; отде-
Рис. 36. Рукавный фильтр:
^
рукав; 2 — механизм встряхивания
лившаяся от ткани пыль попадает в бункер, продувочный
загрязненный воздух очищается в секциях фильтра, ра­
ботающих на фильтрацию. Пыль из бункера транспорти68
руется шнеком к шлюзовому затвору, через который она
удаляется.
Механизм встряхивания и переключения клапанов на
продувку приводится от электродвигателя через редуктор.
Вся работа фильтра автоматизирована.
Высоту рукава принимают в пределах 2—3 м. В одной
секции размещают обычно 14 рукавов. Наиболее распро­
странен механизм встряхивания кулачкового типа, со­
стоящий из вала с кулачками и системы рычагов. Рычаг
при вращении вала соскакивает с зуба кулачка, что и вы­
зывает встряхивание группы рукавов фильтра (рис. 37).
Рис. 37. Механизм встряхивания рукавного
фильтра:
/ — приводной вал; 2 — кулачок; 3 — коромы­
сло; 4 — тяга; 5 — сильфон; 6 — балка; 7 —
рукавные фильтры
В СССР выпускаются рукавные фильтры, имеющие до
20 секций, с общим количеством рукавов 20 X 14 = 280 шт.
и поверхностью фильтрации до 560 м2. Нагрузку на филь­
трующую поверхность принимают для мелкодисперсной
пыли 40—80 м3/(м2-ч), а для крупнодисперсной 50—
120 м3/(м2-ч). Гидравлическое сопротивление фильтра
при нормальной его нагрузке составляет 40—70 мм вод. ст.
Наряду с рукавными фильтрами применяют мешочные
матерчатые фильтры с фильтрующим элементом в форме
конверта.
Для особенно тонкой очистки применяют керамиче­
ские (поролитовые) фильтры, в которых газ проходит через
пористые фильтрующие элементы из керамики. Наряду
с керамиком применяют металлические пористые эле­
менты. Керамиковые и металлические фильтры могут
работать при значительно более высокой температуре, чем
матерчатые.
Для тонкой очистки газа служат также масляные
фильтры. Основной частью такого фильтра является слой
насыпных колец или пакет сеток, смоченных вязким мас­
лом. При движении газа через этот слой пыль прилипает
к масляному покрытию. Масло периодически меняется по
мере его загрязнения пылью. В масляном фильтре, пока­
занном на рис. 38, установлены горизонтальные сетки /,
выдвигающиеся через окна в боковой поверхности фильтра.
1
I
1_
Г аз
Рис. 38. Схема масляного фильтра
Аппарат имеет несколько полок. На каждой полке уло­
жены 3—4 сетки. Газ проходит параллельно через'все
полки. В масляных фильтрах с насыпными кольцами мел­
кие металлические кольца загружаются в вертикальные
рамки с двумя сетчатыми стенками. В зависимости от про­
изводительности фильтр комплектуют различным коли­
чеством рамок.
§ 13, Мокрые газоочистители
В мокрых газоочистителях газ очищается путем про­
мывки его водой в распылительных насадочных или пен­
ных скрубберах. Мокрую очистку применяют в тех слу­
чаях, когда допустимо увлажнение очищаемого газа.
Улавливаемые частицы уносятся из аппарата в виде шлама.
Широко распространены центробежные мокрые скруб­
беры. Это вертикальные и цилиндрические аппараты,
в которых газ вводится по касательной, а в поток газа
70
через форсунки впрыскивается вода. Очищенный газ вы­
ходит в верхнюю часть аппарата. Вода с уловленными
продуктами собирается в нижней части аппарата.
В пенных аппаратах жидкость, взаимодействующая
с газом, приводится в состояние подвижной пены, что
создает большую поверхность контакта между жидкостью
и газом и обеспечивает высокую степень очистки. Аппа­
рат при улавливании пыли с размером частиц более
5 мкм имеет к. п. д. до 99%. Пенный аппарат (рис. 39)
Жидкость
V Суспензия
Рис. 39. Схема однополочного пенного
аппарата
Рис. 40. Схема
распылительного скруб­
бера:
/ — вход запыленного газа; 2 — форсунки;
3 — коллектор
представляет собой камеру круглого или прямоугольного
сечения с горизонтальной решеткой внутри нее. Газ дви­
жется в аппарате снизу вверх. Вода подается и отводится
через боковые штуцера. Уровень жидкости на решетке
регулируется переливным порогом. Часть жидкости
обычно протекает через решетку. Имеются конструкции
пенных аппаратов провального типа, в которых вся жид­
кость стекает через решетку навстречу газу. Пенные ап­
параты можно применять для очистки газов, не дающих
осадков, способных забивать решетки.
Пенный режим может быть получен лишь при оптималь­
ной скорости газа в свободном сечении и оптимальных диа-
метрах отверстий. Скорость газа в сечении аппарата при­
нимают обычно в пределах 1—3 м/с, а живое сечение ре­
шетки выбирают так, чтобы скорость газа в отверстиях
составляла 6—13 м/с. Уменьшение скорости приводит
к нарушению цельности слоя пены, повышение скорости
выше указанных пределов резко увеличивает потери из-за
брызг.
Брызгоунос является одним из основных недостатков
пенных аппаратов.
Распылительные скрубберы (рис. 40) — это обычно
полые цилиндрические аппараты с установленными внутри
распылительными соплами. Водяная завеса, создаваемая
соплами, обеспечивает очистку газа. Газовый поток в ап­
парате
обычно
направлен
Чистый
снизу вверх. Нижняя часть
газ
аппарата служит также
для отстаивания твердых
частиц из жидкости.
В последние годы ши­
роко применяется высоко­
эффективный пылеулавли­
вающий
аппарат — ско­
ростной газопромыватель.
Этот аппарат также извес­
тен под названием скруб­
бера Вентури. Скоростной
Запыленный
газопромыватель состоит
из орошаемой водой трубы
и распылителя 2 и капШлам
леуловителя 3 (рис. 41).
Рис. 41. Скоростной газопромыСкорость газа в суженном
ватель
сечении трубы юстигает
100— 150 м/с, в связи с
чем сопротивление скоростных газопромывателей значительно
до 1000 мм рт. ст. При больших расходах
газа, когда одиночную трубу применить нельзя, ис­
пользуют батарею труб-распылителей небольшого ди­
аметра.
Мокрые газоочистительные установки требуют боль­
шого расхода воды, поэтому они работают, как правило,
с циркуляцией орошающей воды. Вода из аппарата по­
ступает в отстойный бак и затем с помощью насоса снова
возвращается на орошение. Периодически жидкость в си­
стеме меняется. В некоторых случаях из орошающей жид72
кости могут быть извлечены ценные* продукты улавлиэа*
иия. которые накапливаются в ней в процессе многократ­
ной циркуляции.
• '%•
§ 14. Электрофильтры
Действ 1Н’ !элекгрофильтров основано на осяждеиии
электрически заряженных частиц пыли. Электрофильтры
имеют ряд преимуществ: высокую степень очистки, очень
малое гидравлическое го
против, лен ие (обычно ие
более 15 мм вод ст.). воз
можность работы при вы
температуре — до
сокой
более: очистка
С I_и
___I
может быть как сухой.
гак и мокрои Недостатки
высо
электрофильтров
I
кая стоимость и сложное
*лек три чес кое хоэя йст во
В электрофильтре ус­
тановлены электроды двух
осадительные и
ГИИОВ
Осадикорон и р ующие.
тельные электроды Иыпол
НН I
и я юте н из пластин или из
труб, короннрующие — из
проволоки круглого или
К
фасонного профиля.
электродам подводится по­
стоянный ток высокого
Осадительнапряжения
ные эле ктроды п рисоединяются к положительному
Р и с . 42. Вертикальный пластинча­
полюсу, коронирующие
тый электрофильтр:
к отрицательному. Когда
/ — боковое отверстие; 2 — осадитель­
ный
электрод;
3
— коронирующ ий
между электродами филь­
электрод
тра пропускается газ, соМ В В Й ' взвешенные частицы (пыль, туман), эти
держащий
частицы заряжаю тся под действием электрического поля,
движутся к электродам и оседают на них. Основная масса
взвешенных частиц оседает на осадительных электродах.
Осажденная пыль периодически стряхивается с электро­
дов. При очистке газов от туманов осаждающаяся жидкоегь стекает с электполов.
5
0
0
В зависимости от свойств очищаемого газа корпусы
электрофильтров изготовляют из стали, железобетона,
свинца или пластических масс. Электрофильтры могут
Рис. 43. Мокрый электрофильтр:
/ — осадительный электрод;
2 — коронирующий электрод; 3 — изоляторы
быть вертикальными (с вертикальным ходом газа) и гори­
зонтальными (с горизонтальным ходом газа). Обычно уста­
навливают параллельно несколько электрофильтров или
один многосекционный электрофильтр, чтобы в процессе
74
работы можно было отключать часть электрофильтров или
отдельные секции для очистки от пыли.
Трубчатые осадительные электроды имеют диаметр
150—300 мм и длину 3—4 м. Н а рис. 42 дана схема верти­
кального пластинчатого электрофильтра. Газ поступает
в камеру через боковое отверстие 1, огибает перегородку
Рис. 44. Изоляторная коробка с обогревом:
^
электрод; 2
изолятор;
3 — подводящая
шина; 4 — тепловая изоляция; 5 — нагреватель­
ный элемент
камеры и проходит снизу вверх пространство между п л а­
стинчатыми осадительными электродами , в котором под­
вешены коронирующие электроды
Осевшая на пластин­
ках осадительных электродов пыль периодически стр ях и ­
вается, ссыпается в нижнюю часть камеры и удаляется
3.
2
На рис. 43 показан вертикальный мокрый трубчатый
электрофильтр для очистки газов сернокислотных про­
изводств от тумана серной кислоты, мышьяка и селена.
Корпус фильтра стальной, футерованный изнутри кисло­
тоупорным кирпичом. Крышка фильтра защищена листо­
вым свинцом. В верхней части корпуса установлена сталь­
ная освинцованная трубная решетка, к которой подве­
шены шестигранные осадительные электроды 1. Внутри
каждого осадительного электрода висит освинцованный
коронирующий электрод 2 звездообразного сечения. Коронирующие электроды крепятся к полосам, которые
с помощью тяг опираются на изоляторы 3. Газ вводится
в аппарат снизу и выводится через верхний патрубок.
Для равномерного распределения потока газа по сече­
нию аппарата в нижней части установлены две распреде­
лительные решетки. Улавливаемая кислота сливается
в нижнюю часть электрофильтра и удаляется через шту­
цер.
3
Одним из наиболее сложных узлов электрофильтра
являются изоляторные коробки — места ввода высокого
напряжения. Изоляторы электрофильтров работают в тя­
желых условиях. Они должны выдерживать высокую тем­
пературу и значительную механическую нагрузку и удо­
влетворительно работать при загрязнении среды пылью
или туманом кислот. Изоляторы обычно стараются выве­
сти из потока неочищенного газа или защитить его по
возможности от попадания загрязняющих веществ. З а ­
щита изолятора выполняется путем применения лаби­
ринта, масляного затвора или обогрева изоляторной ко­
робки для предотвращения конденсации влаги на изоля­
торе. На рис. 44 дана конструкция изоляторной коробки
с изолятором, обогреваемым с помощью электрических
элементов.
§ 15. Прочие способы очистки газов
Во многих производствах газ очищают в несколько
ступеней, пропуская его последовательно через несколько
газоочистительных аппаратов разных типов. Первая ста­
дия очистки обычно происходит в циклонах или осади­
тельных камерах, где задерживается основная масса
крупнодисперсной пыли. Газы с остатками пыли посту­
пают на окончательную очистку в рукавный фильтр,
электрофильтр или скруббер мокрой очистки.
Таким образом, в аппараты окончательной очистки
попадает значительно меньшее количество пыли ЧТО
очень облегчает их работу. Применяется также’ очиочи­
стка газа в три ступени: например, в циклоне, скруббере
мокрой очистки и электрофильтре.
р
К новым способам очистки относится очистка газов
посредством ультразвуковых излучателей. Ультразвуко­
вые волны способствуют укрупнению (агломерации/ча­
стиц пыли или тумана. Укрупненные частицы отделяются
ЫХ ИЛИ М0КРЫХ газоочистителях. Подобные
газоочистители используются в сажевом производстве
Л 8
л?- ж
1
"
Ж
Л
ж
Ж
1
Ж
• Ж
Ж
ж
»ж ^
V
■
ш
. .
13 механическом пылеуловителе газ всасывается вра­
щающимся ротором. Пыль отделяется при прохождении
3
узкие
зазоРы
между
лопатками
ротора
и
кож у х о м . _______
_
г
Г л а в а V.
АППАРАТЫ ДЛЯ НАГРЕВА,
ОХЛАЖДЕНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ
§ 16. Методы нагрева и охлаждения.
Теплоносители и хладагенты
Для нагревания химических продуктов в теплообмен­
ных аппаратах используются водяной пар, горячие жид­
кости, пары высококипящих жидкостей, топочные газы
и электрический ток.
Для охлаждения применяют воду, воздух, лед, холо­
дильные рассолы и пары жидкостей, кипящих при низ­
ких температурах.
Нагревание. Водяной пар — самый распространен­
ный теплоноситель в промышленности. Для теплообмен­
ников используют только насыщенный пар, так как ко­
эффициент теплоотдачи его значительно выше, чем у пере­
гретого пара. Если водяной пар вводится в нагреваемую
среду и смешивается с ней, то его часто называют «острым
паром».
Водяной пар успешно используется в теплообменных
аппаратах^для нагрева жидкостей до температуры при­
мерно 170° С. Более высокий нагрев жидкостей требует
применения больших давлений водяного пара — выше
1,2 МН/м2, что экономически невыгодно и сопряжено
с большими трудностями. Наиболее распространенное да­
вление водяного пара в теплообменных аппаратах
0,6 МН/ма.
Для нагрева химических продуктов до более высоких
температур используют высококипящие органические жид­
кости: минеральные масла (для нагрева до 250—300° С),
тетрахлордифенил (для нагрева до 300° С), дифенильную
смесь (для нагрева до 380—400° С).
Наиболее распространена дифенильная смесь (73,5%
дифенильного эфира и 26,5% дифенила). Эта смесь кипит
при нормальном давлении при температуре 258° С; ее
можно применять для нагрева химических продуктов до
400° С, если довести давление паров смеси до 1 МН/м2.
В редких случаях используются пары ртути, позво­
ляющие производить нагрев до 500° С.
Топочные газы используются для высокотемператур­
ного нагрева химических продуктов (от 400 до 1000° С).
Они образуются путем сжигания жидкого или газообраз­
ного топлива в специальных топках. Д л я снижения тем­
пературы топочных газов до допустимых значений (500__
800° С) их смешивают с воздухом или с уже использован­
ными дымовыми газами в смесительных камерах. После
этого они направляются в теплообменный аппарат, где
охлаждаются, отдавая часть своего тепла нагреваемым
продуктам. Из теплообменника топочные газы отсасы­
ваются дымососом и выбрасываются в атмосферу.
Электрический ток используется для нагрева продук­
тов посредством электрической дуги или с помощью на­
гревательных элементов (сопротивлений). Электрическая
дуга используется в дуговых печах для нагрева газообраз­
ных продуктов до 1500—2000° С и выше.
Нагрев химических продуктов электрическим током
производится путем пропускания его через нагреваемое
тело или через специальные нагревательные элементы
я п п я п ^ СП°
6 РаспР°стРанен; вокруг обогреваемого
аппарата размещают нагревательные спирали, через ко­
торые пропускают ток высокого напряжения, или уста­
навливают в аппарате закрытые нагреватели — ТЭНы
Применяют также индукционный обогрев, когда индук­
ционными токами нагревается корпус аппарата.
и ис^сстАвТнИнпгпВ пЗДУХ пРименяется для естественного
и искусственного охлаждения. При естественном ох л я
ждении нагретые продукты охлаждаются вследствие по
терь тепла через стенки аппарата в окружающую сое™
Ё
| | р " Р о и с х о д Г ГеУ=
п Т т ем Т п л о Г
Этот’ способВнаиб?лее ч я СТИЧН0Г0 ислаРения жидкости,
для охлаждения воды
"'п ользуется в градирнях
оутВи°чДи п ^ и и Иб« Л0е РаспР0Страненный хладагент- ее бе
жинИ
%\
Гпёра%бо
Т
а
Г
Д
°
^
Р)
И
^
и
а
н
с
к
и
*
сквао пп
о
Р тура артезианской воды около я 1л° р
0
этР4 до02 5 "с” Ш
' “ зав« “ « ™ от времени г о и вода нагревается лоЩтГНЗЯ Ч6рез тепло°бменный аппарат
нагревается до температуры не выше 50° С.
Охлаждение технологических аппаратов требует боль­
шого расхода воды, достигающего для отдельных хими­
ческих и нефтехимических заводов нескольких десятков
тысяч кубических метров в час. При наличии достаточного
по мощности водного источника применяется прямоточная
система водоснабжения, при которой забираемая из источника
млплгтт ----------------- I
.а вода используется для целей охлаждения однократно
Однако при существующем во многих местах недостатке
воды целесообразнее использовать оборотную систему
водоснабжения, при которой вода циркулирует в замкну­
той системе и используется для целей охлаждения много­
кратно. При этой системе вода, прошедшая теплообмен­
ные аппараты, нагревается в них до температуры обычно
не выше 50 С. Для повторного ее использования в каче­
стве хладагента она направляется в водоохлаждающее
устройство. Здесь вода вследствие ее частичного испаре­
ния охлаждается до требуемой температуры, «"собирается
в резервуаре охлажденной воды, откуда циркуляцион­
ным насосом снова направляется в теплообменные аппа­
раты. Оборотная система водоснабжения более эконо­
мична, чем прямоточная.
Для низкотемпературного охлаждения используют лед
(его вводят непосредственно в охлаждаемую среду) хо­
лодильные смеси (смеси льда с солями), холодильные’рас­
солы (водные или спиртовые растворы поваренной соли
хлористого кальция и т. д.) и пары жидкостей, кипящих
при низких температурах.
Лед и холодильные смеси позволяют охлаждать продукты от + 5 до —5° С. В современных производствах
они используются редко. Холодильные рассолы, наиболее
часто используемые в промышленности, позволяют охла­
ждать продукты до —20° С. Более глубокое охлаждение
достигается с помощью паров жидкостей, кипящих при
низких температурах (аммиака, фреона, этилена и т д )
С помощью частичного испарения жидкого аммиака при
абсолютном давлении 0,2 МН/м2 можно довести его тем­
пературу до —20° С, а жидкого этилена (при атмосфер­
ном давлении) — до — 104° С.
§ 17. Поверхностные теплообменные аппараты
В большинстве случаев химические процессы сопро­
вождаются нагревом или охлаждением сырья и продук­
тов реакции.
3
Теплообменная’ аппаратура
! I—
— один из основных ви­
дов технологического оборудования и составляет примерно
30—40% (по массе) всего химического оборудования
Большинство теплообменных аппаратов (до 70%) работают
в средах жидкость
жидкость и пар
жидкость при
И КI м
давлениях Пдо
л нн/м
/ м 2 и температуре не ыше 200°
а0р Щ
С.
Однако встречаются случаи, когда теплообменный аппа? са
работать при значительных давлениях (до
150 МН/м2) или температурах.
В зависимости от назначения теплообменные аппараты
подразделяют на холодильники, подогреватели, кипятиль­
ники и конденсаторы.
Различают несколько видов взаимного движения сред
внутри теплообменника: прямоток, противоток и перекре­
стный ток Противоток, как правило, выгоднее прямотока
так как обеспечивает более полное использование тепла
теплоносителя. По способу компоновки теплообменной
поверхности и ее форме различают теплообменники когги/жныр ые’ типа «труба в трубе», оросительные, погружные, трубчатые воздушного охлаждения и калориферы, пластинчатые.
Кожухотрубные теплообменники. Теплообменная поерхность в кожухотрубных теплообменниках
В виде нескольких трубок, собранны й в Т р ^ б н ы П у ч о к
смонтированных в одном кожухе (корпусе)
^ Р а з л и ч а ю т четыре типа кожухотрубных теплообменни2
* тГ
П
ь.
И» Ч
ПО Т
Т0 1 Л Т
I 1
Ж
ТТП
* X «г
^
V А тт а П1» тт.
т ш
ш
+
' '
•‘
ум е т
г
у
"
— ■■--------- :
^
^
и
|
»
/
и
Д. 1 Л
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
__
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
_
I
шетками^8СТКИМ КОЖухом и неподвижными трубными релинзовьш компенсатором на кож ухе и жестко
закрепленными решетками;
:•
4) с жестким Г ЖУХ° М’И плавающей головкой;
V с жестким кожухом и с О-образными тр убк ам и
Кожухотрубные теплообменники
тРУ6ками.
изготовляют
с
поерхностью теплообмена
(наружной
поверхностью
всех
труб пучка) от 1 до 2000 м
ски во игру уп»ш
" 1 Используются они практичеНа рис 45 показан
производствах,
стким корпусом г ^ .
"Ростеишии теплообменник с жетрубного пучка
крышек I Г Т ДР™ < * °п > кож уха , ,
ных решетках в й ®
Трубки закреплены в трубдва штуцера 5, а на к р ы ш к а ? 6 Теплообменника имеются
штуцера 4. Одна из сред,
гая®
п о у т р у б н о м у б простр?нствуСЯ П° Трубкам’ ДРУ’
И* Макаров
В теплообменнике такого типа жидкость, текущая вн\ __________ _
Отсюда
ние его одноходовой. В одноходовых теплообменниках
скорость движения среды по трубкам сравнительно не­
велика, поэтому они характеризуются пониженными ко­
эффициентами теплопередачи. Для увеличения скорости
теплообменники делают много­
ходовыми, т. е. направляют
среду последовательно через
отдельные участки трубного
пучка.
В зависимости от числа
ходов бывают одноходовые,
двухходовые, четырех ходовые
и шести ходовые теплообменники.
При одинаковом количестве
нагреваемой (или охлаждаемой)
жидкости скорость ее движе­
ния по трубкам в многоходо­
вом аппарате значительно выше,
чем в одноходовом, поэтому
многоходовые теплообменники
более эффективны.
На рис. 46 показаны схемы
многоходовых теплообменников.
Теплообменники жесткой кон­
струкции применяют только
при незначительной разности
температур теплоагентов (раз­
ность температур кожуха и
трубок не должна превышать
40—50° С).
При большей разности тем­
Рис. 45. Кожухотрубный теп­
лообменник с жестким кор­
ператур температурные напря­
пусом
жения необходимо компенси­
ровать. Одним из способов
компенсации является установка линзового компенсатора
на кожухе (рис. 47). Теплообменники с линзовыми ком­
пенсаторами по конструкции не отличаются от жесткотруб­
ных ничем, кроме наличия компенсатора.
Линза компенсатора сваривается из двух торовых полулинз. Полулинзы штампуются из заготовок типа шайбы.
Наружный диаметр линзы обычно больше наружного диа-
I
метра кожуха на 250 мм. Линзы можно сваривать в группы
по 2, 6, 4, 5 и 6 линз подряд. Одна линза допускает растя­
жение или сжатие кожуха до 8 мм.
Теплообменники с линзовым компенсатором приме­
няются при давлениях не выше 1,6 МН/м2. При более вы­
соком давлении приходится применять линзу с большей
толщинои стенки, что в свою очередь увеличивает ее жест­
кость и резко снижает компенсирующую способность
поэтому при давлении выше 1,6 МН/м2 обычно применяют
Рис.
Рис. 46. Схемы многоходо­
вых теплообменников:
в
Двухходового; б — д в у х х о ­
дового по межтрубному прост­
ранству; в — четырех ходового
т
I
47.
Линзовый компенсатор
(1 — гильза)
теплообменники с 11-образными
трубками (ТУ) и плавающей
головкой (ТП).
Т У
И
В
Я
Н
В
лишь в тех м у ч а я ? I ™ Р
тру? к. « загрязнен
Щ
ВМ
1 ! В 1 типа
° Мендуется применять их
В Н №
И 1
шей гГ л Г к Г ( р Т УЖ
бН0М тГ ° 0бМеННИКе с
единена с ножухом Правая
« Р
жестко
соединения с кожухом
плавающая решетка не имеет
У которых^лавающ а^еголов 1?ЛЬЗуЮТСЯ теплообменники,
нение.
а имеет сальниковое уплот-
на давления "бГг^б;04™'^ 4 Л Ш / м 2° ^ ° ВК°® выпУскаются
от 300 до 1400 мм.
|
с Диаметром корпуса
6*
Основными деталями всех кожухотрубных теплообявляются
лительные перегородки.
Для стальных теплообменников наиболее широко применяют
трубки
ЙЙМ Ц
Ш Ц с наружными диаметрами 20, 25, 38 и
57 мм. В теплообменниках для
химической промышленности наи­
более
распространены трубки
диаметром 25 мм, а в нефтеперерабатывающей
20 мм. Трубки
диаметром 38 и 57 мм применяют
при работе с загрязненными или
вязкими жидкостями. Д ля кожу­
хотрубных теплообменников при­
меняют, как правило, цельнотя­
нутые трубы из сталей 10 или
20. При работе с агрессивными
средами используют трубки из
легированных и коррозионностойких сталей, меди, титана, алюминия, графит I. В этих случаях
возможны отклонения диаметров
трубок от указанных выше. Например, медные трубки чаще име­
ют диаметр 6 мм.
Длину труб теплообменного
пучка выбирают в зависимости
от диаметра кожуха теплообмен­
ного аппарата. При диаметрах
кожуха 300—600 мм длину труб
принимают от 1 до 6 м, а в аппаратах большого размера — до 9 м.
Весьма ответственным узлом
теплообменника является соедине­
ние труб с трубной решеткой. Это
соединение может быть обеспечено
развальцовкой, сваркой, пайкой
и склеиванием.
Рис. 48. Теплообменник
с У-образными трубками
Наиболее распространено кре­
пление труб в трубной решетке
способом развальцовки (рис. 50, а и б), производимои путем
деформации конца трубы специальным инструментом
вальцовкой. При расшире•л
нии трубы она плотно прижимается к внутренним стен­
кам отверстия в решетке.
п а м*н/»гаВЛен!!И сред внутри теплообменника более
1,Ь МН/м способ развальцовки, показанный на рис. 50 а
уже не может обеспечить герметичность соединения по­
этому используют другой способ (рис. 50, б). В этом’слу-
Рис. 49. Теплообменник
с
плавающей
головкой
И Н Ж ® * ® поверхностях отверстий в решетках
д ^ 1м н а в к и НноКИ ГЛубиной ° -5- ° - 8 мм. Обычно делают
Г в а Г 3^
0 РИ ВЫС0КИХ давлениях их число у в е л *
ДОЛЖНа выстУ"ать над поверхностью реа величину толщины стенки трубы. Поверхности
Залить РОС 40
Приклеить
_____________________________________________________________________________________________________
Рис. 50. Способы крепления труб в трубной
решетке:
а.
пайка;
д — клейка
отверстия решетки и конца трубы должны
до чистого металла. Пои
,.,„Д^ . ы б ы т ь зачищены
не допускается
" ‘г “
ш«ифоваййё пове
« 4 отверстия, тем “п р ^ Г е
Р Р
И
| Щ
г
Я
Ж й ж
пинает течь, з а пол н я 7 "«а^ а в к™ ре°шГ к Г б .? Г Труб“ соединение оказывает м а к е н м а / ь Г Г п р ^ н Г в Ж ?
ванию труб из решетки и становится более плотным (гер­
метичным).
;
На прочность соединения развальцовкой очень влияет
степень развальцовки, определяемая величиной расши­
рения трубы в процессе развальцовки. Чем больше сте­
пень развальцовки, тем прочнее соединение трубы с ре­
шеткой. Однако эта зависимость существует до некоторого
значения степени развальцовки, выше которого прочность
соединения падает. Поэтому при развальцовке прихо­
дится следить за расширением трубы. Допускается сте­
пень развальцовки в пределах от 15 до 20% толщины
стенки вальцуемой трубы для нормальных давлений и
от 25 до 30% для высоких давлений. Соединения с излиш­
ней степенью развальцовки в процессе эксплуатации те­
плообменника могут выйти из строя, т. е. дать течь в ре­
зультате растрескивания конца трубы. В этом один из
главных недостатков соединения развальцовкой. Более
надежно соединение труб сваркой (рис. 50, в). За послед­
ние годы этот способ соединения хорошо освоен и широко
применяется.
Приварка труб к решетке используется при высоких
давлениях (или температурах), а также и в том случае,
когда требуется абсолютная герметичность соединения.
Последнее условие обычно ставится, когда совершенно
недопустимо соединение сред, текущих по трубам и межтрубному пространству, во избежание взрыва, пожара или
порчи одного из продуктов. Сварные швы соединения дол­
жны быть прочными и плотными, поэтому часто сварку
производят в среде инертного газа. Сварку нельзя исполь­
зовать для трубных решеток из металла с повышенным
содержанием углерода.
Если трубная решетка большой толщины, то при сварке
может возникнуть опасность перегара конца трубы (обыч­
ная опасность при сварке массивной детали с тонким из­
делием). В этом случае приходится растачивать около от­
верстий решетки концентрические канавки глубиной, рав­
ной приблизительно толщине стенки трубы. Величина
образующейся перемычки между стенками отверстия в ре­
шетке и канавки тоже равна толщине стенки трубы. Та­
ким образом, в месте сварки свариваемые изделия (труба
и верхняя часть решетки около отверстия) имеют одина­
ковую толщину.
Пайка и заливка концов труб мягким припоем
(рис. 50, г) используется в медной аппаратуре.
Трубы из полимерных материалов и графита соеди­
няются с трубными решетками с помощью клейки
(рис. 50, д).
.
В теплообменниках применяют в основном четыре спо­
соба размещения труб в пучке (рис. 51): по вершинам рав­
носторонних треугольников, шестиугольников, квадратов
ж
жу ЯИ
д
а
-
ООО о
ООО о
Рис. 51. Способы расположения труб в трубном пучке
и по окружностям. Первые два способа позволяют равно
мерно разместить наибольшее число труб в пучке
мещение труб по вершинам квадрата обеспечивает до
ступность межтрубного пространства для чистки
Рнс. 52. Сварное соединение трубной решетки с кожухом
Расстояние между осями соседних труб (шаг) ппины
мается
тся в пределах I = П 9^-^1
л
и
\шаП приниV • • 1*3) Ц||. Д ля наиболее хоД0ВТ ^ « " аМеТр0В трув ш“г нормализован^-------------------и теплмбм” н ^ к а ” Кс Ш Ш Н Р * те™ообменниках
С кожухом. Возможно соединение, ппНСаТОрОМ сваРивается
ным на рис. 52 Разъемный ™
вариантам, показанрешеткой и с п о л м у Г с я ли Г \ ИН^ НИЯ КОЖуха с трубной
щей головкой, Б-обпазными тп , й соединениях с плаваюобменннках в котопму ! ! трубами, т. е . в таких теплоВ К0Т°РЫХ можно вытащить трубчатку из
кожуха.
На рис. 53 показана конструкция разъемного соеди­
нения решетки с кожухом. Три фланца соединения стя­
гиваются фасонной шпилькой, которая позволяет снять
крышку распределительной коробки, не нарушая соеди­
нения трубной решетки с кожухом.
Днище или распределительная коробка теплообмен­
ника соединяются с кожухом, как правило, на шпильках.
Съемное днище позволяет производить чистку труб, их
осмотр и подвальцовку. На рис. 54, а—г показаны воз­
можные варианты соединения днища с кожухом аппарата.
Рис. 53. Разъемное соединение
трубной
решетки
с
кожухом
Рис. 54.
Типы соединения
с кожухом
днищ
Варианты в и г позволяют производить чистку без от­
соединения от трубопроводов, хотя в этом случае услож­
няется развальцовка труб.
Диаметры штуцеров в днищах и кожухе теплообмен­
ника выбирают по допустимым скоростям теплоносителей
Д ля жидкостей допустимые скорости потока в штуцере
равны 0,5 1 м/с, для газов 10—25 м/с. Перегородки в межтрубном пространстве имеют двойное назначение: они
служат для обеспечения соответствующего потока среды
и одновременно обеспечивают жесткость трубного пучка
Поперечные перегородки могут быть сплошными, сек­
торными, щелевыми, сегментными, кольцевыми вырезами
(рис. 55, а—д).
г
В случае установки сплошных перегородок жидкость
проходит в кольцевых зазорах между перегородкой и
трубами. Предполагается, что после прохождения пере­
городки она должна равномерно омывать трубы в простран­
стве между двумя перегородками. Это не всегда дости88
гается. В более благоприятных условиях оказываются
участки труб около перегородок.
Предпочтительны перегородки остальных типов, т а к
как они обеспечивают равномерное омывание труб по
всей их длине. Наиболее распространены среди них перегородки с секторными и сегментными вырезами. Эти пере­
городки заставляют жидкость двигаться поперек труб, что
улучшает условия теплообмена.
Рис. 55. Поперечные перего
родки в межтрубном прост
ранстве:
Толщина перегородок 5—8 мм. Отверстия для иоохои»
руб через перегородку делают обычно на 1 5__3 мм болыпрЯ В И «
р
труб. Расстояние между п е р ^ о р о Т
ками назначают равным 50^.. (Л _ я & п З К * Р' р д
наружный диаметр
труб).
четырех ^ г а х н Т к о т п ВНуТрИ К0ЖУ « теплообменника на
Потеречные йерегомпки " анизаны Р уп орн ы е трубки,
сообщают дополнительную жесткость т“ * Пр0СтрансТве
поэтому в длинных теплообменниках их у ™ » У ПуЧКу>
и в тех случаях когля но , « « «
устанавливаю т
среды в м еж т^у б н о ^ пространстве**
СК0Р ° ™
вращенияЛодноходового^плоой)еДИаЗНаЧенные «ля прекак правило, ввариваются и п ! бменника в многоходовой.
Д ля уплотнения зазора м е ж ^ Г р Г о ^ о д Г Г н
решеткой используются прокладки. При сбалчивании
распределительной коробки с трубной решеткой пере­
городка плотно прижимается к прокладке.
Теплообменники типа «труба в трубе», хотя и выде­
лены в отдельную группу, являются одной из разновид­
ностей кожухотрубных теплообменников.
Теплообменник типа «труба в трубе» состоит из двух
труб разного диаметра, вставленных одна в другую. Одна
из сред течет по внутренней трубе, а другая — по кольцевому пространству между трубами.
1
'
—
Т
11
ш
в
Г1*Л
О ))
Рис. 56. Цельносварной
теплообменник типа «тру­
ба в трубе»
Рис. 57.
Секционный теплообменник
{ и 2 - трубы ввода и вывода теплоносит ел я; 3 и 4 - - трубы ввода и вывода
продукта
Если нет необходимости чистить теплообменник, то
его делают цельносварным, для чего наружная труба по
концам обжимается и приваривается к внутренней трубе
(рис. 56). Отдельные участки такого теплообменника мо­
гут быть сварены между собой или соединены фланцами.
Наряду с гладкотрубными теплообменниками применяют
также аппараты
аппаоаты с накатанными ребрами на наружной
поверхности труб.
Если трубы в ходе эксплуатации приходится чистить,
то теплообменники делают разборными, на фланцах. З а­
зор между трубами со стороны фланцев в этом случае
уплотняется сальником. Для уменьшения числа сальников
каждую секцию теплообменника составляют из 11-об­
разных элементов.
Цельносварную конструкцию теплообменника применяют при разности температур стенок труб не больше
70° С. При большей разности температур используют раз­
борные теплообменники.
ц л
При больших расходах теплоносителя теплообменники
этого типа собирают из нескольких секций, включенных
Отдел
закрепляют хомутами на специальной сварной раме
(рис. 57).
В теплообменниках типа «труба в трубе» можно достичь
ВЫСОКИХ скоростей потока в межтрубном
пространстве,
поэтому они имеют высокие значения
коэффициентов
теплоот]
По окружности
12щт
Контактная
сварка
О)
Рис. 58. Способы
В)
продольного оребрения
труб
о б м е н а 'в ^ е Г о о б ^ Г н Г а х Т в ^ 3
теплозуют оребренные трубы В трплГл* констРУкДий испольВ трубе1; и?„ользуГ продолы "ы е ое«пН
я Н н ах ™ п?0" Р У б а
показаны два способа присоединения
рИ° '
’ а 11 6
к внутренней трубе Сппгпй ®динения продольных ребер
ребер Ез штампованных косыт ппи°Л3Г3вТ изго™ вление
нон сваркой к трубе Пои
контактиз полосок. Полоски в с т а в л я ю т я м 6 ребра изго™вляют
ченные протяжкой, и затем
На т р Уб е ’ п о л у Оросительные т ё п л о о ^ м !» ? Варивают * трубе.
1
охлаждения жидкостей и газов" Опп?«Т В 0СН0ВН0м Для
менник состоит из вертикальной? п
ЛЬНЫЙ теплоободна над другой прямых труб^? РЯДа Расположенных
тельно с помощью колен (калачейГ НяСННЫХ послеД°ваРасположен желоб. Охлаждающая
?ЭрИВаемых
щественно используется вода) равномерно переливается
через боковые стенки желоба, омывает верхнюю трубу,
с нее стекает на нижележащую трубу и т. д. Внизу смон­
тирован поддон для сбора воды (рис. 59).
В химической промышленности оросительные тепло­
обменники благодаря простоте конструкции используются
для охлаждения кислот, так как для этого процесса тепло­
обменник приходится изготовлять из кислотоупорного
ферросилида, который не­
дода.
пригоден для изготовле­
ния аппаратов сложной
конструкции.
Калориферы и трубча­
тые теплообменники воз­
душного охлаждения. Теп­
лоотдача от газов к по­
верхности тр,убок или на­
от поверхности
П родукт оборот
трубок к газам протекает
в десятки и сотни раз
медленнее, чем от жидкостеи,
поэтому
для
нагрева
Рис. 59. Оросительный теплооб­
(или охлаждения) газ: в
менник:
до заданной температуры
/ — трубы; 2 — колено; 3 — желоб;
4 — рама; 5 — поддон
приходится создавать в
аппарате большие поверх­
ности теплообмена. В трубчатых теплообменниках это
можно осуществить путем поперечного оребрения труб.
Ребра могут быть запрессованы непосредственно на теле
трубы, навиты на нее с натягом и, наконец, выдавлены
за одно целое с трубой. В СССР получили распростране­
ние трубы с ребрами, выполненными за одно целое со
стенкой. Высота ребер таких труб 10,5 мм при расстоянии
между ребрами 3,5 мм.
Наиболее типичным теплообменником для газов, в ко­
тором используются поперечно оребренные трубки, яв­
ляете^ калорифер.
5
Калорифер, как правило, состоит из нескольких од­
нотипных секций. Каждая секция (рис. 60) представляет
собой стальной короб, в котором размещено определен­
ное количество оребренных трубок. Необходимая поверхкалорифере
путем ком­
поновки его из соответствующего количества секций.
в о д я ^ о Т Г а Г ^ о х ^ в ^ Т р /т о Г ^ 0”
И Э В :Ш Ш Ш
а нк арл Г г й
| '
В су ш и л м ы |Р т с т а н о в к а х Т Рв Кс°и применение- особенно
ной вентиляции химических цехов
В
ш
В
Н
Н
а
^
Н
Ё
Рис. 60. Секция калорифера из сребренных труб
путем наружного облувя
I
осевым вентилятором В з Ш Ь ^ Д^
теплообменных труб воздушные
фицируют на гори^нтальны е вептиЛ
Г
<сН И
Ш
’ нагнетаемым
Расположения
еННИКИ к л асси-
иВ В
У**® воздушного ” охлаж ден и я“Я типового теплообмен(КВО-1ЭООГ). Он имеет
гоРизонтального типа
«У» раму И трубный п у в д Т
В Ш Ш час™: свартрРодВв °и гэт™ /ЯТОРа' | ^
1
§
-
редуктора Т Г э л е к -
ния ком по ну ет с я° и3Тп р я м° ^ р е б п е н н°ЗДУшного охлажденесколько секций (в пяссмягт ^
ых тРУб, собранных
их три). Секции воздушного т е п л о о Г М тепло°бменнике
ивно весьма схожи с элементами
констРУк1ементами калорифера. Т рубы
-
каждой секции на концах развальцованы в прямоуголь­
ных решетках, прикрытых крышками. В крышки вварены
штуцера, к фланцам которых подсоединяют подводящие
и отводящие жидкость трубопроводы. Число вертикаль­
ных рядов труб в секции 4—8, а число труб в одном ряду
23—24 шт. Длина труб принимается равной 3; 4 или 8 м
(в рассматриваемом типе длина труб 4 м).
Рис. 61. Теплообменник воздушного охлаждения:
/ — редуктор; 2 — коллектор вентилятора; 3 — трубчатая
ферма; 4 — диффузор; 5 — сварная рама; 6 — отводящий
трубопровод; 7 — подводящий трубопровод;
8 — осевой
вентилятор; 9 — колесо вентилятора; 10 — трубный пучок;
11 — электродвигатель
I
Ю
V
.
Трубы в аппаратах воздушного охлаждения имеют
поперечные ребра. Благодаря им создается большая по­
верхность, участвующая в теплообмене: например, в рас­
смотренном выше теплообменнике воздушного охлажде­
ния (см. рис. 61) она составляет 1300 м2. Трубный пучок
укладывается на сварную раму 5. Он обдувается возду­
хом, нагнетаемым осевым вентилятором 8.
Осевой вентилятор состоит из составного корпуса и
рабочего колеса с восемью лопастями. Диаметр лопастей
рабочего колеса 2800 мм. Производительность такого вен-
тилятора до 270 000 м'/ч. Осевой вентилятор создает
мощный воздушный поток, омывающий сребренные трубы
Большие скорости воздушного потока создают условия
для интенсивного теплообмена. Как показали экспеои
ментальные исследования, в аппаратах воздушного
охлаждения
коэффициент
теплопепрпяим во^ У шного
400 Вт/(м° -град) 1345 ккал/(м»“ град) ]
ДОСТИГает
Рис.
62.
менника
Элемент теплообиз
профильных
листов:
о — поперечное сечен и*»
листами; б - сборка п р о ф и л ь н а я истов3°в НЫХ С и л ь н ы м и
ние каналы; 2 - наруж ны е Ка 1 а л н ' ~ ВНутрен-
охлаждение ж идкост^ до°темпеоа? 0хлаждения возможно
обля8раТУРЫ окРУЖающего воздуУхРаЫ
10~ 14° С ВЫше
ь их применения Однако
’
0 огРаничивает
эффективности, малому р а с х о д ?
°Даря их высокой
и возможности установки почти в п Ж 1 И электР°энергии
перспективны и находят все более н
МеСте они ^ с ь м а
Несколько* теплообме
могут комплектоваться в о л о к и . ВОЗДушного охлаж дения
Пластинчатые теплообменники. В трубчатых тепло­
обменниках поверхность теплообмена, приходящаяся на
единицу объема аппарата, составляет в среднем 5 0 -
Рис. 63. Воздухоподогреватель из профильных листов
газотурбинной установки ГТК-10
90 м2/м3. Увеличение этого показателя до 1400 м2/м3 было
достигнуто при использовании в качестве элемента поверх­
ности теплообмена профильных листов.
Профильные листы выполняют из заготовок листового
проката толщиной 0,5— 1,2 мм. На поверхности листов
96
выштамповываются овальные и трапецеидальные в ы с т у п ы
Листы свариваются между собой на шовной свавотной
машине по наружним кромкам. Между листами пя™?,
волнистые каналы для прохода газа и воздуха Сваоенные
попарно, профильные листы собираются в пакеты
чаемые в дальнейшем в коробчатые корпусы На’ оис КО
показан элемент подобного пакета с перемести,.,
токами газов. Благодаря большой поверхности
Иналах'теплообменники и зд р о б и п
в вол шГстых
«верхностью
и
4 ° ™еп°лоЛоИб " : „ 1 " :
тепловой
производительности
эк вивалентен
кожухотрубному
теплообменнику
1 с -------11111
поверхностью 400 м2.
Теплообменники
из про?
фильных листов используют в
качестве воздухоподогревателей
газотурбинных установок, теплоуловителей (экономайзеров)
в технологических установках
Конструктивное
оформление
теплообменников различно: они
могут располагаться горизон­
тально или вертикально. В к а­
**•
Принципиальная
схема
роторного
пластинча­
честве примера конструктив­
того
воздухоподогревателя
ного оформления этих теплоГ ^ ИКОВ на Р,,с'
63 показан противоточный
ис. ад
г
т
К
-10.
В н еко то р щ п р о и зводсгвах* ст а л ^ п п и м* Г Т К ' 10'
пластинчатые « з д у х о п а д о Ш Ш пГ е“ ь Р ™ Р » «
теплоой' " " лР0фЛил ьОнПы е ° Г “аТ1ЛИ„ '...1 .“ тоРь,х тоже
теплообмена.
Ц
*
дц„
”■ На Ц
рис. |64 да
дана
этого теплообменника Ротпп 1/ ^
* ---- в,шгал ^лема
ИЗ 1 8 - 2 4 с е к т о р о в , разделенных ^ ° ° б м е н н и к а “ « о и т
родками на несколько отсеков к ртикальными перегопакр-лл р —рофил
секов. В эти отсеки вставлены
рах в цилиндрическом кожухе 2 па установлен на опоную и
Ё газрвуЮ к а м е р Т Г п ^ ^ ! .Ле.ННОМ на воздушриферийными. ПриРмедленномвпЛЯМИ: радиальными
стогой 1 , 5 - 4 об/мин) с е к г о ш п о с ^ ЩеНИИ Р0Т0Ра (с чав камеры кожуха.
>жуха. В газовой
попадают
стины
стины нагреваются
*амеРе пР°фильные
__________|плаохлаждаются
отдавая часть тепла проходящему5^ ™
хвлаждаю
7 ю. и. м „» м .
У ерез иее воздуху.
--------------- — ——
л
ъ
Кожух 2 состоит из верхней и нижней крышек и боко­
вой обшивки. Крышки выполнены в виде больших фланцев, переходящих с наружной стороны в прямоугольные
патрубки для прохода газового и воздушного потоков.
На крышках установлены по две секторные плиты 3
радиального уплотнения, служащие для разделения га­
зового и воздушного потоков. Секторные плиты крепятся
6
1
г
Рис. 65. Воздухоподогреватель типа ВПР-5:
' " “ ° Ж/ Х; 2 ~~ ротор; 3 — крышка; 4 — вал; 5 — верхняя
опора, о
ниж няя опора; 7 — электродвигатель; 8 — редуктор; 9 — конический редуктор; 10 — подъемный механизм
к крышкам на четырех пружинных устройствах. При вра­
щении ротора его уплотнительные полосы скользят по
рабочим поверхностям секторных плит. Для предотвра­
щения утечек воздуха наружу и присосов его в газовую
камеру по окружности ротора установлены периферийные
уплотнения. Они состоят из 22 чугунных колодок, на­
бранных в единый пояс на крышках кожуха. Каждая
колодка мржет свободно перемещаться по направляющим
втулкам, приваренным к крышкам. С помощью пружины
и шпилек устанавливают зазор в 0,5 мм между фланцем
ротора и колодкой.
Отечественной промышленностью освоен выпуск ротор­
ных воздухоподогревателей диаметром 3600—7450 мм.
На рис. 65 приведена конструкция роторного воздухопо­
догревателя типа ВПР-5 Подольского машиностроитель­
ного завода им. Орджоникидзе. Общая поверхность тепло­
обмена в нем равна 28 500 м2, мощность электродвигателя
приводящего ротор во вращение, 9 кВт.
§ 18. Теплообменники смешения, конденсаторы
„В теплообменниках этого типа тепло передается от од­
ной среды к другой путем непосредственного контакта
потоков, т. е. путем их смешения.
Этот способ можно использовать лишь в том случае
когда смешение потоков допустимо.
Теплообменники смешения можно подразделить В
принципу действия на барбОТеры, г р а д и р и Т Л о н д е и с а Барботеры. Наиболее часто принцип смешения потоов используется для нагрева жидкостей путем непосред­
ственного ввода в них водяного пара.
непосредПростейшее устройство для ввода пара в ж и д к о с т ь __
тру а, опущенная открытым концом в сосуд Более э<Ь
фективны в этом случае так называемые барботеры т е’
трубы с отверстиями в верхней части
Р ’
из прямых труб.
Под н и м ающиес я в нагреваемой жидкости
пара интенсивно ее й е Щ ш Ш Г Ш И Ш
ПузыРьки
кости в сосуде должна быть д о с р о ч н о й я п Л ° ВНЯ ЖИ/*
в в и в ■—
—
=
=
=
собой высокую деоейянн\/ 1л
градирня представляет
в нижней ^ 1асти которой гмпнтИ железобет° н н ую башню,
симости ота к о ^ у Г и: ~
РОВаН ° Р ° ситель. В зав и:
увеличить поверхность к о н т а к т ^ п у ’ предназначенного
- Д у х а , различают ^ н ”
брызгальные и капельно-пленочные градирни. В пленоч­
ных градирнях вода стекает в виде пленок, в капельных
и брызгальных
в виде капель, в капельно-пленочных —
в виде капель и пленок.
На рис. 67^ показано расположение брусков в ороси­
теле капельной градирни. Треугольные деревянные бруски
влажный боздух
Рис. 67. Расположение
брусков в решетчатом
оросителе капельной гра­
дирни
испарении воды от нее отнимается много тепла (в усло­
виях
■ Ц
виях градирни
гоадиони |до-----24,4Щ Щ
Д ж /кг, или 580 ккал/кг),
благодаря чему она охлаждается.
Необходимая тяга воздуха создается благодаря р аз­
ности плотностей более холодного и сухого наружного
воздуха и воздуха на верху башни, подвергшегося в оро­
сителе нагреву и увлажнению. Д ля создания достаточной
тяги высоту башни в зависимости от потребной производи­
тельности и типа градирни делают от 15 до 100 м
Плотность орошения водой решетки оросителя И И
мается около 10 м*/(м* -ч). В градирнях озможно Рохлаждение воды на 15—30° ^ ^
в нижней°части б аш н У С' ° ХЛажденная Щ собирается
устанавливать
дух
в ен ти л я то о н ы е гпяпмпии «
п р осасы в ается ч ер ез о е ш е т ™ ппп \
которых в о з -
осевого
вентилятопя
И
(типа В П На пиг кя п
ляторной градирни
Р ! °Росителя 1 помощью
шои
производительности
ш т т Ш т я одновенти-
Ж
на
верх"
'
или больше мощных осевых вентиляторов,
в вентиляторных^градирняхИтемпео°Са Испарения В°АЫ
воды на 3—5° С ниже чем п т . ^ мпеРатУРа охлажденной
градирнях. Кроме того и строительняя*0®™* В обь1ЧНЫх
м еньГ
Ш
нейшем будут широко и с п о л ь з о в а т ь Т я . ^ ^ ^ ” В ДЭЛЬ*
меН
яГсД
я
е^
Т
ж
^
я
°
п
0
а%
Т
ды
^лГГН
И
Я
М
°Гут
п ри '
не представляющих ценности
ДРУГИХ жидкостей,
зывают кояденсаторами с ^ ш е н Г | 1 Р В
1 Я
зуются для создания и поддержания н ^ М“ ЦИеИ поль'
ния в процессах выпаоивяния г.о
некоторого разрежесушии. При конден ^ащпГ под вакуумом нрЦИИ’ М Я В
ждают конденсируемые папы и
непРерывно охлалучающийся конденсат и иск™
рЫВНО Удаля1от по­
ступающие В конленгятпп ^
газы, поконденсатор
с
парами
или
с
охлаждаемой
жидкостью.
И
По
способу
действия
конденсатппы
пов
Я ш мокрые и сухие. В мо«„ ™Г .1 Ывают ДВУ* Щ
ждающая вода, конденсат мокрых
конденсаторах"
охл'аи
газы откачиваются одним
насосом, в сухих же конденсаторах вода и конденсат сте­
кают самотеком по одной трубе, а газы откачиваются
вакуум-насосом по другой.
На рис. 69 приведена схема противоточного су хого
барометрического конденсатора, состоящего из корпуса 1,
полок 2 и барометрической трубы 3. Пары, подлежащие
конденсации, поступают в конденсатор через ввод /,
Рис. 68. Одновентиляторная
градирня:
1 — вентилятор; 2
лестница; 3 — вертикальный вал; 4 — редуктоо- 5 —
гидромуфта; 6 — электродвигатель; 7 — вход в галерею градирни; 8 — оро
с ител ь
а охлаждающая вода — через ввод III. Вода стекает,
переливаясь через борта полок 2. Потоки воды конденси­
руют поднимающиеся пары. Конденсат вместе с охла­
ждающей водой удаляется из конденсатора по барометри­
ческой трубе 3, опущенной в приемный колодец 4. Баро­
метрическая труба должна обеспечить непрерывный от­
вод конденсата. Ее высота Н зависит в основном от оста-
I
V)
■
■•
точного давления внутри конденсатора и величины по­
тери напора при движении жидкости в барометрической
трубе. Чем больше в ней .разрежение,, тем
выше должна
— | —I—
быть труба.
— й! Вй
во всяком случае жидкость из колодца 4
не должна под действием атмосферного воздуха заполнять
внутреннюю полость конденсатора. Число полок в кон­
денсаторе от 4 до 7 шт. Несконденсированные пары уда­
ляются из конденсатора вакуум-насосом ЧРПРЧ пиплп 11
Нагретая вода из колодца
непрерывно удаляется че­
рез вывод IV.
В некоторых производ­
ствах применяют конден­
саторы смешения с насад­
кой. Конденсатор смеше­
ния такой конструкции
представляет собой ци­
линдрическую
колонну,
заполненную
насадкой
(кольцами Рашига). Под­
лежащие конденсации па­
ры подаются внутрь ко­
лонны под насадку. Охлаж­
дающая жидкость подается
сверху, равномерно рас­
пределяясь по насадке.
Жидкость, стекающая по
Конденсат
насадке, образует разви- рис. 69 Баро
Рис. 70. Моктую поверхность контакта
метрический
рый конденсаконденсатор
тор
с парами. Конденсат вместе
смешения
смешения
охлаждающей водой стекает в нижнюю часть колонны, откуда он через гидрав­
лический затвор удаляется насосом. Несконденсировавшиеся пары и газы удаляются че
аренный
в верхней части корпуса колонны.
На рис. 70 приведена схема конденсатора смешения
мокрого типа. Он состоит из корпуса /, внутри которого
смонтированы полки 2. Охлаждающая вода разбрызги­
вается внутри конденсатора с помощью разбрызгивателя 3.
Конденсирующиеся пары вместе с охлаждающей водой
движутся сверху вниз. Конденсат вместе с охлаждающей
водой и несконденсировавшимися парами откачивается
одним насосом.
Мокрые конденсаторы применяют в том случае, когда
нет возможности по каким-либо причинам установить
барометрическую трубу.
Теплообменники смешения по сравнению с поверхно­
стными теплообменниками имеют следующие преиму­
щества: малые затраты металла, небольшие габариты и про­
стую конструкцию. Недостатки их — невозможность вы­
деления конденсата в чистом виде и невозможность на­
грева сред, не допускающих взаимного смешения.
Глава
VI.
АППАРАТЫ ДЛЯ ВЫПАРИВАНИЯ
И КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
§ 19. Выпарные установки
Процесс выпаривания применяется для концентри­
рования растворов твердых нелетучих веществ путем ча­
стичного испарения растворителя. Выпарке подвергаются,
как правило, водные растворы солей, щелочей и различных
органических продуктов.
Извлечение твердого вещества из концентрированного
раствора, поступающего с выпарной установки, произво­
дится путем кристаллизации или окончательного упари­
вания раствора в плавильных котлах или выпарных ча­
шах.
В качестве теплоносителя в выпарных аппаратах при­
меняют обычно водяной пар. Значительно реже приме­
няют высокотемпературный обогрев с помощью органи­
ческих теплоносителей, топочных газов или электрона­
гревателей.
Выпаривание проводят под атмосферным давлением,
под вакуумом и при повышенном давлении. При выпари­
вании под атмосферным давлением пар, образующийся из
раствора (так называемый вторичный или соковый пар),
выпускается в атмосферу. Такой способ выпаривания наи­
более прост. Выпаривание под вакуумом позволяет сни­
зить температуру кипения раствора, что особенно важно
при выпаривании растворов, чувствительных к высокой
температуре. При выпаривании под повышенным давле­
нием увеличивается температура кипения раствора.
Недостатком выпаривания под вакуумом или при по­
вышенном давлении является удорожание установки и
усложнение ее эксплуатации.
Выпарная установка может работать как периодически,
так и непрерывно, однако периодические выпарные уста­
новки применяются в настоящее время сравнительно
редко.
Установки, состоящие из одиночного аппарата, вторич­
ные пары которого не используются, называются одно­
корпусными выпарными установками. Широкое распро­
странение получили многокорпусные выпарные установки,
состоящие из нескольких соединенных между собой аппа­
ратов, позволяющие использовать тепло вторичного пара
и повысить экономичность установки.
Вода
Конденсат
Рис. 71. Схема трехкорпусной выпарной установки
В трехкорпусной выпарной установке первый корпус
обогревается свежим паром, вторичный пар из первого
корпуса поступает на обогрев второго корпуса, из вто­
рого корпуса пар поступает на обогрев третьего корпуса
и т. д. Вторичный пар из последнего корпуса направляется
в конденсатор или используется вне аппарата (при работе
последнего корпуса под повышенным давлением). Таким
образом, в многокорпусной установке вторичный пар ис­
пользуется многократно. Наиболее распространены много­
корпусные установки с тремя корпусами (рис. 71), однако
имеются установки из четырех, пяти и шести корпусов.
В первом корпусе установки самое высокое давление
и наивысшая температура кипения раствора, в последую­
щих корпусах давление и температура падают, поэтому
первый корпус многокорпусной установки, как правило,
работает под повышенным давлением, а последний кор­
пус — под вакуумом.
В зависимости от подачи раствора различают два вари­
анта работы выпарной установки: движение раствора про­
тивотоком по отношению к пару и прямотоком с паром.
Движение раствора противотоком рациональнее с точки
зрения распределения температур, поскольку концентри­
рованный раствор с более высокой температурой кипения
поступает в первый корпус, где температура пара наиболь­
шая. Однако для подачи раствора из корпуса в корпус
в случае противотока необходимо устанавливать насосы,
что значительно усложняет работу установки. Поэтому
более широко применяют выпарные установки с движе­
нием раствора по принципу прямотока, не требующие уста­
новки насосов. Имеются установки с промежуточным от­
бором пара между корпусами.
В некоторых случаях применение многоступенчатых
выпарных установок оказывается невозможным по при­
чине плохой термической стойкости продуктов.
Чтобы повысить экономичность однокорпусной выпар­
ной установки, применяют схему с тепловым насосом, сущ­
ность которой в том, что вторичный пар сжимается турбо­
компрессором, вследствие чего температура его возрастает.
Этот сжатый пар с повышенной температурой направляется
в межтрубное пространство на обогрев аппарата.
Выпарные аппараты применяют во многих отраслях
химической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышлен­
ности .
Конструкции выпарных аппаратов весьма разнооб­
разны, причем их разнообразие иногда определяется не
только специфическими свойствами выпариваемых рас­
творов, но и существующими традициями.
При выпарке вязких и кристаллизующих продуктов
некоторое применение находят выпарные аппараты перио­
дического действия с паровой рубашкой. Для выпарки
корродирующих растворов применяют, хотя и ограни­
ченно, выпарные аппараты со змеевиковой поверхностью
теплообмена. Змеевики в этих аппаратах изготовляют из
коррозионностойкого металла, например из свинца или
кислостойкой стали, а корпус аппарата защищают ка­
ким-либо антикоррозионным покрытием.
Аппараты указанных типов имеют ряд недостатков.
Основной из них — небольшая поверхность теплообмена,
по^1ииУпиНаИб0ЛЬШее распр°странение в промышленности
получили аппараты с теплообменными трубками. Аппа­
раты этой группы можно подразделить на два типа- с гори­
зонтальной и вертикальной теплообменной трубчаткой
(трубными пучками).
4ну инокой
П
§с:■
Более широкое применение нашли аппараты с горизонр ! выносной греющей камерой, которая представ-
собои теплообменник с П-образными греющими труб1 вторичный пар ками- Раствор кипит внутри
т
трубок, греющий пар подается
в межтрубное пространство.
4|
Камера откатывается на те­
лежке, и это очень облегчает
ремонт аппарата, что является
I
немалым достоинством аппарата.
Недостатки
его — трудность
Раствор очистки 11-образных трубок и
плохая циркуляция раствора
внутри аппарата, поэтому дан­
ные аппараты тоже вновь не
изготовляются.
Наиболее
распространены
вертикальные выпарные аппа­
раты с естественной и прину­
дительной циркуляцией раст­
вора. К первой группе относят
аппараты, в которых циркуля­
ция осуществляется вследствие
разности удельных весов раст­
вора в кипятильных трубках и
циркуляционной трубе.
\к°1*-ЧенггШЩ’ованаппаратах с принудитель-
ной циркуляцией устанавли­
Рис. 72. Выпарной аппарат
вается циркуляционный насос.
с внутренней греющей каме­
На
рис.
72
показан
выпар­
рой и центральной циркуля­
ной
аппарат с внутренней
ционной трубой
греющей камерой / и цент­
ральной циркуляционной труоои «*. В кипятильных трубках 2 плотность раствора (точ­
нее парожидкостной эмульсии) меньше, чем в центральной
трубе большого диаметра, где кипение идет не столь ин­
тенсивно, вследствие чего раствор поднимается по кипя­
тильным трубкам и опускается в центральной трубе
Кипятильные трубки закреплены с помощью развальцовки
в двух трубных решетках. Над греющей камерой распо­
ложено паровое пространство, а в верхней части аппарата
установлен сепаратор брызг 4. Эти основные элементы —
греющую камеру, паровое пространство и сепаратор
брызг — имеют и аппараты других конструкций.
Аппарат делают цельносварным или собирают на флан­
цах из нескольких частей. Разъемная конструкция аппа­
рата облегчает замену греющей камеры, что особенно
важно при частом выходе ее из строя.
Исходный раствор подается обычно в верхнюю часть
аппарата, а концентрированный раствор отводится снизу.
Пар отводится через верхний штуцер. Аппарат имеет у к а ­
затели уровня и штуцера для термометра и манометра.
Достоинства выпарных аппаратов данной конструкции:
компактность, система естественной циркуляции раствора,
удобство обслуживания и ремонта. Но они имеют и ряд не­
достатков: замена греющей камеры очень затруднена,
а циркуляция раствора недостаточно интенсивна вслед­
ствие того, что центральная труба обогревается.
В аппарате с подвесной камерой греющая камера сво­
бодно устанавливается внутри аппарата и ее замена на­
много легче. Центральной циркуляционной трубы нет,
раствор опускается в кольцевом пространстве между ка­
мерой и стенкой аппарата.
Современные выпарные аппараты имеют наружную
циркуляционную трубу и выносную камеру.
Аппарат с выносной греющей камерой (рис. 73) со­
стоит из кипятильника 1 и паровой камеры 2, располо­
женных рядом. Раствор поступает в кипятильник снизу
по циркуляционной трубе 3. В верхней части паровой ка­
меры установлен сепаратор брызг 4. Боковое располо­
жение греющей камеры облегчает ее очистку и ремонт.
В аппаратах с соосной греющей камерой паровая к а ­
мера расположена непосредственно над кипятильником,
а циркуляционная труба находится сбоку аппарата. Эти
аппараты более компактны.
Аппараты с принудительной циркуляцией имеют
в принципе то ж е устройство, но у них в нижней части на
циркуляционной трубе устанавливают пропеллерный на­
сос. Аппараты с принудительной циркуляцией целе­
сообразно применять при выпарке вязких жидкостей и
кристаллизующихся растворов, когда требуется большая
скорость
движения жидкости,
чтобы предотвратить
осаждение кристаллов на теплообменных поверхностях.
Установка насоса значительно усложняет эксплуатацию
аппарата
Для выпарки растворов, склонных к пенообразованию,
применяют аппараты с однократным прохождением рас­
твора, которые называют также прямоточными или пле­
ночными аппаратами. Прямоточный аппарат с восходящей
пленкой (рис. 74) состоит из грею­
щей камеры 1, паровой камеры 2
Вторичный пар
с сепаратором брызг 4, каплеотВторичный .
пар
Т
Рис. 73. Выпарной аппарат с вынос­
ной греющей камерой
Раствор
Рис. 74. Прямоточный
выпарной аппарат с вос­
ходящей пленкой
бойником 5 и нижней камеры 3. Греющая камера, как
и в предыдущих конструкциях, представляет собой вер­
тикальный кожухотрубный теплообменник. Раствор по­
дают в нижнюю камеру. В греющих трубах раствор вски­
пает и образующийся вторичный пар увлекает за собой
раствор, который в виде тонкой пленки с большой скоро­
стью поднимается по трубкам, проходит по всей их длине
и выбрасывается в паровую камеру. Трубы греющей ка­
меры обычно заполняются на 20—25%. В паровой ка­
мере парожидкостная смесь ударяется о каплеотбойник.
Капли жидкости стекают вниз, а пар поднимается в
верхнюю часть камеры.
Аппараты с наружной циркуляционной трубой (как
с естественной, так и с принудительной циркуляцией) и
прямоточные аппараты нормализованы.
В качестве конструкционных материалов для выпар­
ных аппаратов применяют углеродистые и кислотостой­
кие стали и медь. Выпарные аппараты работают в тяжелых
условиях, так как при действии высокой температуры и
растворов высокой концентрации ускоряются процессы
коррозии. В некоторых случаях выпарные аппараты из­
готовляют из кислотостойких материалов по условиям
чистоты продукта. '
Значительные трудности представляет подбор мате­
риала аппарата при выпарке концентрированных щелочей
и различных кислых растворов.
Наряду с коррозией аппаратов в трубках в зоне наи­
более интенсивного кипения происходит механическое из­
нашивание (эрозия) металла.
Для выпарки высококонцентрированных растворов ще­
лочи применяют чугунные выпарные аппараты с медными
теплообменными трубами.
В некоторых случаях для выпарки особо коррозион­
ных растворов необходимо применять высоколегированные
коррозионно-стойкие стали и сплавы, никель, титан.
Объем парового пространства над раствором должен
обеспечивать достаточно полное отделение вторичного
пара от капелек раствора во избежание потери раствора
и загрязнения конденсата продуктом.
Д ля окончательного отделения пара от брызг приме­
няют брызгоуловители — сепараторы.
Сепаратор представляет собой часть выпарного аппа­
рата или отдельный аппарат, устанавливаемый на линии
вторичного пара. Большинство сепараторов работает по
принципу резкого изменения скорости пара. Такие сепа­
раторы называют инерционными. Установлено, что если
пар, движущийся со скоростью 15—20 м/с, встречает на
своем пути 2—3 крутых поворота, то он практически полностью отделяется от брызг.
В простейшем инерционном сепараторе перегородка
поставлена поперек потока пара. В более сложных кон­
струкциях пар встречает на своем пути несколько пере­
городок.
н
К инерционным брызгоотделителям следует также от­
нести сепараторы жалюзийного типа (рис. 75), в которых
пар проходит через щели, образованные рядом волнистых
перегородок. Ширина щели в' жалюзийных сепараторах равна 10 мм.
Сепаратор центробежного типа пред­
ставляет собой циклон, но в отличие
от него он может устанавливаться не
только вертикально, но и горизонтально. Смесь пара с жидкостью вво­
дится в такой сепаратор тангенциально,
благодаря чему потоку придается вра­
щательное движение, капли жидкости
отбрасываются центробежной силой
к стенкам циклона и стекают по ним.
Поверхностные сепараторы пред­
Рис. 75. Жалюзийназначены для работы при малых ско­
ный сепаратор
ростях газа. Конструктивно поверх­
и
ностный сепаратор представляет собой слой насадки из
колец Рашига или изогнутых стальных полос.
Поверхностные сепараторы эффективны, их гидравли­
ческое сопротивление мало, однако они применимы только
для жидкостей с малой вязкостью.
Необходимым элементом выпарных установок, рабо­
тающих под вакуумом, являются конденсаторы, в которых пар конденсируется путем охлаждения его холодной
водой. Используются поверхностные конденсаторы и кон­
денсаторы смешения. Их конструкции рассмотрены в пре­
дыдущей главе.
§ 20. Кристаллизаторы
Кристаллизаторами называют аппараты, в которых
осуществляется процесс выделения твердого вещества из
его раствора (кристаллизация из раствора) или процесс
112
выделения твердой фазы при затвердевании вещества (кри­
сталлизация из расплава).
Кристаллизация из раствора основана на том, что рас­
творимость твердого вещества в растворителе ограничена.
Раствор, в котором при данной температуре содержится
максимальное количество твердого вещества, но кристаллы
еще не образуются, называется насыщенным.
В растворе может содержаться и больше твердого ве­
щества, чем это соответствует растворимости последнего.
В этом случае раствор называют пересыщенным. Он не­
устойчив: из него непрерывно выделяется избыточное ко­
личество твердого вещества в виде кристаллов. Этот про­
цесс выделения твердого вещества и называют процессом
кристаллизации. После выпадения кристаллов раствор
становится ненасыщенным. Его еще называют маточным
раствором.
Пересыщенным раствор можно сделать следующими
способами:
1) охлаждением насыщенного раствора, что исполь­
зуется при кристаллизации веществ, растворимость ко­
торых заметно зависит от температуры;
2) испарением части растворителя, что применяется
в том случае, когда растворимость твердого вещества с по­
нижением температуры увеличивается или незначительно
уменьшается;
3) одновременным охлаждением и испарением (ком­
бинированный способ).
Процесс кристаллизации может быть ускорен внесе­
нием в раствор некоторого количества частиц кристалли­
зирующегося вещества (затравки), которые становятся
центрами роста кристаллов. Размер кристаллов можно
регулировать, изменяя температурный режим кристал­
лизации, скорость проведения ее отдельных стадий, раз­
мер и количество частиц затравки.
Кристаллизаторы, работающие способом охлаждения
раствора. В кристаллизаторах с водяным охлаждением
температура
раствора
понижается
при
пропуска­
нии воды через рубашку его корпуса или погружной
змеевик.
На рис. 76 показан кристаллизатор с мешалкой и по­
гружным змеевиком. Он состоит из корпуса 1, в котором
вращается рамная мешалка 2. Вода пропускается через
змеевик 3. Вращающаяся мешалка создает вихревое дви­
жение внутри корпуса, благодаря чему образующиеся
кристаллы не осаждаются на стенках, а находятся во
взвешенном состоянии.
В кристаллизаторе подобного типа процесс можно вестн
периодически и непрерывно. В первом случае процесс ве­
дется следующим образом: после заливки раствора в ап­
парат через змеевик пропускают воду. Одновременно с этим
включается мешалка. Вода
отбирает от раствора часть
тепла. Раствор становится
пересыщенным, и из него
выпадают кристаллы. После
окончания процесса кри­
сталлизации раствор вместе
с взвешенными кристаллами
спускается из аппарата че­
рез штуцер 4,
имеющий
клапан. Кристадлы отделя­
ются от маточного раствора
фильтрацией или центрифу­
гированием.
При непрерывном про­
цессе кристаллизации подоб­
ные аппараты соединяются
последовательно в батарею.
Раствор «созревает», перете­
кая из аппарата в аппарат.
Если кристаллы склонны
к осаждению на стенках кор­
пуса, применяют аппарат с
рубашкой, а рамную мешалку
снабжают скребками.
Вращающийся кристал­
Рис. 76. Кристаллизатор с во­
дяным охлаждением с мешал­
лизатор барабанного типа с
кой и змеевиком
внутренним водяным охлаж­
дением представляет собой
щ н
(рис. 77) пустотелый валок /, внутри которого находится
стальной сварной барабан 2. Охлаждающая вода посту­
пает внутрь кольцевого пространства между валком и
барабаном через полую цапфу вала 3. Из кольцевого за­
зора вода по переточным трубам 4 поступает в полость
вала 3 и удаляется из кристаллизатора через левую цапфу
вала. Валок изготовляют из чугуна или стальной отливки;
наружная поверхность его шлифуется. Частота враще­
ния валка, приводимого во вращение от индивидуального
привода, 3,5 об/мин. Нижней своей частью валок погружен в кристаллизующиися раствор, находящийся в ко­
рыте с паровым обогревом. Раствор подается в корыто
непрерывно, непрерывно удаляется из корыта и маточ­
ный раствор. Кристаллы осаждаются из раствора тонким
слоем на шлифованную поверхность валка. Срезается
этот слой с поверхности валка специальным ножом.
Производительность кристаллизатора зависит от длины
и диаметра валка, глубины его погружения в раствор,
от частоты его вращения, разности температур раствора
и охлаждающей воды и физических свойств раствора.
Рис. 77. Вращающийся кристаллизатор барабанного типа с внутренним водяным охлаждением
Используется подобный аппарат для кристаллизации
как расплавленных продуктов, например аммиачной се­
литры, так и растворов твердых веществ, например лактама.
Кожухотрубный кристаллизатор состоит из десяти сек­
ций, представляющих собой теплообменник типа «труба
в трубе» (рис. 78). Через внутреннюю трубу каждого
теплообменника пропущен полый вал 3 со скребками 4.
Диаметр внутренней трубы 2 равен 168 мм, длина 13,8 м.
Ввиду большой длины трубы вал выполнен из отдельных
частей длиной по 2,7 м, соединенных между собой с по­
мощью стержня 5 с промежуточной опорой 9 и болтов 6.
Скребки (стальные полоски длиной 545 мм) привари­
ваются к пальцам 7, которые входят в цилиндрические
гнезда вала и распираются пружинами 8. Благодаря этому
скребки всегда прижаты к внутренней стенке трубы. Оба
конца вала выходят из внутренней трубы через сальники.
На одном конце вала насажена ведомая звездочка. Валы
секции кристаллизатора приводятся во вращение от элек­
тродвигателя через редуктор и цепную передачу.
Все десять труб (секций) крепятся на специальной ме­
таллоконструкции. Оси труб имеют небольшой наклон
к горизонту.
Работает кожухотрубный кристаллизатор следующим
образом. Пересыщенный раствор, подлежащий кристал­
лизации, входит из коллектора в каждую трубу и само­
теком перетекает к их концам. Противотоком этому дви-
Рис. 78. Элемент (секция) кожухо­
трубного кристаллизатора
жению по внешним трубам 1 пропускают хладагент. Вы­
павшие из раствора при охлаждении кристаллы очи­
щаются скребками вращающихся валов и тоже переме­
щаются к концам труб, откуда они вместе с маточным рас­
твором удаляются на разделение
ф,ж“
ЬмяЛ Г ТаЛЛИЗаТ°Р используется для денара-
/•«..Л кРисталлизатоРе 1 выносным холодильником пере­
сыщение раствора и кристаллизация производятся в раз­
ных аппаратах.
А
н
(р и ^ а 7^ а ПппЭТ0Т к Р?сталлизатор следующим образом
(рис. 79). Подлежащий кристаллизации раствор подается
по трубе 6 в и н о в н о е аппарат 1. Из негораствЕр по вдр
сосом 1 Я Й и Р - пеРекачивается циркуляционным наСОСОМ о в выносной холодильник 4.
Там раствор пересыщается путем его охлаждения водой
пропускаемой через межтрубное пространство холодмь-'
11Л
ника. Пройдя трубы холодильника, пересыщенный рас­
твор по циркуляционной трубе 5 поступает обратно в ап­
парат / . Образующиеся кристаллы циркулируют с рас­
твором через аппарат и холодильник до тех пор, пока
скорость их осаждения не станет больше скорости дви­
жения
раствора.
К ри­
сталлы осаждаются на дне
аппарата 1, откуда они
периодически удаляю тся.
Маточный рЪствор уда­
ляется из аппарата через
ловушку 7, где улавли ва­
ются мелкие кристаллы.
Размер осаждающихся на
дне аппарата 1 кристал­
лов регулируют путем из­
менения скорости ц и рку­
ляции раствора и отвода
тепла в холодильнике 4.
Кристаллизаторы, ра­
ботающие способом испа­
рения
части растворителя. В барабанном кри-
Рис 79
Кристаллизатор с выносным холодильником
сталлизаторе с воздушным охлаждением (рис. 80) раствор становится пере­
сыщенным путем частичного испарения его. Н а цилиндри­
ческом барабане 1 насажены два кольцевых бандажа
Рис 80. Барабанный
кристаллизатор
, -
« " л и н д р -ч е с к и й б а р а б а н ; , -
1~
( Ж
Ж
Я Г / 7
с
воздушным
кольцеа^ ^ ж
;
охлаждением:
,-^ р о л и к о в ы е ^ ы ;
- Г ,одУ° .'х " * .1 л .;К .' » » » к / Й
г у — вы ход о х л аж д ен н о й воды
-
. » » « » суспеиэнн;
которые опираются на две пары опорных роликов 3. Р о ­
лики жестко закреплены на валу, лежащем на двух под­
шипниках. Б арабан кристаллизатора установлен с не­
которым уклоном к горизонту, поэтому, чтобы он
скальзывал с опорных роликов, около одного из бандажей
дополнительно монтируют упорные ролики. Барабан при­
водится во вращение от электродвигателя 4 через редук­
тор и зубчатую пару 5. Малая шестерня этой пары за­
креплена на валу редуктора 7, а большое зубчатое колесо,
называемое зубчатым венцом, на барабане. Внутри бара­
бана пропущен скребок 6, жестко связанный с'неподвижными концевыми коробами кристаллизатора.
Раствор, подлежащий кристаллизации, входит внутрь
барабана по трубе, закрепленной в левом концевом коробе.
Уровень раствора в барабане поддерживается с помощью
шайбы, образующей в правой части барабана порог. Уро­
вень раствора регулируется путем смены шайб. Глубина
слоя жидкости в барабане поддерживается от 65 до 210 мм.
Воздух специальным вентилятором непрерывно пропу­
скают через барабан противотоком раствору. В барабане
воздух насыщается парами растворителя. Благодаря
этому концентрация растворителя в растворе уменьшается,
раствор становится пересыщенным и из него выпадают
кристаллы. Кристаллы вместе с маточным раствором,
переливаясь через порог, попадают в правый концевой
короб, откуда они удаляются на дальнейшую переработку
через нижний спуск. Неподвижный скребок счищает осе­
дающие на барабане кристаллы.
В башенных кристаллизаторах часть раствора уда­
ляется посредством его распыления с помощью форсунок
в потоке воздуха, прокачиваемого через башню. Капли
раствора, пролетая в воздушном потоке, интенсивно ис­
паряются. В образующемся пересыщенном растворе вы­
падают кристаллы. Маточный раствор, в котором содер­
жатся кристаллы, собирается в нижней конической части
башни, откуда он перекачивается на дальнейшую пере­
работку.
Кристаллизаторы, работающие комбинированным спо­
собом, Большинство кристаллизаторов рассмотренных
конструкций могут без больших изменений работать спо­
собом одновременного охлаждения и испарения. Например, если в барабанном кристаллизаторе с воздушным ох­
лаждением добавить водяную рубашку к барабану, то
в нем можно одновременно и охлаждать и испарять рас­
твор.
Вакуум-кристаллизатор — типичный
аппарат,
ра­
ботающий комбинированным способом. В нем при созда­
нии вакуума происходит, помимо частичного испарения
растворителя, охлаждение раствора, так как тепло, необходимое для испарения растворителя, отнимается от
раствора.
Вакуум-кристаллизатор непрерывного действия представляет собой два цилиндрических сосуда (рис. 81).
В одном из них
испарителе 1 растворитель испаряется
из раствора, подаваемого в него по трубе 6. В испарителе
с помощью вакуум-насоса или эжектора создается вакуум.
Раствор, из которого час­
I
тично удален растворитель,
поступает из испарителя во
второй сосуд — сборник 3 по
барометрической трубе 2.
В сборнике выпадают кри­
сталлы, а раствор насосом 4
перекачивается на повторное
испарение обратно в испари­
тель 1. Свежий раствор по­
дается в кристаллизатор по
трубе 5, маточный раствор
удаляется из сборника через
верхний боковой штуцер.
Кристаллы спускаются через
нижний штуцер.
Многокорпусные кристал­
лизаторы составляются в ба­
тарею из 3—4 аппаратов ко­
тельного типа с мешалками,
соединенных последователь­
но. В первом аппарате рас­
твор испаряется при меньшем
вакууме, а максимальный ва­ Рис. 81. Вакуум-Кристаллиза­
куум создается лишь в по­
тор непрерывного действия
следнем аппарате. Раствор
перетекает из аппарата в аппарат вследствие разности
давлений в них. Из последнего аппарата выходит суспен­
зия (маточный раствор и кристаллы), которая поступает
на разделение центрифугированием. Вращающиеся ме­
шалки не позволяют кристаллам осесть на дне аппаратов.
Каждый аппарат соединен с вакуумной линией. Испарен­
ный раствор эжекторами отсасывается в конденсатор оро­
шаемой водой. Сконденсированный раствор сливают из кон­
денсатора по барометрической трубе в сборник, а несконденсированные газы эжектором отсасываются в атмосферу.
Г л а в а VII.
СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
§ 21. Способы сушки и классификация сушилок
.Ш
Сушкой называют процесс удаления влаги из материалов путем ее испарения и отвода образующихся паров.
Сушка производится двумя основными способами:
1) соприкосновением сушильного агента (горячего воз­
духа, топочных газов) с высушиваемым материалом —
конвективная сушка;
2) нагреванием
высушиваемого материала через
стенку — контактная сушка.
Кроме того, сушка производится нагреванием мате­
риалов токами высокой частоты (диэлектрическая сушка)
или инфракрасными лучами (радиационная сушка).
В зависимости от давления различают атмосферные су­
шилки, работающие при атмосферном давлении, и вакуумсушилки. По режиму работы различают сушилки непре­
рывного и периодического действия. Наиболее широкое
применение находят атмосферные конвективные сушилки
непрерывного действия.
Температура сушильного агента определяется прежде
всего термостойкостью высушиваемого материала, кото­
рая для разных веществ весьма различна: существуют не­
органические продукты, выдерживающие нагрев до 800—
900° С и выше; сушка же некоторых органических про­
дуктов — красителей, медицинских препаратов — произ­
водится при температуре не выше 60—70° С.
В непрерывнодействующих конвективных сушилках
сушка возможна при прямотоке, противотоке и перекрест­
ном токе горячего воздуха (газа) по отношению к движе­
нию высушиваемого материала.
При прямотоке в начале процесса материал с наиболь­
шей влажностью взаимодействует с сушильным агентом,
имеющим наиболее высокую температуру. Влажный ма­
териал имеет свойство сохранять до полного испарения
влаги сравнительно низкую температуру, что дает воз­
можность при прямотоке устанавливать температуру теп­
лоносителя на входе в сушилку значительно выше тем­
пературы, при которой материал нестоек. Повышение
температуры сушильного агента (газа) значительно увели­
чивает скорость сушки и снижает общий расход тепла.
Однако подача газов при высокой температуре, превы­
шающей термостойкость материала, возможна только
тогда, когда исключается опасность местных перегревов.
Этого можно достичь, уменьшая время соприкосновения
материала с горячим воздухом (газом) и увеличивая дис­
персность высушиваемого материала.
I
I
Сухой продукт
I
Сухой продукт
Рис. 82. Принципиальная схема сушильной установки
При противотоке сушильный агент с наивысшей тем­
пературой и наименьшим влагосодержанием встречается
с выходящим из сушилки материалом, имеющим наимень­
шую влажность. Противоточные сушилки применяют
в тех случаях, когда материал не чувствителен к.высоким
температурам или если сухой материал должен иметь
очень низкую влажность.
Вакуумные сушилки позволяют лучше улавливать цен­
ные или ядовитые пары, выделяющиеся из материала, и
снижать температуру сушки, что особенно важно в слу­
чае сушки материалов, портящихся при повышенной тем­
пературе. Однако применение вакуума значительно услож­
няет конструкцию сушилки.
Принципиальная схема конвекционной сушильной
установки показана на рис. 82. Установка состоит из ка­
лорифера 1 для подогрева воздуха (или топки), сушилки 2У
пылеуловителей 3 и питателей 4 . В указанной схеме при­
менен основной (простой) сушильный процесс, при ко­
тором воздух нагревается только один раз и однократно
проходит сушилку. Перепад температур при такой схеме
движения газов значителен.
Более мягкие условия процесса сушки достигаются
в сушилках с промежуточным подогревом воздуха, в ко­
торых внутренняя камера сушилки разбита на несколько
отдельных секций. После каждой секции воздух подогре­
вается в промежуточных калориферах.
Находят применение сушильные установки с возвра­
том (рециркуляцией) части отработавшего воздуха.
При работе с взрывоопасными продуктами применяется
сушка в токе инертного газа (обычно азота), циркулирую­
щего по замкнутой схеме. Испаренная влага удаляется
из газа в водяном скруббере, где пары влаги конденси­
руются вследствие охлаждения газа водой. После скруб­
бера газ поступает для нагрева в калорифер и затем
обратно в сушилку.
ВЩЩ
Скорость сушки неравномерна: в начале процесса она
достигает максимума, а затем резко падает. Таким обра­
зом, основное количество влаги удаляется в начальный
момент сушки.
Сушке подвергаются всевозможные материалы с са­
мыми разнообразными свойствами, в том числе сыпучие,
жидкие и пастообразные материалы, переходящие в про­
цессе сушки в твердое состояние; штучные изделия, ткани,
пленочные и листовые материалы.
^Выбор способа сушки и конструкции сушилки опреде­
ляется прежде всего свойствами высушиваемых материалов.
Сыпучие материалы сушатся в ленточный, гребковых
и барабанных сушилках, а также в сушилках с кипящим
слоем.
Д ля сушки растворов, суспензий и разжиженных паст
применяют распылительные, вальцовые сушилки и су­
шилки с кипящим слоем.
Вязкие пастообразные продукты сушат в гребковых и
вальцово-ленточных сушилках.
Д ля сушки штучных материалов применяют камерные
и туннельные сушилки.
Листовые материалы, пленки и ткани сушат в петле­
вых сушилках.
Большинство сушилок работает непрерывно. Перио­
дическая сушка применяется редко, обычно для сушки
небольших партий материала. Периодически работают ка­
мерные, шкафные и гребковые сушилки. Сушилки осталь­
ных типов являются аппаратами непрерывного действия.
§ 22. Камерные, ленточные, вальцовые, гребковые
и петлевые сушилки
Камерные сушилки применяют в малотоннажных про­
изводствах для продуктов, требующих длительной сушки.
Конструктивно они очень просты. Через камеру с пол­
ками, на которых разложен материал, вентилятором про­
гоняется греющий воздух. В камерных сушилках из-за
/
3
Рис. 83. Воздушно-рециркуляционная сушилка
периодичности режима происходят большие потери тепла;
условия работы в них тяжелые, а производительность
низкая.
Разновидностью камерной сушилки является воздушно­
рециркуляционная сушилка (рис. 83) с выдвижными ваго­
нетками /, на которые загружают противни с материалом.
Воздух, нагретый в калорифере 2, проходит в горизон­
тальном направлении между противнями нижнего ряда.
Затем воздух нагревается в промежуточном калорифере 3
и проходит между средними рядами противней в противо­
положном направлении, снова поворачивает и движется
между верхними рядами противней. Затем воздух частично
выбрасывается в атмосферу, а частично возвращается
в цикл. Движение воздуха обеспечивается с помощью вен­
тилятора 4 , установленного на крышке сушилки. Корпус
из листовои стали термоизолирован асбестом. Для ввоза
и вызова вагонеток имеются двухстворчатые двери. Ваго­
нетки выдвигают вручную или с помощью лебедок.
Пастообразные и мелкозернистые материалы уклады­
вают на сплошные противни, а для сушки крупнокуско­
вых и штучных материалов применяют ситчатые полки.
В последнем случае потоку горячего воздуха придают вер­
тикальное направление, и он пронизывает полки с мате­
риалом.
Рис. 84. Ленточная сушилка
Д ля непрерывной сушки штучных материалов приме­
няют туннельные сушилки в виде длинной камеры, через
которую медленно движутся вагонетки с материалом.
Сбоку сушилки расположены калориферы с вентилято­
рами. Поток воздуха направлен перпендикулярно дви­
жению вагонеток.
Основная часть ленточной сушилки (рис. 84) — беско­
нечная горизонтальная лента 1. Материал поступает с од­
ного конца ленты и сбрасывается в высушенном виде
с другого его конца. Ленты делают сплошными или ситчатыми. Находят также применение ленты, составленные
из ситчатых металлических пластин. Размер ячеек в ситчатой ленте должен исключить просыпание материала
сквозь ленту. Сушилка обычно делится на несколько
участков, в каждом из которых установлен вентилятор 2
для создания циркуляции воздуха и калорифер 3 для его
нагрева. В сушилках со сплошной лентой воздух движется
над материалом, в сушилках с ситчатой лентой воздух
пронизывает слой материала.
На каждом участке поддерживается свой температур­
ный режим. Сушилка имеет ряд дверей для обслуживания
каждой секции (участка). Механизм движения ленты снабжен вариатором для регулирования времени пребывания
продукта в сушилке. Дозаторы влажного продукта также
имеют устройства, позволяющие регулировать питание
в широких пределах. Все перечисленные механизмы поз­
воляют выбирать оптимальные условия сушки в зависи­
мости от свойств продукта.
При сушке липких материалов необходимо очищать
ленту от налипающего на нее продукта с помощью молоточ­
ков, обстукивающих ленту, скребков или вращающихся
щеток. Наряду с одноленточными применяют и многолен­
точные сушилки, состоящие из нескольких расположен­
ных одна над другой лент, с пересыпанием продукта
с ленты на л ен ту .____
Вальцовые сушилки применяют для сушки пастообраз­
ных продуктов и суспензий. Основная часть вальцовой
сушилки — полый вращающийся валок, обогреваемый из­
нутри паром. Жидкий продукт налипает на поверхность
валка, движется вместе с ним и высыхает за время одного
оборота валка. Сухой продукт срезается ножом.
Вальцовые сушилки относят к контактным сушилкам.
Сушка в них происходит путем непосредственной передачи
тепла от горячей поверхности валка к материалу. Вслед­
ствие высокой интенсивности теплопередачи такой про­
цесс сушки идет с большой скоростью. Время пребывания
материала на валке обычно не превышает 15—20 с. Валь­
цовые сушилки работают под атмосферным давлением
или под вакуумом.
Вальцовые сушилки делают с одним или двумя вал­
ками. Двухвальцовая сушилка показана на рис. 85. Оба
вращающихся валка 2 погружены в корыта 5, в которые
подается жидкий продукт; при вращении валков продукт
налипает на них и высыхает за время оборота валков.
Ножи 3 для среза сухого продукта прижимаются к по­
верхности валков пружинами. Сухой продукт сбрасы­
вается на шнеки 4. Валки приводятся через редуктор и
дополнительную зубчатую передачу. Цапфы валков укла­
дываются в подшипники скольжения с высокотемператур­
ной смазкой или подшипники качения, корпусы которых
охлаждаются водой. Подшипники одного валка обычно
устанавливают в горизонтальных направляющих, что по­
зволяет регулировать зазор между валками.
Валки отливают из чугуна или изготовляют сварными
из углеродистой или коррозионностойкой стали. Во время
работы валки вследствие износа теряют круглую форму.
Чтобы иметь возможность растачивать валки во время
ремонтов, толщину стенки принимают с большим запасом
против расчетной. Пар вводится в валок через полую
цапфу. Конденсат отводится тоже через цапфу по изогну-
Рис. 85. Двухвальцовая сушилка;
1 — корпус сушилки; 2 — вальцы; 3 — ножи; 4 — шнек; 5 — корыто; 6 —- штуцер для отвода паровоздушной смеси
тому сифону (рис. 86), опущенному до низа валка, что
обеспечивает полное удаление конденсата. Корпус су­
шилки сваривают из стали или собирают из чугунных
элементов. После сушки на вальцах в материале остается,
как правило, значительное количество влаги, поэтому
вальцовые сушилки комплектуют со шнековыми или ло­
пастными досушивателями. Досушиватели имеют паровую
рубашку. Иногда пар подается и в полый вал досушивателя.
Общий недостаток вальцовых сушилок — сложность
конструкции и сложность обслуживания, поэтому их по
возможности заменяют сушилками других типов.
Гребковая сушилка представляет собой горизонталь­
ный цилиндрический аппарат с мешалкой в виде вала
с гребками. Гребковые сушилки бывают непрерывного и
периодического действия.
В сушилке непрерывного действия влажный материал
загружается с одного конца и непрерывно продвигается
гребками к разгрузочному отверстию.
Гребковые сушилки данного типа обычно обогреваются
дымовыми газами, которые движутся прямотоком с про­
дуктом. Прямоточное движение позволяет вводить в су­
шилку газы с высокой температурой (до 450° С) даже при
сушке термонестойких веществ, так как горячие газы по
даются на влажный материал.
Рис. 86. Узел вальца сушилки
В периодически действующей гребковой вакуум-су­
шилке (рис. 87) привод гребкового вала снабжен автома­
тическим переключателем, меняющим направление вра­
щения вала через каждые 8—10 мин, благодаря чему
обеспечивается перемещение материала
вдоль
су­
шилки.
Материал загружается через штуцер 6 в верхней части
сушилки, а выгружается через нижний разгрузочный шту­
цер. Паровая рубашка служит для обогрева. Гребковый
вал 2 сушилки квадратного сечения. Набор надеваемых
на вал гребков зажимается двумя гайками. Осевое пере­
мещение материала достигается благодаря наклонной
установке гребков. Между гребками и паровой рубашкой
вдоль сушилки уложены длинные отрезки труб (скалки) 3,
которые перекатываются вместе с вращающимся валом и
счищают материал, налипающий на корпус сушилки и
гребки. Пары влаги проходят через пылеулавливатель и
поступают в конденсатор смешения, из которого вакуумнасосом откачиваются воздух и газы. В некоторых кон­
струкциях обогревается также и полый вал сушилки.
Для сушки тканей, пленки и других листовых мате­
риалов применяют петлевые сушилки (рис. 88). Посред­
ством специального механизма (петлеобразователя) ма­
териал в петлевых сушилках накидывается в виде петель
I*
Сухой продукт
Рис. 87. Гребковая сушилка:
/ — корпус с рубашкой; 2 — гребковый вал; 3 — скалка; 4 — штуцер для вы­
хода сухого продукта; 5 — опора; 6 — штуцер для загрузки продукта и отсоса
паров
на штанги, медленно перемещающиеся по замкнутому
контуру с помощью цепной передачи. Таким способом
образуется развитая поверхность материала. В конце ка­
меры материал сматывается со штанг.
Рис.
88. Петлевая
шилка:
су­
1 — питатель;
2 — беско­
нечная лента; 3 — приж им ­
ные вальцы;
4 — цепной
конвейер; 5 — н ап р а в л яю ­
щий ролик; 6 — автоматиче­
ское ударное устройство;
7 — разгрузочный
шнек;
8 — вентилятор
Петлевые сушилки применяют и для сушки пастооб­
разных материалов, которые в этом случае наносятся на
ленту, выполненную в виде металлической сетки. Паста
вдавливается в сетку роликом. В конце сушилки сухой
продукт выбивается из сетки ударными кулачками.
Большое значение для нормальной работы сушилок
имеет качественное их исполнение. Двери и люки сушилок
должны надежно уплотняться, зазоры между внутрен-
ними элементами сушилки (например, между вагонетками
и стенками сушилки) должны быть минимальными. З а ­
зоры вызывают подсосы и неправильный ход воздуха вну­
три сушилок, что резко ухудшает их работу. Сушилки
должны быть хорошо термоизолированы.
§ 23. Распылительные сушилки, сушилки
с псевдоожиженным слоем и аэрофонтанные сушилки
Распылительные сушилки применяют для сушки рас­
творов и суспензий. Сушка в них протекает чрезвычайно
быстро (в течение 2—3 с), и материал не успевает нагреться
выше допустимой температуры. Высушенный материал
получается в виде тонкого порошка и не требует дальней­
шего измельчения. Наиболее ответственным и сложным
узлом распылительной сушки является распылитель.
Применяют два способа тонкого распыления жидкости:
центробежное распыление с помощью быстровращающегося
диска, на который подают высушиваемую жидкость, и
распыление с помощью пневматических и механических
форсунок.
Центробежное распыление наиболее эффективно и на­
дежно, но конструкция распылителя в этом случае зна­
чительно сложнее, чем у форсунки. Распылительный диск
вращается с большой скоростью (окружная скорость на
периферии диска достигает 100—200 м/с). Диск приводится
от электродвигателя через зубчатую передачу. Привод
имеет систему водяного охлаждения и систему циркуля­
ции смазки с охлаждением. Жидкость (суспензия) через
трубку поступает на вращающийся диск и благодаря
центробежной силе перемещается в виде пленки к пери­
ферии диска и срывается с него. В воздушном простран­
стве пленка разрывается на капли, которые при контакте
с горячим сушильным агентом высыхают в полете.
В механических форсунках жидкость подается под
большим давлением и распыливается через отверстия не­
большого диаметра. В пневматических же форсунках
распыление производится сжатым воздухом или паром.
Распылительная сушилка (рис. 89) представляет собой
вертикальную цилиндрическую камеру, размеры которой
определяются в зависимости от производительности су­
шилки и факела распыливаемого продукта. Согласно ти­
повому ряду НИИХИММАШа сушилки с форсуночным
распылением продукта имеют диаметр 2—10 м при вы-
соте 5—25 м. Сушилки с центробежным распылением имеют
диаметр 2,5— 12,5 м и высоту 2,5— 12 м. Корпус 1 су­
шилки даже для некорродирующих продуктов изготовляют
из коррозионностойкой стали во избежание налипания
продукта на стенки. Внутренние стенки сушилки поли­
руют.
1
Рис. 89. Распылительная сушилка:
/
корпус; 2 — распылитель; 3 — гребковый механизм; 4 — дверца
Центробежный распылитель 2 устанавливают в центре
сушилки. В случае форсуночного распыления устанавли­
вают несколько форсунок (до 20 шт. в сушилках большой
производительности). Горячие газы подаются непосред­
ственно в зону распыления. Температура газов на входе
достигает 200—300° С. Высушенный продукт собирается
в коническом части сушилки, а в сушилках с плоским
дном (см. рис. 89) перемещается гребками 3 к разгрузоч­
ному отверстию.
Недостаток распылительных сушилок — громоздкость,
низкая производительность на единицу объема и трудность
очистки отходящих газов от пыли. Преимущество — воз­
можность получения тонкодисперсного продукта без по­
мола в специальных мельницах.
Для улавливания сухого продукта из отходящих газов
используются циклоны. В тех случаях, когда сухой про­
дукт представляет большую ценность, используются и
другие более эффективные способы улавливания (электро­
фильтры, рукавные фильтры, мокрое улавливание). Если
отходящие газы относятся к группе загрязнителей окру­
жающей среды, то они могут либо очищаться одним из
известных способов от вредных примесей, либо полностью
сжигаться.
Аппараты с псевдоожиженным («кипящим») слоем все
более широко применяют для сушки сыпучих и пасто­
образных материалов. В условиях псевдоожижения про­
цессы тепло- и массообмена протекают весьма интенсивно,
поэтому сушилки с псевдоожиженным слоем работают
с высокой производительностью.
Аппарат с псевдоожиженным слоем имеет круглую или
прямоугольную камеру с решеткой в нижней части, под
которую подводят горячие газы. Влажный материал за­
гружается через течку, высушенный материал «перевали­
вается» через порог и удаляется из сушилки. Высота слоя
материала в сушилке не превышает 600—800 мм. Решетки
аппаратов имеют различные конструкции.
Во всех частях сушильной камеры устанавливаются
одинаковые влажность и температура, а вновь поступаю­
щий влажный материал смешивается с уже высушенным
продуктом. Чтобы устранить- этот недостаток, применяют
многокамерные сушилки с псевдоожиженным слоем, в ко­
торых материал последовательно перетекает из камеры
в камеру. В каждой камере устанавливается свой режим.
На рис. 90 показана сушилка с псевдоожиженным слоем
для сушки пастообразных продуктов. Это аппарат круг­
лого сечения с конической нижней частью. Горячий газ
из распределительной камеры 1 подается в кольцевое про­
странство, закрытое сеткой 2. Жидкий продукт вводится
в распыленном виде непосредственно 'в слой псевдоожиженного материала через форсунки 3, установленные тан-
генциально. Высушенный продукт ссыпается в централь­
ное отверстие а. Перед началом работы в сушилку загру­
жают некоторое количество сухого материала, который
служит для первоначального образования псевдоожиженного слоя. Высота слоя регулируется с помощью пере­
вального стакана 4.
|
I
Аэрофонтанные (пневматические) сушилки применяют
для сушки легких сыпучих материалов. Через вертикаль­
ную трубу сушилки с
большой скоростью про­
дувается горячии воздух.
Влажный материал загру­
жается в нижнюю часть
сушилки, выносится на­
верх вместе с потоком
воздуха и улавливается в
осадительных камерах или
пылеулавливающих
уст­
ройствах.
§ 24. Барабанные
сушилки
Барабанные сушилки
применяют для сушки сы­
пучих материалов. Су­
шилка представляет собой
вращающийся наклонный
барабан пустой или с пе­
регородками
(насадкой)
внутри (рис. 91). Мате­
риал вводится через течку
Рис. 90. Сушилка с псевдоожижен*
с одного конца барабана
ным слоем для пастообразных ма­
и
пересыпается
внутри
ба­
териалов
рабана при его вращении,
одновременно
медленно
передвигаясь к выходу. Барабанные сушилки работают
по схеме прямоточного или противоточного движения
газа и материала.
Наряду с процессами сушки аппараты барабанного
типа широко применяются для процессов обжига и других
высокотемпературных
процессов.
Диаметр барабана
обычно равен 1000—2200 мм, в отдельных случаях дости­
гает 4—5 м. Отношение длины Ь аппарата к диаметру О
принимают равным 3,5—7. Угол наклона барабана не
превышает 4°. Частоту вращения (число оборотов) бара­
бана можно приближенно подсчитать по формуле
4 ^ -8 об/мин,
Ш
п= —
Vо
где и •-% диаметр барабана, м.
5000
в ООО
Рис. 91. Барабанная сушилка:
/ _ топка; 2 — тарельчатый питатель; 3 — корпус; 4 — электродвигатель;
5 — редуктор; 6 — зубчатое колесо; 7 — опорные ролики; 8 — упорно-опор­
ные ролики; 9 — лабиринтные уплотнения
В зависимости от усло­
вий сушки и свойств ма­
териала насадкам придают
разную форму. Для круп­
нокусковых материалов,
не боящихся раскалыва­
ния при падении и склон­
ных к налипанию, при­
меняется лопастная си­
стема (рис. 92, а). Для
хрупких материалов при­
г)
?)
меняют секторные насадки
(рис. 92, б), в которых Рис. 92. Насадка барабанных сушилок:
падение происходит с мень­
б — секторная; в —
шей
высоты
и опас­ ад лопастная;
распределительные;
е — перева­
ность раскалывания куслочная
Для
ковI уменьшается,
зернистых материалов без большого количества мелочи
и пыли применяют распределительные насадки (рис. 92,
в —д). Наконец для мелких пылящих материалов приме­
няют перевалочную насадку (рис. 92, е), состоящую из
отдельных ячеек малого размера.
Насадки собирают из отдельных звеньев длиной около
1 м. Если в процессе сушки свойства материала суще­
ственно меняются, то барабан оборудуют по длине насад­
ками разных типов.
Корпус барабана изготовляют из углеродистой или
легированной стали. Обечайки барабанов сварены встык.
Толщина обечаек обычно 8—20 мм, а в больших цемент­
ных печах — до 40 мм.
Сушильные барабаны устанавливают, как правило, на
роликовые опоры (рис. 93).
Рис. 93. Роликовая опора:
/ ее Опорная плита; 2 — подшипник; 3 — опорные ролики; 4 — стойка- 5 —
упорный ролик; 6 — упорные винты; 7 — бандаж
В местах, соответствующих опорам, барабан имеет бан­
дажи в виде колец прямоугольного или коробчатого се­
чения. В аппаратах небольшого размера бандажи крепятся
к фланцу барабана. В барабанах большого диаметра бан­
дажи крепятся чаще всего с помощью чугунных башмаков.
Опорные ролики 3 (см. рис. 93) принимают на себя
нагрузку от всех вращающихся частей сушилки. Ролики
устанавливаются на опорной плите /. Цапфы роликов
укладывают в подшипники скольжения 2. Подшипники
роликов работают в тяжелых условиях, поэтому к их
смазке предъявляются повышенные требования. Под­
шипники тяжелых барабанов имеют водяное охлаждение.
В некоторых конструкциях для опорных роликов приме­
няют подшипники качения. Опорные ролики требуют
очень точной установки. Даже при незначительном пере­
косе роликов (на 20—30°) начинается осевое перемеще­
ние барабана. Неточная установка роликов по высоте
вызывает неравномерную нагрузку на ролики и перекос
барабана. Положение роликов регулируют с помощью
упорных винтов 6. Для предотвращения осевого смеще­
ния барабана применяют упорные ролики 5, устанавливая
их так, чтобы они касались боковой поверхности одного
Рис. 94. Конические
упорные
ролики:
/ — бандаж; 2 — ролики
из бандажей. Упорные ролики выполняют либо со сфери­
ческой, либо с конической рабочей поверхностью. Первые
не требуют высокой точности монтажа, но принимают на
себя небольшие нагрузки, поэтому упорные ролики со
сферической поверхностью используются только в не­
больших барабанах. Во всех остальных случаях устанав­
ливают конические упорные ролики (рис. 94).
Опорные и упорные ролики собирают на общей раме;
весь этот узел называется опорно-упорной станцией.
Вращающий момент от электродвигателя 4 (см.
рис. 91) к барабану передается с помощью цилиндриче­
ской зубчатой передачи. Вращение передается от малой
шестерни, сидящей на выходном валу редуктора, к венцовому зубчатому колесу, закрепленному на барабане.
Венцовое зубчатое колесо — весьма ответственная деталь
барабанного аппарата. Эти колеса для малых и средних
барабанов отливают из чугуна, а для тяжелых барабанов —
из стали. Венцовые зубчатые колеса отливают из двух
половин, соединяемых болтами. Материал венцового зуб­
чатого колеса имеет, как правило, более высокие меха­
нические характеристики, чем материал малой шестерни,
благодаря чему венцовое колесо изнашивается медленнее
и менять его приходится реже.
Имеются два способа крепления венцового зубчатого
колеса к барабану — жесткое и гибкое. Жесткое крепле­
ние применяется в «холодных» барабанах, где отсутствуют
высокие температурные напряжения. При повышенной
температуре в барабане применяют гибкое крепление.
Рис. 95. Схема крепления венцового зубчатого колеса
Наиболее распространенная конструкция гибкого креп­
ления венцового зубчатого колеса показана на рис. 95.
Зубчатое колесо устанавливается на плоские пружины 1,
опирающиеся на прокладки 2, набранные из стальных пла­
стин. Центрирование венца производится с помощью ре­
гулирующих подкладок 3, помещенных между пружи­
нами и зубчатым колесом.
Привод барабана включает электродвигатель, редуктор
и приводную шестерню с подшипниками, смонтированные
на общей сварной или литой раме. В легких барабанах
привод иногда осуществляется с помощью цепной или
фрикционной передачи.
По концам барабана устанавливают две камеры для
загрузки и выгрузки материала, а Также для подвода и
отвода газа.
Надежное уплотнение зазора между вращающимся
барабаном и неподвижной камерой является весьма важ­
ной задачей, осложняющейся значительными перемеще­
ниями концов барабана и неточной формой их наружной
поверхности. Наиболее часто используемое осевое лаби­
ринтное уплотнение (рис. 96) состоит из двух частей:
подвижной части 1, вращающейся совместно с барабаном,
и неподвижной части 2, закрепленной на камере. Узкий
зигзагообразный зазор между ними создает большое со­
противление движению газов. Барабанные сушилки и
печи работают, как правило,
УАУЛУЛУЛУУАУ/
под небольшим
разреже­
нием, поэтому газы из аппа­
рата не выбиваются через
лабиринтное уплотнение.
1
Торцовое уплотнение со­
Т/7777.
ч
стоит из подвижного кольца,
ч
ч
Ч
прижимаемого пружинами к
ч
ч
неподвижному кольцу. З а ­
ч
ч
ч
зор между подвижным коль­
ч
ч
цом и корпусом аппарата
ч
ч
ч
к
уплотняется с помощью гиб­
кого компенсатора или ман­
жеты. На барабанах малого Рис. 96. Осевое лабиринтное
диаметра
устанавливают
уплотнение
сальниковые уплотнения.
Питание вращающихся барабанов производится через
течки, установленные под углом 60—70° к вертикали.
В простейшем случае сухой материал выгружается путем
его высыпания из нижнего конца барабана. Если необ­
ходимо поддерживать постоянный уровень материала
в барабане, делают кольцевые пороги или устраивают под­
порные перегородки в разгрузочной камере.
. а
л
,
>
\
\
\
*ч,
ц.
Г л а в а VIII.
]
АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
ЖИДКОСТЕЙ
§ 25. Основы процесса ректификации
Смеси жидкостей можно классифицировать следующим
образом: 1) смеси жидкостей, взаимно растворимых при
любых соотношениях (например, этиловый спирт—вода,
бензол — толуол и т. д.); 2) смеси взаимно нерастворимых
жидкостей (например, бензол—вода, масло-^-вода и т. д.);
3) смеси частично растворимых жидкостей (например,
ацетон—вода, фенол—вода и т. д.).
Смеси взаимно нерастворимых жидкостей можно раз­
делить, если компоненты заметно отличаются по Плот­
ности, простым отстаиванием в емкостных аппаратах, но­
сящих название разделительных' (или флорентийских) со­
судов. После отстаивания отдельные слои сливают из со­
суда в соответствующие емкости.
Если взаимно нерастворимые жидкости мало отли­
чаются по плотности, их можно разделить экстракцией
и сепарацией.
Для разделения жидкостей, взаимно растворимых или
частично растворимых одна в другой, используют про­
цессы перегонки или ректификации и частично экстракции.
Процессы перегонки и ректификации находят широкое
применение в химической и нефтеперерабатывающей про­
мышленности. Они применяются для разделения нефте­
продуктов, продуктов органического синтеза, кислот,
сжиженных газов и т. д. С помощью ректификации разде­
ляют как многокомпонентные, так и двухкомпонентные
смеси, в состав которых входят только два вещества.
Разделение смесей перегонкой основано на том, что
жидкости, входящие в смесь, имеют различные темпера­
туры кипения. Если смесь постепенно нагревать, то при
некоторой температуре начнет кипеть жидкость, имею­
щая более низкую температуру кипения. Эту жидкость
называют низкокипящим компонентом (сокращенно НК).
Ори этой температуре можно перевести в пар практически
весь низкокипящий компонент, содержащийся первона­
чально в смеси. После этого остаток жидкости будет со­
стоять из высококипящего компонента. Этот остаток назы­
вают кубовым остатком, а пары низкокипящего компо­
нента после их конденсации в холодильнике — дестиллятом. Описанный выше процесс, называемый простой пере­
гонкой, не дает возможности получить разделенные ком­
поненты в чистом виде, так как в парах низкокипящего
компонента содержится некоторое количество паров высо­
кокипящего компонента и, на­
оборот, в кубовом остатке будет
растворено некоторое количество
низкокипящего компонента. Поэ­
тому для более полного разделения
компоненто
применяют более
сложный
процесс — ректифика­
цию.
Ректификация
разделение
жидких смесей на составляющие
вещества или группы составляю­
щих веществ в результате противоточного взаимодействия паров
смеси и жидкой смеси.
Процесс ректификации жидких
смесей осуществляется на ректи­
фикационных установках, состоя­
щих из нескольких аппаратов.
Рассмотрим сначала принцип Рис. 97. Схема ректифиразделения
двухкомпонентных
кационной установки:
смесей ректификаций на при­ / — кипятильник; 2 — ввод
мере работы подобной установки смеси; 3 — колонна; 4 —
дефлегматор; 5 — холодиль­
(рис. 97). Подлежащая разделе­ ник; 6 — сборник дистиллята;
7 — сборник кубонию смесь непоеоывно
непрерывно подается
вого остатка
в ректификационную колонну 3
через ввод 2, расположенный несколько выше середины
корпуса колонны. Введенная жидкая смесь опускается по
контактным устройствам колонны, о которых рассказано
ниже, в нижнюю часть колонны, называемую кубом. На­
встречу потоку жидкости поднимается пар, образую­
щийся в результате кипения жидкости в кубе колонны.
Нагрев жидкости до кипения производится в трубках
кипятильника 1 водяным паром, поступающим в межтрубное пространство этого кипятильника из цехового
паропровода. Образующиеся пары содержат в основном
низкокипящий компонент и некоторое количество высококипящего компонента. При взаимодействии пара с жид­
костью на контактных устройствах ректификационной ко­
лонны высококипящий компонент конденсируется и уно­
сится вниз потоком жидкости. За счет этого в поднимаю­
щихся парах возрастает количество низкокипящего ком­
понента. Таким образом, при подъеме паров они обога­
щаются низкокипящим компонентом, в то время как жид­
кость, стекающая вниз, обогащается высококипящим ком­
понентом. I
у
Контактные устройства ректификационной колонны,
расположенные выше ввода исходной смеси, орошаются
дистиллятом. Для этого часть дистиллята, полученного
в результате конденсации паров в дефлегматоре 4, на­
правляется обратно в колонну. Эту часть дистиллята на­
зывают флегмой. Количественное отношение фЛегмы к ди­
стилляту, поступающему в сборник 6 после его охлажде­
ния в холодильнике 5, называется флегмовым числом, ко­
торое является важной характеристикой работы ректи­
фикационной установки. Флегма позволяет получить ди­
стиллят более высокого качества, т. е. с более низкой при­
месью высококипящего компонента.
В кубе колонны скапливается жидкость, образующаяся
в результате многократной конденсации пара на контакт­
ных устройствах. Эта жидкость, называемая кубовым
остатком, непрерывно выводится из колонны и собирается
в сборнике 7.Ректификация
многокомпонентных смесей, а они
в практике встречаются гораздо чаще, чем двухкомпонент­
ные, протекает по рассмотренной выше схеме, хотя число
используемой при этом аппаратуры увеличивается. Рек­
тификацию многокомпонентных смесей можно проводить
в различной последовательности. Поясним это на примере
ректификации трехкомпонентной смеси, которую можно
разделить на составляющие компоненты одним из сле­
дующий способов.
ректифи­
кационной колонне на дистиллят, содержащий компонент А, и кубовый остаток — смесь ВС. Во второй ректи­
фикационной колонне смесь ВС разделяется на компо­
ненты В и С.
2. Смесь веществ АВС разделяется в первой ректифи­
кационной колонне на дистиллят — смесь АВ и кубовую
О
жидкость, содержащую компонент С. Во второй ректи­
фикационной колонне смесь АВ разделяется на компо­
ненты А и В.
В ректификационной колонне (см. рис. 97) смесь раз­
деляется на отдельные компоненты непрерывным спосо­
бом. Значительно реже (чаще в экспериментальных уста­
новках и производствах) используются установки перио­
дического действия. В этом случае исходная смесь за л и ­
вается в куб колонны, а с верха колонны последовательно
отбираются фракции, кипящие при разной температуре.
Д л я процесса ректификации в основном применяют
тарельчатые колонны. В них установлены горизонтальные
тарелки с устройствами, обеспечивающими хороший кон­
такт между жидкостью и паром.
Ограниченное применение в технике ректификации на­
ходят аппараты других типов: насадочные колонны, ро­
тационные аппараты и др.
Диаметр колонны определяют в зависимости от произ­
водительности установки и скорости паров в колонне, ко­
торую выбирают в пределах 0,6— 1,0 м/с.
В химической и нефтеперерабатывающей промышлен­
ности находят применение ректификационные колонны
различных размеров: от небольших колонн диаметром
300—400 мм до крупнотоннажных высокопроизводитель­
ных установок с колоннами диаметром 6, 8, 10, 12 м и
более.
Высота колонны зависит от числа тарелок и расстоя­
ния между ними. Чем меньше расстояние между тар ел ­
ками, тем ниже колонна. Однако при уменьшении рас­
стояния между тарелками увеличивается унос брызг и
возникает опасность переброса жидкости с нижних таре­
лок на верхние, что существенно уменьшает к. п. д. уста­
новки.
Расстояние между тарелками обычно принимают в за­
висимости от диаметра колонны с учетом возможности
ремонта и чистки колонны. Рекомендуемые расстояния
между тарелками ректификационных колонн в зависи­
мости от их диаметра приведены ниже.
Диаметр колонны, мм
................ Менее
800— 1600
800
Расстояние между тарелками, мм 200—350 Свыше 350
до 400
Диаметр колонны, мм
................ Свыше 2000 до 2400
Расстояние между тарелками, мм Свыше 500 до 600
Свыше 1600
до 2000
Свыше 400
до 500
Свыше 2400
Свыше 600
Число тарелок ректификационной колонны или высота
насадки определяются технологическим расчетом; оно за­
висит от физико-химических свойств разделяемых ком­
понентов (в первую очередь от разности их температур
кипения), требуемой чистоты разделения и к. п. д. тарелки.
Обычно ректификационные колонны имеют 10—30 таре­
лок, но колонны для разделения смесей с близкими тем­
пературами кипения насчитывают сотни тарелок и имеют
соответственно высоту до 30—70 м.
Ректификационные колонны работают обычно при атмо­
сферном или небольшом избыточном давлении. Ограни­
ченное применение находят вакуумные колонны и колонны,
работающие при повышенном давлении. Ректификацию
под вакуумом применяют в том случае, когда хотят сни­
зить температуру в колонне, что бывает необходимо при
разделении компонентов с высокой температурой кипения
или веществ, нестойких при высокой температуре. Рек­
тификацию под повышенным давлением используют для
разделения сжиженных газов и легколетучих жидкостей.
§ 26. Устройство тарелок ректификационных колонн
К тарелкам ректификационных колонн предъявляются
следующие требования: они должны обеспечивать хоро­
ший контакт между жидкостью и паром, иметь малое гид­
равлическое сопротивление, устойчиво работать при зна­
чительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки
должны иметь малую массу, быть простыми по конструк­
ции и удобными в эксплуатации.
В ректификационных колоннах наибольшее примене­
ние находят колпачковые, клапанные, ситчатые и струйно­
направленные тарелки.
Колпачковые тарелки сложны и металлоемки по сравне­
нию с тарелками других типов; по некоторым показате­
лям они уступают более современным конструкциям, од­
нако такие тарелки хорошо освоены в промышленности
и находят широкое применение в технике ректификации.
Основной деталью колпачковой тарелки является колпа­
чок с патрубком в центре. При барботаже пара через про­
рези колпачков на тарелке образуется пена, в которой
происходит интенсивный массообмен между жидкостью
и паром (рис. 98).
®
Колпачки изготовляют круглыми и продолговатыми
(туннельные). Более распространены круглые колпачки.
Колпачки разных типов отличаются размерами и спо­
собами крепления на тарелке. Их изготовляют из стали,
чугуна, меди и алюминия. Стальные, медные и алюминие­
вые колпачки штампуют, чугунные — отливают. Приме­
няют также колпачки из неметаллических материалов —
керамики, пластических масс и графита.
Крепление колпачков на тарелке может быть разъем­
ным или неразъемным. Разъемные соединения сложнее,
однако они допускают регулировку уровня колпачка при
Рис. 98. Схема потоков в барботажной тарелке
монтаже тарелки. Стальные штампованные колпачки, ко­
торыми комплектуется большинство тарельчатых колонн,
крепятся посредством изогнутой шпильки, приваренной
к паровому патрубку (рис. 99). Колпачок 1 крепят на
шпильке 2 с помощью гайки 4 и контргайки 3 с шайбой.
Патрубок 5 развальцовывают в тарелке. Диаметр колпач­
ков принимают равным 60, 80, 100 и 150 мм. В некоторых
конструкциях шпильку крепят к перекладине, вваренной
в патрубок.
Применяется групповая установка ряда колпачков
с креплением их к общему несущему швеллеру.
Неразъемные соединения колпачков выполняют с по­
мощью сварки или пайки. Неразъемный стальной колпа­
чок приваривается к тарелке точечной сваркой. Патрубок
образуется отбортовкой отверстия в тарелке. Медные кол­
пачки крепятся к тарелке развальцовкой. Применяется
крепление медных колпачков пайкой. Керамические кол­
пачки устанавливают в тарелке на кислотоупорной за­
мазке.
Колпачки располагают на тарелке по вершинам равно­
сторонних треугольников или в шахматном порядке.
Расстояние между краями колпачков принимают рав­
ным 40—60 мм. Если это расстояние велико, то ухуд-
Рис.
99.
Съемный
колпачок
стальной
шается контакт между
жидкостью и паром, об­ Рис. 100. Участок колпачковой
колонны:
разуется слой невспенен/ — переливной патрубок; 2 — к о л п а­
ной,
так
называемой
чок; 3 — гильза термометра
«светлой» жидкости. При
очень малом расстоянии между колпачками возра­
стает сопротивление движению жидкости по тарелке. Та­
релка начинает «захлебываться», уровень жидкости в раз­
ных частях тарелки становится различным. Зазор между
колпачками и краем тарелки должен быть минимальным.
Если этот зазор по конструктивным соображениям полу­
чается значительным, то, чтобы предотвратить прорыв
жидкости по краю тарелки, минуя воздействие пара,
устанавливают перегородки, направляющие поток жид­
кости к колпачкам.
Важное значение имеет направление потока жидкости
на тарелке. В колоннах небольшого диаметра жидкость
поступает на один край тарелки, движется к противопо­
ложному краю и сливается через перелив.
I
Щ
Переливы делают в виде сегмента, ограниченного пере­
городкой, или в виде овального или круглого патрубка.
Рис. 101. Двухпоточная тарелка
Чтобы предотвратить прорыв пара через переливные па­
трубки, нижний конец патрубка опускают в слой жидкости
и создают таким образом гидравлический затвор. Гидрав-
лическии затвор должен быть также на патрубке, опущен­
ном с самой нижней тарелки. Благодаря расположению
подающего и сливного патрубков 1 (рис. 100) на противо­
положных краях тарелки жидкость проходит через зону
барботажа всех колпачков 2, что обеспечивает хороший
контакт между жидкостью и газом.
Тарелки больших диаметров при значительном расходе
жидкости делают двух- или четырехпоточными, чтобы пре­
дотвратить затопление тарелки жидкостью, т. е. устраи­
вают на тарелке не один, а несколько сливных и подаю­
щих патрубков (рис. 101). При небольшом расходе жид­
кости иногда устраивают
зигзагообразный Ход жид­
кости на тарелке.
Слой жидкости на тарелке на верхним обрезом прорезей колпачков
принимают |^вны м 25 —
40 мм. При меньшей выРнс. 102. 5-образные колпачки
соте часть пара проскаль­
зывает, не успевая реаги­
ровать с жидкостью. При увеличении высоты слоя воз­
растает гидравлическое сопротивление тарелки.
В нефтеперерабатывающей промышленности распро­
странены тарелки, образованные из 5-образных штампо­
ванных элементов, соединенных с помощью торцовых пла­
стинок (рис! 102). К подобной конструкции можно отнести
тарелки и с туннельными (желобчатыми) колпачками.
В них используются корытообразные элементы, закреп­
ленные над продольными щелями с отбортованными кра­
ями, сделанными в тарелке. Их основные преимущества —
простота конструкции и большая жесткость штампован­
ных элементов.
Клапанные колпачки выполняются в виде круглых
или прямоугольных пластин, перекрывающих отверстия
в тарелках (рис. 103).
41 При увеличении расхода пара клапан поднимается и
открывает большее сечение проходу пара, вследствие чего
клапанные тарелки имеют широкий диапазон изменения
нагрузки по пару. Благодаря простоте конструкции, ма­
лой массе и устойчивой работе клапанные тарелки яв­
ляются перспективной конструкцией.
41Ситчатая тарелка представляет собой лист с проби­
тыми в нем круглыми или щелевидными отверстиями диаV
метром (шириной) 3— 10 мм. П ар, проходящий в отвер­
стия, барботирует через слой жидкости. Жидкость сте­
кает через переливные патрубки. Скорость пара в отвер­
стиях ситчатых тарелок принимают 10— 12 м/с. Разно­
видностью ситчатых тарелок являю тся провальные решетКлапан
открыт
Клапан
закрыт
Клапан
полуоткрыт
ШМШУ///Л
Клапан
открыт
Клапан закрыт
Рис. 103. Клапанные колпачки:
п р я м о у го л ь н ы й ; б — к р у г л ы й ; 1 — к л а п а н ; 2
в а ю щ а я скоба
удержи
чатые тарелки, в которых отсутствуют переливные патрубки и жидкость стекает в отверстия в решетке навстречу пару. Отверстия в провальных тарелках не­
сколько крупнее, чем в ситчатых.
Рис. 104. Струйно-направленная
тарелка
В струй нонаправлен ны х тарелках (рис. 104) исполь­
зуется кинетическая энергия паров д л я направленного
движения жидкости по тарелке, в результате чего улуч­
шается контакт между жидкостью и паром. Струйно-направленные тарелки изготовляют из просечно-вытяжного
листа или из листа с отогнутыми язычками, которые сооб­
щают пару наклонное движение.
Конструкцию тарелки и способ ее соединения с кор­
пусом выбирают обычно в зависимости от диаметра ко­
лонны и конструкции корпуса. При диаметре колонны
менее 1000 мм корпус ее собирают из небольших царг
длиной не более 2—2,5 м. В каждой царге помещается
4—7 тарелок. При диаметре колонны 1000мм и более воз­
можно применение цельносварного корпуса или корпуса,
изготовленного из нескольких царг большой длины. Мон­
таж тарелок в данном случае производят через верх ко­
лонны.
I
Тарелки небольшого диаметра (до 1600 мм) изготов­
ляют в виде цельного листа с бортами или без бортов. Та­
релки больших размеров делают разъемными, из несколь­
ких сегментов.
Монтируют разъемные тарелки обычнр через верх
колонны (при изготовлении колонн сборку тарелок ведут
одновременно со сваркой корпуса). Демонтаж элементов
разъемных тарелок при ремонтах производят через бо­
ковые люки. Размер люков должен быть достаточным,
чтобы через них могли пройти части тарелок. Лазы уста­
навливают через 4— 10 тарелок.
Весьма важным элементом является узел соединения
тарелки с корпусом колонны. Это соединение должно
быть конструктивно простым, герметичным и обеспечивать
легкую замену тарелок.
Наиболее простой способ крепления тарелок — при­
варка или припайка их непосредственно к корпусу. Од­
нако при таких соединениях затрудняется замена и трудно
избежать их коробления. Поэтому они применяются редко
и только на колоннах малого диаметра.
Разъемные соединения, как правило, обеспечивают ре­
гулирование горизонтальности тарелки.
Д ля колонн малого диаметра (до 1000 мм) применяют
так называемый этажерочный способ, при котором ниж­
няя тарелка опирается на опорное кольцо, приваренное
к царге колонны, следующая тарелка — на полукольцо,
приваренное к нижней тарелке, и т. д. Горизонтальная
установка тарелки производится с помощью регулировоч­
ных винтов.
Весьма удобным, хотя и сложным по конструкции,
является узел, показанный на рис. 105. Тарелка опирается
на разъемное кольцо /, состоящее из двух половин.
В кольце имеются прорези. Кольцо распирается двумя
винтами, при этом прорези надеваются на небольшие вы­
ступы 2у приваренные к корпусу колонны. Гарелка кре­
пится к кольцу с помощью ряда винтов 5, попарно уста­
новленных по периметру. Винты позволяют точно отре­
гулировать тарелки.
Зазор между тарелкой и корпусом колонны должен
быть надежно уплотнен. Уплотнение производится л помощью сальникового ус­
тройства 4. В сальник за-|
кладывается
асбестовый
резиновыи
шнур,
прижимаемый
стальным
кольцом. Прижатие коль­
ца
обеспечивается его
собственной силой тяжести или специальными
прижимными винтами.
Разъемные тарелки кре­
пят к кольцу, приварен­
ному к корпусу колонны,
2
или к балочкам, которые
также привариваются к
корпусу колонны или кре­
пятся на болтах. Для
обеспечения герметичности
соединения части тарелок Рис. 105. Узел крепления тарелки
укладываются на прок­
с помощью разъемного кольца:
ладках.
/ разъемное кольцо; 2 — выступы;
з
винты; 4 — сальниковое устрой­
Тарелки в колонне не­
ство
обходимо устанавливать
строго горизонтально, так как при перекосе над некоторой частью колпачков снижается уровень жидкости,
В этом месте сопротивление проходу пара снижается,
в результате чего именно через эти колпачки устрем­
ляется основной поток пара. Это явление резко снижает эффективность тарелки. По этой причине не допуЧ
скается коробление тарелок и прогиб их под действием
собственной силы тяжести и силы тяжести жидкости.
Допуск на негоризонтальность зависит от назначения
колонны, конструкции тарелок и их диаметра, но не дол­
жен превышать 5 мм. Для обеспечения этого требования
тарелки больших диаметров иногда укрепляют снизу реб­
рами жесткости.
V-
§ 27. Вспомогательная аппаратура
ректификационных установок
К вспомогательной аппаратуре ректификационных
установок относятся кипятильники кубовой жидкости,
дефлегматоры, холодильники, подогреватели исходной
смеси и некоторые другие устройства.
Кипятильники в установках малой производитель­
ности изготовляют в виде змеевиков, устанавливаемых
в кубе, но чаще кипятильник делают в виде выносного
теплообменника, который устанавливается вертикально
около куба и связан с ним двумя патрубками. Остальную
теплообменную аппаратуру изготовляют обычно в виде
кожухотрубных теплообменников. I
Дефлегматоры устанавливают или непосредственно на
колонну, или выше колонны на отдельной металлокон­
струкции. В колоннах большой производительности при­
меняется установка дефлегматоров на уровне земли с по­
дачей флегмы на верх колонны насосом.
Колонны периодического действия имеют кубы боль­
шой емкости, достаточной для приема единовременной за­
грузки продукта. В колоннах непрерывного действия не
нужен большой объем кубовой жидкости, и кубом в них
служит нижняя часть колонны высотой 1— 1,5 м.
Колонны больших размеров устанавливают под откры­
тым небом. Трубопроводы, обслуживающие площадки и
вспомогательное оборудование, крепятся, как правило,
к корпусу колонны. На верхнюю площадку обычно уста­
навливают кран-укосину для монтажных и ремонтных
работ.
На ректификационной колонне устанавливается обычно
много контрольно-измерительных приборов для измере­
ния давления, температуры, состава смеси и др.
На линиях ввода и вывода жидкости из колонны обя­
зательно устанавливают гидравлические затворы, пре­
пятствующие проходу пара через жидкостные патрубки.
Затворы выполняют в виде 11-образных участков трубо­
проводов или поперечных перегородок перед штуцерами.
Высота гидравлических затворов должна быть больше
избыточного давления в колонне, выраженного в метрах
столба перерабатываемой жидкости.
В ректификационных колоннах различных типов при­
меняют также сепараторы брызг, конструкции которых
рассмотрены в гл. VI.
§ 28. Прочие типы ректификационных колонн.
Колонны специальных типов
В технике ректификации находят применение ротацион­
ные и прямоточные аппараты.
В ротационных аппарат ах контакт между жидкостью
и газом осуществляется путем сообщения жидкости допол­
нительной энергии вращающимися элементами аппарата.
Ротационные дистилляционные аппараты пленочного
типа (рис. 106) предназначены для ректификации высококипящих органических смесей в глубоком вакууме. К он­
такт между жидкостью и газом осуществляется в основ­
ном в тонкой пленке на боковой поверхности аппарата.
Ж идкость вводится в штуцер, расположенный в средней
части аппарата; высококипящий компонент отводится
через нижний штуцер.
Поднимающиеся пары частично конденсируются на
поверхности охлаждаемого ротора. Ж идкость под дей­
ствием центробежной силы переносится на обогреваемые
стенки, где вновь происходит испарение.
В прямоточных колоннах на тарелках осуществляется
прямоток между жидкостью и паром в отличие от противо­
тока или перекрестного тока в большинстве ректиф ика­
ционных аппаратов. Обычно в рабочих элементах прямо­
точных колонн пар эжектирует жидкость, движ ущ ую ся
с большой скоростью. Прямоточные колонны имеют по­
вышенный расход энергии, но отличаются высокой интен­
сивностью взаимодействия пара и жидкости. Если про­
цесс сопровождается значительным тепловым эффектом,
то на тарелках колонны размещают теплообменные эле­
менты в виде теплообменных трубчаток, встроенных
в колонну, или в виде змеевиков, уложенных на
тарелку.
В отдельных отраслях промышленности применяют
специальные колонные аппараты. К ним относятся, н а ­
пример, колонны содового производства, которые соби­
рают из чугунных царг различной конструкции.
Д истилляционная содовая колонна (рис. 107) состоит
из группы тарелок с одним большим колпачком и группы
многоколпачковых тарелок. В верхней части колонны
установлены теплообменные элементы с горизонтальным
пучком труб. Содовые колонны имеют большое количе­
ство люков и съемных крышек для очистки тарелок от
осадков и отложений. Специальные колонны различных
Рис. 106. Ротаци­
онный пленочный
дистиллятор:
1 — привод; 2 — вал;
3 — лоп атка;
4 — корпус
Рис. 107. Дистилляционная содовая
колонна
типов применяются в нефтяной и нефтехимической про­
мышленности, в гидролизном, коксохимическом производ­
ствах и других отраслях промышленности.
§ 29. Опоры колонных аппаратов
Колонные аппараты имеют большую массу, приходя­
щуюся на сравнительно небольшую площадь опоры. Кроме
того, колонны, установленные под открытым небом пол­
вергаются действию ветровых нагрузок, поэтому он и
имеют, как правило, массивные кольцевые опоры
Опора (рис. 108) со-------- ------------- ---стоит из цилиндрической
(или конической) обечайки
1 и опорной плиты 2, име­
ющей
обычно большую
толщину (в тяжелых кон­
струкциях до 40—60 мм).
Опорную плиту укрепляют
вертикальными
ребрами
жесткости, которые в верх­
ней части иногда допол­
нительно связывают кольцом. Высота кольцевой
опоры определяется кон­
структивными соображе­
Ж7+Л•/с Л
ниями. В некоторых слу­
чаях опора
получается
Рис. 108. Цилиндрическая опора
высотой до 5—6 м. Д л я
колонны:
доступа внутрь опоры и
/
о б еч ай к а; 2 — о п о р н а я п лита
вывода трубопроводов в
обечайке делают отверстия,
К рая отверстий обязательно укрепляют
кольцами
жесткости.
,---И ----ткости.
Кольцевые опоры колонн в настоящее время нормализованы
Если колонну
ют между перекрытиями, ее
устанавливают на боковую кольцевую опору, приварен­
ную к боковой стенке колонны. Стенки колонны в месте
установки опоры делают утолщенными или укреп ляю т
кольцевой накладкой. Если колонны малого диаметра и
Л
Г 1 М
™ Т ИхПВЫС0ТЫ ПрОХОДЯТ чеРез « с к о л ь к о перекрытий
здания, то для придания колонне устойчивости у с т а н а в л и вают боковые опоры. В этом случае_опоры , , Я
Ж
делать в виде роликов, которые допускают осевое переме­
щение колонны, возникающее при ее тепловом удлинении.
Коллоны больших размеров, устанавливаемые под
открытым небом, рассчитывают на совместное действие
давления, сил тяжести, ветровых нагрузок и на действие
сейсмических сил.
Силы тяжести вызывают вертикальную сжимающую
силу, которая достигает максимума у основания колонны.
В расчет вводится максимальная сила тяжести, вклю­
чающая вес самого аппарата, всех конструкций, опертых
на аппарат, изоляции и жидкости, заливаемой в аппарат
при гидравлическом испытании аппарата.
Ветровая нагрузка создает изгибающий момент, также
достигающий максимума у основания колонны. Ветровую
нагрузку, действующую на аппарат в целом или на уча­
сток аппарата высотой Н, определяют по формуле
М в = РдВН Нм,
где д — расчетный ветровой напор, Н/ма;
Р — коэффициент увеличения ветрового напора, учи­
тывающий действие порывов ветра;
I) — наружный диаметр аппарата (если аппарат изо­
лирован, то в расчет принимается наружный
диаметр изоляции), м;
Н — высота расчетного участка, м.
Д ля площадок и решетчатых конструкций ветровой
напор определяют в зависимости от географического рай­
она и высоты расчетного участка аппарата над уровнем
земли.
§ 30. Экстракторы
Экстракторы — аппараты, предназначенные для бесфильтрационного разделения жидких смесей или извле­
чения определенных компонентов из твердых веществ при
помощи жидкого растворителя.
Процесс экстракции в системе жидкость—жидкость на­
ходит все большее применение в химической промышлен­
ности: извлечение фенолов из аммиачных вод, очистка
нефтепродуктов, отмывка дивинила от ацетальдегида, из­
влечение урана и тория из руд, очистка растительных и
животных масел, извлечение уксусной кислоты — лишь
небольшая часть операций, где используется процесс
экстракции.
Э кстракция из твердого вещества используется в ос­
новном в пищевой промышленности (например, д л я и з­
влечения масла из семян). В химической ж е технологии
экстракция в системе твердое вещество — ж идкость ис­
пользуется редко.
Сущность процесса экстракции состоит в следующем.
И сходная ж и д к ая смесь вещества (А + В), подлеж ащ ая
разделению, смешивается с растворителем С (экстраген­
том), в котором одно из веществ, например А, растворяется,
а другое нет. В результате этого частичного смешения
(экстрагирования) получаются две
несмешивающиеся
между собой ж идкие фазы (эмульсия); экстракт (в данном
случае раствор веществ С + А) и рафинат (вещество В),
В дальнейш ем эти две несмешивающиеся фазы р а зд е­
ляю тся. П осле разделения из экстр акта удаляю т (напри­
мер, выпаркой) растворитель, который возвращ ается
обратно в процесс экстраги рован и я. Это, конечно, нампростейшая схема процесса экстракции. Н а п рактике ис­
пользую тся более слож ные схемы.
К онструкция любого экстрактора долж н а обеспечить
достаточно хорош ий контакт смеш иваю щ ихся ж идкостей.
В большинстве конструкций экстракторов одну из ж и д ­
костей распы ливаю т на капли внутри другой. Распы ливаемую ж идкость называю т в этом случае дисперсной ф а­
зой, а ж идкость, в которую производится распы ление, —
дисперсионной средой. П ри распы ливании образую тся
мелкие капли, создающие больш ую поверхность контакта
фаз.
П роцесс разделения жидкостей в экстракторах осно­
ван на различии плотностей экстракта и раф ината. Е сли
эта разн и ц а вели ка, то д л я разделения жидкостей можно
использовать гравитационны е силы (силы тяж ести ), в про­
тивном случае приходится прибегать к центробежным
силам.
В зависимости от сил, сепарирую щ их фазы, э к с т р а к ­
торы подразделяю тся на:
1) гравитационные, в которых сепарация фаз проис­
ходит под действием сил тяж ести , а смешение — или под
действием сил тяж ести , или с помощью механических пере­
мешивающих устройств;
2) центробежные, в которых смешение и сеп арац и я ф аз
происходят в поле центробеж ны х сил.
Промышленные экстракторы являю тся
преимущ е­
ственно аппаратам и непреры вного действия.
К аппаратам этого типа относятся колонные, распыли­
тельные и смесительно-отстойные экстракторы.
Колонный экстрактор представляет собой колонну,
внутри которой находятся устройства для смешения жид­
костей. На рис. 109 представлены схемы полочных колон­
ных экстракторов. В этих экстракторах перемешивающим
устройством служит ряд чередующихся перегородок
полок или тарелок. Расстояние между полками 75— 150 мм.
I
Тяжелая
жидкость
Тяже/гая
жиокость
'Легкая
Легкая
жидкость
жидкость
\ В
Рис. 109. Полочные колонные экстракторы
а — перегородки в виде дисков и колец; б — пе­
регородки в виде тарелок и колец
Рис. 110. Экстрактор с ситчатыми тарелками
Контакт фаз осуществляется при обтекании перегородок
легкой фракцией в виде тонкой пленки. В пространстве
между перегородками пленка разрушается на капли.
Роль перегородок может выполнять насадка из колец
Рашига. Насадка способствует многократному дроблению
и слиянию капель дисперсной фазы. В насадочных экстрак­
торах насадку располагают в виде слоев, помещенных
на опорные решетки; расстояние между решетками 0,9—
1,8 м. По конструкции насадочные экстракторы весьма
схожи с насадочными абсорберами. Полочные и наса­
дочные экстракторы имеют низкую эффективность.
В колонных экстракторах с ситчатыми тарелками
(рис. 110) дисперсная фаза многократно раздробляется
при прохождении сквозь отверстия ситчатых тарелок.
Капли легкой жидкости всплывают в слое тяжелой фрак-
ции и собираются под тарелками, образуя некоторый
слой. Т яж елая фракция перетекает на нижележащ ие т а ­
релки по сливным патрубкам. Диаметр отверстий в т а ­
релках 2—9 мм. Расстояние между тарелками 0,15—0,6 м.
Д ля увеличения степени диспергирования легкой ф рак­
ции в пульсационных колонных экстракторах с ситча­
тыми тарелками этой фракции с помощью механического
пульсатора сообщаются колебания небольшой амплитуды
(10—25 мм). В этих колоннах сливных патрубков для т я ­
желой фракции нет. Она проходит в отверстия ситчатых
тарелок.
Распылительный экстрактор представляет собой по­
лую колонну, заполненную тяж елой жидкостью, которая
перемещается сверху вниз. В нижней части колонны
Рафинат
Рис. 111. Горизонтальный смесительно-отстойный экстрактор
смонтирован распылитель. Л егкая жидкость, пройдя рас­
пылитель, распадается на мелкие капли, всплывающие
кверху. В верхней части колонны капли сливаются и обра­
зуют небольшой слой. Из этого слоя через верхний па­
трубок легкая жидкость, обогащенная извлекаемым ком­
понентом, выводится из колонны. Т яж елая фракция по­
ступает в колонну через специальную трубу, конец ко­
торой опущен ниже поверхности раздела фаз, т. е. ниже
слоя легкой жидкости.
Смесительно-отстойный экстрактор представляет собой
горизонтальный или вертикальный сосуд, разделенный
на несколько отсеков горизонтальными перегородками.
В каждом отсеке имеется смесительная и отстойная
камеры. На рис. 111 дана схема одной из конструкций
горизонтальных экстракторов этого типа. Исходная смесь
поступает в этот экстрактор сначала в приемную камеру.
Из нее по переточной трубе 1 смесь поступает в смеси­
тельную камеру, выполненную в виде трубы с погружным
насосом. В эту же камеру смешения по трубе 2 поступает
из предыдущего отсека экстрагент (легкая жидкость).
Смесь выбрасыьается из камеры смешения через трубу 3
в отстойную камеру. Здесь жидкости расслаиваются.
Тяжелая фракция передавливается в камеру смешения
второго отсека, а легкая жидкость через воронку 4 уда­
ляется из аппарата. В последующих отсеках процессы
смешения и отстоя повторяются. В результате из послед­
него отсека выходит рафинат, полностью очищенный от
одного или нескольких определенных компонентов ис­
ходной смеси. Свежий экстрагент поступает в экстрактор
через штуцер 5.
5
К этому же типу относятся экстракторы, собранные из
чередующихся между собой аппаратов с мешалками (сме­
сителей) и отстойных емкостей в батареи. Смесители и
отстойники устанавливаются каскадом, причем тяжелая
фракция движется из аппарата в аппарат самотеком,
а легкая жидкость перекачивается насосами.
Центробежные экстракторы. Экстракторы этого типа —
роторно-дисковые, сверхцентрифуги, тарельчатые сепа­
раторы, экстракторы-сепараторы, экстракторы с гори­
зонтальным валом.
Центробежные экстракторы значительно превосходят
по эффективности гравитационные, но из-за вращающихся
узлов и необходимости в сальниках они значительно
сложнее в эксплуатации. Роторно-дисковый экстрактор устроен следующим об­
разом (рис. 112). В вертикальной колонне вдоль ее оси
проходит вал 1, приводимый во вращение от привода 4.
На валу закреплены плоские диски 2. Внутренняя по­
лость колонны делится на секции кольцевыми перегород­
ками 3, закрепленными на стенках корпуса колонны.
При этом каждый диск находится на середине высоты
каждой секции. Расстояние между соседними дисками
100—200 мм. Легкая жидкость подается в колонну снизу,
тяжелая — сверху. В каждой секции эти жидкости интен­
сивно перемешиваются.
В некоторых конструкциях роторно-дисковых экстрак­
торов вместо дисков на валу смонтированы турбинные
мешалки, что повышает эффективность аппарата. Эффек­
тивность подобных экстракторов зависит от частоты вра­
щения вала, соотношения размеров дисков и кольцевых
перегорсдок и расстояния между ними
Сверхцентрифуги типов СКС-100 и СКС-150 предназ­
начены для разделения стойких (трудноразделимых)
Ж
Ивн у^ еЗ„ФУдГиаа„^ °м
Щ Щ Ш Ш й
с 50, а“ „Й 1я до 15 5оОО
?ои
в
й/
с
О об/мин. Подлежащая разделению
эмульсия непрерывно вводится в трубу снизу Там она
увлекаясь во вращение, течет вдоль ее стенок в осРН™
направлении. По мере движения вверх эмульсия под
воздействием центробежных сил расслаивается на фрак
Рис. 113. Принципиальная схема тарель­
чатого сепаратора:
Рис. 112. Роторно-диско­
вый экстрактор
I — патрубок для ввода смеси; 2 — входной
канал, 3 — корпус барабана; 4 — колпак*
о
жидкостное кольцо тяжелой фракции*
6 — тарелки; а — отверстие в тарелках- б —
отверстия для выхода тяжелой фракции; <?—
отверстия для выхода легкой, фракции
ции: тяжелая собирается ближе к стенкам трубы, л е г к а я _
лиже к оси вращения. Эти фракции раздельно выводятся
из трубы через соответствующие патрубки.
Тарельчатые сепараторы предназначены для непре­
рывного разделения эмульсий, полученных в отдельно
смонтированном смесителе. На рис. 113 показана прин­
ципиальная схема тарельчатого сепаратора типа САЖ-3.
Работает он следующим образом. Подлежащая разделению
эмульсия поступает во вращающийся барабан сепаратора
ерез патрубок /. Там эмульсия тонкими слоями расте­
кается по тарелкам 6 и разделяется на две фазы. Тяжелая
фаза собирается у стенок барабана и через отверстие б
удаляется из него. Легкая фаза собирается под колпаком 4
и выводится из барабана через отверстие в. В тарелках 6
имеются отверстия а, которые обеспечивают проход легкой
фракции под колпак 4.
Сепаратор САЖ-3 рассчитан на производительность
по эмульсии до 2500 л/ч. Частота вращения его барабана
4620 об/мин, число тарелок — 75 шт.
В экстракторах-сепараторах смешение и разделение
жидкостей происходит в одном аппарате. С этой целью
на одном валу с барабаном монтируют в специальной
камере, на линии вывода тяжелой фракции, напорный
диск. Этот диск позволяет выводить из барабана смесь
&&
В
Рис. 114. Схема двухсту­
пенчатой экстракционной
установки:
/ — сепаратор; 2 — экстрактор-сепарат^;
3 — смеси­
тель; сплошные линии — т я ­
ж елая жидкость; штриховые
линии — эмульсия и легкая
жидкость
под напором и, кроме того, произвести однократное сме­
шение выходящей из аппарата тяжелой фракции с легкой
жидкостью.
На рис. 114 показана экстракционная установка, рабо­
тающая по двухступенчатой схеме. В смесителе 3 (в дан­
ном случае в центробежном насосе) тяжелая жидкость,
из которой должен быть удален один из компонентов,
смешивается с легкой жидкостью (растворителем). Обра­
зовавшаяся эмульсия поступает в экстрактор-сепаратор 2.
В нем рыделяется легкая фракция, обогащенная извле­
каемым компонентом. Тяжелая фракция, из которой
в основном удален необходимый компонент, на выходе
из экстрактора-сепаратора в его напорном диске смеши­
вается опять с чистой легкой жидкостью. Обедненная
эмульсия поступает в сепаратор 1, в котором фракции
разделяются. Тяжелая жидкость, из которой извлечен
полностью необходимый компонент, удаляется из сепа­
ратора в виде готового продукта. В легкой жидкости,
удаляемой из сепаратора /, присутствует небольшое
количество извлекаемого компонента. Для окончатель­
ного насыщения этим компонентом она передавливается
обратно в смеситель 3. Регенерация отработанной легкой
дит в отдельном аппарате
В экстр акторе-сеп ар аторе «Россия» установлены на
сразу два тарельчатых барабана.
одном валу
1
В центробежных экстракторах с горизонтальным валом
жидкости смешиваются при их противоточном движении
в каналах быстровращающегося ротора. Разработано
СССР
много конструкций экстракторов этого типа. В _____
наиболее распространены экстракторы типа ЭГН (рис. 115).
Конструктивно он состоит из следующих основных деботалеи:
ковых стенок 3, втулки 2
и дисков о пакета контактирующих цилиндров
4. Втулка ротора посажена на вал, в котором
имеются каналы д л я подвода и отвода жидкостей.
Работает экстрактор с по­
:
у м у у м м /ш
=3
т
V.
добным ротором следуюу
с*
щим образом.
>Ч
Т яж елая фаза через
§
/
I
Л
левое (по *,чертежу) цен­
/ к
>
ж
тральное отверстие вво­
дится внутрь ротора. Под Рис. 115. Ротор экстрактора ЭГН
действием
центробежной
силы тяж елая жидкость перемещается к периферии
ротора, проходя при этом сквозь отверстия в кон так­
тирующих цилиндрах. Отверстия высверливаются груп ­
пами; обычно на каждом цилиндре бывает от 2 до 8 групп
отверстий, каж дая из которых насчитывает 6—24 отвер­
стия диаметром 2 —5 мм. Оси отверстий на ■соседних
■
цилиндрах
■ ш ■ не г совпадают.
Противотоком тяж елой фазе от периферии ротора
к его оси вращ ения движется л егк ая жидкость, подавае­
мая в ротор через правое центральное отверстие вала.
В зазоре между контактирующими цилиндрами эти ж ид­
кости интенсивно перемешиваются, многократно кон так­
тируют одна с другой и разделяю тся под действием цен­
тробежных сил. Л е гк ая ф ракция удаляется через левый
кольцевой зазор, тя ж е л ая — через правый. Т я ж е л а я
ф ракция забирается с периферии ротора.
Ротор экстракторов типа ЭГН приводится во вращение
от электродвигателя через клиноременную передачу. ЧаО
.................
-
-
/
ф
У
--------
Л
V
А
стота вращения ротора в зависимости от мощности эк­
страктора колеблется от 2000 до 5000 об/мин.
Схемы экстракционных установок. Экстракционные
установки работают по схемам одно- или многоступен­
чатой экстракции.
При одноступенчатой экстракции установка обычно
состоит из двух аппаратов — смесителя и отстойника.
В смесителе исходная смесь смешивается с экстрагентом.
’Конечныи
экстракт
Экстрагент
исходный
раствор
рафинат
Рис. 116. Схема противоточной многоступенчатой экстракции:
/ , / / , I I I « аппараты соответственно первой, второй и третьей сту ­
пени, / — смеситель; 2 — отстойник
В отстойнике рафинат отделяют от экстракта. Далее они
поступают на последующую переработку, например на
ректификацию. Одноступенчатая экстракция не позво­
ляет полностью извлечь из рафината необходимый ком­
понент, так как экстрагент частично присутствует в рафинате.
щ
Значительно больше степень извлечения при испоаьзовании многоступенчатой экстракции, одна из схем ко­
торой показана на рис. 1[6.
Свежий экстрагент вступает
„ в
контакт с рафинатом,
имеющим наименьшую концентрацию извлекаемого ком­
понента, и после многократного контактирования в по­
следовательных ступенях процесса насыщается извлекае­
мым компонентом. Благодаря этому высокая степень
извлечения может быть достигнута значительно меньшим
количеством экстрагента.
Г л а в а IX.
АППАРАТЫ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ
Вещества, находящиеся в газообразном состоянии, раз­
деляются в основном с помощью процессов абсорбции и
адсорбции.
§ 31. Абсорбционные установки
Абсорбцией называется процесс поглощения газа или
пара жидким поглотителем (абсорбентом)
Процесс, в котором газ или пар вступает в химическое
взаимодействие с жидкостью, называется хемсорбцией.
Абсорбция — процесс избирательный. Различные ве­
щества абсорбируются в том или ином поглотителе в раз­
ной степени. Избирательность процесса абсорбции позво­
ляет извлекать из газовой смеси определенное вещество,
подбирая соответствующий поглотитель.
Процессы абсорбции широко применяются в различ­
ных отраслях химической и нефтеперерабатывающей про­
мышленности для поглощения аммиака, окислов азота,
серного ангидрида, углеводородных газов и т. д. С по­
мощью абсорбции, например, извлекают аммиак и бен­
зол из коксовых газов, углеводороды из нефтяных газов.
Производства серной и азотной кислоты основаны на
поглощении серного ангидрида и окислов азота водой.
Процессы абсорбции применяют также для санитарной
очистки отходящих газов, выбрасываемых в атмосферу.
Абсорбция, как правило, сопровождается выделением
тепла. Повышение температуры ухудшает проведение
процесса, поэтому абсорбционные установки во многих
случаях снабжают холодильными элементами.
Процесс удаления поглощенных газов из жидкости
называется десорбцией. Десорбция производится в токе
инертного газа путем выпаривания раствора или под
вакуумом.
Щ
Десорбция применяется для извлечения из поглотите 1я
растворенных в нем газов и паров, когда они являются
целевыми продуктами производства. В некоторых слу­
чаях абсорбент с растворенными в нем веществами сам
является целевым продуктом производства, например
ппР.” Г Л—
ВОД0И окислов азота получают целевой
ЙЙШ
азотную кислоту. Если поглощенные вещества
—
отходами производства, то десорбцию не проВ абсорбционных установках наиболее распространены
противоточные схемы движения газа и по?лоти?е1я в аб
Десорбированный газ
Рис. 117. Схема противоточной абсорбции с ре­
циркуляцией абсорбента:
/ — абсорберы; 2 — десороер; 3 — насосы; 4 — сбор­
ник; сплошные толстые л и ­
нии — газ; штриховые л и ­
нии
насыщенный погло­
титель;
сплошные
тон­
кие -— поглотитель
десор­
бированный
кп?тиРад*° Ч5;СТИЧН0Й рециркуляцией поглощающей жид­
кости. Абсорберами называют аппараты, в которых про
текает процесс абсорбции.
«н оры х проСхема с противоточным движением газа и жидкости
приведена на рис. 117. При данной схеме движения све
жии поглотитель встречает газ с минимальным содержа­
нием абсорбируемого компонента, и наоборот Наиболее
насыщенный поглотитель встречается с наиболее кон
центрированной газовой смесью.
кон'
После прохождения абсорберов 1 насыщенный абсоос о о б е Т Т гК71° мпонентом поглотитель направляется в десорбер 2, где путем нагрева из него выделяется погло­
щенный компонент. После десорбции поглотитель снова
направляется на орошение в абсорбер /
Смешение свежего поглотителя с жидкостью уже насы­
щенной снижает скорость процесса абсорбции однато
данную схему применяют, чтобы увеличить плотность
орошения абсорбера. Н аряду с двумя описанными тех­
нологическими схемами в различных производствах в з а ­
висимости от их специфики применяют другие варианты
схем.
§ 32. Конструкции абсорберов
По способу создания поверхности контакта жидкости
с газом абсорберы делят на аппараты поверхностного
типа, насадочные, барботажные (тарельчатые) и механи­
ческие.
Рис. 118. Поверхностные абсорберы
из
керамики:
а — турилла; б — целляриус
Если газ хорошо поглощается жидкостью, то нет
необходимости создавать большую поверхность контакта
фаз. В этом случае для хорошей абсорбции газа доста­
точно пропускать его над поверхностью жидкости (при­
мером может служ ить процесс поглощения хлористого
водорода).
Поверхностные абсорберы делают в виде керамических
сосудов различной формы — турилл (рис. 118, а) и целляриусов (рис. 118, б).
Поверхностные абсорберы собирают в батареи до не­
скольких десятков ш тук, и газ проходит последовательно
группу аппаратов, причем жидкость и газ движ утся по
принципу противотока. Чтобы жидкость передвигалась
самотеком, туриллы располагаю т ступенчато. Д л я л у ч ­
шего отвода тепла абсорберам придают такую форму, чтобы
наружная поверхность их была наибольшей.
Применяют также поверхностные абсорберы змеевн*
кового типа, орошаемые снаружи охлаждающей водой,
и графитовые пластинчатые абсорберы, в которых охла­
ждение производится водой, протекающей между пласти­
нами.
*1
Наиболее широко для абсорбции применяют наса­
дочные колонны, сравнительно простые по конструкции.
Рис. 120. Элементы насадок:
а — кольца
Рашига;
б — кольца
Палля;
*Ш
щ&еМшш
в — седловидная насадка
Рис. 119. Насадочная колонна:
/ — корпус колонны; 2 — распредели
тельная решетка; 3 ~ насадка; 4 —
орос итель
Это полые цилиндрические аппараты, в которые загру­
жают насадочные тела различной формы, обеспечивающие
развитую поверхность контакта между жидкостью и
газом. Газ подводят снизу под слой насадки, а жидкость
подается на насадку. Таким образом обеспечивается про­
тивоток между жидкостью и газом (рис. 119).
Различают два основных режима работы насадочных
аппаратов:
1) пленочный режим, при котором жидкость, омывае­
мая газом, стекает по элементам насадки;
2) эмульгационный режим, при котором весь аппарат
заполнен жидкостью, а через слой жидкости между эле­
ментами насадки барботирует газ.
К насадке предъявляются следующие основные тре­
бования: она должна быть дешевой, простой в изготовле­
нии, иметь большую удельную поверхность на 1 м3 объема
и оказывать малое гидравлическое сопротивление движению газо]
В насадочных
колоннах применяют насыпную
насадку из крупных элементов.
В качестве элементов насы­
пных насадок применяют кольца
Рашига, кольца Палля и сед­
ловидные насадки (рис. 120).
Элементы насадки изготовляют
из керамики, фарфора или
тонколистового металла.
Кольца Рашига просты в
изготовлении, поэтому они по­
лучили наибольшее распростра­
нение. Кольца выпускают диа­
метром от 10 до 150 мм, однако
в промышленных колоннах в ос­
новном применяют кольца диа­ Рис. 121. Элемент плоскопа­
метром 25 и 50 мм. В колонны
раллельной насадки
или башни большого диаметра
загружают кольца разных размеров. Вниз укладывают
несколько рядов крупных колец диаметром 100—150 мм,
затем засыпают навалом более мелкие кольца. Чтобы
уменьшить разрушение колец, аппарат при загрузке
насадки иногда заполняют одой. При загрузке необходимо следить за равномерным распределением насадки.
Образование пустот или щелей резко ухудшает работу
колонны.
К насадкам из крупных элементов следует отнести
хордовую насадку, которую набирают из деревянных или
керамических брусьев,
гофр
ных листов.
За последнее время освоены плоскопараллельные
(рис. 121) и сотовые насадки, состоящие из вертикально
установленных пластин или сотовых элементов. Они
обеспечивают хороший контакт между жидкостью и
газом и в то же время имеют малое гидравлическое сопро­
тивление.
щ
Насадку укладывают на опорную решетку (колосник),
ешетка должна иметь минимальное гидравлическое со­
противление и достаточную механическую прочность.
порные решетки в виде плит с отверстиями применять
не рекомендуется, так как у них большое гидравлическое
сопротивление, поэтому решетки чаще всего сваривают
из полос (рис. 122). Решетки больших размеров изготов-
Рис. 122. Сварная колосниковая решетка
ляют из нескольких секций, укладываемых на опорные
балки. Размер в свету между колосниками решетки дол­
жен быть не более 0,6—-0,7 наименьшего размера насадочного элемента.
н
Хорошей опорной конструкцией для колонн малого
диаметра служат также решетки из просечно-вытяжного
Л И СТ 3 . ' V
йЯ^ ? ИДК0СТЬ’ етек„ающая по беспорядочно засыпанной
насадке, имеет свойство перемещаться по мере стекания
к наружной стенке колонны, вследствие чего центральная
часть насадки остается несмоченной и не участвует в про­
цессе массообмена, поэтому в насадочных колоннах,
у которых высота во много раз больше диаметра О , слой
168
насадки разделяют на участки высотой (4 5) II, между
которыми устанавливают устройства, перераспределяющие жидкость.
Насадочные колонны должны иметь люки для загрузки
и разгрузки насадки, устана ливаемые в верхней и нижней точках каждого слоя.
Жидкость
Патрубки для входа газа
в колонну снабжают козырь­
ками или зонтами, препят­
ствующими затеканию в них
жидкости.
Кислотные башни (рис.
123) больших размеров, рабо­
тающие без давления, футе­
руют в несколько слоев кис­
лотоупорным кирпичом. Футеровка
В I данном
I
Й
случае
представляет собой самостоятельную конструкцию,
а назначение металлического
кожуха 2 — лишь прида­
вать кладке дополнительную
устойчивость. Колосники 3
в
футерованных
башнях
делают из каменных бру­
сьев или керамиковых пла­
нок специального сечения.
Газ
При большом диаметре
башни делают арочные опоры
из кирпича (рис. 124).
Насадочные колонны хо­
Жидкости
рошо работают при обиль­
ном и равномерном орошении,
Рис. 123. Кислотная башня:
поэтому оросительные уст­ / — футеровка; 2 — кожух; 3 —
ройства являются одним из колосники; 4 — насадка; 5 - оро*
ситель
важных узлов колонны.
К оросителям предъявляются следующие основные тре­
бования: они не должны увеличивать унос жидкости с га­
зом; высота оросительного устройства и расстояние от
оросителя до насадки должны быть минимальными; они
должны устойчиво работать при колебании расхода жид­
кости; быть простыми по устройству и удобными в экс­
плуатации; не должны забиваться при работе с загрязнен­
ными жидкостями.
Оросители подразделяют на самотечные и разбрызги­
вающие. Из самотечных оросителей жидкость вытекает
отдельными струйками через отверстия или прорези
К самотечным оросителям относятся распределительная
плита представляющая собой тарелку с патрубками 1
(рис. 125), через которые жидкость отдельными струй­
ками стекает на насадку. Уровень тарелки регулируется
установочными винтами. Чтобы улучшить условия равно­
мерного слива жидкости, в патрубках сделаны прорези.
9
с
Рис. 124. Арочная опора
1
кислотной ба ни:
арка; 2 — балки; 3 — решетка из брусков
Диаметр тарелки равен 0,6—0,7 диаметра аппарата. Оро­
шающая жидкость подводится через патрубок к центру
тарелки. Распределительные плиты просты по устройству
и надежны в работе, однако при большом диаметре колонны
они становятся громоздкими и поэтому не п р и м е н я т с я
для аппаратов диаметром более 3 м.
В аппаратах большого диаметра применяют оросии ы х ж ' Л Г 10' ? (Р" С- 126)’
и з р я д а параллельи главног° распределительного желоба 2
расположенного над ними. Жидкость из желобов стекает
ьные или треугольные прорези. Желоба
Рис. 125. Распределительная плита:
1 — патрубок; 2 — установочные винть^
Рис.
126.
Оросительные
желоба
громоздки и требуют тщательной регулировки горизон­
тальности, которая производится с помощью установочных
ВИНТОВ.
К самотечным оросителям относится также ороси­
тельная сетка (рис. 127). Жидкость подводится к сетке
по трубопроводу и вытекает через отверстия к ней. Сетка —
простои и компактный ороситель, но она работает устой­
чиво только при постоянном расходе жидкости.
К разбрызгивающим оросителям относится танген­
циальная форсунка (рис. 128). Жидкость, подлежащая
Рис. 128. Тангенциальная форсунка
Рис. 127. Оросительная сетка:
/
сетка; 2 — поворотная ось
разбрызгиванию, подводится во внутреннюю круглую
камеру форсунки тангенциально, закручивается там и
выходит с большой скоростью через центральное отвер­
стие. Закрученная струя по выходе из форсунки дро­
бится на капли. Тангенциальная форсунка обеспечивает
интенсивное и сравнительно равномерное орошение в радиусе 2 2,5 м. В аппаратах большого диаметра устанав­
ливают несколько форсунок.
Другой тип разбрызгивающих оросителей — многота­
рельчатые отражательные разбрызгиватели (рис. 129), работающие с большой производительностью и обеспечи­
вающие большой радиус орошения. Недостаток этих
оросителей — громоздкость и чувствительность к изменениям расхода.
К разбрызгивающим оросителям относятся также вращающиеся разбрызгивающие звездочки, разбрызгиваю­
щие форсунки и др.
Устройства для перераспределения жидкости между
слоями насадки выполняют по типу распределительных
плит или в виде воронки (рис. 130). Чтобы уменьшить
гидравлическое сопротивление движению газа, в стенках
172
воронки делают отверстия с краями, отбортованными
веер х .
Ограниченное применение для целей абсорбции нахо­
дят тарельчатые колонны. Их применяют в основном
в тех случаях, когда количество орошающей жидкости
очень мало. Наряду со стандартными колпачковыми и сит*
чатыми колоннами для процессов абсорбции применяют
барбстажные аппараты специальных типов. Например,
Рис. 130. Воронка для перераспреде
лени я жидкости
Жидкость
\газ
Газ
Жидкость
Рис. 131.
Рис. 129. Многотарельчатый
отражательный
разбрызги­
ватель
Простейший .барботажны й
абсорбер:
/ — кры ш ка; 2 — колокол; 3 — корпус;
4 — водяная рубаш ка
для поглощения легкорастворимых газов применяют про­
стейший барботажный аппарат, состоящий из большого
колокола, опущенного в жидкость, через края которого
барботирует газ (рис. 131).
В механических абсорберах межфазовая поверхность
контакта образуется путем разбрызгивания жидкости
в газообразной среде с помощью вращающихся устройств
различных типов.
Механические абсорберы по своей эффективности пре­
восходят абсорберы других типов. Это объясняется тем
что, во-первых, при разбрызгивании жидкости на мелкие
капли образуется большая развернутая поверхность кон­
такта фаз, а во-вторых, абсорбция газов летящими кап­
лями в несколько раз больше, чем при тех же условиях
стекающей пленкой. Благодаря этому механические аб­
сорберы весьма компактны. Общий недостаток механиче­
ских абсорберов — сложность конструкции и значительныи брызгоунос.
Известно несколько десятков конструкций механи­
ческих абсорберов.
Наибольшее распространение в промышленности полу­
чил механический абсорбер с вращающимися конусами
частично погруженными в жидкость.
Рис. 132. Механический абсорбер
На рис. 132 показан элемент этого абсорбера Он
представляет собой вертикальную сварную колонну /
а Я В Г / Т шкой- ВнУтРи абсорбера проходит верти­
кальный вал 2 с приводом от электродвигателя. Частота
вращения вала 300—600 об/мин. На валу закреплено
несколько разбрызгивающих роторов. Каждый ротор
состоит из пакета конусов 6 (число их в пакете 4 - 5 шт )
Конусы 6 закреплены на валу с помощью распорной крекета"Ш 1 Зв 30р МеЖДУ соса д ™ к°нусами одного па^ М
лг__,
г
ф и к си р Т ™ " “ “ - е - П° Л0ЖеНЖ РазбРызгивающего
т>
----------------- п
а
Ь аЛ
ТО V-
бок 5. Конусы нижнеи своей частью погружены в жид­
кость, находящуюся на тарелке 7. При вращении конусов
™ Т„°™ Ь ?БЛекается нми в Движение, поднимается по
ним под действием центробежных сил, а затем разбрызги174
вается в абсорбционное пространство колонны. Здесь
масса летящих капель контактирует с поднимающимся по
колонне газом. Капли ударяются в стенку сливного во­
ротника 5 и сливаются там с жидкостным потоком, посту­
пающим с вышележащего элемента. Со сливного ворот­
ника жидкость поступает обратно в тарелку 7. Избыток
жидкости, поступившей в элемент сверху, переливается
через край тарелки 7 и поступает на разбрызгивание
в нижележащий элемент.
Количество разбрызгиваемой жидкости значительно
превышает то ее количество, которое переливается с та­
релки на тарелку. Благодаря этому жидкость внутри
колонны многократно разбрызгивается, контактируя с под­
нимающимся по колонне газом. Тарелки 7 закреплены на
четырех штангах 9 с помощью распорных втулок 3.
Штанги прибалчиваются к опорным кольцам, приваренным
к внутренней стенке корпуса абсорбера.
Абсорберы подобной конструкции успешно эксплуати­
руются в промышленности. Диаметр их корпусов в зави­
симости от производительности по газу колеблется от 800
до 4000 мм.
Некоторое применение в технике абсорбции находят
аппараты, в которых взаимодействие между жидкостью
и газом обеспечивается путем распыления жидкости в по­
токе газа с помощью форсунок. Известны форсуночные
абсорберы с производительностью по газу до 100 тыс. м3/ч.
§ 33. Адсорберы
Адсорберы — аппараты, в которых происходит разде­
ление газовых, паровых или жидких смесей путем избира­
тельного поглощения одного или нескольких из компонен­
тов поверхностью пористого твердого тела — адсорбента.
Наиболее часто адсорберы используют для разделения
газовых или паровых смесей, очистки и осушки газа,
улавливания из парогазовых смесей ценных органиче­
ских веществ.
Процесс адсорбции, т. е. поглощение газа или пара
поверхностью твердого вещества (адсорбента), является
избирательным и обратимым. Это значит, что каждый
адсорбент способен поглощать лишь определенные ве­
щества и не поглощать другие вещества, содержащиеся
в газовой смеси. Поглощенное вещество может быть выде­
лено из адсорбента путем десорбции — процесса, обрат­
ного адсорбции.
В качестве адсорбентов используются твердые вещества
большой пористостью. Наиболее распространенными
адсорбентами являются активированный уголь (1 г угля
имеет поверхность пор от 200 до 1000 м2) и силикагель
(поверхность пор до 500 м2 в 1 г). Адсорбенты приготов­
ляют в виде зерен размером 2—8 мм или пыли с размером
частиц 50—200 мкм.
Адсорберы подразделяют на следующие типы:
1) с неподвижным зернистым адсорбентом;
2) с движущимся зернистым адсорбентом;
3) с псевдоожиженным («кипящим») слоем пылевидного
адсорбента. \
л
щ
I
Паровоздушная
смесь
Паровая
смесь
Паровоздушная
смесь
Выхлоп
Конденсат
а)
Рис. 133. Адсорберы с неподвижным слоем зернистого адсорбента;
а — вертикальный; б Р горизонтальный; / — корпус; 2 — решетка; 3 —5
штуцера
Адсорберы с неподвижным слоем зернистого адсорбента представляют собой полые вертикальные или гори­
зонтальные сосуды (рис. 133), в которых размещен ад­
сорбент. Работают они следующим образом. Паровоздуш­
ная или газовая смесь, подлежащая разделению, подается
внутрь корпуса 1 адсорбера через специальный штуцер.
Внутри адсорбера смесь проходит через слой зернистого
адсорбента, уложенного на решетке 2. Зерна адсорбента
поглощают из смеси определенный компонент. После
этого газовая смесь удаляется из адсорбера через выхлоп­
ной патрубок.
Адсорбент может поглощать извлекаемый компонент
до некоторого предела насыщения, после которого про­
водят процесс десорбции. С этой целью прекращают
176
подачу паровоздушной смеси в адсорбер, а затем в аппа­
рат подают перегретый водяной пар (или другой вытес­
няющий агент). Он движется в направлении, обратном
движению паровоздушной смеси. Паровая смесь (смесь
паров воды и извлекаемого компонента) удаляется из
аппарата и поступает на разделение в ректификационную
установку или отстойник.
После десорбции, длящейся приблизительно одинаковое
с процессом адсорбции время, через слой адсорбента
пропускают горячий воздух, которым адсорбент подсу­
шивается. Воздух входит в аппарат через паровой шту­
цер, а удаляется через штуцер для паровой смеси. Высу­
шенный адсорбент затем охлаждается холодным воздухом
до необходимой температуры. Ввод и вывод холодного
воздуха тот же, что и у пара. После охлаждения адсорбента
цикл поглощения повторяется.
Современный адсорбер оснащен системой приборов,
которые в нужное время автоматически переключают
потоки с адсорбции на десорбцию, затем на осушку и
охлаждение. Чтобы установка непрерывно разделяла
газовую смесь, ее комплектуют из двух или более адсор­
беров, которые включаются на поглощение поочередно.
На двухкорпусной установке после насыщения адсорбента
в первом адсорбере подачу газа переключают на второй
адсорбер, производя в это время десорбцию, осушку и
охлаждение в первом. После насыщения адсорбента во
втором адсорбере газ снова переключается на цикл погло­
щения в первом аппарате ц т. д.
Адсорберы с движущимся слоем зернистого адсор­
бента представляют собой вертикальные цилиндрические
колонны. Внутри этих колонн сверху вниз самотеком дви­
жется зернистый адсорбент.
Типичная схема адсорбционной установки с подобным
адсорбентом дана на рис. 134. Установка состоит из вер­
тикальной колонны, разделенной перегородками на не­
сколько зон, транспортных трубопроводов и теплообмен­
ников. Работает она следующим образом. Исходная газовая
смесь подается под распределительную решетку Зу пройдя
которую, она поднимается в опускающемся слое зерни­
стого материала в зоне I. Здесь адсорбируются тяжелые
компоненты газовой смеси, а легкая фракция удаляется
из верхней части зоны /. Адсорбент, поглотивший тяже­
лую фракцию, опускается, проходит промежуточную
зону II и десорбционную зону III. В десорбционной
зоне I I I зерна адсорбента движутся по трубам теплооб­
менника 4. В межтрубное пространство теплообменника
подается конденсирующийся пар, который частично нагре­
вает адсорбентов нижнюю часть трубок теплообменника
подается острый перегретый пар, которым отдувают из
Адсорбент
1
3
2
Адсорбент
Рис. 135. Односту­
пенчатый адсорбер
с
псевдоожиженным слоем адсор­
бента
Рис. 134. Адсорбер с движущимся
зернистым адсорбентом:
/ — зона адсорбции; I I — промежуточная
зона; / / / — зона десорбции; / — бункер;
2 — холодильник; 3 — распределительная
решетка;
4 — теплообменник-десорбер;
5 — разгрузочное устройство; 6 — гидрав­
лический затвор; 7 — регулирующий к л а ­
пан; 8 — сборник; 9 — газодувка; 10 —
труба-газоподъемник;
I I — теплообмен­
ник-реактиватор
адсорбента поглощенные тяжелые компоненты газовой
смеси.
фракция
из верхней части зоны III. Часть же десорбированных,
более легких компонентов в виде парогазовой смеси про­
ходит в промежуточную зону / / . Здесь парогазовая смесь
вытесняет из адсорбента компоненты более легкие, чем
десорбирующиеся в зоне I I I . Парогазовая смесь, назы­
ваемая промежуточной фракцией, удаляется из средней
части промежуточной зоны.
Регенерированный адсорбент, пройдя разгрузочное
устройство 5 и гидравлический затвор 6 , поступает к ре­
гулирующему клапану 7. Клапан перепускает зернистый
адсорбент в необходимом количестве в сборник 8. Здесь
зерна адсорбента подхватываются транспортирующим га­
зом (например, газами легкой фракции) и по трубе 10
забрасываются в бункер /. Из бункера адсорбент ссыпается
в трубки водяного холодильника 2 . Опускаясь по труб­
кам холодильника, адсорбент охлаждается и поступает
снова на адсорбцию в зону I . Для полного восстановле­
ния активности адсорбента некоторая часть его непре­
рывно ссыпается в теплообменник-реактиватор 11 и под­
вергается в его трубах высокому нагреву топочными га­
зами, подаваемыми в межтрубное пространство теплооб­
менника.
Для отдувки из адсорбента поглощенных продуктов
в трубы теплообменника снизу подается острый перегре­
тый пар. Конструкции распределительных решеток 3 ,
разгрузочного устройства 5 и сборника 5 подробно рас­
смотрены в гл. X I.
Адсорберы с псевдоожиженным («кипящим») слоем
пылевидного адсорбента делят на одноступенчатые и
многоступенчатые.
Одноступенчатый адсорбер этого типа (рис. 135) имеет
полый цилиндрический сосуд / , в нижней части которого
закреплена газораспределительная решетка 2. Псевдоожижающий газ, он же и исходная смесь, подается под
решетку. Пройдя отверстия решетки, газ входит в псевдоожиженный слой пылевидного адсорбента 3, где про­
текает процесс адсорбции. Газы по выходе из слоя очи­
щаются от пыли в циклоне и удаляются из аппарата.
Адсорбент непрерывно вводится сверху в псевдоожиженный слой и удаляется через трубу. Регенерация адсорбента
производится в другом аппарате, аналогичном по кон­
струкции первому.
Проведение процесса адсорбции в псевдоожиженном
слое имеет следующие преимущества: низкое гидравличе­
ское сопротивление слоя, допустимость высоких скоро­
стей газа по сечению аппарата, быстрое выравнивание
температуры по всему слою и большая поверхность фа-
зового контакта. Однако наряду с"этим имеются и недо­
статки: при соприкосновении газа на выходе из слоя
с частицами адсорбента может произойти частичная десорб­
ция поглощенного вещества из них, газы загрязняются
пылью адсорбента, частицы адсорбента быстро истираются,
поэтому необходимо использовать адсорбенты с высокой
механической прочностью.
*
Многоступенчатый адсорбер представляет собой вер­
тикальную колонну с колосниковыми или ситчатыми та­
релками. Над каждой тарелкой создается небольшой
псевдоожиженный слой адсорбента. Зерна адсорбента
перетекают вниз с тарелки на тарелку по переточным
трубам. Газовая смесь подается в колонну снизу. В ко­
лонне эта смесь, проходя через отверстия в тарелках,
движется противотоком к адсорбенту. Отработавший ад­
сорбент выгружается внизу колонны через специальный
затвор. Десорбция поглощенных продуктов и^ адсорбента
производится в такой же колонне. Переброска адсорбента
с колонны на колонну производится пневмотранспортом.
Глава
X.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О РЕАКЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ
И ОБОРУДОВАНИИ
§ 34. Классификация химических процессов
Используемые в быту, промышленности и сельском
хозяйстве искусственные продукты получают в результате
химических реакций. Процессы, в которых протекают
химические реакции, называют реакционными процес­
сами. Они являются основными процессами в большинстве
химических и нефтехимических производств, так как
в результате их завершения получают необходимый (так
называемый целевой) продукт. От итогов осуществления
реакционных процессов во многом зависят экономические
показатели химических производств.
В химическую реакцию могут вступать молекулы од­
ного, двух или нескольких веществ (реагентов) одновре­
менно
................... - -ш-г
по одному из следующих признаков:
1) по механизму химического превращения;
2) по термическим условиям;
3) по агрегатному (фазовому) состоянию реагентов*
4) по наличию катализатора.
*
По механизму превращения химические реакции можно
разделить на простые обратимые, простые необратимые
и сложные. Простые обратимые и необратимые реакции
протекают согласно стехиометрическим уравнениям, они
не осложнены побочными или промежуточными реак­
циями.
г
В обратимых реакциях в ходе химических превращений
могут снова образовываться исходные продукты. Процесс
такого обратимого превращения продолжается до тех пор,
пока не установится динамическое равновесие между ско­
ростью протекания прямой и обратной реакций. Выход
целевого продукта (так называемый равновесный выход)
в условиях динамического равновесия зависит от темпе­
ратуры реагирующих веществ, их концентрации в реак­
ционной смеси, давления. Скорости прямой и обратной
реакции неодинаково зависят от перечисленных выше
условий, поэтому соответствующим подбором темпера­
туры, давления и исходной концентрации реагентов
можно увеличить равновесный выход. Например, если
реакция протекает с поглощением тепла, то равновесный
выход продукта при повышении температуры увеличи­
вается. Среди обратимых реакций имеются такие, для
которых достижение условий равновесия неблагоприятно
сказывается на увеличении выхода продуЛа.
Простые необратимые реакции при любых условиях
полностью направлены в сторону образования продуктов
реакции.
I
■
.]
Сложные химические реакции состоят из нескольких
простых реакций, которые могут протекать последова­
тельно или одновременно (параллельно).
По термическим условиям различают экзотермические,
эндотермические и сменно-циклические реакции. Экзо­
термические реакции протекают с выделением тепла,
а эндотермические — с поглощением тепла. Сменно-цик­
лические реакции чередуют периоды выделения и погло­
щения тепла. Для соблюдения определенного темпера­
турного режима экзотермические реакции требуют отвода
тепла из реакционной зоны, а эндотермические — под­
вода.
По агрегатному состоянию реагентов химические реак­
ции делят на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные
(однородные) реакции протекают в однофазной системе
{газовой, жидкой или твердой). В гетерогенной реакции
реагирующие вещества находятся в разных агрегатных
состояниях. Наиболее часто встречаются такие сочетания
реагентов: газ—жидкость, газ—твердое вещество; зна­
чительно реже: жидкость—твердое вещество, твердое
вещество—твердое вещество
В зависимости от наличия катализатора в реакционной
зоне химические реакции подразделяют на каталитические
и некаталитические. Следует отметить, что большинство
химических реакций в приемлемых для промышленности
условиях протекают с малой скоростью. Часто эта ско­
рость настолько низка, что промышленное осуществление
данного процесса нецелесообразно. В этих случаях в зону
реакции дополнительно вводят соответствующий компо­
нент, который сам непосредственно не расходуется в ходе
реакции, но во много раз увеличивает скорость ее проте­
кания. Этот компонент называют катализатором, а реак­
ции, протекающие с его участием, — каталитическими.
Катализатор, кроме увеличения скорости протекания
реакции, дает возможность проведения ее в более благо­
приятных условиях (при более низких температурах и
давлениях).
В зависимости от агрегатного состояния катализатора
различают гомогенные или гетерогенные каталитические
реакции. В первом случае катализатор находится в том же
агрегатном состоянии, что и реагирующие вещества,
а во втором
катализатор выделен в особую фазу.
В гетерогенных каталитических реакциях чаще ис­
пользуют твердые катализаторы.
Наиболее важными понятиями в реакционных процессах являются скорость реакции, степень превращения,
выход.
Скорость реакции характеризует изменение количества
вещества в ходе процесса в единицу времени; способ ее
выражения зависит от типа химических реакций. Для го­
могенных реакций при постоянном реакционном объеме
скорость реакции численно равна количеству образо­
вавшегося или прореагировавшего вещества в единице
реакционного объема за единицу времени. Для гетероген­
ных реакций скорость реакции численно равна количе­
ству образовавшегося или прореагировавшего вещества,
отнесенного к единице площади поверхности контакта
взаимодействующих фаз, за единицу времени.
Степень превращения исходных реагентов в продукты
реакции численно равна отношению количества хими­
чески превращенных исходных веществ к общему коли­
честву исходных веществ, находящихся в реакционной
смеси.
Выход — отношение количества вещества, химически
превращенного в целевой продукт, к общему количеству
химически превращенного вещества в реакционной смеси.
Выход целевого продукта можно увеличить при оптими­
зации одного из следующих технологических условий
ведения химической реакции: температуры, давления или
состава исходной смеси. Выход целевого продукта ока­
зывает большое влияние на экономические показатели
ведения химической реакции.
На выход целевого продукта существенно влияет
гидродинамический режим движения реагентов. В реак­
ционной зоне необходимо создать такой гидродинами-
ческии режим движения потоков реагентов, который обес­
печивал бы максимальную производительность аппарата
по целевому продукту.
§ 35. Классификация реакторов и факторы,
влияющие на их конструкцию
Аппараты, в которых проводят химические реакции,
называют реакторами. Конструкция реактора зависит от
следующих основных факторов:
1) агрегатного состояния реагирующих и образую­
щихся веществ;
2) температуры и давления в реакционной зоне;
3) теплового эффекта и интенсивности. теплообмена;
4) химических свойств перерабатываемых веществ;
5) интенсивности перемешивания реагирующих ве­
ществ;
6) непрерывности или периодичности ведения про­
цесса;
7) наличия катализатора и его состояния.
Температура и давление относятся к важнейшим побу­
дителям химических процессов. Оба эти фактора заметно
влияют на конструкцию реактора. В зависимости от тем­
пературы ведения процесса приходится применять те или
иные теплоносители или хладагенты. Тип теплоносителя
оказывает большое влияние на конструкцию реактора.
Если, например, обогрев ведется паром высокого давле­
ния или радиацией от факела, то рационально формиро­
вать поверхность теплообмена реактора в виде змеевика,
а при обогреве жидкостями — в виде рубашки.
Давление среды определяет форму и габаритные раз­
меры аппарата, его материал, конструкцию перемеши­
вающих устройств и сальников. Аппаратам, работающим
под высоким давлением, обычно придают цилиндриче­
скую или шаровую форму. Чем выше давление среды, тем
меньше диаметр корпуса аппарата.
Тепловой эффект реакции определяет необходимость
теплообменной поверхности реактора, ее размеры. Иногда
интенсивность тепловыделений бывает настолько большой,
что имеющихся способов отвода тепла не хватает для под­
держания заданной температуры реакции. В этом случае
приходится соответствующими методами снижать скорость
реакции.
Большинство химических процессов протекает значи­
тельно эффективнее при перемешивании реагирующих
веществ. При взаимодействии, например, несмешивающихся жидкостей или жидкостей с твердым веществом
перемешивание является одним из главных факторов ин­
тенсификации процесса. В других случаях перемешивание обеспечивает лучший теплообмен, уменьшает воз­
можность пригорания. Реакционная масса перемеши­
вается в основном с помощью специальных устройств,
конструкция которых зависит от требуемой интенсивности
перемешивания 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 или твердое), форма и в особенности его
подвижность или неподвижность в реакционной зоне
существенно влияют на конструкцию реактора. Реак­
ционный аппарат с псевдоожиженным слоем пылевидного
катализатора заметно отличается по конструкции от
реакционного аппарата, в котором зернистый катализатор
находится в неподвижном слое или катализатор выполнен
в виде сетки.
Рассмотрение всего многообразия реакционных аппаратов, нашедших использование в промышленности, по­
казывает, что составлены они из отдельных элементов,
в которых протекают те или иные физические процессы
(гидродинамические, тепловые, диффузионные), имеющие
целью создать оптимальные условия для химической
реакции.
В зависимости от физического процесса элемент реак­
тора может быть теплообменником, конденсатором, ме­
шалкой, смесителем и т. п. Поэтому все химические реак­
торы можно рассматривать как аппараты комплексные,
состоящие из известных конструктивных элементов, боль­
шинство из которых отдельно используются для проведе­
ния технологических операций, не сопровождающихся
химической реакцией. Количество таких конструктивных
сочетаний, а значит и типов реакторов, весьма велико.
Химические реакторы можно классифицировать по
одному из следующих признаков:
1) по организации процесса (непрерывно действующие,
периодические, полунепрерывные);
2) по гидродинамическому режиму движения реаген­
тов в реакционном объеме (реакторы полного вытеснения,
в которых реакционная масса движется в реакторе без
продольного перемешивания частиц; реакторы полного
смешения, в которых происходит мгновенное смешение
вновь поступивших в реактор частиц с уже имеющи­
мися там частицами; реакторы промежуточного типа);
3) по тепловому режиму работы реактора (изотерми­
ческие, характеризующиеся постоянством температуры
во всем реакционном пространстве; адиабатические, в ко­
торых отсутствует теплообмен с окружающей средой;
политропические, в них тепловой режим определяется
не только собственным тепловым эффектом процесса
химического превращения вещества, но и теплотехниче­
скими и конструктивными факторами аппаратуры);
4) по агрегатному состоянию реагентов (реакторы газо­
фазных процессов, реакторы жидкофазных процессов,
реакторы газожидкостных процессов, реакторы для хими­
ческого превращения твердых веществ);
5) по наличию катализатора (реакторы каталитиче­
ских процессов, реакторы некаталитических процессов);
6) по конструктивному признаку (колонные, полочные,
трубчатые, пластинчатые и т. п.);
7) по состоянию катализатора (реакторы с неподвиж­
ным слоем катализатора, реакторы с компактным движу­
щимся слоем шарикового катализатора, реакторы с псе­
вдоожиженным слоем катализатора).
Классификацию химических реакторов по первым трем
признакам используют в основном при расчетах, а по
остальным четырем — при рассмотрении их конструк­
ций.
'■
Следует отметить, что один и тот же реактор может
попасть в разные классификационные группы. Поэтому
часто используют классификацию реакторов по смешан­
ным признакам. Удобно при рассмотрении конструкций
реакторов использовать классификацию по двум призна­
кам: агрегатному состоянию реагентов и наличию катали­
затора. При подобной классификации все химические
реакторы можно разбить на следующие большие группы:
1) реакторы каталитических газофазных процессов;
2) реакторы некаталитических газофазных процессов;
3) реакторы жидкофазных процессов;
4) реакторы для химического превращения твердых
веществ.
Г л а в а XI.
РЕАКТОРЫ КАТАЛИТИЧЕСКИХ
ГАЗОФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ
§ 36. Классификация и общие сведения
о катализаторах
Реакторы каталитических газофазных процессов пред­
назначены для химического превращения газов в присут­
ствии катализатора. Известно, что газы легко смешиваются
один с другим, для этого достаточно, например, создать
турбулентный режим их движения в реакторе. Поэтому
в этих реакторах отсутствуют специальные перемешиваю­
щие органы (мешалки). Наиболее существенно на конструк­
цию этих реакторов влияет катализатор, а вернее его со­
стояние и устройства для поддержания этого состояния.
В качестве катализаторов используют различные неор­
ганические и^ органические соединения. В зависимости
от химической природы катализатора, его эффективности,
скорости реакции и способа производства целевого про­
дукта катализатор приготовляют в виде таблеток разной
формы, полосок, сеток, порошков и жидких раство­
ров.
Во многих случаях необходимо, чтобы твердый ката­
лизатор^ имел высокопористую структуру с большой
удельной поверхностью (удельная поверхность катали­
затора
суммарная поверхность пор в м2, находящихся
в каждом грамме катализатора). Современные способы
производства катализаторов позволяют получать пористые
структуры с удельной поверхностью до 1000 м2/г и диа­
метром пор порядка 1 • 10~в мм.
Если физико-химическая природа катализатора не
позволяет приготовить его ь виде высоко пор истого мате­
риала, то его наносят на инертный носитель с большой
удельной поверхностью. В качестве носителя часто ис­
пользуют силикагель и алюмосиликагель.
Действие катализатора специфично, т. е. каждый кон­
кретный катализатор эффективен лишь для вполне опре­
деленных реагирующих веществ.
Катализатор активно влияет на реакционную среду,
которая также воздействует на него, причем чаще отри­
цательно. Под влиянием реакционной среды катализатор
постепенно снижает свою первоначальную активность.
Под активностью (или производительностью) катализа­
тора понимают выход целевого продукта в граммах с одного
литра катализатора в час.
Активность катализатора может снижаться в резуль­
тате, во-первых, отравления катализатора «ядами», при­
сутствующими в реакционной среде, а во-вторых, отложе­
ния на его поверхности различных примесей (блокирова­
ние активной поверхности).
При отравлении «ядами» катализатор изменяет свою
физическую структуру и химический состав. Этот процесс
необратим, поэтому приходится тщательно очищать ис­
ходное сырье от «ядов». Каждой группе катализаторов
присущи определенные «яды». Например, "Для такого
широко распространенного катализатора, как А1С13, силь­
ными катализаторными «ядами» являются сернистые со­
единения.
Блокирование катализатора чаще всего происходит
в результате отложения на его активной поверхности слоя
углерода. Этот слой можно удалить, например, путем
выжига. В этом случае приходится рабочий период,
когда через катализатор пропускается исходная смесь,
чередовать с периодом регенерации, когда происходит
выжиг углерода.
В результате того, что в реакционной среде даже при
хорошей очистке все-таки присутствуют следы катализаторных «ядов» и что при регенерациях под действием вы­
соких температур происходят некоторые изменения струк­
туры катализатора, срок его действия ограничен.
После снижения активности катализатора ниже опре­
деленной нормы его заменяют свежим. Срок службы ката­
лизатора различен в зависимости от процесса и сырья:
от 100 ч до нескольких лет.
В зависимости от состояния катализатора все реакторы
каталитических газофазных процессов можно классифи­
цировать на основные группы:
1) реакторы с неподвижным слоем катализатора;
2) реакторы с компактным движущимся слоем шари­
кового катализатора;
3) реакторы с псевдоожиженным слоем зернистого
или пылевидного катализатора.
1
В тех случаях, когда реакция протекает практически
мгновенно, при контакте с поверхностью катализатора
удобно использовать реакторы с катализаторными сетками. В реакторе этого типа проводят, например, окисле­
ние аммиака в азотную кислоту. Конструктивно он вы­
полнен весьма просто (рис. 136). В цилиндрической части
корпуса аппарата закреп­
лена платиновая сетка /,
Реаиционные
газы '
служащ ая в этом про­
цессе катализатором. Р е­
акционные газы подаются
сверху, их температура
доведена до необходимой
для реакции в специаль­
ном теплообменнике. В мо­
менты
пуска
реактора
сетка
разогревается до
температуры реакции гре­
ющим электрическим эле­
ментом 2.
Большинство химиче­
Продуктьт
ских реакции, осущест­
реакции
вленных в промышленно­
сти, протекают во времени,
поэтому в реакторе необ­
ходимо создать такие ус­
ловия, при которых реа­ Рис. 136. Схема аппарата для оки­
сления
аммиака
в
азотную
кислоту:
гирующие друг с другом
/
катали
затор
(платиновая
сетка);
газы находились бы в 2 пусковой греющий элемент; 3 —
смотровое окно
контакте с катализатором
в течение времени, близкого к необходимому. Наиболее просто это осуществить,
пропуская реагенты через слои зернистого катализатора.
Эффективность реактора с компактным слоем зерни­
стого катализатора в основном зависит от характера дви­
жения газа внутри слоя, а последний во многом опреде­
ляется размером зерен катализатора, их формой и уклад­
кой в слое.
В зернистом слое часть пространства занимают частицы
катализатора, а остальную — поры, образующие изви­
листые каналы. По этим каналам движется реакционный
газ.
Зернистый слои катализатора имеет низкое значение
эффективной теплопроводности. Это необходимо учиты­
вать, если катализатор засыпан в какую-то емкость, а тепло
подводится (или отводится) к слою катализатора через
стенки этой емкости. Из-за большого термического сопро­
тивления зернистого слоя температура у стенки /ст от­
личается от температуры в центре зернистого слоя /ц.
Чем толще зернистый слой, тем больше разница А/ =
= ЙЯ — У Это приводит к тому, что условия химиче­
ской реакции у стенки и в центре зернистого слоя ста­
новятся различными. С точки зрения увеличения выхода
целевого продукта это явление нежелательно. Чтобы не
превысить допустимых значений А/, приходится исполь­
зовать зернистые слои небольшой толщины, не выше
100 мм.
Среди реакторов этого типа наиболее просты по кон­
струкции контактные аппараты, выполненные в виде ме­
таллических емкостей. Для них характерно отсутствие
приспособлений для теплообмена, поэтому они исполь­
зуются в случае проведения процесса с малым тепловым
эффектом или когда процесс мало чувствителен к измене­
ниям температуры. Катализатор в них насыпается на ре­
шетку слоем необходимой высоты. На рис. 137 показан
реактор емкостного типа с зернистым слоем катализатора
на решетке, используемый в процессе дегидрирования
нормальных бутиленов в дивинилосновной мономер в про­
изводстве синтетических каучуков. В нижней цилиндри­
ческой части корпуса этого аппарата смонтирована метал­
лическая решетка. На решетку насыпан небольшой слой
насадочных колец 6, поверх которого засыпан катализа­
тор 4. Насадочные кольца необходимы в том случае, когда
диаметр отверстий в решетке больше, чем размеры части­
чек катализатора.
Реакционная смесь, состоящая из паров бутиленов
и водяного пара, пройдя смесительное устройство 1
и газораспределительное 3, поступает в слой катализатора
сверху вниз. Чтобы на выходе из слоя катализатора не
протекали побочные реакции, контактный газ резко охла­
ждают, впрыскивая в него водяной конденсат (контакт­
ным газом называют газовую смесь, прошедшую слой ката­
лизатора). Катализатор загружают через верхний люк 2,
а разгружают через боковой люк 5. Температуру
внутри слоя катализатора замеряют с помощью термо­
пары 7.
Процесс контактирования смеси в этом аппарате ведут
в течение 4 7 ч. За это время на поверхности катализа­
тора откладывается слой кокса, в результате чего выходы
дивинила падают. Для восстановления активности ката­
лизатора аппарат переключается на регенерацию: вместо
сырья сначала подают водяной пар для продувки всей
системы, а затем в аппарат поступает воздух, которым
выжигают кокс. Процесс регенерации длится около
30 мин.
з
Лары
дупшленоб
70ШШ
\швяттткяшл
ии ш ш ш ш ш ш ш ш ш тш отм ш
Г
пар
Конденсат
—
Контактный
юзШШЖ
Рис. 137. Реактор дегидрирования бутиленов'
Если тепловой эффект реакции значителен, то исполь­
зуются более сложные по конструкции полочные реакторы,
о этих реакторах катализатор находится на нескольких
расположенных одна над другой полках. Слой катали­
затора на каждой полке выбирают так, чтобы реакционная
смесь в нем повышала (или понижала) свою температуру
не выше заданного предела. Перед входом в слой катали­
затора вышележащей полки реакционная смесь охла­
ждается до заданной температуры в теплообменнике.
Сказанное относится и к промежуточному нагреву газо­
вой смеси в случае необходимости в нем. В дальнейшем,
чтобы не повторяться, будет указан лишь один из видов
теплообмена — нагрев или охлаждение. В зависимости
от расположения теплообменного устройства полочные
реакторы могут быть:
а) с внутренними теплообменниками;
б) с выносными теплообменниками.
Рис. 138. Схема полочного реак
тора с внутренними теплообмен
никами:
катализатор;
2
ники
теплообмен-
Рис. 139. Схема полочного ре
актора с выносными теплообмен
никами:
катализатор;
2
ники
теплообмен-
В первом случае (рис. 138) реакционная смесь после
выхода из слоя зернистого катализатора 1 сразу попадает
в трубное пространство теплообменника 2, где хладагент,
пропускаемый по межтрубному пространству, отни­
мает у нее излишнее тепло. Во втором случае (рис. 139)
между полками устанавливаются глухие перегородки.
Реакционная смесь, чтобы попасть на вышележащую
полку, должна пройти по трубам теплообменника 2,
где она охлаждается до требуемой температуры.
Решетки контактных аппаратов выполняют из перфорированных металлических листов или сваривают из
полос. Реже решетка имеет устройство, аналогичное рек­
тификационным тарелкам, с колпачками для прохода
газа. Если диаметр корпуса аппарата сравнительно велик
(больше 2 м.) или если у аппарата отсутствует съемная
крышка, то решетку выполняют сборной из отдельных
секторов.
Рис. 140. Колосниковая решетка
На рис. 140 показана конструкция решетки, выполнен­
ной из полосок. Полоски 4, установленные на ребро, сва­
риваются в отдельную секцию решетки с помощью пла­
нок 5. Готовые секции укладываются на опорное кольцо /
и поперечную балку 2. Поперечная балка прибалчивается
к опорному столику 3, который так же, как и опорное
кольцо, приварен к корпусу аппарата.
Если процесс не допускает большого перепада темпе­
ратур, то приходится на каждой полке насыпать низкие
слои катализатора. Это приводит к увеличению числа по­
лок в аппарате и соответственно к удорожанию аппарата.
Низкие слои катализатора, кроме того, неравномерно
пропускают газ по поперечному сечению. Здесь всегда воз­
можны проскоки газа в местах с наименьшим гидравли­
ческим сопротивлением, что приводит к резкому ухудше­
нию показателей процесса.
Емкостные полочные реакторы используются для про­
ведения адиабатических процессов, т. е. процессов, иду­
щих в момент реакции без притока или отдачи тепла.
Такие реакторы называют адиабатическими.
Преимущества полочных реакторов — простота кон­
струкции, малое гидравлическое сопротивление слоя ката­
лизатора, удобство загрузки и разгрузки катализатора,
возможность промежуточного охлаждения реакционной
смеси в высокоэффективных теплообменниках! Однако
в этом реакторе при низких слоях катализатора трудно
добиться равномерного распределения газа по сечению
аппарата.
В случаях большого теплового эффекта рациональнее
использовать контактные аппараты с теплоотводом из
зоны реакции — трубчатые и пластинчатые.
Трубчатые реакторы представляют собой теплообмен­
ники, в трубках которых находится катализатор. Трубки
могут обогреваться (или охлаждаться) газом, высококипящими органическими теплоносителями (дифинил, дифинилоксид и др.), расплавленными металлами (свинец,
ртуть, различные сплавы) и солями.
Конструктивные особенности трубчатых реакторов за­
висят от способа отвода (или подвода) тепла из зоны реак­
ции.
На рис. 141 дана схема трубчатого реактора с отводом
тепла расплавом солей. Катализатор засыпают в трубки 1.
Чтобы он не высыпался на них, в нижнюю часть трубок
вставляют пружины 2, нижние витки которых плотно
прижимаются к стенкам трубок (рис. 142). Реакционная
смесь проходит по трубкам сверху вниз. Тепло реакции
отводится расплавом солей, прокачиваемым по межтрубному пространству реактора. Расплав солей охлаждается
до требуемой температуры в специальном теплообменнике.
Расплав солей поступает в межтрубное пространство реак­
тора через штуцер 9, а выводится через штуцер 6.
Ввиду того что температура стенок корпуса аппарата
значительно отличается от температуры трубчатки, кор­
пус имеет линзовый компенсатор 2. Линзовый компен­
сатор позволяет гасить напряжения в корпусе и в местах
развальцовки труб, возникающие из-за того, что труб-
чатка, как более нагретая, удлиняется на большую вели­
чину, чем корпус аппарата. В моменты ремонта реактора,
его
чистки
Ц.
ЙШ П
Й И расплав солей
Ш спускается через штуцер 8
Температурный режим в реакторе фиксируется с помощью
термопар заключенных в гильзы 5, Парогазовая смесь,
пп.ро- газовая
поступающая
аппаГ смесь
рат, равномерно рас­
пределяется по его сече­
нию с помощью газорас­
пределительного
ройства 4.
В некоторых случаях
в межтрубном прост­
ранстве находится ки­
пящая
жидкость
(вода,
тело
органические теплоно-
Теплоноситель
Продукту/
реакции
Рис. 141. Трубчатый реактор с отводом
тепла расплавом солей:
/ — трубки; 2 —• компенсатор; 3 — штуцер
для ввода водяного пара или азота; 4 — г а ­
зовый распределитель; 5 — гильзы термо­
пар; 6 — штуцер для выхода расплава
солей; 7 — трубные решетки; 8 — штуцер
для слива расплава солей; 9 — штуцер для
входа расплава солей
Рис. 142. Схема закреплеиия катализатора в труб*
ках пружинами
сители). Трубки в этом случае находятся в кипящей
бане. Пары кипящей жидкости, уносимые из реактора»
конденсируются в отдельном аппарате, а затем направ­
ляются обратно в межтрубное пространство. Темпера­
туру в кипящей бане регулируют, изменяя давление
инертного газа над уровнем кипящего теплоносителя,
п ри данном давлении жидкость кипит всегда при одной
и той же температуре, а заданный температурный режим
в трубках поддерживается путем большего или меньшего
испарения теплоносителя в бане. Излишек тепла в реак­
ционной смеси идет на испарение соответствующего количества теплоносителя.
На рис. 143 дана конструкция трубчатого реактора
с обогревом дымовыми газами, используемого для дегидПары зтилбензола
>ОПЛиб^ый
газ
ооооооа
Контактный
га з
Рис. 143. Трубчатый реактор с обогревом дымовыми газами
рирования зтилбензола. В этом реакторе катализатор
также находится в трубках 1. Трубки обогреваются дымо­
выми газами, образующимися при сжигании топлива
опливныи газ, подлежащий сжиганию, впрыскивается
с помощью форсунки 2 в топочное пространство 4- пред­
варительно он смешивается с воздухом в смесительном
устройстве 3. Образующиеся дымовые газы поступают
в межтрубное пространство аппарата, корпус которого
выложен из огнеупорного кирпича. Д ля улучшения усло­
вии теплообмена дымовые газы с помощью перегородок
«з
заставляют омывать трубки поперечным потоком. Трубки
и трубные решетки изготовляют из жаропрочного металла,
так как они работают при температурах около 600° С.
Более экономичны трубчатые реакторы с внутренним
теплообменом, в которых в качестве хладагента исполь­
зуется подаваемое на реакцию сырье. На рис. 144, а и б
даны основные схемы внутренних потоков в таких реак­
торах. В первом случае (см.рис. 144, а) сырье движется
Продукты реакции
при прямотоке
Продукты
реакции
Сырье
Рис. 144. Схемы трубчатых реакторов с внут­
ренним теплообменом:
!
н и ж н я я кры ш ка;
2 — ве р х н я я
кры ш ка;
3 — верх н яя т р у б н а я решетка; 4 — трубки для
катализатора; 5 — кож ух; 6 — н и ж н яя трубная
решетка
в межтрубном пространстве противотоком основному
движению реакционной смеси (сырью) по трубкам, а во
втором случае возможны два направления потоков —
прямотоком (как показано на рис. 144, б) или противо­
током. Сырье, отбирая излишек тепла у трубок, само
нагревается до температуры реакции.
В пластинчатых реакторах катализатор находится
между плоскими металлическими пластинками. Эти реак­
торы в промышленности применяют редко.
Разновидностью пластинчатых реакторов являются
ретортные аппараты, в которых катализатор засыпается
в плоские коробки (реторты). Реторты обогреваются
в основном дымовыми газами.
§ 38. Реакторы с компактным движущимся слоем
шарикового катализатора
V —»•** ?*** *-
«м
>*
А
■
.V -
! / У *1 Г
*
I
№ уй к
м . | |
5
-
В
ИЁ!
тй *
Щ
Если при проведении процесса активность катализа­
тора быстро падает из-за отложения на его поверхности
углерода, то используются реакторы с движущимся слоем
зернистого катализатора. В реакторах этого типа приме­
няется катализатор в виде шариков диаметром от 3 до
5 мм, которые под действием собственной силы тяжести
(веса) перемещаются компактным слоем по реакционному
объему аппарата сверху вниз.
Принцип работы установок с движущимся компактным
слоем катализатора ясен из схемы на рис. 145. Катали­
затор из верхнего бункера 1 непрерывно вводится в реак­
тор 2, где он опускается сплошным слоем. Сырье подается
в реактор снизу, а продукты реакции отводятся сверху.
За время нахождения в реакторе катализатор успевает
науглеродиться, и его активность снижается. Д ля вос­
становления первоначальной активности катализатор с по­
мощью подъемника 4 направляется в регенератор 3.
В регенераторе катализатор также сплошным слоем дви­
жется вниз. Противотоком ему подается воздух, выжигаю­
щий кокс с поверхности катализатора. Регенерированный
катализатор отбирается из регенератора снизу и подъем­
ником 5 подается обратно в бункер 1. Замкнутый цикл
движения катализатора (бункер—реактор—регенератор—
бункер) многократно повторяется.
Необходимое для реакции тепло подводится в реактор
самим катализатором. Д ля этого его нагревают в регене­
раторе до температуры на несколько десятков градусов
выше необходимой для реакции. Заданная же темпера­
тура в регенераторе поддерживается за счет теплоты
сгорания углерода.
На рис. 145 дана схема параллельной установки реак­
тора и регенератора. Возможно и другое взаимное рас­
положение. Например, в промышленности синтетнче-
ского каучука эксплуатируются установки, в которых
принято вертикальное расположение аппаратов; регене­
ратор помещен над реактором. Благодаря такому распо­
ложению установка получается более компактной с одним
транспортером. Известны и установки, в которых реактор
регенератор и транспортер совмещены в одном аппарате!
Реактор в установках с движущимся слоем катали­
затора состоит из следующих основных частей:
Рис. 145. Схема установки с дви­
жущимся слоем зернистого ката­
лизатора:
/ — бункер; 2 — реактор; 3 — регене­
ратор; 4 и 5 — подъемники катализа­
тора; 1 — вход сырья; I I — выход
продуктов реакции; I I I — вход реге­
нерационных газов; I V — выход ре­
генерационных газов
Рис. 146. Реактор! с движущимся слоем катализатора
1) верхнего распределительного устройства;
2) реакционной секции;
’
3) устройства для ввода сырья;
4) нижнего распределительного устройства.
Верхнее распределительное устройство (рис. 146), пред­
назначенное для равномерного распределения катализа­
тора по всему сечению реактора, состоит из накопителя /
и трубчатого распределителя типа «паук* 2. Катализа­
тор через штуцер 3 поступает в полость накопителя,
откуда он равномерно рассыпается по всему сечению
аппарата с помощью труб распределителя.
Чтобы реакционные газы не проникли в накопитель,
а оттуда в регенератор, в нижнюю часть регенератора
подается инертный газ (азот), создающий там давление,
превышающее на 20—30 мм рт. ст. давление в ре­
акторе.
Реакционная секция — пустотелая часть аппарата,
где сверху вниз сплошным слоем движется катализатор,
а противоточно — реакционная смесь. Длина реакцион­
ной секции должна быть достаточной для того, чтобы
реакционные газы были в контакте с катализатором за­
данное время. Скорость опускания шариков катализа­
тора в реакционной секции колеблется от 0,004 до 0,008 м/ч.
Устройство для ввода сырья состоит из камеры 4 ,
ограниченной сверху днищем 5, а. снизу — плоской пере­
городкой 6. Через камеру проходят трубки 7, перепускаю­
щие катализатор из реакционной секции аппарата в ниж­
нее распределительное устройство. Газообразное или
парообразное сырье вводится в камеру через штуцер 8.
Из нее через ряд патрубков 9, прикрытых козырьками 10,
сырье поступает в реакционную секцию.
Нижнее распределительное устройство предназначено
для выравнивания потока катализатора по нижнему сече­
нию аппарата. Без этого устройства частицы катализатора
в нижней части аппарата двигались бы с различными ско­
ростями, т. е. различные зерна катализатора находи­
лись бы в реакторе разное время. Этого стараются избе­
жать из-за опасности ухудшения общих показателей про­
цесса. Наиболее часто нижнее распределительное устрой­
ство выполняется так, как показано на рис. 146. Ката­
лизатор по патрубкам 7 ссыпается во внутреннюю часть
конусов 11, откуда он попадает в нижний спускной шту­
цер 12.
I
. •’ ■":Д'
.
Большинство процессов, проводимых в реакторах с дви­
жущимся катализатором, протекают при высоких темпе­
ратурах (около 600° С). Эти температуры недопустимы
для корпуса реактора, так как он сваривается из сталь­
ных листов марки СтЗ. По этой причине реактор имеет
внутреннюю изоляцию из слоя шлаковаты 1 (рис. 147)
и слоя жароупорного легковесного кирпича 2. Чтобы
зерна катализатора не истирались при трении о кирпич,
внутренняя часть изоляции облицовывается листами 3
из жаропрочной стали марки 12Х18Н10Т. Листы крепятся
к корпусу реактора с помощью болтов 4 и специальных
клиновых зажимов 5. Внутренняя изоляция обеспечи-
вает сравнительно невысокую температуру (100° С) стенки
корпуса реактора.
Снаружи корпус реактора тоже изолируют слоем шла­
коваты 6. Наружная изоляция уменьшает потери тепла
реактором^ в окружающую среду и предохраняет обслу­
живающий персонал от ожогов. Шлаковатные маты кре­
пятся к металлической сетке 7, прикрепленной к корпусу
аппарата. Снаружи маты обкладывают металлической
сеткой 8. Наружная изоляция заключена в оболочку из
дюралюминиевых листов 9. Чтобы маты не сползали
вниз, по всей высоте корпуса реактора приваривают
опорные разгрузочные кольца 10.
Рис. 147. Узел крепления внутренней и внешней изоляции
Регенератор по конструкции мало отличается от реак­
тора.
Транспортирование катализатора из реактора в реге­
нератор, а при параллельной их установке, кроме того,
и из регенератора в реактор производится следующими
способами:
1) механическим;
2) пневматическим в разреженном слое;
3) пневматическим в сплошном слое.
При механическом способе транспортирования ката­
лизатор перемещается с помощью ковшового элеватора
или скиповым подъемником. В ковшовом элеваторе зерна
катализатора дробятся и истираются ковшом, поэтому
чаще^ применяют скиповый подъемник. Он представляет
собой металлическую емкость, которая с помощью тросов
перемещается в направляющих вертикального стояка.
В нижней части подъемника емкость заполняется ката­
лизатором, поступающим из реактора через промежуточ-
пл^1,буНКер* После зап°лнения катализатором емкость
поднимают, и катализатор ссыпается в верхний бункер
питающии регенератор. При таком способе транспорт?-’
рования катализатор почти не истирается
типпВ°яЛнЬнШ
а°Й недоста™к механического способа транспор­
та™
СИЛ^НЫИ ИЗН0С деталей подъемников из-за
гт
работают при высоких температурах
При пневматическом способе транспортирования в разреженном слое зерна катализатора захватываются потоп п Р К Г я1 , Г ЖуЩИМСЯ П0 трубопроводу СО скоростью,
катяпичятпп п СК0р0сть витания частиц. Поднятый наверх
катализатор отделяется в сепараторе от газа и поступает
в регенератор. Транспортирующий
газ (горячий воздух, дымовые газы)
циркулирует в системе пневмотранс­
порта с помощью специальной газодувки. Катализатор подеется в пнев­
молинию с помощью дозаторов.
На рис. 148 дана схема такого
дозатора. Катализатор через штуцер
1 поступает во внутреннюю камеру
дозатора 2, имеющую перфорирован­
ное дно 3. Первичный транспорти­
рующий газ подается через штуцер
4 в камеру дозатора, подхватывает
Рис. 148. Схема доза­
там
зерна
катализатора
и
поступает
тора катализатора
в пневмоствол 5. Д ля увеличения
подвижности
зерен
в слой
о а-тгкгч о Ж Ш
л
---г
хх катали™ 1?Р
-рез Решетку 3 вдувается вторичный транспоррующии газ, который подается в нижнюю камеру 6
ерез штуцер 7. Количество катализатора, поступающего
в пневмоствол, регулируется изменением подачи транспортирующего газа через штуцера 4 и 7.
Верхнюю часть пневмоствола делают большего диаА • что
--- ^позволяет
VI ^ПГЮ
П1Г скорость движения катаметра,
снизить
лизатора перед поступлением
Щ
сепаратор. Это
димо для уменьшения износа катализатора от ударов
его о стенки сепаратора.
Р
УД<фов
На современных установках катализатор поднимается
с помощью пневмотранспортера на высоту до 100 м йри
производительности от 30 до 400 т/ч катализатора. Д иа­
метр пневмоствола колеблется от 200 до 500 мм. Скорость
газового потока в пневмостволе 7— 10 м/с. Иногда уста­
навливают несколько параллельных пневмостволов.
202
Один из главных недостатков этого способа транспор­
тирования — значительный износ катализатора.
Способ пневмоподъема катализатора в плотном слое
снижает истирание катализатора, установка при этом
получается более компактной. При этом способе (иногда
его называют гиперфлоу) каж дая частица катализатора
производит давление на другие окружающие ее частицы.
Необходимое для подъема давление на частицы катали­
затора создается сравнительно небольшим количеством
транспортирующего газа, нагнетаемого вентилятором вы­
сокого давления. Скорость потока частиц катализатора
в стояке составляет 1,5—3 м/с.
Подача катализатора в пневмостояк при плотном спо­
собе транспортирования дозируется секторными питате­
лями с приводом от электродвигателя. В некоторых уста­
новках пневмостояк в этом случае используется как реге­
нератор. З а время подъема в стояке катализатор успевает
полностью регенерироваться. Установка этого типа отли­
чается большой компактностью и требует малых капи­
тальных затрат.
§ 39. Реакторы с псевдоожиженным слоем зернистого
или пылевидного катализатора
В последние годы широкое распространение получили
аппараты, в которых зернистый катализатор переводится
контактирующим газом в состояние псевдоожижения
(«кипения»). Псевдоожиженный («кипящий») слой ката­
лизатора имеет некоторые свойства, аналогичные свойствам
кипящей жидкости: текучесть, «вязкость», способность
принимать форму вмещающего его сосуда, всплески на
поверхности, проскоки пузырей.
Сущность процесса псевдоожижения зернистого мате­
риала состоит в следующем. Если через слой материала,
лежащего на решетке, продувать газ, то до некоторой ско­
рости газа частицы слоя остаются неподвижными
(рис. 149, а). Происходит обычный процесс фильтрации
газа через поры слоя. Начиная же с некоторой крити­
ческой скорости газового потока адкр, частицы начинают
перемещаться. Слой разбухает, начинается псевдоожи­
жение материала (рис. 149, б). Скорость о>кр называют
скоростью псевдоожижения. Если в состоянии фильтра­
ции перепад давления на слое увеличивается с ростом
скорости газового потока, то в состоянии псевдоожижения
перепад давления остается постоянным. Если увеличить
еще больше скорость газа, то может наступить момент,
когда частицы материала будут уноситься вместе с газо­
вым потоком (рис. 149, в).
В реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора
рабочие скорости газовых потоков составляют (2н - 10) ю. .
Д ля псевдоожиженного слоя используются зернистый
(размер частиц от 4 до 0,1 мм) и пылевидный (размер
частиц менее 0,1 до 0,01 мм) катализаторы.
Благодаря интенсивному хаотическому движению ча­
стиц катализатора в слое реакторы с псевдоожиженным
слоем имеют ряд преимуществ: возможность непрерыв-
I
О. О О. О.
°
6 *
■О
>О^с
°
0*0 ^оО
ТО
л00ооооо
ОООООООООООООм
*
*о%оо ^ 0о
&ООЛ
о)
6)
иСЮОО 00 ООо ооО ОЛ
I
О*- О 0 * 0 о >
О * О
Д
*Л Ч г.
I,44
4. 111-АП
11 1
II
А1 V I 41
а
о СГСГЛ
* 4?
ИМ
$
Р ис . 149. Различные состояния слоя сыпучего
материала:
а
неподвижный слой; б — псевдоожиженный («ки­
пя щий») слой; в — унос частиц
ного отвода катализатора практически из любой точки
его слоя, высокая теплопроводность вследствие переноса
тепла самими частицами и малое гидравлическое сопро­
тивление.
Недостатки псевдоожиженного слоя: быстрое истира­
ние частиц в слое; более низкая интенсивность процесса
в сравнении с неподвижным слоем вследствие того, что
продукты реакции смешиваются с поступающим сырьем;
неравномерность газового потока по поперечному сечению
слоя; большой унос катализатора газом.
Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора
представляют собой цилиндрические сосуды с газорас­
пределительной решеткой внизу.
На рис. 150 дана схема одного из реакторов этого типа.
В нижней части цилиндрического корпуса 1 закреплена
газораспределительная решетка 3, поверх которой нахо­
дится псевдоожиженный слой катализатора. Необхо-
димый для псевдоожижения катализатора газ (в данном
случае сырье) подается под газораспределительную ре­
шетку через штуцер 4. Вместе с этим газом в реактор
•• о вводится свежий катализатор. Точно такое ж е
•
■
]
ш
количество катализатора выводится из реактора через
штуцер 5 на регенерацию. В отпарной секции 2 реактора
(в начальной части конического днища) отходящий на
регенерацию катализатор отпаривается от исходных и
конечных продуктов. С этой
Неакционыи
целью сюда подают острый пар.
газ
В основание днищ а подается
азот, создающий газовый затвор, препятствующий
новению в I регенератор реакционных газов и сырья. Реакционные газы, выйдя из псевдоожиженного слоя катали за­
тора, проходят циклонный сеператор 6, где освобождаются
от унесенной из слоя пыли
катализатора, Эта пыль по
спускной трубе возвращается
обратно в псевдоожиженный
Водяной
слой.
пар
Из рассмотренной
схемы
—— Азот
ясно, что реактор с псевдоожиженным («кипящим») сло­ / Сырье с
ОтриОотабшии
катализатор на
катализа
ем имеет следующие
зоны:
регенерацию
торам
зону ввода и распределения
Рис. 150. Схема реактора с
сы рья,
реакционную
зону,
(«кипя­
отстойную зону, зону циклон­ псевдоожиженным
щим») слоем ■пылевидного
ных устройств (или фильтров)
катализатора
и отпарную зону.
Распределительное
устройство
чаще
всего
< ------------------■-----—— представ­
ляет собой решетку с равномерно распределенными отвер­
стиями диаметром 35— 50 мм. Общая площадь отверстий
составляет 2 5% всей площади решетки. Толщина ре­
шетки 20 40 мм. Обычно решетку изготовляю т из леги­
рованной стали, так к а к она лучш е противостоит эрозии
(т. е. истиранию частицами катализатора).
В реакционной зоне реактора обычно нет каких-либо
специальных устройств. Ч ащ е всего здесь устанавли ­
ваются трубчатые или змеевиковые теплообменники для
отвода тепла реакции.
Отстойная зона (от поверхности псевдоожиженного
слоя до входных штуцеров циклонов) служит для осамелочи> вынесенной из псевдоожиженного слоя.
Обычно высота ее равна 4—5 м.
Циклонная зона служит для очистки реакционных газов
от катализаторнои пыли. В зависимости от размера частиц
устанавливают одно- или двухступенчатые циклоны. Отсепарированная мелочь отводится из циклонов по отдель­
ным стоякам. На нижней части стояков имеются клапанызахлопки, которые открываются под давлением опреде­
ленной силы тяжести (веса) катализатора в стояке и
препятствуют прорыву сырья по стояку в циклон.
В тех случаях, когда необходимо полностью уловить
катализатор, вместо циклонов применяют фильтры из
стеклоткани, пористой керамики и металлокерамики.
Шычно фильтры разбивают на несколько секций, перио­
дически продуваемых обратным током газа.
01п п Р0ТИВЛеНИе ФИЛЬТР0В из стеклоткани велико (1400—
2100 мм вод. ст.), поэтому их устанавливают лишь в осо­
бых случаях.
Отпарная зона служит для удаления из катализатора
продуктов реакции или сырья. Ее выполняют внутри
аппарата путем установки кольцевой или другой формы
перегородки, через которую перетекает катализатор.
Иногда отпарную секцию располагают внизу аппарата,
где устанавливают для этой цели каскадные тарелки.
п р и перетоке катализатора с тарелки на тарелку он от­
паривается острым паром.
Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора,
работающие до температуры 400° С, выполняются обычно
из стали марки СтЗ с наружной теплоизоляцией. При
оолее высоких температурах корпус защищают изнутри
слоем теплоизоляционной футеровки так же, как и реак­
торы с компактным движущимся слоем. В зависимости от
мощности производства реакторы бывают диаметром 2 5—
12 м и высотой 10— 16 м.
Ввод сырья, вывод продуктов реакции катализатора
производится по трубам большого диаметра (около 1 м).
Чтобы при нагревании эти трубы не передавали больших
нагрузок на корпус реактора, они соединены с ним через
линзовыи компенсатор.
Регенерацию катализатора ведут в аппаратах-регенераторах, которые по принципу действия и по конструкции мало отличаются от реакторов.
На рис. 151 показан регенератор, используемый в нефтеперерабатывающей
ц |^ ц |
щ Ц промышленности. Корпус 1 реактора
цилиндрический сосуд с днищем и крышкой
конической формы. Изнутри реактор снабжен футеровкои 2 и защитной облицовкой 3 из стальных листов
толщиной 6 мм. Внизу
смонтирована газораспределительная решетка 4,
под которой
к о т о р онаходится
й н ^ ^ Н короб 5 для распределения
воздуха, подаваемого че­
рез ввод / диаметром
800 мм совместно с ката­
лизатором.
В регенерационной ча­
сти аппарата, т. е. в зоне
псевдоожиженного слоя,
установлен змеевик 6 па­
роводяного охлаждения.
С помощью этого змеевика
можно отводить избыток
тепла, возникающий при
выжиге углерода с поверх­
ности частиц катализа­
тора. Змеевик выполнен
из труб диаметром 60 мм.
В верхней части реге­
нератора подвешены две­
надцать циклонов 7, соеди­
ненных попарно в шесть
групп. Под циклонами под­
вешены
конусообразные
бункера
я сбора уловленного катал й зато р Щ Из
__
них катализатор по стоя­
кам 8 опускается обратно
Рис.
151.
Регенератор
с
псевдов псевдоожиженный слой. ожнжеиным слоем пылевидного
Стояки прикрыты внизу
катализатора
клапанами-захлопками. Из
циклонов второй ступени дымовые газы собираются в
сборнике, отку
через два штуцера I I I диаметром
800 мм удаляются из регенератора.
д л я разогрева регенератора в пусковой период смон­
тированы форсунки 9, в которых сжигается топливо.
Чтобы катализатор не перегревался в верхней части
регенератора из-за догорания СО, внутрь регенератора
впрыскивают водяной конденсат через форсунки 10.
Отработавший катализатор удаляется через штуцер II.
Продукты
" реакции
I
Дымовые
газы
Рис. 152. Принципиальная схема
параллельного расположения реак­
тора и регенератора в установках
с псевдоожиженным слоем катали­
затора:
1 — циклон; 2 — реактор; 3 — отпаоная зона; 4 — перегородка; 5 — реге­
нератор; 6 — сток для спуска регене­
рированного катализатора
Рис. 153. Принципиальная схема
вертикального расположения реак­
тора и регенератора в установках с
псевдоожиженным слоем катализа­
тора:
^ Т и ? е^ КТ° Р; 2 Т РегенеРатор; 3 — п и та­
тель, 4 — трубопроводы; 5 — бункеоЙ Ш Р » 6 ~ возДУходувка; 7 — р а с ­
пределительная решетка; 8 — ш туцер•
9 — циклон; 10—12 — штуцеры
В
данной
конструкции
регенератора
отпарная
п» 1гт/чЛЛ
..
1
--и
ш
и
и
п
а
л
Ш
шМа
ШШШгааэ г> лгргтаг». . . . . .ч _____
зона
“
енпап в 0ТДельныи аппарат. Дополнительное колиество воздуха вводится под решетку через штуцер IV.
. . . .
Й Я
имеет„опоРное кольцо, приваренное к нижней
цилиндрическои части корпуса.
Реактор и регенератор соединены с помощью трубо­
проводов в единую систему. Д ля транспортирования
катализатора из одного аппарата в другой используются
пары сырья, дымовые газы или воздух. Возможны два
случая взаимного расположения реактора и регенератора:
параллельное (рис. 152) и вертикальное (рис. 153).
При вертикальном размещении возможны два случая:
а) реактор расположен выше регенератора;
б) реактор расположен ниже регенератора (система
ортофлоу).
(
Для увеличения выходов целевых продуктов аппараты
с псевдоожиженным слоем секционируют. Д ля этой цели
в аппарате монтируют несколько газораспределительных
решеток. Над каждой решеткой имеется отдельный псевдоожнженный («кипящий») слой. Реакционные газы про­
ходят последовательно через все слои, а катализатор пере­
текает с тарелки на тарелку по специальным переточным
трубам. Аппараты такого типа более эффективны, но кон­
структивно очень сложны.
§ 40. Реакторы, работающие под высоким давлением
В химической и нефтехимической промышленности
высокими давлениями принято считать давления выше
10 МН/м2, а сверхвысокими — выше 150 МН/м2.
При высоких давлениях многие химические процессы
протекают значительно быстрее и эффективнее, что яв­
ляется одной из главных причин использования высоких
давлений в промышленности. Целесообразно использовать
высокие давления и в том случае, когда процесс протекает
при температурах, значительно более высоких, чем тем­
пература кипения исходных продуктов. Это условие воз­
никает, например, при разделении газов в сжиженном
состоянии.
К наиболее ярким примерам использования высоких
давлении в промышленности можно отнести многотоннаж­
ные производства синтеза аммиака из азота и водорода,
проводимого при давлении около 35 МН/м8, метанола
из окиси углерода и водорода (30 МН/м2), мочевины
(20 МН/м2), полиэтилена высокого давления (150 МН/м2).
'Влияние давления на выходы целевого продукта можно
проиллюстрировать на примере синтеза аммиака, осуще­
ствляемого по уравнению
З Н 2 + Ы2 = 2ЫН3.
При 500° С равновесная концентрация аммиака в га­
зовой смеси при 1 МН/м2 составляет 1,2% , при давлении
10 МН/м2 — 10,6%, а при 100 МН/м2 — 57,5%. Из этого
примера видно, что экономически целесообразно вести
процесс синтеза при более высоких давлениях.
Реакторы высокого давления не относятся к какой-то
новой группе реакционных аппаратов. В принципе они
могут попасть в любую из трех рассмотренных выше
групп реакционных аппаратов, хотя чаще всего они выпол­
няются с неподвижным слоем зернистого катализатора.
Однако наличие высокого давления накладывает специ­
фические условия на конструктивное оформление реак­
торов. По этой причине рассмотрение конструкций реак­
торов высокого давления выделено в самостоятельный
параграф.
.
/
"
Реакторы, работающие под высоким внутренним дав­
лением реакционно^ среды, в промышленности часто
называют колоннами высокого давления.
Колонны высокого давления предназначены для веде­
ния непрерывных технологических процессов. Они широко
применяются в промышленности синтетического аммиака,
мочевины, органического синтеза.
Колонны высокого давления стремятся делать мини­
мального диаметра, предпочитая для сохранения необ­
ходимого реакционного объема увеличивать их длину.
С увеличением диаметра колонны пропорционально растет
толщина ее стенки и периметр уплотнения, а следова­
тельно, увеличивается стоимость и металлоемкость всей
колонны. Колонны высокого давления изготовляют по­
этому с отношением диаметра к высоте 1 : 10, 1 : 15.
Колонны высокого давления условно делят на «холод­
ные» и «горячие». К «холодным» колоннам относят аппа­
раты, в которых температура стенки не превышает 150° С,
а к «горячим» — с температурой стенки более 150 и до
300; Щ
Колонна высокого давления состоит из следующих
основных частей (рис. 154): корпуса 1, крышки 2,
днища 3, технологического устройства (насадки) 4 и
затвора 5.
Корпусы колонн высокого давления можно изготов­
лять литьем, ковкой, сваркой, насадкой цилиндров и
оплеткой.
Литые колонны имеют низкую прочность, и в настоя­
щее время их почти не изготовляют.
Кованые корпуса изготовляют из цельной стальной
отливки (массой 100—350 т). Материал из центральной
.
части отливки удаляется прошивкой трубчатым дорном.
Дальнейшая ковка производится на оправке на мощных
прессах и кузнечных молотах. Кованые корпуса могут
быть изготовлены без разъемов или со съемной крышкой.
Присоединительные фланцы толстостенных колонн отли­
ваются вместе с корпусом. К корпусам средней толщины
фланцы могут быть приварены. Окончательная обработка
корпусов производится обтачиванием
на крупных токарных станках.
Сравнительно новый способ изго­
товления корпусов колонн высокого
давления — сварка их изотдельных
кованых обечаек или предварительно
выгнутых штамповкой листов. При
этом применяют автоматическую ду­
говую или электрошлаковую сварку.
Отечественная аппаратура позволяет
изготовлять сварные корпуса с тол­
щиной стенок до 400 мм. К цилинд­
рической части сварных корпусов
приваривают днища и фланцы, после
чего корпуса поступают на термообработку для снятия напряже­
ний, вызванных сваркой, и полу­
чения необходимых механических
свойств.
В настоящее время получил распространение способ изготовления
многослойных корпусов путем наРис. 154. Схема ко­
садки обечайки на обечайку. При лонны высокого дав­
этом способе первоначально изго­
ления
товляется цельнотянутая централь­
ная труба. На эту трубу наде­
вается с большим натягом, с помощью гидравлических домкратов, свальцованная или выгнутая на прес­
сах обечайка. Затем продольный
продольныи шов обечайки сва­
ривают. Таким
1 аким же способом
спосооом надевают последовательно
несколько обечаек одна на другую. Разогретые при сварке
участки, остывая, создают большой натяг при посадке
свариваемой обечайки на предыдущую и хороший контакт
между отдельными слоями корпуса. Торцы царг, полу­
ченных таким образом, сваривают между собой на авто­
матических сварочных машинах. Фланцы и днища тоже
привариваются к корпусу.
Толщина обечаек, насаживаемых на центральную
трубу, 6—8 мм.
Многослойные корпуса применяют при нагреве стенок
до температуры не выше 300° С.
Оплеточные корпуса изготовляют следующим спосо­
бом. На центральную трубу в несколько слоев наматывают
стальную ленту специального профиля. Предварительно
на центральной трубе делается проточка по винтовой
линии под профиль оплеточной ленты. При навивке
выступы каждого нового слоя входят во впадины преды­
дущего слоя. Благодаря этому лента может передавать
осевые силы.
I
»
Наматывают ленту на токарных станках большого
размера. Сматываемую с рулона ленту разогревают, про­
пуская через нее электрический ток, до 700^800° С и
в горячем виде наматывают на аппарат. Нацело и конец
каждого слоя закрепляют приваркой. При остывании
лента сжимает центральную трубу, что создает более
благоприятные условия работы аппарата под внутренним
давлением.
Фланцы к оплеточному корпусу приваривают или
навертывают с горячей посадкой. В последнем случае
на конце корпуса нарезают резьбу.
В многослойных и оплеточных колоннах внутренние
слои корпуса после изготовления сжаты. Сжимающие
напряжения во внутренних слоях частично гасят растя­
гивающие напряжения, возникающие при создании давле­
ния внутри колонны. Благодаря этому расчетная тол­
щина стенки многослойного и оплеточного корпуса меньше,
чем у кованого или литого. Это позволяет снизить массу
колонны.
При работе с коррозионными средами лишь централь­
ную трубу изготовляют из легированной стали, а про­
фильную ленту делают из углеродистой стали.
Недостаток оплеточных колонн — их большая чув­
ствительность к температурным напряжениям. По этой
причине при высоких температурах внутри колонны
оплеточные корпуса не используются.
Д ля изготовления корпусов «холодных» колонн высо­
кого давления применяют сталь марок 35, 20 и 22К.
Корпуса «горячих» колонн делают из легированных
сталей марок ЗОХМА, 20ХМА, 25ХЗНМ.
Экономический расчет различных способов изготовле­
ния корпусов колонн высокого давления показывает,
что корпуса емкостью более 3 м3 на давления до 70 МН/м2
целесообразно изготовлять сваркой из отдельных кованых
или сварных обечаек.
Затворы и уплотнения колонн. Корпуса колонн высо­
кого давления закрывают с торцов массивными коваными
или литыми крышками. Уплотнения крышек и штуцеров
колонн высокого давления являются весьма ответственными узлами. Они должны обеспечить безусловную
надежность в работе и герметичность в условиях больших:
давлении и значительных ко­
лебаний температуры. Кроме
того, затворы должны быть
просты в изготовлении и
удобны для сборки и раз­
борки.
По источнику силы затя­
гивания затворы классифици­
руют на:
1) затворы с принуди­
тельным уплотнением посред­
ством силы,
развиваемой
болтами;
2) затворы с самоуплотнением, в которых уплотне­
ние происходит под влиянием
сил, возникающих в резуль­
тате давления среды на
крышку.
Наиболее простым по кон­
струкции затвором с прину­ Рис. 155. Затвор с плоской
металлической прокладкой
дительным уплотнением яв­
ляется затвор с плоской металлическои прокладкой (рис. 155). Прокладку делают из
мягких металлов: меди, алюминия, мягкой стали. Затворы
подобной конструкции используют лишь для колонн
диаметром не более 600 мм. В колоннах большего диа­
метра площадь прокладки становится очень велика,
и это приводит к необходимости использовать слишком
крупные шпильки, а отсюда появляется необходимость
утяжелять фланец и, кроме того, приходится усложнять
сборку и разборку соединения. После каждого разъема
плоскую прокладку приходится заменять.
В муфтовом затворе, показанном на рис. 156, основная
сила от давления среды на крышку воспринимается муф­
О
той, навернутой на корпус. Смятие точеной прокладки
трапециевидного сечения производится специальными вин­
тами, ввернутыми в крышку, через прижимное кольцо.
Благодаря такому разделению функций стало возможным
использовать шпильки малого размера. Верхняя часть
муфты профрезерована (см. рис. 156). Точно такие же
канавки профрезерованы и ■в крышке. В результате
этого образуется байонетный (штыковой) затвор, позво­
ляющий быстро отсоединять крышку. Для этого надо
повернуть крышку на 30°. Положение муфты и крышки
фиксируется с помощью сухарей, привинченных-к муфте.
Затвор подобной конструкции применяют для давлений
до 85 МН/м2.. Он удобен в обслуживании. Прокладка
этого затвора выдерживает одну-две разборки.
На рис. 157 показан затвор, разработанный в ГИАПе
(Государственный институт азотной промышленности) и
широко используемый в промышленности. В этой кон­
струкции основная сила от давления среды на крышку
воспринимается короткими шпильками, а смятие про­
кладки производится специальными винтами через на­
жимное кольцо. Затвор применяется для давлений до
35 МН/м2 при диаметре колонн до 800 мм.
В самоуплотняющихся затворах для смятия прокладки
используют давление среды на крышку.
Широкое распространение получила конструкция само­
уплотняющегося затвора с двухконусным уплотнением
(рис. 158, а). Основным элементом этого затвора служит
кольцо с коническими срезами на его наружной поверх­
ности. Кольцо прикрепляется к крышке с помощью
планки. Уплотняющим материалом этого затвора служат
прокладки из алюминия или меди толщиной 1— 1,5 мм,
закрепляемые на боковых срезах кольца. Кольцо вместе
с прокладками зажимается между крышкой и корпусом.
Вначале прокладка сжимается основными крепежными
шпильками. В дальнейшем по мере повышения давления
среды в колонне кольцо начинает еще больше заклини­
ваться между крышкой и корпусом, производя оконча­
тельное сжатие прокладок. Кольцо заклинивается вслед­
ствие давления среды на его внутреннюю поверхность.
Д ля этого в крышке фрезеруют десять вертикальных
канавок круглого сечения шириной 8 мм. Чтобы рабочая
среда могла проникнуть в эти канавки, в прижимной
планке тоже фрезеруют шесть канавок шириной 6 мм.
Затворы подобного типа используют в колоннах, нагру-
Рис. 156. Затвор муфтовый
с секционной резьбой:
/ — корпус колонны; 2 — о б ­
тю ратор (п рокладка); 3 — п р и ­
жимное кольцо; 4 — п р и ж и м ­
ной винт; 5 — кры ш ка; 6 —
муфта
Рис. 157. Затвор ГИАП с
прокладкой
трапециевид­
ного сечения
Рис. 158. Самоуплотняющиеся затворы:
а — с двухконусным уплотнением; б — со стальным кольцом
женных давлением до 34 МН/м2. Они мало чувствительны
к колебаниям температуры, сравнительно просты в экс­
плуатации и позволяют повторное использование про­
кладок.
I
Для больших давлений рекомендуется самоуплотняю­
щийся затвор со стальным упругим кольцом (рис. 158, б),
В этом затворе основным элементом является шлифован­
ное стальное кольцо клинообразной формы, которое
защемляется между крышкой и корпусом. Наружная
поверхность крышки, примыкающая к кольцу, шаровой
формы и тоже шлифуется. Чтобы упругое кольцо при
давлении среды на крышку не выскакивало, в выточку
корпуса колонны закладывается разрезное упорное кольцо.
Кольцо делается разрезным, чтобы, во-первых, его можно
было завести в выточку корпуса колонны и, вО-вторых,
при подтягивании его половинок с помощью четырех
болтов произвести предварительное сжатие упорного
кольца.
Крышка после установки упорного кольца подтяги­
вается с помощью шпилек, пропущенных через отверстия
опорной шайбы, для создания предварительного сжатия
упругого кольца. Окончательное сжатие кольца произ­
водится давлением среды на крышку, которая сжимает
упругое кольцо с тем большей силой, чем больше стано­
вится давление внутри колонны. Этот затвор надежно
работает при внутренних давлениях до 250 МН/м2, позво­
ляет быстро собирать и разбирать соединение, не требует
перешлифовки или замены упругого кольца, компактен.
Однако он требует высокой точности изготовления всех
•его элементов и аккуратного обращения со шлифованными
поверхностями.
Высокая герметичность соединения крышки с корпусом
колонны обеспечивается способом, разработанным Иркут­
ским филиалом НИИХИММАШа. Он заключается в том,
что изнутри к крышке и корпусу привариваются уплот­
нительные лепестки. Внутреннее давление на крышку
при этом способе воспринимается шпильками.
Крепежные детали. В качестве крепежных деталей
в колоннах высокого давления применяют только чистые
шпильки. Так как шпильки несут большую нагрузку,
то при их изготовлении стремятся разгрузить их от вся­
ких дополнительных силовых воздействий.
Конструкция крепежной шпильки аппарата высокого
давления показана на рис. 159. Цилиндрическая часть
шпильки, заключенная между резьбами, обтачивается д о
внутреннего диаметра резьбы, причем образование гал­
телей снижает концентрацию напряжении в шпильке
у концов нарезки. Конец шпильки, ввертываемый в кор­
пус, упирается в коническую поверхность отверстия под
шпильку в корпусе. Д лина ввертываемой части шпильки
(1,5 -т- 2) <2, где й — наружный диаметр резьбы шпильки.
Чтобы можно было подать консистентную смазку к наре­
занной части шпильки, в ней высверливают отверстия.
Рис. 159. Шпильки
аппарата высокого
давления
Рис.* 160. Присоединение
тройника к днищу аппарата высокого давления
Смазка позволяет уменьшить напряж ения кручения,,
возникающие в шпильке при ее затягивании.
Д л я разгрузки шпилек от изгиба опорные поверхности
гаек обрабатывают на сферу и опирают их на сферические
шайбы. Высота гаек берется не менее й. Ш пильки изго­
товляют из легированных сталей марок ЗОХМА, 35ХМФ,
а гайки — из углеродистых сталей марок 25 и 35.
Штуцера и электровводы. Чтобы не ослаблять корпус
колонны высокого давления, трубопроводы и контрольно­
измерительные приборы присоединяют к аппарату через
отверстия в крышке и днищах. Присоединение тройника
к днищу / аппарата высокого давления показано на
рис. 160. В этом соединении использовано линзовое уплот­
нение 2. Линза изготовлена из того же материала, что и
труба. Наружные шаровые поверхности линз шлифуют.
Благодаря внутренней проточке линза под действием
давления может самоуплотняться. В штуцерах аппаратов
высокого давления используют навинчивающиеся фланцы.
Технологические устройства колонн. К внутренним
технологическим устройствам колонн высокого давления
относят различные конструкции и детали, предназначен­
ные: 1) для организации направленного движения реаги­
рующих веществ; 2) для подвода (или отвода) тепла
к реагирующим веществам; 3) для поддержания слоя
катализатора.
В зависимости от характера процесса, протекающего
в колонне высокого давления, используют технологиче­
ские устройства самых разнообразных конструкций: от
простейшей колосниковой решетки, поддерживающей слой
катализатора, до сложных катализаторных коробок колонн
синтеза аммиака.
Если внутри колонны идет процесс с большим выде­
лением тепла, то применяют различные конструктивные
меры с целью ограждения корпуса от воздействия высо­
ких температур, значительно ослабляющих прочность
колонны. Наиболее часто это осуществляется за счет
направления поступающего на процесс холодного газа
(или жидкости) вдоль внутренних стенок корпуса колонны,
-этот способ охлаждения стенок корпуса широко используют в колоннах синтеза аммиака, мочевины.
На рис. 161 показана одна из многих конструкций
колонн синтеза аммиака. Работает эта колонна следующим
образом. Газовая смесь (азотно-водородная) входит внутрь
колонны через штуцер, расположенный в ее нижней
части, и движется снизу вверх по кольцевой щели между
корпусом и кожухом 3 катализаторной коробки. Стенки
кожуха нагреты до температуры около 500° С, поэтому
газ в кольцевой щели частично нагревается. Поток газа
в кольцевой щели является своеобразной тепловой защи­
той для стенок корпуса колонны; при нормальной работе
колонны температура стенок ее корпуса не поднимается
выше ш —70 С. Далее газ через ряд отверстий проникает
для подогрева в верхний коллектор теплообменника 2
откуда через трубки теплообменника поступает в катализаторную коробку. Здесь газ вначале проходит пусто­
телые теплообменные трубки 4, где нагревается до тем­
пературы реакции (490-530° С), отбирая тепло от засы­
панного между трубками катализатора 7. В периоды
218
пуска колонны газ нагревается на выходе из трубок 4
в -спиральном электроподогревателе 5. При установив­
шемся режиме работы колонны электроподогреватель
отключают, так как тепла реакции вполне хватает на необ­
ходимый нагрев исходной смеси (подобный режим назы­
вают
автотермическим).
дода<^~1
Ток к электроподогрева­
телю подводится по элек­
тровводу в боковой стенке
корпуса колонны. Для об­
служивания электроподо­
гревателя в нижней части
колонны имеется люк 6.
Из подогревателя исходная газовая смесь собирается
в
центральной
трубе и через отверстия в
I
распределительной решет­
ке поступает на слой ка­
тализатора 7. Контактные
газы, вышедшие из катализаторной коробки, по­
ступают на охлаждение
в межтрубное пространство
парогенератора 1. Здесь
газы
отдают большую
часть своего тепла, которое
идет на парообразование
воды, поступающей в па­
рогенератор. Затем газы
проходят в межтрубное
пространство теплообменника 2, где частично ох­
лаждаются, отдавая тепло
исходной смеси. Клапан 8
регул ирует
темпер атур у
поступающей в катализаторную коробку исходной
смеси. При его подъеме
контактные газы могут про­ Рис. 161. Колонна синтеза аммиа­
ка с электроподогревателем
ходить в верхнюю часть
колонны,
к
МИНУЯ межтрубное пространство теплообмен­
ника. Благодаря этому исходная смесь в теплообменнике 2
может нагреваться в меньшей или большей степени
Клапан связан со штоком, выведенным из колонны через
сальник. По выходе из межтрубного пространства тепло­
обменника газ попадает в верхнее пространство колонны
и выходит из нее через отверстие в крышке. Воду вводят
в парогенератор через центральную трубу, а образовав­
шийся пар отводят по боковой трубе. На 1 т образовав­
шегося в колонне аммиака в парогенераторе вырабаты­
вается 1— 1,5 т пара. Тепловой режим колонны регули­
руется с помощью клапана 8 и изменения количеств вво­
димого в нее холодного газа.
В стенках корпуса колонны высокого давления вслед­
ствие их неравномерного нагрева могут возникнуть и тем­
пературные напряжения. Когда температура внутри аппа­
рата выше наружной, внутренние более нагретые слои
металла испытывают воздействие сжимающих сил со
стороны более холодных наружных слоев. Поэтому на
внутренней стенке появляются сжимающие напряжения,
а на наружной стенке — растягивающие.
Если тепловой поток изнутри аппарата невелик и
разность температур между внутренней и наружной стен­
ками небольшая, то температурные напряжения облег­
чают работу аппарата, так как сжимающие температурные
напряжения на внутренней стенке суммируются с растя­
гивающими напряжениями, вызванными давлением, кото­
рые на внутренней стенке достигают наибольшего значе­
ния. В результате этого суммарное напряжение на вну­
тренней стороне стенки уменьшается.
Д ля снижения температурных напряжений, возник­
ших из-за неравномерного нагрева частей толстостенных
сосудов, корпуса колонн покрывают тепловой изоляцией
снаружи или изнутри. Изоляция снижает тепловой поток
через металлическую стенку, тем самым уменьшая пере­
пад температур по ее толщине.
Глава
XII.
РЕАКТОРЫ НЕКАТАЛИТИЧЕСКИХ
ГАЗОФАЗНЫХ ПРОЦЕССОВ
§ 41. Реакторы с газовыми горелками
Если химический процесс протекает без катализатора,
но при высоких температурах и с большим поглощением
тепла, то используют реакторы с газовыми горелками.
Необходимое для реакции тепло в таких реакторах выде­
ляется непосредственно в реакционной зоне в результате
окисления (сжигания) некоторой части исходного сырья
чистым кислородом или кислородом воздуха.
Реакторы с газовыми горелками используются в про­
мышленности для окислительного пиролиза (разложения)
метана с целью получения ацетиленосодержащих газов.
Процесс окисления метана до ацетилена протекает при
температуре около 1500° С.
Известно несколько конструкций реакторных устройств
окислительного пиролиза. Ниже описаны конструкции
и принцип действия реакторов, получивших наибольшее
распространение в промышленности или перспективных.
Реактор конструкции Саксе. Типичное реакторное
устройство для окислительного пиролиза метана конструк­
ции Саксе представлено на рис. 162. Оно состоит из камеры
смешения 3, имеющей в конце коническую форму, горелочной плиты 5, реакционной камеры 7 и закалочного
у стройства с форсунками 6.
Метан поступает в камеру смешения через боковой
ввод и дозирующую мембрану 2, а кислород — через
центральную трубу 1. Объемное отношение кислорода
к метану поддерживается в пределах 0,55—0,60. В камере
смешения газы, предварительно подогретые до 600° С,
перемешиваются и через распределительную решетку 4
поступают к горелочной плите 5. В ней исходная смесь
разбивается на большое количество мелких струек, го р я­
щих за плитой в реакционной камере 7 короткими ф а­
келами.
Горелочная плита 5 изготовляется из керамики тол­
щиной 500 мм с диаметром отверстий 8— 10 мм. Ско­
рость газа в каналах плиты принимается большей, чем
скорость распространения пламени, во избежание проI Кислород
У
Кислород
кты
реакции
Рис. 162. Реактор для получения ацетилена системы Саксе
скока пламени в камеру смешения, что приводит к взрыву
реактора. В реакторе Саксе скорость газа в отверстиях
плиты принята 18—36 м/с. Оптимальное время пребы­
вания образующегося ацетилена в зоне реакции при
температуре 1500° С составляет 0,03—0,01 с. Поэтому
О
сразу за зоной горения метана, на выходе из реакционной
камеры 7 производят впрыск воды с помощью нескольких
форсунок 6. Резкое охлаждение газа (в данном случае
до 80° С) путем впрыска в него воды в промышленности
называют закалкой. З а к а л к а предотвращает разлож ение
образующегося в результате пиролиза ацетилена. Охлаждеденные газы отводятся от реактора снизу.
Производительность
подобного реакторного устрой­
ства не превышает 2000 м3 ме­
тана в час.
Реактор
пиролиза
ме­
тана конструкции НИИХИММАШа. Реактор конструк­
ции НИИХИММАШа состоит
из следующих основных частей: инжектора-смесителя,
горелочного блока, р еак ц и ­
онной и закалочной камер.
Инжектор-смеситель пред­
назначен д л я составления исходнои метано-кислороднои
смеси, в которой отношение
кислорода к метану должно
быть
равным
0,63—0,65.
Состоит он (рис. 163) из инжекционной камеры 1 и сме­
сителя 2. Метан под д ав л е­
нием 1,7 М Н /м2 поступает
в инжекционную камеру че­
рез штуцер
18
.
Энергия
вытео
кающей из сопла струи мета­
на частично используется д л я
инжекции (подсоса) кислоро­
да через штуцер 17. Скорость Рис. 163. Реактор д л я получения
ацетилена
конструкции
истечения струи метана из
Н ИИХ ИМ М АШ а
сопла р авн а 300— 500 м/с.
Метан смешивается с кислородом в смесителе 2, пред­
ставляющем собой сопло Л а в а л я . Вследствие зн ач и тел ь­
ной турбулизации потока газа смешение это происходит
мгновенно. Скорость газовой смеси с смесителе в среднем
равна 70 м/с. К инетическая энергия газового потока
преобразуется в смесителе в статическую энергию аавления, обеспечивающую продавливание исходной смеси
через каналы горелочного блока. Струя метана, вытекаю­
щая из штуцера 18 под давлением 1,7 МН/м2, способна
сжать кислород в конце смесителя 2 до давления 0,15—
0,17 МН/м2.
12X I8 Н 1ОТ*? смеситель
изготовлен
из
стали
марки
Горелочный блок 4 предназначен для частичного сжи­
гания исходной метано-кислородной смеси с целью осуществления окислительного пиролиза метана на ацетилен.
Горелочный блок состоит из трех керамических элементов,
образующих концентрические каналы. Элементы вмонти­
рованы в металлическую трубу из стали марки 12Х18Н10Т.
В полости элементов через штуцер 3 вводится охлаждаю­
щая вода. Отводится вода из элементов через противопо­
ложный штуцер. В нижней части концентрических кана­
лов расположены направляющие лопатки 5 , создающие
на входе в зону реакции вращение кольцевых потоков
исходной газовой смеси.
Скорость истечения исходной смеси из каналов горе­
лочного блока выше 100 м/с. При такой скорости исте­
чения пламя не может проскочить в смесительную камеру,
так как скорость распространения пламени в газовом
потоке значительно ниже 100 м/с.
В реакционной камере 15 происходит окислительный
пиролиз метана. Температура в зоне пламенного горения
метана 1400— 1700° С. Д ля защиты стенок реакционной
камеры, выполненной из стали марки 12Х18Н10Т, от воз­
действия высокой температуры внутрь ее тангенциально
через штуцер 7 вводится вода, которая в виде тонкой
пленки стекает вниз. В рубашке реакционной камеры
циркулирует охлаждающая вода, подаваемая через шту­
цер 8.
.
Закалочная камера 14 предназначена для резкого
охлаждения прореагировавших газов. С этой целью мон­
тируется форсунка, в которую через трубу 12 подается
вода. Пройдя завесу образующихся при распылении
капель, газы охлаждаются до 80— 100° С. В нижней
части закалочной камеры установлен завихритель 10,
в котором капельки воды отделяются от газов. Газы уда­
ляются из реактора через штуцер 13, а вода через шту­
цер 11, соединенный с гидрозатвором.
Первоначальное зажигание исходной смеси произво­
дится через запальник 6 . Д ля наблюдения за горением
служит глазок 16. В одном из штуцеров нижней части
224
реактора установлена взрывная (предохранительная) мем­
брана 9.
Описанный реактор рассчитан на производительность
800—1000 м3/ч метано-кислородной смеси.
§ 42. Электродуговые реакторы
Электродуговые реакторы используются для крекинга
(расщепления) углеводородов при 1600° С.
Рис. 164. Реактор для элек­
трокрекинга углеводородов:
/ — цилиндрический
корпус;
2 — реакционная труба; 3 —
верхний электрод (катод); 4 —
шина высокого напряж ения;
5 — нижний
электрод;
6 —
вспомогательный электрод; 7 —
труба для подачи воды в ф о р ­
сунки; 1 — вход исходной смеси;
I I — вход и выход о х л а ж д аю ­
щей воды; I I I — подача азота;
I V — выход продуктов реакции
На рис. 164 дана схема конструкции реактора для
электрокрекинга углеводородов (метана, этана, бутана,
пропана) с целью получения ацетилена. Он состоит из
цилиндрического корпуса 1 диаметром 820 мм и высо­
той 418 мм и непосредственно с ним соединенной реак­
ционной трубы 2. Диаметр трубы 95 мм, высота 1000 мм.
Она изготовлена из низкоуглеродистой стали и имеет
водяную рубашку. Один электрод 3 установлен в верх­
ней части цилиндрического корпуса, а второй электрод 5Г
представляющий собой медную гильзу с рубашкой для
на Верхнем конце Р^КЦИОННОЙ
трубы 2. Электрод 3 присоединен к шине высокого напояения, а электрод 5 заземлен. При пропускании постоян­
ного тока напряжением 7000 V и силой 850—900 А между
электродами возникает дуга.
между
коро Ж
Г н Га3 подается в распределительный
1#Щ 1 Из распределительного короба пере­
рабатываемый газ через тангенциальные прорези в стен­
ках корпуса 1 поступает внутрь реактора. Закругленный
поток перерабатываемого газа поступает в реакционную
трубу | предварительно нагреваясь в зоне действия
электрической дуги до 1600° С. В реакционной тоубе
т т ! ДВИЖуТСЯ 00 СК°Р °СТЬЮ До 600 м/с. В нижней части
трубы в реакционные газы впрыскивается через форсунки
вода, резко охлаждающая их до 150° С. Благодаря этому
охлаждению процесс крекинга прекращается не позво
ляя протекать нежелательным побочным процессам Вода
к форсункам подводится по трубе 7.
цеи;ам- вода
® периоды пуска реактора заж игание'дуги осущеI ™
С помощью вспомогательного электрода 6, кото­
рый сближается с верхним электродом 3 посредством
пневмопривода. После зажигания дуги вспомогательный
отодвигается. Производительность^подобного
р ктора по перерабатываемому газу составляет 2800 м3 ч
а по ацетилену — 15 т/сутки.
6 Щ м /Ч>
§
Г
пГ
реакторы с огневым обогревом
(трубчатые печи)
Основные показатели работы трубчатых печей и их
классификация. Трубчатые печи получили широкое рас
пространение в нефтехимической промышленности где
нагрева и
продуктов (пиролиза:
и в химическои промышленности.
Трубчатая печь относится к аппаратам непрерывного
действия с наружным огневым обогревом. Она состоит
г(кладки)
Т л а ^ УТ3,мметаллического
Х
, тя0СН0ВНЫХ ЧЗСТеЙ
<РИС165)
корпуса
каркаса 4, труб 2 7 ю
при,оУ1!0К 7’ печной гарнитуры (трубные подвески и
?рубы /,? 0КНа’ Гляделки и т - д )> Дымохода 12 и дымовой
Корпус современной трубчатой печи состоит из л в у х
камер -р а д и а н т н о й и конвекционной.
Д У
/Р У б ы печного змеевика, расположенные в радиант­
ной камере, называют радиантными. Ряд радиантных
труб, оси которых расположены в одной плоскости,
называют экраном. В зависимости от расположения труб
одного ряда различают потолочный 7, боковой 2 и подо­
вый 14 экраны. Трубы 10 печного змеевика, расположен­
ного в конвекционной камере, называют конвекционными.
Радиантную камеру от конвекционной отделяет переваль­
ная стенка, верхнюю часть которой называют перевалом.
Рис. 165. Конструктивная схема трубчатой печи:
1 — форсунка; 2 — трубы бокового экрана радиантной камеры; 3 — кладка
печи; 4
каркас печи; 5 — кровля печи; 6 — подвесной свод; 7 — трубы
потолочного экрана радиантной камеры; 8 — подвески; 9 — трубные под­
вески; 10 — трубы конвекционной камеры; / / — трубная решетка конвек­
ционной камеры; 12
дымоход; 13 — дымовая труба; 14 — трубы подового
зкрана радиантной камеры
Работает трубчатая печь следующим образом. Сырье,
подлежащее нагреву или реакционному превращению
в печи, подается в печной змеевик, сначала в конвекционные, а затем в радиантные трубы. В радиантной камере
с помощью форсунок (или горелок) 1 сжигается топливо.
Образующиеся дымовые газы, пройдя над перевалом,
поступают в конвекционную камеру, откуда, отдав часть
тепла конвекционным трубам, через дымоход (бооов) 12
поступают в дымовую трубу 13 и из нее в атм осф ер/
Основная доля тепла (около 70%) передается сыпью
радиантной камере. Радиантные трубы воспринимают
тепло главным образом (90%) путем лучеиспускания
I^ па"ров"И(С оаКен ' о Р о К? л е н н ы х ЩИ
Ш ■
| §§ ; к =
“ амеры, газов
| =
Движение дымовых газов через тоубчатую при*. Ый
печивается ргтрлтпонилй
руочатую печь обессчиьается естественной и искусственной тягой Р ртр
ственная тяга поддерживается дымовой трубой а и с Л Г
дьшосоеа'. Пр™ еняемая значительно р е ж е , - с’ помощью
Движущая сила, необходимая для перемещения лымп
вых газов через трубчатый змеевик и д ы м о х о д п р и есте'
ствениои тяге создается вследствие разностиплотностей
атмосферного воздуха и дымовых газов, которые зависят
в основном от их температуры. Более легкий п и !!!®
вытесняется более тяжелым атмосферным воздухом Чем
ШШЛ-т-Э мм вод. ст
’
Ш/М
устш 1авливаемым П ь Г х о д е
о с и о ^ п о Г з ^
П о ЯгоНд?йУстваи'яТеПЛОНаПРЯЖе" НОСТЬ " коэффициент но-'
производительность печи — количегтвп
„
Суточна^производительност^ печей ко л ебл е т Г в
ТОРр Г '^ О Л ^ в Г з м ^ и ! '
чения печи (н а т е п и пи по* „
’ д
змеевика, с к о ^ Г н р Г о Г и Г ^ «
сырья, назна=
Полезная тепловая нагрузка — количество тепла, кото­
рое воспринимается сырьем в печи. Полезная тепловая
нагрузка трубчатых печей составляет от 6 до 25 кВт
(5,2—21,5 млн. ккал/ч).
Теплонапряженность поверхности нагрева — количе­
ство тепла в кВт (ккал), переданного через 1 м2 поверх­
ности змеевика в час. Чем выше значение теплонапряженности труб, тем более эффективно передается тепло.
Однако имеются причины, которые не позволяют пре­
вышать теплонапряженность труб выше некоторой допу­
стимой величины, зависящей от характера нагреваемого
сырья, скорости его движения и качества металла труб.
Чем больше термоустойчивы сырье и металл труб, чем
меньше вязкость сырья и выше скорость его движения
в трубах, тем большую теплонапряженность труб можно
допустить. Теплонапряженность в современных труб­
чатых печах, например, пиролиза углеводородов состав­
ляет 11—29 кВт/м2, а термического разложения мазута
23—46 кВт/м2.
Теплонапряженность труб тесно связана со значением
температуры дымовых газов над перевальной стенквй.
Эта температура обычно не превышает 850—900° С.
Более высокие температуры над перевалом приводят
к местному перегреву труб.
Коэффициент полезного действия печи численно равен
части общего выделившегося в печи тепла, которая по­
лезно использована в печи. При полном сгорании топлива
к. п. д. печи зависит от ее конструкции, коэффициента
избытка воздуха (показывающего, во сколько раз больше
подано в печь воздуха, чем это необходимо для полного
сгорания топлива) и температуры дымовых газов, поки­
дающих печь. Для трубчатых печей к. п. д. равен 0,6_
0,85.
•
’
Радиантно-конвекционные трубчатые печи класси­
фицируют по следующим основным конструкционным
признакам:
а) конфигурации (односкатные, шатровые и цилиндри­
ческие) ;
б) количеству радиантных камер (однокамерные, двух­
камерные и многокамерные);
в) числу потоков сырья (однопоточные и двухпоточные);
г) месту расположения конвекционной камеры (с ниж­
ним, верхним и боковым расположением конвекционной
камеры);
д)
способу облучения труб (печи с односторонним или
двусторонним облучением труб).
Основные типы трубчатых печей показаны на рис 166
Отечественной промышленностью химического и неф­
тяного машиностроения выпускаются трубчатые печи
шести типов: Б, 3, В, Г Ц и Р
нормаль
ОН 26-02-159—69 «Трубчатые
. -------- печи.
— .... Типы параметры
? I°I Iсн°
!
н“
*
РазмеРЫ
!>
)
с
поверхностью
нагрева
от
15
до
) М
гЭти
тТ И
поттп
ти
- г-- —
илмжш~
чающихся длинои труб змеевика и поверхностью нагрева
К Я М Р П Ы радиации.
Пятгиотттш
*
камеры
Трубчатые
печи
типа
Б
л
* ■
.......... .. "
^ " М ^ а п ш и -л и и н с л ц и о н н ы е ,
радиантно-конвекционные,
узкокамерные с беспламенным сжиганием топлива р и ж ним отводом дымовых газов и горизонтальным располо­
жением труб змеевика. Их выпускают восьми типораз­
меров в двух исполнениях: ББ1 и Б Б 2 (соответственно
с одной и двумя камерами радиации).
_ ТРУбчатые Печи типа 3 ~ Рздизнтно-конвекционные,
узкокамерные с зональной регулировкой величины тепло­
отдачи, с верхним отводом дымовых газов (см. рис. 166 д).
ни имеют две камеры радиации. Выпускаются в двух
исполнениях: З Р — с беспламенным сжиганием топлива~ с настильным сжиганием жидкого и газообразного
топлива. Разработано восемь типоразмеров печей типа 3.
I рубчатые печи типа В — радиантно-конвекционные,
узкокамерные, с верхним отводом дымовых газов и вер­
тикальными трубами змеевика. Камеры конвекции имеют
прямоугольную форму. Радиантные камеры объединены
в общем корпусе. Их изготовляют шести типоразмеров.
Трубчатые печи типа Г — радиантно-конвекционные
узкокамерные, с верхним отводом дымовых газов. Выпу­
скаются в двух исполнениях: ГС
факе,
ного сжигания топлива и ГН
объемно-настильного
сжигания топлива с двумя камерами радиации.
1руочзтые печи типа Ц — цилиндрические, с верти­
кальным расположением труб радиантной камеры и верхненияуВОп г дымовых „газов- Выпускаются в двух исполежигяни™ С Р С °ДН0И камеР°й Радиации и факельным
сжиганием жидкого и газообразного топлива, без камеры
Й Ш Й Ш Й камеР°й конвекции; ЦЛ - с несколькими
сжигяннам м?ИЗЦИИ И камеР0Й конвекции, с настильным
сжиганием жидкого и газообразного топлива.
с в И Ш В П6ЧИ ТИПа 1 ~ Радиантно-конвекционные,
несколькими камерами радиации и общей камерой
Рис. 166. Основные типы трубчатых печей:
а т конвекционная печь; б — однокамерная печь с боковым расположением
конвекционной камеры; в — однокамерная нечь с нижним расположением кон­
векционной камеры; г
однокамерная печь с верхним расположением кон­
векционной камеры; д — вертикальная цилиндрическая печь; е — однокамер­
ная печь беспламенного горения с панельными горелками; ж — двухкамерная
Д®Ухп° точная П8ЧЬ 0 Г®Ризжита льн ым сводом; з — двухпоточная двухкамерная
печь с наклонным сводом; 1 — горелки; 2 — радиантный змеевик; 3 _ кон­
векционный змеевик; 4 — дымоход; 5 — перевальная стенка; 6 — панельные
горелки
Рис.
167. Схема двухпоточной трубчатой печи с горизонтальным
сводом:
/ — трубная
решетка; 2 — трубная подвеска; 3 — перевальная
4 — конвекционная камера; 5 дымоход
стенка*
конвекции, с вертикальным расположением труб и гори­
зонтальным факелом. Они используются для каталити­
ческого риформинга и гидроочистки. Печи типа Р выпу­
скаются семи типоразмеров (схема печи этого типа дана
на рис. 167).
г1.
Рис. 168. Трубчатая печь двустороннего из­
лучения с облучающими стенками:
/ - радиантные трубы; 2 - панельные горелки;
3 — конвекционная камера; 4 — дымовая труба
печей, используемых
ряде химических и нефтехимических производств. Двухпоточная трубчатая печь
(см. рис. 168) используется для процесса пиролиза. Она
имеет две камеры радиации. Облучение труб произво­
дится с одной стороны. Более широкое распространение
получила печь двустороннего облучения с излучающими
стенками (см. рис. 168). В этих печах боковые стенки
радиантной камеры составлены из беспламенных панель­
ных горелок, которые могут соз­
Вход
давать сплошную излучающую
?
ооооо
поверхность.
Благодаря этому
оооооо
ооооо
ооооо >
появилась возможность равномер­
ооооо
оооооо
ного облучения труб, что позво­
ооооо
оооооо
ооооо
ляет получать высокие значения
о о \оо
допустимой теплонапр яженности
труб. Эти печи отличаются боль­
шой компактностью и экономич­
ностью. По сравнению с печами
других типов они требуют в
1,5—2 раза меньше металла и
фасонного кирпича.
Печные трубы, двойники и гар­
Выход
нитура печей. Змеевик трубчатой
печи составляют из прямых труб
длиной от 6 до 18 м. Прямые
трубы соединяют в непрерывную
цепочку (змеевик) с помощью печ­
ных двойников и печных калачей
(приварных или на фланцах). Рис. 169. Печь цилин­
В последнее время стал широко
дрической формы
использоваться
индустриальный
метод монтажа продуктового змеевика. При этом методе
продуктовый змеевик собирается полностью или в виде
укрупненных блоков из нескольких труб в цехах металло­
конструкций завода-изготовителя. Доставляют укрупнен­
ные блоки или весь змеевик на строительную площадку
в основном автомобильным транспортом высокой грузо­
подъемности.
В трубчатых печах применяют бесшовные цельнотя­
нутые трубы с наружным диаметром от 60 до 219 мм.
Наибольшее распространение получили трубы диаметром
102, 127 и 152 мм.
Толщину труб принимают в зависимости от давления,
температуры, коррозионных свойств среды и ее свойствобычно она составляет от 4 до 30 мм.
я
Материал труб змеевика выбирают в зависимости от
температурного режима и коррозионных свойств сырья.
При переработке в печи сырья, не имеющего коррозион­
ных свойств, до температуры 450° С и давления 6 МН/м*
можно использовать трубы из углеродистой стали. При
переработке сернистого коррозионного сырья в зонах
змеевика с температурой среды до 400° С применяют
трубы из хромистой стали 15X5, а если эта среда нагре­
вается в печи до 450—600° С, то приходится применять
трубы из хромомолибденовых сталей марки 15Х5ВФ Д™
высокотемпературных процессов (650—850° С) примео л у о - г и ) ? И3 жаР0ПР0ЧНЫХ сталей марок 12Х18Н10Т,
2и л23Ш 8, а также из феррохромистых сплавов, например
сплава, содержащего 24—26% хрома и 4—6% алюминия
Различные участки печного змеевика работают при
весьма отличных одна от другой температурах. Поэтому
змеевик обычно составляют из различных по составу
материала труб. Например, в печах пиролиза начальные
участки змеевика (нижние ряды конвекционных труб)
работают при температурах от 20 до 400° С, а конечные
находящиеся в радиантной камере, — от 500 до 900° с!
По этой причине в печах пиролиза первые ряды конвек^?п Н1? Ы9пт\Руб составлены из углеродистых стальных
(марки 20 Г) труб, последние ряды конвекционных труб —
из хромомолибденовых стальных (марки 15Х5М) труб
^2^18Н 10ТРЗЛИЗНТНЫХ ТрУб ~~ ж аР °прочная сталь марки
Расстояние между осями соседних труб (шаг труб)
находящихся в одном ряду, выбирают равным (1 8н-2 0 )с1
где (1
наружный диаметр труб.*
* *
Трубы в радиантной части обычно располагают в один
ряд (однорядный экран) в связи с тем, что второй ряд
труб работает с очень малой нагрузкой. Тепловосприятие
1п! ! ? ,есТВ0 поглощаемого тепла) двухрядного экрана
л ш п ^ а п ^ ТеПт 0В0СПрИЯТИе однорядного экрана всего
лишь на 11% . Такая малая разница в количествах погло­
щаемого тепла при удвоенном расходе дорогого металла
делает двухрядный экран экономически нецелесообразВ конвекционной части печи трубы располагают
в шахматном порядке. Такое расположение труб обеспе*
чивает большую турбулизацию потока дымовых газов
а следовательно, и большую отдачу тепла от них. Число
труб в одном горизонтальном ряду конвекционного змеевика колеблется от 3 до 6. Высота камеры конвекции
«5 4 м. При шахматном расположении труб для обеспе­
чения равномерного обтекания дымовыми газами каждой
трубы в кладке печи делают специальные выступы
некоторых конструкциях печей первые (по ходу
сырья) ряды труб конвекционной части змеевика оребряют
что значительно повышает отбор тепла от дымовых газов
благодаря увеличению поверхности нагрева. Ребра диа­
метром \2й и толщиной 4 мм приваривают к трубам
Расстояние между ребрами около 14 мм.
Скорость прохождения жидких продукте через печной змеевик назначают от 0,5 до 3 м/с, а для газообраз­
ных продуктов - от 20 до 150 м/с. Малые скорости
потока сырья в трубах недопустимы из-за опасности пере­
гара труб. Чем выше скорость потока, тем интенсивнее
отводится тепло от стенок труб, тем меньше на внутрен­
них стенках труб откладывается кокса, образующегося
в результате разложения сырья.
Давление сырья на входе в печной змеевик должно
превышать необходимое для проведения процесса давле­
ние на 3 5 МН/м . Эта разница в давлении должна быть
достаточной для преодоления значительных гидравли­
ческих сопротивлений, возникающих при прохождении
сырья в трубах змеевика с заданной скоростью.
Скорость прохождения дымовых газов через конвек­
ционный пучок изменяется от 3 до 4 м/с. Эта скорость
обеспечивается естественной тягой дымовой трубы. Если
путем естественной тяги не удается достичь таких скоро­
стей газового потока, то приходится устанавливать перед
трубой дымосос.
*
Срок
службы
труб
печного змеевика около у6 лет.
_
«
Л-' - ---------Однако нередко трубы приходится менять в ходе эксплуа­
тации печи значительно чаще. Это происходит по следую­
щим причинам.
1. Из-за обрыва трубных подвесок трубы недопустимо
деформируются.
2. Наружный диаметр трубы увеличивается выше
допустимого предела (появление так называемых отдулин) из-за отложения кокса в каком-нибудь месте трубы.
В подобных местах труба перегревается, так как кокс
из-за плохой теплопроводности препятствует хорошему
отводу тепла от стенки. Прочность металла в перегретых
местах падает, под внутренним избыточным давлением
труба в этих местах начинает раздуваться, появляются
отдулины, которые могут привести к прогару трубы что
влечет за собой немедленную аварийную остановку печи.
<5. На наружной поверхности трубы образуется сетка
трещин (явление криппа).
Появление трещин вызывается ползучестью металла
т. е. ^ его свойством непрерывно деформироваться под
воздействием высоких температур и напряжений, в резуль­
тате чего в металле появляются трещинки. Скорость роста
этих трещинок не должна выходить из заданных границ
Для нефтехимической аппаратуры допустимая скорость
ползучести равна Ш мм/(мм.ч).
4. Появление коррозии на внутренней поверхности
труб. В перерабатываемом сырье почти всегда присут­
ствуют соединения хлора и серы, разъедающие внутрен­
нюю поверхность труб.
р
5. Появление коррозии на наружной поверхности
труб. Наружная поверхность труб подвержена корро­
зии кислородом (окислению) и сернистым ангидридом
которые содержатся в дымовых газах. Интенсивность
этой коррозии зависит от состава топлива и количества
воздуха, подаваемого на сжигание топлива.
Печной змеевик периодически очищают от кокса.
При пиролизе пропан-этановой смеси змеевик очищают
один раз в четыре месяца, при крекинге мазутов эту опе­
рацию повторяют значительно чаще. Трубы очищают
от кокса путем его выжига. С этой целью в трубы подают
паровоздушную смесь, состоящую из 1 части воздуха
и ш частей водяного пара. Выжиг ведут при 650_700° С.
Предварительно печной змеевик отключают от сырьевой
линии и продувают паром. Продолжительность выжига
в значительной мере зависит от вида сырья, перерабаты­
ваемого в печи. В среднем, например, на выжиг кокса
в печи легкого крекинга затрачивают 16—20 ч.
В случае большого отложения кокса иногда прихо­
дится прибегать к механической очистке труб с помощью
конического винтообразного бойка, шарнирно связан­
ного с пневматической турбинкой. Турбинка приводится
во вращение сжатым воздухом, который подводится
к ней по бронированному резиновому шлангу. При таком
способе чистки труб соединительные элементы труб (двой­
ники) должны быть разъемными или с отверстиями
закрываемыми пробками.
*
Печные двойники (ретурбенты) предназначены л па
г т п ^ НеНИЯ прямых тРУб в единый змеевик. К их кон| ' Р У ™ предъявляются следующие требования: прочное
иргуп
06 соединение труб, минимальное гидравли­
ческое сопротивление, легкость вскрытия для ош отра
К
В
!
ЧНСТКИ Ш
“ » « о * » о сть замены труб
Печные двоиники по способу изготовления разделяются
на кованые и литые. Наибольшее распространение полуЦ Ш Р двоиники, изготовление которых обходится
в несколько раз дешевле, чем кованых.
Трубы крепятся к двойникам развальцовкой. Диаметр
верстии в двоиниках на 1 мм больше наружного диа­
метра соединяемых труб. Д ля увеличения прочности
в-в
А
В
Б
Рис. 170. Конструкция литого двойника:
корпус;
2
пробка;
3 •— траверсы;
4
прижимные
винты
соединения в цилиндрических отверстиях под трубы поотачиваются две канавки глубиной 1,5—2 мм При развальцовке материал трубы заполняет эти канавки? вслед­
ствие чего значительно повышаются прочность и плотГ Л С
я° еДИНеНИЯ- Вь,стУпаЮ1Дий из отверстия конец трубы
при развальцовке отбортовывается.
170 дана конструкция литого коробчатого
двоиника ушкового типа. Литой корпус двойника /
в поперечном сечении имеет форму восьмерки. В донышке
п Х Т * ИМ6ЮТСЯ ДВа отвеРстия под развальцовку труб
р сстояние между которыми определяется шагом труб’
стия
кптппРЫШКе к°Р пУса сделаны два конусных отвер™ ’ которые закрываются конусными пробками 2
вГосы ?аеТпЫМИ винтами 4 • Ш Ш ввертываются в траШ Ш , Траверсы в момент завертывания винтов 4 упи­
раются своими концами в ушки, отливаемые за одно целое
Ш111Ш11
с корпусом. В ушках есть прорези, сквозь которые при
монтаже или демонтаже двойника может быть удалена
траверса.
Кованый двойник по конструкции мало отличается
от литого. Вместо ушек в корпусе кованого двойника
сделаны подковообразные выступы; несколько другой
формы и сам корпус.
Д ля соединения труб под углом 90° служат угловые
двойники (рис. 171). Двойники нормальной конструкции
изготовляются на три сту­
пени давления: 2,5, 6,5,
А
1,0 МН/м8. I
Материал основных де­
талей двойника выбирают
в зависимости от давле-
Рис. 172. Конструкция двойнико­
вой камеры:
IА
Рис. 171. Угловой двойник
/ — трубы; 2 — подвесной свод; 3 —
двойник; 4 — изоляция; 5 ~ крыш ка
камеры;
6 — двойниковая
камера;
7 — вертикальная кладка печи; 8 —
трубн ая решетка
ния среды и температуры, при которой приходится рабо­
тать двойнику. При температуре до 450° С и некорро­
зионной среде для изготовления корпуса и пробки двой­
ников можно использовать углеродистую сталь марки
25Л. При более высоких температурах приходится ис­
пользовать легированную сталь (марки ЗОХМА).
Траверсы и нажимные болты двойников до 425° С
изготовляют из сталей марок ЗОХ и 40ХН, при более
высоких температурах — из стали ЗОХМА.
Кованые и литые двойники используют для работы
при температурах примерно до 550° С. При более высоких
температурах соединение трубы с корпусом двойника
на развальцовке не обеспечивает прочности и герметнч-
ности. Поэтому при более высоких температурах соеди­
нение трубы с корпусом двойника на развальцовке не
обеспечивает прочности и герметичности. Поэтому при
более высоких температурах вместо двойников применяют
приварные калачи. Приварные калачи используют и
в том случае, когда не требуется механическая чистка
внутренней поверхности труб. В связи с малым шагом
между трубами калачи могут быть изготовлены только
путем специальной протяжки труб или сварки из штам­
пованных половин.
Концы труб с двойниками выносятся из рабочих
камер в специальные отсеки (так называемые двойнико­
вые камеры). Внутренняя полость двойниковой камеры
(рис. 172) отделена от внутренних полостей радиантной
и конвекционной камер с помощью торцовых трубных
решеток, обмазанных огнеупорной замазкой. Благодаря
этому двойники работают в более благоприятных усло­
виях. В наружной стенке отсеков сделаны дверцы, позво­
ляющие производить осмотр двойников и чистку труб.
Если трубы соединены приварными калачами, то они,
как правило, не выносятся из рабочих камер. Исключение
делается лишь для случаев, когда сварное соединение
работает при очень высоких температурах (до 1000° С).
К гарнитуре печей относятся трубные подвески и ре­
шетки, предохранительные окна, гляделки и дверцы раз­
личного назначения.
Трубные подвески предназначены для поддержания
радиантных труб. Их устанавливают так, чтобы раска­
ленные трубы радиантной камеры не провисали. Трубные
подвески отливаются из высоколегированной жаропроч­
ной стали марки 20Х23Н13, которая может работать
при температурах до 1000° С.
По конструкции их подразделяют на открытые и за­
крытые (глухие). На рис. 173 показаны наиболее распро­
страненные подвески открытого и закрытого типа. Под­
вески открытого типа предпочтительны, так как в случае
их замены, например из-за обрыва, они не требуют вы­
резки труб.
Расстояние между подвесками определяется темпера­
турой нагрева радиантных труб. При температуре стенок
труб до 550 С расстояние между подвесками равно 2,5—
3 м, а при температуре 8 0 0 -8 5 0 ° С 0 , 8 - 1 , 2 м. Трубные
подвески потолочного экрана крепятся на болтах к ниж­
нему поясу ферм, а бокового экрана — к горизонтальным
балкам каркаса печи. Трубные подвески бокового экрана
иногда называют кронштейнами.
Трубные решетки служат опорами для радиантных
и конвекционных труб.
В радиантной камере трубные решетки устанавли­
ваются в торцах печи. Так как они подвергаются высокому
нагреву, то их отливают из жаропрочной стали марки
20Х23Н13. Иногда трубные решетки покрывают тепло­
изоляцией.
Рис. 173. Подвески открытого (а) и закры
того (б) типа
Трубные решетки конвекционной камеры устанавли­
вают с определенным шагом по всей ее длине, поэтому
они выполняют роль промежуточных опор (в радиантной
камере эту роль выполняют подвески). Трубные решетки
конвекционной камеры (рис. 174),обычно отливают из
серого чугуна марки СЧ 21-40. Лишь в случае омывания
дымовыми газами с температурой около 1000° С прихо­
дится выполнять их из высоколегированной стали
марки 40Х9С2.
Предохранительные окна предназначены для ослабле­
ния действия взрывной волны в случае аварийного взрыва
внутри печи, а также для проведения внутренней инспек­
ции. Их устанавливают в торцовых стенках печи, по два
окна на каждой стороне. Чугунная рама предохранитель­
ного окна закрепляется с помощью болтов на металличе­
ском каркасе печи. На ней с помощью стальной оси под­
вешиваются дверцы, отлитые также из чугуна. Внутрен­
няя часть дверцы обмазывается изоляциеи.
В случае возникновения
взрыва внутри печи дверцы
приоткрываются, выпуская
часть образующихся при
взрыве газов. В результате
этого внутри печи не возни­
кает избыточное давление,
которое ведет к разрушению
всей печи.
Гляделки предназначены | |
для наблюдения за состоя- й
нием радиантных труб и р а ­
ботой горелок. Их устанавли­
вают на боковых стенках печи
в таком количестве и таким
образом, чтобы можно было
осмотреть все участки ради­
антной камеры. Корпус гля­
делки и ее крышку отливают
11
из серого чугуна, рукоятку
и ось выполняют из стали. Рис. 174. Трубная.решетка кон­
векционной камеры:
Каркас и обмуровка печей.
Каркас трубчатой печи — ее / — вер хн яя решетка; 2 и 3 — с р е ­
дние
решетки;
4
—
соединительная
основная несущая конструк­
планка; 5 — основание
ция, предназначенная для
закрепления на ней обмуровки, подвесного свода, печных
труб, кровли и лестниц. Каркас состоит из системы вер­
тикальных колонн, горизонтальных балок и решетчатых
ферм. В зависимости от ширины печи основной конструк­
цией каркаса может быть рама, цельная ферма и ферма
с вертикальными колоннами (рис. 175, а,—в). Все элементы
каркаса изготовляют из стали марки СтЗ.
Каркас печи в эксплуатации подвержен значитель­
ному нагреву. Отдельные его части нагреваются неоди-
наково. Поэтому в конструкции каркаса предусмотрены
подвижные узлы и шарниры, позволяющие отдельным
элементам свободно расширяться при нагреве. Подвиж­
ные узлы представляют собой болтовые соединения с овальными отверстиями в соединяемых деталях.
Д ля удобства обслуживания печи к ее каркасу кре­
пятся металлические площадки (одна или две по высоте)
с лестницами. Ширина площадок 1—2 м. Обычно они
расположены со стороны форсунок.
печей выполняется
фасонного
кирпича.
^
« ш «г
МП
А
—
к
Ж
т.
щ
б)
в)
*
Рис. 175. Схема конструкций каркасов печей:
а — рама; б — ферма;
в — ферма, закреп лен н ая на колоннах
На рис. 176 показана конструкция обмуровки верти­
кальных стен трубчатой печи. Основой этой обмуровки
служат огнеупорные фасонные кирпичи 5, которые нани­
зываются на чугунные кронштейны 7. Кронштейны с по­
мощью двух консолей 6 крепятся на болтах к горизон­
тальным балкам 9. На один кронштейн нанизывают до
10 кирпичеи. Сила тяжести нанизанных кирпичей переЛ ™ 63 кр° нштейны> консоли и горизонтальные
балки колоннам 1 каркаса печи. Наибольшая нагрузка
на кирпич
сила тяжести девяти вышележащих кирпи­
чеи, что в десятки раз меньше по сравнению с нагрузкой
на нижние кирпичи при обычной неблочной кладке стен
Это обстоятельство весьма важно для печи, так как при
высоких температурах кирпичи не выдерживают больКИРПИЧ
-
“ Р™-
г с ™
кладки из огнеупорного кирпича кладут
ШПЙ б Я Г 0ЛЯЦИ0Н?0Г0 киРпича- Далее следует неболь­
шой слои 3 шлаковой ваты. В огнеупорной кладке оставГ ТЛ Г ераТурНЫ*е Швы (по 10 мм на 1 м кладки), кото­
рые забиваются асбестовым шнуром 8.
242
Конфигурация кирпича позволяет обеспечить герме­
тичность обмуровки. Иногда для усиления герметичности
обмуровку заключают в металлический кожух 2 выпол­
ненный из тонколистовой стали.
’
Рис. 176. Конструкция
обмуровки вертикальных
стен трубчатой печи:
^ — колонны каркаса печи;
2 — металлический кожух;
3 —.ш лаковая вата;
4—
изоляционный кирпич; 5 —
фасонный огнеупорный к и р ­
пич; 6 — консоль; 7 — к р о н­
штейны;
8 — асбестовый
шнур; 9 — горизонтальные
балки
фасонного
пича. Кирпичи (рис. 177) „ нанизываются
на чугунные
--------—
подвески
по 1/ кирпичеи на каждую подвеску. Под-
Рис. 177. Конструкция свода печи
вески с помощью двух стальных крюков закрепляются
На„г„кап
х0^ “ЫХ горизонтальных
ра№10>' Вбалок,
Я связываю­
Ка
6
ших пппт»!
1
Р
щих противоположные колонны каркаса печи.
Для обмуровки корпуса трубчатой печи используется
и жаропрочный бетон. При этом предварительно изготов­
ляются блоки массой до 50 кг (для монтажа вручную)
и до 500 кг (для монтажа краном). Жаропрочный бетон
с диатомовым наполнителем может быть рекомендован
для работы при температурах до 700° С.
Технико-экономическая целесообразность использо­
вания для обмуровки печей крупных блоков из жаропроч­
ного бетона по сравнению с обмуровкой из фасонного
кирпича несомненна, так как при ней резко сокращаются
трудоемкие работы по обмуровке, ниже стоимость мате­
риала и нет необходимости обжига блоков (он происходит
во время работы печи).
При кладке крупных блоков вертикальные швы кладки
кладутся насухо в четверть с прокладкой в шве асбесто­
вого шнура. Блоки снабжаются монтажными ретлями из
жаропрочной стали. Применение крупных блоков из
жаропрочного бетона позволяет собирать бескаркасные
печи. В этом случае используются блоки толщиной 200—
300 мм (при высоте печи до 3 м) или 350—400 мм (при
высоте печи до 5 м).
Стены бескаркасных печей для повышения герметич­
ности и уменьшения потерь тепла в окружающую атмос­
феру кроме блочной перегородки имеют наружную кладку
из обыкновенного кирпича толщиной 250—380 мм. Зазор
между блочной перегородкой и кирпичной кладкой равен
60 мм. Блоки и кирпичная кладка соединены между собой
гибкими связями из полосовой стали, закладываемыми
в швы. Расстояние между соседними связями по верти­
кали равно 70 мм.
Перевальная стенка печи выполняется из пустотелых
блоков толщиной до 800 мм, соединенных насухо
в шпунт.
.
Под печи состоит из нескольких слоев: слоя блоков из
жаропрочного бетона, 2—3 рядов обыкновенного кирпича,
слоя блоков из обыкновенного бетона с воздушными
каналами и фундаментной подушки из обыкновенного
бетона.
Свод печи собирается из блоков (из жаропрочного
бетона), поверх которых укладывается обыкновенный
кирпич.
Форсунки и горелки огневых нагревателей. В топках
огневых нагревателей топливо сжигается с помощью
специальных устройств — форсунок и горелок.
Форсунки предназначены для сжигания жидкого топ­
лива (мазута, солярного масла и тяжелого газойля).
Конструкция форсунки должна обеспечить хорошее
распыление топлива и смешение его с воздухом, так как
только при этих условиях можно достичь полного сгоран и я топлива.
тлпттыпо
иг а
ния
По способу распыления жидкого топлива в печах:
различают форсунки:
а) с паровым распылением;
б) с воздушным распылением.
В форсунках первого типа распыление жидкого топлива производится струей водяного пара. Среди них:
наибольшее распространение получила форсунка кон­
струкции В. Г. Шухова (рис. 178).
Жидкое
топл идо
Рис. 178. Форсунка конструкции В. Г.' Шухова
Форсунки с воздушным распылением топлива кон­
структивно мало отличаются от паронефтяных. В форсун­
ках этого типа распыление жидкого топлива на каплк
производится энергией воздушного потока, окружаю­
щего струю топлива.
На рис. 179 показана принципиальная схема форсунки
с воздушным распылением. Работает форсунка следую­
щим образом. Жидкое топливо, подлежащее сжиганию
подается по трубе 1 в центральную камеру 2. Из этой
камеры струя топлива вытекает в конически расширяю­
щееся сопло 3. На выходе из сопла струя топлива разби­
вается на капли воздушным потоком, который через;
узкую щель 4 поступает из внутреннего пространства
корпуса 5 форсунки. Ширину щели можно изменять*
перемещая шайбу 6 с помощью тяг 7. Воздух в корпус
^форсунки нагнетает вентилятор через штуцер. В таких
•форсунках можно распылять до 600 кг/ч топлива. ФорВоздух из
Вентилятора
I (150мм доЖст.)
Мазут
%
Пар
(аварийный)
Рис. 179. Форсунка с воздушным распылением топлива
сунки с воздушным распылением работают экономичнее,
чем паронефтяные.
Горелки предназначены для сжигания газообразного
топлива (природного газа, газа нефтепереработки). В связи
246
с широким использованием в народном хозяйстве газа
™
Х НЗГревателях все чац*е стали использоваться
«ооП° способУ п°Двода воздуха для горения горелки под­
разделяются на следующие типы: диффузионные, инжекционные, с принудительной подачей воздуха
В диффузионных горелках весь необходимый для горения' воздух притекает к пламени из окружающей атмос-
Рис. 180. Диффузионная
горелка с жиклерами
феры. Эти горелки мало чувствительны к колебаниям
давления газа, но требуют больших размеров топки
так как они образуют длинный факел.
”
На рис. 180 показана конструкция диффузионной
горелки с жиклерами. На кольцевой раме 1 этой горелки
жестко закреплен неподвижный конический шибер 2
на конической поверхности которого имеется 12 окон Г
На неподвижный шибер надет подвижной шибер 3, также
имеющий 12 окон. Подвижной шибер с помощь»
рукоятки 4 может вращаться вокруг своей оси. На цен-
тральной трубе 5 крепят коллектор 6> имеющий отвер­
стие и для подсоединения подводящей газовой трубы.
В коллектор ввинчиваются 12 жиклеров 7, изготовлен­
ных из жаропрочной стали. Остальные детали горелки —
Щ чугуна и стали марки СтЗ.
Работает эта горелка следующим образом. Подведеняыи к коллектору газ вытекает в топочное пространство
через жиклеры и тут же сжигается. Необходимый для
сжигания газа воздух поступает в горелку из окружаю-
Воз дух
Рис. 181. Беспламенная па­
нельная горелка типа ГБП
щей атмосферы через окна в неподвижном и подвижном
шиберах. Ширину этих окон, а следовательно, и количе­
ство поступающего в горелку воздуха можно менять путем
вращения подвижного шибера. В этом случае окна шибе­
ров не совпадают.
В инжекционных горелках образование газовоздуш­
ной смеси частично или полностью происходит внутри
горелки. Горелки этого типа образуют короткий факел,
поэтому их иногда называют беспламенными.
На рис. 181 показана конструкция беспламенной
панельной горелки типа ГБП, разработанная Гипронефтемашем. В этой горелке газ, подлежащий сжиганию,
подается по трубе /. Через коническое сопло 2 газ посту­
пает в смеситель 3, туда же инжектируется газовой струей
воздух. Поступление воздуха в смеситель можно регули­
ровать заслонкой 4, перекрывающей отверстия, ведущие
248
внутрь смесителя. Вследствие большой турбулизации
потока газ с воздухом в смесителе 3 хорошо смешивается.
Газовоздушная смесь отбойником 5 отбрасывается в рас­
пределительную камеру И горелки, откуда она по труб­
кам 6 поступает в туннели 7, которые проделаны в кера­
мических плитках 10. Плитки с помощью металлического
каркаса 8 объединены в панель (размером 500x500 мм)
Диаметр туннеля у выхода 20 мм, у основания — 18 мм
длина — 65 мм.
*
Внутренняя часть распределительной камеры отде­
лена от плиток с помощью диатомовой засыпки 9. Количе­
ство туннелей — 100 шт. (в некоторых типах — 169 или
О ! <3 Ш Т . ).
Благодаря хорошему смешению воздуха и катализи­
рующему влиянию керамики процесс сгорания газа почти
В Туннел„я х - ПоэтомУ « нет видимого фа
кела. В одной панельной горелке можно сжечь до 100 м3/ч
в СССР эксплуатируются печи, стены которых собраны
из нескольких рядов беспламенных панельных горелок
Горелки соединяют одну с другой болтами с прокладкой
между ними асбестового листа. Каждый ряд г о ^ о к
через промежутки 2 , 5 - 3 , 5 м крепится к каркасу Рс п0!
мощью стального листа.
В горелках с принудительной подачей воздуха послелш п в д е т с я с помощью воздуходувки или компрессора
В трубчатых печах эти горелки не используются
Р
наиболее изнашиваемыми узлами трубчатой печи
которым рекомендуется уделять особое вн и м Т и е яв*
л я ю гс я р а д и ан тн а я секция, верхний р я д ? р у б к о и в е к !
ционнои секции и подвесной свод.
Г л а в а XIII.
РЕАКТОРЫ ДЛЯ ЖИДКОФАЗНЫХ
ПРОЦЕССОВ
§ 44. Конструкции аппаратов с мешалками
Жидкие реагенты качественно перемешать друг с дру­
гом (от этого зависит выход целевого продукта) значи­
тельно сложнее, чем газообразные реагенты. Поэтому
основным элементом в реакторах жидкофазных процес­
сов является перемешивающее устройство. Наличие ката­
лизатора в жидкофазных процессах практически не ска­
зывается на конструкции реактора, так как вводится он
в реакционную массу в виде суспензии, не оказывающей
заметного влияния на режим ее движения.
Реакторы этой группы реакционных аппаратов пред­
ставляют собой полые сосуды, в которых реагенты пере­
мешиваются мешалкой.
Вертикальные емкостные аппараты с мешалками ши­
роко распространены в химическои и нефтехимической
промышленности. Они применяются для химических реак­
ций, протекающих в жидкой фазе, и для различных
вспомогательных процессов: приготовления растворов,
смешения жидкостей и др. Аппараты с мешалками при­
меняются в основном для периодических процессов,
однако имеется опыт применения их в непрерывных
процессах.
В качестве примера реакционных аппарате с перемемешивающими устройствами можно привести сульфураторы, нитраторы, хлораторы, окислители и другую
аппаратуру производства органических продукте и красителей, полимеоизатооы
полимеризаторы в производстве синтетических
каучуков и пластических масс и т. д. Реакторы с мешал­
ками, как правило, однотипны по устройству и отли­
чаются обычно лишь рабочим давлением, конструкцией
мешалок, наличием теплообменных элементов и т. л.
Исключение составляют отдельные типы аппаратов
специфическо
гл ж
Е “ КдСТЬ аппаРатов с мешалками от 50—60 л до 40__
50 м . Аппараты малой емкости применяют для л я б п п я торных целей и в малотоннажных производствах К рупно
габаритные аппараты с мешалками емкостью 2 5 - 5 0
находят пока ограниченное применение
г Ш в И
РаботаЮ1Дие под давлением, изготовляют
эллиптическими днищами. Аппараты без давления
имеют плоское днище и плоскую или тарельчатую крышку
жесткости!*>ЫШКИ б0ЛЬШ0Г°
г —
*
^ ^ ололими
В ШЩШШ
уД
Ц Ц
Ж И;
"Р'>
осадков применяют аппараты ^ л
I к°ническими днищами*.
облегчающими разгрузку аппарата.
кнс^Г ™ Г ойас Х Т^ ы Т м в ЯтТ И3 У™*™»™* ■
с т т е с к и х масс. Н а и ^ Т Х ™ ^ Л0В' Чугуна и Ж '
сварные емкостные аппараты На рис 182
стальные
вой стальной аппарат с меГалкой ’А 2 " оказан ™ п° аппарата: корпус 1 кпыппга о ^ ои* Основные детали
мешалка 4, привод 5 мешялк’н еплообменн^я рубашка Зг
шая поверхность теплообмена в ^ я п пнеобходима бользмеевики. Аппараты из цветных’ МРТа
Р/ЗТе помещают
НИЯ) вследствие невысокой механ^ческойВ
" алюм" -
В
Ш
давлениемДЛЯ
ненные,Ув на его я щее время"™ име н я ют™" Р° К° РаспРостРапоказан типичный чугунный а п п а м т 2
? ИС' Ш
С мешалкой 1 и стальной рубашкой 5 Супы сульФУРатоР
жен цельнолитой чугунной Л » ! с Ульфуратор снабпнтся „а стальном
крегаики.
и затяжной
Эмалированные
емкостные
т. ^ П
.лавяюГ—
х
ТЛПлг
изготовляют с рубашками И аппараты, как правило
применяют
для
процессов^
требующих высокой
■
чистоты
требуется теплообмен пр и " о б м б Ж о ? « 3 ТаК* е “ 5 2
сред, в которых неустойчивы м .™ » „ б2 к°РРозионных
—
“
'
"
тш ш
м
е
ш
а
л
к
а
?
™
?
'
С
0
Л
я
н
а
я
^
л
о
т
а
К
С
р
е
д
а
м
ванных аппаратов защи1адютеНэмИальУСТР0ЙСТВа эмалиР°из материалов, устойчивых
ЛЬЮ “ --------------изготовляют
Данной среде.
«
к
о
с
тн
ы
е
аппараты
из
материалов
неметаллических
фаолита и винипласта
ченное применение.
находят ограниВследствие низкой
механической,
прочности аппараты из пластических масс применяют
при избыточном давлении не более 0,2 МН/м2.
На рис. 184 показан аппарат с мешалками непрерыв­
ного действия. Горизонтальный цилиндрический аппарат
разделен поперечными перегородками на секции, в каж­
дой из которых установлена своя мешалка. Исходные
продукты, поступающие в аппарат, последовательно про­
ходят все секции и выводятся с противопо­
ложного конца. Секции
имеют теплообменные
элементы (змеевики).
Рис. 183. Чугунный сульфуратор:
Рис. 182. ТИПОВОИ стальной
аппарат С мешалкой
/ — мешалка; 2 — чугунный корпус; 3 —
стальная
рубашка;
4 — привод мешалки
Емкостные аппараты могут иметь съемную верхнюю
крышку или быть цельносварными. Разъемными делают
аппараты небольших размеров, диаметром до 1400 мм.
Аппараты большой емкости целесообразно изготовлять
цельносварными, так как наличие фланцевого разъема
утяжеляет аппарат, усложняет его конструкцию и ухуд­
шает герметичность.
ных аТ п Т а™
“ Уу^ние'устройства цельносварровать „хР^ ё р е а ла? ра3борными- что ™зволяет монтнСъемную крышку на аппаратах большого лиаметпя
необходимо^ делать при установке неразборных внутрен­
них устройств (змеевиков) и при наличии футеровки
в аппарате, так как футеровочные работы, особенно
с применением ядовитых и горючих растворителейпро
изводят при открытой крышке. На крышке ап п ар ат раз­
мещают бобышку Д Л Я сальника, платики или плиту для
стоики привода, люк и штуцера.
У
Рис. 184. Схема горизон­
тального аппарата с ме­
шалками
непрерывного
действия
Продукты
ЩтШ/
Штуцер
воздуха, пара, установки
боров и других технологических целей При подаче
химически агрессивных жидкостей в штуцера вставляют
патрубки наполнения, чтобы избежать стекания жидко­
сти по стенкам. Легковоспламеняющиеся жидкости по­
дают по длинным патрубкам, опущенным до дна аппарата
во избежание накопления на струе жидкости статического
электричества.
Удаляется жидкость из аппарата через нижний спуск
ГТП
Т П \/П О
п п п п п п п
____ ___
гт
или п о ' трубе передавливания. Для передавливания
жидкости необходимо давление 0,3 0,4 МН/м®,' что обеспечивает подъем жидкости на высоту 10—25 м (в зависимости от плотности жидкости). И И Япередавливания
НН
Н
в аппаратах с мешалками приходится д е ^ и з ^ н у т с Г
но она должна свободно выниматься через штуцер.
ицу " ПараТЫ с Ж Ш Ш предназначенные для слож­
ных технологических процессов, целесообразно снабжать
смотровыми окнами для наблюдения за процессом и кон
троля исправности внутренних устройств и футеровки.
На аппарате устанавливают два окна: одно для установки
другое
- для лампидснил.
наблюдения.
У
п - светильника,
Я(
' —
г
пот у5ашки» как правило, приваривают к корпусу аппа­
рата. Съемные рубашки делают при необходимости частой
*
очистки полости рубашки и в случае невозможности их
приварки, например стальные рубашки на чугунных
аппаратах. Наличие нижнего спуска усложняет кон­
струкцию рубашки (рис. 185, а).
При устройстве нижних спусков на аппаратах со
съемными рубашками на штуцере нижнего спуска уста­
навливают сальник (рис. 185, в).
Рубашки эмалированных аппаратов с нижним спуском
снабжают линзовым компенсатором (рис. 185, г), чтобы
уменьшить напряжения в корпусе аппарата.
Рис. 185. Нижние
спуски аппаратов
с рубашками:
а гт приварка н и ж ­
него спуска к рубаш ­
ке;
б — приварка
штуцера с отбортов­
кой; в — сальниковое
уплотнение; г — р у ­
башка с линзовым
компенсатором
В случае парового обогрева пар в рубашку подается
через верхние штуцера, а через нижние отводится конден­
сат. При подаче в рубашку жидких теплоносителей или
хладагентов жидкость входит в нижний штуцер, а отво­
дится через верхний.
При значительном диаметре аппарата и повышенном
давлении в рубашке толщина стенки аппарата, нагру­
женного наружным давлением, получается значительной.
Чтобы уменьшить толщину стенки, применяют рубашки
с «вмятинами» (рис. 186). Вмятины представляют собой
отверстия диаметром 40—50 мм с отбортованными краями.
Края отверстий приваривают к корпусу аппарата. Шаг
вмятин 200— 120 мм (в зависимости от давления в рубашке).
Применение рубашек с вмятинами позволяет значительно
снизить толщину стенки как корпуса аппарата, так
и рубашки.
В тех случаях, когда не требуется большой поверх­
ности теплообмена или когда теплоноситель находится
под большим давлением, применяют приварные тепло­
обменные элементы в виде труб или полутруб. Возможно
также применение приварных элементов из проката —
швеллеров или уголков. Минимальное расстояние между
приварными элементами определяют из условий доступа
к сварным швам.
лм чун а
Змеевики внутри аппарата делают петлевыми или
спиральными. Их обычно изготовляют из труб-диаметром
Рис. 186. Рубашка с «вмя­
тинами»
/ — обечайка; 2 — днище; 3 —
рубашка; а — отверстие
Рис. 187. Литой автоклав
(2-36)°й.МЗме™ик опираю тТ сто й ЗМеевнка "Ринимают
соединяют межд у с о б о й^ проставкам и*ЛОбычно В
!
выводят через сальник а н а к л
Г
- ®° змеевик
тывают съемный фланец на
^ выводнои трубы навервынуть концы змеевика из крышки ™ л а р т “ 8МОЖНбСГЬ
" ° Д ВЫС0КИМ » " У
назначены они в основном
авт° ™ а м и . ПредАвтоклавы представляют собой с ? а л ь н ы е Т "* процессовческими днищами и крышками
котлы 00 сФвРио е узлы автоклава (пис
1Я7\- „
крышка 2 , перемешивающее у с то о й стп п ^
° Р " ус '•
труба для опорожнения 6. у ройство
сальник 7,
Корпусы и крышки автоклавов изготовляются пре­
имущественно из стальных отливок. Для изготовления
автоклавов, работающих при температурах до 150 С,
применяют качественные углеродистые стали марок 25Л,
ЗОЛ. При более высоких температурах автоклавы прихо­
дится изготовлять из легированных сталей.
При переработке веществ, вызывающих коррозию
стальных отливок, внутреннюю поверхность автоклава
эмалируют, гуммируют, освинцовывают или используют
для изготовления автоклава соответствующие легирован­
ные стали.
Рис. 188. Схема фланцевого
соединения крышки с корпусом
автоклава
Рис. 189.
Байонетный
автоклава
затвор
Герметичнее соединение крышки с корпусом в авто­
клавах осуществляется с помощью затворов. Периодич­
ность проведения процесса в автоклаве требует снятия
крышки при загрузке исходного сырья и выгрузки из
него готового продукта, т. е. два раза за цикл. Поэтому
затворы автоклавов кроме обеспечения надежного и гер­
метичного присоединения крышки к корпусу должны
позволять многократно, быстро и удобно снимать крышку.
Наиболее простой затвор, используемый в автоклавах
Ф
фл
под откидные болты). Верхняя часть фланца крышки
и нижняя часть фланца корпуса имеют небольшие бор-
тики 1, которые придерживают болты во время их затяги­
вания. Герметизация затвора достигается посредством
канавки а шириной 10—30 мм и выступа 2 в крышке.
В канавку закладывается прокладка — металлическое
кольцо (из меди, свинца или алюминия) толщиной 1—
6 мм. При затягивании болтов 3 прокладка сдавливается
с такой силой, чтобы в ней возникли напряжения, превы­
шающие предел текучести ее материала. Материал про­
кладки при этом заполняет все микронеровности на по­
верхностях канавки и выступа.
Стяжные болты рассчитывают на такие условия, чтобы
они смогли, во-первых, выдержать внутреннее давление
на крышку, а во-вторых, создать необходимое для герме­
тизации давление на прокладку. У крупных автоклавов
стяжные болты делают большого диаметра (около 100 мм).
Для их затягивания простым гаечным ключом иногда
не хватает мускульной силы человека, поэтому требуются
специальные механизмы (гайковерты). Отечественной про­
мышленностью освоен выпуск гайковертов с электропри­
водом, пневмоприводом и комбинированных — пневмо­
гидр ав л ических.
На рис. 189 приведена конструкция байонетного за­
твора, который лучше, чем предыдущий, отвечает специфи­
ческим требованиям и часто используется в автоклавах
высокого давления.
Байонетный затвор состоит из двух основных узлов:
узла, предназначенного для восприятия внутреннего дав­
ления на крышку, и герметизирующего узла. Первый узел
конструктивно решен следующим образом. В крышке 1
автоклава сделано несколько приливов 6, имеющих форму
четырехгранных призм. На внутренней стороне корпуса 7
автоклава располагаются подобные же приливы 5. Когда
крышка вставляется в корпус автоклава, приливы 6 попа­
дают во впадины между приливами 5. Затем крышку пово­
рачивают вокруг ее оси, причем приливы 6 становятся под
приливами 5. В таком положении при создании давления
внутри автоклава крышка будет удерживаться приливами.
Герметизирующий узел байонетного затвора состоит
из металлической прокладки 2, которая укладывается
в кольцевую канавку корпуса. Прокладка сдавливается
с помощью нажимного кольца 3, прикрепляемого к кор­
пусу автоклава шпильками 4. Шпильки предназначены
лишь для сдавливания прокладки 2 , поэтому они значи­
тельно меньше по диаметру, чем болты во фланцевом за-
творе. Не нужны для байонетного затвора и массивные
фланцы.
Современные конструкции автоклавов имеют меха­
низмы поворота и открывания крышек. На рис. 190 при­
ведена схема механизма поворота крышки автоклава
с байонетным затвором. Механизм состоит из электродви-
Рис. 190. Схема механизма
поворота крышки автоклава
гателя 1, винта 3, подшипников 2 и 6, траверсы 4 с гай­
кой 5 и поводка 7. Поводок закреплен на крышке авто­
клава 8, а весь механизм — на корпусе автоклава. Винт 3
приводится во вращение с помощью электродвигателя 1
через понижающии червяч­
2
з
ный редуктор. При вра­
щении винта 3 гайка 5
вместе с траверсой 4 пере­
мещается вдоль винта.
Пальцы траверсы переме­
щают поводок 7, повора­
чивая крышку на опреде­
ленный угол, после чего
электродвигатель 1 отклю­
чается. Подобный меха­
низм применим в гори­
зонтальных и вертикаль­ Рис. 191. Схема механизма откры­
ных автоклавах.
вания крышки в вертикальном
автоклавеМеханизм открывания
крышки для вертикального
автоклава показан на рис. 191. Он состоит из электропри­
вода 7, гайки 6, винта 4 , кронштейна 5 с шарнирными
опорами 8 и 3 и траверсы 2. Гайка 6 связана с шарнир­
ной опорой 8, с которой соединен и электропривод 7.
При вращении винта 4 создается осевая сила, которая
поворачивает крышку 1 вокруг шарнира 3. Винт при этом
ввертывается в гайку 6. Винт и гайка при открывании
крышки поворачиваются на некоторый угол вокруг шар­
нира 8.
В|
Механизм открывания крышки горизонтального автоклава принципиально мало отличается от рассмотренного
выше механизма. Полное время открывания или закрыва­
ния крышки механизмами 40—80 с.
Мощность электродвигателей механизмов поворота и
открывания крышки зависит от диаметра автоклава. На­
пример, для автоклавов диаметром 1000 мм используются
электродвигатели мощностью 1 кВт, диаметром 3000 мм —
2,8 кВт.
Мешалки. Мешалка состоит из вала, к которому кре­
пится перемешивающее устройство: лопасти, пропеллер
турбина. К наиболеераспроп
страненным типам мешалок
относятся: лопастные, рам­
ные, якорные, пропеллерные,
Рис. 192. Лопастная мешалка
Рис. 193. Рамная мешалка
турбинные. Лопастные, якорные и рамные мешалки отно­
сятся к числу тихоходных мешалок. Они имеют отно­
сительно большие размеры и малую частоту вращения
(обычно не более 80 об/мин).
Простейшая лопастная мешалка имеет две горизон­
тальные лопасти (рис. 192). В аппаратах больших размеров
применяют лопастные мешалки с двумя и тремя парами
лопастей. Отношение размаха лопасти к диаметру аппа­
рата обычно равно 0,6—0,7.
В случае необходимости сообщения жидкости частич­
ного вертикального перемещения, например при необхо­
димости взмучивания осадков, лопастные мешалки делают
с наклонными лопастями (обычно с углом наклона 45°).
Д ля перемешивания вязких жидкостей и суспензий,
а также для перемешивания больших объемов жидкости
применяют рамные мешалки, состоящие из двух пар гори­
зонтальных лопастей, соединенных одной или несколькими
парами вертикальных планок (рис. 193). Якорные мешалки
применяют для обработки вязких и застывающих жидко-
стей. Профиль якорной мешалки повторяет очертания
аппарата, и при вращении она не допускает налипания
жидкости на стенках аппарата или образования около
стенок застойных мест (рис. 194).
Недостатки лопастных, якорных и рамных мешалок —
громоздкость и большая пусковая мощность.
171, II
Рис. 194. Якорная мешалка
Рис.
195. Пропеллерные
мешалки:
Пропеллерные мешалки имеют а — с овальными лопастями;
б
—
с
расш
иряю
щ
имися
л
о
­
три или четыре лопасти, располо­ пастями; в — с лопастями,
параллельны е
женные винтообразно. По форме имеющими
кромки
лопасти пропеллерных мешалок
могут быть овальные, расширяю­
щиеся и .с параллельными кромками (рис. 195). Лопасти
делают плоскими или с изогнутым профилем.
Пропеллерные мешалки образуют интенсивные верти­
кальные потоки жидкости, что делает их особенно эффек­
тивными при перемешивании расслаивающихся жидкостей.
Д ля улучшения циркуляции жидкости пропеллерные ме­
шалки иногда помещают в направляющие патрубки —
диффузоры.
Пропеллерные мешалки относятся к быстроходным
они имеют частоту вращения 100— 1000 об/мин. Диаметр
пропеллерной мешалки обычно принимают равным 0 3
0,4 диаметра аппарата.
Другой тип
быстроходных мешалок — турбинные
мешалки (рис. 196), работающие по принципу рабочего
колеса центробежного насоса. Турбинка всасывает жид­
кость, и центробежная сила отбрасывает ее к периферии.
1урбинные мешалки бывают открытыми (рис. 196 а и г )
и закрытыми — одностороннего (рис. 196, б) и двусто­
роннего (рис. 196, в) всасывания.
'<
Наряду с описанными выше основными типами меша­
лок некоторое применение находят различные типы спе­
Рис. 196. Турбинные мешалки
Рис. 197. Спиральная мешалка
циальных мешалок. Спиральная мешалка, показанная
на рис. 197, обеспечивает интенсивное перемешивание
жидкости вблизи стенок аппарата.
Планетарные мешалки применяются для перемешива­
ния особо вязких продуктов. Лопасти планетарной мешал­
ки описывают сложную траекторию, что способствует
хорошему перемешиванию продукта.
Мешалки изготовляют из различных металлических
и неметаллических, механически прочных материалов.
Лопасти делают, как правило, съемными. Ступица
мешалки крепится на валу на шпонке. От осевого переме­
щения мешалка предохраняется стопорными винтами или
концевыми кольцами. Клиновое соединение ступицы с ва­
лом наиболее целесообразно применять в тех случаях,
когда резьбовые соединения в аппарате нежелательны.
Стальные эмалированные мешалки делают обычно
цельносварными. Эмалированные мешалки не должны
иметь острых углов, поэтому их большей частью делают
из труб и скругляют все углы.
При конструировании разъемных мешалок с антикор­
розионным покрытием необходимо обеспечить надежную
защиту мест разъема. Удачной в этом отношении является
конструкция разборной гуммированной мешалки с на­
клонными лопастями. Ступица мешалки имеет форму
усеченной четырехгранной пирамиды, а к валу мешалки
приваривается четырехгранная тумба такой же формы.
Осевое давление жидкости и сила тяжести (вес) мешалки
прижимают лопасть к трубе вала. Мешалка вращается
только в одном направлении, при котором поток жидкости
направлен снизу вверх.
При изготовлении мешалок следует тщательно соблю­
дать симметрию лопастей. Быстроходные мещалки балан­
сируются. Окончательную балансировку мешалок с анти­
коррозионным покрытием производят после нанесения
защитного слоя.
§ 45. Приводы мешалок и уплотнения вращающихся
валов
Привод мешалки состоит из электродвигателя, редук­
тора и стойки под редуктор. Наибольшее применение
для приводов мешалок находят вертикальные редукторы
с планетарной передачей типа МПО, удовлетворяющие
практически всем требованиям химической и нефтехими­
ческой промышленности.
Быстроходные мешалки соединяются непосредственно
с электродвигателем или через клиноременную передачу.
Ранее были широко распространены червячные приводы
мешалок, теперь они не находят широкого применения
из-за низкого к. п. д.
Приводы мешалок во взрывоопасных цехах снабжают
взрывозащищенными электродвигателями. Устройство
приводов в помещениях, содержащих особо взрывоопас­
ные вещества (водород, сероуглерод и т. д.), не допу­
скающих установку электродвигателей, представляет не­
которые трудности. Двигатель в этих приводах обычно
выносят в соседнее безопасное помещение, а передача
к мешалке осуществляется с помощью вала, проходящего
через стену. Вал в стене уплотняется сальником. Приме-
нение трансмиссий с ременными передачами во взрыво­
опасных цехах ре допускается из-за опасности накопле­
ния на ремнях статического электричества.
Привод устанавливается на стальную сварную или
чугунную литую стойку, которая опирается на плиту или
«платики» — уступы, приваренные к крышке аппарата
Мешалка соединяется с выходным валом привода нродольно-свертной или дисковой муфтой.
'ф одоль
ппт.ыо«йДСТВИе некотоР °й несимметричности мешалки и
волнообразования в жидкости на вал мешалки действуют
6)
^
Рис. 198. Схемы приводов мешалок:
подш ипников; б с концевым подш ипником; в — с п о о м еж у
точными подш ипникам и в стойке
У‘
С
1 о н и 3е В« « П° ^ " Т е Л Ь Н Ы Х
Рис. 199. Натяжной саль­
ник
ные^силы^Ипр <рилы* вызывающие значительные попереч
поперечные^силы^действVюшие^“
Чт° бы ум“
ь
привода, мешалку снабжают
11 подшипники
0Я
к°нцевым подшипником
(подпятником) (рис. 11 ТО)
|
ти его
3 В сл Учае невозможности
л и м ю ? “ Ром°еж?то"™еИн о д ° ^ ~ ”
ГОЙ
У"РУ-
шипников (см ПИС 1ЧЯ
а?
концевых подтолько при небольших пЯ1рпЦаеЛеС00браЗН0 ^ м е н я т ь
концевых подшипников н е ж е л а т е л ь н а ^ * Установка
аппаратах и при работе с а б ^ и И Л
Футерованных
пятники с глухим концом устанавливать 2 Е Г & Й ;
так как в них накапливаются грязь и осадки. Наиболее
целесообразна конструкция подпятника со съемной пли­
той, которая обеспечивает быструю его замену и хорошую
центровку.
Узел уплотнения вала является чрезвычайно ответ­
ственным, особенно при работе с ядовитыми и взрывоопас­
ными продуктами и в аппаратах, работающих под вакуу­
мом.
В качестве уплотнений валов наиболее широко приме­
няют натяжные сальники. Сальник (рис. 199) состоит из
Рис. 200. Сальник с охлаждением:
/
сальниковая коробка с рубашкой; 2 — наж имная
крышка; 3 — грунд-букса; 4 — сальн и ковая набивка
корпуса сальниковом коробки 1, нажимной крышки 2,
грунд-буксы 3 и сальниковой набивки 4. Грунд-буксу
обычно изготовляют из чугуна или бронзы. При высокой
температуре в аппарате или интенсивном трении сальники
делают охлаждаемыми (рис. 200).
В аппаратах повышенного давления применяют саль­
ники с большой высотой набивки и принудительной пода­
чей масла под давлением, которое подводится в кольцо,
расположенное между двумя слоями набивки. Масло
в данном случае не только обеспечивает смазку сальника,
но и служит гидравлическим затвором. В качестве набивок
применяют различные волокнистые материалы, пропитанграфитомЗМИ' В°СК0М’ синтетическими материалами или
Наиболее широко используют промасленные асбесто­
вые или хлопчатобумажные шнуры круглого или квадрат­
ного сечения. Хорошими антифрикционными свойствами
обладают материалы на основе фторопласта (ФУМ) котогтЫе выпУскаются в виде ленты или круглого шнура
При больших частотах вращения, высоких давлениях
и температурах применяют сальники с твердой набивкой
выполненной из разрезных колец из цветных металлов’
твердых пластических масс или прессованных графитов.
1олщина сальниковой набивки 5 определяется по эм­
пирической формуле
5 “ (1,5 -г- 2,5) У й мм,
где | — диаметр вала, мм.
Высоту сальниковой коробки принимают (5—8) $ а
для высоких давлений ( 10-4- 12) 5 .
Все большее применение находят торцовые уплотне­
ния. Основной элемент торцового уплотнения состоит
из двух колец — подвижного (вращающегося) и неподвиж­
ного, которые прижимаются одно к другому по торцовой
поверхности с помощью пружин.
Таким образом, в отличие от натяжных сальников, в ко­
торых уплотнение осуществляется на цилиндрической
поверхности вала, в торцовом уплотнении герметичность
обеспечивается путем контакта двух кольцевых поверх­
ностей. Подвижное кольцо связывается с валом, непо­
движное— с корпусом аппарата.
Торцовые уплотнения имеют существенные преиму­
щества: они работают с незначительной утечкой газа;
в период нормальной работы не требуют обслуживания;
правильно подобранные торцовые уплотнения отличаются
большой^ устойчивостью и долговечностью. Самый ответ­
ственный элемент торцового уплотнения — пара трения.
Надежность работы уплотнения зависит в основном от ма­
териала и качества обработки трущихся колец. Обычно
одно кольцо изготовляют из более твердого материала.
Наиболее широко применяют следующие материалы в раз­
личных комбинациях: кислотостойкую сталь, бронзу,
керамику, графит, фторопласт и твердую резину.
Материалы на основе графита имеют высокую кислотостойкость и не требуют специальной смазки. Керамиче-
ские кольца, применяемые в парах трения, имеют исклю­
чительную химическую стойкость, высокую твердость
и износоустойчивость. Недостатки керамических колец —
пористость и склонность к растрескиванию.
Трущиеся поверхности должны быть отшлифованы
и тщательно притерты. Одинарное торцовое уплотнение
(рис. 201) состоит из следующих основных деталей: сильфона /, приваренного к стакану 2 и неподвижному кольцу,
Охлаждающая
жидкость
Охлаж да ю щ а*
жидкость
Рис. 201. Одинарное
торцовое
уплотнение
вращающегося кольца 3 и водила 5. Трущиеся кольца
закрыты кожухом 6 , связанным с фланцем. Водило кре­
пится на валу аппарата и связано винтами с подвижной
втулкой 4. В корпус уплотнения подается охлаждающая
жидкость, которая служит также смазкой трущейся пары.
Двойные торцовые уплотнения сложнее по конструк­
ции, но обеспечивают более высокую герметичность. Уплот­
нение имеет две пары уплотнительных колец, в про­
странство между которыми подается под давлением уплот­
няющая жидкость, которая не дает возможность среде
выходить из аппарата. Кольца прижимаются пружинами.
Подвижные кольца и пружины крепятся на втулке, за­
крепленной на валу аппарата. В пространство уплотнения
вводится уплотняющая жидкость под давлением, не26&
сколько превышающим рабочее давление в аппарате
Уплотняющая жидкость подается с помощью специального
насоса или за счет давления в аппарате, для чего над
уплотнением на высоте не менее 2—3 м устанавливают
баллон с уплотняющей жидкостью емкостью 10_20 л
верхняя часть которого соединена с пространством аппа­
рата Гидростатическое давление столба жидкости обеспечивает противодавление уплотнительной жидкости в
уплотнении. В качестве уп­
лотнительной жидкости при­
меняют
воду,
смазочное
масло, глицерин, этиленгликоль, а также другие жидко­
сти, попадание которых в
рабочую среду не вызывает
порчу продукта. Двойные
торцовые уплотнения имеют
охлаждающую рубашку.
При высоких давлениях
и температурах тщательное
уплотнение сальника стано­
вится затруднительным, по­
этому стали использовать так
называемый бессальниковый
привод мешалки. В аппаратах
с бессальниковым приводом
энергия передается на вал ме­
шалки посредством вращаю­
щегося магнитного поля, раз­
виваемого статором асинхрон­
ного электродвигателя.
Рис. 202. Бессальниковый при­
Бессальниковый привод
вод мешалки
мешалки состоит из следую­
щих основных частей: асинхронного электродвигателя
статор 1 которого отделен от ротора 2 неподвижной экра­
нирующей гильзой 3\ вала 4 мешалки 10, на конце кото­
рого смонтирован ротор; герметичного корпуса 5 и пере­
ходного стакана 6 (рис. 202).
Вращающееся магнитное поле, создаваемое статором 1
заставляет вращаться ротор 2, а вместе с ним и вал 4 ме­
шалки. Экранирующая гильза 3 изготовлена из металла
с высокой магнитной проницаемостью (медь) толщиной
0,5— 1 мм. Она запрессована в статоре. Тонкостенная
гильза может выдержать высокие давления благодаря
тому, что она опирается на статор. Сверху экранирующая
гильза закрыта крышкой 7. Герметичный корпус 5, в ко­
тором смонтирован статор с экранирующей гильзой, при­
соединяется к переходному стакану 6, который закреплен
на корпусе реактора.
Таким образом, внутренние полости реактора, переход­
ного стакана и экранирующей гильзы составляют единую
полость, которая надежно герметизируется с помощью
алюминиевых прокладок 8.
Если рабочая среда в реакторе оказывает корродирую­
щее действие на ротор, то во внутреннюю полость экрани­
рующей гильзы подводят инертный газ. Давление его
должно превышать давление рабочей среды внутри реак­
тора. Статор охлаждается трансформаторным маслом,
прокачиваемым через корпус 5. Это масло охлаждает также
и экранирующую гиЛьзу, а через нее и ротор. Масло
поступает в корпус через нижний штуцер /, а выходит
через штуцер II. Масло можно частично охлаждать водой,
поступающей в рубашку 9 через штуцер I I I , а выходя­
щей из нее через штуцер IV. При больших тепловыделе­
ниях электродвигателя окончательное охлаждение масла
производится в отдельном теплообменнике.
Г л а в а XIV.
РЕАКТОРЫ ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО
ПРЕВРАЩЕНИЯ ТВЕРДЫХ
ВЕЩЕСТВ
§ 46. Конструкции реакторов, в которых один
из реагентов находится в твердом состоянии
Химические реакторы, в которых одна из фаз нахо­
дится в твердом состоянии, используют в промышленности
значительно реже, чем реакторы других типов. Кусковой
или зернистыи твердый материал имеет ограниченную
поверхность контакта с газообразной или жидкой фазой
слои из таких материалов плохо проводят тепло, переме­
шивание очень затруднено. Все это вызывает необходи­
мость использования специальных устройств для пере­
мешивания частиц или кусков твердого материала внутри
реактора. Наиболее удачно эта задача решается при ис­
пользовании аппаратов с псевдоожиженным слоем дисперс­
ного материала. Типичным химическим реактором с твер­
дой фазой, находящейся в псевдоожиженном слое яв­
ляется печь обжига колчедана типа КС.
’
Печь КС для обжига колчедана (рис. 203) используется
в производстве серной кислоты. Она имеет вертикальную
цилиндрическую камеру, стальной корпус 2 которой футе­
рован огнеупорным материалом. Камера опирается на
четыре стойки опорной рамы /. Диаметр корпуса 5 м,
высота 13 м. В нижней части печи расположена подовая
плита 6 с большим количеством сопел, через которые пода­
ваемый воздух равномерно распределяется по всему сече­
нию камеры. Воздух к соплам подводится из камеры 3
в которую он подается через штуцер V.
Загружаемый в печь дробленый колчедан со средним
размером частиц 6 мм образует псевдоожиженный слой
возвышающийся над подовой плитой примерно на 1 м.
В камере печи поддерживается температура около 800 °С .
При обжиге колчедана он разлагается с образованием
сульфида железа и серы. Пары серы сгорают с образова­
нием двуокиси серы, идущей в дальнейшем на получение
серной кислоты. При сгорании серы образуется большое
количество тепла, которое идет на нагрев реагирующей
массы до необходимой температуры и частично отводится
через теплообменные элементы 5 и 7, расположенные
внутри псевдоожиженного слоя. Образующиеся в резуль­
тате обжига колчедана газы удаляются через верхний шту­
цер на охлаждение в
котле-утилизаторе, а за­
тем на разделение.
Дутьевая распреде­
лительная решетка 1
(подовая плита) изготовляется
листовой
стали (рис. 204), в ко­
торой
высверливается
определенное
количеУробень
спокойного
слоя
обжига
Рис. 204. Конструкция
дутьевой^ распределитель­
ной решетки:
1 — штуцер для ввода колчедана; I I — ш ту­
цер для подачи воздуха; I I I — штуцер для
подачи газа; I V — отверстие д ля выгрузки
огарка; V — штуцер для подачи воздуха;
, штуцер для ввода вторичного воздуха;
VI I
отверстие д л я выхода обжигового газа
1 — распределительная р е ­
шетка; 2 — футеровка из
огнеупорного кирпича; 3 —
патрубок; 4 — гайка; 5 —
камера; 6 — распределитель­
ный вкладыш
Рис. 203.
Печь типа КС для
колчедана:
ство равномерно расположенных отверстий под сопла
Образующийся в печи огарок через провальную решет­
ку У (см. рис. 203) поступает в бункер 4. Огарок из бункера удаляется с помощью шнека-гасителя, герметично
соединенного с выпускным штуцером бункера. В шнекгаситель впрыскивается вода, что позволяет снизить тем­
пературу огарка до 70—80° С. Охлажденный огарок
в дальнейшем системой шнеков или пневмотранспортом
подается либо в железнодорожные вагоны, либо в авто­
машины-самосвалы.
В пусковые периоды для розжига печи служат фор­
сунки 8. Вторичный воздух, необходимый для дожита
частиц колчедана, подается через коллектор 10.
Печи типа КС имеют суточную производительность
по сухому сырью до 200 т.
некоторых случаях в результате химического взаимодействия твердого материала с жидкостью образуется
сплошная кристаллическая масса, которую с целью вы­
грузки из реактора приходится подвергать воздействию
механических ножей, как это делается, например в суперфосфатной камере (рис. 205). Эта камера используется
в производстве суперфосфата. Она состоит из цилиндри­
ческого железобетонного корпуса 1 со стальным кожухом
и бетонным днищем 2, карусели 7 с ножами 6, бетонной
крышки 9, неподвижного поперечного щита 4 и приводов
камеры и карусели.
у
д
Работает камера следующим образом. Внутрь камеры
непрерывно загружается до определенного уровня густая
суперфосфатная пульпа (смесь порошкообразной фосфат“ УКИ и „сеРнои кислоты). Камера вращается вокруг
Г н т Г т п Т я ЧУГУНН° Й ТРУбЫ 5 ’ У л о в л е н н о й на фундаШ
р б
жестко соединена с бетонной крышкой 9
кольцом Н
М
И неподвижный щит 4. Стальным
кольцом, прикрепленным к днищу, камера опирается
дитсГвоК «пяпТаН0' ВЛеННЫе НЭ ФУндаменте- Камера приворедуктоо Ш и НИЛ , ° Т элеКтРодвигателя через червячный
м у к и Т ^ п и - химическом взаимодействии фосфатной
уки с серной кислотои, поданных внутрь камеры ок ол о
щита 4, образуется суперфосфатный пирог Частота во а
щения камеры должна быть такой, чтобы за время опного
Й
ИИ
Ь ДГ аТО"
НО 3
а™Р^
Ж6
для Ш
вырезки.
Суперфосфат
вырезается
ножами
закое
кальном ияли “аРУСеЛИ Л КаРУсель подвешена | верти
иого по»»опУа У ри Камеры и 1 Ш
ОТ индивидуаль|ж и
карусели
'
трубе ^п ерф осф ат гиктупае ^ из
В этой
транспортер 3 достав л ятптггй
Камеры на ленточный
Ппл н р ’ доставляющий его на склал
__ Производительность камеры ди ам етров 7 м достисуперфосфата
с барабанными сушилками (см. рис. 91). Пример практиче­
ского использования химических реакторов типа вращаю­
щейся барабанной печи можно найти в производстве каль­
цинированной соды, где обжиг известковой мелочи и га­
шение извести производят во вращающихся барабанных
аппаратах.
6
Рис. 205. Суперфосфатная камера непрерывного действия
В тех случаях, когда твердая фаза допускает ее пере­
работку в плотных слоях, находят применение в качестве
химических реакторов аппараты шахтного типа. Приме­
ром аппарата этого типа может служить шахтная печь для
производства кальцинированной соды (рис 206) Печь
представляет собой цилиндрической формы шахту 4
272
с внутренним диаметром 4,5 м и высотой до 17 м. Ш ахта
выложена из обыкновенного кирпича и футерована огне­
упорным кирпичом. Между слоями обыкновенного и огне­
упорного 6 кирпича уложен теплоизоляционный мате­
риал 5. Снаружи шахта заключена в стальной кожух 3.
Кладка печи опирается на
металлическое кольцо, рас­
положенное на чугунных
колоннах, которые уста­
новлены на железобетон­
ном фундаменте. Шихта
(смесь известняка с коксом)
загружается автоматиче­
ски в печь через загрузоч­
ное устройство 1. Разло­
жение известняка с обра­
зованием извести произ­
водится при высокой тем­
пер атуре (1ООО— 1300° С).
Слои шихты,
опускаю­
щиеся по шахте, подсу­
шиваются и нагреваются
до требуемой температуры
поднимающимися
горя­
чими газами, образующи­
мися в результате сгора­
ния кокса. Газы, выделен­
ные при обжиге извести
и сгорании кокса, содер­
жащие до 40% окиси угле­
рода, удаляются из шахты
по трубе 2. Обожженная
известь выгружается из
нижней части печи при
помощи медленно вращаюI
щегося пода 8. Под представляет собой круглую
спиралеобразную плиту, ^ ИСв ^06 . Известково-обжигательприводимую во вращение НЗЯ печь с вРа*Цающимся подом
ВШ Ш щ Ш аН М
1 Ш 1I .
воздух, необходимый для е ж и г а н и я И В я И Р подается
известь падает с пола ня
топлива. Обожженная
она „опадает 1 И
Н
Н
I
« второго!
выгрузочный вращающийся транспор-
тер 10. С транспортера известь по течке 12 подается в ло­
пастной питатель 13. Обжиг извести заканчивается в ниж­
ней части шахты, там она охлаждается поступающим изпод колпака 7 холодным воздухом.
Средняя производительность шахтных печей состав­
ляет от 120 до 150 т извести в сутки.
В реакторах рассматриваемого типа наиболее ответ­
ственными узлами являются вращающиеся мешалки,
скребки, фрезы и уплотнения, подверженные значитель­
ном эрозии при контакте с твердой фазой. Это предъ­
являет определенные требования к выбору их конструк­
ции и материалов для их изготовления.
Г л а в а XV.
РЕЗЕРВУАРЫ И ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ
ЕМКОСТНАЯ АППАРАТУРА
§ 47. Устройство емкостных аппаратов
В химической и нефтехимической промышленности
применяется большое количество резервуаров и вспомога­
тельной емкостной аппаратуры: напорных баков, мерни­
ков, разделительных (флорентийских) сосудов и т. д.
Емкостную аппаратуру применяют для продуктов, весьма
различных по своим свойствам, в том числе для пожаро­
взрывоопасных, летучих, агрессивных и застывающих
жидкостей, в связи с чем предъявляются определенные
требования к конструкции емкостных аппаратов. Наиболее
ответственными являются резервуары большой емкости.
Ц Увеличением объема резервуара уменьшаются удельный
расход металла на единицу объема, площадь, занимаемая
резервуаром, и длина коммуникации, вследствие чего
резервуар становится более экономичным, отсюда стремле­
ние максимально увеличить объем резервуаров.
Строят резервуары следующих конструкций: цилин­
дрические (вертикальные и горизонтальные), каплевид­
ные, шаровые и специальных типов. Ограниченное приме­
нение находят прямоугольные резервуары. По способу
установки резервуары могут быть наземными, полуподземными и подземными.
Наиболее широко применяют вертикальные цилиндри­
ческие резервуары с плоским дном и конической крышей
Их изготовляют емкостью до 50 ООО м3.
Вертикальные цилиндрические резервуары (рис. 207)
состоят из нескольких царг (поясов), толщина которых
возрастает сверху вниз по мере роста гидростатического
давления. Наименьшую толщину листа по условиям жест­
кости принимают 4 мм. Отдельные пояса сваривают вна­
хлест и располагают телескопически.
В СССР создан прогрессивный способ изготовления
Этот
в том, что отдельные сварные заготовки (полотнища) боко­
вых стенок и днища сворачиваются в рулоны. После транс­
портирования рулонов на строительную площадку их
разворачивают, а затем сваривают стыки.
Рулонный способ в несколько раз сокращает объем
сборочно-сварочных работ на монтажной площадке. При
изготовлении резервуаров рулонным способом сварка
производится встык. Плоское днище резервуара опирается
на специально подготовленное бетонное или песчаное
основание.
Верхний край резервуара снабжают кольцом жесткости из угольника или полосы. Коническую крышу
Д-А
ВЦ.-»—
н
1
В
г
II
II
я
1__
I
Г 11
.0=22880
Продольный разрез
Рис. 208. Горизонтальный цилинд
ри чески й резервуар
Рис. 207. Вертикальный цилиндрический резервуар
резервуара опирают на балки, связанные в центре коль­
цом. При больших размерах резервуара крыша опирается
в у ар а° МежУТ0Чные Кол°нны, установленные внутри резерГоризонтальные цилиндрические резервуары (рис. 208).
находят самое различное применение. Их изготовляют
объемом до 200 м3, длиной до 20 м.
При хранении летучих нефтепродуктов применяют
резервуары с понтонами. Понтоны (поплавки) уменьшают
поверхность испарения, что существенно снижает потери
продукта при хранении.
Опоры под горизонтальные резервуары делают сталь­
ными, приваренными к корпусу резервуара, или в виде
бетонных тумб с седловиной. Предпочтительны стальные
опоры.
Стальная опора состоит из горизонтального листа (подошвы) и вертикальных ребер, связывающих его с ко опусом резервуара. Угол обхвата резервуара стальной или
бетонной опорой должен быть не менее 120° На резеовуарах, подверженных температурным колебаниям одну
опору делают жестко закрепленной, а другие - погвиж
ными. При значительных температурных колебаниях под­
вижные опоры устанавливают на ролики.
Горизонтальные резервуары больших размеров укре­
пляют кольцами жесткости, располагаемыми внутри ре-
Рнс. 209. Каплевидный резервуар с опорным кольцомднище; 2 - корпус; 3 - лестница; 4 - площадка- 5
™
*
площ адка, 5 — опорное кольцо
зервуара (если это возможно) или снаружи П п « Ш г
нем расположении колец жесткости их иио'г
внУтРен'
распорками в форме т р е у г о л ь ™
у к Репля1от
располагают над опорами
К° ЛЬЦа *<*™ости
то влят^пло ским и, тарельчатымиИеппРе3е*ЗВУаРЫ
липтическими днишами
Плп
И
З
Г
О
'
п°лушаровыми и эл-
применяют ” р и НдТ вГ„инПГ р ? а ер в \а ^ Рг Ь о Т ,е мД йГга
При более высоком давлении устанай Л п ^ ° ’° 5 МН/м или эллиптические днища.
навливают полушаровые
ЯН 1а
на
рисК209ТРНедо2татокЛкапД
Н
О
ГО
доказана
педостаток каплевидных резервуаров — сл
слож-
ность изготовления из штампованных элементов разной
формы.
и сжиженных газов применяют шаровые резервуары.
Шаровые резервуары опираются на экваториальную
(рис. 210) опору. Резервуары, работающие при повышен­
ном давлении и имеющие вследствие большой толщины
стенки значительную жесткость, опирают на нижние опо­
ры, приваренные к нижнему усиленному поясу.
Рис. 210. Шаровой резервуар
Шаровые резервуары изготовляют емкостью до 2000 м3
избыточное давление в них составляет до 1,4 МН/м2!
Прямоугольные резервуары (коробки) наиболее про­
сты в Изготовлении и позволяют наилучшим образом ис­
пользовать площадь помещения, в котором они устано­
влены. Однако расход металла на единицу объема у них
в 3 4 раза больше, чем у цилиндрических, вследствие
значительных изгибающих моментов, возникающих в пло­
ских стенках. Поэтому прямоугольные резервуары боль­
шой емкости изготовлять нецелесообразно. Прямоуголь­
ные резервуары применяют для хранения небольших
278
-
'
объемов жидкости, в качестве кожухов сушилок и для
других вспомогательных целей.
Стенки прямоугольных резервуаров обычно связывают
уголками для повышения жесткости конструкции Пои
значительных размерах коробки устанавливают также
горизонтальные и вертикальные ребра жесткости на боко­
вых стенках. Если это допускают внутренние устройства
прямоугольные резервуары больших размеров снабжают
внутренними связями, которые выполняют из проката
или стержней со стяжными гайками.
Прямоугольные резервуары устанавливают на сплош­
ное основание или на ряд параллельных балок. Наиболь­
шее возможное расстояние между балками определяется
расчетным путем.
Резервуары для кислот и различных агрессивных
продуктов защищают антикоррозионными покрытиями.
Кислотные резервуары являются ответственными конст­
рукциями и требуют надежной антикоррозионной за­
щиты. Обычно кислотные резервуары футеруют кислото­
упорным кирпичом с непроницаемым подслоем из поли­
изобутилена или резины. Кислотные резервуары уста­
навливают не на сплошное-основание, а на ленточные
фундаменты или балки, чтобы иметь доступ к днищу для
осмотра. Толщину стенок футерованных резервуаров
обычно несколько увеличивают против расчетной для
придания им дополнительной жесткости.
Устройство нижних спусков на кислотохранилищах
нежелательно, так как повреждение спускного штуцера
или запорной арматуры при наличии кислоты в резервуаре
представляет существенную опасность. Жидкость из ки­
слотных резервуаров сливают обычно через сифон. Ки­
слота засасывается в сифон под действием вакуума.
Для удаления жидкости из резервуаров небольшой
высоты применяют также погружные центробежные на­
сосы. Рабочее колесо этого насоса насажено на длинный
вал, пропущенный через корпус насоса. Привод нахо­
дится на крышке резервуара. Всасывающий патрубок
насоса опущен в жидкость, расстояние его от дна аппарата
принимают обычно 40—60 мм. Глубина погружения на­
соса до 3 м. Погружные насосы применяют обычно в тех
случаях, когда устройство нижнего спуска нежелательно
из-за свойств продукта (например, при высокой темпера­
туре жидкостей), а также в случае, когда резервуар за­
глублен в землю или установлен на нулевой отметке
и установка центробежного насоса ниже дна резервуара
представляет трудности.
Резервуары для хранения застывающих жидкостей
снабжают устройствами для обогрева. Д ля обогрева применяют теплообменные элементы (змеевики, полутрубы
уголки), приваренные к корпусу, или внутренние подо­
греватели. Внутренние подогреватели изготовляют в виде
-образных теплообменников, которые вставляются в бо-
1
N
/
И
I
И
л
/1
и
Т 1----- ----ИВ
11*ди
йдОбяВИиНЯияБн
ч=т|
1
Г
л— 1
Г
Г
1
Г
Рис, 211. Дыхательный клапан
ковые люки, или в виде секционных труб (трубчатых сек­
ционных подогревателей), укладываемых на дно резерД ля хранения суспензий, склонных к выпадению
« У Ш Ш Й
резервуары с мешалками; мешалки
могут быть стационарными и съемными.
1 1 |Н | РезеРвУаРах И легколетучих горючих жидкостей
п я^Р ди ЛИВаЮТ ТЭКЖе УстР°йства» предназначенные для
разъединения внутреннего пространства резервуара с ат­
мосферой — дыхательные клапаны. В корпусе 1 дыхательного клапана (рис. 211) установлены две тарелки 2 одна
из которых приподнимается над седлом 3 при выходе
воздуха из резервуара, а другая — при входе воздуха
в резервуар В период, когда движение воздуха («дыхание»
резервуара) в клапане отсутствует, тарелки клапана за280
крыты. Д ля предохранения тарелок клапана от при­
мерзания их поверхность покрывают фторопластовой
пленкой.
Для предотвращения проникновения внутрь резервуара огня и искр перед дыхательным клапаном устанавли­
вают огнепреградитель; это коробка, заполненная мед­
ными кольцами, комплектом сеток или гофрированными
медными или алюминиевыми лентами. Пламя, попавшее
в огнепреградитель, гаснет вследствие быстрого охла­
ждения.
В нижней части резервуара обычно устраивают люк
для очистки и ремонта резервуара.
Вспомогательная емкост
ная аппаратура. Наряду с
резервуарами, предназначен­
ными для хранения больших
объемов жидкости, в химиче­
ской и нефтехимической про­
мышленности
применяется
вспомогательная емкостная
аппаратура: напорные баки,
мерники, флорентийские со­
суды, фазоразделители и др.
Напорные баки служат
для поддержания постоян­
ного напора жидкости.
^Мерники применяют боль­
шей частью в периодических Рис. 212. Схема флорентийского сосуда
процессах для отмеривания
заданного объема жидкости.
Отмеривание производят по измерению уровня жидкости
для чего мерники снабжают поплавковым уровнемером
или мерным стеклом. Д ля более точного определения
замеряемого объема отношение высоты к диаметру у мер­
ников больше, чем у обычных емкостных аппаратов.
Мерники и напорные баки кроме патрубков наполне­
ния и слива имеют обычно переливные линии (на случай
переполнения резервуара) и краны для спуска воздуха
(воздушники).
^
Флорентийские (разделительные) сосуды служат для
разделения двух несмешивающихся жидкостей (рис. 212).
После расслаивания через нижний штуцер сливается
Оолее тяж елая жидкость, а через боковой штуцер отби­
рается легкая жидкость.
Фазоразделители служат для разделения жидкой и га­
зовой фазы. Они представляют собой небольшие емкост­
ные аппараты, в которых газожидкостная смесь расслаи­
вается, что дает возможность разделить ее на два потока.
Емкости для хранения газообразных продуктов назы­
вают газгольдерами. Различают газгольдеры постоянного
и переменного объема.
Газгольдеры постоянного объема представляют собой
резервуары, рассчитанные на давление 2—2,5 МН/м2
(в некоторых случаях и на более высокое давление).
Изменение количества хранимого в них газа приводит
к уменьшению давления внутри газгольдера.
Газгольдеры переменного объема обычно работают при
давлении не более 0,065 МН/м2. Их подразделяют на сухие
и мокрые. Мокрые газгольдеры представляют собой коло­
кол, плавающий в водяном бассейне. По мере уменьшения
количества хранимого газа колокол опускается в бассейн,
при этом внутренний его объем соответственно умень­
шается. Сухой газгольдер имеет перемещающуюся верти­
кально крышу, связанную со стенками гибкой мембраной
или имеющую на краю уплотняющий сальник.
Щ
Г л а в а XVI.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
ДАВЛЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
ЖИДКОСТЕЙ
§ 48. Основные рабочие параметры и виды насосов
Насосы — машины, предназначенные для создания по­
тока жидкой среды. Они широко применяются в химиче­
ской и нефтехимической промышленности, где большин­
ство производственных процессов свя­
зано с перемещением по трубопрово6
дам различных жидкостей.
Насосная установка показана на
■5
рис. 213. Она состоит из насоса 1
с приводом 2, всасывающего трубо­
провода 3, соединяющего насос с
местом забора жидкости из прием­
ной емкости 4, напорного трубопро­
вода 5, по которому жидкость под­
водится к месту назначения, напор­
ного резервуара 6. При перекачива­
нии загрязненных жидкостей на
конец всасывающего трубопровода
иногда надевают сетчатый фильтр 7.
Приводом насоса, в зависимости
от экономической и производствен­ Рис. 213. Схема насос­
ной целесообразности, служат в ос­ ной установки (Я„ —
нагнетания;
новном электродвигатели и значи­ высота
тельно реже'двигатели внутреннего Нв — высота всасы­
вания)
сгорания и турбины.
Механическая энергия от двига­
теля к насосу может передаваться непосредственно или
через передаточные механизмы. В первом случае вал дви­
гателя соединяют с валом насоса муфтой, а иногда насос
и двигатель имеют общий вал. В качестве передаточных
механизмов в насосных установках применяют редукторы,
ременные передачи, а в отдельных случаях и гидротранс­
форматоры.
Основными параметрами, характеризующими работу
насосов независимо от их принципа действия, являются
объемная подача, напор, мощность и коэффициент по­
лезного действия.
Объемной подачей насоса (} называется отношение
объема подаваемой жидкой среды ко времени (м3/см3/мин; л/с; л/мин).
Напор насоса Н есть величина, определяемая зависиМОСТЬЮ
98
где Р — давление насоса, МН/м2;
Р
плотность жидкой среды, кг/м3;
§
ускорение свободного падения' м/с2.
Коэффициент полезного действия насоса т| — отно­
шение полезной мощности Л/п к мощности насоса N 1
Л^п
11
N
Полезная мощность
— мощность, сообщаемая насо­
сом подаваемой жидкой среде и определяемая зависиМОСТЬЮ
N п = (2Р Ш
где (} — подача насоса, м3/с;
Р — давление насоса, МН/м2;
Фм
массовая подача насоса, кг/с;
Ьп
полезная удельная работа насоса, Дж/кг.
Полезная удельная работа насоса — величина, опре­
деляемая зависимостью
где Р — давление насоса, МН/м2;
р
плотность жидкой среды, кг/м3.
- Всасывание жидкости насосом осуществляется под
действием разности давления окружающей среды Р п и дав­
ления на входе в насос Ри. Чтобы всасывание происходило,
Д вление Ри должно быть больше давления насыщенных
паров перекачиваемой жидкости при данной температуре
Обычно вакуумметрическая высота всасывания при пере­
качивании холодных жидкостей не превышает 5—6 м
а при перекачивании горячих или вязких жидкостей она
значительно снижается. В последнем случае жидкости
подводят к насосу под некоторым избыточным дав­
лением.
Насосы в зависимости от принципа действия подразде­
ляют согласно ГОСТ 17398-72 «Насосы. Термины и опре­
деления» на 130 видов.
По виду рабочей камеры и сообщения ее со входом и
выходом насоса их делят на две большие группы- дина­
мические насосы и объемные насосы. Динамический насос—
насос^ в котором жидкая среда перемещается под силовым
воздействием на нее в камере, постоянно сообщающейся
со входом и выходом насоса. Объемный насос — насос
в котором жидкая среда перемещается путем периодиче­
ского изменения объема занимаемой ею камеры, попере­
менно сообщающейся со входом и выходом насоса
В промышленности наибольшее распространение полу­
чили: в группе динамических насосов — центробежные
а в группе объемных — возвратно-поступательные на­
сосы. Насосы других видов используются значительно
реже.
§ 49. Возвратно-поступательные насосы
Возвратно-поступательные насосы — насосы с прямо­
линейным возвратно-поступательным движением рабочих
органов независимо от характера движения ведущего
звена насоса. В зависимости от выполнения рабочего
органа этих насосов различают несколько видов возврат­
но-поступательных насосов. Наибольшее распространение
среди них в промышленности получили поршневые плун­
жерные и диафрагменные насосы.
У
Принципиальная схема поршневого насоса (возвратно­
поступательного насоса, у которого рабочие органы вы­
полнены в виде поршней) приведена на рис. 214.
Поршневой насос состоит из двух основных частей —
гидравлическом и приводной.
Гидравлическая часть, предназначенная для перекачки жидкости, состоит основном из цилиндра 1, в коором возвратно-поступательно движется поршень 2 со
штоком 11, и клапанов 3 и 4, помещенных в специальные
клапанные коробки. Всасывающий клапан / о т д е л я е т
внутреннюю полость насоса от всасывающего трубопрово’ а нагнетательный клапан 4 — от нагнетательного
трубопровода 6.
П
П
Г
Я
и
Л
О
и
п
о
О
П
Т 1 Л Т Т *
« /-V
А
т
Х 7
Л
Ш
Приводная часть поршневого насоса служит для передачи энергии от двигателя к поршню. Она состоит в боль­
шинстве случаев из кривошипно-шатунного механизма,
включающего кривошип 7, шатун 5, ползун 9 и направ­
ляющие 10 для ползуна. Кривошип 7 жестко посажен
на вал двигателя или редуктора и вращается вместе с ним.
Кривошип шарнирно соединен с шатуном 8, который
также шарнирно связан с ползуном 9. При вращении
кривошипа шатун 8 перемещает ползун 9 в направляю­
щих 10 взад и вперед. Благодаря этому совершает возврат­
но-поступательное движение и поршень 2, связанный
штоком 11 с ползуном.
Рис. 214. Схема поршневого насоса
одинарного действия
Поршневой насос работает следующим образом. При
движении поршня вправо (по чертежу) жидкость засасы­
вается во всасывающий трубопровод 5, под действием воз­
никающего в цилиндре разрежения приподнимает кла­
пан 3 и заполняет внутреннюю часть цилиндра 1. При
движении поршня влево давлением жидкости закрывается
клапан 3 и открывается клапан 4 , жидкость движущимся
поршнем из цилиндра вытесняется в нагнетательный тру­
бопровод 6. При этом движение поршня оказывается
неравномерным: его скорость непрерывно изменяется от
нуля в крайних положениях до максимального значения
в среднем положении.
Процессы поступления жидкости по всасывающему
трубопроводу в насос и вытеснения ее из насоса в напор­
ный трубопровод повторяются в течение всего времени
работы насоса, обеспечивая непрерывное поступление
жидкости к месту назначения.
Поршневой насос, показанный на рис. 214, подает
жидкость один раз за один полный оборот кривошипа.
Подобные насосы называют насосами одностороннего
действия.
Кроме насосов одностороннего действия, в промышлен­
ности нашли широкое использование поршневые насосы
многократного действия, в которых за один полный обо­
рот кривошипа жидкость подается в напорный трубопро­
вод два и большее число раз. В соответствии с этим они
называются насосами двустороннего, трехстороннего и
т. д. действия.
В возвратно-поступательном насосе двустороннего дей­
ствия (рис. 215) четыре клапана (по два с каждой стороны):
Рис. 215. Схема поршневого насоса
двустороннего действия
Рис. 216. Схема дифференци­
ального плунжерного насоса
два всасывающих 1 и Г и два нагнетательных 2 и 2'.
При движении поршня вправо (по чертежу) в левой
части цилиндра этого насоса происходит всасывание,
в правой
нагнетание. При обратном движении поршня,
наоборот, справа происходит всасывание, слева — нагне­
тание.
Возвратно-поступательные насосы, у которых рабочие
органы выполнены в виде плунжеров, называют плун­
жерными насосами. Они^ используются в основном для
перекачивания жидкостей под большим давлением, так
как плунжер легче уплотнить, чем поршень.
Один из типов плунжерных насосов — дифференциаль­
ный плунжерный насос показан на рис. 216. Этот насос
имеет два клапана (всасывающий 1 и нагнетательный 2)
и две камеры (рабочую 4 и дополнительную 5). Камеры
соединены между собой напорным коленом 3. При движе-
нии плунжера 7 вправо (по чертежу) в камере 4 происходит
всасывание, и она заполняется жидкостью. При обратном
движении плунжера всасывающий клапан закрывается
и жидкость через открывающийся в это время нагнетатель­
ный клапан 2 поступает в напорное колено 3. Часть жид­
кости остается в этом колене и дополнительной камере 5,
а другая часть вытесняется в напорный трубопровод 6.
При повторном движении плунжера вправо в камере 4
опять происходит всасывание жидкости, а жидкость, нахо­
дящаяся в дополнительной камере, вытесняется в нагне­
тательный трубопровод 6.
Таким образом, в дифференциальном насосе всасыва­
ние производится один раз за оборот коленчатого вала,
а нагнетание — дважды. Благодаря этому достигается
более равномерная подача жидкости в нагнетательный
трубопровод, чем в насосе однократного действия.
Корпуса насосов отливают в большинстве случаев из
чугуна, углеродистой или легированной спуш, а затем
подвергают соответствующей механической обработке.
При очень больших давлениях применяют кованые сталь­
ные корпуса, в которых рассверливаются необходимые
камеры, отверстия и т. д. В отдельных случаях насосы
изготовляют и из неметаллических материалов.
Клапаны поршневых и плунжерных насосов предна­
значены для современного периодического отделения ра­
бочей камеры насоса от всасывающего и нагнетательного
трубопроводов. От работы клапанов во многом зависит
к. п. д. насоса. В современных насосах используются
в основном самодействующие клапаны, приводимые в дей­
ствие давлением протекающей жидкости.
На рис. 217, а показан наиболее часто используемый
тарельчатый
самодействующий клапан. В этом
клапане тарелка / прикрывает отверстие в седле клапана 2.
Седло клапана ввинчивается в клапанную коробку. Под
действием пружины (или силы тяжести тарелки) тарелка
плотно прижимается к седлу. При повышении давления
жидкости в клапанной коробке тарелка 1 приподнимается
и жидкость через образовавшийся зазор поступает в нагне­
тательный трубопровод. Рабочие поверхности тарелки
седла тщательно притираются одна к другой.
Используются в насосах и к о л ь ц е в ы е
клапаны,
которые отличаются от тарельчатых тем, что в них та­
релка заменена кольцом, располагаемым над кольцевой
щелью в седле клапана (рис. 217, б).
В насосах большой подачи применяют групповые
клапаны, состоящие из нескольких отдельных однотипных
клапанов, устанавливаемых в одной общей клапанной
камере. Клапаны изготовляют из бронзы, стали и реже
из чугуна.
Поршни насосов изготовляют из чугуна или стали,
уплотнения поршня в цилиндре на нем устанавливают
в проточках пружинящие металлические кольца или ман­
жеты (кожаные или резиновые). Кольца выполняют раз­
резными, чтобы иметь возможность завести их в проточку
Рис. 217. Клапаны
поршневых
насосов:
а — тарельчатый; б — кольцевой
поршня. В свободном состоянии диаметр колец несколько
больше внутреннего диаметра цилиндра; благодаря своей
упругости кольца плотно прижимаются к стенкам ци­
линдра, когда поршень заведен внутрь цилиндра. Кольца
изготовляют из чугуна, более мягкого, чем материал
цилиндра.
Плунжеры имеют форму цилиндров большой длины.
Уплотнение плунжеров обеспечивается сальником, уста­
новленным снаружи цилиндра. Плунжеры изготовляют
из чугуна или стали.
Воздушными колпаками возвратно-поступательные на­
сосы снабжают с целью увеличения равномерности подачи
жидкости в напорный трубопровод и смягчения гидравли­
ческих ударов. Последние возникают потому, что скорость
рабочего органа, например поршня, приводимого в движе-
ние с помощью кривошипно-шатунного механизма, изме­
няется по синусоиде. Жидкость безотрывно следует за
поршнем, поэтому подача насоса изменяется в соответствии
с законом движения поршня. Сущность действия воздуш­
ного колпака заключается в том, что воздух, содержащийся
в колпаке, сжимается при увеличенной подаче насоса
и колпак принимает излишний объем жидкости, а при
уменьшенной подаче насоса воздух расширяется и вытал­
кивает в трубопровод дополнительное количество жид­
кости. Благодаря этому, вопервых, выравнивается дав­
ление жидкости в напорном
и всасывающем трубопрово­
дах, а во-вторых, жидкость
поступает к месту назначени я более равномерным по­
током. Типовые схемы воздушных колпаков даны на
рис. 218.
Поршневые и плунжерные
насосы используют для пере­
14>
качивания небольших коли­
честв жидкости при больших
Рис. 218.
Схемы воздушных
колпаков:
давлениях и для перекачива­
а
ния высоковязких жидкостей.
на всасывающей линии; б —
на напорной линии
Их недостатки
громозд­
кость, сложность привода, не­
равномерность подачи жидкости и малая подача. Преиму­
щество
возможность создания
высокого давления
в жидкости.
§ 50. Центробежные насосы
Центробежные насосы относятся к группе динамичес­
ких насосов. В них жидкая среда перемещается через
рабочее колесо от центра к периферии.
По числу рабочих колес, устанавливаемых последова­
тельно на одном валу в корпусе, центробежные насосы
делятся на одноступенчатые и многоступенчатые, а по
величине развиваемого напора — на насосы низкого давнапоРе д° Ц м), среднего давления (при напоре
15—40 м) и высокого давления (при напоре свыше 40 м).
В центробежном одноступенчатом насосе (рис. 219)
на валу 2 жестко закреплено рабочее колесо / с крйволинеиными лопатками. Вал приводится во вращение, как
290
правило, непосредственно от электродвигателя (более
редко
через редуктор или через клиноременную пере­
дачу). Рабочее колесо помещено в корпус 3 насоса, выпол­
ненный в виде спиральнои камеры переменного сечения
с напорным 4 и приемным 7 патрубками. Напорный патру­
бок соединяется с напорным трубопроводом 5, а прием­
ный
со всасывающим трубопроводом 6. На конце всасы­
вающего трубопровода закрепляют сетку и обратный
клапан. Сетка служит для задержания плавающих в пере­
качиваемой жидкости предметов, а обратный клапан
Рис. 219. Схема одноступенча­
того центробежного насоса
Рис. 220. Центробежный насос с
направляющим аппаратом
позволяет заливать жидкостью насос и всасывающий тру­
бопровод перед пуском его в работу, что является обяза­
тельным условием для центробежных насосов.
При вращении рабочего колеса жидкость, заполняющая
его каналы, перемещается от центра колеса к его перифе­
рии, поступает в спиральную камеру и оттуда в напорный
патрубок 4. В центральной части насоса благодаря оттоку
жидкости создается вакуум. Под действием внешнего дав­
ления на свободную поверхность жидкости открывается
обратный клапан, и жидкость по всасывающему трубопро­
воду поступает в насос. Таким образом создается непре­
рывное движение жидкости через всю систему.
В некоторых случаях рабочее колесо заключают в на­
правляющий аппарат, который закрепляют в корпусе
насоса между рабочим колесом и спиральной камерой
(рис. 220).
Направляющий аппарат 1 представляет собой кольцо,
охватывающее с небольшим зазором рабочее колесо и со­
стоящее из двух дисков с лопатками, отогнутыми в сто­
рону, обратную направлению лопаток рабочего колеса.
Направляющий аппарат предназначен для уменьшения
скорости жидкости, выходящей из рабочего колеса. При
этом кинетическая энергия потока частично переходит
в энергию давления: давление у выхода из направляющего
аппарата всегда больше, чем при входе в него. Эту же
задачу выполняет и диффузор 2, устанавливаемый иногда
Рис. 221. Схема многоступенчатого центро­
бежного насоса с последовательным соеди­
нением рабочих колес
после выходного патрубка насоса: здесь жидкость теряет
свою скорость из-за увеличения поперечного сечения
диффузора.
В одноступенчатом центробежном насосе удается со­
здать напор не выше 40 м вод. ст. Дальнейшее увеличение
напора в одном рабочем колесе затруднено из-за того, что
при повышении окружных скоростей свыше 70 м/с в ко­
лесе
пало возникают опасные напряжения, приводящие к его
Е/О
поломке.
Д л я создания больших напоров используют много­
ступенчатые центробежные насосы, в которых на общем
валу установлено несколько рабочих колес (рис. 221).
Колеса 1 расположены в особых камерах, монтируемых
в одном корпусе и соединенных между собой специаль­
■Н1
ными переходными каналами 2. ^Кидкость нагнетается
последовательно из одного рабочего колеса в другое.
Напор в таком насосе оказывается во столько раз больше
напора, создаваемого одним колесом, сколько колес соеди­
нено в насосе п о с л е д о в а т е л ь н о .
В некоторых случаях используют многоступенчатые
центробежные насосы с группами п а р а л л е л ь н о
соединенных рабочих колес. В пределах одной группы
колеса соединены последовательно. С гидравлической
точки зрения каждая группа работает самостоятельно:
жидкость подводится к каждой группе по отдельным
каналам из общего всасывающего трубопровода, прохо­
дит через рабочие колеса, а затем поступает в общую сбор­
ную камеру и далее в нагнетательный трубопровод. По­
добные насосы используют в том случае, когда необходимо
получить большую подачу жидкости.
Особенность работы центробежного насоса состоит
в том, что его объемная подача ф при постоянной частоте
вращения вала падает с увеличением напора Н. Для каж­
дого типа насосов путем предварительных испытаний на
заводе-изготовителе строятся их характеристики. Характе­
ристика насоса — графическая зависимость основных тех­
нических показателей от давления для объемных насосов
и. от подачи для динамических насосов при постоянных
значениях частоты вращения, вязкости и плотности жид­
кой среды на входе в насос. На ней выделяется рабочая
часть характеристики— зона характеристики насоса,
в пределах которой рекомендуется его эксплуатировать.
Корпуса центробежных насосов отливают из чугуна,
углеродистой стали, легированной стали или выполняют
из керамики и пластических масс. Материал внутренних
деталей насосов назначают исходя из рабочих условий
(давления, температуры, частоты вращения рабочих колес)
и коррозионности перекачиваемой жидкости.
Рабочее колесо центробежного насоса может быть от­
крытого или закрытого типа. На рис. 222 показана кон­
струкция закрытого рабочего колеса, состоящего из перед­
него диска 1 с входным отверстием, заднего диска 2 со
ступицей 3 для посадки колеса на вал и лопаток 4. Ло­
патки расположены между дисками; они загнуты назад,
т. е. в сторону, обратную вращению колеса. Число лопа­
ток 6—8, реже 10. Открытые колеса переднего диска не
имеют, они используются очень редко.
Рабочие колеса, как правило, отливают заодно с ло-
патками из серого и модифицированного чугуна, углеро­
дистой и коррозионностойкой стали, бронзы. В некото­
рых случаях рабочие колеса изготовляют из керамики,
свинца, пластических масс. Колеса крепят на валу с по­
мощью шпонок.
Валы насосов в основном изготовляют из углеродистой
стали, а в случае корродирующих жидкостей
из __
коррозионностойкой стали. В качестве опор валов используют
подшипники качения и
скольжения
(последние
обычно ставят на крупных
насосах).
Выводы
вала из корпуса уплот­
няют сальниками. В каче­
стве набивки для сальни­
ков используют хлопчато­
бумажный или асбестовый
шнур
пропитанный граРис. 222. Рабочее колесо центро­
фитом
Шнур
бежного насоса
нарезают на отдельные
куски и вставляют в саль­
ник кольцами. Входят в употребление торцовые уплотне­
ния, более совершенные по сравнению с сальниками и
обеспечивающие большую герметичность насоса.
ГГ
Рис.
223.
О
П
Л тт^ П т л л
Уплотняющие
сосов
л
тт
^
кольца
^ _____ ____ ___________ ____
на-
Рис.
м
224
Гилиан™ чр
ская пята ‘
Уплотняющие кольца предназначены для уменьшения
утечек жидкости через зазоры между передним диском
рабочего колеса и корпусом. На рис. 223, а — г показаны
различные конструкции уплотняющих колец: наиболее
простая плоские кольца (рис. 223, а), наиболее надеж-
ная — лабиринтные кольца (рис. 223, в). В многоступен­
чатых центробежных насосах уплотнения между ступе­
нями выполняют в виде образующих плоские щели смен­
ных колец К (рис. 223, г). Кольца изготовляют из более
износостойкого материала, чем корпус и колесо.
Так как давление на рабочее колесо со стороны вса­
сывания меньше, чем давление на задний его диск, на
колесо действует осевая сила, направленная вдоль его
оси в сторону всасывания. Эта сила стремится сдвинуть
рабочее колесо и вал в осевом направлении, что может
привести к существенным неполадкам в работе колеса,
вплоть до аварии насоса. В насосах низкого и среднего
давления осевая сила воспринимается упорными шарико­
выми подшипниками, устанавливаемыми в одной из опор
вала. В насосах высокого давления иногда устанавли­
вают гидравлическую пяту (рис. 224) с диском /, диаметр
которого подбирают таким образом, чтобы разность давле­
ний по обе стороны уравновешивала действующее осевое
давление. Левую камеру гидравлической пяты соединяют
каналом с напорным патрубком насоса, а правую — со вса­
сывающим. Лучшим же способом уравновешивания осе­
вой силы является использование колес с двусторонним
входом жидкости, а в многоступенчатых насосах — уста­
новка рабочих колес группами «спинками друг к другу»
и двусторонним вводом жидкости (одна группа колес
гонит жидкость слева направо, а другая — справа налево).
На рис. 225 для примера дан сборочный чертеж кисло­
тоупорного центробежного насоса. На чугунной станине 1
этого насоса с помощью фланца 2 закреплен корпус 3
насоса из ферросилида. Приводной вал 4 имеет две опоры
с шарикоподшипниками 5. На левую консоль вала надето
рабочее колесо 7, изготовленное, как и корпус, из ферро­
силида. Конец вала защищен от корродирующего воздей­
ствия перекачиваемой жидкости головкой 8 из ферро­
силида, навернутой на вал. Вывод вала уплотнен сальни­
ком 6 с мягкой набивкой (асбестовый шнур, пропитанный
кислотостойким составом). Для разгрузки сальника на
втулке рабочего колеса установлена крыльчатка 9, отго­
няющая жидкость от сальника. Насос приводится непо­
средственно от электродвигателя через эластичную муфту.
Электродвигатель монтируется на станине /.
Центробежные насосы имеют значительные преиму­
щества по сравнению с поршневыми: обеспечивают равно­
мерность подачи, более быстроходны, компактны, проще
по конструкции, могут быть использованы для перекачи­
вания загрязненных жидкостей.
Недостатки центробежных насосов: невозможность
создания больших давлений, уменьшение подачи с увели­
чением напора, низкий к. п. д. и необходимость заливки
насоса перед его пуском.
Рис. 225. Кислотоупорный центробежный
насос
Центробежные насосы стандартизованы; их выпускают
на различные подачи и давления.
§ 51. Насосы специальных типов
лопастных нягпгпп °тносятся к группе динамических
лопастных насосов. В них жидкая среда перемещается
через рабочее колесо в направлении его оси.
Принципиальная
схема
осевого
насоса
пп„
тэ _
•—Ц 11
показана на
рис. 22Ь. В этом насосе жидкость перемещается вдоль оси
Й Е 5 1 Й Й Э 2 с п °»Щ ью рабочего колеса 5, имеющего
форму гребного винта. На выходе из рабочего колеса
жидкость попадает в направляющий аппарат 4 с лопатчегоИ,кояе1°яЩИ^ И напРавление* обратное лопаткам рабо­
чего колеса. Здесь вращательное движение жидкости
Й Й « Й » в <**«*• Корпус / насоса поедставляет
представляет
собой трубу.
,
I
I
I
|
I
I |
I
|
I
I
I
I
I
Осевые насосы имеют высокий к. п. д., быстроходны
компактны и пригодны для перекачивания больших количеств жидкости при небольших напорах.
В химической промышленности осевые насосы применяются для создания циркуляции жидкостей в реакторах
и выпарных установках.
Роторные насосы — объемные насосы с вращательным
или возвратно-поступательным движением рабочих органов независимо от характера движения ведущего звена
насоса. Наибольшее распространение в промышленности среди насосов этого типа получили шестерен­
чатые насосы — зубчатые насосы с
рабочими органами в виде шестерен,
обеспечивающих геометрическое замыкание рабочей камеры и передаю­
щих крутящий момент.
Принципиальная схема шестерен­
чатого насоса показана на рис. 227.
В корпусе 1 этого насоса вращаются
навстречу одно другому зубчатые
колеса 2 и 3. Колесо 2 получает вра- Л
щение от двигателя, а колесо 3 — от
первого колеса. Вершинами зубьев
колеса точно пригоняются к кор­
пусу. Поступающая в насос жидкость
захватывается зубьями колес и пере­
носится ими из всасывающей сто­
роны
насоса в нагнетательную.
226. Схема осеЗубчатые колеса изготовляют с прявого насоса
мыми зубьями, число которых колеблется от 8 до 12*
иногда используются зубчатые колеса с косыми и шеврон­
ными зубьями.
'
У шестеренчатых насосов сравнительно небольшие
подачи (0,25—0,40 м3/ч) при больших напорах (до 2—
3 МН/м2); они работают при частотах вращения до
3000 об/мин.
В винтовых насосах (роторно-вращательных насосах
с перемещением жидкой среды вдоль оси вращения рабо­
чих органов) ротор выполнен в виде винта, помещенного
в цилиндрический корпус. В зависимости от числа винтов
различают одновинтовые и многовинтовые насосы.
На рис. 228 представлена конструкция трехвинтового
насоса. В корпусе / закреплена обойма 2. В обойме разме-
щены три винта: ведущий 3 и два ведомых 4. Ведущий винт
получает вращение от двигателя, а ведомые — от веду­
щего винта. Все винты двухзаходные, направление нарез­
ки у ведущего и ведомого винтов разное. Жидкость по­
ступает в корпус насоса через всасывающий патрубок 6,
а затем через отверстия в обойме подходит к винтам, захва­
тывается ими и выбрасывается из насоса через нагнетатель­
ный патрубок 7. Возникающая во время работы насоса
осевая сила воспринимается подпятниками 5.
Рис. 227. Шестеренчатый насос
Рис. 228. Трехвинтовой насос
Винты подобных насосов изготовляют из стали
а
р2иноЫ
й ~ ИЗ РеЗИНЫ ИЛИ °ТаЛИ’ выложенной и зн у р и
9 м й ^ ИНпТп°ВЫе насосы способны развить напоры около
1 МН/м с производительностью 0,9—3,2 м3/ч. Трехвинто­
вые насосы способны создать давления до 20 МН/м3 с пооизводительностью 1,5—800 м3/ч.
ф
Винтовые насосы используются для перекачки высо­
ковязких жидкостей.
Напор
I
Всасывание
Рис. 229. Вихревой насос
Вихревые насосы относятся к группе динамических
насосов трения, в которых жидкая среда перемещается
по периферии рабочего колеса в тангенциальном на­
правлении. В корпусе 1 вихревого насоса (рис. 229) раз­
мещается рабочее колесо 2 с ячейками на наружной по­
верхности. Рабочее колесо смонтировано на валу 6, кото­
рый приводится во вращение от двигателя. Вал имеет
две опоры 5, заключенные в стойке 4. В отличие от центро­
бежных насосов перекачиваемая жидкость здесь подво­
дится и отводится по боковым каналам 7. При вращении
рабочего колеса жидкость, поступающая по боковому
каналу, увлекается в движение по кольцевому простран­
ству между колесом и корпусом и выбрасывается по дру­
гому боковому каналу в напорный патрубок. Монтаж
рабочего колеса производится при открытой крышке 3.
Вихревые насосы способны создать высокие напоры, пре­
вышающие в 2— 10 раз напор, создаваемый центробеж­
ными насосами. Они используются для перекачивания
сравнительно небольших количеств маловязкой жидкости
при больших напорах.
Г л а в а XVII. ОБОРУДОВАНИЕ
Д Л Я ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
Й СЖАТИЯ ГАЗОВ
Большинство химических процессов связано с перера­
боткой газов, при которой возникает необходимость,
во-первых, продувки газа через аппараты, а во-вторых’
создания давления или разрежения газа в аппаратах.
Эти задачи выполняются специальными газодувными
машинами, которые в зависимости от величины создаваемого ими давления подразделяют на:
,,
1) в е н т и л я т о р ы ,
предназначенные для отса­
сывания и нагнетания газов под давлением, не превышаю­
щим 0,11 МН/м2;
2) в о з д у х о д у в к и
и газодувки,
слу­
жащие для нагнетания воздуха и газов под давлением
от 0,11 до 0,45 МН/м2;
3) к о м п р е с с о р ы ,
предназначенные для сжа­
тия воздуха и газов до давления выше 0,4 МН/м2;
4) в а к у у м-н а с о с ы, служащие для отсасывания
газов, находящихся под вакуумом, и сжатия их до атмо­
сферного давленйя (машины подобного назначения, но
с большой подачей называют иногда эксгаустерами).’
§ 52. Вентиляторы
Вентиляторы используют для вентиляции зданий
создания тяги и дутья в печах, топках, сушилках, цикло­
нах, фильтрах и в системах пневмотранспорта. Они со­
здают малые напоры, поэтому могут быть использованы
только для преодоления сопротивления трубопроводов
газоходов топок, печей и сушилок.
*
Основная часть вентилятора — рабочее колесо с -ло­
патками, укрепленное на вращающемся валу. Рабочее
колесо вентилятора имеет тот же принцип действия, что
и крыльчатка центробежного насоса: вращающиеся ло­
патки рабочего колеса сообщают газу ускорение в радиаль300
ном или осевом направлении и создают на выходе из колес
избыточное давление.
Если газ движется в рабочем колесе в радиальном на­
правлении, то вентилятор называется радиальным или
центробежным, а если в осевом, то осевым
Радиальные вентиляторы в зависимости от величины
создаваемого ими полного давления могут быть1) низкого давления (до 981 Н/м2);
2) среднего давления (свыше 981 до 2943 Н/м2)3) высокого давления (свыше 2943 до И 772 Н/м2).
Рис. 230. Центробежный венти­
лятор
Радиальный вентилятор состоит (рис. 230) из корпуса 1
рабочего колеса 2 и привода. Газ поступает в вентилятор*
по оси рабочего колеса через всасывающий патрубок 3,
захватывается лопатками и выбрасывается из корпуса
через нагнетательный патрубок 4, ось которого перпенди­
кулярна оси рабочего колеса.
В зависимости от размещения привода различают семь
конструктивных исполнений радиальных вентиляторов
(рис. 231). Вентиляторы по конструктивным исполне­
ниям /, I/, III, V выпускаются комплектно с электродви­
гателями. Вентиляторы исполнения IV, VI и VII выпу­
скаются со шкивом для плоского или клинового ремня.
В осевом вентиляторе рабочее колесо выполнено
по типу воздушного пропеллера. Корпус осевого венти­
лятора ЦАГИ (рис. 232) выполнен в виде короткого ци-
линдра 1, внутри которого вращается пропеллер (лопаст­
ное колесо) 2. Пропеллер состоит из полых лопаток и сту­
пицы, насаживаемой на вал. Лопатки крепятся на ступице
стяжными стержнями. Вокруг этих стержней лопатки
Рис. 231. Схемы конструктивных исполнений вентиляторов
могут поворачиваться на угол 10—30°. Изменяя угол
наклона лопастей, можно увеличить или уменьшить про­
изводительность осевого вентилятора. Малые углы на­
клона лопаток соответствуют меньшей производитель-
Рис. 232. Осевой
вентилятор
ЦАГИ
ности. Газ входит через всасывающий патрубок 3 протал­
кивается пропеллером вдоль его оси вращения и выбра­
сывается из вентилятора через нагнетательный п а т р у ^ Т ?
Производительность вентиляторов промышленных типппт
ЛЯ6Т ° Т
Д0 1 000 000 м*/ч- Окружная ско­
рость вращения рабочего колеса не превышает 100 м/с
Вентиляторы стандартизованы и разбиты на геометри­
чески подобные группы в серии. Чем выше номер вентиля­
тора в данной серии, тем больше диаметр его рабочего
колеса и производительность.
Для каждой серии вентиляторов найдены опытным
и расчетным путем аэродинамические характеристики,
выражающие графически зависимость полного развивае­
мого давления Р Ь9 потребляемой мощности /V и к п. д.
вентилятора т] от производительности вентилятора С} при
постоянной частоте вращения его ротора п и постоянной
плотности газа р. Эти аэродинамические характеристики
прилагаются к паспорту вентилятора. Серию и номер
вентилятора выбирают по графикам аэродинамических
характеристик и условиям эксплуатации. Для этого
должны быть известны значения производительности и
полного давления, создаваемого вентилятором, а также
условия его эксплуатации (запыленность газа, темпера­
тура, коррозионность перекачиваемой среды).
В зависимости от назначения вентилятора его рабочее
колесо, вал и кожух могут быть изготовлены из углероди­
стой, коррозионностойкой стали, кислотоупорного чу­
гуна, алюминия, винипласта. Используют и внутреннюю
футеровку поверхностей кожуха и рабочего колеса рези­
ной, полиизобутиленом, фторопластом, винипластом. Вен­
тиляторы, перекачивающие горячие газы, имеют наруж­
ную изоляцию.
§ 53. Воздуходувки и газодувки
Воздуходувки и газодувки используют в том случае,
когда необходимо не только прокачать воздух или другой
газ через аппараты, но и сжать его. Эти машины способны
повысить давление газа в 1,1—3,5 раза. Газодувки отли­
чаются от воздуходувок лишь более сложной конструк­
цией уплотнения вала, особенно это относится к газодувкам для работы с токсичными и взрывоопасными
газами. Ниже рассмотрены конструкции лишь тех воз­
духодувок, которые могут быть в принципе использованы
для перекачки не только воздуха, но и других газов.
В зависимости от принципа действия различают тур­
бовоздуходувки и ротационные воздуходувки.
Турбовоздуходувки по конструкции и принципу дей­
ствия схожи с радиальными вентиляторами высокого
давления. В зависимости от числа рабочих колес разли­
чают одноступенчатые и многоступенчатые турбовозду­
ходувки. Конструкция рабочего колеса (гурбинки) турбо­
воздуходувки сложнее, чем у вентилятора, так как оно
вращается со значительно большими окружными скоро­
стями (до 300 м/с) и создает более высокое давление.
Обычно рабочие колеса и корпуса турбовоздуходувок
отливают из чугуна или стали.
Рис. 233. Многоступенчатая турбовоздуходувка:
с лопатками. 6 -
лабиринтные уплотнения; 7 - разгрузочный
разгоузочный поршень; Щ
8_
нагнетательный патрубок
Одноступенчатые турбовоздуходувки изготовляют для
получения напора до 0,13 МН/м2. Дальнейшее увеличение
напора у них возможно лишь путем повышения частоты
вращения ротора, но ограничено прочностью металла
применяемого для рабочих колес.
Д ля создания более высоких давлений применяют
многоступенчатые турбовоздуходувки, одна из конструк­
ции которых показана на рис. 233. Г аз поступает внутрь
турбовоздуходувки через патрубок 1 и нагнетается пер304
вым лопастным колесом 2 в неподвижный кольцевой
канал 3. Из этого канала газ через обратный направляю­
щий аппарат с лопатками 5 подходит на всасывание во
второе лопастное колесо, где процесс повторяется. Таким
образом, газ последовательно проходит все вращающиеся
лопастные колеса и удаляется через патрубок 8. Рабочие
колеса смонтированы на валу. Д ля уменьшения обратной
утечки газа через щели между рабочим колесом и стенкой
обратного направляющего аппарата устанавливают лаби­
ринтные уплотнения 6. Газ, проходя по зазорам лабиринт­
ного уплотнения, многократно расширяется, в результате
этого его давление снижается до атмосферного. Вслед­
ствие разности давлений газа на входе и выходе из колес
на валу турбовоздуходувки возникает осевая сила. Эта
сила воспринимается упорным подшипником и разгру­
зочным поршнем 7. В правую часть этого поршня подается
под давлением жидкость, которая стремится сдвинуть
поршень в сторону, противоположную направлению осе­
вой силы, и уравновесить его. Число рабочих колес
в турбовоздуходувках невелико (3—4).
Лопатки рабочего колеса турбовоздуходувок делают
в основном загнутыми назад — в сторону, обратную
вращению. Лопатки малонагруженных рабочих колес
штампуют из листовой высококачественной углеродистой
стали толщиной от 2 до 5 мм и прикрепляют к дискам
с помощью заклепок. При высоких скоростях вращения
рабочих колес лопатки изготовляют из легированных
никелем сталей и фрезеруют за одно целое с шипами,
концы которых вставляют в отверстия диска и раскле­
пывают. Число лопаток в рабочем колесе от 12 до 35 шт.
Д ля устранения вибраций во время работы ротор
турбовоздуходувки балансируется статически и динами­
чески на специальных станках.
Газ сжимается в турбовоздуходувках без промежуточ­
ного охлаждения, поэтому он на выходе нагревается.
Д ля нормализованных трубовоздуходувок построены
графически, по опытным данным, рабочие характери­
стики, схожие с характеристиками вентиляторов. Они
связывают степень повышения давления, потребляемую
мощность, к. п. д. с производительностью машины при
фиксированных скоростях вращения рабочих колес, свой­
ствах газа и условиях всасывания. Промышленностью
выпускаются турбовоздуходувки и турбогазодувки про­
изводительностью от 50 до 52 ООО м3/ч газа.
Ротационные воздуходувки относятся к машинам с вра­
щающимися поршнями (рис. 234). В кожухе 1 размещены
два барабана (поршня) 2 , отлитые из чугуна. Барабаны
закреплены на параллельных валах. При вращении валов
барабаны обкатываются один по другому: они плотно
прилегают не только один, к другому, но и к стенкам
кожуха. В результате образуются две разобщенные
камеры — нагнетания и всасывания.
Газ, захваченный барабанами в камере сасывания,
транспортируется ими без изменения давления до камеры нагнетания. Там сходящиеся барабаны сжимают
газ и выталкивают его
через нагнетательный пат­
рубок. Валы имеют оди­
наковые частоты враще­
ния. Один из них .получает вращение от привода, а другой
от первого вала через зубчатую
пару.
Барабаны в местах
соприкосновения
снабжены уплотняющими накладками. Однако и в
этом случае достигнуть
хорошего уплотнения не
удается, поэтому ротационные воздуходувки создают 1авление в нагне­
тательном патрубке не
более 0,18 МН/м2. Выпу­
Рис. 234.
Ротационная воздухоскаются они на производувка
дительность по
ПО газу
Г Ш от
120 до 50 ООО м3/ч.
воздуходувки отличаются простотой
Ротационные шштшжЯжшмш
конструкции и возможностью широкого изменения
их производительности путем увеличения или умень­
шения частоты вращения барабанов. Недостаток _
сложность изготовления барабанов и их монтажа в
корпусе.4
воздуходувках все тепло, образующееся при сжатии
газа, полностью (не считая потерь в окружающую среду)
остается внутри газа, повышая его температуру. Такой
процесс сжатия называется адиабатическим.
§ 54. Компрессоры
м ш ш ?Р
“
Ш
1
Ш
В
Ц
!
\“
ш
л машинамЯ
(4 кге/см*).’ По ПРР„„ЦУ„ТУ ДЕЙСТВИЯ ГЭИХ
| ^
в Ш
|
и Центробеж*
точное давление сж ат(Т 0 *88 "мПа"' ““„'и и °зг а « л " ш “»
следующих типов: ВУ - бескрейцкопфные Г П бвГ зТ ы м
расположением цилиндров; ВП 1 крейциопфные1 при
Рис. 235. Схема одноступенчатого потпневого компрессора простого действия:
клап?н-Л 4НДР; 2 ~ поР шень; 3 — всасывающий
клап ан , 4 — нагнетательный клапан; 5 - к р н вош и п но-шатунный механизм
^ 1 0ЛЬНЬШ Распол°жением цилиндров; ВМ — Я Н
цил™ дЫ
ровС Г0РИ30НТаЛЬИЫМ “"побитным расположением
ПОВи0МПреСС0ры типа ВУ Должны изготавливаться с вос волян ьш В°?душным’ а компрессоры типа ВП и ВМ —
возяУх о о х 1 д и т е л я Г ИеМ ЦНЛИВДа » промежуточными
с пор'шневыш! и Т "----Р“----С° Р^оЫАА"ЖЖ°ЛЪВ
действия схожи
п Л “а т Г ь Х НГ Г Г :„ Л ™ ^ “ 8еРшаю™»й возвратноШ
Ш
Й
2
Е
5
!
д®
ижение
поршень
в
цилиндре
сжимает
газ вследствие уменьшения_объема^рабочей камеры.
По числу ступеней сжатия их делят на” однодвух- и
зонталь ные"4 ийп6’ П° Распо" ю
цилиндр - на горидействия - на
Р_актеРУ
В одн^гт* К0мпресс°р ы ПР°СТ0Г0 и двойного действия1
(рис
пРжт<*° Эейсшия
ЦИЛИ»ДР 1 с одной стороны открыт а с л^Vгой
И нагнетательныйВ/ р ы ш к е Расположены всасывающий 3
в п р а в о ™
«лапаны. При движении поршня 2
камеры газом
производится наполнение рабочей
камеры газом (всасывание), а при движении влево
.
1У111ЙЯ
Ш Ш Я Ш ж коТ реССОре
20*
сжатие газа и выброс его через нагнетательный клапан
Компрессор отличается простотой устройства: нет саль­
ников и ползуна.
В одноступенчатом компрессоре двойного действия
каждый ход поршня является рабочим: сжатие газа про­
изводится по обе стороны поршня. При движении поршня
вправо газ сжимается в правой камере, а в левой в это
время газ всасывается. При обратном движении п орш н я__
сжатие газа в левой камере, а всасывание — в правой.
Подобные компрессоры по конструкции сложнее чем
компрессоры одинарного действия, но по производительности вдвое выше их.
Для охлаждения сжатого газа цилиндр и крышку
компрессора снабжают водяными рубашками.
Одноцилиндровые компрессоры изготовляют на давле­
ния не выше 1 МН/м2. Более высокие давления достижимы
в многоступенчатых компрессорах.
Многоступенчатые компрессоры изготовляют с после­
довательным расположением цилиндров (система тандем)
и посадкой поршней на один вал, параллельным распо­
ложением цилиндров (система компаунд), с расположе­
нием цилиндров под углом один относительно другого
(угловые компрессоры). Так как объем газа после каждой
ступени сжатия уменьшается, каждый последующий ци­
линдр в многоступенчатом компрессоре уменьшается в диа­
метре. I аз охлаждается в холодильниках между ступе­
нями сжатия.
*
\ / Многоступенчатые горизонтальные компрессоры с рас™ » ^ ! ! еМ9 , « ИТ НДр0в „по 0Д"У СТ°Р °НУ коленчатого
вала (рис. 236, а) из-за больших неуравновешенных сил
инерции тихоходны (п = 8 0 0 -3 0 0 об/мин). Д ля пога­
шения неуравновешенных сил инерции в этих машинах
приходится устанавливать на приводной вал мощные
маховики, что удорожает стоимость компрессора.
недавнего времени отечественной промышленностью
пп 1У! КаЮТСЯ крупные компрессоры с взаимно противо­
положным движением поршней относительно коленчатого
вала, так называемые оппозитные компрессоры. В этих
че^кпРй8С^пРаХ (РИС' 236, б) благ°ДаРя их хорошей динамиГ , ™ урзвновешенности частота вращения вала может
ОбычШл*хЛ'гппНЗ В
РЭЗа П0 сРавнению со скоростью
горизонтальных машин. В результате этого
они легче последних на 5 0 - 6 0 % .
^езУльтате этого
308
Для установки оппозитных компрессоров требуется
меньшая площадь машинного зала и небольшие фунда­
менты. Благодаря этим преимуществам для давлений
газа выше 20 МН/м2 рекомендуется использовать компрес
соры в оппозитном исполнении.
Основные узлы оппозитных компрессоров, составляю­
щих так называемую оппозитную базу, нормализованы.
Оппозитная база состоит из фундаментной рамы, направ­
ляющих крейцкопфа, коленчатого вала, шатунов крейц­
копфов, узлов системы смазки, валоповоротного меха-
1
Рис.
В)
236. Схемы многоступенчатых
поршневых компрессоров:'
а — компрессор с расположением цилинд­
ров по одну сторону коленчатого вала;
б — оппознтный компрессор; в — угловой
компрессор; / — цилиндр ступени I ; 2 _
цилиндр ступени II; 3 — коленчатый вал;
4 — маховик; 5 — промежуточный холо­
дильник
низма. Различаются оппозитные базы по основному
параметру — допускаемой максимальной поршневой силе
одного ряда компрессора.
Каждая оппозитная база имеет компрессоры несколь­
ких модификаций, отличающихся числом рядов поршней
в компрессоре. В пределах одной оппозитной базы ком­
прессоры всех модификащ
—
шатунов, крейцкопфов, на:
ренных подшипников, валоповоротного механизма и си­
стемы смазки.
Горизонтальные оппозитные компрессоры имеют сле­
дующие нормализованные оппозитные базы: М10 (моди­
фикации компрессоров: 2М10, 4М10, 6М10); М16 (модифи-
нации компрессоров: 2М16, 4М16, 6М16, 8М16); М25 (мо­
дификации компрессоров: 4М25, 6М25, 8М25); М40 (моди­
фикации компрессоров: 4М40, 6М40, 8М40). Цифра в обоз­
начении нормализованной базы — допускаемая максисора НЗЯ ПОршневая сила в тыс- кгс Одного ряда компресВ угловых компрессорах (рис. 237) оси цилиндров рас­
положены под углом одна к другой (чаще под углом 90е).
При этом, как правило, более массивный вертикальный
Рис. 237. Внешний
вид углового ком­
прессора 2ВП 10/8
цилиндр предназначен для первой ступени сжатия а го­
ризонтальный
для второй ступени сжатия Угловые
компрессоры с точки зрения уравновешенности инер­
ционных сил выгоднее, чем горизонтальные Угловые
компрессоры тоже имеют нормализованные угловые базы
Т- § унификацию ллттллт”
----- Щ
*
(цифр
допустимой максимальной поршневьй силе в тысячах
килограмм-сил).
*ысячах
Д ля некоторых производств (например, хлорных) тоебуется вертикальное расположение цилиндров, при кото­
ром исключается попадание смазки внутрь поршня
Компрессоры с таким расположением цилиндров начы-
вают вертикальными. Базы вертикальных компрессоров
состоящие также из унифицированных узлов имеют
следующие типоразмеры: 1; 1,5; 2; 3.
’
Д ля установки вертикальных компрессоров требуется
наименьшая площадь машинного зала по сравнению
с поршневыми компрессорами других типов.
Сжатый газ подается поршневыми компрессорами
неравномерно, толчками, поэтому для смягчения пульса­
ции давления газа его направляют в газосборник (ресивер).
Из ресивера газ направляется по мере надобности потре­
бителю.
к
Рис. 238. Схема* установки поршневого компрессора
На рис. 238 показана схема установки поршневого
компрессора. Компрессор 1 устанавливают в специальном
помещении, а ресивер 2 чаще монтируется вне помещения.
Сжатый газ из компрессора в ресивер подается по нагне­
тательному трубопроводу, имеющему обратный клапан 6.
.этот клапан предотвращает опорожнение ресивера 2
при неожиданной остановке компрессора. Ресивер снаб­
жают предохранительным клапаном 4, манометром 5
и спускным краном 3. Если давление в ресивере подни­
мается выше нормы, например при уменьшении получе­
ния газа потребителем, излишек газа сбрасывается через
предохранительный клапан 4 в атмосферу или в специаль­
ную сбросную линию, ^лагу и масло, оседающие в реси­
вере, удаляют через кран 3. Давление газа в ресивере
контролируют по манометру 5, выведенному в компрес­
сорное отделение.
Ротационные компрессоры характеризуются непрерыв­
ным вращением ротора и принудительным сжатием газа.
Они получили большое распространение в химической
промышленности.
В пластинчатом ротационном компрессоре (рис. 239)
ротор 1 выполнен в виде цилиндра, в радиальных пазах
которого свободно скользят пластины 3 толщиной 0,8_
2,5 мм. Ротор 1 эксцентрично установлен внутри кор­
пуса 2, снабженного водяной рубашкой. При вращении
ротора пластины под действием центробежных сил выдви­
гаются из пазов и скользят по внутренней поверхности
стенки 6 корпуса компрессора. Каждая пара соседних
Рис. 239. ^0хема рота­
ционного пластинчатого
компрессора
пластин образует замкнутую камеру, ограниченную с тор­
цов поверхностью боковых крышек корпусов, плотно
примыкающих к пластинам. Объем камеры при вращении
ротора в левой части корпуса увеличивается, а в правой_
уменьшается. Благодаря этому газ засасывается через
патрубок 4, транспортируется в правую часть корпуса
где вследствие уменьшения объема камер он сжимается'
а затем выбрасывается через патрубок 5.
| 1 °пНс°м и /У11ени подобного компрессора можно сжать
газ до У,о МН/м , а при последовательной установке д в у х
компрессоров — до 1,5 МН/м2.
Отечественные заводы выпускают ротационные плаИ И И Н к °мпРессоРЬ1 производительностью от 120 до
Ш щ м /ч - Компрессоры малой производительности имеют
непосредственный привод от электродвигателя; у крупных
машин производительностью выше 25 м3/мин невысокая
частота вращения ротора (40 0-600 об/мин), поэтому
оиукто Г ЛРИВ0Д 0Т электРодвигателя через понижающий
редуктор
Центробежные компрессоры
—
1 'уроокомпрессооы) по
(турбокомпрессоры)
принципу действия и конструкции очень близки к турбо°
воздуходувкам
возлухол^кям в турбокомпрессоре на валу смо^ировано значительноп большее аколичество
----------- ш рабочих колес
■
б
Разделены к тому же I р а з м е р ^ Т а ’ н ^ З
сепии. В пределах одной серии рабочие колеса имеют од “и
и тот же диаметр и одинаковую ширину.
Рис. 240. Многоступенчатый турбокомпрессор:
р а т ы Г ^ ^ ^ о д ^ ж ^ й 8 направляющий^ ^ п а р а т ^ В8 ЖН1п^згпуРаВЛЯ? 1Ч1ге аггпа
9 - нагнетательный патрубок; 1 0 - всасывающий ™ ? р у б о к / Г - промежупоршень
точный холодильник
’
гпп (п П п
? о0казан многоступенчатый турбокомпресШ
разрезе). В этом компрессоре четыре ступени сжаколрг
ступень
сжатия
образована
серией
рабочих
колес одинакового ---------ж
ж
Размера. между сериями рабочих
т п п м у расположены промежуточные холодильники, в коохлаждается " ер6Д В0СТУШЮ™<™ в очередную ступени
Отечественной
промышленностью
выпускаются
тупбо1ППРГГЛШ .Т п п а м а й а о п м . . . ______
.л
л
*
компрессоры производительностью до 40 ООО м ч и С чис3
лом ступеней до 12. Частота вращения ротора турбоком­
прессора 3500—6000 об/мин. Выбор типа компрессора
определяется экономическими соображениями.
§ 55. Вакуум-насосы
Вакуум-насосы предназначены для отсасывания газа
из аппаратов с целью создания в них разрежения. По кон­
струкции различают порш­
невые, ротационные и струй­
ные вакуум-насосы.
Поршневые
вакуум-на­
сосы немногим отличаются
от поршневых компрессоров:
в них вместо клапанов вмон­
тирован золотник, при по­
мощи которого производится
попеременно всасывание и
выпуск газа.
Поршневые
вакуум-насосы создают раз­
режение, равное 80—85%.
В водокольцевом ротациРис. 241. Водокольцевой ротаонном вакуум-насосе ротор
ционный вакуум-насос
___ Л
^
р
снабжен неподвижными пластинами (рис. 241). Изменение
объема камер, аналогичных камерам ротационного пла­
стинчатого компрессора, в нем осуществляется следующим
образом. Корпус 1 вакуум-насоса заливается приблизи-
Рис. 242. Схема одноступенчатого пароструйного вакуумнасоса:
{ Г*„КОр]1ус камеРы»' 2 — всасывающий патрубок; 3 — паровое
сопло; 4 — смеситель; 5 — диффузор; 6 — горло диффузора
тельно наполовину водой. При вращении ротора 2 она
отбрасывается пластинами к внутренним стенкам корпуса
образуя вращающееся жидкостное кольцо. Вследствие
эксцентричного размещения ротора в корпусе простран314
ство камер, не заполненных жидкостью, различно: в верх­
ней части компрессора камеры почти целиком заполнены
жидкостью, а в нижней, наоборот, заполнены лишь
частично. Разреженный газ засасывается в насос через
отверстие а, сжимается в камерах до атмосферного давле­
ния и выбрасывается через отверстие б. Патрубки для
входа и выхода газа располагают на торцовых крыш ках
насоса.
Вакуум-насосы подобного типа ввиду отсутствия рас*
пределительных механизмов и клапанов мало засоряю тся>
газ отсасывают равномерно, имеют непосредственное
соединение с электродвигателем. Благодаря этим дос­
тоинствам ротационные водокольцевые вакуум-насосы
получили широкое распространение в химической промышленности. Они способны создать разрежение до
Струйные вакуум-насосы, называемые эжекторами,
представляют собой трубу Вентури с паровым соплом.
На рис. 242 показана схема такого пароструйного одно­
ступенчатого насоса. Он состоит из цилиндрической к а ­
меры 1 с всасывающим патрубком 2. В камеру введено
паровое сопло 3. К камере на фланцах присоединена
труба, имеющая суживающуюся 4 (смеситель) и расши­
ряющуюся 5 (диффузор) части. Пар, подаваемый к соплу,
адиабатически расширяется в нем и выходит в камеру
с большой скоростью (1 0 0 0 -1 4 0 0 м/с). Струя пара вслед­
ствие поверхностного трения увлекает в движение газ
находящийся в камере. Н а место захваченного газа через,
всасывающий патрубок 2 непрерывно подсасываются
новые порции газа. Пар в смесителе 4 смешивается с газом.
Смесь поступает
в
диффузор
I
■
*
* -- г ~ I
ГП^Аа/1 зпсиш п
лавлРниЧяаСТ{Г Н0 преобразУется в потенциальную энергик>
Я Н Е
результате этого разреженный газ сжи^ о с ф е р н о г о давления и выбрасы­
вается из него в нагнетательный трубопровод.
ж щ /
252 Л Е ??
превышает ’д о Т Даг,ВаеМЫЙ одностУпенчатым насосом, н е
Ш Ш М У К " « э т о м у если требуется более глубокий
струйных н а с о г я ^ последовательно в ряд д в а - ч е т ы р е
ливают ^н л р н гатп ЭТОМ слУчае между насосами устанавпутем кон 71РНГ»
ры’ в которых газ отделяется от пара
годаоя это11 «ИИ П° СЛ!ДНего охлаждающей водой. Б л ане затоачииярточ ^ аждои последующей ступени насоса
шего п ппо
лиш няя энергия на сжатие отработав­
шего в предыдущей ступени пара.
На рис. 243 представлена схема установки многоступенчатого пароструйного вакуум-насоса. Газ засасы­
вается эжектором 11 первой ступени и вместе с паром
выбрасывается в конденсатор 2 первой ступени. В кон­
денсаторе отработанный пар конденсируется водой, конПар
Всасыва­
ющая
линия
8900
Конденсат
Рис. 243. Схема установки многосту­
пенчатого пароструйного вакуум-насоса
(эжектора)
денсат вместе с водой стекает по барометрической трубе
в нцжний сборник, газ же поступает на сжатие в эжектор
второй ступени, где процесс повторяется.
Число ступеней, а следовательно, и эжекторов зави­
сит от величины потребного вакуума: для остаточного
давления 30 мм рт. ст. надо иметь три эжектора, а для
остаточного давления 10 мм рт. ст.
четыре эжектора
Многоступенчатые пароструйные вакуум-насосы способны
создать разрежение до 95—98?'/о
Г л а в а XVIII. ДРОБИЛЬНО-РАЗМОЛЬНОЕ
ОБОРУДОВАНИЕ
I
1
§ 56. Классификация машин для измельчения
1
I
I
ПроцессыI измельчения играют существенную роль
в химическои технологии, а также в промышленности
строительных материалов, в металлургии, горнодобываю­
щей промышленности и т. д.
Результат измельчения характеризуется степенью из­
мельчения, равной отношению среднего размера куска
материала до измельчения к среднему размеру куска
после измельчения.
В зависимости от размеров кусков исходного и измель­
ченного материала ориентировочно различают виды из­
мельчения (табл. 4).
Таблица 4
Виды измельчений твердых материалов
Размер
кусков до
измельчения,
мм
Вид измельчения
Крупное дробление . . .
Среднее дробление . . .
Мелкое дробление . . .
Тонкое измельчение . .
Сверхтонкое измельчение
Размер кусков
после измель­
чения, мм
1500 300
300- 100
300--100
50—10
50-- 1 0
10--2
10—2
2—7,5 • 10-2
10—7,5 х 7,5-10“? # 10"- 4
X 10-2
Степень
измель­
чения
2--6
5 - -10
10--50
100
и мелкого л
называют дробильными, а для тонкого и сверхтонкого
измельчения — мельницами.
По принципу действия и конструктивным особенно­
стям измельчающие машины делят на следующие типы
*и™ еК°о^ е дР°билки: § конусные (гирационные) дрооилки, 3) валковые дробилки; 4) бегуны; 5) ударные
--------------------------- у
11 П
и
1
измельчающие машины (молотковые дробилки, дисмембраторы и дезинтеграторы); 6) роликовые мельницы;
7) вибрационные мельницы; 8) воздушные мельницы;
9) песочные мельницы.
||
! Рис. 244. Методы измельчения
материалов:
^
й)
ч'
р)
//
а — раздавливание; б — удар; в —
раскалывание; г — истирание
В зависимости от свойств материала, размера кусков
и конструкции машины измельчение производится путем
раздавливания куска материала, раскалывания, удара
Исходный
материал
\
\
Исходный
материал
Щ
Исходный
материал
Рис. 245. Схемы
измельчения:
а — по
открытому
циклу; б — по з а м ­
кнутому циклу; в —в
два приема; / — гро­
хот;
2 — щековая
дробилка; 3 — в а л ­
ковая дробилка
или истирания (рис. 244). При тонком измельчении пре­
обладают процессы истирания. Элементами, произво­
дящими дробление, могут быть детали самой машины
(щеки, конусы, валки и т. д.) или специальные мелющие
тела, например шары в шаровых мельницах. В воздушных
мельницах измельчение происходит в результате соударе-
ни я - частиц материала между собой в потоке воздуха.
Тонкое измельчение часто проводят мокрым способом
(с использованием воды).
На измельчение затрачивается большое количество
энергии, поэтому необходимо стремиться к уменьшению
количества измельчаемого материала, для чего из него
выделяют «мелочь», т. е. куски, меньшие того размера
до которого производится измельчение. Д л я выделения
мелочи применяют обычно ситовую классификацию, т. е.
просеивание материала через одно или несколько сит.
Измельчение выполняют в открытом (рис. 245 а) или
замкнутом циклах (рис. 245, б). Когда требуется большая
степень измельчения, его проводят в несколько стадий
сначала на машинах крупного, а потом мелкого измель­
чения (рис. 245, в). Иногда последовательно устанавли­
вают несколько машин с промежуточной классификацией
материала.
^
§ 57. Дробилки
Щековые дробилки. Дробление материала в щековых
дробилках производится раздавливанием в сочетании
с раскалыванием между двумя щеками — подвижной и
неподвижной. По характеру движения подвижной щеки
различают дробилки с простым и сложным движениемв зависимости от точки подвеса различают дробилки
с верхним и нижним подвесом подвижной щеки.
На рис. 246 показана щековая дробилка с верхним
подвесом щеки. Работает она следующим образом. Глав™ аВ1 1 1 " р о д я щ и й через корпус 1 дробилки, приво­
дится от электродвигателя через понижающую клиноре­
менную передачу (на рисунке они не показаны). На главШ
имеется эксцентриковое утолщение, с. помощью
ш
приводится в колебательное движение шатун 10
пли™ М Г . С ПОАВИЖНОЙ щекой 7 через левую опорную
вилыяя т Л
щека подвешена на оси 6. Клино|Щ
^
ь’ где происходит дробление кускового матеч образуется неподвижной плитой 2 , боковыми плиш р г п 1 И "ОДВИЖНОИ Щ е * 0 Й 7 - Для выравнивания крутявик я Ж
На главныи вал 9 насажен массивный махопппо
Д
пРеД°х Ранения рабочих частей дробилки от
поломок при случайном попадании в нее кусков металла
" ОЕЫШеННОЙ р а д о с т и одна из распорных
делается менее прочной или состоит из двух частей,
соединенных болтами или заклепками, которые разру­
шаются при перегрузках и легко могут быть заменены
новыми. Для удержания щеки при разрушении распор­
ной плиты служит тяга 15 с пружиной 16. Ширина выход­
ного отверстия, а следовательно, и степень измельчения
регулируется с помощью клиньев 11 и 12.
Щеки дробилки защищаются сменными плитами из
износоустойчивой марганцовистой стали.
При сложном движении щеки наряду с раздавлива­
нием и раскалыванием происходит истирание материала.
Рис. 246. Щековая дробилка
Дробилки с нижней подвеской щеки обеспечивают
более равномерный выход раздробленного материала.
Достоинствами щековых дробилок являются простота
и надежность конструкции, возможность дробления ку­
сков в широком диапазоне размеров. Недостатком их
является неуравновешенность движущихся масс.
В конусных (гирационных) дробилках материал измель­
чается раздавливанием при сближении наружного по­
движного и внутреннего неподвижного конусов.
По расположению конусов различают дробилки с кру­
тым конусом, применяемые для крупного и среднего
дробления, и дробилки с пологим конусом для среднего и
мелкого дробления. В дробилках с крутым конусом вер­
шины конусов направлены в противоположные стороны,
что увеличивает угол захвата, а в дробилках с пологим
конусом — в одну сторону. Дробилки с крутым конусом
обычно имеют неподвижную ось, на которую эксцентрично
насажен конус (рис. 247).
^
Дробилки с пологим конусом имеют наклонную ось.
К достоинствам конусных дробилок относятся большая
производительность вследствие непрерывности дробления
спокойная работа и отсутствие динамических нагрузок!
Рис. 247.
ны!
6 -
Конусная дробилка
дроблени я:
Щ р! -
"крестовина”
коническая втулка* 7 * Г
Г! ПII*»е»
плита
для
крупного
~ в е Рт и к а л ь а ^ Т ^ К
Щ
Ш
Ш
Й * дробилок: большая высота машины,
сложность и дороговизна изготовления.
чельнсГпясгт?Робилки (рис. 248) состоят из двух парала
Ш
Н
валков, вращающихся Навстречу
Валки
могУт
быть
гладкими,
рифлеными
и зубчатыми!
Д ля того чтобы избежать поломок при попадании куч
сков большой твердости, один валок делают подвижным,
т. е. устанавливают в подшипниках, которые могут сколь­
зить по направляющим при прохождении недробимого
предмета между валками. Чтобы увеличить истирающее
действие валков, при измельчении мягких и влажных ма­
териалов применяют валки с разностью окружных ско­
ростей до 20%. Валки имеют ступицу 1, на которой стяж­
ными болтами 4 крепятся бандажи 3. Бандажи изготов­
ляют из марганцовистой стали или отбеленного чугуна.
Рис. 248. Валковая дробилка
/ — ступицы валков; 2 — вал; 3 — бандаж; 4 — стяжной болт; 5 — пружина;
6 — подвижная опора
Достоинством валковых дробилок является простота и
компактность конструкции, к недостаткам их следует от­
нести возможность дробления только материалов невысо­
кой прочности и небольшую производительность.
§ 58. Мельницы
Бегуны. Бегуны состоят обычно из двух тяжелых
катков, которые обкатываются по дну чаши; материал
измельчается под действием массы катков, а также вслед­
ствие истирания при скольжении. Бегуны выполняют
с неподвижной чашей и подвижными катками (рис. 249)
322
или, наоборот, с вращающейся чашей и неподвижными
осями катков (рис. 250). Во всех конструкциях катки
имеют подвижные оси, позволяющие каткам подниматься
при увеличении толщины слоя материала или при попа­
дании недробимого предмета.
Ударные мельницы. Молотковая мельница (рис. 251)
имеет
ет корпус 1, футерованный броневыми
иринеьыми плитами 7
Внутри мельницы с большой частотой вращается ротор,
т г и
»
т
Я
л
м г _
——
Рис.* 249. Схема бегунов
I (^неподвижной чашей:
у
4
вал; 2 —- чаша; 3 — ось;
кривошип;
5 — каток
.
от
.. ! "■
Л
•
Рис. 250. Бегуны с подвижной чашей
/ — катки;
2 — чаша; 3 — скребок
на котором шарнирно закреплены молотки 6. Исходный
материал поступает через воронку и измельчается вслед­
ствие ударов молотков и ударов о броневые плиты.. Измель­
ченный материал просеивается через щели колосниковой
решетки 9.
Молотковые дробилки изготовляют с количеством моот 3 ДО 300 шт., частота вращения ротора 300—
2800 об/мин. Молотки, броневые плиты и колосники изго­
товляют из износостойкой марганцовистой стали или угле­
родистой стали, наплавленной твердым сплавом. Ввиду
быстроходности и большого веса вращающихся частей
изготовление, монтаж и ремонт ротора должны быть
особенно точными. Ротор должен быть статически и ди­
намически сбалансированным.
•
Дезинтеграторы и дисмембраторы. В дезинтеграторе
два диска вращаются в противоположные стороны
(рис. 252). На дисках закреплены пальцы, расположенные
по концентрическим окружностям таким образом, что
каждый ряд пальцев одного ротора входит между паль­
цами другого ротора. Окружная скорость пальцев на
внешней окружности составляет 20—40 м/с. Исходный
материал подается через загрузочную воронку к центру
ротора и центробежной силой отбрасывается к периферии,
9
6
Рис. 251. Молотковая
мельница:
/ — корпус; 2 — крышка; 3 — воронка; 4 — подшипник; 5 —■диск; 6 — моло­
ток; 7 — броневая плита; 8 — шарнир; 9 — колосниковая решетка
причем материал многократно дробится при ударах
о пальцы роторов. Измельченный продукт выгружается
через нижний штуцер.
Дисмембратор имеет тот же принцип действия, но
один диск его неподвижен.
Пальцы дезинтеграторов и дисмембраторов изготов­
ляют круглыми или многогранными. Производительность
и степень измельчения дезинтеграторов и дисмембраторов
зависят от числа рядов пальцев и частоты вращения ро­
тора. С увеличением частоты вращения увеличивается
степень измельчения, но уменьшается производительность,
так как затрудняется прохождение материала через ряды
пальцев.
Барабанные мельницы — это машины, в которых мате­
риал измельчается внутри вращающегося корпуса под
! Я§ |
«ОЛч!г
о .
С_а
X
Ч0 М
°
>
Ш
5КГ | Я•« II
о
сСЧ
* к1
си
& «> Ц
и
...
<у 0. ...Я Н
« со
1
*
,
я
м
кСП О© ЯУ I «ев
<У с{> и
ч Сч
ю
сч
Я
•О
а
ом
М
со ^ а
I
си Я
«
О
о
я СX
см
Оч
|А|«о
со
2
^ N
действием мелющих тел, которыми служат металлические
и фарфоровые шары, стержни и т. д.
При вращении барабана мелющие тела увлекаются под
действием центробежной силы на определенную высоту,
а затем падают и измельчают материал. По принципу
действия различают мельницы периодического и непре­
рывного действия с измельчением материала сухим и
мокрым способом. В зависимости от формы барабана раз­
личают мельницы цилиндрические, трубчатые и кониче­
ские (рис. 253).
? рЩ '
По методу загрузки и выгрузки готового продукта
различают мельницы с периодической загрузкой и вы­
грузкой через боковой люк в барабане (см. рис. 253,
Рис. 253. Типы шаровых мельниц:
I — I V — цилиндрические;
V — конические;
VI ,
V I I — трубчатые
тип /); с выходом продукта через пустотелую цапфу или
через открытую торцовую стенку (см. рис. 253, типы I I ,
IV , VI, VII) и с выгрузкой по всей длине барабана через
цилиндрическое сито (см. рис. 253, тип III). Цилиндриче­
ские мельницы изготовляют с диаметром барабана 1—
2,4 м с отношением НЮ = 1,5^ 6. Чем больше диаметр
кусков исходного материала, тем больше должен быть
диаметр барабана.
На рис. 254 показана так называемая шаровая диафрагменная мельница. Она состоит из корпуса и двух днищ
с полыми цапфами, с помощью которых она монтируется
на подшипниках. Внутри барабан футеруется броневыми
плитами и на 25—40% заполняется мелющими телами.
Измельченный продукт проходит через решетку и выгру­
жается через правую цапфу.
Барабанные мельницы большой длины разделяют по­
перечными решетками на ряд секций, в каждую из кото­
рых загружают шары разного диаметра: размер шаров
уменьшается от входа к выходу.
Частота вращения барабана определяется из следую­
щих условий: при малой частоте высота подъема шаров
будет недостаточна, а при большой — шары будут при­
жиматься к стенке центробежной силой и мелющее дей-
Рис. 254. Шаровая диафрагменная мельница:
/
корпус (барабан); 2 и 3 — торцовые кры ш ки: 4
подшипник; 5 — зубчатый венец; 6 — плиты* 7 _
— за грузочная цапфа; 8 — р а згр у зо ч н а я цапфа; 9 _ диафрагма; 10 — ковши; 11 — ш ары
ствие их такж е будет ухудшаться. Практикой установлено, что наивыгоднейшая частота вращения барабана
32
а = —= • об/мин,
IТ ъ
где О
диаметр барабана, м.
Вибрационная мельница (рис. 255) имеет цилиндриче8По/
К0РЫТ0°бразный корпус, заполненный на 75—
/о объема шарами или стержнями. Корпус установлен
на раме с помощью пружин; при вращении в ^ Г с б а ­
лансами корпус колеблется с амплитудой 2—4 мм Эти
Ь ®
1 |К Г
“ “ " щим телам- которые измельчают
гуг апои ’ Дебалансовыи вал приводится непосредственно
ОТ электродвигателя. Частота колебаний вибромельниц,
Рис. 255. Схема вибрационной мельницы:
1 — электродвигатель; 2 — муфта; 3 — корпус; 4 — вал вибратора; 5 Ш деба
ланс; 6 — подшипник; 7 — пруж ина
Рис. 256. Схема струйной
мельницы:
2 — соп­
ла; 3 — инжектор; 4 и 5 — к о ­
лена трубы; б — жалюзийный
пылеразделитель: 7 — вы хлоп­
ная тру^а
1 — трубный контур;
Рис. 257. Коллоидная (пес
чаная) мельница
выпускаемых отечественными заводами, 1500—3000 1/мин.
Вибромельницы дают очень тонкий продукт измельчения
однако имеют низкую производительность.
’
Вследствие того что в вибрационных мельницах имеют
место значительные тепловыделения, они не применимы
для измельчения продуктов с низкими температурами
плавления.
Струйные мельницы. В струйных мельницах энергия,
необходимая для измельчения материала, сообщается
струей воздуха или инертного газа, двикущегося со зву­
ковой или сверхзвуковой скоростью. Мельница с верти­
кальной трубчатой помольной камерой (рис. 256) пред­
ставляет собой замкнутый трубчатый контур, в который
через сопла поступает воздух. Материал на измельчение
подается через инжектор. Для обеспечения циркуляции
сопла устанавливают наклонно. Разделение частиц по
крупности производится в верхней части мельницы при
повороте потока в колене. Крупные частицы центробеж­
ной силой отбрасываются к периферии, а мелкие засасы­
ваются потоком воздуха.
Струйные мельницы как весьма энергоемкие аппараты
применяют в основном дчя сверхтонкого измельчения
дорогостоящих продуктов.
Коллоидные мельницы. Коллоидные мельницы и диспергаторы применяют для сверхтонкого измельчения мате­
риала. Измельчение производится обычно мокрым спосо­
бом. Жидкость со взвешенными частицами твердого мате­
риала протекает через отверстия между статором и рото­
ром, вращающимся с окружной скоростью до 125 м/с.
Для этой же цели применяют так называемые песочные
или жемчужные мельницы, в которых зубчатый диск вра­
щается с большой скоростью в суспензированном про­
дукте, смешанном с песком (рис. 257).
Г л а в а XIX.
ОБОРУДОВАНИЕ И СООРУЖЕНИЯ
ОЧИСТКИ И ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД
§ 59. Классификация производственных сточных вод
и основные методы их очистки
В ходе технологических процессов большинства хими­
ческих и нефтехимических производств образуются зна­
чительные количества сточных вод, содержащих те или
иные вещества-загрязнители. Спуск таких стоков в есте­
ственные водоемы (моря, реки, озера) без предварительной
очистки запрещен постановлением Верховного Совета
СССР от 20 сентября 1972 г. «О мерах по Дальнейшему
улучшению охраны природы и рациональному использо­
ванию природных ресурсов». Наличие надежных очистных
сооружений на линии стока промышленных и бытовых
вод, содержащих вещества-загрязнители, является не­
пременным условием пуска и эксплуатации любого пред­
приятия.
Вещества-загрязнители могут быть растворимыми и
нерастворимыми в воде, органического и неорганического
происхождения, токсичными и нетоксичными. Характер
их воздействия различен: в водоемах может изменяться
вкус, цвет, запах, прозрачность, содержание кислорода,
щелочность и жесткость воды. Некоторые вещества, со­
держащиеся в стоках, делают воду в водоемах непригод­
ной для питья и хозяйственно-бытовых нужд населения,
приводят к нарушению биологических процессов в во­
доемах и к гибели рыбы.
Научными учреждениями Министерства здравоохране­
ния СССР разработаны требования к составу и свойствам
сточных вод, сбрасываемых в водоемы. Этими требова­
ниями установлены предельно допустимые концентрации
вредных веществ в водоемах в пунктах сброса стоков.
К наиболее токсичным веществам можно отнести фенол
(его предельно допустимая концентрация в воде Щ Ц
= 0,001 мг/л), тиофос (Кп = 0,003 мг/л), диметилдиоксан
(Кн = 0,005 мг/л), изопрен (К„ — 0,005 мг/л), сульфиды,
тетраэтилсвинец, свободный хлор (должны отсутствовать
полностью).
Косвенным показателем степени загрязненности воды
органическими веществами является количество милли­
граммов кислорода, затрачиваемое при определенных
условиях и длительности воздействия на окисление этих
веществ в 1 л воды. Называют этот показатель биохими­
ческой потребностью в кислороде, в сокращенном виде
ВПК. Различают Б П К г (однодневное воздействие кисло­
родом), Б П К 2 (двухдневное), Б П К 3 (трехдневное), Б П К 4
(четырехдневное) и Б П К 5 (пятидневное). Считается, что
распад органических веществ в воде заканчивается, когда
БП К 5 в о д ы снижается до 2 мг кислорода на 1 л воды.
Во многих химических и нефтехимических производ­
ствах содержание веществ-загрязнителей в сточных водах
чрезвычайно велико. Например, один крупный коксохи­
мический завод ежедневно сбрасывает со сточными водами
до 6,5 т взвешенных веществ, до 10,5 т фенолов, около
0,2 т аммиака, до 5 т сульфидов, до 9 т хлоридов и много
смолистых веществ.
Сточные воды в зависимости от химического состава
веществ-загрязнителей и их действия на водоемы и вод­
ные организмы подразделяют на несколько основных
групп с содержанием:
1) неорганических примесей со специфическими ток­
сичными свойствами (стоки содовых, сернокислотных,
азотно-туковых заводов);
2) неорганических примесей без специфических ток­
сических свойств (стоки углеобогатительных и рудообо­
гатительных фабрик);
3) органических примесей без специфических токсиче­
ских свойств (стоки дрожжевых, пивоваренных, сахарных
заводов);
4) органических примесей со специфическими токсиче­
скими свойствами (стоки химических, коксохимических,
газосланцевых, нефтеперерабатывающих заводов).
В зависимости от физико-химических свойств веществзагрязнителей, содержащихся в промышленных стоках,
и их количества используют следующие методы их очистки
и обезвреживания:
1)
механический — выделение нерастворимых осадков
процеживанием через решетки, сита; отстаивание, филь­
трование через зернистые материалы или тканевые сетки-
2) биохимическим — использование жизнедеятельности
аэробных, анаэробных бактерий и других простейших
организмов;
I№
3) термический — окисление веществ при высоких тем­
пературах с получением безвредных продуктов (сжигание
стоков в печах);'
4) физико-химический — пропускание через слои гра­
нулированной ионообменной смолы, активированного
угля, силикагеля или других веществ; экстракция раз- •
личными растворителями;
5) химический — химическое превращение веществ-за­
грязнителей в безвредные вещества с помощью различных
реактивов или электролиза.
*
Производственные стоки большинства химических и
нефтехимических производств содержат вещества-загряз­
нители различной физико-химической природы: в виде
нерастворимых в воде взвесей и эмульсий, низкоконцен­
трированных растворов. По этой причине для их очистки
приходится использовать комбинированные методы; на­
пример, механический метод часто используют в сочета­
нии с биохимическим или физико-химическим методом.
Очистка значительных количеств промышленных сто­
ков до степени чистоты, необходимой по санитарным нор­
мам для их сбрасывания в естественные водоемы, является
дорогостоящим процессом. Наиболее эффективным сред­
ством, позволяющим значительно сократить сброс сточ­
ных вод в водоемы, является организация повторного
использования сточных вод в системе водоснабжения
производственных процессов. Вода, идущая на повторное
использование, может либо частично очищаться, либо
совсем не очищаться. Это зависит от химического состава
веществ-загрязнителей и места использования оборотной
воды. В химических производствах нашел широкое ис­
пользование так называемый местный оборот воды, при
котором вода многократно циркулирует в пределах одной
промышленной установки (или группы установок). Мест­
ный оборот воды особенно целесообразен в тех случаях,
когда наибольшее загрязнение сточных вод происходит
в отдельных установках производственного процесса.
Например, применение местного оборотного водоснабже­
ния без промежуточной очистки в отделении пиролиза
газов на заводах синтетического каучука позволило со­
кратить количество сточных вод, сбрасываемых в водоемы,
с 1000 до 10 м8/ч, т. е. в 100 раз.
§ 60. Оборудование и сооружения для очистки
сточных вод механическим методом
Песколовки. Сточные воды в первую очередь очищаются
от песка и тяжелых минеральных примесей, так как они
затрудняют удаление из сточных вод мутей и растворен­
ных в них веществ-загрязнителей. Выделение из сточных
вод грубых взвесей с размером частиц более 0,1 мм произ­
водится в песколовках, которые предшествуют основным
очистным сооружениям.
Рис. 258. Схема горизонтальной песколовки
Песколовка — это сооружение непрерывного действия,
работающее по принципу гравитационного осаждения.
Она состоит из нескольких последовательно соединенных
бассейнов, имеющих устройства для улавливания и уда­
ления грубых взвесей. Наибольшее распространение по­
лучили горизонтальные песколовки (рис. 258). П одлеж а­
щие очистке сточные воды по лотку 1 поступают в ж елезо­
бетонный бассейн 5 с плоским днищем. В средней части
бассейна смонтирована решетка 4 с механическими граб­
лями. Процеживание сточных вод через решетку с прозорами 10 12 мм обеспечивает задерж ание крупных
частиц. Эти частицы удаляются с решетки механическими
граблями и сбрасываются на ленточный транспортер
доставляющий их в специальный бункер.
При больших расходах сточных вод устанавливают
несколько параллельно работающих бассейнов, образую­
щих единый блок. Каждый из бассейнов блока может быть
отключен от притока сточных вод с помощью щитовых
затворов 3 и 7. Блок в большинстве случаев устанавли­
вают в специальном здании 2. Из бассейна с решеткой
сточные воды попадают в песколовку, представляющую
собой железобетонный бассейн 5 с плоским днищем и
приямком 10. Скорость течения воды в песколовке при­
нимается в зависимости от размера частиц песка, которые
необходимо в ней задержать, от 0,1 до 0,3 м/с. Глубина
проточной части песколовки устанавливается с помощью
водослива 9 от 0,6 до 1,2 м. Ширину песколовки в зави­
симости от числа параллельно работающих песколовок и
общего расхода сточных вод назначают от 2,8 до 5,8 м при
длине 15 или 18 м. Осаждаемый, на днище песколовки
песок скребковым транспортером 8 сбрасывается в при­
ямок 10, откуда он отсасывается по трубе 11 насосом 6.
Отделение песка из отсасываемой из приямка^воды произ­
водится в специальных накопителях (овраги, балки, ста­
рые русла рек и т. п.).
Отстойники. Грубодисперсные взвеси и часть органи­
ческих загрязнителей выделяют из сточных вод в отстой­
никах. В зависимости от направления потока жидкости
внутри отстойников их делят на следующие типы: верти­
кальные, горизонтальные и радиальные.
Вертикальные отстойники имеют цилиндрическую или
прямоугольную форму. Как правило, их изготовляют
из сборного железобетона. На рис. 259 показана кон­
струкция одного из вертикальных отстойников, приме­
няемого в промышленности. Сточная вода, подлежащая
осветлению, подается по лотку 1 в центральную трубу 2,
откуда она с помощью отражательного щита направляется
в нижнюю часть корпуса отстойника. Внутри отстойника
вода поднимается по направлению к водосборному ж е­
лобу 3. Благодаря малой скорости подъема воды (не выше
0,7 мм/с) грубые взвеси и органические примеси хлопьевид­
ного типа осаждаются в коническую часть корпуса от­
стойника. Осветленная вода, перелившись через боковую
стенку водосборного желоба 3, выводится из отстойника
по отводящему лотку 4, соединенному непосредственно
с проточной частью водосборного желоба. Концентриро­
ванная взвесь осажденных частиц, называемая шламом
или илом, выводится из конической части корпуса по
Рис. 259, Вертикальный отстойник
трубе 5 с помощью насоса. Образующаяся на поверхности
жидкости корка периодически удаляется путем поднятия
свободного уровня жидкости в отстойнике. Д ля этого
отверстие, соединяющее водосборный желоб с отводящим
лотком, перекрывается шибером. Свободный уровень жид­
кости в отстойнике при этом поднимается, и вода, несущая
куски крошки, поступает уже не в водосборный желоб 3,
а в кольцевой сборник 6. Из него вода сливается в отводя­
щую трубу 7.
Ц
Горизонтальные отстойники имеют коробчатую форму;
строят их из сборного железобетона. Корпус горизонталь­
ного отстойника в зависимости от состава и количества
сточных вод может иметь длину до 36 м, ширину от 6
до 18 м, глубину проточной части в пределах 1,5—4 м.
Конструктивно горизонтальные отстойники весьма схожи
с песколовками. Они тоже имеют приямок в передней
части корпуса и скребковый механизм, сдвигающий ил
к приямку. Ил удаляется из приямка с помощью плун­
жерного насоса. Горизонтальные отстойники, предназна­
ченные для осветления сточных вод, несущих всплываю­
щие примеси (масла, нефть, полиэтиленовую крошку
и т. п.), снабжаются специальными устройствами для
сбора и удаления этих примесей. Устройство для удале­
ния всплывающих осадков монтируется в выпускной
части горизонтального отстойника. Оно может быть
выполнено в виде вращающихся труб, через кото­
рые удаляются примеси, либо в виде труб с прорезями,
закрепляемых у свободного уровня жидкости в отстой­
нике.
■ [Ф
К горизонтальным отстойникам можно отнести нефте­
ловушки и смолоотстойники.
Радиальные отстойники имеют корпус цилиндрической
формы диаметром от 18 до 54 м. Сточные воды в них дви­
жутся от центра к периферии по радиусу. На рис. 260
показана конструкция одного из радиальных отстойников.
Сточные воды подаются в него подводящей трубе 1,
имеющей на конце конический раструб. За время движе­
ния сточных вод от прорезей в верхней части раструба
до отводящего лотка 3 из них успевают выпасть твердые
примеси. Выпавший на днище радиального отстойника
осадок сдвигается скребками, закрепленными на вращаю­
щейся ферме 2, к приямку 4. Осадок из приямка удаляется
периодически с помощью плунжерного насоса, включае­
мого и выключаемого автоматически.
•
Ферма со скребками в
радиальных отстойниках
небольшого диаметра имеет
привод через понижающий
редуктор от электродвига­
теля, закрепленного на
стойке в центральной части
корпуса (см. рис. 260).
В радиальных отстойни­
ках большого диаметра
ферма со скребками враЩ щается с помощью те­
лежки, движущейся по
рельсам, уложенным на
торцовой части стенок
корпуса отстойника.
Флотаторы. Д ля очи­
стки сточных вод от мель­
чайших жидких частиц
загрязнителей широко использутся метод воздуш­
ной флотации. Метод за ­
ключается в пропускании
через осветляемую сточ­
ную воду тонкодисперс­
ных пузырьков воздуха,
которые при всплытии под
действием молекулярных
сил (сил поверхностного
натяжения) присоединяют
к себе частицы флотируе­
мых веществ.
Поверхностное натяже­
ние сточных вод, подле­
жащих флотационной очи­
стке, не должно превы­
шать 60— 65 МН/м, в про­
тивном случае в сточные
воды приходится добав­
лять поверхностно-актив­
ные вещества.
Аппараты, в которых
использован метод воз­
душной флотации, полу-
чили название флотаторов. В зависимости от способа ди­
спергирования воздуха флотаторы делят на флотаторы
с турбинками и флотаторы с напорной флотацией.
Флотатор с турбинкой (рис. 261) имеет резервуар 1,
чаще квадратной формы, изготовленный из железобетона.
Около днища резервуара смонтирована турбинка 2 насос­
ного типа. Вал 3 турбинки проходит внутри трубы 4,
соединенной со статором 5. Вал турбинки приводится
Очищенная вода
Очищаемая вода
Уловленная
не/рть на
4—
производ­
ство
Б -6
6
5
9
Рис. 261. Схема флотатора с турбинкой
от электродвигателя, смонтированного на специальной
флотацио
устанавливается 1,5 3 м. В трубе 4 выше свободного
уровня жидкости в резервуаре имеются отверстия, через
которые при вращении турбинки вследствие создающегося
в камере статора разрежения засасывается из окружающей
атмосферы воздух. Очищаемая вода поступает в пр.чрптшяп
флотатор
В резервуаре она
опускается сверху вниз. Лопатки турбинки распыляют
поступивший в трубу 4 воздух на мельчайшие пузырьки,
которые при всплывании сталкиваются с частицами веществ-загрязнителеи, задерживают их около себя и увле-
*
кают на поверхность. Образующаяся на поверхности
пена, содержащая вещества-загрязнители, сгоняется пеноснимателем 7 в сборный лоток 8. Ротор пеноснимателя
приводится от самостоятельного электродвигателя через
понижающий редуктор. При падении пены в сборный
лоток она разрушается и в виде смеси воды и флотируе­
мого вещества поступает в пеносборный резервуар. Очи­
щенная вода через гидравлический затвор 9 поступает
в выпускную камеру 10, откуда она сливается в отводя­
щий лоток 11. По лотку вода попадает либо в буферный
пруд, либо в систему оборотного водоснабжения.
Флотационная установка большей производительности
включает несколько параллельно работающих флотаторов
с турбинками, приемный резервуар, пеносборный резер­
вуар и насосную станцию для откачки воды и уловленных
веществ (нефти, нефтепродуктов и т. п.).
Во флотаторы с напорной флотацией сточная вода
поступает уж е насыщенной воздухом. Аэрирование (на­
сыщение воздухом) сточной воды производится при по­
вышенном давлении в напорных резервуарах. Воздух
(в количестве до 5% расхода очищаемой воды) подается
в воду через всасывающий или напорный трубопровод
перекачиваемого насоса. В первом случае для подачи воз­
духа вместо компрессора можно использовать эжектор.
Д ля повышения эффекта очистки в воду добавляют не­
большие количества глинозема и активного кремнезема.
Аэрированная сточная вода из напорного резервуара
через дисковый клапан выпускается во флотационную
отстойную камеру. При этом давление воды понижается
до атмосферного и в ней возникает большое количество
мелких пузырьков воздуха.
В большинстве случаев флотационная отстойная ка­
мера представляет собой цилиндрический резервуар из же­
лезобетона, в котором смонтированы устройства для рас­
пределения аэрированной воды и сбора пены.
Н а рис. 262 показана конструкция наиболее распро­
страненного в промышленности радиального напорного
флотатора с вращающимся водораспределением. Аэриро­
ванная сточная вода поступает в отстойную камеру по
трубе 5 и затем попадает во вращающийся водораспреде­
литель 6 , состоящий из нескольких перфорированных
тр у б / закрепленных на вращающемся патрубке. После
выхода сточной воды из отверстий вращающихся труб
в отстойную камеру начинается процесс флотации: под-
I
К
О
*©*
«а?
г а
о
СО
з:
25
е*
со
о*
сч
СО
сч
Си
нимающиеся пузырьки воздуха захватывают частицы веществ-загрязнителей. На поверхности воды в отстойной
камере появляется пена, содержащая вещества-загрязнител и. Эта пена сгребается лопастями пеносборного устрой­
ства 2, приводимого во вращение от электродвигателя 1,
в пеносборный лоток 3.
Пена удаляется из лотка по трубе 4. Очищенная вода
через гидрозатвор попадает в лоток 8 осветленной воды,
из которого она поступает в систему оборотного водо­
снабжения или буферный пруд. Образующиеся в нижней
части отстойной камеры осадки выводятся по трубе 7.
Фильтры. Д ля очистки сточных вод от тонкодисперсных
загрязнителей (смол, нефти, масел, волокон и т. п.) при­
меняют фильтры. В качестве фильтрующего материала
в них используют насыпные зернистые слои кварцевого
песка, кокса, древесного угля или тканевые сетки.
Кварцевые фильтры представляют собой резервуары
из железобетона, чаще прямоугольной формы, на днище
которых насыпан сначала слой высотой 0,5 м из гравия
крупностью 30—80 мм (поддерживающий слой), а затем
слой кварцевого песка высотой 0,8—2,0 м (фильтрующий
слой). Глубина воды в резервуаре 4-—10 м. Сточная вода
поступает в кварцевый фильтр через распределительный
лоток сверху; очищенная вода, прошедшая фильтрующий
слой, постепенно забивается осадком, его сопротивление
увеличивается, что приводит к снижению количества от­
фильтрованной воды. Поэтому через определенный про­
межуток времени фильтр переводят на режим регенера­
ции. С этой целью прекращают подачу сточной воды в ре­
зервуар, а снизу подают горячую воду. Иногда дополни­
тельно подают воздух, что интенсифицирует процесс ре­
генерации фильтрующего слоя. Промывные воды 'направ­
ляют для отстаивания в специальный резервуар. Момент
переключения фильтра на регенерацию определяется по
потере напора или по ухудшению качества фильтрата.
Коксовые фильтры конструктивно не отличаются от
кварцевых фильтров. В них фильтрующий слой состоит
из частиц кокса крупностью 5— 15 мм. Коксовые фильтры
л и П НЯЮТ ДЛЯ очистки сточных вод, содержащих смо­
листые вещества.
Древесноугольные фильтры имеют фильтрующий слой
5 - й ° м м Ик И3 ЧаС1 ИЦ неактивиР°ванного угля крупностью
”
Высота фильтрующего слоя у них 1 м. Эти фильры используют для очистки некоторых химически загряз-
ненных сточных вод, например сточных вод латексных
производств.
бК:
Фильтры с сетками (микрофильтры) используют для
окончательной очистки слабо загрязненных сточных вод
либо для предварительной очистки сильно загрязненных *
сточных вод.
?
Конструктивное оформление одного из микрофильтров
показано на рис. 263. Основным элементом этого микро­
фильтра является барабан /, приводимый во вращение
от индивидуального привода 4. Боковая стенка барабана
состоит из двух поддерживающих сеток из коррозионностойкой стали с квадратными ячейками размером 2 мм,
между которыми зажата фильтрующая металлическая тка­
ная сетка с квадратными ячейками размером 40 мкм.
Сетки натянуты на каркас барабана. Ось 2 барабана изго­
товлена из перфорированной трубы и имеет две опоры 6 .
Барабан установлен в железобетонной камере 5 с двумя
боковыми каналами: канал а для исходной смеси и канал б
для очищенной воды. Внутри барабана установлен метал­
лический желоб, закрепленный на оси 2 . Над барабаном
смонтировано промывное устройство 3 для подачи на
верхнюю часть барабана чистой воды.
Работает микрофильтр следующим образом. Подлежа­
щая очистке сточная вода подается в боковой канал а,
разводящий сточную воду по отдельным микрофильтрам
(их может быть несколько в одном блоке). Из бокового
канала а сточная вода поступает в перфорированную ось
барабана, откуда она выливается во внутреннюю полость
барабана. Далее сточная вода проходит через фильтрую­
щую сетку барабана, освобождается от микровключений
и поступает в камеру 5 микрофильтра. Очищенная вода
удаляется из камеры 5 через водосливное окно в в боковой
канал о. Барабан погружен в воду, находящуюся в ка­
мере, примерно на 2/ 3 его диаметра. На внутренней по­
верхности фильтрующей сетки в погруженной части бара­
бана образуется осадок. При медленном вращении бараоана загрязненная часть фильтрующей сетки выходит
из воды и попадает под струи промывной воды, поступаю­
щей из промывного устройства 3. Промывное устройство 3
огорожено от брызг колпаком 7 из органического стекла,
промывные воды собираются желобом 2 и поступают по
тру е а в сборный резервуар. Очищенная от осадка
Ф**льтРУющая сетка погружается снова в воду камеры 5,
где процесс фильтрации повторяется.
342
1
о.
н
л*=2
х
о
а.
к
со
со
сч
ом
а
В промышленности эксплуатируются микрофильтры
с диаметром барабана от 1 до 3 м при длине от 1 до 4,5 м.
В зависимости от диаметра барабана и его длины микро­
фильтры имеют суточную производительность по очищен­
ной воде от 1100 до 30 ООО м3.
Сооружения для обработки осадка. Образующиеся
в результате механической очистки шламы или илообразные осадки накапливаются в так называемых шламонакопителях или иловых площадках.
Шламонакопители представляют собой открытые зем­
ляные емкости: естественные (овраги, балки, старые русла
рек и т. д.) и искусственные, созданные путем насыпания
земляного рва. Чтобы обеспечить равномерное распре­
деление шлама по всей поверхности шламонакопителя, его
разбивают с помощью земляных перемычек^ на ряд сек­
ций, заполняемых последовательно.
Иловые площадки представляют собой железобетонные
емкости, разделенные внутренними перегородками на ряд
секций.
*
Обезвоженные в шламонакопителях или иловых пло­
щадках шламы и осадки в зависимости от их состава ис­
пользуются в промышленности, строительстве и сельском
хозяйстве.
Технологические схемы очистки сточных вод механиче­
ским методом в зависимости от состава нерастворимых
примесей в сточных водах содержат те или иные сооруже­
ния и аппараты, о конструкциях которых сказано выше.
Однако последовательность установки очистных сооруже­
ний и аппаратов в этих технологических схемах примерно
одинакова. На рис. 264 показана типичная для механиче­
ского метода очистки технологическая схема обезврежива­
ния сточных вод предприятий вискозного волокна. Сточ­
ная вода поступает с завода в распределительную камеру /,
откуда она направляется на решетки 2 для задержания
крупных нерастворимых примесей. За решетками нахо­
дятся смесительные камеры 3, в которых к сточным водам
для их нейтрализации примешивается известковое мо­
локо. Из смесительной камеры сточные воды поступают
в песколовку 4 , где удерживается песок и другие тяжелые
минеральные частицы. Из песколовки сточные воды по­
ступают самотеком в горизонтальный отстойник 5, раз­
деленный на две попеременно работающие секции.
В то время как одна из секций отстойника работает
на осветление стоков, другая секция очищается от шлама.
Через некоторое время функции секций меняются: теперь
уже первая секция очищается от шлама, а вторая работает
на осветление стоков. Частично осветленные в отстойнике 5
сточные воды перекачиваются насосами станции б в ра­
диальный отстоиник (или флотатор) 7, а шламовые
осадки — в приемник шлама 8. И з этого приемника шламы
Сточная
вода
Очищенная
вода
Рис. 264. Технологическая схема очистки
завода
сточных
вод
вискозного
поступают на шламовые площадки 9 для их обезвожива­
ния. В радиальном отстойнике 7 происходит дальнейшее
осветление сточных вод.
За время пребывания в радиальном отстойнике (3—4 ч)
из сточных вод осаждается до 90% взвешенных в них
веществ. Иловый осадок из радиального отстойника 7
перекачивается на шламовые площадки. Окончательная
очистка сточных вод происходит в прудах-осветлителях 10
и фильтровальных бассейнах 11.
§ 61. Сооружения для очистки сточных вод
биохимическим методом
Окончательное
обезвреживание
сточных
вод,
прошеди* ШЛХГ
^
__ _____
—
плп
А И М И Ч е С К у ю очистку, д е лесообразно производить биохимическим методом. Он за­
ключается в переводе веществ-загрязнителей в безвредные
продукты окисления с помощью бактерий и простейших
микроорганизмов. Биохимический метод используется в ос­
новном для очистки сточных вод от органических веществзагрязнителей. В промышленности известны два способа
биохимической очистки сточных вод: аэробный и ана­
эробный.
Аэробный процесс биохимической очистки сточных вод
протекает в присутствии кислорода под воздействием ком­
плекса определенных видов бактерий и микроорганизмов
(биоценоза), развивающихся в сооружениях. Д ля нор­
мальной жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов
при этом способе в сточных водах кроме кислорода и орга­
нических веществ должны содержаться биогенные эле­
менты (азот, фосфор, калий). В случае недостатка этих
элементов они вводятся в сточные производственные воды
искусственно. Наиболее дешевый источник биогенных
элементов — бытовые сточные воды, поэтому во многих
химических производствах на очистку подают смесь произ­
водственных и бытовых сточных вод.
Анаэробный процесс биохимической очистки сточных
вод протекает под воздействием бактерий и микроорганиз­
мов при отсутствии притока кислорода. Используется
он в промышленности .редко, в основном для предвари­
тельной очистки сточных производственных вод, содер­
жащих^ большие количества органических веществ-загрязнителеи.
^
Аэробную биохимическую очистку сточных вод про­
водят в следующих сооружениях: полях орошения, полях
фильтрации, биологических прудах, биофильтрах и аэрол
Поля орошения — специально подготовленные и спла­
нированные ровные земельные участки, предназначенные
для биохимической очистки сточных вод с одновременным
выращиванием сельскохозяйственных культур. На полях
фильтрации производят только биохимическую очистку
сточных вод. Грунт на земельных участках полей орошефильтрации должен хорошо фильтроваться
Н И Я
Ы
Г м ТЛ ТТ Т_ Т
О Т Т Т1 т у
г* л
___
«
водоносных горизонтов, используемых для питьевого во­
доснабжения, планировать поля орошения и фильтрации
запрещено. Нагрузка на эти поля составляет 1 м3 сточных
вод на 1 га площади земельного участка в сутки.
Биологические пруды представляют собой каскад из
3—5 искусственно созданных водоемов, предназначенных
для биохимической очистки сточных вод, основанной на
процессах самоочищения водоемов. Глубина жидкости
в них не превышает 1 м, что обеспечивает хорошее осве­
щение и прогрев всей массы воды.
Сжать ш
'эдух
Рис. 265. Принципиальная схема биофильтра
Поля орошения, поля фильтрации и биологические
пруды для очистки производственных сточных вод ис­
пользуются редко из-за их высокой стоимости, необходи­
мости иметь большие земельные участки и малой эффек­
тивности в зимнее время.
Для очистки производственных сточных вод биохими­
ческим методом используют в основном биофильтры и
аэротенки.
Биофильтры (рис. 265) представляют собой ж елезо­
бетонные резервуары с решетчатым днищем 2 , на которое
насыпается слой кускового материала 3 (галька, щебень,
кусковой керамзит, пластмассовые решетчатые блоки)!
Подлежащая очистке сточная вода по трубе 5 подается
во вращающийся ороситель | , с помощью которого она
равномерно распределяется по всей поверхности загрузки
фильтрующего слоя. На поверхности кусков загрузки
образуется биологическая пленка, в которой находятся
микроорганизмы. При контакте сточной воды с этой плен­
кой микроорганизмы потребляют из нее органические
вещества-загрязнители.
Вследствие этого происходит прирост толщины биологическои пленки. Необходимый для жизнедеятельности
микроорганизмов воздух подается вентилятором под ре­
шетчатое днище. Очищенная вода собирается под решет­
чатым днищем в лоток 4, откуда она поступает во вторич­
ный отстойник. Необходимость последнего обусловлена
тем, что по мере увеличения толщины биологической
пленки в ее нижних слоях микроорганизмы из-за недо­
статка питательных веществ и кислорода отмирают.
Это приводит к значительному снижению сцепляемости
пленки с поверхностью кусков засыпки. Отдельные части
пленки срываются с поверхности кусков и выносятся по­
током сточных вод из фильтрующего слоя. Эти куски
пленки улавливаются во вторичном отстойнике.
| Высота загрузки в биофильтрах принимается равной
1,5—2 м (в низких биофильтрах), 2—4 м (в высоких био­
фильтрах) и 10—20 м (в башенных биофильтрах). Диаметр
биофильтра назначают в зависимости от его производи­
тельности 6, 12, 18, 24 и 30 м. В биофильтрах большой
мощности можно очистить до 40 ООО м3 сточных вод в сутки.
Аэротенки представляют собой железобетонные коры­
тообразные резервуары длиной 30— 100 м, шириной 3—
Ш м и глубиной 3—5 м. В жидкости, заполняющей аэротенк, находится определенное количество (до 3 кг/м3) ак­
тивного ила, представляющего собой скопление бактерий.
В результате жизнедеятельности этих бактерий происхо­
дит очистка сточных вод от различных органических веществ-загрязнителей. Д ля обеспечения нормальной жизне­
деятельности бактерий в нижние слои жидкости, находя­
щейся в аэротенке, равномерно по всей длине аэротенка
подается по перфорированным трубам воздух. В некото­
рых аэротенках для подачи воздуха используют механи­
ческие аэраторы турбинного типа. Смесь очищенной сточ­
ной воды и активного ила, выходящая из аэротенка по­
ступает на вторичные отстойники, где происходит их раз­
деление. Основное количество активного ила возвращается
в аэротенк для повторного использования.
На рис. 266 приведена принципиальная схема трехко­
ридорного аэротенка со ступенчатым выпуском сточных
вод, собранного из сборного железобетона. Аэротенк со­
стоит из четырех однотипных секций 1 - 4 . Каждая сек­
ция разделена двумя перегородками на три коридора,
сточная вода, подлежащая очистке, поступает из подво­
дящего канала 6 в распределительные лотки 7 каждой
секции. Из распределительных лотков сточная вода через
отверстия а подается во второй коридор каждой секции.
348
'
Активный ил из лотка 5 через выпуски 8 поступает в пер­
вые коридоры каждой секции. Смесь активного ила и
сточной воды проходит третий коридор каждой секции и
поступает в отводящий канал 9. Сжатый воздух подается
через перфорированные трубы 10, уложенные по днищу
аэротенка, в первый и третий коридоры каждой секции.
А-А
Активный
ил I
Сжатый.
1/воздух
А
I Шюмесь
Сточная
во вторичные
отстойники
живность
7
Рис. 266. Принципиальная
схема
трехкоридорного аэротенка
иПН/ЧгКХЛ
стонны
воо содержат, как правило, сооружения, работающие как
по механическому, так и по чисто биохимическому методу.
Практически во всех этих технологических схемах пред­
варительная очистка сточных вод от нерастворимых примесеи производится в очистных сооруж ениях механического принципа действия.
На рис. 267 приведена типичная технологическая
схема биохимической очистки сточных вод. В этой схеме
------------- -
^
очистки предусмотрено разбавление промышленных сто­
ков бытовыми сточными водами. Работает она следующим
образом. Промышленные стоки последовательно проходят
песколовку 1, первичные отстойники 2, усреднитель 3,
Промышленные
Бытобые
Рис. 267. Технологическая схема очистки
сточных вод биохимическим методом
где очищаются от крупных частичек, и поступают в сме­
ситель 4. В этот же смеситель подаются в определенном
соотношении и бытовые сточные воды, прошедшие очистку
от крупных взвесей в решетке 5, песколовке 6 и первичных
350
радиальных отстойниках 7. Смесь промышленных и бы­
товых сточных вод из смесителя 4 подается в аэротенки 8.
После них стоки поступают для выделения активного ила
во вторичные радиальные отстойники 9, а затем в контакт­
ные резервуары 10, где очищенная вода контактирует
с хлором. После контактных резервуаров очищенная хло­
рированная вода сбрасывается в водоем. Избыточный ил
из вторичных отстойников 9 и первичных отстойников 7
иловыми насосами подается на иловую площадку 11.
Осадок из первичных отстойников 2 подается в шламонакопитель 12.
По разобранной выше схеме производится очистка
сточных вод на заводах синтетического каучука, нефте­
перерабатывающих и нефтехимических заводах.
§ 62. Оборудование для термического обезвреживания
сточных вод
Д л я ряда промышленных сточных вод наиболее на­
дежным и целесообразным является термический способ
их обезвреживания, заключающийся в их сжигании при
высокой температуре с получением нетоксичных газооб­
разных продуктов горения и твердых веществ (золы).
Промышленные стоки, обезвреживаемые термическим
способом, в зависимости от их состава можно разделить
на три группы, для каждой из которых требуется свое
оборудование.
К первой группе относят промышленные стоки, со­
держащие значительные количества нелетучих органиче­
ских веществ, т. е. таких веществ, которые при 100° С
практически не испаряются, и неорганические соли.
Ко второй группе относят промышленные стоки, со­
держащие в основном неорганические соединения и не­
большие количества органических веществ.
К третьей группе относят промышленные стоки с раз­
личным содержанием летучих и нелетучих органических
веществ, а такж е неорганических примесей.
Промышленные стоки первой группы с малой золь­
ностью могут быть использованы как энергетическое топ­
ливо. Д л я повышения калорийности они перед сжиганием
упариваются в многокорпусных выпарных установках
до содержания в них сухих остатков, равного 45%
Упаривание агрессивных сточных вод чаще производят
в аппаратах с погружной горелкой. Основным узлом этого
аппарата является (рис. 268) погружная горелка /, -ра­
ботающая на газовом топливе. Смесь газа и воздуха по­
ступает в вертикальный канал этой горелки, где воспла­
меняется и сгорает. Продукты сгорания барботируют через
раствор, нагревая его до 95° С, сами охлаждаясь при этом
от 1400 1500 до 100° С. Горелка выполняется из шамот­
ных колец, помещенных в трубу из коррозионностойкой
стали. ^Исходные стоки подаются на упаривание через
нижний боковой штуцер, а упаренные стоки удаляются
из
аппарата
через
ряд
Мет ан
боковых штуцеров, вварен­
Воздия
ных в верхнюю часть
его корпуса. Корпус 2 ап­
парата с погружной горел­
кой выполняется из кор­
розионностойкой
стали;
с наружной стороны кор­
пус аппарата имеет изо­
ляцию. Упаренные сточ­
ные воды могут гореть.
Сжигают их в камерных
Стоки
топках. Одна из конструк­
ций таких топок показана
на рис. 269.
Топка имеет две ка­
меры: камеру А для сжи­
гания упаренных стоков
и камеру Б для осажде­
ния летучей золы, УпаРис. 268. Схема выпарного аппа
ренные стоки форсункой 2
рата с погружной горелкой
распыляются в камере А.
Размеры камеры сжигания должны быть такими, чтобы
капли распыленных стоков не попадали на ее стенки.
Необходимое количество топлива (мазута) вводится в ка­
меру А через форсунку 1. При сжигании топлива в ка­
мере
температура повышается до 1200° С. При такой
высокой температуре органические вещества, содержа­
щиеся в стоках, сгорают. Образующаяся при сгорании
топлива и стоков зола частично осаждается в камере А,
а частично выносится дымовыми газами в камеру У§!
.зола из камеры А удаляется через летку 3. В камере Б
догорают стоки и осаждается так называемая летучая,
т. е. унесенная дымовыми газами, зола. Дымовые газы
с целью утилизации из них тепла направляются в котел352
утилизатор, представляющий собой кожухотрубный теплообменник. В котле-утилизаторе дымовые газы охла­
ждаются до 200 С и через дымовую трубу выбрасываются
в атмосферу.
Топка имеет цилиндрическую форму, внутренний диа­
метр камер 2,5 3 м, высоту 5— 10 м. Внутренняя кладка
топки выполняется из шамотного кирпича в перевязку
с наружной основной кладкой из обычного красного
кирпича.
В тех случаях, когда содержание минеральных солей
в сухом остатке промышленных стоков первой группы
Рис. 269. Схема конструкции топки для
сжигания промышленных стоков
з Т Г к о т е т ь н ы , 0 - 6 0 % ' утилизадия тепла дымовых ган е в ы г о д н о й ^ * Установках становится экономически
л и з а т о п Г й ^ объясняется тем, что трубки котла-утинесенной лы м о»„ загРязняются легкоплавкой золой,
чего коэффициент *^азамн «з камеры Б , в результате
оезул,
резко снижается.
называем™ Ь? „ ° Л^ аЯХ 6олее “ “ годно использовать так
стоков (рис. 270)У ерную схему термической очистки
с т о к о ? с “ Х т ЯизУпоалНп?оКа тер™ чес,(ого обезвреживания
ной т о п к и 2^ е м к о с т е й 1 „ Д Г Збера (абсорбера) / , камерренных стоков И п о п
исходных стоков, емкости 4 упаные ттппа^
перекачивающих насосов 5— 9 Исхол
н а с о с а и 5 ™ ™ Ьв ео х с к п '13 емк° Г е® 3 перекачиваются
скими форсунками п п
а ^ Там стоки механичейадающиеХйавстоетV ггг.Р
ыляются на мелкие капли,
газам. При этом частичноИиг 1^ ИМСЯ горячим Дымовым
сти. Смесь водяных пГ™ испаРяются капельки жидкоД ых паров и дымовых газов удаляется
из скруббера через короб 10 в атмосферу (через трубу 12
естественной тяги или дымососом 11). Дымовые газы
за счет испарения капелек жидкости охлаждаются от 800
о 75—85° С. Упаренная до содержания сухого остатка
40—45% жидкость собирается из нижней части скруббера
в емкость 4. Из этой емкости она насосом 6 перекачивается
(Цепок
------ Впво
т-
Рис. 270. Техноло­
гическая
схема
скруббервой уста­
новки
Топливо
в форсунки 15 с водяным охлаждением, установленные
в камере сжигания 2 топки. При сжигании в топке 2
топлива, подаваемого насосом 7 в форсунку 16, происхо­
дит интенсивный выжиг органических веществ, содержа­
щихся в каплях упаренных стоков. Минеральные соли
(зола) удаляются из камеры 2 топки в жидком виде. Неко­
торая часть унесенной с дымовыми газами золы осаждается
в осадительной камере 17. Дымовые газы с температурой
800— 1000° С из этой камеры поступают в нижнюю часть
скруббера. В моменты отключения форсунок 13 вклю­
чаются форсунки 14, в которые насосом 8 подается чистая
вода. Это необходимо делать, во-первых, при чистке скруб­
бера 1, а во-вторых, во всех случаях отключения или за-
сорения форсунок 13, распыляющих исходную смесь
во избежание перегрева стенок скруббера. Из скруббера 1
упаренная жидкость может быть направлена в емкости 3.
При этом ее можно отфильтровать в фильтре 18.
Скруббер сваривается из стальных листов, толщина
которых уменьшается снизу вверх. В месте входа дымовых
стали
20Х25НР
2е
0Г°2М
ер
?
1
Г
СЯ
ВЫП0ЛНЯТЬ
из
жароупорной
стали 20Х25Н20С2. Если стоки содержат агрессивные ве­
щества, то корпус^скруббера сваривается из коррозионностоикои стали 12Х18Н10Т. Тепловая изоляция скруббера
выполняется из диатомового кирпича К-1 марки 60С в ме­
таллическом каркасе, опирающемся на колонны. Между
наружной стенкой корпуса скруббера имеется зазор от
20 мм в верхней части и до 50 мм в нижней, что позволяет
легко обнаружить течь при неплотности швов скруббера,
н ару ж н ая обшивка изоляции выполняется из листовой
стали толщиной 1—2 мм. Диаметр корпуса скруббера
°Т пР°изв°Дительности установки назналивают 4 - 8 фо’р с у н о Т
°
Н * СКруббере Устанав‘
Многозольные сточные воды второй группы даже и
ни» Г„УПарИВаНИЯ тРебУют при непосредственном сжигазначительных количеств топлива, поэтому экономиче­
ски более выгодно сначала выделить из них веществаобоабо?кГЛКи,а ЗЭТеМ подвеРгнУть последние термической
обработке. Выделение веществ-загрязнителей производят
^пелекЫЛпЯ
Т,еп ЬНЫХ СуШИЛКах (Рис- 271). Высушиваний
в п Г™
РДспыленных упаренных стоков производится
В ы с у ш е Г тйЛЬГ Й СУШИЛК6 1 С П0М0ЩЬЮ ДымовЫх А зо в
~
” Р0ДУКТ’ содеРж аЩий минеральные соли и
Г с Г л Т п о яВ
Л ЩеСТВа’ удаляется из сушилки и по пневв ы ж и Т и я нргп
В ЦИКЛ0ННУЮ топку 2, где происходит
циклонной тпп° органических веществ. Дымовые газы
ё рГспы лител^пйИСП0ЛЬЗуЮТо В качестве теплоносителя
сушилки пымпГ
суш илке- После прохождения камеры
м о к о о м Г ЗЫ очи^ аются от пыли в циклоне 3,
Расплавленные
’ а затем выбрасываются в атмосферу.
н о 1 Г п к Г п ^ п ° Г ’ Так называемый расплав, из циклонсываются в пт
в охладитель 5, а затем либо выбрасы рьГЯ
ЛИ
используются как химическое
к о р п у сТ д ел ят Т° П™ °
от расположения их
существенного ™ аеРтикальные и горизонтальные, хотя
существенного различия в их конструкциях нет. Рас0*5*
смотрим принцип действия циклонных топок на примере
конструкции вертикальной циклонной топки (рис. 272).
Необходимое для сжигания порошка соли количество
мазута подается шестеренчатым насосом в механическую
форсунку 1, установленную в центральной части предтопки 2. Распыленные форсункой капли мазута сгорают
в закрученном потоке первичного воздуха, подаваемого
по трубе 3. Порошкообразная соль вместе с вторичным
Дымовые
8036/
Стоки
Воздух
!1—
"
1
.
Расплав
В отвал
г а
зет
X »
Ж
:—
Рис.
схема
271.
Технологическая
очистки
многозольных
сточных вод
Рис.
V
ч
\ ^ МV М
Я »#
Я
П НI
1»В С X
«Ж|
272. Схема
вертикальной
циклонной топки
воздухом вводится во внутреннюю часть топки 4 через
тангенциальный ввод 5. Закрученный поток воздуха вме­
сте с частичками пыли и дымовыми газами опускается.
При этом происходит выжиг органических веществ из ча­
стичек соли. Дополнительное количество воздуха, так
называемый третичный воздух, вдувается в камеру через
тангенциальный ввод 6. Дымовые газы вместе с частицами
соли, из которых произведен выжиг органических веществ,
выходят из камеры через диафрагму 7. Корпус топочной
камеры^ может быть выполнен из котельной стали с вну­
тренней футеровкой огнеупорным кирпичом 8 . В некото­
рых конструкциях циклонных топок корпус топочной
камеры имеет наружную рубашку 9 для водяного охла-
ждения, как это показано на рис. 272. В этом случае
внутренняя часть корпуса ошиповывается и обмазывается
замазкой, состоящей из шамотного порошка, огнеупорной
глины и портланд-цемента.
^н еуп орн ои
Стоки третьей группы, содержащие летучие ооганиче
ские вещества, предварительно подогревают в вы п аТ ом
аппарате п *б и а-------т т м г ' до а о сл с фп и и е д ор тем
" п е п Я Твыпарном
\Г П И Л
ТЭТ т
деления летучих, которые затем вместе с небольшим ко~
личеством паров удаляются из выпарного а п п Г а т а й
направляются для сжигания в топку. Стоки после от
гонки летучих обезвреживают по скрубберной Ш й
описанной выше.
схеме*
^ 63* 2 5 ° РУАОВание для обезвреживания сточных
промышленных вод физико-химическим
и химическим методами
Как физ
и Г “^ л о И
С
^ 3„У
еес Г , ь , ° 60РУДОВаНИЯ " К0М" —
жирных кислот и некотппытг птГ
]Р с п р о ых воД фенолов»
нкств. В п ром ы ш леи н осГ “ отД пУроИцессРт Г л я т И» Г
трены в гл. VIII
’
нстРУкции которых рассмо-
нияВ< н Г о л » е„Гсто°„Ры к '"вол (Г Трагеат0в) для извлечеобесфеноленное легкое маслп ^П0ЛЬЗУЮТ сырой бензол*
некоторые смеси спиптоГ ^ п УлТИЛацетат’ РезоРВДн и
перекачивается в отгони™
Работанный растворитель
нагрева примерно до 85° С и*
нну’ в которой путем
пары растворителя П
а п ы
выделяются фенол и
санРи „Рс„оваОР„Иа ^ : вл" Г „ Г з Г р Р;кТ„е1
“
—
поэтому”для* 10кончательной°их о”3 СТ0ЧНЫХ В° Д Не Удается'
используют биохимический метод*!” ™ В промышленности.
Разен при Очистке
сточных3
волЧ6НИЯ
на«более
пелесообчистке сточных вод с низкой концентрацией
в них веществ-загрязнителеи. В качестве адсорбента
в этом случае чаще других используется активированный
уголь. В последние годы для этой дели стали широко ис­
пользовать ионообменные смолы.
Аппаратура, используемая при адсорбционном способе
очистки сточных вод, зависит от состояния в ней зерен
активированного угля: стационарный слой, псевдоожи­
женный слой. На рис. 273 приведена технологическая
схема адсорбционной очистки сточных вод в адсорберах
со стационарным слоем катализатора. Сточная вода про­
качивается сначала через кварцевый фильтр 1 для извле­
чения из нее нерастворимых взвесей. В смесителе 2 к сточ1
'
I
Очищенная
бода
Стоки
Рис. - 273.
Технологическая схема
фильтров:
блока
сплошные линии — сточная и очищенная вода;
растворитель
адсорбционных
штриховые линии —»
ной воде добавляется по линии I небольшое количество
реагента для регулирования ее рН (кислотности). Затем
сточная вода поступает в адсорберы 3, в которых зерна
активированного угля размером 2—5 мм уложены на
беспровальную решетку слоем высотой 400—500 мм.
При прохождении этого слоя из сточных вод извлекаются
вещества-загрязнители. После насыщения адсорбента по­
дачу сточных вод в колонны <3 прекращают, колонны осво­
бождаются от находящейся в них воды, а затем адсорбент
подвергают регенерации. Д ля этого по линии I I в ко­
лонны подается растворитель (хлористый метил, дихлор­
этан, метанол, этанол, ацетон, бензол и т. п.), который
извлекает из зерен активированного угля поглощенные
им из воды вещества-загрязнители. Загрязненный рас-
творитель по линии I I I направляется на регенерацию
Блок адсорберов 3 монтируется чаще всего из трех колонн'
соединенных таким образом, что две из них могут в любом
сочетании работать на очистку, а третья - на регшера“
Подобные блоки обычно применяют при очистке
цеховых
стоков. Д ля очистки усточных
в Обольших
__
ш тп ш
ввод
ещ В
ОЛЫПИУ
количествах чаще используют аппараты с п с е в д о о ш в К
ным слоем активированного угля.
д ж е н
1 ™ ЛОГИЧеСКаЯ схема очистки сточных вод в аппарате
псевдоожиженным
псевдоожиженным СЛОем адсорбента показана на
рис. 274. Сточная
вода поступает в смеситель / , куда
дозатором непрерывно
Очищенная
гружается сухой активиро
Сода
ванный уголь (АУ). Образу
ющаяся
|
суспензия перека
чивается в колонну 2, где Стоки
образуется
псевдоожижен
ный слой зерен активиро
энного
угля
некоторой
ысоты. В верхней части
колонны
очищенная вода
осветляется. Некоторая часть
воды с взвешенным в ней Р и с. 274. Технологическая схем а
очистки
сточных
вод
в
аппа­
адсорбентом выводится из
рате псевдоожиженным слоем
середины колонны (примерно
зерен активированного угля
из верхней части псевдоШ к'
>”
* А
» д **—
------
з в- Г
Г1 - Р - ™ . Н-
~
„
ИаяЭТ0ГО
ода направ-
Среди
химич^ких°методовВ0чистки
сточ
Т
ь
Г
в
С
5^
(ьшее оаспоогтпяиоичл
сточных
вод наибольшее
р а с п р о с Т о а н е н......КИ
^ очистки
сточных
вод наи«иркуляционный метод Он основан3* называемый паР°загрязнений циркулирующим Г * ™
°тгонке летучих
Дующей его очисткой
В° Д ЯНЫМ паром с послеИспользуется он для обесЛенолид6”
Раствором щелочи.
химических заводов Основньш /ппяп" СТ° ЧНЫХ вод ^ п о ­
является скруббер разлрпрнни.й
Ратом ПРИ этом методе
перегородкой. Верхняя ЧЯГТ1 И Н**две части сплошной
вянной хордовой насадкой
скруббеРа заполнена дереспиральной насадкой у л о ж е н н о ? ”* * ~ металлической
Во внутренней перегородке ск™ йЛр
неск°лько рядов.
Для пропуска паров из н и ж н р й «
Р имеется патрубок
тая до кипения (100__102° о гт аСТИ В веРхнюю* Н агреия и 0 0 Ю2 С) сточная вода, содержащ ая
<ренол, перекачивается насосом на верх скруббера. Сте­
кающая по деревянной хордовой насадке горячая вода
встречается с поднимающимся циркулирующим паром.
При этом значительная часть фенолов переходит из стоков
в паровую фазу. Обесфеноленная сточная вода удаляется
из скруббера чуть выше перегородки и направляется для
дальнейшей очистки от солей аммиака в аммиачную ко­
лонну. Фенолсодержащий пар отсасывается вентилятором
из верхней части скруббера и подается в нижнюю часть
•скруббера. Периодически в верхний ярус нижней части
•скруббера подается насосом 10°о-ный раствор щелочи.
Раствор щелочи, стекая навстречу циркулирующему пару,
извлекает из него фенолы, в результате образуются фено­
ляты . Д ля увеличения орошения насадки фецоляты пере­
качиваются насосом из нижней части скруббера на верх­
ний ярус нижней его части. Часть фенолят непрерывно
удаляется самотеком в сборник, откуда они перекачи­
ваются периодически на склад.
На пароциркуляционных установках степень обесфеноливания достигает 92—93%, поэтому окончательная очи­
стка сточных вод производится биохимическим методом.
В заключение этой главы следует отметить, что при
выборе метода очистки сточных промышленных вод пред­
почтение следует отдавать тем методам, которые позво­
ляю т выделить из них необходимые для дальнейшего
использования вещества.
К главам I— I X
Щ ННи ||Н
,еск„ ^ —
.Н
ш Я ;Ш в — —
Ш
Й
И
1 "»Р “
—
" рас,ет етм™ “ « а"“ 4 ‘ Баби,*кии И. Ф ., Вихман Г. Л ., Вальфсон С. М Расчет и кон
т
м
Х Т п Г
а1о т Ра^
Ы. “ ♦«перерабаты ваю щ их заводов. И зд. 2-е.
а * А 1970,
г я752г с.а й й
г г йи з д .’я2-е.тЛ ч
г'-«равочник.
., «Маши-
-ностроение»,
М
т.,
. в 1 ™ Н А - Э- О борудование химических
«Высшая школа», 1970, 352 с.
заводов. И зд 2-е
А‘ “ е -
работающих под давлением. М ., ^М ета л лур г и я» "* ?975 ЦИ" С° Судов'
сус„е„ , | уЕ Г з - ! : | ж
А
" практака и —
—
" ПР,“о“СЛ "™ а "мВ Щ'НТИХИМНЕФТГ; М д й 0и,197Л3 Н59
М .,
КЩ П
Ж
»
#
#
*
»■ Промышленные центрифуги.
иал8-
е ж кгга е в?
трами. М., «Химия», 1970° 319 с' ° Ч1|Стка промышленных газов фильМ.,
А- •О- ° ч" " к а газов мокрыми фильтрами.
Д« ^ * Э и ° р Й т а I I ? 19?“ '"з2о"“
м
И
&
1973, 288 с.
Ж
Ь
" холодм ьны е
В
Л'
Я с т р е б е * , * А. Р .
теплообменники. М ., «Машиностроение»»
университета^ЛЭбО^* 4 6 2 ^ ** выпарные установки. И зд. К иевского
Удобре н „ПЙ° Т , Н« х'З м и Я
Ы
»П31974° Н а 3? 3™ В пРоизводстве минеральных
промышленности. * Л . .^ Х ^ м и я ^ ^ Э ^ З ^ в " " с
растворов в химической
19. Лыков М. В. Сушка в химической промышленности. М.
«Химия», 1970, 432 с.
20. Романков П. Г., Рашковская Н. Б. Сушка во взвешенном состоя­
нии. Изд. 2-е, Л ., «Химия», 1968.
*
21. Александров И. А. Ректификационные и абсорбционные аппа­
раты. Методы расчета и основы конструирования. Изд. 2-е. М.,
«Химия», 1971, 296 с.
22. Головачевский Ю. А. Оросители и форсунки скрубберов
химической промышленности. М., «Машиностроение», 1974, 271 с.
23. Гриншпун В. Я. Экстракторы для системы твердое тело —
жидкость. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. М., 1972, 53 с.
24. Лукин В. Д. Адсорбционные процессы в химической, промыш­
ленности. Л ., «Химия», 1973, 64 с.
К главам X — X I V
1. Смирнов Н. Н. Реакторы в химической промышленности. Л.
«Химия», 1972, 56 с.
2. Иоффе И. И., Письмен Л. М. Инженерная химия гетерогенного
катализа. Изд. 2-е. Л ., «Химия», 1972, 462 с.
3. Печи химических производств под ред. Локшина Ю. Э. Л .,
«Машиностроение», 1971, 130 с.
^
4. Катализ в кипящем слое. Под ред. И. П. Мухленова. М., «Химия»
1971, 312 с.
5. Румянцев О. В. Оборудование цехов синтеза высокого давления
в азотной промышленности. М., «Химия», 1970, 376 с.
6. Амелин А.^Г. Производство серной кислоты. М., «Химия», 1967.
7. Масальский К. Е., Годик В. М., Пиролизные установки. М.,
«Химия», 1968, 144 с.
^
8. Холланд Ф. А., Чапман Ф. С. Химические реакторы и смесители
для жидкофазных процессов М., «Химия», 1974, 208 с.
9. Позин М. Е. Технология минеральных удобрений. М., «Химия»,
974.
ШЯ
К главам XV— XVI
1. Шерстюк А. Н. Насосы, вентиляторы, компрессоры. М., «Выс­
шая школа», 1972, 342 с.
2. Бакланов Н. А. Насосы в химической промышленности. Л
«Химия», 1970, 63 с.
3. Бобровский С. А ., Соколовский С. М. Гидравлика, насосы и
компрессоры. М ., «Недра», 1972, 296 с.
4. Спасский К. Н ., Шаумян В. В. Новые насосы для малых подач
и высоких давлений. М., «Машиностроение», 1973, 160 с.
К главе X V I I I
1. Щупляк И. А. Измельчение твердых материалов в химической
промышленности. Л ., «Химия», 1972, 61 с.
2. Барабашкин В. П. Молотковые и роторные дробилки. Изд 2-е
М., «Наука», 1973, 143 с.
3. Утеуш 3. В., Утеуш Э. Ф. Управление измельчительными
агрегатами. М., «Машиностроение», 1973, 280 с.
1. Б атуров В. И ,, Л ей бовски й М г Рлвп
систем водоочистки М ., Ц И Н Т И Х И М Н Е Ф Т Е М А Ш '" 1974 ° 4«ИКИ ДЛЯ
2. Карелин я. А .. Репин К н
С]ЧАШ- 1974, 48 с.
вод предприятий пищевой п р о м ы ш л ен н о ст я м
очистка сточных
ность», 1974, 163 с.
мышленности. М ., «Пищевая промышлен3» Ф аш ман Г. И«, Л и тк як А д п . _
^
вод предприятий химических волокон Т ^ у ™ 6 И очистка сточных
4. Яшновский А. А. О б о р у д о в а н ^ ™ ‘ Х имия>> « 7 1 , 161 с.
промышленных стоков. М ., «М ашинострое^ие»ГГ972,° ] з | езсвреж ивани»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава
I. Основные сведения о процессах химической и
нефтехимической т ех н о л о г и и .......................................
5
§
Глава
1- Классификация оборудования и процессов
химической и нефтехимической технологии
§ 2 . Характеристика основных производств хи­
мической и нефтехимической технологии . .
§ 3. Общие методы расчета химической аппара­
туры ..........................................................................
12
II. Основы конструирования химического и нефте­
химического оборудования ............................................
15
9
§
4. Основные принципы конструирования хими­
ческой и нефтехимической аппаратуры . .
15
§ 5. Требования техники безопасности . . . .
17
§ 6. Конструкционные материалы химического
и нефтехимического машиностроения . . .
22
§ 7. Основные узлы и детали химической и нефте­
химической а п п а р а т у р ы ................................... .........29
Глава
III. Аппараты для разделения суспензий . . . .
42
8. О т с т о й н и к и ............................................................. ......... 42
§ 9. Ф и л ь т р ы ............................................................. 45
§ 10. Ц ен т р и ф у ги ......................................................... ’
55
§
Глава
IV. Аппараты для очистки г а з о в ............................... ......... 63
§
§
§
§
§
11 . Классификация способов очистки газов . .
12 . Инерционные и фильтрующие газоочистители
63
64
13. Мокрые газоочистители
................................... ......... 70
14. Электрофильтры
................................................ ..........73
15. Прочие способы очистки г а з о в ...................... .......... 75
5
1
Т
о
и
о
н
о
с
и
-
'
7
1 18 ? ° ВГ ЛНОСТНЫе тепло°бменные аппараты ' '
80
V I. Аппараты для выпаривания и кристаллизации
105
I Ш
§
1п_
99
§ 18. Теплообменники смешения, конденсаторы *
Глава
® ыпаРные установки
Кристаллизаторы
. . . .
.
Глава
.......................
***
"
*
105
•
*
АX'1м
VII. Сушильные у ст а н о в к и .......................
||
I 99 5 " ° СОбы суш ки и классификация суш илок
§
2
2
-
Д
—
»
—
*
.
-
ж
,
юп
-
•
1
§
■'11 |
Барабанные сушилки
’
............................
............................ • • •
процесса ректификации
° ТЗреЛОК Р ати ф и к ац и он н ы х
ло™
0
|? ?
132
VIII. Аппараты для разделения жидкостей
| Ц:
2
123
^ 2 3 ‘ ^ п ы л и т е л ь н ы е суш илки, суш илки с псевДоожиженным слоем и аэрофонтанные суш ил-
Глава
138
138
ко-
142
5 27
М
ректйф икацион-
§ Ш К м о н ^ , ТИПЫ Р ати ф и к ац и он н ы х
в 9Р п ™
специальны х типов .
колонн.
! 30 Э к с т р а к т н ы ИНЫХ 8ППара™ Я
П
^ -Д
...................................... ' • •
Глава
IX . Аппараты для разделения газовых смесей
1 | § А бсорбционны е установки
1 И ' К.°нстРУКции абсорберов
5
А дсорберы
. . .
........................
150
.с ,
153
154
163
163
165
175
Глава
У
ж
4^^,, у
Г
”
’ 0
....................... ....
процессах „
% • - . . V*...
I о с ' К лассификация химических процессов
8 35■
ГЛаВа
8
1« ■
» * •
каталитических газоф азны х „ р „ .
^
* • • . • * • • • • • «
§ 36. К лассификация и общ ие сведения «
заторах
сведения о катали-
181
181
184
цксо‘>
, ' а “10РЫ
•
А
!
^
187
—
187
365
Глава
§ 37. Реакторы с неподвижным слоем катализатора
§ 38. Реакторы с компактным движущимся слоем
шарикового катализатора
...............................
§ 39. Реакторы с псевдоожиженным слоем зерни­
стого или пылевидного катализатора . . .
§ 40. Реакторы, работающие под высоким давле­
нием ..............................................................................
189
209
XII. Реакторы некаталитических газофазных про­
цессов ...................................................................................
221
198
203
§ 41. Реакторы с газовыми горелк ам и ........................ 22!
§ 42. Электродуговые р е а к т о р ы ............................... ...... 225
. § 43. Трубчатые реакторы с огневым обогревом
(трубчатые печи) . . . .Л................................... ...... 226
Глава
Глава
Глава
Глава
XIII. Реакторы для жидкофазных процессов . г .
250
§ 44. Конструкции аппаратов с мешалками . . .
§ 45. Приводы мешалок и уплотнения враща­
ющихся валов .........................................................
250
262
XIV. Реакторы для химического превращения
твердых веществ .............................................................
269
§ 46. Конструкции реакторов, в которых один из
реагентов находится в твердом состоянии . .
269
XV. Резервуары и вспомогательная емкостная
а п п а р а т у р а ..........................................................................
275
§ 47. Устройство емкостных аппаратов..................
275
XVI. Оборудование для повышения давления и
перемещения ж и д к о с т е й ......................................... .
283
§ 48.
§ 49.
§ 50.
§ 51.
Глава
XVII. Оборудование для перемещения и сжатия
газов
................................................ .................................. ...... 300
§
§
§
§
Глава
Основные рабочие параметры и виды насосов
283
Возвратно-поступательные насосы . . . . .
285
Центробежные н а с о с ы .............................................. 290
Насосы специальных т и п о в ............................... ...... 296
52.
53.
54.
55.
Вентиляторы
......................................................... .......300
Воздуходувки и газодувки
..................................303
К о м п р е с с о р ы ......................................................... .......307
Вакуум-насосы
..................................................... ....... 314
XVIII. Дробильно-размольное оборудование
317
§ 56. Классификация машин для измельчения . .
317
§ 57. Дробилки
..................................................................... 319
§ 58. Мельницы
..................................................................... 322
Глав
а
з
1111Ш Щ Щ Ш 1
д
очистки
§ 61. С ооруж ения для очистки стоЧТ ° А° М « ' ‘ '
мическим методом
С™ Ш вод би охиСТОЧНЫХ в о л М ^ х я м ы и !-
■
333
346
' промь1ш“ е ™ х ДЛв о д б Л и Г ЖИВаНИЯ сто™ ых
^
методами
ХИМИЧескпм »
Список л и т е р а тхимическим
у р ы .......................
................................................. 357
Юрии Иванович Макаров,
Август Эммануилович Генкин
Т 1 ХНн° Л ° . Г И Ч Е С К ° Е С В О р У Д О В А Н И Е Х И М И Ч Е С К И Х
И НЕФТЕГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ
Редактор издательства Н. П.
Ошерова
2*5?
Я2ЩЦА
ТиМфеНК°
Переплет художника В. П. Сошна
Сдано в набор 2 2 /IV 1975 г
Фо5мата84ХК10Я1/аТИк15/1 1976 Г‘ Т-°33°4
Уел п е ч л
ч32 V уМЗГа ТИП0ГРаФская № 2
Й Ш пе^19>3. У ч.-изд. Л. 18,0
Тираж 6500 экз.
Заказ 282
Цена 75 коп.
1-йДБаюиЬа^ный^пер11,з ° СТр0еНИе*’ Й
85' Ю
* . В -7»,
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
25 290 Кб
Теги
oborudovani, makarov, genkinu, neftegazopererabativayushih, himicheskih, tehnologicheskaya, zavodov, 3827
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа