Мокрая очистка газов,конструкция скрубберов.
Оптимизация и интесификация теплообмена.
Флегма. Выбор флегмового числа. Минимальное и рабочее флегмовые числа.
Мокрая очистка газов,конструкция скрубберов.
В аппаратах мокрой очистки запыленный газ промывается водой, что позволяет отделить значительную часть пыли.
Наибольшее применение в чёрной металлургии нашли скрубберы различной конструкции и турбулентные газопромыатели.
Скрубберы (рис.15.6) - это агрегаты, в которых запыленный газ поднимается навстречу орошающей воде. С целью защиты от коррозии внутренние поверхности скруббера футеруются керамической плиткой. Максимальная температура газа в скруббере 300 0С. Размеры скруббера: диаметр - 6-8 м, высота - 20-30 м. Расход воды - 1,5-2 кг/м3 газа. В скрубберах осуществляется полутонкая очистка от пыли.
Рис. 15.6. Схема скруббера
Скоростной газопромыватель (рис.15.7) - эффективный аппарат тонкой очистки, применяемый как самостоятельно, так и для подготовки газа перед электрофильтром. Состоит из трубы-распылителя и циклона каплеуловителя. Улавливает частицы пыли размерами до 0,1 мкм. Производительность по газу 40000 м3/ч и более. Удельный расход орошающей воды 0,15-0,5 кг/м3. Скорость газа в горловине трубы-распылителя 40-150 м/с.
Рис. 15.7. Схема скоростного газопромывателя
Принцип действия скоростного газопромывателя основан на улавливании в циклоне мелких частиц пыли утяжелённых смачивающей их водой. Смачивание частиц пыли осуществляется в трубе-распылителе.
В заключение следует отметить, что пыль с частицами крупнее 10-20 мкм хорошо улавливается в большинстве аппаратов газоочистки. Для очистки от пыли с частицами меньшими 1 мкм пригодны только аппараты тонкой очистки: пористые фильтры, электрофильтры, скоростные газопромыватели.
Оптимизация и интесификация теплообмена.
1. Исходная ситуация
Труба теплообменника.
При малой скорости потока в гладкой трубе (число Рейнольдса Re < 2300) режим движения жидкости ламинарный, а при высокой скорости (Re > 10000) – турбулентный (фиг. 1).
Фиг. 1. Профили скоростей ламинарного и турбулентного потоков в трубе.
В диапазоне от Re < 2300 до Re > 10000 режим переходный от ламинарного к турбулентному [1]. Во всех случаях, даже когда поток в трубе турбулентный, в узком пристенном слое течение ламинарное (фиг. 2).
Фиг. 2. Схема потока в пристенном слое
Вблизи стенки трубы происходит в основном только молекулярный перенос тепла, поэтому теплопередача затруднена. Скорость потока возле стенки близка к нулю, поэтому труба изнутри постепенно покрывается накипью. Это дополнительно ухудшает теплопередачу (фиг. 3).
Фиг. 3. График изменения температуры между теплоносителем и хладагентом
ПРОТИВОРЕЧИЕ. Гладкие трубы дешевы и технологичны; гидравлическое сопротивление при работе с ламинарным или слабо турбулизованным потоком сравнительно невелико. Однако в пристенном слое при этом затруднен теплоперенос, кроме того, на стенках трубы образуется накипь. Необходимо увеличить коэффициент теплопередачи через стенку трубы и предотвратить образование накипи.
Допускаются такие изменения формы труб и режима их использования, которые не приведут к значительному росту трудоемкости, увеличению затрат на материалы и повышенному расходу энергии при эксплуатации теплообменников.
2. Альтернативная система
Альтернативная система – это объект с той же главной функцией, что и исходный, но со взаимно противоположными достоинствами и недостатками.
В зависимости от обстоятельств, следует:
воспользоваться единственной реально существующей системой;
выбрать одну из нескольких реально существующих конкурирующих систем;
скомпоновать собирательный образ из нескольких реально существующих конкурирующих систем;
предложить гипотетическую систему (такую, которой по факту нет, но в принципе понятно, как ее сделать);
придумать фантастическую систему (такую, реализовать которую невозможно без нарушения известных законов природы).
Сильная турбулизация потока разрушает пристенный ламинарный слой. За счет этого увеличивается коэффициент теплопередачи и предотвращается отложение накипи на стенке.
Известны многочисленные способы турбулизации потока. Например, используют витые трубы, вставляют в трубы разнообразные статические смесители, выдавливают на поверхности ребра, покрывают стенки резьбой, делают их шероховатыми и т.д. Все эти варианты можно условно рассмотреть как один – дополнительное устройство для сильной турбулизации потока в трубе.
Применение любого устройства для сильной турбулизации потока требует расплаты. Так при увеличении теплопередачи через стенку трубы в 2 – 3 раза гидравлическое сопротивление системы растет в 10 – 12 раз. Кроме того, стоимость теплообменников с модернизированными трубами резко увеличивается.
3. Альтернативное противоречие
При сравнениии достоинств и недостатков исходной и альтернативной систем, следует:
привести полную формулировку по типу технического противоречия (ТП): «Если система А, то хорошо это, а плохо то; если система Б, то наоборот – хорошо то, а плохо это»;
привести полную формулировку по типу физического противоречия (ФП): «Система должна быть А, чтобы было хорошо это, и система должна быть Б, чтобы было хорошо то»;
привести краткую формулировку обостренного противоречия: «Система должна быть А, и система должна быть Б»;
Отметить возможные способы разрешения противоречия (во времени, в пространстве, системным переходом).
Противоречие по типу ТП. Если труба гладкая, а поток в ней ламинарный или слабо турбулизованный, то гидравлическое сопротивление мало, но при этом сильно ухудшен коэффициент теплопередачи, и на стенках откладывается накипь. Если каким-либо способом поток сильно турбулизован, то коэффициент теплопередачи увеличивается в 2 – 3 раза, накипь на стенках не откладывается, но в 10 – 12 раз вырастает гидравлическое сопротивление системы; кроме того, сильно дорожает оборудование.
Противоречие по типу ФП. Труба должна быть гладкой, а поток в ней ламинарным или слабо турбулизованным, чтобы обеспечить низкую стоимость оборудования, малое гидравлическое сопротивление и малые энергозатраты на прокачку жидкости. Труба должна содержать специальные устройства для сильной турбулизации потока, чтобы обеспечить высокий коэффициент теплопередачи и предотвратить образование накипи на стенке.
Краткая формулировка обостренного противоречия. Поток должен быть ламинарным (либо слабо турбулизованным), и поток должен быть сильно турбулизованным.
Разрешать приведенное выше противоречие следует в пространстве: сильно турбулизованным поток должен быть только в тонком пристенном слое. Именно это улучшит теплоперенос и не допустит образования накипи. В остальном объеме трубы поток может быть любым – хоть ламинарным, хоть турбулентным (каким именно – будет определено из расчета теплообменника).
4. Базовая система
как правило, следует выбрать более простую и дешевую систему с ухудшенным функционированием;
в случае, когда сравниваемые системы по стоимости примерно равнозначны, а отличаются особенностями функционирования, в качестве базовой следует рассмотреть по очереди каждую из них.
В качестве базовой системы выбираем гладкую трубу с ламинарным (либо слабо турбулизованным) основным потоком.
5. Оперативная зона базовой системы
где необходимо и достаточно улучшить функционирование.
Тонкий слой жидкости непосредственно у стенки трубы.
6. Недостатки базовой систем
Плохой теплоперенос в тонком пристенном ламинарном слое жидкости, так как он осуществляется преимущественно только за счет диффузии.
Оседание накипи на стенку из-за практически нулевой скорости потока у стенки.
7. Задача
сформулировать по правилам построения мини-задачи: “Все остается как было, а недостаток исчезает”.
Необходимо обеспечить, чтобы труба осталась гладкой, а основной поток в ней ламинарным, либо слабо турбулизованным. В пристенном слое ламинарный поток жидкости должен исчезнуть.
8. Ресурсы альтернативной системы
определить, благодаря какому свойству (одному или нескольким) обеспечивается хорошее функционирование альтернативной системы;
определить, какие именно элементы системы обеспечивают отмеченные положительные свойства;
классифицировать выявленные свойства по “способу их действия”: во времени, в пространстве, системный переход и т.д.
Сильная турбулизация всего потока обеспечивает хороший теплоперенос в пристенной зоне, а также отсутствие накипи на стенке.
Пристенный ламинарный слой разрушают мощные вихри. Они образуются при закручивании потока в витых трубах и при срыве потока с выступов, впадин, ребер, всевозможных статических смесителей, размещенных на гладких трубах. Эти же вихри предотвращают образование отложений.
Поток постоянно сильно турбулизован во всем объеме – как в центральной зоне, так и в пристенном слое, т.е. является пространственным ресурсом.
9. Портрет ответа
перенести в оперативную зону базовой системы ресурсы альтернативной.
Гладкая труба (обеспечивает низкую стоимость оборудования).
Ламинарный либо слабо турбулизованный основной поток (обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление и малые энергозатраты на перекачку жидкости).
Сильно турбулизованный поток (обеспечивает хорошую теплопередачу, а также удаление накипи); этот ресурс альтернативной системы следует перенести только в оперативную зону базовой – в тонкий пристенный слой жидкости. Организовать вихри в этом слое следует с помощью пристенных турбулизаторов потока.
10. Техническое решение
Турбулизаторы потока в пристенном слое могут быть накатаны прямо на гладкой трубе в виде кольцевых канавок (на внутренней поверхности трубы получатся плавно очерченные выступы).
Высота кольцевых турбулизаторов должна быть равна толщине пристенного ламинарного слоя (примерно 3 – 5% от внутреннего диаметра трубы).
Целенаправленный информационный поиск по теме «Интенсификация теплообмена» позволил найти описание технического решения, дающего нужный эффект [2]. Для большинства случаев рекомендуются следующие размеры турбулизаторов (фиг. 4): d / D = (0.91 – 0.935), t / D = 0.5, либо t / D = 1.
Фиг. 4. Продольное сечение трубы с поперечными канавками снаружи и выступами внутри
Использование в промышленности. Трубы с накатанными кольцевыми турбулизаторами широко используются в теплообменных аппаратах в разных отраслях промышленности бывшего СССР более 15 лет (по состоянию на 1998 г. – В.Г и М.Б).
Накатывать кольцевые канавки можно на простом оборудовании, стоимость труб при этом увеличивается всего на 2 – 3%.
Накатка на трубах позволяет турбулизовать только пристенный ламинарный слой, поэтому затраты энергии увеличиваются незначительно. Так при росте коэффициента теплопередачи в 2 раза гидравлическое сопротивление увеличивается только в 2.5 раза (при турбулизации всего потока оно вырастает более чем в 10 раз).
В литературе описано использование кольцевых турбулизаторов для эффективного уменьшения отложений в трубах.
Для больших труб преимущества усиливаются, так как при увеличении диаметра трубы затраты на турбулизацию всего потока растут пропорционально площади поперечного сечения, а затраты на пристенную турбулизацию – пропорционально только ее периметру.
Решение защищено многочисленными авторскими свидетельствами на изобретения СССР. По этой теме есть много публикаций в литературе.
В 1981 году зарегистрировано открытие «Закономерности изменения теплопередачи на стенках каналов с дискретной турбулизацией потоков при вынужденной конвекции»
3.Флегма. Выбор флегмового числа. минимальное и рабочее флегмовые числа.
Флегма – жидкость, возвращаемую для орошения колонны и взаимодействия с поднимающимися парами. Пары получают путем частичного испарения снизу колонны остатка, являющегося почти чистым высококипящим компонентом. Достаточно высокая степень разделения однородных жидких смесей на компоненты может быть достигнута путем ректификации. Сущность процессов, из которых складывается ректификация, и получаемые при этом результаты можно проследить с помощью t–х,у диаграммы (см. рис. 1.1).
Рис. 1.1. Диаграмма t–x,у.
Флегмовое число и его определение
Минимальное флегмовое число RМИН в ректификационной колонне непрерывного действия, когда кривая равновесия не имеет точек перегиба, определяют по уравнению:
RМИН = (xD – yF*)/(yF* – xF)
yF* - мольная доля легколетучего компонента в паре, равновесном с жидкостью питания.
Рабочее (действительное) число флегмы:
R = ϕRМИН
ϕ > 1 – коэффициент избытка флегмы.
При расчетах ректиф. колонн рабочее число флегмы часто определяют по формуле:
R = 1,3∙RМИН + 0,3
Если на кривой равновесия имеется впадина, то величину определяют графическим путем.
Для определения RМИН из точки А проводим касательную АВ к кривой равновесия. Касательная АВ отсекает на оси ординат отрезок, значение которого – неравновесная концентрация легколетучего компонента в паре (y). Подставляя в уравнение y = xD/(RМИН+1), откуда RМИН = (xD – y)/y.
Зависимость между флегмовым числом и размерами колонны
По мере приближения рабочей линии к диагонали возрастает флегмовое число R, но уменьшается требуемое число теоретических ступеней для получения дистиллята заданного состава хD, что в свою очередь влияет на размер колонны (высоту).
Определение рабочего флегмового числа
Нагрузки ректификационной колонны по пару и жидкости определяются значением рабочего флегмового числа R. Флегмовое число являет собой отношение количества флегмы к количеству дистиллята. Оно может находиться в интервале от Rmin до ∞. При минимальном флегмовом числе можно получить максимальное количество дистиллята, но число тарелок становится бесконечно большим. Если флегмовое число принять равным бесконечности, то получится, что колонна работает сама на себя. При флегмовом числе меньше минимального мы ни при каких условиях не сможем получить конечный продукт с заданными свойствами.
Рисунок 1
Диаграмма "жидкость-пар" для смеси бензол-толуол
Вообще флегмовое число отражает угол наклона рабочей линии к оси абсцисс для верхней части колонны и входя в уравнение рабочей линии. Уравнение рабочей линии для верхней части колонны выглядит как:
yD, как впрочем и yW определяются равными xD и xW соответственно. Иначе говоря предполагается что состав паровой и жидкой фазы одинаков как для низа так и для верха колонны. Все это можно увидеть на рисунке 1.
Минимальное флегмовое число определяется по следующей формуле:
(6)
где - мольная доля спирта в паре, находящемся в равновесии с исходной смесью, определяется по y-x диаграмме.
Тогда: 
Рабочее значение флегмового числа примем равным 2,1. Для определения рабочего флегмового числа существует множество рекомендаций, мы их упускаем, но их можно найти в [3].
2.1.3 Построение рабочей линии на диаграмме “жидкость - пар”.
Рабочая линия процесса ректификации, в отличие от процесса абсорбции, представляет собой совокупность рабочих линий для верхней и для нижней части колонны и характеризуется изломом в точке соответствующей составу питательной смеси.
Для верхней части колонны можно воспользоваться уравнением (5), а для нижней части колонны существует уравнение:
(6)
Вид рабочей линии представлен на все том же рисунке 1.
2.1.4 Определение среднего массового расхода по жидкости
Средние массовые расходы по жидкости для верхней и нижней частей колонны определяются из соотношений:
(7)
(8)
где МP и МF - мольные массы дистиллята и исходной смеси,
МВ и МН - мольные массы жидкости в верхней и нижней частях,
Мольная масса жидкости в верхней и нижней частях колонны соответственно равна:
(9)
(10)
где Мб и Мт - мольные массы бензола и толуола
xср.в и xср.н - средний мольный состав жидкости соответственно в верхней и нижней частях колонны:
Тогда
Аналогично находится мольная масса исходной смеси:
Мольную массу дистиллята можно принять равной мольной массе бензола.
Подставив результаты соотношения в (7) и (8) получаем:
Список использованной литературы
Гельперин Н.И. Основные процессы иаппараты химической технологии - М.: Химия, 1981.
Кувшинский М.Н.,Соболева А.П. Курсовое проектирование по предмету “Процессы и аппараты химической промышленности”. М.: Высшая школа, 1980.
Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др. Под ред. Ю.И. Дытнерского, М.:Химия, 1991.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. Л.:Химия, 1987.