Выпаривание

Разделение газовзвесей

Очистка промышленных газов от взвешенных в них частиц производится для уравнивания ценных продуктов и общей очистки воздуха и производится под действием сил тяжести, инерционных, электростатических сил, а также путем фильтрации.

1. Гравитационное осаджение.

Гравитационное осаждение происходит в пылеосадительных камерах, аналогичных газоотстойникам гравитационного разделения и эффективно применяется в случае крупных частиц пыли.

2. Разделение в поле центробежной силы.

Оно осуществляется в аппаратах – циклонах, состоящих из цилиндро-конического корпуса диметром до 1 м, снабженного сверху тангенциально расположенным штуцером для закручивания входящего потока газовзвеси. Нижний штуцер предназначен для отвода пыли. Входящая струя газовзвеси закручивается штуцером и по периферии конуса поступает в его нижнюю часть. При этом пыль отбрасывается центробежной силой к стенке и стекает в нижний штуцер, а очищенный газ по газоотводящей трубке (по центру конуса) выходит из аппарата. Циклоны эффективно работают при размерах пыли не менее 50-10 мкм. Скорость вхождения газовзвеси 20-25 м/сек.

3. Разделение в электрическом поле.

Оно осуществляется в аппаратах – электрофильтрах, действие которых основано на ионизации молекул и газа, попадающих в электрическое поле. Схема действия электрофильтра следующая. Между двумя электродами: положительным в виде пластики или трубы и отрицательным в виде тонкой проволоки пропускают постоянный ток напряжением 40-100 кВ. Вокруг отрицательного электрода возникает короткий разряд, и происходит ионизация молекул газа, которые притягиваются соответствующими электродами.

A₂ А⁺ + А^–

А₂ 2А (диссоциация)

А^- +А А₂ + ē

Поскольку отрицательные частицы (особенно ē) более подвижны и проходят больший путь, то частицы пыли заряжаются преимущественно отрицательно и притягиваются, в основном, положительным электродом, который называется осадительным. Отрицательный электрод называется коронирующим. Для улучшения проводимости газов его увлажняют, тогда осаждение пыли происходит интенсивнее.

На частицу в электрическом поле действуют 2 силы – сила электрического поля и сила сопротивляется (по закону Стокса):

Р_эл = еЕ, e – заряд ē, Е – напряженность поля.

S = 3πηdV_ос, η – вязкость газа, d – диаметр частиц пыли, V_ос – скорость осаждения частиц.

При равновесии этих сил происходит осаждение частиц со скоростью V_ос. Для N частиц

Р_эл = S => NеЕ = 3πηdV_ос =>

Поэтому скорость осаждения будет зависеть от напряженности поля, вязкости смеси и диаметра частиц.

Электрофильтры эффективны для частиц пыли диаметром <10мкм, когда неприменимы ни гравитационные, ни центробежные силы. Для разделения газовзвесей используют электрофильтры двух модификаций: трубчатки и пластинчатые, которые схематично можно представить следующим образом. Газовзвесь поступает в плоский бункер, проходя через коронирующие электроды, ионизируется, и пыль оседает на поверхности труб или пластин. Периодически встряхивая осадительные электроды молотками, удаляют пыль из системы. Таким путем можно удалять из газа не только пыль, но и влагу.

Трубчатый электрофильтр представляет собой вертикальную камеру 1, в которой установлены осадительные электроды 2, выполненные в виде круглых или шестигранных труб. В качестве коронирующих электродов служат проволоки 3, натянутые по оси осадительных труб. Коронирующие электроды прикреплены к раме 4, подвешенной на изоляторах, а снизу связаны общей рамой 5, что предотвращает колебания электродов. Запыленный газ входит в электрофильтр через газоход 6. Для равномерного распределения газа по трубам служит газораспределительная решётка 7. Очищенный газ удаляется по газоходу 8, а пыль собирается в нижней части электрофильтра и периодически удаляется через отверстие в его днище. В трубчатых электрофильтрах некоторых конструкций решётка и осадительные электроды периодически встряхиваются при помощи специальных молотков.

В пластинчатом электрофильтре осадительные электроды 2 представляют собой параллельные гладкие металлические листы или натянутые на рамы сетки, между которыми подвешены коронирующие электроды 3 в виде нихромовых и фекралевых проволок. Для очистки горячих газов применяют осадительные электроды, имеющие форму волнистых листов или прутков, что предотвращает их коробление. Существуют вертикальные пластинчатые электрофильтры (с движение газов сверху вниз) и горизонтальные (с горизотнальным ходом газов).

Трубчатые электрофильтры имеют большую производительность, чем пластинчатые, но последние более компактны и доступны для удаления пыли.

Сравнительная характеристика газоосадителей.

Пылеосадительные камеры 40-60%

Циклоны 90%

Электрофильтры 95,5%

Выпариванием называется процесс концентрирования растворов твердых веществ, при температуре кипения путём частичного удаления растворителя в парообразном состоянии. В подавляющем большинстве случаев выпариванию подвергают водные растворы и удаленный растворитель представляет собой водный пар, носящий название вторичного пара.

Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространенных для жидких систем, однако он чрезвычайно энергоёмок и требует для аппаратурного оформления высоколегированных сталей и других металлов (Ni, Cr и т.д.). При выпаривании из раствора сначала удаляют растворитель до той степени, чтобы не выпадал осадок, затем кристаллизацией (если необходимо) выделяют чистое твёрдое вещество. Греющим реагентом в аппаратах является водяной пар, энергия которого и расходуется на выпаривание.

Пусть у нас имеется раствор с начальной концентрацией а_н. При выпаривании его концентрация повышается до а_к, а масса уменьшается с S_н до S_к (растворитель улетучивается). Так как растворенное вещество практически нелетучее, то разность S_н–S_к = W, где W – количество испаренной воды. Из условия постоянства количества растворенного вещества в исходном и концентрированном растворах следует:

а_нS_н = а_кS_к или учитывая, что S_к = S_н–W

а_нS_н = а_к(S_н–W) =а_кS_н–а_кW

Отсюда, количество воды (W), которое необходимо выпарить для увеличения концентрации от а_н до а_к равно

W = S_н(1–а_н/а_к)

Из формулы следует, что одинаковой степени концентрирования соответствует одинаковое количество испаренной воды независимо а_н.

Выпаривание проводят при атмосферном давлении, повышенном и пониженном давлении. При выпаривании под атмосферном давлении образуется вторичный пар, который либо выпускают в атмосферу, либо регенерируют его тепло. При выпаривании в вакууме появляется возможность снизить температуру кипения, что важно для легко разлетающихся веществ. При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован вторично при многокамерной выпарке. Эта система очень экономична.

Выпарные аппараты состоят из двух частей:

1. кипятильник (греющая камера)

2. сепаратор (пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора)

Раствор должен все время циркулировать через кипятильник, чтобы испарение было равноме6рно по объему. В промышленности применяют аппараты с естественной и принудительной циркуляцией.

Естественная циркуляция осуществляется по принципу теплового насоса. Переток раствора осуществляется за счет различной плотности в коленах «насоса» (образующиеся пузырьки понижают плотность раствора). Для естественной циркуляции необходимо:

1. Достаточная высота раствора в циркуляционной трубе (движущая сила процесса gH(ρ_т –ρ_п-ж)).

2. Достаточно интенсивное парообразование в кипятильной трубе.

Сами аппараты для выпаривания можно представить следующим образом:

Наиболее выгодны многоступенчатые выпарные аппараты, так как они значительно экономят энергию.