Одной из главных задач в области развития высшего образования в стране, является подготовка специалистов широкого профиля, способных ориентироваться в своей и смежных профессиях, поэтому появилась необходимость в систематизации учебного материала по общехимическому оборудованию, который будет помогать инженеру-механику в решении задач любого производства, независимо от его разновидности. Курс лекций по дисциплине “Технологические процессы производства“ содержит характеристику основного технологического оборудования, изложение методик расчета наиболее распространенных конструкций, и рекомендаций по предпочтительным областям использования аппаратов различных модификаций. Внутри каждой главы материал излагается в следующем порядке: общие положения и классификация машин и аппаратов; конструктивные схемы типовых современных видов оборудования; описание конструкций основных типов машин и аппаратов, и особенностей их использования; параметрические расчеты некоторых видов оборудования; список литературы.
1 Фильтры для разделения суспензий
Для осуществления фильтрования необходимо создать разность давлений по обе стороны от перегородки, которая выполняет роль начального сопротивления для протекания процесса, поэтому скорость процесса фильтрования прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна сопротивлению пористой перегородки и осадка. Дополнительное сопротивление на фильтрующей перегородке возрастает при увеличении толщины осадка или закупоривании его частицами пористой фильтрующей перегородки, а также при одновременном увеличении толщины осадка и закупоривании пор его и перегородки. Наличие давления также приводит к увеличению сопротивления за счет сжатия осадка и пористой перегородки вследствие уменьшения в них пор для прохождения фильтрата и изменения их формы (из-за сжатия и сдвига).
Пористая перегородка создает при фильтровании первоначальное сопротивление, обусловлен вое вязкостью жидкой фазы (фильтрата), диаметром, формой поперечного сечения и извилистостью каналов пор. Это сопротивление может изменяться из-за набухания материала перегородки, изменения поверхностного натяжения системы жидкость - твердая перегородка, адсорбции жидкости на стенках, возникновения неподвижного слоя жидкости у стенок пор и электроосмотического потока жидкости, а также от частичного или полного перекрывания пор твердыми частицами суспензий.
Осадок создает обычно основную долю сопротивления протеканию процесса. Это сопротивление зависит в основном от структур и толщины осадка, на него влияют также физико-химические факторы системы жид- кость - твердое тело.
Структура осадков по крупности частиц изменяется, начиная от фильтрующей перегородки, где осаждаются самые мелкие частицы, проникающие в ее поры. Затем осаждаются более крупные частицы, но между ними располагаются и более мелкие, закупоривающие пространство между крупными частицами.
На протекание процесса фильтрования влияют две группы факторов: микрофакторы и макрофакторы. К макрофакторам относятся структура и геометрия фильтровальной перегородки и слоя осадка, вязкость фильтрата, разность давлений по сторонам фильтра; к микрофакторам -размеры и форма пор, по которым движется жидкость в осадке к фильтровальной перегородке.
Фильтрование суспензий обычно заканчивается промывкой и про сушкой осадков. Эти процессы характеризуются гидродинамическими, а также массообменными и диффузионными явлениями.
Современная теория фильтрования базируется на законах капиллярной гидравлики, которые выражаются законами Дарси и Навье-Стокса. Для их применения процесс фильтрования подразделен на следующие виды: 1) процесс фильтрования образованием осадка; 2) процесс фильтрования закупориванием пор образующегося осадка; 3) процесс фильтрования промежуточного вида; 4) процесс фильтрования с постепенным закупориванием пор фильтрующей перегородки; 5) процесс фильтрования с полным закупориванием пор фильтрующей перегородки и уменьшением их числа.
Несмотря на различия между этими видами процессов фильтрования, их гидродинамику можно описать общим уравнением дня гидравлического сопротивления К движению жидкости через фильтр (фильтровальную перегородку и осадок):
,
(1.1)
где
,
(1.2)
В этих выражениях
V-объем фильтрата за время
,
К0=К1.(или
К2,К3,
К4,
К5)
- коэффициенты, характеризующие каждый
вид фильтрования;
=0-2
- показатель степени для каждого вида
фильтрования, чередующийся через 0,5
соответственно ряду перечисленных выше
видов; W-
текущая скорость фильтрования.
Это уравнение может быть преобразовано к виду:
,
(1.3)
откуда время фильтрования:
,
(1.4)
где Wн- начальная скорость фильтрования.
Для значений = 0; 0,5; 1,0; 1,5, соответственно первым четырем из указанных видов фильтрования, уравнение (1.4) можно проинтегрировать в общем виде и определить время фильтрования:
,
(1.5)
При = 2 (фильтрование с полным закупориванием пор) интегрированием уравнения (1.4) находим:
,
(1.6)
Материал фильтрующей перегородки. Выбор материала фильтрующей перегородки обусловлен степенью агрессивности фильтруемой суспензии и дисперстностью ее твердой фазы. Фильтрующие перегородки изготовляют из текстильных и волокнистых материалов: бязи, парусины, тика, сукна, шелка, асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, бумаги и картона.
Для повышения кислотостойкости хлопчатобумажной ткани ее подвергают нитрованию. Шерстяные ткани устойчивы к кислотам, но разрушаются щелочами. Наиболее устойчивы фильтрующие перегородки из асбеста, шлаковой и стеклянной ваты, а также металлические сетки из бронзы и коррозионностойкой стали.
В качестве материала для зернистых или волокнистых перегородок применяют песок, инфузорную землю, кокс, уголь, целлюлозу и др. Такие перегородки используют в случаях, когда твердая фаза суспензии имеется в малом количестве и не используется после фильтрования.
В качестве жестких фильтрующих перегородок применяют керами-ческие фильтровальные камни, плитки, свечи и кольца, стойкие к действию кислот и щелочей и позволяющие получить чистый фильтрат. Коллоидные пленки или материалы изготовляют из нитроцеллюлозы, пергаментной бумаги и др. Эти фильтрующие перегородки имеют очень мелкие поры (13 мкм) и могут задерживать коллоидные частицы.