Aparatura chemiczna i procesowa

m

s

= K ' Pn •

Zapotrzebowanie mocy do transportu wynika z wydajności przenośnika przeno­ szącego strumień masy materiału i oporów tarcia, jakie występują podczas załadunku i na drodze transportu. 5.3.2. PRZENOŚNIKI BEZCIĘGNOWE Przenośniki bezcięgnowe nie mają cięgna. Zasadnicze rodzaje przenośników bezcięgnowych stanowią przenośniki ślimakowe (śrubowe) i wibracyjne.

Zasada działania przenośników ślimakowych polega na przesuwaniu mate­ riału w korycie otwartym lub zamkniętym za pomocą obracającego się wału 0 powierzchni śrubowej (rys. 5.7). Mate­ riał podawany do koryta, na skutek dzia­ łania siły ciężkości i tarcia o ścianki 1 dno koryta, nie wykonuje ruchu obro­ towego ze ślimakiem, lecz jest przezeń przesuwany do otworu wyładowczego. Stopień wypełnienia koryta wynosi 0,1-0,5, zależnie od rodzaju materiału i jego postaci. Przenośniki ślimakowe są Rys. 5.7. Przenośnik ślimakowy: 1 — ko­ ryto, 2 — ślimak stosowane do przenoszenia na niewielkie odległości materiałów sypkich, drobno­ ziarnistych, ciastowatych, nie mających właściwości ścierających i w dużym stopniu adhezyjnych, mogących oblepiać części robocze przenośnika i bloko­ wać przepływ materiału. Różnorodność materiałów powoduje istnienie wielu wzorów stosowanych ślimaków (rys. 5.8). Ślimaki o gwincie jedno- i dwuzwojowym (rys. 5.8a, b), są stosowane do przenoszenia materiałów sypkich, lek­ kich. Do przenoszenia materiałów ciastowatych, adhezyjnych i wilgotnych są stosowane ślimaki wstęgowe (rys. 5.8c). Jeśli podczas transportu odbywa się mieszanie, mieszanie i chłodzenie lub ogrzewanie, to stosuje się ślimaki ło­ patkowe, ślimaki ze zwojami bądź wycinanymi,-bądź zaginanymi po wycięciu (rys. 5.8d,e,f).

c)

d)

f)

Rys. 5.8. Rodzaje ślimaków: a),b) o gwincie jedno- i dwuzwojowym, c) ślimak wstęgowy, d) ślimak łopatkowy, e),f) ze zwojami wycinanymi i zaginanymi

Prędkości obrotowe ślimaków, podczas przenoszenia materiałów sypkich mało erozyjnych, wynoszą od kilkudziesięciu do 2000 obr/min. Długość ślimaków-przenośników dochodzi do kilkudziesięciu metrów, przy czym unika się

łączenia i podpierania ślimaków w korycie, ze względu na możliwość bloko­ wania przepływu materiału.

Oprócz wymienionych istnieją również konstrukcje tzw. ślimaków otwar­ tych giętkich, podobne w budowie do spirali wykonanej z taśmy metalowej, transportujące materiał w giętkich przewodach o średnicy 40-80 mm (rys. 5.9). Są one stosowane do przenoszenia niewielkich strumieni materiałów na małe odległości. Przenośniki ślimakowe mogą przenosić materiał w poziomie, pod kątem i w pionie. W tym ostatnim przypadku przenośnik ma nieco inną budo­ wę zabezpieczającą przed wysypem materiału po wyłączeniu ruchu. Zasilanie i odbiór materiału może się odbywać w dowolnym miejscu przenośnika. Dzięki zwartej i prostej konstrukcji przenośniki ślimakowe zajmują mało miejsca i są zdolne do przenoszenia szerokiego zakresu różnych materiałów. Do wad tych przenośników należy zaliczyć trudności w przenoszeniu materiałów w nieregu­ larnych kawałkach, włóknistych i adhezyjnych, ograniczoną długość transportu, niezbyt wysoką sprawność przenoszenia. Do projektowania i doboru przenośnika ślimakowego są istotne jego wiel­ kość i prędkość obrotów ślimaka (rys. 5.10). Strumień masy przenoszonego materiału wynosi m = s

nsAp , n

gdzie n — liczba obrotów, s — skok linii śrubowej. Przekrój transportowanej warstwy materiału A, wyraża się średnicami: d rdzenia i d zewnętrzną ślimaka, a więc r

z

m = ęnsn s

(d - d ) / 4 , z

r

gdzie (p — współczynnik napełnienia koryta — 0,15-0,45.

Rys. 5.10. Wielkości określające wydajność przenośnika ślimakowego

Zużycie mocy jest sumą mocy niezbędnej zarówno do transportu materiału na odległość i ewentualnie na wysokość, z określoną szybkością jak i pokona­ nia oporów tarcia pomiędzy ruchomymi częściami przenośnika. Przenośniki wibracyjne są stosowane do przenoszenia wielu rodzajów ma­ teriałów stałych, od cząstek mikronowych do ziaren-kawałków. Przenośnik wibracyjny (lub wstrząsowy) zawiera koryto (rynnę) opartą lub podwieszoną

>////////;/////;;///////////////////;/////,

7777777.

Rys. 5.11. Schemat przenośnika wibracyjnego: 1 — koryto (rynna), 2 3 — wibrator

wsporniki sprężyste,

na sprężynach lub płaskownikach sprężystych, która jest wprowadzana w drga­ nia p stosunkowo dużej częstości i małej amplitudzie przez odpowiedni wibra­ tor (rys. 5.11). Działanie wibracji powoduje podrzucanie cząstek materiału do góry i ruch ich do przodu tak, że poruszają się one wzdłuż rynny serią krót­ kich skoków. Pośród przenośników wibracyjnych wyróżnia się również tzw. przenośniki wstrząsowe, działające na zasadzie ruchu rynny wraz z materia­ łem w kierunku do przodu, po czym zatrzymania się w pozycji odpowiadającej wielkości skoku i szybkiego powrotu do tyłu. Przenoszony materiał na skutek Wypadkowego działania sił tarcia wewnętrznego, bezwładności i tarcia o ściany rynny nie wraca z powrotem, lecz jest przesuwany wzdłuż rynny, do przodu. Maksimum przyspieszenia ruchu zależy od współczynnika tarcia \x masy ma­ teriału o powierzchnię f

Częstość drgań wynosi tu 1-2 Hz podczas skoku (suwu) rynny do ok. 250 mm. Dla typowych przenośników wibracyjnych wielkości te wynoszą od-

powiednio: częstość — 3-20 Hz, skok (amplituda) — poniżej 25 mm. Przenoś­ niki wstrząsowe są stosowane do transportu na niewielkie odległości materia­ łów granulowanych i w kawałkach, o stosunkowo dużej gęstości, nie mających silnych właściwości erozyjnych. Omawiane przenośniki są również stosowane jako podajniki (dozowniki). Podajniki różnią się od przenośników jedynie wymiarami, długość podajników wynosi 2 - 3 m, przenośników natomiast ponad 10 m, przy szerokości do 4 m. Przeciętna prędkość masy materiału wzdłuż rynny może być wyrażona jako u = 2TZ kkfcosR

,

gdzie k — współczynnik efektywności przenoszenia; zależy od kąta wibracji (drgań) P , współczynnika tarcia i dynamiki ruchu materiału i zmienia się od 0 do 1,0, X — amplituda, / — częstość. Prędkość rzeczywista u musi uwzględniać charakterystykę materiału, tj. rozmiar cząstek i ich gęstość, zmienną grubość warstwy 1-300 mm, kąt po­ chylenia rynny do poziomu dochodzący do ok. 15°. Strumień masy przenoszo­ nego materiału, gdy jest znana powierzchnia przekroju warstwy, oblicza się podobnie jak w odniesieniu do omówionych już przenośników. Przenośniki wibracyjne według sposobu przekazywania wibracji do rynny (koryta) podzielić można następująco: z napędem mechanicznym bezpośred­ nim, za pośrednictwem mechanizmu korbowego lub mimośrodu stanowiącego niewyważoną masę wprawianą w ruch obrotowy (rys. 5.12a); z napędem elek­ tromagnetycznym, w którym drgania są ograniczone do dodatniej połówki sinusoidy (rys. 5.12b), z napędem hydraulicznym lub pneumatycznym, stoso­ wanym w szczególnych przypadkach zagrożenia pożarowego lub eksplozją i in. s

a)

b)

Rys. 5.12. Przenośniki wibracyjne: a) z napędem bezwładnościowym, b) z napędem elektro­ magnetycznym; 1 — napęd, 2 — sprężyny, 3 — rynna (koryto)

Przenośniki z napędem korbowym są stosowane do przenoszenia stosunko­ wo dużych mas materiałów, gdy mała częstość i duża amplituda drgań jest odpowiednia. Wadą ich jest niewyważenie i przenoszenie się drgań na funda­ menty. Ograniczenie tej wady osiąga się przez zrównoważenie drgających mas lub zainstalowanie zamiast jednej dwóch rynien, tworzących układ zbi­ lansowany. Przenośniki, w których drgania są wymuszone ruchem obrotowym w prze­ ciwnych kierunkach niewyważonych mas, wywołują drgania liniowe prostopa-

dłe do osi napędu (rys. 5.12a). Wibrator może być montowany u dołu rynny lub na górze. Rynna może być podparta lub podwieszona na sprężynach lub płaskownikach sprężystych. Typowe parametry drgań są następujące: częstość ok. 15 Hz, amplituda 1-10 mm zależna w dużym stopniu od obciążenia rynny ma­ teriałem. Częstość drgań przenośników z napę­ dem elektromagnetycznym wynika z częs­ totliwości prądu. Poprzez odpowiednie prostowanie prądu częstość można zmniej­ szyć. Amplituda jest mała, 0,1-3 mm, więc prędkości przenoszenia nie przekraczają 0,3 m/s. Oprócz opisanych przenośników, stoso­ wanych zwykle do transportu poziomego, istnieją również przenośniki zwane elewa­ Rys. 5.13. Przenośnik spiralny — bezwładnościowy; 1 — wibrator, 2 torami spiralnymi (rys. 5.13), oparte na tej sprężyny, 3 — rynna spiralna samej zasadzie przenoszenia. Przenośnik jest zaopatrzony w rynnę, nawiniętą na pionowym metalowym rdzeniu (rurze) w postaci helikoidy, pod niewielkim kątem. Drgania są przyłożone do rdzenia u dołu przenośnika. Wysokość podnoszenia wynosi 10 m i więcej. 5.3.3. PRZENOŚNIKI PNEUMATYCZNE Przenośniki pneumatyczne są stosowane do transportu na znaczne odległości we wszystkich kierunkach w przestrzeni materiałów sypkich, lekkich, nie zbry­ lających się w rurociągach zamkniętych. Zasada działania przenośników pne­ umatycznych polega na porywaniu i przenoszeniu materiału przez strumień powietrza do miejsca wyładunku, które następuje w wyniku gwałtownego zmniejszenia prędkości lub kierunku ruchu gazu. Wyróżnia się przenośniki pneumatyczne ssące, tłoczące i ssąco-tłoczące. Przenośniki ssące pracują za zasadzie wytworzenia w rurociągu próżni i zasysaniu materiału bezpośrednio ze zbiorników lub hałd (rys. 5.14). Zasysa­ nie odbywa się za pośrednictwem dyszy umożliwiającej regulację strumienia ciała stałego. Przeniesiony materiał jest wyładowywany w zbiorniku (3) w wy­ niku działania na cząstki ciała stałego sił bezwładności. Drobne cząstki, unie­ sione strumieniem gazu, są wydzielane w bardziej sprawnych odpylaczach, w cyklonach (4), filtrach tkaninowych lub obu tych aparatach jednocześnie. Oczyszczone powietrze jest zasysane wentylatorem (5) lub innego rodzaju sprę­ żarką. Instalacja na drodze transportu musi być szczelna, by poprzez tzw. podsysanie powietrza atmosferycznego nie następowało zmniejszanie próżni. Zdolność przenoszenia dochodzi do ok. 100 m. Materiał może być pobierany z kilku źródeł i transportowany do jednego miejsca.

Rys. 5.14. Instalacja ssąca transportu pneumatycznego: 1 - zasysanie powietrza, 2 nik-podajnik, 3 - zbiornik-separator, 4 - filtr, 5 - sprężarka (wentylator)

zasob-

Przenośniki tłoczące transportują materiał dzięki działaniu siły nacisku, wywieranej przez sprężone powietrze (rys. 5.15). Powietrze tłoczone sprężarką (2) jest podawane do podajnika (3), mechanicznego zwykle celkowego (skrzy­ dełkowego) lub ślimakowego, albo iniekcyjnego. Wytworzona mieszanina gaz-cząstki ciała stałego jest przesyłana rurociągiem lub zespołem rurociągów do miejsca wyładunku, który następuje analogicznie jak w instalacji ssącej. Możli­ wość wytworzenia tu znacznie większej siły napędowej do transportu, tj. różni­ cy ciśnień powoduje, że mogą być przenoszone większe masy materiałów na odległość do 2 km. 4

Rys. 5.15. Instalacja tłocząca transportu pneumatycznego: 1 - zbiornik materiału, 2 — sprę­ żarka, 3 — podajnik, 4 — zasuwy, 5 — zasobniki produktu, 6 — filtry

Omawiane instalacje mogą być łączone i stanowić przenośnik ssąco-tłocząY> gdy istnieje konieczność transportu z kilku miejsc i na znaczne odległości. Układ zamknięty (rys. 5.16) jest specjalnym przypadkiem transportu pneuma­ tycznego. Dotyczy to układu w którym jest stosowany inny gaz niż powietrze i musi być on recyrkulowany. Przykładem może być transport produktów spo­ żywczych, wrażliwych na wilgoć, przenoszonych dwutlenkiem węgla lub azo­ tem. W takim układzie są również transportowane materiały toksyczne, radio­ aktywne, eksplozyjne i in. C

Rys. 5.16. Układ zamknięty transportu pneumatycznego: 1 — sprężarka (wentylator), 2 — za­ sobnik, 3 — podajnik, 4 — cyklon, 5 — filtr tkaninowy

W projektowaniu i doborze instalacji transportu pneumatycznego zasadnicze znaczenie ma strumień masy przenoszonego materiału, wyrażany w kilogra­ mach lub tonach na godzinę. Stosunek strumienia masy przenoszonego materia­ łu do powietrza, zwany obciążeniem przenośnika, jest drugim istotnym parame­ trem. Transport odbywać się może w „fazie gęstej", gdy ten stosunek dochodzi do kilkuset lub w „fazie rozcieńczonej", gdy wynosi on 5-15. Znając przepływ powietrza i prędkość transportu oblicza się średnicę rurociągu z zależności < 4ro,

D

71 U,

gdzie m — strumień masy powietrza, UQ — prędkość liniowa powietrza, p — gęstość powietrza. Prędkość przepływu powietrza zależy od charakterystyki materiału i wynosi 6-35 m/s. W celu zapewnienia stabilnych warunków transportu jest konieczne zachowanie odpowiedniego minimum prędkości, tak by przepływ odbywał się całym przekrojem rurociągu [1]. Spadek ciśnienia gazu w instalacji ssącej jest ograniczony do ok. 60 kPa. W przenośnikach tłoczących o standardowych wykonaniach podajników ciśnienie nie przekracza 0,1 MPa, w specjalnych zaś 0,7 MPa. Obliczenie spadku ciśnienia podczas transportu pneumatycznego jest przedmiotem wielu rozważań, w tym również inżynierii chemicznej [2]. Spadek ten może być wyrażony ogólnie następująco: G

G

=

&P

S

gdzie Lp a

A

/

?

G (

1

+

c

0

"

A

/

7

G (

1

— spadek ciśnienia gazu, — współczynnik straty ciśnienia zależny od charakterystyki ciała stałego i obciążenia materiałem <J>. W przybliżeniu a «
Do zalet transportu pneumatycznego zalicza się; — prostotę w projektowaniu, wykonaniu i obsłudze, — możliwość pracy w układzie zamkniętym, — możliwość automatyzacji i zdalnego sterowania. Za wady natomiast uważa się ograniczenie transportu zasadniczo do ciał stałych nieerozyjnych oraz znaczne zużycie energii.

Rys. 5.17. Przenośnik fluidalny: 1 - rynna (koryto), 2 - przegroda porowata, 3 do fluidyzacji, 4 — powietrze do odpylania

powietrze

Przenoszenie materiałów stałych sypkich na niewielkie odległości odbywać się może również z zastosowaniem zjawiska fluidyzacji. Strumień powietrza przepływając przez porowate dno rynny (rys. 5.17), nachylone w kierunku drogi transportu pod odpowiednim kątem, fluidyzuje i zapewnia ciągły prze­ pływ materiału w kierunku końca rynny. Kąt pochylenia rynny zależy od zdol­ ności materiału do fluidyzacji jednorodnej. Porowate dno rynny jest wykony­ wane z tkanin bawełnianych lub poliestrowych, z porowatych płytek cerami­ cznych lub z tworzyw sztucznych, siatek metalowych. Przenośnik fluidalny, w zależności od rodzaju materiału i innych uwarunkowań, może pracować z rynną otwartą lub zamkniętą. W drugim przypadku, częściej spotykanym, przenośnik jest wyposażony w urządzenia odpylające. Kąt pochylenia rynny dla materiałów sypkich wynosi ok. 3°, dla kohezyjnych proszków natomiast 7-10°. Pozostałe zasadnicze parametry projektowe stanowią: długość — do kilkudziesięciu metrów i szerokość rynny — zwykle 0,2-1,0 m oraz zapotrze­ bowanie na powietrze określone wymaganiami fluidyzacji. Spadek ciśnienia gazu wynosi 2,5-5,0 kPa. 5.3.4. PRZENOŚNIKI HYDRAULICZNE Przenośniki hydrauliczne służą do transportu ciała stałego za pomocą prze­ pływającej cieczy, w postaci zawiesiny. Przenoszony materiał nie powinien być rozpuszczalny i nie powinien reagować z cieczą. Transport hydrauliczny jest stosowany do przenoszenia w rurociągach dużych strumieni mas na dalekie odległości węgla, rud żelaza, miedzi, kamienia wapiennego, fosforytów itp.

Zasadniczy element instalacji stanowią pompy zdolne do wytworzenia wyso­ kiego ciśnienia podczas wymaganego przepływu zawiesiny, często zawierającej cząstki w wysokim stopniu erozyjne. Zawiesina do transportu, o określonym stężeniu, jest przygotowywana przez zmieszanie cząstek z wodą w mieszalni­ ku. Rurociągi są wykonywane ze stali węglowych i stopowych, odpornych na korozję i erozję o grubości ścianek 5-15 mm (również z wykładziną z gumy lub tworzyw sztucznych), betonu zbrojonego, tworzyw sztucznych. Separacja wody z zawiesiny na końcu drogi transportu odbywa się w wyniku sedymenta­ cji lub filtracji cząstek. Zastosowanie transportu hydraulicznego jest w dużym stopniu ograniczone do przemysłu przetwórczego surowców mineralnych. W innych jest stosowane rzadziej, ze względu na koszt wody i kłopoty eksplo­ atacyjne w warunkach zimowych.

5.4. PODAJNIKI — DOZOWNIKI CIAŁ STAŁYCH Urządzenia służące do odmierzania określonej objętości lub masy materiału w sposób okresowy lub ciągły i podawania do odpowiednich aparatów, ruro­ ciągów itd. noszą nazwę podajników lub dozowników. Z definicji wynika podział dozowników na objętościowe i masowe. Do dozowników objętościowych należy duża grupa, w której znajdują się dozowniki taśmowe, skrzydełkowe, ślimakowe, talerzowe, wibracyjne i inne. Dozowniki taśmowe są podobne do omawianych już przenośników taśmo­ wych, z tym że mają mniejsze wymiary. Nadają się do dozowania kilku skład­ ników w celu wytworzenia mieszaniny o określonym składzie.

Rys. 5.18. Podajniki skrzydełkowe (celkowe): a) skrzydełkowy, b) celkowy — zamknięty

Dozowniki skrzydełkowe (celkowe) (rys. 5.18) są stosowane do podawania i dozowania materiałów stałych sypkich ze zbiorników, spełniając jednocześnie rolę zamknięcia wielu aparatów procesowych. Dozowniki ślimakowe (rys. 5.19) są podobne w budowie do omawianych już przenośników ślimakowych. Dla równomiernego podawania objętości mate­ riału skok linii śrubowej i średnica ślimaka w dozownikach zwiększają się w kierunku podawania.

Dozowniki talerzowe (rys. 5.20) są stosowane do ciągłego i równomierne­ go dozowania materiałów sypkich o rozmiarach ziaren do 30 mm. Zasadnicze elementy dozownika stanowią pozioma obracająca się tarcza (1) oraz zgarniak (2) ustawione pod otworem wysypowym zbiornika (3). Wysypujący się materiał tworzy na tarczy stożek, którego wielkość jest regulowana odległością pierścienia (4) od tarczy. Jeśli prędkość obrotowa tarczy jest mniejsza od kry­ tycznej, to zgarniak (2) w postaci klina, przesuwa materiał do obwodu tarczy, skąd opada do rynny zsypowej. Wydajność dozowników talerzowych dochodzi do 20 m /h. 3

b)

Rys. 5.19. Podajnik ślimakowy: a) standardowy, b) z malejącym skokiem

\

/

\ \

Rys. 5.20. Dozownik

talerzowy:

J

1 — tarcza obrotowa, 2 4 — pierścień regulacyjny

— zgarniak,

3

— zasobnik,

Dozowniki wibracyjne działają na zasadzie podobnej jak przenośniki wi­ bracyjne, lecz mają mniejsze wymiary i są zazwyczaj napędzane wibratorami elektromagnetycznymi. Są stosowane do podawania i dozowania drobnoziarnis­ tych materiałów sypkich, z wydajnością do 30 m /h. Dozowniki objętościowe nie zapewniają dużej dokładności dozowania, ze względu na zmiany gęstości nasypowej materiałów, która w zależności od wil­ gotności i rozmiarów ziaren zmienia się w szerokich granicach, nawet w przy­ padku tego samego materiału. Dozowanie według masy zwane również dozo­ waniem masowym, zapewnia dokładność rzędu 0,1-0,5%. Do dozowania są stosowane różnego rodzaju wagi. Ważenie odbywa się w sposób ręczny, pół­ automatyczny lub automatyczny. W dozowaniu ręcznym i półautomatycznym pojemnik, w którym jest odważana masa, jest ustawiony na wadze. W dnie pojemnika, najczęściej stożkowym, znajduje się otwór, który jest zwykle za­ mknięty zasuwą, a który po odważeniu materiału otwiera się wysypując odwa3

żoną porcję. W dozowaniu półautomatycznym podawanie porcji do pojemnika odbywa się automatycznie, lecz wyładunek ręcznie. Schemat dozownika pół­ automatycznego przedstawia rys. 5.21. Dozowany materiał ze zbiornika (1) podajnikiem ślimakowym (2) jest podawany do pojemnika (3), który opiera się

Rys. 5.21. Dozownik półautomatyczny: 1 — zasobnik, 2 — podajnik, 3 — pojemnik, 4,6 — pryzmaty, 5 — dźwignia, 7 - przekładnia, 8 - silnik, 9 - obciążniki, 10,11 — styki

T

7777777777,

-i 7

8

Rys. 5.22. Schemat dozowania masowego (wagowego): 1 — zasobnik, 2 — podajnik taśmowy, 3 — napęd o zmiennej liczbie obrotów, 4 — czujnik, 5 — pomiar dozowania, 6 - wskaźnik dozowania, 7 — kontrola podawania, 8 — sygnał zadany

dwoma pryzmatami (4) na lewym ramieniu dźwigni wagi (5), opartej z kolei na Pryzmatach (6). Na prawym ramieniu dźwigni (5) podwiesza się ciężarki (9), których masa odpowiada odważanej (dozowanej) porcji. Po osiągnięciu położe-

nia równowagi, dźwignia (5) rozwiera styki (10), co przerywa dopływ prądu do silnika napędzającego (8). Odważoną porcję usuwa się, otwierając otwór wysypowy pojemnika (3). Aby odważyć następną porcję, włącza się silnik (8), zamykając obwód stykiem (11). W warunkach pracy ciągłej stosuje się dozowniki automatyczne o działa­ niu okresowym lub ciągłym. Dozowniki o działaniu okresowym są przeznaczo­ ne do odważania porcji materiału o określonej masie i działają na tej samej zasadzie co wagi mechaniczne i elektroniczne. Zbiornik opróżnia się samo­ czynnie, przez obrót zbiornika, otwarcie dna lub częściowy obrót i otwarcie ściany bocznej. W dozowaniu ciągłym, najczęściej stosowanym podajnikiem jest podajnik taśmowy, a w przypadku mniejszej dokładności — ślimakowy lub celkowy. Schemat ogólny dozowania ciągłego przedstawia rys. 5.22. W ukła­ dzie tym strumień materiału jest podawany na przenośnik taśmowy, oparty z jednej strony na czujniku piezoelektrycznym. Nacisk masy materiału wywo­ łuje odpowiedni sygnał elektryczny; przetwarzany na zmianę prędkości (zwięk­ szenie lub zmniejszenie) przesuwu taśmy dozownika i jednocześnie stanowi sygnał kontrolny, porównawczy z wartością zadaną strumienia masy materiału.

LITERATURA [ 1 ] MARCUS R.D., L E U N G L . S . , KLINZING G.E., RiziK R, Pneumatic Conveying of Solids, Chapman and Hull, London, 1 9 9 0 . [ 2 ] KOCH R., NOWORYTA A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1992.

[3] KRAUS M.N., Pneumatic Conveying Systems for Bulk Materials, Englewood Cliffs, New Jersey 1 9 9 1 .

3rd ed., Prentice Hall,

6. POMPY 6.1. WPROWADZENIE Przepływ (transport) cieczy i ciekłych układów niejednorodnych jest ściśle związany z procesami technologicznymi: z doprowadzeniem surowców i pół­ produktów, odbiorem produktów gotowych, wymuszeniem ruchu cieczy w apa­ ratach procesowych itp. Ruch płynów, jak wiadomo, jest oparty na prawach mechaniki, do których sformułowania jest niezbędna znajomość właściwości fizycznych płynu oraz bilansu masowego i energetycznego przepływu. Podstawowym równaniem bi­ lansowym przepływu jest równanie Bernoulliego, w którym dla płynu rzeczy­ wistego uwzględnia się nieodwracalność związaną z oporami przepływu. Jako podstawowe jest również traktowane równanie oporów Darcy'ego-Weisbacha [1], [2]. Pompy, jako urządzenia do przesyłania cieczy rzeczywistych, dzielą się w zależności od sposobu przekazywania energii do cieczy i wymuszenia jej ruchu na wyporowe, wirowe i strumieniowe. W pompach wyporowych na ciecz zamkniętą w cylindrze (korpusie) pom­ py jest wywierany nacisk organu roboczego, tłoka lub rotora, w czego wyniku ciecz zwiększa energię ciśnienia wydatkowaną następnie na drodze przepływu. Ten sposób przekazywania energii do cieczy wymaga oddzielenia przestrzeni ssawnej od tłocznej, co jest realizowane za pomocą co najmniej jednej pary zaworów; ssawnego i tłocznego lub stosowanie odpowiedniej konstrukcji tłoka-rotora w pompach rotacyjnych. Ciśnienie wytwarzane przez pompy wypo­ rowe jest teoretycznie nieograniczone, dlatego przepływ wywołany przez te pompy może być dławiony w ograniczonym zakresie. W pompach wirowych organem roboczym jest wirnik, który zanurzony w cieczy zamkniętej w korpusie pompy wywiera na nią nacisk i jednocześnie wprawia ją w ruch obrotowy. W wyniku ciecz uzyskuje energię kinetyczną, która ulega zamianie na energię ciśnienia na wylocie z pompy, w dyfuzorze. Przepływ cieczy przez pompę wirową może być promieniowy — odśrodkowy, osiowy lub złożony. Stąd nazwy pomp wirowych — odśrodkowe i osiowe. Energia przekazywana do cieczy w pompach wirowych jest ograniczona i za­ leży od rodzaju i liczby obrotów wirnika. Dławienie przepływu nie stwarza niebezpieczeństwa gwałtownego wzrostu ciśnienia, jak w pompach wyporo­ wych. Charakterystyczną cechą pomp wirowych jest dużo większa wydajność niż pomp wyporowych.

W pompach strumieniowych do przesyłania cieczy, tj. ssania lub tłoczenia, wykorzystuje się zjawisko Venturiego. Szczególny rodzaj pomp stanowią pompy próżniowe, stosowane do usuwa­ nia gazów z przestrzeni opróżnianej — wytwarzania próżni. Mimo że służą do przesyłania gazu do atmosfery lub próżni wstępnej w wyniku działania sił ssa­ nia, to jednak ze względu na budowę i zasadę działania są zaliczane do pomp.

6.2. POMPY WYPOROWE Pompy wyporowe dzielą się na pompy tłokowe o ruchu posuwisto-zwrot­ nym tłoka, nurnika lub membrany i pompy rotacyjne. Pompy z posuwisto-zwrotnym ruchem tłoka mają cy­ linder z umieszczonym wewnątrz tłokiem pojedynczym lub podwójnym, który jest napędzany silnikiem elektry­ cznym, pneumatycznie za pomocą pary lub powietrza sprężonego lub hydraulicznie. Zasysanie cieczy do cy­ lindra i jej wytłaczanie odbywać się może w oddziel­ nych suwach, w pompach jednostronnego działania (rys. 6.1) lub jednocześnie w obu suwach, w pompach dwustronnego działania (rys. 6.2). Różnica ciśnień w pompach tłokowych nie przekracza zwykle 14 MPa, ze względu na możliwość odchyleń linii tłoka, nieszczelno­ ści i szybkie zużycie pompy. Duże różnice ciśnienia mogą być przenoszone przez pompy, gdzie rolę tłoka spełnia gładki cylinder przymocowany do drąga tłoko­ wego, zwany nurnikiem (rys. 6.3). W przeciwieństwie do klasycznego tłoka, nurnik ma zwykle tę samą średni­ Rys. 6.1. Pompa tłoko­ wa jednostronnego dzia­ cę co drąg tłokowy. Uszczelnienie nurnika jest zlokali­ łania: 1 — korpus (cy­ zowane w korpusie pompy. Pompy nurnikowe, stoso­ linder), 2 - tłok, 3 wane do ciśnień > 70 MPa, mają zwykle jednostronne zawory (ssawny i tłocz­ działanie. Pompy z posuwisto-zwrotnym ruchem tłoka ny), 4 - kosz (smok) klasyfikuje się również według liczby cylindrów jako ssawny, 5 - przewód ssawny, 6 powiepojedyncze (simplex), podwójne (duplex) itd. Pompy te trznik ssawny, 7 — posą nazywane również, ze względu na napęd, parowymi wietrznik tłoczny, 8 (rys. 6.4). przewód tłoczny, 9 wakumetr

-

Pompy membranowe (rys. 6.5) są specjalnym ty­ pem pomp posuwisto-zwrotnych w których ruch (prze­ pływ) cieczy następuje w wyniku drgań membrany, mającej postać płaskiego dysku lub przewodu rurowego. Drgania membrany są wywoływane mechanicz­ nie, pneumatycznie lub hydraulicznie. Tego rodzaju pompy, jako hermetyczne z zaworami pierścieniowym, są zwykle stosowne jako dozujące i specjalnego przeznaczenia. Wydajność pompy zmienia się przez zmianę prędkości napędu

i skok tłoka. Liczba skoków wynosi zwykle < 200/min. Pompy membranowe, ze względu na odizolowanie cieczy procesowej od organu roboczego, są odpo­ wiednie do precyzyjnego dozowania cieczy nawet rzędu mililitrów na godzinę (ml/h), jak również do przetłaczania cieczy: niebezpiecznych, o wysokich tem­ peraturach, wysokolepkich, a także zawiesin i szlamów. Napęd hydrauliczny zapewnia ciśnienie tłoczenia do ok. 350 MPa.

Rys. 6.2. Pompa tłokowa dwustronnego działania: 1 — napęd, 2 — tłoczysko, 3 — tłok, 4 — zawory

Rys. 6.3. Pompa tłokowa różnicowa: 1 — korpus, 2 — tłok-nurnik, 3 — za­ wory, 4 — powietrznik, 5 — bocznik

Rys. 6.4. Pompa tłokowa sprzężona z maszyną parową: 1 — maszyna parowa, 2 — tłoczysko (wspólne), 3 — tłok m a s ^ n y , 4 - tłok pompy, 5 - zawory

Rys. 6.5. Schemat pompy membranowej: 1 — sprężyna, 2 — wlot płynu roboczego, 3 — membrana, 4 — zawory płytkowe (klapowe)

Wielkość charakteryzująca pompy wyporowe, wysokość ssania H , wyrażana zwykle w metrach słupa cieczy jest funkcją właściwości fizycznych cieczy i jakości wykonania przewodu ssawnego. Wysokość ta stanowi ciśnienie bez­ względne ponad ciśnienie par cieczy na wlocie do pompy s

H

gdzie H H

A

ss

s

=

H

A~

H

ss

H

~ po

H

" fs

H

" ac

>

— ciśnienie hydrostatyczne w zbiorniku ssawnym, — wysokość statyczna ssania,

H — ciśnienie hydrostatyczne oparów cieczy, JJ — opory tarcia w przewodzie ssawnym. Istotny składnik w tym równaniu stanowi wysokość przyspieszenia cieczy H . Energia wymagana do przyspieszenia cieczy jest funkcją długości przewodu ssącego Z , przeciętnej prędkości liniowej cieczy w , prędkości ruchu organu ro­ boczego pompy n, typu pompy i względnej sprężystości cieczy i rurociągu K ac

s

gdzie C — współczynnik — 0,4 - dla pompy simplex pojedynczego działania, — 0,2 — dla pompy duplex pojedynczego działania, — 0,115 - dla pompy duplex podwójnego działania, K — współczynnik sprężystości względnej cieczy: dla gorącej wody 1,4; dla gorącego oleju — 2,5, g — przyspieszenie ziemskie. Wysokość przyspieszenia H jest niekiedy tak duża, że jest niemożliwe uzyskanie wymaganej wielkości H . Wielkość H może być zmniejszona przez zwiększenie średnicy i zmniejszenie długości przewodu ssawnego lub zmniejszenie prędkości ruchu tłoka. Inne rozwiązanie stanowi instalowanie stabilizatora przepływu na linii ssania, co umożliwia zmniejszenie długości przewodu Z do maksimum 10 średnic przewodu. Teoretyczna maksymalna wy­ sokość ssania wynosi 10,3 m, a rzeczywista dla zimnej wody ok. 6,7 m. Opory przepływu Hj są liczone dla przepływu maksymalnego. Stabilizatory (powietrzniki), umożliwiające zmniejszenie pulsacji ciśnienia i zmiany przepływu są instalowane również po stronie tłocznej pompy. Prędkość liniowa ssania po­ winna mieścić się w zakresie 0,3-0,9 m/s na linii rurociągu możliwie najkrót­ szej, prędkość po stronie tłocznej — 1,5-4,6 m/s. s

ac

s

W pompach rotacyjnych zarówno kształt tłoka (rotora) jak i ruch cieczy w korpusie pompy jest obrotowy. Ruch ten, w porównaniu z posuwisto-zwrot­ nym, jest bardziej wyrównany, nie występują straty energii związane z przy­ spieszeniem cieczy i nie ma konieczności instalowania stabilizatorów. Pompy rotacyjne, poprzez ruch obrotowy rotora, pobierają stałą objętość cieczy po stronie ssawnej i przenoszą ją w przestrzeni pomiędzy rotorem a statorem na stronę tłoczną, przeciw ciśnieniu w przestrzeni wyładowania. Pompy rotacyjne nie mają możliwości zasysania cieczy i zmian wydajności w prosty sposób. Są odpowiednie do przetłaczania płynów nieniutonowskich, o właściwościach zarówno smarujących, jak i ścierających. Rotor stanowić mogą koła zębate (rys. 6,6), różnego rodzaju krzywki (rys. 6.7) lub bębny (wirniki) z ruchomymi lub nieruchomymi łopatkami (rys. 6.8). Pompy te są stosowane wtedy, gdy wydajność < 150 m /h, różnica ciśnień natomiast poniżej 3 MPa. Schemat dzia­ łania pompy rotacyjnej z podwójnym rotorem przedstawia rys. 6.9. Pompy z podwójnym rotorem są stosowane do przetłaczania cieczy o wysokiej lepko­ ści, z wydajnością do 170 m /h, gdy różnica ciśnień wynosi 1,4 MPa i próżnia 3

3

Rys. 6.6. Pompa zębata: 1 — korpus, 2 — koła zębate

Rys. 6.7. Pompy z rotorami krzywkowymi: a) pojedynczym, b) podwójnym, c) potrójnym

odpowiada ciśnieniu ok. 90 kPa. Pompy ślimakowe (śrubowe) zawierają jeden (rys. 6.10), dwa lub trzy ślimaki. W pompach z pojedynczym ślimakiem ślimak obraca się w statorze mającym kształt linii śrubowej o podwójnym skoku. Stator jest wykonywany z materiału elastycznego lub jest nim wykładany. Pompy te są stosowane do przetłaczania cieczy lepkich, również z niewielką zawartoś­ cią cząstek stałych. Pompy zarówno z podwójnym, jak i potrójnym ślimakiem są stosowane do cieczy o właściwościach słabo smarujących, erozyjnych i ko­ rozyjnych, zapewniając przepływ mało pulsacyjny. Przy wydajności typowej dla pomp rotacyjnych pompy ślimakowe wytwarzają ciśnienie do ok. 21 MPa.

Dla przetłaczania cieczy niesmarujących, jak np. woda, paliwa ciekłe i in. są również stosowane pompy krzywkowe z oddzielnym napędem krzywek, by ograniczyć kontakt pomiędzy rotorami.

Rys. 6.8. Pompa rotacyjna łopatkowa: 1 — rotor-wirnik, 2 - łopatki ruchome (przesuwne)

Rys. 6.9. Pompa rotacyjna z podwójnym rotorem: 1 — rotory zębate, 2 — przesłona uszczel­ niająca

Rys. 6.10. Pompa śrubowa (ślimakowa): 1 - stator, 2 - rotor-ślimak, 3 - wał przegubowy, 4 - komora ssania, 5 - komora tłoczenia

Wydajność pomp rotacyjnych jest funkcją prędkości obrotów rotora, lepko­ ści i różnicy ciśnień w pompie. Pompy te charakteryzują się stosunkowo wy­ soką sprawnością, rzędu 70-95% i są wtedy preferowane, gdy koszt energii jest decydujący. Szybkie zużywanie się niektórych elementów stanowi wadę tych pomp. Do pomp wyporowych są również zaliczane pompy perystaltyczne, w któ­ rych ciecz jest przetłaczana porcjami z przestrzeni ssawnej do tłocznej, na za­ sadzie ściskania elastycznego przewodu rurowego pomiędzy dwoma obroto­ wymi rolkami a kołem z bieżnią półcylindryczną. Pompy są stosowane do przetłaczania cieczy wysokolepkich jak np.: kleje, tłuszcze, koloidy, a także zawiesin, gdy są stosowane odpowiedniego rodzaju rury elastyczne. Wydajność nie przekracza 25 m /h, wysokość podnoszenia 10 m. Wysokość tłoczenia H wytwarza­ w. na przez pompy wyporowe jest ograni­ m czona jedynie wytrzymałością i szczel­ nością pompy (rys. 6.11). Wysokość 100 tłoczenia określa następujące wyra­ 80 żenie: r

/ J

st

w którym

60

at

H

/

wysokość statyczna U0 tłoczenia, 20 H at straty energii kine­ 10 0 n% 0 60 80 i 2(i tycznej, L. 1 21 6 WQ,m /h 8 Hft opory tarcia w 2 6 8 przewodzie tłocz­ Rys. 6.11. Charakterystyka pomp wyporowych nym. Całkowita wysokość podnoszenia jest równa sumie wysokości H i H . st

/

/

3

l

Wydajność pomp wyporowych Q zależy od rodzaju organu roboczego pompy, tj. jego kształtu i objętości wypieranej cieczy V oraz liczby suwów lub obrotów rotora w jednostce czasu n l

Q

=


gdzie ę — współczynnik sprawności objętościowej pompy — 0,75-0,98. Regulacja wydajności odbywać się może przez zmianę wielkości skoku i liczby suwów tłoka lub obrotów rotora, a także recyrkulację części cieczy do przestrzeni ssawnej pompy. Zużycie mocy N, jako energia dostarczona do cieczy, niezbędna dla jej przepływu N =

H -Q-pg u

gdzie H — wysokość użyteczna podnoszenia, u

9

p — gęstość cieczy, g — przyspieszenie ziemskie. Obliczając rzeczywiste zapotrzebowanie mocy należy uwzględnić ponadto sprawność pompy, która wynosi 0,7-0,95 i układu napędowego.

6.3. POMPY WIROWE Pompy wirowe w zależności od kierunku przepływu cieczy w obrębie wir­ nika dzielą się na odśrodkowe, diagonalne i osiowe (rys. 6.12). Zasadniczą część pompy stanowi wirnik (3). Wirnik osadzony na wale łożyskowanym w korpusie pompy (2), ma zwykle dwie tarcze, pomiędzy którymi są umiesz­ czone łopatki (4) proste lub wygięte do tyłu, w stosunku do kierunku obrotów. Ciecz dopływa osiowo i wpływa do otworu środkowego tarczy (1). Korpus (kadłub) pompy zawiera kanał wylotowy (5) zakończony króćcem, zwany dyfuzorem. W korpusie wypełnionym cieczą, łopatki obracającego się wirnika wywierają napór na ciecz i wprowadzają ją w ruch obrotowy. W wyniku dzia­ łania siły odśrodkowej ciecz porusza się od środka do obwodu zewnętrznego wirnika. Zwiększa się przy tym zarówno prędkość jak i ciśnienie cieczy. Na wylocie z pompy energia kinetyczna cieczy ulega zamianie na energię ciśnienia. o)

b)

Rys. 6.12. Pompy wirowe: a) odśrodkowa; 1 - wlot - ssanie, 2 - korpus, 3 4 - łopatki, 5 - dyfuzor; b) diagonalna; 1 - korpus, 2 - wirnik; c) osiowa; 1 2 — wirnik, 3 — uszczelnienie — dławicowe

wirnik, korpus,

W pompach diagonalnych (rys. 6.12b) ciecz, również dopływa osiowo do wirnika, lecz odpływa pod kątem.

W pompach osiowych, zwanych też śmigłowymi (rys. 6.12c), ciecz prze­ pływa przez wirnik równolegle do jego osi. Wzrost ciśnienia zarówno w pom­ pach diagonalnych, jak i osiowych osiąga się przez instalowanie na wylocie z pompy odpowiednich kierownic. Jeśli wysokości podnoszenia są większe niż 50 m to są stosowane pompy wielostopniowe. Odpowiednia liczba wirników jest osadzona wówczas szere­ gowo na jednym, wspólnym wale. Ciecz przepływa kolejno przez każdy wirnik (stopień), gdzie zwiększa swoją energię niezbędną do przepływu. 6.3.1. CHARAKTERYSTYKA POMP WIROWYCH Z bilansu sił działających na element płynu doskonałego, podczas przepły­ wu przez wirnik z nieskończoną liczbą łopatek, otrzymuje się równanie Eulera, określające przyrost energii 1 kg masy cieczy, wyrażony w jednostkach wyso­ kości słupa cieczy H thoo

H

tk- =

l/g{u C -u C ), 2

2

x

x

gdzie u , u

— prędkości wirowania cieczy z wirnikiem, odpowiednio na wlocie i wylocie z wirnika, C C — prędkości bezwzględne cieczy odpowiednio na wlocie i wy­ locie z wirnika. W równaniu nie ma właściwości cieczy, dlatego wysokość podnoszenia pomp wirowych nie zależy od rodzaju cieczy. Wytwarzane ciśnienie nato­ miast, zgodnie z zależnością p = Hpg, zależeć będzie od rodzaju cieczy. Równanie to, po uwzględnieniu związków pomiędzy wektorami prędkości elementu cieczy i wirnika przyjmuje postać x

2

p

2

u (u 2

2

- w cosP ) 2

2

g gdzie w P

prędkość względna cieczy na wylocie z wirnika, kąt nachylenia łopatek wirnika zawarty między styczną do końca łopatki a styczną do obwodu wirnika w tym miejscu. Jak wynika z równania, wysokość podnoszenia zależy od kształtu łopa­ tek wirnika, określonego kątem ich pochylenia P . Ze względu na większą sprawność energetyczną są stosowane wirniki z łopatkami wygiętymi do tyłu (P < 90°) lub prostymi (P = 9 0 ° ) . Przesyłając rurociągiem, za pośrednictwem pompy wirowej, określoną obję­ tość cieczy, należy dostarczyć do pompy odpowiednią energię, niezbędną do: podniesienia cieczy na wysokość statyczną (geometryczną), pokonania różnicy ciśnień na powierzchni cieczy w zbiorniku ssawnym i tłocznym, pokonania oporów tarcia i miejscowych. Wysokości podnoszenia w różnych wariantach zasilania cieczą przedstawia rys. 6.13. 2

2

— —

Rys. 6.13. Wysokości podnoszenia pomp: a) przy zasysaniu cieczy, b) przy napływie cieczy, c) w układzie ciśnieniowym

Wydajność pomp wirowych zależy od przekroju swobodnego wirnika dla przepływu cieczy, prędkości promieniowej cieczy i współczynnika strat objęto­ ściowych w obrębie pompy. Ocena wydajności pomp wirowych, gdy prędkość obrotów wirnika jest inna, jest oparta na prawach prawdopodobieństwa, według których wraz ze zmianą liczby obrotów n zmienia się także: wydajność Q proporcjonalnie do n, Q /Q x

2

wysokość H w zależności z w , H /H l

-

2

(n /n ) , 2

3

zużycie mocy N w zależności z w , N /N 2

n

\/ 2^ 2

=

2

n

=

x

x

3

(n /n ) . 2

x

Podobieństwo takie istnieje również w stosunku do średnicy wirnika. Dwie pompy, geometrycznie podobne, będą miały podobne charakterystyki. W kon­ cepcji pomp geometrycznie podobnych stosuje się tzw. wyróżnik szybkobieżności (prędkość właściwa) wiążący trzy wymienione parametry charaktery­ styczne I

n = s

3 2

4

n-Q /H ,

n określa obroty pompy geometrycznie podobnej, która jeżeli wydajność Q wynosi 1 m /h, to daje wysokość H — l m . Wielkość n jest pomocna w de­ finiowaniu kształtu wirnika, odpowiadającego maksimum sprawności w jednym s

3

s

punkcie trójwymiarowym; prędkość — wysokość — wydajność. Kształty wir­ ników pomp odśrodkowych, diagonalnych i osiowych, odpowiadające różnym

1

4 n

r

H

= 100 m

s

20

Rys. 6.14. Kształty wirników pomp wirowych przy różnych obrotach właściwych

wartościom n przedstawia rys. 6.14. Im większa jest wartość n dla danych warunków, tym lepsza sprawność pompy r\ i mniejsze zużycie mocy N. Jedną z przyczyn znacznych strat mocy pomp w warunkach eksploatacji jest ich prze­ wymiarowanie zarówno ze względu na Q jak i na H. Korzystniej jest stoso­ wać dwie małe pompy niż jedną dużą, przewymiarowaną. Pompy pracujące z obniżoną wydajnością mają mniejszą żywotność niż pracujące w obszarze maksimum r|. Podobny związek, określony mianem indeksu zasysania, istnieje również dla zasysania cieczy. Pompy wirowe charakteryzują się ograniczoną wysokością zasysania wynikającą ze zjawiska kawitacji, które zachodzi wtedy, gdy ciśnienie w obrębie wirnika spada poniżej ciśnienia cząstkowego par cie­ czy i tworzą się pęcherzyki, które po przeniesieniu do strefy o wyższym ciś­ nieniu ulegają skraplaniu. Towarzyszy temu hałas, wibracje, spadek wysokości podnoszenia i sprawności pompy. Prowadzi to do erozji i zniszczenia wirnika w krótkim czasie. Podczas przesyłania cieczy lotnych oprócz Q i H istotną wielkością jest również H . Obecność powietrza lub innego gazu w cieczy zmniejsza wydajność i wysokość podnoszenia pompy. Gazy przenikają do cieczy na skutek napowietrzania jej przez wiry na powierzchni swobodnej cieczy i przez nieszczelności pompy. Gdy udział objętościowy gazu w cieczy przekroczy 6%, wtedy pompa przestaje podawać ciecz. By uniknąć kawitacji i przerwania strugi cieczy i jednocześnie zwiększyć wielkość H należy: s

s

m a x

smhi

s

— podwyższyć poziom cieczy po stronie ssawnej, stosować napływ cieczy, (rys. 6.13a,b), — obniżyć położenie pompy w stosunku do lustra cieczy, — zmniejszyć opory dla przepływu w przewodzie ssawnym, — chłodzić ciecz. Regulacja wydajności pomp wirowych może być wykonywana przez zmianę liczby obrotów wirnika, dławienie przepływu (wypływu) cieczy po stronie tło­ cznej i poprzez recyrkulację (tzw. bypass) cieczy do przestrzeni ssawnej. Wraz

ze zmianą wydajności pompy zmienia się wysokość podnoszenia H, a tym samym zapotrzebowanie mocy N i sprawność pompy rj. Zależność pomiędzy wymienionymi, charakterystycznymi parametrami pompy określa się mianem charakterystyk pompy (rys. 6.15) przepływowej H = f{Q), zużycia mocy N = f(Q), sprawności h = f(Q), które są odniesione do stałej liczby obrotów wirnika n = const. Pełna charakterystyka uwzględnia również zmianę obrotów lub średnicy wirnika (rys. 6.16). Aktualna wydajność, tj. strumień objętości cieczy odpowiadający wysokości użytecznej podnoszenia H w układzie pom­ pa — rurociąg (sieć rurociągów) wynika z charakterystyki przepływowej pom­ py (pomp) i charakterystyki oporów rurociągu (rys. 6.17). Układ ten może być analizowany graficznie lub analitycznie. Charakterystykę przepływową pompy wirowej wyraża równanie u

H

= A

2

+B Q +C Q ,

w którym stałe A, B, C, opisujące krzywą charakterystyki, wyznaczyć można z analizy krzywej lub na podstawie danych producenta pompy. £,%

H, m

100-

200

80-

160

60-

120

W-

80

20-

UO

0-

0 N

AD 60

MW

UO 20 0 0

WO

1200

2000 ajdm /h 3

Rys. 6.15. Charakterystyki pompy wirowej - odśrodkowej przy stałych obrotach

Charakterystykę rurociągu przedstawia równanie H

= / r „ +

2

c-
2

w którym £ —współczynnik oporów wynosi ( A - L / d + 2
L — długość rurociągu,

d —

średnica rurociągu, współczynnik oporów miejscowych, przekrój poprzeczny rurociągu, przyspieszenie ziemskie.

H,m

0

200

600

1000

U00 a,

3

dm /h

Rys. 6.16. Charakterystyka pompy odśrodkowej przy różnych średnicach wirnika z nałożonym wierzchołkiem sprawności i zużyciem mocy

Rys. 6.17. Współpraca pompy odśrodkowej z siecią rurociągów: 1 — charakterystyka przepły­ wowa pompy, 2 — charakterystyka rurociągu

W punkcie współpracy współrzędne spełniają jednocześnie oba ównania (rys. 6.17). Zmiana charakterystyki rurociągu, wskutek zmiany opoów przepływu, będzie powodowała zmianę punktu współpracy w kierunku

zmniejszenia lub zwiększenia wydajności. Również zmiana liczby obrotów wirnika i związane z tym równoległe przesunięcie charakterystyki pompy w górę lub w dół, powoduje zmianę punktu współpracy. Współpraca pomp z rurociągiem odbywać się również może, bądź w układzie, gdy więcej niż jedna pompa zasila rurociąg, bądź gdy pompy tłoczą ciecz do rozgałęzionej sieci rurociągów, szeregowo-równoległej. Sporządzanie zastępczej charakterys­ tyki pomp pracujących w układzie szeregowym polega na sumowaniu ich wy­ sokości podnoszenia gdy wydajność jest stała, sumowaniu wydajności — gdy praca jest równoległa i stała wysokość podnoszenia. 6.3.2. POMPY WIROWE SPECJALNE Oprócz pomp wirowych standardowych istnieją również tzw. pompy samozasysające, mające zdolność zasysania mieszaniny gaz-ciecz. Pompy te mają króciec wlotowy i odlotowy cieczy, umieszczony powyżej osi pompy i przeA

A

Rys. 6.18. Pompa samozasysająca: 1,5 — pierścieniowe kanały boczne, 2 — wał, 3 — wirnik, 4 — korpus, 6,7 — szczelina ssawna i tłoczna

strzeń separacyjną w korpusie, w której do rozdzielenia cieczy i gazu wykorzy­ stuje się różnice gęstości cieczy i gazu. Po separacji ciecz spływa kanałami bocznymi z powrotem do pompy, gaz natomiast uchodzi do przewodu tłoczne­ go. Jednymi z bardziej rozpowszechnionych tego rodzaju pomp są tzw. pompy hydroforowe (rys. 6.18) z wirnikami gwiaździstymi i kanałami bocznymi, któ­ rych wydajność od rzędu litrów dochodzi do ok. 30 m /min, gdy wysokość podnoszenia dochodzi do ok. 150 m. Do przesyłania cieczy agresywnych chemicznie i toksycznych są stosowane pompy hermetyczne, bezdławicowe, zamknięte wraz z silnikiem napędowym w szczelnej obudowie (rys. 6.19). Pompy tego rodzaju są również wykonywane jako wielostopniowe i samozasysające. Pompy te nie mogą jednak pracować na sucho (bez obecności cieczy), gdyż grozi to przegrzaniem i zniszczeniem pompy. Ponadto obecność zanieczyszczeń stałych prowadzić może do zabloko3

wania otworów smarujących i blokady pompy. W takich przypadkach ciecze są filtrowane i także chłodzone, jeśli mają zbyt wysoką temperaturę. Wysokość podnoszenia dochodzi tu do 300 m.

Rys. 6.19. Pompa bezdławicowa — hermetyczna: 1 — wirnik pompy, 2 — stojan silnika elek­ trycznego, 3 — wirnik silnika

6.4. POMPY STRUMIENIOWE Zasada działania pomp strumieniowych opiera się na wykorzystaniu zjawis­ ka Venturiego w rurze Venturiego, w której poprzez zmianę pola przekroju dla przepływu następuje zamiana energii płynu z energii ciśnienia na kinetyczną

Rys. 6.20. Pompa strumieniowa — parowa (strumienica): 1 — wlot pary, 2 — wlot cieczy, 3 — dysza zasilająca, 4 — komora mieszania, 5 — dyfuzor

i odwrotnie. Jako płyny robocze stosowane są najczęściej woda, para wodna, powietrze lub inne. Pompy służące do zasysania płynów noszą nazwę ejektorów, do przetłaczania zaś — iniektorów. Zasadniczym elementem pompy stru­ mieniowej (rys. 6.20), są dysze (1) i (4) i dyfuzor (5). Podczas wypływu z dy­ szy (1) czynnika roboczego jego prędkość liniowa wzrasta, ciśnienie zaś ma­ leje. W wyniku tego następuje zassanie płynu z przewodu (2), wymieszanie

z czynnikiem roboczym w dyszy (4) i wlot do dyfuzora (5), w którym ciśnie­ nie mieszaniny wzrasta. Pompy mogą pracować w układzie wielostopniowym. Mimo zalet, jakie stanowią prostota konstrukcji i obsługi, to jednak bardzo mała sprawność energetyczna sprawia, że częściej są one stosowane jako apa­ raty procesowe niż jako samodzielne pompy.

6.5. METODY SPECJALNE PRZETŁACZANIA CIECZY Do specjalnych sposobów przetłaczania (przesyłania) cieczy zalicza się: syfonowanie (lewarowanie) cieczy, przetłaczanie i podnoszenie powietrzne.

Rys. 6.21. Zestaw do syfonowania cieczy: 1 — zasilanie, 2 — zbiornik, 3 — przewód ssący, 4 - trójnik, 5 - podłączenie do atmosfery, 6 - odprowadzenie cieczy

Rys. 6.22. Przetłaczarka cieczy: 1 - zbiornik, 2 — zasilanie cieczą, 3 - powietrze sprężone, 4 - odpływ cieczy, 5 — odpowietrzenie, 6 — ssanie

W syfonowaniu cieczy (rys. 6.21) korzysta się z zasady równoważenia ciś­ nienia przez odpowiedniej wysokości słup cieczy podczas obniżania ciśnienia i zjawisko ciągłości strugi. Obniżenia ciśnienia w trójniku (4) powoduje wzrost poziomu cieczy w przewodzie (3), aż do momentu ciągłego wypływu przewo­ dem (6) do poziomu niższego. Sposób stosowany do okresowego przetłaczania niewielkich objętości cieczy ze zbiorników nie mających urządzeń spustowych, cieczy agresywnych chemicznie i niebezpiecznych dla środowiska. Podobne zadanie spełniają przettaczarki cieczy (rys. 6.22), w których ko­ rzysta się z działania ciśnienia gazu na powierzchnię zwierciadła cieczy. Zbior­ nik (1) posiada przewód odpływowy cieczy (4), zanurzony w niewielkiej odleg­ łości od dna i przewód powietrza sprężonego (3) lub innego gazu. Powietrze sprężone wytłacza ciecz przewodem (4), strumieniem zależnym od ciśnienia powietrza.

W podnośnikach powietrznych (rys. 6.23) korzysta się z zasady, zgodnie którą podczas równoważenia tej samej wartości ciśnienia wysokość słupa cie-

Rys. 6.23. Podnośnik powietrzny: 1 - zbiornik, 2 - wlot cieczy, 3 — odpowietrzenie, 4 - od­ pływ cieczy, 5 — separator, 6 — przewód podnośnika, 7 — mieszalnik, 8 — powietrze sprężone

czy o mniejszej gęstości jest większa. Do rury podnośnika (6) zanurzonej w cieczy jest doprowadzany gaz bełkotką (7). Wytworzona mieszanina ciecz-gaz, w której ciecz stanowi fazę ciągłą ma gęstość mniejszą od gęstości cie­ czy i wznosi się na wysokość separatora (5). Wysokość podnoszenia zależy tu od głębokości zanurzenia rury (6) i gęstości mieszaniny ciecz-gaz i nie prze­ kracza 0,6 m. Podnośniki są stosowane do przetłaczania cieczy zanieczyszczo­ nych i wysoko korozyjnych.

6.6. POMPY PRÓŻNIOWE Pompy próżniowe służą do usuwania gazów i par z przestrzeni, w której panuje ciśnienie równe lub mniejsze od atmosferycznego, poprzez ich zasysa­ nie, sprężanie i wytłaczanie do atmosfery lub próżni wstępnej. Wraz z upły­ wem czasu pracy pompy (lub pomp) ciśnienie w przestrzeni opróżnianej obniża się i jednocześnie spada wydajność pompy. Wielkość próżni wyraża się jedno­ stkami ciśnienia, często w milimetrach słupa rtęci (mm Hg) lub w torrach (Tr), gdy ciśnienie jest wyrażone w milimetrach słupa rtęci odniesionych do warun­ ków normalnych. W zależności od ciśnienia wyróżnia się próżnię: niską — do 0,1 P , wysoką — 1 0 - 1 0 " Pa, bardzo wysoką — 10" -10" Pa i ultrawysoką — ponad 10~ Pa. Wielkości charakteryzujące pompy próżniowe różnią się od opisujących pompy klasyczne, już wcześniej omówione. Zasadnicze parametry są następujące: 1. Ciśnienie początkowe, jakie musi panować w przestrzeni opróżnianej, by pompa mogła pracować właściwie. W próżni wysokiej lub bardzo wysokiej odpowiada to ciśnieniu na wlocie do pompy wytwarzającej próżnię wstępną. _1

a

8

4

4

8

2. Ciśnienie końcowe (graniczne), jakie pompa pozwala uzyskać w szczelnie zamkniętej przestrzeni. 3. Szybkość pompowania, określana jako objętość gazu usunięta w jednost­ ce czasu. Wielkość ta maleje w miarę obniżania się ciśnienia w przestrzeni opróżnianej tak, że w ciśnieniu końcowym spada do zera. 4. Skuteczność pompy umożliwia jakościowe porównywanie pomp próżnio­ wych i jest określana jako stosunek aktualnej szybkości pompowania do mak­ symalnej. 5. Wydajność określa zdolność pompy do usuwania gazu i jest miarą obję­ tości gazu usuwanego w jednostce czasu, zazwyczaj wyrażana w jednostkach [Tr-dm /s]. Usuwanie gazu z przestrzeni opróżnianej zachodzić może na następujących zasadach: 1. Wzrostu objętości pod tłokiem lub rotorem, jak w pompach wyporowych. 2. Porywania cząsteczek gazu przez obracające się powierzchnie stałe. 3. Porywanie cząsteczek gazu przez strumień cieczy lub gazu (oparów). W pompach działających według zasady pierwszej po n cyklach ssania ciśnienie w przestrzeni opróżnianej p wynosić będzie 3

k

1 Pk

=

Po

(1 + V ^

gdzie p

1

K

max /

n

/V) V

— ciśnienie początkowe,

Q

^max — objętość cylindra, V — objętość usuwana. Im stosunek J ^ / ^ będzie większy, tym mniejsza będzie wymagana liczba cykli n do uzyskania p . Teoretycznie po n - «> osiągnie się p ~ 0. W rzeczywistości, na skutek nieszczelności i obecności par oleju uszczelniają­ cego pompy, dochodzi się do p = 0,1-0,01 Tr. Q

k

k

k

Do tego rodzaju pomp należą m. in. pompy obrotowe, zwane również pom­ pami olejowymi, w których wielkość przestrzeni ssania ograniczona jest tzw. suwakami, umieszczonymi w wirniku lub statorze. Istnieje duża liczba rozwią­ zań konstrukcyjnych tego rodzaju pomp [3]. Jednym z przykładowych, prost­ szych rozwiązań stanowi pompa z suwakiem w wirniku (rys. 6.24). Wirnik (2) w postaci bębna z dwoma ruchomymi suwakami (łopatkami) (3) jest umiesz­ czony mimośrodowo w statorze (1). Zarówno bęben, jak i suwaki przylegają szczelnie do powierzchni bocznej statora, co tworzy trzy odgrodzone od siebie przestrzenie A, B, C. Podczas obrotu wirnika, zgodnie ze strzałką (rys. 6.24), objętość obszaru A wzrasta i gaz jest zasysa­ ny, jednocześnie przestrzeń C maleje i gaz jest usuwany do środowiska zewnętrznego poprzez zawór zwrotny (5). Części trące pompy są smarowane mikrowarstewką oleju i w oleju, jako czynniku chłodzącym jest zanurzona cała pompa. Pompa działając pod ciśnieniem atmosferycznym umożliwia uzys­ kanie ciśnienia końcowego, rzędu setnych części tora. Wadą tego rodzaju pomp jest obecność par oleju w przestrzeni opróżnianej. Rys. 6.25. Współpraca szeregowa pomp olejowych Szybkość pompowania danej pompy zależy od prędkości obrotów wirnika, które zmieniają się od kilkuset do ok. tysiąca obr/min. Pompy mogą być łączone równolegle, w celu zwiększenia prędkości pompowania lub szeregowo, w celu zwiększenia próżni końcowej (rys. 6.25). Do wytwarzania tzw. próżni technicznej, tj. ciśnienia w przestrzeni Do próżni opróżnianej rzędu od kilkudziesię­ wstępnej ciu do kilkuset pascali, jako pom­ 4 py próżniowe są stosowane sprężar­ ki wyporowe tłokowe i rotacyjne, pompy z pierścieniem cieczowym i pompy strumieniowe, omawiane w rozdz. 7. Wymienione pompy są zdolne do sprężania gazu do ciśnie­ nia wyższego niż atmosferyczne i nie wymagają próżni wstępnej. Do uzyskania ciśnienia poniżej 0,01 Tr są stosowane pompy pracu­ jące na zasadzie porywania cząste­ Rys. 6.26. Pompa molekularna: 1 — stator, czek gazu, które może zachodzić 2 — wirniki, 3 — przegroda, 4 — kanały efektywnie, gdy w układzie panuje niskie ciśnienie i droga swobodna cząsteczek jest długa. Do pomp pracujących na tej zasadzie należą pompy molekularne (rys. 6.26). Cząsteczki gazu, będąZ objętości

opróżnianej

ce w bezładnym ruchu molekularnym uderzają o szybko poruszającą się po­ wierzchnię (rys. 6.27), uzyskują dodatkową prędkość w kierunku ruchu tej powierzchni, wytwarzają różnicę ciśnień (p ~p )- Różnica ta jest proporcjo­ nalna do długości drogi Z , prędkości powierzchni v i lepkości gazu \x i od­ wrotnie proporcjonalna do kwadratu odle­ głości h pomiędzy powierzchnią ruchomą a nieruchomą B

A

6/vu

Pompy molekularne różnią się szczegóła­ mi wykonania kanałów i liczbą wirników. Próżnia końcowa zależy m. in. od wielko­ ści próżni wstępnej i dochodzi do 2*10~ Tr. Zaletą pomp molekularnych jest brak obecności w przestrzeni opróżnianej niepożądanych par i oparów. Wadę stanowi natomiast mała szybkość pompowania, zależna od rodzaju gazu, nie przekraczająca zazwyczaj 500 dm /s, przy próżni wstępnej 10~ Tr oraz wyso­ kiej precyzji wykonania wirnika i statora, ze względu na rozmiar szczeliny między nimi. Szczelina ta wynosi rzędu setnych części milimetra, obroty wirni­ ka wynoszą natomiast ok. 27 tys. obr/min. Jak już wspomniano, jako pompy próżnio­ we mogą być również stosowane pompy strumieniowe ejekcyjne, które działając na zasadzie zasysania (porywania) cząsteczek gazu z przestrzeni opróżnianej przez strumień cieczy lub pary, mogą pracować od ciśnienia atmosferycznego. W układach wielostopnio­ — —•> woda wych z chłodzeniem i kondensacją międzystopniową można uzyskać próżnię końcową rzędu kilku kilopascali. Pompy te znajdują zastosowanie w procesach próżniowych: des­ woda tylacji, krystalizacji, suszenia i in. Na podobnej zasadzie działają pompy dyfuzyjne, lecz wymagają próżni wstępnej, co najmniej rzędu 1 Tr. Istotnym elementem pomp dyfuzyjnych są dysze, biorące bezpośre­ dni udział w zasysaniu cząsteczek gazu za pomocą strumieni par rtęci lub różnego rodza­ ju olejów wytwarzanych specjalnie dla pomp próżniowych. Jednymi z szerzej stosowanych Rys. 6.28. Schemat pompy dyfuzyj­ są oleje silikonowe, oprócz wielu innych, nej olejowej: 1 — olej, 2 — grzej­ nik, 3 — dysza, 4 — chłodzenie, o różnych nazwach handlowych. Są stosowane 5 — wlot cząsteczek gazu, 6 — dysze proste, w których pary czynnika zasysa­ odrzutniki, 7 — odlot do próżni jącego nie zmieniają swego kierunku i dysze wstępnej Rys. 6.27. Kanał zasysający pompy mo­ lekularnej

10

3

2

X

parasolowate, gdzie następuje zmiana kierunku o 180°. W pompie dyfuzyjnej olejowej (rys. 6.28) strumień pary oleju wytworzony w podgrzewanym zbiorni­ ku przepływa przez tzw. prowadnicę pary do dyszy parasolowatej po wypły­ wie, z której porywa cząsteczki gazu dyfundujące z próżni wstępnej. Pary oleju, ulegając dalej skropleniu na chłodzonych ściankach pompy, uwalniają cząsteczki pompowanego gazu do próżni wstępnej, spływając z powrotem do zbiornika oleju. Odrzutniki w górnej strefie chłodzenia przesłaniają drogę cząstkom oleju w kierunku wysokiej próżni. Odrzutniki są również montowane na prowadnicy par oleju w celu odsunięcia ich od gorącej powierzchni. Klasy­ czne pompy dyfuzyjne chłodzi się wodą lub powietrzem. Pompy służące nato­ miast do wytwarzania ultrawysokiej próżni w strefie separacji mgły i oparów oleju są chłodzone ciekłym azotem, lub opary są sorbowane na sitach moleku­ larnych. Ogrzewanie elektryczne, w zależności od szybkości pompowania, wymaga mocy rzędu od kilkuset watów do kilku kilowatów. Szybkość pompo­ wania dochodzi do ok. 10 m /s, próżnia końcowa zaś do 10~ Tr. Pompy dyfu­ zyjne są również konstruowane jako wielostopniowe, w celu zmniejszenia różnicy ciśnień w stopniu ostatnim, który decyduje o próżni końcowej lub umożliwienia pracy pompy w wyższym ciśnieniu próżni wstępnej. 3

9

6.7. DOBÓR POMP Dobierając pompy należy brać pod uwagę wymaganą wydajność oraz wyso­ kość podnoszenia, po uwzględnieniu wymagań wynikających z właściwości fizykochemicznych przesyłanych układów ciekłych i procesu technologicznego. Mając na uwadze wymienione wcześniej właściwości pomp, należy kierować się ponadto zasadą niezawodności działania i minimum ekonomicznym pracy pomp.

LITERATURA [1] Lobanoff V., Ross R., Centrifugal Pumps: Design and Application, 2nd Ed., Gulf Publ., Houston, TX 1992. [2] Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1992. [3] Katalog S W W 0 8 7 1 . Pompy przemysłowe. T. 1 i 2. Wyd. 4. Wydanie Przemysłu Maszyno­ wego WEMA, Warszawa 1988.

7. SPRĘŻARKI 7.1. WPROWADZENIE Sprężanie gazu, tj. zmniejszanie objętości gazu w celu wykorzystania jego energii ciśnienia do wykonania pracy lub przesyłania gazu na odległość jest realizowane w maszynach — urządzeniach zwanych sprężarkami. Sprężarki są podobnie klasyfikowane jak pompy: na wyporowe i wirowe. Wyporowe, zwane często kompresorami są stosowane do sprężania stosunko­ wo małych strumieni objętości gazu do wysokich ciśnień. Sprężarki wirowe natomiast do sprężania dużych strumieni gazów do niewielkich ciśnień. Do sprężarek wirowych zalicza się również wentylatory, służące do przesyłania gazów pod niewielkim ciśnieniem. Sprężanie gazu zachodzi od ciśnienia ssa­ nia p do ciśnienia tłoczenia p, Stosunek tych ciśnień p /p - e określany jest mianem stopnia sprężenia lub wprost sprężem. Sprężanie gazu odbywać się może według przemiany izotermicznej, adiabatycznej lub w warunkach rzeczywistych według przemiany politropowej. Pracę sprężania politropowego określa równanie t

w którym n

s

— wykładnik politropy, — współczynnik ściśliwości na wlocie do sprężarki, — stała gazowa, 8,314 kJ/kmol-K, — temperatura gazu na wlocie [K], — masa molowa [kg/kmol], P ip — ciśnienie odpowiednio na wlocie i wylocie. Temperatura gazu sprężonego wynosi 2

x

L-M ZR

(n-l) n

gdzie Z — średni współczynnik ściśliwości. Moc sprężania gazu wynosi

i'

gdzie m

G

— strumień masy gazu = V • G

Z RT r

x

V — strumień objętości gazu, t| — sprawność sprężania politropowego = 0,75. Współczynnik sprawności sprężania politropowego jest odnoszony do sprężania adiabatycznego w zależności G

n k n— - 1 = — k- 1

- v

MC

p

w której k =

M-C p

8,314

C — ciepło właściwe gazu przy stałym ciśnieniu, [kJ/(kg*K)]. Obliczając całkowitą moc należy uwzględnić sprawność mechaniczną sprę­ żarki i układu napędowego lub straty energii spowodowane tarciem, które wy­ noszą 1,5-3% mocy doprowadzonej. p

7.2. SPRĘŻARKI WYPOROWE Sprężarki wyporowe pracują na tej samej zasadzie co i pompy wyporowe. Różnica wynika z rodzaju płynu, który tutaj stanowi ściśliwy gaz. Ciśnienie wytwarzane przez sprężarki wyporowe zawiera się w zakresie od niskiej próżni

Rys. 7.1. Sprężarka tłokowa — kompresor podwójnego działania: 1 — koło zamachowe, 2 — korbowód, 3 — wodzik, 4 — cylinder, 5 — tłok, 6 — ciecz chłodząca, 7 — zawory ssąco-tłoczące

do kilku tysięcy megapaskali. Zasadniczy element roboczy sprężarek tłoko­ wych stanowi tłok sprężający gaz w cylindrze zaopatrzonym w jedną lub dwie pary zaworów, ssawny i tłoczny. Rozwiązania konstrukcyjne tłoków zależą od ciśnienia roboczego, rodzaju gazu, układu cylindrów i wielkości sprężu. Tłoki mają pierścienie uszczelniające, smarowane w celu zmniejszenia tarcia o ścian­ ki cylindra. Gdy wykluczona jest obecność par oleju w sprężonym gazie są stosowane pierścienie z tworzyw węglowych lub specjalne tłoki z uszczelnie­ niem labiryntowym. Wraz ze wzrostem stopnia sprężania wzrasta temperatura

sprężanego gazu, co powoduje pogorszenie jakości smarowania i rozkład oleju, ponadto udział tzw. przestrzeni martwych wzrasta i ogranicza wydajność sprę­ żarki. Cylindry sprężarek stacjonarnych o znacznej wydajności są chłodzone powietrzem lub wodą (rys. 7.1). Wymienione względy powodują, że sprężanie gazu do dużych ciśnień prowadzi się a) b) w kilku stopniach. Liczba stopni w sprężarkach wielostopniowych zależy od ogólnego stopnia sprężania, który z kolei wynika ze stopnia sprężania pojedynczych sprężarek; dla dużych d) e) i średnich sprężarek wynosi on 4 - 5 , a dla małych, o pracy okresowej 7 - 8 . Liczba stopni nie przekracza zwykle siedmiu. Ciśnienia końcowe w poszcze­ gólnych stopniach dobiera się tak, aby ogólne zużycie mocy było najmniejsze. Konfigurację przestrzenną i wzajemne usytuowanie cylindrów w sprężarkach jedno- i wielostopniowych przedstawia rys. 7.2. Układy cylindrów w kształcie litery V (We), W (Wu) i gwiaździstym Rys. 7.2. Układy cylindrów sprężarek: zapewniają zwartość konstrukcji i są a) poziomy, b) pionowy, c) kątowy, d) typu stosowane w sprężarkach małych i śred­ bokser, e) typu V, f) typu W, g) gwiaździsty niej wielkości. Sprężarki o dużej wydaj­ ności są budowane w układzie bokser (rys. 7.2d). Dalsze podziały sprężarek tłokowych (kompresorów) są związane z następującymi wielkościami: — wytwarzanego ciśnienia — niskociśnieniowe do 2,5 MPa, średniociśnieniowe — do 10 MPa i wysokociśnieniowe > 1 0 MPa, — wydajnością odniesioną do zasysanego gazu — małe <600 m /h, średnie <3000 m /h i duże - ponad 3000 m /h, — rodzajem sprężanego gazu — powietrzne, freonowe, amoniakalne i inne. Gaz w sprężarkach wielostopniowych jest chłodzony między stopniami i na odlocie, jeśli to konieczne. Chłodzenie zmniejsza zapotrzebowanie mocy do sprężania i zapewnia bezpieczeństwo prowadzonych procesów. Obecność w chłodzonych gazach kondensujących oparów i możliwość ich kondensacji powodują, że wydzielona ciecz musi być usunięta z gazu przed skierowaniem do dalszego sprężania. Sprężarki membranowe (rys. 7.3) działają na podobnej zasadzie jak pom­ py membranowe. Sprężanie zachodzi na skutek zmian położenia elastycznej membrany, wymuszonego ciśnieniem płynu, na który nacisk wywiera tłok. Są stosowane do sprężania wielu gazów używanych w technice, w tym głównie agresywnych chemicznie, toksycznych, palnych i wybuchowych, takich jak np. amoniak, wodór, butan, propan, etylen, chlor, chlorek winylu, freony, dwutle;

3

3

3

nek siarki i tlenki azotu, acetylen, gazy radioaktywne i in. Wytwarzane ciśnie­ nie jest ograniczone wytrzymałością mechaniczną membrany i w układzie wie­ lostopniowym dochodzi do 100 MPa. Wydajność sprę­ żarek zarówno tłokowych, jak i membranowych może być zmieniana przez zmianę liczby obrotów wału napę­ dowego (liczby suwów tłoka, skoków membrany), wielkości skoku, zawrócenie części gazu sprężonego do przestrzeni ssawnej, dławienie przepływu. Gdy pobór strumienia gazu sprężonego jest zmienny, wtedy sprężarki wyporowe są zaopatrzone w tzw. zbiorniki wyrównawcze, które wyrównują zmiany strumienia objętości gazu sprężonego. Sprężarki rotacyjne są stosowane do sprężania gazów do niskich i średniej wielkości ciśnień. Wirujące Rys. 7.3. Schemat sprę­ żarki membranowej: 1 — rotory z prędkościami dochodzącymi do kilkudziesię­ tłok, 2 - płyn - „prze­ ciu tysięcy obrotów na minutę nie wymagają smarowa­ nośnik ciśnienia", 3 — nia. Zasysany gaz jest izolowany od przestrzeni ssaw­ membrana, 4 - gaz nej, przetłaczany lub sprężany do przestrzeni o wyż­ szym ciśnieniu do przestrzeni wysokiego ciśnienia. Sprężarki rotacyjne o ciś­ nieniu sprężonego gazu <0,3 MPa są określane mianem dmuchaw. Istnieje wiele konstrukcji sprężarek rotacyjnych. Jedną z bardziej rozpowszechnionych jest dmuchawa Rootsa (rys. 7.4). W korpusie umieszczone są dwa (lub trzy) rotory krzywkowe, zamontowane na równoległych wałach, które wirują w prze­ ciwnych kierunkach przesuwając gaz w kie­ runku normalnym do ich osi. Zsynchronizo­ wany napęd, umieszczony na zewnątrz, zapewnia dobry kontakt rotorów między sobą i jednocześnie ze ścianką cylindra. W trakcie wirowania, z przestrzeni ssawnej są pobierane i odcinane objętości gazu, stanowiące przestrzeń między rotorami a korpusem i przenoszone do przestrzeni tłocznej, gdzie ulegają sprężeniu. Do sprężania gazu do wyższych ciśnień są stosowane sprężarki łopatkowe z rucho­ mymi łopatkami (rys. 7.5), zapewniające ciągły ustalony przepływ gazu. W korpusie walcowym, mimośrodowo jest umieszczony wirnik z łopatkami promieniowymi, których liczba dochodzi do kilkudziesięciu. Podczas obrotu wirnika objętości ograniczone łopatkami i ścianką cylindra na przemian zwiększają się i zmniejszają, co powoduje za­ sysanie i sprężanie gazu przesyłanego do przestrzeni tłocznej. Sprężarki jednostopniowe mają wydajność do ok. 100 m /min przy ciśnieniu dochodzącym do 0,5 MPa, a dwustopniowe do ok. 1,2 MPa. Sprężarki te wymagają chłodzeRys. 7.4. Sprężarka rotacyjna Roots'a 1 — korpus, 2 — rotory

3

nia, ze względu zarówno na tarcie łopatek o ścianki cylindra, jak i efekt spręża­ nia gazu. Wylot 2

Rys. 7.5. Sprężarka wirnikowa łopatkowa: 1 - korpus, 2 - wir­ nik, 3 — ruchome łopatki

Rys. 7.6. Schemat sprężarki śrubowej: 1 korpus, 2 - ślimaki

Do sprężania gazów do średnio wysokich ciśnień są stosowane sprężarki śrubowe (rys. 7.6). Zasysany gaz, izolowany od przestrzeni ssawnej jest sprę­ żany i przetłaczany promieniowo i osiowo przez dwa rotory, ślimaki zamknięte w korpusie ciśnieniowym sprężarki. Objętość gazu wzdłuż drogi przetłaczania zmniejsza się i wzrasta jego ciśnienie. Przepływ osiowy gazu powoduje napływ świeżej porcji gazu i proces powtarza się. Na wylocie cała por­ cja gazu jest usuwana do przestrzeni tłocz­ nej. Sprężarki dostosowane są do ciśnienia ok. 1,5 MPa i stopni sprężania do 15-20. Wydajność jest regulowana odpowiednim zaworem umieszczonym w dolnej części kadłuba, wielkością strumienia zasysanego gazu, który może się zmieniać od 1 m /min Rys. 7.7. Sprężarka (pompa) z pierścieniem cieczowym: 1 — korpus, do ponad 100 m /min. Obecność oleju jest 2 — szczelina ssawna, 3 — wirnik, związana z koniecznością uszczelnienia śli­ 4 — pierścień cieczy, 5 — szczelina maków, smarowaniem łożysk, chłodzeniem tłoczna sprężarki i in. Chłodzenie oleju odbywa się w wymienniku ciepła przeponowym, stanowiącym zwykle integralną część sprę­ żarki. Temperatura sprężonego gazu nie przekracza 365 K. 3

3

Do wytwarzania próżni i do przetłaczania gazu są stosowane również sprę­ żarki z pierścieniem cieczowym, zwane też pompami (rys. 7.7). Wirnik łopat­ kowy, umieszczony mimośrodowo w korpusie, wprawia w ruch obrotowy ciecz wypełniającą korpus. W trakcie wirowania ciecz (zwykle woda) tworzy pier-

ścień koncentryczny z osią cylindra. Ponieważ wirnik umieszczony jest mimośrodowo, więc przestrzeń pomiędzy łopatkami a pierścieniem cieczy zmienia się tak, że gaz może być zasysany króćcem ssawnym i po sprężeniu wytłoczo­ ny do przewodu tłocznego. Ciecz chłodzi sprężany gaz i do cieczy w nieznacz­ nym stopniu są wydzielane zanieczyszczenia w postaci cząstek aerozolowych i rozpuszczalnych gazów, co nie zawsze jest pożądane. Rodzaj cieczy zależy od sprężanego gazu. Sprężarki te są zdolne wytworzyć ciśnienie do 0,23 MPa w układzie dwustopniowym, z wydajnością od 1 m /min do 70 m /min. Wadę ich stanowi nasycanie gazu parą wodną. Sprężarki rotacyjne są stosowane do zasilania sieci powietrza sprężonego i układów automatyki pneumatycznej, do transportu pneumatycznego, w proce­ sach suszenia, w przemyśle fermentacyjnym, farmaceutycznym, spożywczym, elektronice, mieszaniu, spalaniu i in. Powietrze musi być tu czyste, o zawartoś­ ci par oleju poniżej 0,01 ppm, bez obecności cząstek aerozolowych o rozmia­ rach ponad 0,01 |im i punkcie rosy dla pary wodnej w zakresie 270-233 K lub bardzo czyste — w przemyśle elektronicznym, farmaceutycznym, spożywczym i in., co wymaga stosowania specjalnych filtrów. 3

3

7.3. SPRĘŻARKI WIROWE W sprężarkach wirowych korzysta się z zależności pomiędzy energią kine­ tyczną i ciśnienia, do zwiększenia ciśnienia gazu. Gaz wpływa do sprężarki osiowo (rys. 7.8). Wirujący wirnik z łopatkami, wywierając nacisk na gaz,

Rys. 7.8. Sprężarka wirowa-promieniowa:

1 — wlot do wirnika, 2 — wirnik, 3 — ślimak-dyfuzor

powoduje jego przepływ na obwód i odpływ z dużą prędkością do otaczające­ go dyfuzora. W dyfuzorze mającym kształt ewoluty (ślimaka), przekrój prze­ pływu i objętość gazu w kierunku wylotu zwiększają się, co prowadzi do wzrostu ciśnienia gazu. Obroty wirnika i jego wytrzymałość ograniczają wyso­ kość wytwarzanego ciśnienia, w jednym stopniu. Gdy ciśnienie jest zbyt niskie, wtedy gaz jest kierowany na drugi i dalsze stopnie sprężania, odpowiednimi kierownicami. Wysokość ciśnienia wytwarzanego przez sprężarkę zależy od

prędkości obrotowej i średnicy wirnika. Wirnik o większej średnicy i prędkości wytwarza większe ciśnienie. Zarówno spręż, jak i wydajność są również zwią­ zane z kształtem wirnika. Wirniki sprężarek wysokociśnieniowych są bardziej smukłe i są zamknięte. Wydajność sprężarek wirowych danego rodzaju wirnika i stałej prędkości wirnika jest ograniczona. Gdy wydajność spadnie poniżej 50-70% nominalnej, wtedy przepływ staje się niestabilny i występują wibracje sprężarki. Wydajność ograniczona jest również od góry, poprzez dławienie przepływu na odlocie ze sprężarki. Sprężarki wirowe zapewniają gaz sprężony, wolny od par oleju, lecz o ciśnieniu ograniczonym do kilkudziesięciu megapaskali w układzie wielostopniowym, zwanym turbosprężarkami. Wydajność ich jest jednak bardzo duża i dochodzi do 280 m /s w turbosprężarkach osio­ wych, ciśnienie osiąga 0,2-0,6 MPa. Sprężany gaz jest zwykle chłodzony przeponowo wodą między stopniami. Jeśli liczba stopni jest duża, to średnica wir­ ników maleje wraz z kierunkiem wzrostu ciśnienia. 3

Sprężarki wirowe o niewielkim sprężu, niewiele większym od 10 kPa, słu­ żące w zasadzie do przesyłania gazów na niewielkie odległości, są nazywane wentylatorami. a)

1

b)

1

Rys. 7.9. Wentylatory: a) osiowy, b) promieniowy; 1 — korpus, 2 - wirnik, 3 - dyfuzor

Wyróżnia się wentylatory osiowe i promieniowe. Specjalne zastosowanie mają wentylatory z przepływem gazu w obrębie wirnika, helikoidalnym i dia­ gonalnym. Wentylatory osiowe (rys. 7.9a) sprężają gaz w bardzo małym stop­ niu, <1 kPa, lecz charakteryzują się dużą wydajnością. Większy spręż zapew­ niają wentylatory promieniowe (rys. 7.9b), w standardowych wykonaniach do ciśnienia 10 kPa. W konstrukcjach specjalnych, przepływ gazu w obrębie wir­ nika może być również wielostrumieniowy (rys. 7.10). Tego rodzaju wentyla­ tory promieniowe, o wydajnościach dochodzących do setek tysięcy metrów sześciennych na godzinę i ciśnienia sprężonego gazu do 50 kPa są stosowane w przemyśle chemicznym, cementowym, spożywczym, hutnictwie, energetyce i in. Charakterystyki przepływów, sprawności i mocy wentylatorów są analogi­ czne jak pomp wirowych. Różnice wynikają z odmiennych właściwości gazu. Charakterystyki te są odnoszone do powietrza o temperaturze 293 K, przy ciś­ nieniu 100 kPa i wilgotności względnej 50%.

d)

Rys. 7.10. Przepływ gazu w wentylatorach promieniowych specjalnych: a) jednostrumieniowy, b) dwustrumieniowy, c) dwustrumieniowe ssanie i wypływ, d) podwójne ssanie i dwustrumieniowy wypływ

7.4. DOBÓR SPRĘŻARKI Dobór sprężarki do określonego celu jest zagadnieniem złożonym, w któ­ rym należy uwzględnić przede wszystkim:

kPa

10'

J

10

10' Wypór owe

Wirowe -pr omieniowe

Osiowe

i 10

10'

2

10

l

10

Rys. 7.11. Zakres pracy sprężarek

D

10

10'

1. Wielkość strumienia sprężanego gazu, jego właściwości i wymagany spręż. 2. Charakterystykę sieci gazu sprężonego. 3. Zapotrzebowanie mocy. 4. Warunki lokalizacyjne i inne. O wyborze właściwej sprężarki z kilku możliwych powinno decydować mi­ nimum kosztów ogólnych, stanowiących sumę kosztów inwestycyjnych i eks­ ploatacyjnych. Zakres pracy poszczególnych sprężarek przedstawia wykres (rys. 7.11).

LITERATURA [1] JORGENSEN R., Fan Engineering, 8th ed., Buffalo Forge Co., Buffalo 1983. [2] K O C H R., N O W O R Y T A A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1992.

8. ROZDRABNIARKI I MŁYNY 8.1. WPROWADZENIE Zmniejszanie rozmiarów ciała stałego, połączone ze zniszczeniem jego stru­ ktury jest nazywane rozdrabnianiem lub niekiedy kruszeniem. Celem rozdrab­ niania jest wytworzenie produktu o pożądanych rozmiarach, zakresie rozmiarów lub separacja składników ciała stałego. W zależności od wielkości rozdrobnienia (rozmiarów), cząstki ciała stałego dzieli się na klika grup (tabl. 8.1). W rozdrab­ nianiu istotna jest budowa i siły wiązań wewnętrznych ciała stałego, co określa podatność materiałów na rozdrabnianie, a zwłaszcza odporność na ściskanie, zginanie, ścieranie, uderzenie i ścinanie. Podczas rozdrabniania siły te muszą być pokonane przez siły zewnętrzne wprowadzone do układu. Podział ciał sta­ łych według skali twardości Mohsa przedstawia tabl. 8.2. Najczęściej wytrzy­ małość na ściskanie i ścieranie wzrasta wraz z twardością materiału, odporność na uderzenie natomiast maleje. Istotna jest również wilgotność materiału ponad 2 - 3 % masowych. W klasyfikacji maszyn do rozdrabniania bierze się pod uwagę rodzaj przyłożonych sił i wielkość wywołanych naprężeń (rys. 8.1) oraz stopień rozdrabniania. Stopień rozdrabniania n jest określany stosunkiem średniej średnicy ziaren przed rozdrabnianiem do średniej średnicy ziaren po rozdrobnie­ niu. W zależności od stopnia rozdrobnienia wyróżnia się rozdrabnianie: wstęp­ ne n < 5; średnie n = 5-10; drobne n = 10-50; bardzo drobne n > 50. T a b e l a 8.1 Stosowane nazwy cząstek ciała stałego w zależności od ich rozmiarów Stopień rozdrobnienia

Rozmiar, mm

Grube Sredniogrube Sredniodrobne Drobne Superdrobne Ultradrobne Koloidalne

> 100 10 1 0,1 0,025 0,010 < 0,005

Podział ten ma charakter orientacyjny i jest przydatny w klasyfikacji i dobo­ rze maszyn rozdrabniających. Z natury ciał stałych wynika, że nie jest możliwe ich rozdrabnianie od bardzo dużych kawałków do bardzo drobnych w jednej

rozdrabniarce. Rozdrabnianie musi być prowadzone etapami, zgodnie z wy­ mienionymi stopniami rozdrabniania. Rozdrabnianie może być prowadzone okresowo lub w sposób ciągły. Rozdrabnianie ciągłe jest stosowane dla dużych strumieni mas materiałów. Jest ono bardziej ekonomiczne i zapewnia lepszą kontrolę produktu rozdrabniania na skutek jednoczesnej klasyfikacji ziaren produktu. Rozdrabnianie może być prowadzone na sucho lub na mokro, gdy udział cieczy, zwykle wody, jest taki, że surowiec stanowi zawiesinę lub szlam. Tabela

8.2

Skala twardości materiałów wg Mohsa Stopień twardości Miękki

Sredniotwardy

Twardy

Wartość skali Mohsa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Materiał Talk Gips lub sól Kalcyt Fluoryt Apatyt Skaleń Kwarc Topaz Korund Diament

Naprężenia pomiędzy dwoma powierzchniami ciała stałego, prowadzące do rozdrabniania, powstają w wyniku przyłożenia sił nacisku (ciśnienia) lub tarcia (rys. 8.1a,b,c). Tego rodzaju siły są stosowane w rozdrabniarkach zwanych

Rys. 8.1. Zasadnicze sposoby rozdrabniania: a) zgniatanie, b) rozłupywanie, c) d) ścinanie, e) uderzenie (zderzenie), f) wzajemne zderzenie

ścieranie,

łamaczami. Łamacze szczękowe i stożkowe stosowane są do rozdrabniania wstępnego dużych brył, kawałków rud, minerałów i in., kruszarki walcowe natomiast do rozdrabniania mniejszych kawałków. Uderzenie, zderzenie bez­ władnościowe (rys. 8.1d,e) jest stosowane do rozdrabniania średniego i drobne-

go materiałów kruchych, krystalicznych w rozdrabniarkach (młynach) młotko­ wych, młynach kulowych, prętowych i strumieniowych. Ścinanie (rys. 8.1f) jest stosowane do rozdrabniania ciał stałych miękkich i włóknistych w młynach i krajalnicach wyposażonych w wirujące noże tnące. Ścisły podział maszyn rozdrabniających nie jest możliwy, gdyż, zwłaszcza w wyższych stopniach rozdrabniania, to samo urządzenie może pracować w różnych zakresach. Istotne znaczenie ma zapotrzebowanie mocy do rozdrabniania. Teoretycznie moc ta jest proporcjonalna do wielkości nowo wytworzonej powierzchni zwią­ zanej ze zmianą średnicy ziaren. Na tej zasadzie opiera się teoria Rittingera, według której zapotrzebowanie energii do rozdrabniania L. L = Lj-

AF,

gdzie Lj

— energia jednostkowa niezbędna do wytworzenia jednostki po­ wierzchni, określana mianem liczby Rittingera, A F — przyrost powierzchni. Wartość Lj zależy od rodzaju materiału i jego wytrzymałości. Jeżeli jest znana analiza granulometryczna surowca i produktu, to energię do rozdrabnia­ nia określić można z zależności L

gdzie m p x n

= -^t (Sn x,./rf S ./
i

p r

¥ l

s i

)

— — — —

masa rozdrabnianego materiału, gęstość, ułamki masowe frakcji, współczynnik określający stosunek powierzchni właściwej zia­ ren danej frakcji do powierzchni właściwej kul wykonanych z tego samego materiału, dpi d i — średni rozmiar ziaren danej frakcji, odpowiednio produktu i surowca. Teoria Rittingera jest słuszna dla materiałów sprężystych stosujących się do prawa Hooke'a. Istnieją również inne teorie, z których bardziej znane to: — teoria Kicka, według której energia rozdrabniania jest proporcjonalna do nowo wytworzonej objętości, co jest słuszne dla materiałów plastycznych, — teoria Bonda jest uogólnieniem wymienionych teorii i zakłada ona, że energia rozdrabniania jest proporcjonalna do średnicy rozdrabnianych ziaren s

s

t

i

1

S

2

w potędze d . Energia dostarczona do rozdrabniarki jest zawsze większa niż wynika to z obliczeń według wymienionych teorii. Efekty bezwładności i straty tarcia w rozdrabniarkach wymagają o wiele większej energii do wytworzenia nowej powierzchni. Rozdrabniarki są maszynami o bardzo małej sprawności energety­ cznej, która dodatkowo maleje wraz ze stopniem rozdrabniania materiału. Nie należy dlatego rozdrabniać surowca bardziej niż to konieczne i prowadzić pro­ ces w miarę możliwości z separacją produktu.

8.2. ROZDRABNIARKI Rozdrabniarki służą zasadniczo do rozdrabniania wstępnego i średniego. Głównymi mechanizmami rozdrabniania są tu ściskanie, rozłupywanie, uderze­ nie, ścinanie, w mniejszym stopniu natomiast ścieranie i zderzenia wza­ jemne cząstek. Do rozdrabniarek za­ licza się m. in. łamacze, gniotowniki, rozdrabniarki młotkowe, rozdrabniar­ ki udarowo-prętowe. W łamaczach szczękowych suro­ wiec jest wprowadzany pomiędzy dwie szczęki, z których jedna jest nieruchoma, druga zaś ruchoma Rys. 8.2. Łamacz szczękowy: 1 - mimośród, (rys. 8.2). Szczęka ruchoma jest 2 - koło zamachowe, 3 - płyty rozporowe, napędzana mechanizmem mimośrodo4 — szczęka ruchoma, 5 — szczęka nieru­ wym, osadzonym na osi koła zama­ choma chowego. Gdy szczęka ruchoma zbli­ ża się do nieruchomej, następuje wtedy ściskanie i zgniatanie materiału; roz­ drobnione kawałki (ziarna) wypadają jako produkt szczeliną w dolnej części łamacza. Szczęki są pokryte płytami odpornymi na ścieranie, ze stali manga­ nowej. Energię biegu jałowego magazynuje koło zamachowe, zapewniając bar­ dziej równomierną pracę łamacza. W celu zabez­ pieczenia łamaczy przed zniszczeniem, gdy po­ między szczęki dostanie się bardzo twardy mate­ riał, np. kawałek metalu, płyty rozporowe są zabez­ pieczone sworzniami ścinanymi po przekroczeniu naprężeń dopuszczalnych. Kawałki surowca kiero­ wanego do rozdrabniania mają zwykle średnicę ponad 100 mm. Liczba skoków szczęki wynosi 100-300/min. Przeciętna liczba skoków wymagana do rozdrobnienia wynosi 8-10. Łamacze stożkowe rozdrabniają materiał, który znajdzie się pomiędzy dwoma powierzchniami stożkowymi (rys. 8.3). Stożek wewnętrzny kru­ szący obraca się mimośrodowo w stosunku do osi Rys. 8.3. Schemat łamacza stożkowego: 1 — stożek kru­ stożka nieruchomego — zewnętrznego. Łamacze szący, 2 — mimośród, 3 — stożkowe mają różną konstrukcję stożków i kąt łożysko, 4 — stożek wewnę­ rozwarcia, w zależności od przeznaczenia, określo­ trzny nego głównie stopniem rozdrabniania. Karbowana powierzchnia stożków powoduje, że materiał jest zgniatany i łamany. Rozdrob­ niony materiał wysypuje się szczeliną pomiędzy stożkami, która może być regulowana. Praca łamaczy stożkowych jest bardziej równomierna; są one bar-

dziej wydajne i zużywają mniej mocy. Łamacze stożkowe są stosowane do rozdrabniania kawałków o kształcie bardziej płaskim i dają produkt o ziarnach bardziej zaokrąglonych. Rozdrabniarki walcowe, zwane również gniotownikami, stanowią zasadni­ czo dwa walce obracające się w przeciwnych kierunkach, z których jeden ma możliwość przesuwu w płaszczyźnie poziomej, drugi zaś — nie (rys. 8.4). Surowiec jest poda­ wany na walce, gdzie przez odpowiednią szcze­ linę zapewniającą właściwy kąt uchwytu, mate­ riał jest wciągany pomiędzy walce, ściskany i rozłupywany i jako rozdrobniony wypada przez szczelinę. Szerokość szczeliny może być regulowana i jednocześnie docisk sprężynowy wału ruchomego zabezpiecza przed zniszcze­ Rys. 8.4. Schemat kruszarki wal­ niem urządzenia. W zależności od rodzaju roz­ cowej: 1 — walec nieruchomy, drabnianego materiału i stopnia rozdrabniania 2 — walec przesuwny powierzchnie walców mogą być gładkie lub karbowane, pokryte kolcami. Walce mogą obracać się z taką samą, lub z róż­ nymi prędkościami, w zakresie 50-900 obr/min. Układ rozdrabniania stanowić może więcej niż jedna para walców w ustawieniu jeden nad drugim. Rozdrab­ niarki walcowe charakteryzują się prostotą konstrukcji, lecz ich wadą jest szybkie zużywanie powierzchni walców. Walce zębate mogą rozdrabniać więk­ sze kawałki, dochodzące do średnicy 350 mm. W rozdrabniarkach młotkowych kawałki ziarna materiału stałego są roz­ drabniane, zasadniczo przez uderzenie. Rozdrabniarki te są również zwane młynami, gdy stosowane są do rozdrabniania drobnego, gdzie udział sił ściera­ jących i ścinających jest dominujący. W rozdrabniarce młotkowej (rys. 8.5), ciężkie bloki metalowe, zwane młotkami, połączone są prze­ gubowo z szybko obracającym się wirnikiem. Prędkości obrotów w dużych rozdrabniarkach dochodzą do 900 obr/min, a najmniejszych do 16000 obr/min. Masa pojedynczego młotka może dochodzić do klikuset kilogramów w roz­ Rys. 8.5. Schemat rozdrabniarki drabniarkach do rozdrabniania wstępnego. Ka­ młotkowej: 1 — obudowa z płyt wałki surowca poprzez lej są podawane do pancernych, 2 — wirnik z młot­ przestrzeni z wirującymi młotkami, gdzie w wy­ kami, 3 — ruszt klasyfikacyjny niku uderzenia przez młoty są odrzucane na płyty odbojowe wewnętrznej obudowy. Proces powtarza się, aż do momentu, gdy ziarna uzyskają rozmiary umożliwiające przesyp przez ruszt klasyfika­ cyjny. Zmiana rusztu, tzn. rozmiarów otworów, umożliwia regulację stopnia roz­ drabniania.

Do rozdrabniania materiałów miękkich, ciągliwych, adhezyjnych, termoplas­ tycznych i włóknistych, takich m. in. jak celuloza, drewno, papier, bawełna, tworzywa sztuczne i in. są stosowane rozdrabniarki nożowe, zwane młynkami tnącymi lub krajarkami (rys. 8.6). Rozdrabniarka zawiera noże, wykonane ze stali stopowych w liczbie 3-16, zamontowane na obracającym się wale tak, że wirują w odpowiedniej odległości od noży nierucho­ mych. Krajarki wielonożowe, wysokoobrotowe umożli­ wiają uzyskanie produktu o rozmiarach cząstek rzędu 100-200 pm. Rozdrabniarki młotkowe są konstruowane jako je­ dno- i dwuwirnikowe. W tych ostatnich wirniki obraca­ Rys. 8.6. Młynek tnący (krajarka): 1 — wirujące ją się w przeciwnych kierunkach i uzyskuje się więk­ noże, 2 - ruszt klasyfi­ szy stopień rozdrabniania, dochodzący do 40. Zaletę kujący rozdrabniarek młotkowych stanowi szeroki zakres zasto­ sowań, możliwość regulacji stopnia rozdrabniania, wadę natomiast szybkie *

zużywanie się części ruchomych, zapylenie środowiska i hałas oraz duże zuży­ cie mocy.

Rys. 8.7. Dezintegrator: a) zasada rozdrabniania, b) schemat dezintegratora: 1 — obudowa, 2 — wirniki z prętami (zębami)

Rozdrabniarki udarowo-prętowe, zwane też dezintegratorami i dysmembratorami są stosowane do rozdrabniania materiałów kruchych, włóknistych. W dezintegratorach rozdrabnianie materiału następuje w przestrzeni między dwoma — niezależnie napędzanymi i obracającymi się w przeciwnych kierun­ kach — tarczami, w których rozmieszczonych jest wiele koncentrycznych prę­ tów (zębów) (rys. 8.7). Każdy szereg zębów (z wyjątkiem najbliższego i naj­ dalszego od osi) jednej tarczy wchodzi pomiędzy dwa szeregi zębów drugiej tarczy (rys. 8.7b). Surowiec jest doprowadzany poprzez lej w pobliże środka tarcz (rys. 8.7a) i w wyniku działania siły odśrodkowej zostaje odrzucony po­ między wirujące zęby. W wyniku uderzenia i ścierania kawałki materiału są

rozdrabniane i wydostając się na zewnętrzny szereg zębów opadają do wylotu. Dysmembratory posiadają tylko jedną tarczę ruchomą, obracającą się z duży­ mi prędkościami i wykonywane są jako poziome i pionowe (rys. 8.8). Pręty (zęby) mają tu kształt noży, w wyniku czego materiał jest rozdrabniany przez ścinanie i rozrywanie, a w mniejszym stopniu przez uderzenie. Stosowane są do rozdrabniania materiałów włóknistych, również wilgotnych. Wadą rozdrabniarek udarowo-prętowych jest szybkie zużycie prętów i duże zużycie mocy.

Rys. 8.8. Dysmembrator pionowy: 1 - łopatki nieruchome, 2 - wirnik z prętami

Rys. 8.9. Gniotownik: 1 misa. 2 - koła gniotące

Rozdrabniarki rolkowe, zwane gniotownikami, są jednymi z najstarszych rozdrabniarek. Są wykonywane w wersjach jedno- i wielorolkowych, w celu rozdrabniania wstępnego i średniego. W wersji dwurolkowej (rys. 8.9) w misie metalowej z rozdrabnianym materiałem znajdują się umieszczone mimośrodowo dwie rolki-koła gniotące, toczące się po powierzchni misy. Średnice kół dochodzą do 2 m, ich szerokość natomiast do 0,3-05 m. Surowiec znajdujący się pomiędzy obracającymi się kołami i misą jest kruszony i ścierany i przesu­ wany do otworu wysypowego lub produkt przesypuje się przez szczeliny umie­ szczone w dnie misy. Istnieją również konstrukcje z misami obrotowymi i rów­ nież kruszarki z rolkami zębatymi. Rozmiar ziaren produktu zależy od odległo­ ści pomiędzy rolkami a dnem misy.

8.3. MŁYNY Rozdrabnianie do najmniejszych rozmiarów jest prowadzone w młynach, w których dominujące są ścieranie i uderzenie. Istnieje wiele klasyfikacji mły-

nów. Kryterium uwzględniające sposób działania i obciążenie młyna uwzględ­ nia także liczbę Froude'a, zdefiniowaną stosunkiem siły bezwładności powsta­ jącej w wyniku wirowania bębna o promieniu R z przyspieszeniem kątowym (o do siły ciężkości, Fr = R-u> /g. Zgodnie z tym kryterium młyny dzieli się na wolnobieżne — Fr < 2 ; średniobieżne — Fr = 2 - 1 0 ; szybkobieżne — Fr > 10. Młyny wolnobieżne należą do młynów grawitacyjnych, gdyż udział siły grawitacji w rozdrabnianiu jest dominujący. Należą do nich młyny kulowe, prętowe. Do młynów średniobieżnych należą obrotowo-wibracyjne, do szyb­ kobieżnych zaś młyny rolkowo-pierścieniowe, wibracyjne. 2

Rys. 8.10. Schemat młyna kulowego: 1 - czopy drążone, 2 - bęben, 3 - kule

Młyny kulowe są najbardziej rozpowszechnionymi maszynami stosowanymi do rozdrabniania drobnego, począwszy od małych młynków laboratoryjnych do młynów przemysłowych o średnicy do kilku metrów, pracujących w sposób okresowy lub ciągły. Rozdrabnianie polega na zgniataniu i ścinaniu oraz ude­ rzaniu i ścieraniu. Podczas obrotu młyna z prędkością n = (0,65—0,80) n uzyskuje się maksymalny efekt, związany ze spadaniem kul lub innego kształtu mielników. Stopień wypełnienia kulami wynosi 20-50%. Surowiec do młyna (rys. 8.10) o działaniu ciągłym, jest doprowadzany przez wydrążony wał, na którym jest osadzony bęben. Napęd bębna następuje z przekładni zębatej, po­ przez wieniec zębaty osadzony na bębnie. Wewnątrz bębna, po stronie wyloto­ wej, zazwyczaj jest umieszczona przegroda separująca, przez którą do otworu wylotowego przesuwają się cząstki dostatecznie rozdrobnione. W zależności od kr

a)

b)

c)

Rys. 8.11. Typy młynów kulowych: a) bębnowy, b) stożkowy, c) rurowy

kształtu bębna młyny bębnowe dzielą się na cylindryczne krótkie i długie (rurowe) oraz cylindryczno-stożkowe (rys. 8.11). W młynach krótkich, w któ­ rych stosunek długości bębna do średnicy nie przekracza 2, kule mają jednako­ wą średnicę, tym mniejsze im mniejsze są ziarna surowca. W młynach ruro­ wych długich, o stosunku długości do średnicy 3-6, rozdrabnianie zachodzi

stopniowo w kolejnych przestrzeniach, zawierających kule o coraz mniejszej średnicy, rozdzielonych perforowanymi przegrodami. W młynach cylindryczno-stożkowych surowiec podawany jest do krótszej części stożkowej o kącie roz­ warcia 120° i odprowadzany jako produkt z dłuższej części o kącie 60°. Bęben wypełniony jest kulami o różnej średnicy, które grupują się tak, że duże znaj­ dują się w części cylindrycznej, małe zaś w wydłużonej części stożkowej. Młyn jest nachylony do poziomu pod niewielkim kątem. Rozdrabnianie następuje stopniowo ze wzrostem energii od wlotu do wylotu. Poważny problem stanowi ścieranie się kul i płyt wewnętrznych młyna. Kule o średnicy 2,5-15 cm, wpro­ wadzane do młyna, zużywają się w proporcji 2,5-1,5 kg/t produktu. Zużycie wykładzin wykonanych ze stali stopowych, żeliwa itp. wynosi 0,05-0,25 kg/t produktu. Ochronę przed wycieraniem stanowią wykładziny gumowe, poliureta­ nowe lub ceramiczne. Ubytek liczby kul uzupełnia się, najczęściej raz na dobę 1-4 kule. Mielenie może być prowadzone również na mokro, co zapobiega zapyleniu środowiska i innym niepożądanym efek­ tom, lecz separacja cząstek ze szlamu i ich suszenie jest wadą tego sposobu. Wadę młynów kulowych stanowi też duże zuży­ cie mocy, rzędu 250-400 kW/t produktu. Do rozdrabniania minerałów niemetali­ cznych typu węgla, kredy, talku, suchych Rys. 8.12. Zasada działania młyna rolko­ chemikaliów itp., gdy wymagane są wego: 1 — rolki, 2 — misa obrotowa, cząstki produktu w dużym stopniu jedno­ 3 - docisk rolek rodne w zakresie rozmiarów 30-800 \xm stosowane są młyny pierścieniowo-rolkowe (rys. 8.12). Młyn pracuje w pozy­ cji pionowej, rozdrabnianie zaś odbywa się w wyniku toczenia się rolek we­ wnątrz poziomego nieruchomego pierścienia lub odwrotnie. Pierścień jest wy­ konywany ze stali odkuwanej, rolki natomiast z hartowanego stopu żelaza. Młyn posiada zazwyczaj klasyfikację wewnętrz­ ną ziaren produktu, opartą na zasysaniu wzdłuż osi od góry strumienia aerozolu, z najmniejszymi cząstkami, które separowane są na zewnątrz młyna z których cząstki dużych rozmiarów mo­ gą być zawracane do młyna. Młyny te mogą pracować również w atmosferze innej niż po­ wietrze. Rys. 8.13. Schemat młyna wibra­ Do rozdrabniania bardzo drobnego są stoso­ wane młyny wibracyjne, w których wykorzystu­ je się drgania masy kul o małej średnicy rzędu 5-80 mm, umieszczonych w bębnach cylindrycznych podpartych na spręży­ nach lub innego rodzaju amortyzatorach (rys. 8.13). Stopień wypełnienia bęb­ na kulami i surowcem wynosi 80-90%, gdy pojemność bębnów wynosi do cyjnego: 1 - pojemniki z kula­ mi, 2 — napęd, 3 — podparcie sprężyste

3

ok. 0,5 m . Drgania bębna o amplitudzie 1-4 mm są wywołane obrotami wału napędowego z osadzonym mimośrodem z prędkościami 1500-3000 obr/min. Rozmiar ziaren surowca powinien być mniejszy niż 1 mm. Produkt posiada rozmiary cząstek dochodzące do 1 (im. Rozdrabnianie następuje w wyniku uderzenia i ścierania przez kule. Wyładowanie materiału następuje przez perforowne dno bębna lub przez odsysanie strumieniem powietrza. Rozdrabnianie może być prowadzone zarówno na sucho, jak i na mokro. Młyny wibracyjne pracują również w sposób ciągły w ustawieniu szeregowym, jeden nad drugim. Młyny uderzeniowo-strumieniowe nie zawierają żadnych obracających się elementów rozdrabniających, ruch materiału jest wywołany przepływem i ciś­ nieniem gazu. Rozdrabnianie następuje w wyniku przyspieszania ruchu cząstek ciała stałego przez strumień powietrza lub pary wypływających z dysz i zde­ rzeń wzajemnych lub ze stałą przegrodą. W młynach, w których udział zderzeń z przegrodą lub kanałem przepływu jest dominujący, mogą być rozdrabniane ziarna, od kilku milimetrów, ze względu na możliwość wysokiego stopnia roz­ drabniania. Surowiec do młyna jest podawany grawitacyjnie i zasysany przez dysze lub odpowiednimi podajnikami. Młyn może zawierać jedną lub wiele dysz, umocowanych pod kątem w stosunku do cylindrycznej (owalnej) komory rozdrabniającej. Zasadniczymi typami tego rodzaju młynów (rys. 8.14) są spi­ ralne, pętlicowe (pierścieniowe), uderzeniowe, zderzeniowe, fluidalne.

Rys. 8.14. Młyny strumieniowe: a) spiralny, b) pętlicowy: 1 - powietrze, 2 - surowiec, 3 produkt, 4 — dysze, 5 — płyty, 6 - komory rozdrabniające, 7 — przegrody separacyjne, 8 wylot produktu

Młyny spiralne (rys. 8.14a), zasysają surowiec do płaskiej, cylindrycznej komory, w której cząstki są rozdrabniane w wyniku zderzeń wzajemnych i ze ściankami komory. Z komory wypływają cząstki rozdrobnione o małej masie, większe pozostają do czasu wymaganego rozdrobnienia.

Młyn pętlicowy (rys. 8.14b) jest pionową wersją młyna spiralnego, w któ­ rym wykorzystuje się siły grawitacji i odśrodkowe do klasyfikacji produktu. Materiał podany injektorem ulega rozdrobnieniu w dolnej części, klasyfikacji zaś w górnej części młyna, skąd cząstki o dużych rozmiarach są zawracane do obiegu, do rozdrabniania. a)

b)

Surowiec

Powietrze

Rys. 8.15. Młyny uderzeniowe: a) z przegrodą nieruchomą, b) z przegrodą ruchomą: plus surowiec, 2 — przegrody, 3 — produkt, gaz plus cząstki stałe

-

gaz

W młynach uderzeniowych (rys. 8.15) strumień mieszaniny gaz-cząstki ciała stałego uderza z dużą prędkością o przeszkodę (przegrodę) nieruchomą lub ruchomą (obrotową), ustawioną na drodze przepływu. W wyniku uderzenia następuje rozdrobnienie materiału i otrzymuje się produkt o szerokim zakresie rozmiarów cząstek, które są wydzielane z gazu i klasyfikowane na zewnątrz młyna. b)

Rys. 8.16. Młyny zderzeniowe: a) zderzenie strug gazu plus cząstki stałe z klasyfikacją produktu, b) zderzenie bez klasyfikacji; 1 — surowiec, 2 - powietrze, 3 — produkt

Młyny zderzeniowe (rys. 8.16) działają na zasadzie mieszania gazu z cząst­ kami surowca w dyszy powietrznej i następnie wzajemnego, czołowego zde-

rzania się strumieni dwufazowych gaz-cząstki ciała stałego, wypływających z dysz. Przenikanie się strumieni i zderzenia pomiędzy cząstkami prowadzą do ich rozdrobnienia. W młynach strumieniowo-fluidalnych (rys. 8.17) surowiec podawany jest od góry bezpośrednio do złoża fluidalnego, w komorze rozdrabniania. Złoże jest wytworzone strumieniem gazu skierowanym przeciwnie w dolnej części młyna. Gaz porywając materiał ze złoża przyspiesza go do dużych pręd­ kości. Rozdrabnianie zachodzi w wyniku zderzeń wzajemnych cząstek i ze ścianami komory młyna. Mieszanina gaz-cząstki przepływa do wysoko sprawnego klasyfikatora powietrznego, znajdują­ cego się w górnej części młyna, który odrzuca duże cząstki z powrotem do złoża, małe natomiast A-A wypływają na zewnątrz do filtra tkaninowego. Młyny stosowane są do rozdrabniania drobnego i bardzo drobnego materiałów sypkich ścierają­ cych, takich jak korund, ceramika, szkło, toner A-A i termoplastycznych, takich jak żywice, tworzywa sztuczne, proszki fluorescencyjne i inne. Zaletą ich jest zminimalizowanie ścierania ścian młyna i zmniejszenie zużycia energii o 15-20% w sto­ sunku do wymienionych młynów. Do rozdrabniania cząstek super- i ultradroRys. 8.17. Młyn strumieniowobnych, stanowiących zwykle konglomeraty i aglo­ -fluidalny: 1 — surowiec, 2 — meraty, a także do wytwarzania emulsji, są stoso­ powietrze, 3 — złoże fluidalne, wane młyny koloidalne. Rozdrabnianie prowadzi 4 — tor powietrza i produktu, się na mokro i polega ono na ścinaniu w cieczy 5 - klasyfikator, 6 — produkt i rozbijaniu aglomeratów w zawiesinie. Wyróżnia się młyny koloidalne: stożkowe, tarczowe i turbinowe. W młynie stożkowym (rys. 8.18) zawiesina pod ciśnieniem rzędu 1,5-2,0 MPa jest podawana otwo­ rem centrycznym od dołu, między powierzchnie boczne wirującego wirnika stożkowego i statora. Powierzchnie te tworzą szczelinę rzędu setnych części milimetra. Rozmiar szczeliny jest regulowany śrubą mikrometryczną. Wirnik obraca się z prędkością ok. 125 m/s. W młynach tarczowych (rys. 8.19) tarcze z powierzchnią płaską lub karbowaną tworzą szczelinę, przez którą od osi do obwodu przepływa zawiesina lub emulgowana ciecz, ulegając rozdrabnianiu, w wyniku działania dużych sił ścinających. Rozdrabnianie może być również prowadzone w młynach turbinowych, w których rozdrabnianie zachodzi głównie w wyniku udaru tzw. kolców osa­ dzonych na wirniku w kształcie turbiny, wirującej z prędkością ok. 190 m/s. Zawiesina jest cyrkulowana przez młyn do uzyskania określonego rozmiaru cząstek.

Rys. 8.18. Młyn koloidalny stożkowy: 1 — wirnik stożkowy, 2 - misa (stator), 3 - napęd z nastawną śrubą mikrometryczną

Rys. 8.19. Schemat młyna koloidalnego tarczowego: 1 - tarcze płaskie, 2 — szczelina, 3 - mieszadło

8.4. DOBÓR METODY ROZDRABNIANIA I ROZDRABNIARKI Projektowanie procesu rozdrabniania, oprócz znajomości właściwości fizycz­ nych materiału, wymaga również danych rozkładu rozmiarów cząstek, wydaj­ ności i in. Dobór właściwej rozdrabniarki i jej wielkości jest kluczowy dla sprawności energetycznej. Zastosowanie wysoko sprawnego klasyfikatora po­ prawia wydajność procesu i jednocześnie ogranicza emisję cząstek aerozolo­ wych do atmosfery. Pod uwagę musi być brany również poziom wytwarzanego hałasu. Rozdrabnianie, jak wiadomo, wymaga dużego nakładu energii, która w 95% ulega rozproszeniu na ciepło, co może stwarzać kłopoty z materiałami mało odpornymi na ciepło. Specjalnej uwagi wymagają materiały w postaci proszku, palne i wybuchowe; konieczna jest znajomość ich stężeń wybucho­ wych, ewentualnych źródeł zapłonu i granicznej zawartości tlenu. W przypad­ kach krytycznych rozdrabnianie prowadzi się w atmosferze gazu inertnego. W rozdrabnianiu materiałów bioaktywnych istotny jest materiał konstrukcyjny młyna, jego właściwości wytrzymałościowe i korozyjne.

LITERATURA U]

PRASHER

C L , Crushing

[2]

KOCH R . , N O W O R Y T A

and Grinding

Process

Handbook.

J.

Wiley & Sons, Chichester

1987. A„ Procesy mechaniczne

w inżynierii chemicznej,

WNT,

Warszawa

1992. 3

tl

NAWROCKI J., R Y N C A R Z

Śląskiej, Gliwice 1989.

A.,

WĘGLARCZYK J.,

Teoria i praktyka rozdrabniania.

Skrypt Polit.

9. KLASYFIKATORY, PRZESIEWACZE I SEPARATORY 9.1. WPROWADZENIE W wyniku rozdrabniania i innych procesów fizykochemicznych otrzymu­ je się zwykle mieszaninę ziaren cząstek ciała stałego o różnych rozmiarach i kształtach. Wartość użytkowa jako produktu i przydatność takiej mieszaniny w technologii procesowej jest ograniczona. Często wymagane są ziarna o ściśle określonym rozmiarze lub zakresie rozmiarów. Rozdział mieszaniny cząstek stałych na klasy (frakcje) ziarnowe, charakteryzujące się górnym, dolnym lub zakresem rozmiarów nosi nazwę klasyfikacji. Klasyfikacja może być wyko­ nywana: — w strumieniu gazu i nosi nazwę klasyfikacji pneumatycznej, — w strumieniu cieczy i zwana jest klasyfikacją hydrauliczną, — na sitach — określana jest mianem przesiewania, — specjalnymi metodami. Klasyfikacja pneumatyczna, zwana też powietrzną, odnosi się do cząstek o różnych rozmiarach lub zakresach rozmiarów tego samego materiału, gdy ist­ nieje konieczność separacji z mieszaniny cząstek zbyt dużych lub zbyt drob­ nych. Charakterystyka fizyczna cząstek — sferyczność, gładkość powierzchni, wilgotność i zdolność do dyspersji — wpływa na zdolność do klasyfikacji i spo­ sób jej dokonania. Klasyfikacja pneumatyczna jest oparta na separacji cząstek mieszaniny w strumieniu gazu (powietrza) w wyniku różnej prędkości opadania (sedymentacji). Klasyfikacja hydrauliczna jest oparta na różnicach w prędkości opadania, zwykle grawitacyjnego, cząstek ciała stałego w cieczy. Klasyfikacja na sitach, zwana przesiewaniem, polega na przechodzeniu przez oczka (otwory) sita cząstek określonych rozmiarów, które są określane jako przesiew (podziarno) i zatrzymywaniu pozostałych, stanowiących odsiew (nadziarno). Przesiewanie jest stosowane jako operacja podstawowa, w celu otrzymywania produktów o określonych rozmiarach lub jako operacja pomocni­ cza, związana z przebiegiem innych procesów. Do realizacji przesiewania jest konieczna znajomość właściwości przesiewanego materiału, przewidywanego zakresu rozmiarów surowca i wymagań odnośnie do rozdziału produktu. Proces może być prowadzony na sucho lub na mokro. W przesiewaniu mokrym ciecz (woda) jest celowo wprowadzana, po to, aby zmniejszyć niekorzystne efekty oddziaływań międzyziarnowych i wymycia drobnej frakcji.

W metodach specjalnych klasyfikacji, dotyczących cząstek różnych mate­ riałów, korzysta się z właściwości elektromagnetycznych i powierzchniowych cząstek.

9.2. KLASYFIKACJA PNEUMATYCZNA Prędkość opadania cząstek ciała stałego w gazie, jak wiadomo, zależy od gęstości, rozmiaru i kształtu cząstek. Klasyfikowany materiał jest podawany do strumienia przepływającego gazu, w którym cząstki podlegają wywiewaniu (elutracji), działaniu wiru swobodnego lub wymuszonego, które działają od­ dzielnie lub w kombinacji. Cząstki podlegają działaniu sił masowych i oporu. W zależności od wielkości i kierunku działania tych sił, cząstki poruszają się po różnych trajektoriach w kierunku przestrzeni separacji. Cząstki o mniejszej masie, mniejszych rozmiarów lub stawiające większe opory będą przepływać wraz z gazem. Cząstki te stanowią tzw. lżejszą lub drobniejszą frakcję. Cząstki o większej masie i rozmiarach wypadają z gazu i stanowią produkt. Klasyfika­ cja z wykorzystaniem wiru swobodnego zachodzi analogicznie jak w cyklo­ nach, tj. cząstki duże są kierowane ku ścianie cyklonu, drobne natomiast wy­ pływają z gazem odlotowym. Rozmiar cząstek jest kontrolowany prędkością przepływu i wymiarem przestrzeni separacji. Wir wymuszony jest bardziej skom­ plikowany, lecz dokładność rozdziału jest większa. Wymuszenie osiąga się przez stosowanie wirnika. Cząstki cięższe dążą do obwodu, drobniejsze nato­ miast przepływają wraz z gazem przez łopatki wirnika. Jakość rozdziału zmienia się przez zmianę prędkości gazu i wirowania wirnika. Klasyfikatory dzieli się na ogólnie na przepływowe, z recyrkulacją częściową i całkowitą (zamkniętą). Klasyfikatory przepływowe są stosowane dla substancji wrażliwych na pod­ wyższoną temperaturę, w całkowicie cyrkulacyjnych natomiast strumień po­ wietrza jest mały, dlatego do wydzielenia cząstek z gazu konieczne są filtry o małych wymiarach. Zakres rozmiarów ziaren klasyfi­ kowanych grawitacyjnie dochodzi do 200 pm, odśrodkowych zaś zawiera się w zakresie 1-100 pm. Klasyfikacja jest stosowana wtedy gdy przesiewanie na sitach nie jest efektywne ze względu na wydajność, dostępną prze„ „

. r \

,

, i_

,

j

• u

strzen instalacyjną lub zakres rozdziału. f ct

J

H

R

s

y - 9 . 1 . Klasyfikator rzutowy: 1 ^w„ rzutowe, 20 - ziarno drobne,a 3 _ z j a r n o grube

, . kolo

Klasyfikacja jest często ostatnim etapem w procesie rozdziału, gdy jest pożądana frakcja górna, środkowa lub dolna. Efektywność klasyfikatorów jest mierzona wydajnością produktu pożądanego, sprawnością rozdziału, ostrością rozdziału, tj. rozkładem rozmiarów cząstek wokół pożądanego przeciętnego rozmiaru. Najprostszą konstrukcję stanowi klasyfikator rzutowy (rys. 9.1) z pozio­ mym przepływem gazu, wykorzystujący różnice prędkości opadania ziaren

w strumieniu powietrza. Ziarna grube opadają najszybciej, lżejsze, uniesione z gazem, opadają dalej. W klasyfikatorze pionowym (rys. 9.2) klasyfikacja na ziarna grube, śred­ nich rozmiarów i drobne następuje w wyniku wywiewania (elutracji) ziaren małych i opadania w strumieniu powietrza, przepływającym do góry ziaren o dużych rozmiarach. Klasyfikatory tego rodzaju, zwane również grawitacyjny­ mi, są stosowane do wstępnej separacji surowców masowych, o rozmiarach od ułamków milimetra do milimetrów, takich jak minerały, metale, koks, węgiel, kreda, nawozy sztuczne, tworzywa sztuczne itp.

Rys. 9.2. Klasyfikator pio­ nowy: 1 - wlot powie­ trza, 2 — surowiec, 3 — ziarno drobne, 4 — ziarno grube, 5 — ziarno śred-

Rys. 9.3. Klasyfikator rozpraszający: 1 — dopływ surowca, 2 — talerz roz­ praszający, 3 — komora klasyfikacji, 4 — wentylator główny, 5 — wentyla­ tor pomocniczy, 6 — frakcja gruba,

nich rozmiarów

7 — frakcja drobna

W klasyfikatorach rozpraszających (rys. 9.3) surowiec jest podawany na wirujący talerz, który rozprasza ziarna w przekroju aparatu. Cyrkulację powie­ trza od góry i na zewnątrz zapewnia wentylator. Powietrze unosi pył do stożka zewnętrznego, skąd jest usuwany z obiegu. Powietrze cyrkulacyjne natomiast, odpowiednimi szczelinami wraca z powrotem do stożka wewnętrznego. Ziarna grube wypadają ze strumienia powietrza powrotnego (czystego) do części stoż­ kowej i usuwane są na zewnątrz. Na podobnej zasadzie działają klasyfikatory przepływowe, w których grube cząstki, w części wypadają z gazu zasysanego wirnikiem wentylatora, pozostałe zaś są odrzucane na ścianki klasyfikatora. Drobne natomiast są unoszone z gazem odlotowym.

W klasyfikatorach spiralnych (rys. 9.4a) korzysta się z zasady, że małe cząstki poruszają się w strumieniu powietrza wolniej niż duże, ponadto, mając mniejszą bezwładność, łatwiej zmieniają kierunek przepływu niż cząstki duże. Cząstki surowca są podawane na wirujący wirnik (pierścień) (rys. 9.4b). Po­ wietrze wpływa stycznie i stopniowo promieniowo wpływa do wirnika. Na cząstki działają siły grawitacji, oporu aerodynamicznego, odśrodkowa i siły zderzeń. Kombinacja tych sił, w powiązaniu ze średnicą i masą cząstek, pro­ wadzi do separacji cząstek w odpowiedniej przestrzeni klasyfikatora, skąd są one odprowadzane na zewnątrz jako produkt. Drobne cząstki unoszone ze stru­ mieniem gazu są wydzielane w odpylaczu zewnętrznym.

Rys. 9.4. Klasyfikator spiralny: a) zasada klasyfikacji odśrodkowej, ziarno; 1 — graniczne, 2 — drobne, 3 — grube; b) klasyfikator: 1 - komora klasyfikacji, 2 — wlot powietrza, 3 — ło­ patki kierujące, 4 — odlot ziaren drobnych, 5 — pierścień wirujący, 6 — odprowadzenie ziaren grubych (ślimak)

9.3. KLASYFIKACJA HYDRAULICZNA Klasyfikacja hydrauliczna, zwana również klasyfikacją na mokro, w naj­ prostszym przypadku opiera się na opadaniu, sedymentacji grawitacyjnej w zbiorniku-osadniku (klarowniku). Rozdział na frakcje nie jest tu ostry, lecz wymagana duża powierzchnia odstawania stanowi wadę metody oprócz innych niedogodności związanych ze stosowaniem cieczy. Z działania sił odśrodko­ wych korzysta się w hydrocyklonach. Do klasyfikacji cząstek mikronowych stosuje się wirówki. Klasyfikacja na mokro może być prowadzona również na sitach. W klasyfikatorze przepływowym pionowym przepływ wody odbywa się od góry (rys. 9.5) lub od dołu. Z mieszaniny ziaren podawanej do cieczy, ziar­ na drobne są unoszone i opuszczają klasyfikator korytem przelewowym, cząst­ ki większych rozmiarów natomiast opadają na dno zbiornika. Segregacja tego rodzaju może być prowadzona również w wielu stopniach, na większą liczbę frakcji niż tylko dwie.

Klasyfikator przepływowy poziomy (rys. 9.6) segreguje cząstki mieszani­ ny ze strumienia przepływającej zawiesiny. Tor opadających ziaren jest wy­ padkową ruchu poziomego i opadania grawitacyjnego. Ziarna o największej prędkości opadania zbierają się w pojemnikach najbliżej wlotu, najdrobniejsze

Rys. 9.5. Klasyfikator przepływowy — pionowy; 1 - zawiesina, 2 - frakcja drobna, 3 — frakcja gruba

Rys. 9.6. Klasyfikator przepływowy poziomy: 1 — zawiesina, 2 — frakcja drobna, 3 - frakcja gruba

są natomiast unoszone z aparatu. W praktyce przemysłowej klasyfikacja hy­ drauliczna jest stosowana do wzbogacania rud metali, minerałów, węgla i in. Na tej samej zasadzie jest oparte działanie klasyfikatorów mechanicznych: grabiowych i spiralnych, w których grabie lub ślimak, zanurzone w sedymentującej zawiesinie pod niewielkim kątem (rys. 9.7) wyprowadzają osad, stano­ wiący ziarna cięższe, osadzony na dnie koryta klasyfikatora, nad powierzchnię cieczy. Ziarna lżejsze odpływają z cieczą. a)

Surowiec

Woda

Rys. 9.7. Klasyfikator spiralny - ślimakowy: a) zasada działania, b) klasyfikator - widok; 1 — koryto, 2 - ślimak, 3 — przegroda, 4 - przelew (ciecz + ziarna drobne), 5 — droga ziaren grubych, 6 — ziarna grube — produkt

Rozdzielanie mieszaniny ziaren materiałów o różnej gęstości jest prowadzo­ ne w osadzarkach. Rozdzielanie na frakcje następuje w wyniku ruchu oscyla­ cyjnego zawiesiny, wywołanego posuwisto- zwrotnym ruchem tłoka, wywiera­ jącego nacisk na powierzchnię cieczy. Ziarna cięższe opadają wówczas na dno osadzarki, drobne natomiast gromadzą się przy powierzchni cieczy i są odpro­ wadzane przelewem. Rozdzielanie mieszanin wieloskładnikowych prowadzi się w osadzarkach wielokomorowych. Osadzarki są stosowane podczas wzbogaca­ nia rud i węgla kamiennego.

Produkt

Rys. 9.8. Stół koncentracyjny: 1 - stół, 2 - powierzchnia rowkowana, 3 - kierunek wibracji stołu, 4 — natrysk wody, 5 — odpady

Mieszaniny materiałów o różnej gęstości i ziarnach mniejszych niż ok. 3 mm są rozdzielane na stołach koncentracyjnych (rys. 9.8). Stół jest nachy­ lony na bok, pod kątem 2-10° i wykonuje ruch posuwisto-zwrotny, do przodu wolny, powrotny zaś, do tyłu, szybki. To powoduje przesuwanie się materiału do przodu. Ziarna o małej gęstości pozostają w zawiesinie i spływają wraz z wodą. Ziarna o większej gęstości osiadają w rowkach (bruzdach) stołu i przesuwają się wraz z nim. Materiał o większej gęstości przesuwa się więc do przodu, lżejszy natomiast spływa z wodą po pochyłości stołu i przelewa się do koryta, umieszczonego pod krawędzią stołu. W klasyfikacji hydraulicznej, jak już wspomniano, stosuje się również dzia­ łanie pola sił odśrodkowych, w aparatach zwanych hydrocyklonami, co omó­ wiono szerzej w rozdz. 12.

9.4. PRZESIEWACZE Zasadniczy element aparatów stosowanych do przesiewania — przesiewaczy — stanowi sito osadzone w ramie (rzeszocie) i jego napęd zapewniający ruch drgający sita. Szeroki zakres i różnorodność rozmiarów ziaren-cząstek oraz warunki fizyczne rozdziału sprawiają, że nie ma możliwości przesiewania w szerokim zakresie rozmiarów ziaren na pojedynczym sicie. Podobnie jak

podczas rozdrabniania, wyróżnia się przesiewanie wstępne, które dotyczy mate­ riałów w kawałkach oraz drobne i bardzo drobne. Sita wykonywane są jako: rusztowe, płyty perforowane i siatki (rys. 9.9). a)

_ L

I

J.

/'<

31

ł'>3i I

I I

1 I I

l

c

u

G

Rys. 9.9. Rodzaje sit: a) rusztowe, b) płyty perforowane, c) siatki

Sita rusztowe wykonuje się z listew, prętów lub wałków metalowych, uło­ żonych równolegle w określonej odległości od siebie. Kształt szczeliny pomię­ dzy rusztami wynika z kształtu przekroju prętów i zapewnia swobodny przesyp kawałków i ziaren materiału. Ruszta zamocowaa) ne w odpowiedniej ramie są nachylone do pozio­ mu w kierunku ruchu materiału, pod kątem większym od kąta tarcia — 30-50°. Zwiększenie wydajności przesiewanego materiału osiąga się przez ruch obrotowy lub drgający prętów albo sita (rys. 9.10). Sita w postaci perforowanych płyt (rys. 9.9b), o różnego kształtu otworach są wykony­ wane z materiałów metalowych i tworzyw sztu­ cznych. Są one stosowane do przesiewania du­ żych strumieni mas materiałów sypkich o zna­ cznej zawartości kawałków dużych rozmiarów. Siatki (rys. 9.9c) są wykonywane z drutów metalowych, włókien sztucznych i naturalnych; mogą być tkane, plecione, skręcane, wiązane itp. Rys. 9.10. Przesiewacze rusztowe: Sposób wykonania siatek związany jest z rodzaa) tarczowo-obrotowy, b) pręj przesiewanego materiału i sposobem przesiee

towo-drgający

m

Wania.

Otwory (oczka) w sitach są wykonywane według określonych zasad, które są znormalizowane i noszą nazwę skali sit. W układzie miar metrycznym sita znormalizowane charakteryzuje tzw. liczba prześwitu, określona stosunkiem powierzchni otworów (oczek) do całkowitej powierzchni sita lub numerem sita, który odpowiada liczbie oczek sita na długości 1 cm. Liczba prześwitu jest związana z krawędzią oczka a i średnicą drutu d zależnością ——— (a+d)

= 0,36 .

2

W systemie anglosaskim za podstawę do tworzenia szeregu sit przyjmuje się sito o zawartości 200 oczek (otworów) na długości 1 cala i średnicy drutu 0,053 mm. Stosunek krawędzi oczek sit następujących po sobie — moduł sit — wynosi \[2 w sitach Tylera. W celu zwiększenia dokładności rozdziału jest 2

stosowany moduł ( y / 2 ) . Numeracja sit jest oparta na wymienionej liczbie oczek na długości 1 cala, tj. liczbie mesh. Zestawienie szeregu sit znormalizo­ wanych według norm metrycznych, anglosaskich (brytyjskich BS i amerykań­ skich) przedstawiono w tabl. 9.1. Przesiewanie na sicie zachodzić może wtedy, gdy występuje ruch surowca względem sita. Sito może być nieruchome, lecz nachylone do poziomu pod kątem większym od kąta tarcia, może poruszać się w płaszczyźnie poziomej lub nachylonej do poziomu. Płaszczyzna sita stanowić może prostokąt lub koło. Ruch materiału na sicie zależy w dużym stopniu od rodzaju napędu wymusza­ jącego ruch, drgania sita i zamocowania ramy sita. Przesiewanie może być prowadzone przez jedno lub kilka sit w układzie posobnym, nadsobnym lub mieszanym (rys. 9.11). Ze względu na kształt powierzchni wyróżnia się sita płaskie i cylindryczne. Powszechnie stosowane są sita płaskie. W przesiewaczach płaskich (rys. 9.12) rama z sitem jest pod­ parta lub podwieszona na elementach sprężystych: płaskownikach, sprężynach, amortyzatorach. Drgania ramy z sitem są wymuszone ruchem obrotowym mimośrodu, wirowaniem niewyważonych mas lub za pomocą elektromagnesu. Przesiewany surowiec przemieszcza się na sicie ze stałą prędkością, w przesie­ waczach przemysłowych 0,5-75 m/s, dlatego czas przesiewania jest proporcjo­ nalny do długości sita, wydajność zaś do szerokości. Efektywność przesiewania zależy od rozmiaru i postaci otworów sita i ziaren mieszaniny, zawartości tzw. trudnych cząstek o kształcie różniącym się znacznie od kuli, gęstości ziaren, prędkości ruchu ziaren i grubości warstwy na sicie, wilgotności surowca i obecności dodatków. Stosunek szerokości do długości sita wynosi zazwyczaj b/L = 2,0-3,0. Wydajność przesiewacza wynosi W = gdzie

— — — —


współczynnik rozdrobnienia surowca - 0 , 9 , grubość warstwy materiału na sicie, prędkość ruchu materiału na sicie, gęstość nasypowa materiału.

Grubość warstwy materiału na sicie nie powinna przekraczać 4 rozmiarów oczek sita. Efektywność przesiewania jest duża na początku sita, w wyniku przesypywania dużej liczby drobnych ziaren w krótkim czasie. Ziarna o roz­ miarach w stosunku do oczek sita 0,75 przesypują się łatwo, natomiast te o stosunku 0,75-1,0 trudno, co wymaga dłuższego czasu przesiewania. Im więc T a b e l a 9.1 Charakterystyka sit znormalizowanych według norm niemieckich DIN, angielskich BS i amerykańskich A S T M Rozmiar oczek

Sita wg BS410:1976

Sita wg U.S.Standard ASTM, El 1-81

wg DIN4188

[mm]

mesh

rozmiar oczka [mm]

nr sita

rozmiar oczka [mm]

1,0

16

0,991

16

U9

0,8

20

0,833

18

1,00

0,63

24

0,701

20

0,84

0,5

28

0,589

25

0,71

0,4

32

0,495

30

0,59

0,315

35

0,417

35

0,50

0,25

42

0,351

40

0.42

0,20

48

0,295

45

0,35

0,16

60

0,246

50

0,297

0,125

65

0,208

60

0,250

0,10

80

0,175

70

0,210

0,09

100

0,147

80

0,177

0,08

115

0,124

100

0,149

0,071

150

0,104

120

0,125

0,063

170

0,089

140

0,105

0,056

200

0,074

170

0,088

0,05

250

0,061

200

0,074

0,045

270

0,053

230

0,062

0,04

325

0,043

270

0,053

0,036

400

0,038 —

325 —

0,044 —

—

—

0,028 0,020

—

—

więcej większych rozmiarów ziaren w mieszaninie, tym czas przesiewania musi być dłuższy. Materiały suche, 2 - 4 % wilgoci, przesiewają się dobrze. Wraz ze wzrostem zawartości wilgoci przesiewanie staje się jednak coraz trudniejsze i prowadzi do zalepiania oczek sita. Takie materiały przesiewa się na mokro, stosuje się ogrzewanie sit do temperatury 375-425 K lub są stosowane sita specjalne, tzw. strunowe.

Sprawność przesiewacza jako urządzenia klasyfikującego jest iloczynem sprawności przesiewania r\ i odsiewania r\ . Sprawność ta jest wyznaczana z danych bilansu masowego materiału pożądanego, znajdującego się w surow­ cu S, kierowanym do przesiewania, w przesiewie P i w odsiewie O. p

{X

- _

X

)X

- *- ? P Sx

• „ - i ]

(x,-x )x,'

s

gdzie x , x

0

°

0

(1-^)5'

x — ułamki masowe materiału pożądanego odpowiednio w su­ rowcu, przesiewie i odsiewie. Ułamki masowe wyznacza się na podstawie analizy sitowej surowca, prze­ siewu i odsiewu, wykonanej na sitach analitycznych, zestawionych w układzie nadsobnym, zgodnie z danymi tab. 9.1 dla określonych wymagań rozdziału na frakcje ziarnowe. W skład zestawu wchodzą ponadto tzw. denko (pojemnik dla najmniejszej frakcji) i pokrywka obudowy sita pierwszego od góry w zestawie. s

pi

0

a)

b)

c)

Rys. 9.11. Sposoby przesiewania wielokrotnego: a) posobne, b) nadsobne, c) kombinowane

a)

1

2

c

l

3

4

Rys. 9.12. Przesiewacze płaskie: a) wahliwy, b) wstrząsowy, c) wibracyjny, d) wibracyjno-rezonansowy: 1 — obudowa (rzeszoto) sita, 2 - sito, 3 — napęd, 4 — elementy sprężyste

Do przesiewania dużych strumieni mas materiałów, których rozmiary ziaren są zawarte w zakresie od 1 mm do ok. 200 mm są stosowane przesiewacze z sitami z blach perforowanych i siatek. W przesiewaczach wahliwych (rys. 9.12a) rama z sitem porusza się ru­ chem jednostajnie przyspieszonym w płaszczyźnie poziomej lub nachylonej

pod kątem 7-16°, co powoduje ruch i klasyfikację ziaren materiału według rozmiarów tak, że mniejsze przesypują się przez oczka sita stanowiąc przesiew, duże natomiast zsuwają się z powierzchni sita na końcu przesiewacza stano­ wiąc odsiew. Przesiewacz wahliwy do wielokrotnego przesiewania przedstawia (rys. 9.13a). Wirowanie mimośrodu z prędkością 400-450 obr/min zapewnia częstość 100-150 drgań/min, gdy amplituda wynosi 20-40 mm. Wydajność przesiewania, określona jako strumień masy przesiewu zależy od częstości i amplitudy drgań i kąta nachylenia sita. Oprócz zalet przesiewacza, którymi są duża wydajność, sprawność przesiewania i zwartość konstrukcji, wadę stanowi niezrównoważenie konstrukcji, co powoduje przenoszenie drgań na fundamenty i inne budowle.

Rys. 9.13. Przesiewacze wielokrotne: a) wahliwy, b) wibracyjny, c) bębnowy; 1 — obudowa, 2 — sita, 3 - napęd, 4 — elementy sprężyste

Przesiewacze wstrząsowe (rys. 9.12b) mają dwie samorównoważące się tarcze (koła) z mimośrodowo umieszczonymi ciężarkami, osadzone na wspól­ nym wale napędowym, obracającym się z prędkością 600-1500 obr/min, po przeciwnych stronach ramy sita. Rama z sitem (lub dwoma, trzema) jest nachy­ lona do poziomu pod kątem 20-30°, opiera się na sprężynach metalowych lub amortyzatorach gumowych lub jest podwieszona jak na rys. 9.13b podczas przesiewania wielokrotnego. Drgania są kołowe w płaszczyźnie pionowej, pro­ stopadłej do powierzchni sita. Przesiewacze te są stosowane do klasyfikacji drobnych ziaren. W czasie przesiewania ziarna przesuwając się w dół sita (sito pochylone) są podrzucane, wstrząsane, mieszane, (amplituda jest stała, ok. 3 mm, co umożliwia klasyfikowanie drobnych ziaren w grubej warstwie na sicie).

Przesiewacze wibracyjne (rys. 9.12c) różnią się od wstrząsowych parame­ trami drgań sita. Kierunek drgań może być poziomy lub nachylony do pozio­ mu. Częstość drgań zawiera się w granicach 900-1500 drgań/min. Drgania powodują ruch materiału na sicie, jego podrzucanie i energiczne wstrząsanie. Wibratory stanowią obracające się mimośrody, niezrównoważone koła lub elektromagnesy (drgania rdzenia w zmiennym polu elektromagnetycznym). Przesiewacz może mieć jedno lub kilka sit. Rozmiary przesiewanych ziaren zmieniają się od bardzo małych, rzędu dziesiątków mikrometrów w analizie sitowej do ok. 250 mm w warunkach przemysłowych. Głównymi zaletami przesiewaczy wibracyjnych, oprócz zrównoważenia konstrukcji są duża wydaj­ ność, sprawność i małe wymiary. Przesiewacze wibracyjno-rezonansowe (rys. 9.12d) mają zarówno ramę, jak i napęd podparte sprężyście, wprawiane w drgania w wyniku wirowania niewyważonych mas wibratora. Gdy okresy drgań napędu i własne konstrukcji przesiewacza będą jednakowe, to drgania te określane są mianem rezonanso­ wych. Do napędu przesiewacza potrzebna jest wówczas mała moc, konieczna głównie do pokonania oporów tarcia, a nie do przyspieszenia mas drgających. Częstość drgań dochodzi do 500/min, amplituda do 20 mm. Przesiewacze te służą do klasyfikacji dużych i średniej wielkości kawałków z dużą wydajnoś­ cią, do 500 t/h. Przesiewacze płaskie kołowe (rys. 9.14) są napędzane za pomocą jednego lub dwóch wa­ łów korbowych ustawionych pionowo, które poruszają skrzynie z osadzonymi w niej sitami. Ruch poszczególnych punktów sita odbywa się po okręgu lub torze zbliżonym do okręgu, przypominając ruchy wykonywane podczas przesiewania ręcznego. Istnieje wiele odmian Rys. 9.14. Przesiewacz płaski konstrukcyjnych przesiewaczy kołowych, róż- kołowy: l - obudowa, 2 - sito, niących się głównie rodzajem i parametrami " P ' " " J • żyste drgań. Przesiewacze bębnowe (rys. 9.13c) posiadają sita, które stanowią powierz­ chnie boczne walca, stożka lub graniastosłupa wielościennego, wykonane z per­ forowanej blachy, tworzyw sztucznych lub siatki. Bęben może być przymo­ cowany do centralnego wału lub spoczywać na rolkach oporowych. W obu przypadkach bęben jest nachylony do poziomu pod kątem 4-7°, z wyjątkiem przesiewaczy stożkowych, jest wprawiany w ruch obrotowy z prędkością 0,6-1,25 m/s. Wymieniona prędkość, która powinna zawierać się w zakresie 0,33-0,45 prędkości krytycznej, powoduje że materiał podnoszony na pewną wysokość zsypuje się w dół, przesuwa do wylotu i jednocześnie jest klasyfiko­ wany na frakcje w układzie posobnym (rys. 9.13c) lub nadsobnym, gdy bębny sitowe są umocowane koncentrycznie na jednym wale. Sito o największych oczkach stanowi wówczas bęben wewnętrzny o najmniejszej średnicy, o naj­ mniejszych natomiast — zewnętrzny. 3

N A

C D

4

E

3

I

E

M

E

N

T

Y

S P R Ę

Przesiewacze bębnowe wielositowe znajdują zastosowanie w klasyfikacji materiałów średnio- i drobnoziarnistych. Bębny są zamknięte obudową, podłą­ czoną od góry do kanału odciągowego, którym strumień powietrza zapylonego jest kierowany do odpylacza. Zaletą przesiewaczy bębnowych jest prostota konstrukcji, lecz wady — ma­ ła wydajność odniesiona do powierzchni sita, rozdrabnianie materiału i bloko­ wanie oczek sit, znaczne ścieranie powierzchni sit oraz zapylanie środowiska — powodują, że stosowane są rzadko i często w połączeniu z innymi procesa­ mi, jak np. rozdrabnianie.

9.5. SEPARATORY Korzystając z właściwości elektromagnetycznych i powierzchniowych pro­ wadzi się rozdzielanie mieszaniny, separację cząstek w separatorach elektrosta­ tycznych, magnetycznych i w flotownikach. Separacja elektrostatyczna dotyczy cząstek o rozmiarach poniżej 2 mm mających ładunek elektryczny lub różnicę stałych dielektrycznych w stosunku do środowiska. Układ separujący stanowi zespół dwóch elektrod; ujemną — przyciągającą cząstki i dodatnią — polaryzacyjną. Surowiec jest podawany na obracający się bęben, który jest ładowany lub uziemiony, w jego pobli­ żu (rys. 9.15) jest umieszczona elek­ troda przeciwnego znaku. Punkt, w którym cząstki opuszczają bęben, zale­ ży od wielkości ładunku elektrycznego, niezbędnego do odchylenia toru cząs­ tek, tak by nastąpiła ich separacja. Selektywność separacji zależy od prze­ wodnictwa cząstek, a także ich gęstoś­ ci, rozmiarów i kształtu. Separacja magnetyczna dotyczy materiałów ziarnistych o rozmiarach milimetrowych średnio- i silnie magne­ Rys. 9.15. Zasada działania separatora elek­ sujących się, będących ferro- i paramatrostatycznego: 1 — elektroda aktywna, 2 gnetykami. Separatory magnetyczne bęben obrotowy (uziemiony), 3 — roz­ stosowane są do: dzielacz — usuwania z ładunku surowca lub produktu o niewielkiej masie materiałów magnetycznych, stanowiącej jej zanie­ czyszczenie, — zatężania materiału magnetycznego w procesach przeróbki rud metali, które może być prowadzone na sucho lub mokro.

W separatorze magnetycznym suchym (rys. 9.16) mieszanina transporto­ wana na taśmie, podczas zmiany kierunku na bębnie magnetycznym, jest od­ rzucana silą odśrodkową, która w największym stopniu działa na cząstki nie­ magnetyczne. Cząstki mające właściwości magnetyczne są przyciągane siłami pola magnetycznego do powierzchni taśmy. Gdy natężenie pola osłabnie, wte­ dy cząstki odpadają z powrotnej strony taśmy. W separatorach, tzw. mokrych, wy­ dzielenie cząstek następuje ze szlamu, który podaje się pomiędzy obracający się namagnesowany bęben a stałą przegrodę. Cząstki niemagnetyczne spływają po przegrodzie z głównym strumieniem szlamu, magnetyczne natomiast, osadzone na powierzchni bębna, są przenoszone do strefy, gdzie działanie pola magnetycznego ustaje, skąd wypadają do odpowiedniego Rys. 9.16. Zasada działania separatora mag­ pojemnika. netycznego: 1 — bęben magnetyczny, 2 —

Flotacja polega na rozdzielaniu materiał magnetyczny, 3 — rozdzielacz mieszaniny cząstek ciała stałego różnych materiałów, w dużym stopniu rozdrobnionych (50-600 pm), korzysta się przy tym z różnic w ich zwilżalności przez ciecz, zwykle wodę. Do modyfiko­ wania powierzchni cząstek, do wody, a ściślej mówiąc do zawiesiny o stężeniu 25-35%, są dodawane różnego rodzaju substancje stanowiące tzw. aktywatory (promotory) powierzchni, regulatory pH, flokulanty, środki dyspergujące.

Rys. 9.17. Flotownik: 1 — powietrze, 2 — mieszadło, 3 — surowiec, 4 — złoże odpadowe, 5 — koncentrat

Standardowy flotownik stanowi zbiornik z mieszadłem mechanicznym, pod który doprowadza się powietrze rozpraszane bełkotką na drobne pęcherzyki (rys. 9.17). Na skutek różnic we własnościach powierzchniowych jedne cząstki adsorbując wodę są przez nią zwilżane i opadają na dno zbiornika, inne — ad-

sorbując powietrze w postaci pęcherzyków — są przez nie unoszone na po­ wierzchnię cieczy, gdzie tworzą warstwę piany. Proces jest prowadzony w spo­ sób ciągły tak, że piana odpływa przelewem. Po tak zwanym zgaszeniu piany pozostałe cząstki stanowią jeden z produktów rozdziału. W procesie flotacji jest istotne rozproszenie powietrza na dużą liczbę pę­ cherzyków o najmniejszej średnicy. Dlatego oprócz flotowników z mechanicz­ nym rozpraszaniem powietrza, mieszadłem turbinowym, są stosowane flotowniki ciśnieniowe i elektroflotowniki. Działanie flotowników ciśnieniowych opiera się na wysokiej rozpuszczal­ ności powietrza w wodzie, wraz ze wzrostem ciśnienia. Po nasyceniu cieczy powietrzem ciśnienie redukuje się, co uwalnia dla flotacji dużą liczbę pęche­ rzyków o średnicy poniżej 100 pm. Sposób jest stosowany do zagęszczania rozcieńczonych zawiesin i rozdzielania cieczy w przemyśle papierniczym, odzys­ ku tłuszczów i protein itp. W elektroflotacji pęcherzyki gazu generowane w zawiesinie elektrolitycznie osadzają się na rozproszonych cząstkach, które unoszą się na powierzchnię. Ponieważ pęcherzyki mają bardzo małą średnicę, są więc efektywne dla bar­ dzo drobnych cząstek zawiesiny. Elektrody stanowi perforowana płyta ołowiano-tytanowa, umieszczona poziomo, w niewielkiej odległości od dna flotownika. Zagęszczony szlam, w którym zawartość ciała stałego może dochodzić do 95% jest w sposób ciągły usuwany z powierzchni cieczy przy pomocy wolnoobrotowych zbieraków szczotkowych. Metoda ta jest stosowana do zagęszcza­ nia rozcieńczonych zawiesin i koloidów, zawierających zwłaszcza małe ilości substancji organicznych.

9.6. DOBÓR METODY ROZDZIAŁU I URZĄDZEŃ Dobór metody i urządzeń do klasyfikacji i separacji cząstek ciała stałego zależy przede wszystkim od właściwości fizycznych materiału, w tym głównie rozmiaru, zakresu rozmiarów w mieszaninie, gęstości ziaren, czynnika kształtu i powierzchni, właściwości elektromagnetycznych oraz pożądanej postaci i sta­ nu fizycznego produktu po procesie. Znaczenie ma również wielkość strumie­ nia masy surowca i wiele innych uwarunkowań techniczno-organizacyjnych i ekonomicznych. Oprócz tego, zwłaszcza w metodach hydraulicznych i flo­ tacyjnych, znaczenie mają właściwości chemiczne stosowanych materiałów w modyfikacji właściwości powierzchniowych separowanych materiałów.

LITERATURA [1] [2]

RUMPF CLARKE

H., Particie Technology, Chapman and Hall, London 1990. A.N., W I L S O N D.J., Foam Flotation. Theory and Application,

1983. [3] KOCH R . , NOWORYTA A., Procesy mechaniczne 1992.

w inżynierii chemicznej,

Dekker, New York WNT, Warszawa,

10. MIESZALNIKI I MIESZARKI 10.1. WPROWADZENIE Celem mieszania jest uzyskanie jednorodności w jedno- lub wielofazowym środowisku, pod względem składu (stężenia) składników, gęstości, temperatury lub innych właściwości mieszaniny. Mieszanie jest zasadniczym sposobem zwiększenia intensyfikacji procesów wymiany ciepła i masy i przyspieszenia reakcji chemicznych. Zarówno duża różnorodność składników i faz podlegają­ cych mieszaniu, jak i wymagania jakości sprawiają, że istnieje duża liczba me­ tod i konstrukcji mieszadeł i mieszalników. Optymalizacja wiąże się tu z uzys­ kaniem wymaganego stopnia wymieszania w krótkim czasie i minimalnym nakładzie energii. Konstrukcja urządzeń mieszających jest określona w pierwszym rzędzie stanem fizycznym faz mieszaniny i ich właściwościami. Stan skupienia sub­ stancji odgrywa decydującą rolę. Zdolność do mieszania maleje w następują­ cym szeregu: gaz, ciecz, ciało stałe. Urządzenia do mieszania w fazie ciekłej są zwane mieszadłami (mieszalnikami), do cial stałych sypkich zaś — mieszar­ kami, do cieczy lepkich, stężonych zawiesin, szlamów i past natomiast — zagniatarkami. W układzie wielofazowym obecność fazy o mniejszej zdolności do mieszania określa zdolność mieszaniny do mieszania.

10.2. MIESZANIE GAZÓW Mieszanie gazów zachodzi łatwo na skutek dyfuzji molekularnej i może być przyspieszone przez zwiększenie udziału dyfuzji burzliwej, z zastosowaniem tzw. promotorów burzliwości, tzn. półek sitowych, różnego rodzaju przegród, wypełnień lub mieszadeł mechanicznych. Można także doprowadzić do bezpo­ średniego, mniej lub bardziej czołowego, zderzenia strumieni gazu. Mieszanie gazów na krótkiej drodze jest realizowane w palnikach gazowych, bezpośrednio lub przez odparowanie cieczy lotnej do strumienia gazu (np. w gaźnikach sa­ mochodowych). Mieszanie w fazie gazowej może być związane z wytworze­ niem strumienia aerozolu z cząstkami stałymi lub ciekłymi. Mieszanie to wy­ konuje się w dyszach lub generatorach specjalnego typu. Aerozol z cząstkami stałymi wytwarza się dyszami pneumatycznymi (patrz rozdz. 20) lub w tzw. iniektorach (palnikach pyłowych). Hydrozole otrzymuje się dyszami hydrauli­ cznymi, pneumatycznymi lub innymi urządzeniami (rozdz. 20).

10.3. M I E S Z A N I E C I E C Z Y Mieszanie cieczy jest bardziej utrudnione, gdyż dyfuzja molekularna jest du­ żo wolniejsza. Przyspieszenie ruchu cieczy uzyskuje się przez zainstalowanie urządzeń wymuszających nie uporządkowany ruch cieczy w mieszalniku lub innym aparacie procesowym. Szeroko są stosowane mieszadła mechaniczne, lecz w określonych warunkach znajdują zastosowanie również inne sposoby, jak np.: mieszanie strumieniem gazu (barbotaż) lub cieczy, przepływ cieczy przez pompę, przepływ w rurociągu z umieszczonymi w nim przegrodami, tzw. mieszalniki statyczne. Podczas mieszania w cieczy siły działające na płyn zmieniają się w zakresie od dominacji sił lepkości (mała liczba Re) do dominacji sił bezwładności (licz­ ba Re odniesiona do mieszania jest duża). Kryterium mocy mieszania JV wy­ rażone jako stosunek zapotrzebowania mocy do mieszania P do średnicy mie­ szadła d , liczby obrotów n i gęstości cieczy p określa równanie 5

3

N

=

P

n

=

m

KRe Fr ,

d n p w którym wartości współczynników K, n, m dla różnych typów mieszadeł standardowych, geometrii układu zbiornik—mieszadło i simpleksów podobieństwa geometrycznego są podawane w literaturze [1]—[3]. W zakresie laminarnym Re < 50 pracują mieszadła d o cieczy _hardzo lep­ kich, takie jak ramowe, kotwicowe, śrubowe i inne, montowane blisko ścian zbiornika. W zakresie przejściowym 50 < Re <1000 przepływ cieczy w obrę­ bie mieszadła jest burzliwy, lecz w dalszej odległości — laminarny. Instalo­ wanie przegród, promotorów burzliwości staje się istotne. Gdy Re > 1000, wtedy przepływ jest całkowicie burzliwy w zbiorniku z przegrodami. Przepływ i zapotrzebowanie mocy do mieszania, w tym zakresie, są niezależne od licz­ by Re, zgodnie z zależnością

5

3

dn

10.3.1. MIESZANIE GAZEM Najprostszym sposobem mieszania cieczy o małej lepkości jest barbotaż gazu przez warstwę cieczy, w postaci pęcherzyków o małej średnicy genero­ wanych przez różnego rodzaju bełkotki. Stanowią je perforowane rury, dyski (talerze) i innego rodzaju kształtki metalowe, ceramiczne, z tworzyw sztucz­ nych oraz membrany. Membrany, w przeciwieństwie do innych mieszadeł, mają zdolność samoczynnego zamykania porów gdy powietrze nie przepływa, co zabezpiecza przed blokowaniem porów. Rozproszony strumień pęcherzyków gazu, podczas przepływu, generuje w cieczy prądy konwekcyjne i wiry powo-

dujące względny ruch elementów cieczy, tj. mieszanie. Intensywność mieszania określa strumień objętości gazu przepływający przez 1 m powierzchni swo­ bodnej cieczy, który wynosi zazwyczaj (0,6-2,0)-10" m /(m -s). Mieszanie małych strumieni cieczy może być realizowane również w iniektorach. Miesza­ nie cieczy gazami ogranicza się do dużych zbiorników, gdy ciecz ma właści­ wości korozyjne i małą lepkość lub gdy gaz jest jednym z substratów w proce­ sie, np. biologicznego oczyszczania ścieków, w bioreaktorach itp. 2

2

3

2

10.3.2. MIESZANIE POMPAMI Mieszanie pompami, zwykle wirowymi, odśrodkowymi lub śmigłowymi po­ lega na cyrkulacji lub recyrkulacji cieczy lub zawiesiny przez pompę. Jest to sposób stosowany do mieszania dużych strumieni objętości cieczy różniących się znacznie gęstością. Kombinacja mieszania iniektorowego z przepływem przez pompę (jet mixing) jest stosowana do mieszania dużych objętości cieczy o małej lepkości, w takich procesach m. in. jak rozpuszczanie, krystalizacja, floktulacja, ługowanie, neutralizacji ścieków i inne. 10.3.3. MIESZANIE W RUROCIĄGACH Mieszanie cieczy o małej lepkości może być wykonywane w rurociągach. Wymagana długość strefy kontaktu strumieni wynosi 10-20 średnic rurociągu, gdy lepkość cieczy wynosi < 5 0 mNs/m , przepływy i gęstości cieczy natomiast są zbliżone. Jeśli w rurociągu jest umieszczony iniektor wprowadzający jedną z cieczy na środek przewodu lub zasysający ciecz pierścieniowo, to mieszanie zachodzi w strefie unoszenia cieczy na skutek dyfuzji burzliwej. Sposób ten jest stosowany wtedy, gdy strumienie przepływu się różnią i daje dobre rezul­ taty przy długości ok. 80 średnic przewodu. Długość ta może być zmniejszona przez umieszczenie w rurociągu półek lub wypełnień zakłócających przepływ. 10.3.4. MIESZALNIKI STATYCZNE Mieszalniki statyczne stanowią wiele nieruchomych, odpowiednio skierowa­ nych elementów powierzchniowych, półek lub zwojów spiralnych, umieszczo­ nych w przewodzie, zwykle rurowym (rys. 10.1). Wpływający płyn jest dzielo­ ny na dwie lub większą liczbę warstw przepływających przez każdy element. Warstwy te ciągle się rozdzielają i łączą aż do momentu otrzymania miesza­ niny jednorodnej na odlocie. Rodzaj, kształt i liczbę elementów mieszających określają: zakres przepływu, lepkość, zawartość ciała stałego, wymagany sto­ pień wymieszania. Podczas mieszania cieczy o małej lepkości spadek ciśnienia wynosi ok. 20-35 kPa. Są stosowane zarówno do mieszania gazów, jak i cie­ czy lepkich. Mieszalniki statyczne są stosowane do mieszania gazów, zwłasz­ cza przed reaktorami, np. do utleniania amoniaku tlenem z powietrza w pro­ dukcji kwasu azotowego, syntezy bezwodnika maleinowego, ksylenu, styrenu, chlorku winylu i in. W zastosowaniu do mieszania cieczy natomiast obejmują

m.in. procesy oczyszczania wód, kondycjonowania szlamów itp. Mieszalniki statyczne są również stosowane w układach gaz—ciecz w procesach absorpcji gazów, w układzie ciecz—ciecz natomiast w procesach ekstrakcji amin, węglo­ wodorów z wody itd., a także jako reaktory przepływowe w procesach z nie­ bezpieczeństwem degradacji produktów (np. procesy petrochemiczne, chloro­ wania, sulfonowania, polimeryzacji i in.). Dzielenie się i łączenie oraz ruch obrotowy na każdym elemencie zwoju wypełnienia powoduje szybkie miesza­ nie promieniowe. Właściwy dobór statycznych elementów mieszających jest określony zakresem przepływu, lepkością, zawartością ciała stałego i stopniem wymieszania. Zaletą mieszalników statycznych jest brak części ruchomych i konieczności doprowadzania dodatkowej energii. Rozchód energii określa zasadniczo spadek ciśnienia podczas przepływu. W wielu zastosowaniach ener­ gia ta jest mniejsza niż w mieszalnikach mechanicznych i wynosi dla małych lepkości cieczy 20-35 kPa. Gdy mieszalniki są stosowane w procesach wymia­ ny masy, również z reakcją chemiczną, wtedy stosunek wymiarów rurociągu powinien wynosić L/D - 6 - 2 0 .

77

±A

Rys. 10.1. Mieszalnik statyczny: a) obraz przepływu w przewodzie rurowym, b) wprowadzenie strumieni objętości; I — współmiernych, II — niewspółmiernych

10.3.5. MIESZALNIKI MECHANICZNE Zbiornik — mieszalnik wyposażony w odpowiednie mieszadło jest często stosowanym aparatem do mieszania cieczy, sporządzania roztworów i zawiesin. Mieszanie zachodzi na skutek ruchu masy cieczy, a w skali mikro w wyniku ruchu wirów wywołanych ruchem mieszadła. Ruch masy cieczy jest istotny podczas mieszania cieczy rozpuszczalnych i zawiesin, mieszanie burzliwe nato­ miast w procesach wymiany ciepła i masy, gdzie efekty ścinania są istotne. Rodzaj stosowanego mieszadła zależy od parametrów wcześniej wymienionych. Podstawowe typy mieszadeł to mieszadła promieniowe i osiowe. Promieniowe

wytwarzają przepływ cieczy poziomy promieniowy, skierowany do ściany zbiornika (mieszalnika). Mieszadła osiowe wytwarzają przepływ równoległy do wału mieszadła. a}

b)

c)

Rys. 10.2. Mieszadła turbinowe z łopatkami: a) prostymi, b) wygiętymi, c) nachylonymi, d) ta­ lerzowe, e) klatkowe, f) zakryte, g,h) tarczowe odkryte z łopatkami prostymi i wygiętymi

Do mieszadeł promieniowych zalicza się mieszadła turbinowe, (rys. 10.2), które stanowią płaskie dyski z łopatkami prostymi lub profilowanymi, w obu­ dowie otwartej lub zamkniętej zależnie od zastosowania. Stosowane są tam, gdzie są wymagane duże siły ścinające, burzliwość i duża powierzchnia kon­ taktu gaz—ciecz. Liczba łopatek prostych, pod kątem lub wygiętych może do­ chodzić do dziesięciu, lecz nie przekracza zwykle sześciu. W mieszalnikach turbinowych stosunek średnicy mieszadła do mieszalnika wynosi ok. 0,6 przy wysokości słupa cieczy równej średnicy mieszalnika.

Należące do tej grupy mieszadła łapowe i kotwicowe zawierają dwie lub większą liczbę łap otwartych. Są one stosowane do mieszania cieczy lepkich i zawiesin o lepkości do 40-50 Pa-s przy obrotach 5-45 obr/min. Mieszadła łapowe stosowane do mieszania zawiesin w zależności od stosunku gęstości cząstek ciała stałego do cieczy mają różne pochylenie łap w stosunku do kie­ runku obrotów mieszadła. Mieszadła kotwicowe (rys. 10.3) są umieszczane blis­ ko ścian zbiornika i stosunek ich średnicy do średnicy zbiornika wynosi >0,95. a)

Tl

b)

1

1

1

1

1

1

1

Rys. 10.3. Mieszadła łapowe i kotwicowe: a) łapowe proste, b) wielołapowe, c) kotwicowe (palcowe)

Mieszadła osiowe śmigłowe (rys. 10.4) są stosowane zazwyczaj w ma­ łych mieszalnikach do wytwarzania ruchu burzliwego cieczy w najbliższym sąsiedztwie mieszadła. W dużych zbiornikach są zwykle montowane na ścia­ nie zbiornika. Typowe prędkości obro­ towe mieszadeł śmigłowych wynoszą 60-130 obr/min w zakresie lepkości cieczy ( 5 0 - 1 5 0 0 ) - 1 0 Pa-s. Cyrkula­ cję osiową generują również mieszadła łopatkowe nachylone do poziomu pod kątem 30, 45 i 60 stopni, o różnym sto­ sunku wysokości do średnicy łap. Sto­ sowane są tam, gdzie przepływ cieczy Rys. 10.4. Mieszadło dwu-i trzyśmigłowe limituje przebieg procesu. Do grupy mieszadeł osiowych należą również mieszadła spiralne, ślimako­ we, wstęgowe stosowane do mieszania cieczy lepkich przy 5-45 obr/min oraz -3

cieczy i zawiesin w procesach wymiany ciepła, gdy jest wymagany duży stru­ mień przepływu. Gdy są wymagane duże siły ścinające w układach c i e c z -ciecz lub w zawiesinie, wtedy są stosowane mieszadła śrubowe o małej średni­ cy (rys. 10.5). W tego rodzaju mieszalnikach nie stosuje się przegród. W mie­ szalnikach ślimakowych są stosowane dyfuzory. Prędkość cieczy potrzebna do

Rys. 10.5. Mieszadła śrubowe (ślimakowe): a) bez przegród, b) z przegrodami, c) z dyfuzorem

wytworzenia zawiesiny jest wtedy ograniczona do małej objętości. Wprowadze­ nie dyfuzora komplikuje konstrukcję, dlatego rozwiązanie to jest stosowane w mieszalnikach o małej pojemności. Przegrody są natomiast stosowane do mieszania cieczy o małych lepkościach, gdy mieszadło jest umieszczone w osi mieszalnika. Zmienia to ruch cieczy z rotacyjnego na burzliwy i zapobiega penetracji gazu (powietrza) w głąb cieczy. W pionowych zbiornikach są za­ zwyczaj umieszczone 4 przegrody o szerokości 1/20 średnicy zbiornika. Umie­ szczając mieszadło mimośrodowo, pod kątem lub w ścianie bocznej mieszalni­ ka (rys. 10.6) eliminuje się konieczność umieszczania przegród. Usytuowanie mieszadła na ścianie bocznej mieszalnika jest odpowiednie do mieszania cieczy jednorodnych i zawiesin o małej prędkości opadania cząstek ciała stałego. Tego rodzaju mieszadła są stosowane w zbiornikach oleju, ropy naftowej, w reakto­ rach zawiesinowych i in. Obroty ich wynoszą zwykle 250-420 obr/min. Pro­ blem eksploatacyjny stanowi uszczelnienie wału mieszadła. Jeżeli mieszalnik jest zaopatrzony w przegrody, to mieszadło wytwarza silną cyrkulację cieczy od góry do dołu. Jeśli brak jest przegród, to może dojść do wirowania całej masy cieczy i tworzenia się leja. Mieszanie okresowe zawiesiny wymaga 10-25% większej mocy niż ciągłe. Zapotrzebowanie mocy do mieszania zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia

ciała stałego, lecz zależy również od udziału frakcji drobnej i grubej. Maksi­ mum stężenia zawiesiny nie przekracza zazwyczaj 70-90%. b)

cj V

i

Rys. 10.6. Sposoby zapobiegania zjawisku powstawania leja: a) przegrody, b) mieszadło usta­ wione ekscentrycznie, c) mieszadło na ścianie bocznej N

Rodzaj mieszadła i sposób mieszania w układzie ciecz—ciecz ma duży wpływ na proces wymiany masy. Energia niezbędna do mieszania jest tu 2 - 3 razy większa niż dla układu gaz—ciecz. Mieszadło osiowe zużywa tu ok. 10 razy więcej energii. Podczas mieszania cieczy nierozpuszczalnych wytwarza się emulsja. Rozkład rozmiarów kropel w emulsji jest związany z wielkością sił ścinania w strefie mieszania. Podczas mieszania w układzie ciecz—gaz, powierzchnię międzyfazową, oprócz rodzaju stosowanego mieszadła, określa również rozmiar pęcherzyków, co z kolei zależy także od średnicy bełkotki i liczby otworów. W takich ukła­ dach z zasady są stosowane mieszadła turbinowe z przepływem promienio­ wym. W razie stosowania mieszadeł osiowych mieszalnik jest wyposażony w rurę cyrkulacyjną. Przepływ pęcherzyków zakłóca przepływ i ruch cieczy wytwarzany przez mieszadło. Do utrzymania stabilnych rozmiarów pęcherzy­ ków w wysokich zbiornikach są stosowane m. in. mieszadła wieloturbinowe, umieszczone na wale w odległości 1,5-2 średnic mieszadła. Standaryzacja mieszadeł i mieszalników układów ciekłych dotyczy wymia­ rów typowych, odniesionych do średnicy mieszalnika [l]-[3]. Rozważając problem doboru mieszadła (mieszalnika) do mieszania cieczy należy wziąć pod uwagę: — właściwości fizyczne, a zwłaszcza lepkość cieczy, — przebieg lub możliwość przebiegu reakcji chemicznych lub wymiany ciepła, — naturę fizyczną procesu w mieszalniku i rozpuszczalność cieczy,

— wytwarzanie roztworu, emulsji lub zawiesiny, — wymagany stopień wymieszania, — przebieg procesu okresowy lub ciągły.

10.4. M I E S Z A R K I Ciała stałe z zasady nie mają możliwości samoczynnego mieszania się i do wzajemnego ich przemieszczenia jest konieczna ingerencja sił zewnętrznych, wymuszających ruch poszczególnych porcji, ziaren materiału. Ciała stałe syp­ kie, pod wpływem działania siły zewnętrznej, zachowują się odmiennie od po­ zostałych faz. Ruch wzajemny ziaren jest możliwy po pokonaniu sił tarcia na styku ziaren. Proces mieszania polega na wzajemnym przemieszczaniu się zia­ ren mieszanych składników, aby uzyskać równomierny w przybliżeniu ich roz­ kład w całej mieszaninie. Równomierny rozkład odpowiadający rozkładowi podobnemu jak na szachownicy nie jest możliwy, nawet dla ziaren o tej samej średnicy i gęstości. Przemieszczanie się ziaren zarówno w trakcie mieszania, jak i ich wzajemne położenie jest przypadkowe. Możliwy do uzyskania jest jedynie stan równowagi, odpowiadający pewnemu stopniowi wymieszania i se­ gregacji (tzw. stan random — równowagi przypadkowej). Charakterystyka i stopień wymieszania w mieszarkach opisywany jest róż­ nymi sposobami, m. in. rozkładem czasu przebywania, stosunkiem wariancji produktu i surowca, stopniem wymieszania produktu i in. Stopień wymieszania ustala się zwykle na podstawie analizy próbek pobranych z mieszanego ładun­ ku. Jest on wyrażany jako odchylenie standardowe o lub wariancja o z prób­ ki. Oprócz tego istnieje również wiele zależności, zwykle empirycznych, poda­ wanych przez różnych autorów, wyrażających stopień wymieszania w zależno­ ści od o lub o , jak np. zależność Laceya 2

2

2

2 '

gdzie o , o , o odpowiednio wariancje dla stanu całkowitej segregacji mie­ szaniny, wymieszania równowagowego (stan random), danego aktualne­ go stanu wymieszania. Wielkość M przybiera wartości od 0 do 1 po całkowitym wymieszaniu (rys. 10.7). Uwzględniając mechanizmy mieszania: postępowy w wyniku bez­ władnościowego ruchu ziaren i dyfuzyjny, zwany często łącznie jako konwek­ cyjny i ścinający, proces mieszania opisuje się równaniem 0

r

lnM = A

-kt,

w którym k — współczynnik szybkości mieszania zależny od rodzaju mie­ szalnika.

Na stopień wymieszania mają wpływ zarówno właściwości mieszanego materiału, jak i charakterystyka mieszania (mieszarki). Ustalenie ich związku odbywa się zwykle na drodze empirycznej.

Rys. 10.7. Zależność stopnia wymieszania od czasu

Mieszarki ciał stałych sypkich pracować mogą okresowo lub w sposób ciąg­ ły. Mieszarki okresowe napełnia się porcją masy lub objętości materiału i mie­ sza przez określony czas, po czym mieszarkę opróżnia się. Podczas mieszania dużych mas materiałów są stosowane mieszarki o działaniu ciągłym, konstruo­ wane dla ściśle określonej wydajności mieszaniny i średniego czasu przebywa­ nia. Dalsze podziały mieszarek są związane z ich cechami konstrukcyjnymi lub procesowymi.

Rys. 10.8. Mieszarki materiałów stałych sypkich: a) bębnowe - cylindryczne, b) dwustożkowa, c) w kształcie litery V

Mieszarki obrotowo-grawitacyjne i przesypujące obejmują dużą grupę aparatów o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych (rys. 10.8). Pośród nich wyróżnić można m. in. mieszarki bębnowe cylindryczne, z bębnami obracają­ cymi się dookoła osi poziomej, wzdłuż przekątnej, zbiorniki w postaci dwóch Stożków obracające się dookoła osi poziomej, prostopadłej lub nachylonej do pionu, zbiorniki zbudowane z dwóch lub większej liczby walców, w tym rów­ nież w kształcie litery V, zbiorniki w kształcie sześcianów lub brył wielopłasz­ czyznowych i inne. Dzięki wymienionym kształtom i elementom wbudowanym wewnątrz uzyskuje się powtarzane wielokrotnie przesypywanie się materiału, z jednoczesnym przesuwem w kierunku osiowym. Mieszarki te są stosowane do materiałów sypkich o małej tendencji do segregacji. Stopień wymieszania zależy tu od liczby obrotów mieszalnika, które mają optymalną wielkość dla danego materiału. Dla mieszarek bębnowych cylindrycznych poziomych opty­ malna prędkość wynosi ok. 80 obr/min. Według Oyamy [4] obroty n [obr/min] w różnych warunkach obliczyć można z równania 4 7

0

1 4

n - C/(D°' -X ' ), średnica wewnętrzna bębna [m], procent objętości mieszarki zajęty przez ładunek, stała wynosząca 54 dla krytycznego stanu ruchu materiału, 72 dla stanu równowagowego i 86 gdy cząstki mają ciągły kon­ takt z wewnętrzną ścianą bębna. W celu wytworzenia tego samego stanu ruchu materiału w dwóch różnych bębnach obowiązuje zależność w którym D X C

Mieszanie proszków kohezyjnych z racji działania między cząstkami róż­ nego rodzaju sił jest problemem złożonym i najczęściej są wymagane testy wstępne mieszania w celu określenia jego parametrów roboczych. Dla tego rodzaju materiałów stosowane są mieszarki cylindryczne i stożkowe w kształ­ cie litery V i Y. Mieszarki z mieszadłami stanowią urządzenia, w których względne prze­ mieszczanie się materiału wewnątrz zbiornika jest wywołane działaniem mie­ szadła i polega na przemieszczaniu się porcji zarówno względem siebie jak i ścian zbiornika. Sposób ten jest stosowany do mieszania materiałów, począ­ wszy od sypkich, poprzez lepkie ciecze i zawiesiny, aż do materiałów ciasto­ watych (pastowatych). Mieszarki tego rodzaju są budowane jako poziome, z mieszadłami łopatkowymi i ślimakowymi, ze zwojami pełnymi lub wstę­ gowymi. W mieszarkach ślimakowych podwójnych (rys. 10.9) mieszadło stanowią łopatki, których końce tworzą zarys linii śrubowej, ułożone równolegle obra­ cają się w kierunkach przeciwnych. Mieszany materiał jest tu przegarniany i przesuwany wzdłuż rynny. Na końcach wałów koła łopatkowe przerzucają

materiał w kierunku poprzecznym do drugiego ślimaka. Materiał cyrkuluje w układzie dwóch ślimaków. Czas cyrkulacji może być regulowany odbiorem lub zasilaniem. W celu zwiększenia intensywności mieszania i zapobieżenia tworzenia się aglomeratów są stosowane elementy pomocnicze, zaburzające ruch mieszanego materiału, umieszczane na ścianach zbiornika. Pojemność mieszarek poziomych dochodzi do 30 m , średnica mieszadeł wstęgowych do 3 m i obroty do 10 obr/min. Zużycie mocy wynosi 2,5-20 kW/m pojemności 3

3

4

2

r <

Rys. 10.9. Mieszarka ślimakowa pozioma: 1 - koryto, 2 - ślimak wewnętrzny, 3 zewnętrzny, 4 — kierunki ruchu materiału podczas mieszania

ślimak

Produkt

Rys. 10.10. Mieszarka dwustożkowa z mieszadłami ślimakowymi: 1 -

zbiorniki stożkowe,

2 — mieszadła ślimakowe, 3 - napęd

użytkowej. Do grupy tej zalicza się również tzw. mieszarki szybkobieżne, stosowane w przetwórstwie tworzyw sztucznych. Stopień wypełnienia tych mieszarek jest mniejszy niż 60-80%, obroty natomiast 2-6-krotnie większe. Kształt zbiornika mieszarek ślimakowych może być również stożkowy w ukła­ dzie pojedynczym lub bliźniaczym (rys. 10.10). Ślimak jest umieszczony rów­ nolegle do tworzącej stożka i wykonuje oprócz ruchu obrotowego wokół włas-

nej osi, również ruch obrotowy wokół osi stożka. Mieszarki tego rodzaju są sto­ sowane do mieszania materiałów drobnoziarnistych i pylistych. Mieszarki poje­ dyncze mają pojemność 0,3-30 m , podwójne do ok. 40 m . Umożliwiają one uzyskanie dużej jednorodności mieszaniny w krótkim czasie, rzędu 0,03 m /s i zapotrzebowaniu na moc 1,5-3,0 kW/m pojemności użytkowej. Istnieją rów­ nież konstrukcje zmodyfikowane, w których ślimak wykonuje dodatkowy ruch wywołany niezależnym napędem. W innych rozwiązaniach mieszarka wykonuje ruch wokół własnej osi, odchylonej o niewielki kąt od pionu, obraca się rów­ nież zbiornik. Do oddzielnej grupy zalicza się mieszarki talerzowe, określane mianem mieszarek Eiricha (rys. 10.11). Wewnątrz zbiornika walcowego o niewielkiej wysokości, nierucho­ mego lub obracającego się, znajduje się mie­ szadło wykonujące ruch planetarny. Mieszadło składa się z trzech łopatek i łopatki dodat­ kowej zgarniającej, poruszającej się wzdłuż osi ruchem kołowym. Ruch mieszanego mate­ riału jest skomplikowany, występowanie zaś w trakcie mieszania dużych sił ścinających i zderzeń zapewnia dużą jednorodność mie­ szanego ładunku. Pojemność zbiorników wy3

3

3

3

•i

nosi 0,05-4 n r , zapotrzebowanie mocy Rys. 10.11. Mieszarka talerzowa: 10-30 kW/m . Mieszarki te są stosowane do 1 — misa, 2 — mieszadło wielołamieszania materiałów sypkich, plastycznych powe, 3 — wysyp produktu i pastowatych. Dużą szybkość mieszania i jednorodność mieszaniny uzyskuje się w tzw. intensywnych mieszarkach nożowych. Charakter pracy tych mieszarek jest zbliżony do działania rozdrabniarek, gdyż zderzenia i rozbijanie materiału jest zasadniczym czynnikiem mieszania. Łopatki mieszadeł mają kształt noży, dla­ tego powierzchnie wprawiające materiał w ruch są małe. Duże siły ścinające i zderzenia cząstek materiału z elementami mieszającymi powodują wywią­ zywanie się znacznych ilości ciepła, więc ścianki mieszarki muszą być chło­ dzone. Mieszarkę stanowi zbiornik o wysokości zbliżonej do średnicy, z dwo­ ma parami mieszadeł, łopatek promieniowych o małym skoku, umocowanych na osi w niewielkiej odległości od dna. Mieszadła wirują z prędkością obwo­ dową 10-40 m/s. Stopień wypełnienia mieszarek o pojemności do 1000 d m dochodzi do 65%. Zapotrzebowanie na moc wynosi 20-30 kW/100 dm , czas mieszania — 1-3 min dla materiałów sproszkowanych i 5-10 min dla mate­ riałów ziarnistych z dodatkiem lepkich cieczy i zmianą ich struktury. Mieszar­ ki nożowe mogą być sprzęgane z innymi mieszarkami do wytwarzania mikrocząstek. Zakres zastosowań mieszarek nożowych jest szeroki i obejmuje, oprócz mieszania tworzyw sztucznych, również mieszanie w przemyśle spo­ żywczym, farmaceutycznym, barwników i ceramicznym. 3

3

Mieszarki pneumatyczne (rys. 10.12) służą do mieszania i homogenizacji ciał stałych sypkich, różniących się znacznie gęstością w bardzo krótkim czasie 15-45 s, w zależności od wymiarów Pow. do atmosfery mieszarki i ciśnienia gazu stosowanego Powietrze do mieszania. Materiał do mieszania jest do regeneracji podawany mechanicznie lub pneumaty­ cznie. Ciśnienie powietrza mieszającego, w mieszalnikach wysokociśnieniowych, mających większy zakres zastosowań i dających większy stopień wymieszania, zależnie od wielkości ładunku wynosi 1,5-3,5 MPa. Powietrze do mieszarki Powietrze jest doprowadzane porowatą kształtką metalową i dyszą Lavala. Prędkość po­ Rys. 10.12. Mieszalnik pneumatyczny wy wietrza na wylocie z dyszy wynosi 200sokociśnieniowy: 1 - sprężarka, 2 - zbio - 4 0 0 m/s. Wypływ strug gazu jest im­ rnik gazu, 3 — dysze, 4 - filtr odpy pulsowy w czasie 1-5 s i skierowany łający pod kątem. Ruch mieszanego materiału jest przestrzennie złożony. W zależności od właściwości produktu i zdolności do aeracji, efekywna objętość mieszarki dochodzi do 60-70%. Zagniatarki (ugniatarki) służą do mieszania materiałów plastycznych, gęs­ tych past, bardzo lepkich cieczy, gdzie do wywołania względnych przemiesz­ czeń cząstek materiału jest wymagane stosowanie dużych sił ścinających. Tego rodzaju materiały są charakterystyczne dla przemysłu spożywczego, farmaceu­ tycznego, tworzyw sztucznych, gumowego i in. Budowa zagniatarek jest podob­ na do poziomych mieszarek ślimakowych. Różnice wynikają z dużego oporu podczas mieszania, charakteryzują się więc ciężką konstrukcją i stosowaniem dużych mocy do napędu mieszadeł. Konstrukcja często stosowanej zagniatarki (rys. 10.13) składa się z koryta powstałego z połączenia dwóch części półcylindrycznych. W korycie obracają się w przeciwnych kierunkach dwa specjalnie ukształtowane mieszadła łopatowe (rys. 10.13b). Pod wpływem nacisku łopaty materiał w pojedynczym korycie jest rozgniatany i przemieszcza się na środek i w górę podwójnego koryta, gdzie jest przechwytywany przez drugą łopatę. Powtarzany wielokrotnie proces powoduje wymieszanie materiału. Stosunek liczby obrotów jest zbliżony do 2. Mieszarki tego rodzaju pracują zazwyczaj okresowo. Do mieszania różnego rodzaju mas plastycznych w sposób ciągły są sto­ sowane zagniatarki, których mieszadła są ukształtowane w postaci wałków z gwintem trapezowym lub innego rodzaju występami, tworzącymi zarys linii śrubowej. Do zagniatania bardzo ciągliwych materiałów plastycznych oraz mieszanin ciał stałych z bardzo lepkimi cieczami są stosowane zagniatarki walcowe, po­ dobne do granulatorów walcowych (rozdz. 11). Zagniatarki te służą zwykle do ostatecznego wymieszania i uformowania materiałów wstępnie już zmieszanych

w innego rodzaju mieszarkach. Najczęściej są stosowane zagniatarki trójwalcoe , pracujące w sposób ciągły w ustawieniu szeregowym. W

Rys. 10.13. Schemat zagniatarki i kształty mieszadeł: 1 — koryto, 2 — mieszadła, 3 — napęd; mieszadła w kształcie: a) sigma, b) dzeta, c) czterołopatowe, d) wielołapowe, e) krzywa falowa

Dobór mieszarki zależy przede wszystkim od rodzaju mieszanego materiału lub od jego składników. Pod uwagę powinny być wzięte następujące właś­ ciwości: rozmiar ziaren, ich kształt i gęstość, współczynnik tarcia i kąt natural­ nego zsypu, siły adhezji i kohezji, wilgotność i higroskopijność, odporność na rozdrabnianie. Wymienione właściwości mogą ulegać zmianie podczas miesza­ nia, dlatego często dopiero próby wstępne decydują o sposobie mieszania i rodzaju stosowanej mieszarki. Wielkość strumienia masy mieszanego materiału rna duży wpływ na okresowy lub ciągły sposób prowadzenia procesu. LITERATURA [1] STRĘK F., Mieszanie i mieszalniki. Wyd. 2. WNT, Warszawa 1983. [2] TATTERSON G.B., Scaleup and Design of Industrial Mixing Processes, McGraw-Hill Inc., New York 1993. [3] Mixing in the Process Industries, Sec. ed., Eds., N. Harnby, M.E. Edwards and A.W. Nienow, Butterworth-Heinemann, Stoneham MA, 1992. [4] WEIDENBAUM S.S., Advances in Chemical Engineering, 1962, 2, p. 209.

11. APARATURA DO PROCESÓW GRANULACJI 11.1. WPROWADZENIE Granulacja jest procesem powiększania rozmiarów, zmiany kształtu lub właściwości powierzchniowych cząstek stałych w następującym celu: — poprawy sypkości i właściwości transportowych, — wytworzenia mieszaniny jednorodnej nie segregujących się cząstek, — zwiększenia wytrzymałości ziaren, — zmniejszenia zawartości pyłu i zapylenia, — zwiększenia reaktywności i zmiany istotnych właściwości fizykochemi­ cznych cząstek. Synonimem granulacji jest aglomeracja ciał stałych. Aglomeracja jest pro­ cesem łączenia lub nawarstwiania cząstek w wyniku działania sił bliskiego zasięgu. Kohezja i adhezja cząstek są tu dominujące. Adhezja dużych cząstek jest możliwa w obecności lepiszcza lub sił zewnętrznych, powodujących defor­ mację plastyczną powierzchni kontaktu i zmniejszenie efektywnej odległości cząstek. Tendencje do aglomeracji wykazują materiały będące mieszaniną o szero­ kim zakresie rozmiarów cząstek i dużej porowatości. Zjawisko to zwane jest zwyczajowo skawalaniem i dotyczy wielu materiałów przechowywanych w nie­ właściwym środowisku. Pomiędzy cząstkami tworzyć się mogą mostki cieczowe, na skutek adsor­ pcji cieczy na cząstkach lub przez wprowadzenie lepiszcza do cieczy. Siła wią­ żąca w punkcie kontaktu mostków jest proporcjonalna do średnicy cząstek d grubości warstewki 8 i siły kohezji tworzącej warstewkę adsorpcyjną o (-100 kg-cnT ), pJ

k

2

Mostki stałe powstają podczas zmiany fazy z ciekłej na stałą podczas krys­ talizacji, twardnienia lepiszcza, topnienia lub nadtapiania cząstek, deformacji podczas spiekania, reakcji chemicznej. Wytrzymałość mostków stałych można obliczyć następująco: o tsb

{m - )/(m - )(l-e)-a s Pp

p Ps

gdzie m

m

— odpowiednio masa materiału tworząca mostek i masa każ­ dej z dwu cząstek w mostku, P Ps — odpowiednio gęstość cząstek i materiału tworzącego mostek, e — porowatość połączenia aglomeratu, o — naprężenie w mostku. Zwiększenie rozmiarów cząstek zachodzić może w wyniku: 1. Łączenia się (zlepiania się) kilku cząstek za pośrednictwem lepiszcza. Produkt jest niejednorodny, o małej wytrzymałości mechanicznej. 2. Nawarstwiania powierzchni cząstek. Otrzymany produkt ma strukturę tzw. cebulowatą. 3. Osadzania kropelek cieczy na powierzchni cząstek i ich zestalania. W stanie suchym łączenie się cząstek (aglomeracja) wiąże się z deformacją plastyczną, łamaniem struktury, spiekaniem lub nadtapianiem cząstek. W stanie mokrym do łączenia się i wzrostu rozmiarów cząstek konieczny jest dodatek substancji ciekłej. W obu metodach do zagęszczania wymagany jest bądź dodatek odpowied­ niego lepiszcza lub cieczy, bądź stosowanie podwyższonych temperatur i ciś­ nienia. Stosuje się wiele dodatków, w tym lepiszcza, smary, plastyfikatory, substancje zwilżające i inne. Lepiszcza i smary zwiększają wytrzymałość aglo­ meratów. Dobór lepiszcza wymaga doświadczenia i jest związany zasadniczo z przeznaczeniem granulatu, dlatego specyficzne substancje są stosowane do granulacji, np. farmaceutyków, środków spożywczych, materiałów: ceramicz­ nych, odlewniczych, hutniczych, brykietów paliwa i in. W dwóch pierwszych przypadkach są stosowane m. in. skrobia, cukier, metyloceluloza, stearynian glinu, palmitynian i wiele innych. si

p

1

P

sb

Opierając się na sposobach łączenia i zwiększania rozmiarów cząstek stosu­ je się granulatory mieszalnikowe, ciśnieniowe, termiczne i natryskowe. Od­ dzielny problem stanowi granulacja w fazie ciekłej.

11.2. GRANULATORY MIESZALNIKOWE Drobne proszki mogą być łatwo granulowane przez mieszanie z dodatkiem odpowiedniej cieczy. Siły mechaniczne wywołane rotacją mieszalnika powodu­ ją wzajemne zderzenia wilgotnych cząstek, ponadto siły adhezji, napięcia po­ wierzchniowego cieczy i kapilarne są czynnikami sprzyjającymi aglomeracji. Stosowane sposoby mieszania są następujące: przesypywanie materiału, toczenie, ruch kaskadowy w mieszarkach bębnowych lub stożkowych, wibracja warstwy. Zwiększenie rozmiarów następuje przez łączenie się cząstek i na­ warstwianie w obecności natrysku cieczy, z jednoczesnym suszeniem granulatu. Suszenie jest prowadzone we współ- lub przeciwprądzie powietrza suszącego lub chłodzącego, np. podczas granulacji ze stopu mocznika lub saletry amo­ nowej. Stosowane są mieszarki bębnowe poziome z mieszadłami lub bez

(rys. 11.1) o średnicy do 3 m i długości 8-10 m. Surowiec i część zawraca­ nych drobnych granul produktu są podawane w podwyższonym końcu bębna. W bębnie, w ładunku granulowanego materiału, następuje segregacja i cząstki małe znajdują się na dnie, granule dużych rozmiarów natomiast na powierzchni. Woda lub lepiszcze natryskiwane na powierzchnię dużych cząstek zwilżają je, one z kolei wyła­ pują drobne cząstki z ładunku, co po zestale­ niu lub wysuszeniu powoduje zwiększenie f/^JźT^s/^ ' granul. Natrysk cieczy jest strefowy na całej (( ^ długości bębna, z wyjątkiem strefy wyładowa­ nia produktu. Granulatory bębnowe wytwarza­ ją granule o dużych rozmiarach, twarde, z ma­ łą masą dodanej wody lub lepiszcza. Jeśli Rys. 11.1. Schemat granulatora bę­ wartość liczby Fr ~ 1, to prędkość graniczna bnowego: 1 — bęben obrotowy, obrotów bębna n wynosi: 2 — surowiec plus recykulowane drobne cząstki produktu, 3 — na­ trysk wody lub lepiszcza, 4 — pro-

n, = 42,3 D

l

/

2

[obr/min],

d u k t

gdzie D — średnica wewnętrzna bębna [m]. W praktyce dobre warunki granulacji istnieją w zakresie Fr = 0,2-0,5. Naj­ mniejszy stopień wypełnienia bębna wynosi 10%, w praktyce zwykle 20-30%, jeśli kąt pochylenia bębna wynosi P = 3-20°. Stosunek długości do średnicy bębna wynosi 1:3 lub 1:4, prędkość 3-20 obrotów na minutę. Masa granulo­ wanego materiału zależy od stopnia wypełnienia bębna i czasu przebywania w nim. Powstawanie i wzrost granul są związane ze stosunkiem cieczy (roz­ tworu) do ciała stałego. Kształt granul opuszczających bęben jest zbliżony do kulistego. Istnieje wiele modyfikacji klasycznego kształtu bębna, mających na celu otrzymywanie wąskiej frakcji i suchych granul.

Rys. 11.2. Granulator talerzowy: 1 - talerz obrotowy, 2 - wzór ruchu materiału, 3 — zasilanie surowcem — roztworem (stopem), 4 — odbiór produktu

Dość szerokie zastosowanie znajdują granulatory talerzowe (panwiowe). Granulator stanowi cylinder o niewielkiej wysokości i średnicy do 7 m, obraca­ jący się wokół osi nachylonej do poziomu (rys. 11.2). Kąt pochylenia jest zazwyczaj zmienny w zakresie 40-70°, obroty stałe. Obroty krytyczne wynoszą

n

k

sinp

= 42,3

[obr/min]

Granulację prowadzi się zazwyczaj gdy obroty osiągną 0,75 n^. Surowiec i recyrkulowane cząstki są mieszane i natryskiwane cieczą dyszami hydraulicz­ nymi o kącie rozpyłu wynoszącym zwykle 60°. Średnica kropel natrysku określa rozmiar cząstek surowca i produktu. Granule o mniej­ szych rozmiarach otrzymuje się z kropel o mniejszej średnicy. W granulatorach zarów­ no talerzowych, jak i stożkowych (rys. 11.3) granulacja zachodzi w wyniku toczenia się, obracania i ślizgania się cząstek, z jednoczes­ ną ich segregacją. Granule największe znaj­ dują się w pobliżu krawędzi granulatora, skąd są odbierane. Zawracanie części produk­ tu, nawet kilkudziesięciu procent ładunku, Rys. 11.3. Granulator stożkowy: 1 — bęben stożkowy, 2 - napęd, 3 — stanowi tzw. szczepionkę, na której następuje surowiec, 4 - produkt wzrost granul. Liczba obrotów talerza wynika z wartości stosowanej liczby Frouda, która wynosi tu Fr = 0,4-0,9. Zużycie mocy N podczas granulacji jest związane ze średnicą talerza D [m]

8

N

=

aD

[kW],

g

gdzie a — współczynnik zależny od wielkości talerza 1,0-2,2. Granulatory talerzowe mają zdolność klasyfikacji granulatu, dlatego produkt stanowią granule o zbliżonych rozmiarach, również dużych. W granulatorach bębnowych natomiast otrzymuje się granule o szerokim zakresie rozmiarów, co jest często niekorzystne. Granulatory bębnowe są mało czule na zmiany jakości i ilości surowca, w przeciwieństwie do talerzowych. Większość stosowanych mieszarek, tzw. przesypowych, np. typu V, plane­ tarnych i innych, może być również stosowana do granulacji proszków, po za­ instalowaniu doprowadzenia cieczy, jeśli to konieczne. Mechanizm aglomeracji w tych mieszalnikach jest analogiczny jak w bębnowych. Granulacja w mie­ szarkach może być prowadzona okresowo lub w sposób ciągły. Do granulowa­ nia dużych strumieni mas materiałów stałych są stosowane mieszarki typu Eiricha, z mieszadłami planetarnymi (rozdz. 10). Stosunek obrotów talerza do mieszadła wynosi tu 1:5, warstwa granulowanego materiału wynosi natomiast zwykle ok. 25 cm. Czas granulacji w odniesieniu do nawozów wynosi 3-8 min. Prócz tego są również stosowane mieszarki poziome, korytowe z miesza­ dłami łopatkowymi i natryskiem różnego rodzaju cieczami w połączeniu z su­ szeniem. Do wytwarzania granul o małych rozmiarach 0,2-2 mm, o budowie nieregu­ larnej są stosowane wysokoprędkościowe mieszalniki ścinające, zarówno

poziome, jak i pionowe z opadającą kurtyną proszku. Do wymienionej strefy jest wprowadzany strumień pary, natrysk wody lub mgły w celu zwilżenia i aglomeracji cząstek. W trakcie mieszania następuje wzrost i rozdrabnianie słabych aglomeratów, co jest wykorzystywane do wytwarzania cząstek — su­ rowca do granulacji innymi metodami. Wraz ze zwiększeniem prędkości wiro­ wania mieszadeł rozmiar granul maleje. Metoda służy m. in. do granulowania materiałów wrażliwych na działanie podwyższonej temperatury, takich m. in. jak detergenty granulowane z dodatkiem krzemianu sodu, kawa granulowana przez przedmuchiwanie parą wodną i inne.

11.3. GRANULATORY CIŚNIENIOWE W granulatorach ciśnieniowych do granulacji proszków są stosowane siły zewnętrzne w określonej przestrzeni zagęszczania i ściskania. Produkt ma po­ stać tabletek, pastylek, brykietów lub wytłoczek. Siły ściskające deformują powierzchnię i modyfikują strukturę materiału. Jeśli deformacja zachodzi łatwo, to nie jest konieczny dodatek lepiszcza. Dla polepszenia deformacji, właściwości przepływowych i kohezyjnych oraz wytrzymałości aglomerowa­ nych materiałów są stosowane dodatki substancji smarujących lub lepiszcza. Często jest stosowany dodatek anhydrytu.

«

Do spowodowania aglomeracji ciśnieniowej jest stosowany nacisk tłoka, walców, ślimaków i innych elementów o specjalnych kształtach. Wielkość gra­ nul jest tu niezależna od rozmiarów cząstek l*=iu=ik surowca. Podczas granulacji przez ściskanie

ifr^lD^[ s iy=yjy:

y V—y

dużych objętości proszków są stosowane walce gładkie lub profilowane, będące zasadniczym elementem roboczym tzw. brykiecia^ Aglomerowany proszek jest dozowany pomiędzy poziome walce, dociskar e

Rys. 11.4. Typowy kształt powierzchni bębna brykieciarki i brykietu

° m

e

e

d

° 1

S

i

e

b

i

e

U

k

ł

a

d

e

m

l

u

b

h

y

d

r

a

u

l

i

c

Z

"

obracające się w tym samym kierunku (rys. 11.5). Surowiec wciągany do szczeliny lub wtłaczany (rys. 11.6) jest ściskany do grubości 1-10 mm. Średnica walców wynosi 150-1000 mm, długość natomiast 50-700 mm. Wyciskanie materiału przez jeden lub wiele otworów jest stosowane w aglomerowaniu materiałów pastowatych, w prasach ślimakowych i ślimakowo-walcowych (rys. 11.6). Wyciskanie jest kombinowane z prasowaniem walcowym i zagniataniem, w przetwórstwie tworzyw sztucznych i materiałów ceramicznych. Granulatory tłokowe, zwane tabletarkami umożliwiają wytwarzanie róż­ nego kształtu tabletek. W tabletkowaniu bezpośrednim surowiec zmieszany z lepiszczem, lub innymi dodatkami, jest wytłaczany bezpośrednio. Poszczegól­ ne stadia tabletkowania przedstawia rys. 11.7. Tabletkarki o dużej wydajności,

stosowane m. in. w przemyśle farmaceutycznym i metalurgicznym, stanowią prasy mimośrodowe i stoły obrotowe, przystosowane do wytłaczania tabletek o ściśle określonych rozmiarach i kształcie. Dla większych wydajności są sto­ sowane prasy walcowe z profilowanymi otworami na powierzchni (rys. 11.4). a)

Surowiec

b)

Surowiec

V \ /

Produkt

Produkt

Rys. 11.5. Schematy pras walcowych: a) z wciąganiem surowca, b) z wtłaczaniem; 1,2 - walce, 3 — ślimak a)

Surowiec

b) Surowiec

Produkt

Produkt

Rys. 11.6. Prasy: a) ślimakowa; 1 - ślimak, 2 - matryca z otworami, 3 - nóż; b) ślimakowo-walcowa; 1 — ślimak, 2 — walce, 3 — młynek nożowy, 4 — rozdrabniarka z sitem

Rys. 11.7. Schemat tabletkowania mimośrodowego: a) dozowanie, b) ściskanie — prasowanie, c) wypychanie tabletki; 1 - przewód dozujący, 2 — matryca, 3,4 - tłoczek — stempel górny i dolny, 5 — tabletka

W tabletkowaniu pośrednim surowiec jest wstępnie zagęszczany, prasowany i kierowany do tabletkarki. Tabletkowanie na mokro dotyczy materiałów od­ pornych na ściskanie. Surowiec jest wówczas mieszany w mieszalniku planetar­ nym lub granulatorze wysokoprędkościowym, z powolnym dozowaniem lepisz­ cza lub wody, po czym granule są wyciskane w granulatorach ślimakowych lub sitowych, wibracyjnych. Granulatory rolkowe i sitowe z wyciskaniem mate­ riału i ścinaniem lub z kruszeniem przedstawia rys. 11.8.

Rys. 11.8. Tabletkarka obrotowo-rolkowa: 1 — pierścień obrotowy, 2 — rolki, 3 — noże

11.4. GRANULATORY TERMICZNE W granulatorach termicznych aglomeracja cząstek zachodzi w wyniku prze­ nikania ciepła do zbiorowiska cząstek i wiąże się z następującymi zjawiskami: — suszeniem substancji wiążącej, — łączeniem w wyniku nadtapiania, — reakcją chemiczną w wysokiej temperaturze, — zestalaniem się lub krystalizacją podczas chłodzenia.

Ciepło może być dostarczone bezpośrednio przez spalanie paliwa stałego, zmieszanego z aglomerowanymi cząstkami lub pośrednio, przez ogrzewanie spalinami w procesie zwanym spiekaniem. Ciepło może być również dostar­ czane lub odbierane przeponowo, przez powierzchnię bębna lub taśmę suszar­ ki. Dotyczy to w dużym stopniu granulacji ze stopów i stężonych roztworów (zawiesin), które po zestaleniu są zbierane z powierzchni bębna odpowiednimi nożami lub ulegają kruszeniu podczas zmiany kierunku taśmy w postaci płat­ ków. Często aglomeracja termiczna jest drugim etapem granulacji, w którym zachodzi utrwalenie połączeń pomiędzy cząstkami i twardnienie produktu. Spiekanie jest stosowane do granulowania drobnych proszków rud metali, ce­ ramiki i innych kompozytów. Surowiec podawany na ruchomą taśmę tworzy na niej określonej grubości warstwę. W trakcie przepływu przez strefę o wyso­ kiej temperaturze, cząstki ulegają spiekaniu z wytworzeniem porowatej masy, tzw. aglomeratu, który jest następnie rozdrabniany (łamany) i przesiewany na sitach. Drobne cząstki są zawracane do surowca.

11.5. GRANULATORY NATRYSKOWE I DYSPERSYJNE W granulatorach natryskowych granulat otrzymuje się z cieczy, zawiesin lub stopów wprowadzanych do aparatu procesowego w postaci natrysku. Granula­ cja zachodzi w wyniku: — krystalizacji rozpylowej lub zesta­ lania, — suszenia stężonej zawiesiny lub wilgotnych cząstek ciała stałego. Granulacja jest prowadzona w su­ szarkach rozpytowych i fluidalnych oraz w wieżach granulacyjnych. Meto­ da jest szeroko stosowana w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, chemi­ cznym, ceramicznym itp. Do rozpylania wymienionych surow­ ców jest stosowana duża liczba urządzeń rozpylających zapewniających rozpył, różniący się pod względem zarówno średniej średnicy kropel, jak i rozkładu ich rozmiarów. Granulacja w wieżach granulacyj­ nych dotyczy zwykle substancji jedno­ 'Powietrze rodnych o określonej temperaturze top­ Rys. 11.9. Wieża granulacyjna: 1 — urzą­ nienia i odbywa się ze stopów, stężo­ dzenie zraszające, 2 - wieża, 3 - chłod­ nych roztworów lub zawiesin. Krople nica fluidalna, 4 - przenośnik produktu, 5 — g y odlotowe wytworzone ze stopu na szczycie wieży a z

(rys. 11.9), opadając w przećiwprądzie w strumieniu zimnego powietrza zesta­ lają się do kształtu kulistego. a)

Ciecz

Rys. 11.10. Urządzenia natryskowe w wieżach granulacyjnych: a) rozpryskiwacz statyczny; 1 — izolacja powietrzna, 2 — perforowana czasza; b) rozpryskiwacz wibracyjny; 1 — dystrybutor cieczy, 2 — perforowana czasza, 3 — membrana, 4 — trzpień wibrujący; c) rozpryskiwacz odśrodkowy; 1 — przegrody, 2 — wał, 3 — stożek perforowany

Lepkość cieczy i wymagana średnica kropel w największym stopniu okreś­ lają rodzaj urządzenia rozpylającego. Na przykład stopiony mocznik lub sa­ letrę amonową, które mają małą lepkość, rozpyla się pod małym ciśnieniem przez proste otwory w rurach lub sitach umieszczonych na szczycie wieży (rys. ll.lOa). Szlamy i stopy o wysokiej lepkości, powyżej 100 (N-s)/m lub zawiesiny są rozpylane koszami wibracyjnymi, z odpowiednio dużymi otwora­ mi (rys. 11.1 Ob) lub rozpylaczami odśrodkowymi (rys. ll.lOc). Średnicę wieży określa strumień masy materiału granulowanego i niezbędny przepływ powie­ trza chłodzącego, bez nadmiernego unoszenia drobnych cząstek. Wysokość wież dochodzi do 60 m. Produkt — granulat — charakteryzuje się jednorodno­ ścią rozmiarów. Zastosowanie metody jest jednak ograniczone do substancji o wysokiej temperaturze topnienia i małym cieple krystalizacji. Koszt inwesty­ cyjny jest duży, niski jest natomiast koszt eksploatacyjny. Istotny problem sta­ nowi duży strumień unoszonych cząstek, wraz ze strumieniem gazów odloto­ wych i jego odpylanie. 2

Granulacja metodą suszenia rozpyłowego odbywa się w suszarkach rozpyłowych przez rozpylanie zawiesiny (szlamu), koloidu lub roztworu do stru­ mienia gazu suszącego w przepływie współprądowym lub przeciwprądowym

(rys. 11.11). Do rozpylania są stosowane rozpylacze wirowe talerzowe, dysze hydrauliczne lub pneumatyczne. Rozpylacze wirowe i hydrauliczne dają rozpyl w postaci kropel o średnicy 80-500 pm, pneumatyczne 10-100 pm. W wyniku rozpyłu uzyskuje się dużą powierzchnię wymiany ciepła i masy, co pozwala suszyć materiały wrażliwe na podwyższoną temperaturę. Produkt stanowi drob­ ny proszek o kształcie cząstek, zbliżony do kulistego, w którym zewnętrzna skorupa stanowi lepiszcze, rdzeń zaś surowiec. Produkt suszenia rozpyłowego jest często poddawany dalszej aglomeracji w granulatorach ciśnieniowych lub fluidalnych. Zagadnienia suszenia w szerszym zakresie omówiono w rozdz. 20.

t Powietrze Do (lub

atmosfery oczyszczania)

Rys. 11.11. Schemat instalacji suszenia - granulowania rozpyłowego: 1 - suszarka, 2 jemnik surowca, 3 — pompa dozująca, 4 — nagrzewnica, 5 — cyklon (filtr tkaninowy)

po­

Granulacja fluidyzacyjna jest prowadzona w wielu rodzajach granulatorów fluidalnych. Wzrost rozmiarów cząstek (granul) jest związany z parame­ trami fluidyzacji i granulacji, spośród których wyróżnić można: procesowe, aparaturowe i parametry produktu. Schemat suszarki (granulatora fluidalnego) przedstawia rys. 11.12. Parametry aparatury to m. in.: charakterystyka półkidystrybutora gazu, kształt aparatu, położenie dyszy rozpylającej, ciśnienie, powiększenie skali aparatu. Typowe parametry procesowe są następujące: prędkość liniowa gazu u = ( 3 - 2 0 ) u = 0,1-2,5 m / s ; ekspansja złoża H/H = 0,5-3,0; strumień cieczy zraszającej 0,005-1 kg/(m -s); temperatu­ ra złoża 318-773 K; średnica złoża 0,1-8,0 m; początkowy rozmiar cząstek m f

2

mf

50-500 pm. Natrysk cieczy w postaci roztworu lub stopu odbywać się może na powierzchnię lub do wnętrza złoża, dyszami hydraulicznymi lub pneuma­ tycznymi. Do a tmosfery

Rys. 11.12. Schemat granulatora fluidalnego z chłodzeniem produktu: 1 — złoże fluidalne granulowane, 2 — chłodzenie produktu, 3 — pojemnik surowca, 4 — podawanie — dozowanie surowca z zawracanym pyłem, 5 — roztwór (stop), 6 — powietrze do rozpylania, 7 — powie­ trze do fluidyzacji, 8 — cyklon (filtr)

Krople cieczy uderzając o powierzchnię cząstek złoża są suszone i pozo­ staje z nich tzw. sucha pozostałość. Mechanizm powiększania cząstek jest następujący: aglomeracja zwilżonych cząstek i tworzenie mostków stałych oraz nawarstwianie i wzrost średnicy cząstek. Drugi mechanizm wykorzystuje się szeroko do pokrywania różnego rodzaju granulatów cienką warstwą sub­ stancji ochronnych. W procesach granulacji cząstek o dużych rozmiarach, płat­ ków, tabletek jest stosowane złoże fontannowe, z racji dobrego mieszania i przenikania ciepła w układzie gaz—ciecz. Otrzymywany granulat ma rozmiary 500 p m - 6 mm, kształt zbliżony do kuli i nieregularną powierzchnię. Szybkość wzrostu granul jest proporcjonalna do powierzchni złoża i nie zależy od roz­ miarów cząstek. W złożu fluidalnym są prowadzone procesy pokrywania ta­ bletek i granul substancjami różnego rodzaju poprzez natrysk złoża. Granule otrzymane w złożu fluidalnym mają strukturę bardziej porowatą niż otrzymane innymi metodami: są bardziej sypkie i kruche. Suszarki rozpyłowe i fluidalne mogą być zestawione szeregowo w celu dalszego zwiększenia rozmiarów cząs­ tek produktu, suszenia i chłodzenia. Proces może być również prowadzony w jednym aparacie, gdy dół suszarki rozpyłowej stanowi suszarkę—granulator fluidalny.

11.6. GRANULACJA W CIECZY Zwiększenie rozmiarów cząstek stałych może zachodzić w wyniku dodania: 1. Elektrolitu do zawiesiny i zmiany potencjału Zeta, co prowadzi do zwięk­ szenia możliwości zderzeń wzajemnych cząstek (dodatek flokulantów). 2. Niemieszającej się cieczy zwilżającej cząstki, które koagulują w postaci sferycznych aglomeratów. Cząstki stałe w cieczy stanowią często zanieczyszczenia o bardzo małych rozmiarach, trudne do wydzielenia z cieczy. Aglomeracja tych cząstek, realizo­ wana przez dodatek flokulanta i mieszanie, prowadząca do wytworzenia tzw. flokuł, konglomeratów lub włókien, umożliwia wydzielenie ich z cieczy meto­ dami klasycznymi, omówionymi w rozdz. 12.

11.7. DOBÓR METODY I APARATU DO GRANULACJI Dobór metody granulacji i granulatora jest oparty w pierwszym rzędzie na adaptacji metody stosowanej dla materiału podobnego. Bardziej wnikliwe pode­ jście wymaga ścisłego zdefiniowania problemu i obiektu granulacji, po czym są dobierane metody możliwe i porównywane według cech istotnych, które stanowią następujące właściwości: 1. Charakterystyka fizykochemiczna surowca. 2. Wymagana wydajność 3. Rozmiar i rozkład rozmiarów granulatu. 4. Kształt aglomeratów. 5. Wytrzymałość aglomeratów 6. Porowatość i gęstość granul. 7. Metoda granulacji sucha lub mokra. 8. Możliwość jednoczesnego prowadzenia innych procesów. 9. Ograniczenia lokalizacyjne. O ostatecznym doborze metody i instalacji granulacyjnej decyduje minimum kosztów całkowitych projektu.

LITERATURA P.W., GRISZAJEW I . G . , Podstawy techniki granulacji, WNT, Warszawa 1 9 8 9 . P.J., OLIVER R., Granulation, Heyden, London 1 9 8 1 . [ 3 ] Enlargement and Compaction of Particulate Solids, Ed. Naylond G. Stanley-Wood, Butterworths, London 1 9 8 3 . [ 4 ] PiETSCH W., Size Enlargement by Agglomeration, John Willey & Sons, Chichester 1 9 9 1 . [ 5 ] K A D A M KlRAN L., Granulation Technology for Bioproducts, CRC Press, Boca Raton, FI, U]

KLASSIEN

[2]

SHERRINGTON

1992.

12. APARATURA DO ROZDZIELANIA CIEKłYCH UKŁADÓW NIEJEDNORODNYCH 12.1. WPROWADZENIE Ciekły układ niejednorodny stanowi mieszaninę składającą się co; najmniej z dwóch faz, w której ciecz stanowi fazę ciągłą. Niejednorodność układu wy­ nika z obecności w nim fazy rozproszonej (nieciągłej). Mieszaniny ciekłe niejednorodne to układy dwufazowe: ciecz—ciało stałe, ciecz—ciecz, ciecz—gaz i układ trójfazowy ciecz—ciało stałe—gaz. W zależności od składu fazowego i stanu dynamicznego wymienionych układów są stosowane określenia: zawiesina, emulsja, piana. Każdy z układów charakteryzuje się stężeniem i rozmiarami cząstek fazy rozproszonej. W za­ wiesinie cząstki stałe mają rozmiary >0,1 pm, w roztworze koloidalnym nato­ miast poniżej 0,1 pm. Emulsja stanowi układ nie mieszających się cieczy, o różnym stężeniu i rozmiarach cząstek fazy rozproszonej. Piana stanowi układ dwufazowy ciecz—gaz, w którym pęcherzyki gazu są otoczone warstew­ kami cieczy i zamknięte w ich strukturze. Mimo że ułamek objętości zajmowa­ ny przez ciecz jest <0,05 fazę ciągłą układu stanowi ciecz. Rozdzielanie (separację) ciekłych układów prowadzi się metodami mechani­ cznymi i termicznymi (rys. 12.1). W niniejszym rozdziale zostaną omówione metody mechaniczne, metody termiczne natomiast związane z doprowadzeniem energii do układu na sposób ciepła, dotyczą suszenia materiałów (rozdz. 20). Metody mechaniczne, w największym stopniu są stosowane do rozdzielania zawiesin w wyniku działania sił: ciężkości, ssania lub ciśnienia, odśrodkowych. Sposób rozdzielania zależy od stężenia, rozmiaru i natury cząstek, wielkości strumienia zawiesiny, preferencji odnośnie do produktów rozdzielania i stopnia ich czystości. Z natury działania wymienionych sił wynika podział metod roz­ dzielania ciekłych układów niejednorodnych na sedymentacyjne i filtracyjne. Rozdzielanie sedymentacyjne grawitacyjne prowadzi się w osadnikach (klarownikach), odśrodkowe natomiast w wirówkach sedymentacyjnych i hydrocyklonach. Filtrację prowadzi się w filtrach warstwowych, nuczach filtracyjnych, pra­ sach filtracyjnych, filtrach próżniowych, filtrach dynamicznych i wirówkach filtracyjnych. Do rozdzielania ciekłych układów niejednorodnych, zawierających cząstki submikronowe w niewielkich stężeniach, są stosowane specjalne metody roz­ dzielania i specyficzna aparatura procesowa [2].

Metody

termiczne

Metody

mechaniczne

T Działanie sił grawitacji i odśrodkowych

na

ciecz

na ciało

Działanie ciśnienia,

ssania, nacisku

stałe

-Sn Rys. 12.1. Metody rozdzielania ciekłych mieszanin niejednorodnych

12.2. ODSTOJNIKI-KLAROWNIKI Rozdzielanie w odstojnikach—klarownikach jest oparte na opadaniu cząstek stałych z prędkością zależną od ich rozmiaru i stężenia. W odstojnikach nastę­ puje wzrost stężenia względnie dużych cząstek w zawiesinie, w klarownikach natomiast z cieczy są wydzielane małe ilości cząstek, stanowiące jej zanie­ czyszczenie i zasadniczy produkt rozdziału stanowi czysta ciecz. Odstojniki stanowią zbiorniki o dużej powierzchni, wyposażone w mieszadła, zwykle grabiowe (rys. 12.2). W celu Surowiec przyspieszenia sedymentacji niektórych cząstek (osadów) do zawiesiny są doda­ wane flokulanty lub koagulanty. Koa­ Ciecz gulanty, substancje nieorganiczne, neu­ klarowna tralizują ładunki powierzchniowe na cząstkach, co umożliwia ich zderzenia i koagulację. Są stosowane związki glinu, Szlam chlorek i siarczan żelaza. Flokulanty — Rys. 12.2. Odstojnik (osadnik): 1 - prze­ są to wielkocząsteczkowe związki orga­ lew cieczy klarownej, 2 — mieszadło niczne lub polimery tworzące struktury grabiowe sieciowe, plastrowe itp. Stanowią je m. in. poliakryloamidy i poliakrylany. Niekiedy oba specyfiki są dodawane jednocześnie. Koagulanty wymagają zazwyczaj więcej czasu do wytworzenia

flokuł niż flokulanty. Dobre wyniki działania koagulantów i flokulantów, tj. zwiększenie szybkości sedymentacji, uzyskuje się wtedy, gdy cząstki mają rozmiary mniejsze niż 70 jim. Dobór właściwych koagulantów i flokulantów wymaga testów wstępnych. Szybkość opadania cząstek w zawiesinie według znanego równania Richardsona i Zaki — gdy Re < 0,2, objętość cząstek w zawiesinie wynosi zaś J C = 0,07-0,36, prędkość opadania pojedynczej cząst­ ki wg prawa Stokesa u — określa wyrażenie v

St

u/u

-x f\

= (1

st

v

według którego szybkość opadania cząstek maleje wraz ze wzrostem ich stę­ żenia. Odstawanie lub klarowanie może być prowadzone okresowo lub w sposób ciągły. W warunkach przemysłowych dominują osadniki ciągłe. Podczas sedymantacji w odstojniku wyróżnić można trzy strefy. Surowiec jest podawany do strefy środkowej — wypadania. Ze strefy wypadania cząstki opadają do strefy dolnej, zagęszczania. Ciecz klarowna natomiast odpływa do strefy górnej, do przelewu. Wydajność odstojnika określa zdolność aparatu do zagęszczania za­ wiesiny lub klarowania cieczy i jest proporcjonalna do pola jego powierzchni m A = —— 1 - ^ 7

X

2

gdzie m — strumień masy zawiesiny, u — prędkość cieczy w odstojniku, Pi — gęstość cieczy, Xj i J C — stężenie ciała stałego w zawiesinie na wlocie i odpływie z odstojnika. z

2

Wysokość odstojnika zależy od czasu przebywania cząstek w strefie zatężania. Wysokość pozostałych stref wynosi 0,6-1,0 m. Średnica odstojników kołowych, metalowych jest < 2 5 m, betonowych natomiast dochodzi do 100 m. Dno odstojnika jest zwykle nieznacznie nachylone w kierunku odpływu. Zada­ niem mieszadła grabiowego w odstojniku, które wykonuje 2,5-20 obr/min, jest zagęszczanie zawiesiny do stężenia 3 5 - 5 5 % i wolne przesuwanie jej do odpły­ wu. Dla lepszego wykorzystania miejsca są budowane odstojniki wielokomorowe o małej wysokości, usytuowane jeden nad drugim. Szybkość sedymentacji cząstek stałych z cieczy może być zwiększona kil­ kakrotnie przez zainstalowanie w odstojnikach nachylonych półek pod kątem do 30-60°, które noszą wówczas nazwę lamelowych (rys. 12.3). Najbardziej rozpowszechnione są odstojniki lamelowe, przeciwprądowe, w których zawiesi­ nę doprowadza się do środkowej części komory. Ciecz klarowna przepływa wówczas między płytami do przelewu górnego, a cząstki stałe, po sedymenta­ cji, zsuwają się po płytach do komory dolnej, skąd są odprowadzane jako wy­ lew. Przybliżoną liczbę płyt w odstojnikach lamelowych współ- i przeciwprądowych obliczyć można ze wzoru

n =

2* sina

gdzie h — odległość między płytami (25-100 mm), B — szerokość płyt, a — kąt pochylenia płyt.

I / / / / / / / / / / / /

/ .1 •«

,« •

/

.1 ,» ' ,«

/ / / // f ' i '/ Za wiesina

Rys. 12.3. Odstojnik (separator) lamelowy: 1 - półki, 2 — przelew, 3 — wylew (szlam), 4 — mieszadło

Odstojniki są stosowane zarówno jako samodzielne aparaty do zagęszczania zawiesin, flotacji, oczyszczania biologicznego ścieków, jak i we współpracy z innymi aparatami procesowymi: reaktorami wielofazowymi, bioreaktorami, krystalizatorami i in. Odstojniki dla układów ciecz-ciecz, zwane również separatorami, są sto­ sowane m. in. w ekstrakcji i destylacji do rozdziału dwóch nie mieszających się cieczy, różniących się gęstością. Wymiary separatora są oparte na czasie przebywania mieszaniny, wymaganym do rozdziału faz. W celu uniknięcia po­ rywania jednej fazy przez drugą, zwłaszcza w odniesieniu do cieczy separu­ jących się wolno, jako separatory, są preferowane zbiorniki poziome, z zasila­ niem i odpływem po przeciwnych stronach (rys. 12.4). Dla dobrego rozdziału istotna jest pozycja wzajemna obu przelewów.

I

Odpowietrzenie 2

Rys. 12.4. Separator nie mieszających się cieczy: 1 — przegroda, 2 - ciecz lżejsza, 3 — ciecz cięższa, 4 — cieczowskaz

12.3. F I L T R Y Filtry stanowią aparaty, w których na przegrodzie porowatej (filtracyjnej) odbywa się rozdział zawiesiny na: osad ciała stałego (placek) zatrzymywany na przegrodzie i ciecz przepływającą porami przegrody — filtrat (ciecz klaro­ wna, przesącz). Przegrody filtracyjne stanowi wiele materiałów w postaci warstw luźnych i zwartych oraz tkanin, stosowanych w różnych warunkach prowadzenia filtra­ cji (tabl. 12.1). Tabela

12.1

Przegrody filtracyjne Materiał

Rodzaj, postać Tkaniny tkane Siatki Tkaniny filcowe Płyty filtracyjne Warstwy sztywne Warstwy sypkie

włókna naturalne -— bawełna, wełna, len, juta włókna sztuczne — nylon, elana, polietylen, polipropylen, teflon, anilana, szkło, metale wełna, sierść, włókna sztuczne celulozowe, bawełniane, włókna sztuczne spieki metalowe, ceramiczne, szklane żwir, węgiel, koks, ebonit, włókna cięte

Podczas filtracji trudno rozdzielających się zawiesin, w celu zwiększenia szybkości filtracji i utworzenia porowatego placka są stosowane tzw. pomoce filtracyjne z materiałów ziarnistych, m. in. diatomit. Jako materiał obojętny, o nieregularnym kształcie ziaren, zapewnia on dużą sprawność filtracji i małą absorpcję składników cieczy. Podczas przepływu zawiesiny (surówki filtracyjnej) przez filtr, w wyniku działania sił ssania i ciśnienia, wraz z czasem przebiegu filtracji warstwa osadu na powierzchni filtracyjnej zwiększa się. Zarówno przebieg filtracji, jak i usu­ wanie osadu, mogą przebiegać okresowo lub w sposób ciągły. W filtracji okresowej prowadzonej w nuczach, prasach fitracyjnych ramo­ wych i płytowych (komorowych) filtracja jest prowadzona do czasu wytwo­ rzenia placka odpowiedniej grubości. W filtracji ciągłej rozdzielanie odbywa się na powierzchni porowatego bę­ bna cylindrycznego, tarczy lub taśmy tak, że w sposób ciągły są odbierane osad ciała stałego i filtrat. Nucze stanowią najprostszy typ filtru okresowego. Jest to zbiornik, zwykle cylindryczny z perforowanym dnem, na którym znajduje się przegroda filtra­ cyjna w postaci warstwy ziarnistej lub tkaniny. Filtry z warstwą ziarnistą są stosowane do filtracji zawiesin rozcieńczonych — klarowania cieczy. Filtracja w nuczach z tkaniną filtracyjną może przebiegać pod ciśnieniem słupa zawiesi­ ny, pod ciśnieniem zwiększonym lub próżnią w aparatach zamkniętych. Nucze, z racji małej powierzchni filtracji, do 5 m są stosowane do filtracji małych objętości zawiesin. 2

Filtry ramowe i płytowe są jednymi z najczęściej stosowanych filtrów okresowych. Filtry te są zdolne do filtracji cieczy lepkich i tworzenia placka, gdy opór właściwy jest duży.

Filtrat

<>-

Zawiesina

Rys. 12.5. Schemat prasy filtracyjnej ramowopłytowej: 1 - ramy filtracyjne, 2 - płyty filtra­ cyjne, 3 — tkanina filtracyjna, 4 — osad (placek filtracyjny)

Filtr, zwany prasą filtracyjną (rys. 12.5) składa się z szeregu płyt i ram, sąsiadujących na przemian ze sobą, opartych na belkach wspornikowych. Po­ między stykającymi się powierzchniami płyt i ram jest umieszczona tkaninowa przegroda filtracyjna. Wymieniony zestaw jest zaciśnięty pomiędzy nieruchomą głowicą a ruchomą, przesuwną płytą za pomocą śruby dociskowej lub docisk jest wykonywany hydraulicznie. Ramy i płyty posiadają w narożach lub w po­ bliżu krawędzi, na osi, otwory, które, po dociśnięciu ram i płyt, tworzą wzdłuż prasy kanały do przepływu zawiesiny, cieczy klarownej i cieczy myjącej. Ra­ my posiadają również otwory, które łączą jej wnętrze z kanałem doprowadza­ jącym zawiesinę. Ramy są obciągnięte tkaniną. Płyty na powierzchni kontaktu z tkaniną filtracyjną mają pionowe nacięcia rowkowe i otwory, przez które przesącz odpływa do kanału zbiorczego. Podczas filtracji stopniowo wzrasta warstwa osadu w przestrzeni ram i opór dla przepływu filtratu, natomiast obję­ tość strumienia filtratu maleje. Gdy opór filtracji osiągnie wartość zadaną, wstrzymuje się wtedy dopływ surówki i osad przemywa się, zachowując ten sam kierunek przepływu cieczy myjącej lub stosuje przeciwprąd. Po myciu rozsuwa się płyty i ramy i osad z ram wypada do zbiornika umieszczonego pod prasą lub jest usuwany ręcznie albo mechanicznie. Do filtrowania zawiesin rozcieńczonych w podwyższonej temperaturze są stosowane filtry ramowe i tarczowe ciśnieniowe (rys. 12.6). Zestaw ram lub tarcz obciągniętych tkaniną filtracyjną, które posiadają kanały odpływowe dla cieczy klarownej jest umieszczony w komorze ciśnieniowej. Zawiesina, poda­ wana do korpusu pod ciśnieniem 1-2 MPa jest filtrowana na ramach i płytach do chwili spadku ciśnienia cieczy do dopuszczalnego poziomu. Następny etap to mycie placka i przedmuchiwanie osadu powietrzem sprężonym, gdy jest to konieczne. Po otwarciu pokryw zestaw ram lub płyt, które są umieszczone na konstrukcji jezdnej rolkowej, wysuwa się na zewnątrz i usuwa osad z ram.

Działanie pras filtracyjnych wyciskających nowej konstrukcji, zwanych membranowymi jest oparte na ściskaniu przegrody (membrany), która wywie­ ra nacisk na świeżo tworzony placek (rys. 12.7). Zaletą metody jest mniejsza zawartość cieczy w placku, dobre odmycie, lepsza szybkość filtracji i automa­ tyczne usuwanie placka. Zasadnicze znaczenie w stosowaniu tej metody ma dobra ściśliwość osadu. W czasie wypełniania zawiesiną przestrzeni pomiędzy płytami membrany ulegają rozciągnięciu, a po napełnieniu są ściskane powie­ trzem sprężonym 0,6-1,5 MPa, wywierając jednocześnie nacisk na tworzący się placek filtracyjny. W następnej kolejności odbywa się mycie, które przebie­ ga tu z lepszą efektywnością, ze względu na jednolitą strukturę placka, krótszy czas mycia i mniejsze zużycie wody. Pow. sprężone

tub

ptyn

Zawiesina

TH

mnti-if\ Ciecz

klarowna

Rys. 12.7. Zasada działania prasy wyciskającej: 1 — komora filtracyjna, 2 cyjna, 3 — membrana elastyczna

przegroda filtra-

W p r a s a c h płytowych uszczelnienie pomiędzy płytami zapewniają uszczel­ ki kauczukowe wprasowane na stałe do płyt. Zestaw płyt jest zaciskany pod ciśnieniem do 2 MPa. Po wytworzeniu placka i otwarciu filtru, placek przy­ wiera do płyt i jest usuwany zgarniakami lub wypychany działaniem sprężone-

go powietrza na elastyczną tkaninę (rys. 12.8). Prasy tego rodzaju o powierzch­ ni filtracji do 20 m są w pełni zautomatyzowane. 3

b)

a) Zawiesina

Pow. sprężone

Pow., sprężone^

Filtrat Filtrat

_ Filtracja

Kompresja

Rys. 12.8. Element prasy płytowej: a) filtracja, b) wyciskanie osadu; 1 - płyty, 2 — tkanina, 3 — osad (placek), 4 — membrana, 5 — osad ściśnięty

hydrauliczny

Rys. 12.9. Prasa filtracyjna wyciskająca — cylindryczna: 1 — perforowany cylinder, 2 — tkanina filtracyjna, 3 — membrana, 4 — osad (placek), 5 — komora filtratu, 6 - cylinder przesuwny hydraulicznie

Prasa filtracyjna cylindryczna (rys. 12.9) zawiera dwa koncentryczne pu­ ste cylindry (bębny) zamontowane na poziomym koncentrycznym wale. Perfo­ rowany cylinder wewnętrzny jest obciągnięty tkaniną filtracyjną, zewnętrzny natomiast od wewnątrz jest wyłożony elastyczną membraną. Zawiesina wpły­ wa do przestrzeni pierścieniowej i w wyniku filtracji na powierzchni cylindra wewnętrznego tworzy się placek, filtrat zaś odpływa z wnętrza bębna króćcem bocznym. Po uzyskaniu odpowiedniej grubości placka dopływ zawiesiny jest zatrzymany i jednocześnie jest przykładany impuls ciśnienia hydraulicznego do membrany, ściskający placek. W dalszej kolejności może być prowadzone my-

cie placka. Ostatni etap — to wysunięcie na zewnątrz cylindra wewnętrznego i usunięcie placka ręcznie lub sprężonym powietrzem. Filtry posiadają po­ wierzchnię filtracyjną o wymiarach od dziesiątych części metra kwadratowego w filtrach laboratoryjnych do ok. 6 m w filtrach zautomatyzowanych; grubość placka wynosi 25-65 mm, ciśnienie natomiast do 1,5 MPa. Są one stosowane do filtracji zawiesin o stężeniu > 2 0 % zawierających barwniki, kaolin, gips, dwutlenek tytanu i itp. W prasach taśmowych, tzw. wyżymających Zawiesina (rys. 12.10) filtracja biegnie w sposób ciągły i sta­ nowi kombinację tzw. odsiączania grawitacyjnego i ściskania mechanicznego zagęszczanej zawiesiny, w komorze o zmiennym przekroju. Filtr zawiera dwie pochylone do pionu taśmy filtracyjne, opięte na bębnach i wprawiane przez nie w ruch w kie­ runku do dołu. W trakcie przesuwania się w dół zachodzi filtracja i zagęszczanie zawiesiny; tworzą­ cy się placek jest ściskany ciśnieniem do 0,25 MPa, do momentu wyładowania na dole filtru. Filtry są stosowane do odwadniania celulozy, szlamów cera­ micznych, węgla i itp. 2

Filtr bębnowy próżniowy (rys. 12.11) stanowi perforowany bęben usytuowany poziomo, podzielo­ ny na komory i sekcje w liczbie 4-30 i zanurzony Rys. 12.10. Prasa taśmowa, w wannie (korycie) z zawiesiną. Bęben jest obciąg­ wyżymająca: 1 — bębny na­ nięty tkaniną filtracyjną i obraca się wraz z pustym pędowe, 2 — taśma filtra­ wałem osadzonym w dwóch łożyskach ślizgowych, cyjna przymocowanych do podstawy filtru. Napęd poprzez przekładnię zębatą następuje z jednego końca wału, z drugiej strony na­ tomiast wał jest zakończony głowicą w której znajdują się otwory połączone przewodami poprzez pusty wał z odpowiednimi komorami. Głowica ruchoma styka się z głowicą nieruchomą przymocowaną do podstawy, konstrukcji noś­ nej filtru. Powierzchnia kontaktu głowic jest szlifowana i zapewnia szczelność połączenia. Głowica nieruchoma posiada kilka wycięć w kształcie łuków, pod­ łączonych do źródła próżni i jedno lub dwa z powietrzem sprężonym. Celem zapobieżenia sedymentacji cząstek zawiesiny w wannie (korycie) jest ona mie­ szana, mieszadłem ramieniowo-wahliwym. W trakcie obrotu bębna z prędko­ ścią do 40 obr/min, na powierzchni tkaniny gromadzi się placek filtracyjny. Po wynurzeniu się bębna z zawiesiny, dzięki połączeniu z próżnią, następuje dalsze odwadnianie osadu, mycie osadu (jeśli jest to konieczne) i odwadnianie przez ściskanie specjalnymi wałkami. W ostatniej fazie następuje przedmuch tkaniny i osadu sprężonym powietrzem, co ułatwia zbieranie osadu nożem i jednocześnie jest oczyszczana tkanina. Sposób zbierania placka zależy od postaci osadu; osady bezpostaciowe, typu past, są odbierane po przejściu taśmy

przez podgrzewany bęben, gdzie po wysuszeniu, podczas zmiany kierunku taśmy, osad kruszy się i odpada z tkaniny. Filtrat, odciągany z poszczególnych sekcji bębna przewodami próżni, zbiera się w zbiorniku, umieszczonym przed pompą próżniową. Średnica bębnów filtracyjnych wynosi 0,4-3 m, długość 0,35-2,5 m, powierzchnia filtracyjna 0,5-20 m . W celu formowania jednorod­ nego placka i usuwania go wtedy, gdy ma minimalną grubość, a także właści­ wego przedmuchiwania sprężonym powietrzem, filtr powinien posiadać jak największą liczbę komór oraz krótkie rury do przepływu filtratu. Wymienione warunki zapewniają nieduży spadek ciśnienia i duży przepływ filtratu. W fil­ trach bębnowych próżniowych zamiast klasycznej tkaniny są stosowane rów­ nież membrany [2], [3]. Redukuje to praktycznie do zera zasysanie powietrza przez filtr i zapewnia całkowicie czysty filtrat. Zakres stosowania filtrów bęb­ nowych próżniowych jest najbardziej uniwersalny; są one stosowane do filtro­ wania stosunkowo dużych strumieni objętości zawiesin, przy znacznym ich stężeniu, gdy istnieje konieczność otrzymania dobrze wymytego i wysuszonego osadu i klarownego przesączu. Filtry bębnowe próżniowe są stosowane w prze­ myśle chemicznym, przetwórstwie tworzyw sztucznych i gumy, oczyszczaniu ścieków, wód przemysłowych itp. 2

Rys. 12.11. Filtr bębnowy próżniowy: 1 — bęben perforowany, 2 — głowica rozdzielcza, 3 - taśma filtracyjna, 4 - skrobak, 5 - mieszadło

Filtry bębnowe ciśnieniowe różnią się od próżniowych tym, że bęben jest umieszczony w obudowie zamkniętej, w której panuje ciśnienie 0,3-0,4 MPa. Pod działaniem tego ciśnienia wywieranego na powierzchnię zawiesiny ciecz przepływa przez przegrodę filtracyjną, a następnie przewodami umieszczony­ mi w pustym obrotowym wale, poprzez głowicę, wypływa na zewnątrz filtru. Osad natomiast gromadzi się na tkaninie i po myciu jest podsuszany na ogrze­ wanym bębnie napinającym, po czym, podczas zmiany kierunku taśmy, spada kawałkami do przenośnika ślimakowego i jest odprowadzany na zewnątrz obu­ dowy. Budowa filtrów bębnowych ciśnieniowych jest bardziej złożona i mają one mniejsze zastosowanie.

Filtry tarczowe (rys. 12.12) mają powierzchnię filtracyjną w postaci tarcz w liczbie 1-12 przymocowanych do pustego wału. Tarcze są połączone, po­ dobnie jak w filtrze bębnowym, z głowicami w celu odsysania filtratu i prze­ dmuchiwania tkaniny sprężonym powietrzem. Tarcze składają się z szeregu trójkątnych segmentów obciągniętych tkaniną filtracyjną. Dolna część tarcz jest zanurzona w zawiesinie i w tym czasie zachodzi filtracja. Po wynurzeniu się tarcz zachodzi dalsze odsysanie cieczy, po czym, przed ponownym zanurze­ niem się tarcz, osad jest usuwany skrobakami z obu stron tarcz, podczas prze­ pływu przez tkaninę sprężonego powietrza. Konstrukcja filtru nie umożliwia mycia osadu, gdyż doprowadzenie cieczy na powierzchnię osadu mogłoby spo­ wodować jego spływ z powrotem do surówki filtracyjnej. To stanowi wadę tego rodzaju filtrów.

Zawiesina

Rys. 12.12. Schemat filtru tarczowego: 1 - wał pusty, 2 — tarcze, 3 — koryto z zawiesiną, 4 głowica rozdzielcza, 5 - noże zbierające, 6 — zsuwnia osadu, 7 — przenośnik ślimakowy

Filtr taśmowy (rys. 12.13) stanowi taśma filtracyjna, spoczywająca na gór­ nej, nośnej, perforowanej taśmie przenośnika taśmowego. Taśma filtracyjna opasuje bębny przenośnika i wałki napinające. Górna część taśmy przesuwa się po rynnie metalowej, podzielonej na wiele komór, które są połączone ze źród­ łem próżni. Zawiesina podawana na przesuwającą się taśmę z tkaniną filtra­ cyjną pod komorami z próżnią podlega filtracji tak, że osad pozostaje na tka­ ninie, ciecz natomiast przepływa porami tkaniny i jest odprowadzana na ze­ wnątrz, do zbiornika filtratu. Na dalszych odcinku taśmy następuje mycie osadu i ewentualne podsuszanie powietrzem sprężonym, po czym podczas zmiany kierunku osad odpada od taśmy. Filtr talerzowy stanowi poziomą tarczę o podwójnym dnie, z których dno górne jest perforowane i pokryte przegrodą filtracyjną. Przestrzeń pomiędzy górnym a dolnym dnem jest podzielona przegrodami na wiele trójkątnych seg-

mentów, które przewodami są połączone z głowicą, umieszczoną na piono­ wym pustym wale, pobobnie jak w filtrze bębnowym próżniowym. Głowica jest podłączona do próżni i powietrza sprężonego. Zawiesina podawana na powierzchnię segmentów połączonych z próżnią podczas obrotu talerza podle­ ga filtracji. Filtrat po przejściu przez tkaninę odpływa do źródła próżni, osad natomiast pozostaje na tkaninie i po myciu, spulchnieniu przepływem sprężo­ nego powietrza jest usuwany z tkaniny skrobakiem.

Rys. 12.13. Schemat filtru taśmowego: 1 - taśma filtracyjna, 2 — taśma nośna, 3,4 — bębny napędowy i napinający, 5,6 — dopływ zawiesiny i cieczy myjącej, 7 - koryta odpływowe, 8 — dopływ cieczy do mycia taśmy

W filtrach dynamicznych zawiesina przepływa równolegle do powierzchni filtracyjnej z szybkością od kilkudziesięciu do kilkuset razy większą od szyb­ kości filtracji. Przy tej szybkości na przegrodzie nie tworzy się placek, lecz zawiesina; na skutek przenikania cieczy przez pory (kanały) przegrody ulega zauiesina

jmN\mNNNN\NNN|

K o n c e n f r a t

Rys. 12.14. Schemat filtracji krzyżowej — dynamicznej w płaskim kanale: 1 tracyjna

przegroda fil­

zatężeniu tak, że różnica stężeń może dochodzić do 10-20%. Metoda zwana filtracją krzyżową jest stosowana do rozdzielania zawiesin zawierających cząstki o rozmiarach < 10 pm, trudne do wydzielenia innymi sposobami. Prze­ grodę filtracyjną stanowi tu tkanina lub membrana, również w postaci rur po­ rowatych. W zależności od szybkości względnej zawiesiny i powierzchni filtra­ cyjnej wyróżnia się dwie konfiguracje filtrów dynamicznych. Stanowią je płas­ ki kanał przedzielony przegrodą filtracyjną (rys. 12.14) lub wirującą tarczą osadzoną na pustym wale, z przegrodę filtracyjną (rys. 12.15). Porowate mem­ brany rurowe są stosowane w mikro- i ultrafiltracji. Wymienione podstawowe moduły mogą być zestawiane szeregowo lub równolegle. Wymiary modułów

zależą od specyfiki zastosowania. W filtracji okresowej dana objętość rozcień­ czonej zawiesiny jest recyrkulowana przez zbiornik surówki i filtr, do czasu uzyskania pożądanego wyższego stężenia. W filtracji ciągłej zatężona zawiesi­ na nie jest recyrkulowana do zbiornika surówki. Filtracja ciągła jest stosowana wówczas, gdy duży strumień zawiesiny Zawiesina jest zatężany. W celu uzyskania dużego stężenia końcowego stosuje się układ szeregowy modułów. W filtrach dynami­ cznych z nieruchomymi powierzchniami Filtrat filtracyjnymi i wirującymi dyskami (rys. 12.16), duże siły ścinające wytwa­ Szlam rzają dyski, wirujące z prędkością obro­ Rys. 12.15. Filtracja dynamiczna z wirują­ tową 2,5-5,0 m/s. Filtry dynamiczne cą powierzchnią filtracyjną: 1 — przegro­ zużywają mniej energii, wymagają da filtracyjna mniejszej przestrzeni instalacyjnej, są prostsze w obsłudze. Są stosowane do zatężania zawiesin i do klarowania cieczy w procesach oczyszczania wód i ścieków, w produkcji pigmentów bar­ wników i itp.

Filtrat Zawiesina Szlam

Rys. 12.16. Filtr dynamiczny wielostopniowy: 1 — łopatki wirników, 2 — przegrody filtracyjne, 3 — wał

12.4. WIRÓWKI Rozdzielanie zawiesin i emulsji w wyniku działania sił odśrodkowych pro­ wadzi się w wirówkach sedymentacyjnych i filtracyjnych. W wirówkach filtra-

cyjnych rozdzielanie odbywa się na przegrodzie filtracyjnej, w sedymentacyj­ nych natomiast w polu działania sił odśrodkowych. Bębny wirówek filtracyj­ nych są perforowane, sedymentacyjnych natomiast są pełne. Wirówki różnią się parametrami separacji, z których jednym z istotniejszych jest tzw. współ­ czynnik rozdziału Z lub uwielokrotnienia przyspieszenia, definiowany jako stosunek siły odśrodkowej do siły ciężkości /

0 > 2

z = "

D

~

g

n

2

~ 1800 '

gdzie D — średnica bębna [m], n — liczba obrotów bębna [obr/min]. Współczynnik Z wynosi dla wirówek: filtracyjnych 300-1500, sedymenta­ cyjnych śrubowych 2000-5000, sedymentacyjnych rurowych 15-50 tys., tale­ rzowych 5-90 tys., ultrawirówek > 100 tys. Parametr ścinania o określa dopuszczalne naprężenie w bębnie wirówki dla danej średnicy i prędkości wirowania 2

2

o ~ Dn

~

DZ.

Z zależności tej wynika, że duże wartości Z uzyskać można tylko w bęb­ nach wirówek o małej średnicy. 12.4.1. WIRÓWKI SEDYMENTACYJNE Wirówkę sedymentacyjną (rys. 12.17) stanowi pełny, nie perforowany bę­ ben, do którego jest podawana zawiesina w sposób okresowy, jako porcja obję­ tości lub strumień zawiesiny. W wyniku wirowania bębna następuje rozdział mieszaniny i ciecz klarowna odpływa z wirówki rurą ssącą lub przez próg przelewowy. Cząstki ciała stałego osiadają na ścianie bębna i są okresowo usuwane lub w sposób ciągły, zależnie od rodzaju wirówki. Sprawność roz­ działu zależy od zawartości w mieszaninie cząstek najmniejszych rozmiarów. a)

b)

~ \

C±

Przelew 2

f

Su rówłka Przelew

Surówka

Rys. 12.17. Wirówki sedymentacyjne: a) rurowa, b) bębnowa: 1 - zbierak osadu, 2 wadzenie cieczy klarownej

odpro-

Wirówki sedymentacyjne rurowe (rys. 12.17a) są zasilane zawiesiną od dołu; przepływ przez wirówkę jest osiowy. Charakteryzują się one dużym sto­ sunkiem wysokości do średnicy bębna, L/D « 4 - 6 . Wydajność objętościowa wirówki odniesiona do ziarna granicznego, odpowiadającego 50% sprawności wydzielania, separacji cząstek wynosi V = L

2u S, t

d

gdzie u — prędkość opadania ziarna granicznego -

pso {P ~ Pz) 8 s

t

18-n

S —

współczynnik O)

r

2

7t L R

2

-

8

określany r

\

jako

powierzchnia

osadzania

, odpowiadająca teoretycznie powierzchni od-

2rl -

ln

+ r

i stojnika o takiej samej sprawności rozdziału (separacji). Typowe wartości współczynnika S (w m ) dla wirówek sedymentacyjnych wy­ noszą: — bębnowa okresowa 20-200, — ślimakowa 150-2500, — rurowa 2000-3000; duże prędkości obrotowe, mała powierzchnia osa­ dzania, — talerzowa 400-120000; duża powierzchnia osadzania i duże prędkości obrotowe. Wydajność objętościowa V odpowiada przepływowi zawiesiny, ponad któ­ rym cząstki d nie będą sedymentowały. Sedymentacja będzie zachodzić wtedy, gdy przepływ będzie mniejszy niż V . Wirówki rurowe, do których zalicza się również ultrawirówki, pracują zwykle okresowo i w niewielkim stopniu jako ciągłe. Są stosowane do rozdzielania strumieni zawiesin i emulsji w zakresie 0,4-4 m /h, głównie do klarowania cieczy, gdy stężenia cząstek sta­ łych są małe, < 1% obj. Wirówki bębnowe (rys. 12.17b) mają mniejszy stosunek L/D ~ 0,6 i mniejszą sprawność rozdziału. Pracują w pozycji pionowej z prędkościami 450-3500 obr/min. Surówka jest podawana od góry w pobliże dna, strumicniem 6 - 1 0 m /h. Podczas wirowania bębna cząstki ciała stałego zbierają się n a jego powierzchni bocznej, ciecz klarowna natomiast w sposób ciągły przelewa się przez przegrodę pierścieniową lub jest odciągana, odsysana przewodem rurowym, gdy są rozdzielane ciecze nie mieszające się. Sposób wyładowania ciała stałego określają jego właściwości tak, że osady miękkie i plastyczne są zbierane zgarniakiem nożowym podczas prędkości nominalnej bębna, gdy są natomiast twarde i włókniste — podczas prędkości zmniejszonej. Wirówki bębnowe ze ślimakowym wyładowaniem osadu są konstruowa­ ne jako pionowe lub poziome, z bębnem cylindrycznym lub cylindryczno-stożr

2

L

5 0

L

3

kowym (rys. 12.18). Wymiary bębna określa stosunek L/D * 1,5-3,5. We­ wnątrz bębna jest zainstalowany ślimak do transportu wydzielonego osadu.

Ślimak obraca się w tym samym kierunku co bęben, lecz z szybkością mniej­ szą lub większą tak, że różnica szybkości wynosi 5-100 obr/min. Obroty bębna wirówki wynoszą 1600-6000 obr/min. Surówka jest podawana osiowo pustym wałem ślimaka, wypływa przez otwory w ślimaku i jest odrzucana na ścianki wirującego bębna Ciało stałe, wydzielone pod wpływem działa­ nia siły odśrodkowe: jest zbu-r.me ze ściany bębna ślimakiem i przenoszone do części stożkowej hcb* : r,r nóziom cieczy. Poziom cieczy jest utrzymy­ wany przelewem cieczy ki-r--.v-.Cj, po przeciwnej stronie bębna. W wirów­ kach ślimakowych są wydzielane c/astki > 2 pm o prędkości opadania u. = = (1,5-I5V10~ m/s ze strumienia >u; 'wki 0,4-60 m / h , przy stężeniu cząs­ tek 2 - 5 0 % obi Wilgotność o t r / ^ r ' : - o s a d u wynosi 5-10%. Wirówki śli­ makowe są stosowane do odwadniania stężonych zawiesin, gdy zmniejszenie objętości jest istotne. W przemyśle są stosowane do odzysku kryształów i po­ limerów, rozdzielania szlamów przemysłowych i komunalnych, odwadniania PCV, klasyfikacji kaolinu, dwutlenku tytanu i itp. :1

v

Wirówki sedymentacyjne wielokomorowe (rys. 12.19) posiadają bęben pionowy podzielony na koncentryczne komory. Surówka przepływa stopniowo przez komory z coraz większym przyspieszeniem. Duże przyspieszenie odśrod­ kowe i znaczny czas przebywania zapewniają dużą sprawność rozdziału, rów­ nież w odniesieniu do cząstek mikronowych. Ze względu na trudności z usu­ waniem osadu, jego stężenie w surówce nie przekracza 4 - 5 % obj. Bęben o średnicy 300-600 mm wiruje z prędkością 4500-8500 obr/min, przy wydaj­ ności odniesionej do surówki 2,5-10 m /h. Wirówki są stosowane do klarowa­ nia piwa, wina, soków, oczyszczania olejów i lakierów i itp. Wirówki talerzowe (rys. 12.20) zawierają szereg stożkowych dysków, na których zachodzi rozdział ciekłego układu niejednorodnego, w wyniku zwięk­ szonej szybkości sedymentacji z wielu równoległych warstw, na dużej powierz­ chni separacji. Surówka jest podawana osiowo, od góry przez wydrążony wał 3

i wpływa do przestrzeni poniżej dysków, następnie do przestrzeni pierścienio­ wej pomiędzy ścianą bębna a zespołem talerzy. Z przestrzeni pierścieniowej mieszanina wpływa cienkimi warstwami między talerze, gdzie cząstki (lub faza Surówka

Rys. 12.19. Wirówka wielokomorowa: 1 — kolektor surówki, 2 — bębny — komory

Rys. 12.20. Wirówka talerzowa: 1 — wał pusty, 2 talerze

Rys. 12.21. Wirówka talerzowa dyszowa: 1 - talerze stożkowe, 2 — dysze

cięższa mieszaniny) osiadają na powierzchni talerzy, oo czym zsuwają się do obwodu i ściany bębna. Przepływając dalej do odpływu znajdującego się w górnej części wirówki, składniki lżejsze odpływać oędą w pobliżu osi wiro­ wania, cięższe natomiast wzdłuż ścianki bębna. Nachylenie talerzy wynosi 35-50°. Bęben wiruje z prędkością do 12 tys. obr/min, zależnie od średnicy wynoszącej 0,15-1,0 m. Wydzielane mogą być cząstki o prędkości opadania u « 8*10~ m/s, przy stężeniu < 15% obj. ze strumienia surówki do 100 m /h. Wirówki talerzowe są najczęściej stosowane do rozdzielania emulsji. Ciągłe wyładowywanie osadu (szlamu) podczas rozdzielania układu trójfazowego ciecz—ciecz—ciało stałe jest możliwe w wirówce talerzowej, tzw. dyszowej (rys. 12.21), gdzie przestrzeń gromadzenia się szlamu ma kształt stożka obroto8

t

3

wego. Liczba dysz i ich rozmiar, umieszczanych w wierzchołku stożka, są do­ bierane tak, by w bębnie nie tworzył się placek. Dysze o średnicy otworów 0,75-2 mm w liczbie 12-24 zapewniają wypływ zawiesiny (szlamu) o stężeniu 5-50%. Wirówki znajdują zastosowanie w rozdzielaniu smół, oczyszczaniu, klarowaniu kwasu fosforowego ( H P 0 ) , odwadnianiu kaolinu i itp. 3

4

12.4.2. WIRÓWKI FILTRACYJNE Wirówki filtracyjne posiadają bębny, których ściany boczne są wykonane z blachy perforowanej i od wewnątrz pokryte tkaniną filtracyjną. W wyniku wirowania cząstki ciała stałego z zawiesiny Surówka gromadzą się na tkaninie, ciecz natomiast prze­ pływa porami gromadzącej się warstwy osadu 2 i tkaniny i jest odprowadzana na zewnątrz. Zasadniczym parametrem filtracji jest tu, oprócz wielkości siły odśrodkowej, przepuszczalność placka filtracyjnego. Wirówki filtracyjne są Filtrat dlatego zasadniczo stosowane do rozdzielania zawiesin tworzących dobrze przepuszczalne osady. Istotnymi wielkościami do stosowania Rys. 12.22. Wirówka filtracyjna okresowa: 1 - obudowa wirówki, wirówek filtracyjnych są stężenie zawiesiny 2 — bęben, 3 — wał napędowy i rozmiary cząstek. Istnieje kilka konstrukcji wirówek przystosowanych do pracy okresowej lub ciągłej, różniących się m. in. położeniem wału wirówki (pionowe lub poziome), sposobem wyłado­ wywania osadu. Wirówki okresowe różnią się głównie sposobem wyładowywania osadu, który może odbywać się ręcznie, automatycznie według określonego programu czasowego lub w układzie mieszanym.

Surówka

Rys. 12.23. Wirówka filtracyjna z wałem poziomym o działaniu pół­ ciągłym: 1 - pług zbierający, 2 - podajnik ślimakowy

* Wirówka okresowa (rys. 12.22) posiada bęben osadzony na pionowym wale napędza­ nym od góry lub dołu, umieszczony w obudo­ wie zakrytej od góry pokrywą. Określona obję­ tość zawiesiny jest wlewana do bębna ręcznie lub przewodem zasilającym. W trakcie wirowa­ nia filtrat odpływa kanałem dolnym obudowy. W odwirowaniu osad może być przemywany. Po zatrzymaniu wirówki osad zebrany na ścia­ nie bocznej worka filtracyjnego zgarnia się ręcznie. W wirówkach o działaniu półciągłym, ma­ jących bęben osadzony na poziomym wale (rys. 12.23), po wytworzeniu się odpowiednio grubej warstwy osadu dopływ zawiesiny zostaje zatrzymany i jeśli to konieczne, uruchamia się

przepływ cieczy myjącej. Po przemyciu osadu, w czasie zwolnionych obrotów bębna, nóż lub pług zbierający, dosunięte do powierzchni tkaniny zbierają osad, który spada do przenośnika ślimakowego lub nachylonej rynny i jest odprowadzany na zewnątrz. Po zebraniu osadu urządzenie zbierające jest odsu­ wane od powierzchni filtracyjnej i po zwiększeniu obrotów wirówki do nomi­ nalnych uruchamia się znowu zasilanie zawiesiną, i cykl się powtarza. Wymie­ nione czynności mogą być zaprogramowane i wykonywane automatycznie. Wirówki filtracyjne pracujące w sposób ciągły są zasilane ciągłym stru­ mieniem zawiesiny. Również w sposób ciągły jest odbierany filtrat i osad z wi­ rującego bębna. Wyładowanie osadu odbywać się może za pomocą pulsują­ cego tłoka, ślimaka lub w wyniku wibracji bębna.

1

|

|

i Osad

Filtrat

Rys. 12.24. Wirówka filtracyjna z pulsującym tłokiem: 1 — talerz stożkowy, 2 - tłok zgarnia­ jący — pulsujący

Wirówka z pulsującym tłokiem (rys. 12.24) jest zasilana zawiesiną po­ dawaną na wirujący wraz z tłokiem talerz stożkowy skąd jest odrzucana na ścianę bębna i równomiernie rozprowadzana po jego powierzchni. Ciecz pod działaniem siły odśrodkowej przepływa przez gromadzący się osad, tkaninę i perforację bębna i odpływa z obudowy wirówki. Osad jest usuwany tłokiem, który wykonuje ruch posuwisto-zwrotny i jednocześnie obraca się z tą samą prędkością co i bęben. Do rozdzielania zawiesin rozcieńczonych, dobrze filtru­ jących się są stosowane wirówki z pulsującym tłokiem i podwójnym wyłado­ waniem osadu. Bęben jest podzielony przez pulsujący tłok na dwie komory z oddzielnym wyładowaniem osadu, przez co wydajność wirówki wzrasta dwu­ krotnie, od czasu przebywania w bębnie wynosi 10-30 s. Gdy są rozdzielane zawiesiny o dużej lepkości, źle filtrujące się i wymagające intensywnego mycia, stosuje się wówczas wirówki z pulsującym tłokiem, wielostopniowe (rys. 12.25), w których są rozdzielone następujące czynności: odwirowania, mycia osadu i podsuszania osadu, bez przerywania ciągłości pracy wirówki.

Bęben w tyrp wypadku stanowi zespół trzech lub czterech współśrodkowych, perforowanych cylindrów, o zwiększającej się średnicy. * W wirówkach ślimakowych bę­ ben ma kształt stożka, osad natomiast Surówka jest wyładowywany ślimakiem stożko­ wym. Wirówki ślimakowe są konstru­ o w a n e z wałem poziomym i piono­ wym. W wirówce z wałem piono­ wym, zawiesina jest podawana od Ciecz góry na wirujący ślimak, skąd jest myjąca odrzucana na wewnętrzną^ powierzch­ nię stożkowego perforowanego bębna. Ciecz przepływa przez przegrodę Osad filtracyjną i jest odprowadzana na ze­ wnątrz jako filtrat, osad natomiast, Rys. 12.25. Wirówka filtracyjna z pulsującym przesuwany ślimakiem obracającym tłokiem, trójstopniowa: 1 — tłok zgarniający, 2 — bębny — stopnie się z inną prędkością niż bęben, opada do pojemnika ciała stałego. Wadą tego sposobu wyładowywania osadu jest erozja bębna wirówki. Wirówki są stosowane do odwadniania koncentra­ tów flotacyjnych, zawiesin kryształów itp. Wirówki wibracyjne (rys. 12.26) są stosowane do rozdzielania zawiesin zawierających cząstki o dużych rozmiarach. Bęben wirówki ma kształt stożka rozszerzającego się ku górze. Wyko­ Surówka nuje on ruch obrotowy i dodatkowy ruch drgający w pionie, zwykle Osad wywołany mechanizmem mimośrodowym. Surówka jest podawana na górę stożka wewnętrznego, skąd spływa do dolnej części bębna i przepływa po jego powierzchni do góry, podlegając jednocześnie filtra­ Filtrat cji. Szybkie drgania bębna wprowa­ dzają tworzącą się warstwę osadu w Rys. 12.26. Wirówka wibracyjna: 1 — obudowa, 2 — bęben, 3 — koło napędowe, 4 — wi­ stan pseudoplastyczny, w którym brator zmniejsza się tarcie pomiędzy ziar­ nami i powierzchnią drgającą bębna, co ułatwia filtrację i jednocześnie, dzięki rozwarciu stożka, osad przesuwa się do góry, skąd opada do szczeliny pierście­ niowej pomiędzy bębnem i obudową. Istnieją również konstrukcje wirówek wibracyjnych z wałem poziomym. Wirówki wibracyjne charakteryzują się mniejszymi szybkościami wirowania bębnów w porównaniu z innymi, do osiągnięcia tego samego celu rozdzielania i dużą trwałością przegród filtra­ cyjnych.

12.4.3. DOBÓR WIRÓWEK Dobór i stosowanie wirówek wynika z przesłanek technologicznych, eko­ nomiki procesu lub ochrony środowiska, gdy m. in. są wymagane: — ciągłość rozdziału i automatyzacja procesu, — wysoki stopień rozdziału cząstek o małych rozmiarach, niezależny od warstwy zebranego osadu, — duża szybkość rozdzielania cieczy o małej objętości zawiesiny, — montaż na bardzo ograniczonej przestrzeni, — rozdzielanie mieszanin niebezpiecznych dla środowiska.

12.5. HYDROCYKLONY Hydrocyklon stanowi aparat, w którym korzysta się z działania sił odśrod­ kowych w celu wydzielenia cząstek stałych z cieczy. Dzięki dużym przyspie­ szeniom odśrodkowym w hydrocyklonach jest możliwe uzyskanie współczyn­ ników uwielokrotnienia rzędu 500-25 000, co umożliwia wydzielanie cząstek w zakresie 3-250 pm. Hydrocyklon (rys. 12.27) składa się z części górnej cylindrycznej i dolnej stożkowej oraz tzw. dysz — wlotowej, wylotowej (przelotowej) i wylewowej. Zawiesinę wprowadza się stycznie do części cylindrycznej dyszą wlotową pod ciśnieniem 0,1-0,5 MPa. To powoduje wytworzenie Ciecz wewnątrz hydrocyklonu wiru, tzw. pierwotnego, klarowna który przesuwa się do wierzchołka części stożkowej i z którego następuje zasadnicze wydzielanie cząs­ Zawiesina tek ciała stałego. Cząstki o większych rozmiarach i większej bezwładności, siłą odśrodkową są skiero­ wane ku ścianie i jednocześnie poruszając się w dół opuszczają hydrocyklon dyszą wylewową, jako zatężona zawiesina. Na skutek dławienia wypływu na dyszy wylewowej wir pierwotny zmienia kieru­ nek i w postaci wiru wtórnego przepływa ku górze, do dyszy wylotowej. Drobne cząstki odrzucone z wiru wtórnego są porywane przez wir pierwotny i kierowane z powrotem do wylewu, co zwiększa i Osad efekt rozdzielania. (szlam) Konstrukcja hydrocyklonu, zwłaszcza wymiary Rys. 12.27. Hydrocyklon: zasadnicze i materiał konstrukcyjny są zależne od 1 — wir pierwotny, 2 — wir jego przeznaczenia i właściwości fizykochemicz­ wtórny nych rozdzielanej zawiesiny. Hydrocyklony, mimo prostoty konstrukcji, są urządzeniami o złożonym sposobie działania i wymagają stabilnych warunków pracy. Średnice hydrocyklonów wynoszą 20-500 mm, przy czym im mniejsza średnica, tym większa zdolność rozdzielcza cząstek o małych rozmiarach.

DoAvydzielenia cząstek ó małych rozmiarach z dużego strumienia zawiesi­ ny stosuje się układy równoległe hydrocyklonów, umieszczone we wspólnej komorze, zwane multihydrocyklonami Liczba pojedynczych hydrocyklonów zależy od strumienia i rodzaju zawiesiny i może dochodzić do kilkudziesięciu, ich średnica natomiast od kilku do kilkudziesięciu milimetrów. Hydrocyklony są stosowane do wstępnego zagęszczania zawiesin kierowa­ nych do rozdzielania w filtrach bębnowych i wirówkach, w procesach ługowa~nia, krystalizacji itp.

12.6. SPECJALNE METODY ROZDZIELANIA Wiele ciekłych układów niejednorodnych nie można rozdzielić metodami klasycznymi, zwłaszcza gdy zawierają one cząstki sub- i mikronowe, o gęs­ tości zbliżonej do cieczy, cząstki tworzące żele, gdy ciecz ma dużą lepkość i w wielu innych przypadkach. Najistotniejszą grupę aparatów do rozdzielania tego rodzaju układów, stanowią filtry membranowe, w których przegrody fil­ tracyjne (membrany) są zbudowane z następujących materiałów: — wysokocząsteczkowych polimerów, -— mikroporowatych materiałów ceramicznych, — mikroporowatych filtrów metalowych m. in. ze stali kwasoodpornych. Mają one postać płyt (arkuszy) lub rur (cylindrów). Membrany, w zależności od średnicy porów, dzielą się na porowate — 0,005-1 pm, mikroporowate — 0,001-0,005 pm i nieporowate, o porach mniejszych niż 0,001 pm, które sta­ nowią raczej strukturę niż otwory (pory). Membrany osadzone w odpowiednich oprawkach, ramkach, pierścieniach są umieszczone pojedynczo lub jako zestaw w korpusie, obudowie filtru. Roz­ dzielanie prowadzi się tu metodą filtracji krzyżowej, stosowanej w filtracji dynamicznej. Wzrost placka na powierzchni jest ograniczony, w wyniku prze­ pływu zawiesiny przez porowatą membranę z dużą prędkością. Przez pory przepływa filtrat (permeat) a znad powierzchni filtru (membrany) odpływa ciecz zatężona. W zależności od rodzaju i wielkości cząstek (cząsteczek) rozdzielanego układu są stosowane odpowiednie membrany i sposoby filtracji [4], np.: — mikrofiltracja prowadzona na membranach o dużej średnicy porów do separacji z cieczy cząstek o średnicy 0,02-10 pm, przy różnicy ciśnień 0 , 1 -0,5 MPa, stosowana w medycynie, przemyśle spożywczym, wytwarzaniu ma­ teriałów dla elektroniki, oczyszczaniu wody itp, — ultrafiltracja stosowana do separacji cząstek o średnicy ok. 0,005-0,01 pm, w medycynie i w mikrobiologii, przemyśle farmaceutycznym, do oczyszczania napojów, separacji i zatężania produktów mlecznych, odzysku barwników, otrzymywania superczystej wody itp.

Innymi specjalnymi metodami rozdzielania na membranach są następujące: — osmoza odwracalna (rewersyjna) stosowana do rozdzielania roztwo­ rów o różnych stężeniach, — dializa, oparta na wędrówce substancji ciekłej przez membranę, na sku­ tek gradientu stężenia, — elektrodializa, elektrolity są przenoszone przez membranę na skutek różnicy potencjału elektrycznego, — odparowanie membranowe, składniki lotne z cieczy organicznej są przenoszone przez membranę i odparowują do przepływającego gazu nośnego lub na skutek obniżenia ciśnienia, — separacja membranowa gazów, prowadzona na membranach nieporowatych, oparta jest na rozpuszczaniu gazu w membranie, dyfuzji i desorpcji. Separatory magnetyczne, zwane magnetyzatorami są stosowane do usu­ wania z wody i innych płynów roboczych cząstek ferromagnetyków, zatężania rud magnetycznych itp. Filtr stanowi zbiornik zawierający wypełnienie ma­ gnetyczne, otoczone na zewnątrz uzwojeniem elektromagnesu. Po przyłożeniu pola elektromagnetycznego, wypełnienie w postaci kulek lub włókien przycią­ ga tlenki metali (również produkty korozji) o średnicy 0,05-1 pm, znajdujące się w strumiemiu cieczy. Sprawność separacji zależy od wielkości siły pola magnetycznego, przyłożonego do strumienia zawiesiny i rodzaju materiału cząstek. Wynosi ona np. dla magnetytu > 9 0 % , miedzi ok. 50%.

12.7. DOBÓR FILTRU W celu doboru filtru niezbędna jest analiza następujących danych: — rodzaju i właściwości zawiesiny i tworzonego placka, — stężenia zawiesiny, — właściwości fizykochemicznych cieczy, — wymaganej wydajności, — mycia osadu, obecności zanieczyszczeń, suszenia, — istotności rozdziału: osad, ciecz, czy oba produkty są istotne. W analizie należy uwzględnić ponadto, że: — szybkość tworzenia się placka na tkaninie filtracyjnej wynosi podczas filtracji szybkiej — 0,1-10 cm/s, średniej — 0,1-10 cm/min, wolnej — 0 , i - 1 0 cm/h, — filtracja nie może być prowadzona w sposób ciągły, jeżeli placek o gru­ bości > 3 mm nie tworzy się w ciągu 5 min., — filtracja szybka odbywa się na filtrze taśmowym bębnowym, zasilanym od góry i w wirówkach wypychających, — filtracja o średniej szybkości odbywa się w filtrach bębnowych i tarczo­ wych, wirówkach zbierających (nożowych),

— filtracja wolna odbywa się w filtrach ciśnieniowych i wirówkach sedy­ mentacyjnych. Do wyboru określonej konstrukcji filtru pomocne mogą być prace [ 1 ] , [3], a także normy branżowe [5]-[7].

LITERATURA v

biiiraiion

[1] Fitters and Handbook. 3rd Ed., Ed. Ch. Dickensom Elsevier Sci. Publ., Oxford 1992. [2] M ALINO W-; KAJA T.A., KOBRINSKIJ LA. i in., Rozdzielanie zawiesin w przemyśle chemicznym, WNT, W a r s z a w a

1986.

[3] Handbook of Separation Techniąues for Chemical Engineers, Ed. P.A. Schweitzer, McGraw-Hill, N e w York 1979. [4] S e l e c k i A . , GAWROŃSKI R., Podstawy projektowania wybranych procesów rozdzielania mieszanin, WNT, Warszawa 1992. [5] BN-75/2379-01, Prasy filtracyjne ramowe. [6] BN-76/2371-17, Filtry próżniowe bębnowe. [7] BN-82/2377-01, Wirówki przemysłowe ciągłe i okresowe.

13. ODPYLACZE I ODKRAPLACZE GAZÓW 13.1. WPROWADZENIE Odpylanie gazów polega na usuwaniu z nich cząstek aerozolowych. Cząstki te mogą być stałe lub ciekłe. Proces odpylania gazu — usuwania cząstek stałych — jest prowadzony w aparatach zwanych odpylaczami, do usuwania kropel natomiast — cząstek ciekłych — są stosowa­ ne odkraplacze. Zastosowanie określonego procesu odpylania oraz typu odpylacza określa zarówno cha­ rakterystyka źródła emisji zanieczyszczeń, jak i wy­ magany stopień oczyszczenia, odpylenia gazu, zwa(V c.-E) ny sprawnością odpylania. Sprawność odpylania a z u

S wynika z wymagań technologicznych, bądź procesu odpylania wydzielenia cennego produktu, bądź otrzymania czystych gazów technologicznych lub odlotowych, gdy istnieje konieczność przestrzegania odpowiednich przepisów i norm ochro­ ny środowiska, dotyczących emisji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycz­ nego [1]. Sprawność ogólna odpylania r| jest związana z liczbą lub masą cząstek usuniętych ze strumienia gazu i — zgodnie ze schematem (rys. 13.1) — przy danym stężeniu masowym (lub liczbowym) cząstek C, jest wyrażana zależnością Rys. 13.1. Schemat blokowy

n = (c -c )/c, = f

* i - E / ( v

0

t

c

t

) .

Celem odpylania jest ograniczenie do wymaganego minimum emisji stru­ mienia masy cząstek aerozolowych E z gazami odlotowymi. Emisję E, w sto­ sunku do strumienia wlotowego cząstek, wyznacza się z penetracji cząstek p przez układ odpylający p

=EĄV C ) g

i

=

1-1,.

Sprawność ogólna (całkowita) jest sumą sprawności odpylania poszczegól­ nych rozmiarów lub zakresów rozmiarów cząstek. Zależność pomiędzy spraw­ nością odpylania a rozmiarem cząstek danego rodzaju nazywa się sprawnością frakcyjną odpylania i wyraża tą samą miarą co sprawność ogólną, tj. ułam­ kiem lub w procentach. Sprawność ogólna jest sumą sprawności w poszcze­ gólnych zakresach rozmiarów cząstek

gdzie x — ułamek (lub procent) danej frakcji, r|. — sprawność frakcyjna. i

Podobnie penetracja ogólna cząstek aerozolowych r

< p

=

I - £ * < I <

Y, iPix

=

Pełna znajomość właściwości oczyszczanego gazu oraz cząstek aerozolo­ wych jest jednym z podstawowych warunków doboru odpowiedniej metody odpylania gazu i konstrukcji odpylacza. Znajomość właściwości cząstek aero­ zolowych, takich jak średnica, gęstość, oporność, rozpuszczalność, adhezyjność itp. jest niezbędna do przewidywania efektów odpylania. Z rozmiarem cząstek wiąże się skuteczność działania sił, mechanizmów od­ pylania usuwających cząstki z gazu. Wykorzystuje się działanie sił pojedyn­ czych lub kombinację sił grawitacji, bezwładności, w tym sił odśrodkowych, dyfuzyjnych, sił elektrostatycznych, a także efekt bezpośredniego zderzenia cząstek z przegrodą (kolektorem) i zwiększenie rozmiarów cząstek przez koa­ gulację. Znajomość mechanizmów odpylania jest konieczna, zwłaszcza w od­ niesieniu do cząstek o rozmiarach submikronowych, mniejszych niż 1 pm, sta­ nowiących największe zagrożenie dla ludzi i ich środowiska, gdyż jest pod­ stawą zarówno projektowania, jak i prowadzenia procesu odpylania z odpo­ wiednio dużą sprawnością. W zależności od postaci wydzielonych cząstek (suchy pył lub zawiesina) zarówno stosowane metody odpylania, jak i odpylacze są określane jako suche lub mokre. Energia zużywana w procesie odpylania wynika zarówno z niezbędnej pręd­ kości strumienia gazu przez odpylacz, jak i z wymuszonej wędrówki cząstek do powierzchni wydzielania — kolektora. W pierwszym wypadku zużycie energii jest związane z pokonywaniem oporów tarcia i oporów lokalnych prze­ pływu. W drugim natomiast może być związane ze strumieniem gazu lub z si­ łami zewnętrznymi, takimi jak siły elektrostatyczne, energia kinetyczna cieczy itp. Strata energii strumienia gazu V podczas przepływu przez odpylacz jest związana ze spadkiem ciśnienia gazu Ap i wyrażana jako G

N

=

G

V -Ap. G

W odpylaczach mokrych, gdy energia jest doprowadzona ze strumieniem cieczy V zużycie mocy wyraża zależność v

N

L

=

V H-p g. r

r

Zużycie energii w procesie odpylania jest wyrażane w watach lub kilowatach na 1000 m oczyszczanego gazu. 3

Do odpylaczy suchych zalicza się: komory osadcze (pyłowe), odpylacze inercyjne, cyklony, filtry warstwowe i tkaninowe, elektrofiltry. Odpylacze mokre są określane zazwyczaj ogólną nazwą stosowaną dla apa­ ratów do kontaktu gazu i cieczy, jako skrubery, a także jako płuczki, zwła­ szcza w branżach związanych z tzw. przemysłem ciężkim. Niekiedy również w odpylaczach suchych może być stosowana woda (ciecz), jako czynnik po­ mocniczy, nie wpływając zasadniczo na proces odpylania, jak np. w elektrofil­ trach, które są nazywane wówczas mokrymi.

13.2. KOMORY PYŁOWE I ODPYLACZE INERCYJNE Odpylanie gazu w komorach pyłowych zachodzi pod wpływem działania siły ciężkości podczas przepływu strumienia aerozolu z prędkością umożliwia­ jącą osadzenie cząstek na dnie komory w trakcie przebywania gazu w komo-

Rys. 13.2. Komora pyłowa: a) jednokomorowa, b) wielopółkowa; 1 — obudowa, 2 — półki

rze. Czas opadania T cząstek w komorze (rys. 13.2) o długości L i wysokoś­ ci H przy prędkości liniowej przepływu gazu u, gdy prędkość graniczna opa­ dania cząstek wynosi u wyrażają stosunki t

=

L u

=

H u

t

Podczas przepływu laminarnego, gdy cząstki są równomiernie rozproszone w strumieniu gazu, sprawność wydzielania cząstek opadających z prędkością u wyraża równanie t

r) =

L-u uH

.

1

-Podczas przepływu^ burzliwego gdy Re > 2300, komora posiada n półek o szerokości w (rys. 13.2b) sprawność odpylania określa równanie T|

=

1 - exp

n-L-wu

t

Komory osadcze mają duże wymiary i małą sprawność odpylania cząstek o rozmiarach mikronowych. Stosowane są do wstępnego odpylania dużych stru­ mieni gazów z cząstek o rozmiarach ponad 50 pm, zapylonych w dużym stopniu. Sprawność odpylania może być zwiększona przez instalowanie na prze­ wodach lub w komorach elementów powodujących zmianę kierunku przepły­ Rys. 13.3. Odpylacze inercyjne: a,b) z wu strumienia aerozolu (rys. 13.3). przegrodami, c) żaluzjowy; 1 — obudowa Dodatkowe działanie na cząstki sił odpylacza, 2 — żaluzje, 3 — gaz odlotowy o większym zapyleniu bezwładności i efekt bezpośredniego zderzenia z przegrodą powodują, że z dużą sprawnością są wydzielane cząstki ^ 3 0 pm. Do odpylaczy inercyjnych zalicza się również odpylacze żaluzyjne (rys. 13.3c) stosowane w wielu technologiach przemysłowych jako odpylacze wstępne.

13.3. CYKLONY W odpylaczach odśrodkowych, zwanych cyklonami do odpylania gazów, stosuje się bardziej efektywny mechanizm odpylania, polegający na działaniu sił odśrodkowych na cząstki aerozolowe. Odpylacze odśrodkowe znajdują sze­ rokie zastosowanie w przemyśle, ze względu na prostą i zwartą budowę, brak części ruchomych, możliwość pracy w wysokiej temperaturze i wysokim ciś­ nieniu, niewielkie koszty wykonania oraz nieskomplikowaną obsługę. Strumień aerozolu może być wprowadzony w ruch obrotowy (wirowy) kilkoma sposo-

bami (rys. 13.4). W konstrukcjach klasycznych strumień aerozolu jest wpro­ wadzany bądź stycznie do części cylindrycznej cyklonu, bądź wlot jest spiralny (rys. 13.4a,b). W cyklonach z wlotem osiowym (rys. 13.4c) przed wlotem do części cylindrycznej aerozol przepływa przez zespół, wieniec łopatek nachylo­ nych do poziomu lub przez pełny element śrubowy, na których następuje zmia­ na ruchu z prostoliniowego na wirowy. Strumień aerozolu spływa następnie w dół, do wierzchołka części stożkowej, gdzie zmienia kierunek na przeciwny (przepływ rewersyjny). Poruszając się dalej ruchem wirowym spiralnym, jako wir wtórny, wzdłuż osi cyklonu do góry, opuszcza cyklon centralnie umiesz­ czoną rurą odlotową.

Rys. 13.4. Cyklony z wlotem: a) stycznym, b) spiralnym, c) osiowym, d) przelotowy

W cyklonach przelotowych (rys. 13.4d) gaz po wprowadzeniu w ruch wiro­ wy nie zmienia kierunku przepływu. Istnieją również konstrukcje odpylaczy odśrodkowych tzw. przeciwbieżne, których zasada działania jest oparta na kombinacji przepływu rewersyjnego z przelotowym [1]. Znajdują one jednak mniejsze zastosowanie. Siły działające na cząstki w cyklonie są funkcją promienia wirowania i roz­ miaru cząstek. W celu sprawnego wydzielania cząstek jest wymagana możliwie duża prędkość styczna i mała promieniowa, co wymaga długiej części stożko­ wej cyklonu. Siła odśrodkowa działająca na cząstki o średnicy d masie m i promieniu wirowania r wynosi 9

3

m -u F

° - ~ r

2

TCd„ p w _

6 ~ T '

Z tego równania wynika, że sprawność odpylania w cyklonach będzie wzra­ stać następująco: — proporcjonalnie, wraz ze zwiększeniem średnicy cząstek d w potędze trzeciej, — proporcjonalnie,wraz ze zwiększaniem gęstości cząstek p , — proporcjonalnie, wraz ze zwiększeniem prędkości stycznej wirowania cząstek u w potędze clrugiej, — odwrotnie proporcjonalnie do promienia wirowania r cząstek. Im mniejsza jest średnica cyklonu, tym większa siła odśrodkowa jest wy­ twarzana i większa jest sprawność odpylania. W cyklonach jest wytwarzana siła odśrodkowa rzędu 75-1000 razy większa od siły grawitacji. Graniczna sprawność frakcyjna cyklonów r| = 50% odpowiada średnicy cząstek 5 pm. Typowy cyklon o średnicy 1 m ma sprawność ok. 50% dla cząs­ tek 20 pm, wysoko sprawny natomiast ok. 80% dla cząstek d > 10 pm. Stęże­ nie cząstek w strumieniu wlotowym do cyklonu zawierać się może od 1 g/m do 50 kg/m . Analiza ruchu strumienia aerozolu w cyklonie, dokonywana na podstawie różnych modeli uwzględniających wymienione i dodatkowe parametry, w tym geometryczne cyklonu, doprowadziła do wielu równań określających spraw­ ność odpylania w cyklonach [1]. Kształt cyklonu określają proporcje jego podstawowych wymiarów (rys. 13.5) odniesione zazwyczaj do średnicy cyklonu. Średnice cyklonów zmieniają się od 0,05 m, w tzw. cyklonach mierniczych, do kilku metrów, gdy są stosowane w kotłach fluidalnych cyrkulacyjnych. Proporcje te mają wpływ na sprawność odpylania tak, że maksimum sprawności uzyskuje się, gdy długość rury odloto­ wej gazu 5 ~ D lub S ~ B, gdy B jest większe od D . Zwiększenie ogólnej wysokości cyklonu H zwiększa sprawność odpylania, lecz jednoczesny wzrost kosztu inwestycyjnego i wymaganej przestrzeni dla zabudowy ogranicza możliwości zmian tego parametru. Zaleca się jednak za­ chowanie warunku H > 3D. Zmniejszenie stosunku D /D powoduje większy spadek ciśnienia gazu, co zwiększa sprawność odpylania. Stosunek ten jest zwykle ograniczony do 0,5. Jeśli wlot aerozolu do cyklonu jest prostokątny, to warunek a > b powoduje zwiększenie sprawności odpylania, lecz bardziej praktyczny jest warunek a = b. By utrzymać ciśnienie gazu na niskim poziomie, należy zachować warunek (a-b) > nD / 4 . Spadek ciśnienia gazu, spowodowany oporami tarcia i miejscowymi, w cy­ klonie wynosi p

p

s

3

3

e

e

e

Lp gdzie N

H

=

N„(ufp /2), g

— tzw. liczba prędkości wlotowej jest funkcją proporcji wymiarów geometrycznych cyklonu 16(ab) /D , określana jak wiadomo w hydrodynamice przepływów jako współczynnik oporów miejs­ cowych, — prędkość liniowa gazu na wlocie do cyklonu. 2

w

.

Spadek ciśnienia w typowych cyklonach wynosi 0,5-1,5 kPa, w wysoko sprawnych natomiast 1,0-3,0 kPa. Typowe prędkości wlotowe strumienia aero­ zolu do cyklonu 15-35 m/s, z tym że mniejsze prędkości dotyczą cyklonów nisko sprawnych o dużej wydajności. Duże prędkości wlotowe, przy znacznych stężeniach cząstek, mogą powodować silną erozję zarówno wlotowej części cyklonu, jak i części dolnej, stożkowej.

Rys. 13.5. Wymiary standardowe cyklonu

W celu poprawienia sprawności odpylania stosuje się niekiedy połączenia szeregowe, baterie cyklonów o zmniejszającej się średnicy. Do odpylania du­ żych strumieni objętości gazów stosuje się baterie cyklonów połączonymi równolegle lub multicyklony. Multicyklon (rys. 13.6) tworzy równoległe połączenie wielu cyklonów o małej średnicy; mają one wspólny wlot i wylot. Przepływ gazu ('wzór prze­ pływu) jest tu inny niż w cyklonie klasycznym, gdyż aerozol do zespołu rur wpływa od góry i jest wprawiany w ruch wirowy za pomocą łopatek, jak w cyklonach osiowych. Średnica rur zmienia się w zakresie 150-600 mm. Właś­ ciwie zaprojektowane i wykonane multicyklony mają sprawność rzędu 90% dla cząstek 5-10 pm. Trudności w równomiernej dystrybucji (rozdziale) aerozolu

zarówno między cyklony, jak i blokowanie pyłem, powodują ograniczone za­ stosowanie multicyklonów.

\

Rys. 13.6. Multicyklon: i — pojedynczy cyklon, 2 — łopatki kierujące, 3 — zbiornik pyłu, 4 — rurki gazu odpylonego 7

Zalet) odpylaczy cyklonowych są następujące: brak części ruchomych, mniejszy koszt w porównaniu z innymi odpylaczami o porównywalnej spraw­ ności odpylania, możliwość pracy w wysokiej temperaturze, suchy produkt, niewielkie zużycie energii, pewność działania. Wadą jest natomiast względnie mała sprawność odpylania dla cząstek po­ niżej 15 pm oraz znaczna erozja przy cząstkach twardych, o ostrych krawę­ dziach.

13.4. ODPYLACZE FILTRACYJNE Zasada działania odpylaczy filtracyjnych jest oparta na przepływie strumie­ nia aerozolu przez przegrodę porowatą i osadzaniu się cząstek na elementach przegrody (kolektorach): ziarnach, włóknach itp., w wyniku działania sił bez­ władności, dyfuzji, elektrostatycznych oraz efektu bezpośredniego zaczepienia. Z biegiem procesu odpylania (filtracji) na powierzchni i we wnętrzu przegrody gromadzi się coraz grubsza warstwa pyłu, co powoduje wzrost oporów w prze­ pływie gazu, które nie mogą przekroczyć wartości dopuszczalnej. Wydzielony pył musi być okresowo usuwany, co jest określane mianem regeneracji filtru. W filtrach proces filtracji i regeneracja powtarzane są cyklicznie.

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje filtrów (przegród filtracyjnych): warstwowe i tkaninowe. Filtry warstwowe stanowią warstwy luźno upakowanych lub sprasowa­ nych włókien oraz różnego rodzaju elementy wypełnień nieruchomych lub ruchomych. Filtry tkaninowe stanowią tkaniny plecione, tkane, filcowane, formowane w kształcie worków, kieszeni itp. Filtry tkaninowe i włókniste są wykonywane z włókien naturalnych i synte­ tycznych, np. bawełny, wełny, nylonu, teflonu, włókien szklanych itp. Warstwy filtracyjne są wykonywane z włókien mineralnych i metalowych, siatek meta­ lowych. Regeneracja filtrów tkaninowych polega na dynamicznym działaniu siły, powodującym wstrząsanie tkaniny lub przedmuchiwaniu powietrzem w kierun­ ku przeciwnym do filtracji. Filtry warstwowe, w postaci ziaren lub włókien, regeneruje się poprzez ich mycie, przedmuchiwanie powietrzem, okresowe wstrząsanie lub wymianę warstwy. Wymienione układy filtracyjne są zaliczane do najbardziej skutecznych me­ tod odpylania suchego gazów — sprawność odpylania wynosi 99,9% dla cząs­ tek do 0,01 pm. Usuwanie cząstek mniejszych niż 10 pm ze strumienia gorących gazów może być wykonywane w filtrach z nieruchomą lub ruchomą warstwą mate­ riału ziarnistego: piasku, żwiru, koksu i innych wypełnień, zwykle ceramicz­ nych, o różnym kształcie. Zaletą filtrów jest niski koszt materiału warstwy, a w filtrach z ruchomą warstwą praca ze stałym spadkiem ciśnienia, bez konie­ czności okresowego przedmuchiwania i mycia. Filtry mają wysoką sprawność odpylania cząstek rozmiarów mikronowych i submikronowych. Mała spraw­ ność w zakresie rozmiarów 0,2-2 pm może być poprawiona przez przyłożenie do układu sił elektrostatycznych. W praktyce przyłożenie do filtru zewnętrzne­ go pola elektrycznego i dodatkowo elektrostatyczne ładowanie cząstek umożli­ wia bardzo sprawne wydzielanie, również cząstek submikronowych [1]. Spraw­ ność odpylania w filtrach warstwowych określa równanie /

r| = 1 - exp

r

\

J T - 5 - I I T ,

w którym k = 3 / 2 — dla warstwy ziarnistej, k = 4/n — dla warstwy włókien, L — grubość warstwy, d — rozmiar elementu warstwy, e — porowatość warstwy, r\ — sprawność osadzania cząstek na pojedynczym kolektorze, elemencie warstwy. Do tego rodzaju filtrów zalicza się również tzw. filtry świecowe, wykony­ wane z porowatych materiałów ceramicznych, metalowych i tworzyw synte­ tycznych. Są one stosowane do usuwania cząstek sub- i mikronowych z gazów k

k

gorących o temperaturze > 1000 K. Wykonywane z różnego rodzaju tworzyw sztucznych filtry membranowe, pojedyncze lub w postaci pakietów, mają struk­ turę otwartą w kierunku przepływu i zanieczyszczenia wydzielane są na po­ wierzchni i w głębi porów. Taka struktura zapewnia stały spadek ciśnienia gazu przez dłuższy czas filtracji. Filtry są stosowane do oczyszczania gazów technologicznych i^dlotowych w przemyśle farmaceutycznym, biotechnologii, sterylizacji i in. Filtracja w filtrach tkaninowych może być prowadzona w wielu różnych typach filtrów różniących się konstrukcją, metodą regeneracji, rodzajem tkani­ ny itp. W wielu procesach filtr tkaninowy stanowi końcowy etap oczyszczania gazu i jest często nazywany filtrem workowym. W tego rodzaju filtrach tkani­ na ukształtowana jest w postaci cylindrycznego worka, nałożonego na cylindry­ czną konstrukcję klatkową, wykonaną z prętów metalowych. Średnica worków dochodzi do 300 mm, wysokość zaś do 10 m. Tego rodzaju elementy są roz­ mieszczone w komorze filtru (rys. 13.7), w liczbie zależnej od dozwolonej prędkości filtracji, która w zależności od rodzaju cząstek jest rzędu 0,005-0,02 m/s oraz rodzaju tkaniny. Zakres temperatur roboczych, zależnie od ro­ dzaju tkaniny, wynosi 275-550 K, natomiast stężeń na wlocie do filtru 0 , 2 - 2 5 0 g/m . Żywotność worków wynosi od dwóch do trzech lat. 3

Rys. 13,7. Filtr workowy z regeneracją wstrząsową worków: 1 — worki, 2 — wibrator mecha­ niczny, 3 — drgająca rama, 4 — podajnik ślimakowy, 5 — podajnik pyłu celkowy

Okresowe prowadzenie filtracji w filtrach jedno- lub wielokomorowych dotyczy odpylania małych strumieni objętości gazów z procesów rozdrabniania, przesiewania, transportu (przesypywania), czyszczenia i polerowania i innych.

Podczas odpylania dużych strumieni objętości gazów, np. spalin odlotowych z kotłów przemysłowych i energetycznych, pieców elektrycznych, suszarek itp. są stosowane filtry wielokomorowe. Wymagana najmniejsza liczba komór dla pracy ciągłej filtru wynosi, w zasadzie, dwie, lecz w praktyce są stosowane trzy. Wraz ze wzrostem objętości strumienia oczyszczanego gazu liczba komór zwiększa się, jako wielokrotność dwóch plus komory dodatkowe. Liczba ko­ mór w filtrach o dużej wydajności dochodzi do kilkudziesięciu. Regeneracja worków wymienionymi metodami, w zależności od szybkości wzrostu granicz­ nej wielkości spadku ciśnienia gazu, odbywa się z różną częstością. Typowy spadek ciśnienia gazu wynosi 0,5-4,0 kPa, liczba wstrząsów lub impulsów powietrza sprężonego podczas regeneracji wynosi natomiast od 4 - 5 na godzi­ nę, do jednego na kilka godzin.

13.5. ELEKTROFILTRY W elektrofiltrach cząstki aerozolowe, stałe lub ciekłe, są wydzielane pod­ czas przepływu strumienia aerozolu przez wysokonapięciowe pole elektrycz­ ne, wytworzone pomiędzy dwoma elektrodami: katodą — elektroda emisyjna i anodą — elektroda osadcza. Wydzielanie następuje w wyniku: — ładowania elektrostatycznego cząstek, — usuwania naładowanych cząstek z pola elektrycznego, — usuwania cząstek pyłu z powierzchni osadzania. Wielkość sił działających na cząstki zależy od ładunku elektrycznego uzyskanego przez cząstki oraz od potencjału pola. Napięcie przy­ kładane do elektrod wynosi 30-100 kV, a gra­ dient pola rzędu kilku kilovoltów na centy­ metr (kV/cm). W polu pomiędzy elektrodami (rys. 13.8) cząstki aerozolowe są ładowane indukcyjnie i z jonami, pod wpływem sił pola wędrują do uziemionej anody, gdzie nadmiar ładunków spływa do ziemi. Pozbawione ładun­ ku cząstki, pod wpływem sił grawitacji i wy­ muszonej wibracji elektrod osadczych, opadają na dno elektrofiltru. Ponieważ siły pola elektry­ cznego działają bezpośrednio na cząstki, elek­ trofiltry charakteryzują się więc dużą sprawno­ ścią wydzielania cząstek, również submikronoRys. 13.8. Elektrofiltr

cylindrycz-

ny, moduł podstawowy: 1 - źródło prądu wysokiego napięcia, 2 izolator, 3 - katoda, 4 - anoda, 5 - komora pyłu

\ ^

J A

^

***** .

™

m

&

Z

U

.

,

^

f^'

50-200 Pa. Elektrofiltry umożliwiają odpylanie dużych objętości strumieni gazów, również w wysokiej temperaturze.

Istnieją dwie zasadnicze konstrukcje elektrofiltrów, określone kształtem elektrod osadczych: cylindryczne i płytowe. W elektrofiltrach cylindrycznych (rys. 13.8) elektrodę osadczą stanowi cy­ linder lub graniastosłup z osiowo umieszczoną katodą, w postaci drutu z ostrza­ mi. Moduł ten jest powtarzany wielokrotnie w oczyszczaniu większych stru­ mieni objętości gaz^w. '{prąd

'r

Rys.

ŁH

rU-i

siaty)

r O K

13.9. Elektrofiltr płytowy: 1 - doprowadzenie napięcia, 2 — izolatory, 3 4 — anody — płyty, 5 — zbiornik dolny pyłu

katody,

W elektrofiltrach płytowych (rys. 13.9) elektrody osadcze stanowią płyty zestawione równolegle do przepływu gazu, zwykle profilowane, w celu zapew­ nienia dużej powierzchni osadzania i separacji wydzielonych cząstek ze strefy działania gazu. Odległość płyt wynosi 200-400 mm. W równych odstępach od siebie i ścian płyt są zawieszone elektrody emisyjne w postaci cylindrycznego lub specjalnie ukształtowanego drutu. Taki układ elektrod jest powtarzany wie­ lokrotnie w układzie równoległym, w celu odpylania dużych strumieni objętoś­ ci lub szeregowo w celu uzyskania dużej sprawności odpylania. Typowy elek­ trofiltr płytowy zawiera trzy pola szeregowe, wysoko sprawne — cztery. Sprawność odpylania elektrofiltru oblicza się z równania Deutscha r| = 1 - exp w którym w A

W

prędkość migracji cząstek do elektrody osadczej, powierzchnia elektrod osadczych, strumień objętości odpylanego gazu.

Prędkość migracji cząstek w polu elektrycznym wyznacza się z bilansu sił oporu i elektrycznych. Prędkości te w dużym stopniu zależą do oporności wła­ ściwej cząstek, ich rozmiarów i wielkości przyłożonego napięcia i zmieniają się w zakresie od kilku do ok. 20 cm/s. Zależnie od warunków pracy i wymaganej sprawności odpylania prędkości gazu w elektrofiltrze wynoszą 0,5-2,5 m/s. W celu uzyskania wysokiej spraw­ ności odpylania i minimum spadku ciśnienia gazu, w przestrzeni pomiędzy elektrodami jest wymagany jednorodny rozkład prędkości gazu, co przy stru­ mieniach gazu rzędu 40-50 m /s nie jest proste. 3

Zasilanie prądowo-napięciowe elektrofiltrów jest regulowane automatycznie dla warunków optymalnego ładowania cząstek. Wyładowania na elektrodzie emisyjnej są okresowe 50-150/min w każdej sekcji. Zaletę elektrofiltrów stanowi zdolność wydzielania z gazu cząstek <2 pm z wysoką sprawnością w stanie suchym i niskich kosztach eksploatacyjnych. Są to jednak urządzenia o dużych wymiarach, bardzo kosztowne. Stanowią one alternatywne rozwiązanie w stosunku do filtrów tkaninowych do odpylania dużych objętości strumieni gazów gorących i korozyjnych.

13.6. ODPYLACZE MOKRE — SKRUBERY W odpylaczach mokrych — skruberach strumień zapylonego gazu jest od­ pylany wskutek kontaktu z cieczą, zwykle wodą. Cząstki aerozolowe są wy­ dzielane na kroplach, strugach lub warstewkach cieczy, również pokrywających różnego rodzaju powierzchnie. Natrysk kropel i strug na strumień aerozolu jest stosowany w skruberach natryskowych, odśrodkowych, strumieniowych, me­ chanicznych i Venturiego. Wydzielanie na strugach i warstewkach cieczy odby­ wa się w skruberach z wypełnieniem stałym nieruchomym lub ruchomym. Sprawność odpylania w skruberach jest funkcją energii doprowadzonej do układu gaz—ciecz. Energia ta może być doprowadzona wraz ze strumieniem gazu jako energia ciśnienia, ze strumieniem cieczy w postaci energii kinetycz­ nej lub jako energia mechaniczna, wywołująca ruch wirnika w odpylaczach mechanicznych — wirnikowych. Cząstki aerozolowe zostają wydzielane na wymienionych powierzchniach cieczy głównie w wyniku działania sił bezwład­ ności i dyfuzyjnych oraz zjawiska zaczepienia i bezpośredniego zderzenia. Wymienione mechanizmy odpylania są omówione w pracach [1], [2]. Sprawność odpylania w skruberach wzrasta wraz ze zwiększeniem stosunku cieczy do gazu, spadkiem ciśnienia gazu i zmniejszeniem średnicy kropel. Graniczna sprawność odpylania 50% klasycznych odpylaczy mokrych odpowia­ da średnicy cząstek 2 pm. Sprawność ogólna odpylania wynosi ponad 9 5 % dla cząstek d > 5 pm. W skruberach Venturiego, w których spadki ciśnienia wy­ noszą ponad 5 kPa, uzyskuje się sprawności rzędu 99% dla cząstek 1 pm. Spa­ dek ciśnienia w klasycznych skruberach wynosi 1,5-4,5 kPa. p

Do charakterystyki odpylaczy mokrych, oprócz sprawności odpylania i spad­ ku ciśnienia gazu lub zużycia mocy, konieczna jest również znajomość zużycia właściwego cieczy, odniesionego do jednostki objętości odpylanego gazu, wy­ rażanego zwykle w [dm /m ]. Odpylanie mokre w skruberach jest stosunkowo proste, w porównaniu z in­ nymi metodami. Wnvyniku jednak burzliwego kontaktu gazu i cieczy, który jest niezbędny do uzyskania dużej sprawności odpylania, w skruberach są gene­ rowane i unoszone z gazami odlotowymi krople. Porywane i unoszone krople są wydzielane w separatorach — odkraplaczach, instalowanych na wylocie — wewnątrz lub na zewnątrz skrubera. W wyniku odpylania cząstki aerozolowe przechodzą do cieczy i tworzy się zawiesina. Ciecz podawana do skrubera jest najczęściej w obiegu zamkniętym i uzupełniane są jedynie jej straty. Separacja ciała stałego z zawiesiny opusz­ czającej skruber odbywa się metodami odstawania, filtracji lub wirowania, zależnie od rodzaju ciała stałego i wymagań co do stopnia odwodnienia pro­ duktu. 3

3

Rys. 13.10. Skrubery natryskowe z przepływem: a) przeciwprądowym, b) krzyżowym, c) współprądowym: 1 — natrysk cieczy, 2 — odkraplacz

W skruberach natryskowych ciecz rozpylona na krople zrasza przepływa­ jący strumień aerozolu. Natrysk jest wytwarzany za pomocą dysz hydraulicz­ nych lub zderzeniowo-uderzeniowych. Wzajemny przepływ strumieni aerozolu i kropel może być przeciwprądowy, krzyżowy lub współprądowy (rys. 13.10). W odpylaczach przeciwprądowych (rys. 13.10a) ciecz rozpylona na krople u góry skrubera opada przeciwprądowo w stosunku do płynącego do góry stru-

mienia gazu. W czasie opadania kropli cząstki aerozolowe, w wyniku zderzenia inercyjnego i bezpośredniego zaczepienia o powierzchnię kropel, zostają osa­ dzone na ich powierzchni. Krople z zawartymi, wydzielonymi cząstkami, łą­ cząc się na poziomie dolnym skrubera, tworzą zawiesinę, która odpływa z apa­ ratu. W skruberach z krzyżowym przepływem strumienia aerozolu i kropel, sprawność odpylania wzrasta wraz z wysokością opadania kropel i zwiększe­ niem prędkości względnej kropel. W odpylaczach współprądowych cząstki aerozolowe są wydzielane na kroplach tylko podczas względnego ruchu kropli i gazu i sprawność odpylania w dużym stopniu zależy od drogi, na której wy­ stępuje wymieniony ruch względny. W skruberach natryskowych są stosowane również kombinacje wymienio­ nych kierunków przepływu. Sprawności odpylania w odpylaczach natryskowych wynoszą ponad 80% dla cząstek d > 5 pm, przy gęstościach zraszania 0,25-3,0 dm /m , prędko­ ściach gazu 2,0-3,0 m/s. Spadek ciśnienia gazu wynosi 0,2-0,5 kPa. W odpylaczach odśrodkowych (rys. 13.11) strumień zapylonego gazu wpływa stycznie, przez wąski otwór lub szczelinę, do części cylindrycznej, w wyniku czego jest wprowadzany w ruch wirowy. Natrysk cieczy może być skierowa­ ny od góry, od dołu, ze ścian aparatu, współprądowo ze strumieniem wlotowym lub z centralnego przewodu umieszczonego osio­ wo, jak na schemacie (rys. 13.11). Podczas przepływu wirowego wznoszącego się do góry, cząstki są wydzielane na kroplach i warstewkach cieczy, głównie w wyniku działania mechanizmu inercyjnego. Wprowa­ dzenie gazu w ruch wirowy polepsza znacz­ nie sprawność odpylania, w porównaniu ze skruberami natryskowymi. Gdy prędkość liniowa gazu na wlocie wynosi 15-40 m/s, wtedy sprawność odpylania wynosi ok. 90% dla cząstek d > 5 pm, przy spadku ciśnie­ nia gazu 0,4-1,5 kPa i zużyciu wody 0 , 2 : -1,4 dm /m . 3

3

p

3

Rys. 13.11. Skruber odśrodkowy: 1 doprowadzenie wody, 2 — kolektor rozpyłu, 3 — wlot styczny gazu za­ pylonego

3

Odpylacze uderzeniowo-inercyjne sta­ nowią kolumny półkowe i aparaty z wypeł­ nieniem (omówione w rozdz. 16 i 17). Od­ pylanie polega tu na bezpośrednim zderze­ niu strumienia aerozolu z powierzchnią cieczy i zmianie kierunku przepływu. W wymienionych aparatach-skruberach kolektory cząstek stanowią również zwilżone powierzchnie półek i znajdujących się na nich (umocowanych) różne-

go rodzaju elementach (kształtowpikach), albo ułożonych lub usypanych wy­ pełnieniach. W klasycznych skruberach uderzeniowych strumień aerozolu uderza prosto­ padle w powierzchnię cieczy z prędkością ponad 15 m/s i penetruje w głąb, po czym jako strumień dwufazowy gaz—ciecz opływa różnego rodzaju przegrody. W skruberach półko\^ych aerozol przepły­ wa przez otwory półki, barbotuje przez warstwę cieczy na półce i uderza w płaskie przegrody umieszczone nad otworami lub opływa kołpaki, dzwonki, zawory i inne typowe elementy na półkach. Klasyczne skrubery wypełnione są rzadko stosowane do usuwania z gazu stałych cząstek aerozolowych, ze względu na tendencje do blokowania wypełnienia osadzonym pyłem, z wyjątkiem cząstek bardzo dobrze rozpuszczalnych w cieczy. W takich przypadkach stosowane są skru­ bery z ruchomym wypełnieniem, w postaci lekkich kul z tworzyw sztucznych, umiesz­ czonym pomiędzy dwoma półkami (rys. 13.12). Przepływ c^c>\Lwiego gazu przez zraszaną warstwę ku; :r, wytwarza burzliwe trójfazowe złoże fluidalne, z in­ tensywnym ruchem kulek, co zapobiega blokowaniu aparatu pyłem. Wymienione odpylacze należą do skruberów śreunioenergetycznych, o spadki? ciśnienia gazu 0 , 7 -2,0 kPa. Sprawność odpylania wynosi ponad 90% dla cząstek d > 2 pm.

Rys. 13.12. Skruber fluidalny: 1 - do­ prowadzenie wody, 2 — wypełnienie ruchome, 3 — półka oporowo-rozdzielająca, 4 — półka zatrzymująca, 5 — odkraplacz

p

Skrubery mechaniczne zawierają wirnik obrotowy z łopatkami, wprowa­ dzający w ruch wirowy strumień aerozolu, na który jest podawany natrysk kropel wody. Cząstki są wydzielane w wyniku zderzeń inercyjnych z kroplami i następuje koagulacja cząstek w ruchu burzliwym. Sprawność odpylania wy­ nosi do 90% dla cząstek 1 pm. Osadzanie się cząstek pyłu na łopatkach i ich erozja są wadą tych odpylaczy. Skrubery Venturiego są jednymi z najbardziej sprawnych odpylaczy mo­ krych służących do usuwania z gazu, również cząstek submikronowych. Zasa­ da działania opiera się na przyspieszaniu aerozolu w części rury Venturiego (rys. 13.13), konfuzorze i gardzieli do prędkości 60-120 m/s, w obecności stru­ mienia kropel o małej średnicy. Duża burzliwość i duże prędkości względne aerozolu i kropel oraz kondensacja oparów wody na cząstkach w dyfuzorze zapewniają wysoką sprawność odpylania, również w odniesieniu do cząstek

submikronowych. Wydzielenie kropel z osadzonymi w nich cząstkami odbywa się w separatorze odśrodkowym, mniejsze krople natomiast są usuwane w odkraplaczu. Istnieje wiele odmian konstrukcyjnych skruberów Venturiego, zape­ wniających wysoką sprawność odpylania kosztem dużo nakładu energii, przy spadku ciśnienia gazu, rzędu 5,0-30 kPa.

Rys. 13.13. Skruber Venturiego: 1 - dysza Venturiego, 2 - dopływ wody, 3 4 — separator odśrodkowy, 5 — odkraplacz

dyfuzor,

W odpylaczach mokrych oprócz odpylania mogą być prowadzone również procesy chłodzenia gazów i absorpcji zanieczyszczeń gazowych, głównie kwaś­ nych, co może być pożądane lub nie. W takim przypadku skruber musi być wykonany z materiałów odpornych na korozję. Stosowanie wody wiąże się z jej zamarzaniem w warunkach zimowych oraz oczyszczaniem ścieków, co stanowi dodatkowy problem technologiczny oraz ekonomiczny i może stanowić o doborze innej metody odpylania.

13.7. ODKRAPLACZE Odkraplacze, w zależności od średnicy wydzielanych kropel, zwane separa­ torami lub demisterami, są aparatami służącymi do zapobiegania emisji lub zmniejszenia koncentracji kropel cieczy w gazach odlotowych. W separatorach są wydzielane krople > 10 pm, w demisterach natomiast krople o mniejszej średnicy, również submikronowe. W odpylaczach mokrych z zasady konieczne

jest instalowanie odkraplaczy, gdyż zawsze pewna masą drobnych kropel z py­ łem jest unoszona z gazem odpylonym (odlotowym). Sprawność odpylania skrubera zależy również od efektywności odkraplacza. Do usuwania z gazu kropel > 20 pm stosowanych jest wiele odkraplaczy, opartych na wydzielaniu

0

0

b)

t

t t

Rys. 13.14. Odkraplacze inercyjno-uderzeniowe dla przepływu: a) poziomego, b) pionowego; 1 — profilowane elementy, 2 — krople

uderzeniowo-inercyjnym. Do nich należą m. in. odkraplacze żaluzjowe z ło­ patkami prostymi i profilowanymi, nachylonymi do kierunku przepływu gazu (rys. 13.14), cyklonowe i wirowe (rys. 13.15) oraz warstwy różnego rodzaju Wypełnień. Wydzielanie kropel następuje w wyniku bezpośredniego i bezwład-

nościowego zderzenia z przegrodą lub działania siły odśrodkowej, podobnie jak w cyklonach. W skruberach największe zastosowanie znajdują odkraplacze żaluzjowe i wirowe, z łopatkami prostymi lub profilowanymi.

Rys. 13.15. Odkraplacz odśrodkowy: 1 — obudowa, 2 - łopatki zawirowujące, 3 - odpływ cieczy

Rys. 13.16. Odemglacz, moduł podstawowy: 1 — obu­ dowa, 2 - materiał porowaty, 3 - kolektor cieczy

Do odemglania gazów są stosowane warstwy odpowiednio preparowanych włókien szklanych, ceramicznych, z tworzyw sztucznych lub metalowych, jak również pakiety siatek lub tkanin. Odkraplacze te, zwane demisterami, są wykonywane w postaci pakietów cylindrycznych lub płaskich, umieszczanych w osłonie z cienkiej siatki drucianej (rys. 13.16). Stosowane są w skruberach do usuwania mgły pary wodnej, kwasów nieorganicznych, olejów, związków organicznych itp. Grubość pakietów wynosi 30-50 mm. Sprawność usuwania mgły, w zależności od prędkości przepływu gazu wynosi 95-99,9%, przy spad­ ku ciśnienia gazu 0,5-5,0 kPa. Wymienione rodzaje odkraplaczy mogą sta­ nowić całość ze skruberem lub oddzielne urządzenie.

13.8. DOBÓR ODPYLACZA Podstawą doboru odpylacza dla określonego procesu są parametry fizyko­ chemiczne strumienia zapylonego gazu, bądź jego wielkość oraz wymagana

sprawność odpylania, bądź wielkość emisji cząstek z odpylacza, a także wyma­ gana dostępna przestrzeń do montażu odpylacza, koszt inwestycyjny i eksploa­ tacyjny i in. Spośród odpylaczy opisanych w niniejszym rozdziale, każdy ma swoje zalety i wady. W pierwszym rzędzie różnią się stanem wydzielanego pyłu (suchy lub mokry). Zasadnicze wymaganie — sprawność odpylania — zapewniają cyklony w stopniu do 90%, pozostałe natomiast dają możliwość uzyskania sprawności > 9 8 % . Najwyższe możliwe sprawności, również w od­ niesieniu do cząstek submikronowych, tj. o średnicy poniżej 1 pm pozwalają uzyskać filtry tkaninowe i elektrofiltry, z odpylaczy mokrych natomiast skru­ bery Venturiego. Ze sprawnością odpylania związane są zużycie mocy w pro­ cesie i koszt ogólny, które wzrastają wraz ze zwiększeniem sprawności od­ pylania.

LITERATURA [1]

WARYCH

J., Oczyszczanie

przemysłowych

gazów

odlotowych,

Wyd. II,

WNT,

1994. [2] [3]

WARYCH KABSCH

J., Odpylanie gazów metodami mokrymi, WNT, Warszawa 1978. P., Odpylanie i odpylacze, t. 1, WNT, Warszawa 1992.

Warszawa

14. WYMIENNIKI CIEPŁA 14.1. WPROWADZENIE Wymiennik ciepła jest aparatem, w którym, lub za pomocą którego, ciepło jest przenoszone z jednego środowiska (czynnika) do drugiego. Środowisko (czynnik) wymiany ciepła może być bądź jednorodne — gazowe, ciekłe lub stałe, bądź niejednorodne — heterofazowe. Wymiana ciepła odbywać się może przez bezpośredni kontakt czynników (nośników) ciepła — wymienniki ciepła bezprzeponowe lub za pośrednictwem przepony (przegrody ściany) — wy­ mienniki ciepła przeponowe. Zgodnie z ogólnym równaniem Fouriera, w wa­ runkach ustalonych strumień ciepła Q Q =

KAAT , m

przenikający przez powierzchnie wymiany ciepła A jest proporcjonalny do tej powierzchni, różnicy temperatur pomiędzy czynnikami (środowiskami) AT i do współczynnika przenikania ciepła K. Wartości wymienionych wielkości zależą od dużej liczby zmiennych, określonych przede wszystkim właściwoś­ ciami fizykochemicznymi czynników i dynamiką ich przepływu. Istnieje duża liczba wymienników ciepła, które muszą spełniać różnorodne wymagania odnośnie do temperatury, strumieni przepływu, spadków ciśnienia, odporności mechanicznej i korozyjnej, sprawności cieplnej, kosztów i in.. Klasyfikacja wymienników może być dokonywana według następujących przesłanek: — procesu przenoszenia, — konstrukcji, — rodzaju przepływu, — mechanizmu przenoszenia ciepła, — liczby faz lub płynów, — rodzaju materiału konstrukcyjnego, — zastosowania i innych przesłanek. Najczęściej jest stosowana klasyfikacja związana z mechanizmem przeno­ szenia ciepła, konstrukcją wymienników i ich zastosowaniem. Z mechanizmem przenoszenia ciepła jest związany podział wymienników na wymienniki bez­ przeponowe i przeponowe oraz na konwekcyjne i radiacyjne. Według kon­ strukcji i zastosowań wymienniki dzieli się następująco: m

1. Rurowe — rura w rurze, płaszczowo-rurowe, spiralno-rurowe. 2. Płytowe — koszowe, spiralne, lamelowe. 3. Z powiększoną powierzchnią wymiany ciepła — płytowe, rurowe. 4. Regeneratory — rotacyjne (dyskowe, bębnowe). Specjalnym rodzajem wymienników ciepła są kotły na paliwo stałe, w któ­ rych spaliny przekazują ciepło przez konwekcję i promieniowanie do rurek, w których cyrkuluje woda lub para.

14.2. NOŚNIKI CIEPŁA Nośniki ciepła są stosowane jako czynniki grzejne i chłodzące. Jako czynni­ ki grzejne są stosowane: woda, para wodna, wysokowrzące ciecze organiczne i ich pary, oleje silikonowe, glikole w mieszaninie z wodą, oleje parafinowe i mineralne, stopione sole nieorganiczne, gazy spalinowe, prąd elektryczny. Czynniki chłodzące to woda, powietrze i roztwory lub mieszaniny różnego ro­ dzaju soli, zwykle nieorganicznych. Woda jest popularnym czynnikiem grzejnym do temperatury 373 K. W wyż­ szej temperaturze stosowanie wody jest związane z pracą pod wysokim ciś­ nieniem. Para wodna nasycona, zwana często kondensatem, znajduje szerokie zasto­ sowanie w grzejnictwie do temperatury 450 K. Wydzielające się duże ilości ciepła podczas kondensacji pary, wysokie współczynniki wnikania ciepła, rów­ nomierność ogrzewania oraz możliwość transportu na duże odległości — to zasadnicze zalety pary wodnej. Wadę stanowi natomiast wąski zakres umiarko­ wanego ciśnienia 0,6-1,0 MPa, w którym jest ona stosowana. Wzrost tempera­ tury ponad wymienioną granicę jest związany z szybkim wzrostem ciśnienia i tak np. 473 K wymaga ciśnienia 2,0 MPa, 573 K natomiast 10 MPa. Ponadto stosowanie pary wodnej jest związane z tworzeniem się osadów na powierzch­ niach grzejnych i korozją materiałów konstrukcyjnych. W mniejszym stopniu jest stosowana również para wodna przegrzana o 20-30 K, lecz sprawność ter­ miczna jest tu mała, gdyż para ta nie ulega kondensacji. Ciecze organiczne — organiczne nośniki ciepła — mogą pracować w za­ kresie temperatury 220-700 K. W temperaturze powyżej 560 K koszt stosowa­ nia organicznych nośników ciepła jest kilkakrotnie niższy od pary wodnej, po­ nadto układ wymiany ciepła pracuje przy niskim ciśnieniu i daje możliwość dokładnej kontroli temperatury. Syntetyczne organiczne nośniki ciepła, stoso­ wane w wysokiej temperaturze to m. in.: alkilowane związki aromatyczne, etery aromatyczne i alkilowane difenyle. Związki te mogą być stosowane jako ciecze lub pary, również w mieszaninach. Są one szczególnie efektywne wtedy, gdy jest wymagany szeroki zakres temperatury i niskie ciśnienie pary. Jednym z bardziej znanych i szerzej stosowanych jest dowtherm A, mieszanina difenylu i tlenku difenylu (produkt firmy DOW CHEMICAL) stosowana w zakresie

285-673 K. Produkowane są również dowthermy oparte na innych związkach, oznaczone symbolami G, HT, J, LF, Q, o szerszym zakresie zastosowań w tem­ peraturze ujemnej, do 200 K (-73°C). Prócz tego wytwarzanych jest wiele innych nośników, o różnych nazwach handlowych, jak np.: diphyl (firma BAYER), thermalane (firma COSTAL CHEMICAL), mobiltherm (firma MOBIL OIL), thermionol (firma MONSANTO) i in. W doborze tego rodzaju nośników trzeba brać pod uwagę właściwości w niskiej temperaturze, stabilność termicz­ ną, podatność na utlenianie, korozyjność i toksyczność. Nośniki silikonowe, w tym polydimethylo-siloxan, określany mianem oleju silikonowego posiada wysokie współczynniki przenoszenia ciepła i trwałość, jest bezwonny i mało toksyczny, posiada zakres zastosowania 200-670 K. Olej silikonowy różni się od syntetycznych nośników organicznych tym, że degra­ dacja termiczna silikonu, w wymienionym zakresie temperatury, zachodzi od­ wracalnie, dlatego okres jego stosowania, bez wymiany, dochodzi do 10 lat. Silikony są jednak bardziej kosztowne niż syntetyczne nośniki organiczne. Glikol i mieszaniny obejmują glikol etylenowy i propylenowy w mieszani­ nie z wodą i dodatkami przeciwkorozyjnymi, stosowanymi w zakresie 2 3 3 - 4 5 0 K. Ciepło właściwe i przewodność cieplna wodnych roztworów glikolu jest dużo większa niż syntetycznych nośników organicznych, silikonów i ole­ jów mineralnych. Dodatek glikolu do wody obniża jej temperaturę zamarzania, lecz tylko do punktu eutektycznego, gdy zawartość glikolu wynosi ok. 60% mas. Powyżej tego stężenia glikolu temperatura zamarzania podwyższa się. Jeżeli temperatura roztworu glikolu w wodzie spadnie poniżej 233 K (-40°C), to kryształki lodu znajdą się w stężonym płynnym glikolu, co zapobiega znisz­ czeniu układu. W stężeniu glikolu powyżej 30% mas. zabezpieczenie to istnieje do 222 K (-51°C). Utlenianie się glikolu do kwasu organicznego powoduje wzrost korozyjności roztworu. Istotna jest jakość wody (zwykle destylowana) i jakość dodatków antykorozyjnych w celu ograniczenia tego zjawiska. Degra­ dacja termiczna roztworów glikolu jest silną funkcją temperatury. Wskaźnika­ mi degradacji są alkaliczność i pH. Czas eksploatacji zależy od temperatury pracy i zanieczyszczeń. Oleje parafinowe i mineralne są ekonomicznym wyborem w zakresie tem­ peratury 420-550 K. W temperaturze do 530 K mają dobrą stabilność termicz­ ną i własności fizyczne. Nie mogą być jednak przetłaczane w niskiej tempera­ turze bez uprzedniego podgrzania. Stopione sole i nisko topliwe metale, jako nośniki ciepła są,stosowane w szczególnych przypadkach. Wysoka temperatura krzepnięcia, właściwości korozyjne, podatność na utlenianie oraz mała trwałość stosowanych soli, np. mieszaniny zarówno azotynów i azotanów sodu i potasu, jak i stopionego oło­ wiu, ograniczają ich zastosowanie do procesów w małej skali. Gazy spalinowe uzyskiwane ze spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych są stosowane do ogrzewania w wielu procesach technologicznych do tempera­ tury 1400 K i wyższej. Uzyskanie czystych spalin dla celów grzejnych jest

trudne i kosztowne. Spaliny jako, gazowy nośnik ciepła mają wiele wad, lecz mimo to są stosowane dość szeroko. Ogrzewanie elektryczne jest stosowane przede wszystkim w różnego ro­ dzaju piecach elektrycznych: oporowych, indukcyjnych, łukowych, dielektrycz­ nych. Sposób ten umożliwia łatwą i dokładną regulację ogrzewania bez pro­ duktów ubocznych. W piecach oporowych ciepło z oporowych elementów grzejnych jest prze­ kazywane zwykle przez ściankę aparatu i umożliwia ogrzanie do 1200-1350 K. W innych przypadkach elektryczne elementy oporowe w odpowiedniej osłonie umieszcza się bezpośrednio w ogrzewanym płynie. W ogrzewaniu indukcyjnym ogrzewany aparat spełnia rolę rdzenia, na któ­ rym nawinięte jest uzwojenie, przez które przepływa prąd elektryczny. Induko­ wany prąd nagrzewa ścianki aparatu. Ogrzewanie łukowe umożliwia ogrzewanie do 1550-1800 K. Łuk wytwarza się w środowisku gazowym. Piece łukowe są stosowane w topieniu metali, produkcji karbidu i fosforu. Równomierne ogrzewanie i regulowanie tempera­ tury jest tu trudne. Ogrzewanie dielektryczne, prądami o wysokiej częstości jest stosowane do ogrzewania dielektryków, np. tworzyw sztucznych, gumy, drewna itp. w całej objętości materiału lub tylko jego części, w stosunkowo niskim zakresie tempe­ ratury. Czynniki chłodzące, najbardziej rozpowszechnione, to powietrze i woda. W zależności od pory roku chłodzenie powietrzem umożliwia obniżenie tempe­ ratury do 293-303 K, woda natomiast do 288-298 K. Chłodzenie lodem dotyczy temperatury zbliżonej do 0°C i dotyczy miesza­ nia chłodzonej cieczy bezpośrednio z lodem, jeśli to możliwe, lub chłodzenie przez ścianki aparatu mieszaniną wody i lodu. W niewielkiej skali są stosowa­ ne również mieszaniny chłodzące lodu lub zestalonego dwutlenku węgla z in­ nymi cieczami niż woda, np. z etanolem i innych. Jako czynniki chłodzące zastosowanie znajdują również roztwory soli (NaCl, CaCl ) i inne. Szerokie zastosowanie znajdują metody chłodzenia w kondensatorach, oparte na kondensacji par różnych substancji poprzez odprowadzenie od nich ciepła, w tym m. in. amoniaku, chlorku metylu oraz sprężonych gazów: tlenu, azotu, helu i innych. Kondensacja może zachodzić bezpośrednio w chłodzonym płynie (kondensatory bezprzeponowe) lub na ściance aparatu (kondensatory przeponowe). 2

14.3. WYMIENNIKI BEZPRZEPONOWE W wymiennikach ciepła bezprzeponowych następuje bezpośredni kontakt faz wymieniających ciepło. Wymiana ciepła zachodzi głównie na drodze kon­ wekcji, z tym że przenoszenie ciepła może zachodzić również od czynnika

,

zimrłiejszego do cieplejszego, jak np. podczas, odparowywania chłodnej wody w gorącym gazie. Ten sposób wymiany ciepła znajduje zastopowanie w kon­ densacji pary, chłodzeniu "gazów wodą, nagrzewaniu i chłodzeniu wody gaza­ mi. Wymiana ciepła w układzie ciecz—ciecz znajduje zastosowanie w jednoczesnym chłodzeniu i ekstrakcji oraz w krystalizacji. W układzie trójfaiowym, m. in. podczas absorpcji lekkich węglowodorów z gazu ziemnego w mieszani­ nie ciężkich węglowodorów z solanką. Strumień wymienionego ciepła zależy tu silnie od powierzchni kontaktu międzyfazowego, stosuje się więc rozdrobnienie fazy ciekłej na krople, strugi, warstewki, a gazu zaś na małych rozmiarów pęcherzyki. W stosowanych wy­ miennikach, w zależności od kierunku strumienia masy w układzie gaz—ciecz zachodzić może: — kondensacja oparów z gazu, chłodzenie i osuszanie gazu oraz jednoczes­ ne ogrzanie cieczy w kondensatorach, skruberach, — odparowanie cieczy do strumienia gazu, przy czym nawilżenie zachodzi dzięki ochłodzeniu gazu i ogrzaniu cieczy lub ogrzaniu gazu i ochłodzeniu cieczy w klimatyzatorach, skruberach, suszarkach rozpyłowych. Bezpośredni kontakt gazu i cieczy jest realizowany w skruberach, aparatach typowych dla procesów odpylania mokrego, absorpcji, destylacji i rektyfikacji. a)

Ł

b)

Ł

3

Rys. 14.1. Chłodnie ciepłej wody: a) chłodnia wentylatorowa, b) chłodnia kominowa z ciągiem naturalnym; 1 — wypełnienie, 2 — urządzenie zraszające, 3 — wentylator

W wielu procesach technologicznych wytwarza się nadmiar ciepła, zwykle w postaci ciepłej wody, która musi być schłodzona przed powtórnym jej stoso­ waniem. Do chłodzenia wody są stosowane wieże chłodzące, w których ciepło od wody jest w 80-90% odbierane przez odparowanie wody do strumienia po­ wietrza, który uchodzi do atmosfery. Straty wody z tego powodu są uzupeł­ niane świeżym strumieniem. W wieżach chłodzącycłujest konieczna duża pc

wierzchnia kontaktu powietrze-woda, przy maksymalnej prędkości przepływu , powietrza w długim czasie. WocJa procesowa dostarczana jest zwykle ponad wypełnienie wieży (rys. 14.1), skąd spływa grawitacyjnie lub jest rozpylana dyszami hydraulicznymi. W wieżach chłodzących klasycznych przepływ po­ wietrza wynika z ciągu naturalnego. W chłodniach wentylatorowych przepływ powietrza przeci^prądowy lub krzyżowy jest wymuszany wentylatorami pro­ mieniowymi, umieszczonymi na szczycie więzy (rys. 14.1 a). Wymiary wieży wynikają z warunków procesu w celu zapewnienia wymiany wymaganego stru­ mienia ciepła, średnice ich dochodzą do 10 m. Wielkość wieży w dużym stop­ niu zależy od rodzaju stosowanego wypełnienia, które stanowią wypełnienia tradycyjnie stosowane w absorberach i w coraz większym stopniu tzw. wypeł­ n i e n i a komórkowe. Wypełnienie komórkowe stanowi zestaw szeregu pofałdowanych (marszczonych) płyt, wykonanych z PVC (do temperatury 327 K) < polipropylenu (do 360 K) i innych przy wyższych temperaturach. Kanały w wypełnieniu skierowane pionowo przecinają się pod kątem 60° (rys. 14.2). Podawana na wypełnienie woda spływa w dół, w postaci cienkich warstewek, co wytwarza dużą powierzchnię i podczas odpowiedniego przepływu powietrza umożliwia szybsze chłodzenie wody. Ten system chłodzenia jest stosowany wtedy, gdy jest konieczne maksymalne schłodzenie w minimalnej przestrzeni. Nakłady energetyczne są tu mniejsze niż w chłodniach z klasycznym wypełnie­ niem, lecz jest wymagany duży stopień czystości wody, by nie blokować wy­ pełnienia.

1

Rys. 14.2. Wypełnienie komórkowe chłodni: 1 — urządzenie zraszające, 2 — kanały dla prze­ pływu gazu i spływu warstewek cieczy, 3 — krople cieczy

Wieże chłodzące z ciągiem naturalnym, tzw. chłodnie kominowe (rys. 14.Ib), są wykonywane z betonu o skorupie hiperbolicznej; z wypełnie­ niem w postaci kratownicy płaskowników, na których następuje kaskadowy rozprysk kropel cieczy. Wysokość wypełnienia zależy od jego rodzaju i wartoś-

ci współczynników przenikania ciepła i wynosi 1-8 m. Unoszone przez powie­ trze w dużej ilości krople są wydzielane w odkraplaczach żaluzjowych. Obłok unoszonej pary wodnej zależy od wilgotności względnej powietrza atmosfery­ cznego i prędkości wiatru. Jeśli wilgotność jest duża, to obłok może przyjąć postać stojącej chmury. Obłoków pary można uniknąć, jeżeli zapobiegnie się tworzeniu kropelek wody podczas mieszania pary w atmosferze. W tym celu powietrze wilgotne przed skierowaniem do atmosfery musi być ogrzane przez zmieszanie ze strumieniem powietrza ciepłego. W praktyce realizowane jest to w tzw. wieżach chłodzących hybrydowych mokro-suchych (rys. 14.3).

t

t

t

t

Powietrze

Wodo ciepła

Powietrze

Woda zimna

Rys. 14.3. Wieża chłodząca hybrydowa: 1 - element dźwiękochłonny, 2 — wymiennik ciepła sekcji mokrej (wypełnienie), 3 — urządzenie do wyrównania profilu prędkości, 4 — elementy zapewniające mieszanie strumieni, 5 - wentylator, 6 - elementy dźwiękochłonne, 7 - kanały dystrybucji wody, 8 - wymiennik ciepła sekcji suchej, 9 - zasuwy regulacyjne

W pierwszym etapie, w tzw. sekcji suchej, ciepła woda jest schładzana, gdy przepływa przez zespół cienkich rurek wymiennika (8), podgrzewając powie­ trze. Tą drogą przekazywane jest ok. 20% ciepła, w celu uniknięcia powstawa­ nia obłoków pary w zmiennych warunkach pogodowych. Dalsze zasadnicze

schładzanie wody, w sekcji mokrej, odbywa się poprzez klasyczne odparowa­ nie wody do powietrza na wypełnieniu (2). Powietrze nasycone parą wodną, po zmieszaniu z powietrzem ciepłym z sekcji suchej, zasysane wentylatorem (5) jest wytłaczane do atmosfery, przepływając przez elementy dźwiękochłonne (6).

Rys. 14.4. Chłodnica

wentylatorowa bezprzeponowo-warstewkowa: 1 2 — wymiennik ciepła, 3 — rurki, 4 — wentylator

— zbiornik

wody,

Bezprzeponowa wymiana ciepła jest również stosowana w chłodnicach wentylatorowych, tzw. bezprzeponowo-warstewkowych, które posiadają zes­ pół gładkich rurek zalewanych natryskiem wody, spełniających rolę chłodnicy — odparowalnika (rys. 14.4). Natrysk wody pod niewielkim ciśnieniem, ok. 20 kPa, odbywa się poprzez zbiornik cyrkulacyjny (1). Ciepło przenikające z pęku rurek do zraszającej i spływającej po rurkach wody, jako ustalony stru­ mień, jest pobierane przez powietrze, którego ruch wymusza wentylator (4). Rurki są umieszczone w dnach sitowych lub stanowią U-rurki, gdy chłodzeniu podlegają płyny pod wysokim ciśnieniem. Chłodnice tego rodzaju nie mogą być stosowane wtedy, gdy temperatura rur przekracza 328 K, gdyż wówczas, ze względu na szybkie odparowanie, trudno jest utrzymać stabilną warstwę wody i na powierzchni rur tworzy się tzw. kamień. Do chłodzenia dużych stru­ mieni cieczy chłodnice są zestawiane równolegle w baterie. Chłodnice tego rodzaju są stosowane w przemyśle rafineryjnym i chemicznym.

14.4. W Y M I E N N I K I P R Z E P O N O W E Do wymienników ciepła przeponowych należy duża grupa aparatów charak­ teryzująca się przede wszystkim istnieniem przepony—przegrody, poprzez którą przewodzone jest ciepło pomiędzy czynnikami i której kształt różnicuję te wy­ mienniki na szereg rodzajów. 14.4.1. WYMIENNIKI PŁASZCZOWE Wymienniki ciepła w postaci płaszcza grzejnego lub chłodzącego są stoso­ wane do wymiany ciepła przez ściankę, gdy istotna jest kontrola temperatury w środowisku procesu, zwykle z reakcją chemiczną, również w obecności

Spust

produktu

Rys. 14.5. Aparat (reaktor, mieszalnik) z płaszczem grzejnym: 1 — płaszcz, 2 — połączenie kołnierzowe, 3 — odpowietrzenie

w aparacie powierzchni elementów grzejnych lub chłodzących. Istnieje wiele konfiguracji płaszczy dopasowanych do kształtu aparatu, zwykle zbiornikowe­ go, o powierzchni wymiany do 10 m (rys. 14.5). Jako czynnik grzejny jest stosowana para wodna i ciekłe organiczne nośniki ciepła w rodzaju dowthermu, mobilthermu, therminolu i innych, do chłodzenia natomiast woda, solanka lub chlorek wapnia. Klasyczne płaszcze grzejne charakteryzują się dużym zatrzy­ mywaniem cieczy (nośnika ciepła) i ciepła, co jest korzystne dla reaktorów 2

emaliowanych itp., nieodpornych na tzw. szok termiczny. Wzrost szybkości przenoszenia ciepła osiąga się przez mieszanie lub modyfikację płaszcza. Mo­ dyfikacje polegają na dzieleniu płaszcza na sekcje lub wykonaniu w płaszczu wgnieceń (otworów) (rys. 14.6a). Podczas ogrzewania nośnikami pod wyso­ kim ciśnieniem do ok. 7 MPa rolę płaszcza spełnia wężownica przy spawana bezpośrednio lub za pośrednictwem podkładek do korpusu aparatu (rys. 14.6b). Jeśli ciśnienia nie przekracza ok. 5 MPa, to na powierzchnie aparatów są nawi­ jane elementy rurowe o profilu półcylindrycznym, dla małych ciśnień zaś — kątowe. a)

1

4

A-A'

VT7-7

A

Ł

z:/ / 1 1

Rys. 14.6. Elementy grzejne zewnętrzne aparatów zbiornikowych: a) płaszcz pikowany, b) spo­ soby łączenia rur wężownic z korpusem aparatu

14.4.2. WYMIENNIKI RUROWE Do klasycznych wymienników rurowych zalicza się wymienniki typu rura w rurze, zbudowane z dwóch rur o różnej średnicy; rura o mniejszej średnicy jest umieszczona centryczne w rurze o większej średnicy (rys. 14.7). Płyny — czynniki wymieniające ciepło przepły­ wają rurą wewnętrzną i przestrzenią pierścieniową. Wymienniki te są stoso­ wane wtedy, gdy istnieje konieczność wymiany dużych strumieni ciepła z małych strumieni objętości płynów, przez stosowanie dużych prędkości przepływu. Gdy rury są uformowane w postaci płaskiej wężownicy zraszanej Rys. 14.7. Wymiennik ciepła typu „rura w rurze": 1 — rura wewnętrzna, 2 — rura ze­ cieczą, zwykle wodą, wtedy wymien­ wnętrzna nik stanowi tzw. chłodnicę ociekową (rys. 14.8). Połączenie kolanek i płaskich odcinków rur jest zwykle kołnierzo­ we, co ułatwia wymianę elementów i'ich czyszczenie. Przelewająca się z kory­ ta górnego i ociekająca po zwojach chłodnicy woda stanowi zwykle czynnik chłodzący. Chłodnice są instalowane zazwyczaj w przestrzeni otwartej i służą

do chłodzenia płynów technologicznych. Mają jednak duże rozmiary i straty wody. Woda

i

m t-n-»-Tirr-*-|R

1

Czynnik grzejny

— —

— h

- Woda

Rys. 14.8. Chłodnica ociekowa: 1 — rynna rozdzielająco-zraszająca, 2 — wężownica, 3 — zbiornik wody ociekowej

Rury są formowane również w postaci wężownic o innych kształtach — płaskich i przestrzennych (rys. 14.9). Kształty wężownic są często dopasowane do kształtu zbiornika lub powierzchni ogrzewanej. Konstrukcja wężownic jest prosta, lecz ciężka. Powierzchnia wymiany ciepła i współczynniki wnikania są małe i trudności sprawia czyszczenie wnętrza rur. b)

a)

(c

3

Rys. 14.9. Wężownice: a) spiralna przestrzenna, b) płaskie

14.4.3. WYMIENNIKI SPIRALNE Wymiennik spiralny składa się z dwóch pasm blachy zwiniętych obok sie­ bie tak, że tworzą dwa współśrodkowe kanały o przekroju prostokątnym, za­ mknięte dwoma pokrywami czołowymi. W kanałach, nie kontaktując się z so­ bą, przepływają płyny wymieniające ciepło. Przepływ przeciwprądowy dotyczy zwykle układu ciecz—ciecz, krzyżowy natomiast ciecz—gaz (rys. 14.10). Płyn zimny dopływa zwykle od strony zewnętrznej. Wymienniki o powierzchni do 200 m i ciśnieniu do 1,2 MPa są stosowane zarówno do ogrzewania i chłodze­ nia cieczy, jak i kondensacji par. Dzięki łagodnemu profilowi opływu, gładkiej 2

powierzchni kanałów oraz stosunkowo dużej prędkości liniowej przepływu, wy. miana ciepła odbywać się może również między płynami zanieczyszczonymi.

Rys. 14.10. Wymiennik spiralny: 1 — wlot i wylot czynnika A: la, 2a; 2 — wlot i wylot czyn­ nika B: 3b, 4b

14.4.4. WYMIENNIKI PŁASZCZOWO-RUROWE Klasycznym wymiennikiem ciepła jest wymiennik płaszczowo-rurowy (rys. 14.11). Składa sic on z pęku (wiązki) rur umocowanych w płytach (dnach) sitowych, zamkniętych w płaszczu z dwoma dennicami (pokrywami). Jeden z dwóch czynników, międ/y Kóryrni jest wymieniane ciepło przepływa we­ wnątrz rur, drugi natomiast w przestrzeni między rurowej. Górny zakres stoso­ wanej temperatury wynosi 700-800 K. ciśnienia 2,5-6,5 MPa, powierzchnia wy­ miany ciepła — do ok. 2000 m \ przy średnicach < 1,5 m i długości rur do 9 m.

Rys. 14.11. Standardowy wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy: 1 — płaszcz, 2 — rurki, 3 — dna sitowe, 4 — odpowietrzenie

Konstrukcje wymienników z rurkami wyjmowanymi z płaszcza, stanowią wy­ mienniki ze swobodną (pływającą) głowicą i z rurkami w kształcie litery U (rys. 14.12a,b), zamocowanymi w dnie sitowym na stałe. Wymienniki z ru­ rkami typu U są stosowane wówczas, gdy wymagane jest duże ciśnienie czyn­ nika z jednej strony rurek. Wadą tego rodzaju konstrukcji jest brak możliwości

czyszczenia i wymiany rurek, co nie dotyczy wymienników z pływającą głowi­ cą, gdzie rurki mogą być wyjmowane z płaszcza do przeglądu, wymiany i czyszczenia. a)

b)

t

i

Rys. 14.12. Wymienniki płaszczowo-rurowe: a) z głowicą swobodną, b) z U rurkami, c) z rur­ kami Fielda

Wymienniki płaszczowo-rurowe, ze względu na przepływ czynników w prze­ strzeni rurowej i międzyrurowej są konstruowane jako jedno- i wielobiegowe. Wymienniki wielobiegowe (rys. 14.13) są stosowane wtedy, gdy istnieją ograni­ czenia instalacyjne co do liczby sztuk wymienników lub ograniczenia prze­ strzenne, oraz konieczne jest polepszenie warunków wnikania ciepła z jednej lub obu stron przegrody (przepony).

Rys. 14.13. Wymiennik wielobiegowy; 1 — przestrzeń dla przepływu w rurkach, 2 — przegrody w przestrzeni międzyrurowej

Projektowanie cieplne wymiennika jest funkcja złożoną z wielu zmiennych właściwości fizycznych i dynamicznych czynników wymieniających ciepło i kształtu wymiennika. Sprawność wymiany ciepła i ekonomika wskazują na

dobór najmniejszych rur, lecz w^praktyce są stosowane rury proste 3/4" i U-rury 1". Rurki w płytach sitowych są rozmieszczane na narożach trójkąta równo­ bocznego, kwadratu i okręgach koncentrycznych. Rozmieszczenie trójkątne rurek zapewnia większe wartości współczynnika wnikania od strony płaszcza i większą powierzchnię wymiany. Rozmieszczenie według pozostałych wzorów jest stosowane wtedy, gdy istnieje konieczność czyszczenia mechanicznego rur. a)

b)

i Rys. 14.14. Wymiennik płytkowo-rurowy: a) schemat wymiennika, b) rozmieszczenie rur cylin­ drycznych i płaskich na przekroju odpowiednich wymienników: 1 — płaszcz, 2 — wkład pły­ tkowo-rurowy

Podziałka rur wynosi zwykle 1,25 d średnicy zewnętrznej rurki. Rurki są wy­ konywane ze stali węglowej, również platerowanej, stali kwasoodpornej, mie­ dzi. Rurki są mocowane w dnach sitowych przez rozwalcowywanie, spawanie lub jest stosowane uszczelnienie dławicowe. Wykonanie wymiennika jest pros­ te, konstrukcja odporna mechanicznie, lecz wadę stanowi duże zużycie materia-

łu konstrukcyjnego i jego koszt. Sprawność termiczna wymiennika nie jest wysoka i trudny jest on do czyszczenia. By poprawić współczynniki przenika­ nia ciepła są wykonywane wymienniki o budowie zwartej, charakteryzujące się bardzo ciasnym upakowaniem rur oraz ich ożebrowaniem zewnętrznym i we­ wnętrznym. Wymiennik taki pracuje w zakresie przepływu burzliwego ł jest bardziej sprawny termicznie od klasycznego. Stosowane są w przypadkach specjalnych, np. w siłowniach atomowych. Mogą być stosowane przy wysokich ciśnieniach i temperaturze, przy powierzchniach wymiany ciepła 500-600 m . Do tej samej grupy zalicza się wymiennik płytkowo-rurowy (rys. 14.14). Powierzchnia wymiany ciepła składa się z elementów kształtowych w postaci płaskich rurek, ułożonych jedna obok drugiej, tworzących razem pęk zamknię­ ty w płaszczu. Uszczelnienie między środowiskami wewnątrz i na zewnątrz rurek stanowią pierścienie teflonowe. Konstrukcja jest całkowicie spawana i może pracować w temperaturze do 1400 K i ciśnieniu do 4,5 MPa. Powierzchnia wymiany ciepła dochodzi do 800 m i może być wyjmowana z płaszcza, co ułatwia czyszczenie wymiennika z osadów. Wymiennik jest stosowany do wymiany ciepła dużych strumieni cieczy lub gazów, m. in. w przemyśle chemi­ cznym i celulozowym. Współczynniki przenikania ciepła i spadek ciśnienia zależą od charakteru i rozkładu przepływu na przekroju poprzecznym rurek. Istotny jest przepływ płynów po odpowiedniej stronie przepony. Dlatego płyny lepkie przepływają w płaszczu, w rurkach natomiast toksyczne, zanieczyszczone, o dużej korozyjności. Mniejsze prędkości przepływu są stosowane w płaszczach. Dla czynni­ ków o wyższej temperaturze i ciśnieniu, przestrzeń roboczą stanowi zwykle wnętrze rurek. Często na powierzchni wymiany mogą się gromadzić osady, stanowiące dodatkowy opór dla przenikania ciepła. Ich obecność może wynikać z sedy­ mentacji, krystalizacji, polimeryzacji, reakcji chemicznej, korozji, koksowania, wzrostu mikroorganizmów. Kontrola warunków gromadzenia się osadów na powierzchni i stanu jej czystości jest istotna dla wymiany ciepła. ' 2

14.4.5. WYMIENNIKI PŁYTOWE Powierzchnię wymiany ciepła w tego rodzaju wymiennikach stanowią ele­ menty znormalizowane w postaci pofałdowanych płyt, wykonanych ze stali nierdzewnej lub innego, o wysokiej jakości, materiału. Płyty wzdłuż obrzeży posiadają elastyczne uszczelki, umieszczone w głębokich rowkach (rys. 14.15). Odporność termiczna i wytrzymałość uszczelek w dużym stopniu decydują o zakresie temperatury i ciśnieniu pracy wymiennika. Przekładki na osnowie kauczuku umożliwiają pracę w zakresie 250-425 K i ciśnieniu nie wyższym niż 2,5 MPa. Płyty są montowane w statywie, w którym znajduje się*również urządzenie zaciskowe oraz króćce wlotowe i wylotowe dla czynników wymie­ niających ciepło. Uszczelki i otwory w rogach płyt tworzą podwójny system kanałów (rys. 14.15a,b) do przepływu obu czynników. Kanały te mogą być

połączone szeregowo lub równolegle. O liczbie kanałów równoległych decydu­ je wielkość strumienia cieczy, wymagania dotyczące temperatury decydują natomiast o liczbie modułów z kanałami, równoległych, połączonych szerego­ wo, czyli o długości wymiennika. Najprostszy moduł składa się z trzech płyt, podobnie jak w prasach filtra­ cyjnych. Powierzchnia płyty wynosi 0,2-2 m . Wymiennik może składać się z wielu sekcji; wiele czynników może przepływać przez ten sam wymiennik, w którym może zachodzić jednocześnie ogrzewanie i chłodzenie. Z uwagi na specjalny kształt płyt, przepływ cieczy jest burzliwy, nawet gdy liczby Reynold­ sa są małe, rzędu 50-100. Duże współ­ czynniki przenikania ciepła, 2-3 razy większe niż w wymiennikach płaszczowo-rurowych powodują, że wymagana powierzchnia wymiany ciepła jest tu mniejsza niż w innych wymiennikach. Różnica temperatury między płynami wymieniającymi ciepło może być bardzo mała, rzędu 2 - 3 stopni, co pozwala ogrzewać lub chłodzić również płyny 0 specjalnych właściwościach. Standary­ zacja: elementów umożliwia łatwą zmia­ nę powierzchni wymiany ciepła. Po­ wierzchnia wewnętrzna wymiennika jest c) łatwo dostępna do przeglądu i czyszcze­ nia. Powierzchnia wymiany ciepła do­ chodzić może do kilkuset metrów kwadratowych, przy ciśnieniu ok. 2,5 MPa 1 temperaturze zależnej od rodzaju materiahi uszczelek. Wymienniki specjalne, przeznaczone do cieczy lepkich i olejów, mają wbudowane turbulizatory przepły­ Rys. 14.15. Wymiennik płytowy: a) sche­ mat przepływu w zestawie płyt, b) możli­ wu. Wymienniki płytowejz tytanu znaj­ wości połączenia zestawu płyt, c) wzory dują zastosowanie do ogrzewania i chło­ kształtowania powierzchni płyt dzenia wilgotnego chloru, roztworów zawierających czynny chlor, chlorek, dwutlenek chloru, chloryn, podchloryn, solankę, wodę morską i in. Ponadto są stosowane w przemyśle cukrowniczym, mleczarskim i w wielu innych. 2

W nowych generacjach wymienników płytowych płaskie płyty zostały zespawane^i umieszczone w korpusie o przekroju prostokątnym lub kołowym. Wymienniki te określa się jako szczelinowe lub lamelowe (pakietowe) i stano­ wią one raczej konstrukcje pośrednią między wymiennikiem płytowym a płasz-

czowo-rurowym. Wymienniki te mają dużą powierzchnię wymiany w jednost­ ce objętości, dochodzącą do 2500 m /m , stąd stosowana niekiedy nazwa wymienniki zwarte. Wkład jest wyjmowany, co umożliwia jego czyszczenie. Stosowane są wówczas, gdy po stronie jednego z czynników są małe współ­ czynniki wnikania, jak np. w układzie gaz—ciecz lub ciecz—ciecz lepka."Inną odmianę stanowią wymienniki płytowo-żebrowe (rys. 14.16) stosowane do wymiany ciepła pomiędzy czystymi gazami a cieczami o dużej lepkości, w wa­ runkach, gdy różnica temperatur między nimi jest mała. Wymienniki te są sto­ sowane w instalacjach rozfrakcjonowania powietrza, węglowodorów, w prze­ myśle nuklearnym itp. 2

3

Rys. 14.16. Powierzchnie zewnętrzne rur ożebrowanych: a) płytowe, b) śrubowe wielozwojowe, c) płaskie

14.4.6. WYMIENNIKI NIEMETALOWE Często bardzo agresywne środowisko procesu powoduje, że żywotność stali klasycznych jest bardzo krótka i istnieje konieczność zastąpienia jej bardziej kosztowną stalą stopową lub materiałem niemetalicznym, jak np. grafit, szkło, tworzywa sztuczne. Jednym z mankamentów tworzyw syntetycznych i sztucz­ nych jest gorsza przewodność cieplna w porównaniu z metalami (tabl. 14.1): metale 10-400 W/(m-K), grafit 20-120 W/(m-K), szkło ~ 2 W/(m-K), two­ rzywa sztuczne 0,2-0,3 W/(m-K). Wymienniki ciepła wykonane z grafitu są stosowane dość szeroko w prze­ myśle chemicznym i farmaceutycznym. Grafit stanowi materiał inertny, nie zanieczyszczający środowiska naturalnego, posiada bardzo dobrą odporność na korozję i dobre właściwości przewodzące. Często, jako mniej kosztowny, stano­ wi substytut tytanu i tantalu. Wymienniki grafitowe są budowane w formie prostopadłościanów lub cylindrów i stanowią zespół bloków (płyt) z otworami (rys. 14.17). Zestaw płyt jest cementowany, całość wymiennika impregnowana żywicą fenolową i ściśnięta pomiędzy dwoma płytami, które umożliwiają różną organizację przepływu czynników. Górny zakres stosowanej temperatury wynosi tu 450-475 K. Grafit nie jest odporny na działanie chloru i halogenków i w ich

środowisku, w krótkim czasie, staje się porowaty. Nieodporny jest również na działanie kwasu azotowego w wysokiej temperaturze i stężeniu, a także siarko­ wego, jeśli stężenie sięga ponad 98% i temperatura powyżej 360 K. Tabela

Przewodnictwo cieplne i gęstość różnych materiałów Materiał Miedź Stal węglowa Stal kwasoodporna Stopy Ni/Cr/Mo Tytan Tantal Szkło borokrzemowe Węglik krzemu Grafit (Diabon FI 00) Grafit impregnowany żywicą fenolową PVDE ECTFE PTFE PFA FfcP Polipropylen Polietylen

Przewodnictwo cieplne [W/(m-K)]

Gęstość [g/cm l

390 50 15 8 16 53 1,16 120 20 100-120 0,19 0,18 0,19-0,23 0,22 0,20 0,17 0,34

8,96 7,8 7,8 9,0 4,5 16,6 2,23 3,0 2,0 1,85 1,78 1,88 2,17 2,15 2,15 0,89 0,89

3

14.1

Wymienniki płytowe z tworzyw fluorowych łączonych grafitem (tworzy­ wo DIABON firmy Sigri GmbH, RFN) mają nieco mniejszą przewodność, lecz mogą pracować w temperaturze do 415 K i ciśnieniu 0,6 MPa; są stosowane do wymiany ciepła w obecności kwasu solnego, fosforowego i azotowego do 50% w punkcie wrzenia. Wymienniki grafitowe i z tworzyw fluorowych są stosowane do chłodzenia gazów i podgrzewania gazów, m. in. w instalacjach odsiarczania spalin odlotowych. W szklanych wymiennikach ciepła jest stosowane szkło boro-krzemowe, odporne na kwasy, roztwory soli, związki organiczne, w tym chlorki i bromki, nieodporne natomiast na kwas fluorowy, fosforowy i gorące alkalia. Są dwa podstawowe typy wymienników szklanych: płaszczowo-rurowe i spiralne (fir­ my Corning i Schott, RFN). Wymienniki te są stosowane do wymiany ciepła w układzie gaz—gaz do podgrzewania gazów; m. in. w suszarkach rozpyłowych, chłodzenia gazów za pomocą cieczy w układach wentylacji i klimatyza­ cji itp. ^ . Wymienniki z tworzyw szYucznych takich jak: fluorek poliwinylidenu (PVDF) i monochlorotrifluoroetylenu ( E C j F b ) są stosowane do kondensacji i destylacji bromu, suszenia chloru przez kondensację pary wodnej lub kwasem siarkowym i in. (firma Le Carbone, Francja). Wymienniki płaszczowo-rurowe, wykonywane z fluorowanej żywicy etylenopropylenowej (FEP) (firma Du Pont, USA) są stosowane m. in. do chłodzenia i ogrzewania elektrolitów, roztworów trawiennych itp. Płytowe, ceramiczne wymienniki ciepła wykonywane z węgliku krzemu są stosowane w wysokiej temperaturze 750-1300 K, w atmosferze korozyjnej, z możliwością osadzania się cząstek stałych na powierzchni wymiany ciepła, np. podczas wymiany ciepła spaliny odlotowe—gaz, kondensacji kwasu siarko­ wego w temperaturze ok. 520 K i in. Przewodnictwo węgliku krzemu jest zbli­ żone do grafitu i nie traci on wytrzymałości w temperaturze do 1620 K (firma Hoechst, RFN). 14.4.7. KONDENSATORY Kondensatory stanowią specyficzne wymienniki ciepła, ze względu ha obec­ ność w układzie wymiany ciepła nie kondensujących gazów. Kondensator po­ ziomy z kondensacją na powierzchni rurek przedstawia rysunek 14.18. Kon­ densatory z przepływem krzyżowym stosowane są w procesach próżniowych, gdzie są przenoszone duże objętości oparów, istnieje duża powierzchnia do przepływu na krótkiej drodze, w celu zapewnienia małego spadku ciśnienia gazu. U góry rurek istnieje duża przestrzeń, często z półką perforowaną, dla dobrej dystrybucji oparów na długości wymiennika. Kondensatory w usytuowaniu pionowym są rzadko stosowane, ze względu na trudności kontroli zalewania aparatu. Kondensatory z kondensacją w rurkach są projektowane dla przepływu opa­ rów i kondensatu w dół lub do góry, a także dla układu mieszanego, gdy opary

płyną do góry, a kondensat ścieka w dół. Kondensatory są stosowane m. in. w instalacjach energetycznych do chłodzenia pary odlotowej z turbin. Oprócz wymienników płaszczowo-rurowych jako kondensatory są stosowane wymien­ niki spiralne, płytowe ożebrowane. Do chłodzenia jest zwykle stosowana woda, powietrze rzadko. W celu zabezpieczenia strat pary i utrzymania odpowiedniej jakości gazu na rurociągach odprowadzających kondensat lub gazy są instalowane urządzenia zwane garnkami kondensacyjnymi (łapa­ czami pary). Stanowią je samozamykające się zawory, otwierające się dla upustu po­ wietrza, gazów i kondensatu i zamykające, gdy tylko para lub gaz wypełnią urządzenie. Są trzy rodzaje garnków kondensacyjnych: termodynamiczne, termostatyczne i me­ chaniczne (rys. 14.19). Garnki termodynamiczne działają na Kondensat Woda zasadzie zmiany energii kinetycznej przepły­ wającego kondensatu podczas wypełniania Rys. 1418. Kondensator płaszczowo-rurowy: 1 — płaszcz, 2 — rurki, 3 — garnka, działając na dysk zamykający lub przegrody dla przepływu w przestrze­ otwierający otwory upustowe. ni rurowej Termostatyczne działają na zasadzie róż­ nic temperatury między parą a kondensatem. Wyróżnia się m. in. garnki bimetaliczne i ciśnieniowe (rys, 14.19b). W bimetalicznym zimny kondensat po­ woduje otwarcie zaworu upustowego i opróżnienie garnka, po czym ciśnienie zamyka go z powrotem. W garnku ciśnieniowym zawór się otwiera, gdy kon­ densat ochłodzi się poniżej temperatury pary nasyconej a ciśnienie obniży się do określonego poziomu, zamyka się wtedy, gdy gorący kondensat odparowuje.

Rys. 14.19. Garnki kondensacyjne: a) termodynamiczny; 1 — dysk, b, -> kanał odpływu kon­ densatu; b) termostatyczny; 1 — płytka bimetaliczna, 2 — zawór kondensatu; c) mechaniczny; 1 — mieszek, 2 — zawór kondensatu

a

W garnkach mechanicznych wykorzystuje się różnice gęstości między parą ' kondensatem dla ruchu pływaka zamykającego lub otwierającego zawór

(rys. 14.19c). Gdy garnek jest wypełniony kondensatem, zawór do jego odpły­ wu jest otwarty. Obecność pary lub gazu powoduje zamknięcie zaworu.

14.5. R E G E N E R A T O R Y C I E P Ł A W wielu procesach technologicznych, w tym z kotłów, pieców, turbin, z ga­ zami odlotowymi są odprowadzane duże strumienie ciepła co obniża sprawność cieplną tych procesów i stanowi jednocześnie stratę energii. Do odzysku stosu­ je się zwarte wymienniki ciepła, jak również regeneratory. W regeneratorach ciepło pomiędzy czynnikami wymieniane jest za pośred­ nictwem wypełnienia stałego, które stanowią cegły, kule, płyty, blachy metalo­ we odpowiednio profilowane i innego rodzaju kształtki, stanowiące warstwę nieruchomą lub wypełnienie ruchome. Gaz zimny Regeneratory z wypełnieniem nieruchomym stanowią komorę lub zbiornik, w którym w sposób uporządkowany lub bezładny na ruszcie oporowym jest ułożone wypełnienie ceramiczne lub metalowe kuliste, cylindryczne lub innego rodzaju kształtki. W celu zapewnienia ciągłości pracy regeneratora instalacja zawiera dwa apa­ raty (rys. 14.20), których praca jest automaty­ cznie sterowana; jeśli przez jeden aparat prze­ pływa gaz gorący i wypełnienie akumuluje ciepło, to w drugim zimny gaz pobiera ciepło z wypełnienia. Są również stosowane konstruk­ cje regeneratorów z ruchomym wypełnieniem, w których wypełnienie, nagrzane w górnej cy­ lindrycznej części regeneratora, opada w przeciwprądzie do ogrzewającego się gazu w dru­ giej części. Po oddaniu ciepła'wypełnienie jest zawracane do górnej części, do strefy nagrze­ Gaz gorący wania. Tego rodzaju regeneratory są stosowane w przemyśle metalurgicznym i ceramicznym do Rys. 14.20. Regenerator ciepła ga­ zów odlotowych: 1*— wypełnienie, odzysku ciepła z pieców, w których temperatu­ 2 — system zaworów (zasuw) ra jest rzędu 1650 K, gazy odlotowe mają tem­ sterujących peraturę ponad 800 K. Regenerator obrotowy (rys. 14.21), pracujący w sposób ciągły, składa się z cylindrycznego bębna, w którym jest umieszczone wypełnienie z gładkich i profilowanych blach, zwykle aluminiowych, zwiniętych spiralnie i osadzo­ nych na obrotowym wale lub wypełnienie stanowi porowaty, cylindryczny blok ceramiczny, wykonany na osnowie tlenku glinu. Bęben na wlocie i odlocie gazów, których przepływ przez regenerator jest przeciwprądowy dzieli się

przegrodą na dwie części (sekcje). W trakcie obrotu wypełnienia z prędkoś­ cią 30-50 obr/min, gdy jedna z części nagrzewa się gorącymi gazami, druga w tym samym czasie oddaje zgromadzone ciepło gazom zimnym.

Rys. 14.21. Regenerator ciepła ciągły: 1 -

obudowa, 2 — bęben obrotowy z porowatym wy­ pełnieniem

Nie kontrolowany przepływ gazu pomiędzy sekcjami z obszaru wyższego do niższego ciśnienia, nawet do 10%, jest wadą tego rodzaju regeneratorów. Wybór rodzaju materiału wypełnienia i wymiarów regeneratora zależy od ro­ dzaju i wielkości strumieni gazów, stosowanie regeneracji jest natomiast zagad­ nieniem ekonomicznym.

14.6. DOBÓR WYMIENNIKA CIEPŁA Dobór wymiennika spośród wielu istniejących konstrukcji jest złożony. Dobierając wymiennik należy wziąć pod uwagę wydajność cieplną, warunki temperaturowe procesu, w którym wymiennik będzie stosowany, stabilność procesu, właściwości fizykochemiczne nośników ciepła. Wybór konstrukcji optymalnej wynika z porównania techniczno-ekonomicznego kilku konstrukcji.

LITERATURA [1] HOBLER T., Ruch ciepła i wymienniki. Wyd. 6. WNT, Warszawa 1986. [2] KEYS W.M, LONDON A.L, Compact Heat Exchangers, Sec. Ed., McGraw-Hill Book Comp., London 1985. i [3] BN-85/2251-22, Wymienniki płaszczowo-rurowe stalowe. Typy. Podstawowe parametry i wymiary. [4] FOUMENY E.A., HEGGS P.J., Heat exchange engineering. T. 1 i 2. Ellis Horwood, New York 1991.

15. WYPARKI 15.1. WPROWADZENIE Zatężanie roztworów nielotnych przez odparowanie rozpuszczalnika prowa­ dzi się w wymiennikach ciepła, zwanych wyparkami lub warnikami. Odparo­ wanie rozpuszczalnika, zwykle wody, jest prowadzone do określonego stężenia produktu. Rozpuszczalnik nie jest usuwany całkowicie i zatężanie roztworu nie przekracza stanu przesycenia. Odparowanie do stanu przesycenia roztworu, z wytrąceniem kryształów, prowadzi się w wyparkach krystalizacyjnych (rozdz. 16). Zgodnie z prawem Raoulta temperatura wrzenia roztworu jest wyż­ sza od temperatury wrzenia czystego rozpuszczalnika pod tym samym ciśnie­ niem i zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia roztworu, a więc wraz ze zwię­ kszeniem stężenia roztworu różnica temperatury pomiędzy wrzącym, zatężonym roztworem a czynnikiem grzejnym zwiększa się. Wzrasta również gęstość zatężanego roztworu, co powoduje wzrost ciśnienia hydrostatycznego w masie roztworu, mimo mieszania, i podwyższenie temperatury wrzenia. Suma wymie­ nionych różnic temperatury, występujących na granicy wrzący roztwór—opary i na wysokości słupa roztworu, wraz ze stratą ciepła jest zasadnicza dla proce­ su zatężania. Czynnik grzejny musi pokryć straty ciepła, wynikające z wymie­ nionych różnic temperatury i zapewnić odparowanie. Wymaga to doprowadze­ nia dodatkowego strumienia ciepła, wynikającego z tzw. użytecznej różnicy temperatur, której minimum wynosi 7 - 8 K. Odparowanie może być prowadzone pod ciśnieniem atmosferycznym, próżnią lub ciśnieniem zwiększonym, co w dużym stopniu zależy od właści­ wości fizykochemicznych zatężanych substancji (roztworów). Przekazywanie ciepła do roztworu odbywać się może bezprzeponowo, gazami spalinowymi lub za pośrednictwem przegrody (przepony): parą wodną nasyconą, parą przegrza­ ną, wysokowrzącymi organicznymi nośnikami ciepła, a niekiedy stosowane jest również ogrzewanie elektryczne. Podczas odparowywania pod próżnią wyparka jest wyposażona w kondensa­ tor oparów i pompę próżniową do odsysania gazów inertnych. Odparowanie pod próżnią jest stosowane podczas zatężania roztworów ^nieodpornych na działanie podwyższonej temperatury lub kiedy temperatura czynnika grzejnego nie pozwala prowadzić procesu pod ciśnieniem atmosferycznym. Stosowanie próżni umożliwia zwiększenie różnicy temperatury pomiędzy czynnikiem grze­ jnym a wrzącym roztworem, co zmniejsza wymaganą powierzchnię wymiany

ciepła. Wadą odparowywania pod próżnią jest zwiększenie kosztów inwesty­ cyjnych i eksploatacyjnych instalacji wyparnej. Zatężanie pod ciśnieniem zwiększonym jest związane z podwyższeniem temperatury wrzenia roztworu, co umożliwia wykorzystanie oparów do celów grzejnych. Wielkość stosowanego ciśnienia jest jednak ograniczona właściwoś­ ciami fizykochemicznymi roztworu i czynnika grzejnego. Odparowywanie prowadzi się w aparatach wyparnych — wyparkach jednolub wielodziałowych, zwanych też bateriami wyparnymi. Baterie wyparne składają się z szeregu wyparek połączonych rurociągami technologicznymi tak, że mogą pracować w układzie współprądowym, przeciwprądowym lub mieszanym. Opary rozpuszczalnika stanowią tzw. parę wtór­ ną, wykorzystywaną do ogrzewania kolejnych wyparek — działów instalacji wyparnej. Opary, jako para wtórna, grzejna, są wykorzystywane również w wyparkach mechanicznych z pompą ciepła, gdzie podwyższanie parametrów energetycz­ nych oparów następuje w wyniku ich sprężania. Wyparki mogą pracować w sposób okresowy lub ciągły. W pierwszym wy­ padku, po zatężeniu roztworu do określonego stężenia jest on wyładowywany z wyparki. W wyparkach pracujących w sposób ciągły roztwór rozcieńczony jest doprowadzony w sposób ciągły i w sposób ciągły jest odprowadzany roz­ twór zatężony. Klasyfikacja konstrukcji wyparek, podobnie jak i wymienników ciepła, związana jest z postacią i kształtem elementów grzejnych, a także ze sposobem cyrkulacji zatężonego roztworu i jego postacią. Wyróżnia się trzy zasadnicze typy wyparek: — z cyrkulacją naturalną, — z cyrkulacją wymuszoną, — warstewko we.

15.2. WYPARKI Z CYRKULACJĄ NATURALNĄ W wyparkach z cyrkulacją naturalną, cyrkulacja roztworu jest wywołana strumieniem konwekcyjnym ciepła od powierzchni grzejnej. Powierzchnię grzejną w tego rodzaju wyparkach stanowi w najprostszym przypadku ścianka wyparki—warnika ogrzewana bezpośrednio, płaszcz grzejny, zespół rurek pozio­ mych lub pionowych, przez które przepływa czynnik grzejny. Do zatężania m. in. bardzo korozyjnych cieczy, rozcieńczonych kwasów i soli nieorganicznych jest stosowane bezpośrednie spalanie gazu ziemnego w cieczy, w tzw. palnikach zanurzeniowych. Spaliny barbotując przez wars­ twę cieczy powodują ogrzewanie roztworu i odparowanie rozpuszczalnika. Skomplikowana kontrola spalania i duży strumień ciepła unoszony z gazami odlotowymi ograniczają zastosowanie tej metody zatężania roztworów.

W krajach o dużym nasłonecznieniu i klimacie gorącym, promieniowa­ nie słoneczne jest stosowane do zatężania wody morskiej i produkcji soli ku­ chennej. Bezpośrednie ogrzewanie ogniowe powierzchni grzejnej, gazami spalinowy­ mi do zatężania roztworów rozcieńczonych lub do krystalizacji jest stosowane sporadycznie, w procesach okresowych, w małej skali. Wyparki z płaszczem grzejnym są stosowane do zatężania roztworów lep­ kich i krystalizujących, w tym również korozyjnych i zanieczyszczonych okre­ sowo, w małych objętościach. Wyparki z rurkami poziomymi z racji słabej cyrkulacji są stosowane rzad­ ko. Duże zastosowanie znajdują natomiast wyparki z rurkami pionowymi, znane jako wyparki Roberta. Wyparka (rys. 15.1) składa się z dwóch zasadniczych części: komory grzejnej i parowej (przestrzeni parowej). Przestrzeń parowa stanowi część wyparki, do której odparo­ wują i skąd są odprowadzane opary z wrzącego, zatężanego roztworu. Komorę grzejną stanowią pionowe rurki o wysokości 2 - 3 m i średnicy 5 0 -100 mm, z rurą cyrkulacyjną w centrum, której powierzchnia przekroju wynosi ok. 20% przekroju komory. W rurze cyrkulacyjnej przepływ surówki lub zatężonego roztworu jest opadający, niezależ­ nie od miejsca doprowadzenia surówki. W rozwią­ zaniu przedstawionym na rys. 15.1 surówka wpły­ wa do rurek i wznosząc się do góry ogrzewa się do wrzenia. W komorze (2) następuje rozdział mieszaniny para—ciecz na zatężony roztwór, który opada rurą cyrkulacyjną i jest odprowadzany jako Rys. 15.1. Wyparka z obie­ giem naturalnym: 1 — komora produkt, natomiast opary po odkropleniu (3), są grzejna, 2 - przestrzeń paro­ odprowadzane górą aparatu. Wyparka jest odpo­ wa, 3 — odkraplacz; P — para wiednia do zatężania roztworów czystych, rozcień­ grzejna, G - gazy nie skra­ czonych, o lepkości zbliżonej do wody. Z racji plające się, C — ciecz (kon­ jednak dużego zatrzymywania nie nadaje się do densat), S - surówka, K zatężania cieczy mało odpornych na przebywanie produkt (koncentrat), O — opary w podwyższonej temperaturze, lepkich i łatwo krystalizujących. Do tego rodzaju wyparek należą również wyparki z podwie­ szoną komorą grzejną, w których istnieje swoboda wydłużeń termicznych komory grzejnej i płaszcza wyparki. Zatężany roztwór cyrkuluje tu w prze­ strzeni międzyrurowej i w przekroju pierścieniowym pomiędzy ścianą wyparki a rurkami zewnętrznymi komory grzejnej. Wyparki z rurą cyrkulacyjną (opadową) (rys. 15.2) posiadają stopień recyrkulacji ok. 2:1, lecz mogą być stosowane również z przepływem jedno­ krotnym. Separacja zatężonego roztworu i oparów następuje w komorze (2).

Roztwór zatężony jest odprowadzany z miejsca o maksymalnym stężeniu. Wyparki mogą pracować w dużym zakresie stężeń i zmian obciążeń surówką. Ze względu na długi kontakt z powierzchnią grzejną nie są odpowiednie do zatężania roztworów wrażliwych na podwyższoną temperaturę. ot

f

~\

-"31

Rys. 15.2. Wyparka z zew­ nętrzną rurą opadową: 1 — komora grzejna, 2 — prze­ strzeń parowa, 3 — odkraplacz, 4 — rura opadowa, 5 — króciec spustowy

Rys. 15.3. Wyparka ze wznoszącą się warstew­ ką: 1 — komora grzej­ na, 2 — przestrzeń pa­ rowa, 3 — separator

Rys. 15.4. Wyparka ze spływającą warstewką: 1 — komora grzejna, 2 — separator

Wyparki ze wznoszącą się warstewką (rys. 15.3) zwane wyparkami Kestnera stanowią pionowe rurki o wysokości 6-9 m. Surówka podawana jest do rurek komory grzejnej od dołu. Przepływając do góry ogrzewa się i przechodzi w stan pary. Strumień oparów w mieszaninie ciecz—para w miarę przepływu do góry wzrasta, zwiększa się prędkość przepływu i grubość warstewki cieczy, co powoduje zwiększenie współczynników wnikania ciepła i zmniejszenie cza­ su przebywania cieczy. Dla określonego strumienia surówki jest dobierany sto­ sunek długości do średnicy rurek, by na wlocie do komory parowej roztwór był maksymalnie zatężony, bez wydzielania osadów w rurkach. Wyparki nie mogą być stosowane do zatężania roztworów krystalizujących. Istnieją również kon­ strukcje wyparek z recyrkulacją zewnętrzną roztworu, zatężonego po wydziele­ niu go w separatorze. Wyparki z opadającą warstewką (rys. 15.4) są stosowane do roztworów o dużej gęstości, lepkich, w których cyrkulacja naturalna jest utrudniona. Su-

rowka jest doprowadzana od góry i równomiernie rozprowadzana na poszcze­ gólne rurki, ściekając w postaci warstewek. Ponieważ temperatura zatężanych warstewek jest tu niższa niż w innych wyparkach i krótszy jest czas kontaktu z powierzchnią grzejną, dlatego ograniczona jest możliwość krystalizacji osa­ dów, lecz dobra efektywność zatężania.

15.3. W Y P A R K I Z C Y R K U L A C J Ą W Y M U S Z O N Ą Zwiększenie szybkości przepływu cieczy rurkami komory grzejnej jest ko­ nieczne wtedy, gdy zatężane są roztwory stężone i istnieje możliwość wydzie­ lenia się kryształów. Wzrost prędkości przepływu roztworu do 2 - 5 m/s powoduje znaczne zwiększenie współczynni­ ków wnikania i zmniejszenie wymaganej powierzchni wymiany ciepła, co ma znaczenie, gdy są stosowane kosz­ towne materiały konstrukcyjne. Wzrost prędkości uzyskuje się bądź przez zainstalowanie wewnątrz wyparki, w rurze cyrkulacyjnej mieszadła śmigłowego lub turbinowego, bądź umieszczenie na zewnątrz komory grzejnej z pompą cyrkulacyjną, śmigłową. W y p a r k a z wewnętrzną komorą grzejną (rys. 15.5) posiada w dolnej części komory grzejnej pompę śmigłową, która zasysa roztwór zatężony centralną częścią rurek komory i tłoczy go, recyrkuiuje częściowo razem ze świe­ żą surówką rurkami komory, przekrojem pierścieniowym. Produkt jest odprowadzany dołem, po przeciwnej stronie zasilania surówką. Wyparki z zewnętrzną komorą grzejną pionową i poziomą (rys. 15.6) posiadają pompy wirowe cyrkulacyjne, zamontowane na rurze cyrkulacyjnej po stronie roztworu zatężanego. Po odprowadzeniu części produktu pozostałość, tak jak i poprzednio, zmieszana ze świeżą surówką jest przetłaczana przez rurki zewnętrznej Dl* komory grzejnej, w której jednak nie zachodzi wrzenie Rys. 15.5. Wyparka roztworu, ze względu na podwyższone ciśnienie, wynika­ z obiegiem wymu­ jące z ciśnienia hydrostatycznego słupa roztworu. Na szonym: 1 — komora wejściu do komory parowej—separatora (2) ciśnienie spada grzejna, 2 - przestr­ i roztwór intensywnie wrze. Opary po odkropleniu opusz­ zeń parowa, 3 — odczają wyparkę górą, natomiast zatężony roztwór odpływa kraplacz, 4 — rura cyrkulacyjną, 5 — rurą cyrkulacyjną (4). Do zatężania roztworów korozyj­ pompa cyrkulacyjną nych są stosowane również komory grzejne grafitowe, z oddzielnymi, odpowiednio profilowanymi kanałami na parę grzejną i roz­ twór. Wyparki z wymuszoną cyrkulacją są stosowane do zatężania m. in. soli, sody kaustycznej, alkoholi, kwasów i in. ^ t

Rys. 15.6. Wyparki z obiegiem wymuszonym i z wymiennikiem zewnętrznym: a) poziomym, b) pionowym; 1 — komora grzejna, 2 — przestrzeń parowa, 3 — odkraplacz, 4 — rura opadowa, 5 — pompa cyrkulacyjną

15.4. WYPARKI CIENKOWARSTEWKOWE Wyparki cienkowarstewkowe (mechaniczne) (rys. 15.7) stanowią pionową kolumnę z płaszczem grzejnym, w której jest umieszczone mieszadło z wielo­ ma łopatkami, na wysokości kolumny, napędzane od góry. Odległość łopatek od ściany kolumny wynosi 1,3-3,0 mm. Górna część kolumny, nie ogrzewana, stanowi separator oparów. Mieszadło, którego zadaniem jest utrzymanie odpo­ wiedniej grubości warstewki zatężanego roztworu jest wykonywane w wersjach zapewniających regulację grubości warstewki bądź nie (rys. 15.8). W wypar­ kach wyposażonych w mieszadła z ruchomymi łopatkami, z elastycznym zamo­ cowaniem na wale, w trakcie obrotu wału łopatki, pod wpływem siły odśrodko­ wej, są dociskane do ściany kolumny, co określa wielkość szczeliny do spływu warstewki roztworu. Zmiana liczby obrotów wału mieszadła umożliwia regula­ cję grubości warstewki, nawet do dziesiątych części milimetra. Surówka poda­ wana na górę kolumny, odrzucana przez wirujące łopatki na ścianę kolumny, spływa w dół warstewką o grubości zależnej od odległości łopatek od ściany kolumny. Wymienione warunki spływu, łącznie z mieszaniem, zapewniają do­ bre warunki przenikania ciepła, również cieczy lepkich. Zatężony roztwór jest odprowadzany dołem, opary natomiast odpływając górą, kierowane są do kon-

densatora. W konstrukcjach wyparek w usytuowaniu poziomym, zarówno kor­ pus, jak i mieszadło mają kształt stożkowy (rys. 15.9). W tego rodzaju wy­ parkach, poprzez zmianę liczby obrotów mieszadła, zmienia się intensywność mieszania cieczy w odparowującej warstewce i jednocześnie czas przebywania roztworu w wyparce, w granicach kilku sekund. Wyparki mogą być stosowane do zatężania roztworów w zakresie od małych do dużych lepkości.

bj

c)

Rys. 15.7. Wyparka warstewkowa mecha­ niczna: 1 — wirnik, 2 — łopatki, 3 — płaszcz grzejny, 4 — napęd

d)

Rys. 15.8. Wirniki mieszadeł wypa­ rek warstewkowych mechanicznych: a) proste, b) wahadłowe, c) elastycz­ ne, d) z płytką ślizgową

Rys. 15.9. Wyparka warstewkowa z wirnikiem stożkowym: 1 - wirnik łopatkowy, 2 — warste­ wka cieczy, 3 — płaszcz grzejny, 4 — separator, 5 — napęd

Konstrukcja wyparek cienkowarstewkowych wirówkowych (rys. 15.10) jest oparta na zasadzie pracy wirówek talerzowych. Półki stożkowe—talerze o podwójnych ściankach, usytuowane jeden nad drugim, wirują, osadzone na pustym wale, przez który jest doprowadzana para grzejna, ogrzewająca talerze

i odprowadzany kondensat. Roztwór rozcieńczony jest podawany na talerze w centralnej części wyparki. Pod wpływem działania siły odśrodkowej roztwór po wewnętrznej stronie talerzy rozpływa się cienkimi warstewkami, rzędu 0,1 mm i przepływa do obwodu, skąd kanałami wznosi się do góry i rurą zbiorczą jest odprowadzany na zewnątrz. Czas przebywania roztworu na po­ wierzchni talerzy wynosi ok. 1 s. Opary centralnymi otworami talerzy i bębna są odprowadzane na zewnątrz do kondensatora.

Rys. 15.10. Wyparka cienkowarstewkowa talerzowa: 1 - talerze, 2 - wał drążony

Wyparki cienkowarstwowe mechaniczne są stosowane wówczas, gdy klasy­ czne sposoby wymiany ciepła nie mogą być stosowane ze względu na małą odporność termiczną roztworu, dużą lepkość, obecność w roztworze składni­ ków mogących powodować blokowanie powierzchni grzejnych lub powstawa­ nie piany. W y p a r k i płytowe są podobne w konstrukcji do płytowych wymienników ciepła. Jeden moduł wyparki stanowi płyta, po której powierzchni spływa lub wznosi się warstewka odparowywanego roztworu, zamknięta dwoma płytami grzejnymi (parowymi), ogrzewanymi parą lub innym ciekłym nośnikiem ciepła. Moduł ten jest powtarzany wielokrotnie, w zależności od wielkości wymaganej powierzchni grzejnej. Karbowana powierzchnia płyt znacznie zwiększa burzliwość w warstewce cieczy w porównaniu z powierzchniami gładkimi. Zarówno produkt, opary, jak i kondensat zbierane w oddzielnych kolektorach są odpro­ wadzane na zewnątrz wyparki. Wyparki charakteryzują się krótkim czasem

kontaktu i przebywania oraz małym zatrzymaniem cieczy. Są stosowane do zatężania, do 10 kg/s roztworów wrażliwych na działanie podwyższonej tempe­ ratury, lepkich i stężonych, w tym również korozyjnych. Do tego rodzaju wy­ parek należą również wyparki płytowo-komorowe, w których płyty i komory grzejne są ze sobą połączone na stałe przez zgrzewanie lub spawanie.

15.5. B A T E R I E W Y P A R N E Opary wytwarzane w wyparkach jednodziałowych mają znaczny zasób cie­ pła i mogą być wykorzystane do ogrzewania kolejnych, identycznych lub po­ dobnych wyparek (działów) w ciągu zwanym baterią lub instalacją wyparną. Ciśnienie w kolejnych działach baterii wyparnej jest coraz mniejsze, tak by temperatura pary (oparów) grzejnej nasyconej była wyższa od temperatury wrzenia roztworu o wymienioną w p. 15.1 różnicę. Ten sposób prowadzenia zatężania roztworów daje znaczne oszczędności ciepła podczas odparowywania. Z bilansu cieplnego baterii wyparnej (rys. 15.11) wynika, że ciepło odparowania 1 kg wody w pierwszym (I) dziale jest w przybliżeniu równe ciepłu kondensacji 1 kg pary grzejnej. W warunkach rzeczywistych para grzejna kondensuje pod wyższym ciśnieniem niż odparowuje rozpuszczalnik, dlatego na skutek strat cieplnych zdolność oparów do odparowania wody w kolejnych działach maleje tak, że stosując baterię dwudziałową należy doprowadzić świeżą parę w ilości - 0 , 5 7 kg; trójdziałową - 0 , 4 kg; czterodziałową - 0 , 3 kg. Dalsze zwiększanie liczby działów nie powoduje już znaczącego zmniejszenia zużycia świeżej pary grzejnej, więc baterie o liczbie działów większej niż cztery są rzadko stosowa­ ne. W zależności od sposobu przepływu roztworu przez baterię wyróżnia się instalacje wyparne: współprądowe, przeciwprądowe, równoległe. W instalacji współprądowej (rys. 15.11a) do pierwszego (I) działu dopły­ wają: surówka podgrzana wstępnie do temperatury panującej w tym dziale i świeża para grzejna. Dział ten stanowi pierwszy stopień zatężania. Opary z I działu stanowią czynnik grzejny dla II działu i kolejno z II działu dla III działu itd. Zatężany roztwór, dzięki temu, że ciśnienie w kolejnych działach od I do II jest coraz niższe, przepływa samoczynnie z działu do działu i najbar­ dziej stężony roztwór odpływa z działu ostatniego. W instalacji wraz ze wzros­ tem stężenia roztworu temperatura pary grzejnej spada i warunki do wymiany ciepła pogarszają się; często w ostatnim dziale, by utrzymać stan wrzenia roz­ tworu obniża się ciśnienie poniżej atmosferycznego. W tym celu opary z ostat­ niego działu są kierowane do kondensatora, gdzie są skraplane. W przypadku oparów wody, w kondensatorze bezprzeponowym natryskowym lub z wypeł­ nieniem, zwanym barometrycznym (rys. 15.11). Nie skraplające się gazy po odkropleniu, zasysane pompą próżniową, są usuwane do atmosfery. W bate­ riach współprądowych zatęża się m. in. roztwory organiczne i emulsje, któ­ rych odporność na działanie podwyższonej temperatury maleje wraz ze wzros­ tem stężenia.

W instalacji przeciwprądowej (rys. 5.1 lb) surówka jest doprowadzana do działu, w którym ciśnienie i temperatura są najniższe, po czym do dalszych działów, w których panuje wyższe ciśnienie i temperatura. Roztwór musi być przetłaczany pompami wirowyrr/i. Przepływ zatężanego roztworu odbywa się w przeciwprądzie do pary grzejnej (oparów). W baterii przeciwprądowej, w każdym dziale, zapewnione są tak samo dobre warunki do wymiany ciepła.

Rys. 15.11. Baterie (instalacje) wyparne: a) współprądowa, b) przeciwprądowa; I, II, III — działy baterii wyparnej: 1 — skraplacz barometryczny, 2 — rura barometryczna, 3 — odkraplacz, 4 — pompy przetłaczające, 5 — pompa próżniowa

W baterii wyparnej, zasilanej równoległymi strumieniami surówki, poszcze­ gólne działy są zasilane parą grzejną szeregowo, jak w poprzednich instala­ cjach. W każdym dziale następuje oddzielne, jednostopniowe zatężenie roztwo­ ru, od stężenia początkowego do końcowego. Ponieważ jednak, temperatura w poszczególnych działach nie jest jednakowa, różne są więc stężenia zatężonych roztworów opuszczających poszczególne działy. Ten rodzaj instalacji jest stosowany do zatężania roztworów stężonych skłonnych do krystalizacji.

Spośród przedstawionych instalacji, mimo wymienionych wad, najczęściej są stosowane baterie współprądowe, ze względu na prostotę eksploatacji. Maksymalna liczba działów w instalacji wyparnej jest ograniczona użytecz­ ną różnicą temperatur w każdym dziale, która nie powinna być niższa od 7-8°. Całkowitą powierzchnię wymiany ciepła, w celu zmniejszenia kosztów inwes­ tycyjnych i ogólnych dzieli się zazwyczaj równo między działy.

15.6. W Y P A R K I M E C H A N I C Z N E W wyparkach mechanicznych opary opuszczające wyparkę, po sprężeniu są stosowane powtórnie do ogrzewania tej samej wyparki. Po zwiększeniu ciś­ nienia oparów do ciśnienia pary grzejnej, w sprężarce mechanicznej lub ejektorze parowym, jest konieczny tylko niewielki dodatek świeżej pary. Opary po sprężeniu adiabatycznym i wzroście ich temperatury powyżej temperatury wrzenia roztworu 10-12°, zwykle w sprężarce typu Rootsa (rys. 15.12a), są tłoczone do komory grzejnej wyparki. Świeża para jest doprowadzana podczas rozruchu i niewielki strumień pary uzupełnia straty podczas eksploatacji.

K

Rys. 15.12. Wyparki mechaniczne ze sprężaniem oparów: a) ze sprężarką wirową, b) z ejektorem parowym; 1 — sprężarka, 2 — ejektor

W wyparkach ze sprężaniem oparów w ejektorze parowym (rys. 15.12b) para robocza o wysokim ciśnieniu rozpręża się w dyszy i zasysa opary z wypa­ rki. Mieszanina pary odlotowej z ejektora o odpowiednich parametrach ciśnie­ nia i temperatury, jest kierowana do komory grzejnej wyparki. Wyparki mechaniczne ze sprężaniem oparów są stosowane do zatężania roztworów wrażliwych na podwyższoną temperaturę, jak również wówczas, gdy różnica temperatury między parą grzejną a oparami jest niewielka, co zwykle dotyczy roztworów czystych, rozcieńczonych. Wybórwyparki mechani­ cznej jest zwykle decyzją ekonomiczną. Do zatężania roztworów są również stosowane termochemiczne nośniki ciepła, tzw. transformatory ciepła, stosowane w tzw. pompach ciepła. Trans-

formatory ciepła stanowią zazwyczaj czynniki chłodnicze stosowane w pra­ ktyce chłodniczej. Często jest stosowany amoniak. Zgodnie ze schematem (rys. 15.13), amoniak gazowy wprowadzany do komory grzejnej (1) przekazu­ jąc ciepło surówce powoduje jej odparowanie w temperaturze 288-313 K, sam ulegając kondensacji. Ciekły amoniak po opuszczeniu komory ulega rozpręże­ niu i schłodzeniu na zaworze (2). Wpływając dalej do kondensatora (3) powo­ duje kondensację oparów opuszczających komorę parową-separator (4). Pobie­ rając ciepło ciekły amoniak przechodzi w stan pary i jest sprężany w sprężarce mechanicznej (5), cykl się powtarza. Produkt jest odbierany z separatora (4). Oprócz przedstawionego podstawowego schematu z jednokrotnym przepływem roztworu przez komorę grzejną, są również stosowane wyparki z pompą cie­ pła, z recyrkulacją roztworu i wielostopniowe z recyrkulacją [2]. W wyparkach tego rodzaju są zatężane produkty spożywcze i farmaceutyczne. Zaletą metody jest zarówno duża redukcja objętości nośnika ciepła, jak i możliwość odparo­ wywania w niskiej temperaturze.

A

Rys. 15.13. Wyparka z pompą ciepła: 1 - komora grzejna, 2 - zawór rozprężny, 3 densator, 4 - separator, 5 - sprężarka

kon-

15.7. DOBÓR WYPARKI Dobór wyparki do procesu odparowania i zatężania roztworu zależy od następujących czynników:

— projektowanej wydajności, — lepkości surówki i zmian lepkości roztworu w trakcie odparowania, — właściwości fizykochemicznych produktu, w tym jego odporności terinicznej, stężenia końcowego, możliwości wydzielania osadów i pienienia oraz zawartości ciała stałego. Na podstawie wstępnych obliczeń określa się podstawowe wymiary wy­ parki: _~ powierzchnię grzejną gdzie T , T k

n

K

T

A =

%(T " )^ k

n

— temperatury nasycenia odpowiednio kondensującej pary grzejnej i zatężanego roztworu, — współczynnik przenikania ciepła [W/(m -K)]; przy cyrkula­ cji naturalnej dla roztworów wodnych czystych ok. 1000, dla zanieczyszczonych do 500; przy cyrkulacji wymuszonej dla roztworów wodnych czystych ok. 2000, zanieczyszczonych do 700.

— przestrzeń parową ponad powierzchnią recyrkulowanej wrzącej cieczy, która powinna być większa niż 250 mm, jej średnica D [mm] powinna speł­ niać warunek D>

( m \

1 / 2

m

0

o ) gdzie m — strumień masy oparów [kg/s]; p — gęstość oparów (kg/m*], Q

G

— rodzaj i wymiary odkrapiacza dobieranego spośród różnego rodzaju półek uderzeniowo-inercyjnych, odkraplaczy żaluzyjnych i warstwowych (pa­ kietowych) z przemywaniem. Odkraplacze pakietowe dobiera się o grubości (wysokości) minimalnej 100 mm i średnicy D [m] m

0

D > 0,62

Gdy prędkość oparów wynosi 3-7 m/s sprawność ogólna odkraplania wyno­ si 99,8%, spadek ciśnienia - 250 N/m . 2

LITERATURA [1]

KUBASIEWICZ

12]

SMITH

A., Wyparki. Konstrukcja i obliczanie. WNT, Warszawa 1977. R . A . , Vaporisers — Selection, Design and Operation, Longman Sci. & Technical, John Wiley & Sons, New York 1986. [3] R A N T Z.Z., Odparowanie w teorii i praktyce, WNT, Warszawa 1965.

16. KRYSTALIZATORY 16.1. WPROWADZENIE Krystalizacja stanowi proces wydzielenia substancji rozpuszczonej z roztwo­ ru przesyconego lub z substancji macierzystej będącej w stanie ciekłym, bądź bezpośrednio z fazy gazowej, z pominięciem fazy ciekłej na skutek desublimacji. W wyniku krystalizacji następuje wydzielenie produktu w postaci stałej lub oczyszczenie roztworu macierzystego lub gazu. Z wymienionych procesów krystalizacji największe zastosowanie ma krysta­ lizacja z roztworów ciekłych, zwana krystalizacją masową. Stopień rozdziału, jaki można uzyskać dochodzi do 99,99% dla produktów rafinowanych. Krystalizacja jest związana z obecnością w roztworze zarodków lub z ich powstawaniem — nukleacją i wzrostem. Siłą napędową obu procesów jest przesycenie roztworu, uzyskiwane przez odparowanie rozpuszczalnika, chło­ dzenie roztworu, reakcję chemiczną lub dodanie trzeciego składnika. Zdolność do przesycenia roztworu, określana jako stosunek stężenia aktualnego C do stężenia równowagowego C* S = C / C * ^ 1,0, zależy od rodzaju substancji i wynosi np. dla cukru « 2,0, soli NaCl ~ 1,0. Nukleacją jest inicjowana w obecności zarodków — drobnych cząstek sta­ łych i przy dużych szybkościach ścinania roztworu. Nukleacją w cieczy jest określana mianem jednorodnej, a w obecności ciała stałego jako niejednorodna (heterogeniczna). Nukleacją silniej zależy od przesycenia niż wzrost kryszta­ łów. Jeśli stopień przesycenia jest duży, to powstaje duża liczba małych krysz­ tałów, trudnych do filtracji i mycia. Mały stopień przesycenia daje natomiast małą liczbę dużych kryształów. Dalsze zwiększanie kryształów jest związane z dyfuzją substancji macierzystej do ich powierzchni i wbudowaniem w struk­ turę kryształu. Jakość krystalizacji określana jest jednorodnością, czystością i twardością kryształów. Jako duże określa się kryształy 1-5 mm, drobne 0,2-1 mm i poniżej 0,2 mm — bardzo drobne. Warunki formowania i kinetyka wzrostu kryształów, skład i czystość i in. są omówione w pracach [1], [2]. Krystalizację prowadzi się w aparatach zwanych krystalizatorami, w któ­ rych istnieją warunki do powstawania i wzrostu kryształów. Krystalizacja może być prowadzona w sposób okresowy lub ciągły.

Krystalizatory okresowe umożliwiają uzyskanie kryształów o bardziej jedno­ litych rozmiarach niż ciągłe. Ponadto krystalizatory okresowe są proste w bu­ dowie i obsłudze, lecz czas przebiegu procesu jest dłuższy. Krystalizatory ciągłe są stosowane przy większych wydajnościach produk­ cji, ponad 50-200 kg/h. Zaletą krystalizatorów ciągłych jest lepsze wykorzysta­ nie roztworu macierzystego, lepsza separacja kryształów i ich mycie, stały roz­ kład rozmiarów kryształów. Wadę stanowi tendencja blokowania powierzchni wymiany ciepła przez kryształy, mniejsze rozmiary kryształów w porównaniu z metodą okresową. Sposób krystalizacji i rodzaj stosowanego krystalizatora, w dużym stopniu zależy od krzywej rozpuszczalności krystalizowanej substancji (rys. 16.1). Krystalizacja przez schładzanie może być stosowana dla substancji, których rozpuszczalność maleje wraz z obni­ żeniem temperatury (typ 1), nato­ 1 1 i i 1 i r, 1 1 1A » / miast dla substancji wykazujących C / O / bardzo małe zwiększenie rozpusz­ 1,2 ^ / czalności (typ 2) jest stosowane od­ i 1,0 « • * parowanie rozpuszczalnika. W razie o § / nieznacznego zwiększenia rozpusz­ 0.8 . Chfodzenie czalności, wraz ze zwiększeniem temperatury, korzystniej jest stosować krystalizację próżniową, w której N U,* N schłodzenie roztworu następuje w 3 0,2 wyniku odparowania rozpuszczalnika. CX N O Dla substancji wykazujących spadek CC 100 20 1*0 60 80 rozpuszczalności wraz ze wzrostem Temperatura l °C ] temperatury (typ 3) najlepszym spo­ Rys. 16.1. Rodzaje (typy) krzywych rozpusz­ sobem krystalizacji jest również od­ czalności parowanie rozpuszczalnika. i

I

I

I

.

I

I

I

I

Krystalizacja w wyniku reakcji chemicznej jest związana z reakcjami egzotermicznymi, w których ciepło tworzenia substancji jest wystarczające do odparowania rozpuszczalnika. Za przykład może służyć: reakcja amonia­ ku (NH ) z kwasem siarkowym ( H S 0 ) , z wytworzeniem siarczanu VI amo­ nu ( N H ) S 0 , produkcja wodorowęglanu sodu (NaHC0 ) i węglanu sodu (Na2C0 ). Krystalizacja przez desublimację substancji jest prowadzona z fazy gazo­ wej, poprzez chłodzenie oparów bezpośrednie lub pośrednie. Sposób chłodzenia i rodzaj substancji określają nukleację, wzrost rozmiarów i aglomerację cząs­ tek. Gdy chłodzenie jest zbyt szybkie, wtedy otrzymuje się mgłę o średnicy cząstek 0,1-40 pm, których wydzielenie z gazu jest utrudnione. Można unik­ nąć tworzenia się mgły przez kontrolę warunków kondensacji i stopnia prze­ sycenia oparów. Stopień przesycenia, krytyczny, w temperaturze kondensacji można obliczyć z następującego równania: 3

4

3

2

2

4

4

3

exp 0,57 — w którym M P

o

masa molowa substancji, gęstość [g/cm ], napięcie powierzchniowe [dyny/cm], temperatura oparów [K]. 3

Krystalizacja przez dodanie trzeciego składnika może być również zwią­ zana z reakcją chemiczną i wydzieleniem trudno rozpuszczalnego produktu lub dodatek trzeciego składnika zmienia rozpuszczalność i powoduje tzw. efekt wysalania.

16.2. KRYSTALIZATORY Z CHŁODZENIEM W krystalizatorach z chłodzeniem otrzymuje się jednorodnej wielkości kry­ ształy, przez chłodzenie roztworu przesyconego w określonej temperaturze i określonym czasie. Chłodzenie odbywać się może bezprzeponowo, zwykle strumieniem powietrza, lub innymi płynami obojętnymi lub przeponowo cieczą chłodzącą. Najprostszymi krystalizatorami są aparaty typu zbiornikowego, zwane panwiowymi, napełnione gorącym przesyconym roztworem i pozostawione do schłodzenia naturalnego. Otrzymane kryształy, o różnych rozmiarach, są zanie­ czyszczone ługiem macierzystym. Krystalizatory z elementami chłodzącymi, umieszczonymi w krystalizują­ cym roztworze, są rzadko stosowane, ze względu na blokowanie powierzchni chłodzącej. Krystalizatory z bezpośrednim chłodzeniem powietrznym (rys. 16.2) stanowią długie poziome bębny obrotowe lub koryta wykonujące ruch wah­ liwy, są to tzw. krystalizatory kołyskowe, do których w sposób ciągły jest po­ dawany gorący, nasycony roztwór wodny, a w przeciwprądzie, nad powierz­ chnią roztworu, przetłaczane jest powietrze. Dzięki niewielkiemu pochyleniu roztwór przepływa do drugiego końca aparatu, gdzie jest wyładowywany jako mieszanina kryształów w ługu macierzystym. Powietrze wilgotne odprowadza­ ne jest do atmosfery. Straty ciepła przez korpus aparatu powodują tworzenie się narostów krystalicznych na ścianach, co powoduje zaburzenia w przepły­ wie. Mankamenty te w mniejszym stopniu występują w krystalizatorach kołys­ kowych, gdzie ruch poprzeczny zawiesiny powoduje likwidację lokalnych prze­ syceń i tworzenie narostów. Otrzymane kryształy są dobrze uformowane i mają duże rozmiary. Zaletą tego rodzaju krystalizatorów jest prosta konstrukcja i niski koszt eksploatacji, lecz duża powierzchnia instalacyjna, możliwość blo­ kowania przepływu, niekorzystne warunki wymiany ciepła i masy, brak możli-

wości kontroli procesu i usuwanie dużej objętości oparów środowiska ograni­ czają ich zastosowanie. Szereg wymienionych niedogodności zostało usunię­ tych w krystalizatorach z chłodnicą obrotową (rys. 16.3), lecz otrzymuje się tu drobne kryształy. Q

)

Roztwór

b)

Rys. 16.2. Krystalizatory z chłodzeniem bezpośrednim: a) kołyskowy, b) bębnowy; 1 — bęben, 2 — odpływ zawiesiny kryształów, 3 - osłona, 4 — elementy grzejne — parowe

Z.

kryształów

Rys. 16.3. Krystalizator korytowy z chłodnicą obrotową: 1 — koryto, 2 3 — mieszadło — chłodnica

napęd mieszadła,

Niekorzystne właściwości powietrza, jako czynnika chłodzącego, zastąpiono stosując różnego rodzaju płyny nie mieszające się z roztworem, o korzystnych właściwościach cieplnych. Stosowane są: — do chłodzenia roztworów wodnych — benzyna i nisko wrzące węglowo­ dory, jak butan, propan itp., — do krystalizacji związków organicznych różnego rodzaju solanki (w tym CaCl , M g C l i inne). 2

2

Krystalizator typu zbiornikowego z mieszadłem jest stosowany do krysta­ lizacji, np. benzenu. Przez zmieszanie ciekłego benzenu z wodnym roztworem MgCl w temperaturze 258-263 KxOtrzymuje się krystaliczny benzen o wyso­ kiej czystości. W aparatach typu kolumnowego jest prowadzona krystalizacja z wykorzystaniem do chłodzenia ciepła parowania skroplonych węglowodorów. Odpowiedni węglowodór jest rozpylany na krople dyszą lub zespołem dysz na dole kolumny wypełnionej roztworem. Przepływając do góry odparowuje, kosztem ciepła pobieranego z roztworu, jednocześnie mieszając zawiesinę kryształów. Zastosowanie omawianego sposobu krystalizacji jest niewielkie, mimo wielu zalet, którymi są m. in. korzystne warunki wymiany ciepła, elimi­ nacja narostów krystalicznych i zwiększona wydajność krystalizacji. Zanie­ czyszczania produktu czynnikami chłodzącymi, stosowanie sprężarek chłod­ niczych, niebezpieczeństwo wystąpienia pożarów i wybuchów stanowią wadę tej metody. Krystalizatory z chłodzeniem bezpośrednim próżniowym stanowią apa­ raty najbardziej rozpowszechnione w krystalizacji z roztworów. Są one stoso­ wane do krystalizacji substancji, których rozpuszczalność maleje wraz ze spad­ kiem temperatury. Zasada ich działania polega na chłodzeniu roztworu w wyni­ ku samoodparowania części rozpuszczalnika pod zmniejszonym ciśnieniem, z jednoczesnym zatężaniem roztworu. 2

Próżnia

Zawiesina kryształów

Rys. 16.4. Krystalizator próżniowy z cyrkulacją zewnętrzną: 1 — komora krystalizacyjna, 2 — kondensator

Krystalizator próżniowy z cyrkulacją zewnętrzną (rys. 16.4) stanowi zbiornik cylindryczny ze stożkowym dnem. Cyrkulację zawiesiny kryształów wymusza pompa śmigłowa. Przewód odparów, poprzez kondensator, połączony jest z pompą próżniową. Roztwór o temperaturze nieco wyższej niż temperatu­ ra wrzenia, pod obniżonym ciśnieniem wewnątrz aparatu, wprowadzony do

krystalizatora zaczyna wrzeć i odparowuje. W wyniku przesycenia następuje krystalizacja. Zawiesina kryształów zasysana pompą cyrkulacyjną odpływa w dół zbiornika, skąd przed wlotem do pompy część produktu jest odprowa­ dzana na zewnątrz. Otrzymuje się mieszaninę drobnych kryształów. Krystalizatory z chłodzeniem przeponowym stanowią aparaty, w których chłodzenie roztworu odbywa się przez ścianę bez odparowania rozpuszczalni­ ka. Ograniczone zastosowanie znajdują krystalizatory w postaci mieszalników z płaszczem grzejnym lub wężownicą chłodzącą, wyposażone w mieszadło wolnoobrotowe. Obrastanie powierzchni wymiany ciepła kryształami i kon­ sekwencje z tym związanie powodują, że krystalizatory są stosowane do nie­ zbyt dużej produkcji, okresowej. Lepsze warunki kontroli krystalizacji są w aparatach pracujących w sposób ciągły. Krystalizator z chłodnicą zewnętrz­ ną (rys. 16.5) składa się zasadniczo ze zbiornika z zawiesiną (1), wymiennika chłodnicy płaszczowo-rurowej (2) i pompy obiegowej (3). Świeży, gorący roztwór jest doprowadzany do przelewu, gdzie miesza się ze strumieniem cyrkulowanej zawiesiny kryształów. W chłodnicy (2) zawiesina ulega ochłodze­ niu i przesyceniu i wpływa do zbiornika (1), gdzie następuje wzrost kryszta­ łów. Odbiór kryształów z ługiem macierzystym odbywa się od dołu zbiornika. Otrzymuje się drobne, lecz o zbliżonych rozmiarach kryształy. Opisany typ krystalizatora jest również określany mianem krystalizatora fluidalnego, ze względu na fluidyzację strumieniem przechłodzonego roztworu, w dolnej prze­ strzeni krystalizacyjnej (4) ziaren kryształów. Roztwór

Rys. 16.5. Krystalizator z chłodzeniem przeponowym i klasyfikacją kryształów: 1 — krystaliza­ tor, 2 — chłodnica, 3 — pompa obiegowa, 4 — przestrzeń krystalizacyjna

Tego rodzaju krystalizatory są również stosowane w połączeniu szerego­ wym, kaskadowym, do czterech aparatów w kaskadzie, gdy istnieją większe wymagania jednorodności kryształów.

W celu ograniczenia narostów na powierzchni chłodzącej są również stoso­ wane krystalizatory z urządzeniami skrobakowymi, dociskanymi do ścian sprę­ żynami lub siłą odśrodkową. Są one stosowane do krystalizacji roztworów bardzo lepkich, również w niskiej temperaturze. Pośród tych aparatów znajdują się również zmodyfikowane wyparki mechaniczne, warstewkowe. Ro2twór i Zawiesina

•

Rys. 16.6. Krystalizator walcowy chłodzony: 1 — walec, 2 — mieszadło, 3 — obudowa — korpus aparatu

W krystalizatorach bębnowych (walcowych) (rys. 16.6) zasadniczy ele­ ment stanowi wolnoobrotowy bęben metalowy, chłodzony od wewnątrz cieczą, na którego powierzchnię podaje się roztwór w postaci cienkiej warstewki. Bęben może być częściowo zanurzony w gorącej, krystalizowanej cieczy (rys. 16.6) lub ciecz jest podawana na powierzchnię bębna. Wykrystalizowana warstewka substancji jest zdejmowana z powierzchni bębna nożem lub wał­ kiem gumowym, dociskanym. Konstrukcje krystalizatorów są otwarte lub za­ mknięte hermetycznie, w zależności od rodzaju roztworu. Budowane są rów­ nież układy krystalizatorów wielostopniowe szeregowe, w celu uzyskania lep­ szego stopnia czystości produktu. Krystalizatory tego rodzaju są stosowane do krystalizacji stężonych roztworów wodnych, stopionych kryształów uwodnio­ nych i stopów. Procesy wydzielenia z fazy gazowej substancji stałych są prowadzone w desublimatorach. Istnieje wiele sposobów spowodowania desublimacji z mie­ szaniny gazowej: — bezpośrednie zmieszanie wyjściowych reagentów gazowych, — sublimacja substancji do nośnika gazowego, — reakcja chemiczna, z wydzieleniem produktów zdolnych do desublimacji, Desublimacja następuje bądź na powierzchni nieruchomej lub ruchomej, bądź w objętości fazy gazowej. Podczas wydzielania produktu na powierzch­ ni przesycenie osiąga się przez odprowadzenie ciepła do otaczającego środowi­ ska. Powierzchnia ma temperaturę niższą niż gaz i przesycenie oparów odpo­ wiada tej temperaturze. Z biegiem desublimacji, gdy warstewka fazy stałej staje

się grubsza, wtedy temperatura jej wzrasta, przesycenie maleje i desublimacja ustaje. Desublimacja jest stosowana m. in. do wydzielenia cennych produktów w procesach katalitycznego utleniania węglowodorów tlenem powietrza, takich jak bezwodnik ftalowy i maleinowy, antrachinon, jak również do wydzielenia par metali, sadzy, jodu, chlorku glinu itp. Stopień wydzielenia substancji wy­ nosi powyżej 90%. Desublimacja jest stosowana jako metoda oczyszczania wielu substancji i gazów. Ponadto desublimacja jest stosowana do otrzymy­ wania monokryształów, światłowodów, do barwienia i nakładania różnego ro­ dzaju powłok itp. Sposób prowadzenia desublimacji określa zwykle jakość i czystość produk­ tu. Proces może być prowadzony w sposób okresowy lub ciągły. Najprostszy desublimator stanowi zespół zbiorników — kolumn stalowych — w ustawieniu szeregowym, z odbiorem produktu od dołu i z układem odpy­ lania gazów odlotowych w postaci skrubera lub filtru tkaninowego. Ochłodze­ nie gazu i desublimacja odbywa się w wyniku strat ciepła przez ściany aparatu. Produkt jest usuwany ze ścian przez okresowe ostukiwanie ścian lub zdrapy­ wanie. Stosowane są również aparaty z płaszczem chłodzącym i płaszczowo-rurowe, w których desublimacja następuje w przestrzeni międzyrurowej, czynnik chłodzący natomiast przepływa rurkami. W celu zwiększenia stopnia desublimacji powiększa się powierzchnię osadzania produktu, polepsza chło­ dzenie, stosując rury ożehro^-ne lub płyty faliste, i zwiększa czas przebywania gazu w aparacie. Efektywność desublimacji maleje wraz ze zwiększeniem grubości osadzonego produktu. Jeśli mała wydajność jest wystarczająca, to jako desublimatory są stosowane chłodzone od wewnątrz, obracające się bębny, z których produkt jest zdrapy­ wany nożem. Metody termiczne usuwania produktu z powierzchni są związane z ogrzewaniem powierzchni i odpadaniem stałego produktu w stanie mniej lub bardziej stopionym lub przez sublimację. Do prowadzenia specyficznych procesów desublimacji jest stosowana apa­ ratura specjalna [3]. W chłodzeniu bezpośrednim oparów stosuje się natrysk cieczy lub zmiesza­ nie z zimnym gazem. Ten sposób desublimacji daje drobny produkt, trudny do wydzielenia. Desublimacja w objętości gazu jest efektywna jedynie ze stężo­ nych oparów. Mieszanie oparów i gazu chłodzącego prowadzi się w dyszach Venturiego, wentylatorach lub w aparatach z przegrodami. Zapobieżenie kon­ densacji produktu na ściankach aparatów stanowi problem eksploatacyjny. Natrysk cieczy do strumienia oparów jest wykonywany dyszami hydrauliczny­ mi lub pneumatycznymi, dającymi drobny rozpył kropel, aby odparowanie cieczy nastąpiło bardzo szybko, bez zwilżania ścian aparatu. Chłodzenie opa­ rów ciekłym nośnikiem jest rzadko stosowane, ze względu na trudności sepa­ racji cząstek stałych produktu z zawiesiny.

W desublimatorach z ruchomą powierzchnią wydzielania zachodzi jedno­ cześnie chłodzenie, desublimacja i usuwanie produktu w sposób ciągły. Jedny­ mi z najbardziej rozpowszechnionych są desublimatory fluidalne, ze złożem cząstek macierzystych lub inertnych, kulki ceramiczne lub metalowe. Strumień oparów z cząstkami stałymi fluidyzuje złoże (rys. 16.7), w którym jest umiesz­ czona wężownica chłodząca. Na skutek ochłodzenia gazu następuje desubli­ macja na cząstkach złoża i w objętości gazu. Gazy odlotowe są odpylane w cyklonie, skąd drobne cząstki są zawracane do obiegu. Cząstki o dużych rozmiarach wypadają ze złoża i często, po dalszym schłodzeniu, są odprowa­ dzane jako produkt. Desublimatory fluidalne zapewniają wysoki stopień wy­ dzielenia produktu 95-99% i dużą wydajność desublimacji ok. 150 kg/(m -h). W desublimatorach fluidalnych wydziela się bezwodnik ftalowy, antrachinon, chlorek glinu i inne. 3

Oazy odloto we

f

Mieszanina gazowa

Rys. 16.7. Desublimator fluidalny z recyrkulacją: 1 — desublimator, 2 - cyklon, 3 — podajnik produktu, 4 — chłodnica produktu recyrkulowanego, 5 — podajnik ślimakowy

Desublimatory z ruchomymi warstwami wypełnień i przeciwprądowym przepływem gazu są stosowane rzadziej, przede wszystkim do rozdzielenia lotnych, łatwo sublimujących cząstek stałych.

16.3. K R Y S T A L I Z A T O R Y Z O D P A R O W A N I E M ROZPUSZCZALNIKA Krystalizatory z odparowaniem rozpuszczalnika stanowią grupę wyparek, które zostały przystosowane do warunków powstawania i wzrostu kryształów.

Opary

Para Kondensat

Roztwór Zawiesina kryształów

Rys. 16.8. Krystalizator wyparny z mieszaniem mechanicznym: 1 - korpus aparatu, 2 mora grzejna, 3 — mieszadło, 4 — napęd mieszadła, 5 — separator kropel

ko-

Opary

Roztwór zasilający

Za wiesi na kryształów n i l U Z U W

Rys. 16.9. Krystalizator wyparny z cyrkulacją zewnętrzną roztworu: 1 - zbiornik zawiesiny, 2 — pompa cyrkulacyjną, 3 — komora parowa — odparowania, 4 — przewód cyrkulacyjny, 5 — podgrzewacz

W działaniu są podobne do krystalizatorów próżniowych, lecz krystalizacja przebiega dzięki ciepłu doprowadzonemu z zewnątrz, podobnie jak w klasycz­ nych wyparkach. Wyparki z cyrkulacją naturalną nie znajdują tu większego zastosowania. Stosowane są natomiast wyparki z cyrkulacją wymuszoną. Przez zainstalowanie mieszadła w powiększonej komorze grzejnej (rys. 16.8) zwięk­ szono szybkość cyrkulacji i polepszono warunki przenikania ciepła. W krystalizatorze wyparnym z cyrkulacją zewnętrzną (rys. 16.9) istnieją lepsze warunki do intensyfikacji procesu pod względem wymiany ciepła, wzrostu i klasyfikacji kryształów. Krystalizatory tego rodzaju, o średnicy do ok. 8 m i wysokości do 24 m są stosowane do wytwarzania krystalicznych produktów masowych, np. siarczanu amonu.

16.4. KRYSTALIZATORY Z REAKCJĄ CHEMICZNĄ I WYSALANIEM W krystalizatorach z reakcją chemiczną nukleacją i wzrost kryształów są związane z przebiegiem reakcji chemicznej w cieczy macierzystej. Krystaliza­ tory tego rodzaju są również zaliczane do reaktorów chemicznych, omawianych w rozdz. 23. Konstrukcja stosowanych aparatów jest podobna do już omówionych, tzw. krystalizatorów masowych, z tym że są one wyposażone w urządzenia do roz­ praszania gazowego reagentu w posta­ Rozpuszczalnik do ci drobnych pęcherzyków. Krystaliza­ kondensatora tor typu fluidyzacyjnego (rys. 16.10) jest stosowany do otrzymywania siarczanu amonu, fosforanów amonu, chlorku amonu, węglanów itp. Rea­ genty są doprowadzane po stronie ssawnej i tłocznej pompy obiegowej (2) i w trakcie przepływu do zbiorni­ ka zawiesiny (1), następuje przesyce­ nie roztworu, następnie wzrost i kla­ syfikacja kryształów w rurze opado­ wej (4). Kryształy o dużych rozmiaGoz rach są odprowadzane jako produkt, małe natomiast, z ługiem macierzys­ tym, są zawracane do obiegu. Otrzy­ Za wiesi na mywane kryształy mają rozmiary kryszta tdw 0,6-2 mm. Do krystalizatorów tego Kwas rodzaju należą również wieże karboRys. 16.10. Krystalizator reakcyjno-fluidyzanizacyjne, stosowane w przemyśle cyjny: 1 — zbiornik zawiesiny, 2 — pompa sodowym do otrzymywania bikarboobiegowa, 3 — przewód reakcyjny, 4 — rura natu (NaHCQ ). opadowa — klasyfikacyjna 3

Wysalanie jest prowadzone na małą skalę w procesach wytwarzania barw­ ników i niektórych związków farmaceutycznych i polega na dodaniu do roz­ tworu substancji ciekłej lub stałej, zmniejszającej rozpuszczalność krystalizują­ cego składnika. Krystalizacja jest prowadzona w prostych aparatach typu zbior­ nikowego z mieszadłem (rys. 16.11). Dodawane substancje to m. in. alkohol etylowy, metylowy a także sól kuchenna.

Zawiesino

krysztato'w

Rys. 16.11. Krystalizator wytrąceniowy: 1 — zbiornik zawiesiny, 2 mieszadła

mieszadło, 3 — napęd

16.5. REKRYSTALIZATORY Często jednokrotna krystalizacja nie zawsze zapewnia produkt o wymaganej wydajności i jakości. Do poprawienia jakości kryształów stosuje się krystali­ zację frakcjonowaną (rekrystalizację) w aparatach rekrystalizacyjnych. Oczyszczanie kryształów prowadzi się przez wielokrotne rozpuszczanie lub stapianie i ponowną krystalizację. Liczba stopni zależy od sprawności separacji pojedynczego stopnia i zawartości zanieczyszczeń. Rekrystalizację z rozpusz­ czalnika prowadzi się w pojedynczym lub w wielu aparatach kolumnowych z pionowymi rurami. Roztwór jest rozdzielany na poszczególne rury (wysokość do 12 m, średnica 50-75 mm) i spływa wewnątrz rur warstewkami w dół. Czynnik chłodzący (grzejny) przepływa w przestrzeni międzyrurowej. Strumie­ nie przepływu po stronie spływających warstewek są rzędu setnych i tysięcz­ nych części [m /(m-s). W pierwszym etapie zachodzi chłodzenie i zwiększenie grubości warstewki kryształu. Gdy grubość ta osiągnie 5-20 mm zależnie od produktu, wtedy zanieczyszczona ciecz macierzysta jest częściowo w warstwie i częściowo na powierzchni. Przez ogrzewanie i niewielkie podwyższenie tem3

peratury powyżej temperatury topnienia, zanieczyszczenia spływają z warstwy krystalicznej, co zwiększa znacznie sprawność oczyszczania. Odpadający ze ścianek produkt z ługiem macierzystym zbiera się na dole aparatu, skąd jest kierowany do filtracji. Kryształy, w zależności od wymaganego stopnia czysto­ ści, są kierowane do następnego stopnia lub stanowią produkt końcowy. Ciecz w części stanowi produkt ciekły, pozostała natomiast jest zawracana na górę aparatu. Krystalizacja frakcjonowana ze stopów jest prowadzona w aparaturze spe­ cjalnej i stanowi metodę otrzymywania wielu o wysokiej czystości materiałów stosowanych w elektronice, przemyśle precyzyjnym, optycznym itp. Krystalizacja frakcjonowana jest stosowana do otrzymywania wielu surow­ ców i produktów organicznych, jak np. kwasy tłuszczowe, naftalen, fenol, dichlorobenzen, kaprolaktam, kwas benzoesowy i wiele innych.

16.6. DOBÓR KRYSTYLIZATORA Do doboru krystalizatora jest konieczna znajomość podstawowych informa­ cji na temat krystalizowanej substancji i cieczy macierzystej, a w tym przede wszystkim: — rozpuszczalności i jej zmian wraz ze zmianą temperatury, — obecności innych substancji w roztworze i ich wpływu na krystalizację składnika kluczowego, — właściwości fizycznych kryształów i roztworu, — wydajności krystalizacji, — wymaganych rozmiarów kryształów i ich separacji z cieczy macierzystej oraz suszenia i przechowywania, — sposobu zagospodarowania ewentualnych odpadów pokrystalizacyjnych. Dobrany krystalizator powinien przede wszystkim spełniać wymagania co do rozmiarów i jakości kryształów i stanowić rozwiązanie akceptowalne ekono­ miczne. Odpowiedni krystalizator stanowi aparat standardowy: jest on wytwa­ rzany przez wiele wyspecjalizowanych firm lub nowo projektowany, co zwię­ ksza znacznie koszt przesięwzięcia.

LITERATURA [1] [2] [3]

Z., SYNOWIEC J., Krystalizacja i krystalizatory, W N T , Warszawa 1991. Crystallization, 3rd ed., Butterworth-Heinemann, Oxford 1992. GORELIK A . G . , AMITIN A . W . , Desublimacija w chimićeskoj promyslennosti, Chimija, Mos­ kwa 1986. ROJKOWSKI

MULLIN J.W.,

17. APARATURA PROCESÓW DESTYLACJI I REKTYFIKACJI 17.1. WPROWADZENIE Destylacja to proces rozdziału mieszaniny ciekłej — surówki na składniki, oparty na różnicy ich lotności w stanie wrzenia. Opary znad powierzchni wrzą­ cej surówki, odprowadzone i skroplone stanowią destylat, produkt rozdziału bogaty w składniki bardziej lotne (wrzące w niższej temperaturze). Pozostałość stanowi ciecz wyczerpana, bogata w składniki mniej lotne (wrzące w wyższej temperaturze). Przez wielokrotne powtarzanie prostej destylacji, tj. odparowania i kondensacji, można otrzymać wysoki stopień rozdziału surówki na składniki. Rektyfikacja stanowi proces rozdziału mieszaniny ciekłej na składniki, oparty na ciągłej, wielokrotnie powtarzanej destylacji. Proces może być prowa­ dzony w sposób okresowy lub ciągły. Oba wymienione procesy są prowadzone w aparatach typu zbiornikowego i kolumnowego, wyposażone w urządzenia grzejne i chłodzące.

17.2. APARATY DESTYLACYJNE Destylacja prosta jest związana z ciągłym, jednokrotnym odparowaniem i kondensacją oparów, z danej surówki. Destylacja prosta jest stosowana wte­ dy, gdy składniki mieszaniny wykazują dużą różnicę lotności lub gdy nie jest wymagany duży stopień rozdziału. W skład instalacji do destylacji prostej (rys. 17.1) wchodzą kocioł destylacyjny z podgrzewaczem parowym, wężownicą (1), kondensator (2), zbiornik przelewowy (latarnia) (3) oraz zbiorniki destylatu (frakcji). Opary z kotła są kondensowane i schłodzone w chłodnicy (2), odprowadzane poprzez latarnię (3) do zbiorników destylatu (4-6). Skład .destylatu zmienia się z czasem, liczba zbiorników odpowiada więc liczbie obieranych frakcji. Większy stopień rozdziału uzyskuje się w destylacji prostej z deflegmacją, tj. dodatkowym rozdziałem destylatu w kondensatorze, zwanym deflegmatorem. Deflegmator jest zazwyczaj zabudowany na kotle destylacyjnym (rys. 17.2). Kondensujące opary wzbogacone w składnik mniej lotny, ściekają z powrotem do kotła w postaci tzw. flegmy. Zmieniając strumień zawracanej flegmy, zwany powrotem, zmienia się czystość destylatu.

Para~»~P«

K;-—

Rys. 17.1. Schemat instalacji do destylacji prostej: 1 — kocioł, 2 — chłodnica, 3 — latarnia, 4 - 6 - zbiorniki frakcji

Woda

Para

Rys. 17.2. Schemat instalacji do destylacji prostej z derlegmacją: 1 - kocioł, 2 — deflegmator, 3 — chłodnica, 4 — latarnia, 5 - 7 — zbiorniki frakcji

Destylacja z parą wodną jest stosowana do rozdziału mieszanin ciekłych, nie mieszających się z wodą, stanowiących substancje mało lotne, wrzące w wysokiej temperaturze. Dodatek wody do mieszaniny obniża temperaturę wrzenia mieszaniny. Aparat destylacyjny (rys. 17.3) stanowi tu zwykle kocioł z płaszczem grzejnym (1). Para wodna do rozdziału jest wprowadzana bełkotką (2). Wykondensowane produkty są separowane z wody przez odstawanie (5) lub wirowanie. Podobny cel spełnia destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem (pod próż­ nią), stosowana do rozdziału lub oczyszczania mieszanin o wysokich tempe­ raturach wrzenia składników, mających tendencję do rozkładu lub polimeryza­ cji w podwyższonej temperaturze (np. monomery akrylanu, związki zapachowe itp.). Aparatura do destylacji próżniowej jest podobna do stosowanej w desty­ lacji prostej i z deflegmacją, z tym że zawiera pompę próżniową umieszczoną na końcu ciągu. Do destylacji prostej cieczy lepkich, ulegających rozkładowi w wysokiej temperaturze są stosowane również wyparki cienkowarstwowe. Proces desty-

lacji jest prowadzony zwykle w temperaturze 398-523 K pod ciśnieniem 1-2 mmHg i dotyczy m.in. takich substancji jak: gliceryna, kwasy tłuszczowe, witamina C, środki zapachowe, olejki eteryczne i wiele innych. Typową insta­ lację przedstawia rys. 17.4. Ciecz wyczerpana jako pozostałość po destylacji jest usuwana pompą rotacyjną (3). W specyficznych warunkach rozdzielania, gdy konieczne jest tzw. głębokie oczyszczenie cieczy z lotnych zanieczyszczeń,' wyparki cienkowarstwowe są stosowane również w kombinacji z innymi apara­ tami destylacyjnymi.

Rys. 17.3. Schemat instalacji do destylacji z parą wodną: 1 — kocioł z płaszczem grzejnym, 2 — barboter pary, 3 — chłodnica, 4 — latarnia, 5 — separator, 6 — zbiornik destylatu

Para

Surówka

Destylat y . _

-

^ys. 17.4. Schemat destylacji z zastosowaniem wyparki cienkowarstewkowej: 1 — wyparka, ~" Pompa surówki, 3 — pompa koncentratu, 4 — skraplacz barometryczny, 5 — kondensator, 6 — pompa strumieniowa, 7 — pompa destylatu

Do rozdzielania w wysokiej próżni, pod ciśnieniem 0,3-0,003 mmHg sto­ suje się destylację molekularną. Pod ciśnieniem poniżej 0,1 mmHg, z każdym obniżeniem ciśnienia o 50%, temperatura wrzenia obniża się o ok. 10 K. Okreś­

lenie destylacja molekularna jest związane z bliską odległością pomiędzy po­ wierzchnią odparowania a kondensacji, porównywalną ze średnią drogą swo­ bodną cząsteczek oparów. Odległość ta wynosi ok. 25 mm przy różnicy tempe­ ratury pomiędzy powierzchniami ok. 100 K. Schemat aparatu do destylacji molekularnej przedstawia rys. 17.5. Aparat jest wyposażony w wirujący sto­ żek (1), ogrzewany elektrycznie od strony zewnętrznej, do którego wnętrza po­ dawana jest surówka. Kondensujące opary, w postaci destylatu, zbierają się w dolnej części stożka, skąd są zasysane i odprowadzane na zewnątrz. Ciecz Surówka i Do próżni

Destylat

j

J, Ciecz wyczerpana

Rys. 17.6. Aparat destylacyjny świecowy: 1 - ogrzewany cylinder (świeca), 2 — urządzenie rozprowadzające surówkę, 3 — powierzchnia chłodzona

wyczerpana natomiast jest odprowadzana z górnej, pierścieniowej części stoż­ ka. Na podobnej zasadzie działają aparaty destylacyjne świecowe (rys. 17.6), gdzie surówka jest podawana na wirujący cylindryczny bęben, znajdujący się w aparacie cylindrycznym z płaszczem chłodzącym, który jest podłączony do próżni. Destylacja jako proces okresowy jest stosowana w razie; — małej wydajności, — zmiennego zasilania surowcem i odbioru produktu, — wieloskładnikowego rozdziału, i jest związana głównie z przemysłem drobnym — chemicznym, farmaceutycz­ nym, barwników, kosmetycznym, spożywczym i innymi.

17.3. APARATY REKTYFIKACYJNE Rektyfikacja stanowi, jak wiadomo bardziej złożoną destylację, opartą na wzajemnym oddziaływaniu unoszących się oparów i spływającej w dół cieczy, otrzymanej z kondensacji oparów. Proces jest związany z wielokrotną wędrów-

wyczerpana

Rys. 17.7. Kolumny rektyfikacyjne: a) do rektyfikacji okresowej, b) do rektyfikacji ciągłej: 1 — kocioł, 2 — kolumna, 3 — defelegmator, 4 — kondensator

ką (przenoszeniem) rozdzielanych składników z cieczy do oparów i przeciwnie. W rezultacie spływająca w dół ciecz (flegma) wzbogaca się w składnik mniej lotny, opary natomiast w składnik bardziej lotny. Opary odpływające z górnej części aparatu rektyfikacyjnego (rys. 17.7) kolumny rektyfikacyjnej (2), są kie­ rowane do kondensatora (deflegmatora) (3), gdzie są częściowo lub całkowicie skraplane (rys. 17.8). Część kondensatu jest zawracana z powrotem do kolum­ ny, stanowi tzw. powrót, w celu utrzymania ciągłości kontaktu oparów i cie-

czy. Pozostała część stanowi produkt rozdziału — destylat. Produkt odbierany w dolnej części kolumny stanowi ciecz wyczerpaną. c) '1 Woda gorąca Woda

•Woda

Woda

fr

Skropli ny

Rys. 17.8. Deflegmatory zabudowane na szczycie kolumny: a,b) częściowo skraplające, c) cał­ kowicie skraplający

Rektyfikacja może być prowadzona w sposób okresowy lub ciągły. Rekty­ fikacja okresowa dotyczy rozdziału, zwykle niewielkich objętości mieszanin ciekłych. W instalacji do rektyfikacji okresowej (rys. 17.7a), surówka jest łado­ wana do kotła (kuba) (1), wyposażonego w wężownicę lub płaszcz grzejny, albo zagrzewacz stanowi wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy (rys. 17.9). Po doprowadzeniu surówki do stanu wrzenia opary unoszące się do górnej części a)

b)

c)

d)

e)

>3>

Rys. 17.9. Kotły destylacyjne: a) z wężownicą wewnętrzną, b) z płaszczem grzejnym, c,d) ko­ mory grzejne rurkowe, pozioma i pionowa, e) z wymiennikiem zewnętrznym

kolumny (2) wzbogacają się w składnik bardziej lotny, po czym w deflegmatorze (3) są częściowo lub całkowicie skraplane, skąd część jest zawracana na zraszanie kolumny, pozostała zaś stanowi destylat. Podczas rozdziału su­ rówki na wiele frakcji, od najbardziej lotnej do tzw. ubogiej, frakcje są zbie­ rane w oddzielnych zbiornikach. Odbiór frakcji jest kontrolowany temperatu­ rą oparów w górnej części kolumny. Zwiększając powrót flegmy do kolumny w określonym zakresie zwiększa się zawartość składnika bardziej lotnego w da­ nej frakcji. Po osiągnięciu zadanego składu cieczy wyczerpanej (zwykle według temperatury wrzenia cieczy) rektyfikację się przerywa i kocioł opróżnia. Po napełnieniu kotła powtórnie, świeżą porcją surówki, proces się powtarza.

W instalacji do rektyfikacji ciągłej kolumna rektyfikacyjna jest zasilana ciągłym strumieniem surówki, w miejscu gdzie entalpia i skład rozdzielanej mieszaniny są zbliżone do wielkości, jakie posiada surówka. Punkt zasilania surówką, dzieli kolumnę na część górną wzmacniającą, w której w najwięk­ szym stopniu zachodzi wzbogacanie oparów w składnik wrzący w niższej tem­ peraturze, bardziej lotny i na część dolną odpędową, poniżej strefy zasilania, w której ciecz wzbogaca się w składnik mniej lotny i jako ciecz wyczerpana jest odprowadzana z kolumny w sposób ciągły. Kolumna zazwyczaj nie posia­ da kotła. Strumień ciepła niezbędny do pracy części odpędowej kolumny jest doprowadzany bezpośrednio, wężownicą umieszczoną w dolnej części kolum­ ny lub część cieczy wyczerpanej cyrkuluje przez podgrzewacz zewnętrzny. Odbiór destylatu odbywa się podobnie jak w rektyfikacji okresowej, lecz skład destylatu pozostaje ustalony w czasie. Kolumny rektyfikacyjne są zestawiane z szeregu cylindrycznych segmen­ tów, spawanych lub łączonych za pomocą kołnierzy. Wymiary kolumn, tj. wy­ sokość i średnicę, określają wymagania procesu rozdzielania i wielkość roz­ dzielanego strumienia surówki, zwana wydajnością rektyfikacji. Instalacje są wykonywane na ogół ze stali konstrukcyjnych stopowych. Wnętrze kolumn jest zabudowane urządzeniami zapewniającymi efektywny kontakt oparów i cieczy. Urządzenia te stanowią różnego rodzaju półki lub wypełnienia umiesz­ czone na rusztach oporowych. Półki są montowane w płaszczyźnie poziomej, zwykle w jednakowej odległości. Liczba półek w kolumnie wynika z obliczeń procesowych rozdzielania. Liczba półek rzeczywistych jest 1,5-2 razy większa. W kolumnie z wypełnieniem ogólna wysokość wypełnienia wynika z liczby stopni kontaktu i odpowiadającej stopniowi kontaktu wysokości wypełnienia. Minimalna liczba półek odpowiada powrotowi /? = °°, nieskończona natomiast R = R . W rzeczywistości R = 2R . min

min

W praktyce, oprócz zasadniczego prostego schematu rektyfikacji przedsta­ wionego na rys. 17.7b, istnieją również układy rektyfikacji, w których kolum­ na jest zasilana wieloma strumieniami surówki o różnych stężeniach, na róż­ nych poziomach wysokości kolumny. Odbieranych produktów może być więcej niż dwa. Mieszanina wieloskładnikowa może być rozdzielana w wielu kolumnach w układzie szeregowym, np. rozdział mieszanin węglowodorów. Liczba ko­ lumn powinna być o jeden mniejsza od liczby rozdzielanych składników mie­ szaniny. Do specjalnych przypadków zalicza się rektyfikację ekstrakcyjną i azeotropową (rys. 17.10). W pierwszym przypadku trzeci składnik — rozpusz­ czalnik powinien posiadać minimalną lotność i nie tworzyć mieszanin azeotropowych. Składnik ten, odprowadzany z drugiej kolumny w instalacji składająj się z dwóch kolumn, jako ciecz wyczerpana, zawracany jest z powrotem na zraszanie kolumny pierwszej. Rozdzielone składniki mieszaniny są odprowa­ dzane jako destylat z obu kolumn. W rektyfikacji azeotropowej czynnik rozc e

dzielający, trzeci składnik, tworzy z jednym lub z wieloma składnikami mie­ szaniny mieszaninę azetropową, która jest odprowadzana z kolumny, zwykle w postaci destylatu. a)

Destylat wysokowrzący

Destylat niskowrzący Surówka-

1

W

Surówka * trzeci składnik

.Produkt niskowrzący

Y

Produkt wysokowrzący

Rys. 17.10. Schemat instalacji do rektyfikacji: a) ekstrakcyjnej; 1 - kolumna ekstrakcyjno-rektyfikacyjna, 2 - kolumna odpędową, 3 — podgrzewacze, 4 — defelegmatory, 5 — pompa; b) azeotropowej; 1 — kolumna rektyfikacyjna, 2 — kolumna regeneracyjna, 3 — chłodnica, 4 — rozdzielacz

Z wieloletniej praktyki prowadzenia procesów destylacji wynika istnienie wielu różnorodnych rozwiązań konstrukcyjnych aparatów rektyfikacyjnych. Istniejące są modernizowane i powstają nowe rozwiązania. Aparaty kolumno­ we do kontaktu gazu (oparów) i cieczy są klasyfikowane na trzy grupy:

— stopniowane, — różniczkowe — ciągłe, — pseudorównowagowe — stopniowane. W kolumnach stopniowanych każda półka spełnia warunek równowagi, stanowi stopień równowagowy. Proces wymiany masy przebiega w mieszaninie piany dynamicznej na półce. Niekorzystne zjawiska recyrkulacji i bocznikowa­ nia strumieni rozdzielanych płynów są eliminowane przez oddzielny przepływ cieczy i oparów. Przelewy służą do spływu cieczy na dolną półkę, odpowied­ nio duża przestrzeń nad półką natomiast do ograniczenia porywania i unoszenia cieczy na półkę górną. Kolumny różniczkowo-ciągłe zawierają wypełnienie usypane luźno, przy­ padkowo lub ułożone według określonego wzoru. Wypełnienie jest oparte na ruszcie podtrzymującym i zraszane cieczą urządzeniami zraszającymi. Opary i ciecz przepływają przez wypełnienie przeciwprądowo. Wypełnienie zapewnia odpowiednio dużą powierzchnię kontaktu oparów i cieczy i korzystne warunki procesowe dla przenikania masy. Kolumny pseudorównowagowe — stopniowane są kombinacją dwóch wymienionych sposobów prowadzenia procesów. Wymiana masy w tym przy­ padku zachodzi zarówno na półkach, jak i w przestrzeni międzypółkowej. Oprócz wymienionych, istnieją również aparaty rektyfikacyjne specjalnego przeznaczenia, do pracy np. pod obniżonym ciśnieniem (próżnią), z małym spadkiem ciśnienia lub przy dużych strumieniach cieczy, stosunku L/G. Są to rozwiązania na ogół bardziej kosztowne niż standardowe. Większość stosowanych obecnie aparatów rektyfikacyjnych stanowią ko­ lumny półkowe i w mniejszym stopniu kolumny z wypełnieniem. Dalsze po­ działy są związane z kierunkiem przepływu oparów i cieczy, rodzajem urzą­ dzeń rozpraszających strumień oparów i kierujących rozpływem cieczy, rodza­ jem wypełnienia itp. W grupie aparatów półkowych wyróżnia się kolumny: kołpakowe (dzwon­ kowe), sitowe, zaworowe i inne o specjalnej konstrukcji półek. Kolumny z wypełnieniem mogą zawierać wypełnienie w postaci: pierścieni, siodełek i innego rodzaju kształtek lub tzw. wypełnienia strukturalne itp. 17.3.1. KOLUMNY PÓŁKOWE Przepływ cieczy i oparów w kolumnie, w obrębie półek, odbywać się może • według wzorów przedstawionych na rys. 17.11. Najczęściej stosowany w więk­ szości rodzajów półek jest przepływ krzyżowy (rys. 17.1 la,b). Przepływ krzy­ żowy na półce jest również klasyfikowany, w zależności od liczby kierunków przepływu. Dla małych strumieni cieczy są stosowane półki z przepływem rewersyjnym, gdzie przegroda dzieli półkę na dwie części, przelewy zaś znaj­ dują się po tej samej stronie półki. Dla dużych strumieni cieczy, w kolumnach o dużej średnicy, są stosowane półki z wieloma strumieniami przepływu i kil­ koma przelewami (rys. 17.12).

Przepływ przeciwprądowy jest stosowany na półkach sitowych bezprzelewowych i niektórych przelewowych. Półki z, przepływem krzyżowym i współprądowym są zwykle wyposażone w przelewy.

t

r t

t t | . .

ł

1

.

ł

i

7mT

-

r—

Rys. 17.11. Wzory przepływu faz na półkach: a,b) przepływ krzyżowy, c,d) przepływ przeciw­ prądowy

Rys. 17.12. Wzory przepływu cieczy na półkach: a) krzyżowy, b) przepływ podwójny, c) prze­ pływ podwójny kaskadowy, d) przepływ poczwórny; 1 — przelewy, 2 — progi spiętrzające

Kolumny z półkami kołpakowymi (rys. 17.13) są jedną ze starszych kon­ strukcji, obecnie wypieraną przez półki zaworowe i sitowe. Półka (1) posiada szereg otworów, z umocowanymi w nich króćcami, tzw. kominkami (2), które są nakryte kołpakami (dzwonkami) (3). Na półce znajdują się również otwory lub wycięcia do przelewu cieczy (4). Kołpaki mają wycięcia na obwodzie krawędzi dolnej lub szczeliny o różnym kształcie na powierzchni bocznej, któ­ rych zadaniem jest rozpraszanie oparów na pęcherzyki. Kołpaki leżą na po­ wierzchni półki lub są zawieszone w odpowiedniej odległości od półki i przy­ mocowane do kominka lub półki odpowiednim uchwytem. Liczbę modułów stanowiących zespół kominek—kołpak określanych skrótowo kołpakami (dzwo­ nkami) na półce, powtarzających się wielokrotnie, określają wymagania pro­ cesu rozdziału. Kołpaki rozmieszcza się na narożach sześciokąta foremnego z określoną podziałką. Półka jest zasilana cieczą spływającą przelewem (4) z półki górnej; gdy spełnia ona rolę półki zasilającej kolumnę, wtedy ciecz do­ pływa króćcem umieszczonym w ścianie bocznej kolumny. Odpływ cieczy

półki odbywa się przelewem po przeciwnej stronie półki. Odpowiedni po­ ziom cieczy na półce, tzw. spiętrzenie, jest utrzymywany za pomocą przegród z

Rys. 17.13. Schemat polki kołpakowej: 1 — półki, 2 - kominki, 3 — kołpaki, 4 - przelewy, 5 - przegrody spiętrzające

spiętrzających (5). Wysokość poziomu cieczy na półce wynika z wymaganego stopnia przykrycia kołpaków cieczą. Różnica poziomów cieczy na półce po­ między dopływem a przelewem, zwana gradientem hydraulicznym, wymusza przepływ cieczy na półce. Różnica poziomów cieczy w przelewach jest nie­ zbędna do spływu cieczy z półki na półkę i stanowi jednocześnie zamknięcie hydrauliczne półki. Odstępstwa od właściwej różnicy poziomów prowadzą do zakłóceń w pracy kolumny. Dla zapewnienia równomiernego rozpływu cieczy na szerokości półki przegrody spiętrzające są montowane również po stronie dopływu. Ciecz przepływająca w kierunku przelewu (5) kontaktuje się z opara­ mi, barbotującymi przez warstwę cieczy. Przepływ cieczy i oparów na półce jest krzyżowy, lecz w odniesieniu do całej kolumny przeciwprądowy. W celu zapewnienia właściwych warunków dla wymiany ciepła i masy na półce jest wymagane zachowanie właściwych wymiarów wszystkich elementów na półce, które w szczegółach są podane w odpowiednich procedurach obliczeniowych UL [2]. Wielkością wyjściową do obliczeń jest powierzchnia przekroju poprzeczne­ go kolumny lub powierzchnia przepływu oparów przy założonym, wymaganym przekroju dla przelewów 5-16%. Prędkość liniowa oparów może być obliczona ze wzoru 5

u = fc-p-°'

[m/s],

w

którym k — współczynnik zależny od odległości między półkami = 0,82 [(kg/rn) ^" ], p — gęstość oparów [kg/m ]. Prędkość może być obliczona również ze znanego równania Faira, po zało^niu, że wynosi ona 0,8-0,85 prędkości zalewania 0

u -

1

K-[(p -p )/p ] L

G

G

1/2

gdzie K — stała zależna od odległości między półkami i współczynnika F = L/G[(p /p )]^\ , LG

G

L

L i G — strumień masy odpowiednio cieczy i gazu. Znając z bilansu masowego kolumny strumień oparów oblicza się średnicę kolumny. Oprócz wymienionej, standardowej procedury istnieje wiele metod uproszczonych, umożliwiających szybkie obliczenie średnicy kolumny na pod­ stawie nomogramów opracowanych przez firmy produkujące kolumny rektyfi­ kacyjne [3]. Podziałka rozmieszczenia kołpaków wynosi 1,25-1,40 ich średnicy, lecz nie mniej niż 25 mm. Oprócz standardowych, wytwarzanych jest wiele kołpaków różnego kształtu, m.in. dzwonkowe, tunelowe, spodkowe i inne (rys. 17.14). Przekrój szczelin w kołpakach wynika z założenia równości wszystkich prze­ krojów na półce do przepływu oparów. Standardowa wysokość szczelin wynosi 5-25 mm lecz może dochodzić do 100 mm. Średnice kołpaków są w pewnych relacjach do średnicy kolumny i wynoszą dla kolumny o średnicy 0,7-1,5 m — ok. 75 mm; 1,2-^3,5 m — ok. 100 mm i ponad 3,0 m — ok. 150 mm.

Rys. 17.14. Różne rodzaje kołpaków

Kluczowym parametrem pracy półki jest wysokość poziomu cieczy nad otworami (szczelinami) w kołpakach, przez którą barbotują opary. Duża wyso­ kość słupa cieczy zwiększa sprawność półki, lecz zwiększa się także spadek ciśnienia dla przepływu gazu. Wysokość ta zależy od ciśnienia w kolumnie i jest najmniejsza w kolumnach próżniowych 10-40 mm, i odpowiednio więk­ sza w atmosferycznych 25-75 mm i ciśnieniowych 50-100 mm. Spadek ciśnie­ nia na półce wynosi 50-150 mm słupa cieczy. Na półkach tunelowych, gdzie kołpaki mają kształt odwróconych prostopadłościennych koryt z wycięciami — tuneli (rys. 17.14), ciecz przepływa rów­ nolegle lub prostopadle względem dużej osi tuneli. Opary wypływają do cieczy wycięciami analogicznymi jak w dzwonkach.

W kolumnach obciążonych dużymi strumieniami cieczy i oparów są stoso­ wane półki tunelowe z jednostronnymi wycięciami tylko po jednej stronie tune­ lu, półki uniflux (rys. 17.15). Opary wypływające z wycięć przyspieszają ruch cieczy na półce w kierunku prostopadłym, równoległym do powierzchni półki. a)

Ciecz

Rys. 17.15. Półka tunelowa typu Uniflux: a) schemat ogólny, b) fragment ukształtowania tuneli

Jak już wspomniano, półki kołpakowe są wypierane m.in. przez półki zawo­ rowe i sitowe z następujących powodów: 1. Tendencji do zalewania i blokowania cząstkami stałymi. 2. Dużego spadku ciśnienia przepływu oparów. 3. Małej odporności na korozję. 4. 2-3-krotnie wyższego kosztu. 5. Złożonej konstrukcji, zwłaszcza w kolumnach o dużej średnicy. Do zalet półek kołpakowych zalicza się możliwość pracy pod małymi ob­ ciążeniami cieczą, poniżej 2,5 m /(m -h) i dużym powrocie. Kolumny z półkami sitowymi są obecnie jednymi z najczęściej stosowa­ nych i uwzględnianych w pierwszej kolejności w projektowaniu. Wynika to m.in. z następujących cech: — najniższych kosztów instalacyjnych w porównaniu do innych, — prostej procedury projektowej, — małej tendencji do blokowania przy dużej średnicy otworów, — dobrej sprawności, — wydajności równej lub większej od innych kolumn półkowych. Kolumny z półkami sitowymi zalecane są zwłaszcza w następujących oko­ licznościach: — jest wymagany duży powrót przy małym spadku ciśnienia, — obciążenia cieczą są małe, poniżej 2 m /(m -h). 3

2

3

2

Półki sitowe (rys. 17.16) stanowią segmenty blach perforowanych, z otwo­ rami o średnicy 3-25 mm, stosunkiem podziałki do średnicy 2-4,5. Blachy są płaskie lub faliste. Otwory są rozmieszczane tia narożach sześciokąta foremne-

"fi. Rys. 17.16. Półki sitowe: a) bezprzelewowe, b) przelewowe; 1 - półka, 2 - przelew

go, w rzędach prostopadłych do przepływu cieczy. Powierzchnia zajęta przez otwory półki zależy od prędkości gazu (oparów) i spadku ciśnienia i wynosi 4 - 1 6 % powierzchni aktywnej półki, bez przelewów. Duże powierzchnie są stosowane w kolumnach próżniowych, małe natomiast w ciśnieniowych. Wy­ sokość przelewu w kolumnach atmosferycznych wynosi zwykle 2 5 - 5 0 mm, w kolumnach próżniowych natomiast przelewy nie są stosowane. Gradient hy­ drauliczny jest mniejszy niż na półkach kołpakowych. Spadek ciśnienia na pół­ ce jest sumą oporu przepływu przez suchą półkę i warstwę cieczy na półce i wynosi zwykle 40-100 mm słupa cieczy. Przeciek cieczy przez otwory półki stanowi czynnik krytyczny w projek­ towaniu i eksploatacji półek sitowych. Do tej samej grupy zalicza się półki rusztowe, których otwory (szczeliny) są prostokątne. Półki wykonane są bądź z blachy ze szczelinami wycinanymi lub wytłaczanymi, bądź z płaskowników układanych równolegle. Szerokość szczelin wynosi 2-12 mm i zależy od wysokości ciśnienia w aparacie. Klasycz­ ne kolumny z półkami rusztowymi nie posiadają przelewów. Przelewy są insta­ lowane natomiast na tzw. półkach strumieniowych (rys. 17.17), gdzie ruszty (płaskowniki) są nachylone do poziomu półki. Opary wypływające szczelinami z dużą prędkością w kierunku przepływu cieczy, wytwarzają dużą burzliwość na półce, bez nadmiernego porywania i unoszenia kropel cieczy. Przekrój swo­ bodny dla przepływu oparów wynosi tu 16-40% przekroju kolumny.

Do półek sitowych są również zaliczane tzw. półki Kittela, układane z po­ ziomych segmentów z otworami (szczelinami) skośnymi, z których opary są na przemian kierowane w kierunku osi i do obwodu kolumny. Powoduje to po­ dwójny przepływ cieczy na sąsiednich półkach, do środka i do obwodu. Półki posiadają dobrą sprawność przy małym porywaniu cieczy.

Rys. 17.17. Półka strumieniowa: 1 — przelewy, 2 — ruszty — płaskowniki

Kolumny z półkami zaworowymi (rys. 17.18) posiadają półki, w których otwory do przepływu oparów są nakryte „ruchomymi zaworami" zapewniają­ cymi zmienny stopień otwarcia dla przepływu oparów. Zapewnia to przeciek

Rys. 17.18. Półka zaworowa: a) schemat półki; 1 — króćce (otwory) wlotowe, 2 — zawory, 3 — przelewy; b) położenie zaworu w pozycji: I — zamknięte, II — otwarte

w większym stopniu niż na półkach sitowych. Zawory są wykonywane w róż­ nych konfiguracjach. Jedno z prostszych rozwiązań stanowi krążek metalowy lub płytka przykrywająca otwór, umieszczona w odpowiedniej prowadnicy. Elementy te podczas przepływu oparów unoszą się ponad otwory w półce, za-

pewniąjąc odpowiedni przepływ i rozpraszanie oparów na pęcherzyki. Do zalet półek zaworowych zalicza się: — stałość spadku ciśnienia w szerokim zakresie pracy, — duży powrót — stosunek L/G. Jeśli spadek ciśnienia na półce jest istotny, to możliwy powrót jest tu więk­ szy niż na półkach sitowych. Liczba zaworów na półce zależy od warunków procesowych rozdziału i podczas rektyfikacji pod niskim i umiarkowanym ciś­ nieniem wynosi ok. 150 szt./m na powierzchni aktywnej, bez przelewów. Dobór półek do rektyfikacji jest oparty zazwyczaj na: — wydajności, która zwiększa się w szeregu: półka sitowa, zaworowa, koł­ pakowa, — zakresie stabilnej pracy, który spada w szeregu: półka zaworowa, sitowa, kołpakowa, — sprawności, przy czym sprawność Murphriego wymienionych półek jest taka sama, jeśli pracują w projektowanym zakresie, — spadku ciśnienia, który — jak wiadomo — jest bardzo istotny w kolum­ nach próżniowych i zależy w dużym stopniu od rozwiązań konstrukcyjnych elementów na półkach, lecz generalnie półki sitowe posiadają najmniejszy spa­ dek ciśnienia, kołpakowe zaś największy, — koszcie, który jest największy dla półek kołpakowych, lecz względny koszt półek zależy od stosowanego materiału konstrukcyjnego i wynosi dla szeregu: półka kołpakowa, zaworowa, sitowa,wykonanego ze stali węglowej, 3,0:1,5:1,0. Projektowana konstrukcja półki musi wytrzymać obciążenie cieczą w czasie pracy, a także spodziewane obciążenia podczas montażu, przeglądów i konser­ wacji. Specyfikacja mechaniczna półek jest przedstawiona w wielu monogra­ fiach i poradnikach [2], [3]. 2

17.3.2. KOLUMNY Z WYPEŁNIENIEM W kolumnach z wypełnieniem rolę półek spełnia wypełnienie (rys. 17.19). Wypełnienie zapewnia odpowiednio dużą powierzchnię kontaktu oparów i cie­ czy, przy małych oporach dla przepływu gazu. Opracowano wiele rodzajów, kształtów i rozmiarów wypełnień spełniających te wymagania, wykonywanych z różnych materiałów. Wypełnienia jako pojedyncze elementy mogą być usy­ pywane bezładnie, układane lub mogą stanowić tzw. wypełnienie strukturalne — modułowe. Wypełnienia są układane wtedy, gdy przepływ gazu jest duży i istotne znaczenie ma wartość spadku ciśnienia gazu. Ze stosowanych wypełnień, najstarszym i wciąż szeroko stosowanym są pierścienie Raschiga (rys. 17.20). Pierścienie Palla różnią się od pierścieni Raschiga otwarciem powierzchni bocznych, co zwiększa ich powierzchnię swobodną i rozdział (rozpływ) cieczy na wypełnieniu. Poprawioną wersję stanowią pierścienie Hypac. Siodełka Berła opracowano dla poprawienia dy­ strybucji cieczy na wypełnieniu. Siodełka Intalox poprawiają mankamenty sio­ dełek Berła i są łatwiejsze do wykonania. Poprawioną wersję stanowią siodełka

Super IntaIox. Wymienione wypełnienia opracowała firma Norton Ltd USA. Wypełnienia w postaci pierścieni i siodełek są wykonywane jako: metalowe, ceramiczne, z tworzyw sztucznych, grafitu. Rodzaj materiału wypełnienia zależy od właściwości cieczy i temperatury procesu. Woda Wypełnienia ceramiczne są odpowiednie dla cieczy korozyjnych, lecz nie mogą być Destylat stosowane w obecności silnych alkaliów. Wypełnienia z tworzyw sztucznych nie są odporne na działanie rozpuszczalników Surówka organicznych i podwyższonej temperatury stosowanej w rektyfikacji. By zapewnić właściwą dystrybucję cie­ czy i zminimalizować efekty ścienne, należy Para stosować odpowiedni rozmiar wypełnienia w stosunku do wymiaru kolumny. Stosunek Ciecz ten powinien być >30 dla pierścieni Ra­ wyczerpana schiga, dla siodełek >15 i dla pierścieni Rys. 17.19. Schemat kolumny rektyfi­ z otworami > 10. Wypełnienia o wymiarach kacyjnej z wypełnieniem: 1 — kolum­ > 50 mm są stosowane w kolumnach o śred­ na, 2 - wypełnienie, 3 — deflegmator nicy > 1,0 m. Maksymalna wysokość wypeł­ nienia dla pierścieni Raschiga wynosi 2,5-3,0 średnic warstwy i odpowiednio dla siodełek 5-8, pierścieni z otworami 5-10 średnic. Całkowita wysokość wy­ pełnienia nie powinna przekraczać 6,0 m. Jeśli wysokości wypełnienia wynoszą ponad 2 m, to w warstwie są niekiedy umieszczane redystrybutory cieczy, kie­ rujące ciecz z powrotem na środek kolumny.

"UL

Spadek ciśnienia gazu na większości wypełnień zawiera się w zakresie 0 , 1 -6,5 kPa/m, a przy spadku ciśnienia 0,4-0,6 kPa/m wszystkie wypełnienia po­ siadają zbliżoną sprawność rozdzielania. Spadek ciśnienia podczas destylacji średnio- i wysokociśnieniowej wynosi 0,3-0,6 kPa, próżniowej — 0,08-0,17 kPa. Wypełnienie strukturalne stanowi warstwę karbowanych arkuszy, pas­ ków z blachy lub tworzyw sztucznych ułożonych równolegle pod kątem (rys. 17.20g). Wypełnienie strukturalne, może oprócz tego zawierać wiele ele­ mentów, np. siatek, taśm skręconych, sprężyn itp., o dużej powierzchni, ułożo­ nych w sposób uporządkowany w pakiecie przestrzennym. Wypełnienie Koch-Sulzer zawiera szereg równoległych warstw skręconych siatek drucianych. Wypełnienie jest efektywne pod niskim ciśnieniem i jest stosowane w kolum­ nach próżniowych. Wysokość równoważna HETP wynosi 250-300 mm. Wy­ pełnienie w postaci pakietu siatek (ang. knit mesh packing) charakteryzuje się również niskim spadkiem ciśnienia. HETP dla kolumn o małej średnicy <0,3 m wynosi ok. 150 mm, kolumn dużych do 600 mm. Prócz tego istnieje wiele innych tego rodzaju wypełnień i powstają wciąż nowe.

Rys. 17.20. Elementy wypełnień; Pierścienie: a) Raschiga, b) Lessinga, c) Palla, d) Intos; Sio­ dełka: e) Berła, f) Intalox; Wypełnienie: g) Tellerette, h) Top-Pak, i) Strukturalne

17.3.3. WYPOSAŻENIE WNĘTRZA KOLUMN Urządzenia instalowane we wnętrzu kolumn wypełnionych są prostsze niż w kolumnach półkowych, lecz muszą być projektowane i wykonane z dużą do-

Rys. 17.21. Ruszt (półki) oporowe dla wypełnień: a) płaski siatkowy, b) rusztowy, c) profilo­ wany

kładnością, gdyż od ich poprawnego działania w dużym stopniu zależy spra­ wność rozdzielania. Elementy te są zazwyczaj dostarczane przez wyspecjalizo­ wane firmy produkujące również wypełnienia. Ruszt, półka podtrzymująca wypełnienie, oprócz podtrzymania masy wy­ pełnienia, musi zapewnić swobodny przepływ gazu i cieczy przy małym spad­ ku ciśnienia, bez zalewania. Ruszty są wykonywane z metali, ceramiki i two­ rzyw sztucznych. Na prostych rusztach półkowych gaz i ciecz przepływają tymi samymi otworami. Charakterystyka tych półek pod względem A/> i zale­ wania nie jest jednak korzystna. Dobry ruszt posiada wprowadzenie gazu po­ wyżej spływu cieczy (rys. 17.21).

Rys. 17.22. Zraszacze wypełnień: a) bezrozbryzgowe; I — płytowy z otworami, II — płytowy z rurkami cylindrycznymi; b) rozbryzgowe: I — wielostożkowy, II — z przegrodą

Zadowalająca praca kolumny jest zależna od jednorodności przepływu cie­ czy przez wypełnienie, dlatego początkowy rozdział cieczy na wypełnieniu ma duże znaczenie. W kolumnach o małej średnicy ciecz, w postaci strumienia lub kilku strumieni, jest podawana na środek wypełnienia. Dla dużych średnic kolumn są stosowane zraszacze typu otworowego i przelewowego z rurkami (rys. 17.22) lub korytami. Te ostatnie zapewniają szerszy zakres przepływu cieczy niż otworowe i są stosowane w kolumnach o dużej średnicy. Zraszanie za pomocą rur perforowanych jest stosowane w kolumnach pracujących pod ciśnieniem, przy stałym strumieniu cieczy. Dla dobrego zraszania wypełnienia powinny być co najmniej cztery punkty dystrybucji cieczy i przepływ nie powi­ nien być mniejszy niż 4,5 m /(m *h). Jest preferowane grawitacyjne zraszanie wypełnienia. Wysokość spadku cieczy na wypełnienie powinna być <300 mm. 3

2

Ciecz spływająca po wypełnieniu ma tendencję spływania po ścianie, co pogarsza kontakt faz. Redystrybutory stożkowe lub perforowane zbierają ciecz ze ściany i rozprowadzają z powrotem po wypełnieniu (rys. 17.23). Wysokość na której jest umieszczany redystrybutor, zależy od rodzaju wypełnienia i pro­ cesu. Dla pierścieni Raschiga wynosi do trzech średnic kolumny i 8-10 średnic dla pierścieni Palla i siodełek.

Rys. 17.23. Redestrybutory cieczy na wypełnieniu: a) stożkowy, b) stożkowy perforowany

W kolumnach pracujących z dużymi prędkościami gazów, jeśli jest możliwa fluidyzacja wypełnienia, ponad wypełnieniem stosuje się półki zatrzymujące unoszone wypełnienie. Otwory w półkach są dostatecznie małe dla zatrzymania elementów wypełnienia, lecz nie utrudniają przepływu gazu i spływu cieczy. 17.3.4. DOBÓR ELEMENTÓW KONTAKTU W KOLUMNACH Wiele jest kryteriów doboru wnętrza kolumn dla danego procesu rozdziela­ nia. Jednym z zasadniczych jest koszt, lecz jest wiele możliwości doboru roz­ wiązania najtańszego. Kryteria dotyczące różnych rozwiązań przedstawia tabl. 17.1. Wybór pomiędzy półką a wypełnieniem wynika z różnic procesowych. Powierzchnia przepływu faz jest większa w wypełnieniu, powyżej 50%, lecz w odniesieniu do objętości może przekraczać 90%. Wypełnienia posiadają po­ nadto lepszą wydajność przy dużych strumieniach cieczy i większych lepkościach; wykorzystanie przekroju kolumny do wymiany masy jest zbliżone do 100%. Kolumny wypełnione posiadają niższe spadki ciśnień liczone na jedno­ stkę przenoszenia masy, mniejsze zatrzymanie cieczy. Projektowanie kolumn wypełnionych jest prostsze i jest określone przez cztery parametry procesowe: spadek ciśnienia, charakterystykę zalewania wypełnienia, wielkości procesowe i specyfikę wypełnienia. Kolumny wypełnione pracują zazwyczaj z prędkością gazu odpowiadającą 5 0 - 8 0 % prędkości zalewania. Wypełnienie strukturalne i luźno usypane jest stosowane dla kolumn o śred­ nicy <0,9 m, gdy wymagany jest niski spadek ciśnienia gazu. Stosunek średni-

Tabela

17.1

Porównanie elementów kontaktu faz w kolumnach SP

Dane charakterystyczne

3

powrót Podatność na blokowanie Odporność na korozję Powiększanie skali Dobór materiału konstrukcyjnego Obsługa (konserwacja) Doświadczenia (dane) Koszt/m

R

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ++

Wydajność (opary) Wydajność (ciecz) Sprawność rozdziału/m Spadek ciśnienia/stopień teoretyczny

+

3

z K WP pp 0 - + - 0 ++ + 0 0 0 0 0 -— 0 ++0 -0 — 0 + 0 — + ++ 0 0 — ++ 0 +0 —0 — 0 0 0 -0 +0 +++ 0 +0 - ++ 0 — — + ++ ++ —

WS

WL

PN

-

0 0 0 + 0 + ++ + 0 -

—

—

-

+ +

+ ++

+

—

-

+

+

++

-

—

—

—

++ + ++ ++ +

0

OBJAŚNIENIA: PÓŁKI: SP — SITOWA PRZELEWOWA, Z — ZAWOROWA, K — KOŁPAKOWA, R — RUSZTOWA, WP — WIELOPRZELEWOWA, PP — Z PRZEPŁYWEM PODWÓJNYM. WYPEŁNIENIE: WS — STRUKTURALNE, WL — LUŹNO USYPANE, PN — PÓŁKI Z NATRYS­ KIEM CIECZY; ++ DOBÓR ZALECANY, + DOBRY, O DOSTATECZNY, - SŁABY, — DOBÓR NIE ZALECANY.

cy kolumny do wypełnienia powinien wynosić nie mniej niż 1 5 : 1 . Wysokość maksymalna wypełnienia z tworzyw sztucznych, ze względu na deformacje wynosi 3-4,5 m, metalowego — 6,0-7,5 m. Redystrybutory cieczy wymagane są co 5-10 średnic kolumny przy wypełnieniu pierścieniami Raschiga i co 6 m dla innych wypełnień, usypywanych luźno. Wysokość HETP dla kontaktu opa­ ry—ciecz wynosi: 0,4-0,55 m dla pierścieni 1-calowych i 0,76-0,9 m dla 2-calowych. Wysokość kolumn wypełnionych nie przekracza 55 m, ze względu na obciążenie fundamentów i działanie wiatru.

LITERATURA [11 [2] [3] [4]

LOCKETT M.J., Distillation try fundamentals, Cambridge University Press, Cambridge 1986. KlSTER H.Z., Distillation Design, McGraw-Hill, New York 1992. Ballast Tray Design Manuał, Bulletin 4900, 6th ed., Glitsch. Dallas 1993. ZIÓŁKOWSKI Z., Destylacja i rektyfikacja w przemyśle chemicznym, wyd. 2, WNT, Warszawa 1978.

[5]

K O C H R . , KOZIOŁ A . ,

Dyfuzyjno-cieplny

rozdział substancji,

WNT, Warszawa 1994.

18. ABSORBERY 18.1. WPROWADZENIE Absorbery to aparaty, których zadaniem jest wytworzenie i ciągłe odnawia­ nie powierzchni międzyfazowej kontaktu gaz—ciecz oraz stworzenie korzyst­ nych warunków fizycznych dla przenikania masy w procesie absorpcji. Absorbent, zwany rozpuszczalnikiem lub sorbentem, powinien charakteryzować się selektywnością absorpcji (sorpcji). Proces może stanowić absorpcję fizyczną lub absorpcję fizyczną z reakcją chemiczną, zwaną chemisorpcją. Absorpcja fizyczna jest procesem odwracalnym i usunięcie z cieczy zaabsorbowanego składnika zachodzi w wyniku desorpcji. Stan równowagi chemicznej w proce­ sie absorpcji określają następujące parametry: temperatura, ciśnienie i stężenie. Wysokie ciśnienie, duże stężenie składnika w fazie gazowej i niska temperatura w układzie sprzyjają procesowi absorpcji. Z natury układu absorpcyjnego gaz—ciecz wynika większa lub mniejsza zdolność substancji do absorpcji (rozpusz­ czania) w cieczy; na tej podstawie dzieli się gazy na: dobrze, średnio i źle rozpuszczalne w określonym rozpuszczalniku. Utrzymanie w procesie absorp­ cji, w absorberze, na odpowiednim poziomie wymienionych parametrów sta­ tycznych i dynamicznych zapewnia wymagany stopień absorpcji lub desorpcji. Ze względu na sposób rozwinięcia powierzchni kontaktu gaz—ciecz w absorbe­ rach, co wiąże się z różnymi oporami przenikania masy wyróżnia się absorbe­ ry: powierzchniowe, wypełnione, barbotażowo—półkowe, natryskowe (rys. 18.1).

18.2. ABSORBERY POWIERZCHNIOWE W absorberach powierzchniowych powierzchnia międzyfazowa gaz—ciecz stanowi powierzchnię swobodną cieczy. Absorbery te są stosowane do absorp­ cji gazów dobrze rozpuszczalnych, w tym również przebiegającej z wydziele­ niem znacznego strumienia ciepła. Absorbery powierzchniowe stanowią: zbior­ niki poziome, cylindryczne lub prostopadłościenne (rys. 18.2), zaopatrzone w wężownicę chłodzącą, jeśli jest to konieczne. Absorbery są wykonane z ma­ teriałów odpornych na działanie chemiczne substancji biorących udział w pro­ cesie. Do grupy absorberów powierzchniowych zalicza się również aparaty ze spływającą warstewką cieczy — absorbery warstewkowe. Warstewki cieczy (absorbentu) spływają przeciw- lub współprądowo w stosunku do gazu, po po-

a]

Oaz

b)

Oaz

Ciecz

c)

Oaz

ciecz

Rys. 18.1. Zasadnicze rodzaje absorberów kolumnowych: a) z wypełnieniem, b) półkowy, c) natryskowy

tCso

Rys. 18.2. Absorber powierzchniowy: 1,2 — wlot i odlot gazu, 3 — wlot cieczy a)

b)

Gaz

Ciecz

1

Ciecz

Gaz

TJ Rys. 18.3. Absorbery warstewkowe: a) rurowy, b) płytowy; 1 - płaszcz, 2 - rurki, 3 4 — urządzenie rozdzielające ciecz

Ciecz

Gaz

Gaz Ciecz

Rys. 18.4. Absorber kaskadowy; 1 — doprowadzenie cieczy, 2 — półki kaskadowe

wierzchni wewnętrznej rurek w absorberze rurowym (konstrukcja zbliżona do wymiennika ciepła płaszczowo-rurowego) lub po płaskich równoległych pły­ tach w absorberze płytowym (rys. 18.3). Absorbery te są instalowane w pozy­ cji pionowej. Warunkiem poprawnego działania tych absorberów jest równo­ mierne rozprowadzenie cieczy (absorbentu) na poszczególne rurki i płyty, jak również praca przy właściwym stosunku L/G, poniżej prędkości zalewania. W absorberach kaskadowych (rys. 18.4), stanowiących kolumnę, ciecz spły­ wa w dół w przeciwprądzie do gazu po powierzchni kaskadowo usytuowanych, jeden nad drugim, odwróconych względem siebie, pustych, ściętych stożków.

18.3. ABSORBERY Z WYPEŁNIENIEM Absorbery z wypełnieniem są jednymi z najczęściej stosowanych aparatów w procesach absorpcji gazów technologicznych i oczyszczaniu gazów, w tym również odlotowych. Absorbery z wypełnieniem są Gaz podobne w budowie do już omówionych kolumn ł rektyfikacyjnych wypełnionych (rozdz. 17). Różni­ Ciecz ce wynikają jedynie z zasady procesów rozdziału i ich uwarunkowań. Absorpcja stanowi zasadniczo uuuuuu jedynie proces wymiany masy, dlatego elementy aparatury do generowania oparów i ich kondensacji są tu zbędne. Zachowane zostają natomiast wszyst­ kie inne elementy niezbędne do równomiernego Ciecz Ciecz rozprowadzenia i spływu cieczy po wypełnieniu, jak również rozdziału gazu. W odróżnieniu od re­ UUUUUU ktyfikacji, w absorpcji są stosowane wszystkie mo­ żliwe kierunki przepływu gazu i cieczy: przeciwprąd (rys. 18.5), współprąd skierowany do dołu (rys. 18.6) lub góry, przepływ krzyżowy (rys. 18.7). Gaz Oprócz tego w absorpcji gazów w większym stop­ niu stosuje się absorbery z wypełnieniem rucho­ wym i sfluidyzowanym. Klasyczne rozwiązanie konstrukcji absorbera z wypełnieniem nierucho­ mym i przepływem przeciwprądowym omówiono Ciecz w rozdz. 17. Rys. 18.5. Absorber z wypeł­

Absorbery z wypełnieniem nieruchomym, współ- nieniem dwustopniowy: 1 — Prądowe (rys. 18.6) stanowią kolumny z podobnym ruszt oporowo-rozdzielający, rodzajem wypełnienia jak przeciwprądowe. Różnice 2 — wypełnienie, 3 — dy­ strybutor cieczy, 4 - kolek­ Wynikają ze stosowanego kierunku przepływu gazu tor cieczy, 5 - odkraplacz cieczy, w dół lub do góry; wiąże się z tym od­ mienny sposób odprowadzenia gazu i cieczy z kolumny. Aparaty te są często stosowane do absorpcji z reakcją chemiczną, ze względu na większe wartości 1

współczynników przenikania masy. Do zalet tego rodzaju absorberów zalicza się brak zalewania wypełnienia oraz umiarkowany spadek ciśnienia gazu. Wa­ dę stanowi natomiast małe zatrzymywanie cieczy w warstwie, słaby rozdział cieczy i słabe wykorzystanie powierzchni Wypełnienia, zwłaszcza o małych rozmiarach. Efektywność absorpcji zależy tu od rodzaju przepływu cieczy i ga­ zu przez wypełnienie, ich zatrzymania w warstwie dynamicznej wypełnienia, powierzchni kontaktu i szybkości odnawiania powierzchni.

Ciecz

Rys. 18.7. Absorber z wypełnieniem o przepływie krzyżowym: 1 wypełnienie, 3 — kolektor cieczy

dysze natryskowe, 2

-

Współprądowy przepływ cieczy i gazu przez wypełnienie, skierowany do góry, jest stosowany wówczas, gdy wymagany jest dłuższy czas przebywania cieczy w wypełnieniu jako fazy ciągłej, i gdy strumień objętości gazu jest mały. Przy mniejszych strumieniach cieczy szybkość przenikania masy jest

większa w porównaniu z przepływem w dół, lecz intensywność mieszania i spadek ciśnienia gazu są większe. Kolumny z ruchomym wypełnieniem, zwane też skruberami fluidalnymi, przedstawiono i omówiono w rozdz. 13, jako odpylacze mokre. Absorbery z ruchomym wypełnieniem, zwane też absorberami Oaz fluidalnymi, jedno- lub wielostopniowe (rys. 18.8) za­ t wierają wypełnienie w postaci pustych kul, wykonanych z tworzyw sztucznych, odpornych na działanie środowis­ r ka procesu. Gęstość kul jest zbliżona lub mniejsza od mm II Ciecz gęstości cieczy. Warstwa kul, usypywana na półkach sitowych lub rusztowych o przekroju swobodnym 20-60%, jest zasilana ciągłym lub rozproszonym na krople strumieniem cieczy i jest wprowadzana w stan fluidalny strumieniem absorbowanego gazu, przepływają­ cym w przeciwprądzie do góry kolumny. Wytworzone między półkami złoże fluidalne trójfazowe charakteryzuje się dużą powierzchnią kontaktu gazu i cieczy, ciągle odnawianą i intensywnie mieszaną, dzięki obecności ruchomego wypełnienia. Górna półka sitowa, o dużej powierzchni swobodnej dla przepływu gazu, ponad 90%, zabezpiecza przed wyniesieniem wypełnienia z kolumny. Gazy odlotowe są odkraplane w odkraplaczach inercyj­ nych, odśrodkowych lub w warstwach wypełnień bądź klasycznych, bądź siatkowych, włóknistych. Ciecz Absorbery fluidalne charakteryzują się dużą wydajno­ ścią zarówno w odniesieniu do cieczy, jak i gazu. Dolna Rys. 18.8. Absorber z granica prędkości liniowej gazu jest określona stanem wypełnieniem rucho­ początkowym fluidyzacji, górna natomiast, zalewaniem mym, fluidalny: 1 — oraz porywaniem i unoszeniem cieczy z aparatu. Zakres półka oporowo-rozdzielająca, 2 — wy­ pracy jest szeroki i odpowiada prędkości liniowej po­ pełnienie ruchome, zornej gazu 1-9 m/s i gęstości zraszania cieczą 3 — odkraplacz 20-250 m /(m *h). Szybkość przenikania masy jest fun­ kcją parametrów roboczych fluidyzacji oraz wypełnienia i jest równa lub nieco wyższa niż w kolumnach z wypełnieniem nieruchomym. 3

2

Do zalet tego rodzaju absorberów zalicza się umiarkowany spadek ciśnienia gazu < 2 kPa i możliwość pracy z cieczami zanieczyszczonymi cząstkami ciała stałego, również smolistymi.

18.4. A B S O R B E R Y

BARBOTAŻOWO-POŁKOWE

Absorbery barbotażowe stanowią aparaty typu zbiornikowego lub kolum­ nowe, w których strumień gazu w postaci pęcherzyków porusza się względem

fazy ciągłej, cieczy lub zawiesiny. Do grupy absorberów barbotażowych zali­ cza się również aparaty kolumnowe półkowe, analogiczne jak rektyfikacyjne, w których barbotaż gazu zachodzi na perforowanych półkach. Aparaty te stano­ wić mogą absorber jednostopniowy lub wielostopniowy (rys. 18.9a,b) lub ich modyfikacje, jak np. cyrkulacyjny (rys. 18.9c) lub strumieniowy (rys. 18.9d). Absorbery barbotażowe, jako samodzielne aparaty, są stosowane do absorpcji gazów źle lub słabo rozpuszczalnych z małych strumieni objętości gazów. Częś­ ciej natomiast są stosowane w procesach pomocniczych, związanych z utlenia­ niem w fazie ciekłej, w tym również biochemicznych. Mieszanie osiowe cieczy oraz gazu, duży spadek ciśnienia gazu oraz koalescencja pęcherzyków gazu są zasadniczymi wadami tych absorberów. Rodzaj przepływu pęcherzyków oraz zatrzymanie gazu są istotnymi parametrami hydrodynamicznymi pracy absorbe­ rów barbotażowych. Czas przebywania gazu i średni rozmiar pęcherzyka wpły­ wają na wielkość powierzchni międzyfazowej gaz—ciecz i w konsekwencji na szybkość przenoszenia masy między fazami. Wielkość powierzchni międzyfazo­ wej zależy od budowy aparatu, parametrów procesu i właściwości fizycznych układu absorpcyjnego. a)

b)

G>l

o — — o —o

o

L

V o— "<=- o

.l~o

o — _o - o

o o _ o — — o ° o o° 0

o

_o — o o o o O 0_ - o

G*i

— o o o o o "2. o ° o o ~

L

O —

— 0 0 o-

_ITT

l

o*

Rys. 18.9. Absorbery barbotażowe: a) jednostopniowy, b) wielostopniowy, c) cyrkulacyjny, d) strumieniowy

Jeżeli w procesie jest wymagana duża powierzchnia międzyfazowa, przy małych strumieniach gazu i cieczy, to stosowane są absorbery barbotażowe typu zbiornikowego z mieszadłem mechanicznym (rys. 18.10). Gaz jest do­ prowadzany bełkotką poniżej mieszadła, zwykle szybkoobrotowego turbino­ wego lub śmigłowego. Problemy związane z projektowaniem absorberów zbio­ rnikowych omawiają Tilton i Russel [2]. Oddzielną grupę stanowią aparaty barbotażowo-pianowe ze statyczną wars­ twą piany (rys. 18.11). Gaz przepływa przez warstwę cieczy zawierającej nie­ wielką masę substancji pianotwórczej — detergentu, obniżającego napięcie powierzchniowe na granicy fazowej gaz—ciecz. Absorpcja gazu zachodzi w war­ stewkach ciekłych piany, tzw. lamellach. Układ charakteryzuje się dużą po-

wierzchnią kontaktu gaz—ciecz i znaczną szybkością jej odnawiania. Powierzch­ nię właściwą kontaktu ocenia się na 500-10000 m / m przy średnicy pęcherzy­ ków 0,6-1,2 mm, natomiast liczbę pęcherzyków w 1 m piany na ok. 125 milionów. Typowy stosunek Oaz 2

3

3

/I

O

O

L/G wynosi 6*10" m Im , co oznacza, że duży stru­ mień objętości gazu może być rozdzielany metodą absorbcji za pomocą małego strumienia cieczy. Jeśli dobór gęstości i wysokości piany oraz konstrukcja absorbera są odpowiednie, to spadek ciśnienia gazu wynosi 0,5-4,5 kPa/m piany. Destrukcja piany i tzw. ociekanie cieczy następuje bezpośrednio na półce, w wyniku instalowania wolnoobrotowych mieszadeł stożkowych lub na wylocie z aparatu mieszadłami Rys. 18.10. Absorber barwysokoobrotowymi. Absorbery z pianą statyczną są botażowy zbiornikowy z stosowane do absorpcyjnego oczyszczania gazów odlo­ mieszadłem: 1 — miesza­ towych z zanieczyszczeń kwaśnych ( S 0 , HC1, HF, dło, 2 - bełkotka, 3 przegrody H S), a także wielu organicznych i radioaktywnych (aparaty DynaWave-Wascher, firma NUKEM RFN). Jak już wspomniano, budowa absorberów półkowych jest analogiczna jak kolumn rektyfikacyjnych półkowych, kołpakowych, sitowych i zaworowych. 2

2

Oaz

ii! 3_

Gaz

3

Ciecz

r

Ciecz

Rys. 18.11. Absorber pianowy: 1 — kolumna pianowa półkowa, 2 — piana, 3 — separator, 4 — pompa cyrkulacyjną, 5 — chłodnica

Również skrubery półkowe, kolumnowe, stosowane do odpylania mokrego gazów, mogą pełnić jednocześnie rolę absorberów. Absorpcja w kolumnach półkowych zachodzi podczas przepływu (barbotażu) strumienia gazu przez warstwę cieczy na półce, a zadaniem znajdujących się na niej elementów jest zapewnienie możliwie największej powierzchni kontaktu gaz—ciecz i szybkości jej odnawiania. Znaczący, korzystny udział w procesie ma również strefa uno­ szonych kropel ponad warstwą piany dynamicznej na półce. Średnicę kolumny, absorbera, wyznacza się z dozwolonej prędkości liniowej gazu ze względu na porywanie cieczy z półki na półkę lub nadmierne pienienie się cieczy. Podczas dużych obciążeń cieczą zwiększa się długość krawędzi przelewu lub stosuje półki wieloprzepływowe. Zasilanie kolumn półkowych przeciwprądowych cie­ czą, następuje zwykle na pierwszą półkę od góry. Sposoby doprowadzenia cieczy przedstawiono na rys. 18.12. Istotny jest również sposób odprowadzenia cieczy z kolumny, który powinien jednocześnie stanowić zamknięcie hydrauli­ czne aparatu (rys. 18.13).

Rys. 18.12. Zasilanie cieczą kolumny półkowej: 1 — kolumna, 2 — półka, 3 — próg przelewowy 2

2

Rys. 18.13. Odprowadzenie cieczy z kolumny: 1 — kolumna, 2 - półka

Wysokość kolumny wynika z liczby półek niezbędnych do uzyskania wy­ maganego stopnia absorpcji gazu, co określa się na podstawie obliczeń bilan-

sowo-procesowych [1], [4J. Wysokość (odległość) pomiędzy półkami wyni­ ka z warunku dopuszczalnego porywania cieczy na sąsiednią, górną półkę. W praktyce minimum tej odległości wynosi 450 mm, maksimum zaś nie prze­ kracza zwykle 700 mm.

18.5. A B S O R B E R Y N A T R Y S K O W E Absorbery natryskowe, zwane podobnie jak i inne aparaty do kontaktu gazu i cieczy skruberami, stanowią komory lub kolumny o przekroju prostokątnym lub kołowym, zasilane cieczą, zwykle w stanie rozproszonym lub też ciecz jest rozpylana na krople strumieniem absorbo­ Oaz wanego gazu. Ze względu na kierunek prze­ pływu gazu względem cieczy, w aparacie wyróżnia się trzy zasadnicze rodzaje absor­ berów natryskowych: przeciwprądowe, współprądowe i z przepływem krzyżowym (rozdz. 13, rys. 13.12). W absorberach przeciwprądowych ciecz rozpylona na krople, u góry aparatu, opada przeciwprądowo w strumieniu gazu, płynącym do góry. Roz­ pylanie odbywać się może za pomocą jed­ Ciecz nej lub wielu dysz, rozmieszczonych w je­ dnym lub kilku równoległych rzędach. W absorberach z krzyżowym przepływem Gaz strumienia gazu i cieczy natrysk kropel jest skierowany na poziomo przepływający gaz, natomiast we współprądowych — zgodnie z kierunkiem przepływu gazu. Do absorbe­ rów tego rodzaju zalicza się również skru­ bery ze stycznym wlotem gazu i natryskiem skierowanym promieniowo od środka do Ciecz ściany, zwane odśrodkowymi, stosowane Rys. 18.14. Absorber z rewersyjnym do absorpcji często z jednoczesnym odpy­ przepływem strumienia cieczy: 1 — laniem gazów. W procesach odpylania dysza rozpylająca, 2 - separator z jednoczesną absorpcją są stosowane rów­ cieczy nież skrubery natryskowe z półkami uderzeniowymi i Venturiego, omówione w rozdz. 13. Oprócz trzech zasadniczych, wymienionych kierunków przepływu gazu i cieczy, w skruberach natryskowych jest również stosowany przepływ reweryJ y» polegający na zmianie kierunku ruchu strumienia cieczy o 180° w obrę­ bie aparatu (rys. 18.14). Przepływ ten stanowi kombinację ruchu przeciwprądowego i współprądowego cieczy w stosunku do gazu i może być realizowany s

n

w komorach (przewodach) poziomych lub kolumnach pionowych. W absorbe­ rze z natryskiem jednostopniowym strumień kropel w postaci pełnego stożka jest skierowany do góry i porusza się w przeciwprądzie w stosunku do gazu doprowadzonego od góry. Wskutek zarówno odorów ruchu kropel do góry, jak i obecności kropel poruszających się współprądowo do dołu, prędkość natrys­ ku stopniowo maleje. W zależności od stosunku energii cieczy i gazu, prędkość kropel spada do zera na odpowiedniej wysokości od wylotu z dyszy. W obsza­ rze prędkości kropel zbliżonej do zera, wytwarza się strefa o dużej koncentracji kropel, podobna do piany dynamicznej o dużej burzliwości. W strefie tej wy­ stępuje ciągła wymiana kropel dopływających od dołu przeciwprądowo i opu­ szczających strefę współprądowo wraz ze strumieniem gazu.

Rys. 18.15. Absorbery Venturiego: a) ejekcyjny, b) ciśnieniowy; 1 — konfuzor, 2 — dysze rozpylające, 3 — gardziel, 4 — dyfuzor

Jako absorbery są stosowane również skrubery Venturiego, omówione w rozdz. 13, jako odpylacze. Konstrukcja absorberów Venturiego (rys. 18.15), których dwa zasadnicze rodzaje stanowią absorber ejekcyjny i ciśnieniowy, nie różni się zasadniczo od odpylaczy, modyfikacje zaś mają zwykle na celu zwię­ kszenie burzliwości i czasu kontaktu gazu i cieczy. Proces absorpcji zachodzi głównie w gardzieli. Długość gardzieli określa rodzaj procesu, z tym że więk­ sze długości są wymagane w procesie limitowanym oporami w fazie gazowej i kilkakrotnie mniejsze, gdy główne opory są w fazie ciekłej. Sprawność ab­ sorpcji w pierwszym rzędzie zależy od prędkości gazu w gardzieli i stosun­ ku L/G. Absorbery są często stosowane w połączeniu z odpylaniem gazów. W absorberach zderzeniowych (rys. 18.16) do intensyfikacji kontaktu gazu i cieczy wykorzystuje się bezpośrednie, mniej lub bardziej czołowe, zderzenia

się płynów, tj. gazów, cieczy lub ich mieszanin. W rezultacie zderzenia po­ między przeciwnie skierowanymi strumieniami, na małej przestrzeni generowa­ na jest strefa o bardzo dużej burzliwości, w której wytwarzane są dobre wa­ runki do zwiększenia szybkości przenikania ciepła i masy. Wynika to z dużej powierzchni wymiany masy i dużej szybkości jej odnawiania, gdy istnieją duże siły ścinające na granicy faz. Absorbery zderzeniowe umożliwiają znaczną intensyfikację procesu absorpcji w mniejszej objętości aparatu. a)

Ciecz

i ' Ciecz

Rys. 18.16. Absorbery ze zderzającymi się strugami płynów: a) gazu; 1 - absorber, 2 — stru­ mień dwufazowy gaz—ciecz, 3 - strefa zderzenia, 4 - odkraplacz; b) cieczy; 1 - absorber, 2 — dysze hydrauliczne, 3 - strefa zderzenia strumieni cieczy, 4 — odkraplacz

Przenoszenie masy w absorberach natryskowych jest związane z trans­ portem masy do powierzchni kropel, a także częściowo do warstewek i strug cieczy spływających po ścianie aparatu. Wyposażenie wnętrza absorberów na­ tryskowych nie zawiera szczególnych elementów, są więc one jednymi z naj­ bardziej odpornych na blokowanie osadami, gdy absorpcja prowadzona jest z gazów lub cieczami zanieczyszczonymi cząstkami stałymi. Prosta konstruk­ cja, małe zużycie materiałów konstrukcyjnych oraz małe opory hydrauliczne powodują, że absorbery te są stosowane często, mimo małej sprawności proce­ sów w nich prowadzonych. Są one stosowane do absorpcji gazów dobrze roz­ puszczalnych. Opór dyfuzyjny w strumieniu gazu, dzięki ruchowi kropel, ulega zmniejszeniu, a deformacja kropel polepsza mieszanie w kroplach. Liczba jed­ nostek przenoszenia masy jest tu ograniczona i w absorberach poziomych nie przekracza 3,5, w kolumnach przeciwprądowych — 6. Większą liczbę jedno­ stek przenoszenia masy zapewniają absorbery natryskowe odśrodkowe. Projek-

towanie absorberów natryskowych, z racji koalescencji, porywania i unoszenia kropel, strat kropel na ścianie, wtórnych rodzajów przepływu i innych nieko­ rzystnych zjawisk, stwarza duże trudności i jest mało dokładne. Średnica ko­ lumny z przeciwprądowym przepływem gazu i cieczy obliczana jest zwykle z warunku dozwolonej prędkości gazu, ze względu na unoszenie kropel. Wy­ miary absorberów z przepływem krzyżowym oblicza się na podstawie opadania kropel w czasie przepływu gazu, którego prędkość wynosi 0,5-1,5 m/s.

18.6. D O B Ó R A B S O R B E R A Dobór absorbera dla określonego układu absorpcyjnego gaz-ciecz musi być poprzedzony obliczeniami bilansowymi i kinetycznymi absorpcji. Na podstawie znajomości zasad pracy absorberów dobiera się właściwą konstrukcję absorbe­ ra, wraz z właściwymi elementami wnętrza aparatu i urządzeniami pomocni­ czymi, zapewniającą przede wszystkim wymaganą sprawność absorpcji przy minimalnym spadku ciśnienia gazu i minimum kosztów ogólnych. Elementy wyposażenia wnętrza, takie jak dysze zraszające, ich liczba i sposób rozmiesz­ czenia w aparacie, rodzaj wypełnienia i sposób jego zraszania, typ półki i cha­ rakter przepływu w jej obrębie gazu i cieczy mają istotne znaczenie dla pracy absorbera. To samo dotyczy urządzeń pomocniczych — przewodów i rurocią­ gów, zaworów i zasuw, pomp i wentylatorów, aparatury kontrolno-pomiarowej i wielu innych. W większości procesów absorpcji środowisko jest w wysokim stopniu korozyjne. Dobór właściwego materiału konstrukcyjnego ma istotne znaczenie dla sprawnej eksploatacji i kosztów absorpcji.

LITERATURA [1] WALAS S.M, Chemical Process Eąuipment: Selection and Design, Butterworth, Woburn, MA 1988. [2] TiLTON J.N., R U S S E L T . W . F . , Chem. Eng., 1982, 89(24), 61. [3] STRIGLE R.FJr., Random Packings and Packed Towers, Gulf Publ., Houston 1987. [4] ZARZYCKI R . , ChACUK A., STRARZAK K . , Absorpcja i absorbery, WNT, Warszawa 1987. [5] D E C K W E R W . D . , Bubble Column Reactors, John Wiley & S o n s , New York 1992.

19. ADSORBERY 19.1. W P R O W A D Z E N I E Adsorpcja polega na wydzielaniu i zatrzymywaniu składników płynu na powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej (w porach) ciała stałego zwanego ad­ sorbentem (sorbentem). Zatrzymywanie cząsteczek zachodzi w wyniku działa­ nia sił fizycznych i chemicznych bliskiego zasięgu. Energia wiązania adsorbowanych cząsteczek z powierzchnią jest porównywalna z ciepłem kondensacji. Proces adsorpcji jest egzotermiczny. Proces przeciwny, usuwanie zaadsorbowanych cząsteczek z powierzchni do przestrzeni otaczającego płynu, zwany desorpcją, wymaga doprowadzenia energii. Liczba cząsteczek możliwa do zaadsorbowania na powierzchni adsorbentu jest ograniczona i maleje wraz ze wzrostem temperatury. Efektywnej adsorpcji sprzyja duża powierzchnia właści­ wa adsorbentu i niska temperatura. Adsorpcja jest selektywna i największą zdolność do adsorpcji wykazują cząsteczki gazów o dużej masie i niskiej tem­ peraturze wrzenia. Adsorbując się, wypierają inne cząsteczki o mniejszej ener­ gii wiązania. Niektóre procesy adsorpcji są nieodwracalne, np. chemisorpcja. Energia wiązania cząsteczek na powierzchni jest tu tak duża, że zaadsorbowana sub­ stancja może być zdesorbowana tylko w postaci związku chemicznego lub usunięta jak substancja stała. Proces adsorpcji składnika gazowego w pierwszym etapie jest związany z jego wędrówką do powierzchni zewnętrznej adsorbentu. Podobnie jak pod­ czas absorpcji, etap ten jest określony szybkością dyfuzji cząsteczek gazu w fa­ zie gazowej. Dalszym etapem jest dyfuzja w porach do powierzchni wewnętrz­ nej i adsorpcja na tej powierzchni. Etap ten decyduje często o szybkości całego procesu. Gdy cząsteczki są adsorbowane na powierzchni stosunkowo małymi siłami, rzędu sił van der Waalsa, wtedy proces nazywa się adsorpcją fizyczną. Jeśli siły wiązania cząsteczek gazu na powierzchni adsorbentu są zbliżone do wią­ zania chemicznego, to proces jest określany jako adsorpcja chemiczna lub chemisorpcja. Adsorpcja fizyczna gazu zachodzi z dużą szybkością, w niskiej temperatu­ rze, w dowolnym miejscu powierzchni adsorbentu. Do przebiegu chemisorpcji w tych warunkach jest niezbędne doprowadzenie tzw. energii aktywacji, konie­ cznej do wytworzenia odpowiedniego wiązania (kompleksu) adsorbent—sub-

stancja adsorbowana. Krzywe adsorpcji, zwane izotermami adsorpcji, w pro­ cesie chemisorpcji wskazują na jednocząsteczkowość warstwy zaadsorbowanych cząsteczek, gdy natomiast podczas adsorpcji fizycznej warstwy te mogą być wielocząsteczkowe. Również izobary adsorpcji wskazują na dwa zakresy ad­ sorpcji, które określają jeden z wymienionych rodzajów adsorpcji. Na odmien­ ność adsorpcji fizycznej i chemisorpcji wskazuje również duża odwracalność adsorpcji fizycznej. Ciepło adsorpcji chemicznej jest dużo większe niż adsorp­ cji fizycznej i jest rzędu ciepła reakcji chemicznej (20-400)*]O kJ/kmol. Jeśli zaadsorbowana masa substancji, w danych warunkach, zbliżona jest do równowagowej, to następnym etapem procesu adsorpcyjnego jest usunięcie tej substancji z powierzchni adsorbentu, tj. desorpcja, co nazywane jest regenera­ cją adsorbentu. O prowadzeniu regeneracji decyduje ekonomika procesu lub inne ważne względy. Desorpcja może być prowadzona przez ogrzewanie adsor­ bentu, przedmuchiwanie gazem obojętnym, kombinację wymienionych metod, obniżenie ciśnienia. Stosowną często metodą regeneracji, zwłaszcza węgli aktywnych, jest działanie parą wodną. Para wodna, adsorbując się, wypiera zaadsorbowane uprzednio substancje, których ciśnienia cząstkowe są mniejsze od równowagowych. Zdesorbowane zanieczyszczenia są kondensowane w nad­ miarze pary. Po regeneracji wodę z adsorbentu usuwa się strumieniem gorące­ go powietrza. Podczas regeneracji w praktyce nie zachodzi całkowita desorpcja substancji. Niektóre substancje organiczne, zwłaszcza monomery, mogą pod­ czas regeneracji polimeryzować w porach adsorbentu, uniemożliwiając powtór­ ne jego stosowanie, np. styren. Podczas regeneracji adsorbentu, po procesie chemisorpcji są często wymagane specyficzne warunki regeneracji. Desorpcja wiąże się tu zwykle ze zniszczeniem struktury wiązania adsorbentu. 3

Adsorbenty stanowią materiały porowate o dużej efektywnej powierzchni, otrzymywane z węgla i substancji organicznych, minerałów typu tlenku glinu lub ( S i 0 ) i innych. Właściwości pożądane adsorbentów są następujące: duża powierzchnia właściwa, odpowiednia wielkość granul, twardość i sypkość, ła­ twość regeneracji i powtórnego stosowania. Wyróżnia się trzy grupy adsorben­ tów: niepolarne, polarne i chemiczne. Spośród adsorbentów niepolarnych najważniejszy jest węgiel aktywny, sto­ sowany do adsorpcji cząsteczek związków organicznych, wytwarzany z węgla kamiennego, brunatnego, torfu, drewna, skorup owoców, nasion itp. Parametry określające jakość węgla jako adsorbentu to: powierzchnia wewnętrzna, średni­ ca porów i rozkład rozmiarów porów. Adsorbenty polarne stanowią: silikażel, tlenki metali, w tym bardzo popu­ larny A 1 0 , zeolity naturalne i syntetyczne — sita molekularne. Stosowane są one do adsorpcji cząsteczek polarnych takich jak: H 0 , C 0 , NH , H S , S 0 w procesach oczyszczania gazów inertnych, gazu ziemnego, gazów syntezo­ wych itp. Adsorbenty chemiczne reagują z adsorbowanymi cząsteczkami przekształ­ cając je w bardziej użyteczne lub pożądane substancje. 2

n

)

2

3

2

2

3

2

2

Oprócz wymienionych są opracowywane nowe rodzaje i postacie adsorben­ tów. Należy do nicłr m.in. „Bonopore adsorbent" oparty na żywicy polistyre­ nowej, mający postać kulek o średnicy 0,5 mm i powierzchnię właściwą ok. 800 m /g. Opracowano również nowe rodzaje adsorbentów zeolitowych hydro­ fobowych, o ściśle określonych rozmiarach porów umożliwiających selektywną adsorpcję gazów. Zeolity te mogą pracować w dużej wilgotności względnej, są niepalne i ulegają degradacji powyżej 1250 K. Nowe postacie adsorbentu wę­ glowego to włókna węglowe, z których są wykonywane maty, taśmy, arkusze gładkie lub karbowane itp. Włókna zawierają tylko mikropory o jednorodnej strukturze na powierzchni. Kryteria stosowania adsorpcji do rozdziału mieszaniny gazowej mogą być porównywalne z destylacją. Lotność względna rozdzielanych składników klu­ czowych powinna wynosić < 1,2-1,5. Koszt ogólny rozdzielania adsorpcyjnego jest mniejszy niż destylacji dla małych i średnich strumieni, gdy nie jest wy­ magany produkt o dobrej czystości. Do obliczeń procesowych adsorpcji jest wymagana znajomość równowagi adsorpcyjnej i dynamiki adsorpcji, które są omawiane szczegółowo na wykła­ dach i w podręcznikach inżynierii chemicznej i procesowej. Rodzaj i typ aparatury do prowadzenia adsorpcji jest związany z okreso­ wym lub ciągłym prowadzeniem procesu, sposobem kontaktu stopniowanym lub ciągłym, rodzajem adsorbentu i parametrami procesu. Jeden z powszechnie stosowanych podziałów jest związany ze stanem dynamicznym ruchu adsorben­ tu w adsorberze, według którego wyróżnia się adsorbery z warstwą nierucho­ mą, ruchomą i fluidalną. 2

19.2. A D S O R B E R Y Z W A R S T W Ą N I E R U C H O M Ą Jeżeli strumień gazu jest niewielki, okresowy, o zmiennej zawartości usuwa­ nych składników, to przy małym ich stężeniu stosowanie pakietów lub pojem­ ników o odpowiednich kształtach, wypełnionych adsorbentem nieregenerowalnym może być rozwiązaniem ekonomicznym. Pakiet wymienia się wtedy, gdy jego pojemność zbliża się do nasycenia. Jeżeli strumień gazu jest na tyle duży, że koszt świeżego adsorbentu byłby zbyt wielki w stosunku do kosztu regeneracji, to adsorpcję prowadzi się w adsorberach z warstwą regenerowalną. Schematy adsorberów z nieruchomymi warstwami przedstawiono na rysun­ ku 19.1. W zależności od wysokości warstwy rozróżnia się adsorbery z płytką lub wysoką warstwą. Warstwy płytkie (cienkie) umieszcza się pomiędzy per­ forowanymi przegrodami, często w postaci siatek. Ze względu na ograniczoną pojemność sorpcyjną takiej warstwy, w absorberze umieszcza się zwykle więk­ szą ich liczbę w układzie pionowym lub poziomym (rys. 19.2). Przy dużych strumieniach gazów i małych stężeniach adsorbowanych gazów, zwykle zanie-

czyszczeń usuwanych metodą adsorpcji, węgiel aktywny granulowany jest umieszczony w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy cylindrami (rys. 19.lc).

7

e-~#i

Rys. 19.1. Adsorbery z nieruchomą warstwą adsorbentu: a) pionowy, b) poziomy, c) z warstwą pierścieniową; 1 — warstwa adsorbentu, 2 - wlot gazu, 3 - luk załadunkowy, 4 - odlot gazu po adsorpcji, 5 — odlot oparów z desorpcji, 6 - odpływ kondensatu, 7 - luk wyładunkowy, 8 — para wodna b)

I]


CR

OGO

O

Rys. 19.2. Adsorbery wielowarstwowe: a) pionowy do adsorpcji gazów stężonych, b) poziomy; 1 — cylindryczny korpus aparatu, 2 — warstwy adsorbentu, 3 — węzeł do chłodzenia i rozcień­ czania gazu wlotowego, 4 — sprężarka, 5 — chłodnica, GZ - gazy zanieczyszczone, GO — gazy oczyszczone, CR — czynnik regenerujący

Adsorbery z wysokimi (grubymi) warstwami (0,25-1,0 m) mają zwykle postać długich zbiorników, w których warstwa spoczywa na przegrodzie poro­ watej (sitowej) (rys. 19.Ib). Warstwa o większej wysokości umożliwia prowa­ dzenie adsorpcji bez regeneracji przez dłuższy czas, lecz spadek ciśnienia gazu jest większy. Możliwe komplikacje w prowadzeniu procesu wiążą się tu z od­ prowadzeniem ciepła adsorpcji. Oprócz adsorberów przedstawionych na rysun-

ku. 19.1 są również stosowane adsorbery, w których kształt warstwy jest stoż­ kowy, lub adsorbent jest umieszczony w wymiennych kasetach. W związku z opracowaniem nowych postaci adsorbentów, coraz większe zastosowanie znajdują konstrukcje adsorberów w postaci tzw. rotorów bądź tarczowych, bądź bębnowych, obracające się wokół osi poziomej lub pionowej (rys. 19.3). Rotory mają strukturę blokową, o dużej powierzchni wewnętrznej, lub wstęgową, ż taśmy impregnowanej odpowiednim adsorbentem. Układ taki, jako bardzo zwarty, jest stosowany głównie do usuwania z gazów odlotowych lotnych rozpuszczalników organicznych, gdy stężenia są mniejsze niż 2 g/m , a także do ich zatężania w strumieniu gazu. 3

Powietrze

Rys. 19.3. Schemat instalacji adsorpcyjnej z adsorberem obrotowym — rotacyjnym: 1 - bęben wypełniony adsorbentem w postaci taśmy (tkaniny) karbowanej węgla aktywnego, 2 — odpylacz filtracyjny, 3 — podgrzewacz, 4 — kondensator, 5 - zbiornik produktu ciekłego

Jeżeli strumień gazu nie jest okresowy, to do prowadzenia adsorpcji w spo­ sób ciągły w warstwie nieruchomej są konieczne co najmniej dwa adsorbery (rys. 19.4). Jeżeli w jednym aparacie jest prowadzona adsorpcja, to w drugim odbywa się regeneracja adsorbentu. Do regeneracji stosuje się parę wodną lub gorące powietrze. Po desorpcji warstwę chłodzi się strumieniem zimnego obo­ jętnego gazu. Proces desorpcji prowadzić można również przez obniżenie ciś­ nienia w adsorberze, wówczas instalacja adsorpcyjna jest połączona ze źródłem próżni. Strumień gazu odlotowego z regeneracji jest zwykle chłodzony, w celu kondensacji zdesorbowanej substancji i dalszego rozdzielenia na drodze eks­ trakcji lub rektyfikacji. Adsorbent po regeneracji jest zwykle suszony i chło­ dzony do temperatury otoczenia. Regenerację termiczną nasyconego adsorben­ tu, zwykle węgla aktywnego, prowadzi się po jego wyładowaniu z aparatu. Następne etapy to suszenie, spiekanie i aktywacja. Proces jest prowadzony w piecach pionowych grabiowych lub bębnowych obrotowych, w temperaturze 1150-1250 K. Podczas regeneracji próżniowej, którą prowadzi się zwykle po adsorpcji pod ciśnieniem atmosferycznym, wytworzenie próżni w adsorberze

(ciśnienie 30-60 kPa) powoduje desorpcję gazu. Zdesorbowane gazy wydziela się ze strumienia powietrza przez ich kondensację i separację od wody. GO

GZ

Rys. 19.4. Schemat instalacji adsorpcyjnej z dwoma adsorberami z nieruchomą warstwą adsor­ bentu: 1 — adsorbery, 2 — ruszt oporowo-rozdzielający, 3 — zawory wielodrożne — sterujące

19.3. A D S O R B E R Y Z W A R S T W Ą R U C H O M Ą W adsorberach z warstwą ruchomą adsorpcja przebiega w sposób ciągły, bez wyłączania aparatu z ruchu na czas regeneracji warstwy. W wyniku tego proces adsorpcji ulega intensyfikacji. Zasadniczym elementem adsorbera z war­ stwą ruchomą jest pionowa, cylindryczna kolumna z perforowanymi półkami lub bez (rys. 19.5). Strumień zregenerowanego adsorbentu jest podawany na górę kolumny, skąd pod wpływem siły ciężkości ruchem tłokowym przesuwa się w dół lub przesypuje przelewami, gdy kolumna jest wyposażona w półki. Gaz do adsorpcji, wpływając od dołu aparatu, płynie do góry pustymi kanałami wypełnienia w przeciwprądzie do opadającej warstwy, przy czym zachodzi adsorpcja wydzielanych składników. Oczyszczony gaz opuszcza aparat górą.

W adsorberze półkowym (rys. 19.5b) gaz przepływa otworami półki, powo­ dując ruch ziaren adsorbentu do przelewów i opadanie ich z półki na półkę. Adsorbent nasycony opuszczając sekcję adsorpcji jest kierowany do regeneracji a) Powietrze

7 3 Woda chłodząca

3F=>GO

Zdesorbowane gazy

Czynnik grzejny

Opary Para

-|

1

fB*ii X

Po wie trze

Kondensa t

Po wie trze

Rys. 19.5. Adsorbery z ruchomą warstwą adsorbentu: a) z warstwą opadającą; 1 — kolumna, 2 -

adsorber (wymiennik ciepła), 3 - chłodnica adsorbentu, 4 -

separator; b) absorber pół­

kowy; 1 — kolumna, 2 - półki, 3 - podgrzewacz, 4 - desorber, 5 — rura cyrkulacyjną

odbywającej się w dolnej części kolumny, zwanej desorpcyjną. Czynnikiem grzejnym jest para wodna przekazująca ciepło do ziaren opadających w rur­ kach wymiennika. Ciągła desorpcja zanieczyszczeń odbywa się w górnej strefie desorbera, skąd pary są kierowane do kondensacji. Gorący i wilgotny adsor­ bent opuszczając dolną strefę desorbera jest transportowany strumieniem chło-

dnego i suchego powietrza do górnej części adsorbera, przy czym ziarna adsor­ bentu są suszone i chłodzone. Oprócz przedstawionych rozwiązań są również stosowane adsorbery w po­ staci obracającego się bębna, którego konstrukcja jest oparta na zasadzie fitracji próżniowej w filtrze bębnowym obrotowym. Pierścieniowa warstwa adsor­ bentu jest podzielona w przekroju poprzecznym na trzy sekcje: adsorpcyjną, regenerowaną, suszoną i chłodzoną. Strumienie gazu, zarówno separowanego, jak i regeneracyjnego, przepływają przez warstwę od obwodu do osi, skąd są odprowadzane na zewnątrz oddzielnymi przewodami. Zaletą rozwiązania jest ciągłość procesu, lecz ogólna sprawność adsorpcji jest tu mała. Adsorbery tego rodzaju znajdują zastosowanie podczas oczyszczania i suszenia gazów tech­ nologicznych oraz rozdzielania mieszanin gazowych.

19.4. A D S O R B E R Y F L U I D Y Z A C Y J N E Adsorpcja w sfluidyzowanej warstwie adsorbentu może być prowadzona okresowo lub w sposób ciągły. Proces prowadzić można w aparacie jednostopniowym (rys. 19.6) lub wielostopniowym (rys. 19.7). Świeży (zregenerowany) adsorbent jest podawany w sposób ciągły do zbiornika górnego (przejściowego) (rys. 19.6b), skąd jest dozowany na pierwszą górną półkę ad­ sorbera. Na półce podlega fluidyzacji strumie­ niem gazu rozdzielanego (oczyszczanego) i przesypuje się przesypami na kolejne, niżej leżące półki. Adsorbent opuszczający ostatnią odlotowe półkę, osiągając stan zbliżony do nasycenia, regeneracji jest kierowany do regeneracji. W dolnej częś­ ci aparatu przesuwająca się w dół wyczerpana warstwa adsorbentu jest regenerowana przeciwprądowym strumieniem pary wodnej. Chłodzenie i suszenie zregenerowanego adsor­ bentu następuje podczas transportu pneumaty­ cznego do zbiornika (zasobnika) górnego. Pozorne prędkości linowe gazu w adsorberze Powietrze zmieniają się w zakresie 0,7-2,0 m/s i zależą Rys. 19.6. Adsorber fluidalny jed­ od rodzaju adsorbentu. Wysokości statyczne nostopniowy: 1 — adsorber, 2 — warstwy wynoszą zwykle 30-60 mm. Ze desorber, 3 — półki rozdzielające, 4 — linia transportu pneumatycz­ względu na znaczną erozję ziarna adsorbentu nego, 5 — separator powinny charakteryzować się dużą wytrzyma­ łością na ścieranie. Liczba stopni rozdziału w adsorberze zależy od wymaganej sprawności rozdziału mieszaniny gazowej, lecz zazwyczaj nie przekracza kilku.

Zwiększenie liczby półek, przy niewielkiej wysokości warstwy na każdej z nich, wpływa na zwiększenie stopnia wykorzystania adsorbentu, ale jednocześnie wy­ twarza się więcej pyłu, który jest unoszony z gazami odlotowymi. Z tego też powodu, gdy adsorbentem jest węgiel aktywny, wtedy podczas adsorpcji pal­ nych par rozpuszczalników istnieje konieczność zachowania specjalnych wymo­ gów bezpieczeństwa. Powietrze Ł

GZ Gazy odlotowe z regeneracji

Powietrze

Rys. 19.7. Adsorber fluidalny wielostopniowy: 1 — adsorber, 2 — desorber, 3 — półki z prze­ sypami, 4 — linia transportu pneumatycznego, 5 — separator — zasobnik adsorbentu

19.5. A D S O R B E R Y C I E C Z Y Prowadzenie adsorpcji w fazie ciekłej jest zazwyczaj związane z usuwaniem zanieczyszczeń ciekłych, często substancji barwiących. Proces adsorpcji z cie­ czy jest mniej poznany w porównaniu z fazą gazową i jego prowadzenie w du­ żym stopniu jest oparte na doświadczeniu. Adsorpcja okresowa z cieczy jest zwykle prowadzona w aparatach typu zbiornikowego (rys. 19.8). Adsorpcja jest

prowadzona w zawiesinie adsorbentu lub zanieczyszczona ciecz jest podawana do zbiornika i przepływa przez warstwy mieszanego adsorbentu. Nasycony sorbent jest separowany z cieczy na drodze filtracji lub regeneracja wyczerpa­ nego adsorbentu odbywa się \y tym samym zbiorniku, po przerwaniu adsorpcji. Regeneracja sorbentu odbywa się przez ogrzewanie (wypalanie) lub niekiedy reakcję chemiczną.

WA

LŁ

Rys. 19.8. Adsorber do cieczy z mecha­ nicznym wyładunkiem adsorbentu: 1 — doprowadzenie świeżego adsorbentu, 2 — przenośnik ślimakowy, 3 — odpro­ wadzenie adsorbentu wyczerpanego, 4 dopływ cieczy zanieczyszczonej, 5 — odpływ cieczy czystej, 6 — dopływ cieczy myj ącej, 7 - płyta porowata, 8 — mieszadło łapowe

Rys. 19.9. Schemat instalacji do adsorpcji ciągłej z cieczy: 1 — adsorber, 2 — zbiornik przygotowania zawiesiny sorbentu, 3 — węzeł regeneracji, 4 — podajnik zasilający — pulsacyjny, CZ — ciecz zanieczyszczona, CO — ciecz oczyszczona, WA — świeży strumień sorbentu (węgla aktywnego), WAZ - sorbent wyczerpany

Adsorpcję z cieczy w sposób ciągły prowadzi się w pionowych kolumnach, w których adsorbent od góry, ciecz natomiast od dołu kolumny przepływając kontaktują się w sposób ciągły w przepływie przeciwprądowym (rys. 19.9). Do tego samego rodzaju procesów sorpcyjnych zalicza się również wymia­ nę jonową w roztworach elektrolitów prowadzoną w obecności sorbentów sta­ łych, zwanych jonitami, stanowiących zwykle żywice syntetyczne. Procesy jonowymienne są prowadzone w aparatach zwanych wymiennikami jonitowy­ mi. Większość procesów jest prowadzona w warstwach nieruchomych jonitu,

w pionowych kolumnach (rys. 19.10), o średnicach od dziesiątek milimetrów do ponad 6 m w kolumnach wielostopniowych (wielowarstwowych) o wyso­ kości ponad 30 m. Zasadnicze części kolumny stanowią: pólka (ruszt) oporowy dla warstwy jonitu i system odprowadzający ciecz, układ dystrybucji surowca — cieczy podawanej na warstwę, przestrzeń ponad warstwą dla ekspansji joni­ tu podczas regeneracji. Prowadzenie procesu sorpcji na jonitach jest bardziej złożone niż adsorpcji gazów i składa się z większej liczby cyklów regeneracji i mycia w dłuższym czasie. Przelew

CM(Woda)

Rys. 19.10. Kolumna jonitowa z nieruchomą warstwą jonitu: 1 — kolumna, 2 — półka oporowo-zbierająca, 3 — króćce dopływu roz­ dzielanej cieczy, 4 — górny poziom jonitu, 5 — przestrzeń dla ekspan­ sji warstwy podczas regeneracji i mycia, 6 — króćce operacyjne, 7 — właz wysypowy

Rys. 19.11. Wymiennik jonitowy o pracy ciąg­ łej: 1 — sekcja rozdzielania cieczy, 2 — sek­ cja mycia i regeneracji jonitu, 3 — pulsator hydrauliczny, 4 — przewód zasilający zregene­ rowany jonit, 5 — zbiornik buforowy jonitu, CM — ciecz myjąca, CR — ciecz regenera­ cyjna, OCP — ciecz odlotowa poregeneracyjna

W procesach ciągłych wymiany jonowej stosuje się pulsacyjny transport (ruch) jonitu, poprzez strefę sorpcji i regeneracji (rys. 19.11), lub ruch faz jest iągły> gdy stosuje się wymiennik jonitowy fluidalny, wielostopniowy. Ciecz przepływa w kierunku przeciwnym do ruchu jonitu. Erozja ziaren jonitu jest wadą procesów ciągłych. Procesy ciągłe są stosowne do separacji z cieczy składników o stężeniach ponad 0,5 N, z dużych strumieni objętości > 7 0 m /h. c

3

Inne, specjalne procesy separacji — membranowe, chromatograficzne i inno oraz aparatura do ich realizacji są omawiane w pracach [5], [6].

19.6. D O B Ó R A D S O R B E R Ó W Pierwszym etapem jest dobór właściwego adsorbentu, następnie obliczenie, zgodnie z wymaganiami procesu rozdziału wymaganej masy asorbentu, z za­ chowaniem odpowiedniego współczynnika bezpieczeństwa, odniesionego do teoretycznej zdolności adsorpcyjnej. Z tych względów wykorzystanie zdolności sorpcyjnej wynosi zwykle 50-80% pojemności teoretycznej. Ponadto muszą być wzięte pod uwagę wzrost temperatury w układzie i okres zdolności do adsorpcji adsorbentu. Specyfika projektowania i wymiary instalacji adsorpcyj­ nej zależą od wielkości i właściwości strumienia gazu oraz zastosowanego adsorbentu. Wszystkie parametry gazu i adsorbentu oraz ich zmiany podczas adsorpcji i regeneracji powinny być dokładnie przeanalizowane pod względem sprawności rozdziału i efektywności prowadzenia procesu. Jeśli stężenie usu­ wanego gazu jest małe, poniżej 2 ppm, to adsorpcję prowadzi się na ogół w warstwach nieregenerowalnych. Do stężeń większych są stosowane adsor­ bery z regeneracją, okresowe do mniejszych i ciągłe do większych stężeń 100-1000 ppm, gdy odzysk substancji jest ekonomicznie opłacalny. Dobór adsorbentu jest jednym z istotniejszych etapów projektowania proce­ su adsorpcji, gdyż jego pojemność sorpcyjna i właściwości fizykochemiczne decydują o efektywności procesowej i kosztach ogólnych rozdziału.

LITERATURA [1] KlELCEW N.W., Podstawy techniki adsorpcyjnej, WNT, Warszawa 1980. [2] RUTHVEN D.M., Principles of Adsorption and Adsorption Processes, John Wiley & Sons, Chichester UK 1984. [3] YANG R.T., Gas Separation by Adsorption Processes, Butterworth, London 1987. [4] RUTHVEN D.M. i in., Pressure Swing Adsorption, VCH, Weinheim 1993. [5] SELECKI A . , GAWROŃSKI R., Podstawy projektowania wybranych procesów rozdzielania mieszanin, WNT, Warszawa 1992. [6] K O C H R., KOZIOŁ A . , Dyfuzyjno-cieplny rozdział substancji, WNT, Warszawa 1994.

20. APARATURA PROCESÓW ŁUGOWANIA I EKSTRAKCJI 20.1. W P R O W A D Z E N I E Ekstrakcja to proces rozdzielania mieszanin ciekłych i ługowania skład­ ników z ciał stałych za pomocą ciekłego rozpuszczalnika — ekstrahentu. W wyniku ekstrakcji otrzymuje się ekstrakt składający się z rozpuszczalnika wtórnego i substancji rozpuszczonej oraz rafinat, który stanowi rozpuszczalnik pierwotny. Zawartość substancji ekstrahowanej w stanie równowagi, w wymie­ nionych fazach, zależy od właściwości rozpuszczalnika, w tym w dużym stop­ niu od jego selektywności oraz temperatury i ciśnienia. Proces ekstrakcji, z któ­ rego nazwą jest związane zarówno rozdzielanie układów ciekłych, jak i ługo­ wanie mieszanin stałych, ze względu na kontakt faz może być prowadzony w sposób stopniowany lub ciągły, we współprądzie lub przeciwprądzie. Ze względu na przebieg w czasie natomiast, proces może być prowadzony okre­ sowo lub w sposób ciągły.

20.2. A P A R A T U R A D O Ł U G O W A N I A Ekstrakcja w aparatach do ługowania jest oparta na przepływie rozpuszczal­ nika przez rozdrobnioną warstwę rozdzielanego ciała stałego, podczas którego jest ługowany pożądany składnik. Proces przebiega w dwóch etapach: 1. Kontakt rozpuszczalnika z ciałem stałym i dyfuzja rozpuszczonej substan­ cji w głąb rozpuszczalnika. 2. Separacja roztworu z pozostałości ciała stałego. Oprócz wymienionych etapów są niezbędne dodatkowe operacje, którymi są przygotowanie ciała stałego do ługowania, tj. rozdrobnienie i klasyfikacja oraz odzysk wyługowanej substancji z ekstraktu (rozpuszczalnika), zwykle przez odparowanie lub destylację. Podczas ługowania warstwy nieruchomej rozpuszczalnik może się kontak­ tować z ciałem stałym trzema sposobami (rys. 20.1): a) poprzez natrysk i przepływ grawitacyjny ekstrahentu, b) pełne zalanie warstwy, c) spływ okresowy.

Najprostszy aparat do ługowania z warstwą nieruchomą stanowi otwarty zbiornik z perforowanym dnem, w którym rozpuszczalnik podawany na górę wypełnienia, przepływa grawitacyjnie przez ługowaną warstwę. Ten prosty a)

b)

c)

Rys. 20.1. Zasadnicze sposoby ługowania ciał stałych: a) natrysk rozpuszczalnika i przesączanie się ekstraktu, b) pełne zalanie warstwy, c) spływ okresowy ekstraktu; 1 — zbiornik, 2 — ruszt sitowy, 3 — ługowana warstwa

sposób ma jednak wady, którymi są kanałowanie przepływu rozpuszczalnika i mała sprawność ługowania. Polepszenie efektów ługowania osiąga się w apa­ ratach, w których rozproszone cząstki ciała stałego w rozpuszczalniku są mie­ szane, następnie separowane, zwykle przez sedymentację, w tym samym apara­ cie lub oddzielnym filtrze. Zamknięte zbiorniki cylindryczne (rys. 20.2) w usy­ tuowaniu pionowym lub poziomym są zaopatrzone w mieszadła łapowe i króć­ ce odpływowe ekstraktu w dolnej części. Gdy przepływ grawitacyjny roztwo­ ru jest zbyt wolny, wtedy stosuje się cyrkulację wymuszoną rozpuszczalnika pompą. Aparaty typu zbiornikowego są również instalowane w układzie szere­ gowym, bateryjnym. Rozpuszczalnik przepływa wówczas kolejno przez każdy aparat lub jest kolejno podawany do każdego aparatu.

Ciągłe ługowanie rozproszonego ciała stałego może być również prowadzo­ ne w pionowym ekstraktorze półkowym (rys. 20.3), stanowiącym kolumnę po­ dzieloną na stopnie przez poziome per­ c.st. forowane półki, z umieszczonym cen­ tralnie wałem ze zgarniakami ciała stałe­ go z półek. Półki posiadają otwory wy­ Ekstr. ładowcze przesunięte o 180° na sąsied­ nich półkach. Ciało stałe jest podawane na górę kolumny, skąd stopniowo prze­ suwane przez zgarniaki spada z półki na półkę, po czym, jako wyczerpane, jest odprowadzane z aparatu podajnikiem ślimakowym. Rozpuszczalnik wpływa w dolnej części kolumny, płynąc do gó­ ry ługuje ciało stałe i jako ekstrakt od­ pływa w górnej części kolumny. Ekstraktory ciągłe typu przenośników ślimakowych śrubowych są stosowane w wersji stanowiącej trzy oddzielne przenośniki śrubowe (rys. 20.4a) do wy­ muszenia ruchu ciała stałego w zbior­ niku ekstrakcyjnym w kształcie litery U. Rozp — - ft: Linia śrubowa przenośników jest perfo­ rowana, rozpuszczalnik może więc prze­ pływać w przeciwprądzie do poruszającego się ciała stałego. Ślimaki obracają • się z różnymi prędkościami; ciało stałe Rys. 20.3. Ekstraktor do ługowania ciągłe­ jest zagęszczane na drodze do wyładowa­ go półkowy: 1 — kolumna aparatu, 2 — nia z aparatu. Typ poziomy (rys. 20.4b) zgarniaki — mieszadła, 3 — półki, 4 — ślimak wyładowczy stanowi wersję prostszą i posiada część z przenośnikiem pochylonym, w którym może być prowadzone mycie, ocieka­ nie wyładowywanego ciała stałego po ługowaniu. Ługowanie przeciwprądowe, podobnie jak i w baterii przeciwprądowej okresowej, może być prowadzone w ekstraktorze rotacyjnym komorowym (rys. 20.5). Płaski bęben, podzielony na klinowe komory, obraca się powoli w zbiorniku nieruchomym o nieco większej średnicy. W trakcie obrotu bębna każda komora przechodzi pod urzą­ dzeniem podającym ciało stałe, następnie przez szereg natrysków rozpuszczal­ nikiem. Po wyługowaniu wyczerpane ciało stałe jest automatycznie usuwane z komory do pojemnika poniżej aparatu. Roztwór, po przesączeniu się w każ­ dej komorze przez warstwę ciała stałego, spływa do pojemnika poniżej zbiorni­ ka aparatu, skąd jest kierowany na zraszanie kolejnej komory, po czym opusz­ cza aparat jako ekstrakt. Ekstraktor jest zamknięty w hermetycznej obudowie w celu zapobieżenia emisji oparów rozpuszczalników do środowiska.

a) C.St,

Rozp.

Ekstr.

C. St.

Ekstr.

Rys. 20.4. Ekstraktory do ługowania ciągłego - ślimakowe: a) pionowy, b) poziomy Ekstr. C. St.

Rys. 20.5. Ekstraktor rotacyjny: 1 - ekstraktor, 2 - podajnik surowca - ciała stałego, 3 - ko­ mory ekstrakcyjne, 4 - pompy cyrkulacyjne, 5 - natrysk rozpuszczalnika, 6 - wyładunek wyrugowanego ciała stałego

Ekstraktor rurowy przelewowy (rys. 20.6) zawiera szereg równoległych rur, z umieszczonymi w nich poziomymi mieszadłami, służącymi do wymuszenia ruchu ciała stałego pomiędzy rurami. Ociekanie następuje wtedy, gdy ciało stałe jest wynoszone nad poziom cieczy w rurze i opada do rury następnej. Ługowanie przebiega przeciwprądowo; jak ciało stałe przenoszone jest z rury do rury w kierunku przeciwnym do przepływu rozpuszczalnika. 6

Ekstr.

Rys. 20.6. Ekstraktor rurowy przelewowy: 1 - podajnik ciała stałego, 2 - mieszadła mechani­ czne, 3 - sekcja filtracyjna, 4 - przenośnik zgarniakowy, 5 — natrysk świeżego rozpuszczal­ nika, 6 - wyładunek wyługowanego ciała stałego

Procedury obliczeniowe procesów i aparatów do ługowania ciał stałych są podawane w specjalistycznej literaturze związanej w dużym stopniu z przemy­ słem przetwórczym surowców metalurgicznych i rolno-spożywczych [l]-[3].

20.3. E K S T R A K T O R Y Ekstrakcja w układzie ciecz—ciecz może być prowadzona w sposób stopnio­ wany lub ciągły. 20.3.1. EKSTRAKTORY MIESZALNIKOWE Ekstrakcję stopniowaną na ogół prowadzi się w mieszalnikach połączonych z odstojnikami lub wirówkami. W układzie zwanym jednostopniowym ekstrak­ cja polega na jednokrotnym zmieszaniu surówki z rozpuszczalnikiem w mie­ szalniku mechanicznym (rys. 20.7), i rozdzieleniu ich na ekstrakt i rafinat. Układ mieszalnik—odstojnik nosi miano stopnia ekstrakcyjnego. Ekstrakcja wie­ lostopniowa polega na kilkakrotnym ekstrahowaniu surówki świeżymi porcjami rozpuszczalnika, co można traktować jako wielokrotne powtórzenie procesu jednostopniowego. Wadą prostej ekstrakcji wielostopniowej jest znaczne zuży­ cie rozpuszczalnika i straty rafinatu. Zastosowanie przeciwprądowego przepły­ wu surówki i rozpuszczalnika w baterii ekstrakcyjnej, składającej się z wielu stopni ekstrakcyjnych (mieszalnik—odstojnik), ustawionych pionowo lub kaska­ dowo, umożliwia uzyskanie bardziej czystego rafinatu i stężonego ekstraktu, z mniejszym zużyciem rozpuszczalnika.

Rys. 20.7. Ekstraktory typu mieszalnik—odstojnik: a) pionowy, b) poziomy; 1 — komora mie­ szania, 2 — mieszadła, 3 — komory odstawania

20.3.2. EKSTRAKTORY KOLUMNOWE Ekstrakcja ciągła jest prowadzona w kolumnach ekstrakcyjnych, w których surówka ekstrakcyjna i rozpuszczalnik kontaktują się w przeciwprądzie w sposób ciągły. Stosowane są trzy zasadnicze sposoby prowadzenia procesu w kolumnach (rys. 20.8): a) natryskowy, b) przepływ przez wypełnienie, c) kontakt cieczy na półkach.

Cl - ciecz lekka

Cc-ciecz

ciężka

Rys. 20.8. Kolumny ekstrakcyjne: a) natryskowa, b) z wypełnieniem, c) półkowa; 1 - kolumna, 2 — dystrybutory cieczy, 3 — wypełnienie, 4 — półki z przelewami

Surówka i rozpuszczalnik są podawane do kolumny na jej przeciwległych krańcach, przy czym ciecz mająca większą gęstość od góry kolumny, lżejsza natomiast od dołu kolumny. Obie fazy przepływają przeciwprądowo z prędkoś­ cią zależną od różnicy ich gęstości, jedna w postaci fazy zwartej, druga nato­ miast w postaci fazy rozproszonej. Ekstrakt i rafinat odbierane są z przeciwle­ głych krańców kolumny. W kolumnach natryskowych (rys. 20.8a) krople cieczy rozproszonej prze­ pływają swobodnie przez ciecz w postaci zwartej. Przepływ fazy rozproszonej w zależności od jej gęstości może następować od góry bądź od dołu kolumny. Środkowa część kolumny stanowi przestrzeń ekstrakcyjną, górna i dolna nato­ miast — przestrzenie odstawania. Kolumny natryskowe o stosunkowo dużej wydajności, w porównaniu z innymi kolumnami, mają mniejszą efektywność ekstrakcji. W kolumnach ekstrakcyjnych z wypełnieniem (rys. 20.8b) są stosowane tego samego rodzaju wypełnienia jak w kolumnach absorpcyjnych. Wypełnie­ nie dobiera się tak, aby było ono lepiej zwilżalne przez ciecz, stanowiącą fazę zwartą. Faza zwarta spływa wówczas po wypełnieniu, gdy natomiast krople, jako faza rozproszona, przepływając toczą się po jej powierzchni. Kolumny z wypełnieniem mają mniejszą wydajność od natryskowych, lecz efektywność ekstrakcji jest większa, dzięki wyeliminowaniu mieszania wstecznego, większej powierzchni kontaktu faz i szybkości jej odnawiania. W kolumnach z półkami perforowanymi (rys. 20.8c) rozproszenie fazy zachodzi w otworach półki, z jednoczesnym łączeniem się kropelek na następ­ nej półce, co wpływa korzystnie na odnawianie powierzchni wymiany masy. Kolumny te są wyposażone również w przelewy fazy zwartej z półki na półkę. Stosowane są także kolumny ekstrakcyjne z przegrodami poziomymi, które nadają płynącej cieczy odpowiedni kierunek i zapobiegają jej mieszaniu wste­ cznemu. Przegrody te mogą mieć różny kształt. Faza rozproszona płynie tu w postaci warstewki po powierzchni przegród i jest w kontakcie z fazą zwartą. W przestrzeni pomiędzy przegrodami faza rozpraszana przepływa w postaci kropel. Schematy często stosowanych kolumn ekstrakcyjnych z mieszadłami i przegrodami przedstawia rys. 20.9. Mieszadła mogą być również umieszczo­ ne pomiędzy strefami odstawania, które mogą stanowić warstwy różnego ro­ dzaju wypełnień. W wyniku mieszania uzyskuje się wzrost burzliwości w fazie zwartej i rozdrabnianie kropel fazy rozproszonej, co powoduje wzrost szybkoś­ ci ekstrakcji. Stosowane są mieszadła mechaniczne tarczowe i turbinowe. Pręd­ kość obrotów mieszadeł (rys. 20.9a,b,c) musi być tak dobrana, by krople fazy rozproszonej mogły przepływać pod wpływem różnicy gęstości. Ciecz w ko­ lumnie ekstrakcyjnej może być również mieszana pulsacyjnie (rys. 20.9d). Mie­ szanie tego rodzaju powoduje powstawanie wirów w fazie zwartej, zwiększenie powierzchni kontaktu faz i czasu przebywania kropel w fazie zwartej.

a)

c)

b)

d)

H o

-a

o

-a

Rys. 20.9. Kolumny ekstrakcyjne z mieszadłami mechanicznymi: a,b,c) mieszadła obrotowe, d) mieszadło pulsacyjne

7 -

2 - póf/a 3 - wibrator

perforowane mi modro dowy

n a

cc

Rys. 20.10. Kolumna ekstrakcyjna z półkami ruchomymi: 1 — wał napędowy, 2 — półki per­ forowane, 3 — wibrator mimośrodowy

Schemat kolumny ekstrakcyjnej z ruchomymi półkami sitowymi przedsta­ wia rys. 20.10. W kolumnie z pulsacją hydrauliczną słupa cieczy (rys. 20.11) ciecz lżejsza, stanowiąca fazę rozproszoną, dopływa od dołu kolumny. Kontakt faz następuje w środkowej części kolumny, zwiększony w wyniku ruchu po­ suwisto-zwrotnego tłoka (nurnika, membrany) z częstotliwością pulsacji 1-10 na sekundę i amplitudą 2-8 mm. Produkty ekstrakcji są odbierane z komór

odstawania górnej i dolnej. Kolumny półkowe, kolumny z mieszadłami i pulsa­ cyjne są bardziej efektywne niż pozostałe.

Rys. 20.11. Kolumna ekstrakcyjna z pulsacją słupa cieczy: 1 — półki perforowane, 2 — pulsator, 3 — komora odstawania

20.3.3. EKSTRAKTORY WIRÓWKOWE Ekstraktory wirówkowe są konstrukcjami specjalnymi, stosowanymi do eks­ trakcji cieczy łatwo emulgujących się, o małej objętości 30 dm /h-100 m /h, gdy są to substancje cenne i proces musi przebiegać szybko. W ekstraktorze wirówkowym Podbielniaka (rys. 20.12) ciecz jest rozprowadzana po ścianie powierzchni spiralnej, umieszczonej wewnątrz wirującego bębna wirówki z prędkością 2000-5000 obr/min. Ciecz o większej gęstości przepływa od osi do obwodu bębna, o mniejszej gęstości natomiast jest doprowadzona pod ciś­ nieniem do obwodu i płynie do osi obrotu bębna, skąd odpływa. W przestrzeni spiralnej, na skutek bezpośredniego kantaktu faz, podczas przepływu przeciwprądowego następuje intensywna wymiana masy między fazami. Wirówki te charakteryzują się możliwością zmiany stosunku strumienia surówki i rozpusz­ czalnika w szerokich granicach, przy dużej powierzchni kontaktu międzyfazowego i krótkim czasie kontaktu. W innych rozwiązaniach (rys. 20.13) we­ wnątrz bębna wirówki do pionowego wału są przymocowane cylindryczne współosiowe przegrody z blachy perforowanej, z tzw. skrzydełkami, tworzący3

3

mi szereg spiralnych kanałów. Surówka i rozpuszczalnik są podawane od dołu, z tym, że faza lekka wpływa do kanałów od obwodu zewnętrznego i płynie do osi, faza ciężka natomiast przeciwprądowo, w kierunku przeciwnym. Parametry pracy i zastosowanie są analogiczne jak w wirówce Podbielniaka.

{77/ \ / 7 / / / /

/ /

/

Rys. 20.12. Ekstraktor wirówkowy z powierzchnią spiralną Podbielniaka: 1 — wał pusty, 2 blachy zwinięte spiralnie, 3 - wirnik, 4 - osłona, 5,6 — dopływ i odpływ cieczy cięższej, 7,8 — dopływ i odpływ cieczy lżejszej

20.4. D O B Ó R A P A R A T U R Y EKSTRAKCYJNEJ Dobór aparatury procesowej do ekstrakcji jest oparty na szybkości ekstrakcji (ługowania). W trakcie ługowania rozpuszczalnik dyfunduje przez porowatą strukturę ciała stałego do jego wnętrza. W celu zapewnienia odpowiedniej szybkości tego procesu niezbędne jest właściwe rozdrobnienie materiału i mie­ szanie. Rozpuszczalnik powinien być tu selektywny, o małej lotności. Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz, pod względem intensywności przenika­ nia masy, przebiega najefektywniej w ekstraktorach z mieszaniem mechanicz­ nym, z dużą wydajnością procesu w kolumnach z mieszadłami turbinowymi. Ograniczenie w stosowaniu tego rodzaju aparatów stanowią względy konstruk­ cyjne i materiałowe. Nie mają tej wady ekstraktory pulsacyjne sitowe i z wy­ pełnieniem, lecz trudności i ograniczenia sprawia wprowadzenie w wibracje dużych mas cieczy. Ekstraktory wirówkowe są odpowiednie do ekstrakcji układu ciecz-ciecz 0 małej różnicy gęstości, w którym składniki ulegają łatwo zemulgowaniu 1 rozkładowi i konieczny jest krótki czas ekstrakcji. Zarówno koszt inwestycyj­ ny, jak i eksploatacyjny tych aparatów jest jednak wysoki.

LITERATURA [ 1 ] Handbook ofSeparation Techniąues for Chemical Engineers, Ed. P.A. Schweitzer, McGraw-Hill Book Comp., New York 1979. [2] AKSIELRUD G.A., ŁYSIANKSI W.M., Ekstrakcja w układzie ciało stałe-ciecz, tłum. z ros., WNT, Warszawa 1978. [3] ZIÓŁKOWSKI Z., Ekstrakcja cieczy w przemyśle chemicznym, wyd. 2, WNT, Warszawa 1979. [4] Science and practice of liąuid—liąuid extraction, Vol 1 & 2, Ed., J.D. Thornton, Clarendon Press, Oxford 1992.

21. SUSZARKI 21.1. W P R O W A D Z E N I E Proces suszenia — usuwania wilgoci lub innej substancji lotnej z ciał sta­ łych, szlamów i zawiesin jest etapem przejściowym lub końcowym wielu tech­ nologii przemysłowych, w tym również wytwarzania wyrobów gotowych. Su­ szenie ma m.in. na celu: 1. Wytworzenie produktu lub półproduktu o odpowiednich właściwościach użytkowych 2. Zwiększenie trwałości materiałów. 3. Zmniejszenie kosztów transportu materiałów. Materiał w kontakcie z powietrzem o określonej temperaturze i wilgotnoś­ ci traci lub zyskuje wilgoć, aż osiągnie stan równowagi nasycenia wilgocią. W zależności od wymienionych parametrów oraz rodzaju materiału stan równo­ wagi zmienia się w szerokich granicach. W materiałach nieporowatych wilgot­ ność równowagowa jest równa zeru. Wilgoć w materiale znajdować się może w postaci swobodnej na powierzchni, w stanie równowagi lub może być zwią­ zana w kapilarach, w wyniku adsorpcji lub stanowić roztwór na ścianie. W celu przewidywania suszenia konieczna jest znajomość układu powie­ trze—woda i wszystkich z tym układem związanych wielkości procesowych. Szybkość suszenia zależy od rodzaju materiału i jego struktury. W pierwszym etapie usuwana jest wilgoć swobodna z powierzchni materiału i proces odbywa się ze stałą szybkością: jest to I okres suszenia. W II okresie suszenia wilgoć jest usuwana z wnętrza materiału i szybkość suszenia stale spada. Duża różnorodność właściwości fizycznych i chemicznych suszonych mate­ riałów powoduje, że istnieje wiele sposobów prowadzenia procesu suszenia i rozwiązań konstrukcyjnych aparatów do suszenia — suszarek. W klasyfikacji suszarek, opartej na metodzie pracy i sposobie dostarczania ciepła, wyróżnia się następujące suszarki: 1. Okresowe lub ciągłe. ' 2. Z ogrzewaniem: a) bezpośrednim — suszarki konwekcyjne, b) pośrednim — suszarki przeponowe. 3. Radiacyjne. 4. Mikrofalowe i dielektryczne. 5. Specjalne.

Suszenie może być prowadzone pod ciśnieniem zwiększonym, atmosferycz­ nym lub pod próżnią. O okresowości lub ciągłości suszenia decyduje strumień masy suszonego materiału. Suszenie okresowe prowadzi się zazwyczaj wtedy, gdy masa suszo­ nego materiału jest mniejsza niż 100 kg/dzień. Proces ciągły zapewnia bardziej równomierne suszenie i w zależności od kierunku wzajemnego ruchu czynnika suszącego i suszonego materiału (surowca) wyróżnia się suszarki współprądowe, przeciwprądowe i o przepływie skrzyżowanym. Jako czynniki grzejne są stosowane: powietrze, gazy spalinowe, para wod­ na, niewodne nośniki ciepła, prąd elektryczny, promieniowanie podczerwone i ultrakrótkie, prądy o wysokiej częstotliwości. Ogrzewanie bezpośrednie materiału suszonego ma wiele zalet, lecz spraw­ ność cieplna procesu jest bardzo mała w wyniku unoszenia dużego strumienia ciepła z gazami odlotowymi. Nie ma tej wady ogrzewanie przeponowe, lecz komplikuje konstrukcję suszarki. Ocena techniczno—procesowa suszarek jest dokonywana na podstawie czasu suszenia, szybkości właściwej suszenia wyrażanej w kilogramach odparowanej wilgoci na jednostkę powierzchni grzejnej w jednostce czasu [kg/(m -h], wy­ dajności suszenia odniesionej do strumienia masy surowca lub produktu, zuży­ cia mocy, sprawności energetycznej i innych. 2

21.2. SUSZARKI K O N W E K C Y J N E Suszarki konwekcyjne obejmują dużą grupę aparatów szeroko stosowanych w wielu gałęziach przemysłu przetwórczego. W grupie suszarek konwekcyjnych wyróżnia się następujące suszarki z war­ stwą suszonego materiału: — nieruchomą — komorowe, tunelowe, taśmowe, — ruchomą — talerzowe, bębnowe oraz suszarki z fazą rozproszoną ciekłą lub stałą suszonego materiału — rozpyłowe, fluidalne, pneumatyczne, kombinowane. W suszarkach konwekcyjnych jako czynnik suszący jest stosowany gaz. By zmniejszyć zużycie ciepła w procesie suszenia i jednocześnie złagodzić warun­ ki suszenia na wlocie do suszarki, stosuje się recyrkulację części gazu odloto­ wego. Suszenie z obiegiem zamkniętym czynnika suszącego, dotyczy zwykle gazów, tzw. obojętnych, drogich i związane jest ze skraplaniem wilgoci w kon­ densatorze i ponownym ogrzewaniem gazu. 21.2.1. SUSZARKI KOMOROWE Suszarki komorowe są jednymi z najprostszych i najczęściej stosowanych suszarek okresowych. Zasadniczą część suszarki (rys. 21.1) stanowi prostokąt­ na komora, w której suszony materiał jest ułożony na tacach (półkach), wbudo-

wanych na stałe lub wprowadzanych do komory na okres suszenia na konstruk­ cji jezdnej. Przepływ powietrza przez komorę wymusza wentylator osiowy. Po podgrzaniu w nagrzewnicy, powietrze systemem klap regulacyjnych jest kiero­ wane między półki nad warstwy suszonego materiału. Część powietrza odloto­ wego, wilgotnego jest recyrkulowana z powrotem do komory, gdzie po zmie­ szaniu ze świeżym strumieniem przepływa do podgrzewacza. Istnieją również konstrukcje z wielokrotnym podgrzewaniem powietrza w obrębie komory po­ dzielonej na kilka szeregowych sekcji. Suszarki komorowe są stosowane do okresowego suszenia materiałów o szerokim zakresie początkowej zawartości wilgoci. Powietrze odlotowe

wilgotne

Rys. 21.1. Suszarka komorowa: 1 - półki, 2 — nagrzewnica, 3 - klapy regulacyjne

21.2.2. SUSZARKI TUNELOWE W suszarkach tunelowych szereg półek lub wózków z suszonym materia­ łem przesuwa się w długim tunelu. Suszenie zachodzi w wyniku przepływu przez tunel gorącego powietrza w kierunku współ- lub przeciwprądowym

Rys. 21.2. Suszarka tunelowa: 1 - tunel, 2 - wózki z materiałem suszonym, 3 - nagrzewnica, 4 — drzwi załadunkowo-wyładunkowe

(rys. 21.2). Przesuwanie półek lub wózków odbywa się mechanicznie. Pręd­ kość przepływu gazu wynosi ok. 2 m/s. Długość tuneli dochodzi do 60 m, sze-

rokość do 6 m. Suszarki są stosowane do suszenia parafiny, żelatyny, mydeł, ceramiki sanitarnej (dużych elementów). 21.2.3. SUSZARKI TAŚMOWE Suszarki taśmowe stanowią rozwiązanie podobne do suszarek tunelowych, lecz surowiec spoczywa na taśmie przenośnika; przenośników może być więcej niż jeden, w ustawieniu nadsobnym (rys. 21.3). Całość znajduje się w komorze, Surowiec

Produkt

Rys. 21.3. Suszarka taśmowa: 1 - podajnik, 2 — komora suszarki, 3 - taśma, 4 - nagrzewnica

do której gorące powietrze podawane jest od dołu. Surowiec jest podawany od góry na taśmę, również w postaci siatek metalowych. Gaz suszący przepływa nad lub przez warstwę materiału, gdy taśmy są siatkowe, co jest korzystniejsze dla procesu suszenia. W suszarkach wielotaśmowych (rys. 21.3) przesypywanie się produktu z taśmy na taśmę wpływa korzystnie na szybkość i równomier­ ność suszenia. Suszarki są stosowane do suszenia materiałów ziarnistych kry­ stalicznych. Prędkość przepływu powietrza dochodzi do 3 m/s; przesuw taśmy 0,2-0,5 m/s; długość pojedynczych przenośników do 16 m. 21.2.4. SUSZARKI TALERZOWE Suszarka talerzowa półkowa (rys. 21.4) zawiera pionowy obrotowy wał z segmentem talerzy (półek), na których spoczywa warstwa surowca o grubości 20-40 mm, podawana od góry. Suszony materiał jest zgarniany przez stacjo­ narne ramieniowe zgarniaki, umieszczone wzdłuż promienia półki, kolejno z półki na półkę, aż do wyładowania na dole suszarki. Gaz suszący jest poda­ wany od dołu i skierowany wzdłuż półek przez wentylatory promieniowe. Od­ pływ gazu wilgotnego następuje górą suszarki. Ogrzewanie półek odbywa się przez rzędy rur parowych, przez które jest zasysane powietrze wentylatorami. Suszarki są stosowane do suszenia materiałów kohezyjnych. Powierzchnia półek w pojedynczej suszarce wynosi 0,7-200 m . Suszarki mogą pracować 2

w układzie zamkniętym — cyrkulacyjnym, gdy istnieje konieczność oczysz­ czania gazów odlotowych z zanieczyszczeń aerozolwych i gazowych. Półki dolne są często stosowane do chłodzenia produktu. Szybkość suszenia wynosi 0,7-5 kg/(m *h). Prędkości przepływu gazu 0,6-2,5 m/s. 2

Powietrze odlotowe

Rys. 21.4. Suszarka talerzowo-półkowa: 1 — talerze — półki, 2 — nagrzewnica parowa, 3 — wentylatory, 4 — napęd talerzy i wentylatorów

21.2.5. SUSZARKI BĘBNOWE — ROTACYJNE Zasadniczy element suszarek bębnowych stanowi cylindryczny bęben na­ chylony pod małym kątem, rzędu 2° do poziomu (rys. 21.5), wprawiany w po­ wolny ruch obrotowy za pomocą odpowiedniej przekładni zębatej. Surowiec jest podawany do górnego końca bębna. Ruch materiału jest wywołany rotacją bębna, kierunek — jego pochyleniem. Materiał jest systematycznie przesypy­ wany i opada w strumieniu gorącego powietrza lub spalin przepływających we współ- lub przeciwprądzie. Suszarki bębnowe stanowią liczną grupę, różniącą się elementami zabudowy wnętrza bębna, z zadaniem zapewnienia jak najlep­ szych warunków procesowych do suszenia. Istotnym parametrem jest średni czas przebywania materiału w suszarce. Jeżeli jest on zbyt krótki, to materiał nie będzie odpowiednio wysuszony. Jeśli zbyt długi, to będzie przesuszony, co stanowi stratę energii i wydajności. Czas ten jest proporcjonalny do kwadratu

prędkości gazu i współczynnika oporu ruchu materiału w bębnie, odwrotnie proporcjonalny natomiast do kąta nachylenia bębna. Kierunek przepływu okre­ ślają właściwości surowca; surowiec bardzo wilgotny jest suszony we współprądzie, hygroskopijny — w przeciwprądzie. Przeciwprąd zapewnia większą sprawność cieplną niż współprąd podczas suszenia w niskiej i średniej tem­ peraturze. Temperatura suszenia nie przekracza poziomu 1250-1700 K, co wy­ nika z natury surowca i stabilności mechanicznej bębna. Prędkość gazu wzdłuż Powietrze

wilgotne

Rys. 21.5. Suszarka bębnowa: 1 - bęben, 2 - pierścienie toczne, 3 - przekładnia zębata, 4 wsyp surowca, 5 - separator produktu, 6 - piec, 7 - cyklon; a,b,c) przegrody przesypujące suszarek bębnowych

długości bębna zmienia się w rezultacie zmian temperatury i wilgotności i za­ wiera się w zakresie 0,5-5 m/s, lecz wartości typowe wynoszą dla współprądu 1,5-3 m/s i 1-2 m/s dla przeciwprądu. Prędkość gazu oprócz czasu przebywa­ nia wpływa również na współczynnik przenikania ciepła i masy oraz na pory­ wanie cząstek. Średnica bębnów suszarek wynosi 1-4 m, długość 4 - 6 średnic bębna. Wydajność suszenia zależy od powierzchni kontaktu cząstek z suszą­ cym gazem i szybkości jego odnawiania. W celu zwiększenia tych parametrów wewnątrz bębnów umieszcza się różnego rodzaju przegrody — półki lub mie­ szadła (rys. 2L5a,b,c). 21.2.6. SUSZARKI ROZPYŁOWE Suszenie rozpyłowe w suszarkach rozpyłowych, zwanych też rozpryskowymi [2] (nazwa ta nie odpowiada właściwemu charakterowi rozproszenia cząstek

suszonych substancji), przebiega w trzech etapach: rozpylenie surowca ciekłe­ go, jego kontakt z gorącym gazem i odparowanie wilgoci (rozpuszczalnika) [3]. Suchą pozostałość stanowią cząstki ciała stałego o zbliżonych rozmiarach i kształcie. Produkt, suchy proszek, jest wydzielany z gazu w suszarce lub w odpylaczu zewnętrznym. Odpylone gazy odlotowe są zawracane do obiegu lub usuwane do atmosfery. Szybkość suszenia jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatury produktu na wlocie i wylocie z suszarki i strumienia masy materiału. Temperatura odlotowa jest ustalana na podstawie wilgotności pro­ duktu końcowego, początkowa natomiast jest ograniczona odpornością termicz­ ną produktu. Dla danej szybkości odparowania wymagany strumień gazu może być określony z różnicy temperatury. Czas przebywania surowca w suszarce określa się z doświadczeń dla danego rozmiaru cząstek i charakterystyki proce­ su suszenia materiału. Zasadniczym dla suszenia rozpyłowego jest rozpylenie surowca ciekłego na krople i dobre ich wymieszanie z gazem suszącym. Sto­ sowane urządzenia rozpylające to: rozpylacze wirowe dyskowe (talerzowe), dysze hydrauliczne i pneumatyczne, rozpylacze ultradźwiękowe.

Rys. 21.6. Rozpylacze wirowe: a) rozpylacz wirowy, niskoobrotowy; 1 — dysk (talerz) rozpylają­ cy, 2 — wał napędowy, 3 — korpus, 4 — obudowa, 5 — sprzęgło, 6 - silnik napędowy; b) dysk rozpylający z prostymi 'łopatkami, c) dysk z łopatkami profilowanymi, d) dysk z dyszami roz­ pylającymi; 1 - dysze (wymienne)

Rozpylacze wirowe (rys. 21.6) o średnicy dysków 5-50 cm i obrotach 5-25 tys. obr/min zapewniają rozpył o zakresie średnic kropel 10-250 pm. Strumień rozpylanej cieczy może się zmieniać od litrów na godzinę w suszar­ kach laboratoryjnych do przeszło 200 tys. kg/h w przemysłowych. Rozmiar kropel jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalny do prędkości obrotowej

dysku. Strumień masy i stężenie cząstek, lepkość i napięcie powierzchniowe wpływają również na rozmiar kropel. W dyszach hydraulicznych (rozdz. 13) ciecz dopływająca pod odpowiednio wysokim ciśnieniem podczas wypływu przez'otwór o średnicy rzędu milime­ trów ulega rozbiciu i rozproszeniu na drobne krople. Im wyższe ciśnienie cie­ czy, tym średnica kropel jest mniejsza. Przepływ przez pojedynczą dyszę jest ograniczony do ok. 750 kg/h. Jeśli strumienie są duże, to są stosowane dysze zespolone zawierające do 40 dysz równoległych. Do suszenia materiałów ero­ zyjnych końcówki dysz wykonuje się ze specjalnych kompozytów ceramicz­ nych, często węgliku krzemu. Dysze hydrauliczne nie nadają się do rozpylania zawiesin ze względu na blokowanie otworów. Najmniejsze średnice kropel wynoszą kilkadziesiąt mikrometrów i wysuszone cząstki mają znaczne roz­ miary. Ciecz

Rys. 21.7. Dysza rozpylająca pneumatyczna: 1 - korpus, 2 — kanał styczny wlotu powietrza, 3 — kanał wlotu cieczy, 4 - strefa mieszania strumieni i rozpyłu

W suszarkach o małej wydajności są stosowane dysze pneumatyczne. Roz­ pylanie pneumatyczne zachodzi w wyniku oddziaływania sprężonego powietrza o ciśnieniu do kilku megapaskali (rys. 21.7). Rozmiar cząstek jest kontrolowa­ ny stosunkiem strumieni powietrza do rozpylanej cieczy. Najmniejsze osiągane średnice kropel są rzędu mikrometrów.

Rozpylacze ultradźwiękowe wytwarzają krople o małej średnicy w trakcie przepływu cieczy przez drgającą powierzchnię z ultradźwiękową częstością. Są one stosowane do rozpylania małych strumieni cieczy. Urządzenie rozpylające w suszarce nadaje kierunek rozpylonej chmurze kropel, która musi być wymieszana z gorącym, suszącym gazem, w krótkim czasie, by odparowanie, nie wpływając na ruch kropel w suszarni, zapewniło dostateczne wysuszenie i by cząstki nie weszły w kontakt ze ścianką aparatu. W tym celu wlot gazu musi być odpowiednio projektowany, zwykle w postaci kanału — spirali Archimedesa. Rozpylacze wirowe są instalowane w pokrywie górnej suszarki. Gorące gazy wpływając spiralnym kanałem wokół rozpylacza zapewniają współprądowo — wirowy wypływ kropel i gazu do komory su­ szarki. Urządzenie rozpylające i rozprowadzające gaz oraz wymiary komory suszarki muszą być odpowiednio wzajemnie skonfigurowane, w celu całkowite­ go wysuszenia kropel, bez blokowania ścianek aparatu. Możliwości prowadze­ nia suszenia rozpyłowego w różnych konfiguracjach przedstawia rys. 21.8. a)

Pow

b)

c)

d)

e)

Rys. 21.8. Suszarki rozpyłowe: a,b) wspólprądowe; c,d) przeciwprądowe; e) z przepływem mie­ szanym; S — surowiec, Pow — powietrze wlotowe, Po — powietrze odlotowe, P — produkt

Jeśli pożądany jest produkt o dużych cząstkach, to rozpylanie surowca cie­ kłego prowadzi się dyszami ciśnieniowymi, zapewniającymi rozpył w konfi­ guracji fontannowej (rys. 21.8d). Chmura kropel porusza się do góry, następnie opada w dół, przeciwprądowo do gazu suszącego ruchem zwanym rewersyjnym. Wysuszone cząstki opadają na stożkowe dno suszarki. Dysze mogą być również umieszczane na szczycie suszarki (rys. 21.8a,c). Strumień rozpyłu kro­ pel jest współprądowy lub przeciwprądowy z gazem. Do dostatecznego wysu­ szenia są niekiedy wymagane wieże o wysokości dochodzącej do 20 m. Tego rodzaju suszarki są stosowane do suszenia barwników, pestycydów i innych wrażliwych na ciepło produktów, których cząstki o znacznej średnicy muszą być sypkie. Do suszenia cząstek dużych rozmiarów, o stabilnej temperaturze są stoso­ wane suszarki z przepływem mieszanym (rys. 21.8e).

Wysuszone cząstki o dużych rozmiarach gromadzą się na dnie, małe nato­ miast są unoszone z gazami odlotowymi i wydzielane w cyklonach lub filtrach tkaninowych. Niekiedy są stosowane kombinacje cyklonu ze skruberem. Ciepło gazów odlotowych jest odzyskiwane częściowo przez jego recyrkulację lub w wymiennikach ciepła. Gazy suszące otrzymuje się przez bezpośrednie spalanie gazu ziemnego, co jest najbardziej efektywne, bądź spalanie oleju lub propanu. Podczas podgrze­ wania przeponowego gazów (powietrza) są stosowane wymienniki ciepła płasz­ czowo-rurowe, również z rurami ożebrowanymi, ogrzewane parą wodną lub innymi ciekłymi nośnikami ciepła. Ogrzewanie elektryczne gazów jest stoso­ wane w suszarkach o małej wydajności. Powietrze suszące w zależności od rodzaju produktu musi być oczyszczane z cząstek aerozolowych i innych zanieczyszczeń w różnym stopniu. Przepływ gazu suszącego przez suszarkę zapewniają wentylatory promieniowe lub dmu­ chawy. Kontrola przebiegu suszenia wymaga rejestracji spadku ciśnienia gazu, temperatury, poziomu obrotów i ciśnienia smarowania w rozpylaczach wirni­ kowych. 21.2.7. SUSZARKI FLUIDALNE W stanie fluidalnym czas przebywania cząstek jest znaczny i uzyskuje się wysokie współczynniki przenikania ciepła pomiędzy gazem a cząstkami; łatwo Powietrze

wilgotne

Rys. 21.9. Suszarka fluidalna: 1 - korpus aparatu, 2 — półka sitowa (ruszt), 3 — zasobnik su­ rowca, 4 — podajnik ślimakowy, 5 — piec, 6 — cyklon

można kontrolować temperaturę. Temperatura gazów odlotowych może być bardzo zbliżona do temperatury punktu rosy, zapewniając wysoką sprawność

wykorzystania ciepła. Do dobrej fluidyzacji jest wymagany zakres rozmiarów cząstek od dziesiątych części milimetra do ok. 50 pm, przy niezbyt szerokim zakresie rozmiarów. Suszenie prowadzi się w złożu fluidalnym wytworzonym w aparacie cylin­ drycznym lub prostopadłościennym (rys. 21.9). Złoże może być płytkie lub wysokie, co określa mechanizm suszenia. Suszenie może zachodzić w układzie zbliżonym do mieszania idealnego lub z przepływem tłokowym, z wibracją lub mieszaniem mechanicznym złoża. Złoże stanowić może ładunek klasyczny, burzliwo-szybki (cyrkulacyjny) lub fontannowy. W suszarkach fluidalnych są suszone wilgotne materiały sypkie, zawiesiny, szlamy i pasty, również w obec­ ności cząstek inertnych. Przekazywanie ciepła do złoża odbywa się za pośrednictwem gazu fluidyzującego lub powierzchni grzejnych umieszczonych w złożu, w postaci wężownicy lub płaskich płyt ogrzewanych wodą, parą wodną lub innym nośnikiem ciepła. W suszarkach ze złożem wibracyjnym (rys. 21.10) na skutek wibracji apa­ ratu i półki rozdzielającej, która podczas wibracji opada szybciej niż cząstki, prędkość krytyczna fluidyzacji maleje. Powietrze

wilgotne

3

Rys. 21.10. Suszarka ze złożem fluidalnym wibracyjnym: 1 — komora suszarki, 2 — płaskow­ niki sprężyste, 3 — podkładki (amortyzatory) sprężyste, 4 — wibrator mechaniczny

W suszarkach fluidalnych z mieszaniem mechanicznym (rys. 21.11) suro­ wiec pobierany z zasobnika jest podawany do złoża, w którym znajduje się mieszadło łapowe umieszczone przy dnie aparatu. Gaz suszący jest wprowa­ dzany stycznie do dolnej części aparatu o powiększonej średnicy i wytwarza wirujące złoże fluidalne. Zadaniem mieszadła jest rozpraszanie aglomeratów i mieszanie gazu i jednocześnie polepszenie jakości fluidyzacji i suszenia. Wy­ suszony produkt, unoszony na zewnątrz, jest wydzielany w cyklonie lub filtrze tkaninowym. Suszarka jest stosowana do suszenia materiałów lepkich i kohe­ zyjnych od wilgotności początkowej 35-92% do końcowej 0,5-10%; m.in. barwników, skrobi, węgla aktywnego i innych.

Dobór i projektowanie suszenia fluidalnego wymaga znajomości charaktery­ styki fizykochemicznej surowca i produktu; również zdolności do fluidyzacji i J J prędkości krytycznej. Jeśli różnica temperatury gazu w suszarce jest mała i małe są rozmiary cząstek i ich gęstość, to unoszenie cząstek z gazami odloto­ wymi będzie znaczne. Kontrola suszenia obejmuje pomiar temperatury na wlo­ cie, wylocie suszarki i wewnątrz złoża. Długi czas przebywania suszonego ma­ teriału od minut do godziny zapewniają suszarki o przepływie krzyżowym. e

Powietrze

Rys. 21.11. Suszarka fluidalna z mieszaniem mechanicznym: 1 - komora suszarki, 2 — pod­ grzewacz powietrza, 3 - mieszadło, 4 - zasobnik surowca, 5 — podajnik ślimakowy, 6 - filtr tkaninowy, 7 — wentylator

Zaletą suszenia fluidalnego jest jednorodna temperatura złoża, wysokie współczynniki przenikania ciepła i możliwość suszenia materiałów wrażliwych na podwyższoną temperaturę. 21.2.8. SUSZARKI PNEUMATYCZNE Spośród suszarek, w których suszenie cząstek zachodzi w stanie rozproszo­ nym, suszarki pneumatyczne są najprostsze. Gorący gaz porywa i transportuje wilgotne cząstki w przewodzie, zwykle o przekroju kołowym i jednocześnie wzdłuż drogi transportu przebiega suszenie cząstek. Duże prędkości liniowe gazu powodują, że czas przebywania cząstek w suszarce jest krótki, rzędu 0,5-3,0 s. Temperatura gazu suszącego na wlocie musi być więc odpowiednio wysoka. Wysuszone cząstki unoszone z suszarki wydzielane są w odpylaczach suchych (rys. 21.12).

Surowiec podawany do klasycznych suszarek pneumatycznych nie powinien być zbyt mokry, w kawałkach i adhezyjny. Dla tego rodzaju materiałów są stosowane suszarki pneumatyczne z mieszaniem lub z rozdrabnianiem produk­ tu, młynem młotkowym umieszczonym w dolnej części suszarki (rys. 21.13). Suszone cząstki znajdują się w obiegu tak długo aż ulegną wysuszeniu. Powietrze + drobne

Rys. 21.12. Suszarka pneumatyczna: 1 — nagrzewnica, 2 podajnik, 3 — komora suszarki, 4 — separator produktu, 5 — odpylacz — filtr tkaninowy

cząstki

Rys. 21.13. Suszarka pneumatyczna z rozdrabnianiem: 1 - komora suszarki, 2 — wykładzina młyna, 3 — młotki, 4 — klasyfikator unoszonych ziaren

Podczas doboru i projektowania suszenia pneumatycznego określa się śred­ nicę suszarki, prędkość liniową gazu i jego temperaturę. Wszystkie te para­ metry są zależne od strumienia surowca poprzez bilans cieplny, temperaturę gazu i możliwie dużą prędkość gazu na wlocie (często w postaci gardzieli Venturiego). 21.2.9. UKŁADY KOMBINOWANE Układ suszarka rozpyłowa z fluidalną (rys. 21.14) daje możliwość otrzy­ mania z surowca (roztworu) produktu granulowanego nie pylącego, sypkiego, łatwo dyspergującego w wodzie. Produkt jest częściowo suszony w suszarce

rozpyłowej, następnie dozowany do suszarki fluidalnej. Gaz suszący dopływa do obu suszarek jednocześnie. Typowa średnica cząstek produktu wynosi tu 100-500 pm.

Powietrze Surowiec

Produkt

Rys. 21.14. Suszarka rozpyłowo-fluidalna: 1 - komora suszarki rozpyłowej, 2 - urządzenie rozpylające, 3 — część fluidalna, 4 — zbiornik surowca, 5 — pompa dozująca, 6 — odpylacz, 7 — recyrkulacja cząstek drobnych

Specjalnej uwagi wymaga suszenie, podczas którego produkty w postaci proszków są palne i wybuchowe. Są nimi substancje organiczne, wiele nieorga­ nicznych, sproszkowane czyste metale. Obecność powietrza, podwyższona tem­ peratura i drobno sproszkowany produkt stwarzają dobre warunki do spalania. Wiele niebezpieczeństw stwarza również suszenie surowców z roztworów niewodnych: palnych, wybuchowych, toksycznych. W tym wypadku suszenie pro­ wadzi się w środowisku inertnym, zwykle azotu, w układzie zamkniętym, pod niewielkim nadciśnieniem, zapobiegającym penetracji tlenu.

21.3. SUSZARKI PRZEPONOWE W suszarkach przeponowych, zwanych też kontaktowymi, ciepło do susze­ nia materiału jest dostarczane przez przewodnictwo przez ściankę (przeponę) i jest zużywane na odparowanie wilgoci, która jest usuwana z suszarki pompą próżniową lub przez gaz nośny. Suszarki mogą pracować w sposób okresowy lub ciągły. Wyróżnia się następujące suszarki: komorowe (półkowe) próżnio­ we, walcowe — kontaktowe, cylindryczne i stożkowe, z mieszadłami i bez mieszadła, kontaktowo-wibracyjne i inne. Suszarki półkowe-próżniowe (rys. 21.15) posiadają półki podgrzewane, na których spoczywa suszony materiał. Opary odciągane pompą próżniową są filtrowane i kondensowane. Podczas suszenia w atmosferze gazu inertnego, gdy opary są palne lub materiał jest wrażliwy na utlenianie, gaz po oczyszczeniu i kondensacji oparów jest podgrzewany i recyrkulowany.

Gazy o dl o to we

Kondensat

Rys. 21.15. Suszarka półkowa próżniowa: 1 — komora suszarki, 2 - półki, 3 - przewody pa­ rowe, 4 — pokrywa

Suszarki półkowe ciągłe (rys. 21.16) posiadają szereg półek usytuowanych jedna nad drugą, stanowiących cylindryczne płaskie płyty ogrzewane parą lub Surowiec

Para Produkt

Para odlotowa

Rys. 21.16. Suszarka półkowa o pracy ciągłej: 1 — komora suszarki, 2 4 — przewody parowe

półki, 3 — grabie,

innym płynem od wewnątrz. Suszony materiał jest podawany od góry i roz­ praszany na warstwę 10-30 mm grubości na pierwszej stacjonarnej półce. Ma­ teriał z półki na półkę jest przenoszony drogą spiralną do obwodu na półkach

parzystych i od zewnątrz do środka na nieparzystych, przez grabie przymoco­ wane do ruchomego wału. Suszenie może być prowadzone pod ciśnieniem atmosferycznym lub w próżni.

Rys. 21.17. Suszarki walcowe z odbiorem produktu: a) wspólnym, b) odzielnym; 1 — walce ogrzewane, 2 — zgarniaki, 3 — rolki dociskowe, 4 — przenośnik ślimakowy

W suszarkach walcowych (rys. 21.17) suszony materiał jest podawany w postaci natrysku lub cienkiej warstewki na powierzchnię obracającego się walca. Walec jest ogrzewany od wewnątrz parą wodną. Suszony materiał przy­ wiera do powierzchni zewnętrznej walca, skąd jest zbierany za pomocą zgarniaka, po przeciwnej stronie walca i odprowadzany jako produkt przenośnikiem ślimakowym. Szybkość suszenia wynosi 10-60 kg/(m h), gdy zużycie pary grzejnej wynosi 1,2-1,6 kg/kg odparowanej wody. Suszarki są stosowane do suszenia cieczy, zawiesin, past, które nie ulegają degradacji podczas krótko­ trwałego kontaktu z wysoką temperaturą powierzchni bębna. 2,

Spośród suszarek z mieszadłami wyróżnia się następujące: — ze stacjonarnym źródłem ciepła, które stanowi płaszcz grzejny, — z mieszadłem, które przesuwa materiał wzdłuż ogrzewanej ściany, — z mieszadłem ogrzewanym od wewnątrz i powierzchnia mieszadła stano­ wi ruchomą powierzchnię grzejną. Ten rodzaj suszarek ma dużą sprawność energetyczną i minimalną emisję za­ nieczyszczeń z gazami odlotowymi. Są one stosowane do suszenia wielu pro­ duktów w przemyśle chemicznym, tworzyw sztucznych, spożywczym i innych. Suszarki cylindryczne z mieszadłami (rys. 21.18) posiadają płaszcz grzej­ ny i mieszadło o różnym kształcie elementów mieszających: łopatki nachylone, lemiesze, taśmy (wstęgi) itp. Do zwiększenia powierzchni przekazywania cie­ pła na wale mieszadła mogą być osadzone dyski lub segmenty dyskowe ogrze­ wane od wewnątrz, podobnie jak i mieszadło. Powierzchnia wymiany ciepła dostępna do suszenia dochodzi do ok. 150 m , objętość suszonego materiału do 50 m . Poziom wypełnienia suszarki wynosi 30-40% podczas pracy okresowej lub ciągłej. Suszarki mają szerokie zastosowanie do suszenia dowolnych mate­ riałów, które mogą być transportowane przez mieszadło. Problemy mogą spra­ wiać produkty adhezyjne do ścianek, powodujące konieczność instalowania 2

3

tzw. skrobaków. Do tej samej grupy zaliczyć można suszarki ugniatająco-mieszające mające na pustym wale, ogrzewanym od wewnątrz, szereg seg­ mentów dyskowych, z prętami mieszającymi i transportującymi materiał wzdłuż suszarki. Wysokie siły ścinające podczas mieszania, ugniatanie produk­ tu oraz zdolność samooczyszczania się umożliwiają sprawne suszenie i przeno­ szenie materiałów pastowatych i o dużej lepkości, a także tworzących twarde skorupy (powłoki). Pojemność ich dochodzi do 10 m , powierzchnia grzejna natomiast do 130 m . Szybkość suszenia wynosi 5-25 kg/(m -h). 3

2

a)

Surowiec

\

2

b)

Powietrze wilgotne

'

t

Surowiec

A

Powietrze wilgotne 1

Para-

~7

2/

\' \.'\

Para

/ Para

2/

^ Produkt

Produkt Rys. 21.18. Suszarki cylindryczne z mieszadłem: a) łapowym, b) ślimakowym; 1 - komora su­ szarki, 2 — płaszcz grzejny, 3 — wał mieszadła — pusty

Suszarki stożkowe (rys. 21.19) stanowią aparaty okresowe, których zasad­ niczą część stanowi stożkowy zbiornik z umieszczonym wewnątrz mieszadłem ślimakowym. Ciepło jest przekazywane bądź od płaszcza lub wężownicą, bądź przez ogrzewany od wewnątrz ślimak. Ślimak obraca się wokół własnej osi i wolniej wokół osi zbiornika. To zapewnia odpowiednie mieszanie i zapobiega oblepianiu ścian. Suszarka może pracować również pod próżnią. Suszarki są przydatne do suszenia materiałów sypkich o wysokiej wartości w przemyśle farmaceutycznym i innych. Pojemność suszarek wynosi 0,015-35 m , nato­ miast szybkość suszenia 5-30 kg/(m -h), czas suszenia 4-24 h. Suszarkę przeponową bez mieszadła (rys. 21.20) stanowi zbiornik cylin­ dryczny lub podwójny stożek z płaszczem grzejnym, obracający się z prędko­ ścią 3-12 obr/min. Ciepło jest przekazywane z płaszcza, opary zaś są odpro­ wadzane przez pustą oś wału oporowo-napędowego, przepływając dalej przez filtr odpylający. Suszarki tego rodzaju posiadają pojemność 0,1-35 m i pra­ cują gdy stopień wypełnienia materiałem wynosi 30-50%. Ich zaletę stanowi prostota konstrukcji i brak elementów obrotowych wewnątrz. Są stosowane do suszenia materiałów sypkich, gdy degradacja produktu musi być ograniczona do minimum. Suszarki te nie są zalecane do suszenia materiałów mających tenden­ cję do granulacji. Szybkość suszenia jest ograniczona do 2-15 kg/(m -h). Suszarki kontaktowe — wibracyjne (rys. 21.21) pracują na zasadzie przeka­ zywania ciepła do materiału suszonego, znajdującego się na drgającej rynnie metalowej o kształcie prostokątnym lub spiralnym. Czas przebywania materiału na powierzchni rynny jest krótki. Współczynniki przenikania ciepła wynoszą 3

2

3

2

2

50-500 \y/(m -K). Suszarki są odpowiednie do suszenia materiałów granu­ lowanych lub sproszkowanych, nie mających tendencji do aglomeracji. Wydaj­ ność produktu jest niewielka, do ok. 2 t/h.

Rys. 21.19. Suszarka stożkowa próżniowa: 1 — komora suszarki — zbiornik stożkowy, 2 — mieszadło ślimakowe, 3 — napęd mieszadła, 4 — podajnik produktu

Rys. 21.20. Suszarka bębnowa przeponowa: 1 — bęben cylindryczny lub podwójny stożek, 2 płaszcz grzejny, 3 — filtr oparów, 4 — napęd bębna, 5 — właz wyładowczy

Zalety suszarek kontaktowych są następujące: — możliwość zachowania czystości produktu, gdyż nie znajduje się on w kontakcie z czynnikiem suszącym i środowiskiem zewnętrznym, — produkty toksyczne i palne są oddzielone od środowiska zewnętrznego, — temperatura suszenia jest niska i nie ma potrzeby ogrzewania dużych strumieni gazów,

— obniżone ciśnienie umożliwia suszenie materiałów wrażliwych na działa­ nie podwyższonej temperatury, — niskie ciśnienie tlenu zmniejsza możliwość utleniania substancji, — opary zawierają małą ilość niekondensujących gazów, co umożliwia odzyskanie rozpuszczalników niewodnych. Wadą suszarek kontaktowych jest natomiast: — wysoki koszt inwestycyjny, — najczęściej okresowe prowadzenie procesu, — mała wydajność, ograniczona do kilku ton produktu na godzinę. Surowiec

Opary

Czynnik grzejny

Czynnik

Rys. 21.21. Suszarka kontaktowo-wibracyjna: 1 — komora suszarki, 2 wana, 3 — wibrator, 4 — podparcie sprężyste

grzejny

powierzchnia ogrze­

21.4. SUSZARKI PROMIENNIKOWE (RADIACYJNE) W suszeniu promiennikowym ciepło od gorącej powierzchni do suszonego materiału jest przenoszone za pomocą promieniowania podczerwonego. Pro­ mieniowanie podczerwone stanowi promieniowanie elektromagnetyczne o dłu­ gości fali 0,76-400 pm. Absorpcja promieniowania powoduje wzrost drgań cząsteczek i wywiązywanie się ciepła w warstwach powierzchniowych mate­ riału. Suszenie promiennikowe jest realizowane w suszarkach komorowych, tunelowych lub taśmowych. Promienniki podczerwieni w postaci lamp elektry­ cznych, grzejników elektrycznych oporowych lub płyt ceramicznych ogrzewa­ nych spalanym gazem, umieszczone blisko powierzchni materiału ogrzewają jego powierzchnię (rys. 21.22). Z nagrzanej powierzchni odparowuje wilgoć do przepływającego powietrza. Temperatura powierzchni jest tu znacznie wyższa od temperatury gazu. Ze względu na to, że absorpcja promieniowania jest najbardziej intensywna na powierzchni, metoda jest najbardziej odpowiednia do suszenia materiałów w cienkiej warstwie. W projektowaniu procesu istotny jest dobór temperatury źródła promieniowania, którą określa grubość warstwy suszonego materiału oraz konieczność naświetlania równomiernie całej jego powierzchni [1]. Im

cieńsza je$t warstwa, tym temperatura źródła powinna być niższa. Zużycie energii ocenia się średnio na ok. 1 kWh na 1 kg odparowanej wilgoci. Surowiec

Powietrze

Powietrze

wilgotne

Produkt

Rys. 21.22. Suszarka promiennikowa: 1 — taśma przenośnika, 2 - promienniki podczerwieni

21.5. S U S Z A R K I DIELEKTRYCZNE I M I K R O F A L O W E Suszenie dielektryczne i mikrofalowe jest oparte na tej samej zasadzie i po­ lega na wnikaniu energii pola elektrycznego, szybkozmiennego w głąb suszo­ nego materiału. Woda ze względu na dipolową budowę ma właściwości dielek­ tryczne. We wzbudzonym polu elektrycznym dipola wykonują ruch obrotowy. W polu o wysokiej częstości ruch dipoli nie może nadążyć za zmianami pola i opóźnia się. W wyniku tego, duży strumień energii przekształca się w ciepło, powodując powstanie ustalonego gradientu ciśnienia oparów wewnątrz mate­ riału, skierowanego do powierzchni. To powoduje odparowanie wilgoci z po­ wierzchni, ze stałą szybkością, nie powodując niszczenia struktury materiału. Moc elektryczną przekształconą w ciepło można obliczyć na podstawie nastę­ pującego wzoru 1 0

2

N = 0,56-10- /£ ctg5,

3

[W/m ],

w którym / — częstość drgań [Hz], E — natężenie pola [V/m], e — stała dielektryczna materiału suszonego [F/m], tg 6 — współczynnik strat energii w suszonym materiale, ó — kąt przesunięcia prądowego. Im większa jest częstość drgań, tym większa strata mocy i większy stru­ mień ciepła. Różnica między metodami wynika z tego, że w suszeniu mikrofa­ lowym bardzo wysokie częstości drgań 300 M H z - 3 0 GHz są przykładane bez­ pośrednio do materiału suszonego, natomiast w suszeniu dielektrycznym częs­ tości są niższe — 2 MHz-10 MHz i przykładane za pośrednictwem dwóch równoległych elektrod. Schemat suszarki dielektrycznej, stosowanej do suszenia perforowanych bloków ceramicznych o strukturze tzw. plastra miodu (ang. honeycomb), stosowanych zarówno jako nośniki katalizatorów, jak i innych

wyrobów, w tym ceramiki sanitarnej, przedstawia rys. 21.23. Suszone obiekty przenoszone są na taśmie przez strefę elektrod — suszenia dielektrycznego, po czym dostają się do strefy powietrza gorącego, gdzie zachodzi końcowe su­ szenie. Suszarki mikrofalowe są stosowane w przemyśle ceramicznym, także do suszenia drewna, papieru, tekstyliów, środków spożywczych itp. Suszenie mikrofalowe nie jest jednak szeroko rozpowszechnione, ze względu na wysoki koszt inwestycyjny i stosunkowo małą sprawność energetyczną. W celu zmnie­ jszenia kosztów układy suszenia mikrofalowego łączy się z pompami ciepła. Powietrze

wilgotne

Rys. 21.23. Suszarka dielektryczna: I — strefa suszenia dielektrycznego, II — strefa suszenia konwekcyjnego — chłodzenia produktu; 1 — komora suszarki, 2 — elektrody, 3 — przenośniki

21.6. S U S Z A R K I SPECJALNE Suszenie prądem elektrycznym jest preferowane w odniesieniu do kształ­ tek ceramicznych o dużych rozmiarach, jak np. izolatory elektryczne dużej mo­ cy, ze względu na zmniejszenie czasu suszenia. Różnice w zawartości wilgoci między powierzchnią a wnętrzem są dużo większe niż w kształtkach o małych wymiarach. Po przyłożeniu prądu bezpośrednio do obiektu, na skutek oporu elektrycznego, w jego wnętrzu zachodzą m.in. następujące zjawiska: 1. Punkt krytycznej zawartości wilgoci przesuwa się w stronę mniejszej zawartości wilgoci i okres stałej szybkości suszenia jest długi. 2. Ciśnienie oparów w obiekcie wzrasta i przyspiesza przenoszenie wody do powierzchni. 3. Temperatura wnętrza obiektu jest wyższa niż temperatura termometru wilgotnego na powierzchni. Opór elektryczny obiektu na skutek zmiany zawartości wilgoci ulega zmianie. Do suszenia materiałów o specjalnych kształtach są wprowadzane do nich dodatki substancji organicznych, lepiszcza, plastyfikatory. Dodatki te w wyniku ogrzewania stają się płynne i dyfundują do powierzchni, następnie ulegają rozkładowi i odparowaniu. Suszenie tego rodzaju, prowadzone pod ciśnieniem, przebiega szybciej, z mniejszą objętością wydzielonych oparów, które kondensuje się w chłodnicy. By zmniejszyć niekorzystne warunki suszenia i utylizacji gazów odlotowych, do suszenia tego rodzaju wyrobów zastosowanie znajdują

płyny superkrytyczne, m.in. dwutlenek węgla, którego stan krytyczny — tem­ peratura 304,6 K, ciśnienie 7,29 MPa — jest łatwo osiągalny. Gęstość płynu superkrytycznego jest zbliżona do cieczy, współczynnik dyfuzji i lepkość do gazu, posiada on dobrą rozpuszczalność i zdolność ekstrakcji. Ekstrakcja dodat­ ków organicznych płynem superkrytycznym, zwłaszcza wyrobów ceramicznych bardzo grubych, oprócz tego, że skraca przebieg suszenia, zapobiega również jego deformacji i utlenianiu. Suszarki sublimacyjne stanowią rodzaj suszarek komorowych, przystoso­ wanych do pracy pod obniżonym ciśnieniem z wymrażaniem. Suszony mate­ riał ulega zamrożeniu w temperaturze zależnej od jego rodzaju. Sposób stoso­ wany do suszenia substancji biologicznych preparatów farmaceutycznych i nie­ których produktów spożywczych. Produkt zachowuje nie zmienione pierwotne właściwości. Suszarki ze strumieniami uderzającymi o powierzchnię suszonego mate­ riału są stosowane do suszenia papieru i innych materiałów w arkuszach. Czyn­ nik suszący, gorące powietrze lub przegrzana para wodna, wypływając z dyszy lub wielu dysz uderza o powierzchnię suszonego materiału, przekazuje ciepło i odprowadza wilgoć (rys. 21.24). Jeśli usytuowanie arkusza jest pionowe, to uderzenie gazu następować może z obu jego stron. Suszenie zawiesin, past itp. materiałów może być również prowadzone przez bezpośrednie osiowe zderze­ nie rozpylonych strug tych materiałów w środowisku gazu suszącego. 3

4

j J f i i j f n i i j j l lfJTJ J i m i i i l i jf f i / l 111 f I f f f f UJ J l I ł T T n

Taśma arkusz wysuszonego materia tu

Rys. 21.24. Suszarka ze strumieniami powietrza uderzającymi o powierzchnię: 1 — zbiornik su­ rowca, 2 — taśma stalowa przenośnika, 3 — warstwa suszonego materiału, 4 — kolektor po­ wietrza gorącego, 5 — dysze szczelinowe powietrza suszącego

21.7. D O B Ó R S U S Z A R K I Dobór suszarki do suszenia określonego materiału wymaga znajomości za­ równo jego właściwości, jak i charakterystyki produktu oraz zasad budowy i działania istniejących rozwiązań konstrukcyjnych suszarek [1], [4]. Postać surowca zmieniać się może od rozcieńczonego roztworu wodnego, poprzez za­ wiesiny mniej lub bardziej stężone, koloidy, żele, pasty, do ciał stałych, o ma­ łej zawartości wilgoci. Produkt, oprócz określonej wilgotności, musi mieć czę­ sto również określony rozkład rozmiarów cząstek.

Roztwory i zawiesiny suszy się w suszarkach rozpyłowych lub kombinowa­ nych z suszarkami fluidalnymi, placki filtracyjne z filtrów i wirówek natomiast w suszarkach taśmowych i fluidalnych. Ciecze nieniutonowskie stwarzać mogą problemy z dozowaniem do suszarki. Niektóre materiały nie są przydatne do suszenia w stanie rozproszenia, np. lepkie, włókniste, kohezyjne i ziarna o du­ żych rozmiarach (> 10 mm). Dla takich materiałów są zalecane suszarki półko­ we, obrotowe lub taśmowe.

LITERATURA [1]

STRUMIŁŁO

C,

KUDRA

T., Podstawy

teorii i techniki suszenia,

wyd.

2,

WNT, Warszawa

1983.

Suszarki rozpryskowe. Spray Drying Handbook, John Wiley & Sons I N c , New York 1 9 9 1 . [ 4 ] Handbook of Industrial Drying, Vol. 1 & 2 , Sec. ed., A.S. Mujumdar, Marcel Dekker, Inc., New York 1 9 9 5 . [2]

BN-88/2260-01,

[3]

MASTERS K.,

22. PIECE 22.1. W P R O W A D Z E N I E Piece stanowią urządzenia przeznaczone do wytwarzania produktów lub półproduktów o określonych właściwościach fizykochemicznych w wyniku działania wysokiej temperatury. W piecach mogą być również prowadzone przemiany chemiczne w celu wytworzenia strumienia energii na sposób ciepła, dla różnego rodzaju procesów fizycznych i chemicznych. Strumień ciepła jest wytwarzany na skutek spalania paliwa, doprowadzania energii elektrycznej lub innym sposobem. Budowa i wyposażenie pieców w dużym stopniu zależą od technologii, w której są stosowane. Piece mogą się różnić szczegółami konstrukcyjnymi, sposobem doprowadzenia ciepła itp. Zasadniczą część pieca stanowi komora robocza — reakcyjna, nazywana w klasycznych piecach na paliwo stałe paleniskiem lub komorą pieca w pie­ cach przemysłowych. W komorze roboczej, zwanej też komorą spalania, są umieszczone urządzenia zapewniające efektywne spalanie substancji (paliwa), w tym również palniki. Piec jest zaopatrzony w urządzenia doprowadzające i odprowadzające przetwarzane materiały, a także zapewniające ruch obrabia­ nego materiału w komorze oraz w elementy urządzeń przejmujące ciepło. Prze­ pływ gazu przez piec może być naturalny, lecz zwykle jest wymuszony za po­ mocą wentylatorów umieszczonych na końcu ciągu, na ogół na zewnątrz pieca. Ciepło gazów odlotowych jest wykorzystywane bądź do podgrzewania gazów (powietrza) lub przetwarzania materiałów kierowanych do pieca, bądź do wy­ twarzania ciepłej wody lub pary w kotłach, tzw. utylizatorach. Piece są wypo­ sażone w aparaturę kontrolno-pomiarowa i regulacyjną. Gazy odlotowe przed usunięciem do atmosfery, zwykle kominem muszą być odpylone i pozbawione zanieczyszczeń gazowych, zgodnie z wymaganiami norm emisji zanieczyszczeń do powietrza. Klasyfikacja pieców według konstrukcji jest związana z ich kształtem, budową, rodzajem i sposobem spalania paliwa, doprowadzenia cie­ pła itp. Wyróżnia się m.in. piece: komorowe, kręgowe, tunelowe, szybowe, półkowe, obrotowe, pyłowe, fluidalne, rurowe, elektryczne, plazmowe. Dobre spalanie zależy od wielu zmiennych, w tym od rodzaju spalanego paliwa (materiału), jego wartości opałowej i zawartości wilgoci, zawartości części lotnych, strumienia i dystrybucji powietrza, mieszania spalanych sub-

stancji z powietrzem, unoszenia produktów niecałkowitego spalania zarówno w postaci stałej, jak i gazowej, ze spalinami odlotowymi. Unoszenie wymienio­ nych produktów stanowi stratę spalania i zanieczyszczenie spalin odlotowych; wielkości te muszą być minimalne, śladowe. Spalanie powinno być prowadzo­ ne w temperaturze, w której powstaje najmniej niepożądanych zanieczyszczeń gazowych i aerozolowych, co odnosi się zarówno do paliw, jak i do spalania różnego rodzaju odpadów. Zanieczyszczenia stanowią m.in. pyły lotne, dwu­ tlenek siarki, tlenki azotu, tlenek węgla, chloro- i fluorowodór, metale, chloro­ wane związki organiczne.

22.2. PIECE K O M O R O W E Piece komorowe są jednymi z najprostszych i dzielą się na jedno- dwui wielokomorowe oraz kręgowe. Piece jednokomorowe (rys. 22.1) służą do obróbki termicznej materiałów w sposób okresowy. Piec posiada komorę określaną trzonem pieca, o przekroju prostokątnym lub kołowym i objętości do 500 m , Spaliny do której jest załadowywany obrabiany materiał. odlotowe Komora jest wyposażona w drzwiczki lub otwór k załadowczy, który na czas obróbki cieplnej jest zamurowywany. Materiał po załadowaniu jest stopniowo ogrzewany i przebywa w wymaganej temperaturze przez określony czas. Następnie, po skończonej obróbce, materiał jest chłodzony powie­ trzem i wyładowywany z pieca. Piece są stosowane przede wszystkim w przemyśle ceramicznym do obróbki dużych elementów o skomplikowanych kształtach. Ogrzewane są przez spalanie paliwa gazowego, ciekłego lub stałego, w palenisku zeI wnętrznym. Sprawność cieplna pieców jednokomo3

Rys. 22.1. Piec jednokomorowy: 1 — komora robocza, 2 — kanał spalin, 3 — rekuperator, 4 — kanał palnikowy, 5 — drzwi robocze

rowych jest mała, ze względu na duże straty ciepła z gazami odlotowymi i przez ściany pieca. Popra­ wa sprawności jest często związana z instalowa­ niem dwóch pieców obok siebie, w których ciepło powietrza chłodzącego wykorzystuje się do pod­ grzewania wyrobów w drugim piecu.

W piecach wielokomorowych poszczególne komory są oddzielone od sie­ bie murowanymi ściankami i przepływ gazów z komory do komory odbywa się kanałami umieszczonymi pod dnem lub w ścianach bocznych komór. Ko­ mora zasilana paliwem, o najwyżej temperaturze, jest tzw. komorą ogniową. W pozostałych komorach wypalony materiał jest chłodzony powietrzem. Po­ wietrze to jest zużywane dalej do spalania i podgrzewania świeżo załadowane-

go surowca. Gazy spalinowe opuszczające komorę ogniową podgrzewają mate­ riał kierowany do wypalania. Ogrzewanie jest gazowe. Liczba komór o pojem­ ności do 40 m wynosi 16-32. Piece kręgowe jako całość pracują w sposób ciągły, lecz cykl pracy komór jest okresowy. Są zwykle stosowane do wypalania cegły. Piec ma kształt owal­ nego kanału, podzielonego palnymi przegrodami na komory, których liczba wynosi 16-24. Każda komora zawiera właz załadunkowo-wyładunkowy oraz kanał do odprowadzenia spalin odlotowych do wspólnego kolektora. Komory są ogrzewane spalinami ze spalania tradycyjnych paliw. Powietrze do spalania przepływa przez gorący wypalony materiał chłodząc go i jednocześnie samo się podgrzewa. Część podgrzanego powietrza jest kierowana do komory og­ niowej, do spalania, druga natomiast do komór ze świeżym materiałem, w celu jego podsuszania i podgrzania. Gazy spalinowe przepływają przez komory do wypalania i uchodzą do komina gazów odlotowych. Po zakończeniu wypalania, w jednej komorze spaliny są kierowane do kolejnej komory i tak samo przesu­ wa się wyładunek i załadunek kolejnych komór. 3

22.3. PIECE T U N E L O W E Komora pieca tunelowego (rys. 22.2) stanowi długi wąski kanał (tunel) wy­ konany z cegły ogniotrwałej i izolacyjnej, wzmocniony szkieletem stalowym, wewnątrz którego, po szynach są przesuwane wózki platformowe, na których Spaliny Gaz

2*

Surowiec (wsad)

Powietrze

V

\ProduHt

Ł b = d * t b ^ ^ ^ 'fi Podgrzewanie

Wypalanie

Studzenie

Rys. 22.2. Piec tunelowy: 1 - wózki, 2 — palniki gazowe, 3 — obudowa tunelu

układa się obrabiany termicznie materiał. Piece pracują w sposób ciągły. Wy­ miary kanału wynoszą: długość do 160 m, szerokość 1,5-3 m, wysokość 1,5-2,8 m. Prędkość przesuwu wózków jest zwykle mniejsza od 1 m/s. W przeciwprądzie do ruchu materiału przepływa powietrze i gazy spalinowe. Do ogrzewania są stosowane paliwa tradycyjne, z dominującym obecnie udziałem paliw ciekłych i gazowych. W piecu wyróżnia się strefy: podgrzewania, ognio­ wą i chłodzenia. Podgrzewanie odbywa się spalinami odlotowymi; powietrze kierowane do strefy ogniowej — spalania chłodzi wypalony materiał ulegając przy tym podgrzewaniu. Wózki są kierowane do pieca i z niego wyprowadzane przez tzw. komory wstępne, stanowiące zamknięcie śluzowe, zabezpieczające przed wlotem powietrza zewnętrznego. Piece są stosowane do wypalania wyro-

bów ceramicznych. Są one bardziej sprawne cieplnie niż komorowe. Utrzymy­ wanie w wymienionych sekcjach pieca, w strefie chłodzenia — nadciśnienia, w strefie podgrzewania — podciśnienia zabezpiecza przepływ spalin i powie­ trza oraz zmniejsza penetrację powietrza zimnego do wnętrza pieca.

22.4. PIECE S Z Y B O W E Piece szybowe są stosowane do wypalania surowców mineralnych, m.in. kamienia wapiennego i kredy. Surowiec w kawałkach jest ładowany do pieca od góry (rys. 22.3). Podawany materiał przesuwając się w piecu w dół, w wy­ niku działania siły ciężkości, podlega przemia­ nom termicznym. Strumień masy podawanego Kamień CO, materiału jest regulowany stożkiem zamyka­ wapienny jącym. Zasilanie może być okresowe lub ciąg­ łe. Na wysokości pieca wyróżnia się trzy strefy. W strefie pierwszej od góry następuje podgrze­ wanie materiału, w drugiej — środkowej — zachodzi rozkład węglanów w temperaturze 1270-1480 K, w trzeciej — dolnej — części stałe produktów rozkładu są chłodzone gazami kierowanymi do spalania i wyładowywane na obracającym się ślimaku, chłodzonym powie­ trzem. Do ogrzewania pieców szybowych są Powietrze stosowane zarówno paliwa stałe, ładowane do pieca na przemian warstwami z surowcem, jak i paliwa gazowe i ciekłe, spalane w komorach Wapno zewnętrznych lub w dolnej części pieca, albo Rys. 22.3. Piec szybowy: 1 - lej w ścianach bocznych. Odchodzące górą gazy zasilający stożek kierujący, odlotowe zawierają ok. 30% dwutlenku węgla, 2 — szyb, 3 — trzon pieca, 4 który jest stosowany jako surowiec m.in. w palniki gazowe, 5 — stożek wy­ produkcji sody, mocznika, cukru. Produkt stały ładowczy stanowi techniczne wapno palone. Piece szybowe są stosowane również w metalurgii jako tzw. wielkie piece do wytopu surówki żelaza.

• UJ

22.5. PIECE P Ó Ł K O W E Piece wielopółkowe (rys. 22.4) są stosowane do wypalania surowców mi­ neralnych i spalania odpadów. Średnica pieców wynosi od 1,8-8,0 m, wyso­ kość 3,6-23 m. Średnica i liczba półek w piecu są zależne od strumienia su­ rowca, wymaganego czasu do spalania, rodzaju stosowanego procesu. Surowiec

do obróbki termicznej jest podawany do pieca przez zamknięcie śluzowe od góry. Piec jest wyposażony w mieszadło grabiowe z zębami, którego ramiona są przymocowanego pionowego wału. Mieszadło, obracając się, miesza znaj­ dujące się na półce ciało stałe i przesuwa go po powierzchni półki do otworów przesypowych, którymi materiał przesypuje się z półki na półkę. Otwory są zlokalizowane w pobliżu obwodu i w centrum, obok wału napędowego. Popiół gromadzi się na dole pieca, skąd jest odprowadzany przenośnikiem ślimako­ wym do zbiornika magazynowego. Powietrze i produkty spalania przepływają przeciwprądowo w stosunku do spalanego materiału, od dołu. Piece półkowe, oprócz spalania i wypalania ciał stałych są stosowane do spalania szlamów, które podlegają suszeniu na górze pieca i są spalane w środ­ ku pieca. W piecach tego rodzaju są rów­ nież spalane odpady stałe o małej wartości Gazy Surowiec odlotowe opałowej i dużej wilgotności. Materiały mniej wilgotne, jak węgiel i odpady stałe są spalane już na górze pieca. Jeśli spalany surowiec zawiera substancje lotne, palne, to do efektywnego spalania jest wymagany dopalacz, np. w celu eliminacji dymów lub odorów. Minimum temperatury gazów od­ lotowych podczas spalania odpadów wyno­ si ok. 1000 K. Jeśli jest wymagana wyższa temperatura, to musi być instalowany do­ palacz. Do całkowitego spalenia szlamów Wy pat ki Po wie trze o zawartości 5 0 - 8 5 % wilgoci, jest wyma­ gany nadmiar powietrza 100-125%. Z ga­ zami odlotowymi unosi się ok. 20% popio­ Rys. 22.4. Piec półkowy: 1 — półki, łu lotnego i instalowanie urządzeń odpyla­ 2 - mieszadło grabiowe, 3 — pusty jących jest konieczne. wał z otworami, 4 — napęd wału

22.6. PIECE O B R O T O W E Piece obrotowe są stosowane do prowadzenia procesów termicznych w wie­ lu technologiach przemysłowych, w tym również do unieszkodliwiania odpa­ dów przez spalanie ciał stałych, szlamów, cieczy i gazów. Zasadniczy element pieca obrotowego (rys. 22.5) stanowi bęben ułożony poziomo lub pod nieznacznym kątem do poziomu. Bęben, wsparty na rolkach, obraca się dookoła swojej osi. Na końcu pieca, zwykle położonego wyżej, znajduje się głowica, przez którą doprowadza się materiał wsadowy, w postaci ciała stałego o różnym stopniu wilgotności lub szlam. Głowicą górną są od­ prowadzane gazy odlotowe, zwykle gorące i zapylone, dlatego na odlocie in­ stalowane są rekuperatory ciepła i urządzenia oczyszczające gazy odlotowe.

Dolny koniec bębna jest zamknięty głowicą dolną, w której jest umieszczony palnik na paliwo gazowe, ciekłe lub pył węglowy. Na skutek obrotów bębna materiał przesuwa się wzdłuż jego osi, w kierunku dolnej części bębna (pieca).

Rys. 22.5. Piec bębnowy obrotowy: 1 — bęben, 2 - zasobnik (zasyp), 3 - pierścień uszczelnia­ jący, 4 — rolki podporowe, 5 - napęd, 6 — rolki podporowo-oporowe, 7 — luk wyładunkowy

Bęben jest wprawiany w ruch obrotowy silnikiem elektrycznym, za pośrednic­ twem przekładni zębatej, której tzw. wieniec zębaty jest osadzony na bębnie. Bęben jest wyłożony wewnątrz cegłą szamotową, ognioodporną, bez obecności części metalowych, co umożliwia stosowanie temperatury 1200-1900 K lub piec posiada płaszcz wodny, jak w tradycyjnych kotłach. Wymurówka pieca jest zwykle wykonywana dla określonego procesu i temperatury jego przebiegu. Piec jest nachylony w kierunku ruchu materiału o 1:4%. Stosunek długości do średnicy wynosi od 2:1 do 10:1 i więcej, co w dużym stopniu zależy od tech­ nologii, w której jest on stosowany, np. podczas spalania odpadów stałych masowych długość typowego pieca wynosi 5 m, średnica 3 m; wykonuje on 0,25-1,5 obr/min lub 10-20 obr/min. W technologii wypału klinkieru cemento­ wego, długość bębnów obrotowych z wykorzystaniem ciepła gazów odloto­ wych przekracza 160 m. Czas przebywania ciał stałych i szlamów jest funkcją wymiarów pieca, jego pochylenia, prędkości obrotów i rodzaju surowca (wsa­ du). Wynosi on od sekund — dla gazów i cieczy, do godzin — dla ciał sta­ łych. Piec jest zasilany strumieniem okresowym lub ciągłym ciała stałego. Ciecze i szlamy są podawane pompami i rozpylane parą wodną lub powie­ trzem. Gazy są spalane w palnikach. Trudności w eksploatacji pieców sprawia erozja ich wnętrza i uszczelnienie głowic, ze względu na wysoką temperaturę.

22.7. P I E C E P Y Ł O W E Piece pyłowe są stosowane w procesach spalania i wypalania stałych roz­ drobnionych cząstek ciała stałego, jak np. węgla w kotłach elektrociepłowni-

czych i przemysłowych, rud cynkowych. Piec (rys. 22.6) stanowi pionową, stalową, komorę cylindryczną wyłożoną wewnątrz materiałem ceramicznym. Materiał rozdrobniony, w postaci cząstek rzędu 50-100 pm jest wprowadzany do komory spalania od dołu lub ze ściany bocznej, następnie rozpraszany stru­ mieniem powietrza w palnikach pyłowych i spalany w objętości komory. Spa­ lanie zachodzi intensywnie w czasie kilku sekund. Dodatkowe powietrze do dopalania, tzw. wtórne, jest wprowadzane dyszami do górnej odlotowej części pieca. W zależności od stopnia rozdrobnienia surowca i zawartości części pal­ nych cząstki niepalne lub utlenione są unoszone wraz z gazami odlotowymi * lub wypadają na dno pieca. Duży koszt przygotowania surowca, tzn. jego roz­ drabnianie oraz przenoszenie głównej masy stałych produktów spalania do ga­ zów odlotowych ogranicza zastosowanie tego rodzaju pieców w technologiach przetwarzania ciał stałych.

Wy patki

Rys. 22.6. Piec pyłowy: 1 — komora pieca, 2 — płaszcz, 3 — wymurówka ceramiczna, 4 — pal­ nik pyłowy, 5 — dysze powietrza wtórnego, 6 — ekran chłodzący, 7 - okna obserwacyjne

22.8. P I E C E F L U I D A L N E Piec fluidalny (rys. 22.7) stanowi pionowy cylinder wyłożony wewnątrz materiałem chemo- i ognioodpornym, wyposażony w dystrybutor gazu lub pół­ kę otworową. Ciało stałe podawane na półkę jest fluidyzowane i ekspanduje w przestrzeni nad półką, na skutek przepływu gazu skierowanego do góry, wprowadzonego pod półkę. Konstrukcja półki zapewnia równomierny rozdział gazu na przekroju pieca i uniemożliwia przesypywanie się materiału przez jego otwory. W złożu fluidalnym są prowadzone różnego rodzaju procesy termiczne na skutek wymiany ciepła — spalanie paliw i materiałów stałych. Surowce są doprowadzane do złoża w sposób okresowy lub ciągły. Produkty są odprowa­ dzane w postaci ciała stałego, m.in. popiołu i żużla (wypałki) lub gazów odlo­ towych, w tym również jako spalin.

Rys. 22.7. Piec fluidalny: 1 — płaszcz, 2 — wymurówka ceramiczna, 3 — ruszt, 4 — rury wężownicy, 5 — złoże fluidalne

Spalanie w złożu fluidalnym surowców stałych i ciekłych odbywa się zwyk­ le w obecności materiału inertnego, m.in. piasku, żwiru, kamienia wapiennego, gliny, stanowiącego zasadniczą część złoża. Spalanie w piecach klasycznych prowadzi się gdy prędkość gazu jest 3-5 razy większa od prędkości krytycznej fluidyzacji. Niekiedy w celu utrzymania odpowiedniego poziomu temperatury w złożu fluidalnym umieszcza się powierzchnie wymiany ciepła — wężownice. Duże stężenie ciała stałego w złożu fluidalnym zwiększa znacznie zdol­ ność przerobową pieca w stałej temperaturze objętości złoża. Zwiększenie prędkości gazu ponad zakres określający tzw. fluidyzację pę­ cherzykową prowadzi do stanu, w którym znaczna masa złoża zostaje unie­ siona z aparatu. Aby zachować złoże w tych warunkach, konieczne jest dopro­ wadzanie świeżej porcji materiału lub zawracanie z powrotem — recyrkulo-

wanie materiału unoszonego. Tego rodzaju stan jest nazywany złożem fluidal­ nym burzliwo-szybkim lub cyrkulacyjnym i występuje wtedy gdy prędkość gazu jest ok. 20'razy większa od minimum fluidyzacji. Unoszone ciało stałe jest wydzielane, zwykle w cyklonach, i zawracane do złoża. Spa liny - pro ćuH ty gazowe

Surowiec

~^fs

Powietrze -*-); wtórne

Powietrze

^ — J

Rys. 22.8. Piec fluidalny cyrkulacyjny: 1 - płaszcz, 2 — złoże fluidalne, 3 - ruszt sitowy, 4 — cyklon cyrkulacyjny, 5 — rura cyrkulacyjną (zamknięcie cyklonu)

Piece ze złożem cyrkulacyjnym (rys. 22.8) charakteryzują się dobrą efek­ tywnością wymiany ciepła i masy, bardzo wyrównaną temperaturą i składem w objętości reaktora. Umożliwia to prowadzenie wielu procesów z wysokim stopniem przemiany w stosunkowo niskiej temperaturze, jak np. spalanie od­ padów w nadmiarze powietrza 30-100% (5-10% 0 w suchych spalinach) w temperaturze 1080 K, spalanie węgla w temperaturze poniżej 1200 K, co ogranicza powstawanie tzw. termicznych tlenków azotu. W wymienionych tem­ peraturach wiele substancji w paliwie lub spalanych odpadach jeszcze nie mię­ knie i nie aglomeruje, co nie stwarza trudności eksploatacyjnych. Piece fluidalne mogą być również kojarzone z piecami cyklonowymi do dopalania substancji organicznych emitowanych z pieca fluidalnego. 2

22.9. P I E C E R U R O W E Piece rurowe spełniają funkcje zarówno tzw. podgrzewacza ogniowego, jak i reaktora termicznego pracującego w specjalnych warunkach spalania i ogrze­ wania surowca przepływającego w rurach wężownicy.

Podgrzewacze ogniowe to piece, w których ciepło spalania gazu lub oleju jest przekazywane do płynu roboczego, przepływającego w rurkach wężownicy (rys. 22.9). Wężownice są instalowane na ścianach i suficie (dachu) podgrzewacza — komory spalania i ciepło jest przekazywane głównie przez promieniowanie i częściowo przez konwekcję. Podczas odzysku ciepła ze spalin odlotowych ten rodzaj pieca może być stosowany przy małych obciążeniach cieplnych, poniżej 4 MW . Sprawność ter­ miczna podgrzewacza zależy od obecności sekcji konwekcyjnej, wielkości powierzchni wymiany ciepła, rodzaju stosowanego ciągu spalin i obecności rekuperatora do podgrze­ wania zimnego powietrza, kierowanego do spalania. Lepsza sprawność termiczna — ponad 80% — jest związana z obniżeniem temperatury spalin odlotowych do 325- 3 7 5 K i stosowaniem w sekcji konwekcyj­ nej rur ożebrowanych. Podczas spalania nie powinny powstawać nadmierne ilości popio­ Nośnik łu i sadzy. Obecnie jest zwykle stosowany wylot ciąg wymuszony z nadmiarem powietrza 10-15% podczas spalania oleju i 5-10% — gazu. Zmniejszenie nadmiaru powietrza umożliwia zaoszczędzenie paliwa rzędu 2 - 3 % i polepszenie warunków przekazywa­ Rys. 22.9. Piec podgrzewacz rurowy: nia ciepła. Również obniżenie temperatury 1 — płaszcz, 2 — wymurówka cerami­ odlotowej spalin o każde 20° zwiększa czna, 3 — palniki, 4 — komora spala­ nia, 5 — rury — sekcja radiacyjna, 6 sprawność cieplną o 1%; całkowita oszczę­ sekcja konwekcyjna, 7 - klapa regu­ dność paliwa może wtedy osiągnąć 8-18%. lacyjna, 8 — komin Stosowanie spalin do podgrzewania jest ekonomiczne wtedy, gdy temperatura spalin wynosi powyżej 620 K. Do odzys­ ku ciepła są stosowane regeneratory i rekuperatory. Rekuperatory, stanowiące klasyczne wymienniki ciepła są prostsze i bardziej ekonomiczne. Do podgrze­ wania gazu kierowanego do pieca może być również stosowany płyn roboczy, podgrzewany w rurkach wężownicy pieca. Pobiera on ciepło w części konwek­ cyjnej pieca i podgrzewa powietrze przepływające przez wymiennik. Odzysk ciepła może być prowadzony również przez podgrzewanie wody lub wytwarza­ nie pary w odpowiednim kotle. t

Odzysk ciepła utrudnia obecność siarki w paliwie. Około 6-10% masowych siarki z paliwa przechodzi do spalin jako trójtlenek siarki ( S 0 ) i kondensuje w kanałach spalin jako kwas siarkowy. Im wyższa zawartość trójtlenku siarki 3

w spalinach, tym wyższa temperatura kondensacji kwasu, punktu rosy. Tworze­ nie się S 0 spada drastycznie wraz z obniżeniem nadmiaru powietrza i wzrasta jeżeli w oleju oriałowym jest obecny wanad. Temperatura rur powinna być utrzymywana na poziomie co najmniej 15° powyżej punktu rosy S 0 . Tempe­ ratura zalecana dla paliw o zawartości siarki poniżej 1% mas. to 408 K, gdy zawartość siarki osiągnie 4 - 5 % , wtedy temperatura — 423 K. Spalanie zarówno paliw ciekłych, jak i odpadów ciekłych jest związane z ich rozpylaniem za pomocą dysz (palników). Rozpylone cząstki — krople paliwa o dużej powierzchni — szybko odparowują, wytwarzając z powietrzem mieszaninę oparów, która ulega zapłonowi i jest spalana podczas przepływu przez komorę. Typowy czas przebywania w komorze wynosi 0,5-2 s, tempera­ tura 1000-1850 K. Komora jest wyłożona materiałem ceramicznym, aby pło­ mień nie kontaktował się ze ścianą pieca. Ściany komory są zwykle chłodzone powietrzem wlotowym kierowanym do spalania, które podgrzewa się do tem­ peratury powyżej 400 K. Emisja zanieczyszczeń z pieca jest kontrolowana, zazwyczaj za pomocą skruberów Venturiego, zwłaszcza podczas spalania odpa­ dów ciekłych, palnych, takich jak farby, rozpuszczalniki, pestycydy i in. Spala­ ne ciecze nie powinny zawierać soli nieorganicznych, które topią się w tempe­ raturze spalania i mogą kondensować na ściankach komory pieca. 3

3

Rys. 22.10. Piec — reaktor rurowy: 1 — obudowa pieca, 2 — rury, 3 — palniki

Piece rurowe, zwane również reaktorami rurowymi, są również stosowane do prowadzenia procesów termicznych w fazie ciekłej, w dużym stopniu do pirolizy ropy naftowej, w trakcie której temperatura w rurach może dochodzić do 1550-1680 K, np. piroliza węglowodorów do acetylenu. Zasadniczą część pieca (rys. 22.10) stanowi układ rur, wężownic płaskich i przestrzennych o śred­ nicy wewnętrznej 30-200 mm i długości odcinków 6-12 m, wykonanych ze stali żaroodpornych z podwyższoną zawartością niklu, chromu i manganu, któ­ rymi przepływa przetwarzana ciecz. Rury w części górnej pieca są podwieszane, a na ścianach bocznych i dole pieca oparte na podporach. Układ rur zapewnia odpowiednią objętość przestrzeni reakcyjnej i czas przebywania dla pożądane­ go stopnia przemiany, który wynosi 0,5-8,0 s. Ciśnienie w rurach ze względu

na to, że piroliza biegnie ze zwiększeniem objętości, zwykle nie przewyższa 0,4 MPa. Prędkość w rurach w końcowej części dochodzi do 180-200 m/s. Rury są rozmieszczane w dwu częściach (sekcjach) pieca, w konwekcyjnej i radiacyjnej. Zazwyczaj w części konwekcyjnej następuje podgrzewanie surow­ ca przepływającego w rurach gazami spalinowymi, jego piroliza i rozkład ter­ miczny natomiast odbywają się w części radiacyjnej, w której rury są ogrzewa­ ne na skutek promieniowania. Spalanie paliwa gazowego lub ciekłego odbywa się w palnikach płomieniowych i bezpłomieniowych — płytowych (rys. 22.11), z których ciepło do środowiska jest przekazywane przez promieniowanie. Tem­ peratura nagrzania w sekcji konwekcyjnej nie przekracza 800-900 K, w stre­ fie reakcji, pirolizy w sekcji radiacyjnej jest ok. 30-40% wyższa, w zależności od rodzaju surowca. Warunki przebiegu procesu pirolizy wymagają dużych szyb­ kości wymiany ciepła, w celu przebiegu pożądanego procesu w minimalnym czasie przebywania w wysokiej temperaturze. Typowy piec (rys. 22.10) składa się z dwu komór radiacyjnych i ogólnej komory konwekcyjnej. Surowiec prze­ pływa dwoma równoległymi strumieniami. W piecach o nowej konstrukcji ścia­ ny boczne komory stanowią panele palników bezpłomieniowych (rys. 22.1 Ib), w których gaz jest spalany niepełnym płomieniem, w postaci dużej liczby ma­ łych płomyczków o długości 30-50 mm, równomiernie rozproszonych na po­ wierzchni panela. Ciepło spalania gazu ogrzewa płytki ceramiczne, które pełnią rolę promienników ciepła do odległych o 0,6-1,0 m rur. a) Powietrze

Paliwo_ gazowe

b)

Powietrze Pali wo gazowe

Rys. 22.11. Palniki: a) palnik injekcyjny, płomieniowy; 1 - dysza, 2 - pierścień dystansowy, 3 — gardziel - komora mieszania, 4 - dyfuzor; b) palnik bezpłomieniowy; 1 - panel (ekran) ceramiczny, 2 — komory mieszania, 3 — injektor

2 2 . 1 0 . PIECE E L E K T R Y C Z N E W piecach elektrycznych źródłem ciepła jest prąd elektryczny, przepływający przez odpowiednie uzwojenie lub specjalnego kształtu pręty oporowe — piece oporowe lub ciepło jest emitowane podczas wyładowania łukowego — piece łukowe. W piecach oporowych ciepło może być przekazywane do obrabianego mate­ riału pośrednio przez przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie lub bezpo­ średnio, gdy prąd przepływa przez obrabiany materiał. W drugim przypadku ciepło wywiązuje się bezpośrednio w materiale i jest często powiązane z top­ nieniem przetwarzanego materiału. W ogrzewaniu pośrednim elementy oporo­ we, grzejne, w postaci spiral, taśm, prętów i rur są wbudowane w ściany pieca lub stanowią odpowiedni wkład. Elementy oporowe metalowe są umieszczane w izolacji, w celu ochrony przed szkodliwym działaniem środowiska. W piecach łukowych, łuk może być wytwarzany bezpośrednio między elek­ trodami umieszczonymi nad przetwarzanym materiałem i ciepło jest przekazy­ wane przez promieniowanie lub między materiałem a elektrodą. Stosowane są elektrody węglowe lub grafitowe. Piece elektryczne są stosowane w proce­ sach przeróbki fosfatów, produkcji karbidu, wełny mineralnej, dwusiarczku węgla itp.

22.11. D O B Ó R PIECA Dobór pieca dla danego procesu przebiegającego w wysokiej temperaturze jest zagadnieniem trudnym, ze względu na złożony przebieg procesów fizyko­ chemicznych w tych warunkach, konieczność rozważenia różnych sposobów doprowadzenia ciepła do środowiska procesu, różnorodność konstrukcji pieców i ich wyposażenia, wysoki koszt inwestycyjny i eksploatacyjny i inne istotne ograniczenia. Ciepło potrzebne w piecach dostarcza się zwykle przez spalanie paliw i przekazywanie go przez konwekcję i promieniowanie. Krytycznym parametrem jest tu wybór rodzaju paliwa i sposobu spalania, w tym rodzaju palnika. W wielu gałęziach przemysłu chemicznego i przetwórczego od należy­ tego doboru rodzaju (typu) i konstrukcji pieca zależy racjonalna i nieprzerwana praca całych ciągów technologicznych.

LITERATURA [1]

S., Piece w przemyśle chemicznym i przemysłach pokrewnych, PWT, War­ szawa 1961. [2] PIECH J., Piece ceramiczne i szklarskie, wyd. Akademii Górniczo-Hutniczej, Kraków 1993. [3] B A N D R O W S K I J., M A Ń K A H., Piece rurowe, PWN, Warszawa 1987. NIEWIADOMSKI

23. REAKTORY CHEMICZNE I BIOCHEMICZNE 23.1. W P R O W A D Z E N I E Podstawowy aparat w instalacji do prowadzenia procesu technologicznego, w którym przebiega reakcja chemiczna, nosi nazwę reaktora chemicznego. Gdy natomiast przemiana chemiczna zachodzi z udziałem mikroorganizmów żywych, wtedy aparat procesowy jest nazywany bioreaktorem. Podstawą klasyfikacji reaktorów chemicznych są najczęściej cechy wskazu­ jące na rodzaj i przebieg procesu chemicznego. Są to między innymi charakter pracy, warunki cieplne, stan skupienia reagentów, kształt geometryczny, rodzaj prowadzonego procesu. Ze względu na charakter pracy wyróżnia się reaktory okresowe i ciągłe. Reaktor jest okresowy, gdy zarówno doprowadzenie substratów, jak i odpro­ wadzenie produktów odbywa się okresowo — periodycznie. Reaktor ciągły (przepływowy) pracuje z ciągłym dopływem substratów i nie przerwanym od­ pływem produktów. Reaktory okresowe są wykonywane w postaci zbiorników o współmier­ nych wymiarach geometrycznych. Kształt zbiorników sprzyja dobremu miesza­ niu reagentów, co prowadzi do szybkiego wyrównania temperatury, ciśnienia i stężenia w całej objętości reaktora. Reaktory ciągłe stanowią zbiorniki o specjalnych kształtach lub aparaty cy­ lindryczne, kolumnowe, o znacznym stosunku długości (wysokości) do średnicy. Ze względu na warunki cieplne pracy wyróżnia się reaktory adiabatyczne, pracujące bez wymiany ciepła ze środowiskiem zewnętrznym, co najczęściej dotyczy procesów przebiegających z małym efektem cieplnym, w aparatach z dobrą izolacją termiczną. Reaktory izotermiczne w realnych warunkach technicznych są nieosiągalne i stanowią jedynie model wzorcowy dla procesów przebiegających w stałej temperaturze. Reaktory politropowe pracują w warun­ kach pośrednich między izotermicznymi a adiabatycznymi. Ze względu na stan skupienia reagentów wyróżnia się reaktory do prowa­ dzenia procesów w układzie: gaz—ciało stałe, gaz—ciecz, gaz—gaz, ciecz—cia­ ło stałe, ciecz—ciecz oraz w układach trójfazowych. Dalszy podział związany ze stanem skupienia substancji dzieli reaktory na homogeniczne i heteroge­ niczne. W reaktorach homogenicznych reagenty, produkty i katalizator stanowią jedną fazę ciągłą: gazową lub ciekłą. Reaktory homogeniczne gazowe pracują

zwykle w sposób ciągły, ciekłe natomiast po zapewnieniu dobrego mieszania mogą pracować okresowo lub w sposób ciągły. W reaktorach heterogenicznych są obecne dwie lub większa liczba faz. Szybkość przemiany chemicznej w mieszaninie heterofazowej jest ograniczona szybkością wymiany masy między fazami i zwykle jest wymagana duża po­ wierzchnia międzyfazowa. Reagenty w postaci ciała stałego lub katalizator są w dużym stopniu rozdrobnione, ruch płynu jest wymuszony mieszaniem me­ chanicznym, przepływem przez pompę wirową lub przez wypełnienie. Ze względu na różnorodność i złożoność procesów chemicznych kształt geometryczny reaktora jest związany z wymaganiami procesu w celu uzyskania optymalnej przemiany chemicznej. W związku z tym wyróżnia się następujące reaktory: — zbiornikowe z mieszaniem, — rurowe, — (kolumny) z wypełnieniem nieruchomym lub ruchomym, — fluidalne, — ciśnieniowe i wysokociśnieniowe (autoklawy). Ze względu na rodzaj prowadzonego procesu wyróżnia się m.in. następują­ ce reaktory: — katalityczne (aparaty kontaktowe), — biochemiczne (bioreaktory), — fotochemiczne, — elektrochemiczne, — plazmowe, — jądrowe. Również nazwy procesu przetwórczego są podstawą tworzenia nazw reakto­ rów, np. reaktor syntezy amoniaku, sulfonator, chlorator, nitrator. Wymienione podziały i uwarunkowania wynikają z dużej liczby wymagań, jakie muszą spełniać reaktory w przemyśle chemicznym i przetwórczym. Wy­ magania te dotyczą: — kinetyki reakcji chemicznej, ściślej biorąc zapewnienia odpowiedniego czasu przebywania reagentów dla wymaganego stopnia przemiany, — współczynników przenikania masy, zwłaszcza w układach heterogenicz­ nych, — współczynników przenikania ciepła zwłaszcza w reakcjach ze znacznym ciepłem przemiany egzo- lub endotermicznej, — kontroli i automatyzacji przebiegu procesu, — bezpieczeństwa i ochrony środowiska w razie obecności lub wytwarzania substancji niebezpiecznych. Reaktory okresowe (rys. 23.1) są stosowane do prowadzenia procesów chemicznych, gdy czas reakcji jest długi i wydajność mała. W procesie okre­ sowym następuje zmieszanie reagentów w odpowiednich proporcjach, przebie-

ga reakcja chemiczna i skład mieszaniny zmienia się w czasie. Gdy wymagany stopień konwersji zostaje osiągnięty, wówczas reakcja zostaje przerwana i pro­ dukt wyładowany z reaktora. Reaktory okresowe są stosowane do produkcji w małej skali, gdy różnorodność produktów Gaz Powietrze wytwarzanych w tej samej aparaturze jest (gaz) \ duża, np. w przemyśle farmaceutycznym, Surowce barwników, środków ochrony roślin, prze­ myśle spożywczym. Typowy reaktor okre­ Nośn ik sowy stanowi zbiornik o współmiernych ciepła wymiarach geometrycznych z mieszadłem. Mieszadło ma za zadanie zmieszanie skład­ ników i utrzymanie jednorodności miesza­ niny podczas reakcji i jednocześnie przeno­ szenie strumienia ciepła od ścianki aparatu Nośnik ciepła lub powierzchni wewnętrznej wymiany Produkty ciepła. Do mieszania są stosowane również pompy wirowe, gdy mieszanina reakcyjna Rys. 23.1. Reaktor okresowy: 1 zbiornik, 2 - płaszcz (grzejny), 3 cyrkuluje przez zbiornik lub wymiennik mieszadło, 4 — barboter ciepła. Specjalne rodzaje reaktorów okreso­ wych z mieszaniem są stosowane do prowadzenia procesów chemicznych w środowisku cieczy nieniutonowskich o dużej lepkości, substancji pastowatych itp; nie mieszających się cieczy, gdy duży stopień recyrkulacji jest konie­ czny dla utrzymania jednorodności mieszaniny, np. procesy z udziałem węglo­ wodorów w środowisku wodnym. Gaz

Produkty

Surowce

Surowiec podawanie okresowe

Nośnik ciepła

Nośnik ciepła

Powietrze

Produkty

Rys. 23.2. Reaktor ciągły: 1 — kolum­ na (płaszcz), 2 — rurki

Rys. 23.3. Reaktor półciągły: 1 zbiornik (kolumna), 2 — mieszadło, 3 - barboter

Reaktory ciągłe (rys. 23.2) są zasilane w sposób ciągły surowcem i w spo­ sób ciągły są odprowadzane produkty. Reaktor pracuje w warunkach ustalo­ nych — stacjonarnych. Reaktory ciągłe są stosowane w określonej technologii podczas produkcji masowej w dużej skali.

W reaktorach mogą być prowadzone również procesy półokresowe lub półciągłe, gdy jeden z reagentów jest doprowadzany w sposób ciągły, inne zaś okresowo. Możliwe są również inne warianty prowadzenia procesu, np. reagen­ ty są podawane okresowo, produkty natomiast są odprowadzane w sposób ciągły. Reaktory półokresowe — półciągłe (rys. 23.3) są podobne w budowie do reaktorów okresowych i stosowane wówczas, gdy zmiana szybkości podawania reagentów umożliwia wpływanie na szybkość przebiegu procesu.

23.2. REAKTORY ZBIORNIKOWE Z MIESZADŁEM Podstawowy, najczęściej stosowany reaktor chemiczny stanowi zbiornik, zwykle cylindryczny, z mieszadłem mechanicznym, wyposażony w płaszcz bądź wężownicę grzejną, bądź chłodzącą. Podczas prowadzenia procesów gaz—ciecz reaktor jest wyposażony w odpowiedniego rodzaju bełkotkę. Reak­ tory te pracują jako okresowe lub ciągłe, pojedynczo lub w szeregowym zesta­ wieniu kilku aparatów (kaskadowym). Pojemność zbiorników zmienia się od kilku do kilkuset tysięcy litrów. Są stosowane do prowadzenia reakcji homoi heterogenicznych, również w obecności rozproszonych cząstek ciała stałego, jako katalizatora lub produktu. Reaktory są stosowane do prowadzenia reakcji chemicznych, gdy są wymagane dobre warunki dla przenikania masy lub cie­ pła. Gdy pracują jako reaktory ciągłe, wtedy skład mieszaniny reakcyjnej i pro­ duktu jest stały (noszą nazwę reaktorów z idealnym wymieszaniem), z wyjąt­ kiem bardzo szybkich reakcji. Znajomość stanu, w którym mieszanie jest zbli­ żone do idelanego jest zasadnicze dla przewidywania jego sprawności. Drugim granicznym przypadkiem jest przepływ tłokowy, w którym wszystkie nie rea­ gujące cząstki mają ten sam czas przebywania w reaktorze. Odchylenia od wymienionych przypadków granicznych, tj. idealnego wymieszania i braku mieszania osiowego są określane za pomocą tzw. rozkładu czasu przebywania. Czas mieszania zależy od budowy geometrycznej układu, prędkości obrotów i mocy mieszadła. Jeśli mieszalnik jest właściwie zaprojektowany to stan zbli­ żony do idealnego wymieszania osiąga się często w czasie po 50-200 obro­ tach. Jako miara mieszania są również stosowane: moc doprowadzona na jed­ nostkę objętości mieszanego układu i prędkość obrotów mieszadła. Wynoszą one między innymi dla reaktorów homogenicznego — 0,1-0,3 kW/m , gdy prędkość obrotowa końców mieszadła — 2,5-3,4 m/s; z wewnętrzną wężownicą — 0,3-1,0 kW/m i 3,5-5,0 m/s; z barbotażem gazu — 1-2 k W / m i 5-6 m/s. Większa liczba reaktorów zbiornikowych z odpowiednim zbiornikiem na­ pływowym może być stosowana w układzie kaskadowym lub w jednej kolum­ nie, symulując proces ciągły (rys. 23.4). Liczba 4 - 5 zbiorników w kaskadzie 3

3

3

jest zwykle optymalna. W procesach ciągłych reaktory z przepływem tłoko­ wym stanowią jednak bardziej ekonomiczne rozwiązanie. b)

a)

Substraty Produkty

Substrat

I

a

a

Produkt

Substrat

Produkty

Substraty

Rys. 23.4. Reaktory zbiornikowe z mieszadłami: a) reaktor z mieszadłem mechanicznym i wew­ nętrznym elementem wymiany ciepła, b) reaktor z mieszaniem pompą wirową i wymianą ciepła w obiegu zewnętrznym, c) kaskada reaktorów zbiornikowych z mieszadłami, d) reaktor ciągły kolumnowy z mieszadłami, trójstopniowy

Reaktory z mieszadłami statycznymi (rys. 23.5) stanowiące zasadniczo aparaty z wypełnieniem, zawierają wiele nieruchomych elementów, zwiniętych w postaci linii śrubowej, umieszczonych wzdłuż przewodu rurowego lub ko­ lumny. Do mieszania wykorzystuje się energię przepływającego płynu, który jednocześnie zwiększa intensywność wymiany ciepła i masy w krótkim rozkła­ dzie czasu przebywania. Reaktor z mieszaniem statycznym stanowi już reaktor rurowy z przepływem tłokowym. W porównaniu z reaktorem zbiornikowym z mieszadłem mechanicznymi jest on: — bardziej zwarty i mniej kosztowny, — mniej energochłonny. Reaktory z mieszaniem statycznym mają krótki czas mieszania i brak części ruchomych. Mogą być stosowane jako pojedyncze lub z obiegiem (recyrkula-

cją), jako okresowe lub ciągłe. Są stosowane do prowadzenia: reakcji egzoter­ micznych w układzie gaz—ciecz, polimeryzacji, reakcji ze zmianą fazy lub lep­ kości, reakcji heterogenicznych, gdzie przenoszenie masy jest elementem ogra­ niczającym przebieg reakcji i innych.

H=4

ciekły

Produkt

Rys. 23.5. Reaktor gaz-ciecz z mieszadłem statycznym: 1 mieszalnik statyczny

kolumna, 2 — wypełnienie —

23.3. REAKTORY R U R O W E Reaktory rurowe, zwykle jako ciągłe (rys. 23.2) są stosowane do prowa­ dzenia reakcji w fazie gazowej, niektórych procesów w fazie ciekłej i w ukła­ dzie gaz—ciecz. Przepływ nie reagujących cząsteczek w reaktorach rurowych jest traktowany jako tłokowy. Mieszanie wsteczne, wywołane obecnością w re­ aktorze wypełnienia i innych elementów, nie powoduje zmiany zasadniczego rodzaju ruchu płynu. Początkowe wymieszanie reagentów wykonuje się w dy­ szach lub w szeregu mieszalników. Przebieg reakcji chemicznej w reaktorze powoduje spadek gradientu stężenia i temperatury w kierunku osiowym. Reak­ tor stanowić mogą przewody rurowe o średnicy od 1 cm do kilku metrów, w różnych konfiguracjach i długościach. Gdy są wymagane wysokie współ-

czynniki przenikania ciepła, wtedy są stosowane rury o małej średnicy i du­ żym stosunku powierzchni do objętości, w konfiguracji równoległej, zbliżonej w konstrukcji do wymienników płaszczowo-rurowy eh. W procesach wysoko­ temperaturowych pirolizy rurki są umieszczone w piecu (rozdz. 22). Specyfika kształtu niektórych reaktorów rurowych wynika z wysokich temperatur prze­ biegu procesu, krótkiego czasu przebywania w reaktorze, wysokiego lub nis­ kiego ciśnienia.

23.4. R E A K T O R Y Z WYPEŁNIENIEM (KATALITYCZNE) Obecność w reaktorze ciała stałego wypełnienia (katalizatora) i konieczność wymiany ciepła określają jego konstrukcję. Wypełnienie stanowić może rea­ gent, katalizator lub tzw. promotor burzliwości i zwiększenia powierzchni kon­

aj

b)

Rys. 23.6. Reaktory kontaktowe: a) reaktor kontaktowy utleniania S 0 = > S 0 : 1 — komora pier­ ścieniowa, 2,3 — pierwsza i druga warstwa katalizatora, 4 — stożek zawirowujacy gaz, 5 trzecia i czwarta warstwa katalizatora, 6 — komora chłodząca; b) reaktor kontaktowy utleniania N H ; 1 — katalizator — siatki, 2 — wypełnienie, 3 — siatka oporowa 2

3

3

taktu faz, podobnie jak w procesach absorpcji z reakcją chemiczną w absor­ berach. Gdy wypełnienie pełni rolę katalizatora, jest wtedy używana nazwa reaktor katalityczny. Wypełnienie jest umieszczone na półkach lub rurach w postaci pojedynczej lub wielu warstw (rys. 23.6). Rozmiary granul kataliza­ tora wynoszą na ogół 2 - 5 mm. Mają one postać kul, tabletek, pierścieni i inne

specyficzne kształty. Nośniki katalizatorów są również wykonywane w postaci monolitycznych porowatych bloków o strukturze tzw. plastra miodu. Wymiary warstw katalizatora, tzn. średnica i wysokość wynoszą od kilku centymetrów do kilku metrów. W reaktorach z wypełnieniem, o dużej średnicy, mała szyb­ kość przenikania ciepła stwarza trudności w prowadzeniu i utrzymaniu właści­ wych warunków przebiegu procesu. Chłodzenie reagentów odbywa się w prze­ strzeni międzyrurowej, między stopniami wewnątrz lub na zewnątrz reaktora. Tylko wówczas gdy ciepło reakcji jest małe, reaktor można traktować jako adiabatyczny. Tego rodzaju reaktory są stosowane do utleniania dwutlenku siarki ( S 0 ) podczas produkcji kwasu siarkowego, w otrzymywaniu amoniaku, metanolu itp. W reaktorach z ruchomym wypełnieniem ciało stałe w postaci granulatu lub w kawałkach, stanowiąc zwykle katalizator, przesuwa się (opada) w dół aparatu. Reaktory są stosowane do pirolizy węglowodorów ciekłych, krakingu katalitycznego węglowodorów i innych. Reaktory z wypełnieniem są również stosowane do prowadzenia reakcji chemicznych w układzie gaz—ciecz. Instalacja procesowa jest podobna do stosowanej podczas absorpcji z reak­ cją chemiczną (rozdz. 18). Szybkość przenoszenia masy decyduje tu zwykle o ogólnej szybkości procesu chemicznego. W tego rodzaju reaktorach są m.in. wytwarzane kwas siarkowy, kwas azotowy, są również prowadzone procesy uwodornienia tłuszczów i wiele syntez związków organicznych. 2

23.5. R E A K T O R Y F L U I D A L N E W reaktorach fluidalnych wypełnienie odpowiednio rozdrobnione znajduje się w stanie rozproszonym — fluidalnym, na skutek przepływu jednego z rea­ gentów, płynu skierowanego do góry, co sprzyja dobremu mieszaniu i dużej szybkości przenoszenia strumienia masy i ciepła. Ciało stałe może być reagen­ tem, katalizatorem lub inertnym promotorem burzliwości i zwiększenia po­ wierzchni kontaktu faz. Fluidyzacja może być wywołana przepływem gazu lub cieczy i może również zachodzić w układzie trójfazowym. Procesy w układzie gaz—ciało stałe są prowadzone w stanie fluidyzacji pęcherzykowej i burzliwo-szybkiej — cyrkulacyjnej. Reaktory fluidalne znalazły duże zastosowanie do krakingu katalitycznego ropy naftowej, w tym szczególnie reaktory ze złożem cyrkulacyjnym (rys. 23.7). Kraking zachodzi głównie w przewodach transpor­ towych, zbiorniki natomiast spełniają funkcje separatorów produktu i zużytego katalizatora. Prócz tego reaktory fluidalne są stosowane do gazyfikacji, spalania węgla, kalcynacji wapna, sody i tlenku glinu, otrzymywania bezwodnika ftalo­ wego, spalania odpadów stałych i ciekłych itp. Często złoże fluidalne stanowi nośnik, na którym są prowadzone wysokotemperaturowe procesy krakingu i spalania. Układ fluidalny charakteryzuje się wysokimi współczynnikami prze•i

noszenia ciepła, rzędu 200 W/(m -K).

a)

Oaz

b)

Rys. 23.7. Reaktory fluidalne; a) reaktor ze złożem pęcherzykowym — kalcynator; 1 — korpus, 2 — półki rozdzielające, 3 — rury przesypowe; b) reaktor ze złożem cyrkulacyjnym; 1 — reaktor, 2 — wężownice chłodzące, 3 — zbiornik — separator wstępny, 4 — cyklony, 5 — podajnik celkowy

23.6. R E A K T O R Y CIŚNIENIOWE ( A U T O K L A W Y ) Reaktory ciśnieniowe w zależności od panującego w nich ciśnienia, są dzie­ lone na nisko- < 10 MPa, średnio- 10-30 MPa i wysokociśnieniowe > 3 0 MPa. Reaktory zbiornikowe z mieszadłem zamknięte hermetycznie i pracujące pod ciśnieniem są nazywane autoklawami (rys. 23.8). Osprzęt autoklawów jest podobny do wyposażenia reaktorów zbiornikowych, lecz ze zwiększonymi wymaganiami, wynikającymi z podwyższonych parametrów ciśnienia, tempera­ tury i itp. W reaktorach ciśnieniowych kolumnowych zasadniczą część aparatu stanowi korpus, który może być wykonany jako kuty, kuto-spawany lub nawi­ jany. Korpusy aparatów kuto-spawanych są wykonywane przez spawanie ku­ tych segmentów cylindrycznych. Metoda ta umożliwia wykonywanie aparatów do 20 m wysokości. Duże trudności wykonawcze i inne powodują, że aparaty te są stosowane rzadko. Większe zastosowanie znajdują powłoki nawijane, wielowarstwowe. Są one wykonywane przez nawijanie na wewnętrzną tuleję szeregu profilowanych warstw taśm stalowych, ogrzanych do temperatury 9 8 0 - 1 1 0 0 K. Końce taśm są zespawane i całość dodatkowo wzmocniona nakrę-

canymi pierścieniami. Podczas stygnięcia taśmy ściskają tuleję, co zapewnia korzystne warunki pracy aparatu pod wysokim ciśnieniem wewnętrznym.

Nośnik ciepła

Odpływ pary

Kon densał

Rys. 23.8. Autoklaw: 1 - zbiornik, 2 - pokrywa, 3 - mieszadło, 4 - pochwa termometru, 5 — przewód do doprowadzenia gazu, 6 — uszczelnienie dławicowe, 7 — sprzęgło, 8 — prze­ kładnia, 9 — silnik, 10 — wężownica

Uszczelnienia pokryw i króćców są wykonywane tak, że zapewniają absolutną szczelność aparatu w warunkach wysokich ciśnień i zmian temperatury. Do tego celu wykorzystuje się ciśnienie wewnątrz aparatu, a uszczelki wykonuje się z miękkich metali, takich jak miedź, żelazo, aluminium itp. W zależności

od rodzaju przekładek stosuje się uszczelnienia z deformacją plastyczną uszcze­ lek (rys. 23.9) i deformacją sprężystą (rys. 23.10). Uszczelnienia z deformacją a;

Rys. 23.9. Uszczelnienia z deformacją piastyczną uszczelek. Uszczelnienia: a i b) trójkątne, c i d) prostokątne

b)

Rys. 23.10. Uszczelnienia z deformacją sprężystą uszczelek. Uszczelki: a) soczewkowe, b) prostokątne

Rys. 23.11. Zamknięcia samouszczelniające aparatów wysokociśnieniowych: a i b) z uszczelką trójkątną, c) z uszczelnieniem dwustożkowym

sprężystą są stosowane w aparatach o średnicy do 300 mm i w rurociągach wysokociśnieniowych. W aparatach o większej średnicy są stosowane połącze­ nia dociskane lub samouszczelniające (rys. 23.11). Podłączenia przewodów (rurociągów) procesowych są umieszczone w pokrywach reaktora, gdyż korpus nie może być osłabiany otworami. Przykładem konstrukcji aparatu ciśnieniowe­ go może być reaktor do syntezy amoniaku (rys. 23.12), pracujący pod wyso­ kim ciśnieniem. Wypełnienie reaktora stanowią cztery rury, wstawione jedna w drugą. Rura zewnętrzna — izolacyjna stanowi ochronę dla płaszcza przed działaniem wysokiej temperatury. Rura wewnętrzna — karbowana służy do

odbioru ciepła od gazów odlotowych. Wewnątrz niej znajdują się rury, między którymi znajduje się katalizator. Na osi jest umieszczony podgrzewacz elek­ tryczny. 7

M Rys. 23.12. Reaktor ciśnieniowy syntezy NH : 1 — wlot mieszaniny reakcyjnej, 2 — wymiennik ciepła, 3 — katalizator, 4 - podgrzewacz elektryczny, 5 — wylot gazów poreakcyjnych, 6 — wlot gazów obiegowych 3

23.7. B I O R Ę A K T O R Y Bioreaktor jest główną częścią każdego procesu biochemicznego, w którym mikroorganizmy, komórki zwierzęce lub roślinne są stosowane do przetwarza­ nia i wytwarzania wielu produktów biologicznych. Główna funkcja, jaką speł­ nia bioreaktor, to kontrolowanie środowiska procesu w celu optymalnego wzro­ stu lub wytwarzania odpowiednich komórek w określonym środowisku. Na określenie bioreaktora jest również zamiennie stosowana nazwa fermenter. Stosowane są trzy grupy bioreaktorów typu zbiornikowego: — bez mieszania i aeracji, — bez mieszania i z aeracją, — z mieszaniem i z aeracją. Bioreaktory bez mieszania i aeracji stanowią zbiorniki stosowane tradycyj­ nie do okresowej produkcji wina, piwa, sera itp. Podział bioreaktorów z aeracją

i mieszaniem jest związany ze sposobem dystrybucji gazu, mieszaniem i prze­ pływem cieczy.

Powietrze

Rys. 23.13. Bioreaktory: a) barbotażowy, b) fluidalny, c) reaktor cyrkulacyjny z przegrodą wew­ nętrzną, d) reaktor z rurą cyrkulacyjną, e) reaktor z cyrkulacją zewnętrzną

Najczęściej stosowanym bioreaktorem jest klasyczny zbiornik z mieszadłem (rys. 23.13). Małe reaktory są wykonywane ze szkła, duże — ze stali kwasoodpornej. Stosunek wysokości do średnicy reaktora wynosi od 2:1 do 6:1, w za­ leżności od strumienia ciepła, jaki musi być odprowadzony. Mieszadło w wy­ sokich zbiornikach, wielowirnikowe, jest napędzane od góry lub dołu. W celu zapewnienia warunków dobrego mieszania, mieszalnik jest wyposażony w prze­ grody na ścianie bocznej, 4 dla zbiorników o średnicy mniejszej od 3 m i 6 - 1 2 dla zbiorników o większej średnicy, z chłodzeniem. Szerokość przegród wynosi 0,1-0,08 średnicy zbiornika. Stosowane są mieszadła turbinowe, otwarte z łopatkami prostymi i nachylo­ nymi, o liczbie łopatek 4-18, śmigłowe oraz specjalne — łapowe, dwułapowe z łapami nachylonymi przeciwnie. Liczba mieszadeł montowanych na wale zależy od wysokości cieczy w zbiorniku. Wysokość cieczy H powinna być wielokrotnością średnicy zbiornika D i wynosić ID, 2D lub 3D. Jeśli wyso­ kość H - D , to jest wystarczające jedno mieszadło, jeśli wysokość jest więk­ sza, to mieszadła powinny być odległe od siebie o D — średnicę zbiornika. Urządzenie rozpraszające gaz — bełkotka — powinna znajdować się w odleg­ łości co najmniej d/2 — połowy średnicy mieszadła od dna. Właściwa burzliwość jest zapewniona, jeżeli moc przekazana do cieczy jest >100 W/m lub liczba Froude'a jest > 0,1. W bioreaktorach, na skutek obecności w środowisku procesu substancji powierzchniowo-czynnych, często następuje tworzenie się piany, co komplikuje przebieg procesu i jest powodem zmniejszenia objętości roboczej reaktora, strat 3

produktu itp. Niszczenie piany w bioreaktorach stanowi często dużą trudność w eksploatacji. Do niszczenia piany są stosowane metody zarówno fizykoche­ miczne, oparte-na dodatkach niewielkich ilości określonych substancji natural­ nych i syntetycznych, jak i fizyczne. W metodach fizycznych na odlocie gazu z reaktora są instalowane destruktory piany: akustyczne, elektryczne, mechani­ czne, oparte m.in. na destrukcji piany w polu działania siły odśrodkowej. Bioreaktory, ze względu na konieczność zapewnienia sterylnych warunków prze­ biegu procesu, muszą być szczelne. Wymagane są specjalne dławice uszczel­ niające dla obracającego się wału mieszadła. a)

b) Powietrze

c}

dj

Powie trze

Rys. 23.14. Sposoby podawania powietrza do bioreaktorów: a) ekran (przegroda) rozpraszająca, b) bełkotka (barboter) rurowa, c) półka — przegroda porowata, d) stożek rozpraszający

Bioreaktory z aeracją strumienia powietrza są budowane w wielu odmia­ nach (rys. 23.14). Powietrze jest podawane bełkotką — dyskiem rozpraszają­ cym, od dołu, do centralnie umieszczonej rury cyrkulacyjnej. W wyniku tego gęstość płynu w rurze zmniejsza się, co powoduje przepływ mieszaniny do górnej części bioreaktora, gdzie jest nadmiar tlenu i uwalnia się dwutlenek węgla ( C 0 ) . „Odgazowana ciecz" spływa w dół w przestrzeni pierścieniowej bioreaktora. W biorektorach o dużej pojemności zasialnie surowcami biologicz­ nymi i powietrzem odbywa się w kilku punktach. Chłodzenie może być wyko­ nywane przez zainstalowanie wewnętrznego wymiennika w rurze cyrkulacyjnej lub w zewnętrznej pętli cyrkulacji. Do zalet bioreaktorów z aeracją zalicza się: — małe ścinanie, co pozwala na wzrost mikroorganizmów i komórek zwie­ rzęcych, v — łatwe utrzymanie warunków sterylnych, — możliwość budowy zbiorników do 60 m wysokości i ok. 7 m średnicy z dobrymi warunkami dla rozpuszczalności tlenu i współczynnikami K a. Wady tego rodzaju bioreaktorów są następujące: — trudności w utrzymaniu stałych warunków procesowych w reaktorze, — mało sprawna separacja piany w górnej części reaktora, — wysoki koszt inwestycyjny przy dużej skali zbiornika, — wysokie zużycie energii. 2

L

23.8. D O B Ó R R E A K T O R A Dobór reaktora do prowadzenia procesu chemicznego jest przedsięwzięciem złożonym i odpowiedzialnym. Gdy wybiera się reaktor katalityczny, do dyspo­ zycji są wówczas reaktory z warstwą nieruchomą, fluidalną i tzw. reaktory zawiesinowe. Zaletą reaktorów z warstwą nieruchomą jest przepływ zbliżony do tłokowe­ go, z dużym stopniem konwersji, możliwość zmian w dużym zakresie parame­ trów operacyjnych i czasu kontaktu, możliwość pracy pod wysokim ciśnieniem, minimalna erozja katalizatora i reaktora, prosta obsługa i niski koszt. Reaktory katalityczne z nieruchomą warstwą są preferowane wtedy, gdy właściwa akty­ wność katalizatora jest dłuższa niż 3 miesiące. Reaktory fluidalne i zawiesinowe charakteryzują się łatwością wymiany i regenaracji katalizatora, dobrym mieszaniem, możliwością stosowania cząstek katalizatora o małych rozmiarach. Reaktory katalityczne ze złożem fluidalnym są stosowane wtedy, gdy dezaktywacja katalizatora jest szybka i jest koniecz­ na jego regeneracja, gdy prowadzone reakcje są szybkie i egzo- lub endotermiczne. Dobór bioreaktora do określonego procesu biochemicznego jest zagadnie­ niem złożonym pod względem technologicznym i ekonomicznym. Podstawowe znaczenie w wyborze typu bioreaktora ma mechanizm procesu i czynniki wpły­ wające na jego kinetykę. Dalszym jest wydajność odniesiona do masy podsta­ wowego produktu uzyskiwanego z jednostki objętości w jednostce czasu.

LITERATURA [1] SZARAWARA J., SKRZYPEK J., GAWDZIK A., Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT, Warszawa 1991. [2] COULSON J.M., RlCHARDSON J.F., Chemical Engineering, Vol. 6, Pergamon Press, Oxford — New York 1983. [3] SCRAGG A.H., Bioreactors in Biotechnology, Ellis Horwood Ltd, New York 1991. :4] WALAS S.M., Chemical Process Eąuipment. Selection and Design, Butterworths, Boston — London 1988.

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA [1]

[2] [3] [4] [5]

H., MŁODZIŃSKI B., Aparatura przemysłu chemicznego, WNT, Warszawa 1983. LAŚĆINSKIJ A.A., TOLĆINSKIJ A.R., Osnovy konstruirovanija i rasćeta chmićaskoj apparatury, Izd. 2, Izdatel. Maszinostroenie, Leningrad 1970. PlKOŃ I , Aparatura chemiczna, PWN, Warszawa 1983. Atlas konstrukcji aparatury chemicznej, Red., J. Pikoń, PWN, Warszawa 1981. SELECKI A., G R A D O Ń L., Podstawowe procesy przemysłu chemicznego, WNT, Warszawa, 1985. BŁASIŃSKI

[6] SMITH R., Chemical Process Design, McGraw-Hill Comp., New York 1995. [7] Encyklopedia of Chemical Engineering Technology, Vol. 15. 4th ed., John Wiley & Sons, New York 1995. [8] Wymiana ciepłą: tablice i wykresy, wyd. 8, Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1991. [9] Katalog Norm Branżowych 1993. Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości, Wyd. „ALFA", Warszawa 1993.