Основные процессы, аппараты и технологии материальных

В. А. Москинов, Н. С. Звиденцова, И. Л. Швайко
ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, АППАРАТЫ
И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛЬНЫХ
ПРОИЗВОДСТВ КУЗБАССА
Кемерово 2010
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра экспериментальной физики
В. А. Москинов, Н. С. Звиденцова, И. Л. Швайко
ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ, АППАРАТЫ
И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛЬНЫХ
ПРОИЗВОДСТВ КУЗБАССА
Учебное пособие
по курсу
«Современные технологии Кузбасса»
Кемерово 2010
УДК 66.02/.09
ББК Л11(2Рос53-4Ке)я73+Л523я73+К3я73
М 82
Печатается по решению редакционно-издательского совета
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Рецензенты:
доктор химических наук, профессор Е. И. Кагакин,
доктор технических наук А. Р. Богомолов
Москинов, В. А.
М 82 Основные процессы, аппараты и технологии материальных
производств Кузбасса: учебное пособие / В. А. Москинов, Н. С.
Звиденцова, И. Л. Швайко; ГОУ ВПО «Кемеровский государствен­
ный университет». – Кемерово, 2010. – 69 с.
ISBN
В учебном пособии рассматриваются основные технологии
многоотраслевого промышленного комплекса Кузбасса, дана общая
характеристика и теоретические основы типовых технологических
процессов и аппаратов химической, угольной и металлургической
промышленности региона. Рассмотрены основные характеристики
и назначение производимой продукции промышленного сектора
Кузбасса.
Учебное пособие предназначено для студентов 4 курса физиче­
ского факультета.
ISBN
ВВК Л11(2Рос53-4Ке)я73+Л523я73+К3я73
© Москинов В. А., Звиденцова
Н. С., Швайко И. Л., 2010
© ГОУ ВПО «Кемеровский
государственный университет»,
2010
3
Содержание
Введение………………………………………………………………..4
1. Научные основы технологии…………………………………….....6
1.1. Общая характеристика и классификация технологий………......6
1.2. Общие сведения о промышленности Кузбасса………………….9
2. Теоретические основы технологических процессов…………….11
2.1. Сырье современных производств……………………………….14
3. Механические процессы в технологии…………...........................18
3.1. Перемещение твердых материалов………………………..........18
3.2. Измельчение твердых материалов...……………………………20
3.3. Классификация (сортировка) материалов.......…………………25
3.4. Типы грохотов и способы грохочения………………….........…26
3.5. Гидравлическая классификация и воздушная сепарация..……27
4. Гидромеханические процессы…………………………….....……29
4.1. Материальный баланс потока…………………………...........…29
4.2. Энергетический баланс…………………………………........….30
4.3. Режимы движения вязкой жидкости …………………….......…31
4.4. Элементы теории подобия………………………………........…32
4.5. Движение тел в жидкости……………………………….....……33
4.6. Перемещение жидкости………………………………….......….33
4.7. Разделение неоднородных систем……………………….......…35
5. Тепловые процессы и аппараты…………………………..………39
6. Массообменные технологические процессы……………….……43
7. Технологии основных производств Кузбасса……………....……46
7.1. Технология производства каменноугольного кокса……..……46
7.2. Производство чугуна и стали……………………………...……48
7.3. Производство алюминия…………………………………...……54
7.4. Технологии связанного азота…………………………….......…57
7.4.1. Производство аммиака……………………………….......……57
7.4.2. Производство азотной кислоты……………………........……59
7.4.3. Производство карбамида…………………………….......……61
7.5. Технологии переработки полимеров…………………...………65
8. Список рекомендованной литературы…………………….......…69
4
Введение
Одной из задач высшего профессионального образования
является выработка в процессе обучения умений и компетентность
по практическому использованию теоретических знаний. Ее
решению способствует включение в программу подготовки студен­
тов по специальности 010701 «Физика» изучения курса «Современ­
ные технологии Кузбасса».
Цель изучения курса – на примере современных технологий и
технических средств многоотраслевого промышленного комплекса
Кузбасса освоить методологию и ознакомиться с основными
приемами использования научных знаний при разработке необхо­
димых для развития новых материалов и производственных про­
цессов. Эта цель достигается в результате изучения теоретических
основ технологических процессов; ознакомления с методами и
аппаратурой типовых технологических процессов; принципами
проведения инженерных расчетов; технологическими процессами;
используемыми на основных металлургических и химических
производствах Кузбасса; основными характеристиками и назначе­
нием производимой продукции; приобретения практических
навыков при исследовании отдельных технологических процессов
и умений работать в команде.
Место дисциплины в профессиональной подготовке специа­
листов определяется решаемыми в процессе ее изучения задачами
и состоит в подготовке студентов к практической деятельности в
реальных условиях и в получении ими знаний о состоянии и пер­
спективах развития промышленного сектора Кемеровской области.
Структура учебной дисциплины. Курс включает в себя
изучение общих характеристик и теоретических основ технологи­
ческих процессов, рассмотрение способов осуществления механи­
ческих, гидромеханических, тепловых и массообменных процессов,
ознакомление с основными технологиями промышленности
Кузбасса, назначением и основными свойствами производимой
продукции, освоение принципов проведения инженерных расчетов,
практическое исследование некоторых механических, гидромеха­
нических и тепловых процессов.
5
Особенности изучения дисциплины определяются спецификой
естественнонаучного образования, не включающего в себя рассмот­
рение решения технических и инженерных задач в практических
интересах, и недостаточностью навыков совместной творческой
работы в составе коллектива (команды).
Организация изучения курса включает проведение лекцион­
ных, практических, лабораторных и самостоятельных занятий. На
лекциях представляется основной материал по общим характери­
стикам и теоретическим основам технологических процессов,
рассматриваются отдельные процессы, наиболее широко применя­
ющиеся в промышленном секторе Кузбасса, а также технологии
производства и свойства основных видов промышленной продук­
ции. На практических занятиях осваивается методология инженер­
ных расчетов технологических процессов и оборудования. Плани­
руются студентами на основании поставленных преподавателем
задач и технических описаний установок и выполняются коллекти­
вами из 3-4 человек. На самостоятельную работу выносятся озна­
комление с научно-технической литературой по курсу, завершение
инженерных расчетов и оформление результатов практических и
лабораторных работ.
6
1. Научные основы технологии
1.1. Общая характеристика и классификация технологий
Технология – наука о наиболее экономичных способах и процес­
сах переработки исходных материалов (сырья) в конечные или про­
межуточные продукты, предметы потребления, средства произ­
водства; совокупность определенных методов и процессов в опре­
деленной отрасли производства, а также научное описание
способов производства (отрасль промышленности – это совокуп­
ность предприятий и организаций, изготавливающих продукцию,
сходную по своему назначению и применяющих в своем произ­
водстве сходные технологию и сырье).
Любой технологический процесс представляет собой совокуп­
ность операций (стадий, звеньев) по переработке сырья в полуфа­
брикаты или готовую продукцию, осуществляемых в определен­
ных, заранее установленных условиях с помощью соответствую­
щих технических средств (аппаратуры, оборудования и т.п.).
Каждый технологический процесс может быть расчленен на опре­
деленное число типовых технологических звеньев и операций и
представлен в виде технологической схемы – последовательности
этих операций с описанием условий их проведения и используемо­
го оборудования. Выявление типовых технологических процессов,
установление их особенностей и влияния условий их проведения на
качество получаемого продукта, разработка общих принципов оп­
тимизации и установления эффективных условий проведения про­
цессов составляют основные задачи технологии как науки. Своим
прогрессом технология в первую очередь обязана достижениям
фундаментальных (физике, химии, математике, биологии, междис­
циплинарных областей знаний) наук и других наук о природе, воз­
никших на их основе инженерных наук и техники.
Технология теснейшим образом связана с экономикой, которая, в
конечном счете, и определяет цели и направления ее развития.
Человек живет в мире ограниченных возможностей, в частности и
ограниченных ресурсов. Задача выбора направлений и способов
удовлетворения потребностей людей при ограниченных ресурсах и
решается экономикой. В условиях монетарной (денежной) эконо­
мики этот выбор делается на основании анализа сопоставления
7
денежных выражений (деньги – средства обращения, которое функ­
ционирует как единица учета и средство сбережения) затрат и
выгод при использовании альтернативных технологий. К экономи­
ческим критериям относятся цена и себестоимость продукции и
прибыль, определяемые затратами на производство продукции.
Технологии определяют технико-экономические показатели любых
производств. Важнейшими из них являются себестоимость и
качество продукции.
Современное развитие технологий связано с необходимостью
следования требованиям законодательства в области охраны окру­
жающей среды, т.е. реализации комплекса международных, госу­
дарственных и региональных, административно-хозяйственных, по­
литических и общественных мероприятий по обеспечению функци­
онирования природных систем в пределах, необходимых для
здоровья и благосостояния человека. Таким образом, возникла и
становится все более важной связь между технологией и экологией.
В основе разнообразных способов переработки сырья лежат
несколько групп технологических процессов, отличающихся харак­
тером качественных изменений и превращений сырья. Физические
и механические процессы характеризуются изменением внешней
формы и физических свойств сырья, причем внутреннее строение и
состав вещества которого, как правило, сохраняются. К таким про­
цессам относятся, например, переработка металлических и неме­
таллических материалов в изделия (литье, пластическая деформа­
ция, обработка конструкционных материалов резанием, изготовле­
ние неразъемных соединений сваркой, пайкой, клепкой, механосбо­
рочные процессы и др.). Химические процессы характеризуются не
только изменением физических свойств, но и агрегатного состоя­
ния и химического состава и структуры (внутреннего строения
вещества). Они лежат в основе производства металлов, строитель­
ных материалов, полимеров, пигментов и красителей, лекарствен­
ных веществ, полупроводниковых материалов и изделий на их
основе, удобрений и средств защиты растений, товаров бытовой
химии, ядерного горючего и радиоактивных изотопов и т.д. Вне за­
висимости от вида производимой продукции, химические реакции,
используемые в технологии, могут быть классифицированы по ме­
ханизму и химизму, фазовому состоянию реагентов и катализато­
8
ров, тепловому эффекту, кинетическому порядку и молекулярно­
сти, способу активации реакции. Используемые классификации
процессов полезны, поскольку подчеркивает общие закономерно­
сти, но условны, т.к. очень часто различные реакции сопутствуют
друг другу.
Отметим классификации технологических процессов и по другим
основаниям. В зависимости от законов, определяющих скорость
протекания, процессы могут быть подразделены на гидродинами­
ческие, тепловые, массообменные, химические и механические. По
способу организации они делятся на периодические, непрерывные
и комбинированные, а по кратности обработки – на процессы с
разомкнутой (открытой) схемой, процессы с замкнутой схемой и
комбинированные процессы.
Показатели, характеризующие производства, подразделяются на:
технологические – производительность (количество продукта,
вырабатываемого в единицу времени), расходные коэффициенты
(количества сырья, материалов, энергии на единицу продукции),
выход продукта (отношение количества полученного продукта к
теоретически возможному), степень превращения (отношение коли­
чества вещества превращенного в продукт к его исходному количе­
ству);
экономические – себестоимость продукции (суммарные затраты
в денежном исчислении на производство единицы продукции,
включающие затраты на используемые в технологическом процессе
сырье и материалы, капитальные затраты, затраты на оплату труда,
отчисления в бюджет), производительность труда (количество
продукта, вырабатываемого в единицу времени в расчете на одного
работающего), удельные капитальные затраты (затраты на сооруже­
ния и оборудование, отнесенные к единице производительности);
эксплуатационные – надежность, характеризуемая временем
безаварийной работы, безопасность, характеризуемая вероятностью
нарушений работы, приводящих к нанесению вреда, степень авто­
матизации и механизации, учитывающая долю ручного труда.
9
1.2. Общие сведения о промышленности Кузбасса
Промышленность Кузбасса производит около 3% (в стоимостном
выражении) продукции России. В промышленном секторе региона
сосредоточено 50% оборота, 50% инвестиций в основной капитал,
20% основных фондов, работают около 250 тыс. человек. Ведущая
роль принадлежит промышленным комплексам по добыче и пере­
работке угля, железных руд и разнообразного нерудного сырья для
металлургии и стройиндустрии. В Кузбассе работают более 50
шахт и более 30 угольных разрезов. Ежегодно добывается более
170 млн. тонн угля, свыше 2.5 млн. тонн железной руды и более 5.7
млн. куб. м материалов для стройиндустрии. Основными отраслями
промышленности Кузбасса являются (в скобках указана примерная
доля продукции соответствующей отрасли в % ее стоимости от
валового продукта области): электроэнергетика (11) – электро­
энергия; топливная (31) – уголь, в том числе энергетический и для
коксования; черная металлургия (42) – чугун, прокат сортовой
(рельсы железнодорожные широкой колеи, балки и швеллеры),
сортовая углеродистая конструкционная сталь, крупно-, средне- и
мелкосортная сталь, листовой прокат (из него толстолистовой
прокат, толстолистовая сталь, листовая конструкционная горячека­
таная сталь), стальные трубы, ферросилиций, кокс; цветная метал­
лургия (2) – алюминий первичный; химическая и нефтехимиче­
ская (3) – сода каустическая, серная кислота, аммиак, минеральные
удобрения, синтетические смолы, в основном формальдегидные), и
пластические массы; машиностроение и металлообработка (5) –
магистральные грузовые вагоны, машины для городского комму­
нального хозяйства, краны на гусеничном и автомобильном ходу
оборудование для добычи полезных ископаемых, в том числе: кон­
вейеры шахтные скребковые, шахтные вагонетки, оборудование
для металлургии и для изготовления пищевых продуктов, краны на
пневмоколесном ходу, универсальные сельскохозяйственные по­
грузчики, взрывобезопасные электродвигатели, деревообрабатыва­
ющие и металлорежущие станки, бытовые электроприборы, акку­
муляторы и щелочные аккумуляторные батареи; лесная, деревооб­
рабатывающая и целлюлозно-бумажная (0.3) – пиломатериалы,
мебель, гофрированный картон, бумажная и картонная тара,
10
дверные и оконные блоки; строительных материалов (1.3) –
цемент, кирпич, нерудные строительные материалы, сборные желе­
зобетонные конструкции и изделия; легкая (0.2); пищевая (2.9) –
колбасные изделия, молоко, сметана, творог, хлеб, хлебобулочные
и кондитерские изделия, макаронные изделия, спирт этиловый из
пищевого сырья, водка, пиво; мукомольно-крупяная и комбикор­
мовая (0.5); медицинская (0.2) – антибиотики, витаминные препа­
раты.
11
2. Теоретические основы технологических процессов
Теоретическим фундаментом наук о технологиях материального
производства являются законы сохранения массы, энергии и
импульса (принимают при расчетах форму уравнений балансов),
законы термодинамического равновесия (определяют направления
процессов переноса, границ его протекания и движущие силы
процессы) и законы переноса массы, энергии и импульса.
В основе методологии составления материальных и энергетиче­
ских балансов лежат законы сохранения материи и энергии. В
каждом технологическом процессе масса введенных в него матери­
алов должно быть равна сумме масс получаемых основных и про­
межуточных продуктов и отходов производства. Этот факт отража­
ется в материальном балансе, который может быть составлен как
для производства в целом, так и для отдельных технологических
процессов и операций вне зависимости от их характера условий и
продолжительности протекания. Он может составляться для одного
аппарата, для его части или для группы аппаратов, а также для вы­
бранного промежутка времени. В случае использования в произ­
водственном процессе химических превращений веществ при со­
ставлении материального баланса используются результаты стехио­
метрических расчетов соответствующих химических реакций. Ма­
териальные балансы обычно представляются в виде таблиц, в
первой группе столбцов которых приводятся вводимые в процесс
вещества, материалы, компоненты и их количества, а во второй –
получаемые продукты, полупродукты, отходы и их количества. По
данным балансов определяют потоки сырья, готовой продукции,
побочных материалов, отходов производства, расходы воды, тепло­
носителей и т.п.
Энергия может вводиться в процесс или отводиться вмести с
участвующими в нем веществами или отдельно от них. К энергии,
вводимой и отводимой из процесса отдельно от участвующих в нем
веществ, относятся тепло, подводимое в аппарат путем его
обогрева, механическая работа, затрачиваемая на перемещение реа­
гентов и продуктов, тепло, теряемое аппаратом в окружающую
среду. По закону сохранения энергии количество энергии, введен­
ной в процесс, должно быть равно количеству, полученному в ре­
12
зультате проведения процесса, т.е. приход и расход энергии
должны быть равны. Это равенство отражается в энергетическом
и/или тепловом балансе, составляемом на основании материаль­
ного баланса и оформляемого в виде таблиц. Эти таблицы содержат
столбцы «приход», в которых приводятся источники и количества
поступающей и выделяющейся в процессе энергии, и столбцы
«расход», содержащих составляющие потерь энергии и количества
энергии, теряемой в каждом случае. Слагаемые энергетического
(теплового) баланса рассчитываются по общеизвестным формулам,
берутся из справочной литературы или из результатов исследова­
ний процесса. Общим выражением энергетического баланса для
многих технологических процессов является уравнение Бернулли.
Термодинамическое равновесие рассматривается в курсах физи­
ческой химии и термодинамики. В большинстве технологических
процессов производится направленное изменение макроскопиче­
ских свойств участвующих в процессе веществ путем различных
воздействий (теплотой, внешними силовыми полями, давлением и
др.), приводящих к переносу субстанций – энергии, массы
импульса. Предельным состоянием таких воздействий является по­
движное равновесие. Равновесным называют такое состояние
системы, которое не изменяется во времени, и перенос вещества
и/или энергии отсутствует. Если между компонентами системы
происходят химические взаимодействия, то в состоянии равновесия
скорости прямых и обратных реакций одинаковы. При постоянстве
внутренней энергии, объема и числа молей компонентов системы
условие термодинамического равновесия заключается в том, что
энтропия изолированной системы имеет условный максимум, а тер­
модинамические потенциалы – условный минимум. Возможность
равновесия фаз определяемся правилом фаз, в соответствии с
которым сумма числа фаз и числа степеней свободы (минимально­
го числа параметров, например давление, температура, концентра­
ция, которые можно изменять независимо друг от друга, не
нарушая равновесия системы) равна сумме числа независимых
компонентов системы и числа внешних факторов, влияющих на по­
ложение равновесия в данной системе.
Процессы переноса массы, импульса энергии имеют причиной
пространственные неоднородности состава, скорости движения
13
частиц системы и пр. и происходят в направлении, обратном гради­
енту соответствующей физической величины, что приближает
систему к равновесию. Количественно процессы переноса удовле­
творительно описываются для переноса теплоты уравнением
Фурье-Кирхгофа, переноса массы – первым и вторым законами
Фика, переноса количества движения – уравнением Навье-Стокса.
Технологические процессы проводятся в специальной аппарату­
ре, имеющей различные объемы, форму, конструкцию, влияющих,
в конечном счете, на условия их протекания. Особенности условий
позволяет учесть теория подобия – учение о подобии различных
объектов (физических явлений, процессов аппаратов, систем), отли­
чающихся масштабами, геометрией или физической природой. Это
достигается установлением критериев подобия разных объектов,
изучения их свойств с помощью этих критериев и обобщения на
другие условия результатов решения конкретных задач при невоз­
можности нахождения их полных решений.
Временные закономерности химических технологических про­
цессов описываются химической кинетикой – разделом физиче­
ской химии, изучающим химическую реакцию как процесс, проте­
кающий во времени, механизм этого процесса. его зависимость от
условий осуществления.
Материальный и энергетический балансы, условия равновесия,
закономерности переноса, теория подобия, закономерности и
методы химической кинетики используются для проведения техно­
логических расчетов при проектировании новых производств и
анализа существующих процессов. Например, основными задачами
расчетов технологического оборудования являются определение
расхода энергии, пара, воды и других теплоносителей на основании
энергетического баланса и определение размеров аппарата для
обеспечения заданной производительности или производительно­
сти аппаратов по их заданным размерам на основании материально­
го баланса и данных по кинетике процесса.
При организации нового производства или реконструкции су­
ществующего предварительно производятся расчеты, основными из
которых являются технологические, конструкторские, экономиче­
ские, строительные. Эти расчеты с соответствующими чертежами,
схемами и пояснениями составляют проект нового производства.
14
Важнейшую информацию о производстве дает технологическая
схема, которая состоит из описания технологического процесса и
графического изображения соответствующих аппаратов и техноло­
гических линий, снабжается спецификацией оборудования и при­
вязкой контрольно-измерительных и регулирующих приборов.
Обычно проекты разрабатываются в несколько стадий. Первая
стадия – разработка исходных данных для проектирования обычно
заключает научно-исследовательскую опытно-конструкторскую
разработку (НИОКР). Ее результатом является подробное описание
технологического процесса, включающее материальный и энерге­
тический балансы и технические требования к аппаратуре, посред­
ством которой он должен реализовываться. На основании исходных
данных разрабатывается технико-экономическое обоснование
(ТЭО) в котором выбирается и обосновывается место строительства
и метод производства, источники и расходы сырья и энергоресур­
сов, производится расчет основных процессов и аппаратов, опреде­
ляется объем и стоимость строительства, потребность в кадрах и
способы ее удовлетворения, себестоимость основной продукции и
технико-экономическая эффективность производства. Завершаю­
щей стадией проектирования является разработка рабочего проекта,
содержащего проектную документацию, в соответствие с которой
осуществляется строительство зданий и сооружений, а также
монтаж технологического оборудования.
2.1. Сырье современных производств
Сырьем называют вещества природного или синтетического
происхождения. используемые в производстве промышленной про­
дукции. Сырье – важнейший элемент всякой технологии, а его
качество, доступность и стоимость в значительной степени опреде­
ляют технико-экономические характеристики производства. По
мере развития производств появляются новые виды сырья и расши­
ряется сырьевая база. Все чаще оказывается возможным использо­
вать в качестве сырья различные отходы производства. Часто в
качестве сырья используются полуфабрикаты или полупродукты,
являющиеся продуктом других производств. Сырье классифициру­
ют по происхождению, запасам (возобновляемое, невознобновляе­
15
мое), составу (органическое, неорганическое) и агрегатному состоя­
нию (твердое, жидкое, газообразное). По происхождению различа­
ют:
минеральное сырье, которое подразделяют на рудное – горные
породы, включающие минералы, содержащие целевые элементы
(не содержащие их примеси называют пустой породой), обычно
металлы (моно-, би- и полиметаллические руды); нерудное, не яв­
ляющееся источником металлов, хотя может их содержать, – из­
верженные, осадочные и метаморфические горные породы (фосфо­
риты. апатиты, алмазы, графит, гранит, базальт, гипс, известняк,
мрамор, кварцит и др.); горючее, использующееся как топливо и
химическое сырье (уголь, торф, сланцы, нефть, природный газ);
вода и воздух;
растительное и животное сырье (пищевое и техническое) –
продукты живой природы, например, древесина, хлопок, масла,
жиры, белки и пр., содержащие различные органические вещества.
Минеральное сырье добывается в результате горных работ.
Добыче полезных ископаемых предшествует их разведка, которая
отыскивает месторождения, определяет качество и количество по­
лезного ископаемого, устанавливает основные элементы его залега­
ния и характер окружающих пород. Методы добычи подразделяют­
ся на подземные (шахтные) и открытые. Подземная добыча начи­
нается с проходки (выемки породы и установления ствола, крепле­
ний и т.д.), а затем приступают к очистным работам – извлечению
полезных ископаемых. Открытая добыча включает два комплекса
работ – вскрышку (удаление пустых пород) и выемку полезного ис­
копаемого. Выбор способа добычи зависит от глубины залегания
пласта и объема необходимых работ. Большинство рудных ископа­
емых добывается шахтным способом. Добыча угля производится
как шахтным, так и открытым способом. Строительные материалы
добываются преимущественно открытым способом. Источником
растительного и животного сырья являются земельные, лесные и
водные ресурсы, а их добыча преимущественно является сезонной.
Вода в промышленности используется в качестве сырья, химиче­
ского реагента, растворителя, среды, теплоносителя, абсорбента,
экстрагента и т.д. В технологии преимущественно используется
пресная вода, получаемая из природных источников. В зависимости
16
от назначения техническую воду подразделяют на энергетическую
(используется для получения пара и обогрева оборудования и поме­
щений), охлаждающую (для теплообменных аппаратов) и техноло­
гическую (средообразующая, промывная и реакционная). От назна­
чения зависят и требования к качеству технологической воды.
Основными показателями ее качества являются общая жесткость,
содержание некоторых примесей (диоксид кремния, медь, железо и
др), рН, цветность и пр.. Соответствие воды требованиям достига­
ется в результате водоподготовки – комплекса технологических
процессов, обеспечивающих очистку воды от механических
примесей, коллоидных и взвешенных частиц, растворенных солей и
газов. Для подготовки воды к технологическому процессу (водо­
подготовки) применяются коагулирование, отстаивание, фильтра­
ция, умягчение, обессоливание, дегазация, обеззараживание.
Воздух в промышленности используется в качестве сырья,
реагента и для технологических целей. Энергетическое применение
воздуха связано с использованием кислорода как окислителя при
сжигании разного топлива. Состав воздуха (об.%): азот -78.09,
кислород – 20.95, аргон – 0.932, диоксид углерода – 0.032. Кроме
того, в воздухе обычно содержаться неон, гелий, криптон, оксид
азота, водород и озон, а также пары воды в количестве 0.02 -4.0 %
(мас.), диоксид серы, метан, аммиак и др. Перед подачей воздуха в
технологический процесс производят его очистку от механических
примесей. Для этих целей используют пылеосадительные камеры,
циклоны, скрубберы, тканевые фильтры, волокнистые фильтры,
электрофильтры.
Для получения сырья с возможно большим содержанием
полезных веществ или элементов производят его обогащение. По­
лучаемые в результате фракции с большим содержанием полезных
компонентов называются концентратами, а обедненные ими
фракции – хвостами. Способ обогащения определяется свойствами
полезного ископаемого и основных его компонентов. На практике
используются различные виды обогащения. К механическому обо­
гащению относятся грохочение – разделение измельченной руды на
фракции по крупности (твердые минералы концентрируются в
крупных фракциях), гравитационное разделение (бывает сухим и
мокрым) – разделение частиц породы по плотности по скорости их
17
осаждения в воздушной или жидкой среде, электромагнитная се­
парация – разделение компонентов породы, основанное на исполь­
зовании различий в магнитных свойствах, и др. К физико-химиче­
ским способам обогащения относится флотация, при которой
благодаря использованию флотореагентов (пенообразователей, со­
бирателей, регуляторов и активаторов) компонентам породы прида­
ется различная смачиваемость и они могут быть разделены в
процессе пенообразования. Растительное и животное сырье перед
направлением в производство также обогащают – сортируют, пере­
бирают и очищают. Из полученных концентратов необходимые
продукты (металлы, неметаллы, химические соединения и т.д.)
получают методами металлургии, гидрометаллургии и химиче­
ской технологии.
Все технологические процессы в промышленности связаны с
затратой или выделением энергии. Затраты энергии требуются как
при проведении основного процесса, так и при перемещениях
сырья, полупродуктов, готовой продукции, теплоносителей, воды,
воздуха, осуществлении вспомогательных процессов (измельчении,
классификации, сушки, нагревании) и т.п. В промышленности ис­
пользуются в основном электрическая и тепловая формы энергии.
В последнем случае в качестве теплоносителей используются
топочные газы, водяной пар, перегретая вода, органические тепло­
носители. Показателем энергоемкости процесса служит расход
энергии (в Дж или кВт-час) на единицу получаемой продукции. Он
неодинаков для различных производств. Так на производство 1 т
алюминия требуется около 20000кВт-час, 1 т магния – 18000 кВтчас, фосфора – 15000 кВт-час, а 1 т аммиачной селитры и суперфос­
фата – 10 и 5 кВт-час соответственно. Частным случаем коэффици­
ента использования энергии (К.И.Э.) является тепловой К.П.Д.
процесса. Во многих производствах К.И.Э. еще довольно низок и
составляет 40-60%. Например, К.И.Э. паротурбинных электростан­
ций составляет около 40%, а процесса обжига известняка – 65%.
Сбережение энергии является важной задачей разработки новых и
совершенствования существующих технологий.
18
3. Механические процессы
3.1. Перемещение твердых материалов
Для перемещения твердых материалов в пределах предприятия
применяются подъемно-транспортные устройства, которые разде­
ляются на:
• устройства непрерывного транспорта;
• устройства периодического транспорта.
По направлению перемещения различают:
• устройства для горизонтального (или слабонаклонного) переме­
щения;
• устройства для вертикального (или крутонаклонного) перемеще­
ния;
• устройства для смешанного (пространственного) перемещения.
В зависимости от рода материала различают устройства для пере­
мещения сыпучих (порошкообразных и кусковых материалов, пере­
мещаемых навалом) материалов и штучных грузов, имеющих опре­
деленную форму (части машин, кирпич, заготовки из металла и
др.) или упакованных в тару (мешки, бочки, барабаны, ящики).
Периодическая транспортировка осуществляется при помощи ва­
гонеток, подъемников, кранов и других устройств.
Классификация устройств непрерывного транспорта применяют­
ся для горизонтального (ленточные, пластинчатые, скребковые,
винтовые, вибрационные транспортеры и пневматические транс­
портные желоба), вертикального (элеваторы) и смешанного (транс­
портеры с погруженными скребками, устройства пневматического
и гидравлического транспорта) перемещения сыпучих материалов.
Некоторые характеристики транспортеров:
•
ленточные: длина – до 200 м, ширина ленты – 400-1400 мм,
наклон – до 22О, скорость – 0.5- 2 м/с (штучные грузы – 0.5-0.8
м/с, материал ленты – прорезиненная ткань, металл;
•
пластинчатые: бесконечная лента из шарнирных цепей с при­
крепленными пластинами, длина – до 150 м, наклон – до 45О,
скорость – 0.2-0.6 м/с ;
•
скребковые: неподвижный желоб, в котором движется цепь с
прикрепленными скребками, длина – до 60 м, наклон – до 45О,
19
скорость – 0.25 – 0.45 м/с;
•
винтовые: закрытый желоб, в котором вращается винтооб­
разный вал длина – до 40 м, диаметр винта (dВ) – 100-600 мм,
число оборотов винта в минуту n = a / (dВ)1/2, где a = 30-60;
•
вибрационные: длина – до 100 м, производительность – до 250
т/час;
•
элеваторы: бесконечные ленты (цепи), к которым прикреплены
ковши, высота – до 40 м, скорость ленты – 0.6-1.5 м/с (для
тяжелых материалов – 0.4-0.6 м/с), угол наклона – 900 или 45-700
(для обеспечения разгрузки), ширина ковша – 135-900 мм,
емкость - 0.65-130 л;
•
пневматический транспорт осуществляется по трубопроводу
при помощи движущегося воздуха и применяется при перемеще­
нии сухих порошкообразных и мелкозернистых материалов:
- транспорт в разряженной фазе – скорость воздуха: от 8 до 35
м/c, концентрация материала: от 1 до 35 кг на 1 кг воздуха;
- нагнетательные пневматические установки – давление воздуха:
3-4 атм;
- пневматический транспорт в плотной фазе осуществляется в
пневматических подъемниках, перемещающих материал на высоту
до 25 м при скоростях воздуха меньше 10 м/c и концентрациях ма­
териала 120-250 кг на 1 кг воздуха.
•
гидравлический транспорт используется для перемещения
материалов до места назначения в потоке воды. В низконапор­
ных гидравлических установках материал смывается водой
низкого (до 5 атм) давления и движется самотеком в открытых
желобах. В высоконапорных установках вода подается под давле­
нием 25-50 атм и смесь материалов с водой перемещается по
трубам под избыточным давлением 1.5-7 атм на расстояние до 1
км. В смешанных установках первоначальное перемещение
производится с помощь низконапорных установках, а последую­
щее перемещение на большие расстояния происходит высокона­
порными установками.
20
3.2. Измельчение твердых материалов
Применение твердых материалов, измельченных на мелкие куски
или в порошок, значительно ускорять, а иногда и обеспечивать
многие технологические процессы. Для измельчения материалов в
зависимости от их физических свойств применяют раздавливание,
истирание, удар, раскалывание или комбинации этих воздействий,
для чего используют оборудование различного типа. Работающие
на современных производствах дробилки и мельницы различного
типа и конструкций позволяют как измельчать куски материала
объемом до 2 м3 (дробление), так и получать в результате измельче­
ния частицы размером до 0.1 мкм и меньше (размол). Дробление и
размол характеризуются степенью измельчения – отношением
диаметра самых крупных кусков до измельчения (dН) к диаметру
наибольших кусков после измельчения (dК) i = dН / dК. Измельчение
производится в одну или несколько стадий, а каждая машина, в за­
висимости от устройства, может обеспечивать ограниченную
степень измельчения, которая колеблется от 3-6 для щековых
дробилок, до 100 и более для мельниц. В зависимости от начально­
го и конечного размера наибольших кусков различают следующие
виды измельчения:
Крупное (дробление) – dН = 1500 - 150 мм, dК =250 - 40 мм.
Среднее (дробление) – dН = 250 - 40 мм, dК = 40 - 6 мм.
Мелкое (дробление) – dН = 25 - 3 мм, dК = 6 - 1 мм.
Тонкое (размол) – dН =10 - 1 мм, dК = 1 - 75х10-3 мм.
Сверхтонкое (размол) – dН = 12 - 0.1 мм, dК = 75х10-3 -1х10-4 мм.
Дробилки и мельницы работают в открытом и замкнутом циклах.
При измельчении в открытом цикле (рис. 1 а) материал проходит
через измельчающую машину один раз. В открытом цикле
проводят крупное и среднее дробление, когда не требуется
получать максимальные зерна конечного продукта определенного
размера. При наличии «мелочи» в исходном материале его предва­
рительно классифицируют (рис. 1 б), при этом «мелочь» не подают
в измельчитель, а сразу присоединяют к конечному продукту.
При измельчении в замкнутом цикле (рис. 1б) материал неодно­
кратно проходит через дробилку (2). Измельченный продукт из из­
мельчителя поступает в классификатор (грохот, 1), выделяющий из
21
него куски (зерна) размерами больше допустимого предела,
которые возвращаются в ту же дробилку. Часто такую поверочную
классификацию совмещают с предварительной классификацией ис­
ходного продукта.Крупное и среднее дробление обычно произво­
дится сухим способом, мелкое дробление и размол – сухим или
мокрым (чаще в водной среде). Измельчение материалов произво­
дится раздавливанием, ударом, истиранием и раскалыванием. Вид
механического воздействия зависит от крупности и прочности ма­
териала.
В зависимости от предела прочности при раздавливании матери­
алы условно делят на твердые (гранит, диабаз и др.), средней
твердости (известняк, каменная соль, антрацит и др.) и мягкие
(уголь, глина и др.). Обычно при измельчении на материал действу­
ют несколько видов усилий, например, раздавливание и удар, исти­
рание и удар и т.д. Раздавливание применяют главным образом
при крупном и среднем дроблении, истирание – при тонком из­
мельчении. Метод измельчения выбирают в зависимости от
физико-механических свойств материалов: для твердых и крупных
материалов –раздавливание и удар, для твердых и вязких – раздав­
ливание, для хрупких средней твердости – удар, раскалывание и ис­
тирание, для вязких средней твердости – истирание или истирание
и удар.
При выборе метода измельчения необходимо учитывать свойства
материала, например, его склонность к комкованию, влажность и
т.д. Машины для измельчения делят на дробилки и мельницы.
Для крупного дробления применяют щековые и конусные
дробилки, для среднего – конусные и валковые, для мелкого –
валковые, молотковые и ударно-центробежные. Для тонкого из­
мельчения используют ударно-центробежные, барабанные и
ролико-кольцевые мельницы, для сверхтонкого – вибрационные,
струйно-вибрационные и коллоидные мельницы.
Считают, что процесс деформации твердых тел заключается в
том, что под действием внешних сил в наиболее слабых местах тела
образуются замкнутые или начинающиеся на поверхности мель­
чайшие трещины. При прекращении внешнего воздействия
трещины под действием молекулярных сил могут смыкаться (при
этом тело подвергается лишь упругой деформации). Разрушение
22
тела происходит в том случае, когда трещины настолько увеличива­
ются, что пересекают твердое тело по всему его сечению в одном
или нескольких направлениях. Процессы измельчения связаны со
значительным расходом энергии.
В щековых дробилках материал поступает сверху и измельчается
путем периодического раздавливания между неподвижной и по­
движными щеками. Продукт дробления свободно выпадает через
нижнюю выпускную щель между щеками. Щеки изготавливаются в
виде рифленых плит из износоустойчивого материала (марганцови­
стая сталь или белый чугун). Достоинства щековых дробилок:
простота и надежность конструкции, возможность дробления круп­
нокусковых материалов большой твердости, компактность и
легкость обслуживания. Размеры разгрузочного отверстия могут
составлять от 400х200 мм до 2100х1500 мм.
В конусных дробилках дробление происходит путем непрерывно­
го раздавливания и изгиба (излома) кусков материала дробящей
головкой, выполненной в виде усеченного конуса, при эксцентрич­
ном вращении ее в корпусе, также имеющим форму усеченного
конуса. Когда дробящая головка с одной стороны приближается к
корпусу, продукт дробления выпадает через уширяющуюся при
этом часть кольцевой щели между корпусом и головкой. Различают
дробилки с головкой в виде крутого конуса (для крупного и
среднего дробления, i = 5-6, ширина загрузочной щели – 600, 900,
1200, 1650, 2100 мм) и с головкой в виде полого конуса (грибовид­
ные дробилки) для среднего и мелкого дробления (i = 10-30).
Валковые дробилки состоят из двух параллельных вращающихся
навстречу друг другу валков, измельчающих материал главным
образом раздавливанием (для захвата материала размер кусков
должен быть примерно в 20 раз меньше диаметра валков). При из­
мельчении хрупких и средней твердости материалов i = 10-15, а
размер измельченных кусков может составлять от 2-3 до 5-10 мм.
Для твердых материалов i = 3-4. Достоинства – простота и компакт­
ность, надежность в работе.
В молотковых дробилках измельчаемый материал поступает
сверху и дробится на лету ударами молотков, шарнирно подвешен­
ных к быстро вращающемуся ротору. Материал отбрасывается мо­
лотками и разбивается о плиты, покрывающие корпус. Кроме того,
23
куски материала раздавливаются и истираются на колосниковой
решетке.
Рис.1. Схемы измельчения в один прием: а – по открытому циклу,
б – по замкнутому циклу, 1 – грохот, 2 – дробилка.
24
Рис.2. Схема измельчения в два приема: 1 – щековая дробилка,
2 – грохот, 3 – валковая дробилка.
Молотки, плиты и решетки изготавливаются из износоустойчи­
вой марганцовистой стали. Молотковые дробилки различаются по
количеству роторов и расположению молотков. Степень измельче­
ния колеблется от 10-15 до 30-40, а размер измельченных кусков –
от 5 до 20-30 мм. Дезинтеграторы представляют собой ударную
дробилку, в которой материал измельчается между двумя установ­
ленными концентрически и вращающимися навстречу друг другу
роторами.
Барабанные мельницы представляют собой барабан, частично за­
полненный дробящими телами (шарами, стержнями, окатанной
галькой), которые благодаря трению увлекаются вращающимся ба­
рабаном на некоторую высоту, а затем свободно падают, измельчая
материал ударами и истиранием.
25
Измельчение производят как сухим, так и мокрым способом.
Степень измельчения – 50-100.
При увеличении частоты воздействия внешних сил на материал
все меньшее количество трещин в кусках материала успевает смы­
каться, и процесс измельчения ускоряется. Этот эффект использу­
ется в вибрационных мельницах – инерционного типа (цилиндриче­
ский корпус, загруженный на 80-90% объема мелющими телами,
вращается со скоростью 1000-3000 об/мин на валу, снабженным
дисбалансам, дающим амплитуду колебаний 2-4 мм), отражатель­
ных дробилках (поступающий в дробилку материал движется по
решетке, на которой отсеивается мелочь, и попадает на вращаю­
щийся с окружной скоростью 12-7 м/с и снабженный небольшими
лопатками валок, отбрасывающий на свободно подвешенный
щиток; отражаясь от него они дополнительно измельчаются, стал­
киваясь друг с другом), струйно-вибрационных мельницах, в
которых необходимая для измельчения частиц энергия сообщается
струей перегретого пара или сжатого воздуха, вытекающей из
сопла со звуковой и сверхзвуковой скоростью.
В коллоидных мельницах материал измельчается, проходя через
малый (до 0.05 мм) зазор между быстро вращающимся (окружная
скорость – до 125 м/с) ротором и расширяющимся кверху кольцом
(статором).
3.3. Классификация (сортировка) материалов
Разделение сыпучих материалов по размеру кусков или зерен на­
зывается классификацией. Путем классификации сыпучая смесь
разделяется на классы или фракции, ограниченные определенными
пределами размеров кусков или зерен. Применяют три вида класси­
фикации материалов:
1) грохочение – механическая классификация на ситах; через отвер­
стия рабочей поверхности грохота проходят куски меньше опре­
деленного размера, а остальные задерживаются на поверхности и
удаляются с нее (применяется для разделения материалов с
размером кусков от 1 до250 мм);
2) гидравлическая классификация – разделение смеси на фракции
(классы) зерен, обладающие одинаковой скоростью падения в
26
воде (разделяются зерна размером менее 2 мм);
3) воздушная сепарация – разделение смеси на фракции зерен
(размером меньше 2 мм), обладающие одинаковой скоростью
падения в воздухе.
Классификация применяется для предварительной подготовки
материала к дроблению (удаление мелочи) или для возврата
слишком крупного материала на повторное дробление, для получе­
ния готового продукта с заданным размером зерен (этот процесс
называется сортировкой), а также для ситового анализа – опреде­
ления зернистого (гранулометрического) состава материала.
Продукт, который прошел через сито с размером отверстий 4 мм,
обозначается «– 4 мм», а оставшийся на сите «+ 4 мм».
Основной частью грохота является его рабочая поверхность, вы­
полняемая в виде проволочных сит или решет из стальных листов
со штампованными отверстиями или же решеток из параллельных
стержней – колосников. Проволочные сита – сетки с квадратными
или прямоугольными отверстиями размером от 100 до 0.15 мм.
Листовые решета изготавливают из листов толщиной 3-12 мм, в
которых штампуют круглые или продолговатые слегка расширяю­
щиеся книзу отверстия размером 5-50 мм (предельные размеры –
1,6-125 мм). Колосники представляют собой стержни трапецевидно­
го сечения, расширяющиеся вниз.
3.4. Типы грохотов и способы грохочения
Отделение кусков определенной крупности на грохоте происхо­
дит при движении материала относительно рабочей поверхности
грохотов благодаря либо установке грохота под углом большим
угла трения материала, либо движения сита грохота в наклонной
или горизонтальной плоскости.
При грохочении с выделением зерен более двух классов приме­
няется многократное грохочение осуществляемое по одному из
трех способов:
1) от мелкого к крупному — через последовательный ряд сит с
увеличивающимися размерами отверстий (рис.3.а);
2) от крупного к мелкому — через расположенные друг над
другом сита с уменьшающимися размерами отверстии (рис.3.б);
27
3) комбинированное (рис.3.в).
Грохоты бывают нескольких типов. Барабанные грохоты пред­
ставляют собой открытый барабан цилиндрической, конической
или многогранной формы, изготовленный из сетки или перфориро­
ванных листов, который вращается на центральном валу. Барабаны
грохотов (кроме грохотов с коническими барабанами) устанавлива­
ются под углом 4-70 к горизонту. Окружная скорость барабанов со­
ставляет от 0.6 до 1.25 м/с.
Рис.3. Способы грохочения: а – от мелкого к крупному, б – от
крупного к мелкому, в – комбинированный способ.
Плоский качающийся грохот на пружинных опорах устанавлива­
ется под углом 7-140 к горизонту и состоит из качающегося от экс­
центрикового механизма прямоугольного короба с ситом.
Гирационные (эксцентриковые) качающиеся грохоты совершают
качательные движения по окружности благодаря установке на валу
двух эксцентриков с противовесами.
В вибрационных (инерционных) грохотах плоское и обычно на­
клонное сито совершает при помощи специального механизма ко­
лебания с частотой 900-1500 (иногда до 3600) 1/мин и амплитудой
от 0.5 до 12 мм.
3.5. Гидравлическая классификация и воздушная сепарация
Процессы разделения зерен разного размера на классы по различ­
ной скорости осаждения в жидкой и воздушной среде, подчиняю­
28
щиеся законам осаждения твердых тел в жидкостях и газах под дей­
ствием силы тяжести или центробежных сил, осуществляются в
специальных аппаратах. Для гидравлической классификации
применят главным образом спиральные, реечные или чашевые клас­
сификаторы или гидроциклоны.
Воздушные сепараторы делятся на:
- воздушно-проходные, в которые измельченный материал поступа­
ет в потоке воздуха со скоростью около 20 м/с, при уменьшении
которой в кольцевом пространстве между корпусом и внутренним
конусом происходит осаждение более крупных частиц, далее при
вращении, придаваемом далее потоку тангенциально установлен­
ными лопатками, крупные частицы отбрасываются на стенки
конуса, после чего воздух с тонкими взвешенными частицами отса­
сывается вентилятором;
- воздушно-циркуляционные, в которых измельченный материал по­
ступает на вращающийся распределительный диск, который отбра­
сывает тяжелые частицы на стенки корпуса; далее вентиляторным
колесом создается циркулирующий поток, в котором отбрасывают­
ся и также удаляются тяжелые частицы, после чего при переходе
потока из конуса к корпус выделяются мелкие частицы.
29
4. Гидромеханические процессы
В современных технологических процессах широко распростра­
нены перемещения жидкостей, газов и паров по трубопроводам
(или через аппараты), процессы перемешивания, а также процессы
разделения смесей путем отстаивания, фильтрования и центрифуги­
рования. Все эти процессы связаны с движением потоков, которые
описываются законами движения непрерывных сред, в частности
гидромеханики. Практическое приложение законов гидромеханики
рассматривается в гидравлике, которую подразделяют на гидро­
статику (рассматривает равновесие жидкостей) и гидродинамику
(рассматривает движение жидкостей). В технологии закономерно­
сти гидродинамики используются главным образом для расчета
скорости и расхода жидкостей (газов и паров, которые в гидравлике
относят к жидкостям) по известной движущей силе – перепаду
давления, или для расчета обратных задач - определения необходи­
мого перепада давлений для обеспечения требуемого движения
жидкости. В гидравлике также используется модель идеальной (аб­
солютно несжимаемой и не обладающей внутренним трением)
жидкости, однако чаще рассматриваются реальные жидкости –
капельные (собственно жидкости) и упругие – газы и пары. Физиче­
ские свойства жидкостей в большинстве случаев характеризуют
плотностью, вязкостью и поверхностным натяжением.
4.1. Материальный баланс потока
Скорости движения частиц жидкости неодинаковы по сечению ее
потока, и поэтому вводится и используется величина средней
скорости потока всех частиц жидкости в сечении. Произведение
величины средней скорости (w) на сечение (S) называется
объемным расходом жидкости (V):
V = wS (м3/с)
– уравнение расхода.
Массовая скорость (W) – это количество жидкости, протекающей
через единицу площади поперечного сечения потока в единицу
времени:
W=G/S
(кг/м2с)
30
Для установившегося движения потока жидкости, при котором
скорости движения частиц не изменяются во времени для любых
сечений справедливо уравнение неразрывности потока:
G = S1w1ρ1 = S2w2ρ2 = const
или
V = S1w1 = S2w2 ,
где ρ1 и ρ2 -плотности жидкости в сечениях 1 и 2 соответственно.
Уравнение неразрывности потока есть материальный баланс
потока жидкости.
4.2. Энергетический баланс потока
Запас энергии жидкости равен сумме ее внутренней, потенциаль­
ной и кинетической энергии. Внутренняя энергия (U) зависит от
температуры жидкости. Потенциальная энергия жидкости состоит
из потенциальной энергии давления и потенциальной энергии по­
ложения. Кинетическая энергия определяется скоростью ее
движения. Полная энергия жидкости будет:
E = I + mgz + mw2/2 ,
где I = U + pV – энтальпия (теплосодержание), z – высота
сечения, в котором определяется энергия жидкости над уровнем,
условно принятым за нулевой.
Удельная энергия жидкости будет равна:
Eуд = u + pv +gz + w2/2 = I +gz + w2/2 ,
где u – внутренняя энергия 1 кг жидкости, Дж/кг;
i – энтальпия 1 кг жидкости, Дж/кг:
v – объем, занимаемый 1 кг жидкости, м3/кг.
Для любых произвольных сечений потока жидкости справедливо:
u1 + p1v1 +gz1 + w12/2 = u2 + p2v2 +gz2 + w22/2 , или при ρ = const:
z + p/ρg + w2/2g = const – уравнение Бернулли.
Уравнение Бернулли выражает энергетический баланс движу­
щейся идеальной жидкости. Входящие в него члены имеют размер­
ность длины и называются z – геометрическим напором, p/ρg –
статическим (пьезометрическим) напором, w2/2g – скоростным
напором.
Для реальной жидкости при ее движении часть энергии будет
расходоваться не преодоление трения, а также других сопротивле­
31
ний и превращаться в тепло, которое в случае отсутствия теплооб­
мена с окружающей средой пойдет на увеличение внутренней
энергии. В этом случае в уравнении Бернулли должен быть учтен
потерянный напор (hп) и оно должно быть преобразовано:
z1 + p1/ρg + w12/2g = z2 + p2/ρg + /2g + hп
Таким образом, при установившемся движении реальной
жидкости сумма геометрического, статического, скоростного (их
сумма называется гидродинамическим напором) и потерянного
напора в каждой точке любого сечения является постоянной ве­
личиной. Гидродинамический напор реальной жидкости уменьша­
ется в направлении ее движения на величину потерянного напора
между рассматриваемыми сечениями. С помощью уравнения
Бернулли решают основные задачи гидравлики: определяют
скорость и расход жидкости (т.е. пропускную способность аппара­
тов и трубопроводов), рассчитывают время истечения жидкости и
ее полный напор.
4.3. Режимы движения вязкой жидкости
Характер движения жидкости может быть:
Ламинарным. Наблюдается при малых скоростях или значитель­
ной вязкости жидкости. Жидкость движется параллельными, не
смешивающимися друг с другом струями, скорости которых могут
быть различны, но для каждой струйки она постоянна и направлена
вдоль оси потока. Скорость частиц по сечению трубы изменяется
по параболе от нуля у стенок до максимума на ее оси, причем
средняя скорость равна половине максимальной.
Турбулентным. Частицы жидкости движутся с различными ско­
ростями по пересекающимся траекториям как в осевом так и в ра­
диальном направлениях. В каждой точке происходят пульсации
скорости - быстрые её изменения во времени. При турбулентном
движении в очень тонком граничном слое у стенок трубы режим
течения жидкости ламинарный. В остальной части (ядре потока)
вследствие перемешивания распределение скоростей более равно­
мерное, чем при ламинарном движении, причем wср ∼ 0.85wмакс, где
wср и wмакс - средняя и максимальная скорость движения потока
жидкости.
32
4.4. Элементы теории подобия
Теория подобия – учение об условиях подобия физических
явлений, основанная на учении о размерности физических величин
Она устанавливает критерии подобия различных физических
явлений и функциональные связи между критериями подобия, поз­
воляющие с их помощью изучать сами явления, интерпретировать
их и проводить инженерные расчеты гидромеханических процес­
сов. Критерии подобия – безразмерные числа, составленные из раз­
мерных физических величин, определяющих рассматриваемое фи­
зическое явление. Равенство всех однотипных критериев подобия
для двух физических явлений, процессов или систем – необходимое
и достаточное условие их подобия. Так, при подобии физических
явлений отношение между какой либо физической величиной для
модели и для натуры одинаково во всех сходственных точках. При
рассмотрении гидромеханических процессов обычно используют
критерии Рейнольдса, Фруда и Эйлера (см. таб. 1). Иногда
основные критерии Re и Fr заменяют более сложными, полученны­
ми их сочетанием, критерием Галилея Ga = Re2/Fr и критерием
Архимеда Ar = Ga (ρ1 - ρ)/ρ, где ρ1 и ρ - плотность жидкости в двух
различных точках.
Таблица 1.
Критерий
Выражение
критерия
кинематический
критерий
(критерий Рейнольдса)
Re=ωlρ/µ
Гравитационный
критерий
(критерий Фруда)
Критерий
гидравлического сопро­
тивления (критерий
Fr=ω2/gl
Eu=∆p/ρω2
Физическое значение
критерия
Характеризует действие
сил трения в подобных
потоках и определяет
режим движения жидкости
Характеризует действие
сил тяжести в подобных
потоках
Характеризует действие
сил давления в подобных
потоках
33
Эйлера)
Опыты показали, что характер движения жидкости и критерий
Рейнольдса связаны. Для прямых труб при Re > 2300 движение тур­
булентно, а при Re < 2300 оно является устойчиво ламинарным.
Устойчивый турбулентный характер оно приобретает при Re >
10000.
4.5. Движение тел в жидкости
Движение твердого тела в среде жидкости или газа зависит от со­
противления среды, которое направлено в сторону, противополож­
ную движению тела, и складывается из сопротивления сил трения и
сил инерции. Сопротивление трения преобладает при небольших
скоростях и малых размерах движущихся частиц, а также при
высокой вязкости среды, т.е. в условиях ламинарного движения.
При турбулентном движении частица кроме сил трения должна
преодолеть разность давлений в основной массе жидкости и в зоне
завихрений, образующейся в пространстве за частицей. С движени­
ем твердых частиц в жидкости или газе, так же как и с обратным
процессом – движением жидкости через слой частиц, связаны
многие технологические процессы, например отстаивание и пере­
мешивание суспензий, фильтрация жидкостей, процессы в псевдо­
ожиженных слоях и др.
4.6. Перемещение жидкостей
Перемещение жидкостей и суспензий чаще всего осуществляется
по закрытым каналам - трубопроводам. В зависимости от свойств
перемещаемой жидкости используют трубы из стали, нержавеющей
стали, чугуна, пластмасс, цветных металлов, стекла или других ма­
териалов, а также из различных материалов с защитными покрыти­
ями. Соединяют трубы с помощью фланцев, резьбовых соединений
(например, муфт), сварки. Для изменения направления потоков ис­
пользуют различные фасонные части (фитинги) – колена, тройники,
крестовины а для включения и выключения подачи жидкости –
краны, вентили, задвижки.
34
Транспортирование жидкости с более высокого уровня обычно
осуществляют самотеком, а в случае решения обратной задачи ис­
пользуют гидравлические машины – насосы, в которых механиче­
ская энергия двигателя преобразуется в энергию транспортируемой
жидкости вследствие повышения ее давления. В объемных насосах
энергия и давление повышаются в результате вытеснения жидкости
из замкнутого пространства телами, движущимися возвратно-по­
ступательно или вращательно.
Объемные насосы подразделяют на возвратно-поступательные
(поршневые, плунжерные, диафрагменные) и вращательные, или
роторные (шестеренные, винтовые, пластинчатые). К объемным
насосам относятся и монтежю, с помощью которого жидкость
транспортируется из закрываемого сосуда благодаря давлению по­
даваемого в него сжатого газа. В динамических насосах энергия и
давление жидкости повышаются под действием центробежной
силы, возникающей при вращении лопастных колес (например, в
широко распространенных центробежных насосах, а также в
осевых или пропеллерных и вихревых насосах). кроме того для
транспортирования жидкостей может быть использовано разряже­
ние, создаваемое при истечении через сопло жидкости или пара
(струйные насосы), или уменьшение плотности жидкости при ее
смешении с воздухом (вихревые насосы, воздушные подъемники).
К основным параметрам насосов относятся производительность
(объем жидкости, подаваемый в единицу времени), напор (избыточ­
ная удельная энергия, сообщаемая насосом единице массы
жидкости и обычно измеряемая высотой водяного столба) и
мощность (полезная и действительная, учитывающая потери в
самом насосе).
Для транспортирования газов, осуществляемого по воздуховодам
(коробам и трубам различного сечения) под давлением от тысячных
долей Па до сотен МПа применяют компрессионные машины. В за­
висимости от требуемой степени сжатия c = p1/p2, где р1 и р2 – на­
чальное и создаваемое давление, их подразделяют на вентиляторы
(с меньше 1.15 и транспортирования больших количеств газа при
низких давлениях), газодувки (при с от 1.15 до 3 и транспортирова­
нии значительных количеств газа при существенных гидравличе­
ских сопротивлениях системы) и компрессоры (с больше 3 при
35
создании высоких давлений). Последние по принципу сжатия
подразделяют на объемные компрессоры (сжатие происходит в ре­
зультате периодического уменьшения объема, занимаемого газом)
и динамические компрессоры (сжатие происходит в результате не­
прерывного создания ускорений в потоке газа). К первым относятся
поршневые, мембранные и роторные компрессоры, ко вторым –
струйные компрессоры и турбокомпрессоры.
В зависимости от создаваемого рабочего давления все компрессо­
ры делят на вакуумные (начальное давление ниже атмосферного),
низкого (конечное давление газа 0.115 – 1.0 МПа), высокого
(конечное давление газа 10 – 100 МПа) и сверхвысокого давления
(конечное давление газа свыше 100МПа).
4.7. Разделение неоднородных систем
Неоднородными называют системы, состоящие по меньшей мере
из двух фаз. Обычно одна из фаз является сплошной, а другая –
дисперсной, распределенной в первой в раздробленном состоянии в
виде капель, пузырей, мелких твердых частиц и т.д. В зависимости
от физического состояния фаз различают суспензии, эмульсии,
пены, пыли, дымы и туманы. Последние три системы носят общее
название – аэрозоли. Большинство дисперсных систем неустойчиво
и имеет тенденцию к укрупнению частиц. Укрупнение капель или
пузырей путем их слияния называют коалесценцией, а твердых
частиц – коагуляцией. Применяют следующие основные методы
разделения:
• осаждение, при котором твердые или жидкие частицы, взвешен­
ные в жидкости или газе, отделяются от сплошной фазы под дей­
ствием сил тяжести (отстаивание), центробежных сил (центри­
фугирование), сил инерции, электростатических сил;
• фильтрование – процесс разделения с помощью пористой пере­
городки, способной пропускать газ или жидкость, но задержи­
вать твердые частицы;
• мокрая очистка газов – процесс разделения, основанный на улав­
ливании взвешенных в газе частиц жидкостью.
Отстаивание применяют в промышленности для сгущения сус­
пензий или классификации суспензий по классам частиц твердой
36
фазы, для грубой очистки газов от пыли и для разделения эмульсий.
Обычно его проводят в условиях высокой концентрации дисперс­
ной фазы, когда происходит стесненное осаждение со скоростью
значительно меньшей скорости свободного осаждения. Отстаива­
ние производят в аппаратах, называемых отстойниками. Отстой­
ники для сгущения суспензий называют сгустителями, а для клас­
сификации твердых частиц на фракции – классификаторами. Пери­
одически действующие отстойники для суспензий обычно пред­
ставляют собой бассейны без перемешивающих устройств. Отстой­
ник заполняют суспензией, и через определенное время слой освет­
ленной жидкости сливают через штуцера, расположенный выше
уровня осадка, а осадок, представляющий собой текучую массу –
шлам, выгружают через верх аппарата или удаляют через нижний
штуцер. Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой
представляет собой цилиндрический резервуар с коническим
днищем, в котором установлена мешалка с гребками, непрерывно
перемещающими образующийся осадок к центральному разгрузоч­
ному отверстию. Такие отстойники обеспечивают однородность
осадка и позволяют его обезводить до концентрации твердой фазы
35-55%. Диаметр нормализованных отстойников – от 1.8 до 30
(иногда до 100) м. Очистку газов от пыли производят в пылеосади­
тельных камерах.
Осаждение под действием центробежных сил осуществляют либо
в неподвижных аппаратах, в которых создается вращательное
движение потока, либо во вращающихся аппаратах. Первые назы­
ваются циклонами, вторые – центрифугами. Степень очистки газов
в циклонах от пыли для частиц диаметром 5 мкм составляет 3085%, диаметром 10 мкм – 70-90%, диаметром 20 мкм – 95-99%.
Центрифуги применяют для разделения суспензий и эмульсий. Они
подразделяются на отстойные и фильтрующие, непрерывные и пе­
риодические, вертикальные и горизонтальные, с ручной, шнековой,
гравитационной и центробежной выгрузкой и т.д.
Электрофильтры делятся на трубчатые и пластинчатые, а в за­
висимости от вида удаляемых из газа частиц – на сухие и мокрые.
Электрофильтры работают при высоком напряжении постоянного
тока (40-75 кВ), однако расход электроэнергии в них невелик и со­
37
ставляет обычно 0.2-0.3 кВт⋅ч на 1000 м3 газа. Степень очистки газа
от пыли достигает 95-99%.
Фильтрование в промышленности применяют для тонкого раз­
деления жидких или газовых гетерогенных систем. В процессе
фильтрования твердые частицы задерживаются фильтровальной
перегородкой, в качестве которой в зависимости от размера частиц,
химического состава и вязкости жидкой фазы используются хлоп­
чатобумажные, шерстяные, полимерные ткани, сетки из полимер­
ных и металлических волокон, вату, пористую керамику и т.д.
Движущей силой фильтрации является разность давлений до и
после фильтра, которая создается с помощью различных насосов
или центробежных сил. Обычно процесс фильтрования не заверша­
ется разделением на фильтрат и осадок. Перед удалением с
фильтровальной перегородки осадок часто подвергается промывке
другими жидкостями и продувке газами для уменьшения влажно­
сти. По режиму работы различают фильтры периодического и не­
прерывного действия, а по способу создания разности давлений –
вакуум-фильтры и фильтры, работающие под давлением. К
наиболее распространенным в промышленности типам фильтров
относятся:
• нутч-фильтры, которые могут работать как под вакуумом, так и
под давлением и представляют собой емкость с пористой перего­
родкой, поддерживающей собственно фильтр;
• фильтр-прессы, работающие под давлением и представляющие
собой сборку вертикально установленных съемных рифленых
плит и полых рам, которые образуют камеры для осадка и между
которыми помещаются фильтровальные перегородки;
• барабанные вакуум-фильтры непрерывного действия, имеющие
вращающийся цилиндрический перфорированный барабан, на
30-40% своей поверхности погруженный в суспензию и
покрытый металлической волокнистой сеткой, на которой распо­
лагается тканевая фильтрующая перегородка; внутри барабана
имеются сектора, где создается разряжение при прохождении их
через суспензию;
• дисковые вакуум-фильтры, в которых для увеличения поверхно­
сти фильтрования установлены диски с фильтрующими
38
боковыми поверхностями, работающими аналогично барабан­
ным вакуум-фильтрам;
• ленточные вакуум-фильтры, в котором суспензия наносится на
фильтр, помещенный на движущуюся по замкнутому пути пер­
форированную резиновую ленту, под имеющей под лентой
секции отсоса фильтрата и промывных жидкостей.
Фильтры для очистки газов работают так же, как и фильтры для
разделения суспензий. В качестве фильтровальных перегородок ис­
пользуют:
•
гибкие пористые перегородки из природных, синтетических и
минеральных волокон (тканевые материалы), нетканые волокни­
стые материалы (войлок, картон, металлоткани и пр.;
•
полужесткие пористые перегородки (слои из волокон, металли­
ческих сеток и др.);
•
жесткие перегородки (из керамики, пластмасс, спеченных или
спрессованных металлических порошков);
•
зернистые перегородки (слои кокса, гравия, песка и др.).
Мокрую очистку применяют для очистки газов от пыли и
тумана. В качестве промывной жидкости обычно используют воду.
Контакт между газом и жидкостью происходит на поверхности сте­
кающей жидкой пленки (в насадочных и центробежных скруббе­
рах), капель жидкости (в полых скрубберах и скрубберах Вентури)
и пузырьков газа (в барботажных пылеуловителях).
Размеры задерживаемых частиц пыли (не менее, мкм) и степень
очистки (%) составляют для пылеосадительных камер – 100 и 3040, циклонов – 10 и 70-99, электрофильтров – 0.005 и 95-99,
рукавных фильтров – 1 и 98-99, центробежных скрубберов – 2 и 9095, барботажных пылеуловителей – 5 и 80-99, скрубберов Вентури
– 1 и 95-99.
39
5. Тепловые процессы и аппараты
Большинство технологических процессов протекает в заданном
направлении и с требуемой скоростью только при определенной
температуре, которая достигается подводом или отводом теплоты.
Процессы, скорость протекания которых определяется скоростью
подвода или отвода теплоты (нагревание, охлаждение, испарение,
кипение, конденсация и др.) называют тепловыми. Их движущей
силой является разность температур более нагретого и менее нагре­
того тела. Аппараты, в которых осуществляются тепловые
процессы, называют теплообменниками. Различают три вида
переноса теплоты: теплопроводность (путем передачи энергии при
непосредственном соприкосновении между микрочастицами – мо­
лекулами, атомами, электронами), тепловое излучение (передача
энергии с помощью электромагнитных колебаний) и конвекция
(при движении и перемешивании макроскопических объемов
жидкости или газа).
Перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через
разделяющую их стенку называют теплопередачей, а участвующие
в ней вещества – теплоносителями. Необходимым условием тепло­
передачи является неравенство температур в различных точках
данного тела или пространства. Предел отношения разности темпе­
ратур ∆ t двух изотермических поверхностей к расстоянию по
нормали ∆l между ними называют температурным градиентом.
Для расчета теплообменных аппаратов используют кинетическое
уравнение, называемое основным уравнением теплопередачи:
Q = К F ∆tcр τ ,
где: К – коэффициент теплопередачи, показывающий количество
теплоты, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному за 1
с через 1 м2 стенки при разности температур между теплоносителя­
ми, равной 10, F – площадь поверхности, через которую происходит
теплопередача, ∆tcр – средняя разность температур между теплоно­
сителями (средний температурный напор), τ – время.
Величину теплового потока, возникающего вследствие теплопро­
водности, определяют по закону Фурье – основному закону тепло­
проводности:
Q = λ F τ (∂ t/∂ t),
40
где λ – коэффициент теплопроводности, являющийся физической
характеристикой вещества, определяющей его способность прово­
дить тепло и зависящей от природы вещества, его структуры, тем­
пературы и других факторов.
В технических расчетах количеств тепловой энергии Е, излучае­
мой телом с температурой Т, используют закон Стефана-Больцмана
в форме:
Е = ε С0(Т/100)4,
ε – степень черноты тела, С0 = 5,67 Вт/м2⋅К4 – коэффициент излу­
чения абсолютно твердого тела.
При конвекции перенос теплоты производится потоками теплоно­
сителя, возникающими из-за разности плотностей частей его
объема, имеющих разную температуру, или создаваемыми прину­
дительно. В теплообменных аппаратах передачи тепла конвекцией
сопутствует передача ее за счет теплопроводности в пограничных
слоях у стенок. Этот сложный вид переноса теплоты называют
теплоотдачей. Расчет скорости процесса теплоотдачи производят с
помощью эмпирического закона охлаждения Ньютона (уравнения
теплоотдачи), который в установившемся процессе для всей по­
верхности теплоотдачи имеет вид:
Q = α F (tЖ – tСТ) τ ,
где α - коэффициент теплоотдачи, показывающий, какое количе­
ство тепла переходит от теплоносителя к 1 м2 поверхности стенки
(или от поверхности стенки к теплоносителю) в единицу времени
при разности температур между теплоносителем и стенкой 10.
Теплоотдача зависит от большого числа факторов. К ним отно­
сятся характер движения теплоносителя, его агрегатное состояние,
изменения агрегатного состояния в процессе теплопередачи,
конструктивные особенности теплообменного аппарата, организа­
ция движения теплоносителя в теплообменнике и т.д. Ориентиро­
вочные значения коэффициента в наиболее часто встречающихся в
практике случаях составляют (в Вт/м2К): при нагревании и охла­
ждении газов – 10-50, нагревание и охлаждение масел – 50-1500,
нагревание и охлаждение органических жидкостей, нагревание и
охлаждение воды – 500-5000, кипение органических жидкостей –
800-2500, кипение воды и водных растворов – 1000-10000, конден­
сация паров органических жидкостей – 500-2500, конденсация
41
водяных паров (пленочная) – 5000-15000. Теплопередача при непо­
средственном соприкосновении встречается значительно реже, чем
через разделяющую их стенку. Однако в ряде случаев, например
при охлаждении воды воздухом, нагреве «острым» паром и др.
такой способ является весьма эффективным и приводит к суще­
ственному упрощению аппаратурного оформления.
Устройство теплообменников разнообразно. В рекуперативных
аппаратах теплоносители проходят по различным объемам, разде­
ленным обычно металлической стенкой, через которую происходит
теплообмен. В смесительных аппаратах оба теплоносителя од­
новременно поступают в один объем и обмениваются теплотой не­
посредственно через поверхность раздела фаз. В регенеративных
аппаратах в единственный рабочий объем сначала поступает
горячий теплоноситель, нагревающий массу твердого материала
(кирпичную кладку или массу металла), а затем в тот же объем
подается нагреваемая среда, которая воспринимает теплоту от на­
гретого материала. В зависимости от технологии назначения разли­
чают теплообменники: а) нагреватели (охладители), в которых теп­
лоносители не изменяют фазового состояния; б) испарители (кипя­
тильники) и конденсаторы, предназначенные для изменения
фазового состояния теплоносителей; в) для одновременного осуще­
ствления теплообмена и химико-технологического процесса
(выпарные аппараты, кристаллизаторы, химические реакторы и
др.). Кроме того, теплообменники, в зависимости от относительно­
го движения теплоносителей, подразделяются на прямо- и противо­
точные, смешанного тока (движутся взаимоперпендикулярно),
перекрестного тока с частичным противотоком, а по характеру
работы во времени – с установившимся и неустановившимся тепло­
выми режимами.
Среди рекуперативных теплообменников различают аппараты с
теплообменной поверхностью: а) из прямых, витых, гладких или
оребренных труб, заключенных в общий кожух (кожухотрубные
аппараты); б) в виде прямых труб, орошаемых снаружи жидким
теплоносителем, обычно водой (оросительные аппараты), или из
труб в форме змеевиков, погружаемых в жидкий теплоноситель; в)
из листовых материалов (с рубашкой на наружном корпусе
аппарата, пластинчатые, пластинчато-ребристые, спиральные теп­
42
лообменники); г) из неметаллов (из полимерных материалов или
графита, эмалированные аппараты и др.).
В кожухотрубных теплообменниках теплообмен интенсифициру­
ется увеличением скорости теплоносителей путем установки в меж­
трубном пространстве поперечных перегородок и создания
нескольких ходов для теплоносителя, движущегося по внутритруб­
ному пространству. Число труб достигает 3800, поверхность тепло­
обмена - 180м2, избыточное давление - 4 МПа.
В оросительных теплообменниках не предусмотрено отдельное
рабочее пространство для охлаждающей жидкости, и она стекает по
теплообменной поверхности в виде пленки, что обеспечивает ин­
тенсивный теплообмен. Вследствие малых значений теплоемкости
и теплопроводности газов и перегретых паров интенсивность теп­
лообмена между ними и теплообменными поверхностями незначи­
тельна. Для компенсации на поверхностях устанавливают ребра, в
результате чего поверхность теплообмена существенно увеличива­
ется. Например, поверхность теплообмена аппаратов воздушного
охлаждения с оребрением достигает 2300м2. В пластинчатых аппа­
ратах теплообменная поверхность состоит из металлических
листов, в зазорах между которыми проходят теплоносители. Пре­
имущества теплообменников этого типа перед трубчатыми: малая
металлоемкость, компактность, высокая интенсивность теплообме­
на, простота инженерного оформления различных схем движения
теплоносителей; основной недостаток – сложность герметизации
отдельных элементов. Разборные конструкции пластинчатых тепло­
обменников эксплуатируют при давлении до 2,5 МПа, сварные – до
3 МПа при температуре до 4000.
Теплообменники с неметаллическими поверхностями обладают
химической стойкостью к агрессивным теплоносителям, однако
термическое сопротивление, а механическая прочность ниже, чем у
металлических теплообменников. Смесительные теплообменники
используют как конденсаторы водяного пара или охладители
воздуха путем их смешения с распыляемой холодной водой. Реге­
неративные теплообменники имеют меньший рабочий объем, чем
рекуперативные, что существенно при теплообмене между
газовыми потоками. Эти аппараты применяют в циклических про­
цессах с периодической подачей горячих газов и периодическим
43
нагревом холодной среды.
44
6. Массообменные технологические процессы
Массообмен – необратимый перенос массы компонента смеси в
пределах одной или нескольких фаз. Он осуществляется в результа­
те хаотического движения молекул (молекулярной диффузии), ма­
кроскопического движения всей среды (конвективный перенос), а в
турбулентных потоках – в результате хаотического движения
вихрей разного размера. Массообмен включает массоотдачу
(перенос вещества от границы раздела вглубь фазы) и массопереда­
чу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность
раздела). Различают эквимолярный массобмен (например, ректифи­
кация), при котором через поверхность раздела в противоположных
направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и
неэквимолярный (например, абсобция). Массообмен лежит в
основе разнообразных процессов разделения и очистки веществ. К
массообменным процессам относятся:
• тепломассообменные процессы (зонная плавка, кристаллизация,
сушка, сублимация, дистилляция, растворение, увлажнение, на­
бухание);
• сорбционные процессы (абсорбция, адсорбция, десорбция,
ионный обмен);
• экстракционные процессы (экстрагирование из твердых веществ,
экстрагирование из жидкостей);
• электродиффузионные процессы (электрофорез);
• мембранные процессы (ультрафильтрация, микрофильтрация,
диализ, электродиализ, обратный осмос, электроосмос, мермоос­
мос, мембранное газоразделение и др.).
Многие тепловые процессы, такие, как прокаливание, конденса­
ция, выпаривание, испарение, а также многие гидромеханические
(например, флотация, промывание газов, перемешивание) сопрово­
ждаются массообменном. При проведении химических процессов
массобмен определяет скорость подвода веществ в зону реакции.
Движущей силой переноса какого-либо компонента из одной
фазы в другую является разность его химических потенциалов в
этих фазах (переход компонента происходит в направлении
убывания его химического потенциала). Масообмен осуществляет­
ся также под действием градиентов электрических потенциалов
45
(при электрофорезе, в электрохимических процессах), температуры
(при термодиффузионном разделении изотопов) и др. Однако на
практике движущую силу массообмена обычно выражают через
градиент концентраций, что значительно упрощает связь между
скоростью процесса и составом технологических потоков.
Для понимания и анализа любого процесса массообмена необхо­
дим учет условий существования данного количества фаз и законов
распределения компонентов в них, определяемых законами равно­
весия и правилом фаз. Под фазой понимают однородную по хими­
ческому составу и термодинамическим свойствам часть системы,
отделенную от других частей поверхностью раздела. В соответ­
ствии с правилом фаз ν = k – ϕ + 2, где ν - число степеней свободы,
т.е. число параметров, при изменении которых в некотором интер­
вале число фаз не изменяется, k – число компонентов и n – число
фаз.
Условия контактирования фаз в процессах массообмена разнооб­
разны. Так, при дистилляции в непосредственном контакте нахо­
дятся насыщенный пар и кипящая жидкость, что способствует
переносу менее летучих компонентов из пара в жидкость и более
летучих компонентов – из жидкости в пар. В процессах адсорбции
газовая или жидкая смесь разделяется в результате предпочтитель­
ной сорбции одного из компонентов на поверхности твердого ад­
сорбента. Кристаллизацию используют для выделения кристаллизу­
ющейся твердой фаза из раствора путем создания условий пересы­
щения по данному компоненту. Мембранные процессы разделения
основаны на способности некоторых тонких пленок или пористых
перегородок пропускать одни соединения и задерживать другие.
Операции сушки зависят от переноса как жидкости, так и пара
внутри твердого тела и затем пара в осушающий газ. Все эти
процессы, а также ионный обмен, сублимация и др. определяются
общими кинетическими закономерностями, определяющими
скорость межфазного переноса массы, которая зависит от скорости
молекулярной диффузии в неподвижной среде и скорости конвек­
тивной диффузии (в движущейся среде), а также от специфических
условий на границе раздела фаз.
Массообменные аппараты конструируют таким образом, чтобы
в них создавались максимальная поверхность массобмена при ми­
46
нимальном гидравлическом сопротивлении при максимальной ин­
тенсивности межфазного переноса. Обычно стремятся уменьшить
габариты аппарата с целью снижения материалоемкости и обеспе­
чить экологическую чистоту отходящих потоков. В зависимости от
способа образования межфазной поверхности массобменные
аппараты могут быть: а) с фиксированной поверхностью фазового
контакта (насадочные и пленочные аппараты, в которых осуще­
ствляется взаимодействие газа или жидкости с твердой фазой, а
также аппараты с кипящим слоем); б) с поверхностью контакта, об­
разуемой в процессе движения потоков (тарельчатые аппараты, в
которых происходит дискретное взаимодействие фаз по высоте
аппарата, насадочные колонны, работающие в режиме эмульгиро­
вания, жидкостные экстракторы, в которых осуществляется массо­
обмен в системе жидкость-жидкость); в) с внешним подводом
энергии (аппараты с мешалками, пульсационные, вибрационные,
роторные).
Основные параметры при расчете массообменных аппаратов –
диаметр аппарата и его высота или длина зоны контакта, необходи­
мая для завершения процесса разделения до заданных конечных
концентраций. Эффективность работы массообменных аппаратов
оценивают энергетическими затратами и капитальными вложения­
ми.
47
7. Технология основных производств Кузбасса
7.1. Технология производства каменноугольного кокса
Каменноугольный кокс получается при высокотемпературном
разложении (пиролизе) каменного угля без доступа воздуха. Общие
запасы угля во много раз превосходят запасы нефти и газа. Органи­
ческая масса угля представляет собой макроциклические
полимеры, включающие ароматические, гетероциклические и али­
фатические соединения, которые в качестве элементов структуры
включают разные, преимущественно кислородсодержащие функци­
ональные группы. Неорганическая часть угля содержит кремний,
алюминий, кальций, железо, уран, германий и другие элементы.
Кокс – твердый пористый продукт серого цвета, содержащий 9698% углерода (остальное – S, N, O), имеющий пористость 49-53%,
насыпную массу 400-500 кг/м3, зольность 9-12%, выход летучих
веществ 1%. Структура кокса приближается к гексагональной
структуре графита, но характеризуется неполной упорядоченно­
стью. Строение и свойства кокса зависят от состава угольной
шихты, температуры и скорости нагрева коксуемой массы. Кокс
применяют для выплавки чугуна, как высококачественное бездым­
ное топливо, восстановитель железной руды, разрыхлитель
шихтовых материалов и др.
Коксование – это разложение при высокой температуре без
доступа воздуха твердых и жидких горючих ископаемых с образо­
ванием летучих веществ и твердого остатка – кокса. Общая схема
коксохимического производства приведена на рисунке 4. Для кок­
сования используются определенные группы каменных углей –
коксовые, жирные, спекающиеся, способные при нагревании пере­
ходить в пластическое состояние, помимо которых к ним могут до­
бавлять слабоспекающиеся и тощие угли. После обогащения (отде­
ления минеральных примесей), измельчения до зерен размером
обычно меньше 3 мм и перемешивания, угли (шихта) направляют в
башню, из которой с помощью загрузочных вагонов через специ­
альные люки подают в раскаленную коксовую печь – горизонталь­
ный аппарат щелевидного типа. Коксовая печь имеет обогреватель­
ные простенки (вертикальные каналы), выложенные из огнеупорно­
48
го динасового кирпича. Преимущественное применение нашли
печи с камерами шириной 400-500 мм, высотой 4-7 м, длиной 12-16
м, полезным объемом 20-50 м. Несколько десятков (обычно 60-70)
компонуют в единую систему – коксовую батарею, обслуживаемую
общим комплектом машин и механизмов.
В зависимости от ширины камеры, влажности шихты, ее
насыпной массы, а также температуры в простенках (обычно 130013700С) нагревание шихты длится 14-18 ч. Для обогрева печей ис­
пользуют доменный, коксовый, генераторный и другие газы или их
смеси. Эти теплоносители сгорают в обогревательных простенках,
куда наряду с газом подают воздух. Для его подогрева в специаль­
ных регенераторах, которые расположены под коксовой батареей и
служат как бы ее основанием, используют теплоту сгорания газа.
Коксование характеризуется разновременностью процессов, про­
текающих в отдельных слоях. Вследствие этого в коксуемом
массиве длительно находятся одновременно слои кокса, полукокса,
тестообразной пластичной массы сухого и влажного угля. Кокс
формируется в виде монолита – коксового «пирога», который затем
растрескивается на куски разной величины. К концу процесса тем­
пературы во всех слоях практически выравниваются.
После завершения коксования дверь камеры открывается с
помощью специальных механизмов и раскаленный «пирог»
подается коксовыталкивателем в тушильный вагон, перемещаю­
щийся по рельсам вдоль коксовой батареи. Кокс тушится в этом
вагоне мокрым способом – обильно в течение около двух минут
орошается водой. Охлажденный кокс выгружается равномерным
слоем на наклонную коксовую площадку (рампу), на грохотах с
квадратными отверстиями разделяется по классам крупности
(больше 40, 40-24, 25-10, меньше 10 мм) и направляется потребите­
лям. При сухом способе тушения кокс из форкамеры специальной
установки постепенно перемещается в камеру тушения, где с
помощью азота охлаждается до 200-2200С. Газ движется снизу
вверх навстречу кускам кокса и, охлаждая его, нагревается до 8009000С и подается в котельную установку для образования водяного
пара. Охлажденный газ насосом возвращается на тушение кокса.
Летучие продукты коксования в виде парогазовой смеси с темпе­
ратурой 700-7500С охлаждают сначала в газосборнике распыленной
49
водой до 800С, а затем в трубчатых холодильниках до 25-350С. Об­
разовавшиеся конденсаты после отделения от коксового газа разде­
ляют отстаиванием и получают каменноугольную смолу и над­
смольную воду. Из 1т угольной шихты получают 650-750 кг кокса,
340-350 м3 коксового газа (содержит в % по массе: Н2 – 1,5-1,7, СН4
– 5,5-6,5, ароматических углеводородов – 1,0-1,2, олефинов – 1,21,25, СО – 2,6-2,8), 30-40 кг смолы, 10-12кг сырого бензола, 2,5-3,4
кг аммиака.
Рис.4. Общая схема коксохимического производства. ПКГ –
прямой коксовый газ, СБ – сырой бензол, КУС – каменно­
угольная смола, ОКГ- обратный коксовый газ.
7.2. Производство чугуна и стали
Чугуны и стали относятся к сплавам железа с углеродом. Чугуны
содержат обычно более 2% углерода. Сырьем для получения
чугуна являются железные руды, топливо и флюсы. К основным
рудам относятся магнитный железняк, содержащий 50-65% Fe3O4,
красный железняк с содержанием до 66% Fe2O3, бурый железняк, в
котором содержится 35-55% гидроксидов железа, шпатовый
50
железняк, содержащий 30-38% FeCO3. В качестве топлива в
основном используют кокс и природный газ. Флюсы (известняк и
доломит) используются в процессе плавки для отделения от чугуна
пустой породы в виде относительно легкоплавкого, не смешиваю­
щегося с металлом шлака. В качестве примесей в железных рудах
содержатся соединения серы, фосфора, марганца, кремния и ряда
других металлов и металлоидов.
Руда измельчается в дробилках, классифицируется на грохотах и
обогащается. Для обогащения в зависимости от типа руды исполь­
зуют электромагнитную сепарацию, гравитационные методы,
флотацию или восстановительный обжиг. Концентрат руды агломе­
рируют спеканием с коксовой мелочью и раздробленными
флюсами при температуре около 14000С в агломерационных
машинах непрерывного действия. В пламени горелки шихта, дви­
жущаяся на чугунной транспортной ленте, нагревается в результате
спекания с образованием прочных пористых кусков агломерата,
происходит частичное восстановления высших оксидов железа и
выгорание пиритной массы. Вместо агломерации применяют и
окомкование измельченной руды со связующим (мелкодисперсной
глины) с получением частиц диаметром 6-7 мм (окатышей).
Полученная шихта загружается в доменную печь (домну) –
расширяющийся книзу реактор шахтного типа, выложенный
изнутри огнеупорным кирпичом и приспособленный для встречно­
го движения загружаемой сверху шихты и подаваемого снизу
воздуха. В нижней части печи формируется восстановительная ат­
мосфера. Восстановительные газы образуются в результате экзо- и
эндотермических реакций, протекающих с участием кокса, входя­
щего в состав шихты. Подаваемый в домну воздух предварительно
подогревается отходящими доменными газами в специальных реге­
нераторах. За счет этого, а также преобладающий экзотермических
реакций в нижней части доменной печи (горне) достигается макси­
мальная температура (около 18000С). Температура постепенно сни­
жается по мере движения восстановительных газов вверх, достигая
в верхней части доменной печи (колоснике) 2500С. Основные
реакции доменного процесса – последовательное восстановление
железа из его оксидов входящими в состав доменных газов Н2 и
СО:
51
Fe2O3 ↔ Fe3O4 ↔ FeO ↔ Fe
Вместе с оксидами железа в домне восстанавливаются и другие
компоненты шихты. Восстановившиеся кремний, марганец и
фосфор вместе с углеродом и цементитом (Fe3C) растворяются в
чугуне. Сульфиды, присутствующие в руде, благодаря обменным
реакциям переходят в шлак. Шлакообразование происходит за счет
взаимодействия кальция и магния, образующихся при разложении
флюсов, с невосстановившимися кислыми оксидами, присутствую­
щими в исходной руде.
Основные продукты доменного процесса – серый и белый
чугун. По назначению чугуны подразделяют на передельные
(содержат больше 4% углерода, которые переплавляют на сталь), и
литейные (содержат от 2,4 до 3,8% углерода, среди которых в зави­
симости от степени графитизации и состояния углерода выделяют
несколько видов чугуна:
• Белый чугун (избыток углерода присутствует в связанном со­
стоянии), который получают при быстрой кристаллизации,
способствующей образованию цементита и перлита, обуславли­
вающих большую твердость и хрупкость. Для улучшения
свойств металла проводят графитизирующий обжиг в течение
10-12 часов при 10000 и 2-3 часов при 7000, в результате которого
цементит распадается с выделением углерода в виде хлопьев, и
вводят легирующие примеси (кремний, никель, медь, алюминий,
титан, хром, марганец, молибден, вольфрам). Получаемый чугун
называется ковким и применяется автомобиле-, тракторо- и сель­
хозмашиностроении.
• Половинчатый чугун образуется в результате неполной графи­
тизации белого чугуна (углерод содержится как в виде графита,
так и цементита). Он применяется в качестве антифрикционного
материала, работающего в условиях сухого трения (например,
для изготовления тормозных колодок), и для изготовления
изделий повышенной износостойкости (прокатные, бумагодела­
тельные, мукомольные валы).
• Серый (литейный) чугун значительную углерода содержит в
виде графита, который определяет его основные свойства –
серый цвет в изломе, сравнительную мягкость, возможность ме­
ханической обработки на станках, хорошие литейные качества.
52
Он применяется для изготовления цилиндров, втулок и других
деталей двигателей, а также станин.
• Высокопрочный чугун получают введением перед разливкой
марганца, церия, ванадия, кальция и других модифицирующих
примесей. Он применяется для замены стальных кованных
деталей во многих областях машиностроения.
В промышленности выплавляются и легированные чугуны коррозионностойкие (содержат никель и медь), кислото- и щелоче­
упорные (содержат хром и никель), жаростойкие (содержат
алюминий, кремний, молибден) антифрикционные (содержат
кремний, марганец, хром и медь). Добавки в чугун вводятся в
ковше, электропечах или вагранках.
Сущность различных способов передела белого чугуна в сталь
заключается в понижении до стандартных значений содержания в
металле углерода и других элементов, попавших в него в процессе
восстановления руды. Основной способ удаления из чугуна присут­
ствующих в нем элементов - превращение их в оксиды, которые
отделяются от сплава в виде газа, либо переходящих в шлак про­
дуктов их взаимодействия с флюсами. Такие превращения происхо­
дят в результате окисления восстановленных в домне элементов. В
качестве окислителей используют кислород и оксиды железа, обра­
зующиеся в процессе передела или добавляемые в виде железной
руды или скрапа (железного лома, содержащего оксиды железа).
Стали содержат менее 2% углерода. Их получают в устройствах
периодического действия – мартеновских или электрических печах,
а также в конверторах различного типа. Шихтовые материалы при
мартеновской плавке – передельный чугун (в твердом или жидком
состоянии), рудный концентрат, скрап и флюсы (при основном
процессе – известняк, при кислом – кварцевый песок). Марте­
новская печь (средняя производительность – 400 тыс. т стали в год)
представляет собой закрытую сводом ванну, футерованную в зави­
симости от состава сырья магнезитовым, магнезитохромовым или
доломитовым кирпичом. Помещенная в ванны шихта плавится за
счет сжигания над ней топлива (жидкого или газообразного),
которое, как и воздух, предварительно подогреваются в имеющихся
в печи каналах (регенераторах). Во время плавления шихты проис­
ходит окисление железа и примесей. Для интенсификации окисле­
53
ния и горения топлива воздушное дутье обогащают кислородом.
Образующийся оксид железа активно взаимодействует с углеро­
дом, образующийся в результате реакции СО удаляется и содержа­
ние углерода в металле снижается. Оксид железа, выполняющий
роль переносчика кислорода, переходит в расплав и окисляет со­
держащиеся в нем кремний, марганец, фосфор и другие элементы.
Образующиеся при этом оксиды под действием флюсов превраща­
ются в шлак, который всплывает и изолирует металл от контакта с
продуктами горения топлива. Основные реакции, в результате
которых чугун превращается в сталь, протекают после достижения
температуры 16000С. Продолжительность мартеновской плавки со­
ставляет 6-12 часов.
Кислородно-конверторный способ позволяет выплавлять сталь
широкого сортамента, использовать в шихте лом и сократить время
плавки. Конвертор – ретортообразный резервуар емкостью 300-500
т, оснащенный поворотным механизмом и футерованный доломи­
товым или магнезитовым огнеупорным материалом. Через горлови­
ну его заливают жидким чугуном, который продувается сверху или
через днище смесью воздух-кислород с природным газом или неф­
тепродуктами. Другой вариант способа: после загрузки шихты (же­
лезного лома, рудного концентрата, флюсов) в конвертор через гор­
ловину вдвигают охлаждаемую водой форму и через нее подается
чистый кислород.
Выплавка стали в дуговых и индукционных (применяют много­
витковые индукторы из медных трубок, в которых циркулирует
вода) электропечах может проводить под вакуумом и давлением и
обеспечивает получение качественных сталей. Шихта содержит
стальной лом, металлизированные окатыши (частично заменяют
чугун и получаются прямым восстановлением железа из руд
оксидом углерода, водородом, пылевидным углем в процессах
внедоменной металлургии), чугун, ферросплавы, флюсы. Для повы­
шения качества стали, ее подвергают рафинированию, к которому
относят электрошлаковый переплав, вакуумно-индукционную
плавку, вакуумно-дуговой переплав, электронно-лучевую плавку,
внепечное рафинирование в котле, продувку инертным газом. Су­
щественное значение для качества выплавленной стали имеют
процессы ее разливки, формирования слитка, прокатки.
54
Свойства сталей и чугунов определяются размерами, составом и
содержанием образующих их фаз (феррита, аустенита, цементита,
перлита, ледебурита, графита). Сталь, содержащая 0,8% углерода,
называется эвтектоидной (состоит из участков перлита), менее 0,8%
– доэвтектоидной (состоит из участков феррита и перлита), больше
0,8% – заэвтектоидной (состоит из участков перлита и вторичного
цементита в виде сетки и мелких глобул). С повышением содержа­
ния углерода до 0,9% твердость и прочность стали возрастают, а
дальнейшее его увеличение приводит к снижению прочности при
увеличении твердости. Для улучшения механических свойств сталь
подвергают термической и химико-термической обработке:
- отжигу, проводимому при высоких температурах и длительных
выдержках, необходимых для выравнивания концентрационных
неоднородностей (отжиг I рода, не связан с фазовыми превращени­
ями) или при температурах выше критической точки, т.е. с пере­
кристаллизацией, с последующей выдержкой и медленным охла­
ждением (отжиг II рода) для приведения стали в равновесное состо­
яние и улучшения ее обрабатываемости резанием;
- нормализации – нагреве стали до однофазного аустенитного со­
стояния, выдержке и охлаждении на воздухе, благодаря чему дости­
гается измельчение структуры, повышение сопротивления стали к
хрупкому разрушению, улучшение ее механической обрабатывае­
мости;
- закалка проводится с целью придания стали высокой твердости
и прочности, что связано с образованием мартенсита - пересыщен­
ного раствора углерода в α-железе.
- отпуск, заключающийся в нагревании до температуры ниже
7270С, снимает внутренние большие внутренние напряжения в
стали после закалки и позволяет получать необходимые механиче­
ские свойства;
- улучшение применяется для конструкционных сталей и состоит
в совмещении закалки с отпуском.
В зависимости от содержания углерода и легирующих элементов
различают углеродистые (кроме углерода в них могут содержаться
до 0,7% марганца, 0,4% кремния, 0,035%фосфора) и легированные
(низколегированные с общим содержанием легирующих элементов
до 2,5%, среднелегированные с содержанием легирующих элемен­
55
тов от 2,5 до 10% и высоколегированные). Различают стали:
общего назначения (используются без термической обработки или
после закалки и отпуска), автоматные (характеризуются хорошей
механической обрабатываемостью и используются для изделий, ра­
ботающих при малых ударных нагрузках), конструкционные угле­
родистые (к ним относят и пружинно-рессорные), инструменталь­
ные углеродистые и легированные (используются для изготовления
режущих, измерительных, штамповых инструментов и обладают
высокой твердостью, износостойкостью, прочностью, термостойко­
стью), быстрорежущие (сложнолегированные, содержат вольфрам,
молибден, кобальт, хром, ванадий и др.), жаропрочные (содержат
0,4-14% хрома, 8-34% никеля, до 1% молибдена, до 2% вольфрама),
нержавеющие (основной легирующий элемент – хром), электро­
технические (трансформаторная и динамная, обладающие высокой
магнитной проницаемостью и малыми потерями при перемагничи­
вании, основной легирующий элемент – кремний).
7.3. Производство алюминия
Содержание алюминия в земной коре составляет 8,8% (четвертый
после водорода, кислорода и кремния элемент по распространенно­
сти). Его важнейшими минералами, содержащимися в промышлен­
ных месторождениях, являются боксит (смесь гидроксидов
алюминия), алунит, или квасцовый камень и нефелин. В состав
промышленного комплекса по получению алюминия входят произ­
водство глинозема Al2O3, производство криолита и других
фторидов, производство анодных и футтеровочных материалов,
электролитическое получение алюминия. Принципиальная схема
производства алюминия приведена на рис.5.
Для руд с отношением оксида алюминия к кремнезему большим
6 используется способ: боксит после измельчения в шаровых мель­
ницах выщелачивают в автоклавах при 225-2500 щелочным раство­
ром NaAlO2, полученный раствор разбавляют водой, отделяют
шлам и в течение 60-70 часов разлагают в аппаратах с мешалкой.
При этом около половины содержащегося в растворе алюминия вы­
деляется в виде гидроксида. Его отфильтровывают и прокаливают
во вращающихся печах или печах кипящего слоя при температуре
около 12000, получая глинозем, содержащий до 60% А12О3.
56
Маточный раствор упаривают и возвращают на выщелачивание
новой партии боксита.
Рис.5. Принципиальная схема производства алюминия
При отношении А12О3:SiO2 ≤ 6 измельченную руду (содержа­
щую, например нефелин) смешивают с содой и известняком и про­
каливают во вращающихся печах при 1250-13000. Полученную
массу выщелачивают водно-щелочным раствором, получаемый
раствор алюмината отделяют от шлама, обработкой углекислым
газом выделяют из него гидроксид алюминия, который кальцинаци­
ей превращают в глинозем.
Алюминий получают электролизом раствора глинозема в рас­
плавленном криолите Na3[AlF6]. Криолит образует с глиноземом эв­
тектическую смесь, содержащую 8-10% А12О3 и 90-92% криолита и
имеющую температуру плавления 980-10000 (температура плавле­
ния оксида алюминия – 20500). Кроме того, для дополнительного
повышения электропроводности и снижения температуры плавле­
57
ния к электролиту добавляются небольшие количества фторидов
алюминия, лития, кальция и магния. Природный криолит («ледяной
камень») присутствует в природе (известны большие его залежи в
Гренландии). Искусственно его получают действием соды на
H3AlF6, образующуюся в результате взаимодействия Аl(ОН)3 и НF.
Криолит-глиноземные расплавы, содержащие как простые так и
комплексные ионы, которые участвуют в переносе электрического
тока. Электролиз глинозема ведут в аппаратах, катодом которых
служит подина ванны, анодом – предварительно обожженные
угольные блоки или самообжигающиеся электроды, погруженные в
электролит. Температура электролита при электролизе – 950-9600,
напряжение – 4,2-4,5 В. Жидкий алюминий накапливается на
подине ванны, а выделяющийся на аноде кислород образует СО и
СО2 (анод сгорает). Анодная плотность тока при электролизе со­
ставляет 700-900 А/м2, катодная – 400-500 А/м2. Сила проходящего
в электролизере тока достигает 20000 А, выход по току – 85-90%.
Суточная производительность ванны средней мощности лежит в
интервале 550-1200 кг алюминия. На 1 т алюминия расходуется
1,92-1,94 т глинозема, 40-50кг криолита, 20-25 кг фторида
алюминия, 14000-16000 кВт⋅ч электроэнергии. Алюминий
отбирают 1-2 раза в сутки и разливают в чушки или плоские
слитки.
Алюминий используют главным образом для получения алю­
миниевых сплавов, которые отличаются малой плотностью,
хорошими технологическими свойствами, коррозионной стойко­
стью, высокой тепло- и электропроводностью, жаропрочностью,
пластичностью при низких температурах. Из сплавов алюминия
нашли применение: дюралюминий (с медью и магнием), магналий
(с магнием), силумины (с кремнием), авиали (с магнием и
кремнием), а также сплавы алюминия с цинком, магнием и медью
(высокопрочные), алюминием, медью и марганцем (криогенные и
жаропрочные), магнием, литием, медью, марганцем (пониженной
плотности).
58
7.4 Технология связанного азота
7.4.1. Производство аммиака
Аммиак производят взаимодействием азота и водорода. В
качестве источника азота используют воздух, который может быть
разделен криогенным, адсорбционным или диффузионным
методом, однако из-за возможности создания установок большой
мощности в промышленности используется первый. Сжиженный
воздух подвергается ректификации обычно в аппаратах двукратно­
го действия, которые состоят из двух расположенных друг над
другом колонн со встроенными между ними или выносными кон­
денсаторами-испарителями. Трубное пространство последнего со­
общается с нижней колонной, и в нем конденсируются пары азота,
образующие флегму для обеих колонн. Межтрубное пространство
конденсатора сообщается с верхней колонной, являясь одновремен­
но ее кубом и испарителем. Давление в верхней колонне (0,14 МПа)
обуславливается в основном гидравлическим сопротивлением,
которое должны преодолеть продукты разделения, выводимые из
установки. Давление в нижней колонне (0,55 МПа) соответствует
температуре конденсации паров азота жидким кислородом,
кипящим в кубе верхней колонны. В зависимости от давления,
необходимого для проведения процесса различают воздухораздели­
тельные установки низкого и среднего давления. В первых (в них
воздух сжимают компрессором до давления 0,55 МПа, а требуемая
холодопроизводительность достигается расширением части его до
давления 0,14 МПа) получают продукты разделения в газообразном
состоянии, во вторых (давления воздуха составляют соответственно
3 и 0,55 МПа) – в жидком состоянии. Водород может быть получен
из коксового газа, электролизом щелочных или водно-щелочных
растворов и другими способами.
В промышленности синтез аммиака проводиться при низком (до
10 МПа), среднем (25-60 МПа) и высоком (до 100 МПа) давлении.
Технологическая схема синтеза аммиака при среднем (35 МПа)
давлении включает смешение сжатой в турбокомпрессоре исходной
азотоводородной смеси с циркулирующей смесью и после пропус­
кания через систему холодильников и сепараторов каталитическое
получение аммиака в колонне синтеза при температуре 450-500О.
59
Колонны синтеза изготавливают из легированных хромом, никелем
и молибденом сортов стали. Толщина стенок достигает 300 мм при
внутреннем диаметре до 2,5 и высоте 25м. В нижней части колонны
размещается теплообменник для подогрева азотоводородной смеси,
которая подается в межтрубное пространство, продуктами реакции,
перемещающимися по трубам и охлаждающимися в этом же холо­
дильнике. В верхней части колонны расположены катализаторная
коробка и трубы теплообменника для дополнительного подогрева
азотоводородной смеси перед контактированием. В качестве ката­
лизатора применяют восстановленное железо, содержащее активи­
рующие добавки (промоторы) – алюминий, калий, кальций,
кремний. Суточная производительность колонн достигает 1500т
при выходе аммиака 91%. Повышение производительности синтеза
аммиака может быть достигнуто за счет уменьшения размеров
зерен катализатора и использования кипящего слоя.
Рассмотрим элементарную технологическую схему совре­
менного производства аммиака при среднем давлении производи­
тельностью 1360 т/сутки. Режим ее работы характеризуется следу­
ющими параметрами: температура контактирования 450-5500 С,
давление 32 МПа, объемная скорость газовой смеси 4·10 4нм3/м3·ч,
состав азотоводородной смеси стехиометрический.
Азотоводородная смесь и циркуляционный газ (рис.6) под
давлением подается из смесителя 3 в конденсационную колонну
4, где из циркуляционного газа конденсируется часть аммиака,
откуда поступает в колонну синтеза 1. Выходящий из колонны
газ, содержащий до 0.2 об. дол. аммиака направляется в водяной
холодильник-конденсатор 2 и затем в газоотделитель 5, где из
него отделяется жидкий аммиак. Оставшийся газ после ком­
прессора смешивается со свежей азотоводородная смесью и
направляется сначала в конденсационную колонну 4, а затем в
испаритель жидкого аммиака 6, где при охлаждении до –200 С
также конденсируется большая часть аммиака. Затем циркуляцион­
ный газ, содержащий около 0.03 об. дол. аммиака, поступает в
колонну синтеза 1. В испарителе 6, одновременно с охлаждением
циркуляционного газа и конденсацией содержащегося в нем
аммиака, происходит испарение жидкого аммиака с образованием
товарного газообразного продукта.
60
Рис.6. Технологическая схема производства аммиака.
1 - колонна синтеза, 2 - водяной конденсатор, 3 - смеситель свежей
азотоводородной смеси и циркуляционного газа, 4 - конденсацион­
ная колонна, 5 - газоотделитель, 6 – испаритель жидкого аммиака, 7
- котел-утилизатор, 8 - турбоциркуляционный компрессор.
7.4.2. Производство азотной кислоты
Азотная кислота по объему производства занимает второе место
после серной кислоты. В промышленности вырабатывается слабая
(50-60%) и концентрированная (96-98%) азотная кислота. Слабая
азотная кислота используется преимущественно для получения ми­
неральных удобрений (аммиачной селитры, нитрофоски и др.) и
многочисленных солей. Концентрированная азотная кислота при­
меняется в производстве взрывчатых веществ, пластических масс и
волокон, красителей, растворителей, нитролаков, нитроэмалей и др.
В производстве азотной кислоты можно выделить следующие
основных стадии (рис. 7, 8):
•
Каталитическое окисление аммиака до оксида азота (2+). В
качестве катализатора используются на первой ступени окисле­
ния – сетки, изготовленные из тонкой (толщиной менее 0,08 мм)
проволоки сплава платины с металлами платиновой группы
(например, родием и палладием), и неплатиновые катализаторы
61
•
•
•
на основе оксидов железа и хрома – на второй. В промышленно­
сти окисление аммиака проводят как при атмосферном, так и при
повышенном (около 1М Па) давлении.
Окисление оксида азота (2+) в диоксид азота: нитрозный газ, по­
лученный в контактном аппарате (например, при атмосферном
давлении) охлаждается (содержащийся в нем водяной пар кон­
денсируется, превращаясь в 3% азотную кислоту) и поступает в
окислительную башню, заполненную керамической насадкой, в
которой и происходит окисление. Выделяющееся при окислении
тепло отводится орошающей башню холодной 50% азотной
кислотой.
Адсорбция диоксида азота, охлажденного до -100, производится
водой и 55% азотной кислотой в адсорбционных колоннах бар­
ботажного типа диаметром 3,2м и высотой 45м, снабженных сет­
чатыми тарелками, между которыми расположены охлаждаемые
водой змеевики. На выходе из адсорбционной колонны концен­
трация азотной кислоты достигает 55-58%. Концентрированную
азотную кислоту получают концентрированием разбавленной
азотной кислоты (для этих целей используется техническая
серная кислота с концентрацией 92-93% или концентрированный
раствор нитрата магния) или прямым синтезом из жидких
оксидов азота.
Каталитическую очистку нагретых до 7500 отходящих газов от
оксидов азота (их содержание уменьшается до менее, чем
0,008%), после которой очищенные газы направляются в рекупе­
рационные газовые турбины.
Рис.7. Схема производства азотной кислоты
62
Рис. 8. Принципиальная схема производства разбавленной азотной
кислоты
7.4.3. Производство карбамида
Карбамид (мочевина) – ценное, нейтральное, концентрированное,
водорастворимое азотное удобрение (содержит около 46% азота)
для многих сельскохозяйственных культур на любых почвах. Его
используют и как заменитель белка в кормах для жвачных
животных. Производные мочевины – эффективные гербициды.
Мочевина – сырье для ценных химических продуктов: карбамид­
ных смол, меламина, циануровой кислоты и ее эфиров, цианидов
63
калия и натрия, гидразина, гидразоформамида, а также фармацевти­
ческих препаратов (веронала, люминала, бромурала и др.), некото­
рых красителей.
В нефтяной промышленности карбамид используют для депара­
финизации масел и моторных топлив с выделением мягкого
парафина – сырья для получения белково-витаминных препаратов,
жирных кислот и спиртов, моющих средств и т.д.
В промышленности карбамид получают по реакции Базарова:
2NH3 + CO2 ↔ NH2COONH4
NH2COONH4 ↔ (NH2)2СО
Промышленная технология включает стадию синтеза, осуще­
ствляемого при 180-2300 и давлении 12-25 МПа, рецикл непрореа­
гировавших в виде аммониевых солей угольной кислоты, стадии
обезвоживания растворов мочевины и приготовления ее товарных
форм (в виде гранул или кристаллов). В современной технологии
широко применяют дистилляцию в токе углекислого газа или
аммиака, позволяющую повысить экономичность процесса. Разра­
ботаны научно-технические решения для создания безотходного и
энергосберегающего производства мочевины с мощностью агрега­
тов 450 тыс. т/год и более.
На рис. 9 приведена упрощенная схема крупнотоннажного
агрегата синтеза карбамида с жидкостным рециклом и примене­
нием стриппинг-процесса. В ней можно выделить узел
высокого давления, узел низкого давления и систему грануля­
ции. Водный раствор карбамата аммония и углеаммонийных
солей, а также аммиак и диоксид углерода поступают в
нижнюю часть колонны синтеза 1 из конденсатора высокого
давления 4. В колонне синтеза при температуре 170—190°С и
давлении 13—15 МПа заканчивается образование карбамата и про­
текает реакция синтеза карбамида.
Расход реагентов подбирают таким образом, чтобы в
реакторе молярное
отношение NH3:СО2 составляло 2,8-2,9.
Жидкая реакционная смесь (плав) из колонны синтеза карбами­
да поступает в отдувочную колонну 5, где стекает по трубкам
вниз. Противотоком к плаву подают сжатый в компрессоре до
давления 13-15 МПа диоксид углерода, к которому для образования
пассивирующей пленки и уменьшения коррозии оборудования
64
добавлен воздух в количестве, обеспечивающем в смеси кон­
центрацию кислорода 0,5-0,8%.
Рис. 9. Упрощенная технологическая схема получения карбамида
с полным жидкостным рециклом и применением стриппинга:
1 - колонна синтеза карбамида,
2 – скруббер высокого давления,
3- инжектор,
4 – карбаматный конденсатор высокого давления,
5 – отдувочная колонна,
6 – насосы,
7 – конденсатор низкого давления,
8 – ректификационная колонна низкого давления,
9 – подогреватель,
10 – сборник,
11 – выпарной аппарат,
12 – грануляционная башня.
65
Рис.10. Принципиальная схема получения карбамида
с полным рециклом.
Отдувочная колонна обогревается водяным паром. Парогазовая
смесь из колонны 5, содержащая свежий диоксид углерода, по­
ступает в конденсатор высокого давления 4. В него же вводят
жидкий аммиак. Он одновременно служит рабочим потоком в
инжекторе 3, подающем в конденсатор раствор углеаммоний­
ных солей из скруббера 2 и при необходимости часть плава из
колонны синтеза. В конденсаторе образуется карбамат. Выделя­
ющуюся при реакции теплоту используют для получения водяного
пара. Из верхней части колонны синтеза непрерывно выходят не­
прореагировавшие газы, поступающие в скруббер высокого
давления 2, в котором большая часть их конденсируется за
счет водного охлаждения, образуя водный раствор карбамата и уг­
леаммонийных солей. Водный раствор карбамида, выходящий из
отдувочной колонны 5, содержит 4-5% карбамата. Для окончатель­
ного его разложения раствор дросселируют до давления 0,3-0,6
МПа и затем направляют в верхнюю часть ректификационной
колонны 8. Жидкая фаза стекает в колонне вниз по насадке
противотоком к парогазовой смеси, поднимающейся снизу вверх;
из верхней части колонны выходят NH3, CO2 и водяные пары.
Водяные пары конденсируются в конденсаторе низкого
давления 7, при этом растворяется основная часть аммиака и
диоксида углерода. Полученный раствор направляют в скруббер 2.
Окончательная очистка газов, выбрасываемых в атмосферу,
производится абсорбционными методами (на схеме не показана).
70%-ный водный раствор карбамида, выходящий из нижней части
ректификационной колонны 8, отделяют от парогазовой смеси и
направляют после снижения давления до атмосферного сначала на
66
выпарку, а затем на грануляцию. Перед распылением плава в
грануляционной башне 12 к нему добавляют кондиционирующие
добавки, например мочевиноформальдегидную
смолу, чтобы
получить неслеживающееся удобрение, не портящееся при
хранении.
7.5. Технология переработки полимеров
Полимеры – высокомолекулярные соединения, молекулы
которых состоят из большого числа одинаковых группировок, со­
единенных химическими связями, и имеющими высокую молеку­
лярную массу (от нескольких десятков тысяч до многих миллио­
нов). В зависимости от расположения атомов и атомных групп в
макромолекуле различают линейные, разветвленные и сшитые (с
трехмерной сеткой) полимеры. Полимеры обладают специфиче­
ским комплексом физико-химических и механических свойств, к
важнейшим из которых относятся способность образовывать высо­
копрочные анизотропные высокоориентированные волокна и
пленки, способность к большим, длительно развивающимся обра­
тимым деформациям, способность в высокоэластичном состоянии
набухать перед растворением, высокая вязкость растворов.
Полимеры могут вступать в различные реакции, из которых
следует отметить: образование химических связей между макромо­
лекулами, распад макромолекул на отдельные, более короткие
фрагменты, реакции боковых функциональных групп с низкомоле­
кулярными веществами, не затрагивающие основную цепь, внутри
молекулярные реакции, протекающими между функциональными
группами одной макромолекулы.
Природные полимеры образуются в процессе биосинтеза в
клетках живых организмов. С помощью экстракции, фракционного
осаждения и других методов они могут быть выделены из расти­
тельного и животного сырья. Неорганические природные полимеры
образуются в результате геохимических процессов, происходящих
в земной коре. Синтетические высокомолекулярные соединения
получают путем реакций полимеризации и поликонденсации. По­
лимеризация – процесс получения высокомолекулярных соедине­
ний, при котором молекула полимера образуется путем последова­
67
тельного присоединения молекул низкомолекулярного вещества
(мономера) к активному центру, находящемуся на конце растущей
цепи. В полимеризацию вступают вещества, содержащие кратные
связи С=С, С=О, С=N и т.д., либо способные раскрываться цикли­
ческие группировка (оксиды олефинов, циклические простые и
сложные эфиры, циклосилоксаны, лактамы и др.).
Поликонденсация – синтез полимеров взаимодействием би- или
полифункциональных мономеров и(или) олигомеров, обычно со­
провождающийся выделением низкомолекулярного продукта
(воды. спирта, аммиака, галогенводорода, соответствующий солей
и др.).
По масштабам производства (около 100 млн.т в год) первое место
среди материалов на основе высокомолекулярных соединений
занимают пластические массы (пластмассы) – материалы, способ­
ные в условиях переработки (повышенные температуры и
давления) переходить в пластическое состояние и формоваться, а в
процессе эксплуатации сохранять приданную им форму. В зависи­
мости от поведения при нагревании пластмассы подразделяют на
термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопла­
сты). Термопласты – полимеры преимущественно линейной или
малоразветвленной структуры, размягчающиеся при нагревании и
затвердевающие при охлаждении. Реактопласты – полимеры, при
формировании которых протекают химические реакции, сопрово­
ждающиеся образованием трехмерной сетчатой структуры. Пласт­
массы – сложные композиции, включающие кроме полимеров
целый ряд веществ, которые обеспечивают определенную совокуп­
ность потребительских и технологических свойств: наполнители
(вводят для улучшения физико-механических свойств), пластифи­
каторы (сложные эфиры различных кислот, увеличивающие пла­
стичность), стабилизаторы (повышают стойкость к действию
факторов внешней среды), красители (для окрашивания изделия) и
др.
Самым распространенным способом переработки пластмасс в
изделия является литье под давлением. Этот способ реализуется
на литьевых машинах и состоит во впрыскивании расплавленной
пластмассы под давлением 80-140 МПа в форму (для достижения
высокой точности по размерам применяют литье при сверхвысо­
68
ких, до 500 МПа давлениях) и охлаждении ее под давлением. Этот
способ позволяет получать за одну технологическую операцию
почти законченное изделие и используется в массовом произ­
водстве различных пластмассовых изделий.
Экструзия применяется для непрерывного изготовления длинно­
мерных изделий, таких как прутки, трубы, нити, стержни, листы,
пленки и т.п. с использованием экструдеров различных конструк­
ций. В червячных экструдерах расплав полимера червячным пита­
телем подается в формующую головку, которая и определяет
форму изделия. Так, для изготовления труб применяют головку с
кольцеобразной формующей частью и устройством для точной ка­
либровки по внешнему и внутреннему диаметру заготовки. Пленку
получают выдавливанием расплава через широкую щель формую­
щей головки с последующим ее охлаждением на поверхности вра­
щающегося барабана или в водяной ванне. Производство рукавной
пленки включает наполнение экструдируемого рукава сжатым
воздухом и охлаждение его с внешней стороны. При этом размеры
пленки (толщина и ширина) регулируют давлением воздуха с
внешней стороны и скоростью намотки на приемном устройстве.
Помимо экструзии расплава промышленные методы изготовления
полимерных пленок включают полив раствора полимера на полиро­
ванную металлическую или другую поверхность, подачу раствора
полимера в осадительную ванну, полив дисперсии полимера на по­
лированную поверхность, каландрирование, строгание заготовок,
прессование.
Технология производства полимерных волокон (нитей)
включает:
1) приготовление расплава (полиамиды, полиэфиры полиолефины)
или раствора (полиакрилонитрил, поливинилхлорид, поливинило­
вый спирт) полимера;
2) формование волокон из раствора или расплава с последующим
вытягиванием в пластическом состоянии;
3) отделка сформированных волокон (обработка различными реа­
гентами, замасливание, сушка, кручение, упаковка).
Разнообразие свойств исходных полимеров и наличие в них раз­
личных реакционно-способных групп позволяет методами модифи­
кации получать волокна с самыми различными свойствами. Поли­
69
мерные волокна выпускаются в виде моноволокон, текстильных
или технических нитей и штапельного волокна. Прочность волокон
может достигать 1.2 Гн/м2.
Мировое производство полимерных волокон составляет около 5
млн.тонн в год. Полимеры нашли широкое применение в авиа- ав­
томобиле- и машиностроении, медицинской и пищевой промыш­
ленности, радиоэлектронике, сельском и водном хозяйстве, строи­
тельстве, судостроении, электротехнике, железнодорожном транс­
порте и пр.
70
8. Список рекомендованной литературы
Абалонин Б. Е., Кузнецов И. М., Харлампиди Х. Э. Основы хими­
ческих производств. – М.: Химия, 2001. – 472 с.
2. Кондауров Б. П., Александров В. И., Артемов А. В. Общая хими­
ческая технология. – М.: Издательский центр «Академия» 2005. –
336 с.
3. Бесков В. С. Общая химическая технология. – М.: 2006. – 452 с.
4. Кутепов А. М. Общая химическая технология – М.: 2007. – 524 с.
5. Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и
основы промышленной экологии. – М.: Химия, 1999. – 472 с.
6. Дытнерский Ю. И. Процессы и аппараты химической техноло­
гии, ч. 1-2. – М.: Химия, 1995. 400 c.
7. Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф., Третьяков А. В. Технология
металлов и материаловедение. – М.: Металлургия, 1987. – 800 с.
8. Афанасьев В. К., Кустов Б. А., Гладышев С. А. Чугун и его
свойства. – Кемерово: «Кузбассвузиздат», 2004. – 344 с.
9. Павлов В. К., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по
курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.:
Химия, 1981. – 560 с.
10.Ершов А. И., Марков В. А., Плехов И. М., Собин В. М. Процессы
и аппараты химической технологии: лаб. практикум. – Мн.: Уни­
верситетское, 1988. – 173 с.
11.Касаткин А. Е. Основные процессы и аппараты химической тех­
нологии / М.: Альянс, 2008. – 750 с.
1.
Подписано к печати
№ 1. Печ. л. . Тираж
г. Формат 60х84 1/16. Печать офсетная
экз. Заказ №
.
ГОУ ВПО «Кемеровский Государственный университет».
650043, ул. Красная, 6. Участок оперативной полиграфии КемГУ.