Jerzy Warych

Aparatura chemiczna i procesowa

OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ WARSZAWA 1996

Opiniodawca Michał Dyląg

Opracowanie redakcyjne Danuta Sowińska

© Copyright by Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1996

ISBN 83-86569-88-3

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, ul. Polna 50, 00-644 Warszawa, tel. 25-75-18 Wydanie l. Nakład 500 + 30 egz. Ark. wyd. 26,47. Ark. druk. 22,25. Papier offset, kl. III 80 g. Oddano do składu w lutym 1996 r. Druk ukończono w październiku 1996-r. Zam. nr 174/95 Drukarnia Oficyny Wydawniczej, ul. Kopińska 12/16, 02-321 Warszawa, tel. 23-39-77

SPIS TREŚCI

1. Wstęp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. Schematy technologiczne i elementy konstrukcyjne aparatów . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2. Schematy technologiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.3. Elementy konstrukcyjne aparatów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4. Rurociągi i armatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3. Materiały konstrukcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.2. Materiały metalowe i ich stopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3. Materiały niemetalowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4. Magazynowanie ciał stałych, cieczy i gazów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2. Magazynowanie ciał stałych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.3. Magazynowanie cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.4. Magazynowanie gazów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5. Przenośniki i dozowniki ciał stałych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.2. Dźwignice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3. Przenośniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.3.1. Przenośniki cięgnowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3.2. Przenośniki bezcięgnowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5.3.3. Przenośniki pneumatyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3.4. Przenośniki hydrauliczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.4. Podajniki-dozowniki ciał stałych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6. Pompy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 6.2. Pompy wyporowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6.3. Pompy wirowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.3.1. Charakterystyka pomp wirowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.3.2. Pompy wirowe specjalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.4. Pompy strumieniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.5. Metody specjalne przetłaczania cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.6. Pompy próżniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.7. Dobór pomp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 7. Sprężarki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

7.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 7.2. Sprężarki wyporowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3

7.3. Sprężarki wirowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 7.4. Dobór sprężarki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 8. Rozdrabniarki i młyny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

8.2. Rozdrabniarki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 8.3. Młyny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 8.4. Dobór metody rozdrabniania i rozdrabniarki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 9. Klasyfikatory, przesiewacze i separatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2

9.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 9.2. Klasyfikacja pneumatyczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3 9.3. Klasyfikacja hydrauliczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 9.4. Przesiewacze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 7 9.5. Separatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 9.6. Dobór metody rozdziału i urządzeń . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 10. Mieszalniki i mieszarki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

10.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 10.2. Mieszanie gazów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 10.3. Mieszanie cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

10.3.1. Mieszanie gazem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 10.3.2. Mieszanie pompami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 10.3.3. Mieszanie w rurociągach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 10.3.4. Mieszalniki statyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 10.3.5. Mieszalniki mechaniczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

10.4. Mieszarki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

11. Aparatura do procesów granulacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 1 1 . 1 . Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 11.2. Granulatory mieszalnikowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 11.3. Granulatory ciśnieniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 11.4. Granulatory termiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 11.5. Granulatory natryskowe i dyspersyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 11.6. Granulacja w cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 11.7. Dobór metody i aparatu do granulacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 12. Aparatura do rozdzielania ciekłych układów niejednorodnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

12 .1 . Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 12.2. Odstojniki-klarowniki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 12.3. Filtry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 12.4. Wirówki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

12.4.1. Wirówki sedymentacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 12.4.2. Wirówki filtracyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 1 12.4.3. Dobór wirówek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

12.5. Hydrocyklony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 12.6. Specjalne metody rozdzielania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 12.7. Dobór filtru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 13. Odpylacze i odkraplacze gazów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

12.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 13.2. Komory pyłowe i odpylacze inercyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

4

13.3. Cyklony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 1 13.4. Odpylacze filtracyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 13.5. Elektrofiltry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 13.6. Odpylacze mokre — skrubery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 13.7. Odkraplacze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 13.8. Dobór odpylacza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 14. Wymienniki ciepła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

14.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 14.2. Nośniki ciepła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 14.3. Wymienniki bezprzeponowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 14.4. Wymienniki przeponowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

14.4.1. Wymienniki płaszczowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 14.4.2. Wymienniki rurowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 14.4.3. Wymienniki spiralne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

14.4.4. Wymienniki płaszczowo-rurowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 14.4.5. Wymienniki płytowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 14.4.6. Wymienniki niemetalowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 14.4.7. Kondensatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

14.5. Regeneratory ciepła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 14.6. Dobór wymiennika ciepła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 15.Wyparki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

15.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 15.2. Wyparki z cyrkulacją naturalną . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 15.3. Wyparki z cyrkulacją wymuszoną . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 15.4. Wyparki cienkowarstewkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 15.5. Baterie wyparne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 15.6. Wyparki mechaniczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 15.7. Dobór wyparki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 16. Krystalizatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

16 .1 . Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 16.2. Krystalizatory z chłodzeniem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 16.3. Krystalizatory z odparowaniem rozpuszczalnika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 16.4. Krystalizatory z reakcją chemiczną i wysalaniem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 16.5. Rekrystalizatory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 16.6. Dobór krystylizatora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 17. Aparatura procesów destylacji i rektyfikacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

17.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 17.2. Aparaty destylacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 17.3. Aparaty rektyfikacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

17.3.1. Kolumny półkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 17.3.2. Kolumny z wypełnieniem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 17.3.3. Wyposażenie wnętrza kolumn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 17.3.4. Dobór elementów kontaktu w kolumnach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

18. Absorbery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 18.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 18.2. Absorbery powierzchniowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

5

18.3. Absorbery z wypełnieniem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 18.4. Absorbery barbotażowo-półkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 18.5. Absorbery natryskowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 18.6. Dobór absorbera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 19. Adsorbery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

19.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 19.2. Adsorbery z warstwą nieruchomą . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 19.3. Adsorbery z warstwą ruchomą . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 19.4. Adsorbery fluidyzacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 19.5. Adsorbery cieczy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 19.6. Dobór adsorberów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 20. Aparatura procesów ługowania i ekstrakcji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

20.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 20.2. Aparatura do ługowania . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 20.3. Ekstraktory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

20.3.1. Ekstraktory mieszalnikowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 20.3.2. Ekstraktory kolumnowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 20.3.3. Ekstraktory wirówkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301

20.4. Dobór aparatury ekstrakcyjnej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

21. Suszarki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 21.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 21.2. Suszarki konwekcyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

21.2.1. Suszarki komorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 21.2.2. Suszarki tunelowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 21.2.3. Suszarki taśmowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 21.2.4. Suszarki talerzowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 21.2.5. Suszarki bębnowe — rotacyjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 21.2.6. Suszarki rozpyłowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 21.2.7. Suszarki fluidalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 21.2.8. Suszarki pneumatyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 21.2.9. Układy kombinowane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

21.3. Suszarki przeponowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 21.4. Suszarki promiennikowe (radiacyjne) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 21.5. Suszarki dielektryczne i mikrofalowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 21.6. Suszarki specjalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 21.7. Dobór suszarki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 22. Piece . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

22.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 22.2. Piece komorowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 22.3. Piece tunelowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 22.4. Piece szybowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 22.5. Piece półkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 22.6. Piece obrotowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 22.7. Piece pyłowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 22.8. Piece fluidalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334 22.9. Piece rurowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

6

22.10. Piece elektryczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 22.11. Dobór pieca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 23. Reaktory chemiczne i biochemiczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

23.1. Wprowadzenie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 23.2. Reaktory zbiornikowe z mieszadłem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 23.3. Reaktory rurowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 23.4. Reaktory z wypełnieniem (katalityczne) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 23.5. Reaktory fluidalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 23.6. Reaktory ciśnieniowe (autoklawy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 23.7. Bioreaktory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 23.8. Dobór reaktora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354

Literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Literatura uzupełniająca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

Niniejsza praca stanowi nieco rozszerzoną wersję wykładów prowadzonych przez autora dla studentów III roku studiów Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej, jako druga część przedmiotu inżynieria i aparatura chemiczna, po wysłuchaniu wykładów z podstaw inżynierii chemicznej i procesowej.

Treść pracy stanowi podstawowy materiał z aparatury chemicznej i procesowej w kształceniu inżynierów chemików, z ukierunkowaniem na dalsze samodzielne studia w rozwiązywaniu zagadnień procesowo-aparaturowych,

Z pracy korzystać mogą również studenci innych kierunków, w tym: inżynierii chemicznej, biotechnologii, mechaniczno-energetycznego, inżynierii sanitarnej i środowiska i in.

Składam serdeczne podziękowanie studentom Wydziału Chemicznego Poli-techniki Warszawskiej, Alvinowi Gajadhurowi i Arkadiuszowi Mizerskiemu za cenne uwagi na etapie tworzenia niniejszej pracy.

Pragnę podziękować również swoim najbliższym za wyrozumiałość i wsparcie podczas pisania tej pracy.

Autor

1. WSTĘP

Jeden z kierunków w dziedzinie nauk technicznych, zwany technologią che-miczną, zajmuje się sposobami przetwarzania odpowiednich surowców w pożądane produkty. Zestaw, ciąg wykonywanych w tym celu czynności nazywa się procesem technologicznym. Duża różnorodność produktów chemicznych narzuca dużą liczbę procesów technologicznych. Większość produktów przemysłu chemicznego i przetwórczego otrzymuje się jednak w wyniku prowadzenia stosunkowo niedużej liczby procesów podstawowych, fizycznych i chemicz-nych, powtarzających się w różnych odmianach, w różnych procesach techno-logicznych. Procesy podstawowe związane z przemianami fizykochemicznymi określa się jako procesy jednostkowe. Wyróżnia się następujące procesy pod-stawowe i jednostkowe:

1. Mechaniczne — magazynowanie, transport (przenoszenie), rozdrabnianie, klasyfikacja i przesiewanie, flotacja, mieszanie, separacja (filtracja, wirowanie).

2. Cieplne — chłodzenie, ogrzewanie, kondensacja i skraplanie, wrzenie, odparowanie, zatężanie.

3. Dyfuzyjne — destylacja, rektyfikacja, absorpcja, adsorpcja, ekstrakcja i ługowanie, suszenie, nawilżanie, krystalizacja, sublimacja.

4. Procesy z reakcją chemiczną, związane z wymienionymi i dodatkowo z przemianami chemicznymi, jak np.: utlenianie i redukcja, nitrowanie, chloro-wanie, itd.

Jak wiadomo, do realizacji procesów mechanicznych jest konieczne dopro-wadzenie energii mechanicznej z zewnątrz. Do przebiegu procesów cieplnych i dyfuzyjnych jest niezbędny odpowiedni gradient temperatury i stężenia.

Wymienione procesy prowadzi się w różnego rodzaju aparatach i urządze-niach. Aparat lub urządzenie stanowi zespół przedmiotów (części), skonstruo-wany w celu prowadzenia odpowiednich procesów, z możliwością spełnienia wymagań procesowych. Istnieje wiele podziałów aparatów na grupy, związane z pełnioną funkcją w procesie technologicznym i cechami konstrukcyjnymi. O kształcie aparatu procesowego decydują w największym stopniu właściwości substancji biorących udział w procesie i warunki fizyczne jego przebiegu. Są to między innymi:

1. Stan skupienia substancji procesowych. 2. Wzajemna aktywność substancji. 3. Temperatura procesu. 4. Intensywność wymiany ciepła.

9

5. Ciśnienie. 6. Aktywność korozyjno-erozyjna. 7. Sposób prowadzenia procesu. Aparatem typowym, stosowanym w większości procesów, jest aparat typu

zbiornikowego. Wiele z nich podlega normalizacji pod względem kształtu i wymiarów, przez co uzyskuje się duże oszczędności w projektowaniu.

Proces technologiczny jest realizowany w jednym lub częściej w szeregu aparatów i urządzeń, tworzących tzw. ciąg technologiczny. Ze względu na charakter pracy i przetwarzania substancji w wymienionym ciągu, aparaty i urządzenia podzielić można na pracujące w sposób okresowy, ciągły lub mieszany.

W procesie okresowym wszystkie jego stadia przebiegają w całej przestrzeni roboczej aparatu i w miarę postępu przemiany parametry procesu jak np. temperatura, ciśnienie, stężenia, itd., zmieniają się. Praca aparatu przebiega w powtarzających się cyklicznie etapach: doprowadzenie surowca, przeprowadzenie procesu, usunięcie (wyładowanie) produktów.

W procesie ciągłym dostarczanie surowców i odbiór produktów odbywa się nieprzerwanie i wszystkie stadia procesu przebiegają jednocześnie w różnych miejscach ciągu, określanego również mianem instalacji technologicznej. W każdym z tych miejsc panują różne warunki, niezmienne w czasie lub zmieniające się nieznacznie. Taki przebieg procesu określa się jako stacjonarny. Proces ciągły charakteryzuje się na ogół większą wydajnością, odniesioną do jednostki objętości lub powierzchni aparatury, co jest również miarą intensyfikacji prowadzenia procesu. W procesach ciągłych jest ułatwiona kontrola i automatyzacja aparatów i urządzeń oraz całego ciągu technologicznego. Otrzymuje się lepszy, bardziej jednolity produkt. W dużym, tzw. wielotonażo-wym przemyśle chemiczno-przetwórczym, dominują procesy ciągłe, okresowe natomiast w przemyśle: farmaceutycznym, barwnikarskim, tworzyw sztucznych, chemii spożywczej i gospodarczej itp.

W układzie mieszanym instalacja technologiczna pracować może w sposób ciągły, natomiast aparaty i urządzenia wchodzące w jej skład w sposób okresowy.

Przystępując do projektowania procesu technologicznego lub doboru aparatów i urządzeń do jego realizacji, jako podstawowe wykonuje się: obliczenia statyki procesu, bilanse masowe i energetyczne, a następnie obliczenia kinetyczne. Bilanse masowe i energetyczne są jednym z kryteriów oceny racjonalności stosowania zarówno danego procesu technologicznego, jak i poszczególnych aparatów i urządzeń. Racjonalność polega między innymi na jak najlepszym wykorzystaniu surowców i możliwie najmniejszej masie produktów ubocznych, nie mających wartości użytkowych. Ważnym zagadnieniem jest również jak najlepsze wykorzystanie energii. Celem wymienionych analiz i obliczeń jest określenie optymalnych stanów pracy, odpowiedniej powierzchni lub objętości roboczej aparatów, a następnie podstawowych ich wymiarów. 'Mając na wzglę-

10

dzie jak najlepsze wykorzystanie surowców i energii, dążąc do intensyfikacji procesów, należy jednocześnie zwracać uwagę by uzyskane efekty nie odbywały się zbyt dużym kosztem. Procesy technologiczne wymagają często przybliżeń. Czynienie ich zbyt doskonałymi jest często zbędne, jeśli uwzględni się szybkie tempo zmian w technologii. Rozwiązanie doskonałe w krótkim czasie staje się nieekonomiczne, zbyt kosztowne.

2. SCHEMATY TECHNOLOGICZNE I ELEMENTY KONSTRUKCYJNE APARATÓW

2.1. WPROWADZENIE

Projektowanie procesu technologicznego stanowi złożony problem, wymagający analizy wielu różnorodnych zagadnień, wykonania niekiedy wielu symulacji i obliczeń. Projekt jest wykonywany w wielu stadiach i wariantach nim stanie się rozwiązaniem ostatecznym, w którym zostaną zastosowane właściwe rozwiązania konstrukcyjno-aparaturowe. Ogólne omówienie tych zagadnień jest przedmiotem rozważań w niniejszym rozdziale.

2.2. SCHEMATY TECHNOLOGICZNE

Schemat technologiczny jest kluczowym dokumentem w procesie projektowania. Stanowi on rysunek, na którym — za pomocą symboli przedstawiających proste lub złożone procesy jednostkowe oraz ich powiązanie — przedstawia się przebieg

procesu technologicznego. Schemat taki musi być jasny, zwarty, dokładny i kompletny. Istnieją różnego rodzaju schematy. Najprostszą formę stanowi tzw. schemat blokowy, na którym procesy lub aparaty przedstawiane są jako kwadraty (prostokąty) lub koła. Sposób ten jest przydatny do przedstawienia procesu w uproszczonej formie w raportach, monografiach lub podręcznikach. Jako dokument inżynierski ma on ograniczone zastosowanie. W wielostadiowym projektowaniu

technologicznym zaleca się wykonywanie trzech rodzajów schematów: ideowego, wstępnego i technicznego. Schemat ideowy przedstawia proces w najprostszej postaci, w kolejności wymaganej do przeprowadzenia procesu technologicznego. Jest przy tym zalecane posługiwanie się symbolami przedstawionymi na rys. 2.1. W pole prostokąta wpisuje się zasadnicze nazwy: procesu, przetwarzanej substancji lub wytwarzanego produktu oraz symbole i Wartości podsta-

Rys. 2.1. Symbole schematu ideowego: pro-cesy jednostkowe bez- i z reakcją chemiczną pod ciśnieniem: a) normalnym (atmosferycz-nym), b) wyższym od atmosferycznego, c) niższym od atmosferycznego

12

wowych parametrów procesu. Posługując się wymienionymi symbolami spo-rządza się schemat ideowy, w którym symbole umieszcza się jeden pod drugim, poczynając od góry. Jeżeli proces składa się z kilku ciągów, to jest wskazane rysowanie ciągów równolegle obok siebie. Ciągi pomocnicze rozmieszcza się obok głównego ciągu technologicznego. Poszczególne symbole łączy się liniami obrazującymi drogę przepływu strumieni masowych, zaznaczając kierunek strzałką. Strumienie pomocnicze są oznaczane linią o połowę cieńszą i wprowadzone do prostokąta od góry z lewej strony, odprowadzane zaś od dołu i z prawej strony. Dla czynników pomocniczych jest zarezerwowana linia cienka przerywana lub punktowa. Wszystkie linie na schemacie powinny być ponumerowane z wyjaśnieniem ich znaczenia. Przykładowy schemat przedsta-wiono na rys. 2.2.

Rys. 2.2. Schemat ideowy procesu regeneracji amoniaku przy produkcji sody kalcynowanej: l —

przesącz z filtrów, 2 - gaz zawierający amoniak, 3 - woda amniakalna, 4 — gazy do absorpcji amoniaku, 5 — mleko wapienne, 6 — woda podestylacyjna, 7 - ciecz odpadowa, 8 — para

grzejna, 9 - woda chłodząca, 10 - woda odlotowa z chłodnicy

Wstępny schemat technologiczny przedstawia proces za pomocą odpowiednich symboli aparatów i urządzeń. Jeżeli na schemacie ideowym jeden symbol--prostokąt oznaczał proces jednostkowy, co mogło odpowiadać nawet kilku

13

aparatom i urządzeniom, to na schemacie wstępnym są one wyodrębnione i przedstawione oddzielnymi symbolami. Symbole schematu są przedstawione w normie branżowej BN-72/2200-01. Symbole graficzne i oznaczenia literowo-cyfrowe układów pomiarowych i automatyki, stosowane w projektowaniu i użytkowaniu schematów pomiarowych i automatyzacji procesów technologi-cznych są przedstawione w normie PN-70/M-42007. Oprócz wymienionych są również znormalizowane nazwy pojęć, symbole i określenia procesów podsta-wowych inżynierii chemicznej, norma PN-76/C-01350. Na schemacie wstępnym nie jest wymagane określenie wielkości aparatów i urządzeń. Niektóre wymagania mogą być jednak już określone, co może być odpowiednio ozna-czone na symbolu. Wykonując schemat wstępny, symbole szereguje się w ko-lejności odpowiadającej przebiegowi procesu, w kierunku od lewej ku prawej stronie arkusza. Jeśli ciągi technologiczne są długie i schemat nie mieści się na jednej linii, to kontynuuje się go pod spodem, także od lewej ku prawej stronie. Ciągi instalacji pomocniczych rysuje się według tych samych zasad równolegle — powyżej lub poniżej głównego ciągu technologicznego. Symbole schematu oznacza się numerami, których objaśnienie podaje się w opisie (tabeli) wraz z dodatkowymi informacjami na temat parametrów procesowych i ewentualnie materiałów konstrukcyjnych. Poszczególne symbole łączy się odpowiednimi liniami oznaczającymi strumienie materiałów. Przykładowy schemat przedstawia rys. 2.3.

Rys. 2.3. Schemat wstępny procesu wytwarzania kwasu siarkowego: l — kolumna odpędowa

(desorber), 2 — wieża susząca, 3 — wymienniki ciepła, 4 — reaktor katalityczny, 5 — absorbery, 6 — chłodnice kwasu obiegowego, 7 — chłodnica produktu, 8 — zbiorniki przepompowe

Schemat techniczny technologiczny jest dalszym etapem na drodze grafi-cznego, już ścisłego, przedstawienia przebiegu procesu. Przebieg produkcji jest przedstawiony za pomocą uproszczonych rysunków lub wymienionych symboli. Rysunki są wykonywane w skali. W skali są również podawane poziomy, na których są rozmieszczone aparaty i urządzenia. Sposób rysowania jest podobny do schematu wstępnego, z tym że na przewodach (rufociągach) podaje

14

się średnice i ewentualnie długość. Zaznaczone są również miejsca, w których odbywać się będzie pomiar ciśnienia, temperatury, stężenia itd. Podczas spo-rządzania schematu technicznego powinny być już określone: liczba, rodzaje, typy i wymiary aparatów i urządzeń. Sporządzanie schematu może być skom-plikowane i czasochłonne, zwłaszcza w odniesieniu do złożonych procesów technologicznych. Obecnie do sporządzania schematów w projektowaniu proce-sowym korzysta się z techniki komputerowej, opierając się na programach w pełni symulujących proces lub tylko proste bilanse masowe. Te ostatnie są szczególnie przydatne, jeżeli proces zawiera szereg recyrkulowanych strumieni. Programy takie są rozprowadzane na rynku przez wyspecjalizowane firmy komputerowe.

2.3. ELEMENTY KONSTRUKCYJNE APARATÓW

Zespół przedmiotów—części (elementów) zestawionych według odpowied-niego schematu, określonego konkretnymi potrzebami i wymaganiami prowa-dzonych procesów fizykochemicznych tworzy aparat procesowy. Dodatkowe nazwy aparatu są związane ze specyficznym przeznaczeniem i rodzajem pro-wadzonych w nim procesów, stąd nazwy np. reaktor, piec, filtr, suszarka, wy-miennik ciepła, itd.

O kształcie aparatu decydują właściwości substancji biorących udział w pro-cesie i warunki fizyczne jego przebiegu, wymienione we wstępie. Z kryteriów tych wynika duża liczba różnorodnych aparatów, mniejsza jednak od liczby procesów, jakie mogą być w nich prowadzone. Jeden i ten sam aparat może służyć różnym celom o podobnym charakterze. Możliwy jest więc podział aparatów na grupy o podobnej konstrukcji. Występowanie w poszczególnych grupach powtarzających się elementów—części umożliwia ich unifikację pod względem kształtów i wymiarów. To ujednolicenie nosi nazwę normalizacji. Zalecane rozwiązania konstrukcyjne są przedstawione w postaci norm, które dotyczą zarówno elementów aparatury, jak i całych aparatów.

Aparatem typowym, stosowanym w większości procesów technologicznych jest aparat typu zbiornikowego. Normalizacja dotyczy tu tzw. średnic nominalnych zewnętrznych, den, pokryw i ciśnień

nominalnych (roboczych) i obejmuje

Rys. 2.4. Schemat podstawowy aparatu procesowego: l — po-włoka (korpus), 2 - dno, 3 -pokrywa, 4 — płaszcz, 5 — króćce, 6 — włazy (luki), 7 -podpory

zbiorniki spawane, nitowane i odlewane. Oprócz tego jest stosowanych wiele innych kształtów, wynikających w największym stopniu ze stanu fazowego

15

substancji procesowych, jak np. komorowy, kolumnowy, bębnowy, płaszczowo-rurowy, rurowy. Elementy konstrukcyjne aparatów procesowych (rys. 2.4) stanowią ściany zwane powłoką, korpusem lub płaszczem, dna, pokrywy, płaszcze, króćce, kołnierze, dławnice, włazy, wzierniki, cieczowskazy, podpory i in. Aparaty przeznaczone do pracy pod podwyższonym ciśnieniem, a zwłaszcza do przechowywania i transportu sprężonych gazów, których ciśnienie w temperaturze 425 K jest wyższe od 0,1 MPa, podlegają przepisom bez-pieczeństwa zbiorników pod ciśnieniem. Nie dotyczy to jednak zbiorników (aparatów), w których ciśnienie jest wyższe niż 70 kPa, lecz iloczyn ciśnienia i objętości jest < 30 kPa m3. Gdy wartości tego iloczynu są większe, wówczas aparaty podlegają dozorowi Urzędu Dozoru Technicznego (UDT).

Rys. 2.5. Aparaty—zbiorniki w położeniu: a) pionowym, b) poziomym

Powłoki są najistotniejszymi i najbardziej materiałochłonnymi częściami aparatu procesowego. Kształt powłoki, zależnie od przeznaczenia i wymagań konstrukcyjnych może być cylindryczny, kulisty, stożkowy, prostopadło-ścienny, itd. Największe zastosowanie znajdują powłoki cylindryczne, ze względu na prostotę wykonania i małe zużycie materiału konstrukcyjnego. W zależności od przeznaczenia są stosowane w usytuowaniu (położeniu) pionowym lub poziomym (rys. 2.5). W powłokach cylindrycznych poziomych stosunek długości do średnicy wewnętrznej nie przekracza zwykle 10. W powłokach pionowych stosunek wysokości do średnicy wewnętrznej jest na ogół większy niż 30. Wykonanie powłok cylindrycznych przez walcowanie arkuszy blachy jest typowe dla aparatów pracujących pod ciśnieniem do 10 MPa, a także pod ciśnieniem normalnym i w próżni. Ścianka powłoki, aby była odpowiednio wytrzymała, powinna być dostatecznie gruba. Minimalna grubość

16

powłoki zależy przede wszystkim od różnicy ciśnień pomiędzy wnętrzem aparatu a środowiskiem zewnętrznym, średnicy powłoki i właściwości tworzywa konstrukcyjnego w temperaturze pracy aparatu. Zalecane wzory obliczeniowe dla różnych przypadków są zawarte w odpowiednich normach, przepisach UDT i podręcznikach [1-4]. Zalecane minimalne grubości ścianek (bez uwzględnienia korozji) dla aparatów o średnicy wewnętrznej (w mm): 400 — 2 mm, 400±1000 — 3 mm, 1000±2000 — 4 mm, 2000±4000 — 5 mm.

Oprócz powłok cylindrycznych są również spotykane sferyczne, stosowane głównie w konstrukcjach zbiorników o dużej pojemności, > 100 m3, a także jako część pośrednia (przejściowa) z cylindrycznej do stożkowej, w niektórych korpusach aparatów. Ze względu na zużycie materiału powłoki sferyczne są najbardziej ekonomicznym kształtem aparatu, lecz trudności w wykonaniu i eksploatacji tego typu aparatów ograniczają ich zastosowanie.

Powłoki stożkowe są stosowane tylko dla niektórych typów aparatów, a także jako część przejściowa w aparatach cylindrycznych o zmiennej średnicy.

Rys. 2.6. Dna aparatów: a) eliptyczne, b) półkuliste, c) sferyczne

Oprócz walcowanych z blachy, powłoki są również wykonywane jako kute cylindryczne; grubościenne, gdy DZ/DW > 1,1 zasadniczo dla aparatów o ciśnieniu wewnętrznym > 10 MPa. Powłoki cylindryczne odlewane z takich materiałów jak żeliwo i szkło są wykonywane do ciśnień 0,6 MPa i temperatury S 650 K. Tego rodzaju aparaty są często wewnątrz emaliowane, gumowane itp. Z zasady pracują w pozycji pionowej.

Dnem jest nazywana część aparatu, która ogranicza powłokę (korpus) bądź z dołu, bądź z boku (jeśli aparat jest poziomy) i jest połączona nierozłącznie lub tworzy jedną całość z powłoką. Stosowane są następujące dna: elipsoidalne, półkuliste, sferyczne, stożkowe i płaskie. Zastosowanie tego czy innego

17

rodzaju dna jest uzależnione od kształtu powłoki, właściwości przetwarzanych substancji i ciśnienia w środowisku procesu.

Dna elipsoidalne (rys. 2.6a), mają kształt elipsoidy obrotowej i są najczęściej stosowanym dnem w aparatach cylindrycznych zarówno pionowych, jak i poziomych. Znormalizowane dna elipsoidalne są wykonywane z różnych ma-teriałów i stosowane wtedy, gdy ciśnienie wewnętrzne lub zewnętrzne jest > 150 kPa. Są zwykle wykonywane z krótką częścią cylindryczną o wysokości 15-150 mm, zależnie od grubości ścianek aparatu. Grubość ścianek wynika z przeznaczenia aparatu i z warunku ciśnienia wewnętrznego < 10 MPa.

Dna półkuliste (rys. 2.6b), wykonywane z kilku arkuszy blachy, zwykle z krótką częścią cylindryczną są stosowane w aparatach cylindrycznych o średnicy > 4 m, niezależnie od ciśnienia w aparatach poziomych i w pionowych gdy ciśnienie > 150 kPa, temperatura < 500 K. Dna stożkowe (rys. 2.7), są stosowane przede wszystkim jako dolna część aparatów pionowych cylindrycznych, gdy w aparacie znajduje się substancja stała, zawiesina lub bardzo lepka ciecz. Dla całkowitego opróżnienia tych apa-

ratów ten kształt dna jest najbardziej odpowiedni. Kąt wierzchołkowy den stożkowych zawiera się zwykle w zakresie 60-90°, a niekiedy dochodzi nawet do 150°.

Dna płaskie okrągłe są najczęściej stosowane w aparatach cylindrycznych bezciśnieniowych. W aparatach ciśnieniowych — tylko tych o małej średnicy. Dna płaskie okrągłe mogą być wykonywane bez wyoblenia lub z wyobleniem obrzeży (rys. 2.8). Dna

płaskie o dużej średnicy są często wzmacniane żebrami. Grubość den płaskich w tych samych warunkach pracy aparatu jest większa od grubości den wypukłych.

Pokrywy (rys. 2.9) w odróżnieniu od den stanowią zwykle oddzielną część aparatu, z za-daniem zamknięcia korpusu od góry, z boku, od dołu lub zamknięcia innych elementów w postaci otworów jak włazy, luki itp. Pokrywy płaskie są stosowane do zamykania otworów o dowolnym kształcie (przekroju). Gdy wymiary są duże i ciśnienie podwyższone są wzmacniane żebrami. Pokrywy

sferyczne i eliptyczne służą do zamykania otworów okrągłych, pokrywy półkuliste — otworów prostokątnych.

Płaszcze w aparatach procesowych są przeznaczone do zewnętrznego ogrze-wania lub chłodzenia substancji przetwarzanych lub przechowywanych (maga-zynowanych), głównie ciekłych. Grubość ścianki płaszcza wynika z warunków pracy aparatu, określających wytrzymałość płaszcza.

b)

Rys. 2.7. Dna stożkowe: a) bez części cylindrycznej, b) z częścią

cylindryczną

18

Rys. 2.10. Króćce aparatów: a) wspawany ze wzmocnieniem ścianki lub bez wzmocnienia, b) przyspawany z wywinięciem ścianki i luźnym kołnierzem, c) przyspawany z wywiniętymi ściankami i kołnierzem szyjkowym, d), e) króćce wspawane do odprowadzenia kondensatu

z wymiennika ciepła

Króćce (rys. 2.10), stanowiące krótkie odcinki przewodów-rur, umieszczone w otworach płaszcza, pokrywach, dnach aparatu i połączone z nimi na stałe, zwykle poprzez przyspawanie, służą do wprowadzenia i odbioru substancji,

19

Rys. 2.8. Dna płaskie: a) bez wyoblenia, b) z wyobleniem, c) użebrowane

Rys. 2.9. Pokrywy: a) płaskie, b) sferyczne, c) elipsoidalne, d) półkuliste

przyłączenia rurociągów oraz wprowadzenia i przyłączenia do aparatu elementów roboczych i pomiarowych. Króćce w aparatach odlewanych są wykonywane łącznie z korpusem. Otwory do mocowania króćców osłabiają ścianki aparatu i połączenia takie muszą być często wzmacniane. W połączeniach rozłącznych króćce są zaopatrzone w kołnierze. Długość króćca powinna być możliwie mała, wystarczająca jednak dla swobodnego mocowania śrub dociskających kołnierz króćca do kołnierza rury lub innego elementu aparatu. Króćce do odprowadzenia cieczy z aparatu i całkowitego jego opróżnienia są zwykle umieszczone w dnie, ścianie bocznej lub króciec stanowi tzw. syfon.

Rys. 2 . 1 1 . Kołnierze: a) płaski, b) płaski z rowkami, c) wpust i wypust, d) rowek i występ, e) z

pierścieniem szlifowanym, f) z uszczelnieniem soczewkowym

Kołnierze i połączenia kołnierzowe (rys. 2.11) , służą do rozłącznego po-łączenia oddzielnych części aparatu, łączenia rur z aparatem i odcinków rur z sobą, aparatu z przyrządami pomiarowo—kontrolnymi i z innymi urządzeniami, jak zawory, zasuwy, pompy i in. Ponadto służą jako elementy do mocowania pokryw włazów i luków, a także jako połączenia oddzielnych części aparatów—korpusów, jeśli mają one znaczną wysokość. Szczelność zapewnia uszczelka umieszczona i ściśnięta pomiędzy powierzchniami czołowymi kołnierza. Uszczelki są wykonywane z różnych materiałów niemetalowych i metali, co zależy od ciśnienia, temperatury i właściwości substancji znajdujących się w aparacie lub w przewodzie (rurociągu). Oprócz kołnierzy połączonych na stałe z króćcem lub płaszczem, są również stosowane kołnierze luźne, stosowane gdy ciśnienie < 20 MPa. Technologia wykonania kołnierzy zależy od rodzaju materiału, konstrukcji, sposobu połączenia z aparatem i ciśnienia wewnętrznego. W aparaturze spawanej niskiego ciśnienia pn < 1,6 MPa kołnierze są przyspawane lub odlewane łącznie bądź z korpusem aparatu, bądź z innymi jego elementami. Kołnierze są tu łączone za pośrednictwem śrub lub niekiedy tzw. szpilek, zwykle w wykonaniu standardowym. Średnica śrub łączących i odległość między nimi (podziałka) są znormalizowane.

Uszczelnienie przejść rurowych i obracających się wałów odbywa się m. in. za pośrednictwem dławnic (rys. 2.12). Zasadniczymi częściami takiego uszczelnienia są korpus dławnicy, tuleja dociskowa i szczeliwo. Jako szczeliwo stosuje się wiele materiałów włóknistych, nasyconych olejami naturalnymi lub syntetycznymi, woskiem, grafitem, gumą i in. W warunkach wysokiego ciśnienia i temperatury, do uszczelnienia obracających się wałów są stosowane uszczel-

20

nienia pierścieniowe, wykonane z materiałów o małym współczynniku tarcia, takie jak miękkie metale, grafit lub tworzywa sztuczne.

W aparatach zamkniętych o średnicy większej niż 0,8 m są wykonywane włazy, umożliwiające wejście do środka aparatu w celu jego kontroli, okresowego oczyszczenia, przeglądu i remontów wnętrza.

Do obserwacji przebiegu procesu w aparatach zamkniętych służą tzw. wzierniki, stanowiące otwory w ścianie aparatu z kołnierzami, pomiędzy którymi jest umieszczona profilowana płyta szklana, odpowiednio uszczelniona z kołnierzem. W celu polepszenia widoczności wzierniki są podświetlane.

W aparatach typu zbiornikowego, do obserwacji poziomu cieczy są instalowane wskaźniki poziomu, zwane cieczowskazami (wodowskazami), działające na zasadzie naczyń połączonych. W podwyższonym ciśnieniu są stosowane cieczowskazy płaskie, z tzw. szkłem refleksyjnym z drobnymi nacięciami rowkowymi, dzięki czemu uzyskuje się wyraźny obraz poziomu cieczy.

Aparaty ustawiane są na funda-mentach lub specjalnych konstrukcjach nośnych, podporach. Aparaty pionowe z płaskim dnem ustawia się bezpośrednio na fundamentach. Kształt podpory zależy od ciężaru aparatu, kształtu i wysokości. Podpory aparatów poziomych cylindrycznych, stojące na fundamentach, mają kształt siodła obejmującego nie mniej niż 2/3 obwodu aparatu.

2.4. RUROCIĄGI I ARMATURA

W przemyśle chemicznym, rurociągi są nieodłączną częścią instalacji tech-nologicznej i stanowią ok. 30% jej kosztu. Od ich sprawności w znacznej mierze zależy ciągłość pracy instalacji, jakość produktów i warunki pracy. Rurociągami przesyła się substancje o różnych właściwościach fizykochemicznych, np. gazy, ciecze, ciekłe polimery, materiały stałe sypkie, mieszaniny wielofazowe. Temperatura tych substancji może wynosić od ujemnej (minusowej) do bardzo wysokiej, ciśnienie natomiast zmienia się od próżni do kilkudziesięciu

21

Rys. 2.12. Dławnice: a) do rur, b) do wałków, l — rura (wałek), 2 — króciec (obudowa), 3 — tuleja dociskowa, 4 — pierścień oporowy, 5

— śruby (szpilki), 6 — szczeliwo

megapaskali. Substancje te mogą być obojętne chemicznie, kwaśne lub zasadowe, gorące i wybuchowe, zestalające się i wydzielające osady, wybuchowe i toksyczne — niebezpieczne dla zdrowia. Wykonuje się je ze stali węglowych i stopowych, żeliwa, miedzi i jej stopów, aluminium, ołowiu, szkła i ceramiki, gumy, tworzyw sztucznych, grafitu i in. Na rurociąg działa ciśnienie, pod którym znajduje się przepływająca substancja, obciążenie wynikające z ciężaru własnego i armatury, masy transportowanej substancji, naprężeń wynikających ze zmian temperatury.

Zarówno produkcja rur, jak i innych elementów związanych z rurociągiem jest znormalizowana. Obejmuje to łączenie części rurociągu, podawanie i odbiór substancji, regulację przepływu. Te dodatkowe elementy noszą nazwę armatury. W normalizacji brane są pod uwagę ciśnienie, temperatura i materiał konstrukcyjny. Znormalizowane są średnice wewnętrzne rur od l do 4000 mm mimo różnej grubości ścianek. Nie odnosi się to jednak do materiałów niemetalowych stosowanych do niewysokich temperatur. Rury wykonuje się bez szwu — walcowane lub ciągnione, ze szwem — zgrzewane lub spawane. Rury łączy się z sobą i armaturą nierozłącznie lub rozłącznie. Do pierwszych należy spawanie, zgrzewanie, roztłaczanie i sklejanie, do drugich natomiast połączenia gwintowe, kołnierzowe i kielichowe. Wybór typu połączenia zależy od materiału łączonych części, rodzaju przesyłanej substancji, częstości rozłączeń, temperatury i ciśnienia, zagrożenia wybuchowego i pożarowego. Najbardziej są rozpowszechnione połączenia kołnierzowe gładkie na powierzchni czołowej lub wpustowe, w celu uzyskania wysokiej szczelności. Dobór średnicy rur odpowiada najmniejszej możliwej średnicy podczas przepływu swobodnego i grawitacyjnego i ekonomicznej średnicy rurociągu podczas przesyłania urządzeniami wymuszającymi przepływ, takimi jak pompy, sprężarki. Typowe prędkości liniowe stosowane do doboru średnicy rurociągów odpowiadają m. in. podczas przesyłania cieczy o zwykłej lepkości zbliżonej do wody — 1-3 m/s, gazów i par — 15-30 m/s, pary wysokociśnieniowej o ciśnieniu > 0,8 MPa, — 30-60 m/s.

Naprężenia termiczne są czynnikiem, który w największym stopniu musi być brany pod uwagę podczas projektowania sieci rurociągów. Naprężenia te są niwelowane za pomocą odpowiednich kompensatorów. Samokompensację zapewnia się poprzez umocowanie rurociągu pod kątem lub tak, by poszczególne odcinki miały swobodę wydłużeń. Rurociągi są montowane lub układane na oporach (podporach). Odstęp podpór zależy od średnicy i materiału rury, a także ciężaru rurociągu wraz z transportowaną substancją. Dla rur stalowych o średnicy do 250 mm odległość podpór wynosi 3-6 m. Rurociągi podpierane lub podwieszane na tzw. estakadach są mocowane w specjalnych uchwytach (obejmach) metalowych. Rurociągi izoluje się m. in. w celu zapobieżenia stratom ciepła. Jako materiały izolacyjne są stosowane: wełna mineralna, tworzywa sztuczne, pumeks, magnezyt i inne, owijane taśmą lub arkuszami blachy. W przypadkach specjalnych rurociągi są ogrzewane wodą, parą lub innymi nośnikami ciepła za pośrednictwem płaszczy lub elektrycznie (oporowo).

22

Wszystkie rurociągi, z wyjątkiem niemetalowych, maluje się zarówno w celu ochrony przed korozją, jak i w celach informacyjnych, dla ułatwienia eksploatacji i bezpieczeństwa. Odpowiednim przesyłanym substancjom odpowiadają następujące kolory: azot — czarny, amoniak — żółty, woda — zielony, wodór — ciemnozielony, para wodna nasycona — czerwony, próżnia — biały, powietrze sprężone — szary.

Na rurociągach i aparatach, jak już wspomniano, jest instalowana armatura tzw. zaporowa służąca bądź do otwierania lub zamykania przekroju, bądź regulacji strumienia przepływu. Regulacja ta może odbywać się ręcznie lub automatycznie (elektrycznie), pneumatycznie lub hydraulicznie. Konstrukcja i materiał armatury zależą od wielkości strumienia przepływu, właściwości fizykochemicznych przesyłanych substancji oraz temperatury i ciśnienia. Zasad-nicze typy zaworów to: krany (kurki), zawory — grzybkowe (talerzowe), kulowe, membranowe, motylkowe, zasuwy.

Krany i kurki mają dobrze dotarte powierzchnie, zawory kulowe natomiast dobrze wykonane powierzchnie robocze. Zaletą ich jest możliwość szybkiego otwarcia i zamknięcia przekroju. Mało przydatne są natomiast do regulacji przepływu, gdyż przekrój przelotowy zmienia się nierównomiernie. Są one stosowane na przewodach: powietrza sprężonego, próżni, przesyłania cieczy pod ciśnienieniem do 1,0 MPa.

Rys. 2.13. Zawór grzybkowy: l — korpus zaworu, 2 — siedzenie grzybka, 3 — grzybek, 4

— trzpień, 5 — dławnica, 6 — pokrętło, 7 — kołnierz

23

Zawory grzybkowe (talerzowe) są najbardziej rozpowszechnionym typem armatury, montowanym na rurociągach ciepłej i zimnej wody, pary i kondensatu, sprężonego powietrza oraz innych cieczy i gazów, a także ich mieszanin. Zawór stanowi zwykle korpus odlewany, podzielony na dwie części (rys. 2.13). W korpusie znajduje się gniazdo, trzpień gwintowany zakończony grzybkiem lub talerzem, które służą do zamykania gniazda poprzez obrót pokrętła. Przejście trzpienia przez korpus jest uszczelnione dławicą lub innym sposobem. Zawory wyparły krany przy średnicach rur > 80 mm i pn > 1,6 MPa. Zawory są również stosowane do regulacji przepływu, lecz charakteryzują się większymi oporami przepływu niż krany.

Rys. 2.14. Zawór kulowy: l — korpus, 2 - perforowana kula, 3 - uszczelnienie, 4 — trzpień,

5 — dźwignia, 6 — kołnierz

Zawory kulowe (rys. 2.14) mają element zaporowy w postaci kuli, w której znajduje się cylindryczny kanał przelotowy. Powierzchnia boczna kuli, bardzo gładka, jest zwykle uszczelniona za pomocą pierścienia teflonowego, podobnie jak trzpień zakończony dźwignią lub pokrętłem. Zawory kulowe niejednokrotnie wyparły krany i kurki. Zawory w wymienionych konstrukcjach nie są przydatne jako elementy zaporowe dla strumieni zawiesin. W takim przypadku są stosowane zawory membranowe (rys. 2.15), z elastyczną membraną; poprzez jej deformację (ściskanie) zmienia się przekrój przepływu. Do regulacji przepływu gazów i oparów są stosowane zawory motylkowe (rys. 2.16).

24

Rys. 2.16. Zawór motylkowy: l - korpus (obudowa), 2 - dysk obrotowy w zakresie 0±90°, 3 —

trzpień-walek, 4 — uszczelnienie dławicowe

Zasuwy mają element otwierająco-zamykający w formie klina, umieszczony w klinowym gnieździe korpusu (rys. 2.17). Powierzchnia boczna klina i gniazda są dopasowane do siebie (szlifowane). Zasuwy są zwykle stosowane na rurociągach o średnicy > 50 mm jako armatura zaporowa i regulacyjna podczas przesyłania gorącej i chłodnej wody, sprężonego powietrza, produktów naftowych i in. Ponadto wyróżnia się zawory specjalne, do których należą: zawory zwrotne — umożliwiające przepływ płynu tylko w jedną stronę, zawory redukcyjne — służące do obniżenia ciśnienia i podtrzymania ciśnienia w aparaturze (rurociągu) niezależnie od zmian w źródle zasilania, zawory bezpieczeństwa — zabezpieczające aparaturę procesową przed wzrostem ciśnienia powyżej wartości dopuszczalnych. W razie wzrostu ciśnienia ponad dopusz-

25

Rys. 2.15. Zawór membranowy: l - korpus, 2 — membrana

czalną granicę następuje odpływ (upust) części płynu do zbiornika lub kanału spustowego.

Rys. 2.17. Zasuwa: l - korpus, 2 - klin suwliwy

Rys. 2.18. Kompesatory wydłu-żeń termicznych: a) lirowy, b) dławicowy, c) membranowy

(soczewkowy)

Jako materiał konstrukcyjny zaworów są stosowane tworzywa metalowe i niemetalowe. Od pewnego czasu zawory wykonywane są również z materiałów ceramicznych, z racji ich odporności na erozję w środowisku korozyjnym, gdy klasyczne materiały zawodzą. W skład tych materiałów wchodzą: aluminium, cyrkon, azotek krzemu i węglik krzemu.

Kompesatory wydłużeń termicznych (rys. 2.18), w aparaturze procesowej i na rurociągach są stosowane wówczas, gdy wzdłuż drogi przepływu substancji istnieje gradient temperatury, elementy instalacji procesowej przenoszące duży strumień ciepła są mocowane na sztywno, a także wtedy, gdy części aparatury są wykonane z różnych materiałów konstrukcyjnych. Ich zadaniem jest zapobieżenie bądź naprężeniom termicznym, niszczącym szczelność połączeń aparatu lub rurociągu, bądź zniszczeniu konstrukcji.

Garnki kondensacyjne stanowią samoczynnie działające zawory, otwierające się w obecności kondensatu (lub niekondensujących gazów) i zamykające się w obecności pary (rozdz. 14).

Na schemacie technologicznym rurociągi i armatura stanowią połączenia głównych i pomocniczych aparatów instalacji procesowej. Projektowanie układu rurociągów i specyfikacja układu pomiarowo-kontrolnego są zazwyczaj wykonywane przez wyspecjalizowane zespoły, firmy projektowe. Rurociągi są oznaczane jako linie ciągłe o małej grubości i są numerowane. W opisie jest podawany rozmiar rur i materiał konstrukcyjny, położenie i dane techniczne zaworów — typ i rozmiar oraz wyposażenie.

26

LITERATURA

[1 ] BN-82/2203-01, Zbiorniki i aparaty stalowe spawane ciśnieniowe. Wytyczne projektowania i wykonania oraz badania odbiorcze. [2] BN-68/2230-01, Aparaty typu kolumnowego. Wytyczne

projektowania, wykonania i badania przy odbiorze.

[3] ΤΓΤΖΕ H., WlLKE H.-P., Elemente des Apparatebaues. Springer Verlag, Berlin 1992. [4] ESCORE A.K., Mechanical Design of Process Systems. Vol. 2, Gulf Publ. Comp Houston

1986.

3. MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

3.1. WPROWADZENIE

Natura procesów chemicznych ι związane z tym często agresywne chemicznie środowisko, wysoka temperatura i ciśnienie mają istotny wpływ na rodzaj materiału konstrukcyjnego stosowanego do budowy aparatury procesowej i jej wyposażenia. Dobór właściwego materiału jest zagadnieniem bardzo istotnym i jednocześnie złożonym. Najprościej byłoby dobrać najlepszy materiał do naj-gorszych warunków. Jest to jednak rozwiązanie najdroższe i nie zawsze najlepsze dla środowiska procesu. Prostej metody nie ma. Biorąc pod uwagę postępy w technologii wytwarzania nowych tworzyw konstrukcyjnych i zapobieganiu korozji oraz warunki prowadzenia procesów, w grę wchodzić mogą setki materiałów. By dobrać właściwy materiał do określonych warunków procesu chemicznego i wytrzymałościowych należy rozważyć wiele czynników. Dobrany materiał powinien spełniać określone wymagania przez okres eksploatacji przy minimalnych kosztach. Najistotniejszymi właściwościami są następujące:

1. Wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie oraz twardość. 2. Określone właściwości w wysokiej i niskiej temperaturze. 3. Odporność korozyjna. 4. Właściwości specjalne. 5. Wytwarzanie i dostępność. 6. Koszt. Warunki procesów chemicznych — agresywne chemicznie środowisko, wy-

sokie temperatura i ciśnienie — drastycznie przyspieszają korozję. Ogólnie twierdzi się, że w takim środowisku szybkość korozji podwaja się podczas każdego wzrostu temperatury o 10 stopni.

Jest wiele zasad postępowania umożliwiających racjonalny wybór materiału konstrukcyjnego [4], do których należą m. in.:

1. Analiza procesu i poznanie mechanizmu korozji w jego środowisku. 2. Konsultacje z ekspertem. 3. Wykonanie testów doświadczalnych.

4. Analiza ekonomiczna materiałów proponowanych do zastosowania. Ogólnie, materiały stosowane w budowie aparatury chemicznej i procesowej dzieli się na metalowe i niemetalowe.

28

3.2. MATERIAŁY METALOWE I ICH STOPY

Pośród materiałów metalowych wyróżnia się przede wszystkim stale, których klasyfikacja ogólna jest przedstawiona w normie PN-57/H-01000.

Stal stanowi stop żelaza z węglem i ewentualnie z innymi pierwiastkami o zawartości węgla do 2%. Gatunek stali jest określony składem chemicznym i dodatkowo, jeśli to konieczne, właściwościami wytrzymałościowymi, chemicznymi i fizycznymi. Stale ogólnie dzieli się na węglowe i stopowe.

Stal węglowa (niestopowa) obejmuje gatunki, w których najmniejsze za-wartości pierwiastków stopowych nie przekraczają następujących wartości (w %): Mn — 0,8, Si — 0,4, Ni — 0,3, Cr — 0,3, W — 0,2, Co' — O,2, Cu — 0,2, Al — 0,1, Mo — 0,05, V — 0,05, Ti — 0,05 i nie zawierają one innych, celowo dodanych składników. Stale te dzieli się na niskowęglowe (do 0,25% C), średniowęglowe (0,25-0,6% C) i wysokowęglowe (> 0,6% C).

Stal jest określana mianem stopowej wtedy gdy zawartość chociażby jednego z wymienionych pierwiastków jest równa lub większa od podanych. Stale te dzieli się na nisko- i wysokostopowe. Przeważnie jednak dzieli się je na grupy, w zależności od dominującego udziału pierwiastka stopowego, np. stale chro-mowe, niklowe, manganowe, chromowo-niklowe, niklowo-chromowo-molibde-nowe i in.

Gatunki stali dzieli się ponadto na grupy na podstawie składu chemicznego, stopnia czystości, sposobu wytwarzania, przeznaczenia i in. Schemat podziału stali, z uwzględnieniem gatunków istotnych dla przemysłu chemicznego i prze-twórczego, przedstawia rys. 3.1.

29

Rys. 3.1. Schemat podziatu gatunków stali

W grupie stali węglowych konstrukcyjnych zwykłej jakości wyróżnia się następujące gatunki:

1. O określonej wytrzymałości, oznaczane symbolem St oraz liczbą określającą numer kolejny gatunku, świadczący o wytrzymałości na rozrywanie, np. StO-314-540 N/mm2, St7-687-h834 N/mm2.

2. O określonym składzie chemicznym, oznaczane symbolem MSt oraz liczbą określającą numer kolejny gatunku, np. MStO-MSt7.

3. O określonej wytrzymałości i składzie chemicznym, oznaczane wymie-nionymi symbolami z dodatkowymi literami, umieszczonymi z prawej strony określającymi szczególne jej właściwości, jak np. strukturę metalograficzną MSt3X, spawalność St2S i in.

Stale węglowe konstrukcyjne wyższej jakości są oznaczane liczbą dwucyf-rową, określającą średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta. Dodatkowe oznaczenia z prawej strony określają szczególne właściwości i pod-wyższoną zawartość metali, np. 55, 40 lub 15G, 60G, 0,5X.

Pierwiastki stopowe w stali są oznaczane znakami literowymi: G — mangan, H — chrom, J — glin, K — kobalt, M — molibden, N — nikiel, Nb — niob, S — krzem, T — tytan, V — wanad, W — wolfram.

Spośród stali stopowych w budowie aparatury procesowej największe za-stosowanie znajdują stale o szczególnych właściwościach, w tym odporne na korozję. Wyróżnia się w tym stale nierdzewne i kwasoodporne. Kluczową rolę w omawianych stalach odgrywają chrom, nikiel i molibden. W zasadzie pierwiastki te określają strukturę, właściwości mechaniczne i odporność korozyjną stali. Pewne właściwości mogą być również polepszane lub modyfikowane przez dodatek małej ilości innych pierwiastków. Według budowy strukturalnej stale nierdzewne i kwasoodporne klasyfikuje się na: austeniczne, ferrytowe, podwójne (duplex — mieszanina austenitu i ferrytu), martenzytowe. Dodatkowa klasyfikacja może być oparta na sposobie wytwarzania.

Stale nierdzewne — to zasadniczo stale chromowe z minimalną zawartością chromu (12%), przy czym odporność na korozję zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości chromu. Nierdzewność zależy również od zawartości węgla; im zawartość jego jest mniejsza, tym większa odporność stali na korozję. Stale nierdzewne nie są odporne na działanie większości kwasów nieorganicznych, stężonych roztworów kwasów organicznych i soli kwaśnych.

Stale kwasoodporne są odporne na działanie kwasów organicznych i więk-szości nieorganicznych, z wyjątkiem kwasów solnego (HC1) i siarkowego (H2SO4). Są to zasadniczo stale chromowo-niklowe o zawartości chromu (H) 17-20%, niklu (N) 8-14% i możliwie najmniejszej zawartości węgla (C). Dodatki innych pierwiastków stopowych, jak: tytanu, molibdenu, wolframu, niobu i in. modyfikują właściwości i zwiększają odporność korozyjną stali na działanie szczególnego środowiska.

30

Gatunki stali nierdzewnych i kwasoodpornych są oznaczane zestawem symboli literowych pierwiastków stopowych i ich procentową zawartością, wyrażoną w liczbach całkowitych. Gdy gatunki różnią się zawartością węgla, wówczas jest to oznaczane na początku symbolu, np.

OH13, maksymalna zawartość węgla 0,08%, chromu 13%, OH13J, Cmax = 0,08%, Cr = 13%, Al = 0,10%, 2H17N2, Cśr = 0,2, Cr = 17%, Ni = 2%, H18N10MT, C = 0,1, Cr = 18, Ni = 10%, Mo = 1%, Ti = 1%. Stale żaroodporne w wysokiej temperaturze odznaczają się dobrymi właś-

ciwościami mechanicznymi i odpornością korozyjną na działanie gazów spali-nowych. Są to zasadniczo stale chromowo-niklowe o zawartości węgla C = _0,1-0,4%; chromu Cr = 13-30%; niklu Ni = 1-20%. W celu zwiększenia wytrzymałości jest dodawany molibden w ilości 0,5-1,0% lub wolfram do ok. 2%. Żaroodporność stal zawdzięcza obecności chromu, który przeciwdziała jej utlenianiu i polepsza się wraz ze wzrostem jego zawartości. Obecność niklu podnosi wytrzymałość i sprzyja tworzeniu się struktury austenicznej stali. Sto-sowane ponadto dodatki, jak krzem (do 3%), glin (do 5%) podnoszą odporność na utlenianie. Temperatura robocza graniczna stali odpowiada 1100-1400 K, gdy zawartość chromu wynosi 25-30%.

Do stali stopowych o szczególnych właściwościach fizycznych zalicza się m. in.:

Inwar, zawierający C = 0,3%; Cr = 0,2%; Ni = 37%; charakteryzujący się w zakresie temperatur 223-373 K współczynnikiem rozszerzalności liniowej zbliżonym do zera,

Platynit, stal o zawartości niklu ok. 44%, charakteryzująca się małym współ-czynnikiem rozszerzalności liniowej, zbliżonym do szkła,

Elinwar, stal o małym module sprężystości, stosowana do wyrobu sprężyn. Do grupy tej zalicza się również stale o specjalnych właściwościach cieplnych,

magnetycznych, mechanicznych, m. in. odporne na ścieranie i uderzenie. Pozostałe gatunki stali, przedstawione schematycznie na rys. 3.1, znajdują

mniejsze zastosowanie w budowie aparatury chemicznej i procesowej. Informacje o tego rodzaju stalach są zawarte w opracowaniach [1], [2].

Dobór właściwej stali kwasoodpornej dla środowiska o wysokiej agresywności, z racji dużej liczby materiałów i szybkiego postępu w inżynierii materiałowej jest dość skomplikowany, jeśli weźmie się pod uwagę wymienione wcześniej czynniki [3], [4]. Przykładowe zestawienie stali stopowych, stosowanych w środowisku sody kaustycznej, wodorotlenku sodu (NaOH) przedstawiono w tabl. 3.1. Wyszczególnione materiały są odporne na działanie roztworu NaOH o stężeniu do 50%, w temperaturze do 375 K. Wymienione materiały nie wyczerpują listy, możliwych do stosowania w tym przypadku. Wiele innych materiałów, w tym wiele niemetalowych, znajduje tu również zastosowanie.

31

T a b e l a 3.1 Stopy stosowane w środowisku sody kaustycznej

Skład % Materiały

Ni Cr Fe Cu Ti

Nazwa handlowa

Nikiel 99,6 Nikiel 200

Stopy Ni-Cu 67 15 31 Monel 400

Stopy Ni-Cr-Fe 76 15 8 Inkonel 600 32 21 46 Inkoloy 800 Stale kwasoodporne chromoniklowa 10 18 72 SS304 chromowa 17 83 SS430 chromoniklowa 12 18 70 SS316L

Tytan, gat. 1

99

Tytan Gr 2

Metale nieżelazne i ich stopy są stosowane w szczególnie niekorzystnych warunkach procesowych i korozyjnych [4].

Miedź posiada dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, odporność na ko-rozję, łatwość przetwarzania. Ze stopów miedzi stosowany szeroko mosiądz stanowi stop z cynkiem (5-45%). Dodatki ołowiu, antymonu, glinu polepszają właściwości antykorozyjne mosiądzu. Brąz stanowi stop miedzi z cyną (2-13%). Jest on twardszy, o większej wytrzymałości od mosiądzu i bardziej odporny na korozję. Jest odpowiedni dla warunków redukujących rozpuszczalniki organiczne, w tym chlorowęglowodory, kwasy organiczne, wodorotlenki do temperatury otoczenia, wody do stanu wrzenia. Stopy miedzi z niklem, (5-30%) są odporne na korozję w solance i w wodzie morskiej.

Nikiel i stopy o dużej zawartości niklu zapewniają dużą odporność na korozję i wytrzymałość w wysokiej temperaturze i są stosowane zarówno do wyrobu aparatury procesowej w wielu gałęziach przemysłu, jak i wyrobów codziennego użytku. Spośród wielu wymienić można m. in.: Nickel 200, (o zawartości 99% Ni); stopy o zaw. 50-99% Ni z miedzią — Monel 400, z chromem — Iconel 600; o zawartości 30-50% Ni — Incoloy 825, Hastelloy G-3. Stopy niklu z miedzią charakteryzują się większą odpornością na warunki redukujące niż nikiel i bardziej niż miedź są odporne na środowisko utleniające. Są odporne na wodę morską i kwas fluorowodorowy.

Aluminium i jego stopy, w tym z miedzią, 2,5-5,5%; manganem, magnezem mają dobrą odporność na środowiska utleniające, mieszaniny alkoholi z wodą, aldehydy, niektóre kwasy organiczne, tłuszcze, oleje, wodę utlenioną, siarkowodór, > 85% HNO3 (kwas azotowy) w temperaturze otoczenia. Nie są odporne na alkalia.

32

Ołów charakteryzuje się dużą ciągliwością, dobrymi właściwościami od-lewniczymi; może być spawany i lutowany. Jest stosowany do budowy rurociągów i aparatury odpornej na kwasy i in. Znaczenie mają stopy z antymonem, cyną i in.

Magnez i jego stopy z aluminium, cynkiem i in. znajdują mniejsze zasto-sowanie.

Metale trudnotopliwe i ich stopy: wolfram, tytan, tantal, cyrkon, molibden, niob, beryl, cyrkon mają w wysokiej temperaturze dobrą wytrzymałość mecha-niczną i odporność w środowiskach korozyjnych i utleniających wobec wielu agresywnych chemicznie substancji. Ograniczenia w stosowaniu wynikają z ich wysokiego kosztu.

3.3. MATERIAŁY NIEMETALOWE

Oprócz tworzyw metalowych istotne znaczenie w przemyśle chemicznym i przetwórczym mają tworzywa niemetalowe, do których należą następujące: drewno, cegła, granit oraz elastomery współczesne, jak np: polimery, szkło i ceramika, grafit oraz różnego rodzaju kompozyty tworzyw.

Polimery z racji właściwości antykorozyjnych i małej gęstości są prefero-wane w wielu konstrukcjach aparatury procesowej jak np.: zbiorniki, zasobniki, przewody i kanały wentylacyjne, rurociągi, skrubery, zawory, pompy i wiele in. Zastosowanie znajdują zarówno tworzywa termoplastyczne, jak i termou-twardzalne. Z powszechnie stosowanych wymienić można: PVC, polietylen, polipropylen, poliestry, żywice epoksydowe, teflon i wiele innych.

Szkło wytwarzane w wielu gatunkach, m. in. jako borokrzemowe i krzemowe znajduje zastosowanie w laboratoriach i w przemyśle do wyrobu rur, zbiorników, aparatów procesowych i tzw. osprzętu. Jest ono odporne na korozję i naprężenia termiczne i jest przezroczyste. Szkło nie jest odporne na alkalia, fluorki i fosforany; znajduje zastosowanie jako wykładzina zbiorników reaktorów stalowych, co zapewnia dużą wytrzymałość i odporność korozyjną, lecz wymaga ostrożnego obchodzenia się. Gdy jest konieczna większa odporność na uderzenia, co dotyczy m. in. takich elementów aparatury jak mieszadła, półki, przelewy, przesypy (wysypy) i inne, wówczas jest stosowane szkło krystalizo-wane. Włókna szklane, wzmocnione różnego rodzaju tworzywami, są również stosowane jako kompozyty do wyrobu aparatury procesowej.

Tworzywa ceramiczne są stosowane do wyrobu elementów aparatury w ca-łości, jako odlewy lub w postaci wykładzin (cegły, płytki, kształtki . Tworzywa te to cement, kamień, tlenki metali, węgliki metali, azotki. Wyroby ceramiczne mają dużą odporność na ścieranie i korozję, również w wysokiej temperaturze. Odporność korozyjną określa zasadniczo skład i budowa fizykochemiczna ceramiki.

33

Grafit, jako tworzywo konstrukcyjne i wykładzina, znajduje zastosowanie wtedy, gdy jest wymagana duża odporność.korozyjna w wysokiej temperaturze, w dobrej przewodności cieplnej. Wytwarzane są również kompozyty grafitu z innymi materiałami ceramicznymi w różnych zastosowaniach, także grafit jest impregnowany, np. odporną chemicznie gumą i innymi tworzywami.

Materiały kompozytowe w przemyśle chemicznym są stosowane już od wielu lat do wyrobu rurociągów i zbiorników dla wysokokorozyjnych cieczy i gazów, a także: kolumn, wymienników ciepła, pomp, wentylatorów i wielu innych. Szerokie ich rozpowszechnienie wynika głównie z dużej odporności korozyjnej, a także zdolności do stosunkowo prostego modyfikowania ich właściwości przez różnego rodzaju dodatki zmieniające, np. właściwości termo-izolacyjne, palne i inne. Rodzaj żywicy, określany jako tzw. matryca, oraz włókna i jego orientacja, tj. usytuowanie przestrzenne, dają duże możliwości kombinacji w projektowaniu kompozytów. Kompozyty dzielą się na rozproszone (nieciągłe) i ciągłe. Jako matryce są stosowane trzy grupy żywic:

— estry winylowe, charakteryzujące się wysoką odpornością korozyjną, — nienasycone poliestry, — żywice epoksydowe. Najczęściej stosowanym kompozytem wzmacniającym są włókna szklane

glinoborokrzemowe, magnezoglinoborokrzemowe i specjalne dla warunków korozyjnych. Dla środowiska kwasu HF są stosowane włókna węglowe (grafi-towe). W innych przypadkach są stosowane również włókna aramidowe, poli-estrowe, polietylenowe i inne. Prócz tego są stosowane dodatki modyfikujące właściwości elektryczne, palność, izolacyjność (hałas). Dobór odpowiednich materiałów kompozytowych do budowy aparatury procesowej wymaga, podobnie jak w materiałach metalowych, szczegółowej analizy, związanej ze specyfiką jego zastosowania, która obejmuje:

— oddziaływanie chemiczne środowiska, — minimum i maksimum stężenia substancji, — zakres pH w układzie, — temperaturę pracy i zakres temperatur, — możliwość erozji (ścierania) i uwarunkowania mieszania, — odporność termiczną i palną, — wymagania izolacji termicznej. Do ochrony przed korozją w środowisku procesu, w aparacie procesowym, jak

i przed korozją atmosferyczną, zwłaszcza stali węglowych, są często stosowane powłoki ochronne z szerokiego zakresu farb i lakierów, opartych w dużym stopniu na żywicach organicznych i silikonowych. Dobór pokryć wymaga analizy wielu czynników, m. in. adhezji do podłoża, odporności korozyjno-chemicznej, giętkości, twardości, stabilności temperatury, odporności na wilgoć, stabilności koloru, żywotności itp. Odporność pokryć organicznych nie przekracza zwykle 420 K. Do pokryć odpornych na wysokie temperatury są zwykle stosowane farby i pokrycia silikonowe.

34

Odporność korozyjna wyznacza trwałość instalacji procesowej, o czym de-cyduje się właściwie na etapie projektowania elementów aparatury i sposobu prowadzenia procesu. Korozja może być wywołana i zachodzić według różnych mechanizmów [3]. Korozja metali ma zwykle naturę elektrochemiczną.

LITERATURA

[1] CHUDZIKIEWICZ R., PROWANS S., Materiałoznawstwo dla chemików, Wyd. Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 1990. [2] CiSZEWSKl B., PRZETAKIEWICZ W., Nowoczesne materiały w

technice, Bellona, Warszawa 1993.

[3] Maty poradnik mechanika, Wyd. 18. T. l, WNT, Warszawa 1994. [4] Ochrona przed korozją, Poradnik, red. J. Czermiński, Wyd. Kom. i Łącz. Warszawa 1986. [5] DiLLON C.P., Corrosion Control in the Chemical Process Industries, McGraw-Hill, New

York 1986. [6] DeCLERK D.H., PATARCITY A.J., Guidelines for selecting corrosion-resistant materials,

Chem. Engineering, 1986, Nov. 24, 46-63.

4. MAGAZYNOWANIE CIAŁ STAŁYCH, CIECZY I GAZÓW

4.1. WPROWADZENIE

Magazynowanie różnego rodzaju substancji stanowi część ciągu technologi-cznego i wynika z faktu, że dostawy surowców często nie są ciągłe i odbiór produktów gotowych nie jest natychmiastowy. Magazyny stanowią wyodręb-nione powierzchnie, pomieszczenia, a także różnego rodzaju pojemniki (zbiorniki) otwarte lub zamknięte. Pomieszczenia i sposoby magazynowania, a także czynności z tym związane są dostosowane do właściwości fizykochemicznych materiałów magazynowanych (przechowywanych, gromadzonych, składowanych). Rozumie się przy tym, że właściwości te nie ulegają drastycznej zmianie i są zapewnione warunki bezpieczeństwa materiału i środowiska. Podział sposobów magazynowania jest związany w największym stopniu ze stanem skupienia substancji.

4.2. MAGAZYNOWANIE CIAŁ STAŁYCH

Do określenia sposobu magazynowania ciała stałego, jest konieczna znajo-mość charakterystyki materiału, na którą mają wpływ:

— rodzaj substancji chemicznej, — rozmiar i kształt ziaren, — gęstość nasypowa, — właściwości przepływowe, kąt naturalnego zsypu i tarcia, — właściwości aerodynamiczne, przejście w stan fluidalny i transportu pne-

umatycznego, — zawartość wilgoci, — zawartość substancji lotnych, — właściwości elektryczne, palne i eksplozyjne. Materiały stałe sypkie są zdolne w spoczynku przenosić obciążenia zmienne.

Kąt tarcia spoczynkowego materiałów stałych sypkich jest większy od zera, dlatego podczas wysypu na powierzchnię tworzą stożki. Przepływ (wysyp) materiałów stałych sypkich jest odmienny od wypływu cieczy. Wiele materiałów sypkich po przyłożeniu siły ściskającej uzyskuje taką samą siłę wiążącą, co pozwala zachować im taki sam kształt pod obciążeniem, z tworzeniem skle-

36

Rys. 4.1. Schemat zbiornika z materiałem tworzącym przy wysypie: a) lej, b) sklepienie

Z wymienionych właściwości jedną z istotnych jest gęstość nasypowa, określająca objętość magazynowania, lecz jednocześnie utrudniająca ocenę magazynowanej masy, gdyż jest wielkością zmienną. Właściwości przepływowe są określone rozmiarem i kształtem ziaren, a także kątem tarcia, kąt naturalnego zsypu natomiast (tabl. 4.1), określa kształt górnej powierzchni magazynowanego ma-teriału.

T a b e l a 4.1 Kąt naturalnego zsypu niektórych materiałów stałych

Materiał

Kąt [deg]

Materiał

Kąt [deg]

Węgiel — antracyt 27 Soda kalcynowana ciężka 42 Węgiel kamienny 35 Soda kalcynowana lekka 59 Koks 30-45 Siarka granulowana 35 Żwir, ziarna okrągłe 30 Sól kuchenna 36 Żwir, ziarna o ostrych krawędziach 40 Ruda żelaza 35-45 Glina miękka 10 Granulat tworzyw sztucznych Glina sprasowana 20-25 — wiskoza 10 Piasek — glina, sprasowane 40-50 octan celulozy 16 Piasek suchy 25-35 fluorowęglowodory 6 Piasek wilgotny 30-45 nylon 9 Piasek mokry 20-40 vinyl 10 Cement 37,5

Wiele materiałów ma zdolność przechodzenia w stan ekspansji po wprowa-dzeniu do nich gazu, co ułatwia wysyp i mieszanie. Zawartość wilgoci może

37

pienia lub leja (rys. 4.1). Właściwości tej nie ma ciecz. Materiał sypki należy rozpatrywać jako plastyczny, w odróżnieniu od cieczy, które są lepkosprężyste.

być korzystna, gdy powoduje rozpraszanie ładunków elektrycznych i jednocześnie niekorzystna, gdy powoduje wzrost kohezji i adhezji ziaren. Pod wpływem temperatury zmianie mogą ulegać właściwości powierzchniowe materiału, np. tworzyw termoplastycznych. Wiele materiałów stałych zawiera na swej po-wierzchni zaadsorbowane gazy, które w określonych warunkach mogą desorbo-wać, stanowiąc zagrożenie toksyczne lub eksplozyjne. Generowanie w trakcie transportu ładunków elektrycznych grozić może pożarem lub wybuchem pyłu. Te ciała stałe, na które czynniki atmosferyczne nie wywierają wpływu, przechowuje się, zwłaszcza w dużych ilościach, na placach składowych, stanowiących magazyn otwarty lub tzw. składowisko w postaci pryzm — prostopadłościanów o przekroju stożkowym lub trapezowym. W ten sposób są magazynowane tzw. materiały masowe jak węgiel, rudy, piasek, materiały budowlane, drewno, wyroby stalowe itd. Teren przeznaczony na tego rodzaju magazyn powinien być uprzednio przygotowany, tj. odwodniony i utwardzony, z wyodrębnieniem miejsca na różne materiały i drogi transportowe. W razie konieczności magazyny te mogą mieć rampę wyniesioną ponad poziom poruszania się środków transportu.

Jeżeli materiały są wrażliwe na warunki atmosferyczne, to przechowuje się je na placach osłoniętych dachem i niekiedy ścianami bocznymi, w tzw. wiatach.

Gdy istnieje konieczność zabezpieczenia materiałów przed szkodliwym dzia-łaniem środowiska zewnętrznego, wtedy są stosowane magazyny zamknięte. Magazyny zamknięte są to budynki wykonane z lekkich konstrukcji stalowych lub aluminiowych, cegły, prefabrykatów betonowych lub z drewna. Bywają zarówno parterowe, jak i piętrowe, z podpiwniczeniem lub bez. W tego rodzaju magazynach większość materiałów jest przechowywana w opakowaniach. Infrastruktura, zwana też wyposażeniem magazynu, zapewnia właściwe śro-dowisko składowania, organizację i mechanizację transportu wewnętrznego, odpowiednie zabezpieczenia bhp i przeciwpożarowe. W skład infrastruktury zewnętrznej magazynu wchodzą rampy i drogi komunikacyjne. Jeśli koszt skła-dowania i poboru materiału z magazynu jest większy od kosztu jego utrzymania lub gdy nie jest możliwe jego przechowywanie w klasycznym magazynie, to stosuje się zasobniki, zwane też silosami lub bunkrami. Zasobniki służą do magazynowania ciał stałych sypkich i w kawałkach. Zasobniki mogą mieć przekrój poprzeczny kołowy, kwadratowy, prostokątny lub sześciokątny. Bunkry nadziemne, zwane też zbiornikami są stosowane zwykle do przechowywania materiałów przez krótki okres, łatwo i szybko dostępnych dla procesu. Zbiornik jest zwykle wyposażony w układ wyładowczy, zapewniający stałą szybkość wyładowania materiału ze zbiornika i zasilania odpowiedniego przenośnika. Wysyp materiału z zasobnika (zbiornika) jest jednym z zasadniczych kryteriów jego konstrukcji. To z kolei zależy od rodzaju i właściwości przepływowych materiału, według których dzielą się one na: sypkie (niekohezyjne), niesypkie (kohezyjne) i samofluidyzujące, o ograniczonej kohezyjności.

38

Do charakterystyki materiałów sypkich wystarczy jeden parametr — kąt tarcia wewnętrznego Θ, zwany też kątem naturalnego zsypu (rys. 4.2). Dla materiałów kohezyjnych jest ponadto wymagana znajomość współczynnika kohezji, siły ściskania, naprężenia ścinającego.

Rys. 4.2. Kąt wewnętrzny tarcia: a) na powierzchni płaskiej, b) w cylindrze obrotowym, c) w zbiorniku z płaskim dnem

Materiały samofluidyzujące, mieszane z powietrzem, tracą tarcie wewnętrzne, uzyskując właściwości tzw. pseudocieczy. Drobne proszki na dużej powierzchni są zdolne adsorbować gazy, co redukuje tarcie wewnętrzne do zera. W razie trudności z wysypem do przestrzeni między materiałem a ścianą zbiornika, która stanowi strefę krytyczną, gdzie mogą powstawać bryły lub tzw. mostki, wdmuchiwane jest powietrze sprężone w sposób przerywany (impulsowy) przez okres milisekund, co powoduje skierowanie materiału do otworu odlotowego.

Rys. 4.3. Rozkład naprężeń ściskających w warstwie materiału stałego wzdłuż wysokości

zbiornika ">

W trakcie wysypu naprężenie ściskające materiał Oj, działające na element warstwy, zmienia się od zera na górnej warstwie do maksimum w pobliżu

39

przejścia części cylindrycznej w stożkową, po czym maleje liniowo do zera (rys. 4.3). Podczas wysypu korzysta się z właściwości, że opór ścinania na ścianie zbiornika jest mniejszy niż między cząstkami (ziarnami) materiału. Wysyp ze zbiorników jest klasyfikowany bądź jako przepływ rdzeniowy (lejkowy) bądź masowy (tłokowy) (rys. 4.4). Wysyp rdzeniowy może być akceptowany wtedy gdy segregacja nie ma znaczenia. Podczas wysypu masowego wszystkie cząstki (ziarna) przesuwają się do otworu wysypowego. Ten rodzaj

Rys. 4.5. Typowe zbiorniki z wysypem masowym: a) z prostym dnem stożkowym, b) z wysypem szczelinowym, c) z wysypem prostokątnym, d) z dnem klinowym, e) z dnem piramidalnym

wysypu jest najbardziej pożądany. W praktyce jednak spotyka się blokowanie wysypu masowego (rys. 4.1), co jest charakterystyczne dla materiałów kohezyj-nych. Problem może być zminimalizowany przez właściwe zaprojektowanie kąta pochylenia dna i rozmiaru otworu wysypowego lub dla bardzo kohezyj-nych materiałów wykorzystanie tzw. pomocy wyładowczych.

40

Rys. 4.4. Wysyp ze zbiornika: a) rdzeniowy, b) masowy

Typowe zbiorniki z wysypem masowym przedstawiono na rys. 4.5. Dla określonego materiału stałego sypkiego połowa kąta Pc dna stożkowego z otworem wysypowym kołowym będzie mniejsza niż odpowiedniego dna klinowego i piramidalnego. Ponadto średnica dc dna stożkowego jest typowo dwukrotnie

Rys. 4.6. Zbiorniki z wysypem rdzeniowym: a) piramidalny z otworem kwadratowym, b) cylin-dryczny z dnem płaskim i otworem szczelinowym, c) stożkowy, d) cylindryczny z dnem płaskim

i otworem kołowym

większa od minimum szerokości szczeliny d dna klinowego. Minimum szerokości szczeliny wysypu płaskiego wynosi L = 3d . Typowe zbiorniki z wysypem rdzeniowym (rys. 4.6) mają dna płaskie lub zwężające się. Wymiary otworu wysypowego i kąty pochylenia dna są tu większe niż w wysypie masowym, lecz kąty pochylenia dna są większe niż w wysypie masowym. Wykresy zależności wysypu rdzeniowego i masowego w zbiornikach stożkowych i klinowych przedstawia rys. 4.7. Kąt tarcia φ pomiędzy ścianą zbiornika a materiałem zależy od gładkości ściany, temperatury, wilgotności materiału, stanu korozji i erozji zbiornika, czasu przebywania materiału w zbiorniku. Kombinacją kątów φ i β można dobrać dla danego zbiornika warunki wysypu masowego, a także określić maksymalny kąt rozwarcia dna, który daje wysyp masowy. Dla zbiorników klinowych zakres wysypu materiałów jest bardzo wąski (rys. 4.7b), co świadczy, że profil ten jest bardziej odpowiedni dla wysypu. W celu uniknięcia sklepienia i blokady otworu, zbiorniki stożkowe muszą mieć średnicę otworów dwa razy większą od szerokości klina. Zbiorniki klinowe zapewniają również większą wydajność wysypu.

Wszystkie materiały stałe sypkie mają pewne maksimum wysypu w odnie-sieniu do danego rozmiaru otworu. Maksimum strumienia wysypu drobnych proszków wzrasta proporcjonalnie do powierzchni otworu wysypowego. Na wielkość strumienia wysypującego się materiału mają również wpływ rozmiar i kształt ziaren oraz wysokość materiału w zbiorniku, Niejednokrotnie czas przebywania materiału może być krytyczny dla wysypu: Brak jest równań ogól-nych do obliczenia strumienia wysypującego się materiału. Wiele równań empirycznych jest cytowanych w pracy [1].

41

Rys. 4.7. Zależność pomiędzy kątem tarcia wewnętrznego materiału φ i nachyleniem dna β a rodzajem wysypu ze zbiorników: a) stożkowych, b) klinowych

Istnieją równie kombinacje zasobników (zbiorników) o różnych rodzajach wysypów. Zależności pomiędzy typowymi wymiarami zasobników w wysypie masowym (rys. 4.8) odpowiadają warunkowi:

Całkowita wysokość zbiornika stożkowego wypełnionego materiałem tak, że θ = β = 30°, łącznie z dnem i przestrzenią nad materiałem wynosi

gdzie pn — gęstość nasypowa materiału, g — przyspieszenie ziemskie, J — współczynnik zależny od kształtu dna i jego nachylenia, bezwymiarowy, zmienny w zakresie 1,0-2,7, σkr — naprężenie ściskające, odpowiadające warunkom początkowym wysypu.

42

Wymiar otworu odlotowego w zbiorniku wynosi

Do magazynowania dużych mas produktów stałych w postaci ziaren i proszków są stosowane silosy. Pojemność ich dochodzi do 100 000 m3 i więcej, przy zasilaniu i odbiorze do kilku tysięcy metrów sześciennych na godzinę. Silos przedstawiony na schemacie (rys. 4.9), tzw. Eurosilo, jest stosowany np. do okresowego magazynowania dużej ilości skrobi, ale może być również stosowany do przechowywania gipsu odpadowego, sody, soli, cukru, nawozów, węgla, popiołu i in. Materiał jest podawany grawitacyjnie, w centrum rurą teleskopową, po czym jest mechanicznie rozprowadzany promieniowo, w warstwie poziomej. Odprowadzanie odbywa się mechanicznie z dołu. W celu magazynowania proszków bardzo kohezyjnych konstrukcja silosu może być modyfikowana. Silosy betonowe do magazynowania materiałów sypkich w postaci ziaren i proszków przedstawia rys. 4.10. Silosy są wykonywane z materiałów metalowych, w tym również z wykładziną, z betonu, tworzyw sztucznych zbrojonych, tzw. kompozytów. Silosy pracują zwykle w cyklu automatycznym i są wyposażone w urządzenia o dużym stopniu pewności działania i zabezpieczające w najwyższym stopniu przed pożarem i wybuchem pyłu.

W celu zapewnienia kontroli odprowadzanego strumienia materiału zbiorniki wyposaża się w podajniki (dozowniki), podające materiał według objętości lub masy, w sposób okresowy lub ciągły. Najczęściej są stosowane: podajnik i waga taśmowa, podajnik ślimakowy i wibracyjny, omawiane w rozdz. 5.

Gdy grawitacyjny wysyp materiału ze zbiornika nie jest możliwy, wtedy są stosowane tzw. pomoce wyładowcze:

— pneumatyczne, przez aerację dna powietrzem sprężonym podczas prze-pływu ok. 0,1 m3/min na l m2 przekroju poprzecznego zbiornika i ciśnieniu do 0,7 MPa,

— wibracyjne, w postaci drgań w zakresie 14-1300 Hz wywołanych wibra torami elektromagnetycznymi, pneumatycznymi lub mechanicznymi, umiesz czonymi w różnych punktach dna zbiornika, gdy amplituda wynosi od ok. O do 60 mm, [1].

Oprócz tego są stosowane zbiorniki z ruchomym dnem, które jest połączone elastycznie z płaszczem zbiornika. W zbiorniku umieszcza się ponadto drgające stożki i różnego rodzaju kształtki, których częstość drgaii wynosi ok. 25 Hz. W dużych zbiornikach i silosach są stosowane metody mechanicznego wyła-dowania za pomocą ślimaków, również w układach planetarnych.

Zasilanie materiałem zbiorników magazynowych odbywa się przenośnikami mechanicznymi i pneumatycznie (omawiane w rozdz. 5).

Rys. 4.8. Schemat zbiornika - zasobnika do określenia

objętości magazynowanego ciała stałego

43

Rys. 4.9. Silos — metalowy (Eurosilo): a) ładowanie, b) wyładowanie, l - most obrotowy, 2 — przewód zsypowy, teleskopowy, 3 — ślimak dystrybucyjno-wyrównujący, 4 - urządzenie

wyładowcze

Rys. 4.10. Silos betonowy do magazynowania materiałów sypkich: l — zasilanie (przenośnik

taśmowy), 2 — przenośnik kubełkowy, 3 — zgarniaki

Zarówno podczas transportu materiałów sypkich, jak i ich przesypywania następuje generowanie pyłu do środowiska gazu w zbiorniku. Jest to zjawisko niepożądane i wiąże się z niebezpieczeństwem zapylenia środowiska strumie-niem gazu odlotowego, stratami produktu, pożaru i eksplozji. Do odpylania strumieni gazów odlotowych ze zbiorników magazynowych są zwykle stosowane odpylacze suche, cyklony i filtry tkaninowe.

Przy doborze zbiornika (zasobnika) materiału stałego powinny być prze-strzegane następujące zasady ogólne:

1. Powierzchnia wewnętrzna zbiornika powinna być gładka. 2. Kąt pochylenia dna powinien zapewnić wysyp masowy. 3. Zbiornik powinien mieć wentylację odlotową. 4. Zbiornik powinien być wyposażony w instalację powietrza sprężonego,

dopływ wody do mycia i otwory inspekcji wnętrza.

4.3. MAGAZYNOWANIE CIECZY

Substancje ciekłe są magazynowane w różnego rodzaju zbiornikach. Sposób magazynowania (przechowywania) cieczy zależy w największym stopniu od jej objętości i właściwości, takich jak prężność par, korozyjność, palność i wybu-chowość. Pojemność zbiorników zmienia się od litrów do kilkudziesięciu tysięcy metrów sześciennych. Usytuowanie ich może być podziemne, półpodziemne i naziemne.

Zbiorniki podziemne są stosowane przede wszystkim do magazynowania cieczy łatwo palnych i wybuchowych i podlegają specjalnym przepisom pod względem konstrukcji i eksploatacji, ze względu na bezpieczeństwo i ochronę środowiska.

Zbiorniki półpodziemne mają dno poniżej terenu i zagłębienie zwykle większe od połowy wysokości.

Zbiorniki naziemne mają dno umieszczone powyżej, na poziomie lub poniżej terenu, lecz nie wyżej niż na połowie jego wysokości. Zbiorniki są wykonywane z różnorodnych materiałów: stali węglowych (również z wykładziną odporną na korozję) i stopowych, stopów metali, aluminium, betonu, tworzyw ceramicznych i sztucznych, kompozytów. Zbiorniki magazynowe cieczy, oprócz bezwzględnie wymaganej wytrzymałości konstrukcji zbiornika i odporności korozyjnej powinny spełniać również wiele wymagań ogólnych:

— powinny być szczelne, — powinny być wyposażone w urządzenie określające poziom cieczy, — zaopatrzone w króćce do napełniania zbiornika, umieszczone powyżej

poziomu cieczy i jego opróżniania, umieszczone możliwie najniżej, z wyjątkiem dużych zbiorników,

— wyposażone w przyrządy do pomiaru ciśnienia, temperatury i poboru próbek,

45

— jeśli ciśnienie jest wyższe od atmosferycznego, to powinny być wyposażone w zawór bezpieczeństwa oraz dwa samoczynne zawory umożliwiające tzw. oddychanie zbiornika i utrzymanie w nim stałego ciśnienia,

— gdy pojemność wynosi ponad l m3, wtedy powinien być właz do kontroli wnętrza i napraw, — zbiorniki wysokie powinny być wyposażone w schody lub drabinki. Pod względem kształtu zbiorniki magazynowe cieczy (rys. 4.11), dzieli się na cylindryczne, kuliste, kroplokształtne, prostopadłościenne.

Rys. 4 .1 1 . Zbiorniki magazynowe cieczy: a) cylindryczny pionowy, b) cylindryczny poziomy, c) kulisty d) kroplokształtny

Zbiorniki cylindryczne dzielą się na pionowe i poziome. Zbiorniki pionowe, stosowane zwykle jako naziemne, mają pojemność większą niż 200 m3. Zbiorniki mogą mieć dna płaskie, półkuliste, elipsoidalne, stożkowe. Są one ustawiane w odpowiednich halach lub na placach otwartych, na fundamentach zależnych od warunków terenowych, wielkości i przeznaczenia zbiornika. Średnice wynoszą od kilku do ponad 100 m. Pojemność dochodzi do 200000 m3. Wysokość, ze względu na nośność podłoża, nie przekracza zwykle 25 m i maleje gdy średnica ma ponad 80 m. Zbiorniki cylindryczne do magazynowania cieczy o niskim ciśnieniu par w temperaturze otoczenia mają dachy stałe stożkowe lub czasze eliptyczne. Dla magazynowania cieczy łatwo wrzących i palnych są stosowane zbiorniki z dachami pływającymi na powierzchni cieczy, mające uszczelnienia krawędzi dachu z płaszczem, zmniejszające straty produktu na skutek odparowania 90-95%.

Zbiorniki cylindryczne poziome są stosowane we wszystkich możliwych usytuowaniach względem terenu. Długość ich dochodzi do 20 m i jest zwykle sześciokrotnie większa od średnicy. Dennice zbiornika mogą być płaskie lub

46

wyoblone, zależnie od ciśnienia, które nie przekracza zwykle 0,4 MPa i l kPa przy próżni. Zbiornik jest najczęściej umieszczany na dwóch podporach siodło-wych, osadzonych na fundamencie lub konstrukcji wsporczej. Pojemność zmienia się od kilku do ok. 100 m3.

Zbiorniki kuliste charakteryzują się równomiernością rozkładu naprężeń pod wpływem ciśnienia wewnętrznego. Naprężenia te są tu dwukrotnie mniejsze niż naprężenia obwodowe w zbiorniku cylindrycznym. Dlatego grubość ścianki powłoki może być tu również dwukrotnie mniejsza. Powłoka kulista jest spa-wana z uprzednio wyprofilowanych na kształt kuli segmentów. Zbiorniki te są stosowane do magazynowania cieczy lotnych pod ciśnieniem 0,3-0,7 MPa. Trudności montażowe i sposobu podparcia zbiornika powodują, że mimo wy-mienionych zalet, zbiorniki te nie są szeroko stosowane. Znaczne obciążenie fundamentów oraz wysokie ciśnienie w dolnej połowie powłoki powodują, że pojemność tych zbiorników nie przekracza 15000 m3.

Do magazynowania cieczy pod wyższym ciśnieniem są stosowane zbiorniki w kształcie kropli leżącej na niezwilżalnym podłożu — kroplokształtne. Pojemność ich dochodzi do 20 000 m3. Mimo zalety, którą jest równomierne wykorzystanie materiału powłoki, trudności w wykonaniu powodują jednak ograniczone ich zastosowanie.

Zbiorniki prostopadłościenne mające płaskie ściany, charakteryzują się tym, że dla określonej pojemności i wysokości zajmują najmniej miejsca. Pod względem zużycia materiałów w stosunku do pozostałych są najmniej ekonomiczne i najmniej wytrzymałe. Stosowane są do magazynowania niewielkich objętości cieczy.

Do magazynowania substancji w niskiej temperaturze, poniżej 225 K, są stosowane zbiorniki tzw. dwuściankowe (rys. 4.12). Zbiornik wewnętrzny, jest wykonywany z materiału odpornego na działanie niskich temperatur i przechowywanej substancji. Obciążenie zewnętrzne przenosi natomiast płaszcz zewnętrzny, wykonany najczęściej ze zwykłej stali węglowej. W przestrzeni pierścieniowej, utworzonej przez oba zbiorniki, jest umieszczona izolacja. Zbiorniki cylindryczne w tej postaci mają zastosowanie ograniczone do niewielkich ciśnień. Większe zastosowanie mają zbiorniki kuliste dwuściankowe, ze względu na mniejsze zużycie materiału konstrukcyjnego i izolującego, mniejsze straty ciepła.

Ciecze bardzo lepkie lub mające tendencje do zestalania się przechowuje się w zbiornikach izolowanych termicznie i ogrzewanych stale lub okresowo, kondensatem lub parą, zwykle za pośrednictwem wymienników ciepła płaszczowo-rurowych lub wężownicowych, omawianych w rozdz. 14.

Rys. 4.12. Zbiornik magazynowy cieczy, chłodzony, z podwójnymi ścianami: l — zbiornik zewnętrzny izolowany, 2 — przestrzeń pusta lub izolacja, 3 — zbiornik wewnętrzny, 4 — dach izolowany, 5 - fundament izolowany i ogrzewany

47

4.4. MAGAZYNOWANIE GAZÓW

Magazynowanie gazu jest związane z różnym jego przeznaczeniem. Zbiorniki magazynowe gazów dzielą się na: niskociśnieniowe — o zmiennej pojemności i wysokociśnieniowe — o stałej pojemności. Pierwsze dzielą się ponadto na mokre i suche.

Pośród zbiorników niskociśnieniowych są rozpowszechnione zbiorniki o zmiennej pojemności mokre, zwane dzwonowymi (rys. 4.13a), które w dużym stopniu wyparły zbiorniki cylindryczne suche (rys. 4.13b). Gaz jest tu przechowywany pod nadciśnieniem wywieranym przez unoszone kolejno człony płaszcza, połączone teleskopowo. Nadciśnienie to wzrasta wraz z liczbą kolejnych wysuniętych dzwonów. Pierwszy dzwon od dołu jest zanurzony w cylindrycznym basenie wypełnionym wodą. Kolejno dalsze dzwony w dolnej części cylindra teleskopu są zanurzone w pierścieniowym korycie wypełnionym wodą, która uszczelnia połączenie. Wielkość nadciśnienia w takich zbiornikach nie przekracza 4 kPa. Pojemność wynosi od ok. 1000 do 50000 m3, średnica basenów 12-50 m. Całkowita wysokość dochodzi do 40 m. W zbiornikach mokrych gaz kontaktuje się z wodą, co ogranicza ich zastosowanie do przypadków, gdy nasycenie gazu parą wodną nie stanowi przeciwwskazania. Zbiorniki te są tańsze w eksploatacji od zbiorników suchych, lecz ciśnienie w nich jest ograniczone, muszą być ogrzewane zimą, konstrukcja ich jest ciężka i narażona w większym stopniu na korozję.

Rys. 4.13. Zbiorniki magazynowe gazu: a) mokry: l — dzwony teleskopowe, 2 — zamknięcie hydrauliczne, wodne, 3 - konstrukcja wsporcza; b) suchy: l - rozdzielacz cieczy, 2 — tarcza,

3 — uszczelnienie cieczowe, 4 — pompa

Zbiorniki suche stanowią pionowe cylindry lub graniastosłupy, wewnątrz których znajduje się ruchomy tłok (rys. 4.13b). Gaz jest magazynowany pod tłokiem, który podczas napełniania zbiornika podnosi się, podczas opróżniania — opada. Przestrzeń nad tłokiem jest połączona z atmosferą. Prześwit między ścianą a tłokiem uszczelnia się, by gaz nie przedostawał się do tej przestrzeni.

48

Stosowane są uszczelnienia olejowe i przeponowe (suche). Ciśnienie hydrosta-tyczne słupa oleju w korycie powinno przewyższać ok. półtorakrotnie różnicę ciśnień na tłoku, która wynosi zwykle 1-5 kPa.

Uszczelnienie przeponowe stosowane w zbiornikach cylindrycznych jest wykonywane z tworzyw elastycznych, syntetycznych i sztucznych. Zbiorniki suche, zwane też tłokowymi, są wykonywane ze stali i montowane na terenie otwartym. Pojemność ich zmienia się od kilku do setek tysięcy metrów sześ-ciennych. Zbiorniki suche są mniej materiałochłonne niż mokre i mniej narażone na korozję, lecz bardziej skomplikowane w budowie i eksploatacji.

Zbiorniki magazynowe wysokociśnieniowe o stałej objętości stanowią zbiorniki cylindryczne poziome, pionowe i kuliste, rzadziej sferoidalne. Im wyższe ciśnienie gazu i większa objętość zbiornika, tym większa objętość gazu może być zmagazynowana. Ze względu na wytrzymałość wielkości te są jednak ogra-niczone. Ciśnienie nie przekracza zwykle 3 MPa, objętość natomiast 30 000 m3. Większe zastosowanie znajdują zbiorniki kuliste, gdyż w porównaniu z cylindry-cznymi są one tańsze w eksploatacji, zajmują mniej miejsca, na ich wykonanie zużywa się mniej materiału, gaz nie jest narażony na kontakt z substancjami zanieczyszczającymi, takimi jak woda, oleje i smary, a także na mieszanie z po-wietrzem. Zbiorniki te podlegają zwykle specjalnym procedurom projektowania, wykonania i nadzorowi UDT [3], [4].

Specjalną grupę zbiorników o stałej objętości stanowią pojemniki, służące do magazynowania i transportu gazów. Pojemniki mają zwykle kształt cylindryczny i objętość od kilku ac kilkuset decymetrów sześciennych. W dużych pojemnikach wartość ciśnienia jest ograniczona; w celu jego zmniejszenia obniża się temperaturę gazu, doprowadzając do jego skroplenia. Obniżenie temperatury stwarza dodatkowe wymagania dla materiału konstrukcyjnego pojemnika. Są stosowane stale stopowe i stopy specjalne. W bardzo niskich temperaturach (do magazynowania np. wodoru — 20 K, helu — 4 K, neonu — 27 K) są stosowane stale austeniczne miedź, aluminium i in. Tankowcami, w stanie skroplonym w zbiornikach kulistych są transportowane np. amoniak, metan, etan, etylen itp. Jednymi z najbardziej rozpowszechnionych pojemników są tzw. butle gazowe, a wśród nich butle o pojemności 40 dm3. W tego rodzaju pojemnikach ciśnienie nie przekracza zwykle 15 MPa. Gazy znajdują się w nich w stanie sprężonym, np. powietrze, tlen, azot, wodór, gazy szlachetne lub w stanie skroplonym — amoniak, dwutlenek węgla, chlor albo rozpuszczone w rozpuszczalnikach — amoniak w wodzie, dwutlenek węgla w wodzie, acetylen w acetonie.

Istnieją specjalne instrukcje eksploatacji i przechowywania butli gazowych. Specjalnym przepisom podlega również transport i magazynowanie substancji stwarzających zagrożenie dla środowiska. Podlegają im substancje wybuchowe lub wytwarzające mieszaniny wybuchowe, gazy poił zwiększonym ciśnieniem, substancje palne, żrące, cuchnące, trujące itp. Według odpowiednich kryteriów są ustalane zarówno klasy niebezpieczeństwa, jakie te substancje stwarzają, jak i środki, jakie muszą być przedsięwzięte dla zachowania bezpieczeństwa.

49

Dla ułatwienia rozpoznawania oraz ochrony przed korozją butle, w zależności od rodzaju gazu, są malowane różnego rodzaju farbami i barwnymi paskami, co jest normowane [5]. Butle są również zaopatrzone w napisy informujące o rodzaju magazynowanego gazu i dopuszczalnym ciśnieniu. Butle podlegają legalizacji i w określonych odstępach czasu są poddawane próbie wytrzymałościowej, co również jest uwidocznione na butli.

LITERATURA

[1] Bulk Solids Handling. An Introduction to the Practice and Technology. Ed. by C.R. Woodcock and J.S. Mason, Chapman and Hall, New York 1987. [2] ZIÓŁKO J., Zbiorniki metalowe na ciecze i gazy. Arkady, Warszawa 1986. [3] BN-81/2201-06, Zbiorniki i aparaty chemiczne. [4] Urząd Dozoru Technicznego. Przepisy Dozoru Technicznego. DT/Z/63. [5] PN-75/M-69210, Oznaczenia butli do gazów sprężonych.

5. PRZENOŚNIKI I DOZOWNIKI CIAŁ STAŁYCH

5.1. WPROWADZENIE

W przemyśle chemicznym i przetwórczym transport substancji łączy się ' ściśle z procesem technologicznym, obejmując czynności związane z przenoszeniem surowców, półproduktów i wyrobów gotowych. Dostawy z zewnątrz (z innych zakładów i oddalonych źródeł zaopatrzenia) materiałów niezbędnych do przebiegu produkcji i wywóz produktów są realizowane przez transport zewnętrzny. Środkami transportu zewnętrznego są samochody, pociągi, statki itp. Ruch i przenoszenie wszelkich materiałów w obrębie zakładu (fabryki) nosi natomiast nazwę transportu wewnętrznego. Stosowanymi środkami tego transportu są dźwignice do przenoszenia ciał stałych ruchem przerywanym i przenośniki — do przenoszenia ciał stałych ruchem ciągłym. Sposób transportu zależy od rozmiaru ziaren i postaci opakowania, rodzaju pojemnika, rodzaju i rozmiaru pomieszczeń magazynowych, odległości i wysokości pomiędzy magazynem a miejscem przebiegu procesu oraz jego specyficznych wymagań. Ze względu na sposób przenoszenia materiału wyróżnia się przenośniki cięgnowe, bezcięgnowe i z czynnikiem pośredniczącym — pneumatyczne i hydrauliczne.

Do przenoszenia materiałów na stosunkowo krótkie odległości — co jest określane jako podawanie, zasilanie lub dozowanie — są stosowane przenośniki małych wymiarów i urządzenia specjalnej konstrukcji, zwane podajnikami i dozownikami.

5.2. DŹWIGNICE

Dźwignice są to urządzenia pracujące okresowo, służące do podnoszenia lub przenoszenia ciał stałych. Zalicza się do nich cięgniki (wciągniki, wciągarki, wyciągi), wózki, suwnice, żurawie i in. Cięgniki stanowią dźwignice proste, którymi za pomocą odpowiedniego uchwytu (haka, chwytaka) przymocowanego do cięgna (liny, łańcucha) można przesuwać lub podnosić ładunek. Wózki (spalinowe, elektryczne) są stosowane do\przenoszenia różnego rodzaju ładunków w płaszczyźnie poziomej lub nieznacznie pochylonej. Są one jednym z najbardziej rozpowszechnionych środków transportu wewnętrznego w okresowym ruchu materiałów na małe odległości — w halach produkcyjnych i maga-

51

zynowych i in. Suwnice są dźwignicami złożonymi, dającymi możliwość transportu w przestrzeni określonej przez wysokość podnoszenia chwytaka, drogę jazdy wózka i mostu suwnicy. Suwnice są używane do obsługi hal fabrycznych, magazynów, placów składowych, wyładunku i załadunku innych urządzeń transportowych, jak np. wagonów, samochodów, statków i in. Żurawie przenoszą ładunek wzdłuż łuku kołowego i mogą obsługiwać przestrzeń objętą walcem, którego wysokość jest wysokością podnoszenia, promień podstawy natomiast — wysięgiem. Zastosowanie ich jest podobne jak suwnic.

5.3. PRZENOŚNIKI

5.3.1. PRZENOŚNIKI CIĘGNOWE

Transport ciał stałych przenośnikami cięgnowymi odbywa się za pośred-nictwem cięgna, które stanowi taśma, łańcuch lub lina. Materiał może być przenoszony bezpośrednio na cięgnie lub za pomocą elementu nośnego przy-mocowanego do cięgna. Wyróżnia się następujące przenośniki cięgnowe: taśmowe, członowe, zgarniakowe, kubełkowe.

Rys. 5.1. Przenośnik taśmowy: l — bęben napinający, 2 - bęben napędowy, 3 — rolki pod-

trzymujące, 4 - taśma, 5 — napinacz wózkowy

Przenośniki taśmowe (rys. 5.1) posiadają cięgno, stanowiące taśmę teks-tylno-gumową, stalową lub z siatki drucianej, opięte na dwóch bębnach, napi-nającym (1) i napędowym (2). Taśma (4) jest podtrzymywana przez ruchome, obrotowe rolki (3). Napięcie taśmy zapewniają napinacze stanowiące ruchomy wózek (5) (rys. 5.1), napinacz śrubowy (rys. 5.2a) lub obciążenie powrotnej strony taśmy odpowiednim ciężarem (rys. 5.2b). Ułożenie taśmy zależy od jej szerokości (rys. 5.3), rodzaju transportowanego materiału i wydajności przenośnika. Transport materiału odbywać się może w poziomie i pod kątem zależnym od współczynnika tarcia materiału.

Prędkość przesuwu taśm tekstylno-gumowych, w zależności od rozmiarów ziaren materiału wynosi 0,5-2,0 m/s. Taśm siatkowych i z blachy stalowej

52

0,2-1,5 m/s. Mniejsze prędkości przesuwu są stosowane dla materiałów drob-noziarnistych, pylących, większe dla gruboziarnistych. Wyładowanie może nastąpić w dowolnym miejscu zgarniakami (pługami) lub wózkiem zrzutowym

Rys. 5.2. Napinacz taśmy: a) śrubowy, b) ciężarowy

Rys. 5.3. Ułożenie taśmy: a) płaskie, b) nieckowe

(rys. 5.4) lub na końcu przenośnika podczas zmiany kierunku ruchu taśmy na bębnie napędowym (2), (rys. 5.1). Taśma stykająca się bezpośrednio z przeno-szonym materiałem musi być odporna na jego działanie i wytrzymała na me-chaniczne uderzenia i rozciąganie. Końce taśm są wulkanizowane lub spinane odpowiednimi klamrami metalowymi. Taśmy gumowane i powlekane substancjami termoodpornymi mogą pracować w zakresie temperatur ok. 250-650 K. Wymiary taśm gumowanych są znormalizowane. Ich szerokości dochodzą do kilku metrów, a długość przenośnika nawet do 1000 m. Taśmy siatkowe są stosowane do przenoszenia materiałów o dużej wilgotności, sypkich, o ostrych krawędziach i o wysokiej temperaturze (600-700 K). Wykonuje się je z drutu stalowego lub fosforobrązu, o przekroju kołowym lub prostokątnym. Są one trwałe, mają łatwość łączenia końców. Do przenoszenia materiałów o wysokiej temperaturze i ostrych krawędziach są również stosowane taśmy stalowe o grubości taśmy 0,8-1,0 mm. Są wykonywane ze stali węglowej lub stopowej walcowanej na zimno, odznaczają się dużą wytrzymałością, twardością i małymi

53

wydłużeniami pod działaniem dużych obciążeń. Przenośnik charakteryzują parametry: wydajność i zapotrzebowanie mocy. Wydajność przenośników taś-mowych można obliczyć ze wzoru

w którym A — pole przekroju poprzecznego materiału na taśmie, v — prędkość przesuwu taśmy, p — gęstość nasypowa materiału, φ — współczynnik zależny od kąta pochylenia taśmy, równo-

mierności dozowania materiału na taśmę, pola przekroju materiału, zmienny w zakresie 0,4-0,75.

Rys. 5.4. Sposoby rozładowania taśmy: a) zgarniak dwu- i jednostronny, b) wózek zrzutowy

Zapotrzebowanie mocy zależy od wielu zmiennych i jest obliczane zwykle za pomocą wzorów empirycznych. Ogólne zużycie mocy jest związane z transportem materiału na odległość i wysokość i sprawnością techniczną przenośnika i układu napędowego.

Zasada działania przenośników członowych jest taka sama jak taśmowych, z tym że elementy nośne — człony (płyty), korytka, są przymocowane do dwóch równoległych cięgien, lin lub łańcuchów. Elementy te zachodzą na siebie uniemożliwiając przesypywanie się materiału. Ze względu na znaczny ciężar zastosowanie ich jest ograniczone do stosunkowo krótkich odcinków, gdy prędkości przenoszenia są małe. Mogą jednak przenosić ciężkie ładunki, również w pojedynczych sztukach i kawałkach, gorące i zbrylone, o właściwościach ścierających. Jedynym miejscem rozładowczym jest tu koniec przenośnika.

Przenośniki zgarniakowe przesuwają materiał w nieruchomym korycie, otwartym lub zamkniętym, za pomocą zgarniaków przymocowanych do cięgna. Wyróżnia się przenośniki zgarniakowe zgrzebłowe i łańcuchowe. W przenośnikach zgrzebłowych zgrzebła w kształcie krążków, prostokątów, itp. (rys. 5.5a, b), przymocowane do liny lub łańcucha pchają przenoszony materiał w korycie. Przenośniki te mogą przenosić materiał w płaszczyźnie poziomej i pochylonej do 45°. Długość ich nie przekracza 150 m. Wadą ich jest znaczne zużycie energii i szybkie zużywanie koryt w wyniku ścierania. W przenośni-

54

kach zgarniakowych łańcuchowych typu Redlera (rys. 5.5c) cięgno stanowi specjalnej konstrukcji łańcuch o profilowanych ogniwach, np. w kształcie litery E, poruszający się w zamkniętym korycie. Materiał jest tu transportowany

Rys. 5.5. Przenośniki zgarniakowe: a) ze zgarniakami prostokątnymi, b) fragment przenośnika

tarczowego (krążkowego), c) przenośnik Redlera

w wyniku większego tarcia między ziarnami materiału niż między materiałem a ścianką koryta. Zasilanie i rozładunek przenośnika może się odbywać w dowolnym miejscu. Przenośniki te są stosowane do transportu we wszystkich kierunkach w przestrzeni, na niezbyt duże odległości, materiałów sypkich, pylących, o małym współczynniku tarcia, również w wysokiej temperaturze. Prędkość przesuwu materiału nie przekracza tu 0,4-0,5 m/s. Wydajność przenośników jest funkcją przekroju warstwy przenoszonego materiału A, prędkości łańcucha v i współczynnika prędkości rv, który jest definiowany jako stosunek przeciętnej prędkości materiału do prędkości łańcucha, stąd

Dla przenośników poziomych rv jest zbliżony do jedności lecz dla nachylonych i pionowych wynosi 0,6-0,85, zależnie od rodzaju i drogi transportu.

Przenośniki kubełkowe są stosowane do transportu pionowego i okrężnego materiałów ziarnistych i w kawałkach. Materiał przenoszony jest porcjami w kubełkach przymocowanych do cięgna, łańcucha lub taśmy. Cięgno z kubełkami jest opięte na kołach łańcuchowych lub bębnach, z których górne są

55

napędzane odpowiednim silnikiem. Wyróżnia się kubełki głębokie i płytkie z dnem cylindrycznym oraz ostrokątne grzbietowe, stosowane do materiałów gruboziarnistych, ścierających się i kruchych, umocowane na cięgnie jeden po drugim, bez odstępów. Wymiary i pojemności kubełków są znormalizowane.

Całość zamknięta jest obudową zaopatrzoną w dolnej części w otwór załadunkowy i wyładunkowy w części górnej (rys. 5.6). Napełnianie kubełków odbywa się samoczynnie przez naczerpywanie materiału w dolnej części obudowy lub nasypywanie odpowiednim dozownikiem. Wyładowanie, wysyp z kubełków, następuje podczas zmiany kierunku ruchu cięgna z kubełkami pod działaniem siły ciężkości (prędkość cięgna 0,25-1,0 m/s), gdy prędkość przesuwu cięgna jest większa, tj. 1,0-3,0 m/s, wówczas również w wyniku działania siły odśrodkowej. Przenośniki kubełkowe są stosowane do transportu na wysokość do 50 m i mają wydajność do ok. 400 m3/h. Oprócz zalet, do których zalicza się dużą wydajność i możliwośó transportu materiałów pylących, przenośniki te mają wiele wad, które stanowią: duży ciężar konstrukcji, duże zużycie elementów nośnych na skutek erozji i korozji, konieczność równomiernego zasilania.

Objętość strumienia materiału można określić wzorem

w którym φ — współczynnik wypełnienia kubełka wynoszący 0,4-0,75, Vk —

objętość kubełka, v — prędkość cięgna z kubełkami, a — podziałka; odległość pomiędzy kubełkami.

Wydajność przenośnika wynosi

Zapotrzebowanie mocy do transportu wynika z wydajności przenośnika przeno-szącego strumień masy materiału i oporów tarcia, jakie występują podczas załadunku i na drodze transportu.

5.3.2. PRZENOŚNIKI BEZCIĘGNOWE

Przenośniki bezcięgnowe nie mają cięgna. Zasadnicze rodzaje przenośników bezcięgnowych stanowią przenośniki ślimakowe (śrubowe) i wibracyjne.

56

Rys. 5.6. Przenośnik kubeł-kowy: l — kubełki, 2 — cięgno, 3,4 — bębny (koła łańcuchowe), 5 — obudowa

Zasada działania przenośników ślimakowych polega na przesuwaniu materiału w korycie otwartym lub zamkniętym za pomocą obracającego się wału o powierzchni śrubowej (rys. 5.7). Materiał podawany do koryta, na skutek działania siły ciężkości i tarcia o ścianki i dno koryta, nie wykonuje ruchu obrotowego ze ślimakiem, lecz jest przezeń przesuwany do otworu wyładowczego. Stopień wypełnienia koryta wynosi 0,1-0,5, zależnie od rodzaju materiału i jego postaci. Przenośniki ślimakowe są stosowane do przenoszenia na niewielkie odległości materiałów sypkich, drobnoziarnistych, ciastowatych, nie mających właściwości ścierających i w dużym stopniu adhezyjnych, mogących oblepiać części robocze przenośnika i blokować przepływ materiału. Różnorodność materiałów powoduje istnienie wielu wzorów stosowanych ślimaków (rys. 5.8). Ślimaki o gwincie jedno- i dwuzwo-jowym (rys. 5.8a, b), są stosowane do przenoszenia materiałów sypkich, lekkich. Do przenoszenia materiałów ciastowatych, adhezyjnych i wilgotnych są stosowane ślimaki wstęgowe (rys. 5.8c). Jeśli podczas transportu odbywa się mieszanie, mieszanie i chłodzenie lub ogrzewanie, to stosuje się ślimaki łopatkowe, ślimaki ze zwojami bądź wycinany mi, -bądź zaginanymi po wycięciu (rys. 5.8d,e,f).

Rys. 5.8. Rodzaje ślimaków: a),b) o gwincie jedno- i dwuzwojowym, c) ślimak wstęgowy, d) ślimak

łopatkowy, e),f) ze zwojami wycinanymi i zaginanymi

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

57

Rys. 5.7. Przenośnik ślimakowy: l — ko-

ryto, 2 — ślimak

Rys. 5.9. Przenośnik ślimakowy z giętkim ślimakiem wstęgowym: l — ślimak wstęgowy,

2 - przewód elastyczny, 3 - napęd

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

Do projektowania i doboru przenośnika ślimakowego są istotne jego wielkość i prędkość obrotów ślimaka (rys. 5.10). Strumień masy przenoszonego materiału wynosi

gdzie n — liczba obrotów, s — skok linii śrubowej.

Przekrój transportowanej warstwy materiału A, wyraża się średnicami: dr rdzenia i dz zewnętrzną ślimaka, a więc

58

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

Rys. 5.10. Wielkości określające wydajność przenośnika ślimakowego

Zużycie mocy jest sumą mocy niezbędnej zarówno do transportu materiału na odległość i ewentualnie na wysokość, z określoną szybkością jak i pokonania oporów tarcia pomiędzy ruchomymi częściami przenośnika.

Przenośniki wibracyjne są stosowane do przenoszenia wielu rodzajów ma-teriałów stałych, od cząstek mikronowych do ziaren-kawałków. Przenośnik wibracyjny (lub wstrząsowy) zawiera koryto (rynnę) opartą lub podwieszoną

Rys. 5 .11 . Schemat przenośnika wibracyjnego: l — koryto (rynna), 2 - wsporniki sprężyste,

3 — wibrator

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

gdzie φ — współczynnik napełnienia koryta — 0,15-0,45.

Częstość drgań wynosi tu 1-2 Hz podczas skoku (suwu) rynny do ok. 250

mm. Dla typowych przenośników wibracyjnych wielkości te wynoszą od-

59

powiędnie: częstość — 3-20 Hz, skok (amplituda) — poniżej 25 mm. Przenośniki wstrząsowe są stosowane do transportu na niewielkie odległości materiałów granulowanych i w kawałkach, o stosunkowo dużej gęstości, nie mających silnych właściwości erozyjnych. Omawiane przenośniki są również stosowane jako podajniki (dozowniki). Podajniki różnią się od przenośników jedynie wymiarami, długość podajników wynosi 2-3 m, przenośników natomiast ponad 10 m, przy szerokości do 4 m.

Przeciętna prędkość masy materiału wzdłuż rynny może być wyrażona jako

gdzie k — współczynnik efektywności przenoszenia; zależy od kąta wibracji

(drgań) β, współczynnika tarcia µ, i dynamiki ruchu materiału i zmienia się od O do l ,0, λ — amplituda, / — częstość.

Prędkość rzeczywista us musi uwzględniać charakterystykę materiału, tj. rozmiar cząstek i ich gęstość, zmienną grubość warstwy 1-300 mm, kąt po-chylenia rynny do poziomu dochodzący do ok. 15°. Strumień masy przenoszo-nego materiału, gdy jest znana powierzchnia przekroju warstwy, oblicza się podobnie jak w odniesieniu do omówionych już przenośników.

Przenośniki wibracyjne według sposobu przekazywania wibracji do rynny (koryta) podzielić można następująco: z napędem mechanicznym bezpośrednim, za pośrednictwem mechanizmu korbowego lub mimośrodu stanowiącego niewyważoną masę wprawianą w ruch obrotowy (rys. 5.12a); z napędem elek-tromagnetycznym, w którym drgania są ograniczone do dodatniej połówki si-nusoidy (rys. 5.12b), z napędem hydraulicznym lub pneumatycznym, stoso-wanym w szczególnych przypadkach zagrożenia pożarowego lub eksplozją i in.

Rys. 5.12. Przenośniki wibracyjne: a) z napędem bezwładnościowym, b) z napędem elektro-

magnetycznym; l - napęd, 2 - sprężyny, 3 - rynna (koryto)

Przenośniki z napędem korbowym są stosowane do przenoszenia stosunkowo dużych mas materiałów, gdy mała częstość i duża amplituda drgań jest odpowiednia. Wadą ich jest niewyważenie i przenoszenie się drgań na funda-menty. Ograniczenie tej wady osiąga się przez zrównoważenie drgających mas lub zainstalowanie zamiast jednej dwóch rynien, tworzących układ zbilansowany.

Przenośniki, w których drgania są wymuszone ruchem obrotowym w prze-ciwnych kierunkach nie wy ważonych mas, wywołują drgania liniowe prostopa-

60

die do osi napędu (rys. 5.12a). Wibrator może być montowany u dołu rynny lub na górze. Rynna może być podparta lub podwieszona na sprężynach lub płaskownikach sprężystych. Typowe parametry drgań są następujące: częstość ok. 15 Hz, amplituda 1 - 10 mm zależna w dużym stopniu od obciążenia rynny materiałem.

Częstość drgań przenośników z napędem elektromagnetycznym wynika z częstotliwości prądu. Poprzez odpowiednie prostowanie prądu częstość można zmniejszyć. Amplituda jest mała, 0,1-3 mm, więc prędkości przenoszenia nie przekraczają 0,3 m/s.

Oprócz opisanych przenośników, stoso-wanych zwykle do transportu poziomego, istnieją również przenośniki zwane elewatorami spiralnymi (rys. 5.13), oparte na tej samej zasadzie przenoszenia. Przenośnik jest zaopatrzony w rynnę, nawiniętą na pionowym metalowym rdzeniu (rurze) w postaci helikoidy, pod niewielkim kątem. Drgania są przyłożone do rdzenia u dołu przenośnika. Wysokość podnoszenia wynosi 10 m i więcej.

5.3.3. PRZENOŚNIKI PNEUMATYCZNE

Przenośniki pneumatyczne są stosowane do transportu na znaczne odległości we wszystkich kierunkach w przestrzeni materiałów sypkich, lekkich, nie zbry-lających się w rurociągach zamkniętych. Zasada działania przenośników pne-umatycznych polega na porywaniu i przenoszeniu materiału przez strumień powietrza do miejsca wyładunku, które następuje w wyniku gwałtownego zmniejszenia prędkości lub kierunku ruchu gazu. Wyróżnia się przenośniki pneumatyczne ssące, tłoczące i ssąco-tłoczące.

Przenośniki ssące pracują za zasadzie wytworzenia w rurociągu próżni i zasysaniu materiału bezpośrednio ze zbiorników lub hałd (rys. 5.14). Zasysanie odbywa się za pośrednictwem dyszy umożliwiającej regulację strumienia ciała stałego. Przeniesiony materiał jest wyładowywany w zbiorniku (3) w wyniku działania na cząstki ciała stałego sił bezwładności. Drobne cząstki, uniesione strumieniem gazu, są wydzielane w bardziej sprawnych odpylaczach, w cyklonach (4), filtrach tkaninowych lub obu tych aparatach jednocześnie. Oczyszczone powietrze jest zasysane wentylatorem (5) lub innego rodzaju sprężarką. Instalacja na drodze transportu musi być szczelna, by poprzez tzw. podsysanie powietrza atmosferycznego nie następowało zmniejszanie próżni. Zdolność przenoszenia dochodzi do ok. 100 m. Materiał może być pobierany z kilku źródeł i transportowany do jednego miejsca.

Rys. 5.13. Przenośnik spiralny — bez-władnościowy: l — wibrator, 2 —

sprężyny, 3 — rynna spiralna

61

Rys. 5.14. Instalacja ssąca transportu pneumatycznego: l - zasysanie powietrza, 2 — zasob-nik-

podajnik, 3 - zbiornik-separator, 4 - filtr, 5 - sprężarka (wentylator)

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

Rys. 5.15. Instalacja tłocząca transportu pneumatycznego: l - zbiornik materiału, 2 — sprężarka, 3

— podajnik, 4 - zasuwy, 5 — zasobniki produktu, 6 - filtry

Omawiane instalacje mogą być łączone i stanowić przenośnik ssąco-tłoczą-cy, gdy istnieje konieczność transportu z kilku miejsc i na znaczne odległości. Układ zamknięty (rys. 5.16) jest specjalnym przypadkiem transportu pneumatycznego. Dotyczy to układu w którym jest stosowany inny gaz niż powietrze i musi być on recyrkulowany. Przykładem może być transport produktów spożywczych, wrażliwych na wilgoć, przenoszonych dwutlenkiem węgla lub azotem. W takim układzie są również transportowane materiały toksyczne, radioaktywne, eksplozyjne i in.

62

Rys. 5.16. Układ zamknięty transportu pneumatycznego: l — sprężarka (wentylator), 2 — za-

sobnik, 3 — podajnik, 4 — cyklon, 5 — filtr tkaninowy

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

gdzie mc — strumień masy powietrza, UG —

prędkość liniowa powietrza, pG — gęstość powietrza.

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

gdzie ∆ρσ — spadek ciśnienia gazu,

α — współczynnik straty ciśnienia zależny od charakterystyki ciała stałego i obciążenia materiałem Φ . W przybliżeniu

α ·» Φ dla prędkości transportu ponad 20 m/s.

63

Do zalet transportu pneumatycznego zalicza się: — prostotę w projektowaniu, wykonaniu i obsłudze, — możliwość pracy w układzie zamkniętym, — możliwość automatyzacji i zdalnego sterowania. Za wady natomiast uważa się ograniczenie transportu zasadniczo do ciał

stałych nieerozyjnych oraz znaczne zużycie energii.

Rys. 5.17. Przenośnik fluidalny: l - rynna (koryto), 2 - przegroda porowata, 3 - powietrze do

fluidyzacji, 4 — powietrze do odpylania

Przenoszenie materiałów stałych sypkich na niewielkie odległości odbywać się może również z zastosowaniem zjawiska fluidyzacji. Strumień powietrza przepływając przez porowate dno rynny (rys. 5.17), nachylone w kierunku drogi transportu pod odpowiednim kątem, fluidyzuje i zapewnia ciągły przepływ materiału w kierunku końca rynny. Kąt pochylenia rynny zależy od zdolności materiału do fluidyzacji jednorodnej. Porowate dno rynny jest wykonywane z tkanin bawełnianych lub poliestrowych, z porowatych płytek ceramicznych lub z tworzyw sztucznych, siatek metalowych. Przenośnik fluidalny, w zależności od rodzaju materiału i innych uwarunkowań, może pracować z rynną otwartą lub zamkniętą. W drugim przypadku, częściej spotykanym, przenośnik jest wyposażony w urządzenia odpylające. Kąt pochylenia rynny dla materiałów sypkich wynosi ok. 3°, dla kohezyjnych proszków natomiast 7-10°. Pozostałe zasadnicze parametry projektowe stanowią: długość — do kilkudziesięciu metrów i szerokość rynny — zwykle 0,2-1,0 m oraz zapotrzebowanie na powietrze określone wymaganiami fluidyzacji. Spadek ciśnienia gazu wynosi 2,5-5,0 kPa.

5.3.4. PRZENOŚNIKI HYDRAULICZNE

Przenośniki hydrauliczne służą do transportu ciała stałego za pomocą prze-pływającej cieczy, w postaci zawiesiny. Przenoszony materiał nie powinien być rozpuszczalny i nie powinien reagować z cieczą. Transport hydrauliczny jest stosowany do przenoszenia w rurociągach dużych strumieni mas na dalekie odległości węgla, rud żelaza, miedzi, kamienia wapiennego, fosforytów itp.

64

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

5.4. PODAJNIKI — DOZOWNIKI CIAŁ STAŁYCH

Urządzenia służące do odmierzania określonej objętości lub masy materiału w sposób okresowy lub ciągły i podawania do odpowiednich aparatów, rurociągów itd. noszą nazwę podajników lub dozowników. Z definicji wynika podział dozowników na objętościowe i masowe.

Do dozowników objętościowych należy duża grupa, w której znajdują się dozowniki taśmowe, skrzydełkowe, ślimakowe, talerzowe, wibracyjne i inne.

Do/owniki taśmowe są podobne do omawianych już przenośników taśmo-wych, z tym że mają mniejsze wymiary. Nadają się do dozowania kilku składników w celu wytworzenia mieszaniny o określonym składzie.

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

Dozowniki skrzydełkowe (celkowe) (rys. 5.18) są stosowane do podawania i dozowania materiałów stałych sypkich ze zbiorników, spełniając jednocześnie rolę zamknięcia wielu aparatów procesowych.

Dozowniki ślimakowe (rys. 5.19) są podobne w budowie do omawianych już przenośników ślimakowych. Dla równomiernego podawania objętości materiału skok linii śrubowej i średnica ślimaka w dozownikach zwiększają się w kierunku podawania.

65

Dozowniki talerzowe (rys. 5.20) są stosowane do ciągłego i równomiernego dozowania materiałów sypkich o rozmiarach ziaren do 30 mm. Zasadnicze elementy dozownika stanowią pozioma obracająca się tarcza (1) oraz zgar-niak (2) ustawione pod otworem wysypowym zbiornika (3). Wysypujący się materiał tworzy na tarczy stożek, którego wielkość jest regulowana odległością pierścienia (4) od tarczy. Jeśli prędkość obrotowa tarczy jest mniejsza od krytycznej, to zgarniak (2) w postaci klina, przesuwa materiał do obwodu tarczy, skąd opada do rynny zsypowej. Wydajność dozowników talerzowych dochodzi do 20 m3/h.

Rys. 5.20. Dozownik talerzowy: l - tarcza obrotowa, 2 — zgarniak, 3 - zasobnik,

4 - pierścień regulacyjny

Dozowniki wibracyjne działają na zasadzie podobnej jak przenośniki wi-bracyjne, lecz mają mniejsze wymiary i są zazwyczaj napędzane wibratorami elektromagnetycznymi. Są stosowane do podawania i dozowania drobnoziarnistych materiałów sypkich, z wydajnością do 30 m3/h.

Dozowniki objętościowe nie zapewniają dużej dokładności dozowania, ze względu na zmiany gęstości nasypowej materiałów, która w zależności od wil-gotności i rozmiarów ziaren zmienia się w szerokich granicach, nawet w przypadku tego samego materiału. Dozowanie według masy zwane również dozowaniem masowym, zapewnia dokładność rzędu 0,1-0,5%. Do dozowania są stosowane różnego rodzaju wagi. Ważenie odbywa się w sposób ręczny, półautomatyczny lub automatyczny. W dozowaniu ręcznym i półautomatycznym pojemnik, w którym jest odważana masa, jest ustawiony na wadze. W dnie pojemnika, najczęściej stożkowym, znajduje się otwór, który jest zwykle zamknięty zasuwą, a który po odważeniu materiału otwiera się wysypując odwa-

66

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

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

Rys. 5.21. Dozownik półautomatyczny: l — zasobnik, 2 — podajnik, 3 — pojemnik, 4,6

— pryzmaty, 5 — dźwignia, 7 — przekładnia, 8 — silnik, 9 — obciążniki, 1 0 , 1 1 — styki

Rys. 5.22. Schemat dozowania masowego (wagowego): l — zasobnik, 2 — podajnik taśmowy,

·> — napęd o zmiennej liczbie obrotów, 4 — czujnik, 5 — pomiar dozowania, 6 - wskaźnik dozowania, 7 — kontrola podawania, 8 — sygnał zadany

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

67

nią równowagi, dźwignia (5) rozwiera styki (10), co przerywa dopływ prądu do silnika napędzającego (8). Odważoną porcję usuwa się, otwierając otwór wy-sypowy pojemnika (3). Aby odważyć następną porcję, włącza się silnik (8), zamykając obwód stykiem (11).

W warunkach pracy ciągłej stosuje się dozowniki automatyczne o działaniu okresowym lub ciągłym. Dozowniki o działaniu okresowym są przeznaczone do odważania porcji materiału o określonej masie i działają na tej samej zasadzie co wagi mechaniczne i elektroniczne. Zbiornik opróżnia się samoczynnie, przez obrót zbiornika, otwarcie dna lub częściowy obrót i otwarcie ściany bocznej. W dozowaniu ciągłym, najczęściej stosowanym podajnikiem jest podajnik taśmowy, a w przypadku mniejszej dokładności — ślimakowy lub celkowy. Schemat ogólny dozowania ciągłego przedstawia rys. 5.22. W układzie tym strumień materiału jest podawany na przenośnik taśmowy, oparty z jednej strony na czujniku piezoelektrycznym. Nacisk masy materiału wywołuje odpowiedni sygnał elektryczny; przetwarzany na zmianę prędkości (zwiększenie lub zmniejszenie) przesuwu taśmy dozownika i jednocześnie stanowi sygnał kontrolny, porównawczy z wartością zadaną strumienia masy materiału.

LITERATURA

[1] MARCUS R.D., LEUNG L.S., KLINZING G.E., RIZIK F„ Pneumatic Conveying of Solids, Chapman and Hull, London, 1990. [2] KOCH R., NOWORYTA A., Procesy mechaniczne w

inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1992. [3] KRAUS M.N., Pneumatic Conveying Systems for Bulk Materials, 3rd ed., Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey 1991.

6. POMPY

6.1. WPROWADZENIE

Przepływ (transport) cieczy i ciekłych układów niejednorodnych jest ściśle związany z procesami technologicznymi: z doprowadzeniem surowców i pół-produktów, odbiorem produktów gotowych, wymuszeniem ruchu cieczy w apa-ratach procesowych itp.

Ruch płynów, jak wiadomo, jest oparty na prawach mechaniki, do których sformułowania jest niezbędna znajomość właściwości fizycznych płynu oraz bilansu masowego i energetycznego przepływu. Podstawowym równaniem bi-lansowym przepływu jest równanie Bernoulliego, w którym dla płynu rzeczy-wistego uwzględnia się nieodwracalność związaną z oporami przepływu. Jako podstawowe jest również traktowane równanie oporów Darcy'ego-Weisbacha [1], [2].

Pompy, jako urządzenia do przesyłania cieczy rzeczywistych, dzielą się w zależności od sposobu przekazywania energii do cieczy i wymuszenia jej ruchu na wyporowe, wirowe i strumieniowe.

W pompach wyporowych na ciecz zamkniętą w cylindrze (korpusie) pompy jest wywierany nacisk organu roboczego, tłoka lub rotora, w czego wyniku ciecz zwiększa energię ciśnienia wydatkowaną następnie na drodze przepływu. Ten sposób przekazywania energii do cieczy wymaga oddzielenia przestrzeni ssawnej od tłocznej, co jest realizowane za pomocą co najmniej jednej pary zaworów; ssawnego i tłocznego lub stosowanie odpowiedniej konstrukcji tłoka-rotora w pompach rotacyjnych. Ciśnienie wytwarzane przez pompy wyporowe jest teoretycznie nieograniczone, dlatego przepływ wywołany przez te pompy może być dławiony w ograniczonym zakresie.

W pompach wirowych organem roboczym jest wirnik, który zanurzony w cieczy zamkniętej w korpusie pompy wywiera na nią nacisk i jednocześnie wprawia ją w ruch obrotowy. W wyniku ciecz uzyskuje energię kinetyczną, która ulega zamianie na energię ciśnienia na wylocie z pompy, w dyfuzorze. Przepływ cieczy przez pompę wirową może być promieniowy — odśrodkowy, osiowy lub złożony. Stąd nazwy pomp wirowych — odśrodkowe i osiowe. Energia przekazywana do cieczy w pompach wirowych jest ograniczona i zależy od rodzaju i liczby obrotów wirnika. Dławienie przepływu nie stwarza niebezpieczeństwa gwałtownego wzrostu ciśnienia, jak w pompach wyporo-wych. Charakterystyczną cechą pomp wirowych jest dużo większa wydajność niż pomp wyporowych.

69

W pompach strumieniowych do przesyłania cieczy, tj. ssania lub tłoczenia, wykorzystuje się zjawisko Venturiego.

Szczególny rodzaj pomp stanowią pompy próżniowe, stosowane do usuwania gazów z przestrzeni opróżnianej — wytwarzania próżni. Mimo że służą do przesyłania gazu do atmosfery lub próżni wstępnej w wyniku działania sił ssania, to jednak ze względu na budowę i zasadę działania są zaliczane do pomp.

6.2. POMPY WYPOROWE

Pompy wyporowe dzielą się na pompy tłokowe o ruchu posuwisto-zwrot-nym tłoka, nurnika lub membrany i pompy rotacyjne.

Pompy z posuwisto-zwrotnym ruchem tłoka mają cylinder z umieszczonym wewnątrz tłokiem pojedynczym lub podwójnym, który jest napędzany silnikiem elektrycznym, pneumatycznie za pomocą pary lub powietrza sprężonego lub hydraulicznie. Zasysanie cieczy do cylindra i jej wytłaczanie odbywać się może w oddzielnych suwach, w pompach jednostronnego działania (rys. 6.1) lub jednocześnie w obu suwach, w pompach dwustronnego działania (rys. 6.2). Różnica ciśnień w pompach tłokowych nie przekracza zwykle 14 MPa, ze względu na możliwość odchyleń linii tłoka, nieszczelności i szybkie zużycie pompy. Duże różnice ciśnienia mogą być przenoszone przez pompy, gdzie rolę tłoka spełnia gładki cylinder przymocowany do drąga tłokowego, zwany nurnikiem (rys.

6.3). W przeciwieństwie do klasycznego tłoka, nurnik ma zwykle tę samą średnicę co drąg tłokowy. Uszczelnienie nurnika jest zlokalizowane w korpusie pompy. Pompy nurnikowe, stosowane do ciśnień > 70 MPa, mają zwykle jednostronne działanie. Pompy z posuwisto-zwrotnym ruchem tłoka klasyfikuje się również według liczby cylindrów jako pojedyncze (simplex), podwójne (duplex) itd. Pompy te są nazywane również, ze względu na napęd, parowymi (rys. 6.4).

Pompy membranowe (rys. 6.5) są specjalnym typem pomp posuwisto-zwrotnych w których ruch (przepływ)

cieczy następuje w wyniku drgań membrany, mającej postać płaskiego dysku lub przewodu rurowego. Drgania membrany są wywoływane mechanicznie, pneumatycznie lub hydraulicznie. Tego rodzaju pompy, jako hermetyczne z zaworami pierścieniowym, są zwykle stosowne jako dozujące i specjalnego przeznaczenia. Wydajność pompy zmienia się przez zmianę prędkości napędu

70

k

Rys. 6.1. Pompa tłokowa jednostronnego działania: l - korpus (cylinder), 2 - tłok, 3 -zawory (ssawny i tłoczny), 4 - kosz (smok) ssawny, 5 — przewód ssawny, 6 — powie-trznik ssawny, 7 — powietrznik tłoczny, 8 -przewód tłoczny, 9 -wakumetr

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

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

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

Rys. 6.4. Pompa tłokowa sprzężona z maszyną parową: l — maszyna parowa, 2 — tłoczysko (wspólne), 3 —

tłok maszyny, 4 - tłok pompy, 5 - zawory

Rys. 6.5. Schemat pompy membra-nowej: l - sprężyna, 2 — wlot płynu roboczego, 3 — membrana, 4

— zawory płytkowe (klapowe)

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

gdzie HA — ciśnienie hydrostatyczne w zbiorniku ssawnym, Hss

— wysokość statyczna ssania,

71

Wylot

H — ciśnienie hydrostatyczne oparów cieczy, H, — opory tarcia w przewodzie ssawnym.

Istotny składnik w tym równaniu stanowi wysokość przyspieszenia cieczy Hac. Energia wymagana do przyspieszenia cieczy jest funkcją długości przewodu ssącego ls, przeciętnej prędkości liniowej cieczy u, prędkości ruchu organu ro-boczego pompy n, typu pompy i względnej sprężystości cieczy i rurociągu K

gdzie C — współczynnik — 0,4 - dla pompy simplex pojedynczego działania,

— 0,2 — dla pompy duplex pojedynczego działania, — 0,115 — dla pompy duplex podwójnego działania, K

— współczynnik sprężystości względnej cieczy: dla gorącej wody — 1,4; dla gorącego oleju — 2,5, g —

przyspieszenie ziemskie. Wysokość przyspieszenia Hac jest niekiedy tak duża, że jest niemożliwe

uzyskanie wymaganej wielkości Hs. Wielkość Hac może być zmniejszona przez zwiększenie średnicy i zmniejszenie długości przewodu ssawnego lub zmniejszenie prędkości ruchu tłoka. Inne rozwiązanie stanowi instalowanie stabilizatora przepływu na linii ssania, co umożliwia zmniejszenie długości przewodu ls do maksimum 10 średnic przewodu. Teoretyczna maksymalna wy-sokość ssania wynosi 10,3 m, a rzeczywista dla zimnej wody ok. 6,7 m. Opory przepływu H. są liczone dla przepływu maksymalnego. Stabilizatory (powie-trzniki), umożliwiające zmniejszenie pulsacji ciśnienia i zmiany przepływu są instalowane również po stronie tłocznej pompy. Prędkość liniowa ssania po-winna mieścić się w zakresie 0,3-0,9 m/s na linii rurociągu możliwie najkrótszej, prędkość po stronie tłocznej — 1,5-4,6 m/s.

W pompach rotacyjnych zarówno kształt tłoka (rotora) jak i ruch cieczy w korpusie pompy jest obrotowy. Ruch ten, w porównaniu z posuwisto-zwrotnym, jest bardziej wyrównany, nie występują straty energii związane z przy-spieszeniem cieczy i nie ma konieczności instalowania stabilizatorów. Pompy rotacyjne, poprzez ruch obrotowy rotora, pobierają stałą objętość cieczy po stronie ssawnej i przenoszą ją w przestrzeni pomiędzy rotorem a statorem na stronę tłoczną, przeciw ciśnieniu w przestrzeni wyładowania. Pompy rotacyjne nie mają możliwości zasysania cieczy i zmian wydajności w prosty sposób. Są odpowiednie do przetłaczania płynów nieniutonowskich, o właściwościach zarówno smarujących, jak i ścierających. Rotor stanowić mogą koła zębate (rys. 6.6), różnego rodzaju krzywki (rys. 6.7) lub bębny (wirniki) z ruchomymi lub nieruchomymi łopatkami (rys. 6.8). Pompy te są stosowane wtedy, gdy wydajność < 150 m3/h, różnica ciśnień natomiast poniżej 3 MPa. Schemat działania pompy rotacyjnej z podwójnym rotorem przedstawia rys. 6.9. Pompy z podwójnym rotorem są stosowane do przetłaczania cieczy o wysokiej lepkości, z wydajnością do 170 m3/h, gdy różnica ciśnień wynosi 1,4 MPa i próżnia

72

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

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

73

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

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

Rys. 6.9. Pompa rotacyjna z podwójnym rotorem: l — rotory zębate, 2 — przesłona uszczelniająca

Rys. 6.10. Pompa śrubowa (ślimakowa): l - stator, 2 — rotor—ślimak, 3 - wał przegubowy, 4 —

komora ssania, 5 — komora tłoczenia

74

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

Wydajność pomp rotacyjnych jest funkcją prędkości obrotów rotora, lepkości i różnicy ciśnień w pompie. Pompy te charakteryzują się stosunkowo wysoką sprawnością, rzędu 70-95% i są wtedy preferowane, gdy koszt energii jest decydujący. Szybkie zużywanie się niektórych elementów stanowi wadę tych pomp.

Do pomp wyporowych są również zaliczane pompy perystaltyczne, w których ciecz jest przetłaczana porcjami z przestrzeni ssawnej do tłocznej, na zasadzie ściskania elastycznego przewodu rurowego pomiędzy dwoma obrotowymi rolkami a kołem z bieżnią półcylindryczną. Pompy są stosowane do przetłaczania cieczy wysokolepkich jak np.: kleje, tłuszcze, koloidy, a także zawiesin, gdy są stosowane odpowiedniego rodzaju rury elastyczne. Wydajność nie przekracza 25 m3/h, wysokość podnoszenia 10 m.

Wysokość tłoczenia H(, wytwarzana przez pompy wyporowe jest ograniczona jedynie wytrzymałością i szczelnością pompy (rys. 6.11). Wysokość tłoczenia określa następujące wyrażenie:

w którym Hst — wysokość statyczna

tłoczenia, Hat — straty energii kine-

tycznej, Hft — opory tarcia w

przewodzie tłocznym. Całkowita wysokość podnoszenia jest równa sumie wysokości Hs i Hf.

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

gdzie φ — współczynnik sprawności objętościowej pompy — 0,75-0,98.

Regulacja wydajności odbywać się może przez zmianę wielkości skoku i liczby suwów tłoka lub obrotów rotora, a także recyrkulację części cieczy do przestrzeni ssawnej pompy.

Zużycie mocy N, jako energia dostarczona do cieczy, niezbędna dla jej przepływu

gdzie Hu — wysokość użyteczna podnoszenia,

Rys. 6.11. Charakterystyka pomp wyporowych

75

ρ — gęstość cieczy, g — przyspieszenie ziemskie.

Obliczając rzeczywiste zapotrzebowanie mocy należy uwzględnić ponadto sprawność pompy, która wynosi 0,7-0,95 i układu napędowego.

6.3. POMPY WIROWE

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

Rys. 6.12. Pompy wirowe: a) odśrodkowa; l — wlot — ssanie, 2 — korpus, 3 - wirnik,

4 — łopatki, 5 — dyfuzor; b) diagonalna; l - korpus, 2 — wirnik; c) osiowa; l — korpus, 2 — wirnik, 3 — uszczelnienie - dławicowe

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

76

W pompach osiowych, zwanych też śmigłowymi (rys. 6.12c), ciecz prze-pływa przez wirnik równolegle do jego osi. Wzrost ciśnienia zarówno w pom-pach diagonalnych, jak i osiowych osiąga się przez instalowanie na wylocie z pompy odpowiednich kierownic.

Jeśli wysokości podnoszenia są większe niż 50 m to są stosowane pompy wielostopniowe. Odpowiednia liczba wirników jest osadzona wówczas szere-gowo na jednym, wspólnym wale. Ciecz przepływa kolejno przez każdy wirnik (stopień), gdzie zwiększa swoją energię niezbędną do przepływu.

6.3.1. CHARAKTERYSTYKA POMP WIROWYCH

Z bilansu sił działających na element płynu doskonałego, podczas przepływu przez wirnik z nieskończoną liczbą łopatek, otrzymuje się równanie Eulera, określające przyrost energii l kg masy cieczy, wyrażony w jednostkach wysokości słupa cieczy #rAoo

gdzie «j, M2 — prędkości wirowania cieczy z wirnikiem, odpowiednio na

wlocie i wylocie z wirnika, Cj, C2 — prędkości bezwzględne cieczy odpowiednio na wlocie i wylocie

z wirnika. W równaniu nie ma właściwości cieczy, dlatego wysokość podnoszenia

pomp wirowych nie zależy od rodzaju cieczy. Wytwarzane ciśnienie nato-miast, zgodnie z zależnością p = Hpg, zależeć będzie od rodzaju cieczy. Równanie to, po uwzględnieniu związków pomiędzy wektorami prędkości elementu cieczy i wirnika przyjmuje postać

gdzie w2 — prędkość względna cieczy na wylocie z wirnika,

β2 — kąt nachylenia łopatek wirnika zawarty między styczną do końca łopatki a styczną do obwodu wirnika w tym miejscu.

Jak wynika z równania, wysokość podnoszenia zależy od kształtu łopatek wirnika, określonego kątem ich pochylenia β. Ze względu na większą sprawność energetyczną są stosowane wirniki z łopatkami wygiętymi do tyłu (β < 90°) lub prostymi (β =90°).

Przesyłając rurociągiem, za pośrednictwem pompy wirowej, określoną objętość cieczy, należy dostarczyć do pompy odpowiednią energię, niezbędną do: podniesienia cieczy na wysokość statyczną (geometryczną), pokonania różnicy ciśnień na powierzchni cieczy w zbiorniku ssawnym i tłocznym, pokonania oporów tarcia i miejscowych. Wysokości podnoszenia w różnych wariantach zasilania cieczą przedstawia rys. 6.13.

77

Rys. 6.13. Wysokości podnoszenia pomp: a) przy zasysaniu cieczy, b) przy napływie cieczy,

c) w układzie ciśnieniowym

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

wydajność Q proporcjonalnie do n, Q1 /Q2 = nl/n2, wysokość H w zależności z n2, Hl/H2 = (n2/nv)2 , zużycie mocy N w zależności z n3, Ν2/Νγ = (η2/ηγγ. Podobieństwo takie istnieje również w stosunku do średnicy wirnika. Dwie

pompy, geometrycznie podobne, będą miały podobne charakterystyki. W kon-cepcji pomp geometrycznie podobnych stosuje się tzw. wyróżnik szybkobież-ności (prędkość właściwa) wiążący trzy wymienione parametry charaktery-styczne

ns określa obroty pompy geometrycznie podobnej, która jeżeli wydajność Q wynosi l m3/h, to daje wysokość H — Im. Wielkość ns jest pomocna w definiowaniu kształtu wirnika, odpowiadającego maksimum sprawności w jednym

78

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

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

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

— podwyższyć poziom cieczy po stronie ssawnej, stosować napływ cieczy, (rys. 6.13a,b),

— obniżyć położenie pompy w stosunku do lustra cieczy, — zmniejszyć opory dla przepływu w przewodzie ssawnym, — chłodzić ciecz. Regulacja wydajności pomp wirowych może być wykonywana przez zmianę

liczby obrotów wirnika, dławienie przepływu (wypływu) cieczy po stronie tło-cznej i poprzez recyrkulację (tzw. bypass) cieczy do przestrzeni ssawnej. Wraz

79

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

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

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

Charakterystykę rurociągu przedstawia równanie

w którym ξ — współczynnik oporów wynosi

L — długość rurociągu, 80

d — średnica rurociągu, φ — współczynnik oporów miejscowych, A — przekrój poprzeczny rurociągu, g — przyspieszenie ziemskie.

Rys. 6.16. Charakterystyka pompy ods'rodkowej przy różnych średnicach wirnika z nałożonym

wierzchołkiem sprawności i zużyciem mocy

Rys. 6.17. Współpraca pompy odśrodkowej z siecią rurociągów: l - charakterystyka przepływowa

pompy, 2 — charakterystyka rurociągu

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

81

zmniejszenia lub zwiększenia wydajności. Również zmiana liczby obrotów wirnika i związane z tym równoległe przesunięcie charakterystyki pompy w górę lub w dół, powoduje zmianę punktu współpracy. Współpraca pomp z rurociągiem odbywać się również może, bądź w układzie, gdy więcej niż jedna pompa zasila rurociąg, bądź gdy pompy tłoczą ciecz do rozgałęzionej sieci rurociągów, szeregowo-równoległej. Sporządzanie zastępczej charakterystyki pomp pracujących w układzie szeregowym polega na sumowaniu ich wysokości podnoszenia gdy wydajność jest stała, sumowaniu wydajności — gdy praca jest równoległa i stała wysokość podnoszenia.

6.3.2. POMPY WIROWE SPECJALNE

Oprócz pomp wirowych standardowych istnieją również tzw. pompy samo-zasysające, mające zdolność zasysania mieszaniny gaz-ciecz. Pompy te mają króciec wlotowy i odlotowy cieczy, umieszczony powyżej osi pompy i prze-

Rys. 6.18. Pompa samozasysająca: 1,5 — pierścieniowe kanały boczne, 2 — wał, 3 — wirnik, 4 —

korpus, 6,7 — szczelina ssawna i tłoczna

strzeń separacyjną w korpusie, w której do rozdzielenia cieczy i gazu wykorzy-stuje się różnice gęstości cieczy i gazu. Po separacji ciecz spływa kanałami bocznymi z powrotem do pompy, gaz natomiast uchodzi do przewodu tłocznego. Jednymi z bardziej rozpowszechnionych tego rodzaju pomp są tzw. pompy hydroforowe (rys. 6.18) z wirnikami gwiaździstymi i kanałami bocznymi, których wydajność od rzędu litrów dochodzi do ok. 30 m3/min, gdy wysokość podnoszenia dochodzi do ok. 150 m.

Do przesyłania cieczy agresywnych chemicznie i toksycznych są stosowane pompy hermetyczne, bezdławicowe, zamknięte wraz z silnikiem napędowym w szczelnej obudowie (rys. 6.19). Pompy tego rodzaju są również wykonywane jako wielostopniowe i samozasysające. Pompy te nie mogą jednak pracować na sucho (bez obecności cieczy), gdyż grozi to przegrzaniem i zniszczeniem pompy. Ponadto obecność zanieczyszczeń stałych prowadzić może do zabloko-

82

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

Rys. 6.19. Pompa bezdławicowa — hermetyczna: l - wirnik pompy, 2 — stojan silnika elek-

trycznego, 3 - wirnik silnika

6.4. POMPY STRUMIENIOWE

Zasada działania pomp strumieniowych opiera się na wykorzystaniu zjawiska Venturiego w rurze Venturiego, w której poprzez zmianę pola przekroju dla przepływu następuje zamiana energii płynu z energii ciśnienia na kinetyczną

Rys. 6.20. Pompa strumieniowa — parowa (strumienica): l — wlot pary, 2 — wlot cieczy, 3 —

dysza zasilająca, 4 — komora mieszania, 5 - dyfuzor

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

83

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

6.5. METODY SPECJALNE PRZETŁACZANIA CIECZY

Do specjalnych sposobów przetłaczania (przesyłania) cieczy zalicza się: syfonowanie (lewarowanie) cieczy, przetłaczanie i podnoszenie powietrzne.

Rys. 6.21. Zestaw do syfonowania cie-czy: l — zasilanie, 2 — zbiornik, 3 — przewód ssący, 4 - trójnik, 5 - pod-łączenie do atmosfery, 6 — odprowa-dzenie cieczy

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

W syfonowaniu cieczy (rys. 6.21) korzysta się z zasady równoważenia ciś-nienia przez odpowiedniej wysokości słup cieczy podczas obniżania ciśnienia i zjawisko ciągłości strugi. Obniżenia ciśnienia w trójniku (4) powoduje wzrost poziomu cieczy w przewodzie (3), aż do momentu ciągłego wypływu przewodem (6) do poziomu niższego. Sposób stosowany do okresowego przetłaczania niewielkich objętości cieczy ze zbiorników nie mających urządzeń spustowych, cieczy agresywnych chemicznie i niebezpiecznych dla środowiska.

Podobne zadanie spełniają przetłaczarki cieczy (rys. 6.22), w których ko-rzysta się z działania ciśnienia gazu na powierzchnię zwierciadła cieczy. Zbiornik (1) posiada przewód odpływowy cieczy (4), zanurzony w niewielkiej odległości od dna i przewód powietrza sprężonego (3) lub innego gazu. Powietrze sprężone wytłacza ciecz przewodem (4), strumieniem zależnym od ciśnienia powietrza.

84

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

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

6.6. POMPY PRÓŻNIOWE

Pompy próżniowe służą do usuwania gazów i par z przestrzeni, w której panuje ciśnienie równe lub mniejsze od atmosferycznego, poprzez ich zasysanie, sprężanie i wytłaczanie do atmosfery lub próżni wstępnej. Wraz z upływem czasu pracy pompy (lub pomp) ciśnienie w przestrzeni opróżnianej obniża się i jednocześnie spada wydajność pompy. Wielkość próżni wyraża się jednostkami ciśnienia, często w milimetrach słupa rtęci (mm Hg) lub w tortach (Tr), gdy ciśnienie jest wyrażone w milimetrach słupa rtęci odniesionych do warunków normalnych. W zależności od ciśnienia wyróżnia się próżnię: niską — do 0,1 Pa, wysoką — 10-1-10-4 Pa, bardzo wysoką — 10-4-10-8 Pa i ultrawysoką — ponad 10-8 Pa. Wielkości charakteryzujące pompy próżniowe różnią się od opisujących pompy klasyczne, już wcześniej omówione. Zasadnicze parametry są następujące:

1. Ciśnienie początkowe, jakie musi panować w przestrzeni opróżnianej, by pompa mogła pracować właściwie. W próżni wysokiej lub bardzo wysokiej odpowiada to ciśnieniu na wlocie do pompy wytwarzającej próżnię wstępną.

85

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

2. Ciśnienie końcowe (graniczne), jakie pompa pozwala uzyskać w szczelnie zamkniętej przestrzeni.

3. Szybkość pompowania, określana jako objętość gazu usunięta w jednostce czasu. Wielkość ta maleje w miarę obniżania się ciśnienia w przestrzeni opróżnianej tak, że w ciśnieniu końcowym spada do zera.

4. Skuteczność pompy umożliwia jakościowe porównywanie pomp próżnio-wych i jest określana jako stosunek aktualnej szybkości pompowania do mak-symalnej.

5. Wydajność określa zdolność pompy do usuwania gazu i jest miarą obję-tości gazu usuwanego w jednostce czasu, zazwyczaj wyrażana w jednostkach [Tr dm3/s].

Usuwanie gazu z przestrzeni opróżnianej zachodzić może na następujących zasadach:

1. Wzrostu objętości pod tłokiem lub rotorem, jak w pompach wyporowych. 2. Porywania cząsteczek gazu przez obracające się powierzchnie stałe.

3. Porywanie cząsteczek gazu przez strumień cieczy lub gazu (oparów). W pompach działających według zasady pierwszej po n cyklach ssania ciśnienie w przestrzeni opróżnianej pk wynosić będzie

gdzie pQ — ciśnienie początkowe,

Vmax — objętość cylindra, VQ — objętość usuwana.

Im stosunek Vmia/V0 będzie większy, tym mniejsza będzie wymagana liczba cykli n do uzyskania pk. Teoretycznie po n - ∝ osiągnie się pk ≈ 0. W rzeczywistości, na skutek nieszczelności i obecności par oleju uszczelniającego pompy, dochodzi się do pk = 0,1-0,01 Tr.

Rys. 6.24. Pompa obrotowa olejowa z suwakiem w wirniku: l — stator, 2 — wirnik, 3 - suwak, 4 —

króciec ssący, 5 — wlot gazu — zawór zwrotny

86

Do tego rodzaju pomp należą m. in. pompy obrotowe, zwane również pom-pami olejowymi, w których wielkość przestrzeni ssania ograniczona jest tzw. suwakami, umieszczonymi w wirniku lub statorze. Istnieje duża liczba rozwiązań konstrukcyjnych tego rodzaju pomp [3]. Jednym z przykładowych, prostszych rozwiązań stanowi pompa z suwakiem w wirniku (rys. 6.24). Wirnik (2) w postaci bębna z dwoma ruchomymi suwakami (łopatkami) (3) jest umieszczony mimośrodowo w statorze (1). Zarówno bęben, jak i suwaki przylegają szczelnie do powierzchni bocznej statora, co tworzy trzy odgrodzone od siebie przestrzenie A, B, C. Podczas obrotu wirnika, zgodnie ze strzałką (rys. 6.24), objętość obszaru A wzrasta i gaz jest zasysany, jednocześnie przestrzeń C maleje i gaz jest usuwany do środowiska zewnętrznego poprzez zawór zwrotny (5). Części trące pompy są smarowane mikrowarstewką oleju i w oleju, jako czynniku chłodzącym jest zanurzona cała pompa. Pompa działając pod ciśnieniem atmosferycznym umożliwia uzyskanie ciśnienia końcowego, rzędu setnych części tora. Wadą tego rodzaju pomp jest

obecność par oleju w przestrzeni opróżnianej. Szybkość pompowania danej pompy zależy od prędkości obrotów wirnika, które zmieniają się od kilkuset do ok. tysiąca obr/min. Pompy mogą być łączone równolegle, w celu zwiększenia prędkości pompowania lub szeregowo, w celu zwiększenia próżni końcowej (rys. 6.25).

Do wytwarzania tzw. próżni te-chnicznej, tj. ciśnienia w przestrzeni opróżnianej rzędu od kilkudziesięciu do kilkuset pascali, jako pompy próżniowe są stosowane sprężarki wyporowe tłokowe i rotacyjne, pompy z pierścieniem cieczowym i pompy strumieniowe, omawiane w rozdz. 7. Wymienione pompy są zdolne do sprężania gazu do ciśnienia wyższego niż atmosferyczne i nie wymagają próżni wstępnej.

Do uzyskania ciśnienia poniżej 0,01 Tr są stosowane pompy pracujące na

zasadzie porywania cząsteczek gazu, które może zachodzić efektywnie, gdy w układzie panuje

niskie ciśnienie i droga swobodna cząsteczek jest długa. Do pomp pracujących na tej zasadzie należą pompy molekularne (rys. 6.26). Cząsteczki gazu, będą-

87

Rys. 6.25. Współpraca szeregowa pomp olejowych

Rys. 6.26. Pompa molekularna: l — stator,

2 — wirniki, 3 — przegroda, 4 — kanały

ce w bezładnym ruchu molekularnym uderzają o szybko poruszającą się po-wierzchnię (rys. 6.27), uzyskują dodatkową prędkość w kierunku ruchu tej powierzchni, wytwarzają różnicę ciśnień (pB ~pA)· Różnica ta jest proporcjonalna do długości drogi / , prędkości powierzchni v i lepkości gazu µ i odwrotnie

proporcjonalna do kwadratu odległości h pomiędzy powierzchnią ruchomą a nieruchomą

Pompy molekularne różnią się szczegółami wykonania kanałów i liczbą wirników. Próżnia końcowa zależy m. in. od wielkości próżni

wstępnej i dochodzi do 2·1(Γ10 Tr. Zaletą pomp molekularnych jest brak obecności w przestrzeni opróżnianej niepożądanych par i oparów. Wadę stanowi natomiast mała szybkość pompowania, zależna od rodzaju gazu, nie przekraczająca zazwyczaj 500 dm3/s, przy próżni wstępnej 10~2 Tr oraz wysokiej precyzji wykonania wirnika i statora, ze względu na rozmiar szczeliny między nimi. Szczelina ta wynosi rzędu setnych części milimetra, obroty wirnika wynoszą natomiast ok. 27 tyś. obr/min.

Jak już wspomniano, jako pompy próżniowe mogą być również stosowane pompy strumieniowe ejekcyjne, które działając na zasadzie zasysania (porywania) cząsteczek gazu z przestrzeni opróżnianej przez strumień cieczy lub pary, mogą pracować od ciśnienia atmosferycznego. W układach wielostopniowych z chłodzeniem i kondensacją między-stopniową można uzyskać próżnię końcową rzędu kilku kilopascali. Pompy te znajdują zastosowanie w procesach próżniowych: destylacji, krystalizacji, suszenia i in.

Na podobnej zasadzie działają pompy dyfuzyjne, lecz wymagają próżni wstępnej, co najmniej rzędu l Tr. Istotnym elementem pomp dyfuzyjnych są dysze, biorące bezpośredni udział w zasysaniu cząsteczek gazu za pomocą strumieni par rtęci lub różnego rodzaju olejów wytwarzanych specjalnie dla pomp próżniowych. Jednymi z szerzej stosowanych są oleje silikonowe, oprócz wielu innych, o różnych nazwach handlowych. Są stosowane dysze proste, w których pary czynnika zasysającego nie zmieniają swego kierunku i dysze

Rys. 6.27. Kanał zasysający pompy mo-

lekularnej

Rys. 6.28. Schemat pompy dyfuzyjnej olejowej: l — olej, 2 - grzejnik, 3 — dysza, 4 — chłodzenie, 5 — wlot cząsteczek gazu, 6 — odrzutniki, 7 — odlot do próżni wstępnej

co oo

parasolowate, gdzie następuje zmiana kierunku o 180°. W pompie dyfuzyjnej olejowej (rys. 6.28) strumień pary oleju wytworzony w podgrzewanym zbiorniku przepływa przez tzw. prowadnicę pary do dyszy parasolowatej po wypływie, z której porywa cząsteczki gazu dyfundujące z próżni wstępnej. Pary oleju, ulegając dalej skropleniu na chłodzonych ściankach pompy, uwalniają cząsteczki pompowanego gazu do próżni wstępnej, spływając z powrotem do zbiornika oleju. Odrzutniki w górnej strefie chłodzenia przesłaniają drogę cząstkom oleju w kierunku wysokiej próżni. Odrzutniki są również montowane na prowadnicy par oleju w celu odsunięcia ich od gorącej powierzchni. Klasyczne pompy dyfuzyjne chłodzi się wodą lub powietrzem. Pompy służące natomiast do wytwarzania ultrawysokiej próżni w strefie separacji mgły i oparów oleju są chłodzone ciekłym azotem, lub opary są sorbowane na sitach molekularnych. Ogrzewanie elektryczne, w zależności od szybkości pompowania, wymaga mocy rzędu od kilkuset watów do kilku kilowatów. Szybkość pompowania dochodzi do ok. 10 m3/s, próżnia końcowa zaś do 10~9 Tr. Pompy dyfuzyjne są również konstruowane jako wielostopniowe, w celu zmniejszenia różnicy ciśnień w stopniu ostatnim, który decyduje o próżni końcowej lub umożliwienia pracy pompy w wyższym ciśnieniu próżni wstępnej.

6.7. DOBÓR POMP

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

LITERATURA

[1] Lobanoff V., Ross R., Centrifugal Pumps: Design and Application, 2nd Ed., Gulf Publ., Houston, TX 1992.

[2] Koch R., Noworyta A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1992. [3] Katalog SWWO871. Pompy przemysłowe. T. l i 2. Wyd. 4. Wydanie Przemysłu Maszynowego

WEMA, Warszawa 1988.

89

7. SPRĘŻARKI

7.1. WPROWADZENIE

Sprężanie gazu, tj. zmniejszanie objętości gazu w celu wykorzystania jego energii ciśnienia do wykonania pracy lub przesyłania gazu na odległość jest realizowane w maszynach — urządzeniach zwanych sprężarkami.

Sprężarki są podobnie klasyfikowane jak pompy: na wyporowe i wirowe. Wyporowe, zwane często kompresorami są stosowane do sprężania stosunkowo małych strumieni objętości gazu do wysokich ciśnień. Sprężarki wirowe natomiast do sprężania dużych strumieni gazów do niewielkich ciśnień. Do sprężarek wirowych zalicza się również wentylatory, służące do przesyłania gazów pod niewielkim ciśnieniem. Sprężanie gazu zachodzi od ciśnienia ssania ps do ciśnienia tłoczenia pt. Stosunek tych ciśnień p,/ps = ε określany jest mianem stopnia sprężenia lub wprost sprężem. Sprężanie gazu odbywać się może według przemiany izotermicznej, adiabatycznej lub w warunkach rzeczywistych według przemiany politropowej. Pracę sprężania politropowego określa równanie

w którym n — wykładnik politropy,

Zj — współczynnik ściśliwości na wlocie do sprężarki, R — stała gazowa, 8,314 kJ/kmol K, jTj — temperatura gazu na wlocie [K], M — masa molowa [kg/kmol], P2 i pl — ciśnienie odpowiednio na wlocie i wylocie.

Temperatura gazu sprężonego wynosi

gdzie Z — średni współczynnik ściśliwości. Moc sprężania gazu wynosi

90

gdzie mc — strumień masy gazu

VG — strumień objętości gazu, η — sprawność sprężania politropowego = 0,75.

Współczynnik sprawności sprężania politropowego jest odnoszony do sprężania adiabatycznego w zależności

w której C —- ciepło właściwe gazu przy stałym

ciśnieniu, [kJ/(kg K)]. Obliczając całkowitą moc należy uwzględnić sprawność mechaniczną sprę-

żarki i układu napędowego lub straty energii spowodowane tarciem, które wy-noszą 1,5-3% mocy doprowadzonej.

7.2. SPRĘŻARKI WYPOROWE

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

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

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

91

sprężanego gazu, co powoduje pogorszenie jakości smarowania i rozkład oleju, ponadto udział tzw. przestrzeni martwych wzrasta i ogranicza wydajność sprę-żarki. Cylindry sprężarek stacjonarnych o znacznej wydajności są chłodzone powietrzem lub wodą (rys. 7.1). Wymienione względy powodują, że sprężanie

gazu do dużych ciśnień prowadzi się w kilku stopniach. Liczba stopni w sprężarkach wielostopniowych zależy od ogólnego stopnia sprężania, który z kolei wynika ze stopnia sprężania pojedynczych sprężarek; dla dużych i średnich sprężarek wynosi on 4-5, a dla małych, o pracy okresowej 7-8. Liczba stopni nie przekracza zwykle siedmiu. Ciśnienia końcowe w poszcze-gólnych stopniach dobiera się tak, aby ogólne zużycie mocy było najmniejsze. Konfigurację przestrzenną i wzajemne usytuowanie cylindrów w sprężarkach jedno- i wielostopniowych przedstawia rys. 7.2. Układy cylindrów w kształcie litery V (We), W (Wu) i gwiaździstym zapewniają zwartość konstrukcji i są stosowane w sprężarkach małych ł średniej wielkości. Sprężarki o dużej wydajności są

budowane w układzie bokser (rys. 7.2d). Dalsze podziały sprężarek tłokowych (kompresorów) są związane z następującymi wielkościami:

— wytwarzanego ciśnienia — niskociśnieniowe do 2,5 MPa,, średniociśnie-niowe — do 10 MPa i wysokociśnieniowe > 1 0 MPa,

— wydajnością odniesioną do zasysanego gazu — małe <600 m3/h, średnie <3000 m3/h i duże - ponad 3000 m3/h,

— rodzajem sprężanego gazu — powietrzne, freonowe, amoniakalne i inne. Gaz w sprężarkach wielostopniowych jest chłodzony między stopniami i na

odlocie, jeśli to konieczne. Chłodzenie zmniejsza zapotrzebowanie mocy do sprężania i zapewnia bezpieczeństwo prowadzonych procesów. Obecność w chłodzonych gazach kondensujących oparów i możliwość ich kondensacji powodują, że wydzielona ciecz musi być usunięta z gazu przed skierowaniem do dalszego sprężania.

Sprężarki membranowe (rys. 7.3) działają na podobnej zasadzie jak pompy membranowe. Sprężanie zachodzi na skutek zmian położenia elastycznej membrany, wymuszonego ciśnieniem płynu, na który nacisk wywiera tłok. Są stosowane do sprężania wielu gazów używanych w technice, w tym głównie agresywnych chemicznie, toksycznych, palnych i wybuchowych, takich jak np. amoniak, wodór, butan, propan, etylen, chlor, chlorek winylu, freony, dwutle-

Rys. 7.2. Układy cylindrów sprężarek: a) poziomy, b) pionowy, c) kątowy, d) typu bokser, e) typu V, f) typu W, g) gwiaździsty

92

nek siarki i tlenki azotu, acetylen, gazy radioaktywne i in. Wytwarzane ciśnienie jest ograniczone wytrzymałością mechaniczną membrany i w układzie wie-lostopniowym dochodzi do 100 MPa. Wydajność sprężarek zarówno tłokowych, jak i membranowych może być zmieniana przez zmianę liczby obrotów wału napędowego (liczby suwów tłoka, skoków membrany), wielkości skoku, zawrócenie części gazu sprężonego do przestrzeni ssawnej, dławienie przepływu. Gdy pobór strumienia gazu sprężonego jest zmienny, wtedy sprężarki wyporowe są zaopatrzone w tzw. zbiorniki wyrównawcze, które wyrównują zmiany strumienia objętości gazu sprężonego. Sprężarki rotacyjne są stosowane do sprężania gazów do niskich i średniej wielkości ciśnień. Wirujące rotory z prędkościami dochodzącymi do kilkudziesięciu tysięcy obrotów na minutę nie wymagają smarowania. Zasysany gaz jest izolowany od przestrzeni ssawnej, przetłaczany lub sprężany do przestrzeni o wyższym ciśnieniu do przestrzeni wysokiego ciśnienia. Sprężarki rotacyjne o ciśnieniu sprężonego gazu <0,3 MPa są określane mianem dmuchaw. Istnieje wiele konstrukcji sprężarek rotacyjnych. Jedną z bardziej rozpowszechnionych jest dmuchawa Rootsa (rys. 7.4). W korpusie umieszczone są dwa (lub trzy) rotory krzywkowe, zamontowane na równoległych wałach, które wirują w przeciwnych kierunkach przesuwając gaz w

kierunku normalnym do ich osi. Zsynchronizo-wany napęd, umieszczony na zewnątrz, zapewnia dobry kontakt rotorów między sobą i jednocześnie ze ścianką cylindra. W trakcie wirowania, z przestrzeni ssawnej są pobierane i odcinane objętości gazu, stanowiące przestrzeń między rotorami a korpusem i przenoszone do przestrzeni tłocznej, gdzie ulegają sprężeniu.

Do sprężania gazu do wyższych ciśnień są stosowane sprężarki łopatkowe z ruchomymi łopatkami (rys. 7.5), zapewniające ciągły

ustalony przepływ gazu. W korpusie walcowym, mimośrodowo jest umieszczony wirnik z łopatkami promieniowymi, których liczba dochodzi do kilkudziesięciu. Podczas obrotu wirnika objętości ograniczone łopatkami i ścianką cylindra na przemian zwiększają się i zmniejszają, co powoduje zasysanie i sprężanie gazu przesyłanego do przestrzeni tłocznej. Sprężarki jednostopniowe mają wydajność do ok. 100 m3/min przy ciśnieniu dochodzącym do 0,5 MPa, a dwustopniowe do ok. l ,2 MPa. Sprężarki te wymagają chłodze-

Rys. 7.3. Schemat sprę-żarki membranowej: l — tłok, 2 - płyn - „prze-nośnik ciśnienia", 3 — membrana, 4 - gaz

Rys. 7.4. Sprężarka rotacyjna Roots'a: l

— korpus, 2 — rotory

93

nią, ze względu zarówno na tarcie łopatek o ścianki cylindra, jak i efekt sprężania gazu.

Rys. 7.5. Sprężarka wirnikowa -łopatkowa: l - korpus, 2 - wirnik, 3

— ruchome łopatki

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

Do sprężania gazów do średnio wysokich ciśnień są stosowane sprężarki śrubowe (rys. 7.6). Zasysany gaz, izolowany od przestrzeni ssawnej jest sprę-żany i przetłaczany promieniowo i osiowo przez dwa rotory, ślimaki zamknięte

w korpusie ciśnieniowym sprężarki. Objętość gazu wzdłuż drogi przetłaczania zmniejsza się i wzrasta jego ciśnienie. Przepływ osiowy gazu powoduje napływ świeżej porcji gazu i proces powtarza się. Na wylocie cała porcja gazu jest usuwana do przestrzeni tłocznej. Sprężarki dostosowane są do ciśnienia ok. 1,5 MPa i stopni sprężania do 15-20. Wydajność jest regulowana odpowiednim zaworem umieszczonym w dolnej części kadłuba, wielkością strumienia zasysanego gazu, który może się

zmieniać od l m3/min do ponad 100 m3/min. Obecność oleju jest związana z koniecznością uszczelnienia ślimaków, smarowaniem łożysk, chłodzeniem sprężarki i in. Chłodzenie oleju odbywa się w wymienniku ciepła przeponowym,

stanowiącym zwykle integralną część sprężarki. Temperatura sprężonego gazu nie przekracza 365 K.

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

Rys. 7.7. Sprężarka (pompa) z pier-ścieniem cieczowym: l — korpus, 2 — szczelina ssawna, 3 — wirnik, 4 — pierścień cieczy, 5 — szczelina tłoczna

94

ścień koncentryczny z osią cylindra. Ponieważ wirnik umieszczony jest mimo-środowo, więc przestrzeń pomiędzy łopatkami a pierścieniem cieczy zmienia się tak, że gaz może być zasysany króćcem ssawnym i po sprężeniu wytłoczony do przewodu tłocznego. Ciecz chłodzi sprężany gaz i do cieczy w nieznacznym stopniu są wydzielane zanieczyszczenia w postaci cząstek aerozolowych i rozpuszczalnych gazów, co nie zawsze jest pożądane. Rodzaj cieczy zależy od sprężanego gazu. Sprężarki te są zdolne wytworzyć ciśnienie do 0,23 MPa w układzie dwustopniowym, z wydajnością od l m3/min do 70 m3/min. Wadę ich stanowi nasycanie gazu parą wodną.

Sprężarki rotacyjne są stosowane do zasilania sieci powietrza sprężonego i układów automatyki pneumatycznej, do transportu pneumatycznego, w procesach suszenia, w przemyśle fermentacyjnym, farmaceutycznym, spożywczym, elektronice, mieszaniu, spalaniu i in. Powietrze musi być tu czyste, o zawartości par oleju poniżej 0,01 ppm, bez obecności cząstek aerozolowych o rozmiarach ponad 0,01 µm i punkcie rosy dla pary wodnej w zakresie 270-233 K lub bardzo czyste — w przemyśle elektronicznym, farmaceutycznym, spożywczym i in., co wymaga stosowania specjalnych filtrów.

7.3. SPRĘŻARKI WIROWE

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

Rys. 7.8. Sprężarka wirowa-promieniowa: l - wlot do wirnika, 2 - wirnik, 3 - ślimak-

-dyfuzor

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

95

prędkości obrotowej i średnicy wirnika. Wirnik o większej średnicy i prędkości wytwarza większe ciśnienie. Zarówno spręż, jak i wydajność są również związane z kształtem wirnika. Wirniki sprężarek wysokociśnieniowych są bardziej smukłe i są zamknięte. Wydajność sprężarek wirowych danego rodzaju wirnika i stałej prędkości wirnika jest ograniczona. Gdy wydajność spadnie poniżej 50-70% nominalnej, wtedy przepływ staje się niestabilny i występują wibracje sprężarki. Wydajność ograniczona jest również od góry, poprzez dławienie przepływu na odlocie ze sprężarki. Sprężarki wirowe zapewniają gaz sprężony, wolny od par oleju, lecz o ciśnieniu ograniczonym do kilkudziesięciu megapaskali w układzie wielostopniowym, zwanym turbosprężarkami. Wydajność ich jest jednak bardzo duża i dochodzi do 280 m3/s w turbosprężarkach osiowych, ciśnienie osiąga 0,2-0,6 MPa. Sprężany gaz jest zwykle chłodzony przeponowo wodą między stopniami. Jeśli liczba stopni jest duża, to średnica wirników maleje wraz z kierunkiem wzrostu ciśnienia.

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

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

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

96

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

niowy wypływ

7.4. DOBÓR SPRĘŻARKI

Dobór sprężarki do określonego celu jest zagadnieniem złożonym, w którym należy uwzględnić przede wszystkim:

97

Rys. 7.11. Zakres pracy sprężarek

1. Wielkość strumienia sprężanego gazu, jego właściwości i wymagany spręż.

2. Charakterystykę sieci gazu sprężonego. 3. Zapotrzebowanie mocy. 4. Warunki lokalizacyjne i inne. O wyborze właściwej sprężarki z kilku możliwych powinno decydować mi-

nimum kosztów ogólnych, stanowiących sumę kosztów inwestycyjnych i eks-ploatacyjnych. Zakres pracy poszczególnych sprężarek przedstawia wykres (rys. 7.11).

LITERATURA

[1] JORGENSEN R., Fan Engineering, 8th ed., Buffalo Forge Co., Buffalo 1983. [2] KOCH R., NOWORYTA Α., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa 1992.

8. ROZDRABNIARKI I MŁYNY

8.1. WPROWADZENIE

Zmniejszanie rozmiarów ciała stałego, połączone ze zniszczeniem jego stru-ktury jest nazywane rozdrabnianiem lub niekiedy kruszeniem. Celem rozdrab-niania jest wytworzenie produktu o pożądanych rozmiarach, zakresie rozmiarów lub separacja składników ciała stałego. W zależności od wielkości rozdrobnienia (rozmiarów), cząstki ciała stałego dzieli się na klika grup (tabl. 8.1). W rozdrab-nianiu istotna jest budowa i siły wiązań wewnętrznych ciała stałego, co określa podatność materiałów na rozdrabnianie, a zwłaszcza odporność na ściskanie, zginanie, ścieranie, uderzenie i ścinanie. Podczas rozdrabniania siły te muszą być pokonane przez siły zewnętrzne wprowadzone do układu. Podział ciał stałych według skali twardości Mohsa przedstawia tabl. 8.2. Najczęściej wytrzymałość na ściskanie i ścieranie wzrasta wraz z twardością materiału, odporność na uderzenie natomiast maleje. Istotna jest również wilgotność materiału ponad 2-3% masowych. W klasyfikacji maszyn do rozdrabniania bierze się pod uwagę rodzaj przyłożonych sił i wielkość wywołanych naprężeń (rys. 8 .1) oraz stopień rozdrabniania. Stopień rozdrabniania n jest określany stosunkiem średniej średnicy ziaren przed rozdrabnianiem do średniej średnicy ziaren po rozdrobnieniu. W zależności od stopnia rozdrobnienia wyróżnia się rozdrabnianie: wstępne n < 5; średnie n = 5-10; drobne n = 10-50; bardzo drobne n > 50.

T a b e l a 8.1 Stosowane nazwy cząstek ciała stałego

w zależności od ich rozmiarów Stopień rozdrobnienia Rozmiar, mm

Grube > 100 Sredniogrube 10 Sredniodrobne 1 Drobne 0,1 Superdrobne 0,025 Ultradrobne 0,010 Koloidalne < 0,005

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

99

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

T a b e l a 8.2

Skala twardości materiałów wg Mohsa Stopień twardości

Wartość skali Mohsa

Materiał

Miękki 1 Talk 2 Gips lub sól 3 Kalcyt Średniotwardy 4 Fluoryt 5 Apatyt 6 Skaleń Twardy 7 Kwarc 8 Topaz 9 Korund 10 Diament

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

Rys. 8.1. Zasadnicze sposoby rozdrabniania: a) zgniatanie, b) rozłupywanie, c) ścieranie, d)

ścinanie, e) uderzenie (zderzenie), f) wzajemne zderzenie

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

100

go materiałów kruchych, krystalicznych w rozdrabniarkach (młynach) młotko-wych, młynach kulowych, prętowych i strumieniowych. Ścinanie (rys. 8. l f) jest stosowane do rozdrabniania ciał stałych miękkich i włóknistych w młynach i krajalnicach wyposażonych w wirujące noże tnące. Ścisły podział maszyn rozdrabniających nie jest możliwy, gdyż, zwłaszcza w wyższych stopniach rozdrabniania, to samo urządzenie może pracować w różnych zakresach.

Istotne znaczenie ma zapotrzebowanie mocy do rozdrabniania. Teoretycznie moc ta jest proporcjonalna do wielkości nowo wytworzonej powierzchni związanej ze zmianą średnicy ziaren. Na tej zasadzie opiera się teoria Rittingera, według której zapotrzebowanie energii do rozdrabniania L.

gdzie L. — energia jednostkowa niezbędna do wytworzenia jednostki po-

wierzchni, określana mianem liczby Rittingera, ∆ F — przyrost powierzchni.

Wartość Lj zależy od rodzaju materiału i jego wytrzymałości. Jeżeli jest znana analiza granulometryczna surowca i produktu, to energię do rozdrabniania określić można z zależności

gdzie ms — masa rozdrabnianego materiału, ps

— gęstość, xt — ułamki masowe frakcji, «/ — współczynnik określający stosunek powierzchni właściwej ziaren danej frakcji do powierzchni właściwej kuł wykonanych z tego samego materiału, d . i dsi — średni rozmiar ziaren danej frakcji, odpowiednio produktu

i surowca. Teoria Rittingera jest słuszna dla materiałów sprężystych stosujących się do

prawa Hooke'a. Istnieją również inne teorie, z których bardziej znane to: — teoria Kicka, według której energia rozdrabniania jest proporcjonalna do

nowo wytworzonej objętości, co jest słuszne dla materiałów plastycznych, — teoria Bonda jest uogólnieniem wymienionych teorii i zakłada ona, że

energia rozdrabniania jest proporcjonalna do średnicy rozdrabnianych ziaren

w potędze d 2 . Energia dostarczona do rozdrabniarki jest zawsze większa niż wynika to z

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

101

8.2. ROZDRABNIARKI

Rozdrabniarki służą zasadniczo do rozdrabniania wstępnego i średniego. Głównymi mechanizmami rozdrabniania są tu ściskanie, rozłupywanie, uderzenie,

ścinanie, w mniejszym stopniu natomiast ścieranie i zderzenia wzajemne cząstek. Do rozdrabniarek zalicza się m. in. łamacze, gniotowniki, rozdrabniarki młotkowe, rozdrabniarki udarowo-prętowe.

W łamaczach szczękowych surowiec jest wprowadzany pomiędzy dwie szczęki, z których jedna jest nieruchoma, druga zaś ruchoma (rys. 8.2). Szczęka ruchoma jest napędzana mechanizmem mimośrodo-wym, osadzonym na osi koła zama-chowego. Gdy szczęka ruchoma zbliża się

do nieruchomej, następuje wtedy ściskanie i zgniatanie materiału; rozdrobnione kawałki (ziarna) wypadają jako produkt szczeliną w dolnej części łamacza. Szczęki są pokryte płytami odpornymi na ścieranie, ze stali manganowej. Energię biegu jałowego magazynuje koło zamachowe, zapewniając bardziej równomierną pracę łamacza. W celu zabezpieczenia łamaczy przed zniszczeniem, gdy pomiędzy szczęki dostanie się bardzo twardy materiał, np. kawałek metalu, płyty rozporowe są zabezpieczone sworzniami ścinanymi po przekroczeniu naprężeń dopuszczalnych. Kawałki surowca kierowanego do rozdrabniania mają zwykle średnicę ponad 100 mm. Liczba skoków szczęki wynosi 100-300/min. Przeciętna liczba skoków wymagana do rozdrobnienia wynosi 8-10.

Łamacze stożkowe rozdrabniają materiał, który znajdzie się pomiędzy dwoma powierzchniami stożkowymi (rys. 8.3). Stożek wewnętrzny kruszący obraca się mimośrodowo w stosunku do osi stożka nieruchomego — zewnętrznego. Łamacze stożkowe mają różną konstrukcję stożków i kąt rozwarcia, w zależności od przeznaczenia, określonego głównie stopniem rozdrabniania. Karbowana powierzchnia stożków powoduje, że materiał jest zgniatany i łamany. Rozdrobniony materiał wysypuje się szczeliną pomiędzy stożkami, która może być regulowana. Praca łamaczy stożkowych jest bardziej równomierna; są one bar-

Rys. 8.2. Łamacz szczękowy: l - mimośród, 2 —

koło zamachowe, 3 — płyty rozporowe, 4 — szczęka ruchoma, 5 — szczęka nieruchoma

Rys. 8.3. Schemat łamacza stożkowego: l — stożek kru-szący, 2 — mimośród, 3 — łożysko, 4 — stożek wewnę-trzny

102

dziej wydajne i zużywają mniej mocy. Łamacze stożkowe są stosowane do rozdrabniania kawałków o kształcie bardziej płaskim i dają produkt o ziarnach bardziej zaokrąglonych.

Rozdrabniarki walcowe, zwane również gniotownikami, stanowią zasadniczo dwa walce obracające się w przeciwnych kierunkach, z których jeden ma możliwość przesuwu w płaszczyźnie poziomej, drugi zaś — nie (rys. 8.4). Surowiec jest podawany na walce, gdzie przez odpowiednią szczelinę zapewniającą właściwy kąt uchwytu, materiał jest wciągany pomiędzy walce, ściskany i rozłupywany i jako rozdrobniony wypada przez szczelinę. Szerokość szczeliny może być regulowana i jednocześnie docisk sprężynowy wału ruchomego zabezpiecza przed zniszczeniem urządzenia. W zależności od rodzaju rozdrabnianego materiału i stopnia rozdrabniania powierzchnie walców mogą być gładkie lub karbowane, pokryte kolcami. Walce mogą obracać się z taką samą, lub z różnymi prędkościami, w zakresie 50-900 obr/min. Układ rozdrabniania stanowić może więcej niż jedna para walców w ustawieniu jeden nad drugim. Rozdrabniarki walcowe charakteryzują się prostotą konstrukcji, lecz ich wadą jest szybkie zużywanie powierzchni walców. Walce zębate mogą rozdrabniać większe kawałki, dochodzące do średnicy 350 mm. W rozdrabniarkach młotkowych kawałki ziarna materiału stałego są roz-drabniane, zasadniczo przez uderzenie. Rozdrabniarki te są również zwane młynami, gdy stosowane są do rozdrabniania drobnego, gdzie udział sił ściera-

jących i ścinających jest dominujący. W roz-drabniarce młotkowej (rys. 8.5), ciężkie bloki metalowe, zwane młotkami, połączone są prze-gubowo z szybko obracającym się wirnikiem. Prędkości obrotów w dużych rozdrabniarkach dochodzą do 900 obr/min, a najmniejszych do 16000 obr/min. Masa pojedynczego młotka może dochodzić do klikuset kilogramów w roz-drabniarkach do rozdrabniania wstępnego. Kawałki surowca poprzez lej są podawane do przestrzeni z wirującymi młotkami, gdzie w wyniku uderzenia przez młoty są odrzucane na płyty odbojowe

wewnętrznej obudowy. Proces powtarza się, aż do momentu, gdy ziarna uzyskają rozmiary umożliwiające przesyp przez ruszt klasyfikacyjny. Zmiana rusztu, tzn. rozmiarów otworów, umożliwia regulację stopnia rozdrabniania.

Rys. 8.4. Schemat kruszarki wal-cowej: l — walec nieruchomy,

2 - walec przesuwny

Rys. 8.5. Schemat rozdrabniarki młotkowej: l - obudowa z płyt pancernych, 2 — wirnik z młot-kami, 3 — ruszt klasyfikacyjny

103

Do rozdrabniania materiałów miękkich, ciągliwych, adhezyjnych, termoplas-tycznych i włóknistych, takich m. in. jak celuloza, drewno, papier, bawełna, tworzywa sztuczne i in. są stosowane rozdrabniarki nożowe, zwane młynkami

tnącymi lub krajarkami (rys. 8.6). Rozdrabniarka zawiera noże, wykonane ze stali stopowych w liczbie 3-16, zamontowane na obracającym się wale tak, że wirują w odpowiedniej odległości od noży nieruchomych. Krajarki wielonożowe, wysokoobrotowe umożliwiają uzyskanie produktu o rozmiarach cząstek rzędu 100-200 µm.

Rozdrabniarki młotkowe są konstruowane jako jedno- i dwuwirnikowe. W tych ostatnich wirniki obracają się w przeciwnych kierunkach i uzyskuje się większy stopień rozdrabniania, dochodzący do 40. Zaletę rozdrabniarek młotkowych stanowi szeroki zakres zasto-

sowań, możliwość regulacji stopnia rozdrabniania, wadę natomiast szybkie zużywanie się części ruchomych, zapylenie środowiska i hałas oraz duże zużycie mocy.

Rys. 8.7. Dezintegrator: a) zasada rozdrabniania, b) schemat dezintegratora: l — obudowa,

2 — wirniki z prętami (zębami)

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

104

Rys. 8.6. Młynek tnący (krajarka): l - wirujące

noże, 2 — ruszt klasyfi-kujący

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

Rys. 8.8. Dysmembrator pionowy: l — łopatki nieruchome, 2 — wirnik z

prętami

Rys. 8.9. Gniotownik: l — misa, 2 — kota gniotące

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

8.3. MŁYNY

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

105

nów. Kryterium uwzględniające sposób działania i obciążenie młyna uwzględnia także liczbę Froude'a, zdefiniowaną stosunkiem siły bezwładności powstającej w wyniku wirowania bębna o promieniu R z przyspieszeniem kątowym ω do siły ciężkości, Fr = R· ω2 /g. Zgodnie z tym kryterium młyny dzieli się na wolnobieżne — Fr < 2; średniobieżne — Fr = 2-10; szybkobieżne — Fr > 10. Młyny wolnobieżne należą do młynów grawitacyjnych, gdyż udział siły grawitacji w rozdrabnianiu jest dominujący. Należą do nich młyny kulowe, prętowe. Do młynów średniobieżnych należą obrotowo-wibracyjne, do szybkobieżnych zaś młyny rolkowo-pierścieniowe, wibracyjne.

Rys. 8.10. Schemat młyna kulowego: l — czopy drążone, 2 — bęben, 3 — kule

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

Rys. 8 . 11 . Typy młynów kulowych: a) bębnowy, b) stożkowy, c) rurowy

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

106

stopniowo w kolejnych przestrzeniach, zawierających kule o coraz mniejszej średnicy, rozdzielonych perforowanymi przegrodami. W młynach cylindryczno-stożkowych surowiec podawany jest do krótszej części stożkowej o kącie roz-warcia 120° i odprowadzany jako produkt z dłuższej części o kącie 60°. Bęben wypełniony jest kulami o różnej średnicy, które grupują się tak, że duże znajdują się w części cylindrycznej, małe zaś w wydłużonej części stożkowej. Młyn jest nachylony do poziomu pod niewielkim kątem. Rozdrabnianie następuje stopniowo ze wzrostem energii od wlotu do wylotu. Poważny problem stanowi ścieranie się kuł i płyt wewnętrznych młyna. Kule o średnicy 2,5-15 cm, wpro-wadzane do młyna, zużywają się w proporcji 2,5-1,5 kg/t produktu. Zużycie wykładzin wykonanych ze stali stopowych, żeliwa itp. wynosi 0,05-0,25 kg/t produktu. Ochronę przed wycieraniem stanowią wykładziny gumowe, poliuretanowe lub ceramiczne. Ubytek liczby kuł uzupełnia się, najczęściej raz na dobę 1-4 kule. Mielenie może być prowadzone również na mokro, co zapobiega zapyleniu środowiska i innym niepożądanym efektom, lecz separacja cząstek ze szlamu i ich suszenie jest wadą tego sposobu. Wadę młynów kulowych stanowi też duże zużycie mocy, rzędu 250-400 kW/t produktu. Do rozdrabniania minerałów niemetalicznych typu węgla, kredy, talku, suchych chemikaliów itp., gdy wymagane są cząstki produktu w dużym stopniu jednorodne w zakresie rozmiarów 30-800 µm stosowane są młyny pierścieniowo-rolkowe (rys. 8.12). Młyn pracuje w pozycji pionowej, rozdrabnianie zaś odbywa się w wyniku toczenia się rolek wewnątrz poziomego nieruchomego pierścienia lub odwrotnie. Pierścień jest wykonywany ze stali odkuwanej, rolki natomiast z hartowanego stopu żelaza.

Młyn posiada zazwyczaj klasyfikację wewnętrzną ziaren produktu, opartą na zasysaniu wzdłuż osi od góry strumienia aerozolu, z najmniejszymi cząstkami, które separowane są na zewnątrz młyna z których cząstki dużych rozmiarów mogą być zawracane do młyna. Młyny te mogą pracować również w atmosferze innej niż powietrze.

Do rozdrabniania bardzo drobnego są stosowane młyny wibracyjne, w których wykorzystuje się

drgania masy kuł o małej średnicy rzędu

Rys. 8.12. Zasada działania młyna rolko-

wego: l — rolki, 2 — misa obrotowa, 3 — docisk rolek

Rys. 8.13. Schemat młyna wibra-

cyjnego: l - pojemniki z kulami, 2 — napęd, 3 — podparcie

sprężyste 5-80 mm, umieszczonych w bębnach cylindrycznych podpartych na sprężynach lub innego rodzaju amortyzatorach (rys. 8.13). Stopień wypełnienia bębna kulami i surowcem wynosi 80-90%, gdy pojemność bębnów wynosi do

107

ok. 0,5 m3. Drgania bębna o amplitudzie 1-4 mm są wywołane obrotami wału napędowego z osadzonym mimośrodem z prędkościami 1500-3000 obr/min. Rozmiar ziaren surowca powinien być mniejszy niż l mm. Produkt posiada rozmiary cząstek dochodzące do l µm. Rozdrabnianie następuje w wyniku uderzenia i ścierania przez kule. Wyładowanie materiału następuje przez perfo-rowne dno bębna lub przez odsysanie strumieniem powietrza. Rozdrabnianie może być prowadzone zarówno na sucho, jak i na mokro. Młyny wibracyjne pracują również w sposób ciągły w ustawieniu szeregowym, jeden nad drugim. Młyny uderzeniowo-strumieniowe nie zawierają żadnych obracających się elementów rozdrabniających, ruch materiału jest wywołany przepływem i ciś-nieniem gazu. Rozdrabnianie następuje w wyniku przyspieszania ruchu cząstek ciała stałego przez strumień powietrza lub pary wypływających z dysz i zderzeń wzajemnych lub ze stałą przegrodą. W młynach, w których udział zderzeń z przegrodą lub kanałem przepływu jest dominujący, mogą być rozdrabniane ziarna, od kilku milimetrów, ze względu na możliwość wysokiego stopnia rozdrabniania. Surowiec do młyna jest podawany grawitacyjnie i zasysany przez dysze lub odpowiednimi podajnikami. Młyn może zawierać jedną lub wiele dysz, umocowanych pod kątem w stosunku do cylindrycznej (owalnej) komory rozdrabniającej. Zasadniczymi typami tego rodzaju młynów (rys. 8.14) są spiralne, pętlicowe (pierścieniowe), uderzeniowe, zderzeniowe, fluidalne.

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

wylot produktu

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

108

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

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

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

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

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

109

rzania się strumieni dwufazowych gaz-cząstki ciała stałego, wypływających z dysz. Przenikanie się strumieni i zderzenia pomiędzy cząstkami prowadzą do ich rozdrobnienia.

W młynach strumieniowo-fluidalnych (rys. 8.17) surowiec podawany jest od góry bezpośrednio do złoża fluidalnego, w komorze rozdrabniania. Złoże

jest wytworzone strumieniem gazu skierowanym przeciwnie w dolnej części młyna. Gaz porywając materiał ze złoża przyspiesza go do dużych prędkości. Rozdrabnianie zachodzi w wyniku zderzeń wzajemnych cząstek i ze ścianami komory młyna. Mieszanina gaz-cząstki przepływa do wysoko sprawnego klasyfikatora powietrznego, znajdującego się w górnej części młyna, który odrzuca duże cząstki z powrotem do złoża, małe natomiast wypływają na zewnątrz do filtra tkaninowego. Młyny stosowane są do rozdrabniania drobnego i bardzo drobnego materiałów sypkich ścierających, takich jak korund,

ceramika, szkło, toner i termoplastycznych, takich jak żywice, tworzywa sztuczne, proszki fluorescencyjne i inne. Zaletą ich jest zminimalizowanie ścierania ścian młyna i zmniejszenie zużycia energii o 15-20% w sto-sunku do wymienionych młynów.

Do rozdrabniania cząstek super- i ultradradro-bnych, stanowiących zwykle konglomeraty i aglo-meraty, a także do wytwarzania emulsji, są stosowane młyny koloidalne. Rozdrabnianie prowadzi się na mokro i polega ono na ścinaniu w cieczy i rozbijaniu aglomeratów w zawiesinie. Wyróżnia się młyny

koloidalne: stożkowe, tarczowe i turbinowe. W młynie stożkowym (rys. 8.18) zawiesina pod ciśnieniem rzędu 1,5-2,0 MPa jest podawana otworem centrycznym od dołu, między powierzchnie boczne wirującego wirnika stożkowego i statora. Powierzchnie te tworzą szczelinę rzędu setnych części milimetra. Rozmiar szczeliny jest regulowany śrubą mikrometryczną. Wirnik obraca się z prędkością ok. 125 m/s. W młynach tarczowych (rys. 8.19) tarcze z powierzchnią płaską lub karbowaną tworzą szczelinę, przez którą od osi do obwodu przepływa zawiesina lub emulgowana ciecz, ulegając rozdrabnianiu, w wyniku działania dużych sił ścinających.

Rozdrabnianie może być również prowadzone w młynach turbinowych, w których rozdrabnianie zachodzi głównie w wyniku udaru tzw. kolców osadzonych na wirniku w kształcie turbiny, wirującej z prędkością ok. 190 m/s. Zawiesina jest cyrkulowana przez młyn do uzyskania określonego rozmiaru cząstek.

Rys. 8.17. Młyn strumieniowo--fluidalny: l — surowiec, 2 — powietrze, 3 — złoże fluidalne, 4 — tor powietrza i produktu, 5 - klasyfikator, 6 — produkt

110

Rys. 8.18. Młyn koloidalny stożkowy: l — wirnik stożkowy, 2 - misa (stator), 3 - napęd z

nastawną śrubą mikrometryczną

Rys. 8.19. Schemat młyna koloidalnego tarczowego: l — tarcze płaskie, 2 —

szczelina, 3 — mieszadło

8.4. DOBÓR METODY ROZDRABNIANIA I ROZDRABNIARKI

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

LITERATURA

U] PRASHER C.I., Crushing and Grinding Process Handbook. J. Wiley & Sons, Chichester 1987. [2] KOCH R., NOWORYTA A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej. WNT,

Warszawa 1992. [3] NAWROCKI J., RYNCARZ A., WĘGLARCZYK J., Teoria i praktyka rozdrabniania. Skrypt Polit. Śląskiej, Gliwice 1989.

111

9. KLASYFIKATORY, PRZESIEWACZE I SEPARATORY

9.1. WPROWADZENIE

W wyniku rozdrabniania i innych procesów fizykochemicznych otrzymuje się zwykle mieszaninę ziaren cząstek ciała stałego o różnych rozmiarach i kształtach. Wartość użytkowa jako produktu i przydatność takiej mieszaniny w technologii procesowej jest ograniczona. Często wymagane są ziarna o ściśle określonym rozmiarze lub zakresie rozmiarów. Rozdział mieszaniny cząstek stałych na klasy (frakcje) ziarnowe, charakteryzujące się górnym, dolnym lub zakresem rozmiarów nosi nazwę klasyfikacji. Klasyfikacja może być wykonywana:

— w strumieniu gazu i nosi nazwę klasyfikacji pneumatycznej, — w strumieniu cieczy i zwana jest klasyfikacją hydrauliczną, — na sitach — określana jest mianem przesiewania, — specjalnymi metodami. Klasyfikacja pneumatyczna, zwana też powietrzną, odnosi się do cząstek o

różnych rozmiarach lub zakresach rozmiarów tego samego materiału, gdy istnieje konieczność separacji z mieszaniny cząstek zbyt dużych lub zbyt drobnych. Charakterystyka fizyczna cząstek — sferyczność, gładkość powierzchni, wilgotność i zdolność do dyspersji — wpływa na zdolność do klasyfikacji i sposób jej dokonania. Klasyfikacja pneumatyczna jest oparta na separacji cząstek mieszaniny w strumieniu gazu (powietrza) w wyniku różnej prędkości opadania (sedymentacji).

Klasyfikacja hydrauliczna jest oparta na różnicach w prędkości opadania, zwykle grawitacyjnego, cząstek ciała stałego w cieczy.

Klasyfikacja na sitach, zwana przesiewaniem, polega na przechodzeniu przez oczka (otwory) sita cząstek określonych rozmiarów, które są określane jako przesiew (podziarno) i zatrzymywaniu pozostałych, stanowiących odsiew (nadziarno). Przesiewanie jest stosowane jako operacja podstawowa, w celu otrzymywania produktów o określonych rozmiarach lub jako operacja pomocnicza, związana z przebiegiem innych procesów. Do realizacji przesiewania jest konieczna znajomość właściwości przesiewanego materiału, przewidywanego zakresu rozmiarów surowca i wymagań odnośnie do rozdziału produktu. Proces może być prowadzony na sucho lub na mokro. W przesiewaniu mokrym ciecz (woda) jest celowo wprowadzana, po to, aby zmniejszyć niekorzystne efekty oddziaływań międzyziarnowych i wymycia drobnej frakcji.

1 1 2

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

9.2. KLASYFIKACJA PNEUMATYCZNA

Prędkość opadania cząstek ciała stałego w gazie, jak wiadomo, zależy od gęstości, rozmiaru i kształtu cząstek. Klasyfikowany materiał jest podawany do strumienia przepływającego gazu, w którym cząstki podlegają wywiewaniu (elutracji), działaniu wiru swobodnego lub wymuszonego, które działają oddzielnie lub w kombinacji. Cząstki podlegają działaniu sił masowych i oporu. W zależności od wielkości i kierunku działania tych sił, cząstki poruszają się po różnych trajektoriach w kierunku przestrzeni separacji. Cząstki o mniejszej masie, mniejszych rozmiarów lub stawiające większe opory będą przepływać wraz z gazem. Cząstki te stanowią tzw. lżejszą lub drobniejszą frakcję. Cząstki o większej masie i rozmiarach wypadają z gazu i stanowią produkt. Klasyfikacja z wykorzystaniem wiru swobodnego zachodzi analogicznie jak w cyklonach, tj. cząstki duże są kierowane ku ścianie cyklonu, drobne natomiast wypływają z gazem odlotowym. Rozmiar cząstek jest kontrolowany prędkością przepływu i wymiarem przestrzeni separacji. Wir wymuszony jest bardziej skomplikowany, lecz dokładność rozdziału jest większa. Wymuszenie osiąga się przez stosowanie wirnika. Cząstki cięższe dążą do obwodu, drobniejsze natomiast przepływają wraz z gazem przez łopatki wirnika. Jakość rozdziału zmienia się przez zmianę prędkości gazu i wirowania wirnika. Klasyfikatory dzieli się na ogólnie na przepływowe, z recyrkulacją częściową i całkowitą (zamkniętą).

Klasyfikatory przepływowe są stosowane dla substancji wrażliwych na pod-wyższoną temperaturę, w całkowicie cyrkulacyjnych natomiast strumień powietrza jest mały, dlatego do wydzielenia cząstek z gazu konieczne są filtry o małych wymiarach. Zakres rozmiarów ziaren klasyfikowanych grawitacyjnie dochodzi do 200 µm, odśrodkowych zaś zawiera się w zakresie 1-100 µm. Klasyfikacja jest stosowana wtedy gdy przesiewanie na sitach nie jest efektywne ze względu na wydajność, dostępną przestrzeń instalacyjną lub zakres rozdziału.

Klasyfikacja jest często ostatnim etapem w procesie rozdziału, gdy jest pożądana frakcja górna, środkowa lub dolna. Efektywność klasyfikatorów jest mierzona wydajnością produktu pożądanego, sprawnością rozdziału, ostrością rozdziału, tj. rozkładem rozmiarów cząstek wokół pożądanego przeciętnego rozmiaru.

Najprostszą konstrukcję stanowi klasyfikator rzutowy (rys. 9.1) z poziomym przepływem gazu, wykorzystujący różnice prędkości opadania ziaren

1 1 3

Rys. 9.1. Klasyfikator rzutowy: l — koło rzutowe, 2 - ziarno drobne,

3 — ziarno grube

w strumieniu powietrza. Ziarna grube opadają najszybciej, lżejsze, uniesione z gazem, opadają dalej.

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

Rys. 9.2. Klasyfikator pio-nowy: l - wlot powietrza, 2 — surowiec, 3 -ziarno drobne, 4 — ziarno grube, 5 — ziarno średnich rozmiarów

Rys. 9.3. Klasyfikator rozpraszający: l - dopływ surowca, 2 — talerz roz-praszający, 3 — komora klasyfikacji, 4 — wentylator główny, 5 — wentylator pomocniczy, 6 — frakcja gruba, 7 — frakcja drobna

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

114

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

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

grubych (ślimak)

9.3. KLASYFIKACJA HYDRAULICZNA

Klasyfikacja hydrauliczna, zwana również klasyfikacją na mokro, w naj-prostszym przypadku opiera się na opadaniu, sedymentacji grawitacyjnej w zbiorniku-osadniku (klarowniku). Rozdział na frakcje nie jest tu ostry, lecz wymagana duża powierzchnia odstawania stanowi wadę metody oprócz innych niedogodności związanych ze stosowaniem cieczy. Z działania sił odśrodkowych korzysta się w hydrocyklonach. Do klasyfikacji cząstek mikronowych stosuje się wirówki. Klasyfikacja na mokro może być prowadzona również na sitach.

W klasyfikatorze przepływowym pionowym przepływ wody odbywa się od góry (rys. 9.5) lub od dołu. Z mieszaniny ziaren podawanej do cieczy, ziarna drobne są unoszone i opuszczają klasyfikator korytem przelewowym, cząstki większych rozmiarów natomiast opadają na dno zbiornika. Segregacja tego rodzaju może być prowadzona również w wielu stopniach, na większą liczbę frakcji niż tylko dwie.

115

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

Rys. 9.5. Klasyfikator przepły-wowy — pionowy: l — za-wiesina, 2 — frakcja drobna,

3 — frakcja gruba

Rys. 9.6. Klasyfikator przepływowy — poziomy: l - zawiesina, 2 — frakcja

drobna, 3 - frakcja gruba

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

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

ziaren grubych, 6 — ziarna grube — produkt

116

Rozdzielanie mieszaniny ziaren materiałów o różnej gęstości jest prowadzone w osadzarkach. Rozdzielanie na frakcje następuje w wyniku ruchu oscylacyjnego zawiesiny, wywołanego posuwisto- zwrotnym ruchem tłoka, wywierającego nacisk na powierzchnię cieczy. Ziarna cięższe opadają wówczas na dno osadzarki, drobne natomiast gromadzą się przy powierzchni cieczy i są odprowadzane przelewem. Rozdzielanie mieszanin wieloskładnikowych prowadzi się w osadzarkach wielokomorowych. Osadzarki są stosowane podczas wzbogacania rud i węgla kamiennego.

Protiukt

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

Mieszaniny materiałów o różnej gęstości i ziarnach mniejszych niż ok. 3 mm są rozdzielane na stołach koncentracyjnych (rys. 9.8). Stół jest nachylony na bok, pod kątem 2-10° i wykonuje ruch posuwisto-zwrotny, do przodu wolny, powrotny zaś, do tyłu, szybki. To powoduje przesuwanie się materiału do przodu. Ziarna o małej gęstości pozostają w zawiesinie i spływają wraz z wodą. Ziarna o większej gęstości osiadają w rowkach (bruzdach) stołu i przesuwają się wraz z nim. Materiał o większej gęstości przesuwa się więc do przodu, lżejszy natomiast spływa z wodą po pochyłości stołu i przelewa się do koryta, umieszczonego pod krawędzią stołu.

W klasyfikacji hydraulicznej, jak już wspomniano, stosuje się również działanie pola sił odśrodkowych, w aparatach zwanych hydrocyklonami, co omówiono szerzej w rozdz. 12.

9.4. PRZESIEWACZE

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

1 1 7

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

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

Sita rusztowe wykonuje się z listew, prętów lub wałków metalowych, uło-żonych równolegle w określonej odległości od siebie. Kształt szczeliny pomiędzy rusztami wynika z kształtu przekroju prętów i zapewnia swobodny przesyp

kawałków i ziaren materiału. Ruszta zamocowane w odpowiedniej ramie są nachylone do poziomu w kierunku ruchu materiału, pod kątem większym od kąta tarcia — 30-50°. Zwiększenie wydajności przesiewanego materiału osiąga się przez ruch obrotowy lub drgający prętów albo sita (rys. 9.10).

Sita w postaci perforowanych płyt (rys. 9.9b), o różnego kształtu otworach są wykonywane z materiałów metalowych i tworzyw sztucznych. Są one stosowane do przesiewania dużych strumieni mas materiałów sypkich o znacznej zawartości kawałków dużych rozmiarów.

Siatki (rys. 9.9c) są wykonywane z drutów metalowych, włókien sztucznych i naturalnych; mogą być tkane, plecione, skręcane, wiązane itp. Sposób wykonania siatek związany jest z rodzajem przesiewanego materiału i sposobem przesiewania.

Rys. 9.10. Przesiewacze rusztowe: a) tarczowo-obrotowy, b) prę-

towo-drgający 118

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

W systemie anglosaskim za podstawę do tworzenia szeregu sit przyjmuje się

sito o zawartości 200 oczek (otworów) na długości l cala i średnicy drutu 0,053 mm. Stosunek krawędzi oczek sit następujących po sobie — moduł sit — wynosi √ 2 w sitach Tylera. W celu zwiększenia dokładności rozdziału jest

stosowany moduł (√ 2)1/2. Numeracja sit jest oparta na wymienionej liczbie oczek na długości l cala, tj. liczbie mesh. Zestawienie szeregu sit znormalizo-wanych według norm metrycznych, anglosaskich (brytyjskich BS i amerykań-skich) przedstawiono w tabl. 9.1.

Przesiewanie na sicie zachodzić może wtedy, gdy występuje ruch surowca względem sita. Sito może być nieruchome, lecz nachylone do poziomu pod kątem większym od kąta tarcia, może poruszać się w płaszczyźnie poziomej lub nachylonej do poziomu. Płaszczyzna sita stanowić może prostokąt lub koło. Ruch materiału na sicie zależy w dużym stopniu od rodzaju napędu wymusza-jącego ruch, drgania sita i zamocowania ramy sita.

Przesiewanie może być prowadzone przez jedno lub kilka sit w układzie posobnym, nadsobnym lub mieszanym (rys. 9.11). Ze względu na kształt powierzchni wyróżnia się sita płaskie i cylindryczne. Powszechnie stosowane są sita płaskie. W przesiewaczach płaskich (rys. 9.12) rama z sitem jest podparta lub podwieszona na elementach sprężystych: płaskownikach, sprężynach, amortyzatorach. Drgania ramy z sitem są wymuszone ruchem obrotowym mi-mośrodu, wirowaniem niewyważonych mas lub za pomocą elektromagnesu. Przesiewany surowiec przemieszcza się na sicie ze stałą prędkością, w przesie-waczach przemysłowych 0,5-75 m/s, dlatego czas przesiewania jest proporcjo-nalny do długości sita, wydajność zaś do szerokości. Efektywność przesiewania zależy od rozmiaru i postaci otworów sita i ziaren mieszaniny, zawartości tzw. trudnych cząstek o kształcie różniącym się znacznie od kuli, gęstości ziaren, prędkości ruchu ziaren i grubości warstwy na sicie, wilgotności surowca i obecności dodatków. Stosunek szerokości do długości sita wynosi zazwyczaj b /L = 2,0-3,0. Wydajność przesiewacza wynosi

gdzie φ —współczynnik rozdrobnienia surowca =0,9,

s — grubość warstwy materiału na sicie, v — prędkość ruchu materiału na sicie, pn — gęstość nasypowa materiału.

1 1 9

Grubość warstwy materiału na sicie nie powinna przekraczać 4 rozmiarów oczek sita. Efektywność przesiewania jest duża na początku sita, w wyniku przesypywania dużej liczby drobnych ziaren w krótkim czasie. Ziarna o rozmiarach w stosunku do oczek sita 0,75 przesypują się łatwo, natomiast te o stosunku 0,75-1,0 trudno, co wymaga dłuższego czasu przesiewania. Im więc

T a b e l a 9.1

Charakterystyka sit znormalizowanych według norm niemieckich DIN, angielskich BS i amerykańskich ASTM

Sita wgBS410:1976

Sita wg U.S.Standard ASTM, Eli-81

Rozmiar oczek wg DIN4188 [mm] mesh

rozmiar oczka [mm]

nr sita

rozmiar oczka [mm]

1,0 16 0,991 16 1,19 0,8 20 0,833 18 1,00 0,63 24 0,701 20 0,84 0,5 28 0,589 25 0,71 0,4 32 0,495 30 0,59 0,315 35 0,417 35 0,50 0,25 42 0,351 40 0.42 0,20 48 0,295 45 0,35 0,16 60 0,246 50 0,297 0,125 65 0,208 60 0,250 0,10 80 0,175 70 0,210 0,09 100 0,147 80 0,177 0,08 115 0,124 100 0,149 0,071 150 0,104 120 0,125 0,063 170 0,089 140 0,105 0,056 200 0,074 170 0,088 0,05 250 0,061 200 0,074 0,045 270 0,053 230 0,062 0,04 325 0,043 270 0,053 0,036 400 0,038 325 0,044 0,028 - - - - 0,020 - - - -

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

120

Sprawność przesiewacza jako urządzenia klasyfikującego jest iloczynem sprawności przesiewania η i odsiewania η0. Sprawność ta jest wyznaczana z danych bilansu masowego materiału pożądanego, znajdującego się w surowcu S, kierowanym do przesiewania, w przesiewie P i w odsiewie O.

gdzie χ , χ , x0 — ułamki masowe materiału pożądanego odpowiednio w surowcu, przesiewie i odsiewie.

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

Rys. 9 .11. Sposoby przesiewania wielokrotnego: a) posobne, b) nadsobne, c) kombinowane

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

Do przesiewania dużych strumieni mas materiałów, których rozmiary ziaren są zawarte w zakresie od l mm do ok. 200 mm są stosowane przesiewacze z sitami z blach perforowanych i siatek.

W przesiewaczach wahliwych (rys. 9.12a) rama z sitem porusza się ruchem jednostajnie przyspieszonym w płaszczyźnie poziomej lub nachylonej

121

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

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

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

122

Przesiewacze wibracyjne (rys. 9.12c) różnią się od wstrząsowych parametrami drgań sita. Kierunek drgań może być poziomy lub nachylony do poziomu. Częstość drgań zawiera się w granicach 900-1500 drgań/min. Drgania powodują ruch materiału na sicie, jego podrzucanie i energiczne wstrząsanie. Wibratory stanowią obracające się mimośrody, niezrównoważone koła lub elektromagnesy (drgania rdzenia w zmiennym polu elektromagnetycznym). Przesiewacz może mieć jedno lub kilka sit. Rozmiary przesiewanych ziaren zmieniają się od bardzo małych, rzędu dziesiątków mikrometrów w analizie sitowej do ok. 250 mm w warunkach przemysłowych. Głównymi zaletami przesiewaczy wibracyjnych, oprócz zrównoważenia konstrukcji są duża wydajność, sprawność i małe wymiary.

Przesiewacze wibracyjno-rezonansowe (rys. 9.12d) mają zarówno ramę, jak i napęd podparte sprężyście, wprawiane w drgania w wyniku wirowania niewyważonych mas wibratora. Gdy okresy drgań napędu i własne konstrukcji przesiewacza będą jednakowe, to drgania te określane są mianem rezonanso-wych. Do napędu przesiewacza potrzebna jest wówczas mała moc, konieczna głównie do pokonania oporów tarcia, a nie do przyspieszenia mas drgających. Częstość drgań dochodzi do 500/min, amplituda do 20 mm. Przesiewacze te służą do klasyfikacji dużych i średniej wielkości kawałków z dużą wydajnością, do 500 t/h.

Przesiewacze płaskie kołowe (rys. 9.14) są napędzane za pomocą jednego lub dwóch wałów korbowych ustawionych pionowo, które poruszają skrzynie z osadzonymi w niej sitami. Ruch poszczególnych punktów sita odbywa się po okręgu lub torze zbliżonym do okręgu, przypominając ruchy wykonywane podczas przesiewania ręcznego. Istnieje wiele odmian konstrukcyjnych przesiewaczy kołowych, różniących się głównie rodzajem i parametrami drgań.

Przesiewacze bębnowe (rys. 9.13c) posiadają sita, które stanowią powierzchnie boczne walca, stożka lub graniastosłupa wielościennego, wykonane z perforowanej blachy, tworzyw sztucznych lub siatki. Bęben może być przymocowany do centralnego wału lub spoczywać na rolkach oporowych. W obu przypadkach bęben jest nachylony do poziomu pod kątem 4-7°, z wyjątkiem przesiewaczy stożkowych, jest wprawiany w ruch obrotowy z prędkością 0,6-1,25 m/s. Wymieniona prędkość, która powinna zawierać się w zakresie 0,33—0,45 prędkości krytycznej, powoduje że materiał podnoszony na pewną wysokość zsypuje się w dół, przesuwa do wylotu i jednocześnie jest klasyfikowany na frakcje w układzie posobnym (rys. 9.13c) lub nadsobnym, gdy bębny sitowe są umocowane koncentrycznie na jednym wale. Sito o największych oczkach stanowi wówczas bęben wewnętrzny o najmniejszej średnicy, o naj-mniejszych natomiast — zewnętrzny.

123

Rys. 9.14. Przesiewacz płaski — kołowy: l — obudowa, 2 — sito, 3 — napęd, 4 — elementy sprężyste

Przesiewacze bębnowe wielositowe znajdują zastosowanie w klasyfikacji materiałów średnio- i drobnoziarnistych. Bębny są zamknięte obudową, podłą-czoną od góry do kanału odciągowego, którym strumień powietrza zapylonego jest kierowany do odpylacza.

Zaletą przesiewaczy bębnowych jest prostota konstrukcji, lecz wady — mała wydajność odniesiona do powierzchni sita, rozdrabnianie materiału i blokowanie oczek sit, znaczne ścieranie powierzchni sit oraz zapylanie środowiska — powodują, że stosowane są rzadko i często w połączeniu z innymi procesami, jak np. rozdrabnianie.

9.5. SEPARATORY

Korzystając z właściwości elektromagnetycznych i powierzchniowych pro-wadzi się rozdzielanie mieszaniny, separację cząstek w separatorach elektrosta-tycznych, magnetycznych i w Holownikach.

Separacja elektrostatyczna dotyczy cząstek o rozmiarach poniżej 2 mm mających ładunek elektryczny lub różnicę stałych dielektrycznych w stosunku do środowiska. Układ separujący stanowi zespół dwóch elektrod; ujemną —

przyciągającą cząstki i dodatnią — polaryzacyjną. Surowiec jest podawany na obracający się bęben, który jest ładowany lub uziemiony, w jego pobliżu (rys. 9.15) jest umieszczona elektroda przeciwnego znaku. Punkt, w którym cząstki opuszczają bęben, zależy od wielkości ładunku elektrycznego, niezbędnego do odchylenia toru cząstek, tak by nastąpiła ich separacja. Selektywność separacji zależy od przewodnictwa cząstek, a także ich gęstości, rozmiarów i kształtu.

Separacja magnetyczna dotyczy materiałów ziarnistych o rozmiarach

milimetrowych średnio- i silnie magne-sujących się, będących ferro- i parama-gnety karni. Separatory magnetyczne stosowane są do:

— usuwania z ładunku surowca lub produktu o niewielkiej masie materiałów magnetycznych, stanowiącej jej zanieczyszczenie,

— zatężania materiału magnetycznego w procesach przeróbki rud metali, które może być prowadzone na sucho lub mokro.

Rys. 9.15. Zasada działania separatora elek-trostatycznego: l — elektroda aktywna, 2 -bęben obrotowy (uziemiony), 3 - roz-

dzielacz

124

W separatorze magnetycznym suchym (rys. 9.16) mieszanina transportowana na taśmie, podczas zmiany kierunku na bębnie magnetycznym, jest odrzucana siłą odśrodkową, która w największym stopniu działa na cząstki niemagnetyczne. Cząstki mające właściwości magnetyczne są przyciągane siłami pola magnetycznego do powierzchni taśmy. Gdy natężenie pola osłabnie, wtedy cząstki odpadają z powrotnej strony taśmy.

W separatorach, tzw. mokrych, wy-dzielenie cząstek następuje ze szlamu, który podaje się pomiędzy obracający się namagnesowany bęben a stałą przegrodę. Cząstki niemagnetyczne spływają po przegrodzie z głównym strumieniem szlamu, magnetyczne natomiast, osadzone na powierzchni bębna, są przenoszone do strefy, gdzie działanie pola magnetycznego ustaje, skąd wypadają do odpowiedniego pojemnika.

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

Rys. 9.17. Flotownik: l — powietrze, 2 — mieszadło, 3 — surowiec, 4 — złoże odpadowe,

5 — koncentrat

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

125

Rys. 9.16. Zasada działania separatora mag-netycznego: l - bęben magnetyczny, 2 -

materiał magnetyczny, 3 - rozdzielacz

sorbując powietrze w postaci pęcherzyków — są przez nie unoszone na po-wierzchnię cieczy, gdzie tworzą warstwę piany. Proces jest prowadzony w sposób ciągły tak, że piana odpływa przelewem. Po tak zwanym zgaszeniu piany pozostałe cząstki stanowią jeden z produktów rozdziału.

W procesie flotacji jest istotne rozproszenie powietrza na dużą liczbę pę-cherzyków o najmniejszej średnicy. Dlatego oprócz flotowników z mechanicznym rozpraszaniem powietrza, mieszadłem turbinowym, są stosowane flotowniki ciśnieniowe i elektroflotowniki.

Działanie flotowników ciśnieniowych opiera się na wysokiej rozpuszczal-ności powietrza w wodzie, wraz ze wzrostem ciśnienia. Po nasyceniu cieczy powietrzem ciśnienie redukuje się, co uwalnia dla flotacji dużą liczbę pęche-rzyków o średnicy poniżej 100 µm. Sposób jest stosowany do zagęszczania rozcieńczonych zawiesin i rozdzielania cieczy w przemyśle papierniczym, odzysku tłuszczów i protein itp.

W elektroflotacji pęcherzyki gazu generowane w zawiesinie elektrolitycznie osadzają się na rozproszonych cząstkach, które unoszą się na powierzchnię. Ponieważ pęcherzyki mają bardzo małą średnicę, są więc efektywne dla bardzo drobnych cząstek zawiesiny. Elektrody stanowi perforowana płyta ołowiano-tytanowa, umieszczona poziomo, w niewielkiej odległości od dna flotownika. Zagęszczony szlam, w którym zawartość ciała stałego może dochodzić do 95% jest w sposób ciągły usuwany z powierzchni cieczy przy pomocy wolno-obrotowych zbieraków szczotkowych. Metoda ta jest stosowana do zagęszczania rozcieńczonych zawiesin i koloidów, zawierających zwłaszcza małe ilości substancji organicznych.

9.6. DOBÓR METODY ROZDZIAŁU I URZĄDZEŃ

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

LITERATURA

[ 1 ] RUMPF H., Particle Technology, Chapman and Hall, London 1990. [2] CLARKE A.M., WILSON D.J., Foam Flotation. Theory and Application, Dekker, New York

1983. [3] KOCH R., NOWORYTA A., Procesy mechaniczne w inżynierii chemicznej, WNT, Warszawa,

1992.

126

10. MIESZALNIKI I MIESZARKI

10.1. WPROWADZENIE

Celem mieszania jest uzyskanie jednorodności w jedno- lub wielofazowym środowisku, pod względem składu (stężenia) składników, gęstości, temperatury lub innych właściwości mieszaniny. Mieszanie jest zasadniczym sposobem zwiększenia intensyfikacji procesów wymiany ciepła i masy i przyspieszenia reakcji chemicznych. Zarówno duża różnorodność składników i faz podlegających mieszaniu, jak i wymagania jakości sprawiają, że istnieje duża liczba metod i konstrukcji mieszadeł i mieszalników. Optymalizacja wiąże się tu z uzyskaniem wymaganego stopnia wymieszania w krótkim czasie i minimalnym nakładzie energii.

Konstrukcja urządzeń mieszających jest określona w pierwszym rzędzie stanem fizycznym faz mieszaniny i ich właściwościami. Stan skupienia sub-stancji odgrywa decydującą rolę. Zdolność do mieszania maleje w następującym szeregu: gaz, ciecz, ciało stałe. Urządzenia do mieszania w fazie ciekłej są zwane mieszadłami (mieszalnikami), do ciał stałych sypkich zaś — mieszarkami, do cieczy lepkich, stężonych zawiesin, szlamów i past natomiast — za-gniatarkami. W układzie wielofazowym obecność fazy o mniejszej zdolności do mieszania określa zdolność mieszaniny do mieszania.

10.2. MIESZANIE GAZÓW

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

127

10.3. MIESZANIE CIECZY

Mieszanie cieczy jest bardziej utrudnione, gdyż dyfuzja molekularna jest dużo wolniejsza. Przyspieszenie ruchu cieczy uzyskuje się przez zainstalowanie urządzeń wymuszających nie uporządkowany ruch cieczy w mieszalniku lub innym aparacie procesowym. Szeroko są stosowane mieszadła mechaniczne, lecz w określonych warunkach znajdują zastosowanie również inne sposoby, jak np.: mieszanie strumieniem gazu (barbotaż) lub cieczy, przepływ cieczy przez pompę, przepływ w rurociągu z umieszczonymi w nim przegrodami, tzw. mieszalniki statyczne.

Podczas mieszania w cieczy siły działające na płyn zmieniają się w zakresie od dominacji sił lepkości (mała liczba Re) do dominacji sił bezwładności (liczba Re odniesiona do mieszania jest duża). Kryterium mocy mieszania W , wyrażone jako stosunek zapotrzebowania mocy do mieszania P do średnicy mieszadła d5, liczby obrotów n3 i gęstości cieczy p określa równanie

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

10.3.1. MIESZANIE GAZEM

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

128

dujące względny ruch elementów cieczy, tj. mieszanie. Intensywność mieszania określa strumień objętości gazu przepływający przez l m2 powierzchni swo-bodnej cieczy, który wynosi zazwyczaj (0,6-2,0)-lO"2 m3/(m2-s). Mieszanie małych strumieni cieczy może być realizowane również w iniektorach. Mieszanie cieczy gazami ogranicza się do dużych zbiorników, gdy ciecz ma właściwości korozyjne i małą lepkość lub gdy gaz jest jednym z substratów w procesie, np. biologicznego oczyszczania ścieków, w bioreaktorach itp.

10.3.2. MIESZANIE POMPAMI

Mieszanie pompami, zwykle wirowymi, odśrodkowymi lub śmigłowymi polega na cyrkulacji lub recyrkulacji cieczy lub zawiesiny przez pompę. Jest to sposób stosowany do mieszania dużych strumieni objętości cieczy różniących się znacznie gęstością. Kombinacja mieszania iniektorowego z przepływem przez pompę (jet mixing) jest stosowana do mieszania dużych objętości cieczy o małej lepkości, w takich procesach m. in. jak rozpuszczanie, krystalizacja, floktulacja, ługowanie, neutralizacji ścieków i inne.

10.3.3. MIESZANIE W RUROCIĄGACH

Mieszanie cieczy o małej lepkości może być wykonywane w rurociągach. Wymagana długość strefy kontaktu strumieni wynosi 10-20 średnic rurociągu, gdy lepkość cieczy wynosi < 50 mNs/m2, przepływy i gęstości cieczy natomiast są zbliżone. Jeśli w rurociągu jest umieszczony iniektor wprowadzający jedną z cieczy na środek przewodu lub zasysający ciecz pierścieniowo, to mieszanie zachodzi w strefie unoszenia cieczy na skutek dyfuzji burzliwej. Sposób ten jest stosowany wtedy, gdy strumienie przepływu się różnią i daje dobre rezultaty przy długości ok. 80 średnic przewodu. Długość ta może być zmniejszona przez umieszczenie w rurociągu półek lub wypełnień zakłócających przepływ.

10.3.4. MIESZALNIKI STATYCZNE

Mieszalniki statyczne stanowią wiele nieruchomych, odpowiednio skierowanych elementów powierzchniowych, półek lub zwojów spiralnych, umieszczonych w przewodzie, zwykle rurowym (rys. 10.1). Wpływający płyn jest dzielony na dwie lub większą liczbę warstw przepływających przez każdy element. Warstwy te ciągle się rozdzielają i łączą aż do momentu otrzymania mieszaniny jednorodnej na odlocie. Rodzaj, kształt i liczbę elementów mieszających określają: zakres przepływu, lepkość, zawartość ciała stałego, wymagany stopień wymieszania. Podczas mieszania cieczy o małej lepkości spadek ciśnienia wynosi ok. 20-35 kPa. Są stosowane zarówno do mieszania gazów, jak i cieczy lepkich. Mieszalniki statyczne są stosowane do mieszania gazów, zwłaszcza przed reaktorami, np. do utleniania amoniaku tlenem z powietrza w produkcji kwasu azotowego, syntezy bezwodnika maleinowego, ksylenu, styrenu, chlorku winylu i in. W zastosowaniu do mieszania cieczy natomiast obejmują

129

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

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

10.3.5. MIESZALNIKI MECHANICZNE

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

130

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

Rys. 10.2. Mieszadła turbinowe z łopatkami: a) prostymi, b) wygiętymi, c) nachylonymi, d) ta-

lerzowe, e) klatkowe, f) zakryte, g,h) tarczowe odkryte z łopatkami prostymi i wygiętymi

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

1 3 1

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

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

Mieszadła osiowe śmigłowe (rys. 10.4) są stosowane zazwyczaj w małych mieszalnikach do wytwarzania ruchu burzliwego cieczy w najbliższym sąsiedztwie mieszadła. W dużych zbiornikach są zwykle montowane na ścianie zbiornika.

Typowe prędkości obrotowe mieszadeł śmigłowych wynoszą 60-130 obr/min w zakresie lepkości cieczy (50-l500)-lO-3 Pa-s. Cyrkulację osiową generują również mieszadła łopatkowe nachylone do poziomu pod kątem 30, 45 i 60 stopni, o różnym stosunku wysokości do średnicy łap. Stosowane są tam, gdzie przepływ cieczy limituje przebieg procesu. Do grupy mieszadeł

osiowych należą również mieszadła spiralne, ślimakowe, wstęgowe stosowane do mieszania cieczy lepkich przy 5-45 obr/min oraz

Rys. 10.4. Mieszadło dwu- i trzyśmigłowe

132

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

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

wytworzenia zawiesiny jest wtedy ograniczona do małej objętości. Wprowadzenie dyfuzora komplikuje konstrukcję, dlatego rozwiązanie to jest stosowane w mieszalnikach o małej pojemności. Przegrody są natomiast stosowane do mieszania cieczy o małych lepkościach, gdy mieszadło jest umieszczone w osi mieszalnika. Zmienia to ruch cieczy z rotacyjnego na burzliwy i zapobiega penetracji gazu (powietrza) w głąb cieczy. W pionowych zbiornikach są zazwyczaj umieszczone 4 przegrody o szerokości 1/20 średnicy zbiornika. Umieszczając mieszadło mimośrodowo, pod kątem lub w ścianie bocznej mieszalnika (rys. 10.6) eliminuje się konieczność umieszczania przegród. Usytuowanie mieszadła na ścianie bocznej mieszalnika jest odpowiednie do mieszania cieczy jednorodnych i zawiesin o małej prędkości opadania cząstek ciała stałego. Tego rodzaju mieszadła są stosowane w zbiornikach oleju, ropy naftowej, w reaktorach zawiesinowych i in. Obroty ich wynoszą zwykle 250-420 obr/min. Problem eksploatacyjny stanowi uszczelnienie wału mieszadła. Jeżeli mieszalnik jest zaopatrzony w przegrody, to mieszadło wytwarza silną cyrkulację cieczy od góry do dołu. Jeśli brak jest przegród, to może dojść do wirowania całej masy cieczy i tworzenia się leja.

Mieszanie okresowe zawiesiny wymaga 10-25% większej mocy niż ciągłe. Zapotrzebowanie mocy do mieszania zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia

133

Rys. 10.6. Sposoby zapobiegania zjawisku powstawania leja: a) przegrody, b) mieszadło usta

wione ekscentrycznie, c) mieszadło na ścianie bocznej v

Rodzaj mieszadła i sposób mieszania w układzie ciecz-ciecz ma duży wpływ na proces wymiany masy. Energia niezbędna do mieszania jest tu 2-3 razy większa niż dla układu gaz—ciecz. Mieszadło osiowe zużywa tu ok. 10 razy więcej energii. Podczas mieszania cieczy nierozpuszczalnych wytwarza się emulsja. Rozkład rozmiarów kropel w emulsji jest związany z wielkością sił ścinania w strefie mieszania.

Podczas mieszania w układzie ciecz—gaz, powierzchnię międzyfazową, oprócz rodzaju stosowanego mieszadła, określa również rozmiar pęcherzyków, co z kolei zależy także od średnicy bełkotki i liczby otworów. W takich układach z zasady są stosowane mieszadła turbinowe z przepływem promieniowym. W razie stosowania mieszadeł osiowych mieszalnik jest wyposażony w rurę cyrkulacyjną. Przepływ pęcherzyków zakłóca przepływ i ruch cieczy wytwarzany przez mieszadło. Do utrzymania stabilnych rozmiarów pęcherzyków w wysokich zbiornikach są stosowane m. in. mieszadła wieloturbinowe, umieszczone na wale w odległości l ,5-2 średnic mieszadła.

Standaryzacja mieszadeł i mieszalników układów ciekłych dotyczy wymiarów typowych, odniesionych do średnicy mieszalnika [l]-[3].

Rozważając problem doboru mieszadła (mieszalnika) do mieszania cieczy należy wziąć pod uwagę:

— właściwości fizyczne, a zwłaszcza lepkość cieczy, — przebieg lub możliwość przebiegu reakcji chemicznych lub wymiany ciepła, — naturę fizyczną procesu w mieszalniku i rozpuszczalność cieczy,

134

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

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

10.4. MIESZARKI

Ciała stałe z zasady nie mają możliwości samoczynnego mieszania się i do wzajemnego ich przemieszczenia jest konieczna ingerencja sił zewnętrznych, wymuszających ruch poszczególnych porcji, ziaren materiału. Ciała stałe sypkie, pod wpływem działania siły zewnętrznej, zachowują się odmiennie od pozostałych faz. Ruch wzajemny ziaren jest możliwy po pokonaniu sił tarcia na styku ziaren. Proces mieszania polega na wzajemnym przemieszczaniu się ziaren mieszanych składników, aby uzyskać równomierny w przybliżeniu ich rozkład w całej mieszaninie. Równomierny rozkład odpowiadający rozkładowi podobnemu jak na szachownicy nie jest możliwy, nawet dla ziaren o tej samej średnicy i gęstości. Przemieszczanie się ziaren zarówno w trakcie mieszania, jak i ich wzajemne położenie jest przypadkowe. Możliwy do uzyskania jest jedynie stan równowagi, odpowiadający pewnemu stopniowi wymieszania i segregacji (tzw. stan random — równowagi przypadkowej).

Charakterystyka i stopień wymieszania w mieszarkach opisywany jest różnymi sposobami, m. in. rozkładem czasu przebywania, stosunkiem wariancji produktu i surowca, stopniem wymieszania produktu i in. Stopień wymieszania ustala się zwykle na podstawie analizy próbek pobranych z mieszanego ładunku. Jest on wyrażany jako odchylenie standardowe σ lub wariancja σ2 z próbki. Oprócz tego istnieje również wiele zależności, zwykle empirycznych, podawanych przez różnych autorów, wyrażających stopień wymieszania w zależności od σ lub σ2, jak np. zależność Laceya

gdzie σ2,, σ2., σ2 odpowiednio wariancje dla stanu całkowitej segregacji mie-

szaniny, wymieszania równowagowego (stan random), danego aktualnego stanu wymieszania.

Wielkość M przybiera wartości od O do l po całkowitym wymieszaniu (rys. 10.7). Uwzględniając mechanizmy mieszania: postępowy w wyniku bez-władnościowego ruchu ziaren i dyfuzyjny, zwany często łącznie jako konwekcyjny i ścinający, proces mieszania opisuje się równaniem

w którym k — współczynnik szybkości mieszania zależny od rodzaju mieszalnika.

135

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

Rys. 10.7. Zależność stopnia wymieszania od czasu

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

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

136

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

w którym D — średnica wewnętrzna bębna [m],

X — procent objętości mieszarki zajęty przez ładunek, C — stała wynosząca 54 dla krytycznego stanu ruchu materiału, 72 dla stanu równowagowego i 86 gdy cząstki mają ciągły kontakt z wewnętrzną ścianą bębna.

W celu wytworzenia tego samego stanu ruchu materiału w dwóch różnych bębnach obowiązuje zależność

Mieszanie proszków kohezyjnych z racji działania między cząstkami róż-

nego rodzaju sił jest problemem złożonym i najczęściej są wymagane testy wstępne mieszania w celu określenia jego parametrów roboczych. Dla tego rodzaju materiałów stosowane są mieszarki cylindryczne i stożkowe w kształcie litery V i Y.

Mieszarki z mieszadłami stanowią urządzenia, w których względne prze-mieszczanie się materiału wewnątrz zbiornika jest wywołane działaniem mie-szadła i polega na przemieszczaniu się porcji zarówno względem siebie jak i ścian zbiornika. Sposób ten jest stosowany do mieszania materiałów, począwszy od sypkich, poprzez lepkie ciecze i zawiesiny, aż do materiałów ciasto-watych (pastowatych). Mieszarki tego rodzaju są budowane jako poziome, z mieszadłami łopatkowymi i ślimakowymi, ze zwojami pełnymi lub wstęgowymi.

W mieszarkach ślimakowych podwójnych (rys. 10.9) mieszadło stanowią łopatki, których końce tworzą zarys linii śrubowej, ułożone równolegle obracają się w kierunkach przeciwnych. Mieszany materiał jest tu przegarniany i przesuwany wzdłuż rynny. Na końcach wałów koła łopatkowe przerzucają

137

materiał w kierunku poprzecznym do drugiego ślimaka. Materiał cyrkuluje w układzie dwóch ślimaków. Czas cyrkulacji może być regulowany odbiorem lub zasilaniem. W celu zwiększenia intensywności mieszania i zapobieżenia tworzenia się aglomeratów są stosowane elementy pomocnicze, zaburzające ruch mieszanego materiału, umieszczane na ścianach zbiornika. Pojemność mieszarek poziomych dochodzi do 30 m3, średnica mieszadeł wstęgowych do 3 m i obroty do 10 obr/min. Zużycie mocy wynosi 2,5-20 kW/m3 pojemności

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

Rys. 10.10. Mieszarka dwustożkowa z mieszadłami ślimakowymi: l - zbiorniki stożkowe,

2 — mieszadła ślimakowe, 3 - napęd

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

138

nej osi, również ruch obrotowy wokół osi stożka. Mieszarki tego rodzaju są sto-sowane do mieszania materiałów drobnoziarnistych i pylistych. Mieszarki poje-dyncze mają pojemność 0,3-30 m3, podwójne do ok. 40 m3. Umożliwiają one uzyskanie dużej jednorodności mieszaniny w krótkim czasie, rzędu 0,03 m3/s ł zapotrzebowaniu na moc 1,5-3,0 kW/m3 pojemności użytkowej. Istnieją również konstrukcje zmodyfikowane, w których ślimak wykonuje dodatkowy ruch wywołany niezależnym napędem. W innych rozwiązaniach mieszarka wykonuje ruch wokół własnej osi, odchylonej o niewielki kąt od pionu, obraca się również zbiornik.

Do oddzielnej grupy zalicza się mieszarki talerzowe, określane mianem mieszarek Eiricha (rys. 10.11). Wewnątrz zbiornika walcowego o niewielkiej wysokości, nieruchomego lub obracającego się, znajduje się mieszadło wykonujące ruch planetarny. Mieszadło składa się z trzech łopatek i łopatki dodatkowej zgarniającej, poruszającej się wzdłuż osi ruchem kołowym. Ruch mieszanego materiału jest skomplikowany, występowanie zaś w trakcie mieszania dużych sił ścinających i zderzeń zapewnia dużą jednorodność mieszanego ładunku. Pojemność zbiorników wynosi 0,05-4 m3, zapotrzebowanie mocy 10-30 kW/m3. Mieszarki te są stosowane do mieszania materiałów sypkich, plastycznych i pastowatych.

Dużą szybkość mieszania i jednorodność mieszaniny uzyskuje się w tzw. intensywnych mieszarkach nożowych. Charakter pracy tych mieszarek jest zbliżony do działania rozdrabniarek, gdyż zderzenia i rozbijanie materiału jest zasadniczym czynnikiem mieszania. Łopatki mieszadeł mają kształt noży, dlatego powierzchnie wprawiające materiał w ruch są małe. Duże siły ścinające i zderzenia cząstek materiału z elementami mieszającymi powodują wywiązywanie się znacznych ilości ciepła, więc ścianki mieszarki muszą być chłodzone. Mieszarkę stanowi zbiornik o wysokości zbliżonej do średnicy, z dwoma parami mieszadeł, łopatek promieniowych o małym skoku, umocowanych na osi w niewielkiej odległości od dna. Mieszadła wirują z prędkością obwodową 10-40 m/s. Stopień wypełnienia mieszarek o pojemności do 1000 dm3 dochodzi do 65%. Zapotrzebowanie na moc wynosi 20-30 kW/100 dm3, czas mieszania — 1-3 min dla materiałów sproszkowanych i 5-10 min dla materiałów ziarnistych z dodatkiem lepkich cieczy i zmianą ich struktury. Mieszarki nożowe mogą być sprzęgane z innymi mieszarkami do wytwarzania mikrocząstek. Zakres zastosowań mieszarek nożowych jest szeroki i obejmuje, oprócz mieszania tworzyw sztucznych, również mieszanie w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, barwników i ceramicznym.

Rys. 10.11. Mieszarka talerzowa:

l - misa, 2 — mieszadło wieloła- powe, 3 — wysyp produktu

139

Mieszarki pneumatyczne (rys. 10.12) służą do mieszania i homogenizacji ciał stałych sypkich, różniących się znacznie gęstością w bardzo krótkim czasie

15-45 s, w zależności od wymiarów mieszarki i ciśnienia gazu stosowanego do mieszania. Materiał do mieszania jest podawany mechanicznie lub pneumatycznie. Ciśnienie powietrza mieszającego, w mieszalnikach wysokociśnieniowych, mających większy zakres zastosowań i dających większy stopień wymieszania, zależnie od wielkości ładunku wynosi 1,5-3,5 MPa. Powietrze do mieszarki jest doprowadzane porowatą kształtką metalową i dyszą Lavala. Prędkość powietrza na wylocie z dyszy wynosi 200--400 m/s. Wypływ strug gazu jest impulsowy w czasie 1-5 s i skierowany pod kątem. Ruch mieszanego materiału jest przestrzennie złożony. W zależności od

właściwości produktu i zdolności do aeracji, efekywna objętość mieszarki dochodzi do 60-70%.

Zagniatarki (ugniatarki) służą do mieszania materiałów plastycznych, gęstych past, bardzo lepkich cieczy, gdzie do wywołania względnych przemieszczeń cząstek materiału jest wymagane stosowanie dużych sił ścinających. Tego rodzaju materiały są charakterystyczne dla przemysłu spożywczego, farmaceutycznego, tworzyw sztucznych, gumowego i in. Budowa zagniatarek jest podobna do poziomych mieszarek ślimakowych. Różnice wynikają z dużego oporu podczas mieszania, charakteryzują się więc ciężką konstrukcją i stosowaniem dużych mocy do napędu mieszadeł. Konstrukcja często stosowanej zagniatarki (rys. 10.13) składa się z koryta powstałego z połączenia dwóch części półcylin-drycznych. W korycie obracają się w przeciwnych kierunkach dwa specjalnie ukształtowane mieszadła łopatowe (rys. 10.13b). Pod wpływem nacisku łopaty materiał w pojedynczym korycie jest rozgniatany i przemieszcza się na środek i w górę podwójnego koryta, gdzie jest przechwytywany przez drugą łopatę. Powtarzany wielokrotnie proces powoduje wymieszanie materiału. Stosunek liczby obrotów jest zbliżony do 2. Mieszarki tego rodzaju pracują zazwyczaj okresowo.

Do mieszania różnego rodzaju mas plastycznych w sposób ciągły są sto-sowane zagniatarki, których mieszadła są ukształtowane w postaci wałków z gwintem trapezowym lub innego rodzaju występami, tworzącymi zarys linii śrubowej.

Do zagniatania bardzo ciągliwych materiałów plastycznych oraz mieszanin ciał stałych z bardzo lepkimi cieczami są stosowane zagniatarki walcowe, podobne do granulatorów walcowych (rozdz. 11). Zagniatarki te służą zwykle do ostatecznego wymieszania i uformowania materiałów wstępnie już zmieszanych

Rys. 10.12. Mieszalnik pneumatyczny wy-sokociśnieniowy: l - sprężarka, 2 - zbiornik

gazu, 3 — dysze, 4 - filtr odpylający

140

w innego rodzaju mieszarkach. Najczęściej są stosowane zagniatarki trójwalco-we, pracujące w sposób ciągły w ustawieniu szeregowym.

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

Dobór mieszarki zależy przede wszystkim od rodzaju mieszanego materiału lub od jego składników. Pod uwagę powinny być wzięte następujące właściwości: rozmiar ziaren, ich kształt i gęstość, współczynnik tarcia i kąt naturalnego zsypu, siły adhezji i kohezji, wilgotność i higroskopijność, odporność na rozdrabnianie. Wymienione właściwości mogą ulegać zmianie podczas mieszania, dlatego często dopiero próby wstępne decydują o sposobie mieszania i rodzaju stosowanej mieszarki. Wielkość strumienia masy mieszanego materiału ma duży wpływ na okresowy lub ciągły sposób prowadzenia procesu.

LITERATURA

[1] STRĘK F., Mieszanie i mieszalniki. Wyd. 2. WNT, Warszawa 1983. [2] TATTERSON G.B., Scaleup and Design of Industrial Mixing Processes, McGraw-Hill Inc.,

New York 1993. [3] Mixing in the Process Industries, Sec. ed., Eds., N. Harnby, M.E. Edwards and A.W. Nienow,

Butterworth-Heinemann, Stoneham MA, 1992. [4] WEIDENBAUM S.S., Advances in Chemical Engineering, 1962, 2, p. 209.

141

11. APARATURA DO PROCESÓW GRANULACJI

11 .1 . WPROWADZENIE

Granulacja jest procesem powiększania rozmiarów, zmiany kształtu lub właściwości powierzchniowych cząstek stałych w następującym celu:

— poprawy sypkości i właściwości transportowych, — wytworzenia mieszaniny jednorodnej nie segregujących się cząstek, — zwiększenia wytrzymałości ziaren, — zmniejszenia zawartości pyłu i zapylenia, — zwiększenia reaktywności i zmiany istotnych właściwości fizykochemi-

cznych cząstek. Synonimem granulacji jest aglomeracja ciał stałych. Aglomeracja jest pro-

cesem łączenia lub nawarstwiania cząstek w wyniku działania sił bliskiego zasięgu. Kohezja i adhezja cząstek są tu dominujące. Adhezja dużych cząstek jest możliwa w obecności lepiszcza lub sił zewnętrznych, powodujących defor-mację plastyczną powierzchni kontaktu i zmniejszenie efektywnej odległości cząstek.

Tendencje do aglomeracji wykazują materiały będące mieszaniną o szerokim zakresie rozmiarów cząstek i dużej porowatości. Zjawisko to zwane jest zwyczajowo skawalaniem i dotyczy wielu materiałów przechowywanych w nie-właściwym środowisku.

Pomiędzy cząstkami tworzyć się mogą mostki cieczowe, na skutek adsorpcji cieczy na cząstkach lub przez wprowadzenie lepiszcza do cieczy. Siła wiążąca w punkcie kontaktu mostków jest proporcjonalna do średnicy cząstek d , grubości warstewki δ i siły kohezji tworzącej warstewkę adsorpcyjną ok (-100 kg-crrT2),

Mostki stałe powstają podczas zmiany fazy z ciekłej na stałą podczas krys-

talizacji, twardnienia lepiszcza, topnienia lub nadtapiania cząstek, deformacji podczas spiekania, reakcji chemicznej. Wytrzymałość mostków stałych można obliczyć następująco:

142

gdzie ms, mp — odpowiednio masa materiału tworząca mostek i masa każdej z dwu cząstek w mostku,

ρ i ρs — odpowiednio gęstość cząstek i materiału tworzącego mostek, ε — porowatość połączenia aglomeratu, σsb — naprężenie w mostku. Zwiększenie rozmiarów cząstek zachodzić może w wyniku: 1. Łączenia się (zlepiania się) kilku cząstek za pośrednictwem lepiszcza.

Produkt jest niejednorodny, o małej wytrzymałości mechanicznej. 2. Nawarstwiania powierzchni cząstek. Otrzymany produkt ma strukturę tzw.

cebulowatą. 3. Osadzania kropelek cieczy na powierzchni cząstek i ich zestalania. W stanie suchym łączenie się cząstek (aglomeracja) wiąże się z deformacją

plastyczną, łamaniem struktury, spiekaniem lub nadtapianiem cząstek. W stanie mokrym do łączenia się i wzrostu rozmiarów cząstek konieczny jest

dodatek substancji ciekłej. W obu metodach do zagęszczania wymagany jest bądź dodatek odpowied-

niego lepiszcza lub cieczy, bądź stosowanie podwyższonych temperatur i ciś-nienia. Stosuje się wiele dodatków, w tym lepiszcza, smary, plastyfikatory, substancje zwilżające i inne. Lepiszcza i smary zwiększają wytrzymałość aglo-meratów. Dobór lepiszcza wymaga doświadczenia i jest związany zasadniczo z przeznaczeniem granulatu, dlatego specyficzne substancje są stosowane do granulacji, np. farmaceutyków, środków spożywczych, materiałów: ceramicz-nych, odlewniczych, hutniczych, brykietów paliwa i in. W dwóch pierwszych przypadkach są stosowane m. in. skrobia, cukier, metyloceluloza, stearynian glinu, palmitynian i wiele innych.

Opierając się na sposobach łączenia i zwiększania rozmiarów cząstek stosuje się granulatory mieszalnikowe, ciśnieniowe, termiczne i natryskowe. Oddzielny problem stanowi granulacja w fazie ciekłej.

11.2. GRANULATORY MIESZALNIKOWE

Drobne proszki mogą być łatwo granulowane przez mieszanie z dodatkiem odpowiedniej cieczy. Siły mechaniczne wywołane rotacją mieszalnika powodują wzajemne zderzenia wilgotnych cząstek, ponadto siły adhezji, napięcia po-wierzchniowego cieczy i kapilarne są czynnikami sprzyjającymi aglomeracji.

Stosowane sposoby mieszania są następujące: przesypywanie materiału, toczenie, ruch kaskadowy w mieszarkach bębnowych lub stożkowych, wibracja warstwy. Zwiększenie rozmiarów następuje przez łączenie się cząstek i na-warstwianie w obecności natrysku cieczy, z jednoczesnym suszeniem granulatu. Suszenie jest prowadzone we współ- lub przeciwprądzie powietrza suszącego lub chłodzącego, np. podczas granulacji ze stopu mocznika lub saletry amonowej. Stosowane są mieszarki bębnowe poziome z mieszadłami lub bez

143

(rys. 1 1 . 1 ) o średnicy do 3 m i długości 8-10 m. Surowiec i część zawracanych drobnych granul produktu są podawane w podwyższonym końcu bębna. W bębnie, w ładunku granulowanego materiału, następuje segregacja i cząstki

małe znajdują się na dnie, granule dużych rozmiarów natomiast na powierzchni. Woda lub lepiszcze natryskiwane na powierzchnię dużych cząstek zwilżają je, one z kolei wyłapują drobne cząstki z ładunku, co po zestaleniu lub wysuszeniu powoduje zwiększenie granul. Natrysk cieczy jest strefowy na całej długości bębna, z wyjątkiem strefy wyładowania produktu. Granulatory bębnowe wytwarzają granule o dużych rozmiarach, twarde, z małą masą dodanej wody lub lepiszcza. Jeśli wartość liczby Fr ~ \, to prędkość graniczna obrotów bębna n wynosi:

gdzie D — średnica

wewnętrzna bębna [m]. W praktyce dobre warunki granulacji istnieją w zakresie Fr Ξ 0,2-0,5. Naj-

mniejszy stopień wypełnienia bębna wynosi 10%, w praktyce zwykle 20-30%, jeśli kąt pochylenia bębna wynosi β = 3-20°. Stosunek długości do średnicy bębna wynosi 1:3 lub 1:4, prędkość 3-20 obrotów na minutę. Masa granulowanego materiału zależy od stopnia wypełnienia bębna i czasu przebywania w nim. Powstawanie i wzrost granul są związane ze stosunkiem cieczy (roztworu) do ciała stałego. Kształt granul opuszczających bęben jest zbliżony do kulistego. Istnieje wiele modyfikacji klasycznego kształtu bębna, mających na celu otrzymywanie wąskiej frakcji i suchych granul.

Rys. 11.2. Granulator talerzowy: l - talerz obrotowy, 2 - wzór ruchu materiału, 3 — zasilanie

surowcem — roztworem (stopem), 4 — odbiór produktu

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

144

Rys. 1 1 . 1 . Schemat granuiatora bę-bnowego: l — bęben obrotowy, 2 — surowiec plus recykulowane drobne cząstki produktu, 3 - natrysk wody lub lepiszcza, 4 — produkt

Granulację prowadzi się zazwyczaj gdy obroty osiągną 0,75 nk. Surowiec i recyrkulowane cząstki są mieszane i natryskiwane cieczą dyszami hydraulicznymi o kącie rozpyłu wynoszącym zwykle 60°. Średnica kropel natrysku określa rozmiar cząstek surowca i produktu. Granule o mniejszych rozmiarach otrzymuje się z kropel o mniejszej średnicy. W granulatorach zarówno talerzowych, jak i stożkowych (rys. 11.3) granulacja zachodzi w wyniku toczenia się, obracania i ślizgania się cząstek, z jednoczesną ich segregacją. Granule największe znajdują się w pobliżu krawędzi granulatora, skąd są odbierane. Zawracanie części produktu, nawet kilkudziesięciu procent ładunku, stanowi tzw. szczepionkę, na której następuje wzrost granul. Liczba obrotów talerza wynika z wartości stosowanej liczby Frouda, która wynosi tu Fr = 0,4-0,9. Zużycie mocy N podczas granulacji jest związane ze średnicą talerza D [m]

gdzie a — współczynnik zależny od wielkości talerza l ,0-2,2.

Granulatory talerzowe mają zdolność klasyfikacji granulatu, dlatego produkt stanowią granule o zbliżonych rozmiarach, również dużych. W granulatorach bębnowych natomiast otrzymuje się granule o szerokim zakresie rozmiarów, co jest często niekorzystne. Granulatory bębnowe są mało czułe na zmiany jakości i ilości surowca, w przeciwieństwie do talerzowych.

Większość stosowanych mieszarek, tzw. przesypowych, np. typu V, plane-tarnych i innych, może być również stosowana do granulacji proszków, po za-instalowaniu doprowadzenia cieczy, jeśli to konieczne. Mechanizm aglomeracji w tych mieszalnikach jest analogiczny jak w bębnowych. Granulacja w mie-szarkach może być prowadzona okresowo lub w sposób ciągły. Do granulowania dużych strumieni mas materiałów stałych są stosowane mieszarki typu Eiricha, z mieszadłami planetarnymi (rozdz. 10). Stosunek obrotów talerza do mieszadła wynosi tu 1:5, warstwa granulowanego materiału wynosi natomiast zwykle ok. 25 cm. Czas granulacji w odniesieniu do nawozów wynosi 3-8 min.

Prócz tego są również stosowane mieszarki poziome, korytowe z miesza-dłami łopatkowymi i natryskiem różnego rodzaju cieczami w połączeniu z su-szeniem.

Do wytwarzania granul o małych rozmiarach 0,2-2 mm, o budowie nieregu-larnej są stosowane wysokoprędkościowe mieszalniki ścinające, zarówno

145

Rys. 11 .3 . Granulator stożkowy: l — bęben stożkowy, 2 - napęd, 3 —

surowiec, 4 - produkt

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

11.3. GRANULATORY CIŚNIENIOWE

W granulatorach ciśnieniowych do granulacji proszków są stosowane siły zewnętrzne w określonej przestrzeni zagęszczania i ściskania. Produkt ma postać tabletek, pastylek, brykietów lub wytłoczek. Siły ściskające deformują powierzchnię i modyfikują strukturę materiału. Jeśli deformacja zachodzi łatwo, to nie jest konieczny dodatek lepiszcza. Dla polepszenia deformacji, właściwości przepływowych i kohezyjnych oraz wytrzymałości aglomerowanych materiałów są stosowane dodatki substancji smarujących lub lepiszcza. Często jest stosowany dodatek anhydrytu. Do spowodowania aglomeracji ciśnieniowej jest stosowany nacisk tłoka, walców, ślimaków i innych elementów o specjalnych kształtach. Wielkość granul jest tu

niezależna od rozmiarów cząstek surowca. Podczas granulacji przez ściskanie dużych objętości proszków są stosowane walce gładkie lub profilowane, będące zasadniczym elementem roboczym tzw. brykieciarek (rys. 11.4). Aglomerowany proszek jest dozowany pomiędzy poziome walce, dociskane do siebie układem sprężyn lub hydraulicznie i obracające się w tym samym kierunku (rys. 11.5). Surowiec wciągany do szczeliny

lub wtłaczany (rys. 11.6) jest ściskany do grubości 1 -10 mm. Średnica walców wynosi 150-1000 mm, długość natomiast 50-700 mm. Wyciskanie materiału przez jeden lub wiele otworów jest stosowane w aglomerowaniu materiałów pastowatych, w prasach ślimakowych i ślimakowo-walcowych (rys. 11.6). Wyciskanie jest kombinowane z prasowaniem walcowym i zagniataniem, w przetwórstwie tworzyw sztucznych i materiałów ceramicznych.

Granulatory tłokowe, zwane tabletarkami umożliwiają wytwarzanie różnego kształtu tabletek. W tabletkowaniu bezpośrednim surowiec zmieszany z lepiszczem, lub innymi dodatkami, jest wytłaczany bezpośrednio. Poszczególne stadia tabletkowania przedstawia rys. 11.7. Tabletkarki o dużej wydajności,

146

Rys. 11.4. Typowy kształt powierz-chni bębna brykieciarki i brykietu

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

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

Produkt

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

147

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

i dolny, 5 - tabletka

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

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

11.4. GRANULATORY TERMICZNE

W granulatorach termicznych aglomeracja cząstek zachodzi w wyniku prze-nikania ciepła do zbiorowiska cząstek i wiąże się z następującymi zjawiskami:

— suszeniem substancji wiążącej, — łączeniem w wyniku nadtapiania, — reakcją chemiczną w wysokiej temperaturze, — zestalaniem się lub krystalizacją podczas chłodzenia.

148

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

11.5. GRANULATORY NATRYSKOWE I DYSPERSYJNE

W granulatorach natryskowych granulat otrzymuje się z cieczy, zawiesin lub stopów wprowadzanych do aparatu procesowego w postaci natrysku. Granulacja zachodzi w wyniku:

— krystalizacji rozpyłowej lub zestalania, — suszenia stężonej zawiesiny lub

wilgotnych cząstek ciała stałego. Granulacja jest prowadzona w su-

szarkach rozpytowych i fluidalnych oraz w wieżach granulacyjnych. Metoda jest szeroko stosowana w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, chemi-cznym, ceramicznym itp.

Do rozpylania wymienionych surowców jest stosowana duża liczba urządzeń rozpylających zapewniających rozpył, różniący się pod względem zarówno średniej średnicy kropel, jak i rozkładu ich rozmiarów.

Granulacja w wieżach granulacyjnych dotyczy zwykle substancji jednorodnych o określonej temperaturze topnienia i odbywa się ze stopów, stężonych roztworów lub zawiesin. Krople wytworzone ze stopu na szczycie wieży

Rys. 11.9. Wieża granulacyjna: l — urzą-dzenie zraszające, 2 - wieża, 3 - chłodnica

fluidalna, 4 - przenośnik produktu, 5 — gazy odlotowe

149

(rys. 11.9), opadając w przeciwprądzie w strumieniu zimnego powietrza zestalają się do kształtu kulistego.

Rys. 11 .10 . Urządzenia natryskowe w wieżach granulacyjnych: a) rozpryskiwacz statyczny; l — izolacja powietrzna, 2 — perforowana czasza; b) rozpryskiwacz wibracyjny; l - dystrybutor

cieczy, 2 — perforowana czasza, 3 — membrana, 4 — trzpień wibrujący; c) rozpryskiwacz odśrodkowy; l — przegrody, 2 — wal, 3 — stożek perforowany

Lepkość cieczy i wymagana średnica kropel w największym stopniu określają rodzaj urządzenia rozpylającego. Na przykład stopiony mocznik lub saletrę amonową, które mają małą lepkość, rozpyla się pod małym ciśnieniem przez proste otwory w rurach lub sitach umieszczonych na szczycie wieży (rys. ll.lOa). Szlamy i stopy o wysokiej lepkości, powyżej 100 (N-s)/m2 lub zawiesiny są rozpylane koszami wibracyjnymi, z odpowiednio dużymi otworami (rys. ll.lOb) lub rozpylaczami odśrodkowymi (rys. ll.lOc). Średnicę wieży określa strumień masy materiału granulowanego i niezbędny przepływ powietrza chłodzącego, bez nadmiernego unoszenia drobnych cząstek. Wysokość wież dochodzi do 60 m. Produkt — granulat — charakteryzuje się jednorodnością rozmiarów. Zastosowanie metody jest jednak ograniczone do substancji o wysokiej temperaturze topnienia i małym cieple krystalizacji. Koszt inwestycyjny jest duży, niski jest natomiast koszt eksploatacyjny. Istotny problem stanowi duży strumień unoszonych cząstek, wraz ze strumieniem gazów odlotowych i jego odpylanie.

Granulacja metodą suszenia rozpyłowego odbywa się w suszarkach roz-pyłowych przez rozpylanie zawiesiny (szlamu), koloidu lub roztworu do strumienia gazu suszącego w przepływie współprądowym lub przeciwprądowym

150

(rys. 1 1 . 1 1 ) . Do rozpylania są stosowane rozpylacze wirowe talerzowe, dysze hydrauliczne lub pneumatyczne. Rozpylacze wirowe i hydrauliczne dają rozpyl w postaci kropel o średnicy 80-500 µm, pneumatyczne 10-100 µm. W wyniku rozpyłu uzyskuje się dużą powierzchnię wymiany ciepła i masy, co pozwala suszyć materiały wrażliwe na podwyższoną temperaturę. Produkt stanowi drobny proszek o kształcie cząstek, zbliżony do kulistego, w którym zewnętrzna skorupa stanowi lepiszcze, rdzeń zaś surowiec. Produkt suszenia rozpyłowego jest często poddawany dalszej aglomeracji w granulatorach ciśnieniowych lub fluidalnych. Zagadnienia suszenia w szerszym zakresie omówiono w rozdz. 20.

Rys. 1 1 . 1 1 . Schemat instalacji suszenia — granulowania rozpyłowego: l — suszarka, 2 — po-

jemnik surowca, 3 — pompa dozująca, 4 — nagrzewnica, 5 — cyklon (filtr tkaninowy)

Granulacja fluidyzacyjna jest prowadzona w wielu rodzajach granulatorów fluidalnych. Wzrost rozmiarów cząstek (granul) jest związany z parametrami fluidyzacji i granulacji, spośród których wyróżnić można: procesowe, aparaturowe i parametry produktu. Schemat suszarki (granulatora fluidalnego) przedstawia rys. 11 .12. Parametry aparatury to m. in.: charakterystyka półki-dystrybutora gazu, kształt aparatu, położenie dyszy rozpylającej, ciśnienie, powiększenie skali aparatu. Typowe parametry procesowe są następujące: prędkość liniowa gazu u = (3-20)umf = 0,1-2,5 m/s; ekspansja złoża H/Hmf = 0,5-3,0; strumień cieczy zraszającej 0,005-1 kg/(m2-s); temperatura złoża 318-773 K; średnica złoża 0,1-8,0 m; początkowy rozmiar cząstek

151

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

Rys. 1 1 . 1 2 . Schemat granulatom fluidalnego z chłodzeniem produktu: l — złoże fluidalne -granulowane, 2 — chłodzenie produktu, 3 - pojemnik surowca, 4 - podawanie — dozowanie

surowca z zawracanym pyłem, 5 - roztwór (stop), 6 — powietrze do rozpylania, 7 - powietrze do fluidyzacji, 8 — cyklon (filtr)

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

152

11.6. GRANULACJA W CIECZY

Zwiększenie rozmiarów cząstek stałych może zachodzić w wyniku dodania: 1. Elektrolitu do zawiesiny i zmiany potencjału Zeta, co prowadzi do zwięk-

szenia możliwości zderzeń wzajemnych cząstek (dodatek flokulantów). 2. Niemieszającej się cieczy zwilżającej cząstki, które koagulują w postaci

sferycznych aglomeratów. Cząstki stałe w cieczy stanowią często zanieczyszczenia o bardzo małych

rozmiarach, trudne do wydzielenia z cieczy. Aglomeracja tych cząstek, realizo-wana przez dodatek flokulanta i mieszanie, prowadząca do wytworzenia tzw. flokuł, konglomeratów lub włókien, umożliwia wydzielenie ich z cieczy metodami klasycznymi, omówionymi w rozdz. 12.

11.7. DOBÓR METODY I APARATU DO GRANULACJI

Dobór metody granulacji i granulatora jest oparty w pierwszym rzędzie na adaptacji metody stosowanej dla materiału podobnego. Bardziej wnikliwe podejście wymaga ścisłego zdefiniowania problemu i obiektu granulacji, po czym są dobierane metody możliwe i porównywane według cech istotnych, które stanowią następujące właściwości:

1. Charakterystyka fizykochemiczna surowca. 2. Wymagana wydajność 3. Rozmiar i rozkład rozmiarów granulatu. 4. Kształt aglomeratów. 5. Wytrzymałość aglomeratów 6. Porowatość i gęstość granul. 7. Metoda granulacji sucha lub mokra. 8. Możliwość jednoczesnego prowadzenia innych procesów. 9. Ograniczenia lokalizacyjne. O ostatecznym doborze metody i instalacji granulacyjnej decyduje minimum

kosztów całkowitych projektu.

LITERATURA

[1] KLASSIEN P.W., GRISZAJEW I.G., Podstawy techniki granulacji, WNT, Warszawa 1989. [2] SHERRINGTON P.J., OLIVER R., Granulation, Heyden, London 1981. [3] Enlargement and Compaction of Paniculate Solids, Ed. Naylond G. Stanley-Wood, Butter-

worths, London 1983. [4] PlETSCH W., Size Enlargement by Agglomeration, John Willey & Sons, Chichester 1991. [5] KADAM KIRAN L., Granulation Technology for Byproducts, CRC Press, Boca Raton, Fl, 1992.

153

12. APARATURA DO ROZDZIELANIA CIEKłYCH UKŁADÓW NIEJEDNORODNYCH

12.1. WPROWADZENIE

Ciekły układ niejednorodny stanowi mieszaninę składającą się co> najmniej z dwóch faz, w której ciecz stanowi fazę ciągłą. Niejednorodność układu wynika z obecności w nim fazy rozproszonej (nieciągłej). Mieszaniny ciekłe niejednorodne to układy dwufazowe: ciecz—ciało stałe, ciecz—ciecz, ciecz—gaz i układ trójfazowy ciecz—ciało stałe—gaz.

W zależności od składu fazowego i stanu dynamicznego wymienionych układów są stosowane określenia: zawiesina, emulsja, piana. Każdy z układów charakteryzuje się stężeniem i rozmiarami cząstek fazy rozproszonej. W za-wiesinie cząstki stałe mają rozmiary >0,1 µm, w roztworze koloidalnym nato-miast poniżej 0,1 µm. Emulsja stanowi układ nie mieszających się cieczy, o różnym stężeniu i rozmiarach cząstek fazy rozproszonej. Piana stanowi układ dwufazowy ciecz—gaz, w którym pęcherzyki gazu są otoczone warstewkami cieczy i zamknięte w ich strukturze. Mimo że ułamek objętości zajmowany przez ciecz jest < 0,05 fazę ciągłą układu stanowi ciecz.

Rozdzielanie (separację) ciekłych układów prowadzi się metodami mechani-cznymi i termicznymi (rys. 12.1). W niniejszym rozdziale zostaną omówione metody mechaniczne, metody termiczne natomiast związane z doprowadzeniem energii do układu na sposób ciepła, dotyczą suszenia materiałów (rozdz. 20). Metody mechaniczne, w największym stopniu są stosowane do rozdzielania zawiesin w wyniku działania sił: ciężkości, ssania lub ciśnienia, odśrodkowych. Sposób rozdzielania zależy od stężenia, rozmiaru i natury cząstek, wielkości strumienia zawiesiny, preferencji odnośnie do produktów rozdzielania i stopnia ich czystości. Z natury działania wymienionych sił wynika podział metod roz-dzielania ciekłych układów niejednorodnych na sedymentacyjne i filtracyjne.

Rozdzielanie sedymentacyjne grawitacyjne prowadzi się w osadnikach (kla-rownikach), odśrodkowe natomiast w wirówkach sedymentacyjnych i hydrocy-klonach.

Filtrację prowadzi się w filtrach warstwowych, nuczach filtracyjnych, pra-sach filtracyjnych, filtrach próżniowych, filtrach dynamicznych i wirówkach filtracyjnych.

Do rozdzielania ciekłych układów niejednorodnych, zawierających cząstki submikronowe w niewielkich stężeniach, są stosowane specjalne metody roz-dzielania i specyficzna aparatura procesowa [2].

154

Rys. 12.1. Metody rozdzielania ciekłych mieszanin niejednorodnych

12.2. ODSTOJNIKI-KLAROWNIKI

Rozdzielanie w odstojnikach—klarownikach jest oparte na opadaniu cząstek stałych z prędkością zależną od ich rozmiaru i stężenia. W odstojnikach następuje wzrost stężenia względnie dużych cząstek w zawiesinie, w klarownikach natomiast z cieczy są wydzielane małe ilości cząstek, stanowiące jej zanie-czyszczenie i zasadniczy produkt rozdziału stanowi czysta ciecz.

Odstojniki stanowią zbiorniki o dużej powierzchni, wyposażone w mieszadła, zwykle grabiowe (rys. 12.2). W celu przyspieszenia sedymentacji niektórych cząstek (osadów) do zawiesiny są dodawane flokulanty lub koagulanty. Koagulanty, substancje nieorganiczne, neutralizują ładunki powierzchniowe na cząstkach, co umożliwia ich zderzenia i koagulację. Są stosowane związki glinu, chlorek i siarczan żelaza. Flokulanty — są to wielkocząsteczkowe związki organiczne lub polimery tworzące struktury sieciowe, plastrowe itp. Stanowią je m. in. poliakryloamidy i poliakrylany. Niekiedy oba specyfiki są dodawane jednocześnie. Koagulanty wymagają zazwyczaj więcej czasu do wytworzenia

Rys. 12.2. Odstojnik (osadnik): l - przelew cieczy klarownej, 2 — mieszadło

grabiowe

155

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

według którego szybkość opadania cząstek maleje wraz ze wzrostem ich stę-żenia.

Odstawanie lub klarowanie może być prowadzone okresowo lub w sposób ciągły. W warunkach przemysłowych dominują osadniki ciągłe. Podczas sedy-mantacji w odstojniku wyróżnić można trzy strefy. Surowiec jest podawany do strefy środkowej — wypadania. Ze strefy wypadania cząstki opadają do strefy dolnej, zagęszczania. Ciecz klarowna natomiast odpływa do strefy górnej, do przelewu. Wydajność odstojnika określa zdolność aparatu do zagęszczania za-wiesiny lub klarowania cieczy i jest proporcjonalna do pola jego powierzchni

gdzie mz — strumień masy zawiesiny, u — prędkość cieczy w odstojniku, pL —

gęstość cieczy, xl i x2 — stężenie ciała stałego w zawiesinie na wlocie i odpływie z odstojnika.

Wysokość odstojnika zależy od czasu przebywania cząstek w strefie zatę-żania. Wysokość pozostałych stref wynosi 0,6-1,0 m. Średnica odstojników kołowych, metalowych jest <25 m, betonowych natomiast dochodzi do 100 m. Dno odstojnika jest zwykle nieznacznie nachylone w kierunku odpływu. Zada-niem mieszadła grabiowego w odstojniku, które wykonuje 2,5-20 obr/min, jest zagęszczanie zawiesiny do stężenia 35-55% i wolne przesuwanie jej do odpływu. Dla lepszego wykorzystania miejsca są budowane odstojniki wielokomoro-we o małej wysokości, usytuowane jeden nad drugim.

Szybkość sedymentacji cząstek stałych z cieczy może być zwiększona kil-kakrotnie przez zainstalowanie w odstojnikach nachylonych półek pod kątem do 30-60°, które noszą wówczas nazwę lamelowych (rys. 12.3). Najbardziej rozpowszechnione są odstojniki lamelowe, przeciwprądowe, w których zawiesinę doprowadza się do środkowej części komory. Ciecz klarowna przepływa wówczas między płytami do przelewu górnego, a cząstki stałe, po sedymentacji, zsuwają się po płytach do komory dolnej, skąd są odprowadzane jako wylew. Przybliżoną liczbę płyt w odstojnikach lamelowych współ- i przeciwprądowych obliczyć można ze wzoru

156

gdzie h — odległość między płytami (25-100 mm), B —

szerokość płyt, a — kąt pochylenia płyt.

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

4 — mieszadło

Odstojniki są stosowane zarówno jako samodzielne aparaty do zagęszczania zawiesin, flotacji, oczyszczania biologicznego ścieków, jak i we współpracy z innymi aparatami procesowymi: reaktorami wielofazowymi, bioreaktorami, krystalizatorami i in.

Odstojniki dla układów ciecz-ciecz, zwane również separatorami, są sto-sowane m. in. w ekstrakcji i destylacji do rozdziału dwóch nie mieszających się cieczy, różniących się gęstością. Wymiary separatora są oparte na czasie przebywania mieszaniny, wymaganym do rozdziału faz. W celu uniknięcia po-rywania jednej fazy przez drugą, zwłaszcza w odniesieniu do cieczy separujących się wolno, jako separatory, są preferowane zbiorniki poziome, z zasilaniem i odpływem po przeciwnych stronach (rys. 12.4). Dla dobrego rozdziału istotna jest pozycja wzajemna obu przelewów.

Rys. 12.4. Separator nie mieszających się cieczy: l — przegroda, 2 — ciecz lżejsza, 3 — ciecz

cięższa, 4 — cieczowskaz

157

12.3. FILTRY

Filtry stanowią aparaty, w których na przegrodzie porowatej (filtracyjnej) odbywa się rozdział zawiesiny na: osad ciała stałego (placek) zatrzymywany na przegrodzie i ciecz przepływającą porami przegrody — filtrat (ciecz klarowna, przesącz).

Przegrody filtracyjne stanowi wiele materiałów w postaci warstw luźnych i zwartych oraz tkanin, stosowanych w różnych warunkach prowadzenia filtracji (tabl. 12.1).

T abe la 12.1 Przegrody filtracyjne

Rodzaj, postać Materiał

Tkaniny tkane Siatki Tkaniny filcowe Płyty filtracyjne Warstwy sztywne Warstwy sypkie

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

Podczas filtracji trudno rozdzielających się zawiesin, w celu zwiększenia szybkości filtracji i utworzenia porowatego placka są stosowane tzw. pomoce filtracyjne z materiałów ziarnistych, m. in. diatomit. Jako materiał obojętny, o nieregularnym kształcie ziaren, zapewnia on dużą sprawność filtracji i małą absorpcję składników cieczy.

Podczas przepływu zawiesiny (surówki filtracyjnej) przez filtr, w wyniku działania sił ssania i ciśnienia, wraz z czasem przebiegu filtracji warstwa osadu na powierzchni filtracyjnej zwiększa się. Zarówno przebieg filtracji, jak i usuwanie osadu, mogą przebiegać okresowo lub w sposób ciągły.

W filtracji okresowej prowadzonej w nuczach, prasach fitracyjnych ramo-wych i płytowych (komorowych) filtracja jest prowadzona do czasu wytwo-rzenia placka odpowiedniej grubości.

W filtracji ciągłej rozdzielanie odbywa się na powierzchni porowatego bębna cylindrycznego, tarczy lub taśmy tak, że w sposób ciągły są odbierane osad ciała stałego i filtrat.

Nucze stanowią najprostszy typ filtru okresowego. Jest to zbiornik, zwykle cylindryczny z perforowanym dnem, na którym znajduje się przegroda filtracyjna w postaci warstwy ziarnistej lub tkaniny. Filtry z warstwą ziarnistą są stosowane do filtracji zawiesin rozcieńczonych — klarowania cieczy. Filtracja w nuczach z tkaniną filtracyjną może przebiegać pod ciśnieniem słupa zawiesiny, pod ciśnieniem zwiększonym lub próżnią w aparatach zamkniętych. Nucze, z racji małej powierzchni filtracji, do 5 m2 są stosowane do filtracji małych objętości zawiesin.

158

Rys. 12.5. Schemat prasy filtracyjnej ramowo-płytowej: l - ramy filtracyjne, 2 - płyty filtracyjne, 3 —

tkanina filtracyjna, 4 — osad (placek filtracyjny)

Filtr, zwany prasą filtracyjną (rys. 12.5) składa się z szeregu płyt i ram, sąsiadujących na przemian ze sobą, opartych na belkach wspornikowych. Po-między stykającymi się powierzchniami płyt i ram jest umieszczona tkaninowa przegroda filtracyjna. Wymieniony zestaw jest zaciśnięty pomiędzy nieruchomą głowicą a ruchomą, przesuwną płytą za pomocą śruby dociskowej lub docisk jest wykonywany hydraulicznie. Ramy i płyty posiadają w narożach lub w pobliżu krawędzi, na osi, otwory, które, po dociśnięciu ram i płyt, tworzą wzdłuż prasy kanały do przepływu zawiesiny, cieczy klarownej i cieczy myjącej. Ramy posiadają również otwory, które łączą jej wnętrze z kanałem doprowadzającym zawiesinę. Ramy są obciągnięte tkaniną. Płyty na powierzchni kontaktu z tkaniną filtracyjną mają pionowe nacięcia rowkowe i otwory, przez które przesącz odpływa do kanału zbiorczego. Podczas filtracji stopniowo wzrasta warstwa osadu w przestrzeni ram i opór dla przepływu filtratu, natomiast objętość strumienia filtratu maleje. Gdy opór filtracji osiągnie wartość zadaną, wstrzymuje się wtedy dopływ surówki i osad przemywa się, zachowując ten sam kierunek przepływu cieczy myjącej lub stosuje przeciwprąd. Po myciu rozsuwa się płyty i ramy i osad z ram wypada do zbiornika umieszczonego pod prasą lub jest usuwany ręcznie albo mechanicznie.

Do filtrowania zawiesin rozcieńczonych w podwyższonej temperaturze są stosowane filtry ramowe i tarczowe ciśnieniowe (rys. 12.6). Zestaw ram lub tarcz obciągniętych tkaniną filtracyjną, które posiadają kanały odpływowe dla cieczy klarownej jest umieszczony w komorze ciśnieniowej. Zawiesina, poda-wana do korpusu pod ciśnieniem 1-2 MPa jest filtrowana na ramach i płytach do chwili spadku ciśnienia cieczy do dopuszczalnego poziomu. Następny etap to mycie placka i przedmuchiwanie osadu powietrzem sprężonym, gdy jest to konieczne. Po otwarciu pokryw zestaw ram lub płyt, które są umieszczone na konstrukcji jezdnej rolkowej, wysuwa się na zewnątrz i usuwa osad z ram.

159

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

Rys. 12.6. Filtry ciśnieniowe: a) ramowe, b) tarczowe; l - elementy filtrujące, 2 — odpowietrzenie, 3

— korpus ciśnieniowy filtru

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

Rys. 12.7. Zasada działania prasy wyciskającej: l — komora filtracyjna, 2 — przegroda filtracyjna, 3

— membrana elastyczna

W prasach płytowych uszczelnienie pomiędzy płytami zapewniają uszczelki kauczukowe wprasowane na stałe do płyt. Zestaw płyt jest zaciskany pod ciśnieniem do 2 MPa. Po wytworzeniu placka i otwarciu filtru, placek przywiera do płyt i jest usuwany zgarniakami lub wypychany działaniem sprężone-

160

go powietrza na elastyczną tkaninę (rys. 12.8). Prasy tego rodzaju o powierzchni filtracji do 20 m3 są w pełni zautomatyzowane.

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

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

hydraulicznie

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

161

cię placka. Ostatni etap — to wysunięcie na zewnątrz cylindra wewnętrznego i usunięcie placka ręcznie lub sprężonym powietrzem. Filtry posiadają po-wierzchnię filtracyjną o wymiarach od dziesiątych części metra kwadratowego w filtrach laboratoryjnych do ok. 6 m2 w filtrach zautomatyzowanych; grubość placka wynosi 25-65 mm, ciśnienie natomiast do 1,5 MPa. Są one stosowane do filtracji zawiesin o stężeniu >20% zawierających barwniki, kaolin, gips, dwutlenek tytanu i itp.

W prasach taśmowych, tzw. wyżymających (rys. 12.10) filtracja biegnie w sposób ciągły i stanowi kombinację tzw. odsiączania grawitacyjnego i ściskania mechanicznego zagęszczanej zawiesiny, w komorze o zmiennym przekroju. Filtr zawiera dwie pochylone do pionu taśmy filtracyjne, opięte na bębnach i wprawiane przez nie w ruch w kierunku do dołu. W trakcie przesuwania się w dół zachodzi filtracja i zagęszczanie zawiesiny; tworzący się placek jest ściskany ciśnieniem do 0,25 MPa, do momentu wyładowania na dole filtru. Filtry są stosowane do odwadniania celulozy, szlamów ceramicznych, węgla i itp.

Filtr bębnowy próżniowy (rys. 1 2 . 1 1 ) stanowi perforowany bęben usytuowany poziomo, podzielony na komory i sekcje w liczbie 4-30 i zanurzony w wannie (korycie) z zawiesiną. Bęben jest obciągnięty tkaniną filtracyjną i obraca się wraz z pustym wałem osadzonym w dwóch łożyskach ślizgowych, przymocowanych do podstawy filtru. Napęd poprzez przekładnię zębatą

następuje z jednego końca wału, z drugiej strony natomiast wał jest zakończony głowicą w której znajdują się otwory połączone przewodami poprzez pusty wał z odpowiednimi komorami. Głowica ruchoma styka się z głowicą nieruchomą przymocowaną do podstawy, konstrukcji nośnej filtru. Powierzchnia kontaktu głowic jest szlifowana i zapewnia szczelność połączenia. Głowica nieruchoma posiada kilka wycięć w kształcie łuków, podłączonych do źródła próżni i jedno lub dwa z powietrzem sprężonym. Celem zapobieżenia sedymentacji cząstek zawiesiny w wannie (korycie) jest ona mieszana, mieszadłem ramieniowo-wahliwym. W trakcie obrotu bębna z prędkością do 40 obr/min, na powierzchni tkaniny gromadzi się placek filtracyjny. Po wynurzeniu się bębna z zawiesiny, dzięki połączeniu z próżnią, następuje dalsze odwadnianie osadu, mycie osadu (jeśli jest to konieczne) i odwadnianie przez ściskanie specjalnymi wałkami. W ostatniej fazie następuje przedmuch tkaniny i osadu sprężonym powietrzem, co ułatwia zbieranie osadu nożem i jednocześnie jest oczyszczana tkanina. Sposób zbierania placka zależy od postaci osadu; osady bezpostaciowe, typu past, są odbierane po przejściu taśmy

Rys. 12.10. Prasa taśmowa, wyżymająca: l — bębny na-pędowe, 2 — taśma filtra-

cyjna

162

przez podgrzewany bęben, gdzie po wysuszeniu, podczas zmiany kierunku taśmy, osad kruszy się i odpada z tkaniny. Filtrat, odciągany z poszczególnych sekcji bębna przewodami próżni, zbiera się w zbiorniku, umieszczonym przed pompą próżniową. Średnica bębnów filtracyjnych wynosi 0,4-3 m, długość 0,35-2,5 m, powierzchnia filtracyjna 0,5-20 m2. W celu formowania jednorodnego placka i usuwania go wtedy, gdy ma minimalną grubość, a także właściwego przedmuchiwania sprężonym powietrzem, filtr powinien posiadać jak największą liczbę komór oraz krótkie rury do przepływu filtratu. Wymienione warunki zapewniają nieduży spadek ciśnienia i duży przepływ filtratu. W filtrach bębnowych próżniowych zamiast klasycznej tkaniny są stosowane również membrany [2], [3]. Redukuje to praktycznie do zera zasysanie powietrza przez filtr i zapewnia całkowicie czysty filtrat. Zakres stosowania filtrów bębnowych próżniowych jest najbardziej uniwersalny; są one stosowane do filtrowania stosunkowo dużych strumieni objętości zawiesin, przy znacznym ich stężeniu, gdy istnieje konieczność otrzymania dobrze wymytego i wysuszonego osadu i klarownego przesączu. Filtry bębnowe próżniowe są stosowane w przemyśle chemicznym, przetwórstwie tworzyw sztucznych i gumy, oczyszczaniu ścieków, wód przemysłowych itp.

Rys. 1 2 . 1 1 . Filtr bębnowy próżniowy: l — bęben perforowany, 2 — głowica rozdzielcza, 3 -

taśma filtracyjna, 4 - skrobak, 5 - mieszadło

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

163

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

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

Filtr taśmowy (rys. 12.13) stanowi taśma filtracyjna, spoczywająca na górnej, nośnej, perforowanej taśmie przenośnika taśmowego. Taśma filtracyjna opasuje bębny przenośnika i wałki napinające. Górna część taśmy przesuwa się po rynnie metalowej, podzielonej na wiele komór, które są połączone ze źródłem próżni. Zawiesina podawana na przesuwającą się taśmę z tkaniną filtracyjną pod komorami z próżnią podlega filtracji tak, że osad pozostaje na tkaninie, ciecz natomiast przepływa porami tkaniny i jest odprowadzana na zewnątrz, do zbiornika filtratu. Na dalszych odcinku taśmy następuje mycie osadu i ewentualne podsuszanie powietrzem sprężonym, po czym podczas zmiany kierunku osad odpada od taśmy.

Filtr talerzowy stanowi poziomą tarczę o podwójnym dnie, z których dno górne jest perforowane i pokryte przegrodą filtracyjną. Przestrzeń pomiędzy górnym a dolnym dnem jest podzielona przegrodami na wiele trójkątnych seg-

164

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

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

8 — dopływ cieczy do mycia taśmy

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

Rys. 12.14. Schemat filtracji krzyżowej — dynamicznej w płaskim kanale: l - przegroda filtracyjna

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

165

zależą od specyfiki zastosowania. W filtracji okresowej dana objętość rozcień-czonej zawiesiny jest recyrkulowana przez zbiornik surówki i filtr, do czasu uzyskania pożądanego wyższego stężenia. W filtracji ciągłej zatężona zawiesina nie jest recyrkulowana do zbiornika surówki. Filtracja ciągła jest stosowana

wówczas, gdy duży strumień zawiesiny jest zatężany. W celu uzyskania dużego stężenia końcowego stosuje się układ szeregowy modułów. W filtrach dynami-cznych z nieruchomymi powierzchniami filtracyjnymi i wirującymi dyskami (rys. 12.16), duże siły ścinające wytwarzają dyski, wirujące z prędkością obrotową 2,5-5,0 m/s. Filtry dynamiczne zużywają mniej energii, wymagają mniejszej przestrzeni instalacyjnej, są prostsze w obsłudze. Są

stosowane do zatężania zawiesin i do klarowania cieczy w procesach oczyszczania wód i ścieków, w produkcji pigmentów barwników i itp.

Rys. 12.16. Filtr dynamiczny wielostopniowy: l — łopatki wirników, 2 — przegrody filtracyjne,

3 - wał

12.4. WIRÓWKI

Rozdzielanie zawiesin i emulsji w wyniku działania sił odśrodkowych prowadzi się w wirówkach sedymentacyjnych i filtracyjnych. W wirówkach filtra-

166

Rys. 12.15. Filtracja dynamiczna z wirującą powierzchnią filtracyjną: l — przegroda

filtracyjna

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

gdzie D — średnica bębna [m], n — liczba obrotów bębna [obr/min].

Współczynnik Z wynosi dla wirówek: filtracyjnych 300-1500, sedymenta-cyjnych śrubowych 2000-5000, sedymentacyjnych rurowych 15-50 tyś., tale-rzowych 5-90 tyś., ultrawirówek > 100 tyś.

Parametr ścinania σ określa dopuszczalne naprężenie w bębnie wirówki dla danej średnicy i prędkości wirowania

Z zależności tej wynika, że duże wartości Z uzyskać można tylko w bęb-nach wirówek o małej średnicy.

12.4.1. WIRÓWKI SEDYMENTACYJNE

Wirówkę sedymentacyjną (rys. 12.17) stanowi pełny, nie perforowany bęben, do którego jest podawana zawiesina w sposób okresowy, jako porcja objętości lub strumień zawiesiny. W wyniku wirowania bębna następuje rozdział mieszaniny i ciecz klarowna odpływa z wirówki rurą ssącą lub przez próg przelewowy. Cząstki ciała stałego osiadają na ścianie bębna i są okresowo usuwane lub w sposób ciągły, zależnie od rodzaju wirówki. Sprawność rozdziału zależy od zawartości w mieszaninie cząstek najmniejszych rozmiarów.

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

167

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

gdzie ut — prędkość opadania ziarna granicznego —

S — współczynnik określany jako powierzchnia osadzania —

odpowiadająca teoretycznie powierzchni od-

stojnika o takiej samej sprawności rozdziału (separacji). Typowe wartości współczynnika S (w m2) dla wirówek sedymentacyjnych wynoszą:

— bębnowa okresowa 20-200, — ślimakowa 150-2500, — rurowa 2000-3000; duże prędkości obrotowe, mała powierzchnia osa-

dzania, — talerzowa 400-120000; duża powierzchnia osadzania i duże prędkości

obrotowe. Wydajność objętościowa VL odpowiada przepływowi zawiesiny, ponad którym

cząstki dp50 nie będą sedymentowały. Sedymentacja będzie zachodzić wtedy, gdy przepływ będzie mniejszy niż VL. Wirówki rurowe, do których zalicza się również ultrawirówki, pracują zwykle okresowo i w niewielkim stopniu jako ciągłe. Są stosowane do rozdzielania strumieni zawiesin i emulsji w zakresie 0,4-4 m3/h, głównie do klarowania cieczy, gdy stężenia cząstek stałych są małe, < 1% obj.

Wirówki bębnowe (rys. 12.17b) mają mniejszy stosunek L /D ~ 0,6 i mniejszą sprawność rozdziału. Pracują w pozycji pionowej z prędkościami 450-3500 obr/min. Surówka jest podawana od góry w pobliże dna, strumumie-niem 6-10 m3/h. Podczas wirowania bębna cząstki ciała stałego zbierają się na jego powierzchni bocznej, ciecz klarowna natomiast w sposób ciągły przelewa się przez przegrodę pierścieniową lub jest odciągana, odsysana przewodem rurowym, gdy są rozdzielane ciecze nie mieszające się. Sposób wyładowania ciała stałego określają jego właściwości tak, że osady miękkie i plastyczne są zbierane zgarniakiem nożowym podczas prędkości nominalnej bębna, gdy są natomiast twarde i włókniste — podczas prędkości zmniejszonej.

Wirówki bębnowe ze ślimakowym wyładowaniem osadu są konstruowane jako pionowe lub poziome, z bębnem cylindrycznym lub cylindryczno-stoż-

168

Rys. 12.18. Wirówka sedymentacyjna ślimakowa: l — bęben cylindryczno-stożkowy, 2 — pusty

wał, 3 - zwoje ślimaka

Ślimak obraca się w tym samym kierunku co bęben, lecz z szybkością mniejszą lub większą tak, że różnica szybkości wynosi 5-100 obr/min. Obroty bębna wirówki wynoszą 1600-6000 obr/min. Surówka jest podawana osiowo pustym wałem ślimaka, wypływa przez otwory w ślimaku i jest odrzucana na ścianki wirującego bębna Ciało stałe, wydzielone pod wpływem działania siły odśrodkowej jest zbierane ze ściany bębna ślimakiem i przenoszone do części stożkowej bębna ponad poziom cieczy. Poziom cieczy jest utrzymywany przelewem cieczy klarownej po przeciwnej stronie bębna. W wirówkach ślimakowych są wydzielane cząstki > 2 µm ο prędkości opadania ut -- (1,5-15)10- 6 m/s ze strumienia surówki 0,4-60 m3/h, przy stężeniu cząstek 2-50% obj Wilgotność otrzymanego osadu wynosi 5-10%. Wirówki ślimakowe są stosowane do odwadniania stężonych zawiesin, gdy zmniejszenie objętości jest istotne. W przemyśle są stosowane do odzysku kryształów i polimerów, rozdzielania szlamów przemysłowych i komunalnych, odwadniania PCV, klasyfikacji kaolinu, dwutlenku tytanu i itp.

Wirówki sedymentacyjne wielokomorowe (rys. 12.19) posiadają bęben pionowy podzielony na koncentryczne komory. Surówka przepływa stopniowo przez komory z coraz większym przyspieszeniem. Duże przyspieszenie odśrod-kowe i znaczny czas przebywania zapewniają dużą sprawność rozdziału, również w odniesieniu do cząstek mikronowych. Ze względu na trudności z usuwaniem osadu, jego stężenie w surówce nie przekracza 4-5% obj. Bęben o średnicy 300-600 mm wiruje z prędkością 4500-8500 obr/min, przy wydajności odniesionej do surówki 2,5-10 m3/h. Wirówki są stosowane do klarowania piwa, wina, soków, oczyszczania olejów i lakierów i itp.

Wirówki talerzowe (rys. 12.20) zawierają szereg stożkowych dysków, na których zachodzi rozdział ciekłego układu niejednorodnego, w wyniku zwięk-szonej szybkości sedymentacji z wielu równoległych warstw, na dużej powierzchni separacji. Surówka jest podawana osiowo, od góry przez wydrążony wał

169

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

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

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

Rys. 12.20. Wirówka tale-rzowa: l — wał pusty, 2 —

talerze

Rys. 12.21. Wirówka talerzowa dy-szowa: l - talerze stożkowe, 2 —

dysze

cięższa mieszaniny) osiadają na powierzchni talerzy, po czym zsuwają się do obwodu i ściany bębna. Przepływając dalej do odpływu znajdującego się w górnej części wirówki, składniki lżejsze odpływać oędą w pobliżu osi wirowania, cięższe natomiast wzdłuż ścianki bębna. Nachylenie talerzy wynosi 35-50°. Bęben wiruje z prędkością do 12 tyś. obr/min, zależnie od średnicy wynoszącej 0,15-1,0 m. Wydzielane mogą być cząstki o prędkości opadania ut ≈ 8·10-8 m/s, przy stężeniu ≤ 15% obj. ze strumienia surówki do 100 m3/h. Wirówki talerzowe są najczęściej stosowane do rozdzielania emulsji. Ciągłe wyładowywanie osadu (szlamu) podczas rozdzielania układu trójfazowego ciecz—ciecz—ciało stałe jest możliwe w wirówce talerzowej, tzw. dyszowej (rys. 12.21), gdzie przestrzeń gromadzenia się szlamu ma kształt stożka obroto-

170

wego. Liczba dysz i ich rozmiar, umieszczanych w wierzchołku stożka, są do-bierane tak, by w bębnie nie tworzył się placek. Dysze o średnicy otworów 0,75-2 mm w liczbie 12-24 zapewniają wypływ zawiesiny (szlamu) o stężeniu 5-50%. Wirówki znajdują zastosowanie w rozdzielaniu smół, oczyszczaniu, klarowaniu kwasu fosforowego (H3PO4), odwadnianiu kaolinu i itp.

12.4.2. WIRÓWKI FILTRACYJNE

Wirówki filtracyjne posiadają bębny, których ściany boczne są wykonane z blachy perforowanej i od wewnątrz pokryte tkaniną filtracyjną. W wyniku wirowania cząstki ciała stałego z zawiesiny gromadzą się na tkaninie, ciecz natomiast przepływa porami gromadzącej się warstwy osadu i tkaniny i jest odprowadzana na zewnątrz. Zasadniczym parametrem filtracji jest tu, oprócz wielkości siły odśrodkowej, przepuszczalność placka filtracyjnego. Wirówki filtracyjne są dlatego zasadniczo stosowane do rozdzielania zawiesin tworzących dobrze przepuszczalne osady. Istotnymi wielkościami do stosowania wirówek filtracyjnych są stężenie zawiesiny i rozmiary cząstek. Istnieje kilka konstrukcji wirówek przystosowanych do pracy okresowej lub ciągłej, różniących się m. in. położeniem wału wirówki (pionowe lub poziome), sposobem wyładowywania osadu.

Wirówki okresowe różnią się głównie sposobem wyładowywania osadu, który może odbywać się ręcznie, automatycznie według określonego programu czasowego lub w układzie mieszanym.

• Wirówka okresowa (rys. 12.22) posiada bęben osadzony na pionowym wale napędzanym od góry lub dołu, umieszczony w obudowie zakrytej od góry pokrywą. Określona objętość zawiesiny jest wlewana do bębna ręcznie lub przewodem zasilającym. W trakcie wirowania filtrat odpływa kanałem dolnym obudowy. W odwirowaniu osad może być przemywany. Po zatrzymaniu wirówki osad zebrany na ścianie bocznej worka filtracyjnego zgarnia się ręcznie.

W wirówkach o działaniu półciągłym, ma-jących bęben osadzony na poziomym wale (rys. 12.23), po wytworzeniu się odpowiednio grubej warstwy osadu dopływ zawiesiny zostaje zatrzymany i jeśli to konieczne, uruchamia się

Rys. 12.22. Wirówka filtracyjna okresowa: l — obudowa wirówki,

2 — bęben, 3 — wał napędowy

Rys. 12.23. Wirówka filtracyjna z wałem poziomym o działaniu pół-ciągłym: l - pług zbierający,

2 - podajnik ślimakowy

171

przepływ cieczy myjącej. Po przemyciu osadu, w czasie zwolnionych obrotów bębna, nóż lub pług zbierający, dosunięte do powierzchni tkaniny zbierają osad, który spada do przenośnika ślimakowego lub nachylonej rynny i jest odprowadzany na zewnątrz. Po zebraniu osadu urządzenie zbierające jest odsu-wane od powierzchni filtracyjnej i po zwiększeniu obrotów wirówki do nomi-nalnych uruchamia się znowu zasilanie zawiesiną, i cykl się powtarza. Wymie-nione czynności mogą być zaprogramowane i wykonywane automatycznie.

Wirówki filtracyjne pracujące w sposób ciągły są zasilane ciągłym stru-mieniem zawiesiny. Również w sposób ciągły jest odbierany filtrat i osad z wi-rującego bębna. Wyładowanie osadu odbywać się może za pomocą pulsującego tłoka, ślimaka lub w wyniku wibracji bębna.

Rys. 12.24. Wirówka filtracyjna z pulsującym tłokiem: l — talerz stożkowy, 2 - tłok zgarniający -

pulsujący

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

172

Bęben w tyrp wypadku stanowi zespół trzech lub czterech współśrodkowych, perforowanych cylindrów, o zwiększającej się średnicy. • W wirówkach ślimakowych bęben ma kształt stożka, osad natomiast jest wyładowywany ślimakiem stożkowym. Wirówki ślimakowe są konstruowane z wałem poziomym i pionowym. W wirówce z wałem pionowym, zawiesina jest podawana od góry na wirujący ślimak, skąd jest odrzucana na wewnętrzną powierzchnię stożkowego perforowanego bębna. Ciecz przepływa przez przegrodę filtracyjną i jest odprowadzana na zewnątrz jako filtrat, osad natomiast, przesuwany ślimakiem obracającym się z inną prędkością niż bęben, opada do pojemnika ciała stałego. Wadą tego sposobu wyładowywania osadu jest erozja bębna wirówki. Wirówki są stosowane do odwadniania koncentratów flotacyjnych, zawiesin kryształów itp.

Wirówki wibracyjne (rys. 12.26) są stosowane do rozdzielania zawiesin zawierających cząstki o dużych rozmiarach. Bęben wirówki ma kształt stożka

rozszerzającego się ku górze. Wykonuje on ruch obrotowy i dodatkowy ruch drgający w pionie, zwykle wywołany mechanizmem mimośrodowym. Surówka jest podawana na górę stożka wewnętrznego, skąd spływa do dolnej części bębna i przepływa po jego powierzchni do góry, podlegając jednocześnie filtracji. Szybkie drgania bębna wprowa- dzają tworzącą się warstwę osadu w stan pseudoplastyczny, w którym zmniejsza się tarcie pomiędzy ziarnami

i powierzchnią drgającą bębna, co ułatwia filtrację i jednocześnie, dzięki rozwarciu stożka, osad przesuwa się do góry, skąd opada do szczeliny pierście-niowej pomiędzy bębnem i obudową. Istnieją również konstrukcje wirówek wibracyjnych z wałem poziomym. Wirówki wibracyjne charakteryzują się mniejszymi szybkościami wirowania bębnów w porównaniu z innymi, do osiągnięcia tego samego celu rozdzielania i dużą trwałością przegród filtra-cyjnych.

Rys. 12.25. Wirówka filtracyjna z pulsującym tłokiem, trójstopniowa: l — tłok zgarniający,

2 — bębny — stopnie

Rys. 12.26. Wirówka wibracyjna: l —obudowa, 2 - bęben, 3 — koło napędowe, 4 - wibrator

173

12.4.3. DOBÓR WIRÓWEK

Dobór i stosowanie wirówek wynika z przesłanek technologicznych, eko-nomiki procesu lub ochrony środowiska, gdy m. in. są wymagane:

— ciągłość rozdziału i automatyzacja procesu, — wysoki stopień rozdziału cząstek o małych rozmiarach, niezależny od

warstwy zebranego osadu, — duża szybkość rozdzielania cieczy o małej objętości zawiesiny, — montaż na bardzo ograniczonej przestrzeni, — rozdzielanie mieszanin niebezpiecznych dla środowiska.

12.5. HYDROCYKLONY

Hydrocyklon stanowi aparat, w którym korzysta się z działania sił odśrod-kowych w celu wydzielenia cząstek stałych z cieczy. Dzięki dużym przyspie-szeniom odśrodkowym w hydrocyklonach jest możliwe uzyskanie współczyn-ników uwielokrotnienia rzędu 500-25 000, co umożliwia wydzielanie cząstek w zakresie 3-250 µm.

Hydrocyklon (rys. 12.27) składa się z części górnej cylindrycznej i dolnej stożkowej oraz tzw. dysz — wlotowej, wylotowej (przelotowej) i wylewowej. Zawiesinę wprowadza się stycznie do części cylindrycznej dyszą wlotową pod

ciśnieniem 0,1-0,5 MPa. To powoduje wytworzenie wewnątrz hydrocyklonu wiru, tzw. pierwotnego, który przesuwa się do wierzchołka części stożkowej i z którego następuje zasadnicze wydzielanie cząstek ciała stałego. Cząstki o większych rozmiarach i większej bezwładności, siłą odśrodkową są skierowane ku ścianie i jednocześnie poruszając się w dół opuszczają hydrocyklon dyszą wylewową, jako zatężona zawiesina. Na skutek dławienia wypływu na dyszy wylewowej wir pierwotny zmienia kierunek i w postaci wiru wtórnego przepływa ku górze, do dyszy wylotowej. Drobne cząstki odrzucone z wiru wtórnego są porywane przez wir pierwotny i kierowane z powrotem do wylewu, co zwiększa efekt rozdzielania.

Konstrukcja hydrocyklonu, zwłaszcza wymiary zasadnicze i materiał konstrukcyjny są zależne od jego przeznaczenia i właściwości fizykochemicznych rozdzielanej zawiesiny. Hydrocyklony, mimo prostoty

konstrukcji, są urządzeniami o złożonym sposobie działania i wymagają stabilnych warunków pracy. Średnice hydrocyklonów wynoszą 20-500 mm, przy czym im mniejsza średnica, tym większa zdolność rozdzielcza cząstek o małych rozmiarach.

Rys. 12.27. Hydrocyklon: l — wir pierwotny, 2 — wir

wtórny

174

DoAvydzielenia cząstek ó małych rozmiarach z dużego strumienia zawiesiny stosuje się układy równoległe hydrocyklonów, umieszczone we wspólnej komorze, zwane multihydrocyklonami Liczba pojedynczych hydrocyklonów zależy od strumienia i rodzaju zawiesiny i może dochodzić do kilkudziesięciu, ich średnica natomiast od kilku do kilkudziesięciu milimetrów.

Hydrocyklony są stosowane do wstępnego zagęszczania zawiesin kierowanych do rozdzielania w filtrach bębnowych i wirówkach, w procesach ługowania, krystalizacji itp.

12.6. SPECJALNE METODY ROZDZIELANIA

Wiele ciekłych układów niejednorodnych nie można rozdzielić metodami klasycznymi, zwłaszcza gdy zawierają one cząstki sub- i mikronowe, o gęstości zbliżonej do cieczy, cząstki tworzące żele, gdy ciecz ma dużą lepkość i w wielu innych przypadkach. Najistotniejszą grupę aparatów do rozdzielania tego rodzaju układów, stanowią filtry membranowe, w których przegrody filtracyjne (membrany) są zbudowane z następujących materiałów:

— wysokocząsteczkowych polimerów, — mikroporowatych materiałów ceramicznych, — mikroporowatych filtrów metalowych m. in. ze stali kwasoodpornych. Mają

one postać płyt (arkuszy) lub rur (cylindrów). Membrany, w zależności od średnicy porów, dzielą się na porowate — 0,005-1 µm, mikroporowate — 0,001-0,005 µm i nieporowate, o porach mniejszych niż 0,001 µm, które stanowią raczej strukturę niż otwory (pory).

Membrany osadzone w odpowiednich oprawkach, ramkach, pierścieniach są umieszczone pojedynczo lub jako zestaw w korpusie, obudowie filtru. Roz-dzielanie prowadzi się tu metodą filtracji krzyżowej, stosowanej w filtracji dynamicznej. Wzrost placka na powierzchni jest ograniczony, w wyniku prze-pływu zawiesiny przez porowatą membranę z dużą prędkością. Przez pory przepływa filtrat (permeat) a znad powierzchni filtru (membrany) odpływa ciecz zatężona.

W zależności od rodzaju i wielkości cząstek (cząsteczek) rozdzielanego układu są stosowane odpowiednie membrany i sposoby filtracji [4], np.:

— mikrofiltracja prowadzona na membranach o dużej średnicy porów do separacji z cieczy cząstek o średnicy 0,02-10 µm, przy różnicy ciśnień 0,1- -0,5 MPa, stosowana w medycynie, przemyśle spożywczym, wytwarzaniu ma-teriałów dla elektroniki, oczyszczaniu wody itp,

— ultrafiltracja stosowana do separacji cząstek o średnicy ok. 0,005- -0,01 µm, w medycynie i w mikrobiologii, przemyśle farmaceutycznym, do oczyszczania napojów, separacji i zatężania produktów mlecznych, odzysku barwników, otrzymywania superczystej wody itp.

175

Innymi specjalnymi metodami rozdzielania na membranach są następujące: — osmoza odwracalna (rewersyjna) stosowana do rozdzielania roztworów o

różnych stężeniach, — dializa, oparta na wędrówce substancji ciekłej przez membranę, na skutek

gradientu stężenia, — elektrodializa, elektrolity są przenoszone przez membranę na skutek

różnicy potencjału elektrycznego, — odparowanie membranowe, składniki lotne z cieczy organicznej są

przenoszone przez membranę i odparowują do przepływającego gazu nośnego lub na skutek obniżenia ciśnienia,

— separacja membranowa gazów, prowadzona na membranach nieporo-watych, oparta jest na rozpuszczaniu gazu w membranie, dyfuzji i desorpcji.

Separatory magnetyczne, zwane magnetyzatorami są stosowane do usu-wania z wody i innych płynów roboczych cząstek ferromagnetyków, zatężania rud magnetycznych itp. Filtr stanowi zbiornik zawierający wypełnienie magnetyczne, otoczone na zewnątrz uzwojeniem elektromagnesu. Po przyłożeniu pola elektromagnetycznego, wypełnienie w postaci kulek lub włókien przyciąga tlenki metali (również produkty korozji) o średnicy 0,05-1 µm, znajdujące się w strumiemiu cieczy. Sprawność separacji zależy od wielkości siły pola magnetycznego, przyłożonego do strumienia zawiesiny i rodzaju materiału cząstek. Wynosi ona np. dla magnetytu >90%, miedzi ok. 50%.

12.7. DOBÓR FILTRU

W celu doboru filtru niezbędna jest analiza następujących danych: — rodzaju i właściwości zawiesiny i tworzonego placka, — stężenia zawiesiny, — właściwości fizykochemicznych cieczy, — wymaganej wydajności, — mycia osadu, obecności zanieczyszczeń, suszenia, — istotności rozdziału: osad, ciecz, czy oba produkty są istotne. W analizie należy uwzględnić ponadto, że: — szybkość tworzenia się placka na tkaninie filtracyjnej wynosi pode/.as

filtracji szybkiej — 0,1-10 cm/s, średniej — 0,1-10 cm/min, wolnej — 0,i--10 cm/h,

— filtracja nie może być prowadzona w sposób ciągły, jeżeli placek o gru-bości > 3 mm nie tworzy się w ciągu 5 min.,

— filtracja szybka odbywa się na filtrze taśmowym bębnowym, zasilanym od góry i w wirówkach wypychających,

— filtracja o średniej szybkości odbywa się w filtrach bębnowych i tarczo-wych, wirówkach zbierających (nożowych),

176

i

— filtracja wolna odbywa się w filtrach ciśnieniowych i wirówkach sedy-mentacyjnych.

Do wyboru określonej konstrukcji filtru pomocne mogą być prace [1 ] , [3], a także normy branżowe [5J-[7].

LITERATURA

[1] Filters and t-ilnation Handbook. 3rd Ed., Ed. Ch. Dickenson, Elsevier Sci. Publ., Oxford 1992. [2] MAUNO\>"'< KAJA T.A., KOBRINSKU LA. i in., Rozdzielanie zawiesin w przemyśle

chemicznym, WNT, Warszawa 1986. [3] Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers, Ed.

P.A. Schweitzer, McGraw- -Hill, New York 1979. [4] SELECKI A., GAWROŃSKI R., Podstawy projektowania wybranych

procesów rozdzielania mieszanin, WNT, Warszawa 1992. [5] BN-75/2379-01, Prasy

filtracyjne ramowe. [6] BN-76/2371-17, Filtry próżniowe bębnowe. [7] BN-82/2377-01, Wirówki przemysłowe ciągłe i okresowe.

13. ODPYLACZE I ODKRAPLACZE GAZÓW

13.1. WPROWADZENIE

Odpylanie gazów polega na usuwaniu z nich cząstek aerozolowych. Cząstki te mogą być stałe lub ciekłe. Proces odpylania gazu — usuwania cząstek stałych — jest prowadzony w aparatach zwanych odpylaczami, do usuwania

kropel natomiast — cząstek ciekłych — są stosowane odkraplacze. Zastosowanie określonego procesu odpylania oraz typu odpylacza określa zarówno cha-rakterystyka źródła emisji zanieczyszczeń, jak i wymagany stopień oczyszczenia, odpylenia gazu, zwany sprawnością odpylania. Sprawność odpylania gazu wynika z wymagań technologicznych, bądź wydzielenia cennego produktu, bądź otrzymania czystych gazów technologicznych lub odlotowych, gdy istnieje konieczność przestrzegania

odpowiednich przepisów i norm ochrony środowiska, dotyczących emisji zanieczyszczeń do powietrza atmosferycznego [1] . Sprawność ogólna odpylania η jest związana z liczbą lub masą cząstek usuniętych ze strumienia gazu i — zgodnie ze schematem (rys. 1 3 . 1 ) — przy danym stężeniu masowym (lub liczbowym) cząstek C, jest wyrażana zależnością

Celem odpylania jest ograniczenie do wymaganego minimum emisji strumienia

masy cząstek aerozolowych E z gazami odlotowymi. Emisję E, w stosunku do strumienia wlotowego cząstek, wyznacza się z penetracji cząstek p przez układ odpylający

Sprawność ogólna (całkowita) jest sumą sprawności odpylania poszczególnych

rozmiarów lub zakresów rozmiarów cząstek. Zależność pomiędzy sprawnością odpylania a rozmiarem cząstek danego rodzaju nazywa się sprawnością frakcyjną odpylania i wyraża tą samą miarą co sprawność ogólną, tj. ułamkiem lub w procentach. Sprawność ogólna jest sumą sprawności w poszczególnych zakresach rozmiarów cząstek

178

Rys. 13.1. Schemat blokowy procesu odpylania

gdzie xt — ułamek (lub procent) danej frakcji, Ί i — sprawność frakcyjna.

Podobnie penetracja ogólna cząstek aerozolowych

Pełna znajomość właściwości oczyszczanego gazu oraz cząstek aerozolowych jest jednym z podstawowych warunków doboru odpowiedniej metody odpylania gazu i konstrukcji odpylacza. Znajomość właściwości cząstek aerozolowych, takich jak średnica, gęstość, oporność, rozpuszczalność, adhezyjność itp. jest niezbędna do przewidywania efektów odpylania.

Z rozmiarem cząstek wiąże się skuteczność działania sił, mechanizmów od-pylania usuwających cząstki z gazu. Wykorzystuje się działanie sił pojedynczych lub kombinację sił grawitacji, bezwładności, w tym sił odśrodkowych, dyfuzyjnych, sił elektrostatycznych, a także efekt bezpośredniego zderzenia cząstek z przegrodą (kolektorem) i zwiększenie rozmiarów cząstek przez koagulację. Znajomość mechanizmów odpylania jest konieczna, zwłaszcza w odniesieniu do cząstek o rozmiarach submikronowych, mniejszych niż l µm, stanowiących największe zagrożenie dla ludzi i ich środowiska, gdyż jest podstawą zarówno projektowania, jak i prowadzenia procesu odpylania z odpowiednio dużą sprawnością.

W zależności od postaci wydzielonych cząstek (suchy pył lub zawiesina) zarówno stosowane metody odpylania, jak i odpylacze są określane jako suche lub mokre.

Energia zużywana w procesie odpylania wynika zarówno z niezbędnej pręd-kości strumienia gazu przez odpylacz, jak i z wymuszonej wędrówki cząstek do powierzchni wydzielania — kolektora. W pierwszym wypadku zużycie energii jest związane z pokonywaniem oporów tarcia i oporów lokalnych przepływu. W drugim natomiast może być związane ze strumieniem gazu lub z siłami zewnętrznymi, takimi jak siły elektrostatyczne, energia kinetyczna cieczy itp. Strata energii strumienia gazu VG podczas przepływu przez odpylacz jest związana ze spadkiem ciśnienia gazu ∆ ρ i wyrażana jako

W odpylaczach mokrych, gdy energia jest doprowadzona ze strumieniem cieczy

Vl zużycie mocy wyraża zależność

Zużycie energii w procesie odpylania jest wyrażane w watach lub kilowatach na 1000 m3 oczyszczanego gazu.

179

Do odpylaczy suchych zalicza się: komory osadcze (pyłowe), odpylacze inercyjne, cyklony, filtry warstwowe i tkaninowe, elektrofiltry.

Odpylacze mokre są określane zazwyczaj ogólną nazwą stosowaną dla apa-ratów do kontaktu gazu i cieczy, jako skrubery, a także jako płuczki, zwłaszcza w branżach związanych z tzw. przemysłem ciężkim. Niekiedy również w odpylaczach suchych może być stosowana woda (ciecz), jako czynnik pomocniczy, nie wpływając zasadniczo na proces odpylania, jak np. w elektrofiltrach, które są nazywane wówczas mokrymi.

13.2. KOMORY PYŁOWE I ODPYLACZE INERCYJNE

Odpylanie gazu w komorach pyłowych zachodzi pod wpływem działania siły ciężkości podczas przepływu strumienia aerozolu z prędkością umożliwiającą osadzenie cząstek na dnie komory w trakcie przebywania gazu w komo-

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

rze. Czas opadania τ cząstek w komorze (rys. 13.2) o długości L i wysokości H przy prędkości liniowej przepływu gazu u, gdy prędkość graniczna opadania cząstek wynosi ut wyrażają stosunki

180

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

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

Komory osadcze mają duże wymiary i małą sprawność odpylania cząstek o rozmiarach mikronowych. Stosowane są do wstępnego odpylania dużych strumieni gazów z cząstek o rozmiarach ponad 50 µm, zapylonych w dużym stopniu.

Sprawność odpylania może być zwiększona przez instalowanie na prze-wodach lub w komorach elementów powodujących zmianę kierunku przepływu strumienia aerozolu (rys. 13.3). Dodatkowe działanie na cząstki sił bezwładności i efekt bezpośredniego zderzenia z przegrodą powodują, że z dużą sprawnością są wydzielane cząstki ≥ 30 µm. Do odpylaczy inercyjnych zalicza się również odpylacze żaluzyjne (rys. 13.3c) stosowane w wielu technologiach przemysłowych jako odpylacze wstępne.

13.3. CYKLONY

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

181

Rys. 13.3. Odpylacze inercyjne: a,b) z przegrodami, c) żaluzjowy; l — obudowa odpylacza, 2 — żaluzje, 3 - gaz odlotowy

o większym zapyleniu

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

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

W cyklonach przelotowych (rys. 13.4d) gaz po wprowadzeniu w ruch wirowy nie zmienia kierunku przepływu. Istnieją również konstrukcje odpylaczy odśrodkowych tzw. przeciwbieżne, których zasada działania jest oparta na kombinacji przepływu rewersyjnego z przelotowym [1]. Znajdują one jednak mniejsze zastosowanie.

Siły działające na cząstki w cyklonie są funkcją promienia wirowania i rozmiaru cząstek. W celu sprawnego wydzielania cząstek jest wymagana możliwie duża prędkość styczna i mała promieniowa, co wymaga długiej części stożkowej cyklonu. Siła odśrodkowa działająca na cząstki o średnicy d , masie m ι promieniu wirowania r wynosi

182

Z tego równania wynika, że sprawność odpylania w cyklonach będzie wzrastać następująco:

— proporcjonalnie, wraz ze zwiększeniem średnicy cząstek dp w potędze trzeciej,

— proporcjonalnie,wraz ze zwiększaniem gęstości cząstek pp, — proporcjonalnie, wraz ze zwiększeniem prędkości stycznej wirowania

cząstek us w potędze drugiej, — odwrotnie proporcjonalnie do promienia wirowania r cząstek. Im mniejsza jest średnica cyklonu, tym większa siła odśrodkowa jest wy-

twarzana i większa jest sprawność odpylania. W cyklonach jest wytwarzana siła odśrodkowa rzędu 75-1000 razy większa od siły grawitacji.

Graniczna sprawność frakcyjna cyklonów η = 50% odpowiada średnicy cząstek 5 µm. Typowy cyklon o średnicy l m ma sprawność ok. 50% dla cząstek 20 µm, wysoko sprawny natomiast ok. 80% dla cząstek d > 10 µm. Stężenie cząstek w strumieniu wlotowym do cyklonu zawierać się może od l g/m3 do 50 kg/m3.

Analiza ruchu strumienia aerozolu w cyklonie, dokonywana na podstawie różnych modeli uwzględniających wymienione i dodatkowe parametry, w tym geometryczne cyklonu, doprowadziła do wielu równań określających sprawność odpylania w cyklonach [1].

Kształt cyklonu określają proporcje jego podstawowych wymiarów (rys. 13.5) odniesione zazwyczaj do średnicy cyklonu. Średnice cyklonów zmieniają się od 0,05 m, w tzw. cyklonach mierniczych, do kilku metrów, gdy są stosowane w kotłach fluidalnych cyrkulacyjnych. Proporcje te mają wpływ na sprawność odpylania tak, że maksimum sprawności uzyskuje się, gdy długość rury odlotowej gazu S ~ D lub S ~ B, gdy B jest większe od De.

Zwiększenie ogólnej wysokości cyklonu H zwiększa sprawność odpylania, lecz jednoczesny wzrost kosztu inwestycyjnego i wymaganej przestrzeni dla zabudowy ogranicza możliwości zmian tego parametru. Zaleca się jednak za-chowanie warunku H > 3D. Zmniejszenie stosunku De/D powoduje większy spadek ciśnienia gazu, co zwiększa sprawność odpylania. Stosunek ten jest zwykle ograniczony do 0,5. Jeśli wlot aerozolu do cyklonu jest prostokątny, to warunek α > b powoduje zwiększenie sprawności odpylania, lecz bardziej praktyczny jest warunek α = b. By utrzymać ciśnienie gazu na· niskim poziomie, należy zachować warunek (a b ) ≥ πDe 2/4.

Spadek ciśnienia gazu, spowodowany oporami tarcia i miejscowymi, w cy-klonie wynosi

gdzie NH — tzw. liczba prędkości wlotowej jest funkcją proporcji wymiarów

geometrycznych cyklonu 16(ab)/De2, określana jak wiadomo w

hydrodynamice przepływów jako współczynnik oporów miejscowych, u — prędkość liniowa gazu na wlocie do cyklonu.

1 8 3

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

Rys. 13.5. Wymiary standardowe cyklonu

W celu poprawienia sprawności odpylania stosuje się niekiedy połączenia szeregowe, baterie cyklonów o zmniejszającej się średnicy. Do odpylania dużych strumieni objętości gazów stosuje się baterie cyklonów połączonymi równolegle lub multicyklony.

Multicyklon (rys. 13.6) tworzy równoległe połączenie wielu cyklonów o małej średnicy; mają one wspólny wlot i wylot. Przepływ gazu (wzór przepływu) jest tu inny niż w cyklonie klasycznym, gdyż aerozol do zespołu rur wpływa od góry i jest wprawiany w ruch wirowy za pomocą łopatek, jak w cyklonach osiowych. Średnica rur zmienia się w zakresie 150-600 mm. Właściwie zaprojektowane i wykonane multicyklony mają sprawność rzędu 90% dla cząstek 5-10 µm. Trudności w równomiernej dystrybucji (rozdziale) aerozolu

184

Rys. 13.6. Multicyklon: i — pojedynczy cyklon, 2 — łopatki kierujące, 3 — zbiornik pyłu,

4 — rurki gazu odpylonego

Zalet)7 odpyłączy cyklonowych są następujące: brak części ruchomych, mniejszy koszt w porównaniu z innymi odpylaczami o porównywalnej sprawności odpylania, możliwość pracy v, wysokiej temperaturze, suchy produkt, niewielkie zużycie energii, pewność działania.

Wadą jest natomiast względnie mała sprawność odpylania dla cząstek poniżej 15 µm oraz znaczna erozja przy cząstkach twardych, o ostrych krawędziach.

13.4. ODPYLACZE FILTRACYJNE

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

185

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

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje filtrów (przegród filtracyjnych): warstwowe i tkaninowe.

Filtry warstwowe stanowią warstwy luźno upakowanych lub sprasowa-nych włókien oraz różnego rodzaju elementy wypełnień nieruchomych lub ruchomych.

Filtry tkaninowe stanowią tkaniny plecione, tkane, filcowane, formowane w kształcie worków, kieszeni itp.

Filtry tkaninowe i włókniste są wykonywane z włókien naturalnych i synte-tycznych, np. bawełny, wełny, nylonu, teflonu, włókien szklanych itp. Warstwy filtracyjne są wykonywane z włókien mineralnych i metalowych, siatek meta-lowych.

Regeneracja filtrów tkaninowych polega na dynamicznym działaniu siły, powodującym wstrząsanie tkaniny lub przedmuchiwaniu powietrzem w kierunku przeciwnym do filtracji. Filtry warstwowe, w postaci ziaren lub włókien, regeneruje się poprzez ich mycie, przedmuchiwanie powietrzem, okresowe wstrząsanie lub wymianę warstwy.

Wymienione układy filtracyjne są zaliczane do najbardziej skutecznych metod odpylania suchego gazów — sprawność odpylania wynosi 99,9% dla cząstek do 0,01 µm.

Usuwanie cząstek mniejszych niż 10 µm ze strumienia gorących gazów może być wykonywane w filtrach z nieruchomą lub ruchomą warstwą materiału ziarnistego: piasku, żwiru, koksu i innych wypełnień, zwykle ceramicznych, o różnym kształcie. Zaletą filtrów jest niski koszt materiału warstwy, a w filtrach z ruchomą warstwą praca ze stałym spadkiem ciśnienia, bez konieczności okresowego przedmuchiwania i mycia. Filtry mają wysoką sprawność odpylania cząstek rozmiarów mikronowych i submikronowych. Mała sprawność w zakresie rozmiarów 0,2-2 µm może być poprawiona przez przyłożenie do układu sił elektrostatycznych. W praktyce przyłożenie do filtru zewnętrznego pola elektrycznego i dodatkowo elektrostatyczne ładowanie cząstek umożliwia bardzo sprawne wydzielanie, również cząstek submikronowych [1]. Sprawność odpylania w filtrach warstwowych określa równanie

w którym k = 3/2 — dla warstwy ziarnistej,

k = 4 /π — dla warstwy włókien, L — grubość warstwy, dk — rozmiar elementu warstwy, ε — porowatość warstwy, ηk — sprawność osadzania cząstek na pojedynczym kolektorze,

elemencie warstwy. Do tego rodzaju filtrów zalicza się również tzw. filtry świecowe, wykony-

wane z porowatych materiałów ceramicznych, metalowych i tworzyw synte-tycznych. Są one stosowane do usuwania cząstek sub- i mikronowych z gazów

186

gorących o temperaturze > 1000 K. Wykonywane z różnego rodzaju tworzyw sztucznych filtry membranowe, pojedyncze lub w postaci pakietów, mają strukturę otwartą w kierunku przepływu i zanieczyszczenia wydzielane są na powierzchni i w głębi porów. Taka struktura zapewnia stały spadek ciśnienia gazu przez dłuższy czas filtracji. Filtry są stosowane do oczyszczania gazów technologicznych i odlotowych w przemyśle farmaceutycznym, biotechnologii, sterylizacji i in.

Filtracja w filtrach tkaninowych może być prowadzona w wielu różnych typach filtrów różniących się konstrukcją, metodą regeneracji, rodzajem tkaniny itp. W wielu procesach filtr tkaninowy stanowi końcowy etap oczyszczania gazu i jest często nazywany filtrem workowym. W tego rodzaju filtrach tkanina ukształtowana jest w postaci cylindrycznego worka, nałożonego na cylindryczną konstrukcję klatkową, wykonaną z prętów metalowych. Średnica worków dochodzi do 300 mm, wysokość zaś do 10 m. Tego rodzaju elementy są roz-mieszczone w komorze filtru (rys. 13.7), w liczbie zależnej od dozwolonej prędkości filtracji, która w zależności od rodzaju cząstek jest rzędu 0,005- -0,02 m/s oraz rodzaju tkaniny. Zakres temperatur roboczych, zależnie od ro-dzaju tkaniny, wynosi 275-550 K, natomiast stężeń na wlocie do filtru 0,2- -250 g/m3. Żywotność worków wynosi od dwóch do trzech lat.

Rys. 13.7. Filtr workowy z regeneracją wstrząsową worków: l - worki, 2 — wibrator mechaniczny, 3

— drgająca rama, 4 — podajnik ślimakowy, 5 — podajnik pyłu celkowy

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

187

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

13.5. ELEKTROFILTRY

W elektrofiltrach cząstki aerozolowe, stałe lub ciekłe, są wydzielane podczas przepływu strumienia aerozolu przez wysokonapięciowe pole elektryczne, wytworzone pomiędzy dwoma elektrodami: katodą — elektroda emisyjna i anodą — elektroda osadcza.

Wydzielanie następuje w wyniku: — ładowania elektrostatycznego cząstek, — usuwania naładowanych cząstek z pola elektrycznego, — usuwania cząstek pyłu z powierzchni osadzania.

Wielkość sił działających na cząstki zależy od ładunku elektrycznego uzyskanego przez cząstki oraz od potencjału pola. Napięcie przykładane do elektrod wynosi 30-100 kV, a gradient pola rzędu kilku kilovoltow na centymetr (kV/cm). W polu pomiędzy elektrodami (rys. 13.8) cząstki aerozolowe są ładowane indukcyjnie i z jonami, pod wpływem sił pola wędrują do uziemionej anody, gdzie nadmiar ładunków spływa do ziemi. Pozbawione ładunku cząstki, pod wpływem sił grawitacji i wy-muszonej wibracji elektrod osadczych, opadają na dno elektrofiltru. Ponieważ siły pola elektrycznego działają bezpośrednio na cząstki, elektrofiltry charakteryzują się więc dużą sprawnością wydzielania cząstek, również submikronowych, gdy

spadek ciśnienia gazu jest mały, 50-200 Pa. Elektrofiltry umożliwiają odpylanie dużych objętości strumieni gazów, również w wysokiej temperaturze.

Rys. 13.8. Elektrofiltr cylindryczny, moduł podstawowy: l — źródło prądu wysokiego napięcia, 2 — izolator, 3 — katoda, 4 - anoda, 5 — komora pyłu 188

Istnieją dwie zasadnicze konstrukcje elektrofiltrów, określone kształtem elektrod osadczych: cylindryczne i płytowe.

W elektrofiltrach cylindrycznych (rys. 13.8) elektrodę osadczą stanowi cylinder lub graniastoslup z osiowo umieszczoną katodą, w postaci drutu z ostrzami. Moduł ten jest powtarzany wielokrotnie w oczyszczaniu większych strumieni objętości gazów.

Rys. 13.9. Elektrofiltr płytowy: l - doprowadzenie napięcia, 2 — izolatory, 3 - katody, 4

— anody — płyty, 5 — zbiornik dolny pyłu

W elektrofiltrach płytowych (rys. 13.9) elektrody osadcze stanowią płyty zestawione równolegle do przepływu gazu, zwykle profilowane, w celu zapew-nienia dużej powierzchni osadzania i separacji wydzielonych cząstek ze strefy działania gazu. Odległość płyt wynosi 200-400 mm. W równych odstępach od siebie i ścian płyt są zawieszone elektrody emisyjne w postaci cylindrycznego lub specjalnie ukształtowanego drutu. Taki układ elektrod jest powtarzany wielokrotnie w układzie równoległym, w celu odpylania dużych strumieni objętości lub szeregowo w celu uzyskania dużej sprawności odpylania. Typowy elektrofiltr płytowy zawiera trzy pola szeregowe, wysoko sprawne — cztery.

Sprawność odpylania elektrofiltru oblicza się z równania Deutscha

w którym w — prędkość migracji cząstek do elektrody osadczej,

A — powierzchnia elektrod osadczych, VG — strumień objętości odpylanego gazu.

189

Prędkość migracji cząstek w polu elektrycznym wyznacza się z bilansu sił oporu i elektrycznych. Prędkości te w dużym stopniu zależą do oporności wła-ściwej cząstek, ich rozmiarów i wielkości przyłożonego napięcia i zmieniają się w zakresie od kilku do ok. 20 cm/s.

Zależnie od warunków pracy i wymaganej sprawności odpylania prędkości gazu w elektrofiltrze wynoszą 0,5-2,5 m/s. W celu uzyskania wysokiej sprawności odpylania i minimum spadku ciśnienia gazu, w przestrzeni pomiędzy elektrodami jest wymagany jednorodny rozkład prędkości gazu, co przy strumieniach gazu rzędu 40-50 m3/s nie jest proste.

Zasilanie prądowo-napięciowe elektrofiltrów jest regulowane automatycznie dla warunków optymalnego ładowania cząstek. Wyładowania na elektrodzie emisyjnej są okresowe 50-150/min w każdej sekcji.

Zaletę elektrofiltrów stanowi zdolność wydzielania z gazu cząstek <2 µm z wysoką sprawnością w stanie suchym i niskich kosztach eksploatacyjnych. Są to jednak urządzenia o dużych wymiarach, bardzo kosztowne. Stanowią one alternatywne rozwiązanie w stosunku do filtrów tkaninowych do odpylania dużych objętości strumieni gazów gorących i korozyjnych.

13.6. ODPYLACZE MOKRE — SKRUBERY

W odpylaczach mokrych — skruberach strumień zapylonego gazu jest od-pylany wskutek kontaktu z cieczą, zwykle wodą. Cząstki aerozolowe są wy-dzielane na kroplach, strugach lub warstewkach cieczy, również pokrywających różnego rodzaju powierzchnie. Natrysk kropel i strug na strumień aerozolu jest stosowany w skruberach natryskowych, odśrodkowych, strumieniowych, me-chanicznych i Venturiego. Wydzielanie na strugach i warstewkach cieczy odbywa się w skruberach z wypełnieniem stałym nieruchomym lub ruchomym. Sprawność odpylania w skruberach jest funkcją energii doprowadzonej do układu gaz—ciecz. Energia ta może być doprowadzona wraz ze strumieniem gazu jako energia ciśnienia, ze strumieniem cieczy w postaci energii kinetycznej lub jako energia mechaniczna, wywołująca ruch wirnika w odpylaczach mechanicznych — wirnikowych. Cząstki aerozolowe zostają wydzielane na wymienionych powierzchniach cieczy głównie w wyniku działania sił bezwładności i dyfuzyjnych oraz zjawiska zaczepienia i bezpośredniego zderzenia. Wymienione mechanizmy odpylania są omówione w pracach [1 ] , [2].

Sprawność odpylania w skruberach wzrasta wraz ze zwiększeniem stosunku cieczy do gazu, spadkiem ciśnienia gazu i zmniejszeniem średnicy kropel. Graniczna sprawność odpylania 50% klasycznych odpylaczy mokrych odpowiada średnicy cząstek 2 µm. Sprawność ogólna odpylania wynosi ponad 95% dla cząstek d > 5 µm. W skruberach Venturiego, w których spadki ciśnienia wynoszą ponad 5 kPa, uzyskuje się sprawności rzędu 99% dla cząstek l µm. Spadek ciśnienia w klasycznych skruberach wynosi l ,5-4,5 kPa.

190

Do charakterystyki odpylaczy mokrych, oprócz sprawności odpylania i spadku ciśnienia gazu lub zużycia mocy, konieczna jest również znajomość zużycia właściwego cieczy, odniesionego do jednostki objętości odpylanego gazu, wy-rażanego zwykle w [dm3/m3].

Odpylanie mokre w skruberach jest stosunkowo proste, w porównaniu z innymi metodami. W nvyniku jednak burzliwego kontaktu gazu i cieczy, który jest niezbędny do uzyskania dużej sprawności odpylania, w skruberach są gene-rowane i unoszone z gazami odlotowymi krople. Porywane i unoszone krople są wydzielane w separatorach — odkraplaczach, instalowanych na wylocie — wewnątrz lub na zewnątrz skrubera.

W wyniku odpylania cząstki aerozolowe przechodzą do cieczy i tworzy się zawiesina. Ciecz podawana do skrubera jest najczęściej w obiegu zamkniętym i uzupełniane są jedynie jej straty. Separacja ciała stałego z zawiesiny opusz-czającej skruber odbywa się metodami odstawania, filtracji lub wirowania, zależnie od rodzaju ciała stałego i wymagań co do stopnia odwodnienia pro-duktu.

Rys. 13.10. Skrubery natryskowe z przepływem: a) przeciwprądowym, b) krzyżowym, c) współ-

prądowym: l - natrysk cieczy, 2 - odkraplacz

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

1 9 1

mienia gazu. W czasie opadania kropli cząstki aerozolowe, w wyniku zderzenia inercyjnego i bezpośredniego zaczepienia o powierzchnię kropel, zostają osa-dzone na ich powierzchni. Krople z zawartymi, wydzielonymi cząstkami, łącząc się na poziomie dolnym skrubera, tworzą zawiesinę, która odpływa z aparatu. W skruberach z krzyżowym przepływem strumienia aerozolu i kropel, sprawność odpylania wzrasta wraz z wysokością opadania kropel i zwiększeniem prędkości względnej kropel. W odpylaczach współprądowych cząstki aerozolowe są wydzielane na kroplach tylko podczas względnego ruchu kropli i gazu i sprawność odpylania w dużym stopniu zależy od drogi, na której występuje wymieniony ruch względny.

W skruberach natryskowych są stosowane również kombinacje wymienio-nych kierunków przepływu.

Sprawności odpylania w odpylaczach natryskowych wynoszą ponad 80% dla cząstek d > 5 µm, przy gęstościach zraszania 0,25-3,0 dm3/m3, prędkościach gazu 2,0-3,0 m/s. Spadek ciśnienia gazu wynosi 0,2-0,5 kPa.

W odpylaczach odśrodkowych (rys. 1 3 . 1 1 ) strumień zapylonego gazu wpływa stycznie, przez wąski otwór lub szczelinę, do części cylindrycznej,

w wyniku czego jest wprowadzany w ruch wirowy. Natrysk cieczy może być skierowany od góry, od dołu, ze ścian aparatu, współ-prądowo ze strumieniem wlotowym lub z centralnego przewodu umieszczonego osiowo, jak na schemacie (rys. 13 .11) . Podczas przepływu wirowego wznoszącego się do góry, cząstki są wydzielane na kroplach i warstewkach cieczy, głównie w wyniku działania mechanizmu inercyjnego. Wprowadzenie gazu w ruch wirowy polepsza znacznie sprawność odpylania, w porównaniu ze skruberami natryskowymi. Gdy prędkość liniowa gazu na wlocie wynosi 15-40 m/s, wtedy sprawność odpylania wynosi ok. 90% dla cząstek dp > 5 µm, przy spadku ciśnienia gazu 0,4-1,5 kPa i zużyciu wody 0,2:--1,4 dm3/m3.

Odpylacze uderzeniowo-inercyjne stanowią kolumny półkowe i aparaty z wypełnieniem (omówione w rozdz. 16 i 17). Odpylanie polega tu na bezpośrednim zderzeniu strumienia aerozolu z

powierzchnią cieczy i zmianie kierunku przepływu. W wymienionych aparatach-skruberach kolektory cząstek stanowią również zwilżone powierzchnie półek i znajdujących się na nich (umocowanych) różne-

192

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

pylonego

go rodzaju elementach (ksztaftowqikach), albo ułożonych lub usypanych wy-pełnieniach.

W klasycznych skruberach uderzeniowych strumień aerozolu uderza prosto-padle w powierzchnię cieczy z prędkością ponad 15 m/s i penetruje w głąb, po czym jako strumień dwufazowy gaz—ciecz opływa różnego rodzaju przegrody. W skruberach półkowych aerozol przepływa przez otwory półki, barbotuje przez warstwę cieczy na półce i uderza w płaskie przegrody umieszczone nad otworami lub opływa kołpaki, dzwonki, zawory i inne typowe elementy na półkach.

Klasyczne skrubery wypełnione są rzadko stosowane do usuwania z gazu stałych cząstek aerozolowych, ze względu na tendencje do blokowania wypełnienia osadzonym pyłem, z wyjątkiem cząstek bardzo dobrze rozpuszczalnych w cieczy. W takich przypadkach stosowane są skrubery z ruchomym wypełnieniem, w postaci lekkich kuł z tworzyw sztucznych, umieszczonym pomiędzy dwoma półkami (rys. 13.12). Przepływ zapylonego gazu przez zraszaną warstwy kulek. wytwarza burzliwe trójfazowe złoże fluidalne, L intensywnym ruchem kulek, co zapobiega blokowaniu aparatu pyłem. Wymienione odpylacze należą do skruberów średnioene-rgetycznych, o spadku ciśnienia gazu 0,7--2,0 kPa. Sprawność odpylania wynosi ponad 90% dla cząstek d > 2 µm.

Skrubery mechaniczne zawierają wirnik obrotowy z łopatkami, wprowadzający w ruch wirowy strumień aerozolu, na który jest podawany natrysk kropel wody. Cząstki są wydzielane w wyniku zderzeń inercyjnych z kroplami i następuje koagulacja cząstek w ruchu burzliwym. Sprawność odpylania wynosi do 90% dla cząstek l µm. Osadzanie się cząstek pyłu na łopatkach i ich erozja są wadą tych odpyłączy.

Skrubery Venturiego są jednymi z najbardziej sprawnych odpylaczy mo-krych służących do usuwania z gazu, również cząstek submikronowych. Zasada działania opiera się na przyspieszaniu aerozolu w części rury Venturiego (rys. 13.13), konfuzorze i gardzieli do prędkości 60-120 m/s, w obecności strumienia kropel o małej średnicy. Duża burzliwość i duże prędkości względne aerozolu i kropel oraz kondensacja oparów wody na cząstkach w dyfuzorze zapewniają wysoką sprawność odpylania, również w odniesieniu do cząstek

Rys. 13 .12 . Skruber fluidalny: l - do-prowadzenie wody, 2 — wypełnienie ruchome, 3 — pólka oporowo-rozdzie-lająca, 4 — pólka zatrzymująca, 5 — odkraplacz

193

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

Rys. 13.13. Skruber Venturiego: l — dysza Venturiego, 2 - dopływ wody, 3 - dyfuzor, 4 —

separator odśrodkowy, 5 — odkraplacz

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

13.7. ODKRAPLACZE

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

194

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

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

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

195

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

Rys. 13.15. Odkraplacz odśrodkowy: l — obu-dowa, 2 — łopatki zawirowujące, 3 — odpływ

cieczy

Rys. 13.16. Odemglacz, mo-duł podstawowy: l — obu-dowa, 2 - materiał poro-waty, 3 — kolektor cieczy

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

13.8. DOBÓR ODPYLACZA

Podstawą doboru odpylacza dla określonego procesu są parametry fizyko-chemiczne strumienia zapylonego gazu, bądź jego wielkość oraz wymagana

196

sprawność odpylania, bądź wielkość emisji cząstek z odpylac/a, a także wyma-gana dostępna przestrzeń do montażu odpylacza, koszt inwestycyjny i eksploa-tacyjny i in. Spośród odpylaczy opisanych w niniejszym rozdziale, każdy ma swoje zalety i wady. W pierwszym rzędzie różnią się stanem wydzielanego pyłu (suchy lub mokry). Zasadnicze wymaganie — sprawność odpylania — zapewniają cyklony w stopniu do 90%, pozostałe natomiast dają możliwość uzyskania sprawności >98%. Najwyższe możliwe sprawności, również w od-niesieniu do cząstek submikronowych, tj. o średnicy poniżej l µm pozwalają uzyskać filtry tkaninowe i elektrofiltry, z odpylaczy mokrych natomiast skrubery Venturiego. Ze sprawnością odpylania związane są zużycie mocy w procesie i koszt ogólny, które wzrastają wraz ze zwiększeniem sprawności odpylania.

LITERATURA

[1 ] WARYCH J., Oczyszczanie przemysłowych gazów odlotowych, Wyd. II, WNT, Warszawa 1994.

[2] WARYCH J., Odpylanie gazów metodami mokrymi, WNT, Warszawa 1978. [3] KABSCH P., Odpylanie i odpylacze, t. l, WNT, Warszawa 1992.

14. WYMIENNIKI CIEPŁA

14.1. WPROWADZENIE

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

przenikający przez powierzchnie wymiany ciepła A jest proporcjonalny do tej powierzchni, różnicy temperatur pomiędzy czynnikami (środowiskami) ∆Τm i do współczynnika przenikania ciepła K. Wartości wymienionych wielkości zależą od dużej liczby zmiennych, określonych przede wszystkim właściwoś-ciami fizykochemicznymi czynników i dynamiką ich przepływu.

Istnieje duża liczba wymienników ciepła, które muszą spełniać różnorodne wymagania odnośnie do temperatury, strumieni przepływu, spadków ciśnienia, odporności mechanicznej i korozyjnej, sprawności cieplnej, kosztów i in..

Klasyfikacja wymienników może być dokonywana według następujących przesłanek:

— procesu przenoszenia, — konstrukcji, — rodzaju przepływu, — mechanizmu przenoszenia ciepła, — liczby faz lub płynów, — rodzaju materiału konstrukcyjnego, — zastosowania i innych przesłanek. Najczęściej jest stosowana klasyfikacja związana z mechanizmem przeno-

szenia ciepła, konstrukcją wymienników i ich zastosowaniem. Z mechanizmem przenoszenia ciepła jest związany podział wymienników na wymienniki bez-przeponowe i przeponowe oraz na konwekcyjne i radiacyjne. Według kon-strukcji i zastosowali wymienniki dzieli się następująco:

198

1. Rurowe — rura w rurze, płaszczowo-rurowe, spiralno-rurowe. 2. Płytowe — koszowe, spiralne, lamelowe. 3. Z powiększoną powierzchnią wymiany ciepła — płytowe, rurowe. 4. Regeneratory — rotacyjne (dyskowe, bębnowe). Specjalnym rodzajem wymienników ciepła są kotły na paliwo stałe, w których

spaliny przekazują ciepło przez konwekcję i promieniowanie do rurek, w których cyrkuluje woda lub para.

14.2. NOŚNIKI CIEPŁA

Nośniki ciepła są stosowane jako czynniki grzejne i chłodzące. Jako czynniki grzejne są stosowane: woda, para wodna, wysokowrzące ciecze organiczne i ich pary, oleje silikonowe, glikole w mieszaninie z wodą, oleje parafinowe i mineralne, stopione sole nieorganiczne, gazy spalinowe, prąd elektryczny. Czynniki chłodzące to woda, powietrze i roztwory lub mieszaniny różnego rodzaju soli, zwykle nieorganicznych.

Woda jest popularnym czynnikiem grzejnym do temperatury 373 K. W wyższej temperaturze stosowanie wody jest związane z pracą pod wysokim ciśnieniem.

Para wodna nasycona, zwana często kondensatem, znajduje szerokie zasto-sowanie w grzejnictwie do temperatury 450 K. Wydzielające się duże ilości ciepła podczas kondensacji pary, wysokie współczynniki wnikania ciepła, rów-nomierność ogrzewania oraz możliwość transportu na duże odległości — to zasadnicze zalety pary wodnej. Wadę stanowi natomiast wąski zakres umiarko-wanego ciśnienia 0,6-1,0 MPa, w którym jest ona stosowana. Wzrost temperatury ponad wymienioną granicę jest związany z szybkim wzrostem ciśnienia i tak np. 473 K wymaga ciśnienia 2,0 MPa, 573 K natomiast 10 MPa. Ponadto stosowanie pary wodnej jest związane z tworzeniem się osadów na powierzchniach grzejnych i korozją materiałów konstrukcyjnych. W mniejszym stopniu jest stosowana również para wodna przegrzana o 20-30 K, lecz sprawność termiczna jest tu mała, gdyż para ta nie ulega kondensacji.

Ciecze organiczne — organiczne nośniki ciepła — mogą pracować w za-kresie temperatury 220-700 K. W temperaturze powyżej 560 K koszt stosowania organicznych nośników ciepła jest kilkakrotnie niższy od pary wodnej, ponadto układ wymiany ciepła pracuje przy niskim ciśnieniu i daje możliwość dokładnej kontroli temperatury. Syntetyczne organiczne nośniki ciepła, stosowane w wysokiej temperaturze to m. in.: alkilowane związki aromatyczne, etery aromatyczne i alkilowane difenyle. Związki te mogą być stosowane jako ciecze lub pary, również w mieszaninach. Są one szczególnie efektywne wtedy, gdy jest wymagany szeroki zakres temperatury i niskie ciśnienie pary. Jednym z bardziej znanych i szerzej stosowanych jest dowtherm A, mieszanina difenylu i tlenku difenylu (produkt firmy DOW CHEMICAL) stosowana w zakresie

199

285-673 K. Produkowane są również dowthermy oparte na innych związkach, oznaczone symbolami G, HT, J, LF, Q, o szerszym zakresie zastosowań w tem-peraturze ujemnej, do 200 K (-73°C). Prócz tego wytwarzanych jest wiele innych nośników, o różnych nazwach handlowych, jak np.: diphyl (firrna BAYER), thermalane (firma COSTAL CHEMICAL), mobiltherm (firma MOBIL OIL), thermionol (firma MONSANTO) i in. W doborze tego rodzaju nośników trzeba brać pod uwagę właściwości w niskiej temperaturze, stabilność termiczną, podatność na utlenianie, korozyjność i toksyczność.

Nośniki silikonowe, w tym polydimethylo-siloxan, określany mianem oleju silikonowego posiada wysokie współczynniki przenoszenia ciepła i trwałość, jest bezwonny i mało toksyczny, posiada zakres zastosowania 200-670 K. Olej silikonowy różni się od syntetycznych nośników organicznych tym, że degra-dacja termiczna silikonu, w wymienionym zakresie temperatury, zachodzi od-wracalnie, dlatego okres jego stosowania, bez wymiany, dochodzi do 10 lat. Silikony są jednak bardziej kosztowne niż syntetyczne nośniki organiczne.

Glikol i mieszaniny obejmują glikol etylenowy i propylenowy w mieszaninie z wodą i dodatkami przeciwkorozyjnymi, stosowanymi w zakresie 233--450 K. Ciepło właściwe i przewodność cieplna wodnych roztworów glikolu jest dużo większa niż syntetycznych nośników organicznych, silikonów i olejów mineralnych. Dodatek glikolu do wody obniża jej temperaturę zamarzania, lecz tylko do punktu eutektycznego, gdy zawartość glikolu wynosi ok. 60% mas. Powyżej tego stężenia glikolu temperatura zamarzania podwyższa się. Jeżeli temperatura roztworu glikolu w wodzie spadnie poniżej 233 K (-40°C), to kryształki lodu znajdą się w stężonym płynnym glikolu, co zapobiega zniszczeniu układu. W stężeniu glikolu powyżej 30% mas. zabezpieczenie to istnieje do 222 K (-51°C). Utlenianie się glikolu do kwasu organicznego powoduje wzrost korozyjności roztworu. Istotna jest jakość wody (zwykle destylowana) i jakość dodatków antykorozyjnych w celu ograniczenia tego zjawiska. Degradacja termiczna roztworów glikolu jest silną funkcją temperatury. Wskaźnikami degradacji są alkaliczność i pH. Czas eksploatacji zależy od temperatury pracy i zanieczyszczeń.

Oleje parafinowe i mineralne są ekonomicznym wyborem w zakresie tem-peratury 420-550 K. W temperaturze do 530 K mają dobrą stabilność termiczną i własności fizyczne. Nie mogą być jednak przetłaczane w niskiej temperaturze bez uprzedniego podgrzania.

Stopione sole i nisko topliwe metale, jako nośniki ciepła są ,stosowane w szczególnych przypadkach. Wysoka temperatura krzepnięcia, właściwości korozyjne, podatność na utlenianie oraz mała trwałość stosowanych soli, np. mieszaniny zarówno azotynów i azotanów sodu i potasu, jak i stopionego ołowiu, ograniczają ich zastosowanie do procesów w małej skali.

Gazy spalinowe uzyskiwane ze spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych są stosowane do ogrzewania w wielu procesach technologicznych do temperatury 1400 K i wyższej. Uzyskanie czystych spalin dla celów grzejnych jest

200

trudne i kosztowne. Spaliny jako, gazowy nośnik ciepła mają wiele wad, lecz mimo to są stosowane dość szeroko.

Ogrzewanie elektryczne jest stosowane przede wszystkim w różnego ro-dzaju piecach elektrycznych: oporowych, indukcyjnych, łukowych, dielektrycz-nych. Sposób ten umożliwia łatwą i dokładną regulację ogrzewania bez pro-duktów ubocznych.

W piecach oporowych ciepło z oporowych elementów grzejnych jest prze-kazywane zwykle przez ściankę aparatu i umożliwia ogrzanie do 1200-1350 K. W innych przypadkach elektryczne elementy oporowe w odpowiedniej osłonie umieszcza się bezpośrednio w ogrzewanym płynie.

W ogrzewaniu indukcyjnym ogrzewany aparat spełnia rolę rdzenia, na którym nawinięte jest uzwojenie, przez które przepływa prąd elektryczny. Indukowany prąd nagrzewa ścianki aparatu.

Ogrzewanie łukowe umożliwia ogrzewanie do 1550-1800 K. Łuk wytwarza się w środowisku gazowym. Piece łukowe są stosowane w topieniu metali, produkcji karbidu i fosforu. Równomierne ogrzewanie i regulowanie temperatury jest tu trudne.

Ogrzewanie dielektryczne, prądami o wysokiej częstości jest stosowane do ogrzewania dielektryków, np. tworzyw sztucznych, gumy, drewna itp. w całej objętości materiału lub tylko jego części, w stosunkowo niskim zakresie tempe-ratury.

Czynniki chłodzące, najbardziej rozpowszechnione, to powietrze i woda. W zależności od pory roku chłodzenie powietrzem umożliwia obniżenie temperatury do 293-303 K, woda natomiast do 288-298 K.

Chłodzenie lodem dotyczy temperatury zbliżonej do 0°C i dotyczy mieszania chłodzonej cieczy bezpośrednio z lodem, jeśli to możliwe, lub chłodzenie przez ścianki aparatu mieszaniną wody i lodu. W niewielkiej skali są stosowane również mieszaniny chłodzące lodu lub zestalonego dwutlenku węgla z innymi cieczami niż woda, np. z etanolem i innych. Jako czynniki chłodzące zastosowanie znajdują również roztwory soli (NaCl, CaCl2) i inne.

Szerokie zastosowanie znajdują metody chłodzenia w kondensatorach, oparte na kondensacji par różnych substancji poprzez odprowadzenie od nich ciepła, w tym m. in. amoniaku, chlorku metylu oraz sprężonych gazów: tlenu, azotu, helu i innych. Kondensacja może zachodzić bezpośrednio w chłodzonym płynie (kondensatory bezprzeponowe) lub na ściance aparatu (kondensatory przeponowe).

14.3. WYMIENNIKI BEZPRZEPONOWE

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

201

zimiłiejszego do cieplejszego, jak np. podczas, odparowywania chłodnej wody w gorącym gazie. Ten sposób wymiany ciepła znajduje zastopowanie w kondensacji pary, chłodzeniu "gazów wodą, nagrzewaniu i chłodzeniu wody gazami. Wymiana ciepła w układzie ciecz—ciecz znajduje zastosowanie w jednoczesnym chłodzeniu i ekstrakcji oraz w krystalizacji. W układzie trójfazowym, m. in. podczas absorpcji lekkich węglowodorów z gazu ziemnego w mieszaninie ciężkich węglowodorów z solanką.

Strumień wymienionego ciepła zależy tu silnie od powierzchni kontaktu ' międzyfazowego, stosuje się więc rozdrobnienie fazy ciekłej na krople, strugi, warstewki, a gazu zaś na małych rozmiarów pęcherzyki. W stosowanych wy-

miennikach, w zależności od kierunku strumienia masy w układzie gaz—ciecz zachodzić może:

— kondensacja oparów z gazu, chłodzenie i osuszanie gazu oraz jednoczesne ogrzanie cieczy w kondensatorach, skruberach,

— odparowanie cieczy do strumienia gazu, przy czym nawilżenie zachodzi dzięki ochłodzeniu gazu i ogrzaniu cieczy lub ogrzaniu gazu i ochłodzeniu cieczy w klimatyzatorach, skruberach, suszarkach rozpyłowych. . Bezpośredni kontakt gazu i cieczy jest realizowany w skruberach, aparatach typowych dla procesów odpylania mokrego, absorpcji, destylacji i rektyfikacji.

Rys. 14.1 . Chłodnie ciepłej wody: a) chłodnia wentylatorowa, b) chłodnia kominowa z ciągiem

naturalnym; l — wypełnienie, 2 — urządzenie zraszające, 3 - wentylator

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

202

wierzchnia kontaktu powietrze-woda, przy maksymalnej prędkości przepływu , powietrza w długim czasie. Woda procesowa dostarczana -jest zwykle ponad wypełnienie wieży (rys. 14.1), skąd spływa grawitacyjnie lub jest rozpylana dyszami hydraulicznymi. W wieżach chłodzących klasycznych przepływ powietrza wynika z ciągu naturalnego. W chłodniach wentylatorowych przepływ powietrza przeciwprądowy lub krzyżowy jest wymuszany wentylatorami promieniowymi, umieszczonymi na szczycie wieży (rys. 14. l a). Wymiary wieży wynikają z warunków procesu w celu zapewnienia wymiany wymaganego strumienia ciepła, średnice ich dochodzą do 10 m. Wielkość wieży w dużym stopniu zależy od rodzaju stosowanego wypełnienia, które stanowią wypełnienia tradycyjnie stosowane w absorberach i w coraz większym stopniu tzw. wypełnienia komórkowe. Wypełnienie komórkowe stanowi zestaw szeregu pofałdowanych (marszczonych) płyt, wykonanych z PVC (do temperatury 327 K) ι polipropylenu (do 360 K) i innych przy wyższych temperaturach. Kanały w wypełnieniu skierowane pionowo przecinają się pod kątem 60° (rys. 14.2). Podawana na wypełnienie woda spływa w dół, w postaci cienkich warstewek, co wytwarza dużą powierzchnię i podczas odpowiedniego przepływu powietrza umożliwia szybsze chłodzenie wody. Ten system chłodzenia jest stosowany wtedy, gdy jest konieczne maksymalne schłodzenie w minimalnej przestrzeni. Nakłady energetyczne są tu mniejsze niż w chłodniach z klasycznym wypełnieniem, lecz jest wymagany duży stopień czystości wody, by nie blokować wypełnienia.

Rys. 14.2. Wypełnienie komórkowe chłodni: l — urządzenie zraszające, 2 — kanały dla przepływu

gazu i spływu warstewek cieczy, 3 — krople cieczy

Wieże chłodzące z ciągiem naturalnym, tzw. chłodnie kominowe (rys. 14.1b), są wykonywane z betonu o skorupie hiperbolicznej) z wypełnieniem w postaci kratownicy płaskowników, na których następuje kaskadowy rozprysk kropel cieczy. Wysokość wypełnienia zależy od jego rodzaju i wartoś-

203

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

Rys. 14.3. Wieża chłodząca hybrydowa: l - element dźwiękochłonny, 2 — wymiennik ciepła sekcji mokrej (wypełnienie), 3 - urządzenie do wyrównania profilu prędkości, 4 — elementy

zapewniające mieszanie strumieni, 5 - wentylator, 6 — elementy dźwiękochłonne, 7 — kanały dystrybucji wody, 8 - wymiennik ciepła sekcji suchej, 9 - zasuwy regulacyjne

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

204

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

Rys. 14.4. Chłodnica wentylatorowa bezprzeponowo-warstewkowa: l - zbiornik wody, 2

— wymiennik ciepła, 3 — rurki, 4 — wentylator

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

205

14.4. WYMIENNIKI PRZEPONOWE

Do wymienników ciepła przeponowych należy duża grupa aparatów charak-teryzująca się przede wszystkim istnieniem przepony—przegrody, poprzez którą przewodzone jest ciepło pomiędzy czynnikami i której kształt różnicuje te wy-mienniki na szereg rodzajów.

14.4.1. WYMIENNIKI PŁASZCZOWE

Wymienniki ciepła w postaci płaszcza grzejnego lub chłodzącego są stoso-wane do wymiany ciepła przez ściankę, gdy istotna jest kontrola temperatury w środowisku procesu, zwykle z reakcją chemiczną, również w obecności

Rys. 14.5. Aparat (reaktor, mieszalnik) z płaszczem grzejnym: l — płaszcz, 2 — połączenie

kołnierzowe, 3 — odpowietrzenie

w aparacie powierzchni elementów grzejnych lub chłodzących. Istnieje wiele konfiguracji płaszczy dopasowanych do kształtu aparatu, zwykle zbiornikowego, o powierzchni wymiany do 10 m2 (rys. 14.5). Jako czynnik grzejny jest stosowana para wodna i ciekłe organiczne nośniki ciepła w rodzaju dowthermu, mobilthermu, therminolu i innych, do chłodzenia natomiast woda, solanka lub chlorek wapnia. Klasyczne płaszcze grzejne charakteryzują się dużym zatrzymywaniem cieczy (nośnika ciepła) ł ciepła, co jest korzystne dla reaktorów

206

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

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

14.4.2. WYMIENNIKI RUROWE

Do klasycznych wymienników rurowych zalicza się wymienniki typu rura w rurze, zbudowane z dwóch rur o różnej średnicy; rura o mniejszej średnicy jest umieszczona centryczne w rurze o większej średnicy (rys. 14.7). Płyny — czynniki wymieniające ciepło przepływają rurą wewnętrzną i przestrzenią pierścieniową. Wymienniki te są stosowane wtedy, gdy istnieje konieczność wymiany dużych strumieni ciepła z małych strumieni objętości płynów, przez stosowanie dużych prędkości przepływu. Gdy rury są uformowane w postaci płaskiej wężownicy zraszanej cieczą, zwykle wodą, wtedy wymiennik stanowi tzw. chłodnicę ociekową (rys. 14.8). Połączenie kolanek i płaskich odcinków rur jest zwykle kołnierzowe, co ułatwia wymianę elementów i ich czyszczenie. Przelewająca się z koryta górnego i ociekająca po zwojach chłodnicy woda stanowi zwykle czynnik chłodzący. Chłodnice są instalowane zazwyczaj w przestrzeni otwartej i służą

Rys. 14.7. Wymiennik ciepła typu „rura w rurze": l — rura wewnętrzna, 2 — rura ze-

wnętrzna

207

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

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

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

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

14.4.3. WYMIENNIKI SPIRALNE

Wymiennik spiralny składa się z dwóch pasm blachy zwiniętych obok siebie tak, że tworzą dwa współśrodkowe kanały o przekroju prostokątnym, zamknięte dwoma pokrywami czołowymi. W kanałach, nie kontaktując się z sobą, przepływają płyny wymieniające ciepło. Przepływ przeciwprądowy dotyczy zwykle układu ciecz-ciecz, krzyżowy natomiast ciecz—gaz (rys. 14.10). Płyn zimny dopływa zwykle od strony zewnętrznej. Wymienniki o powierzchni do 200 m2 i ciśnieniu do l ,2 MPa są stosowane zarówno do ogrzewania i chłodzenia cieczy, jak i kondensacji par. Dzięki łagodnemu profilowi opływu, gładkiej

208

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

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

14.4.4. WYMIENNIKI PŁASZCZUWO-RUROWE

Klasycznym wymiennikiem ciepła jest wymiennik płaszczowo-rurowy (rys. 14.11). Składa się on z pęku (wiązki) rur umocowanych w płytach (dnach) sitowych, zamkniętych w piasK.£u z dwoma dennicami (pokrywami). Jeden z dwóch czynników, mied/v riórymi jest wymieniane ciepło przepływa wewnątrz rur, drugi natomiast w przestrzeni między rurowej. Górny zakres stosowanej temperatury wynosi 700-800 K. ciśnienia 2,5-6,5 MPa, powierzchnia wymiany ciepła — do ok. 2000 m2, przy średnicach < 1,5 mi długości rur do 9 m.

Rys. 1 4 . 1 1 . Standardowy wymiennik ciepła płaszczowo-rurowy: l — płaszcz, 2 — rurki, 3 —

dna sitowe, 4 — odpowietrzenie

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

209

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

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

Fielda

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

Rys. 14.13. Wymiennik wielobiegowy: l — przestrzeń dla przepływu w rurkach, 2 - przegrody

w przestrzeni międzyrurowej

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

210

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

Rys. 14.14. Wymiennik ptytkowo-rurowy: a) schemat wymiennika, b) rozmieszczenie rur cylin-drycznych i płaskich na przekroju odpowiednich wymienników: l — płaszcz, 2 — wkład pty-

tkowo-rurowy

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

2 1 1

łu konstrukcyjnego i jego koszt. Sprawność termiczna wymiennika nie jest wysoka i trudny jest on do czyszczenia. By poprawić współczynniki przenikania ciepła są wykonywane wymienniki o budowie zwartej, charakteryzujące się bardzo ciasnym upakowaniem rur oraz ich ożebrowaniem zewnętrznym i we-wnętrznym. Wymiennik taki pracuje w zakresie przepływu burzliwego t jest bardziej sprawny termicznie od klasycznego. Stosowane są w przypadkach specjalnych, np. w siłowniach atomowych. Mogą być stosowane przy wysokich ciśnieniach i temperaturze, przy powierzchniach wymiany ciepła 500-600 m2. Do tej samej grupy zalicza się wymiennik płytkowo-rurowy (rys. 14.14). Powierzchnia wymiany ciepła składa się z elementów kształtowych w postaci płaskich rurek, ułożonych jedna obok drugiej, tworzących razem pęk zamknięty w płaszczu. Uszczelnienie między środowiskami wewnątrz i na zewnątrz rurek stanowią pierścienie teflonowe. Konstrukcja jest całkowicie spawana i może pracować w temperaturze do 1400 K i ciśnieniu do 4,5 MPa. Powierzchnia wymiany ciepła dochodzi do 800 m2 i może być wyjmowana z płaszcza, co ułatwia czyszczenie wymiennika z osadów. Wymiennik jest stosowany do wymiany cierna dużych strumieni cieczy lub gazów, m. in. w przemyśle chemi-cznym i celulozowym.

Współczynniki przenikania ciepła i spadek ciśnienia zależą od charakteru i rozkładu przepływu na przekroju poprzecznym rurek. Istotny jest przepływ płynów po odpowiedniej stronie przepony. Dlatego płyny lepkie przepływają w płaszczu, w rurkach natomiast toksyczne, zanieczyszczone, o dużej korozyj-ności. Mniejsze prędkości przepływu są stosowane w płaszczach. Dla czynników o wyższej temperaturze i ciśnieniu, przestrzeń roboczą stanowi zwykle wnętrze rurek.

Często na powierzchni wymiany mogą się gromadzić osady, stanowiące dodatkowy opór dla przenikania ciepła. Ich obecność może wynikać z sedy-mentacji, krystalizacji, polimeryzacji, reakcji chemicznej, korozji, koksowania, wzrostu mikroorganizmów. Kontrola warunków gromadzenia się osadów na

ι Ν j powierzchni i stanu jej czystości jest istotna dla wymiany ciepła.

14.4.5. WYMIENNIKI PŁYTOWE

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

21 2

połączone szeregowo lub równolegle, O liczbie kanałów równoległych decyduje wielkość strumienia cieczy, wymagania dotyczące temperatury decydują natomiast o liczbie modułów z kanałami, równoległych, połączonych szeregowo, czyli o długości wymiennika.

Najprostszy moduł składa się z trzech płyt, podobnie jak w prasach filtra-cyjnych. Powierzchnia płyty wynosi 0,2-2 m2. Wymiennik może składać się z wielu sekcji; wiele czynników może przepływać przez ten sam wymiennik, w którym może zachodzić jednocześnie ogrzewanie i chłodzenie. Z uwagi na specjalny kształt płyt, przepływ cieczy jest burzliwy, nawet gdy liczby Reynoldsa są małe, rzędu 50-100. Duże współczynniki przenikania ciepła, 2-3 razy większe niż w wymiennikach płaszczowo-rurowych powodują, że wymagana powierzchnia wymiany ciepła jest tu mniejsza niż w innych wymiennikach. Różnica temperatury między płynami wymieniającymi ciepło może być bardzo mała, rzędu 2-3 stopni, co pozwala ogrzewać lub chłodzić również płyny o specjalnych właściwościach. Standaryzacja: elementów umożliwia łatwą zmianę powierzchni wymiany ciepła. Po-wierzchnia wewnętrzna wymiennika jest łatwo dostępna do przeglądu i czyszczenia. Powierzchnia wymiany ciepła dochodzić może do kilkuset metrów kwadratowych, przy ciśnieniu ok. 2,5 MPa i temperaturze zależnej od rodzaju materiału uszczelek. Wymienniki specjalne, przeznaczone do cieczy lepkich i olejów, mają wbudowane turbulizatory przepływu. Wymienniki płytowe (z tytanu znaj-dują zastosowanie do ogrzewania i chłodzenia

wilgotnego chloru, roztworów zawierających czynny chlor, chlorek, dwutlenek chloru, chloryn, podchloryn, solankę, wodę morską i in. Ponadto są stosowane w przemyśle cukrowniczym, mleczarskim i w wielu innych.

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

Rys. 14.15. Wymiennik płytowy: a) sche-mat przepływu w zestawie płyt, b) możli-

wości połączenia zestawu płyt, c) wzory kształtowania powierzchni płyt

213

czowo-rurowym. Wymienniki te mają dużą powierzchnię wymiany w jednostce objętości, dochodzącą do 2500 m2/m3, stąd stosowana niekiedy nazwa wymienniki zwarte. Wkład jest wyjmowany, co umożliwia jego czyszczenie. Stosowane są wówczas, gdy po stronie jednego z czynników są małe współ-czynniki wnikania, jak np. w układzie gaz—ciecz lub ciecz—ciecz lepka. Inną odmianę stanowią wymienniki płytowo-żebrowe (rys. 14.16) stosowane do wymiany ciepła pomiędzy czystymi gazami a cieczami o dużej lepkości, w wa-runkach, gdy różnica temperatur między nimi jest mała. Wymienniki te są sto-sowane w instalacjach rozfrakcjonowania powietrza, węglowodorów, w przemyśle nuklearnym itp.

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

14.4.6. WYMIENNIKI NIEMETALOWE

Często bardzo agresywne środowisko procesu powoduje, że żywotność stali klasycznych jest bardzo krótka i istnieje konieczność zastąpienia jej bardziej kosztowną stalą stopową lub materiałem niemetalicznym, jak np. grafit, szkło, tworzywa sztuczne. Jednym z mankamentów tworzyw syntetycznych i sztucz-nych jest gorsza przewodność cieplna w porównaniu z metalami (tabl. 14.1): metale 10-400 W/(m-K), grafit 20-120 W/(m-K), szkło ~ 2 W/(m-K), tworzywa sztuczne 0,2-0,3 W/(m-K).

Wymienniki ciepła wykonane z grafitu są stosowane dość szeroko w prze-myśle chemicznym i farmaceutycznym. Grafit stanowi materiał inertny, nie zanieczyszczający środowiska naturalnego, posiada bardzo dobrą odporność na korozję i dobre właściwości przewodzące. Często, jako mniej kosztowny, stanowi substytut tytanu i tantalu. Wymienniki grafitowe są budowane w formie prostopadłościanów lub cylindrów i stanowią zespół bloków (płyt) z otworami (rys. 14.17). Zestaw płyt jest cementowany, całość wymiennika impregnowana żywicą fenolową i ściśnięta pomiędzy dwoma płytami, które umożliwiają różną organizację przepływu czynników. Górny zakres stosowanej temperatury wynosi tu 450-475 K. Grafit nie jest odporny na działanie chloru i halogenków i w ich

214

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

T ab e l a 14.1 Przewodnictwo cieplne i gęstość różnych materiałów

Materiał

Przewodnictwo cieplne fW/(m-K)]

Gęstość [g/cm3]

Miedź 390 8,96 Stal węglowa 50 7,8 Stal kwasoodporna 15 7,8 Stopy Ni/Cr/Mo 8 9,0 Tytan 16 4,5 Tantal 53 16,6 Szkło borokrzemowe 1 , 1 6 2,23 Węglik krzemu 120 3,0 Grafit (Diabon F100) 20 2,0 Grafit impregnowany żywicą fenolową 100-120 1,85 PVDE 0,19 1,78 ECTFE 0,18 1,88 PTFE 0,19-0,23 2,17 PFA 0,22 2,15 FEP 0,20 2,15 Polipropylen 0,17 0,89 Polietylen 0,34 0,89

Rys. 14.17. Wymiennik blokowy grafitowy: l - bloki grafitu, 2 - wloty i wyloty czynników

215

Wymienniki płytowe z tworzyw fluorowych łączonych grafitem (tworzywo DIABON firmy Sigri GmbH, RFN) mają nieco mniejszą przewodność, lecz mogą pracować w temperaturze do 415 K i ciśnieniu 0,6 MPa; są stosowane do wymiany ciepła w obecności kwasu solnego, fosforowego i azotowego do 50% w punkcie wrzenia. Wymienniki grafitowe i z tworzyw fluorowych są stosowane do chłodzenia gazów i podgrzewania gazów, m. in. w instalacjach odsiarczania spalin odlotowych.

W szklanych wymiennikach ciepła jest stosowane szkło boro-krzemowe, odporne na kwasy, roztwory soli, związki organiczne, w tym chlorki i bromki, nieodporne natomiast na kwas fluorowy, fosforowy i gorące alkalia. Są dwa podstawowe typy wymienników szklanych: płaszczowo-rurowe i spiralne (fir my Corning i Schott, RFN). Wymienniki te są stosowane do wymiany ciepła w układzie gaz—gaz do podgrzewania gazów; m. in. w suszarkach rozpyło- wych, chłodzenia gazów za pomocą cieczy w układach wentylacji i klimatyza cji itp. ,

Wymienniki z tworzyw sztucznych takich jak: fluorek poliwinylidenu (PVDF) i monochlorotrifluoroetylenu (ECTFE) są stosowane do kondensacji i destylacji bromu, suszenia chloru przez kondensację pary wodnej lub kwasem siarkowym i in. (firma Le Carbone, Francja). Wymienniki płaszczowo-rurowe, wykonywane z fluorowanej żywicy etylenopropylenowej (FEP) (firma Du Pont, USA) są stosowane m. in. do chłodzenia i ogrzewania elektrolitów, roztworów trawiennych itp.

Płytowe, ceramiczne wymienniki ciepła wykonywane z węgliku krzemu są stosowane w wysokiej temperaturze 750-1300 K, w atmosferze korozyjnej, z możliwością osadzania się cząstek stałych na powierzchni wymiany ciepła, np. podczas wymiany ciepła spaliny odlotowe—gaz, kondensacji kwasu siarkowego w temperaturze ok. 520 K i in. Przewodnictwo węgliku krzemu jest zbliżone do grafitu i nie traci on wytrzymałości w temperaturze do 1620 K (firma Hoechst, RFN).

14.4.7. KONDENSATORY

Kondensatory stanowią specyficzne wymienniki ciepła, ze względu na obec-ność w układzie wymiany ciepła nie kondensujących gazów. Kondensator po-ziomy z kondensacją, na powierzchni rurek przedstawia rysunek 14.18. Kon-densatory z przepływem krzyżowym stosowane są w procesach próżniowych, gdzie są przenoszone duże objętości oparów, istnieje duża powierzchnia do przepływu na krótkiej drodze, w celu zapewnienia małego spadku ciśnienia gazu. U góry rurek istnieje duża przestrzeń, często z półką perforowaną, dla dobrej dystrybucji oparów na długości wymiennika.

Kondensatory w usytuowaniu pionowym są rzadko stosowane, ze względu na trudności kontroli zalewania aparatu.

Kondensatory z kondensacją w rurkach są projektowane dla przepływu oparów i kondensatu w dół lub do góry, a także dla układu mieszanego, gdy opary

216

płyną do góry, a kondensat ścieka w dół. Kondensatory są stosowane m. in. w instalacjach energetycznych do chłodzenia pary odlotowej z turbin. Oprócz wymienników płaszczowo-rurowych jako kondensatory są stosowane wymienniki spiralne, płytowe ożebrowane. Do chłodzenia jest zwykle stosowana woda, powietrze rzadko.

W celu zabezpieczenia strat pary i utrzymania odpowiedniej jakości gazu na rurociągach odprowadzających kondensat lub gazy są instalowane urządzenia zwane garnkami kondensacyjnymi (łapaczami pary). Stanowią je samozamykające się zawory, otwierające się dla upustu powietrza, gazów i kondensatu i zamykające, gdy tylko para lub gaz wypełnią urządzenie. Są trzy rodzaje garnków kondensacyjnych: termodynamiczne, termostatyczne i mechaniczne (rys. 14.19).

Garnki termodynamiczne działają na zasadzie zmiany energii kinetycznej przepływającego kondensatu podczas wypełniania garnka, działając na dysk zamykający lub otwierający otwory upustowe.

Termostatyczne działają na zasadzie różnic temperatury między parą a kondensatem. Wyróżnia się m. in. garnki bimetaliczne i ciśnieniowe (rys, 14.19b). W bimetalicznym zimny kondensat powoduje otwarcie zaworu upustowego i opróżnienie garnka, po czym ciśnienie zamyka go z powrotem. W garnku ciśnieniowym zawór się otwiera, gdy kondensat ochłodzi się poniżej temperatury pary nasyconej a ciśnienie obniży się do określonego poziomu, zamyka się wtedy, gdy gorący kondensat odparowuje.

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

l — mieszek, 2 — zawór kondensatu

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

217

Rys. 14.18. Kondensator płaszczowo--rurowy: l — płaszcz, 2 — rurki, 3 — przegrody dla przepływu w przestrzeni

rurowej

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

14.5. REGENERATORY CIEPŁA

W wielu procesach technologicznych, w tym z kotłów, pieców, turbin, z gazami odlotowymi są odprowadzane duże strumienie ciepła co obniża sprawność cieplną tych procesów i stanowi jednocześnie stratę energii. Do odzysku stosuje się zwarte wymienniki ciepła, jak również regeneratory.

W regeneratorach ciepło pomiędzy czynnikami wymieniane jest za pośred-nictwem wypełnienia stałego, które stanowią cegły, kule, płyty, blachy metalowe odpowiednio profilowane i innego rodzaju kształtki, stanowiące warstwę

nieruchomą lub wypełnienie ruchome. Regeneratory z wypełnieniem nieruchomym

stanowią komorę lub zbiornik, w którym w sposób uporządkowany lub bezładny na ruszcie oporowym jest ułożone wypełnienie ceramiczne lub metalowe kuliste, cylindryczne lub innego rodzaju kształtki. W celu zapewnienia ciągłości pracy regeneratora instalacja zawiera dwa aparaty (rys. 14.20), których praca jest automatycznie sterowana; jeśli przez jeden aparat przepływa gaz gorący i wypełnienie akumuluje ciepło, to w drugim zimny gaz pobiera ciepło z wypełnienia. Są również stosowane konstrukcje regeneratorów z ruchomym wypełnieniem, w których wypełnienie, nagrzane w górnej cylindrycznej części regeneratora, opada w przeciwprądzie do ogrzewającego się gazu w dru-giej części. Po oddaniu ciepła wypełnienie jest zawracane do górnej części, do strefy nagrzewania. Tego rodzaju regeneratory są stosowane w przemyśle metalurgicznym i ceramicznym do odzysku ciepła z pieców, w których temperatura jest rzędu 1650 K, gazy odlotowe mają temperaturę ponad 800 K. Regenerator obrotowy (rys. 14.21), pracujący w sposób ciągły, składa się z

cylindrycznego bębna, w którym jest umieszczone wypełnienie z gładkich i profilowanych blach, zwykle aluminiowych, zwiniętych spiralnie i osadzonych na obrotowym wale lub wypełnienie stanowi porowaty, cylindryczny blok ceramiczny, wykonany na osnowie tlenku glinu. Bęben na wlocie i odlocie gazów, których przepływ przez regenerator jest przeciwprądowy dzieli się

Rys. 14.20. Regenerator ciepła ga-

zów odlotowych: l '—wypełnienie, 2 — system zaworów (zasuw)

sterujących

218

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

Rys. 14.21. Regenerator ciepła ciągły: l - obudowa, 2 — bęben obrotowy z porowatym wy-

pełnieniem

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

14.6. DOBÓR WYMIENNIKA CIEPŁA

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

219

LITERATURA

[1] HOBLER T., Ruch depta i wymienniki. Wyd. 6. WNT, Warszawa 1986. [2] KEYS W.M, LONDON A.L, Compact Heat Exchangers, Sec. Ed., McGraw-Hill Book Comp.,

London 1985. i [3] BN-85/2251-22, Wymienniki plaszczowo-rurowe stalowe. Typy. Podstawowe parametry

i wymiary. [4] FOUMENY E.A., HEGGS P.J., Heat exchange engineering. T. l i 2. Ellis Horwood, New

York 1991.

15. WYPARKI

15.1. WPROWADZENIE

Zatężanie roztworów nielotnych przez odparowanie rozpuszczalnika prowadzi się w wymiennikach ciepła, zwanych wyparkami lub warnikami. Odparowanie rozpuszczalnika, zwykle wody, jest prowadzone do określonego stężenia produktu. Rozpuszczalnik nie jest usuwany całkowicie i zatężanie roztworu nie przekracza stanu przesycenia. Odparowanie do stanu przesycenia roztworu, z wytrąceniem kryształów, prowadzi się w wyparkach krystalizacyjnych (rozdz. 16). Zgodnie z prawem Raoulta temperatura wrzenia roztworu jest wyższa od temperatury wrzenia czystego rozpuszczalnika pod tym samym ciśnieniem i zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia roztworu, a więc wraz ze zwiększeniem stężenia roztworu różnica temperatury pomiędzy wrzącym, zatężo-nym roztworem a czynnikiem grzejnym zwiększa się. Wzrasta również gęstość zatężanego roztworu, co powoduje wzrost ciśnienia hydrostatycznego w masie roztworu, mimo mieszania, i podwyższenie temperatury wrzenia. Suma wymie-nionych różnic temperatury, występujących na granicy wrzący roztwór—opary i na wysokości słupa roztworu, wraz ze stratą ciepła jest zasadnicza dla procesu zatężania. Czynnik grzejny musi pokryć straty ciepła, wynikające z wymie-nionych różnic temperatury i zapewnić odparowanie. Wymaga to doprowadzenia dodatkowego strumienia ciepła, wynikającego z tzw. użytecznej różnicy temperatur, której minimum wynosi 7-8 K.

Odparowanie może być prowadzone pod ciśnieniem atmosferycznym, próżnią lub ciśnieniem zwiększonym, co w dużym stopniu zależy od właści-wości fizykochemicznych zatężanych substancji (roztworów). Przekazywanie ciepła do roztworu odbywać się może bezprzeponowo, gazami spalinowymi lub za pośrednictwem przegrody (przepony): parą wodną nasyconą, parą przegrzaną, wysokowrzącymi organicznymi nośnikami ciepła, a niekiedy stosowane jest również ogrzewanie elektryczne.

Podczas odparowywania pod próżnią wyparka jest wyposażona w kondensator oparów i pompę próżniową do odsysania gazów inertnych. Odparowanie pod próżnią jest stosowane podczas zatężania roztworów * nieodpornych na działanie podwyższonej temperatury lub kiedy temperatura czynnika grzejnego nie pozwala prowadzić procesu pod ciśnieniem atmosferycznym. Stosowanie Próżni umożliwia zwiększenie różnicy temperatury pomiędzy czynnikiem grze-jnym a wrzącym roztworem, co zmniejsza wymaganą powierzchnię wymiany

221

ciepła. Wadą odparowywania pod próżnią jest zwiększenie kosztów inwesty-cyjnych i eksploatacyjnych instalacji wyparnej.

Zatężanie pod ciśnieniem zwiększonym jest związane z podwyższeniem temperatury wrzenia roztworu, co umożliwia wykorzystanie oparów do celów grzejnych. Wielkość stosowanego ciśnienia jest jednak ograniczona właściwoś-ciami fizykochemicznymi roztworu i czynnika grzejnego.

Odparowywanie prowadzi się w aparatach wyparnych — wyparkach jedno-lub wielodziałowych, zwanych też bateriami wyparnymi.

Baterie wyparne składają się z szeregu wyparek połączonych rurociągami technologicznymi tak, że mogą pracować w układzie współprądowym, prze-ciwprądowym lub mieszanym. Opary rozpuszczalnika stanowią tzw. parę wtórną, wykorzystywaną do ogrzewania kolejnych wyparek — działów instalacji wyparnej.

Opary, jako para wtórna, grzejna, są wykorzystywane również w wyparkach mechanicznych z pompą ciepła, gdzie podwyższanie parametrów energetycz-nych oparów następuje w wyniku ich sprężania.

Wyparki mogą pracować w sposób okresowy lub ciągły. W pierwszym wy-padku, po zatężeniu roztworu do określonego stężenia jest on wyładowywany z wyparki. W wyparkach pracujących w sposób ciągły roztwór rozcieńczony jest doprowadzony w sposób ciągły i w sposób ciągły jest odprowadzany roztwór zatężony.

Klasyfikacja konstrukcji wyparek, podobnie jak i wymienników ciepła, związana jest z postacią i kształtem elementów grzejnych, a także ze sposobem cyrkulacji zatężonego roztworu i jego postacią. Wyróżnia się trzy zasadnicze typy wyparek:

— z cyrkulacją naturalną, — z cyrkulacją wymuszoną, — warstewko we.

15.2. WYPARKI Z CYRKULACJĄ NATURALNĄ

W wyparkach z cyrkulacją naturalną, cyrkulacja roztworu jest wywołana strumieniem konwekcyjnym ciepła od powierzchni grzejnej. Powierzchnię grzejną w tego rodzaju wyparkach stanowi w najprostszym przypadku ścianka wyparki—warnika ogrzewana bezpośrednio, płaszcz grzejny, zespół rurek poziomych lub pionowych, przez które przepływa czynnik grzejny.

Do zatężania m. in. bardzo korozyjnych cieczy, rozcieńczonych kwasów i soli nieorganicznych jest stosowane bezpośrednie spalanie gazu ziemnego w cieczy, w tzw. palnikach zanurzeniowych. Spaliny barbotując przez warstwę cieczy powodują ogrzewanie roztworu i odparowanie rozpuszczalnika. Skomplikowana kontrola spalania i duży strumień ciepła unoszony z gazami odlotowymi ograniczają zastosowanie tej metody zatężania roztworów.

222

W krajach o dużym nasłonecznieniu i klimacie gorącym, promieniowanie słoneczne jest stosowane do zatężania wody morskiej i produkcji soli kuchennej.

Bezpośrednie ogrzewanie ogniowe powierzchni grzejnej, gazami spalinowymi do zatężania roztworów rozcieńczonych lub do krystalizacji jest stosowane sporadycznie, w procesach okresowych, w małej skali.

Wyparki z płaszczem grzejnym są stosowane do zatężania roztworów lepkich i krystalizujących, w tym również korozyjnych i zanieczyszczonych okresowo, w małych objętościach.

Wyparki z rurkami poziomymi z racji słabej cyrkulacji są stosowane rzadko. Duże zastosowanie znajdują natomiast wyparki z rurkami pionowymi, znane jako wyparki Roberta. Wyparka (rys. 15 .1 ) składa się z dwóch zasadniczych części: komory grzejnej i parowej (przestrzeni parowej). Przestrzeń parowa stanowi część wyparki, do której odparowują i skąd są odprowadzane opary z wrzącego, zatężanego roztworu. Komorę grzejną stanowią pionowe rurki o wysokości 2-3 m i średnicy 50--100 mm, z rurą cyrkulacyjną w centrum, której powierzchnia przekroju wynosi ok. 20% przekroju komory. W rurze cyrkulacyjnej przepływ surówki lub zatężonego roztworu jest opadający, niezależnie od miejsca doprowadzenia surówki. W rozwiązaniu przedstawionym na rys. 15 .1 surówka wpływa do rurek i wznosząc się do góry ogrzewa się do wrzenia. W komorze (2) następuje rozdział mieszaniny para—ciecz na zatężony roztwór, który opada rurą cyrkulacyjną i

jest odprowadzany jako produkt, natomiast opary po odkropleniu (3), są odprowadzane górą aparatu. Wyparka jest odpowiednia do zatężania roztworów czystych, rozcieńczonych, o lepkości zbliżonej do wody. Z racji jednak dużego zatrzymywania nie nadaje się do zatężania cieczy mało odpornych na przebywanie w podwyższonej temperaturze, lepkich i łatwo krystalizujących. Do tego rodzaju wyparek należą również wyparki z podwieszoną komorą grzejną, w których istnieje swoboda wydłużeń termicznych komory grzejnej i płaszcza wyparki. Zatężany roztwór cyrkuluje tu w przestrzeni międzyrurowej i w przekroju pierścieniowym pomiędzy" ścianą wyparki a rurkami zewnętrznymi komory grzejnej.

Wyparki z rurą cyrkulacyjną (opadową) (rys. 15.2) posiadają stopień recyrkulacji ok. 2:1, lecz mogą być stosowane również z przepływem jednokrotnym. Separacja zatężonego roztworu i oparów następuje w komorze (2).

Rys. 15.1. Wyparka z obie-giem naturalnym: l — komora grzejna, 2 - przestrzeń paro-wa, 3 - odkraplacz; P — para grzejna, G - gazy nie skra-plające się, C - ciecz (kon-densat), S - surówka, K -produkt (koncentrat), O — opary

223

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

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

Rys. 15.3. Wyparka ze wznoszącą się warstew-ką: l — komora grzejna, 2 — przestrzeń parowa, 3 — separator

Rys. 15.4. Wyparka ze spływającą warstewką: l — komora grzejna,

2 — separator

Wyparki ze wznoszącą się warstewką (rys. 15.3) zwane wyparkami Kest-nera stanowią pionowe rurki o wysokości 6-9 m. Surówka podawana jest do rurek komory grzejnej od dołu. Przepływając do góry ogrzewa się i przechodzi w stan pary. Strumień oparów w mieszaninie ciecz—para w miarę przepływu do góry wzrasta, zwiększa się prędkość przepływu i grubość warstewki cieczy, co powoduje zwiększenie współczynników wnikania ciepła i zmniejszenie czasu przebywania cieczy. Dla określonego strumienia surówki jest dobierany stosunek długości do średnicy rurek, by na wlocie do komory parowej roztwór był maksymalnie zatężony, bez wydzielania osadów w rurkach. Wyparki nie mogą być stosowane do zatężania roztworów krystalizujących. Istnieją również konstrukcje wyparek z recyrkulacją zewnętrzną roztworu, zatężonego po wydzieleniu go w separatorze.

Wyparki z opadającą warstewką (rys. 15.4) są stosowane do roztworów o dużej gęstości, lepkich, w których cyrkulacja naturalna jest utrudniona. Su-

224

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

15.3. WYPARKI Z CYRKULACJĄ WYMUSZONĄ

Zwiększenie szybkości przepływu cieczy rurkami komory grzejnej jest ko-nieczne wtedy, gdy zatężane są roztwory stężone i istnieje możliwość wydzielenia się kryształów. Wzrost prędkości przepływu roztworu do 2-5 m/s powoduje znaczne zwiększenie współczynników wnikania i zmniejszenie wymaganej powierzchni wymiany ciepła, co ma znaczenie, gdy są stosowane kosztowne materiały konstrukcyjne. Wzrost prędkości uzyskuje się bądź przez zainstalowanie wewnątrz wyparki, w rurze cyrkulacyjnej mieszadła śmigłowego lub turbinowego, bądź umieszczenie na zewnątrz komory grzejnej z pompą cyrkulacyjną, śmigłową.

Wyparka z wewnętrzną komorą grzejną (rys. 15.5) posiada w dolnej części komory grzejnej pompę śmigłową, która zasysa roztwór zateżony centralną częścią rurek komory i tłoczy go, recyrkuiuje częściowo razem ze świe żą surówką rurkami komory, przekrojem pierścieniowym. Produkt jest odprowadzany dołem, po przeciwnej stronie zasilania surówką. Wyparki z zewnętrzną komorą grzejną pionową i poziomą (rys. 15.6) posiadają pompy wirowe cyrkulacyjne, zamontowane na rurze cyrkulacyjnej po stronie roztworu zatężanego. Po odprowadzeniu części produktu pozostałość, tak jak i poprzednio, zmieszana ze świeżą surówką jest przetłaczana przez rurki zewnętrznej komory grzejnej, w której jednak nie zachodzi wrzenie roztworu, ze względu na podwyższone ciśnienie, wynika jące z ciśnienia hydrostatycznego słupa roztworu. Na wejściu do komory parowej—separatora (2) ciśnienie spada i roztwór intensywnie wrze. Opary po odkropleniu opusz czają wyparkę górą, natomiast zateżony roztwór odpływa rurą cyrkulacyjną (4). Do zatężania roztworów korozyj nych są stosowane również komory grzejne grafitowe, z oddzielnymi, odpowiednio profilowanymi kanałami na parę grzejną i roz twór. Wyparki z wymuszoną cyrkulacją są stosowane do zatężania m. in. soli, sody kaustycznej, alkoholi, kwasów i in.

Rys. 15.5. Wyparka z obiegiem wymu-szonym: l — komora grzejna, 2 - przestr-zeń parowa, 3 — od-kraplacz, 4 - rura cyrkulacyjną, 5 — pompa cyrkulacyjną

225

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

5 — pompa cyrkulacyjna

15.4. WYPARKI CIENKOWARSTEWKOWE

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

226

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

Rys. 15.8. Wirniki mieszadeł wyparek warstewkowych mechanicznych: a) proste, b) wahadłowe, c) elastyczne,

d) z płytką ślizgową

Rys. 15.9. Wyparka warstewkowa z wirnikiem stożkowym: l - wirnik łopatkowy, 2 - warstewka

cieczy, 3 — płaszcz grzejny, 4 — separator, 5 — napęd

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

227

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

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

Rys. 15.10. Wyparka cienkowarstewkowa talerzowa: l - talerze, 2 - wal drążony

Wyparki cienkowarstwowe mechaniczne są stosowane wówczas, gdy klasyczne sposoby wymiany ciepła nie mogą być stosowane ze względu na małą odporność termiczną roztworu, dużą lepkość, obecność w roztworze składników mogących powodować blokowanie powierzchni grzejnych lub powstawanie piany.

Wyparki płytowe są podobne w konstrukcji do płytowych wymienników ciepła. Jeden moduł wyparki stanowi płyta, po której powierzchni spływa lub wznosi się warstewka odparowywanego roztworu, zamknięta dwoma płytami grzejnymi (parowymi), ogrzewanymi parą lub innym ciekłym nośnikiem ciepła. Moduł ten jest powtarzany wielokrotnie, w zależności od wielkości wymaganej powierzchni grzejnej. Karbowana powierzchnia płyt znacznie zwiększa burzli-wość w warstewce cieczy w porównaniu z powierzchniami gładkimi. Zarówno produkt, opary, jak i kondensat zbierane w oddzielnych kolektorach są odpro-wadzane na zewnątrz wyparki. Wyparki charakteryzują się krótkim czasem

228

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

15.5. BATERIE WYPARNE

Opary wytwarzane w wyparkach jednodziałowych mają znaczny zasób ciepła i mogą być wykorzystane do ogrzewania kolejnych, identycznych lub podobnych wyparek (działów) w ciągu zwanym baterią lub instalacją wyparną. Ciśnienie w kolejnych działach baterii wy parnej jest coraz mniejsze, tak by temperatura pary (oparów) grzejnej nasyconej była wyższa od temperatury wrzenia roztworu o wymienioną w p. 15.1 różnicę. Ten sposób prowadzenia zatężania roztworów daje znaczne oszczędności ciepła podczas odparowywania. Z bilansu cieplnego baterii wyparnej (rys. 15.11) wynika, że ciepło odparowania l kg wody w pierwszym (I) dziale jest w przybliżeniu równe ciepłu kondensacji l kg pary grzejnej. W warunkach rzeczywistych para grzejna kondensuje pod wyższym ciśnieniem niż odparowuje rozpuszczalnik, dlatego na skutek strat cieplnych zdolność oparów do odparowania wody w kolejnych działach maleje tak, że stosując baterię dwudziałową należy doprowadzić świeżą parę w ilości ~0,57 kg; trójdziałową ~0,4 kg; czterodziałową ~0,3 kg. Dalsze zwiększanie liczby działów nie powoduje już znaczącego zmniejszenia zużycia świeżej pary grzejnej, więc baterie o liczbie działów większej niż cztery są rzadko stosowane. W zależności od sposobu przepływu roztworu przez baterię wyróżnia się instalacje wyparne: współprądowe, przeciwprądowe, równoległe.

W instalacji współprądowej (rys. 15.11 a) do pierwszego (I) działu dopływają: surówka podgrzana wstępnie do temperatury panującej w tym dziale i świeża para grzejna. Dział ten stanowi pierwszy stopień zatężania. Opary z I działu stanowią czynnik grzejny dla II działu i kolejno z II działu dla III działu itd. Zatężany roztwór, dzięki temu, że ciśnienie w kolejnych działach od I do II jest coraz niższe, przepływa samoczynnie z dziana do działu i najbardziej stężony roztwór odpływa z działu ostatniego. W instalacji wraz ze wzrostem stężenia roztworu temperatura pary grzejnej spada i warunki do wymiany ciepła pogarszają się; często w ostatnim dziale, by utrzymać stan wrzenia roztworu obniża się ciśnienie poniżej atmosferycznego. W tym celu opary z ostatniego działu są kierowane do kondensatora, gdzie są skraplane. W przypadku oparów wody, w kondensatorze bezprzeponowym natryskowym lub z wypełnieniem, zwanym barometrycznym (rys. 15.11). Nie skraplające się gazy po odkropleniu, zasysane pompą próżniową, są usuwane do atmosfery. W bateriach współprądowych zatęża się m. in. roztwory organiczne i emulsje, których odporność na działanie podwyższonej temperatury maleje wraz ze wzrostem stężenia.

229

W instalacji przeciwprądowej (rys. 5.lib) surówka jest doprowadzana do działu, w którym ciśnienie i temperatura są najniższe, po czym do dalszych działów, w których panuje wyższe ciśnienie i temperatura. Roztwór musi być przetłaczany pompami wirowy roi. Przepływ zatężanego roztworu odbywa się w przeciwprądzie do pary grzejnej (oparów). W baterii przeciwprądowej, w każdym dziale, zapewnione są tak samo dobre warunki do wymiany ciepła.

Rys. 1 5 . 1 1 . Baterie (instalacje) wyparne: a) wspólprądowa, b) przeciwprądowa; I, II, III -

działy baterii wyparnej: l — skraplacz barometryczny, 2 — rura barometryczna, 3 — odkra- placz, 4 — pompy przetłaczające, 5 — pompa próżniowa

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

230

Spośród przedstawionych instalacji, mimo wymienionych wad, najczęściej są stosowane baterie wspóhprądowe, ze względu na prostotę eksploatacji.

Maksymalna liczba działów w instalacji wyparnej jest ograniczona użyteczną różnicą temperatur w każdym dziale, która nie powinna być niższa od 7-8°. Całkowitą powierzchnię wymiany ciepła, w celu zmniejszenia kosztów inwes-tycyjnych i ogólnych dzieli się zazwyczaj równo między działy.

15.6. WYPARKI MECHANICZNE

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

Rys. 15.12. Wyparki mechaniczne ze sprężaniem oparów: a) ze sprężarką wirową, b) z ejekto-rem parowym; l — sprężarka, 2 — ejektor

W wyparkach ze sprężaniem oparów w ejektorze parowym (rys. 15.12b) para robocza o wysokim ciśnieniu rozpręża się w dyszy i zasysa opary z wyparki. Mieszanina pary odlotowej z ejektora o odpowiednich parametrach ciśnienia i temperatury, jest kierowana do komory grzejnej wyparki.

Wyparki mechaniczne ze sprężaniem oparów są stosowane do zatężania roztworów wrażliwych na podwyższoną temperaturę, jak również wówczas, gdy różnica temperatury między parą grzejną a oparami jest niewielka, co zwykle dotyczy roztworów czystych, rozcieńczonych. Wybor'wyparki mechanicznej jest zwykle decyzją ekonomiczną.

Do zatężania roztworów są również stosowane termochemiczne nośniki ciepła, tzw. transformatory ciepła, stosowane w tzw. pompach ciepła. Trans-

231

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

Rys. 15.13. Wyparka z pompą ciepła: l — komora grzejna, 2 - zawór rozprężny, 3 - kondensator, 4

— separator, 5 — sprężarka

15.7. DOBÓR WYPARKI

Dobór wyparki do procesu odparowania i zatężania roztworu zależy od następujących czynników:

232

— projektowanej wydajności, — lepkości surówki i zmian lepkości roztworu w trakcie odparowania, — właściwości fizykochemicznych produktu, w tym jego odporności termicznej, stężenia końcowego, możliwości wydzielania osadów i pienienia oraz •zawartości ciała stałego.

Na podstawie wstępnych obliczeń określa się podstawowe wymiary wyparki: — powierzchnię grzejną

gdzie Tk, Tn — temperatury nasycenia odpowiednio kondensującej pary

grzejnej i zatężanego roztworu, K — współczynnik przenikania ciepła [W/(m2-K)]; przy cyrkula

cji naturalnej dla roztworów wodnych czystych ok. 1000, dla zanieczyszczonych do 500; przy cyrkulacji wymuszonej dla roztworów wodnych czystych ok. 2000, zanieczyszczonych do 700.

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

gdzie mQ — strumień masy oparów [kg/s]; pG —

gęstość oparów [kg/m1],

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

Gdy prędkość oparów wynosi 3-7 m/s sprawność ogólna odkraplania wynosi

99,8%, spadek ciśnienia = 250 N/m2.

LITERATURA

[1] KUBASIEWICZ A., Wyparki. Konstrukcja i obliczanie. WNT, Warszawa 1977. [2] SMITH R.A., Vaporisers — Selection, Design and Operation, Longman Sci. & Technical,

John Wiley & Sons, New York 1986. [3] RANT Z.Z., Odparowanie w teorii i praktyce, WNT, Warszawa 1965.

233

16. KRYSTALIZATORY

16.1. WPROWADZENIE

Krystalizacja stanowi proces wydzielenia substancji rozpuszczonej z roztworu przesyconego lub z substancji macierzystej będącej w stanie ciekłym, bądź bezpośrednio z fazy gazowej, z pominięciem fazy ciekłej na skutek desublima-cji. W wyniku krystalizacji następuje wydzielenie produktu w postaci stałej lub oczyszczenie roztworu macierzystego lub gazu.

Z wymienionych procesów krystalizacji największe zastosowanie ma krysta-lizacja z roztworów ciekłych, zwana krystalizacją masową. Stopień rozdziału, jaki można uzyskać dochodzi do 99,99% dla produktów rafinowanych.

Krystalizacja jest związana z obecnością w roztworze zarodków lub z ich powstawaniem — nukleacją i wzrostem. Siłą napędową obu procesów jest przesycenie roztworu, uzyskiwane przez odparowanie rozpuszczalnika, chło-dzenie roztworu, reakcję chemiczną lub dodanie trzeciego składnika. Zdolność do przesycenia roztworu, określana jako stosunek stężenia aktualnego C do stężenia równowagowego C *

zależy od rodzaju substancji i wynosi np. dla cukru ·* 2,0, soli NaCl - 1,0.

Nukleacją jest inicjowana w obecności zarodków — drobnych cząstek stałych i przy dużych szybkościach ścinania roztworu. Nukleacją w cieczy jest określana mianem jednorodnej, a w obecności ciała stałego jako niejednorodna (heterogeniczna). Nukleacją silniej zależy od przesycenia niż wzrost kryształów. Jeśli stopień przesycenia jest duży, to powstaje duża liczba małych kryształów, trudnych do filtracji i mycia. Mały stopień przesycenia daje natomiast małą liczbę dużych kryształów. Dalsze zwiększanie kryształów jest związane z dyfuzją substancji macierzystej do ich powierzchni i wbudowaniem w strukturę kryształu. Jakość krystalizacji określana jest jednorodnością, czystością i twardością kryształów. Jako duże określa się kryształy 1-5 mm, drobne 0,2-1 mm i poniżej 0,2 mm — bardzo drobne. Warunki formowania i kinetyka wzrostu kryształów, skład i czystość i in. są omówione w pracach [1] , [2].

Krystalizację prowadzi się w aparatach zwanych krystalizatorami, w których istnieją warunki do powstawania i wzrostu kryształów. Krystalizacja może być prowadzona w sposób okresowy lub ciągły.

234

Krystalizatory okresowe umożliwiają uzyskanie kryształów o bardziej jedno-litych rozmiarach niż ciągłe. Ponadto krystalizatory okresowe są proste w budowie i obsłudze, lecz czas przebiegu procesu jest dłuższy.

Krystalizatory ciągłe są stosowane przy większych wydajnościach produkcji, ponad 50-200 kg/h. Zaletą krystalizatorów ciągłych jest lepsze wykorzystanie roztworu macierzystego, lepsza separacja kryształów i ich mycie, stały rozkład rozmiarów kryształów. Wadę stanowi tendencja blokowania powierzchni wymiany ciepła przez kryształy, mniejsze rozmiary kryształów w porównaniu z metodą okresową.

Sposób krystalizacji i rodzaj stosowanego krystalizatora, w dużym stopniu zależy od krzywej rozpuszczalności krystalizowanej substancji (rys. 16.1). Krystalizacja przez schładzanie może być stosowana dla substancji, których rozpuszczalność maleje wraz z obniżeniem temperatury (typ 1), natomiast dla substancji wykazujących bardzo małe zwiększenie rozpuszczalności (typ 2) jest stosowane odparowanie rozpuszczalnika. W razie nieznacznego zwiększenia rozpuszczalności, wraz ze zwiększeniem temperatury, korzystniej jest stosować krystalizację próżniową, w której schłodzenie roztworu następuje w wyniku odparowania rozpuszczalnika. Dla substancji wykazujących spadek rozpuszczalności wraz ze wzrostem temperatury (typ 3) najlepszym sposobem krystalizacji jest również odparowanie rozpuszczalnika.

Krystalizacja w wyniku reakcji chemicznej jest związana z reakcjami egzotermicznymi, w których ciepło tworzenia substancji jest wystarczające do odparowania rozpuszczalnika. Za przykład może służyć: reakcja amoniaku (NH3) z kwasem siarkowym (H2SO4), z wytworzeniem siarczanu VI amonu (NH4)2SO4, produkcja wodorowęglanu sodu (NaHCO3) i węglanu sodu (NajCCg.

Krystalizacja przez desublimację substancji jest prowadzona z fazy gazowej, poprzez chłodzenie oparów bezpośrednie lub pośrednie. Sposób chłodzenia i rodzaj substancji określają nukleację, wzrost rozmiarów i aglomerację cząstek. Gdy chłodzenie jest zbyt szybkie, wtedy otrzymuje się mgłę o średnicy cząstek 0,1-40 µm, których wydzielenie z gazu jest utrudnione. Można uniknąć tworzenia się mgły przez kontrolę warunków kondensacji i stopnia przesycenia oparów. Stopień przesycenia, krytyczny, w temperaturze kondensacji można obliczyć z następującego równania:

Rys. 16.1. Rodzaje (typy) krzywych rozpusz-czalności

235

w którym M — masa molowa substancji, p — gęstość

[g/cm3], σ — napięcie powierzchniowe [dyny/cm], TG — temperatura oparów [K].

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

16.2. KRYSTALIZATORY Z CHŁODZENIEM

W krystalizatorach z chłodzeniem otrzymuje się jednorodnej wielkości kry-ształy, przez chłodzenie roztworu przesyconego w określonej temperaturze i określonym czasie. Chłodzenie odbywać się może bezprzeponowo, zwykle strumieniem powietrza, lub innymi płynami obojętnymi lub przeponowe cieczą chłodzącą.

Najprostszymi krystalizatorami są aparaty typu zbiornikowego, zwane pan-wiowymi, napełnione gorącym przesyconym roztworem i pozostawione do schłodzenia naturalnego. Otrzymane kryształy, o różnych rozmiarach, są zanie-czyszczone ługiem macierzystym.

Krystalizatory z elementami chłodzącymi, umieszczonymi w krystalizującym roztworze, są rzadko stosowane, ze względu na blokowanie powierzchni chłodzącej.

Krystalizatory z bezpośrednim chłodzeniem powietrznym (rys. 16.2) stanowią długie poziome bębny obrotowe lub koryta wykonujące ruch wahliwy, są to tzw. krystalizatory kołyskowe, do których w sposób ciągły jest podawany gorący, nasycony roztwór wodny, a w przeciwprądzie, nad powierzchnią roztworu, przetłaczane jest powietrze. Dzięki niewielkiemu pochyleniu roztwór przepływa do drugiego końca aparatu, gdzie jest wyładowywany jako mieszanina kryształów w ługu macierzystym. Powietrze wilgotne odprowadzane jest do atmosfery. Straty ciepła przez korpus aparatu powodują tworzenie się narostów krystalicznych na ścianach, co powoduje zaburzenia w przepływie. Mankamenty te w mniejszym stopniu występują w krystalizatorach kołyskowych, gdzie ruch poprzeczny zawiesiny powoduje likwidację lokalnych przesyceń i tworzenie narostów. Otrzymane kryształy są dobrze uformowane i mają duże rozmiary. Zaletą tego rodzaju krystalizatorów jest prosta konstrukcja i niski koszt eksploatacji, lecz duża powierzchnia instalacyjna, możliwość blokowania przepływu, niekorzystne warunki wymiany ciepła i masy, brak możli-

236

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

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

Rys. 16.3. Krystalizator korytowy z chłodnicą obrotową: l — koryto, 2 - napęd mieszadła,

3 - mieszadło — chłodnica

Niekorzystne właściwości powietrza, jako czynnika chłodzącego, zastąpiono stosując różnego rodzaju płyny nie mieszające się z roztworem, o korzystnych właściwościach cieplnych. Stosowane są:

— do chłodzenia roztworów wodnych — benzyna i nisko wrzące węglowo-dory, jak butan, propan itp.,

— do krystalizacji związków organicznych różnego rodzaju solanki (w tym CaCl2, MgCl2 i inne).

237

Krystalizator typu zbiornikowego z mieszadłem jest stosowany do krysta-lizacji, np. benzenu. Przez zmieszanie ciekłego benzenu z wodnym roztworem MgCl2 w temperaturze 258-263 K\otrzymuje się krystaliczny benzen o wysokiej czystości. W aparatach typu kolumnowego jest prowadzona krystalizacja z wykorzystaniem do chłodzenia ciepła parowania skroplonych węglowodorów. Odpowiedni węglowodór jest rozpylany na krople dyszą lub zespołem dysz na dole kolumny wypełnionej roztworem. Przepływając do góry odparowuje, kosztem ciepła pobieranego z roztworu, jednocześnie mieszając zawiesinę kryształów. Zastosowanie omawianego sposobu krystalizacji jest niewielkie, mimo wielu zalet, którymi są m. in. korzystne warunki wymiany ciepła, eliminacja narostów krystalicznych i zwiększona wydajność krystalizacji. Zanieczyszczania produktu czynnikami chłodzącymi, stosowanie sprężarek chłodniczych, niebezpieczeństwo wystąpienia pożarów i wybuchów stanowią wadę tej metody.

Krystalizatory z chłodzeniem bezpośrednim próżniowym stanowią aparaty najbardziej rozpowszechnione w krystalizacji z roztworów. Są one stosowane do krystalizacji substancji, których rozpuszczalność maleje wraz ze spadkiem temperatury. Zasada ich działania polega na chłodzeniu roztworu w wyniku samoodparowania części rozpuszczalnika pod zmniejszonym ciśnieniem, z jednoczesnym zatężaniem roztworu.

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

kondensator

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

238

krystalizatora zaczyna wrzeć i odparowuje. W wyniku przesycenia następuje krystalizacja. Zawiesina kryształów zasysana pompą cyrkulacyjną odpływa w dół zbiornika, skąd przed wlotem do pompy część produktu jest odprowadzana na zewnątrz. Otrzymuje się mieszaninę drobnych kryształów.

Krystalizatory z chłodzeniem przeponowym stanowią aparaty, w których chłodzenie roztworu odbywa się przez ścianę bez odparowania rozpuszczalnika. Ograniczone zastosowanie znajdują krystalizatory w postaci mieszalników z płaszczem grzejnym lub wężownicą chłodzącą, wyposażone w mieszadło wolnoobrotowe. Obrastanie powierzchni wymiany ciepła kryształami i kon-sekwencje z tym związanie powodują, że krystalizatory są stosowane do niezbyt dużej produkcji, okresowej. Lepsze warunki kontroli krystalizacji są w aparatach pracujących w sposób ciągły. Krystalizator z chłodnicą zewnętrzną (rys. 16.5) składa się zasadniczo ze zbiornika z zawiesiną (1), wymiennika chłodnicy płaszczowo-rurowej (2) i pompy obiegowej (3). Świeży, gorący roztwór jest doprowadzany do przelewu, gdzie miesza się ze strumieniem cyrkulowanej zawiesiny kryształów. W chłodnicy (2) zawiesina ulega ochłodzeniu i przesyceniu i wpływa do zbiornika (1), gdzie następuje wzrost kryształów. Odbiór kryształów z ługiem macierzystym odbywa się od dołu zbiornika. Otrzymuje się drobne, lecz o zbliżonych rozmiarach kryształy. Opisany typ krystalizatora jest również określany mianem krystalizatora fluidalnego, ze względu na fluidyzację strumieniem przechłodzonego roztworu, w dolnej przestrzeni krystalizacyjnej (4) ziaren kryształów.

Rys. 16.5. Krystalizator z chłodzeniem przeponowym i klasyfikacją kryształów: l — krystaliza-tor, 2

— chłodnica, 3 — pompa obiegowa, 4 — przestrzeń krystalizacyjna

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

239

W celu ograniczenia narostów na powierzchni chłodzącej są również stosowane krystalizatory z urządzeniami skrobakowymi, dociskanymi do ścian sprężynami lub siłą odśrodkową. Sćj one stosowane do krystalizacji roztworów bardzo lepkich, również w niskiej temperaturze. Pośród tych aparatów znajdują się również zmodyfikowane wyparki mechaniczne, warstewkowe.

Rys. 16.6. Krystalizator walcowy chłodzony: l — walec, 2 — mieszadło, 3 — obudowa —

korpus aparatu

W krystalizatorach bębnowych (walcowych) (rys. 16.6) zasadniczy element stanowi wolnoobrotowy bęben metalowy, chłodzony od wewnątrz cieczą, na którego powierzchnię podaje się roztwór w postaci cienkiej warstewki. Bęben może być częściowo zanurzony w gorącej, krystalizowanej cieczy (rys. 16.6) lub ciecz jest podawana na powierzchnię bębna. Wykrystalizowana warstewka substancji jest zdejmowana z powierzchni bębna nożem lub wałkiem gumowym, dociskanym. Konstrukcje krystalizatorów są otwarte lub zamknięte hermetycznie, w zależności od rodzaju roztworu. Budowane są również układy krystalizatorów wielostopniowe szeregowe, w celu uzyskania lepszego stopnia czystości produktu. Krystalizatory tego rodzaju są stosowane do krystalizacji stężonych roztworów wodnych, stopionych kryształów uwodnionych i stopów.

Procesy wydzielenia z fazy gazowej substancji stałych są prowadzone w de-sublimatorach. Istnieje wiele sposobów spowodowania desublimacji z mieszaniny gazowej:

— bezpośrednie zmieszanie wyjściowych reagentów gazowych, — sublimacja substancji do nośnika gazowego,

— reakcja chemiczna, z wydzieleniem produktów zdolnych do desublimacji, Desublimacja następuje bądź na powierzchni nieruchomej lub ruchomej, bądź w objętości fazy gazowej. Podczas wydzielania produktu na powierzchni przesycenie osiąga się przez odprowadzenie ciepła do otaczającego środowiska. Powierzchnia ma temperaturę niższą niż gaz i przesycenie oparów odpowiada tej temperaturze. Z biegiem desublimacji, gdy warstewka fazy stałej staje

240

się grubsza, wtedy temperatura jej wzrasta, przesycenie maleje i desublimacja ustaje.

Desublimacja jest stosowana m. in. do wydzielenia cennych produktów w procesach katalitycznego utleniania węglowodorów tlenem powietrza, takich jak bezwodnik ftalowy i maleinowy, antrachinon, jak również do wydzielenia par metali, sadzy, jodu, chlorku glinu itp. Stopień wydzielenia substancji wynosi powyżej 90%. Desublimacja jest stosowana jako metoda oczyszczania wielu substancji i gazów. Ponadto desublimacja jest stosowana do otrzymywania monokryształów, światłowodów, do barwienia i nakładania różnego rodzaju powłok itp.

Sposób prowadzenia desublimacji określa zwykle jakość i czystość produktu. Proces może być prowadzony w sposób okresowy lub ciągły.

Najprostszy desublimator stanowi zespół zbiorników — kolumn stalowych — w ustawieniu szeregowym, z odbiorem produktu od dołu i z układem odpy-lania gazów odlotowych w postaci skrubera lub filtru tkaninowego. Ochłodzenie gazu i desublimacja odbywa się w wyniku strat ciepła przez ściany aparatu. Produkt jest usuwany ze ścian przez okresowe ostukiwanie ścian lub zdrapy-wanie. Stosowane są również aparaty z płaszczem chłodzącym i płaszczowo- -rurowe, w których desublimacja następuje w przestrzeni między rurowej, czynnik chłodzący natomiast przepływa rurkami. W celu zwiększenia stopnia desublimacji powiększa się powierzchnię osadzania produktu, polepsza chło-dzenie, stosując rury ozebrowane lub płyty faliste, i zwiększa czas przebywania gazu w aparacie. Efektywność desublimacji maleje wraz ze zwiększeniem grubości osadzonego produktu.

Jeśli mała wydajność jest wystarczająca, to jako desublimatory są stosowane chłodzone od wewnątrz, obracające się bębny, z których produkt jest zdrapy-wany nożem. Metody termiczne usuwania produktu z powierzchni są związane z ogrzewaniem powierzchni i odpadaniem stałego produktu w stanie mniej lub bardziej stopionym lub przez sublimację.

Do prowadzenia specyficznych procesów desublimacji jest stosowana apa-ratura specjalna [3].

W chłodzeniu bezpośrednim oparów stosuje się natrysk cieczy lub zmieszanie z zimnym gazem. Ten sposób desublimacji daje drobny produkt, trudny do wydzielenia. Desublimacja w objętości gazu jest efektywna jedynie ze stężo-

nych oparów. Mieszanie oparów i gazu chłodzącego prowadzi się w dyszach Venturiego, wentylatorach lub w aparatach z przegrodami. Zapobieżenie kon-densacji produktu na ściankach aparatów stanowi problem eksploatacyjny. Natrysk cieczy do strumienia oparów jest wykonywany dyszami hydraulicznymi lub pneumatycznymi, dającymi drobny rozpyl kropel, aby odparowanie cieczy nastąpiło bardzo szybko, bez zwilżania ścian aparatu. Chłodzenie oparów ciekłym nośnikiem jest rzadko stosowane, ze względu na trudności separacji cząstek stałych produktu z zawiesiny.

241

W desublimatorach z ruchomą powierzchnią wydzielania zachodzi jedno-cześnie chłodzenie, desublimacja i usuwanie produktu w sposób ciągły. Jednymi z najbardziej rozpowszechnionych są desublimatory fluidalne, ze złożem cząstek macierzystych lub inertnych, kulki ceramiczne lub metalowe. Strumień oparów z cząstkami stałymi fluidyzuje złoże (rys. 16.7), w którym jest umieszczona wężownica chłodząca. Na skutek ochłodzenia gazu następuje desublimacja na cząstkach złoża i w objętości gazu. Gazy odlotowe są odpylane w cyklonie, skąd drobne cząstki są zawracane do obiegu. Cząstki o dużych rozmiarach wypadają ze złoża i często, po dalszym schłodzeniu, są odprowadzane jako produkt. Desublimatory fluidalne zapewniają wysoki stopień wydzielenia produktu 95-99% i dużą wydajność desublimacji ok. 150 kg/(m3-h). W desublimatorach fluidalnych wydziela się bezwodnik ftalowy, antrachinon, chlorek glinu i inne.

Rys. 16.7. Desublimator fluidalny z recyrkulacją: l — desublimator, 2 - cyklon, 3 — podajnik

produktu, 4 — chłodnica produktu recyrkulowanego, 5 — podajnik ślimakowy

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

242

16.3. KRYSTALIZATORY Z ODPAROWANIEM ROZPUSZCZALNIKA

Krystalizatory z odparowaniem rozpuszczalnika stanowią grupę wyparek, które zostaly przystosowane do warunków powstawania i wzrostu kryształów.

Rys. 16.8. Krystalizator wyparny z mieszaniem mechanicznym: l - korpus aparatu, 2 - komora

grzejna, 3 — mieszadło, 4 — napęd mieszadła, 5 — separator kropel

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

5 — podgrzewacz

243

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

16.4. KRYSTALIZATORY Z REAKCJĄ CHEMICZNĄ I WYSALANIEM

W krystalizatorach z reakcją chemiczną nukleacja i wzrost kryształów są związane z przebiegiem reakcji chemicznej w cieczy macierzystej. Krystalizatory tego rodzaju są również zaliczane do reaktorów chemicznych, omawianych w rozdz. 23. Konstrukcja stosowanych aparatów jest podobna do już omówionych, tzw. krystalizatorów masowych, z tym że są one wyposażone w urządzenia do roz-

praszania gazowego reagentu w postaci drobnych pęcherzyków. Krystalizator typu fluidyzacyjnego (rys. 16.10) jest stosowany do otrzymywania siarczanu amonu, fosforanów amonu, chlorku amonu, węglanów itp. Reagenty są doprowadzane po stronie ssawnej i tłocznej pompy obiegowej (2) i w trakcie przepływu do zbiornika zawiesiny (1), następuje przesycenie roztworu, następnie wzrost i klasyfikacja kryształów w rurze opadowej (4). Kryształy o dużych rozmiarach są odprowadzane jako produkt, małe natomiast, z ługiem macierzystym, są zawracane do obiegu. Otrzymywane kryształy mają rozmiary 0,6-2 mm. Do krystalizatorów tego rodzaju należą również wieże karbonizacyjne, stosowane w przemyśle sodowym do otrzymywania bikarbonatu (NaHCO3).

Rys. 16.10. Krystalizator reakcyjno-fluidyza- cyjny: l — zbiornik zawiesiny, 2 — pompa obiegowa, 3 — przewód reakcyjny, 4 — rura

opadowa — klasyfikacyjna 244

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

Rys. 16 .11 . Krystalizator wytrąceniowy: l — zbiornik zawiesiny, 2 — mieszadło, 3 — napęd

mieszadła

16.5. REKRYSTALIZATORY

Często jednokrotna krystalizacja nie zawsze zapewnia produkt o wymaganej wydajności i jakości. Do poprawienia jakości kryształów stosuje się krystalizację frakcjonowaną (rekrystalizację) w aparatach rekrystalizacyjnych.

Oczyszczanie kryształów prowadzi się przez wielokrotne rozpuszczanie lub stapianie i ponowną krystalizację. Liczba stopni zależy od sprawności separacji pojedynczego stopnia i zawartości zanieczyszczeń. Rekrystalizację z rozpusz-czalnika prowadzi się w pojedynczym lub w wielu aparatach kolumnowych . z pionowymi rurami. Roztwór jest rozdzielany na poszczególne rury (wysokość do 12 m, średnica 50-75 mm) i spływa wewnątrz rur warstewkami w dół. Czynnik chłodzący (grzejny) przepływa w przestrzeni międzyrurowej. Strumienie przepływu po stronie spływających warstewek są rzędu setnych i tysięcznych części [m3/(m-s). W pierwszym etapie zachodzi chłodzenie i zwiększenie grubości warstewki kryształu. Gdy grubość ta osiągnie 5-20 mm zależnie od produktu, wtedy zanieczyszczona ciecz macierzysta jest częściowo w warstwie i częściowo na powierzchni. Przez ogrzewanie i niewielkie podwyższenie tem-

245

peratury powyżej temperatury topnienia, zanieczyszczenia spływają z warstwy krystalicznej, co zwiększa znacznie sprawność oczyszczania. Odpadający ze ścianek produkt z ługiem macierzystym zbiera się na dole aparatu, skąd jest kierowany do filtracji. Kryształy, w zależności od wymaganego stopnia czystości, są kierowane do następnego stopnia lub stanowią produkt końcowy. Ciecz w części stanowi produkt ciekły, pozostała natomiast jest zawracana na górę aparatu.

Krystalizacja frakcjonowana ze stopów jest prowadzona w aparaturze spe-cjalnej i stanowi metodę otrzymywania wielu o wysokiej czystości materiałów stosowanych w elektronice, przemyśle precyzyjnym, optycznym itp.

Krystalizacja frakcjonowana jest stosowana do otrzymywania wielu surowców i produktów organicznych, jak np. kwasy tłuszczowe, naftalen, fenol, di-chlorobenzen, kaprolaktam, kwas benzoesowy i wiele innych.

16.6. DOBÓR KRYSTYLIZATORA

Do doboru krystalizatora jest konieczna znajomość podstawowych informacji na temat krystalizowanej substancji i cieczy macierzystej, a w tym przede wszystkim:

— rozpuszczalności i jej zmian wraz ze zmianą temperatury, — obecności innych substancji w roztworze i ich wpływu na krystalizację

składnika kluczowego, — właściwości fizycznych kryształów i roztworu, — wydajności krystalizacji, — wymaganych rozmiarów kryształów i ich separacji z cieczy macierzystej

oraz suszenia i przechowywania, — sposobu zagospodarowania ewentualnych odpadów pokrystalizacyjnych. Dobrany krystalizator powinien przede wszystkim spełniać wymagania co do

rozmiarów i jakości kryształów i stanowić rozwiązanie akceptowalne ekono-miczne. Odpowiedni krystalizator stanowi aparat standardowy: jest on wytwa-rzany przez wiele wyspecjalizowanych firm lub nowo projektowany, co zwię-ksza znacznie koszt przesięwzięcia.

LITERATURA

[1] ROJKOWSKI Z., SYNOWIEC J., Krystalizacja i krystalizatory, WNT, Warszawa 1991. [2] MULLIN J.W., Crystallization, 3rd ed., Butterworth-Heinemann, Oxford 1992. [3] GORELIK A.G., AMITIN A.W., Desublimacija w chimićeskoj promyslennosti, Chimija, Moskwa 1986.

246

17. APARATURA PROCESÓW DESTYLACJI I REKTYFIKACJI

17.1. WPROWADZENIE

Destylacja to proces rozdziału mieszaniny ciekłej — surówki na składniki, oparty na różnicy ich lotności w stanie wrzenia. Opary znad powierzchni wrzącej surówki, odprowadzone i skroplone stanowią destylat, produkt rozdziału bogaty w składniki bardziej lotne (wrzące w niższej temperaturze). Pozostałość stanowi ciecz wyczerpana, bogata w składniki mniej lotne (wrzące w wyższej temperaturze). Przez wielokrotne powtarzanie prostej destylacji, tj. odparowania i kondensacji, można otrzymać wysoki stopień rozdziału surówki na składniki.

Rektyfikacja stanowi proces rozdziału mieszaniny ciekłej na składniki, oparty na ciągłej, wielokrotnie powtarzanej destylacji. Proces może być prowa-dzony w sposób okresowy lub ciągły.

Oba wymienione procesy są prowadzone w aparatach typu zbiornikowego i kolumnowego, wyposażone w urządzenia grzejne i chłodzące.

17.2. APARATY DESTYLACYJNE

Destylacja prosta jest związana z ciągłym, jednokrotnym odparowaniem i kondensacją oparów, z danej surówki. Destylacja prosta jest stosowana wtedy, gdy składniki mieszaniny wykazują dużą różnicę lotności lub gdy nie jest wymagany duży stopień rozdziału. W skład instalacji do destylacji prostej (rys. 17.1) wchodzą kocioł destylacyjny z podgrzewaczem parowym, wężownicą (1), kondensator (2), zbiornik przelewowy (latarnia) (3) oraz zbiorniki destylatu (frakcji). Opary z kotła są kondensowane i schłodzone w chłodnicy (2), odprowadzane poprzez latarnię (3) do zbiorników destylatu (4-6). Skład .destylatu zmienia się z czasem, liczba zbiorników odpowiada więc liczbie obieranych frakcji.

Większy stopień rozdziału uzyskuje się w destylacji prostej z deflegmacją, tj. dodatkowym rozdziałem destylatu w kondensatorze, zwanym deflegmatorem. Deflegmator jest zazwyczaj zabudowany na kotle destylacyjnym (rys. 17.2). Kondensujące opary wzbogacone w składnik mniej lotny, ściekają z powrotem do kotła w postaci tzw. flegmy. Zmieniając strumień zawracanej flegmy, zwany powrotem, zmienia się czystość destylatu.

247

Rys. 17.2. Schemat instalacji do destylacji prostej z deflegmacją: l - kocioł, 2 - deflegmator, 3 -

chłodnica, 4 - latarnia, 5-7 — zbiorniki frakcji

Destylacja z parą wodną jest stosowana do rozdziału mieszanin ciekłych, nie mieszających się z wodą, stanowiących substancje mało lotne, wrzące w wysokiej temperaturze. Dodatek wody do mieszaniny obniża temperaturę wrzenia mieszaniny. Aparat destylacyjny (rys. 17.3) stanowi tu zwykle kocioł z płaszczem grzejnym (1). Para wodna do rozdziału jest wprowadzana bełkotką (2). Wykondensowane produkty są separowane z wody przez odstawanie (5) lub wirowanie.

Podobny cel spełnia destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem (pod próżnią), stosowana do rozdziału lub oczyszczania mieszanin o wysokich temperaturach wrzenia składników, mających tendencję do rozkładu lub polimeryzacji w podwyższonej temperaturze (np. monomery akrylami, związki zapachowe itp.). Aparatura do destylacji próżniowej jest podobna do stosowanej w destylacji prostej i z deflegmacją, z tym że zawiera pompę próżniową umieszczoną na końcu ciągu.

Do destylacji prostej cieczy lepkich, ulegających rozkładowi w wysokiej temperaturze są stosowane również wyparki cienkowarstwowe. Proces desty-

248

Rys. 17 .1 . Schemat instalacji do destylacji prostej: l — kocioł, 2 — chłodnica, 3 — latarnia,

4-6 — zbiorniki frakcji

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

Rys. 17.3. Schemat instalacji do destylacji z parą wodną: l — kocioł z płaszczem grzejnym, 2 —

barboter pary, 3 — chłodnica, 4 — latarnia, 5 — separator, 6 — zbiornik destylatu

2 _' · Schemat destylacji z zastosowaniem wyparki cienkowarstewkowej: l - wyparka, ~ Pompa

surówki, 3 - pompa koncentratu, 4 - skraplacz barometryczny, 5 - kondensator, 6 — pompa strumieniowa, 7 — pompa destylatu

249

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

Rys. 17.5. Aparat do destylacji molekularnej wirówkowy: l - wirujący stożek, 2 — grzejnik

elektryczny, 3 — skraplacz

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

Rys. 17.6. Aparat destylacyjny świecowy: l - ogrzewany cylinder (świeca), 2 — urządzenie

rozprowadzające surówkę, 3 — powierzchnia chłodzona

250

wyczerpana natomiast jest odprowadzana z górnej, pierścieniowej części stożka. Na podobnej zasadzie działają aparaty destylacyjne świecowe (rys. 17.6), gdzie surówka jest podawana na wirujący cylindryczny bęben, znajdujący się w aparacie cylindrycznym z płaszczem chłodzącym, który jest podłączony do próżni.

Destylacja jako proces okresowy jest stosowana w razie: — małej wydajności, — zmiennego zasilania surowcem i odbioru produktu, — wieloskładnikowego rozdziału,

i jest związana głównie z przemysłem drobnym — chemicznym, farmaceutycz-nym, barwników, kosmetycznym, spożywczym i innymi.

17.3. APARATY REKTYFIKACYJNE

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

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

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

251

czy. Pozostała część stanowi produkt rozdziału — destylat. Produkt odbierany w dolnej części kolumny stanowi ciecz wyczerpaną.

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

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

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

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

252

W instalacji do rektyfikacji ciągłej kolumna rektyfikacyjna jest zasilana ciągłym strumieniem surówki, w miejscu gdzie entalpia i skład rozdzielanej mieszaniny są zbliżone do wielkości, jakie posiada surówka. Punkt zasilania surówką, dzieli kolumnę na część górną wzmacniającą, w której w największym stopniu zachodzi wzbogacanie oparów w składnik wrzący w niższej temperaturze, bardziej lotny i na część dolną odpędową, poniżej strefy zasilania, w któfej ciecz wzbogaca się w składnik mniej lotny i jako ciecz wyczerpana jest odprowadzana z kolumny w sposób ciągły. Kolumna zazwyczaj nie posiada kotła. Strumień ciepła niezbędny do pracy części odpędowej kolumny jest doprowadzany bezpośrednio, wężownicą umieszczoną w dolnej części kolumny lub część cieczy wyczerpanej cyrkuluje przez podgrzewacz zewnętrzny. Odbiór destylatu odbywa się podobnie jak w rektyfikacji okresowej, lecz skład destylatu pozostaje ustalony w czasie.

Kolumny rektyfikacyjne są zestawiane z szeregu cylindrycznych segmentów, spawanych lub łączonych za pomocą kołnierzy. Wymiary kolumn, tj. wysokość i średnicę, określają wymagania procesu rozdzielania i wielkość rozdzielanego strumienia surówki, zwana wydajnością rektyfikacji. Instalacje są wykonywane na ogół ze stali konstrukcyjnych stopowych. Wnętrze kolumn jest zabudowane urządzeniami zapewniającymi efektywny kontakt oparów i cieczy. Urządzenia te stanowią różnego rodzaju półki lub wypełnienia umieszczone na rusztach oporowych. Półki są montowane w płaszczyźnie poziomej, zwykle w jednakowej odległości. Liczba półek w kolumnie wynika z obliczeń procesowych rozdzielania. Liczba półek rzeczywistych jest l ,5-2 razy większa. W kolumnie z wypełnieniem ogólna wysokość wypełnienia wynika z liczby stopni kontaktu i odpowiadającej stopniowi kontaktu wysokości wypełnienia. Minimalna liczba półek odpowiada powrotowi R = °°, nieskończona natomiast R = *min· w rzeczywistości R = 2Rmin.

W praktyce, oprócz zasadniczego prostego schematu rektyfikacji przedsta-wionego na rys. 17.7b, istnieją również układy rektyfikacji, w których kolumna jest zasilana wieloma strumieniami surówki o różnych stężeniach, na różnych poziomach wysokości kolumny. Odbieranych produktów może być więcej niż dwa.

Mieszanina wieloskładnikowa może być rozdzielana w wielu kolumnach w układzie szeregowym, np. rozdział mieszanin węglowodorów. Liczba kolumn powinna być o jeden mniejsza od liczby rozdzielanych składników mieszaniny. Do specjalnych przypadków zalicza się rektyfikację ekstrakcyjną i azeotropową (rys. 17.10). W pierwszym przypadku trzeci składnik — rozpuszczalnik powinien posiadać minimalną lotność i nie tworzyć mieszanin azeotropowych. Składnik ten, odprowadzany z drugiej kolumny w instalacji składającej się z dwóch kolumn, jako ciecz wyczerpana, zawracany jest z powrotem na zraszanie kolumny pierwszej. Rozdzielone składniki mieszaniny są odprowadzane jako destylat z obu kolumn. W rektyfikacji azeotropowej czynnik roz-

253

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

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

4 — rozdzielacz

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

254

— stopniowane, — różniczkowe — ciągłe, — pseudorównowagowe - stopniowane. W kolumnach stopniowanych każda półka spełnia warunek równowagi,

stanowi stopień równowagowy. Proces wymiany masy przebiega w mieszaninie piany dynamicznej na półce. Niekorzystne zjawiska recyrkulacji i bocznikowania strumieni rozdzielanych płynów są eliminowane przez oddzielny przepływ cieczy i oparów. Przelewy służą do spływu cieczy na dolną półkę, odpowiednio duża przestrzeń nad półką natomiast do ograniczenia porywania i unoszenia cieczy na półkę górną.

Kolumny różniczkowo-ciągłe zawierają wypełnienie usypane luźno, przy-padkowo lub ułożone według określonego wzoru. Wypełnienie jest oparte na ruszcie podtrzymującym i zraszane cieczą urządzeniami zraszającymi. Opary i ciecz przepływają przez wypełnienie przeciwprądowo. Wypełnienie zapewnia odpowiednio dużą powierzchnię kontaktu oparów i cieczy i korzystne warunki procesowe dla przenikania masy.

Kolumny pseudorównowagowe — stopniowane są kombinacją dwóch wymienionych sposobów prowadzenia procesów. Wymiana masy w tym przy-padku zachodzi zarówno na półkach, jak i w przestrzeni międzypółkowej.

Oprócz wymienionych, istnieją również aparaty rektyfikacyjne specjalnego przeznaczenia, do pracy np. pod obniżonym ciśnieniem (próżnią), z małym spadkiem ciśnienia lub przy dużych strumieniach cieczy, stosunku L/G. Są to rozwiązania na ogół bardziej kosztowne niż standardowe.

Większość stosowanych obecnie aparatów rektyfikacyjnych stanowią ko-lumny półkowe i w mniejszym stopniu kolumny z wypełnieniem. Dalsze po-działy są związane z kierunkiem przepływu oparów i cieczy, rodzajem urządzeń rozpraszających strumień oparów i kierujących rozpływem cieczy, rodzajem wypełnienia itp.

W grupie aparatów półkowych wyróżnia się kolumny: kołpakowe (dzwon-kowe), sitowe, zaworowe i inne o specjalnej konstrukcji półek.

Kolumny z wypełnieniem mogą zawierać wypełnienie w postaci: pierścieni, siodełek i innego rodzaju kształtek lub tzw. wypełnienia strukturalne itp.

17.3.1. KOLUMNY PÓŁKOWE

Przepływ cieczy i oparów w kolumnie, w obrębie półek, odbywać się może według wzorów przedstawionych na rys. 17.11. Najczęściej stosowany w więk-szości rodzajów półek jest przepływ krzyżowy (rys. 17.11a,b). Przepływ krzy-żowy na półce jest również klasyfikowany, w zależności od liczby kierunków przepływu. Dla małych strumieni cieczy są stosowane półki z przepływem rewersyjnym, gdzie przegroda dzieli półkę na dwie części, przelewy zaś znajdują się po tej samej stronie półki. Dla dużych strumieni cieczy, w kolumnach o dużej średnicy, są stosowane półki z wieloma strumieniami przepływu i kilkoma przelewami (rys. 17.12).

255

Przepływ przeciwprądowy jest stosowany na półkach sitowych bezprzele-wowych i niektórych przelewowych. Półki z, przepływem krzyżowym i współ-prądowym są zwykle wyposażone w przelewy.

Rys. 17 .11 . Wzory przepływu faz na półkach: a,b) przepływ krzyżowy, c,d) przepływ przeciw-prądowy

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

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

256

Rys. 17.13. Schemat półki kołpakowej: l — półki, 2 - kominki, 3 — kołpaki, 4 - przelewy,

5 - przegrody spiętrzające

spiętrzających (5). Wysokość poziomu cieczy na półce wynika z wymaganego stopnia przykrycia kołpaków cieczą. Różnica poziomów cieczy na półce pomiędzy dopływem a przelewem, zwana gradientem hydraulicznym, wymusza przepływ cieczy na półce. Różnica poziomów cieczy w przelewach jest niezbędna do spływu cieczy z półki na półkę i stanowi jednocześnie zamknięcie hydrauliczne półki. Odstępstwa od właściwej różnicy poziomów prowadzą do zakłóceń w pracy kolumny. Dla zapewnienia równomiernego rozpływu cieczy na szerokości półki przegrody spiętrzające są montowane również po stronie dopływu. Ciecz przepływająca w kierunku przelewu (5) kontaktuje się z oparami, barbotującymi przez warstwę cieczy. Przepływ cieczy i oparów na półce jest krzyżowy, lecz w odniesieniu do całej kolumny przeciwprądowy. W celu zapewnienia właściwych warunków dla wymiany ciepła i masy na półce jest wymagane zachowanie właściwych wymiarów wszystkich elementów na półce, które w szczegółach są podane w odpowiednich procedurach obliczeniowych H], [2].

Wielkością wyjściową do obliczeń jest powierzchnia przekroju poprzecznego kolumny lub powierzchnia przepływu oparów przy założonym, wymaganym przekroju dla przelewów 5-16%. Prędkość liniowa oparów może być obliczona ze wzoru

w którym k — współczynnik zależny od odległości między półkami Ξ 0,82

[(kg/m)0·5-s'1], p — gęstość oparów [kg/m3].

Prędkość może być obliczona również ze znanego równania Faira, po zało-żeniu, że wynosi ona 0,8-0,85 prędkości zalewania

257

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

gdzie K — stała zależna od odległości między półkami i współczynnika

L i G — strumień masy odpowiednio cieczy i gazu.

Znając z bilansu masowego kolumny strumień oparów oblicza się średnicę kolumny. Oprócz wymienionej, standardowej procedury istnieje wiele metod uproszczonych, umożliwiających szybkie obliczenie średnicy kolumny na pod-stawie nomogramów opracowanych przez firmy produkujące kolumny rektyfi-kacyjne [3].

Podziałka rozmieszczenia kołpaków wynosi 1,25-1,40 ich średnicy, lecz nie mniej niż 25 mm. Oprócz standardowych, wytwarzanych jest wiele kołpaków różnego kształtu, m.in. dzwonkowe, tunelowe, spodkowe i inne (rys. 17.14). Przekrój szczelin w kołpakach wynika z założenia równości wszystkich prze-krojów na półce do przepływu oparów. Standardowa wysokość szczelin wynosi 5-25 mm lecz może dochodzić do 100 mm. Średnice kołpaków są w pewnych relacjach do średnicy kolumny i wynoszą dla kolumny o średnicy 0,7±1,5 m — ok. 75 mm; 1,2±3,5 m — ok. 100 mm i ponad 3,0 m — ok. 150 mm.

Rys. 17.14. Różne rodzaje kołpaków

Kluczowym parametrem pracy półki jest wysokość poziomu cieczy nad otworami (szczelinami) w kołpakach, przez którą barbotują opary. Duża wysokość słupa cieczy zwiększa sprawność półki, lecz zwiększa się także spadek ciśnienia dla przepływu gazu. Wysokość ta zależy od ciśnienia w kolumnie i jest najmniejsza w kolumnach próżniowych 10-40 mm, i odpowiednio większa w atmosferycznych 25-75 mm i ciśnieniowych 50-100 mm. Spadek ciśnienia na półce wynosi 50-150 mm słupa cieczy.

Na półkach tunelowych, gdzie kołpaki mają kształt odwróconych prostopa-dłościennych koryt z wycięciami — tuneli (rys. 17.14), ciecz przepływa rów-nolegle lub prostopadle względem dużej osi tuneli. Opary wypływają do cieczy wycięciami analogicznymi jak w dzwonkach.

258

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

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

Jak już wspomniano, półki kołpakowe są wypierane m.in. przez półki zawo-rowe i sitowe z następujących powodów:

1. Tendencji do zalewania i blokowania cząstkami stałymi. 2. Dużego spadku ciśnienia przepływu oparów. 3. Małej odporności na korozję. 4. 2-3-krotnie wyższego kosztu. 5. Złożonej konstrukcji, zwłaszcza w kolumnach o dużej średnicy. Do zalet półek kołpakowych zalicza się możliwość pracy pod małymi ob-

ciążeniami cieczą, poniżej 2,5 m3/(m2-h) i dużym powrocie. Kolumny z półkami sitowymi są obecnie jednymi z najczęściej stosowanych

i uwzględnianych w pierwszej kolejności w projektowaniu. Wynika to m.in. z następujących cech:

— najniższych kosztów instalacyjnych w porównaniu do innych, — prostej procedury projektowej, — małej tendencji do blokowania przy dużej średnicy otworów, — dobrej sprawności,

— wydajności równej lub większej od innych kolumn półkowych. Kolumny z półkami sitowymi zalecane są zwłaszcza w następujących okolicznościach:

— jest wymagany duży powrót przy małym spadku ciśnienia, — obciążenia cieczą są małe, poniżej 2 m3/(m2-h).

259

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

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

go, w rzędach prostopadłych do przepływu cieczy. Powierzchnia zajęta przez otwory półki zależy od prędkości gazu (oparów) i spadku ciśnienia i wynosi 4-16% powierzchni aktywnej półki, bez przelewów. Duże powierzchnie są stosowane w kolumnach próżniowych, małe natomiast w ciśnieniowych. Wysokość przelewu w kolumnach atmosferycznych wynosi zwykle 25-50 mm, w kolumnach próżniowych natomiast przelewy nie są stosowane. Gradient hydrauliczny jest mniejszy niż na półkach kołpakowych. Spadek ciśnienia na półce jest sumą oporu przepływu przez suchą półkę i warstwę cieczy na półce i wynosi zwykle 40-100 mm słupa cieczy.

Przeciek cieczy przez otwory półki stanowi czynnik krytyczny w projektowaniu i eksploatacji półek sitowych.

Do tej samej grupy zalicza się półki rusztowe, których otwory (szczeliny) są prostokątne. Półki wykonane są bądź z blachy ze szczelinami wycinanymi lub wytłaczanymi, bądź z płaskowników układanych równolegle. Szerokość szczelin wynosi 2-12 mm i zależy od wysokości ciśnienia w aparacie. Klasyczne kolumny z półkami rusztowymi nie posiadają przelewów. Przelewy są instalowane natomiast na tzw. półkach strumieniowych (rys. 17.17), gdzie ruszty (płaskowniki) są nachylone do poziomu półki. Opary wypływające szczelinami z dużą prędkością w kierunku przepływu cieczy, wytwarzają dużą burzliwość na półce, bez nadmiernego porywania i unoszenia kropel cieczy. Przekrój swobodny dla przepływu oparów wynosi tu 16-40% przekroju kolumny.

260

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

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

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

Rys. 17.18. Półka zaworowa: a) schemat półki; l - króćce (otwory) wlotowe, 2 — zawory, 3 —

przelewy; b) położenie zaworu w pozycji: I — zamknięte, II - otwarte

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

261

pewniając odpowiedni przepływ i rozpraszanie oparów na pęcherzyki. Do zalet półek zaworowych zalicza się:

— stałość spadku ciśnienia w szerokim zakresie pracy, — duży powrót — stosunek L /G. Jeśli spadek ciśnienia na półce jest istotny, to możliwy powrót jest tu większy

niż na półkach sitowych. Liczba zaworów na półce zależy od warunków procesowych rozdziału i podczas rektyfikacji pod niskim i umiarkowanym ciś-nieniem wynosi ok. 150 szt./m2 na powierzchni aktywnej, bez przelewów.

Dobór półek do rektyfikacji jest oparty zazwyczaj na: — wydajności, która zwiększa się w szeregu: półka sitowa, zaworowa, koł-

pakowa, — zakresie stabilnej pracy, który spada w szeregu: półka zaworowa, sitowa,

kołpakowa, — sprawności, przy czym sprawność Murphriego wymienionych półek jest

taka sama, jeśli pracują w projektowanym zakresie, — spadku ciśnienia, który - jak wiadomo - jest bardzo istotny w kolumnach

próżniowych i zależy w dużym stopniu od rozwiązań konstrukcyjnych elementów na półkach, lecz generalnie półki sitowe posiadają najmniejszy spadek ciśnienia, kołpakowe zaś największy,

— koszcie, który jest największy dla półek kołpakowych, lecz względny koszt półek zależy od stosowanego materiału konstrukcyjnego i wynosi dla szeregu: półka kołpakowa, zaworowa, sitowa,wykonanego ze stali węglowej, 3,0:1,5:1,0.

Projektowana konstrukcja półki musi wytrzymać obciążenie cieczą w czasie pracy, a także spodziewane obciążenia podczas montażu, przeglądów i konser-wacji. Specyfikacja mechaniczna półek jest przedstawiona w wielu monografiach i poradnikach [2], [3],

17.3.2. KOLUMNY Z WYPEŁNIENIEM

W kolumnach z wypełnieniem rolę półek spełnia wypełnienie (rys. 17.19). Wypełnienie zapewnia odpowiednio dużą powierzchnię kontaktu oparów i cieczy, przy małych oporach dla przepływu gazu. Opracowano wiele rodzajów, kształtów i rozmiarów wypełnień spełniających te wymagania, wykonywanych z różnych materiałów. Wypełnienia jako pojedyncze elementy mogą być usy-pywane bezładnie, układane lub mogą stanowić tzw. wypełnienie strukturalne — modułowe. Wypełnienia są układane wtedy, gdy przepływ gazu jest duży i istotne znaczenie ma wartość spadku ciśnienia gazu.

Ze stosowanych wypełnień, najstarszym i wciąż szeroko stosowanym są pierścienie Raschiga (rys. 17.20). Pierścienie Palia różnią się od pierścieni Raschiga otwarciem powierzchni bocznych, co zwiększa ich powierzchnię swobodną i rozdział (rozpływ) cieczy na wypełnieniu. Poprawioną wersję stanowią pierścienie Hypac. Siodełka Berła opracowano dla poprawienia dystrybucji cieczy na wypełnieniu. Siodełka Intalox poprawiają mankamenty siodełek Berła i są łatwiejsze do wykonania. Poprawioną wersję stanowią siodełka

262

Super Intalox. Wymienione wypełnienia opracowała firma Norton Ltd USA. Wypełnienia w postaci pierścieni i siodełek są wykonywane jako: metalowe, ceramiczne, z tworzyw sztucznych, grafitu. Rodzaj materiału wypełnienia zależy od właściwości cieczy i temperatury procesu. Wypełnienia ceramiczne są odpowiednie dla cieczy korozyjnych, lecz nie mogą być stosowane w obecności silnych alkaliów. Wypełnienia z tworzyw s/tucznych nie są odporne na działanie rozpuszczalników organicznych i podwyższonej temperatury stosowanej w rektyfikacji.

By zapewnić właściwą dystrybucję cieczy i zminimalizować efekty ścienne, należy stosować odpowiedni rozmiar wypełnienia w stosunku do wymiaru kolumny. Stosunek ten powinien być >30 dla pierścieni Raschiga, dla siodełek > 15 i dla pierścieni z otworami > 10. Wypełnienia o wymiarach > 50 mm są stosowane w kolumnach o średnicy > l ,0 m. Maksymalna wysokość wypełnienia dla pierścieni Raschiga wynosi 2,5-3,0 średnic warstwy i odpowiednio dla siodełek 5-8, pierścieni z otworami 5-10 średnic. Całkowita wysokość wypełnienia nie powinna przekraczać 6,0 m. Jeśli wysokości wypełnienia wynoszą ponad 2 m, to w warstwie są niekiedy umieszczane redystrybutory cieczy, kierujące ciecz z powrotem na środek kolumny.

Spadek ciśnienia gazu na większości wypełnień zawiera się w zakresie 0,1- -6,5 kPa/m, a przy spadku ciśnienia 0,4-0,6 kPa/m wszystkie wypełnienia po-siadają zbliżoną sprawność rozdzielania.

Spadek ciśnienia podczas destylacji średnio- i wysokociśnieniowej wynosi 0,3-0,6 kPa, próżniowej — 0,08-0,17 kPa.

Wypełnienie strukturalne stanowi warstwę karbowanych arkuszy, pasków z blachy lub tworzyw sztucznych ułożonych równolegle pod kątem (rys. 17.20g). Wypełnienie strukturalne, może oprócz tego zawierać wiele elementów, np. siatek, taśm skręconych, sprężyn itp., o dużej powierzchni, ułożonych w sposób uporządkowany w pakiecie przestrzennym. Wypełnienie Koch- -Sulzer zawiera szereg równoległych warstw skręconych siatek drucianych. Wypełnienie jest efektywne pod niskim ciśnieniem i jest stosowane w kolumnach próżniowych. Wysokość równoważna HETP wynosi 250-300 mm. Wypełnienie w postaci pakietu siatek (ang. knit mesh packing) charakteryzuje się również niskim spadkiem ciśnienia. HETP dla kolumn o małej średnicy <0,3 m wynosi ok. 150 mm, kolumn dużych do 600 mm. Prócz tego istnieje wiele innych tego rodzaju wypełnień i powstają wciąż nowe.

Rys. 17.19. Schemat kolumny rektyfi-kacyjnej z wypełnieniem: l — kolumna, 2 - wypełnienie, 3 — deflegmator

263

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

17.3.3. WYPOSAŻENIE WNĘTRZA KOLUMN

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

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

264

kladnością, gdyż od ich poprawnego działania w dużym stopniu zależy sprawność rozdzielania. Elementy te są zazwyczaj dostarczane przez wyspecjalizowane firmy produkujące również wypełnienia.

Ruszt, półka podtrzymująca wypełnienie, oprócz podtrzymania masy wy-pełnienia, musi zapewnić swobodny przepływ gazu i cieczy przy małym spadku ciśnienia, bez zalewania. Ruszty są wykonywane z metali, ceramiki i tworzyw sztucznych. Na prostych rusztach półkowych gaz i ciecz przepływają tymi samymi otworami. Charakterystyka tych półek pod względem ∆ρ i zalewania nie jest jednak korzystna. Dobry ruszt posiada wprowadzenie gazu powyżej spływu cieczy (rys. 17.21).

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

Zadowalająca praca kolumny jest zależna od jednorodności przepływu cieczy przez wypełnienie, dlatego początkowy rozdział cieczy na wypełnieniu ma duże znaczenie. W kolumnach o małej średnicy ciecz, w postaci strumienia lub kilku strumieni, jest podawana na środek wypełnienia. Dla dużych średnic kolumn są stosowane zraszacze typu otworowego i przelewowego z rurkami (rys. 17.22) lub korytami. Te ostatnie zapewniają szerszy zakres przepływu cieczy niż otworowe i są stosowane w kolumnach o dużej średnicy. Zraszanie za pomocą rur perforowanych jest stosowane w kolumnach pracujących pod ciśnieniem, przy stałym strumieniu cieczy. Dla dobrego zraszania wypełnienia powinny być co najmniej cztery punkty dystrybucji cieczy i przepływ nie powinien być mniejszy niż 4,5 m3/(m2<h). Jest preferowane grawitacyjne zraszanie wypełnienia. Wysokość spadku cieczy na wypełnienie powinna być < 300 mm.

265

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

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

W kolumnach pracujących z dużymi prędkościami gazów, jeśli jest możliwa fluidyzacja wypełnienia, ponad wypełnieniem stosuje się półki zatrzymujące unoszone wypełnienie. Otwory w półkach są dostatecznie małe dla zatrzymania elementów wypełnienia, lecz nie utrudniają przepływu gazu i spływu cieczy.

17.3.4. DOBÓR ELEMENTÓW KONTAKTU W KOLUMNACH

Wiele jest kryteriów doboru wnętrza kolumn dla danego procesu rozdzielania. Jednym z zasadniczych jest koszt, lecz jest wiele możliwości doboru rozwiązania najtańszego. Kryteria dotyczące różnych rozwiązań przedstawia tabl. 17.1.

Wybór pomiędzy półką a wypełnieniem wynika z różnic procesowych. Powierzchnia przepływu faz jest większa w wypełnieniu, powyżej 50%, lecz w odniesieniu do objętości może przekraczać 90%. Wypełnienia posiadają ponadto lepszą wydajność przy dużych strumieniach cieczy i większych lepkościach; wykorzystanie przekroju kolumny do wymiany masy jest zbliżone do 100%. Kolumny wypełnione posiadają niższe spadki ciśnień liczone na jednostkę przenoszenia masy, mniejsze zatrzymanie cieczy. Projektowanie kolumn wypełnionych jest prostsze i jest określone przez cztery parametry procesowe: spadek ciśnienia, charakterystykę zalewania wypełnienia, wielkości procesowe i specyfikę wypełnienia.

Kolumny wypełnione pracują zazwyczaj z prędkością gazu odpowiadającą 50-80% prędkości zalewania.

Wypełnienie strukturalne i luźno usypane jest stosowane dla kolumn o średnicy < 0,9 m, gdy wymagany jest niski spadek ciśnienia gazu. Stosunek średni-

266

T ab e l a 17.1 Porównanie elementów kontaktu faz w kolumnach

Dane charakterystyczne

SP

z

K

WP

PP

R

WS

WL

PN

Wydajność (opary) o o - + - o ++ o o Wydajność (ciecz) 0 0 - ++ 0 + + o - Sprawność rozdziału/m3 0 0 0 o - - ++ + o Spadek ciśnienia/stopień teoretyczny 0 0 0 o - o ++ + ++ Powrót o + ++ - - o + + o Podatność na blokowanie o - o 0 + ++ - - - Odporność na korozję o - o 0 0 ++ — — - Powiększanie skali o o - + — — + + + Dobór materiału konstrukcyjnego o o o 0 0 + + ++ o Obsługa (konserwacja) o o o - + ++ — - + Doświadczenia (dane) ++ ++ + - - 0 + ++ - Koszt/m3

+

+

—

-

++

++

—

-

-

Objaśnienia: Półki: SP — sitowa przelewowa, Z — zaworowa, K — kołpakowa, R — rusztowa, WP — wieloprze-lewowa, PP — z przepływem podwójnym. Wypełnienie: WS — strukturalne, WL — luźno usypane, PN — półki z natryskiem cieczy; ++ dobór zalecany, + dobry, o dostateczny, - słaby, — dobór nie zalecany.

cy kolumny do wypełnienia powinien wynosić nie mniej niż 15 :1. Wysokość maksymalna wypełnienia z tworzyw sztucznych, ze względu na deformacje wynosi 3-4,5 m, metalowego — 6,0-7,5 m. Redystrybutory cieczy wymagane są co 5-10 średnic kolumny przy wypełnieniu pierścieniami Raschiga i co 6 m dla innych wypełnień, usypywanych luźno. Wysokość HETP dla kontaktu opary—ciecz wynosi: 0,4-0,55 m dla pierścieni l-calowych i 0,76-0,9 m dla 2-ca-lowych. Wysokość kolumn wypełnionych nie przekracza 55 m, ze względu na obciążenie fundamentów i działanie wiatru.

LITERATURA

[1] LOCKETT M.J., Distillation try fundamentals, Cambridge University Press, Cambridge 1986. [2] KlSTER H.Z., Distillation Design, McGraw-Hill, New York 1992. [3] Ballast Tray Design Manual, Bulletin 4900, 6th ed., Glitsch. Dallas 1993. [4] ZlÓŁKOWSKI Z., Destylacja i rektyfikacja w przemyśle chemicznym, wyd. 2, WNT, Warszawa

1978. [5] KOCH R., KOZIOŁ A., Dyfuzyjno-cieplny rozdzial substancji, WNT, Warszawa 1994.

267

18. ABSORBERY

18.1. WPROWADZENIE

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

18.2. ABSORBERY POWIERZCHNIOWE

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

268

269

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

Rys. 18.3. Absorbery warstewkowe: a) rurowy, b) płytowy; l — płaszcz, 2 — rurki, 3 — płyty,

4 — urządzenie rozdzielające ciecz

Rys. 18.4. Absorber kaskadowy: l — doprowadzenie cieczy, 2 — półki kaskadowe

270

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

18.3. ABSORBERY Z WYPEŁNIENIEM

Absorbery z wypełnieniem są jednymi z najczęściej stosowanych aparatów w procesach absorpcji gazów technologicznych i oczyszczaniu gazów, w tym również odlotowych. Absorbery z wypełnieniem są podobne w budowie do już omówionych kolumn rektyfikacyjnych wypełnionych (rozdz. 17). Różnice wynikają jedynie z zasady procesów rozdziału i ich uwarunkowań. Absorpcja stanowi zasadniczo jedynie proces wymiany masy, dlatego elementy aparatury do generowania oparów i ich kondensacji są tu zbędne. Zachowane zostają natomiast wszystkie inne elementy niezbędne do równomiernego rozprowadzenia i spływu cieczy po wypełnieniu, jak również rozdziału gazu. W odróżnieniu od rektyfikacji, w absorpcji są stosowane wszystkie możliwe kierunki przepływu gazu i cieczy: przeciw-prąd (rys. 18.5), współprąd skierowany do dołu (rys. 18.6) lub góry, przepływ krzyżowy (rys. 18.7). Oprócz tego w absorpcji gazów w większym stopniu stosuje się absorbery z wypełnieniem ruchomym i sfluidyzowanym. Klasyczne rozwiązanie konstrukcji absorbera z wypełnieniem nieruchomym i przepływem przeciwprądowym omówiono w rozdz. 17.

Absorbery z wypełnieniem nieruchomym, współ-prądowe (rys. 18.6) stanowią kolumny z podobnym rodzajem wypełnienia jak przeciwprądowe. Różnice wynikają ze stosowanego kierunku przepływu gazu 1 cieczy, w dół lub do góry; wiąże się z tym odmienny sposób odprowadzenia gazu i cieczy z kolumny. Aparaty te są często stosowane do absorpcji z reakcją chemiczną, ze względu na większe wartości

Rys. 18.5. Absorber z wypeł-nieniem dwustopniowy: l — ruszt oporowo-rozdzielający, 2 — wypełnienie, 3 — dy-strybutor cieczy, 4 - kolektor cieczy, 5 - odkraplacz

271

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

Rys. 18.6. Absorber z wypełnieniem o przepływie współprądowym od góry: l — dystrybutor cieczy,

2 — wypełnienie, 3 — kolektor cieczy

Rys. 18.7. Absorber z wypełnieniem o przepływie krzyżowym: l — dysze natryskowe, 2 —

wypełnienie, 3 — kolektor cieczy

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

272

większa w porównaniu z przepływem w dół, lecz intensywność mieszania j spadek ciśnienia gazu są większe.

Kolumny z ruchomym wypełnieniem, zwane też skruberami fluidalnymi, przedstawiono i omówiono w rozdz. 13, jako odpylacze mokre. Absorbery z ruchomym wypełnieniem, zwane też absorberami fluidalnymi, jedno- lub wielostopniowe (rys. 18.8) zawierają wypełnienie w postaci pustych kuł, wykonanych z tworzyw sztucznych, odpornych na działanie środowiska procesu. Gęstość kuł jest zbliżona lub mniejsza od gęstości cieczy. Warstwa kuł, usypywana na półkach sitowych lub rusztowych o przekroju swobodnym 20-60%, jest zasilana ciągłym lub rozproszonym na krople strumieniem cieczy i jest wprowadzana w stan fluidalny strumieniem absorbowanego gazu, przepływającym w przeciwprądzie do góry kolumny. Wytworzone między półkami złoże fluidalne trójfazowe charakteryzuje się dużą powierzchnią kontaktu gazu i cieczy, ciągle odnawianą i intensywnie mieszaną, dzięki obecności ruchomego wypełnienia. Górna półka sitowa, o dużej powierzchni swobodnej dla przepływu gazu, ponad 90%, zabezpiecza przed wyniesieniem wypełnienia z kolumny. Gazy odlotowe są odkraplane w odkraplaczach inercyjnych, odśrodkowych lub w warstwach wypełnień bądź klasycznych, bądź siatkowych, włóknistych.

Absorbery fluidalne charakteryzują się dużą wydajnością zarówno w odniesieniu do cieczy, jak i gazu. Dolna granica prędkości liniowej gazu jest określona stanem początkowym fluidyzacji, górna natomiast, zalewaniem oraz porywaniem i unoszeniem cieczy z aparatu. Zakres pracy jest szeroki i odpowiada prędkości liniowej pozornej gazu 1-9 m/s i gęstości zraszania cieczą 20-250 m3/(m2-h). Szybkość przenikania masy jest funkcją parametrów roboczych fluidyzacji oraz wypełnienia i jest równa lub nieco wyższa niż w kolumnach z wypełnieniem nieruchomym.

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

18.4. ABSORBERY BARBOTAŻOWO-PÓŁKOWE

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

273

Rys. 18.8. Absorber z wypełnieniem rucho-mym, fluidalny: l — półka oporowo-roz-dzielająca, 2 - wy-pełnienie ruchome, 3 — odkraplacz

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

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

Jeżeli w procesie jest wymagana duża powierzchnia międzyfazowa, przy małych strumieniach gazu i cieczy, to stosowane są absorbery barbotażowe typu zbiornikowego z mieszadłem mechanicznym (rys. 18.10). Gaz jest do-prowadzany bełkotką poniżej mieszadła, zwykle szybkoobrotowego turbinowego lub śmigłowego. Problemy związane z projektowaniem absorberów zbiornikowych omawiają Tilton i Russel [2].

Oddzielną grupę stanowią aparaty barbotażowo-pianowe ze statyczną warstwą piany (rys. 18 .11) . Gaz przepływa przez warstwę cieczy zawierającej niewielką masę substancji pianotwórczej — detergentu, obniżającego napięcie powierzchniowe na granicy fazowej gaz—ciecz. Absorpcja gazu zachodzi w war-stewkach ciekłych piany, tzw. lamellach. Układ charakteryzuje się dużą po-

274

wierzchnią kontaktu gaz—ciecz i znaczną szybkością jej odnawiania. Powierzchnię właściwą kontaktu ocenia się na 500-10000 m2/m3 przy średnicy pęcherzyków 0,6-1,2 mm, natomiast liczbę pęcherzyków w l m3 piany na ok. 125 milionów. Typowy stosunek L/G wynosi 6·10~6 m3/m3, co oznacza, że duży strumień objętości gazu może być rozdzielany metodą absorbcji za pomocą małego strumienia cieczy. Jeśli dobór gęstości i wysokości piany oraz konstrukcja absorbera są odpowiednie, to spadek ciśnienia gazu wynosi 0,5-4,5 kPa/m piany. Destrukcja piany i tzw. ociekanie cieczy następuje bezpośrednio na półce, w wyniku instalowania wolnoobrotowych mieszadeł stożkowych lub na wylocie z aparatu mieszadłami wysokoobrotowymi. Absorbery z pianą statyczną są stosowane do absorpcyjnego oczyszczania gazów odlo-towych z zanieczyszczeń kwaśnych (SO2, HC1, HF, H2S), a także wielu organicznych i radioaktywnych (aparaty DynaWave-Wascher, firma NUKEM RFN).

Jak już wspomniano, budowa absorberów półkowych jest analogiczna jak kolumn rektyfikacyjnych półkowych, kołpakowych, sitowych i zaworowych.

Rys. 1 8 . 1 1 . Absorber pianowy: l — kolumna pianowa półkowa, 2 — piana, 3 — separator, 4 —

pompa cyrkulacyjna, 5 — chłodnica

275

Rys. 18.10. Absorber bar-botażowy zbiornikowy z mieszadłem: l — mieszadło, 2 - bełkotka, 3 -przegrody

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

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

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

276

Rys. 18.12. Zasilanie cieczą kolumny półkowej: l — kolumna, 2 — pólka, 3 — próg przelewowy

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

18.5. ABSORBERY NATRYSKOWE

Absorbery natryskowe, zwane podobnie jak i inne aparaty do kontaktu gazu i cieczy skruberami, stanowią komory lub kolumny o przekroju prostokątnym lub kołowym, zasilane cieczą, zwykle w stanie rozproszonym lub też ciecz jest rozpylana na krople strumieniem absorbowanego gazu. Ze względu na

kierunek przepływu gazu względem cieczy, w aparacie wyróżnia się trzy zasadnicze rodzaje absorberów natryskowych: przeciwprądowe, współprądowe i z przepływem krzyżowym (rozdz. 13, rys. 13.12). W absorberach prze-ciwprądowych ciecz rozpylona na krople, u góry aparatu, opada przeciwprądowo w strumieniu gazu, płynącym do góry. Rozpylanie odbywać się może za pomocą jednej lub wielu dysz, rozmieszczonych w jednym lub kilku równoległych rzędach. W absorberach z krzyżowym przepływem strumienia gazu i cieczy natrysk kropel jest skierowany na poziomo przepływający gaz, natomiast we współprądowych — zgodnie z kierunkiem przepływu gazu. Do absorberów tego rodzaju zalicza się również skrubery ze stycznym wlotem gazu i natryskiem skierowanym promieniowo od środka do ściany, zwane odśrodkowymi, stosowane do absorpcji często z jednoczesnym odpylaniem gazów. W procesach odpylania z jednoczesną absorpcją są stosowane rów- nież skrubery natryskowe z półkami uderzeniowymi i Venturiego, omówione w rozdz. 13.

Oprócz trzech zasadniczych, wymienionych kierunków przepływu gazu i cieczy, w skruberach natryskowych jest również stosowany przepływ rewersyjny, polegający na zmianie kierunku ruchu strumienia cieczy o 180° w obrębie aparatu (rys. 18.14). Przepływ ten stanowi kombinację ruchu przeciwprądowego i współprądowego cieczy w stosunku do gazu i może być realizowany

Oaz

Rys. 18.14. Absorber z rewersyjnym przepływem strumienia cieczy: l — dysza rozpylająca, 2 - separator

cieczy

277

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

Rys. 18.15. Absorbery Venturiego: a) ejekcyjny, b) ciśnieniowy; l — konfuzor, 2 — dysze

rozpylające, 3 — gardziel, 4 — dyfuzor

Jako absorbery są stosowane również skrubery Venturiego, omówione w rozdz. 13, jako odpylacze. Konstrukcja absorberów Venturiego (rys. 18.15), których dwa zasadnicze rodzaje stanowią absorber ejekcyjny i ciśnieniowy, nie różni się zasadniczo od odpylaczy, modyfikacje zaś mają zwykle na celu zwię-kszenie burzliwości i czasu kontaktu gazu i cieczy. Proces absorpcji zachodzi głównie w gardzieli. Długość gardzieli określa rodzaj procesu, z tym że większe długości są wymagane w procesie limitowanym oporami w fazie gazowej i kilkakrotnie mniejsze, gdy główne opory są w fazie ciekłej. Sprawność absorpcji w pierwszym rzędzie zależy od prędkości gazu w gardzieli i stosunku L/G. Absorbery są często stosowane w połączeniu z odpylaniem gazów.

W absorberach zderzeniowych (rys. 18.16) do intensyfikacji kontaktu gazu i cieczy wykorzystuje się bezpośrednie, mniej lub bardziej czołowe, zderzenia

278

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

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

hydrauliczne, 3 — strefa zderzenia strumieni cieczy, 4 — odkraplacz

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

279

towanie absorberów natryskowych, z racji koalescencji, porywania i unoszenia kropel, strat kropel na ścianie, wtórnych rodzajów przepływu i innych nieko-rzystnych zjawisk, stwarza duże trudności i jest mało dokładne. Średnica kolumny z przeciwprądowym przepływem gazu1 i cieczy obliczana jest zwykle z warunku dozwolonej prędkości gazu, ze względu na unoszenie kropel. Wymiary absorberów z przepływem krzyżowym oblicza się na podstawie opadania kropel w czasie przepływu gazu, którego prędkość wynosi 0,5-1,5 m/s.

18.6. DOBÓR ABSORBERA

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

LITERATURA

[1] WALAS S.M, Chemical Process Equipment: Selection and Design, Butterworth, Woburn, MA 1988.

[2] TILTON J.N., RUSSEL T.W.F., Chem. Eng., 1982, 89(24), 61. [3] STRIGLE R.F.Jr., Random Packings and Packed Towers, Gulf Publ., Houston 1987. [4] ZARZYCKI R., ChACUK A., STRARZAK K., Absorpcja i absorbery, WNT, Warszawa 1987. [5] DECKWER W.D., Bubble Column Reactors, John Wiley & Sons, New York 1992.

280

19. ADSORBERY

19.1. WPROWADZENIE

Adsorpcja polega na wydzielaniu i zatrzymywaniu składników płynu na powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej (w porach) ciała stałego zwanego ad-sorbentem (sorbentem). Zatrzymywanie cząsteczek zachodzi w wyniku działania sił fizycznych i chemicznych bliskiego zasięgu. Energia wiązania adsorbo-wanych cząsteczek z powierzchnią jest porównywalna z ciepłem kondensacji. Proces adsorpcji jest egzotermiczny. Proces przeciwny, usuwanie zaadsorbo-wanych cząsteczek z powierzchni do przestrzeni otaczającego płynu, zwany desorpcją, wymaga doprowadzenia energii. Liczba cząsteczek możliwa do zaadsorbowania na powierzchni adsorbentu jest ograniczona i maleje wraz ze wzrostem temperatury. Efektywnej adsorpcji sprzyja duża powierzchnia właściwa adsorbentu i niska temperatura. Adsorpcja jest selektywna i największą zdolność do adsorpcji wykazują cząsteczki gazów o dużej masie i niskiej tem-peraturze wrzenia. Adsorbując się, wypierają inne cząsteczki o mniejszej energii wiązania.

Niektóre procesy adsorpcji są nieodwracalne, np. chemisorpcja. Energia wiązania cząsteczek na powierzchni jest tu tak duża, że zaadsorbowana sub-stancja może być zdesorbowana tylko w postaci związku chemicznego lub usunięta jak substancja stała.

Proces adsorpcji składnika gazowego w pierwszym etapie jest związany z jego wędrówką do powierzchni zewnętrznej adsorbentu. Podobnie jak podczas absorpcji, etap ten jest określony szybkością dyfuzji cząsteczek gazu w fazie gazowej. Dalszym etapem jest dyfuzja w porach do powierzchni wewnętrznej i adsorpcja na tej powierzchni. Etap ten decyduje często o szybkości całego procesu.

Gdy cząsteczki są adsorbowane na powierzchni stosunkowo małymi siłami, rzędu sił van der Waalsa, wtedy proces nazywa się adsorpcją fizyczną. Jeśli siły wiązania cząsteczek gazu na powierzchni adsorbentu są zbliżone do wią-zania chemicznego, to proces jest określany jako adsorpcja chemiczna lub chemisorpcja.

Adsorpcja fizyczna gazu zachodzi z dużą szybkością, w niskiej temperaturze, w dowolnym miejscu powierzchni adsorbentu. Do przebiegu chemisorpcji w tych warunkach jest niezbędne doprowadzenie tzw. energii aktywacji, koniecznej do wytworzenia odpowiedniego wiązania (kompleksu) adsorbent—sub-

281

stancja adsorbowana. Krzywe adsorpcji, zwane izotermami adsorpcji, w pro-cesie chemisorpcji wskazują na jednocząsteczkowość warstwy zaadsorbowanych cząsteczek, gdy natomiast podczas adsorpcji fizycznej warstwy te mogą być wielocząsteczkowe. Również izobary adsorpcji wskazują na dwa zakresy ad-sorpcji, które określają jeden z wymienionych rodzajów adsorpcji. Na odmienność adsorpcji fizycznej i chemisorpcji wskazuje również duża odwracalność adsorpcji fizycznej. Ciepło adsorpcji chemicznej jest dużo większe niż adsorpcji fizycznej i jest rzędu ciepła reakcji chemicznej (20-400)·]O3 kJ/kmol.

Jeśli zaadsorbowana masa substancji, w danych warunkach, zbliżona jest do równowagowej, to następnym etapem procesu adsorpcyjnego jest usunięcie tej substancji z powierzchni adsorbentu, tj. desorpcja, co nazywane jest regeneracją adsorbentu. O prowadzeniu regeneracji decyduje ekonomika procesu lub inne ważne względy. Desorpcja może być prowadzona przez ogrzewanie adsorbentu, przedmuchiwanie gazem obojętnym, kombinację wymienionych metod, obniżenie ciśnienia. Stosowną często metodą regeneracji, zwłaszcza węgli aktywnych, jest działanie parą wodną. Para wodna, adsorbując się, wypiera zaadsorbowane uprzednio substancje, których ciśnienia cząstkowe są mniejsze od równowagowych. Zdesorbowane zanieczyszczenia są kondensowane w nadmiarze pary. Po regeneracji wodę z adsorbentu usuwa się strumieniem gorącego powietrza. Podczas regeneracji w praktyce nie zachodzi całkowita desorpcja substancji. Niektóre substancje organiczne, zwłaszcza monomery, mogą podczas regeneracji polimeryzować w porach adsorbentu, uniemożliwiając powtórne jego stosowanie, np. styren. Podczas regeneracji adsorbentu, po procesie chemisorpcji są często wymagane specyficzne warunki regeneracji. Desorpcja wiąże się tu zwykle ze zniszczeniem struktury wiązania adsorbentu.

Adsorbenty stanowią materiały porowate o dużej efektywnej powierzchni, otrzymywane z węgla i substancji organicznych, minerałów typu tlenku glinu lub (SiO2)n i innych. Właściwości pożądane adsorbentów są następujące: duża powierzchnia właściwa, odpowiednia wielkość granul, twardość i sypkość, ła-twość regeneracji i powtórnego stosowania. Wyróżnia się trzy grupy adsorbentów: niepolarne, polarne i chemiczne.

Spośród adsorbentów niepolarnych najważniejszy jest węgiel aktywny, sto sowany do adsorpcji cząsteczek związków organicznych, wytwarzany z węgla kamiennego, brunatnego, torfu, drewna, skorup owoców, nasion itp. Parametry określające jakość węgla jako adsorbentu to: powierzchnia wewnętrzna, średni ca porów i rozkład rozmiarów porów. }

Adsorbenty polarne stanowią: silikażel, tlenki metali, w tym bardzo popu-larny A12O3, zeolity naturalne i syntetyczne — sita molekularne. Stosowane są one do adsorpcji cząsteczek polarnych takich jak: H2O, CO2, NH3, H2S, SO2 w procesach oczyszczania gazów inertnych, gazu ziemnego, gazów syntezowych itp.

Adsorbenty chemiczne reagują z adsorbowanymi cząsteczkami przekształ-cając je w bardziej użyteczne lub pożądane substancje.

282

Oprócz wymienionych są opracowywane nowe rodzaje i postacie adsorbentów. Należy do nicłi m.in. „Bon°Pore adsorbent" oparty na żywicy polistyrenowej, mający postać kulek o średnicy 0,5 mm i powierzchnię właściwą ok. 800 m2/g. Opracowano również nowe rodzaje adsorbentów zeolitowych hydrofobowych, o ściśle określonych rozmiarach porów umożliwiających selektywną adsorpcję gazów. Zeolity te mogą pracować w dużej wilgotności względnej, są niepalne i ulegają degradacji powyżej 1250 K. Nowe postacie adsorbentu węglowego to włókna węglowe, z których są wykonywane maty, taśmy, arkusze gładkie lub karbowane itp. Włókna zawierają tylko mikropory o jednorodnej strukturze na powierzchni.

Kryteria stosowania adsorpcji do rozdziału mieszaniny gazowej mogą być porównywalne z destylacją. Lotność względna rozdzielanych składników klu-czowych powinna wynosić < 1,2-1,5. Koszt ogólny rozdzielania adsorpcyjnego jest mniejszy niż destylacji dla małych i średnich strumieni, gdy nie jest wymagany produkt o dobrej czystości.

Do obliczeń procesowych adsorpcji jest wymagana znajomość równowagi adsorpcyjnej i dynamiki adsorpcji, które są omawiane szczegółowo na wykładach i w podręcznikach inżynierii chemicznej i procesowej.

Rodzaj i typ aparatury do prowadzenia adsorpcji jest związany z okresowym lub ciągłym prowadzeniem procesu, sposobem kontaktu stopniowanym lub ciągłym, rodzajem adsorbentu i parametrami procesu. Jeden z powszechnie stosowanych podziałów jest związany ze stanem dynamicznym ruchu adsorbentu w adsorberze, według którego wyróżnia się adsorbery z warstwą nieruchomą, ruchomą i fluidalną.

19.2. ADSORBERY Z WARSTWĄ NIERUCHOMĄ

Jeżeli strumień gazu jest niewielki, okresowy, o zmiennej zawartości usuwa-nych składników, to przy małym ich stężeniu stosowanie pakietów lub pojemników o odpowiednich kształtach, wypełnionych adsorbentem nieregenerowalnym może być rozwiązaniem ekonomicznym. Pakiet wymienia się wtedy, gdy jego pojemność zbliża się do nasycenia.

Jeżeli strumień gazu jest na tyle duży, że koszt świeżego adsorbentu byłby zbyt wielki w stosunku do kosztu regeneracji, to adsorpcję prowadzi się w ad-sorberach z warstwą regenerowalną.

Schematy adsorberów z nieruchomymi warstwami przedstawiono na rysunku 19.1. W zależności od wysokości warstwy rozróżnia się adsorbery z płytką lub wysoką warstwą. Warstwy płytkie (cienkie) umieszcza się pomiędzy per-forowanymi przegrodami, często w postaci siatek. Ze względu na ograniczoną pojemność sorpcyjną takiej warstwy, w absorberze umieszcza się zwykle większą ich liczbę w układzie pionowym lub poziomym (rys. 19.2). Przy dużych strumieniach gazów i małych stężeniach adsorbowanych gazów, zwykle zanie-

283

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

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

8 — para wodna

Rys. 19.2. Adsorbery wielowarstwowe: a) pionowy do adsorpcji gazów stężonych, b) poziomy; l — cylindryczny korpus aparatu, 2 — warstwy adsorbentu, 3 - węzeł do chłodzenia i rozcieńczania

gazu wlotowego, 4 — sprężarka, 5 — chłodnica, GZ - gazy zanieczyszczone, GO — gazy oczyszczone, CR — czynnik regenerujący

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

284

ku. 19.1 są również stosowane adsorbery, w których kształt warstwy jest stoż-kowy, lub adsorbent jest umieszczony w wymiennych kasetach.

W związku z opracowaniem nowych postaci adsorbentów, coraz większe zastosowanie znajdują konstrukcje adsorberów w postaci tzw. rotorów bądź tarczowych, bądź bębnowych, obracające się wokół osi poziomej lub pionowej (rys. 19.3). Rotory mają strukturę blokową, o dużej powierzchni wewnętrznej, lub wstęgową, ż taśmy impregnowanej odpowiednim adsorbentem. Układ taki, jako bardzo zwarty, jest stosowany głównie do usuwania z gazów odlotowych lotnych rozpuszczalników organicznych, gdy stężenia są mniejsze niż 2 g/m3, a także do ich zatężania w strumieniu gazu.

Rys. 19.3. Schemat instalacji adsorpcyjnej z adsorberem obrotowym — rotacyjnym: l - bęben

wypełniony adsorbentem w postaci taśmy (tkaniny) karbowanej węgla aktywnego, 2 — odpylacz filtracyjny, 3 — podgrzewacz, 4 — kondensator, 5 - zbiornik produktu ciekłego

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

285

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

Rys. 19.4. Schemat instalacji adsorpcyjnej z dwoma adsorberami z nieruchomą warstwą adsor-

bentu: l — adsorbery, 2 - ruszt oporowo-rozdzielający, 3 — zawory wielodrożne — sterujące

19.3. ADSORBERY Z WARSTWĄ RUCHOMĄ

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

286

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

Rys. 19.5. Adsorbery z ruchomą warstwą adsorbentu: a) z warstwą opadającą; l - kolumna, 2 - adsorber (wymiennik ciepła), 3 - chłodnica adsorbentu, 4 - separator; b) absorber półkowy; l —

kolumna, 2 - półki, 3 - podgrzewacz, 4 - desorber, 5 — rura cyrkulacyjna

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

287

dnego i suchego powietrza do górnej części adsorbera, przy czym ziarna adsor-bentu są suszone i chłodzone.

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

19.4. ADSORBERY FLUIDYZACYJNE

Adsorpcja w sfluidyzowanej warstwie adsorbentu może być prowadzona okresowo lub w sposób ciągły. Proces prowadzić można w aparacie jednostop-

niowym (rys. 19.6) lub wielostopniowym (rys. 19.7). Świeży (zregenerowany) adsorbent jest podawany w sposób ciągły do zbiornika górnego (przejściowego) (rys. 19.6b), skąd jest dozowany na pierwszą górną półkę adsorbera. Na półce podlega fluidyzacji strumieniem gazu rozdzielanego (oczyszczanego) i przesypuje się przesypami na kolejne, niżej leżące półki. Adsorbent opuszczający ostatnią półkę, osiągając stan zbliżony do nasycenia, jest kierowany do regeneracji. W dolnej części aparatu przesuwająca się w dół wyczerpana warstwa adsorbentu jest regenerowana przeciwprądowym strumieniem pary wodnej. Chłodzenie i suszenie zregenerowanego adsorbentu następuje podczas transportu pneumatycznego do zbiornika (zasobnika) górnego. Pozorne prędkości linowe gazu w adsorberze zmieniają się w zakresie 0,7-2,0 m/s i zależą od rodzaju adsorbentu. Wysokości statyczne warstwy wynoszą zwykle 30-60 mm. Ze względu na znaczną erozję ziarna adsorbentu powinny charakteryzować się dużą wytrzyma-

łością na ścieranie. Liczba stopni rozdziału w adsorberze zależy od wymaganej sprawności rozdziału mieszaniny gazowej, lecz zazwyczaj nie przekracza kilku.

288

Rys. 19.6. Adsorber fluidalny jed-nostopniowy: l — adsorber, 2 — desorber, 3 — półki rozdzielające, 4 — linia transportu pneumatycznego, 5 — separator

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

Rys. 19.7. Adsorber fluidalny wielostopniowy: l — adsorber, 2 - desorber, 3 — półki z przesypami, 4

— linia transportu pneumatycznego, 5 — separator — zasobnik adsorbentu

19.5. ADSORBERY CIECZY

Prowadzenie adsorpcji w fazie ciekłej jest zazwyczaj związane z usuwaniem zanieczyszczeń ciekłych, często substancji barwiących. Proces adsorpcji z cieczy jest mniej poznany w porównaniu z fazą gazową i jego prowadzenie w dużym stopniu jest oparte na doświadczeniu. Adsorpcja okresowa z cieczy jest zwykle prowadzona w aparatach typu zbiornikowego (rys. 19.8). Adsorpcja jest

289

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

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

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

Adsorpcję z cieczy w sposób ciągły prowadzi się w pionowych kolumnach, w których adsorbent od góry, ciecz natomiast od dołu kolumny przepływając kontaktują się w sposób ciągły w przepływie przeciwprądowym (rys. 19.9).

Do tego samego rodzaju procesów sorpcyjnych zalicza się również wymianę jonową w roztworach elektrolitów prowadzoną w obecności sorbentów stałych, zwanych jonitami, stanowiących zwykle żywice syntetyczne. Procesy jonowymienne są prowadzone w aparatach zwanych wymiennikami jonitowymi. Większość procesów jest prowadzona w warstwach nieruchomych jonitu,

290

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

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

Rys. 19.11. Wymiennik jonitowy o pracy ciągłej: l — sekcja rozdzielania cieczy, 2 — sekcja mycia i regeneracji jonitu, 3 — pulsator hydrauliczny, 4 — przewód zasilający zregene-rowany jonit, 5 — zbiornik buforowy jonitu, CM — ciecz myjąca, CR — ciecz regeneracyjna, OCP — ciecz odlotowa poregeneracyjna

W procesach ciągłych wymiany jonowej stosuje się pulsacyjny transport (ruch) jonitu, poprzez strefę sorpcji i regeneracji (rys. 19.11) , lub ruch faz jest ciągły, gdy stosuje się wymiennik jonitowy fluidalny, wielostopniowy. Ciecz przepływa w kierunku przeciwnym do ruchu jonitu. Erozja ziaren jonitu jest wadą procesów ciągłych. Procesy ciągłe są stosowne do separacji z cieczy składników o stężeniach ponad 0,5 N, z dużych strumieni objętości >70 m3/h.

291

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

19.6. DOBÓR ADSORBERÓW

Pierwszym etapem jest dobór właściwego adsorbentu, następnie obliczenie, zgodnie z wymaganiami procesu rozdziału wymaganej masy asorbentu, z za-chowaniem odpowiedniego współczynnika bezpieczeństwa, odniesionego do teoretycznej zdolności adsorpcyjnej. Z tych względów wykorzystanie zdolności sorpcyjnej wynosi zwykle 50-80% pojemności teoretycznej. Ponadto muszą być wzięte pod uwagę wzrost temperatury w układzie i okres zdolności do adsorpcji adsorbentu. Specyfika projektowania i wymiary instalacji adsorpcyjnej zależą od wielkości i właściwości strumienia gazu oraz zastosowanego adsorbentu. Wszystkie parametry gazu i adsorbentu oraz ich zmiany podczas adsorpcji i regeneracji powinny być dokładnie przeanalizowane pod względem sprawności rozdziału i efektywności prowadzenia procesu. Jeśli stężenie usuwanego gazu jest małe, poniżej 2 ppm, to adsorpcję prowadzi się na ogół w warstwach nieregenerowalnych. Do stężeń większych są stosowane adsor-bery z regeneracją, okresowe do mniejszych i ciągłe do większych stężeń 100-1000 ppm, gdy odzysk substancji jest ekonomicznie opłacalny.

Dobór adsorbentu jest jednym z istotniejszych etapów projektowania procesu adsorpcji, gdyż jego pojemność sorpcyjna i właściwości fizykochemiczne decydują o efektywności procesowej i kosztach ogólnych rozdziału.

LITERATURA

[1] KlELCEW N.W., Podstawy techniki adsorpcyjnej, WNT, Warszawa 1980. [2] RUTHVEN D.M., Principles of Adsorption and Adsorption Processes, John Wiley & Sons,

Chichester UK 1984. [3] YANG R.T., Gas Separation by Adsorption Processes, Butterworth, London 1987. [4] RUTHVEN D.M. i in., Pressure Swing Adsorption, VCH, Weinheim 1993. [5] SELECKI A., GAWROŃSKI R., Podstawy projektowania wybranych procesów rozdzielania

mieszanin, WNT, Warszawa 1992. [6] KOCH R., KOZIOŁ A., Dyfuzyjno-cieplny rozdział substancji, WNT, Warszawa 1994.

292

20. APARATURA PROCESÓW ŁUGOWANIA I EKSTRAKCJI

20.1. WPROWADZENIE

Ekstrakcja to proces rozdzielania mieszanin ciekłych i ługowania skład-ników z ciał stałych za pomocą ciekłego rozpuszczalnika — ekstrahentu. W wyniku ekstrakcji otrzymuje się ekstrakt składający się z rozpuszczalnika wtórnego i substancji rozpuszczonej oraz rafinat, który stanowi rozpuszczalnik pierwotny. Zawartość substancji ekstrahowanej w stanie równowagi, w wymie-nionych fazach, zależy od właściwości rozpuszczalnika, w tym w dużym stopniu od jego selektywności oraz temperatury i ciśnienia. Proces ekstrakcji, z którego nazwą jest związane zarówno rozdzielanie układów ciekłych, jak i ługowanie mieszanin stałych, ze względu na kontakt faz może być prowadzony w sposób stopniowany lub ciągły, we współprądzie lub przeciwprądzie. Ze względu na przebieg w czasie natomiast, proces może być prowadzony okresowo lub w sposób ciągły.

20.2. APARATURA DO ŁUGOWANIA

Ekstrakcja w aparatach do ługowania jest oparta na przepływie rozpuszczalnika przez rozdrobnioną warstwę rozdzielanego ciała stałego, podczas którego jest ługowany pożądany składnik. Proces przebiega w dwóch etapach:

1. Kontakt rozpuszczalnika z ciałem stałym i dyfuzja rozpuszczonej substancji w głąb rozpuszczalnika.

2. Separacja roztworu z pozostałości ciała stałego. Oprócz wymienionych etapów są niezbędne dodatkowe operacje, którymi są

przygotowanie ciała stałego do ługowania, tj. rozdrobnienie i klasyfikacja oraz odzysk wyługowanej substancji z ekstraktu (rozpuszczalnika), zwykle przez odparowanie lub destylację.

Podczas ługowania warstwy nieruchomej rozpuszczalnik może się kontak-tować z ciałem stałym trzema sposobami (rys. 20.1):

a) poprzez natrysk i przepływ grawitacyjny ekstrahentu, b) pełne zalanie warstwy, c) spływ okresowy.

293

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

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

sitowy, 3 — ługowana warstwa

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

Rys. 20.2. Aparaty do ługowania okresowego z mieszadłami: a) pionowy, b) poziomy; l -zbiornik, 2 — ruszt sitowy, 3 — mieszadła

294

Ciągłe ługowanie rozproszonego ciała stałego może być również prowadzone w pionowym ekstraktorze półkowym (rys. 20.3), stanowiącym kolumnę po-dzieloną na stopnie przez poziome per-forowane półki, z umieszczonym centralnie wałem ze zgarniakami ciała stałego z półek. Półki posiadają otwory wyładowcze przesunięte o 180° na sąsiednich półkach. Ciało stałe jest podawane na górę kolumny, skąd stopniowo przesuwane przez zgarniaki spada z półki na półkę, po czym, jako wyczerpane, jest odprowadzane z aparatu podajnikiem ślimakowym. Rozpuszczalnik wpływa w dolnej części kolumny, płynąc do góry ługuje ciało stałe i jako ekstrakt odpływa w górnej części kolumny.

Ekstraktory ciągłe typu przenośników ślimakowych śrubowych są stosowane w wersji stanowiącej trzy oddzielne przenośniki śrubowe (rys. 20.4a) do wymuszenia ruchu ciała stałego w zbiorniku ekstrakcyjnym w kształcie litery U. Linia śrubowa przenośników jest perforowana, rozpuszczalnik może więc przepływać w przeciwprądzie do poruszającego się ciała stałego. Ślimaki obracają się z różnymi prędkościami; ciało stałe jest zagęszczane na drodze do wyładowania z aparatu. Typ poziomy (rys. 20.4b) stanowi wersję prostszą i posiada część z przenośnikiem pochylonym, w którym może być prowadzone mycie, ociekanie wyładowywanego ciała stałego po ługowaniu. Ługowanie przeciwprądowe, podobnie jak i w baterii przeciwprądowej okresowej, może być prowadzone w ekstraktorze rotacyjnym komorowym (rys. 20.5). Płaski bęben, podzielony na klinowe komory, obraca się powoli w zbiorniku nieruchomym o nieco większej średnicy. W trakcie obrotu bębna każda komora przechodzi pod urządzeniem podającym ciało stałe, następnie przez szereg natrysków rozpuszczalnikiem. Po wyługowaniu wyczerpane ciało stałe jest automatycznie usuwane z komory do pojemnika poniżej aparatu. Roztwór, po przesączeniu się w każdej komorze przez warstwę ciała stałego, spływa do pojemnika poniżej zbiornika aparatu, skąd jest kierowany na zraszanie kolejnej komory, po czym opuszcza aparat jako ekstrakt. Ekstraktor jest zamknięty w hermetycznej obudowie w celu zapobieżenia emisji oparów rozpuszczalników do środowiska.

Rys. 20.3. Ekstraktor do ługowania ciągłego półkowy: l — kolumna aparatu, 2 —

zgarniaki — mieszadła, 3 — półki, 4 — ślimak wyładowczy

295

Rys. 20.4. Ekstraktory do ługowania ciągłego — ślimakowe: a) pionowy, b) poziomy

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

wyługowanego ciała stałego

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

Rys. 20.6. Ekstraktor rurowy przelewowy: l - podajnik ciała stałego, 2 - mieszadła mechaniczne, 3 -

sekcja filtracyjna, 4 - przenośnik zgarniakowy, 5 — natrysk świeżego rozpuszczalnika, 6 - wyładunek wyługowanego ciała stałego

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

20.3. EKSTRAKTORY

Ekstrakcja w układzie ciecz—ciecz może być prowadzona w sposób stopnio-wany lub ciągły.

20.3.1. EKSTRAKTORY MIESZALNIKOWE

Ekstrakcję stopniowaną na ogół prowadzi się w mieszalnikach połączonych z odstojnikami lub wirówkami. W układzie zwanym jednostopniowym ekstrakcja polega na jednokrotnym zmieszaniu surówki z rozpuszczalnikiem w mie-szalniku mechanicznym (rys. 20.7), i rozdzieleniu ich na ekstrakt i rafmat. Układ mieszalnik—odstojnik nosi miano stopnia ekstrakcyjnego. Ekstrakcja wie-lostopniowa polega na kilkakrotnym ekstrahowaniu surówki świeżymi porcjami rozpuszczalnika, co można traktować jako wielokrotne powtórzenie procesu jednostopniowego. Wadą prostej ekstrakcji wielostopniowej jest znaczne zużycie rozpuszczalnika i straty rafinatu. Zastosowanie przeciwprądowego przepływu surówki i rozpuszczalnika w baterii ekstrakcyjnej, składającej się z wielu stopni ekstrakcyjnych (mieszalnik-odstojnik), ustawionych pionowo lub kaskadowo, umożliwia uzyskanie bardziej czystego rafinatu i stężonego ekstraktu, z mniejszym zużyciem rozpuszczalnika.

297

Rys. 20.7. Ekstraktory typu mieszalnik—odstojnik: a) pionowy, b) poziomy; l — komora mieszania, 2

— mieszadła, 3 — komory odstawania

20.3.2. EKSTRAKTORY KOLUMNOWE

Ekstrakcja ciągła jest prowadzona w kolumnach ekstrakcyjnych, w których surówka ekstrakcyjna i rozpuszczalnik kontaktują się w przeciwprądzie w sposób ciągły. Stosowane są trzy zasadnicze sposoby prowadzenia procesu w kolumnach (rys. 20.8):

a) natryskowy, b) przepływ przez wypełnienie, c) kontakt cieczy na półkach.

Rys. 20.8. Kolumny ekstrakcyjne: a) natryskowa, b) z wypełnieniem, c) półkowa; l - kolumna, 2 —

dystrybutory cieczy, 3 — wypełnienie, 4 — półki z przelewami

298

Surówka i rozpuszczalnik są podawane do kolumny na jej przeciwległych krańcach, przy czym ciecz mająca większą gęstość od góry kolumny, lżejsza natomiast od dołu kolumny. Obie fazy przepływają przeciwprądowo z prędkością zależną od różnicy ich gęstości, jedna w postaci fazy zwartej, druga natomiast w postaci fazy rozproszonej. Ekstrakt i rafinat odbierane są z przeciwległych krańców kolumny.

W kolumnach natryskowych (rys. 20.8a) krople cieczy rozproszonej prze-pływają swobodnie przez ciecz w postaci zwartej. Przepływ fazy rozproszonej w zależności od jej gęstości może następować od góry bądź od dołu kolumny. Środkowa część kolumny stanowi przestrzeń ekstrakcyjną, górna i dolna nato-miast — przestrzenie odstawania. Kolumny natryskowe o stosunkowo dużej wydajności, w porównaniu z innymi kolumnami, mają mniejszą efektywność ekstrakcji.

W kolumnach ekstrakcyjnych z wypełnieniem (rys. 20.8b) są stosowane tego samego rodzaju wypełnienia jak w kolumnach absorpcyjnych. Wypełnienie dobiera się tak, aby było ono lepiej zwilżalne przez ciecz, stanowiącą fazę zwartą. Faza zwarta spływa wówczas po wypełnieniu, gdy natomiast krople, jako faza rozproszona, przepływając toczą się po jej powierzchni. Kolumny z wypełnieniem mają mniejszą wydajność od natryskowych, lecz efektywność ekstrakcji jest większa, dzięki wyeliminowaniu mieszania wstecznego, większej powierzchni kontaktu faz i szybkości jej odnawiania.

W kolumnach z pólkami perforowanymi (rys. 20.8c) rozproszenie fazy zachodzi w otworach półki, z jednoczesnym łączeniem się kropelek na następnej półce, co wpływa korzystnie na odnawianie powierzchni wymiany masy. Kolumny te są wyposażone również w przelewy fazy zwartej z półki na półkę. Stosowane są także kolumny ekstrakcyjne z przegrodami poziomymi, które nadają płynącej cieczy odpowiedni kierunek i zapobiegają jej mieszaniu wste-cznemu. Przegrody te mogą mieć różny kształt. Faza rozproszona płynie tu w postaci warstewki po powierzchni przegród i jest w kontakcie z fazą zwartą. W przestrzeni pomiędzy przegrodami faza rozpraszana przepływa w postaci kropel.

Schematy często stosowanych kolumn ekstrakcyjnych z mieszadłami i przegrodami przedstawia rys. 20.9. Mieszadła mogą być również umieszczone pomiędzy strefami odstawania, które mogą stanowić warstwy różnego rodzaju wypełnień. W wyniku mieszania uzyskuje się wzrost burzliwości w fazie zwartej i rozdrabnianie kropel fazy rozproszonej, co powoduje wzrost szybkości ekstrakcji. Stosowane są mieszadła mechaniczne tarczowe i turbinowe. Prędkość obrotów mieszadeł (rys. 20.9a,b,c) musi być tak dobrana, by krople fazy rozproszonej mogły przepływać pod wpływem różnicy gęstości. Ciecz w kolumnie ekstrakcyjnej może być również mieszana pulsacyjnie (rys. 20.9d). Mieszanie tego rodzaju powoduje powstawanie wirów w fazie zwartej, zwiększenie powierzchni kontaktu faz i czasu przebywania kropel w fazie zwartej.

299

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

Rys. 20.10. Kolumna ekstrakcyjna z półkami ruchomymi: l — wał napędowy, 2 — półki per-

forowane, 3 - wibrator mimośrodowy

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

300

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

Rys. 20.11. Kolumna ekstrakcyjna z pulsacją słupa cieczy: l - półki perforowane, 2 — pulsa-

tor, 3 — komora odstawania

20.3.3. EKSTRAKTORY WIRÓWKOWE

Ekstraktory wirówkowe są konstrukcjami specjalnymi, stosowanymi do eks-trakcji cieczy łatwo emulgujących się, o małej objętości 30 dm3/h-100 m3/h, gdy są to substancje cenne i proces musi przebiegać szybko. W ekstraktorze wirówkowym Podbielniaka (rys. 20.12) ciecz jest rozprowadzana po ścianie powierzchni spiralnej, umieszczonej wewnątrz wirującego bębna wirówki z prędkością 2000-5000 obr/min. Ciecz o większej gęstości przepływa od osi do obwodu bębna, o mniejszej gęstości natomiast jest doprowadzona pod ciś-nieniem do obwodu i płynie do osi obrotu bębna, skąd odpływa. W przestrzeni spiralnej, na skutek bezpośredniego kantaktu faz, podczas przepływu przeciw-prądowego następuje intensywna wymiana masy między fazami. Wirówki te charakteryzują się możliwością zmiany stosunku strumienia surówki i rozpusz-czalnika w szerokich granicach, przy dużej powierzchni kontaktu międzyfazo-wego i krótkim czasie kontaktu. W innych rozwiązaniach (rys. 20.13) we-wnątrz bębna wirówki do pionowego wału są przymocowane cylindryczne współosiowe przegrody z blachy perforowanej, z tzw. skrzydełkami, tworzący-

301

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

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

7,8 - dopływ i odpływ cieczy lżejszej

Rys. 20.13. Ekstraktor wirówkowy Alfa-Laval: l - wał pusty, 2 - cylindry pionowe z półkami, 3 —

otwory dla przepływu cieczy

302

20.4. DOBÓR APARATURY EKSTRAKCYJNEJ

Dobór aparatury procesowej do ekstrakcji jest oparty na szybkości ekstrakcji (ługowania). W trakcie ługowania rozpuszczalnik dyfunduje przez porowatą strukturę ciała stałego do jego wnętrza. W celu zapewnienia odpowiedniej szybkości tego procesu niezbędne jest właściwe rozdrobnienie materiału i mie-szanie. Rozpuszczalnik powinien być tu selektywny, o małej lotności.

Ekstrakcja w układzie ciecz-ciecz, pod względem intensywności przenikania masy, przebiega najefektywniej w ekstraktorach z mieszaniem mechanicznym, z dużą wydajnością procesu w kolumnach z mieszadłami turbinowymi. Ograniczenie w stosowaniu tego rodzaju aparatów stanowią względy konstruk-cyjne i materiałowe. Nie mają tej wady ekstraktory pulsacyjne sitowe i z wy-pełnieniem, lecz trudności i ograniczenia sprawia wprowadzenie w wibracje dużych mas cieczy.

Ekstraktory wirówkowe są odpowiednie do ekstrakcji układu ciecz-ciecz o małej różnicy gęstości, w którym składniki ulegają łatwo zemulgowaniu i rozkładowi i konieczny jest krótki czas ekstrakcji. Zarówno koszt inwestycyjny, jak i eksploatacyjny tych aparatów jest jednak wysoki.

LITERATURA

[1] Handbook of Separation Techniques for Chemical Engineers, Ed. P.A. Schweitzer, McGraw- -Hill Book Comp., New York 1979. [2] AKSIELRUD G.A., ŁYSIANKSI W.M., Ekstrakcja w

układzie dato stale-ciecz, tłum. z roś., WNT, Warszawa 1978.

[3] ZlOŁKOWSKl Z., Ekstrakcja cieczy w przemyśle chemicznym, wyd. 2, WNT, Warszawa 1979. [4] Science and practice of liquid—liquid extraction, Vol 1 & 2, Ed., J.D. Thornton, Clarendon

Press, Oxford 1992.

303

21. SUSZARKI

21.1. WPROWADZENIE

Proces suszenia — usuwania wilgoci lub innej substancji lotnej z ciał stałych, szlamów i zawiesin jest etapem przejściowym lub końcowym wielu technologii przemysłowych, w tym również wytwarzania wyrobów gotowych. Suszenie ma m.in. na celu:

1. Wytworzenie produktu lub półproduktu o odpowiednich właściwościach użytkowych

2. Zwiększenie trwałości materiałów. 3. Zmniejszenie kosztów transportu materiałów. Materiał w kontakcie z powietrzem o określonej temperaturze i wilgotności

traci lub zyskuje wilgoć, aż osiągnie stan równowagi nasycenia wilgocią. W zależności od wymienionych parametrów oraz rodzaju materiału stan równowagi zmienia się w szerokich granicach. W materiałach nieporowatych wilgotność równowagowa jest równa zeru. Wilgoć w materiale znajdować się może w postaci swobodnej na powierzchni, w stanie równowagi lub może być związana w kapilarach, w wyniku adsorpcji lub stanowić roztwór na ścianie.

W celu przewidywania suszenia konieczna jest znajomość układu powie-trze—woda i wszystkich z tym układem związanych wielkości procesowych. Szybkość suszenia zależy od rodzaju materiału i jego struktury. W pierwszym etapie usuwana jest wilgoć swobodna z powierzchni materiału i proces odbywa się ze stałą szybkością: jest to I okres suszenia. W II okresie suszenia wilgoć jest usuwana z wnętrza materiału i szybkość suszenia stale spada.

Duża różnorodność właściwości fizycznych i chemicznych suszonych mate-riałów powoduje, że istnieje wiele sposobów prowadzenia procesu suszenia i rozwiązań konstrukcyjnych aparatów do suszenia — suszarek.

W klasyfikacji suszarek, opartej na metodzie pracy i sposobie dostarczania ciepła, wyróżnia się następujące suszarki:

l. Okresowe lub ciągłe. ' 2. Z ogrzewaniem:

a) bezpośrednim — suszarki konwekcyjne, b) pośrednim — suszarki przeponowe.

3. Radiacyjne. 4. Mikrofalowe i dielektryczne. 5. Specjalne.

304

Suszenie może być prowadzone pod ciśnieniem zwiększonym, atmosferycznym lub pod próżnią.

O okresowości lub ciągłości suszenia decyduje strumień masy suszonego materiału. Suszenie okresowe prowadzi się zazwyczaj wtedy, gdy masa suszo-nego materiału jest mniejsza niż 100 kg/dzień. Proces ciągły zapewnia bardziej równomierne suszenie i w zależności od kierunku wzajemnego ruchu czynnika suszącego i suszonego materiału (surowca) wyróżnia się suszarki współprądo-we, przeciwprądowe i o przepływie skrzyżowanym.

Jako czynniki grzejne są stosowane: powietrze, gazy spalinowe, para wodna, niewodne nośniki ciepła, prąd elektryczny, promieniowanie podczerwone i ultrakrótkie, prądy o wysokiej częstotliwości.

Ogrzewanie bezpośrednie materiału suszonego ma wiele zalet, lecz sprawność cieplna procesu jest bardzo mała w wyniku unoszenia dużego strumienia ciepła z gazami odlotowymi. Nie ma tej wady ogrzewanie przeponowe, lecz komplikuje konstrukcję suszarki.

Ocena techniczno—procesowa suszarek jest dokonywana na podstawie czasu suszenia, szybkości właściwej suszenia wyrażanej w kilogramach odparowanej wilgoci na jednostkę powierzchni grzejnej w jednostce czasu [kg/(m2-h], wy-dajności suszenia odniesionej do strumienia masy surowca lub produktu, zużycia mocy, sprawności energetycznej i innych.

21.2. SUSZARKI KONWEKCYJNE

Suszarki konwekcyjne obejmują dużą grupę aparatów szeroko stosowanych w wielu gałęziach przemysłu przetwórczego.

W grupie suszarek konwekcyjnych wyróżnia się następujące suszarki z warstwą suszonego materiału:

— nieruchomą — komorowe, tunelowe, taśmowe, — ruchomą — talerzowe, bębnowe

oraz suszarki z fazą rozproszoną ciekłą lub stałą suszonego materiału — roz-pyłowe, fluidalne, pneumatyczne, kombinowane.

W suszarkach konwekcyjnych jako czynnik suszący jest stosowany gaz. By zmniejszyć zużycie ciepła w procesie suszenia i jednocześnie złagodzić warunki suszenia na wlocie do suszarki, stosuje się recyrkulację części gazu odlotowego. Suszenie z obiegiem zamkniętym czynnika suszącego, dotyczy zwykle gazów, tzw. obojętnych, drogich i związane jest ze skraplaniem wilgoci w kondensatorze i ponownym ogrzewaniem gazu.

21.2.1. SUSZARKI KOMOROWE

Suszarki komorowe są jednymi z najprostszych i najczęściej stosowanych suszarek okresowych. Zasadniczą część suszarki (rys. 21.1) stanowi prostokątna komora, w której suszony materiał jest ułożony na tacach (półkach), wbudo-

305

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

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

21.2.2. SUSZARKI TUNELOWE

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

Rys. 21.2. Suszarka tunelowa: l - tunel, 2 - wózki z materiałem suszonym, 3 - nagrzewnica, 4 —

drzwi załadunkowo-wyładunkowe

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

306

rokość do 6 m. Suszarki są stosowane do suszenia parafiny, żelatyny, mydeł, ceramiki sanitarnej (dużych elementów).

21.2.3. SUSZARKI TAŚMOWE

Suszarki taśmowe stanowią rozwiązanie podobne do suszarek tunelowych, lecz surowiec spoczywa na taśmie przenośnika; przenośników może być więcej niż jeden, w ustawieniu nadsobnym (rys. 21.3). Całość znajduje się w komorze,

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

do której gorące powietrze podawane jest od dołu. Surowiec jest podawany od góry na taśmę, również w postaci siatek metalowych. Gaz suszący przepływa nad lub przez warstwę materiału, gdy taśmy są siatkowe, co jest korzystniejsze dla procesu suszenia. W suszarkach wielotaśmowych (rys. 21.3) przesypywanie się produktu z taśmy na taśmę wpływa korzystnie na szybkość i równomierność suszenia. Suszarki są stosowane do suszenia materiałów ziarnistych kry-stalicznych. Prędkość przepływu powietrza dochodzi do 3 m/s; przesuw taśmy 0,2-0,5 m/s; długość pojedynczych przenośników do 16 m.

21.2.4. SUSZARKI TALERZOWE

Suszarka talerzowa półkowa (rys. 21.4) zawiera pionowy obrotowy wał z segmentem talerzy (półek), na których spoczywa warstwa surowca o grubości 20-40 mm, podawana od góry. Suszony materiał jest zgarniany przez stacjonarne ramieniowe zgarniaki, umieszczone wzdłuż promienia półki, kolejno z półki na półkę, aż do wyładowania na dole suszarki. Gaz suszący jest podawany od dołu i skierowany wzdłuż półek przez wentylatory promieniowe. Odpływ gazu wilgotnego następuje górą suszarki. Ogrzewanie półek odbywa się przez rzędy rur parowych, przez które jest zasysane powietrze wentylatorami. Suszarki są stosowane do suszenia materiałów kohezyjnych. Powierzchnia półek w pojedynczej suszarce wynosi 0,7-200 m2. Suszarki mogą pracować

307

w układzie zamkniętym — cyrkulacyjnym, gdy istnieje konieczność oczyszczania gazów odlotowych z zanieczyszczeń aerozolwych i gazowych. Półki dolne są często stosowane do chłodzenia produktu. Szybkość suszenia wynosi 0,7-5 kg/(m2-h). Prędkości przepływu gazu 0,6-2,5 m/s.

Rys. 21.4. Suszarka talerzowo-półkowa: l - talerze - półki, 2 — nagrzewnica parowa, 3 wentylatory,

4 — napęd talerzy i wentylatorów

21.2.5. SUSZARKI BĘBNOWE — ROTACYJNE

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

308

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

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

suszarek bębnowych

długości bębna zmienia się w rezultacie zmian temperatury i wilgotności i za-wiera się w zakresie 0,5-5 m/s, lecz wartości typowe wynoszą dla współprądu 1,5-3 m/s i 1-2 m/s dla przeciwprądu. Prędkość gazu oprócz czasu przebywania wpływa również na współczynnik przenikania ciepła i masy oraz na porywanie cząstek. Średnica bębnów suszarek wynosi 1-4 m, długość 4-6 średnic bębna. Wydajność suszenia zależy od powierzchni kontaktu cząstek z suszącym gazem i szybkości jego odnawiania. W celu zwiększenia tych parametrów wewnątrz bębnów umieszcza się różnego rodzaju przegrody — półki lub mieszadła (rys. 21.5a,b,c).

21.2.6. SUSZARKI ROZPYŁOWE

Suszenie rozpyłowe w suszarkach rozpyłowych, zwanych też rozpryskowy-mi [2] (nazwa ta nie odpowiada właściwemu charakterowi rozproszenia cząstek

309

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

Rys. 21.6. Rozpylacze wirowe: a) rozpylacz wirowy, niskoobrotowy; l — dysk (talerz) rozpylający, 2

— wał napędowy, 3 — korpus, 4 — obudowa, 5 — sprzęgło, 6 — silnik napędowy; b) dysk rozpylający z prostymi 'łopatkami, c) dysk z łopatkami profilowanymi, d) dysk z dyszami roz-

pylającymi; l - dysze (wymienne)

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

310

dysku. Strumień masy i stężenie cząstek, lepkość i napięcie powierzchniowe wpływają również na rozmiar kropel.

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

Rys. 21.7. Dysza rozpylająca pneumatyczna: l - korpus, 2 — kanał styczny wlotu powietrza, 3 —

kanał wlotu cieczy, 4 — strefa mieszania strumieni i rozpyłu

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

3 1 1

Rozpylacze ultradźwiękowe wytwarzają krople o małej średnicy w trakcie przepływu cieczy przez drgającą powierzchnię z ultradźwiękową częstością. Są one stosowane do rozpylania małych strumieni cieczy.

Urządzenie rozpylające w suszarce nadaje kierunek rozpylonej chmurze kropel, która musi być wymieszana z gorącym, suszącym gazem, w krótkim czasie, by odparowanie, nie wpływając na ruch kropel w suszarni, zapewniło dostateczne wysuszenie i by cząstki nie weszły w kontakt ze ścianką aparatu. W tym celu wlot gazu musi być odpowiednio projektowany, zwykle w postaci kanału — spirali Archimedesa. Rozpylacze wirowe są instalowane w pokrywie górnej suszarki. Gorące gazy wpływając spiralnym kanałem wokół rozpylacza zapewniają współprądowo — wirowy wypływ kropel i gazu do komory suszarki. Urządzenie rozpylające i rozprowadzające gaz oraz wymiary komory suszarki muszą być odpowiednio wzajemnie skonfigurowane, w celu całkowitego wysuszenia kropel, bez blokowania ścianek aparatu. Możliwości prowadzenia suszenia rozpyłowego w różnych konfiguracjach przedstawia rys. 21.8.

Rys. 21.8. Suszarki rozpyłowe: a,b) współprądowe; c,d) przeciwprądowe; e) z przepływem mie-

szanym; S — surowiec, Pow — powietrze wlotowe, Po — powietrze odlotowe, P — produkt

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

Do suszenia cząstek dużych rozmiarów, o stabilnej temperaturze są stoso-wane suszarki z przepływem mieszanym (rys. 21.8e).

3 1 2

Wysuszone cząstki o dużych rozmiarach gromadzą się na dnie, małe nato-miast są unoszone z gazami odlotowymi i wydzielane w cyklonach lub filtrach tkaninowych. Niekiedy są stosowane kombinacje cyklonu ze skruberem. Ciepło gazów odlotowych jest odzyskiwane częściowo przez jego recyrkulację lub w wymiennikach ciepła.

Gazy suszące otrzymuje się przez bezpośrednie spalanie gazu ziemnego, co jest najbardziej efektywne, bądź spalanie oleju lub propanu. Podczas podgrze-wania przeponowego gazów (powietrza) są stosowane wymienniki ciepła płasz-czowo-rurowe, również z rurami ożebrowanymi, ogrzewane parą wodną lub innymi ciekłymi nośnikami ciepła. Ogrzewanie elektryczne gazów jest stoso-wane w suszarkach o małej wydajności.

Powietrze suszące w zależności od rodzaju produktu musi być oczyszczane z cząstek aerozolowych i innych zanieczyszczeń w różnym stopniu. Przepływ gazu suszącego przez suszarkę zapewniają wentylatory promieniowe lub dmuchawy.

Kontrola przebiegu suszenia wymaga rejestracji spadku ciśnienia gazu, temperatury, poziomu obrotów i ciśnienia smarowania w rozpylaczach wirni-kowych.

21.2.7. SUSZARKI FLUIDALNE

W stanie fluidalnym czas przebywania cząstek jest znaczny i uzyskuje się wysokie współczynniki przenikania ciepła pomiędzy gazem a cząstkami; łatwo

Rys. 21.9. Suszarka fluidalna: l - korpus aparatu, 2 — półka sitowa (ruszt), 3 — zasobnik surowca, 4

— podajnik ślimakowy, 5 — piec, 6 — cyklon

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

3 1 3

wykorzystania ciepła. Do dobrej fluidyzacji jest wymagany zakres rozmiarów cząstek od dziesiątych części milimetra do ok. 50 µm, przy niezbyt szerokim zakresie rozmiarów.

Suszenie prowadzi się w złożu fluidalnym wytworzonym w aparacie cylin-drycznym lub prostopadłościennym (rys. 21.9). Złoże może być płytkie lub wysokie, co określa mechanizm suszenia. Suszenie może zachodzić w układzie zbliżonym do mieszania idealnego lub z przepływem tłokowym, z wibracją lub mieszaniem mechanicznym złoża. Złoże stanowić może ładunek klasyczny, burzliwo-szybki (cyrkulacyjny) lub fontannowy. W suszarkach fluidalnych są suszone wilgotne materiały sypkie, zawiesiny, szlamy i pasty, również w obec-ności cząstek inertnych.

Przekazywanie ciepła do złoża odbywa się za pośrednictwem gazu fluidyzu-jącego lub powierzchni grzejnych umieszczonych w złożu, w postaci wężownicy lub płaskich płyt ogrzewanych wodą, parą wodną lub innym nośnikiem ciepła.

W suszarkach ze ztożem wibracyjnym (rys. 21.10) na skutek wibracji aparatu i półki rozdzielającej, która podczas wibracji opada szybciej niż cząstki, prędkość krytyczna fluidyzacji maleje.

Rys. 21.10. Suszarka ze złożem fluidalnym wibracyjnym: l — komora suszarki, 2 — płaskowniki

sprężyste, 3 — podkładki (amortyzatory) sprężyste, 4 — wibrator mechaniczny

W suszarkach fluidalnych z mieszaniem mechanicznym (rys. 21 .11 ) suro-wiec pobierany z zasobnika jest podawany do złoża, w którym znajduje się mieszadło łapówę umieszczone przy dnie aparatu. Gaz suszący jest wprowa-dzany stycznie do dolnej części aparatu o powiększonej średnicy i wytwarza wirujące złoże fluidalne. Zadaniem mieszadła jest rozpraszanie aglomeratów i mieszanie gazu i jednocześnie polepszenie jakości fluidyzacji i suszenia. Wy-suszony produkt, unoszony na zewnątrz, jest wydzielany w cyklonie lub filtrze tkaninowym. Suszarka jest stosowana do suszenia materiałów lepkich i kohe-zyjnych od wilgotności początkowej 35-92% do końcowej 0,5-10%; m.in. barwników, skrobi, węgla aktywnego i innych.

314

Dobór i projektowanie suszenia fluidalnego wymaga znajomości charakterystyki fizykochemicznej surowca i produktu; również zdolności do fluidyzacji i jej prędkości krytycznej. Jeśli różnica temperatury gazu w suszarce jest mała i małe są rozmiary cząstek i ich gęstość, to unoszenie cząstek z gazami odlotowymi będzie znaczne. Kontrola suszenia obejmuje pomiar temperatury na wlocie, wylocie suszarki i wewnątrz złoża. Długi czas przebywania suszonego materiału od minut do godziny zapewniają suszarki o przepływie krzyżowym.

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

tkaninowy, 7 — wentylator

Zaletą suszenia fluidalnego jest jednorodna temperatura złoża, wysokie współczynniki przenikania ciepła i możliwość suszenia materiałów wrażliwych na podwyższoną temperaturę.

21.2.8. SUSZARKI PNEUMATYCZNE

Spośród suszarek, w których suszenie cząstek zachodzi w stanie rozproszo-nym, suszarki pneumatyczne są najprostsze. Gorący gaz porywa i transportuje wilgotne cząstki w przewodzie, zwykle o przekroju kołowym i jednocześnie wzdłuż drogi transportu przebiega suszenie cząstek. Duże prędkości liniowe gazu powodują, że czas przebywania cząstek w suszarce jest krótki, rzędu 0,5-3,0 s. Temperatura gazu suszącego na wlocie musi być więc odpowiednio wysoka. Wysuszone cząstki unoszone z suszarki wydzielane są w odpylaczach suchych (rys. 21.12).

31 5

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

Rys. 21.12. Suszarka pneumaty-czna: l — nagrzewnica, 2 -podajnik, 3 — komora suszarki, 4 — separator produktu, 5 — odpylacz — filtr tkaninowy

Rys. 21.13. Suszarka pneumatyczna z rozdrabnianiem: l — komora suszarki, 2 — wykładzina młyna, 3 - młotki, 4 —

klasyfikator unoszonych ziaren

Podczas doboru i projektowania suszenia pneumatycznego określa się średnicę suszarki, prędkość liniową gazu i jego temperaturę. Wszystkie te parametry są zależne od strumienia surowca poprzez bilans cieplny, temperaturę gazu i możliwie dużą prędkość gazu na wlocie (często w postaci gardzieli Venturiego).

21.2.9. UKŁADY KOMBINOWANE

Układ suszarka rozpyłowa z fluidalną (rys. 21.14) daje możliwość otrzy-mania z surowca (roztworu) produktu granulowanego nie pylącego, sypkiego, łatwo dyspergującego w wodzie. Produkt jest częściowo suszony w suszarce

316

rozpyłowej, następnie dozowany do suszarki fluidalnej. Gaz suszący dopływa do obu suszarek jednocześnie. Typowa średnica cząstek produktu wynosi tu 100-500 µm.

Rys. 21.14. Suszarka rozpylowo-fluidalna: l — komora suszarki rozpyłowej, 2 — urządzenie rozpylające, 3 — część fluidalna, 4 — zbiornik surowca, 5 — pompa dozująca, 6 — odpylacz,

7 — recyrkulacja cząstek drobnych

Specjalnej uwagi wymaga suszenie, podczas którego produkty w postaci proszków są palne i wybuchowe. Są nimi substancje organiczne, wiele nieorga-nicznych, sproszkowane czyste metale. Obecność powietrza, podwyższona tem-peratura i drobno sproszkowany produkt stwarzają dobre warunki do spalania. Wiele niebezpieczeństw stwarza również suszenie surowców z roztworów nie-wodnych: palnych, wybuchowych, toksycznych. W tym wypadku suszenie pro-wadzi się w środowisku inertnym, zwykle azotu, w układzie zamkniętym, pod niewielkim nadciśnieniem, zapobiegającym penetracji tlenu.

21.3. SUSZARKI PRZEPONOWE

W suszarkach przeponowych, zwanych też kontaktowymi, ciepło do suszenia materiału jest dostarczane przez przewodnictwo przez ściankę (przeponę) i jest zużywane na odparowanie wilgoci, która jest usuwana z suszarki pompą próżniową lub przez gaz nośny. Suszarki mogą pracować w sposób okresowy lub ciągły. Wyróżnia się następujące suszarki: komorowe (półkowe) próżniowe, walcowe — kontaktowe, cylindryczne i stożkowe, z mieszadłami i bez mieszadła, kontaktowo-wibracyjne i inne.

Suszarki półkowe-próżniowe (rys. 21.15) posiadają półki podgrzewane, na których spoczywa suszony materiał. Opary odciągane pompą próżniową są filtrowane i kondensowane. Podczas suszenia w atmosferze gazu inertnego, gdy opary są palne lub materiał jest wrażliwy na utlenianie, gaz po oczyszczeniu i kondensacji oparów jest podgrzewany i recyrkulowany.

317

Rys. 21 .15 . Suszarka półkowa próżniowa: l — komora suszarki, 2 - półki, 3 - przewody parowe, 4

— pokrywa

Suszarki półkowe ciągłe (rys. 21.16) posiadają szereg półek usytuowanych jedna nad drugą, stanowiących cylindryczne płaskie płyty ogrzewane parą lub

Rys. 21 .16 . Suszarka półkowa o pracy ciągłej: l — komora suszarki, 2 - półki, 3 — grabie,

4 — przewody parowe

innym płynem od wewnątrz. Suszony materiał jest podawany od góry i roz-praszany na warstwę 10-30 mm grubości na pierwszej stacjonarnej półce. Ma-teriał z półki na półkę jest przenoszony drogą spiralną do obwodu na półkach

318

Rys. 21 .17 . Suszarki walcowe z odbiorem produktu: a) wspólnym, b) odzielnym; l — walce

ogrzewane, 2 — zgarniaki, 3 — rolki dociskowe, 4 — przenośnik ślimakowy

W suszarkach walcowych (rys. 21.17) suszony materiał jest podawany w postaci natrysku lub cienkiej warstewki na powierzchnię obracającego się walca. Walec jest ogrzewany od wewnątrz parą wodną. Suszony materiał przywiera do powierzchni zewnętrznej walca, skąd jest zbierany za pomocą zgarniaka, po przeciwnej stronie walca i odprowadzany jako produkt przenośnikiem ślimakowym. Szybkość suszenia wynosi 10-60 kg/(m2-h), gdy zużycie pary grzejnej wynosi 1,2-1,6 kg/kg odparowanej wody. Suszarki są stosowane do suszenia cieczy, zawiesin, past, które nie ulegają degradacji podczas krótkotrwałego kontaktu z wysoką temperaturą powierzchni bębna.

Spośród suszarek z mieszadłami wyróżnia się następujące: — ze stacjonarnym źródłem ciepła, które stanowi płaszcz grzejny, — z mieszadłem, które przesuwa materiał wzdłuż ogrzewanej ściany, — z mieszadłem ogrzewanym od wewnątrz i powierzchnia mieszadła stanowi

ruchomą powierzchnię grzejną. Ten rodzaj suszarek ma dużą sprawność energetyczną i minimalną emisję za-

nieczyszczeń z gazami odlotowymi. Są one stosowane do suszenia wielu pro-duktów w przemyśle chemicznym, tworzyw sztucznych, spożywczym i innych.

Suszarki cylindryczne z mieszadłami (rys. 21.18) posiadają płaszcz grzejny i mieszadło o różnym kształcie elementów mieszających: łopatki nachylone, lemiesze, taśmy (wstęgi) itp. Do zwiększenia powierzchni przekazywania ciepła na wale mieszadła mogą być osadzone dyski lub segmenty dyskowe ogrzewane od wewnątrz, podobnie jak i mieszadło. Powierzchnia wymiany ciepła dostępna do suszenia dochodzi do ok. 150 m2, objętość suszonego materiału do 50 m3. Poziom wypełnienia suszarki wynosi 30-40% podczas pracy okresowej lub ciągłej. Suszarki mają szerokie zastosowanie do suszenia dowolnych materiałów, które mogą być transportowane przez mieszadło. Problemy mogą sprawiać produkty adhezyjne do ścianek, powodujące konieczność instalowania

319

parzystych i od zewnątrz do środka na nieparzystych, przez grabie przymocowane do ruchomego wału. Suszenie może być prowadzone pod ciśnieniem atmosferycznym lub w próżni.

tzw. skrobaków. Do tej samej grupy zaliczyć można suszarki ugniatająco-mieszające mające na pustym wale, ogrzewanym od wewnątrz, szereg seg-mentów dyskowych, z prętami mieszającymi i transportującymi materiał wzdłuż suszarki. Wysokie siły ścinające podczas mieszania, ugniatanie produktu oraz zdolność samooczyszczania się umożliwiają sprawne suszenie i przenoszenie materiałów pastowatych i o dużej lepkości, a także tworzących twarde skorupy (powłoki). Pojemność ich dochodzi do 10 m3, powierzchnia grzejna natomiast do 130 m2. Szybkość suszenia wynosi 5-25 kg/(m2-h).

Rys. 21.18. Suszarki cylindryczne z mieszadłem: a) łapowym, b) ślimakowym; l - komora suszarki,

2 — płaszcz grzejny, 3 — wał mieszadła — pusty

Suszarki stożkowe (rys. 21.19) stanowią aparaty okresowe, których zasad-niczą część stanowi stożkowy zbiornik z umieszczonym wewnątrz mieszadłem ślimakowym. Ciepło jest przekazywane bądź od płaszcza lub wężownicą, bądź przez ogrzewany od wewnątrz ślimak. Ślimak obraca się wokół własnej osi i wolniej wokół osi zbiornika. To zapewnia odpowiednie mieszanie i zapobiega oblepianiu ścian. Suszarka może pracować również pod próżnią. Suszarki są przydatne do suszenia materiałów sypkich o wysokiej wartości w przemyśle farmaceutycznym i innych. Pojemność suszarek wynosi 0,015-35 m3, natomiast szybkość suszenia 5-30 kg/(m2-h), czas suszenia 4-24 h.

Suszarkę przeponową bez mieszadła (rys. 21.20) stanowi zbiornik cylin-dryczny lub podwójny stożek z płaszczem grzejnym, obracający się z prędkością 3-12 obr/min. Ciepło jest przekazywane z płaszcza, opary zaś są odprowadzane przez pustą oś wału oporowo-napędowego, przepływając dalej przez filtr odpylający. Suszarki tego rodzaju posiadają pojemność 0,1-35 m3 i pracują gdy stopień wypełnienia materiałem wynosi 30-50%. Ich zaletę stanowi prostota konstrukcji i brak elementów obrotowych wewnątrz. Są stosowane do suszenia materiałów sypkich, gdy degradacja produktu musi być ograniczona do minimum. Suszarki te nie są zalecane do suszenia materiałów mających tendencję do granulacji. Szybkość suszenia jest ograniczona do 2-15 kg/(m2-h).

Suszarki kontaktowe — wibracyjne (rys. 21.21) pracują na zasadzie przeka-zywania ciepła do materiału suszonego, znajdującego się na drgającej rynnie metalowej o kształcie prostokątnym lub spiralnym. Czas przebywania materiału na powierzchni rynny jest krótki. Współczynniki przenikania ciepła wynoszą

320

50-500 \Y/(m2-K). Suszarki są odpowiednie do suszenia materiałów granu-lowanych lub sproszkowanych, nie mających tendencji do aglomeracji. Wydajność produktu jest niewielka, do ok. 2 t/h.

Rys. 21.19. Suszarka stożkowa próżniowa: l — komora suszarki — zbiornik stożkowy, 2

mieszadło ślimakowe, 3 — napęd mieszadła, 4 — podajnik produktu

Rys. 21.20. Suszarka bębnowa przeponowa: l — bęben cylindryczny lub podwójny stożek, 2 —

płaszcz grzejny, 3 — filtr oparów, 4 — napęd bębna, 5 — właz wyładowczy

Zalety suszarek kontaktowych są następujące: — możliwość zachowania czystości produktu, gdyż nie znajduje się on w

kontakcie z czynnikiem suszącym i środowiskiem zewnętrznym, — produkty toksyczne i palne są oddzielone od środowiska zewnętrznego, — temperatura suszenia jest niska i nie ma potrzeby ogrzewania dużych

strumieni gazów,

321

— obniżone ciśnienie umożliwia suszenie materiałów wrażliwych na działanie podwyższonej temperatury,

— niskie ciśnienie tlenu zmniejsza możliwość utleniania substancji, — opary zawierają małą ilość niekondensujących gazów, co umożliwia odzyskanie rozpuszczalników niewodnych. Wadą suszarek kontaktowych jest natomiast:

— wysoki koszt inwestycyjny, — najczęściej okresowe prowadzenie procesu, — mała wydajność, ograniczona do kilku ton produktu na godzinę.

Rys. 21.21. Suszarka kontaktowo-wibracyjna: l — komora suszarki, 2 - powierzchnia ogrzewana,

3 - wibrator, 4 — podparcie sprężyste

21.4. SUSZARKI PROMIENNIKOWE (RADIACYJNE)

W suszeniu promiennikowym ciepło od gorącej powierzchni do suszonego materiału jest przenoszone za pomocą promieniowania podczerwonego. Pro-mieniowanie podczerwone stanowi promieniowanie elektromagnetyczne o dłu-gości fali 0,76-400 µm. Absorpcja promieniowania powoduje wzrost drgań cząsteczek i wywiązywanie się ciepła w warstwach powierzchniowych materiału. Suszenie promiennikowe jest realizowane w suszarkach komorowych, tunelowych lub taśmowych. Promienniki podczerwieni w postaci lamp elektry-cznych, grzejników elektrycznych oporowych lub płyt ceramicznych ogrzewanych spalanym gazem, umieszczone blisko powierzchni materiału ogrzewają jego powierzchnię (rys. 21.22).

Z nagrzanej powierzchni odparowuje wilgoć do przepływającego powietrza. Temperatura powierzchni jest tu znacznie wyższa od temperatury gazu. Ze względu na to, że absorpcja promieniowania jest najbardziej intensywna na powierzchni, metoda jest najbardziej odpowiednia do suszenia materiałów w cienkiej warstwie. W projektowaniu procesu istotny jest dobór temperatury źródła promieniowania, którą określa grubość warstwy suszonego materiału oraz konieczność naświetlania równomiernie całej jego powierzchni [1] . Im

322

Rys. 21.22. Suszarka promiennikowa: l — taśma przenośnika, 2 - promienniki podczerwieni

21.5. SUSZARKI DIELEKTRYCZNE I MIKROFALOWE

Suszenie dielektryczne i mikrofalowe jest oparte na tej samej zasadzie i po-lega na wnikaniu energii pola elektrycznego, szybkozmiennego w głąb suszonego materiału. Woda ze względu na dipolową budowę ma właściwości dielektryczne. We wzbudzonym polu elektrycznym dipola wykonują ruch obrotowy. W polu o wysokiej częstości ruch dipoli nie może nadążyć za zmianami pola i opóźnia się. W wyniku tego, duży strumień energii przekształca się w ciepło, powodując powstanie ustalonego gradientu ciśnienia oparów wewnątrz materiału, skierowanego do powierzchni. To powoduje odparowanie wilgoci z powierzchni, ze stałą szybkością, nie powodując niszczenia struktury materiału. Moc elektryczną przekształconą w ciepło można obliczyć na podstawie następującego wzoru

w którym f — częstość drgań [Hz],

E — natężenie pola [V/m], ε — stała dielektryczna materiału suszonego [F/m], tg δ — współczynnik strat energii w suszonym materiale, δ — kąt przesunięcia prądowego.

Im większa jest częstość drgań, tym większa strata mocy i większy strumień ciepła. Różnica między metodami wynika z tego, że w suszeniu mikrofalowym bardzo wysokie częstości drgań 300 MHz-30 GHz są przykładane bezpośrednio do materiału suszonego, natomiast w suszeniu dielektrycznym częstości są niższe — 2 MHz-10 MHz i przykładane za pośrednictwem dwóch równoległych elektrod. Schemat suszarki dielektrycznej, stosowanej do suszenia perforowanych bloków ceramicznych o strukturze tzw. plastra miodu (ang. honeycomb), stosowanych zarówno jako nośniki katalizatorów, jak i innych

323

cieńsza jest warstwa, tym temperatura źródła powinna być niższa. Zużycie energii ocenia się średnio na ok. l kWh na l kg odparowanej wilgoci.

wyrobów, w tym ceramiki sanitarnej, przedstawia rys. 21.23. Suszone obiekty przenoszone są na taśmie przez strefę elektrod — suszenia dielektrycznego, po czym dostają się do strefy powietrza gorącego, gdzie zachodzi końcowe suszenie. Suszarki mikrofalowe są stosowane w przemyśle ceramicznym, także do suszenia drewna, papieru, tekstyliów, środków spożywczych itp. Suszenie mikrofalowe nie jest jednak szeroko rozpowszechnione, ze względu na wysoki koszt inwestycyjny i stosunkowo małą sprawność energetyczną. W celu zmniejszenia kosztów układy suszenia mikrofalowego łączy się z pompami ciepła.

Rys. 21.23. Suszarka dielektryczna: I - strefa suszenia dielektrycznego, II — strefa suszenia konwekcyjnego — chłodzenia produktu; l - komora suszarki, 2 - elektrody, 3 — przenośniki

21.6. SUSZARKI SPECJALNE

Suszenie prądem elektrycznym jest preferowane w odniesieniu do kształtek ceramicznych o dużych rozmiarach, jak np. izolatory elektryczne dużej mocy, ze względu na zmniejszenie czasu suszenia. Różnice w zawartości wilgoci między powierzchnią a wnętrzem są dużo większe niż w kształtkach o małych wymiarach. Po przyłożeniu prądu bezpośrednio do obiektu, na skutek oporu elektrycznego, w jego wnętrzu zachodzą m.in. następujące zjawiska:

1. Punkt krytycznej zawartości wilgoci przesuwa się w stronę mniejszej zawartości wilgoci i okres stałej szybkości suszenia jest długi.

2. Ciśnienie oparów w obiekcie wzrasta i przyspiesza przenoszenie wody do powierzchni.

3. Temperatura wnętrza obiektu jest wyższa niż temperatura termometru wilgotnego na powierzchni.

Opór elektryczny obiektu na skutek zmiany zawartości wilgoci ulega zmianie. Do suszenia materiałów o specjalnych kształtach są wprowadzane do nich

dodatki substancji organicznych, lepiszcza, plastyfikatory. Dodatki te w wyniku ogrzewania stają się płynne i dyfundują do powierzchni, następnie ulegają rozkładowi i odparowaniu. Suszenie tego rodzaju, prowadzone pod ciśnieniem, przebiega szybciej, z mniejszą objętością wydzielonych oparów, które konden-suje się w chłodnicy. By zmniejszyć niekorzystne warunki suszenia i utylizacji gazów odlotowych, do suszenia tego rodzaju wyrobów zastosowanie znajdują

324

płyny superkrytyczne, m.in. dwutlenek węgla, którego stan krytyczny — tem-peratura 304,6 K, ciśnienie 7,29 MPa — jest łatwo osiągalny. Gęstość płynu superkrytycznego jest zbliżona do cieczy, współczynnik dyfuzji i lepkość do gazu, posiada on dobrą rozpuszczalność i zdolność ekstrakcji. Ekstrakcja dodatków organicznych płynem superkrytycznym, zwłaszcza wyrobów ceramicznych bardzo grubych, oprócz tego, że skraca przebieg suszenia, zapobiega również jego deformacji i utlenianiu.

Suszarki sublimacyjne stanowią rodzaj suszarek komorowych, przystoso-wanych do pracy pod obniżonym ciśnieniem z wymrażaniem. Suszony materiał ulega zamrożeniu w temperaturze zależnej od jego rodzaju. Sposób stosowany do suszenia substancji biologicznych preparatów farmaceutycznych i niektórych produktów spożywczych. Produkt zachowuje nie zmienione pierwotne właściwości.

Suszarki ze strumieniami uderzającymi o powierzchnię suszonego materiału są stosowane do suszenia papieru i innych materiałów w arkuszach. Czynnik suszący, gorące powietrze lub przegrzana para wodna, wypływając z dyszy lub wielu dysz uderza o powierzchnię suszonego materiału, przekazuje ciepło i odprowadza wilgoć (rys. 21.24). Jeśli usytuowanie arkusza jest pionowe, to uderzenie gazu następować może z obu jego stron. Suszenie zawiesin, past itp. materiałów może być również prowadzone przez bezpośrednie osiowe zderzenie rozpylonych strug tych materiałów w środowisku gazu suszącego.

Rys. 21.24. Suszarka ze strumieniami powietrza uderzającymi o powierzchnię: l — zbiornik su-

rowca, 2 — taśma stalowa przenośnika, 3 — warstwa suszonego materiału, 4 — kolektor powietrza gorącego, 5 - dysze szczelinowe powietrza suszącego

21.7. DOBÓR SUSZARKI

Dobór suszarki do suszenia określonego materiału wymaga znajomości za-równo jego właściwości, jak i charakterystyki produktu oraz zasad budowy i działania istniejących rozwiązań konstrukcyjnych suszarek [1], [4]. Postać surowca zmieniać się może od rozcieńczonego roztworu wodnego, poprzez zawiesiny mniej lub bardziej stężone, koloidy, żele, pasty, do ciał stałych, o małej zawartości wilgoci. Produkt, oprócz określonej wilgotności, musi mieć często również określony rozkład rozmiarów cząstek.

325

Roztwory i zawiesiny suszy się w suszarkach rozpyłowych lub kombinowanych z suszarkami fluidalnymi, placki filtracyjne z filtrów i wirówek natomiast w suszarkach taśmowych i fluidalnych. Ciecze nieniutonowskie stwarzać mogą problemy z dozowaniem do suszarki. Niektóre materiały nie są przydatne do suszenia w stanie rozproszenia, np. lepkie, włókniste, kohezyjne i ziarna o dużych rozmiarach (> 10 mm). Dla takich materiałów są zalecane suszarki półkowe, obrotowe lub taśmowe.

LITERATURA

[1] STRUMIŁŁO C., KUDRA T., Podstawy teorii i techniki suszenia, wyd. 2, WNT, Warszawa 1983.

[2] BN-88/2260-01, Suszarki rozpryskowe. [3] MASTERS K., Spray Drying Handbook, John Wiley & Sons INc., New York 1991. [4] Handbook of Industrial Drying, Vol. 1 & 2, Sec. ed., A.S. Mujumdar, Marcel Dekker, Inc.,

New York 1995.

22. PIECE

22.1. WPROWADZENIE

Piece stanowią urządzenia przeznaczone do wytwarzania produktów lub półproduktów o określonych właściwościach fizykochemicznych w wyniku działania wysokiej temperatury. W piecach mogą być również prowadzone przemiany chemiczne w celu wytworzenia strumienia energii na sposób ciepła, dla różnego rodzaju procesów fizycznych i chemicznych. Strumień ciepła jest wytwarzany na skutek spalania paliwa, doprowadzania energii elektrycznej lub innym sposobem.

Budowa i wyposażenie pieców w dużym stopniu zależą od technologii, w której są stosowane. Piece mogą się różnić szczegółami konstrukcyjnymi, sposobem doprowadzenia ciepła itp.

Zasadniczą część pieca stanowi komora robocza — reakcyjna, nazywana w klasycznych piecach na paliwo stałe paleniskiem lub komorą pieca w piecach przemysłowych. W komorze roboczej, zwanej też komorą spalania, są umieszczone urządzenia zapewniające efektywne spalanie substancji (paliwa), w tym również palniki. Piec jest zaopatrzony w urządzenia doprowadzające i odprowadzające przetwarzane materiały, a także zapewniające ruch obrabianego materiału w komorze oraz w elementy urządzeń przejmujące ciepło. Przepływ gazu przez piec może być naturalny, lecz zwykle jest wymuszony za pomocą wentylatorów umieszczonych na końcu ciągu, na ogół na zewnątrz pieca. Ciepło gazów odlotowych jest wykorzystywane bądź do podgrzewania gazów (powietrza) lub przetwarzania materiałów kierowanych do pieca, bądź do wy-twarzania ciepłej wody lub pary w kotłach, tzw. utylizatorach. Piece są wypo-sażone w aparaturę kontrolno-pomiarową i regulacyjną. Gazy odlotowe przed usunięciem do atmosfery, zwykle kominem muszą być odpylone i pozbawione zanieczyszczeń gazowych, zgodnie z wymaganiami norm emisji zanieczyszczeń do powietrza. Klasyfikacja pieców według konstrukcji jest związana z ich kształtem, budową, rodzajem i sposobem spalania paliwa, doprowadzenia ciepła itp. Wyróżnia się m.in. piece: komorowe, kręgowe, tunelowe, szybowe, półkowe, obrotowe, pyłowe, fluidalne, rurowe, elektryczne, plazmowe.

Dobre spalanie zależy od wielu zmiennych, w tym od rodzaju spalanego paliwa (materiału), jego wartości opałowej i zawartości wilgoci, zawartości części lotnych, strumienia i dystrybucji powietrza, mieszania spalanych sub-

327

stancji z powietrzem, unoszenia produktów niecałkowitego spalania zarówno w postaci stałej, jak i gazowej, ze spalinami odlotowymi. Unoszenie wymienionych produktów stanowi stratę spalania i zanieczyszczenie spalin odlotowych; wielkości te muszą być minimalne, śladowe. Spalanie powinno być prowadzone w temperaturze, w której powstaje najmniej niepożądanych zanieczyszczeń gazowych i aerozolowych, co odnosi się zarówno do paliw, jak i do spalania różnego rodzaju odpadów. Zanieczyszczenia stanowią m.in. pyły lotne, dwutlenek siarki, tlenki azotu, tlenek węgla, chloro- i fluorowodór, metale, chlorowane związki organiczne.

22.2. PIECE KOMOROWE

Piece komorowe są jednymi z najprostszych i dzielą się na jedno- dwu-i wielokomorowe oraz kręgowe.

Piece jednokomorowe (rys. 22.1) służą do obróbki termicznej materiałów w sposób okresowy. Piec posiada komorę określaną trzonem pieca, o przekroju

prostokątnym lub kołowym i objętości do 500 m3, do której jest załadowywany obrabiany materiał. Komora jest wyposażona w drzwiczki lub otwór załadowczy, który na czas obróbki cieplnej jest zamurowywany. Materiał po załadowaniu jest stopniowo ogrzewany i przebywa w wymaganej temperaturze przez określony czas. Następnie, po skończonej obróbce, materiał jest chłodzony powietrzem i wyładowywany z pieca. Piece są stosowane przede wszystkim w przemyśle ceramicznym do obróbki dużych elementów o skomplikowanych kształtach. Ogrzewane są przez spalanie paliwa gazowego, ciekłego lub stałego, w palenisku ze-wnętrznym. Sprawność cieplna pieców jednokomo-rowych jest mała, ze względu na duże straty ciepła z gazami odlotowymi i przez ściany pieca. Poprawa sprawności jest często związana z instalowaniem dwóch pieców obok siebie, w których ciepło powietrza chłodzącego wykorzystuje się do podgrzewania wyrobów w drugim piecu. W piecach wielokomorowych poszczególne komory są oddzielone

od siebie murowanymi ściankami i przepływ gazów z komory do komory odbywa się kanałami umieszczonymi pod dnem lub w ścianach bocznych komór. Komora zasilana paliwem, o najwyżej temperaturze, jest tzw. komorą ogniową. W pozostałych komorach wypalony materiał jest chłodzony powietrzem. Powietrze to jest zużywane dalej do spalania i podgrzewania świeżo załadowane-

Rys. 22.1. Piec jednokomoro-wy: l — komora robocza, 2 — kanał spalin, 3 — rekupe-rator, 4 — kanał palnikowy, 5 — drzwi robocze

328

go surowca. Gazy spalinowe opuszczające komorę ogniową podgrzewają materiał kierowany do wypalania. Ogrzewanie jest gazowe. Liczba komór o pojemności do 40 m3 wynosi 16-32.

Piece kręgowe jako całość pracują w sposób ciągły, lecz cykl pracy komór jest okresowy. Są zwykle stosowane do wypalania cegły. Piec ma kształt owalnego kanału, podzielonego palnymi przegrodami na komory, których liczba wynosi 16-24. Każda komora zawiera właz załadunkowe-wyładunkowy oraz kanał do odprowadzenia spalin odlotowych do wspólnego kolektora. Komory są ogrzewane spalinami ze spalania tradycyjnych paliw. Powietrze do spalania przepływa przez gorący wypalony materiał chłodząc go i jednocześnie samo się podgrzewa. Część podgrzanego powietrza jest kierowana do komory ogniowej, do spalania, druga natomiast do komór ze świeżym materiałem, w celu jego podsuszania i podgrzania. Gazy spalinowe przepływają przez komory do wypalania i uchodzą do komina gazów odlotowych. Po zakończeniu wypalania, w jednej komorze spaliny są kierowane do kolejnej komory i tak samo przesuwa się wyładunek i załadunek kolejnych komór.

22.3. PIECE TUNELOWE

Komora pieca tunelowego (rys. 22.2) stanowi długi wąski kanał (tunel) wy-konany z cegły ogniotrwałej i izolacyjnej, wzmocniony szkieletem stalowym, wewnątrz którego, po szynach są przesuwane wózki platformowe, na których

Rys. 22.2. Piec tunelowy: l — wózki, 2 — palniki gazowe, 3 — obudowa tunelu

układa się obrabiany termicznie materiał. Piece pracują w sposób ciągły. Wymiary kanału wynoszą: długość do 160 m, szerokość 1,5-3 m, wysokość 1,5--2,8 m. Prędkość przesuwu wózków jest zwykle mniejsza od l m/s. W przeciwprądzie do ruchu materiału przepływa powietrze i gazy spalinowe. Do ogrzewania są stosowane paliwa tradycyjne, z dominującym obecnie udziałem paliw ciekłych i gazowych. W piecu wyróżnia się strefy: podgrzewania, ogniową i chłodzenia. Podgrzewanie odbywa się spalinami odlotowymi; powietrze kierowane do strefy ogniowej — spalania chłodzi wypalony materiał ulegając przy tym podgrzewaniu. Wózki są kierowane do pieca i z niego wyprowadzane przez tzw. komory wstępne, stanowiące zamknięcie śluzowe, zabezpieczające przed wlotem powietrza zewnętrznego. Piece są stosowane do wypalania wyro-

329

bów ceramicznych. Są one bardziej sprawne cieplnie niż komorowe. Utrzymy-wanie w wymienionych sekcjach pieca, w strefie chłodzenia — nadciśnienia, w strefie podgrzewania — podciśnienia zabezpiecza przepływ spalin i powietrza oraz zmniejsza penetrację powietrza zimnego do wnętrza pieca.

22.4. PIECE SZYBOWE

Piece szybowe są stosowane do wypalania surowców mineralnych, m.in. kamienia wapiennego i kredy. Surowiec w kawałkach jest ładowany do pieca od góry (rys. 22.3). Podawany materiał przesuwając się w piecu w dół, w wyniku działania siły ciężkości, podlega przemianom termicznym. Strumień masy podawanego

materiału jest regulowany stożkiem zamykającym. Zasilanie może być okresowe lub ciągłe. Na wysokości pieca wyróżnia się trzy strefy. W strefie pierwszej od góry następuje podgrzewanie materiału, w drugiej — środkowej — zachodzi rozkład węglanów w temperaturze 1270-1480 K, w trzeciej — dolnej — części stałe produktów rozkładu są chłodzone gazami kierowanymi do spalania i wyładowywane na obracającym się ślimaku, chłodzonym powietrzem. Do ogrzewania pieców szybowych są stosowane zarówno paliwa stałe, ładowane do pieca na przemian warstwami z surowcem, jak i paliwa gazowe i ciekłe, spalane w komorach zewnętrznych lub w dolnej części pieca, albo w ścianach bocznych. Odchodzące górą gazy odlotowe zawierają ok. 30% dwutlenku węgla, który jest stosowany jako surowiec m.in. w produkcji sody, mocznika, cukru. Produkt stały stanowi techniczne wapno palone. Piece szybowe są stosowane również w metalurgii jako tzw. wielkie piece do wytopu surówki żelaza.

22.5. PIECE PÓŁKOWE

Piece wielopółkowe (rys. 22.4) są stosowane do wypalania surowców mi-neralnych i spalania odpadów. Średnica pieców wynosi od 1,8-8,0 m, wysokość 3,6-23 m. Średnica i liczba półek w piecu są zależne od strumienia surowca, wymaganego czasu do spalania, rodzaju stosowanego procesu. Surowiec

330

Rys. 22.3. Piec szybowy: l - lej zasilający — stożek kierujący, 2 — szyb, 3 — trzon pieca, 4 — palniki gazowe, 5 — stożek wy-ładowczy

do obróbki termicznej jest podawany do pieca przez zamknięcie śluzowe od góry. Piec jest wyposażony w mieszadło grabiowe z zębami, którego ramiona są przymocowanego pionowego wału. Mieszadło, obracając się, miesza znajdujące się na półce ciało stałe i przesuwa go po powierzchni półki do otworów przesypowych, którymi materiał przesypuje się z półki na półkę. Otwory są zlokalizowane w pobliżu obwodu i w centrum, obok wału napędowego. Popiół gromadzi się na dole pieca, skąd jest odprowadzany przenośnikiem ślimakowym do zbiornika magazynowego. Powietrze i produkty spalania przepływają przeciwprądowo w stosunku do spalanego materiału, od dołu.

Piece półkowe, oprócz spalania i wypalania ciał stałych są stosowane do spalania szlamów, które podlegają suszeniu na górze pieca i są spalane w środku pieca. W piecach tego rodzaju są również spalane odpady stałe o małej wartości opałowej i dużej wilgotności. Materiały mniej wilgotne, jak węgiel i odpady stałe są spalane już na górze pieca. Jeśli spalany surowiec zawiera substancje lotne, palne, to do efektywnego spalania jest wymagany dopalacz, np. w celu eliminacji dymów lub odorów. Minimum temperatury gazów odlotowych podczas spalania odpadów wynosi ok. 1000 K. Jeśli jest wymagana wyższa temperatura, to musi być instalowany dopalacz. Do całkowitego spalenia szlamów o zawartości 50-85% wilgoci, jest wymagany nadmiar powietrza 100-125%. Z ga-zami odlotowymi unosi się ok. 20% popiołu lotnego i instalowanie urządzeń odpylających jest konieczne.

22.6. PIECE OBROTOWE

Piece obrotowe są stosowane do prowadzenia procesów termicznych w wielu technologiach przemysłowych, w tym również do unieszkodliwiania odpadów przez spalanie ciał stałych, szlamów, cieczy i gazów.

Zasadniczy element pieca obrotowego (rys. 22.5) stanowi bęben ułożony poziomo lub pod nieznacznym kątem do poziomu. Bęben, wsparty na rolkach, obraca się dookoła swojej osi. Na końcu pieca, zwykle położonego wyżej, znajduje się głowica, przez którą doprowadza się materiał wsadowy, w postaci ciała stałego o różnym stopniu wilgotności lub szlam. Głowicą górną są odprowadzane gazy odlotowe, zwykle gorące i zapylone, dlatego na odlocie instalowane są rekuperatory ciepła i urządzenia oczyszczające gazy odlotowe.

331

Rys. 22.4. Piec półkowy: l — półki, 2 - mieszadło grabiowe, 3 — pusty

wał z otworami, 4 — napęd wału

Dolny koniec bębna jest zamknięty głowicą dolną, w której jest umieszczony palnik na paliwo gazowe, ciekłe lub pył węglowy. Na skutek obrotów bębna materiał przesuwa się wzdłuż jego osi, w kierunku dolnej części bębna (pieca).

Rys. 22.5. Piec bębnowy obrotowy: l - bęben, 2 - zasobnik (zasyp), 3 - pierścień uszczelniający, 4 — rolki podporowe, 5 - napęd, 6 — rolki podporowo-oporowe, 7 — luk wyładunkowy

Bęben jest wprawiany w ruch obrotowy silnikiem elektrycznym, za pośrednic-twem przekładni zębatej, której tzw. wieniec zębaty jest osadzony na bębnie. Bęben jest wyłożony wewnątrz cegłą szamotową, ognioodporną, bez obecności części metalowych, co umożliwia stosowanie temperatury 1200-1900 K lub piec posiada płaszcz wodny, jak w tradycyjnych kotłach. Wymurówka pieca jest zwykle wykonywana dla określonego procesu i temperatury jego przebiegu. Piec jest nachylony w kierunku ruchu materiału o 1:4%. Stosunek długości do średnicy wynosi od 2:1 do 10:1 i więcej, co w dużym stopniu zależy od tech-nologii, w której jest on stosowany, np. podczas spalania odpadów stałych masowych długość typowego pieca wynosi 5 m, średnica 3 m; wykonuje on 0,25-1,5 obr/min lub 10-20 obr/min. W technologii wypału klinkieru cemento-wego, długość bębnów obrotowych z wykorzystaniem ciepła gazów odlotowych przekracza 160 m. Czas przebywania ciał stałych i szlamów jest funkcją wymiarów pieca, jego pochylenia, prędkości obrotów i rodzaju surowca (wsadu). Wynosi on od sekund — dla gazów i cieczy, do godzin — dla ciał stałych. Piec jest zasilany strumieniem okresowym lub ciągłym ciała stałego. Ciecze i szlamy są podawane pompami i rozpylane parą wodną lub powietrzem. Gazy są spalane w palnikach. Trudności w eksploatacji pieców sprawia erozja ich wnętrza i uszczelnienie głowic, ze względu na wysoką temperaturę.

22.7. PIECE PYŁOWE

Piece pyłowe są stosowane w procesach spalania i wypalania stałych roz-drobnionych cząstek ciała stałego, jak np. węgla w kotłach elektrociepłowni-

332

czych i przemysłowych, rud cynkowych. Piec (rys. 22.6) stanowi pionową, stalową, komorę cylindryczną wyłożoną wewnątrz materiałem ceramicznym. Materiał rozdrobniony, w postaci cząstek rzędu 50-100 µm jest wprowadzany do komory spalania od dołu lub ze ściany bocznej, następnie rozpraszany strumieniem powietrza w palnikach pyłowych i spalany w objętości komory. Spalanie zachodzi intensywnie w czasie kilku sekund. Dodatkowe powietrze do dopalania, tzw. wtórne, jest wprowadzane dyszami do górnej odlotowej części pieca. W zależności od stopnia rozdrobnienia surowca i zawartości części palnych cząstki niepalne lub utlenione są unoszone wraz z gazami odlotowymi lub wypadają na dno pieca. Duży koszt przygotowania surowca, tzn. jego rozdrabnianie oraz przenoszenie głównej masy stałych produktów spalania do gazów odlotowych ogranicza zastosowanie tego rodzaju pieców w technologiach przetwarzania ciał stałych.

Rys. 22.6. Piec pyłowy: l — komora pieca, 2 — płaszcz, 3 — wymurówka ceramiczna, 4 — palnik

pyłowy, 5 — dysze powietrza wtórnego, 6 — ekran chłodzący, 7 - okna obserwacyjne

333

22.8. PIECE FLUIDALNE

Piec fluidalny (rys. 22.7) stanowi pionowy cylinder wyłożony wewnątrz materiałem chemo- i ognioodpornym, wyposażony w dystrybutor gazu lub półkę otworową. Ciało stałe podawane na półkę jest fluidyzowane i ekspanduje w przestrzeni nad półką, na skutek przepływu gazu skierowanego do góry, wprowadzonego pod półkę. Konstrukcja półki zapewnia równomierny rozdział gazu na przekroju pieca i uniemożliwia przesypywanie się materiału przez jego otwory. W złożu fluidalnym są prowadzone różnego rodzaju procesy termiczne na skutek wymiany ciepła — spalanie paliw i materiałów stałych. Surowce są doprowadzane do złoża w sposób okresowy lub ciągły. Produkty są odprowa-dzane w postaci ciała stałego, m.in. popiołu i żużla (wypałki) lub gazów odlo-towych, w tym również jako spalin.

Rys. 22.7. Piec fluidalny: l — płaszcz, 2 — wymurówka ceramiczna, 3 — ruszt, 4 — rury wę-

żownicy, 5 — złoże fluidalne

Spalanie w złożu fluidalnym surowców stałych i ciekłych odbywa się zwykle w obecności materiału inertnego, m.in. piasku, żwiru, kamienia wapiennego, gliny, stanowiącego zasadniczą część złoża. Spalanie w piecach klasycznych prowadzi się gdy prędkość gazu jest 3-5 razy większa od prędkości krytycznej fluidyzacji. Niekiedy w celu utrzymania odpowiedniego poziomu temperatury w złożu fluidalnym umieszcza się powierzchnie wymiany ciepła — wężownice. Duże stężenie ciała stałego w złożu fluidalnym zwiększa znacznie zdolność przerobową pieca w stałej temperaturze objętości złoża.

Zwiększenie prędkości gazu ponad zakres określający tzw. fluidyzację pę-cherzykową prowadzi do stanu, w którym znaczna masa złoża zostaje uniesiona z aparatu. Aby zachować złoże w tych warunkach, konieczne jest doprowadzanie świeżej porcji materiału lub zawracanie z powrotem — recyrkulo-

334

wanie materiału unoszonego. Tego rodzaju stan jest nazywany złożem fluidalnym burzliwo-szybkim lub cyrkulacyjnym i występuje wtedy gdy prędkość gazu jest ok. 20'razy większa od minimum fluidyzacji. Unoszone ciało stałe jest wydzielane, zwykle w cyklonach, i zawracane do złoża.

Rys. 22.8. Piec fluidalny cyrkulacyjny: l - płaszcz, 2 — złoże fluidalne, 3 - ruszt sitowy, 4 — cyklon

cyrkulacyjny, 5 - rura cyrkulacyjna (zamknięcie cyklonu)

Piece ze złożem cyrkulacyjnym (rys. 22.8) charakteryzują się dobrą efek-tywnością wymiany ciepła i masy, bardzo wyrównaną temperaturą i składem w objętości reaktora. Umożliwia to prowadzenie wielu procesów z wysokim stopniem przemiany w stosunkowo niskiej temperaturze, jak np. spalanie od-padów w nadmiarze powietrza 30-100% (5-10% O2 w suchych spalinach) w temperaturze 1080 K, spalanie węgla w temperaturze poniżej 1200 K, co ogranicza powstawanie tzw. termicznych tlenków azotu. W wymienionych tem-peraturach wiele substancji w paliwie lub spalanych odpadach jeszcze nie mięknie i nie aglomeruje, co nie stwarza trudności eksploatacyjnych.

Piece fluidalne mogą być również kojarzone z piecami cyklonowymi do dopalania substancji organicznych emitowanych z pieca fluidalnego.

22.9. PIECE RUROWE

Piece rurowe spełniają funkcje zarówno tzw. podgrzewacza ogniowego, jak i reaktora termicznego pracującego w specjalnych warunkach spalania i ogrzewania surowca przepływającego w rurach wężownicy.

335

Podgrzewacze ogniowe to piece, w których ciepło spalania gazu lub oleju jest przekazywane do płynu roboczego, przepływającego w rurkach wężownicy

(rys. 22.9). Wężownice są instalowane na ścianach i suficie (dachu) podgrzewacza — komory spalania i ciepło jest przekazywane głównie przez promieniowanie i częściowo przez konwekcję. Podczas odzysku ciepła ze spalin odlotowych ten rodzaj pieca może być stosowany przy małych obciążeniach cieplnych, poniżej 4 MWt. Sprawność termiczna podgrzewacza zależy od obecności sekcji konwekcyjnej, wielkości powierzchni wymiany ciepła, rodzaju stosowanego ciągu spalin i obecności rekuperatora do podgrzewania zimnego powietrza, kierowanego do spalania. Lepsza sprawność termiczna — ponad 80% — jest związana z obniżeniem temperatury spalin odlotowych do 325--375 K i stosowaniem w sekcji konwekcyjnej rur ożebrowanych. Podczas spalania nie powinny powstawać nadmierne ilości popiołu i sadzy. Obecnie jest zwykle stosowany ciąg wymuszony z nadmiarem powietrza 10-15% podczas spalania oleju i 5-10% — gazu. Zmniejszenie nadmiaru powietrza umożliwia zaoszczędzenie paliwa rzędu 2-3% i polepszenie warunków przekazywania ciepła. Również obniżenie temperatury odlotowej spalin o każde 20° zwiększa sprawność cieplną o 1%; całkowita oszczędność paliwa może wtedy osiągnąć 8-18%. Stosowanie spalin do podgrzewania jest ekonomiczne wtedy, gdy temperatura spalin wynosi powyżej 620 K. Do

odzysku ciepła są stosowane regeneratory i rekuperatory. Rekuperatory, stanowiące klasyczne wymienniki ciepła są prostsze i bardziej ekonomiczne. Do podgrzewania gazu kierowanego do pieca może być również stosowany płyn roboczy, podgrzewany w rurkach wężownicy pieca. Pobiera on ciepło w części konwekcyjnej pieca i podgrzewa powietrze przepływające przez wymiennik. Odzysk ciepła może być prowadzony również przez podgrzewanie wody lub wytwarzanie pary w odpowiednim kotle.

Odzysk ciepła utrudnia obecność siarki w paliwie. Około 6-10% masowych siarki z paliwa przechodzi do spalin jako trójtlenek siarki (SO3) i kondensuje w kanałach spalin jako kwas siarkowy. Im wyższa zawartość trójtlenku siarki

Rys. 22.9. Piec podgrzewacz rurowy: l — płaszcz, 2 — wymurówka cerami-czna, 3 — palniki, 4 — komora spala-nia, 5 — rury — sekcja radiacyjna, 6 -sekcja konwekcyjna, 7 - klapa regu-lacyjna, 8 — komin

336

w spalinach, tym wyższa temperatura kondensacji kwasu, punktu rosy. Tworzenie się SO3 spada drastycznie wraz z obniżeniem nadmiaru powietrza i wzrasta jeżeli w oleju or/ałowym jest obecny wanad. Temperatura rur powinna być utrzymywana na poziomie co najmniej 15° powyżej punktu rosy SO3. Temperatura zalecana dla paliw o zawartości siarki poniżej 1% mas. to 408 K, gdy zawartość siarki osiągnie 4-5%, wtedy temperatura — 423 K.

Spalanie zarówno paliw ciekłych, jak i odpadów ciekłych jest związane z ich rozpylaniem za pomocą dysz (palników). Rozpylone cząstki — krople paliwa o dużej powierzchni — szybko odparowują, wytwarzając z powietrzem mieszaninę oparów, która ulega zapłonowi i jest spalana podczas przepływu przez komorę. Typowy czas przebywania w komorze wynosi 0,5-2 s, temperatura 1000-1850 K. Komora jest wyłożona materiałem ceramicznym, aby płomień nie kontaktował się ze ścianą pieca. Ściany komory są zwykle chłodzone powietrzem wlotowym kierowanym do spalania, które podgrzewa się do temperatury powyżej 400 K. Emisja zanieczyszczeń z pieca jest kontrolowana, zazwyczaj za pomocą skruberów Venturiego, zwłaszcza podczas spalania odpadów ciekłych, palnych, takich jak farby, rozpuszczalniki, pestycydy i in. Spalane ciecze nie powinny zawierać soli nieorganicznych, które topią się w temperaturze spalania i mogą kondensować na ściankach komory pieca.

Rys. 22.10. Piec — reaktor rurowy: l — obudowa pieca, 2 — rury, 3 - palniki

Piece rurowe, zwane również reaktorami rurowymi, są również stosowane do prowadzenia procesów termicznych w fazie ciekłej, w dużym stopniu do pirolizy ropy naftowej, w trakcie której temperatura w rurach może dochodzić do 1550-1680 K, np. piroliza węglowodorów do acetylenu. Zasadniczą część pieca (rys. 22.10) stanowi układ rur, wężownic płaskich i przestrzennych o średnicy wewnętrznej 30-200 mm i długości odcinków 6-12 m, wykonanych ze stali żaroodpornych z podwyższoną zawartością niklu, chromu i manganu, którymi przepływa przetwarzana ciecz. Rury w części górnej pieca są podwieszane, a na ścianach bocznych i dole pieca oparte na podporach. Układ rur zapewnia odpowiednią objętość przestrzeni reakcyjnej i czas przebywania dla pożądanego stopnia przemiany, który wynosi 0,5-8,0 s. Ciśnienie w rurach ze względu

337

na to, że piroliza biegnie ze zwiększeniem objętości, zwykle nie przewyższa 0,4 MPa. Prędkość w rurach w końcowej części dochodzi do 180-200 m/s. Rury są rozmieszczane w dwu częściach (sekcjach) pieca, w konwekcyjnej i radiacyjnej. Zazwyczaj w części konwekcyjnej następuje podgrzewanie surowca przepływającego w rurach gazami spalinowymi, jego piroliza i rozkład termiczny natomiast odbywają się w części radiacyjnej, w której rury są ogrzewane na skutek promieniowania. Spalanie paliwa gazowego lub ciekłego odbywa się w palnikach płomieniowych i bezpłomieniowych — płytowych (rys. 22.11), z których ciepło do środowiska jest przekazywane przez promieniowanie. Tem-peratura nagrzania w sekcji konwekcyjnej nie przekracza 800-900 K, w strefie reakcji, pirolizy w sekcji radiacyjnej jest ok. 30-40% wyższa, w zależności od rodzaju surowca. Warunki przebiegu procesu pirolizy wymagają dużych szybkości wymiany ciepła, w celu przebiegu pożądanego procesu w minimalnym czasie przebywania w wysokiej temperaturze. Typowy piec (rys. 22.10) składa się z dwu komór radiacyjnych i ogólnej komory konwekcyjnej. Surowiec przepływa dwoma równoległymi strumieniami. W piecach o nowej konstrukcji ściany boczne komory stanowią panele palników bezpłomieniowych (rys. 22.11 b), w których gaz jest spalany niepełnym płomieniem, w postaci dużej liczby małych płomyczków o długości 30-50 mm, równomiernie rozproszonych na powierzchni panela. Ciepło spalania gazu ogrzewa płytki ceramiczne, które pełnią rolę promienników ciepła do odległych o 0,6-1,0 m rur.

Rys. 22.11. Palniki: a) palnik injekcyjny, płomieniowy; l - dysza, 2 - pierścień dystansowy, 3 - gardziel - komora mieszania, 4 - dyfuzor; b) palnik bezptomieniowy; l - panel (ekran)

ceramiczny, 2 — komory mieszania, 3 — injektor

338

22.10. PIECE ELEKTRYCZNE

W piecach elektrycznych źródłem ciepła jest prąd elektryczny, przepływający przez odpowiednie uzwojenie lub specjalnego kształtu pręty oporowe — piece oporowe lub ciepło jest emitowane podczas wyładowania łukowego — piece łukowe.

W piecach oporowych ciepło może być przekazywane do obrabianego materiału pośrednio przez przewodnictwo, konwekcję i promieniowanie lub bezpośrednio, gdy prąd przepływa przez obrabiany materiał. W drugim przypadku ciepło wywiązuje się bezpośrednio w materiale i jest często powiązane z topnieniem przetwarzanego materiału. W ogrzewaniu pośrednim elementy oporowe, grzejne, w postaci spiral, taśm, prętów i rur są wbudowane w ściany pieca lub stanowią odpowiedni wkład. Elementy oporowe metalowe są umieszczane w izolacji, w celu ochrony przed szkodliwym działaniem środowiska.

W piecach łukowych, łuk może być wytwarzany bezpośrednio między elek-trodami umieszczonymi nad przetwarzanym materiałem i ciepło jest przekazy-wane przez promieniowanie lub między materiałem a elektrodą. Stosowane są elektrody węglowe lub grafitowe. Piece elektryczne są stosowane w procesach przeróbki fosfatów, produkcji karbidu, wełny mineralnej, dwusiarczku węgla itp.

22.11. DOBÓR PIECA

Dobór pieca dla danego procesu przebiegającego w wysokiej temperaturze jest zagadnieniem trudnym, ze względu na złożony przebieg procesów fizyko-chemicznych w tych warunkach, konieczność rozważenia różnych sposobów doprowadzenia ciepła do środowiska procesu, różnorodność konstrukcji pieców i ich wyposażenia, wysoki koszt inwestycyjny i eksploatacyjny i inne istotne ograniczenia. Ciepło potrzebne w piecach dostarcza się zwykle przez spalanie paliw i przekazywanie go przez konwekcję i promieniowanie. Krytycznym parametrem jest tu wybór rodzaju paliwa i sposobu spalania, w tym rodzaju palnika. W wielu gałęziach przemysłu chemicznego i przetwórczego od należytego doboru rodzaju (typu) i konstrukcji pieca zależy racjonalna i nieprzerwana praca całych ciągów technologicznych.

LITERATURA

[ 1 ] NlEWIADOMSKI S., Piece w przemyśle chemicznym i przemysłach pokrewnych, PWT, Warszawa 1961.

[2] PIECH J., Piece ceramiczne i szklarskie, wyd. Akademii Górniczo-Hutniczej, Kraków 1993. [3] BANDROWSKI J., MAŃKA H., Piece rurowe, PWN, Warszawa 1987.

339

23. REAKTORY CHEMICZNE I BIOCHEMICZNE

23.1. WPROWADZENIE

Podstawowy aparat w instalacji do prowadzenia procesu technologicznego, w którym przebiega reakcja chemiczna, nosi nazwę reaktora chemicznego. Gdy natomiast przemiana chemiczna zachodzi z udziałem mikroorganizmów żywych, wtedy aparat procesowy jest nazywany bioreaktorem.

Podstawą klasyfikacji reaktorów chemicznych są najczęściej cechy wskazujące na rodzaj i przebieg procesu chemicznego. Są to między innymi charakter pracy, warunki cieplne, stan skupienia reagentów, kształt geometryczny, rodzaj prowadzonego procesu.

Ze względu na charakter pracy wyróżnia się reaktory okresowe i ciągłe. Reaktor jest okresowy, gdy zarówno doprowadzenie substratów, jak i odpro-wadzenie produktów odbywa się okresowo — periodycznie. Reaktor ciągły (przepływowy) pracuje z ciągłym dopływem substratów i nie przerwanym od-pływem produktów.

Reaktory okresowe są wykonywane w postaci zbiorników o współmiernych wymiarach geometrycznych. Kształt zbiorników sprzyja dobremu mieszaniu reagentów, co prowadzi do szybkiego wyrównania temperatury, ciśnienia i stężenia w całej objętości reaktora.

Reaktory ciągłe stanowią zbiorniki o specjalnych kształtach lub aparaty cy-lindryczne, kolumnowe, o znacznym stosunku długości (wysokości) do średnicy.

Ze względu na warunki cieplne pracy wyróżnia się reaktory adiabatyczne, pracujące bez wymiany ciepła ze środowiskiem zewnętrznym, co najczęściej dotyczy procesów przebiegających z małym efektem cieplnym, w aparatach z dobrą izolacją termiczną. Reaktory izotermiczne w realnych warunkach technicznych są nieosiągalne i stanowią jedynie model wzorcowy dla procesów przebiegających w stałej temperaturze. Reaktory politropowe pracują w warunkach pośrednich między izotermicznymi a adiabatycznymi.

Ze względu na stan skupienia reagentów wyróżnia się reaktory do prowa-dzenia procesów w układzie: gaz-ciało stałe, gaz-ciecz, gaz-gaz, ciecz—ciało stałe, ciecz—ciecz oraz w układach trójfazowych. Dalszy podział związany ze stanem skupienia substancji dzieli reaktory na homogeniczne i heterogeniczne.

W reaktorach homogenicznych reagenty, produkty i katalizator stanowią jedną fazę ciągłą: gazową lub ciekłą. Reaktory homogeniczne gazowe pracują

340

zwykle w sposób ciągły, ciekłe natomiast po zapewnieniu dobrego mieszania mogą pracować okresowo lub w sposób ciągły.

W reaktorach heterogenicznych są obecne dwie lub większa liczba faz. Szybkość przemiany chemicznej w mieszaninie heterofazowej jest ograniczona szybkością wymiany masy między fazami i zwykle jest wymagana duża po-wierzchnia międzyfazowa. Reagenty w postaci ciała stałego lub katalizator są w dużym stopniu rozdrobnione, ruch płynu jest wymuszony mieszaniem me-chanicznym, przepływem przez pompę wirową lub przez wypełnienie.

Ze względu na różnorodność i złożoność procesów chemicznych kształt geometryczny reaktora jest związany z wymaganiami procesu w celu uzyskania optymalnej przemiany chemicznej. W związku z tym wyróżnia się następujące reaktory:

— zbiornikowe z mieszaniem, — rurowe, — (kolumny) z wypełnieniem nieruchomym lub ruchomym, — fluidalne, — ciśnieniowe i wysokociśnieniowe (autoklawy). Ze względu na rodzaj prowadzonego procesu wyróżnia się m.in. następujące

reaktory: — katalityczne (aparaty kontaktowe), — biochemiczne (bioreaktory), — fotochemiczne, — elektrochemiczne, — plazmowe, — jądrowe. Również nazwy procesu przetwórczego są podstawą tworzenia nazw reaktorów,

np. reaktor syntezy amoniaku, sulfonator, chlorator, nitrator. Wymienione podziały i uwarunkowania wynikają z dużej liczby wymagań,

jakie muszą spełniać reaktory w przemyśle chemicznym i przetwórczym. Wy-magania te dotyczą:

— kinetyki reakcji chemicznej, ściślej biorąc zapewnienia odpowiedniego czasu przebywania reagentów dla wymaganego stopnia przemiany,

— współczynników przenikania masy, zwłaszcza w układach heterogenicz-nych,

— współczynników przenikania ciepła zwłaszcza w reakcjach ze znacznym ciepłem przemiany egzo- lub endotermicznej,

— kontroli i automatyzacji przebiegu procesu, — bezpieczeństwa i ochrony środowiska w razie obecności lub wytwarzania

substancji niebezpiecznych. Reaktory okresowe (rys. 23.1) są stosowane do prowadzenia procesów

chemicznych, gdy czas reakcji jest długi i wydajność mała. W procesie okre-sowym następuje zmieszanie reagentów w odpowiednich proporcjach, przebie-

341

ga reakcja chemiczna i skład mieszaniny zmienia się w czasie. Gdy wymagany stopień konwersji zostaje osiągnięty, wówczas reakcja zostaje przerwana i produkt wyładowany z reaktora. Reaktory okresowe są stosowane do produkcji

w małej skali, gdy różnorodność produktów wytwarzanych w tej samej aparaturze jest duża, np. w przemyśle farmaceutycznym, barwników, środków ochrony roślin, przemyśle spożywczym. Typowy reaktor okresowy stanowi zbiornik o współmiernych wymiarach geometrycznych z mieszadłem. Mieszadło ma za zadanie zmieszanie składników i utrzymanie jednorodności mieszaniny podczas reakcji i jednocześnie przenoszenie strumienia ciepła od ścianki aparatu lub powierzchni wewnętrznej wymiany ciepła. Do mieszania są stosowane również pompy wirowe, gdy mieszanina reakcyjna cyrkuluje przez zbiornik lub wymiennik ciepła. Specjalne rodzaje reaktorów okreso-

wych z mieszaniem są stosowane do prowadzenia procesów chemicznych w środowisku cieczy nieniutonowskich o dużej lepkości, substancji pastowatych itp; nie mieszających się cieczy, gdy duży stopień recyrkulacji jest konieczny dla utrzymania jednorodności mieszaniny, np. procesy z udziałem węglowodorów w środowisku wodnym.

Rys. 23.2. Reaktor ciągły: l - kolumna (płaszcz), 2 — rurki

Rys. 23.3. Reaktor półciągły: l - zbiornik (kolumna), 2 — mieszadło,

3 - barboter

Reaktory ciągłe (rys. 23.2) są zasilane w sposób ciągły surowcem i w sposób ciągły są odprowadzane produkty. Reaktor pracuje w warunkach ustalonych — stacjonarnych. Reaktory ciągłe są stosowane w określonej technologii podczas produkcji masowej w dużej skali.

342

Rys. 23.1. Reaktor okresowy: l -

zbiornik, 2 — płaszcz (grzejny), 3 — mieszadło, 4 — barboter

W reaktorach mogą być prowadzone również procesy półokresowe lub pół-ciągle, gdy jeden z reagentów jest doprowadzany w sposób ciągły, inne zaś okresowo. Możliwe są również inne warianty prowadzenia procesu, np. reagenty są podawane okresowo, produkty natomiast są odprowadzane w sposób ciągły.

Reaktory półokresowe — półciągłe (rys. 23.3) są podobne w budowie do reaktorów okresowych i stosowane wówczas, gdy zmiana szybkości podawania reagentów umożliwia wpływanie na szybkość przebiegu procesu.

23.2. REAKTORY ZBIORNIKOWE Z MIESZADŁEM

Podstawowy, najczęściej stosowany reaktor chemiczny stanowi zbiornik, zwykle cylindryczny, z mieszadłem mechanicznym, wyposażony w płaszcz bądź wężownicę grzejną, bądź chłodzącą. Podczas prowadzenia procesów gaz—ciecz reaktor jest wyposażony w odpowiedniego rodzaju bełkotkę. Reaktory te pracują jako okresowe lub ciągłe, pojedynczo lub w szeregowym zestawieniu kilku aparatów (kaskadowym). Pojemność zbiorników zmienia się od kilku do kilkuset tysięcy litrów. Są stosowane do prowadzenia reakcji homo-i heterogenicznych, również w obecności rozproszonych cząstek ciała stałego, jako katalizatora lub produktu. Reaktory są stosowane do prowadzenia reakcji chemicznych, gdy są wymagane dobre warunki dla przenikania masy lub ciepła. Gdy pracują jako reaktory ciągłe, wtedy skład mieszaniny reakcyjnej i produktu jest stały (noszą nazwę reaktorów z idealnym wymieszaniem), z wyjątkiem bardzo szybkich reakcji. Znajomość stanu, w którym mieszanie jest zbliżone do idelanego jest zasadnicze dla przewidywania jego sprawności. Drugim granicznym przypadkiem jest przepływ tłokowy, w którym wszystkie nie reagujące cząstki mają ten sam czas przebywania w reaktorze. Odchylenia od wymienionych przypadków granicznych, tj. idealnego wymieszania i braku mieszania osiowego są określane za pomocą tzw. rozkładu czasu przebywania. Czas mieszania zależy od budowy geometrycznej układu, prędkości obrotów i mocy mieszadła. Jeśli mieszalnik jest właściwie zaprojektowany to stan zbliżony do idealnego wymieszania osiąga się często w czasie po 50-200 obrotach. Jako miara mieszania są również stosowane: moc doprowadzona na jednostkę objętości mieszanego układu i prędkość obrotów mieszadła. Wynoszą one między innymi dla reaktorów homogenicznego — 0,1-0,3 kW/m3, gdy prędkość obrotowa końców mieszadła — 2,5-3,4 m/s; z wewnętrzną wężownicą — 0,3-1,0 kW/m3 i 3,5-5,0 m/s; z barbotażem gazu — 1-2 kW/m3 i 5-6 m/s.

Większa liczba reaktorów zbiornikowych z odpowiednim zbiornikiem na-pływowym może być stosowana w układzie kaskadowym lub w jednej kolumnie, symulując proces ciągły (rys. 23.4). Liczba 4-5 zbiorników w kaskadzie

343

jest zwykle optymalna. W procesach ciągłych reaktory z przepływem tłokowym stanowią jednak bardziej ekonomiczne rozwiązanie.

Rys. 23.4. Reaktory zbiornikowe z mieszadłami: a) reaktor z mieszadłem mechanicznym i wew-nętrznym elementem wymiany ciepła, b) reaktor z mieszaniem pompą wirową i wymianą ciepła w

obiegu zewnętrznym, c) kaskada reaktorów zbiornikowych z mieszadłami, d) reaktor ciągły kolumnowy z mieszadłami, trójstopniowy

Reaktory z mieszadłami statycznymi (rys. 23.5) stanowiące zasadniczo aparaty z wypełnieniem, zawierają wiele nieruchomych elementów, zwiniętych w postaci linii śrubowej, umieszczonych wzdłuż przewodu rurowego lub kolumny. Do mieszania wykorzystuje się energię przepływającego płynu, który jednocześnie zwiększa intensywność wymiany ciepła i masy w krótkim rozkładzie czasu przebywania. Reaktor z mieszaniem statycznym stanowi już reaktor rurowy z przepływem tłokowym. W porównaniu z reaktorem zbiornikowym z mieszadłem mechanicznymi jest on:

— bardziej zwarty i mniej kosztowny, — mniej energochłonny. Reaktory z mieszaniem statycznym mają krótki czas mieszania i brak części

ruchomych. Mogą być stosowane jako pojedyncze lub z obiegiem (recyrkula-

344

cją), jako okresowe lub ciągłe. Są stosowane do prowadzenia: reakcji egzoter-micznych w układzie gaz—ciecz, polimeryzacji, reakcji ze zmianą fazy lub lep-kości, reakcji heterogenicznych, gdzie przenoszenie masy jest elementem ogra-niczającym przebieg reakcji i innych.

Rys. 23.5. Reaktor gaz-ciecz z mieszadłem statycznym: l - kolumna, 2 - wypełnienie

mieszalnik statyczny

23.3. REAKTORY RUROWE

Reaktory rurowe, zwykle jako ciągłe (rys. 23.2) są stosowane do prowadzenia reakcji w fazie gazowej, niektórych procesów w fazie ciekłej i w układzie gaz-ciecz. Przepływ nie reagujących cząsteczek w reaktorach rurowych jest traktowany jako tłokowy. Mieszanie wsteczne, wywołane obecnością w reaktorze wypełnienia i innych elementów, nie powoduje zmiany zasadniczego rodzaju ruchu płynu. Początkowe wymieszanie reagentów wykonuje się w dyszach lub w szeregu mieszalników. Przebieg reakcji chemicznej w reaktorze powoduje spadek gradientu stężenia i temperatury w kierunku osiowym. Reaktor stanowić mogą przewody rurowe o średnicy od l cm do kilku metrów, w różnych konfiguracjach i długościach. Gdy są wymagane wysokie współ-

345

czynniki przenikania ciepła, wtedy są stosowane rury o małej średnicy i dużym stosunku powierzchni do objętości, w konfiguracji równoległej, zbliżonej w konstrukcji do wymienników płaszczowo-rurowych. W procesach wysoko-temperaturowych pirolizy rurki są umieszczone w piecu (rozdz. 22). Specyfika kształtu niektórych reaktorów rurowych wynika z wysokich temperatur przebiegu procesu, krótkiego czasu przebywania w reaktorze, wysokiego lub niskiego ciśnienia.

23.4. REAKTORY Z WYPEŁNIENIEM (KATALITYCZNE)

Obecność w reaktorze ciała stałego wypełnienia (katalizatora) i konieczność wymiany ciepła określają jego konstrukcję. Wypełnienie stanowić może reagent, katalizator lub tzw. promotor burzliwości i zwiększenia powierzchni kon-

Rys. 23.6. Reaktory kontaktowe: a) reaktor kontaktowy utleniania SO2=>SO3: l — komora pier-

ścieniowa, 2,3 — pierwsza i druga warstwa katalizatora, 4 — stożek zawirowujący gaz, 5 -trzecia i czwarta warstwa katalizatora, 6 — komora chłodząca; b) reaktor kontaktowy utleniania NH3; l —

katalizator — siatki, 2 — wypełnienie, 3 — siatka oporowa

taktu faz, podobnie jak w procesach absorpcji z reakcją chemiczną w absor-berach. Gdy wypełnienie pełni rolę katalizatora, jest wtedy używana nazwa reaktor katalityczny. Wypełnienie jest umieszczone na półkach lub rurach w postaci pojedynczej lub wielu warstw (rys. 23.6). Rozmiary granul katalizatora wynoszą na ogół 2-5 mm. Mają one postać kuł, tabletek, pierścieni i inne

346

specyficzne kształty. Nośniki katalizatorów są również wykonywane w postaci monolitycznych porowatych bloków o strukturze tzw. plastra miodu. Wymiary warstw katalizatora, tzn. średnica i wysokość wynoszą od kilku centymetrów do kilku metrów. W reaktorach z wypełnieniem, o dużej średnicy, mała szybkość przenikania ciepła stwarza trudności w prowadzeniu i utrzymaniu właściwych warunków przebiegu procesu. Chłodzenie reagentów odbywa się w przestrzeni między rurowej, między stopniami wewnątrz lub na zewnątrz reaktora. Tylko wówczas gdy ciepło reakcji jest małe, reaktor można traktować jako adiabatyczny. Tego rodzaju reaktory są stosowane do utleniania dwutlenku siarki (SO2) podczas produkcji kwasu siarkowego, w otrzymywaniu amoniaku, metanolu itp. W reaktorach z ruchomym wypełnieniem ciało stałe w postaci granulatu lub w kawałkach, stanowiąc zwykle katalizator, przesuwa się (opada) w dół aparatu. Reaktory są stosowane do pirolizy węglowodorów ciekłych, krakingu katalitycznego węglowodorów i innych. Reaktory z wypełnieniem są również stosowane do prowadzenia reakcji chemicznych w układzie gaz—ciecz. Instalacja procesowa jest podobna do stosowanej podczas absorpcji z reakcją chemiczną (rozdz. 18). Szybkość przenoszenia masy decyduje tu zwykle o ogólnej szybkości procesu chemicznego. W tego rodzaju reaktorach są m.in. wytwarzane kwas siarkowy, kwas azotowy, są również prowadzone procesy uwodornienia tłuszczów i wiele syntez związków organicznych.

23.5. REAKTORY FLUIDALNE

W reaktorach fluidalnych wypełnienie odpowiednio rozdrobnione znajduje się w stanie rozproszonym — fluidalnym, na skutek przepływu jednego z reagentów, płynu skierowanego do góry, co sprzyja dobremu mieszaniu i dużej szybkości przenoszenia strumienia masy i ciepła. Ciało stałe może być reagentem, katalizatorem lub inertnym promotorem burzliwości i zwiększenia powierzchni kontaktu faz. Fluidyzacja może być wywołana przepływem gazu lub cieczy i może również zachodzić w układzie trójfazowym. Procesy w układzie gaz—ciało stałe są prowadzone w stanie fluidyzacji pęcherzykowej i burzliwo--szybkiej — cyrkulacyjnej. Reaktory fluidalne znalazły duże zastosowanie do krakingu katalitycznego ropy naftowej, w tym szczególnie reaktory ze złożem cyrkulacyjnym (rys. 23.7). Kraking zachodzi głównie w przewodach transpor-towych, zbiorniki natomiast spełniają funkcje separatorów produktu i zużytego katalizatora. Prócz tego reaktory fluidalne są stosowane do gazyfikacji, spalania węgla, kalcynacji wapna, sody i tlenku glinu, otrzymywania bezwodnika ftalo-wego, spalania odpadów stałych i ciekłych itp. Często złoże fluidalne stanowi nośnik, na którym są prowadzone wysokotemperaturowe procesy krakingu i spalania. Układ fluidalny charakteryzuje się wysokimi współczynnikami prze-noszenia ciepła, rzędu 200 W/(m2<K).

347

Rys. 23.7. Reaktory fluidalne: a) reaktor ze złożem pęcherzykowym — kalcynator; l — korpus, 2 — półki rozdzielające, 3 - rury przesypowe; b) reaktor ze złożem cyrkulacyjnym; l — reaktor, 2 — wężownice chłodzące, 3 — zbiornik - separator wstępny, 4 — cyklony, 5 — podajnik

celkowy

23.6. REAKTORY CIŚNIENIOWE (AUTOKLAWY)

Reaktory ciśnieniowe w zależności od panującego w nich ciśnienia, są dzielone na nisko- < 10 MPa, średnio- 10-30 MPa i wysokociśnieniowe > 30 MPa. Reaktory zbiornikowe z mieszadłem zamknięte hermetycznie i pracujące pod ciśnieniem są nazywane autoklawami (rys. 23.8). Osprzęt autoklawów jest podobny do wyposażenia reaktorów zbiornikowych, lecz ze zwiększonymi wymaganiami, wynikającymi z podwyższonych parametrów ciśnienia, temperatury i itp. W reaktorach ciśnieniowych kolumnowych zasadniczą część aparatu stanowi korpus, który może być wykonany jako kuty, kuto-spawany lub nawijany. Korpusy aparatów kuto-spawanych są wykonywane przez spawanie kutych segmentów cylindrycznych. Metoda ta umożliwia wykonywanie aparatów do 20 m wysokości. Duże trudności wykonawcze i inne powodują, że aparaty te są stosowane rzadko. Większe zastosowanie znajdują powłoki nawijane, wielowarstwowe. Są one wykonywane przez nawijanie na wewnętrzną tuleję szeregu profilowanych warstw taśm stalowych, ogrzanych do temperatury 980--1100 K. Końce taśm są zespawane i całość dodatkowo wzmocniona nakrę-

348

canymi pierścieniami. Podczas stygnięcia taśmy ściskają tuleję, co zapewnia korzystne warunki pracy aparatu pod wysokim ciśnieniem wewnętrznym.

Rys. 23.8. Autoklaw: l — zbiornik, 2 — pokrywa, 3 - mieszadło, 4 — pochwa termometru, 5 —

przewód do doprowadzenia gazu, 6 — uszczelnienie dławicowe, 7 — sprzęgło, 8 — przekładnia, 9 — silnik, 10 — weżownica

Uszczelnienia pokryw i króćców są wykonywane tak, że zapewniają absolutną szczelność aparatu w warunkach wysokich ciśnień i zmian temperatury. Do tego celu wykorzystuje się ciśnienie wewnątrz aparatu, a uszczelki wykonuje się z miękkich metali, takich jak miedź, żelazo, aluminium itp. W zależności

349

od rodzaju przekładek stosuje się uszczelnienia z deformacją plastyczną uszczelek (rys. 23.9) i deformacją sprężystą (rys. 23.10). Uszczelnienia z deformacją

Rys. 23.9. Uszczelnienia z deformacją piasty- Rys. 23.10. Uszczelnienia z deformacją sprę- czną uszczelek. Uszczelnienia: a i b) trójką- żystą uszczelek. Uszczelki: a) soczewkowe,

tnę, c i d) prostokątne b) prostokątne

Rys. 23.11. Zamknięcia samouszczelniające aparatów wysokociśnieniowych: a i b) z uszczelką trójkątną, c) z uszczelnieniem dwustożkowym

sprężystą są stosowane w aparatach o średnicy do 300 mm i w rurociągach wysokociśnieniowych. W aparatach o większej średnicy są stosowane połączenia dociskane lub samouszczelniające (rys. 23.11). Podłączenia przewodów (rurociągów) procesowych są umieszczone w pokrywach reaktora, gdyż korpus nie może być osłabiany otworami. Przykładem konstrukcji aparatu ciśnieniowego może być reaktor do syntezy amoniaku (rys. 23.12), pracujący pod wysokim ciśnieniem. Wypełnienie reaktora stanowią cztery rury, wstawione jedna w drugą. Rura zewnętrzna — izolacyjna stanowi ochronę dla płaszcza przed działaniem wysokiej temperatury. Rura wewnętrzna — karbowana służy do

350

odbioru ciepła od gazów odlotowych. Wewnątrz niej znajdują się rury, między którymi znajduje się katalizator. Na osi jest umieszczony podgrzewacz elek-tryczny.

Rys. 23.12. Reaktor ciśnieniowy syntezy NH3: l — wlot mieszaniny reakcyjnej, 2 — wymiennik ciepia, 3 — katalizator, 4 - podgrzewacz elektryczny, 5 — wylot gazów poreakcyjnych, 6 —

wlot gazów obiegowych

23.7. BIOREAKTORY

Bioreaktor jest główną częścią każdego procesu biochemicznego, w którym mikroorganizmy, komórki zwierzęce lub roślinne są stosowane do przetwarzania i wytwarzania wielu produktów biologicznych. Główna funkcja, jaką spełnia bioreaktor, to kontrolowanie środowiska procesu w celu optymalnego wzrostu lub wytwarzania odpowiednich komórek w określonym środowisku. Na określenie bioreaktora jest również zamiennie stosowana nazwa fermenter. Stosowane są trzy grupy bioreaktorów typu zbiornikowego:

— bez mieszania i aeracji, — bez mieszania i z aeracją, — z mieszaniem i z aeracją.

Bioreaktory bez mieszania i aeracji stanowią zbiorniki stosowane tradycyjnie do okresowej produkcji wina, piwa, sera itp. Podział bioreaktorów z aeracją •

351

i mieszaniem jest związany ze sposobem dystrybucji gazu, mieszaniem i prze-pływem cieczy.

Rys. 23.13. Bioreaktory: a) barbotażowy, b) fluidalny, c) reaktor cyrkulacyjny z przegrodą wew-nętrzną, d) reaktor z rurą cyrkulacyjną, e) reaktor z cyrkulacją zewnętrzną

Najczęściej stosowanym bioreaktorem jest klasyczny zbiornik z mieszadłem (rys. 23.13). Małe reaktory są wykonywane ze szkła, duże — ze stali kwasood-pornej. Stosunek wysokości do średnicy reaktora wynosi od 2:1 do 6:1, w za-leżności od strumienia ciepła, jaki musi być odprowadzony. Mieszadło w wysokich zbiornikach, wielowirnikowe, jest napędzane od góry lub dołu. W celu zapewnienia warunków dobrego mieszania, mieszalnik jest wyposażony w prze-grody na ścianie bocznej, 4 dla zbiorników o średnicy mniejszej od 3 m i 6--12 dla zbiorników o większej średnicy, z chłodzeniem. Szerokość przegród wynosi 0,1-0,08 średnicy zbiornika.

Stosowane są mieszadła turbinowe, otwarte z łopatkami prostymi i nachylo-nymi, o liczbie łopatek 4-18, śmigłowe oraz specjalne — łapówę, dwułapowe z łapami nachylonymi przeciwnie. Liczba mieszadeł montowanych na wale zależy od wysokości cieczy w zbiorniku. Wysokość cieczy H powinna być wielokrotnością średnicy zbiornika D i wynosić ID, 2D lub 3D. Jeśli wysokość H = D, to jest wystarczające jedno mieszadło, jeśli wysokość jest większa, to mieszadła powinny być odległe od siebie o D — średnicę zbiornika. Urządzenie rozpraszające gaz — bełkotka — powinna znajdować się w odległości co najmniej d/2 — połowy średnicy mieszadła od dna. Właściwa burzli-wość jest zapewniona, jeżeli moc przekazana do cieczy jest >100 W/m3 lub liczba Froude'a jest > 0,1.

W bioreaktorach, na skutek obecności w środowisku procesu substancji po-wierzchniowo-czynnych, często następuje tworzenie się piany, co komplikuje przebieg procesu i jest powodem zmniejszenia objętości roboczej reaktora, strat

352

produktu itp. Niszczenie piany w bioreaktorach stanowi często dużą trudność w eksploatacji. Do niszczenia piany są stosowane metody zarówno fizykochemiczne, oparte-na dodatkach niewielkich ilości określonych substancji naturalnych i syntetycznych, jak i fizyczne. W metodach fizycznych na odlocie gazu z reaktora są instalowane destruktory piany: akustyczne, elektryczne, mechaniczne, oparte m.in. na destrukcji piany w polu działania siły odśrodkowej. Bio-reaktory, ze względu na konieczność zapewnienia sterylnych warunków przebiegu pcocesu, muszą być szczelne. Wymagane są specjalne dławice uszczelniające dla obracającego się wału mieszadła.

Rys. 23.14. Sposoby podawania powietrza do bioreaktorów: a) ekran (przegroda) rozpraszająca, b) bełkotka (barboter) rurowa, c) półka — przegroda porowata, d) stożek rozpraszający

Bioreaktory z aeracją strumienia powietrza są budowane w wielu odmianach (rys. 23.14). Powietrze jest podawane bełkotka — dyskiem rozpraszającym, od dołu, do centralnie umieszczonej rury cyrkulacyjnej. W wyniku tego gęstość płynu w rurze zmniejsza się, co powoduje przepływ mieszaniny do górnej części bioreaktora, gdzie jest nadmiar tlenu i uwalnia się dwutlenek węgla (CO2). „Odgazowana ciecz" spływa w dół w przestrzeni pierścieniowej bioreaktora. W biorektorach o dużej pojemności zasialnie surowcami biologicznymi i powietrzem odbywa się w kilku punktach. Chłodzenie może być wykonywane przez zainstalowanie wewnętrznego wymiennika w rurze cyrkulacyjnej lub w zewnętrznej pętli cyrkulacji. Do zalet bioreaktorów z aeracją zalicza się:

— małe ścinanie, co pozwala na wzrost mikroorganizmów i komórek zwie rzęcych, ·

— łatwe utrzymanie warunków sterylnych, — możliwość budowy zbiorników do 60 m wysokości i ok. 7 m średnicy z dobrymi warunkami dla rozpuszczalności tlenu i współczynnikami KLa. Wady tego rodzaju bioreaktorów są następujące:

— trudności w utrzymaniu stałych warunków procesowych w reaktorze, — mało sprawna separacja piany w górnej części reaktora, — wysoki koszt inwestycyjny przy dużej skali zbiornika, — wysokie zużycie energii.

353

23.8. DOBÓR REAKTORA

Dobór reaktora do prowadzenia procesu chemicznego jest przedsięwzięciem złożonym i odpowiedzialnym. Gdy wybiera się reaktor katalityczny, do dyspozycji są wówczas reaktory z warstwą nieruchomą, fluidalną i tzw. reaktory zawiesinowe.

Zaletą reaktorów z warstwą nieruchomą jest przepływ zbliżony do tłokowego, z dużym stopniem konwersji, możliwość zmian w dużym zakresie parametrów operacyjnych i czasu kontaktu, możliwość pracy pod wysokim ciśnieniem, minimalna erozja katalizatora i reaktora, prosta obsługa i niski koszt. Reaktory katalityczne z nieruchomą warstwą są preferowane wtedy, gdy właściwa akty-wność katalizatora jest dłuższa niż 3 miesiące.

Reaktory fluidalne i zawiesinowe charakteryzują się łatwością wymiany i regenaracji katalizatora, dobrym mieszaniem, możliwością stosowania cząstek katalizatora o małych rozmiarach. Reaktory katalityczne ze złożem fluidalnym są stosowane wtedy, gdy dezaktywacja katalizatora jest szybka i jest konieczna jego regeneracja, gdy prowadzone reakcje są szybkie i egzo- lub endoter-miczne.

Dobór bioreaktora do określonego procesu biochemicznego jest zagadnie-niem złożonym pod względem technologicznym i ekonomicznym. Podstawowe znaczenie w wyborze typu bioreaktora ma mechanizm procesu i czynniki wpły-wające na jego kinetykę. Dalszym jest wydajność odniesiona do masy podsta-wowego produktu uzyskiwanego z jednostki objętości w jednostce czasu.

LITERATURA

[1 ] SZARAWARA J., SKRZYPEK J., GAWDZIK A., Podstawy inżynierii reaktorów chemicznych, WNT, Warszawa 1991. [2] COULSON J.M., RICHARDSON J.F., Chemical Engineering, Vol. 6,

Pergamon Press, Oxford — New York 1983.

[3] SCRAGG A.H., Bioreactors in Biotechnology, Ellis Horwood Ltd, New York 1991. [4] WALAS

S.M., Chemical Process Equipment. Selection and Design, Butterworths, Boston — London 1988.

554

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

[1] BŁASIŃSKI H., MŁODZIŃSKI B., Aparatura przemysłu chemicznego, WNT, Warszawa 1983. [2] LAŚĆINSKIJ A.A., TOLĆINSKU A.R., Osnovy konstruirovanija i rasceta chmicaskoj appa-

ratury, Izd. 2, Izdatel. Maszinostroenie, Leningrad 1970. [3] PlKOŃ J., Aparatura chemiczna, PWN, Warszawa 1983. [4] Atlas konstrukcji aparatury chemicznej, Red., J. Pikoń, PWN, Warszawa 1981. [5] SELECKI A., GRADOŃ L., Podstawowe procesy przemysłu chemicznego, WNT, Warszawa,

1985. [6] SMITH R., Chemical Process Design, McGraw-Hill Comp., New York 1995. [7] Encyklopedia of Chemical Engineering Technology, Vol. 15. 4th ed., John Wiley & Sons,

New York 1995. [8] Wymiana ciepłą: tablice i wykresy, wyd. 8, Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa

1991. [9] Katalog Norm Branżowych 1993. Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości, Wyd.

„ALFA", Warszawa 1993.