Лекции ХТ 1,2 к


КОЛЛОКВИУМ № 1
Содержание и задачи химической технологии.
Технология изучает способы и принципы переработки сырья в продукты потребления и средства производства.
Цели (задачи) химической технологии – повышение производительности труда, улучшение качества продукции и уменьшение ее себестоимости.
Эти цели достигаются в силу взаимосвязанных направлениях:
1. Увеличение мощности производства:
– использование параллельных технологических линий;
– увеличение размеров аппаратов;
– интенсификация;
2. Комплексное использование сырья.
3. Разработка энергосберегающих технологий.
4. Создание безотходных производств.
5. Механизация и автоматизация.
6. Перевод периодического производства в непрерывное.
Технология – наука о выгодных, т.е. поглощающих наименее труда людского и энергии природы приемах переработки природных ресурсов в продукты, потребные (необходимые, полезные или удобные) для применения в жизни людей.Сочетание всех этих факторов дает представление о полноте выбранного технологического процесса производства того или иного продукта. При этом мы должны учитывать технико-экономическую эффективность производства.
Главными показателями, которые характеризуют технико-экономическую эффективность производства, являются:
1. Расход сырья.
2. Расход энергии.
3. Выход и количество продукции.
4. Интенсивность процесса.
5. Капитальные затраты и их окупаемость.
6. Себестоимость продукции.
На основе сравнения технико-экономического производства отдельных процессов выбирается рациональная схема производства и условия, которые отвечают данному уровню науки и техники.
Технологические определения и понятия.
Химическая технология основана на химических, физических и физико-химических представлениях и понятиях, заимствуя из них определения и понятия, которые позволяют решать конкретные технологические задачи.
Основным понятием является материальный баланс.
Он составляется, для того чтобы:
1. Определить выход продукта или полупродукта.
2. Потребность в основных и вспомогательных материалах.
3. Определить специфику того или иного материала.
Для составления материального баланса исходят из анализа исходного и конечного материала, промежуточных стадий, потерь основного материала.
В основе составления материального баланса лежит закон сохранения вещества.
Материальный баланс составляется на единицу готовой продукции за час, сутки и т.д.
Материальный баланс состоит из приходной и расходной части составляемых из веса веществ, поступивших на переработку, и веса веществ, полученных после переработки.
Уравнение материального баланса можно представить в общем виде:
q1+q2=q3+q4+q5+q6, где
q1, q2 – израсходованное сырье и вспомогательные материалы;
q3 – полученный продукт;
q4 – побочный продукт;
q5 – отходы;
q6 – не прореагировавшее сырье.Из уравнения материального баланса получают балансовые характеристики.
Пусть τ – время, в течение которого снимались балансовые характеристики, qр – вместимость реактора.
1. Производительность
Средняя производительность по сырью и продукту, кг/час, Т/час.

2. Среднее время контакта

3. Интенсивность
По сырью
По продукту
4. Расходные коэффициенты сырья и вспомогательных материалов


5. Степень использования сырья
•100%
6. Селективность (избирательность)

7. Выход продукта

8. Степень превращения

9. Скорость химико-технологического процесса
Энергетический баланс.
Все основные химико-технологические процессы сопровождаются поглощением или выделением тепла, изменением температуры и совершением работы над содержанием реактора или против внешних сил.
Тогда согласно закону сохранения и превращения энергии можно написать уравнение энергетического баланса.
E- + U- + A- = E+ + U+ + A+
E- – подведенная энергия
U- – внутренняя энергия входных потоков
A- – работа, совершаемая над системой
E+ – отведенная энергия
U+ – внутренняя энергия выходных потоков
A+ – работа системы
Частный случай энергетического баланса - тепловой
Тепловой баланс составляется на основе материального баланса и имеет цель определить потребности в расходе тепла на химические процессы.
Приходная Расходная
Q1 + Q2 + Q3 = Q4 + Q5
Q1 – физическое тепло веществ вступающих в реакцию
Q2 – тепло реакции
Q3 – тепло вносимое из вне
Q4 – физическое тепло продуктов
Q5 – потери тепла
Выход продукта.
Это главное для чего составляется материальный баланс.
Выход продукта для различных процессов определяется по разному:
– выход по массе
– выход по току

У необратимых реакций, когда возможно полное превращение веществ, Х=1, и это условие выполняется лишь во времени.
У равновесных реакций Х<1 т.к. равновесие наступает при неполном превращении вещества, и выход будет зависеть от условий проведения процесса.
Для увеличения производительности и выхода продукта в реакцию вводят избыток одного из реагирующих веществ (обычно дешевого) и смещают равновесие, но это до определенного предела:

Выход вещества от температуры изменяется по следующим закономерностям
A + BD – Q A + BD + Q

Влияние на Ф, Х, φ основных параметров химико-технологического процесса (Т, τ, р).
1. Влияние температуры
а. Простая необратимая реакция Ф = X
A → B A + B → D

Для этого случая увеличение температуры приводит к увеличению Ф
Для обратимых A + BC + D, AB все зависит от Q
а) Экзотермическая реакция
влияние T на кинетический фактор и термодинамику противоречиво

При повышении температуры увеличивается константа скорости реакции и уменьшается X
б) Эндотермическая реакция
при увеличении T происходит увеличение Кн, Кс

в) сложная реакция D A B

E2>E1 E2<E1
Зависимость Ф = f(τ)
1. A → B, AB
простая необратимая и обратимая реакции 2. DA B
сложнопараллельные реакции

K1>K2
3. Сложно последовательные реакции Ф = f(), (τ)
A BD

Это особенно в органическом синтезе: неполное окисление спиртов, алкановCH3OH → CH3O → CO2 + H2O или неполного гидрирования
CO + 2H2 CH3OH
Скорость процессаВыход продукта и производительность аппаратуры будет зависеть от того, с какой скоростью протекает данный процесс.
Для гомогенных процессов

Для гетерогенных процессов

В этом случае K – коэффициент массопередачи, т.е. количество вещества, перешедшее из одной фазы в другую через 1 м2 поверхности за 1 час и при давлении 1 атм. Коэффициент K является для каждого процесса сложной функцией и определяется k и D, где k – константа скорости, D – коэффициент диффузии
K= f(k1•k2•k3…..D1•D2•D3•……)
Для гомогенных систем диффузия не является лимитирующей стадией, и поэтому реакция протекает в кинетической области
K= f(k1•k2•k3…..)
Для гетерогенных систем скорость всего процесса в основном определяется диффузией, и реакция протекает в диффузионной области
K= f(D1•D2•D3•……)
ΔС – движущая сила процесса
ΔC=Cнач–Скон для А→R или
ΔC=Cдейств–Сравн для АR
F – поверхность раздела фаз
Т. к. скорость процесса ~ ΔС то она во многом зависит от последней. Большое влияние (особенно для гетерогенных процессов) оказывает и F.
Для увеличения скорости процесса необходимо найти способы увеличения ΔС, Кр, F.
Способы увеличения скорости процесса.
Увеличение движущей силы процесса.
Увеличение концентрации реагирующих веществ в исходном материале
Это достигается для твердых веществ – методами обогащения, для жидких – концентрированием.ΔC=Cнач – Скон
увеличивается СначУвеличение концентрации реагирующих веществ необходимо ещё и для улучшения качества продуктов, т.к. примеси могут переходить в продукты.
Отвод продуктов реакции из реакционной зоны.
Для равновесной реакции
V1
A + BD
V2
общая скорость U=V1–V2, отвод продуктов уменьшает V2 (скорость обратной реакции) или ΔC=Cдейств–Сравн, отвод продуктов уменьшает Сравн.
Это достигается круговым циклом, или избирательной адсорбцией (абсорбцией) или осаждением продуктов в виде кристаллов.
Пример.
3H2 + N2 2NH3
Выход 20-30% - равновесный, 15-20% - действительный.
Сжижают аммиак
tсжиж –250°С –293°С –50°С
Cр уменьшается и ΔС увеличивается
Смещение равновесия путем изменения Т и р.
Увеличение давления приводит к увеличению концентрации реагирующих веществ, т.е. к увеличению Сдейств (увеличению числа столкновений молекул) если реакция в газовой фазе. Для сорбционных процессов увеличение давления и уменьшение температуры будет увеличивать Cдейств и уменьшать Сравн если растворение близко к чисто органическому.
Пример: так поглощение HCl из газовой фазы при и t<108°С получают 20% HCl, а при 20°С – 27-29% HCl.
Дли десорбционных процессов уменьшение р и увеличение Т благоприятно сказывается на ходе процесса.
Для хим-сорбционных процессов увеличение Т и увеличение р приводит к увеличению Cдейств и уменьшению Сравн, т.к. в растворе происходит реакция взаимодействия.
Пример: получение нитрозил серной кислоты
055245NO +NO2 + H2O → 2HNO2
H2SO4 + HNO2 → NOHSO4 + H2O
эта реакция идет на границе раздела фаз и она должна лимитироваться диффузией, но изменения р и Т позволяют перевести реакцию в кинетическую область. Повышение Т приводит к увеличению отвода продуктов из пограничных зон за счет конвекции.
Увеличение константы скорости процесса.
Повышение температуры.
Увеличение Т во всех случаях повышает К процесса, особенно это сказывается для неравновесных процессов. В равновесных реакциях увеличение Т увеличивает скорость и прямой и обратной реакции и изменение общей скорости будет зависеть от Q реакции (теплового эффекта).
Влияние температуры на применение константы скорости процесса (К) для реакций идущих в кинетической области даёт уравнение Аррениуса.
00K=K0exp (–)
ln K = c – – уравнение прямой
и tg α ~ E
Энергию активации процесса можно определить зная K1 и K2 при T1 и T2 для процесса:
ln K1=K0– E=
ln K2=K0– На практике часто используют графики V=f() и K=f() т.к. потоки одинаковы.
По правилу Вант-Гоффа скорость реакции увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 10°С:
V2=V1
0254000Из сказанного следует, что чем выше энергия, тем больше γ
γ1> γ2.
Для кинетических процессов γ=2-4
Для диффузионных процессов γ=1.2-4.5
Однако повышение температуры не на всех процессах сказывается одинаково.
Применение катализаторов
Подробнее о процессе катализа см. параграф, приведённый ниже.
Способы увеличения поверхности соприкосновения
a) Перемешивание. Приводит к увеличению объёма для гомогенных процессов путём замены молекулярной диффузии на конвективную. Для реакций, идущих в диффузионной области, перемешивание приводит к резкому увеличению F. Особенно это важно для систем Т-Т; Т-Ж; Т-Г; Ж-Ж; Ж-Г.
b) Измельчение. Проводят для систем Т-Ж, Т-Г.
Во всех других случаях стремятся увеличить поверхность более тяжёлой среды.
Применение давления в химической промышленностиДавление применяется для ускорения процессов, идущих:
1. в газовой фазе
2. в системе газ–жидкость
3. в жидкой фазе
4. в твёрдой фазе
1. Газовая фаза
Особенно эффективно увеличение давления для газовых реакций, идущих с уменьшением объёма (по принципу Ле-Шателье)
m1A + n1B → p1D
ΔN = p1 – (m1 + n1) – изменение V
Скорость реакции можно выразить и через давление:

Δp – движущая сила реакции
рпар – парциальное давление продукта
Если реакция необратима и протекает вдали от равновесия, то

Общий порядок реакции n = m1 + n1
При давлении компонентов ~ робщрА = ар; рВ = bртогда

n – порядок реакции

β – коэффициент, зависящий от К и движущей силы.
Р – безразмерное давление – это отношение фактического давления к атмосферному.
Отсюда, чем больше n, тем больше ускоряется реакция при увеличении давления:

Но не во всех случаях выгодно применять высокое давление (реакции с разным ΔN)
2. Система газ – жидкость
Для этих систем применение давления целесообразно, т.к. процессы идут с уменьшением объёма: абсорбция, конденсация, полимеризация, ассоциация и т.д. При небольших давлениях растворимость газов ~ давлению, т.е. выполняется закон Генри. Растворимость газа в жидкости повышается не беспредельно, а проходит через максимум, когда парциальное давление газа будет равно его концентрации в растворе. При больших давлениях скорость процесса может и уменьшиться вследствие перехода в диффузионную область из-за повышения вязкости системы.
3. Жидкие системы
Т.к. сжимаемость жидкости очень невелика, то при малых давлениях его влияние незначительно. Однако применение давления порядка десятков тысяч атмосфер при процессах полимеризации увеличивает скорость процесса в сотни раз. Повышение давления часто применяется для предотвращения испарения и десорбции.
4. Твёрдофазные системы
На эти системы оказывают воздействие лишь сверхвысокие давления, когда возможна электронная перестройка оболочек атомов, деформация молекул и т.д. (белый фосфор в чёрный 15000Вт, 200°С)
Методы организации технологических процессовХимическая промышленность производит тысячи разнообразных продуктов, обладающих различными свойствами. Несмотря на их разнообразие, многообразие условий проведения процессов, применение аппаратов, химико-технологические процессы имеют общие закономерности. Общность имеется и в организации самих процессов.
Производство химических продуктов включает в себя ряд физических и химических процессов, основными из которых являются:
подготовка сырья
само химическое превращение
выделение целевых продуктов
Последовательное описание и графическое изображение всех стадий переработки называется технологической схемой.Если при организации технологического процесса обрабатываемые материалы проходят последовательно все аппараты схемы по одному разу, то схема называется схемой с открытой цепью:

g4 – побочный продукт

Сырьё → подготовка → химическое превращение → разделение → g3 – целевой продукт
↓ g6 – не прореагировавшее сырьё
По открытой схеме строят производства, химические реакции включают в себя необратимые и обратимые с большим выходом продукта.
Для многих обратимых процессов за один проход реагентов через реакционный аппарат нельзя достигнуть высокой степени превращения. Поэтому для увеличения выхода исходных веществ, производство строят по циркуляционной схеме:

Пример: производство аммиака, CH3OH. Установки, работающие по циклической схеме, более компактны, обеспечивают большую полноту переработки сырья.
В ряде случаев одна и та же операция может протекать в нескольких однотипных аппаратах, в которых легче поддерживать определённый режим, степень смешения реагентов. Также поступают, когда необходим аппарат очень больших размеров. При этом отдельные аппараты соединяют параллельно или последовательно.

При этом общий выход продукта складывается из выходов продуктов в отдельных аппаратах. Так суммарная степень превращения нитрозных газов HNO3 при 6 последовательно соединённых аппаратах достигает 99%.
Схемы технологических процессов
Методы осуществления химических процессов делятся на 2 группы:
периодические;
непрерывные.
Периодические процессы характеризуются периодической подачей сырья в реактор и выгрузкой продуктов реакции.
Непрерывные процессы характеризуются непрерывной подачей сырья в аппарат и выгрузкой продуктов из него.
Основное отличие в осуществлении этих процессов заключается в характере разграничений отдельных стадий процесса, т.к. многие процессы проходят в несколько стадий, которые отличаются друг от друга введением нового реагента, изменением условий процесса и т.д.
В периодических процессах все эти стадии проходят в одном аппарате и разграничиваются во времени. Если представить себе процесс, состоящий из смешения реагентов, нагрева их, самой реакции, охлаждения продуктов – то эти стадии осуществляются в одном аппарате, и поэтому в нём соединены функции сразу нескольких аппаратов. В основном аппараты периодических процессов это котлы, автоклавы и т.д.
В непрерывном процессе все подобные стадии разделены и производятся в своих аппаратах (смеситель, реактор, холодильник и т.д.).
Непрерывные процессы имеют ряд преимуществ перед периодическими:
Возможность достигнуть значительно большей производительности оборудования.
Возможность выработки более однородной по качеству продукции.
Возможность лёгкой автоматизации процесса.
Недостатки непрерывных процессов:
Большие затраты на оборудование.
Выход продукта всегда меньше, чем по стехиометрии, т.к. всегда работают на максимальной скорости.

Но это окупается тем, что количество продукции в единицу времени велико. Поэтому непрерывные процессы выгодны лишь при многотоннажном производстве.
Технологические процессы по характеру взаимного перемещения реагирующих фаз делятся на 3 типа:
Прямоточные.
Противоточные.
Перекрёстные.

Изменение концентрации реагирующих веществ при таких процессах можно проиллюстрировать следующим образом:

Как видно из графиков: при прямотоке движущая сила процесса сначала велика, а в конце процесса стремится к 0. Процесс проходит неравномерно по длине аппарата.
При противотоке процесс более уравновешен по длине аппарата, причём при этом достигается наибольшая полнота процесса (С>С), т.е. в жидкость переходит большее количество газа.
Движущую силу процесса можно определить при этом двумя путями:
Как среднее арифметическое:

Как среднее логарифмическое

Для прямотока:

Для противотока:

Катализ
Катализом называется изменение скорости химических реакций в результате воздействия веществ-катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются по окончании его химически неизменными.
Катализаторы не связаны стехиометрическими соотношениями с реагирующими веществами. Катализатор – наиболее эффективное и рациональное средство ускорения химических реакций. Катализаторами могут быть различные вещества: газы, жидкости и твёрдые тела. По фазовому состоянию катализаторов и реагентов процессы разделяют на две основные группы: гомогенные и гетерогенные. В особую группу выделяют микрогетерогенный и ферментативный катализ (катализаторы – коллоидные частицы неорганической и органической природы).
Если в присутствии катализаторов реакции ускоряются, то это положительный катализ, и это понятие часто отождествляется с общим понятием – «катализ». Однако, существуют и применяются вещества, замедляющие химические реакции. Это явление называют отрицательным катализом, а вещества – ингибиторами.
В общем случае ускоряющее действие катализатора принципиально отличается от действия других факторов, интенсифицирующих химические реакции: температура, давление, радиация и т.п. При внесении катализаторов энергетический уровень реагирующих молекул не изменяется, как происходит, например, при воздействии температуры. Роль катализа состоит в понижении энергии активации химической реакции в результате изменения реакционного пути. В этом случае реакция протекает через ряд элементарных стадий, которые требуют в совокупности меньшей энергии активации, чем прямая реакции без катализатора:

Поскольку константа скорости реакции напрямую связана с энергией активации
,
даже незначительное снижение Eа приводит к резкому ускорению скорости процесса.
Ускоряющее действие катализатора измеряется его активностью А, которая определяется соотношением констант скорости реакций с катализатором и без него:
.
Так, например, если ΔE = 50 кДж/моль, то при 600 К
Снижение энергии активации не является единственной причиной резкого повышения скорости процесса, катализатор может влиять и на K0.
Таким образом, при открывании нового реакционного пути катализатор является активным участником процесса, что выражается в образовании с реагирующими веществами неустойчивых промежуточных соединений – активированных комплексов, после распада которых катализатор регенерируется.
От активности катализаторов зависит их температура зажигания, то есть та минимальная температура реагирующих веществ, при которой катализатор работает.
Каталитические процессы делят на основных класса:
I – окислительно-восстановительного взаимодействия
II – кислотно-основного взаимодействия
Каждый класс делится на группы по типу реакции. Типичные катализаторы для I класса – металлы (проводники) или оксиды и сульфиды металлов (полупроводники). Для II класса типичные катализаторы – растворённые кислоты и основания, ионные кристаллы, ионные аморфные гели и т.д. (все они – изоляторы) Такая классификация катализаторов связана с различными механизмами окислительно-восстановительного и кислотно-основного катализа. Общий механизм окислительно-восстановительного катализа заключается в обмене электронами между катализатором и реагентами, который облегчает электронные переходы в реагирующих молекулах. Механизм обычного ионного, кислотно-основного катализа заключается в обмене ионами или протонами между катализатором и реагирующими молекулами.
Катализатор может ускорять только одну реакцию или группу реакции различных групп, то есть катализатор обладает различной специфичностью.
Пример реакции Продукты Катализаторы
I. Ox-Red 1. Окисление Полное CO → CO2
Неполное NH3 → NO
Окисление CH4 воздухом
Окисление C2H4 воздухом обезвр. CO
HNO3
CH2O
CH3–CHO оксиды Mn, Cu, Co, Hg (гопкалит)
Pt
оксиды азота (NO2)
Cu, Ag
2. Гидрирование, дегидрирование Синтез NH3
Гидрирование этилена (ненасыщенных органических соединений)
Деструкция гидрированного октана NH3
этан
бутан Fe
Ni, Pt
MoO3, MoS2
II. H+, OH- 1. Гидратация, дегидратация, поликонденсация Гидратация этилена
Гидролиз хлорбензола
Поликонденсация фенола и формальдегида C2H5OH
C6H5OH
фенолформальдегидная смола (ФФС) H2SO4
MgCl2, H3PO4
H2SO4
2. Крекинг и изомеризация Крекинг нефти
Алкилирование изобутана
Полимеризация C2H4
Дегидрохлорирование C2H5Cl Бензин
Изооктан
Полиэтилен (ПЭ)
C2H4 алюмосиликаты
H2SO4
Al(C2H5)3 + TiCl4
BaF2
Для реакций I класса универсальным катализатором являются Pt и Ni, для II – H+.
Избирательный (селективный) катализ – это катализ, при котором ускоряется только одна целевая реакция из нескольких возможных. Особенно он важен в органическом синтезе. Из одних и тех же веществ с использованием селективных катализаторов можно получить различные продукты:
C3H7OH CH3COCH3 + H2
C3H7OH C3H6 + H2O
Автокатализ – химические процесс, в которых катализаторами служат промежуточные или полученные продукты. К ним относятся некоторые реакции разложения, горения, полимеризации, восстановления Ni и Cr из оксидов водородом, взаимодействие перманганата калия с щавелевой кислотой (kat – образующийся Mn2+). Для этих процессов характерен индукционный период.

Каталитические свойства катализатора зависят не только от химической природы, но и от способа их приготовления. Большое влияние на активность катализатора оказывает характер поверхности катализатора. Особо важную роль играют активные центры, то есть участки поверхности, имеющие повышенную активность. Это, как правило, геометрические неоднородности поверхности: пики, углы, рёбра кристаллов или микроструктурные дефекты поверхности.
Промышленные катализаторы (их иногда называют контактами) – это, обычно, смеси нескольких веществ (контактная масса), из которых выделяют собственно катализатор, а также активаторы и носители.
Активаторы, или промоторы – вещества, повышающие активность основного катализатора. Обычно это оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Механизм действия активаторов сложен и до конца ещё не выяснен.
Носители, или трегеры – термостойкие инертные пористые вещества, на которые осаждением или другим способом наносят катализатор. Этот приём увеличивает поверхность катализатора, её прочность, предохраняет от спекания. В качестве носителей обычно используют пемзу, асбест, силикагель, алюмогель, керамику и т.д.
Основные методы изготовления катализаторов:
1. Осаждение гидроксидов или карбонатов из растительных солей на носитель, либо совместно с носителем с последующим формованием и прокаливанием.
2. Совместное прессование порошков катализатора, активатора, носителя с вяжущим веществом и отжиг.
3. Сплавление нескольких веществ с последующим выщелачивание одного из них (Ni Ренея) или восстановлением оксидов водородом.
4. Пропитка пористого носителя катализатором и активатором с последующей сушкой и прокалкой.
СырьёХимическая промышленность характеризуется высокой материалоёмкостью производства. На одну тонну готовой химической продукции расходуется, как правило, несколько тонн сырья и материалов. Отсюда следует, что себестоимость химической продукции в значительной мере определяется качеством сырья, способами и стоимостью его получения и подготовки. В химической промышленности затраты на сырьё в себестоимости продукции составляют 60-70% и более.
От вида и качества сырья существенно зависит полнота использования производственных мощностей отраслей химической промышленности, производительность тепла, продолжительность работы оборудования, затраты труда и т.д. Свойства сырья, содержание в нём полезных и вредных компонентов определяют применяемую технологию его обработки.
Виды сырья весьма разнообразны, и их можно разделить на следующие группы:
минеральное сырьё;
растительное и животное сырьё;
воздух, вода.
1. Минеральное сырьё – полезные ископаемые, добываемые из земных недр.
Полезные ископаемые в свою очередь подразделяются на:
рудные (получение металлов) важные полиметаллические руды
нерудные (удобрения, соли, H+, OH-стекло и т.д.)
горючие (угли, нефть, газ, сланцы)
Рудное сырьё – это горные породы, из которых экологически выгодно получать металлы. Металлы в нём находятся большей частью в виде оксидов и сульфидов. Руды цветных металлов довольно часто содержат в своём составе соединения нескольких металлов – это сульфиды Pb, Cu, Zn, Ag, Ni и др. Такие руды называют полиметаллическими или комплексными. Непременной составной частью всех промышленных руд является FeS2 – пирит. При переработке некоторых руд получают наряду с металлами и другие продукты. Так, например, одновременно с Cu, Zn, Ni при переработке сульфидных руд получают и H2SO4.
Нерудное сырьё – это горные породы, используемые в производстве неметаллических материалов (кроме хлоридов щелочных металлов и Mg). Этот вид сырья или непосредственно используется в народном хозяйстве (без химической переработки) или служит для того или иного химического производства. Это сырьё используют в производстве удобрений, солей, кислот, щелочей, цемента, стекла, керамики и т.д.Нерудное сырьё условно делят на следующие группы:
строительные материалы – сырьё используется непосредственно или после механической или физико-химической отработки (гравий, песок, глина и т.д.)
индустриальное сырьё – используется в производстве без обработки (графит, слюда, корунд)
химическое минеральное сырьё – используют непосредственно после химической обработки (сера, селитра, фосфорит, апатит, сильвинит, каменная и другие соли)
драгоценное, полудрагоценное и поделочное сырьё (алмаз, изумруд, рубин, малахит, яшма, мрамор и т.д.)Горючее минеральное сырьё – ископаемые, которые могут служить в качестве топлива (угли, нефть, газ, горючие сланцы и др.)
2. Растительное и животное сырьё – это продукты сельского (земледелия, животноводства, овощеводства), а также мясного и рыбного хозяйства.
По своему назначению оно подразделяется на пищевое и техническое. К пищевому сырью относятся картофель, сахарная свекла, хлебные злаки и т.д. Химическая и другие отрасли промышленности потребляют растительное и животное сырьё, непригодное для пищи (хлопок, солома, лён, китовый жир, когти и т.д.). Деление сырья на пищевое и техническое в некоторых случаях условно (картофель → спирт).3. Воздух и вода являются самым дешёвым и доступным сырьём. Воздух – практически неисчерпаемый источник N2 и O2. H2O не только непосредственный источник H2 и O2, но и участвует практически во всех химических процессах, а также используется как растворитель.
Экономический потенциал любой страны в современных условиях в большей степени определяется природными ресурсами полезных ископаемых, масштабами и качественной характеристикой их местоположений, а также уровнем развития сырьевых отраслей промышленности.
Сырьевые ресурсы современной промышленности очень разнообразны, причем с развитием новой техники, внедрением более эффективных методов производства сырьевая база постоянно расширяется за счёт открытия новых месторождений, освоения новых видов сырья и более полного использования всех его компонентов.
Отечественная промышленность имеет мощную сырьевую базу и располагает запасами всех необходимых ей видов минерального и органического сырья. В настоящее время США занимает первое место в мире по добыче запасов P, каменных солей, NaCl, Na2SO4, асбеста, торфа, древесины и т.д. У нас одна из первых мест по разведанным залежам нефти и газа. И разведанные запасы сырья из года в год увеличиваются.
На современном этапе развития промышленности большое значение приобретает рациональное использование сырья, которое предполагает следующие мероприятия. Рациональное использование сырья позволяет повысить экологическую эффективность производства, т.к. стоимость сырья составляет основную долю в себестоимости химической продукции. В связи с этим стремятся использовать более дешёвое, особенно местное сырьё. Например, в настоящее время в качестве углеводородного сырья всё шире используют нефть и газ, а не каменный уголь, этиловый спирт, полученный из пищевого сырья заменяют на гидролизный из древесины.
Обогащение сырья
Всякое ископаемое сырьё после его добычи из земной коры, кроме полезной минеральной части, всегда содержит некоторое количество малоценных или бесценных, а иногда и вредных для данного производства примесей – пустой породы. Поэтому процесс получения минерального сырья не ограничивается только выемкой его из месторождений. До поступления в производство сырьё подвергают такой обработке, чтобы его состав и свойства удовлетворяли требованиям данного технологического процесса. Такое изменение состава минерального сырья, заключающееся в увеличении концентрации в нём полезной части называют обогащением.
Обогащение полезных ископаемых, как правило, сложный и дорогостоящий процесс. Однако, не смотря на дополнительные затраты, связанные с обогащением, оно обеспечивает значительный эффект, определяемый:
возможностью расширения сырьевой базы за счёт комплексного использования сырья и вовлечения в эксплуатацию бедных по содержанию основного компонента минералов и руд.
более полное использование оборудования на химических предприятиях за счёт переработки высококонцентрированного сырья.
существенным улучшением качества готовой химической продукции.
значительной экономией транспортных средств, вследствие уменьшения перевозок, приходящихся на долю пустой породы.
Обогащению могут подвергаться твёрдые материалы (например, горные породы) жидкости и растворы, а также газовые смеси.
В случае обогащения твёрдых материалов полученный продукт называют концентратом, а отходы – хвостами. В тех случаях, когда в сырье содержится несколько полезных составляющих, его делят на отдельные части (фракции), обогащенные тем или иным компонентом, т.е. из сложного сырья получают несколько концентратов, что позволяет более полно (комплексно) использовать сырьё.
Методы обогащения твёрдых материалов весьма разнообразны, они основаны на различии физических и химических свойств веществ, входящих в состав сырья, например, прочности, плотности, твёрдости, растворимости, магнитной проницаемости и т.д.
Главная задача – комплексное использование сырья.
Извлекая из сырья основной продукт, сырьё обогащается по другим компонентам, которые подчас являются более дорогими, чем основной продукт.
Например: производство цинка
ZnS →SO2 →H2SO4
↓ t°
ZnO (CuO, PbO, CdO, Au, Ag, РЗЭ, Pt)
↓ ↓ ↓ Zn Cu-Pb+Pt Cu-Cd+Pt
↓ ↓ ↓ ↓ Cu+Pt Pb+Pt Cd Cu+Pt → Cu

Au, Ag, Pt
Уменьшение отходов производства
Отходы производства используются либо на самом производстве, либо используют на другие производства. Например, цементная промышленность использует шлаки (металлы), сельскохозяйственная промышленность использует шлаки с фосфором. Ti, V и др. извлекают из металлургических шлаков. Из отходов производства сейчас выпускают ТНП.
Использование «вторичного сырья»
Особенно это относится к металлургической и целлюлозно-бумажной промышленности. Используется металлолом, макулатура и т.д.
Использование местного сырья
Это особенно приобретает значение при длинных перевозках, т.к. сокращение перевозок снижает себестоимость продукции.
Замена пищевого сырья непищевымЭтиловый спирт не из картофеля, а гидролизный или из этилена. При синтезе синтетического каучука спирт как сырьевой продукт заменяют на бутан (из природного газа).
Основные методы обогащения твёрдых веществ:
Рассеивание (грохочение) основано на том, что минералы, входящие в состав сырья, имеют различную прочность, поэтому при дроблении менее прочные (хрупкие) минералы дробятся на более мелкие зёрна, чем прочные (вязкие) материалы. Если после измельчения просеять такое сырьё через сито с отверстиями различного размера, то можно получить фракции, обогащённые тем или иным минералом.
Гравитационное разделение основано на различии скоростей осаждения частиц в жидкости или газе в зависимости от плотности или хрупкости этих частиц. Если осаждение производят в жидкости (чаще всего в воде), его называют мокрым гравитационным обогащением, если осаждение ведут в газе (чаще в воздухе), его называют сухим гравитационным обогащением.
Магнитная сепарация применяется для обогащения магнитновосприимчивых материалов от немагнитных, а также для удаления стальных предметов, случайно попавших в руду; так отделяют магнитный железняк от пустой породы.
Флотационное обогащение основано на различной смачиваемости зёрен отдельных минералов водой. Частицы несмачиваемого (гидрофобного) материала не преодолевают силы поверхностного натяжения воды и остаются на её поверхности. Частицы смачиваемого (гидрофильного) материала обволакиваются плёнкой жидкости и опускаются на дно аппарата. Несмачиваемый материал снимают с поверхности жидкости, отделяя от руды.
Жидкие растворы различных веществ концентрируют упариванием растворителя, вымораживанием, выделением примесей в осадок или в газовую фазу.
Газовые смеси разделяют на компоненты последовательной конденсацией, т.е. переводят их в жидкое состояние при постепенном понижении температуры и сжатии. Этот метод основан на различии температур конденсации компонентов газовой смеси. В других случаях газовую смесь сначала превращают в жидкость, а затем последовательным испарением её разделяют на индивидуальные компоненты. Разделение газовых смесей осуществляется также поглощением отдельных газов жидкостями (абсорбция) или твёрдыми веществами (адсорбция) с последующим выделением их из сорбентов в поглощенном виде.
А теперь перейдём к более подробному ознакомлению с теоретическими основами и технологиями процессов обогащения.
Как уже выяснили, первой стадией любого процесса обогащения твёрдых тел является стадия измельчения. В зависимости от размеров кусков исходного и измельчённого материала различают следующие классы измельчения:
Класс измельчения Размер кусков исходного материала, dн, мм Размер кусков измельчённого материала, dк, мм
Дробление
крупное
среднее
мелкое
Помол
грубый
средний
тонкий
коллоидный 1000
250
20
1-5
0,1-0,05
0,1-0,04
<0,1 250
20
1-5
0,1-0,5
0,015-0,005
0,005-0,001
<0,001
По твёрдости измельчения материалы делят на твёрдые (твёрдость по Моосу 5-10) – это руды, породы, шлак; средней твёрдости (твёрдость 2-5) – известняк, каменная соль, уголь; мягкие (твёрдость <1) – глина, пластмассы, зерно. Отношение диаметров кусков исходного и измельчённого материала dн/dк =i называют линейной степенью измельчения, а отношение dн3/dк3 =i0 – объёмной степенью измельчения. Под dн и dк подразумевают размеры наибольших кусков. При измельчении крупных и средних кусков обычно i = 3-8, а для мелких i = 10-50 и более. При этом, чем прочнее измельчённый материал, тем меньше величина i.
Одним из важнейших технико-экономических показателей процессов измельчения твёрдых материалов является расход энергии для совершения работы измельчения. Если предположить, что измельчение тело является однородным, абсолютно упругим и делится по строго определённому геометрическому закону, то расход энергии должен быть пропорционален величине вновь образованной поверхности в измельчённом материале (поверхностная гипотеза Риттингера 1867 г.)
Так, например, тело кубической формы с длиной ребра dн имеет поверхность Fн=6dн3. Разрежем этот куб на z маленьких кубиков с длиной ребра dк. Число этих кубиков будет равно dн3/dк3 , а их суммарная поверхность Fx=6(d/d)=6dк2i0. Вновь образованная поверхность выражается формулой F=Fx–Fн=6d(i–1).
Принимая, что на образование единицы поверхности затрачивается работа Ау, получим выражение для работы на измельчение рассматриваемого тела
А=6Ауd(i–1)
Величина Ау теоретическому определению не поддается и находится опытным путем в каждом конкретном случае применительно к данному материалу, данной машине и данной степени измельчения. Она одновременно и отражает отклонение от всех ранее сделанных предположений. Величина А всегда больше теоретической т.к. энергия дополнительно тратится на деформацию тела. Теория также не учитывает различную форму кусков материала и применима лишь в случаях измельчения резаньем и истиранием и для мелкого дробления.
При измельчении материала методами раздавливания, удара и для хрупкого и среднего дробления практически оправдывается гипотеза Кирпичева-Кика (1874), базирующаяся на теории упругости, согласно которой расход энергии пропорционален разрушающему напряжению, и энергия расходуется на деформацию материала до его разрушения.
0285115Вывод: под действием силы Р кусок материала деформируется до разрушения
σр – разность напряжения
l – начальный размер
Δl – деформация
Работа A = PΔl если P=относительное сжатие (по закону Гука)
E – модуль упругости
тогда
A=
Разнообразие физико-химических свойств твердых материалов привело к созданию ряда измельчающих машин, отличающихся принципом действия.
Принципы измельчения твердых материалов следующие:
– раздавливание,
– раскалывание,
– истирание,
– удар.
Обобщенная теория:
A = 6A’dн2(i–1) +σ
мелкое крупное

В зависимости от свойств материала применяют тот или иной метод, или сразу несколько методов.
Например:
Материал Метод
Твердый, хрупкий
Твердый, вязкий
Хрупкий, средней твердости
Вязкий, средней твердости Раздавливание, удар
Раздавливание
Удар, истирание
Истирание
Для крупного и среднего дробления применяются:
Щековые дробилки (раздавливание)
Конусные дробилки (раздавливание + истирание)
Для мелкого измельчения и тонкого помола применяются:
Молотковые мельницы (удар + истирание)
Шаровые (барабанные) мельницы (удар + истирание)
Щековые дробилки
Рабочими элементами щековых дробилок являются неподвижная и подвижная щеки, образующие свободную полость (открытая система) сечение которой уменьшается сверху вниз.
-38103810
1 – неподвижная щека
2 – подвижная щека
3 – эксцентрик с шатуном
Материал, загружаемый сверху, при сближении подвижной щеки измельчается, а при её удалении уходит в приемный бункер.
Важным параметром щековой дробилки является угол α между ее щеками, обеспечивающий захват материала. α – угол захвата, его можно определить из баланса сил, действующих на кусок материала, зажатого между щеками.

Равнодействующая сил давления Р → R стремится выбросить материал из пасти дробилки.
R=2Psin()
С другой стороны проекции сил трения fР стремится удержать материал.
R’=2fPcos()
Следовательно, материал останется в пасти если
R’R 2fPcos()2Psin()f ≥ tg(); f ≈ 0.3
α ~ 30-40°
Конусные дробилки
Основными рабочими элементами конусных дробилок являются два усеченных конуса, размещенных один в другом, из которых внешний неподвижен, а внутренний вращается.
-38100
1 – неподвижный конус
2 – подвижный конус
3 – эксцентрик
Крупность материала регулируют подъёмом подвижного конуса.
В отличие от щековой дробилки, здесь измельчение материала происходит непрерывно. Но в обоих случаях силы действуют одни и те же и f ≥ tg()
Молотковые мельницы
Основными рабочими элементами молотковых мельниц являются молотки (4 или 6), которые свободно подвешиваются на вращающихся дисках.

1 – молотки
2 – диски
3 – стяжки
4 – вал
5 – под (решётка)
Материал поступает через верхнюю воронку, попадает под удар быстро вращающихся молотков, измельчаясь как при столкновении с ним, так и при ударе о подовую решётку и добавочно измельчаются при движении молотков по решётке. Размер частиц измельчённого материала определяется отверстиями в решётке.
Шаровые мельницы
Основными рабочими элементами шаровых (барабанных) мельниц являются шары или стержни, находящиеся во вращающемся барабане.
Различают шаровые мельницы периодического действия (для мелких партий материала) и непрерывного (для крупных производств).
Измельчение материала происходит при падении шаров из верхней части барабана (удар) и при движении шаров в нижней части (истирание)

Сила удара определяется углом подъёма шаров, которая зависит от скорости вращения барабана.
С увеличением скорости вращения барабана увеличивается центробежная сила и увеличивается угол подъёма шаров. Если увеличить ещё скорость, то шары описывают полную окружность и измельчение не происходит. Допустим, что шар находится в точке отрыва А и на него действуют силы
-38100
1. Сила трения P
2. Центробежная C’
C’ =
g – ускорение свободного падения
R – радиус барабана
3. Радиальная составляющая силы тяжести
Pc = Psin α
Поскольку , n – число оборотов, то условие истирания запишется
C’ < Pc < Psinα (выразим n)
n < ; примем π2 ≈ g
n < 30
в критической точке А (когда истирания нет) sinα = sin 90° =1
nкр=
nкр зависит только от радиуса, а не от шаров.
Используют n = 0,75nкр и Rшара =0,1Rбарабана.
Методы обогащения
1. Грохочение (Рассеивание).
Кроме обогащения используется для сортировки материалов по крупности. Грохочение может разделить материал по крупности от 5 до 250 мм, и его производят на грохотах. Различают качающиеся, вибрационные и барабанные грохоты.
Схема горизонтального качающегося грохота

Рассеиваемый материал подаётся сверху, проходит по верхней части грохота и рассеивается через сита. В бункерах собирается материал определённого размера, обогащенный по тому или иному компоненту.
Барабанный грохот устроен аналогично, только движение материала происходит не по горизонтальной площадке, а внутри вращающегося барабана, в стенках которого расположены сита.

В вибрационных грохотах плоское и обычно наклонённое сито совершает при помощи специального механизма (вибратора) частые колебания небольшого размера. Число вибрации сита находится в пределах 900-1500 в минуту (иногда до 3600) при амплитуде колебаний от 0,5 до 12 мм. Жёсткая связь между элементами вибрационных грохотов полностью или частично отсутствует, вследствие чего колебания сита в различных точках его поверхности неодинаковы и зависят от угловой скорости вала, упругости опорных пружин, движущейся массы грохота вместе с материалом и других динамических факторов.
-38103810
Короб 1 и сита 2 установлены на пружинах 3. На стойках и подшипниках вращается вал 4 (без эксцентриков) с двумя шкивами 5, несущими неуравновешенные грузы 6 (дебаланс) При вращении шкивов возникают центробежные силы инерции, под действием которых коробу сообщаются вибрации. Траектории точек короба и амплитуда его колебаний определяются динамическими факторами, перечисленными выше. Для вибрационных грохотов требуется весьма равномерное питание материалом.
В настоящее время вибрационные грохоты вытесняют грохоты всех других типов. Это объясняется следующими крупными достоинствами вибрационных грохотов: 1. При высокой частоте колебаний сита его отверстия почти не забиваются материалом, то есть устраняется недостаток, свойственный грохотам других типов. 2. Более высокая производительность и точность грохочения. 3. Пригодность для крупного и тонкого грохочения разнообразных материалов (в том числе влажных и глинистых) с размерами кусков и зёрен от 250 до 0,1 мм. 4. Компактность, лёгкость регулирования и смены сит. 5. Меньший расход энергии, чем для грохотов других типов.
2. Гравитационное разделение (классификация).
Возможно разделение материала размером до 1 мм в аппаратах – отстойных классификаторах (жидкая классификация) и газоходах (сухая сепарация).
Схема классификатора:

1 – смесительный бак, 2 – осадительные камеры. d1>d2>d3
В отделительных камерах оседают частицы различного диаметра (веса), и происходит обогащение
Схема сепаратора:

-3810350520Воздух смешивается с материалом и проходит через сепаратор. На выходах: 1 – крупные, 2 – средние, 3 – мелкие.
Измельчённый материал в потоке воздуха поступает со скоростью ~20 м/сек через патрубок 1 в кольцевое пространство между корпусом 2 и внутренним корпусом 3. Вследствие увеличения в этом пространстве проходного сечения скорость воздушного потока снижается в несколько раз, и наиболее крупные твёрдые частицы (грубая фракция) под действием силы тяжести выпадают из потока. Через патрубок 4 они возвращаются на доизмельчение в мельницу. Воздушный поток далее проходит через тангенциально установленные лопатки 5. При этом потоку сообщается вращение, и под действием возникающих центробежных сил инерции более крупные твёрдые частицы отбрасываются на стенки конуса 3, опускаются по ним и удаляются также через патрубок 4. Воздух вместе с тонкими взвешенными частицами отсасывается вентилятором (на рисунке не показан) через патрубок 6 и подаётся в циклон, где твёрдые частицы осаждаются, а воздух возвращается в мельницу (при работе в замкнутом цикле) или возвращается наружу. Работу сепаратора можно регулировать путём изменения скорости воздуха или положения лопаток.
3. Магнитная сепарация
Основное применение – это отделение магнитного железняка от породы

1 – транспортёр
2 – электромагнит
3 – магнитные вещества
4 – немагнитные вещества
Материал подаётся на транспортёр и разделяется электромагнитом на две фракции.
4. Флотация
За последнее время этот метод обогащения получил большое распространение. Флотационному обогащению подвергаются тонкоизмельченные руды (размер частиц 5 мкм-0,5 мм), содержащие несколько компонентов. Чем меньше компонентов в руде, тем лучше обогащение. Перед флотацией руда смачивается водой в соотношении 1:2,5-6.
Как мы уже говорили, флотация основана на различной смачиваемости частиц раствором.
-38100Несмачивающаяся частица (1) образует с поверхностью раствора тупой угол θ, смачивающаяся частица (2) – острый, и силы поверхностного натяжения стремятся вытолкнуть на поверхность несмачивающуюся частицу и погрузить на дно смачивающуюся. Однако очень мелкие смачивающиеся частицы также всплывают, а крупные несмачивающиеся – погружаются, поэтому обогащение всегда <100%.
Теперь разберём основы теории флотации.
Поверхностное натяжение.
Рассмотрим две частицы в жидкости.
-38100Частица М1 равномерно притягивается всеми окружающими частицами и не обладает поэтому запасом свободной энергии. Частица М2 (на поверхности) не находится в равновесии с окружающими частицами – её равнодействующая сила RM2 направлена в объем жидкости, и частица стремится в глубь жидкости, или говорят, что она обладает запасом свободной энергии.
Свободная энергия всех молекул на поверхности пропорциональна величине поверхности и называется поверхностной энергией или поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение – сила, действующая на поверхности и стремящаяся сократить свободную поверхность тела до наименьших размеров при данном объеме.
Размерность Эрг/ см2, Дж/м2, Н/м. Поверхностное натяжение воды на границе с воздухом 72,8 Эрг/см2, у органических жидкостей 40-50 Эрг/см2.
При растворении в жидкости какого-либо вещества в зависимости от соотношения энергий взаимодействия молекул растворителя и растворённого вещества и молекул растворителя друг с другом могут иметь место три случая: повышение, понижение и не изменение поверхностного натяжения. Вещества, не изменяющие поверхностное натяжение, называются поверхносто-неактивными веществами (ПНВ). По отношению к воде это сахара. Вещества, повышающие поверхностное натяжение, называются поверхносто-инактивными веществами (ПИВ). По отношению к воде это серная кислота, щёлочи и другие сильные электролиты. Вещества, понижающие поверхностное натяжение, называются поверхносто-активными веществами (ПАВ). По отношению к воде это органические вещества, молекулы которых дифильны, то есть имеют полярную и неполярную части (спирты, жирные кислоты, мыла и др.) и обладают поверхностным натяжением меньшим, чем у воды.
Флотация без изменения поверхностного натяжения – плёночная (применяется редко). Флотация с изменением поверхностного натяжения – пенная (основная).
Условия смачивания тел на границе раздела трех фаз.
Если мы возьмем жидкость и твердое тело, то они в отдельности в газовой фазе будут обладать определенным поверхностным натяжением (σж-г и σт-г ). При нанесении капли жидкости на твердое тело между ними возникает межмолекулярное притяжение и межфазное поверхностное натяжение будет меньше суммы поверхностных натяжений отдельных фаз (пренебрегаем силой тяжести). Это положение реализуется в формуле Дюпре:

σт-г – поверхностное натяжение на границе твердое тело–газ.
σж-г – поверхностное натяжение на границе жидкость–газ.
σжт – межмолекулярное притяжение на границе твердое тело–жидкость (также можно представить как поправку на межмолекулярное взаимодействие)
Это выражение характеризует работу адгезии (прилипания) – работа, которую необходимо приложить для отрыва капли от твердого тела.
Теперь представим себе каплю на твердом теле.
-38103810
В этом случае имеются три поверхности раздела трёх фаз, и вдоль них действуют силы:
сила σт-г стремится увеличить поверхность, хотя она и мала.
сила σж-г стремится сократить до минимума свою площадь – поверхность контакта.
сила σжт также стремится сократить свою поверхность соприкосновения жидкости и твёрдого тела.
θ – краевой угол между касательной к поверхности раздела т–г в точке Х и поверхности раздела т–ж. Он характеризует данную трёхфазную систему (равновесие) и направлен внутрь жидкости.
Из равновесия системы можно записать равновесие сил, стремящихся сжать и растянуть каплю.
σтг=σтж+σжгcosθ (уравнение Юнга)
Подставляем σтг из уравнения Юнга в уравнение Дюпре, получаем:
Wа= σтж+σжгcosθ–σтж+σжг
Wа= σжг(1+cosθ) – уравнение Юнга-ДюпреРассмотрим примеры систем с разными θ:
θ=0, cosθ=1, Wa=2σжг – полное смачивание

θ=90, cosθ=0, Wa=σжг – смачивание уменьшается

θ=180, cosθ=–1, Wa=0 – полное несмачивание
На практике обычно θ≤900
Для случая пенной флотации систему Т–Ж–Г можно представить следующим образом:

θ – всегда в жидкости!
Равновесие в системе достигается так:
σтг=σтж+σжгcosθ или
cos θ=
β – флотационная сила – характеризует краевой угол смачивания Т-Ж.
При пенной флотации частица минерала (Т) взаимодействует с пузырьком газа (Г) и жидкостью (Ж), и образуется минерализованный пузырёк, который поднимает минерал на поверхность жидкости. В данном случае важно, чтобы минерал плохо смачивался жидкостью (θ велико) и W> W (работа адгезии минимальная).
Если будет наоборот, то есть минерал лучше смачивается жидкостью (θ мало), чем газом, W< W, и пузырёк не сможет прилипнуть к минералу – нет флотации.
Таким образом θ – краевой угол смачивания характеризует смачиваемость минералов водой.
Минерал θ Минерал θ
Графит 60 Халькопирит 47
Сера 78 Пирит 33
Тальк 69 Кальцит 20
Молибденит 60 Барит 30
PbS47 Кварц 0-10
Слюда 0
Следовательно, при флотации минералов основным фактором является смачиваемость минерала, и флотации подвергаются лишь те частицы, которые плохо смачиваются водой. Плотность минерала имеет второстепенное значение (в отличие от классификации).
Смачиваемость поверхности минералов можно изменять, обрабатывая руду небольшими количествами специальных веществ – флотореагентов.
3. Назначение и классификации флотореагентов.Без применения флотореагентов флотация практически невозможна. Влияние флотореагентов позволяет в широком диапазоне изменять поверхностные свойства минералов. Состав флотореагентов разнообразен. В их число входят органические и неорганические вещества. Флотореагенты классифицируются:
собиратели (коллекторы)
регуляторы: активирующего и депрессирующего действия
пенообразователи
Собиратели
Собиратели действуют на границу раздела жидкость–твёрдое тело, увеличивая θ и уменьшая поверхностное натяжение σжт. Собиратели, адсорбируясь на поверхности твёрдого тела, обеспечивают уменьшение смачиваемости поверхности твёрдого тела жидкостью. Собиратели разделяются на:
неионогенного типа (неполярные углеводороды, не диссоциирующие в воде, вещества, содержащие одновременно кислотную и основную группу, например карбоксильную и амино- группы).
ионогенного типа:
анионные
мыла карбоновых кислот

алкилсульфонаты, R–SO3Na
алкиларилсульфонатыR–C6H4–SO3Na
алкилсульфатыR–SO4Na
катионные
соли аминов (первичные, вторичные, третичные)
четырёхосновные аммониевые основания
Наиболее широко распространены ионогенные анионные собиратели: для неметаллических материалов – сульфированные масла, для сульфидных руд – ксантогенаты калия.
этиловый R = C2H5
бутиловый R = C4H9
Ксантогенаты также являются собирателями для благородных металлов и самородной меди. Не действуют на окислы, силикаты, алюмосиликаты, солеобразующие минералы. Расход 50-100 г/т руды.
Сланцевая смола получается при сухой перегонке сланца. Является собирателем для окисленных свинцовых и полиметаллических руд.
Контакт Петрова – смесь сульфонафтеновых кислот.
Регуляторы
Активирующего действия.
Они действуют на поверхность раздела Т–Ж и способствуют взаимодействию собирателей и минералов, улучшая флотацию
соли щелочноземельных металлов
кислород
Диспергирующего действия
Они ухудшают адсорбцию собирателя на поверхности минерала и препятствуют флотации. Применяются для увеличения селективности собирателя.
цианиды (для медных минералов и пирита)
соли хрома (для PbS)
Na2SiO3 (для кварца)
Ca(OH)2 (для железосодержащих сульфидов)
Пенообразователи
ПАВ, которые концентрируются на поверхности Г–Ж, способствуя сохранению пузырьков в дисперсном состоянии, увеличивают стабильность флотационной пены. Наиболее активны пенообразователи, имеющие в своём составе группы
карбоксильную –COOH
карбонильную =C=O
гидроксильную –OH
аминогруппу –NH2 и т.д.
Пенообразующая сила связана с длиной молекулы
CH3OH<C2H5OH<C3H7OH<C4H9OH, в данном ряду увеличивается пенообразующая сила
В основном применяют вещества с –ОН группой, так как другие группы сочетают свойства собирателей и пенообразователей, что затрудняет селективную флотацию, а также используют сосновое масло (перегонка с водяным паром древесной смолы) и содержащие в своём составе ароматические спирты:
крезол
и др.
4. Основные факторы, влияющие на процесс флотации.
Качество измельчения сырья (частицы должны быть одного размера)
Температура пульпы (температура = 12-15°С, так как адсорбция лучше при низких температурах)
Соотношение Ж-Т. в пульпе (практически используют Т:Ж = 1:2,5-6)
Кислотность среды, рН (добавки действуют только в определённой области рН)
Степень окисления граней минеральной поверхности (флотореагенты действуют на сам минерал, а не на его окисленную форму, а окисление начинается в процессе измельчения)
Правильность выбора схемы флотации (последовательность выделения компонентов). Например

Тип флотационных машин (способ подачи воздуха в пульпу, количество воздуха – 0,5–5 м3/на м3, размер пузырьков 0,5–5 мм)
На величину образующихся пузырьков влияет вязкость и плотность пульпы (соотношение Ж:Т)
Разделяют машины:
корытного типа
камерного типа
пневматического типа
Рассмотрим одну из машин.
-38100
1 – желоб для сбора концентрата
2 – лопатки для сгребания пены
3 – шпеллер с радиальными лопатками
4 – корпус ванны
5 – выход хвостов
Воздух в машине подаётся путём засасывания импеллером. Пузырьки поднимаются на поверхность, где сгребаются вместе с концентратом в желоба. Хвосты удаляются из нижней части ванны.
КОЛЛОКВИУМ № 2
Массообменные процессы.
Процессом массообмена называется диффузионный переход одного или нескольких компонентов бинарных или многокомпонентных смесей из одной фазы в другую: из газовой в жидкую или твердую, из жидкой в твердую или другую жидкую и т.д. Различают односторонний или двухсторонний Варианты массобмена.
В общем случае процессы масообмена происходят в три стадии:
Диффузия вещества в объеме одной фазы по направлению к межфазной поверхности;
Диффузия через межфазную поверхность;
Диффузия в объеме второй фазы.
Массообмен характеризуется количеством вещества М, переходящего из одной фазы в другую за время τ, пропорционально движущей силе Δ и площади межфазной поверхности:
М = к · Δ · F · τ
к – коэффициент массопередачи, характеризует количество вещества переходящего из одной фазы в другую через 1 м2 за 1 сек при Δ = 1. Δ - имеет иные разности концентрация между фазами.
К процессам массообмена в химической технологии относят: сушку, абсорбцию, адсорбцию, ректификацию и экстракцию.
Разделение неоднородных систем
Неоднородными называются системы, компоненты которых находятся в различных агрегатных состояниях, причем один из них состоит из мелких частиц. Эти частицы образуют дисперсную фазу, а среда в которой они содержатся – дисперсионная среда.
Система жидкий–твердый называют суспензией,
Система жидкий–жидкий называют эмульсией,
Система газовый–твердый называют газовзвесью.
Разделение неоднородных систем на их компоненты, практикуется во многих химических производствах, осуществляется методами, основанными либо на разности плотностей фаз – отстаивание, либо на задержании твердой фазы пористой перегородкой – фильтрование. Разделение газовзвесей производится также и в электрическом поле.
Разделение жидких системОтстаивание.
Для процессов отстаивания в промышленности применяют различные виды отстойников: периодического и непериодического действия. Движущей силой отстаивания является разность плотностей ρт–ρжВ процессе отстаивания на частицу действует две силы: тяжести (P) и сопротивления среды (S).

d – диаметр частицы, ρт , ρж – плотности твердых и жидких веществ. Сила сопротивления среды определяется законом Стокса:

η – вязкость среды, V0 – скорость отстаивания.
При гравитационном отстаивании, при равновесии этих сил Р=S происходит осаждение твердой фазы со скоростью V0
=>

Периодический отстойник представляет собой вертикальный сосуд с конусным дном. Разрушением суспензии по истечении определенного отрезка времени разделяется на осветленную жидкость (верхний слой) и осадок (нижний слой). После удаления осветленной жидкости (насосом) выгружают осадок и процесс повторяется.
Отстойник непрерывного действия представляет собой цилиндрический сосуд диаметром около 120 м с корпусным дном, по оси которого расположен медленно вращающийся вал, несущей лопатки. Суспензия непрерывно поступает в центральную часть аппарата, сгущенный осадок с помощью лопаток удаляется через штуцер, а осветленный слой через боковой желоб.

Максимальная скорость осаждения V0 достигается при свободном осаждении, когда концентрации твёрдой фазы < 5%. При большой концентрации скорость падает из-за взаимодействия частиц. Скорость стесненного осаждения
V = V0 (1-с)n
c – объемная концентрация.
2. Центрифугирование.
Центрифугирование – это осаждение под действием действием центробежных сил. Оно применяется для разделения суспензий с объемной концентрацией твёрдой фазы до 40%, состоящей из частиц диаметром 0,005–1,0 мм, т.е. в тех случаях, когда отстаивание невозможно из-за низкой скорости осаждения.
При центрифугировании достигается большая степень обезвоживания осадка и большая степень разделения Ж–Т. Осаждение в центрифугах происходит под действием на частицу центробежной силы

m – масса частицы, r – радиус вращения, ω – линейная скорость вращения. Учитывая, что
,
где R – радиус частиц, а также g≈π2, R≈r получим

Из этого уравнения видно, что скорость осаждения частиц легче увеличить, увеличивая обороты центрифуги, а не их размеры. В практике центрифугирования, обычно, c>>Р, и их отношение называют фактором разделения Φ.

У нормальных центрифуг Ф<3500 и n=3-5 тыс. оборотов. У суперцентрифуг Ф >3500 и n=50 000 оборотов. Различают центрифуги периодического и непрерывного действия, на подробностях строения которых мы останавливаться не будем.
3. Фильтрование.
Фильтрованием называется процесс разделения суспензий при помощи пористой перегородки, задерживающей твердую среду и пропускающей жидкую. Осевший на перегородке слой твердых частиц называют осадком, а прошедшую жидкость – фильтратом.
В промышленности применяются фильтры периодического и непрерывного действия, работающие либо под вакуумом, либо под избыточным гидравлическим давлением.
При фильтровании линейная скорость течения жидкости через одиночный капилляр фильтра подчиняться уравнению Пуазейля:

где р1–р2 – разность давлений на концах капилляра, dk – диаметр капилляра, η – вязкость жидкости, l – длина капилляра.
Количество фильтрата, прошедшего через фильтр в единицу времени равно

где m – живое сечение фильтра. Примем, что l ~ h – ширине осадка l = βh, dk ~ d – диаметру частиц dk = 2d
– уравнение скорости фильтрации.
Из уравнения следует, что V зависит от
1. движущей ими фильтрации Δ P
2. диаметра частиц.(необходимо получить крупнокристаллические осадки, мелкокристаллические забивают фильтр)
3. живого сечения фильтра.
4. вязкости (применяют подогрев раствора)
5. толщины осадка.
В общем виде уравнение фильтрации можно записать:
, где k – удельный коэффициент скорости фильтрации
или , где – удельное сопротивление осадка
Для расчета фильтров используют видоизмененное уравнение
где Rф – сопротивление фильтра
На практике встречаются три режима фильтрования.
при ΔP = const
при =const
при одновременном изменении ΔP и
Используют следующие типы фильтров.
1. периодического действия.
– нутч-фильтры,– фильтр-прессы,– патронные фильтры
2. непрерывного действия.
– барабанные,– дисковые,– карусельные,– ленточные.
Рассмотрим схемы основных фильтров.
НУТЧ – ФИЛЬТР. Это вертикальный цилиндрический корпус, разделенный фильтром на 2 части. Суспензия загружается в верхнюю часть, фильтрат собирается в нижней части. После промывки осадок выгружается и цикл повторяется. ΔP создается либо вакуумированием нижней камеры, либо подачей сжатого газа в верхнюю.
БАРАБАННЫЙ ФИЛЬТР. Состоит из цилиндрического барабана с прерфорированной сменой покрытой фильтрованной тканью, погруженной на 0,3–0,4 длины в корыто с суспензией. Барабан разделен радиальными пергородками на 12 секций и медленно вращается на валу.
Процесс включает 7 стадий:
образование осадка,
1-е обезвоживание,
промывка осадка,
2-е обезвоживание,
разрыхление осадка,
счет осадка,
регенерация.

В последнее время также широко используют фильтрование в центрифугах.
Разделение газовзвесейОчистка промышленных газов от взвешенных в них частиц производится для уравнивания ценных продуктов и общей очистки воздуха и производится под действием сил тяжести, инерционных, электростатических сил, а также путем фильтрации.
Гравитационное осаджение.
Гравитационное осаждение происходит в пылеосадительных камерах, аналогичных газоотстойникам гравитационного разделения и эффективно применяется в случае крупных частиц пыли.
Разделение в поле центробежной силы.
015240Оно осуществляется в аппаратах – циклонах, состоящих из цилиндро-конического корпуса диметром до 1 м, снабженного сверху тангенциально расположенным штуцером для закручивания входящего потока газовзвеси. Нижний штуцер предназначен для отвода пыли. Входящая струя газовзвеси закручивается штуцером и по периферии конуса поступает в его нижнюю часть. При этом пыль отбрасывается центробежной силой к стенке и стекает в нижний штуцер, а очищенный газ по газоотводящей трубке (по центру конуса) выходит из аппарата. Циклоны эффективно работают при размерах пыли не менее 50-10 мкм. Скорость вхождения газовзвеси 20-25 м/сек.
Разделение в электрическом поле.
0221615Оно осуществляется в аппаратах – электрофильтрах, действие которых основано на ионизации молекул и газа, попадающих в электрическое поле. Схема действия электрофильтра следующая. Между двумя электродами: положительным в виде пластики или трубы и отрицательным в виде тонкой проволоки пропускают постоянный ток напряжением 40-100 кВ. Вокруг отрицательного электрода возникает короткий разряд, и происходит ионизация молекул газа, которые притягиваются соответствующими электродами.
A2 А+ + А–
А2 2А (диссоциация)
А- +А А2 + ēПоскольку отрицательные частицы (особенно ē) более подвижны и проходят больший путь, то частицы пыли заряжаются преимущественно отрицательно и притягиваются, в основном, положительным электродом, который называется осадительным. Отрицательный электрод называется коронирующим. Для улучшения проводимости газов его увлажняют, тогда осаждение пыли происходит интенсивнее.
На частицу в электрическом поле действуют 2 силы – сила электрического поля и сила сопротивляется (по закону Стокса):
Рэл = еЕ, e – заряд ē, Е – напряженность поля.
S = 3πηdVос, η – вязкость газа, d – диаметр частиц пыли, Vос – скорость осаждения частиц.
При равновесии этих сил происходит осаждение частиц со скоростью Vос. Для N частиц
Рэл = S => NеЕ = 3πηdVос =>

Поэтому скорость осаждения будет зависеть от напряженности поля, вязкости смеси и диаметра частиц.
Электрофильтры эффективны для частиц пыли диаметром <10мкм, когда неприменимы ни гравитационные, ни центробежные силы. Для разделения газовзвесей используют электрофильтры двух модификаций: трубчатки и пластинчатые, которые схематично можно представить следующим образом. Газовзвесь поступает в плоский бункер, проходя через коронирующие электроды, ионизируется, и пыль оседает на поверхности труб или пластин. Периодически встряхивая осадительные электроды молотками, удаляют пыль из системы. Таким путем можно удалять из газа не только пыль, но и влагу.
-38103810Трубчатый электрофильтр представляет собой вертикальную камеру 1, в которой установлены осадительные электроды 2, выполненные в виде круглых или шестигранных труб. В качестве коронирующих электродов служат проволоки 3, натянутые по оси осадительных труб. Коронирующие электроды прикреплены к раме 4, подвешенной на изоляторах, а снизу связаны общей рамой 5, что предотвращает колебания электродов. Запыленный газ входит в электрофильтр через газоход 6. Для равномерного распределения газа по трубам служит газораспределительная решётка 7. Очищенный газ удаляется по газоходу 8, а пыль собирается в нижней части электрофильтра и периодически удаляется через отверстие в его днище. В трубчатых электрофильтрах некоторых конструкций решётка и осадительные электроды периодически встряхиваются при помощи специальных молотков.
В пластинчатом электрофильтре осадительные электроды 2 представляют собой параллельные гладкие металлические листы или натянутые на рамы сетки, между которыми подвешены коронирующие электроды 3 в виде нихромовых и фекралевых проволок. Для очистки горячих газов применяют осадительные электроды, имеющие форму волнистых листов или прутков, что предотвращает их коробление. Существуют вертикальные пластинчатые электрофильтры (с движение газов сверху вниз) и горизонтальные (с горизотнальным ходом газов).

Трубчатые электрофильтры имеют большую производительность, чем пластинчатые, но последние более компактны и доступны для удаления пыли.
Сравнительная характеристика газоосадителей.
Пылеосадительные камеры40-60%
Циклоны90%
Электрофильтры95,5%
Выпаривание.Выпариванием называется процесс концентрирования растворов твердых веществ, при температуре кипения путём частичного удаления растворителя в парообразном состоянии. В подавляющем большинстве случаев выпариванию подвергают водные растворы и удаленный растворитель представляет собой водный пар, носящий название вторичного пара.
Концентрирование растворов методом выпаривания – один из наиболее распространенных для жидких систем, однако он чрезвычайно энергоёмок и требует для аппаратурного оформления высоколегированных сталей и других металлов (Ni, Cr и т.д.). При выпаривании из раствора сначала удаляют растворитель до той степени, чтобы не выпадал осадок, затем кристаллизацией (если необходимо) выделяют чистое твёрдое вещество. Греющим реагентом в аппаратах является водяной пар, энергия которого и расходуется на выпаривание.
Пусть у нас имеется раствор с начальной концентрацией ан. При выпаривании его концентрация повышается до ак, а масса уменьшается с Sн до Sк (растворитель улетучивается). Так как растворенное вещество практически нелетучее, то разность Sн–Sк = W, где W – количество испаренной воды. Из условия постоянства количества растворенного вещества в исходном и концентрированном растворах следует:
анSн = акSк или учитывая, что Sк = Sн–W
анSн = ак(Sн–W) =акSн–акW
Отсюда, количество воды (W), которое необходимо выпарить для увеличения концентрации от ан до ак равно
W = Sн(1–ан/ак)
Из формулы следует, что одинаковой степени концентрирования соответствует одинаковое количество испаренной воды независимо ан.
Выпаривание проводят при атмосферном давлении, повышенном и пониженном давлении. При выпаривании под атмосферном давлении образуется вторичный пар, который либо выпускают в атмосферу, либо регенерируют его тепло. При выпаривании в вакууме появляется возможность снизить температуру кипения, что важно для легко разлетающихся веществ. При выпаривании под повышенным давлением вторичный пар может быть использован вторично при многокамерной выпарке. Эта система очень экономична.
Выпарные аппараты состоят из двух частей:
кипятильник (греющая камера)
сепаратор (пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора)
Раствор должен все время циркулировать через кипятильник, чтобы испарение было равноме6рно по объему. В промышленности применяют аппараты с естественной и принудительной циркуляцией.
069215
Естественная циркуляция осуществляется по принципу теплового насоса. Переток раствора осуществляется за счет различной плотности в коленах «насоса» (образующиеся пузырьки понижают плотность раствора). Для естественной циркуляции необходимо:
Достаточная высота раствора в циркуляционной трубе (движущая сила процесса gH(ρт –ρп-ж)).
Достаточно интенсивное парообразование в кипятильной трубе.
Сами аппараты для выпаривания можно представить следующим образом:

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

Сушка
Сушкой называется процесс удаления влаги из твердых материалов с использованием тепловой энергии. Вследствие большой величины удельной теплоты парообразования воды высушивание является дорогим процессом. Поэтому перед сушкой из материала вначале удаляют влагу фильтрованием или центрифугированием.
Методы сушки, используемые в промышленности, различаются способами подвода тепла к материалу и различают следующие методы:
конвективная сушка – сушка при непосредственном контакте с нагретыми газами.
контактная сушка – сушка в вакууме с передачей тепла от теплоносителя через стенку.
терморадиационная сушка – сушка тонколистовых материалов с использование инфракрасного излучения.
высокочастотная сушка – сушка толстолистовых материалов ТВЧ (для диэлектриков).
сублимационная сушка – для плазмы крови и подобных препаратов. Испарение влаги из замороженных материалов в вакууме.
А теперь рассмотрим основные теоретические положения сушки материалов.
Влагосодержащие материалы χ (хи) – масса влаги (а), содержащаяся в материале и отнесённая к массе сухого материала

Влагосодержание воздуха χ (хи) – масса пара в 1 м3 влажного воздуха (Сп) отнесённая к массе сухого воздуха в 1 м3 влажного воздуха (Св)

с другой стороны:

где у – мольная концентрация пара в воздухе, а Мп и Мв – мольные массы пара и воздуха.
или

где Pп – парциальное давление пара в воздухе, P – общее давление
В насыщенном паром воздухе

π – упругость насыщенного пара.
Рассматриваем сушилку непрерывного действия.

Количество влаги испарившейся из материала равно
W1 = Gм(χн– χк)
Эта влага перейдёт в воздух, и его влагосоединение повысится и составит:
W2 = Gв(χк– χн)
Тогда материальный баланс (W1 = W2) можно записать следующим образом
Gм(χн– χк) = Gв(χк– χн)
Количество тепла, которое потребуется на испарение W кг влаги будет равно.
Q1 = Wrt = Gм(χн– χк)rtгде rt – теплота парообразования при t°С. Это тепло берется от теплого воздуха
Q 2 = GвСp вл(t н – t к)
где Сp вл – теплоемкость влажного воздуха. Тогда при Q1 = Q2
Gм(χн– χк) = GвСp вл(t н – t к)

Из этого уравнения определяют количество газа (воздуха) необходимого для осушки G кг материала.
Кинетика сушки
Когда материал соприкасается с горячим газом, в котором парциальное давление пара Рn меньше, чем упругость насыщенного пара π над поверхностью материала, то за счет разности π–Рn происходит диффузия пара с поверхности в объем воздуха. При этом влагосодержание материала понижается.

I период – период внешней диффузии
II период – период внутренней диффузии
Точка 1, отделяющая I период от II называется критической точкой, ей соответствует χкр
Предел высушивания не означает полного удаления влаги из материала (χ≠0). Когда устанавливается равновесие Рn = π, то движущая сила процесса равна 0 и скорость равна 0. В материале остается при этом равновесное количество влаги χравн. Оно обусловлено наличием большого количества мелких капилляров, в которых πкап<π, удержанием влаги осмотическими силами (для веществ растительного и животного происхождения, естественной гигроскопичностью материала и т.д.)
I период
В этот период вся поверхность покрыта влагой. Скорость диффузии влаги равна скорости испарения воды с поверхности высушиваемого материала
Скорость сушки.

где π – давление насыщенного пара над влажной поверхностью, Рπ – парциальное давление пара в газе, β – коэффициент массопередачи, F – поверхность материала.
Факторы, определяющие этот период сушки следующий:
Влажность газа (Рп). Чем суше газ, тем больше движущая сила процесса, а значит и больше скорость сушки.
Температура газа. Чем выше t° газа, тем выше при t° поверхности материала, и, следовательно, выше π.
Скорость движения газа. Увеличение скорости потока влечет за собой уменьшение ламинарного слоя на материале и ускорения процесса сушки.
Поверхность испарения.
II период
В этот период влага диффундирует из внутренних слоев тела в наружные. В этот период диффузия не является хаотическим процессом, а имеет определенный механизм. Вода перемещается к поверхности пористого материала под действием капиллярных сил. Изменение скорости сушки зависит от того, как скоро, в сравнении со скоростью испарения, влага будет диффундировать из внутренних слоев в наружные. Скорость сушки определяется уравнением

χ, χр – действительное и равновесное влагосодержание .
И процесс сушки зависит от
Структуры высушиваемого материала (кварц – 1 период, кирпич – 2 периода)
Размера кусков материала.
Скорости подачи газа, его влагосодержания, t° и т.д.
Самые распространенные для многотоннажного производства сушилки конвективного типа.

Барабанная сушилка представляет собой цилиндрический наклонный барабан 4 с двумя бандажами 3, которые при вращении барабана катятся по опорным роликам 6. Материал поступает с приподнятого конца барабана через питатель 2, захватывается винтовыми лопастями, на которых он подсушивается, после чего перемещается вдоль барабана, имеющего угол наклона к горизонту до 6°. Осевое смещение барабана предотвращается упорными роликами 8. Материал перемещается в сушилки при помощи внутренней насадки 10, равномерно распределяющий его по сечению барабана. Газы поступают из топки 1, примыкающей к барабану со стороны входа материала и снабжённой смесительной камерой для охлаждения газов до нужной температуры наружным воздухом. Высушенный материал проход через подпорное устройство в виде сменного кольца или поворотных лопаток, посредством которого регулируется степень заполнения барабана, обычно не превышающая 20-25% его объёма. Готовый продукт проходит через шлюзовый затвор 9, препятствующий засосу наружного воздуха в барабан и удаляется транспортёром (на рисунке не показан). Газы просасываются через барабан с помощью дымососа 11, установленного за сушилкой. Для улавливания из газов пыли между барабаном и дымососом включён циклон 7. Барабан приводится во вращение при помощи зубчатого венца 5, который находится в зацеплении с ведущей шестернёй, соединённой через редуктор с электродвигателем. Скорость вращения барабана зависит от угла его наклона и продолжительности сушки. Обычно барабан делает 1-8 об/мин.
Эффективная сушка многих материалов возможна в кипящем слое. Принципиальная схема сушки топочными газами в кипящем (псевдоожиженном) слое показана ни рисунке ниже. В камере смешения 2 топочные газы смешиваются с воздухом, нагнетаемым вентилятором 1, и поступают в нижнюю часть сушилки, представляющей собой цилиндрическую или прямоугольную сушильную камеру 3 с газораспределительной решёткой 4. Высушиваемый материал подаётся питателем 5 в верхнюю часть камеры 3 и образует кипящий слой в восходящем токе газа, проходящего сквозь отверстия решётки 4. Высушенный материал пересыпается через порог 6 в сборник 7. Твёрдые частицы, уносимые потоком сушильного агента, отделяются в циклоне 8. В кипящем слое происходит быстрое выравнивание температур твёрдых частиц и сушильного агента и достигается весьма интенсивный тепло- и массообмен между твёрдой и газовой фазами, в результате чего сушка заканчивается в течение нескольких минут.

АбсорбцияАбсорбция – процесс поглощения газов жидкими носителями – абсорбентами. Абсорбция применяется для очистки коксовых газов, от NH3, очистки коксовых газов от Н2S, SO2, и т.д. (получение HCl, H2SО4, HNO3)
Абсорбция протекает на границе раздела фаз, и поэтому должны быть развита поверхность контакта. Если в сосуд поместить газ с концентрацией газа Сг и Р, то газ будет растворяться в жидкости. По мере его накопления в жидкости увеличивается и обратный процесс - десорбция. Затем наступает динамическое равновесие, которое выражается законом Генри:
C = HC или C = H’P
H, H’ – коэффициенты Генри, P – парциальное давление газа
4800600208915 или
Если выразить P = Pобb, где b – долевая концентрация газа, то
C = Н’Pобb
То есть равновесная концентрация газа в жидкости, достигаемая при одном и том же составе газа, пропорциональна общему давлению газа. Кинетика абсорбции, как процесс перехода молекул газа в жидкую среду, характеризуется тремя стадиями.
Диффузия молекул газа из объема к поверхности жидкости.
Распределение молекул газа в поверхностном слое.
Диффузия растворенных молекул газа из поверхностного слоя в объем жидкости.
Первая стадия протекает за счет разности концентрации газа в объеме и поверхностном слое жидкости. Это типично диффузионный процесс.

где gг/τ – скорость поглощения, βг – коэффициент массопередачи в газовой фазе, F – поверхность жидкости, Сг и С’г – концентрации газа в объеме и поверхностном слое газа.
Вторая стадия является быстрой и не лимитирует скорость всего процесса. В этой стадии на поверхности достигается равновесие, записываемое по закону Генри.
C’ж = HC’г
C’ж и C’г – концентрации газа в поверхностном слое жидкости и поверхностном слое газа.Третья стадия также является диффузионным процессом
– скорость диффузии в жидкой среде
где βж – коэффициент массопередачи в жидкой фазе, F – поверхность, C’ж и Сж – концентрации газа в поверхностном слое и объёме жидкости.
При установившемся режиме абсорбции

C’ж = HC’г, , отсюда
|•H

Теперь почленно сложим 2 уравнения
HCг–C’ж = +
C’ж–Cж = HCг–Cж =

– коэффициент скорости массопередачи– общая формула скорости абсорбции. Она упрощается, если исходить из растворимости газов в жидкости.
Если газ малорастворима в жидкости, то
С’г ≈ Сг, откуда НCг ≈ C’ж и Н – мало
тогда => K ≈ βж
и общее уравнение абсорбции

то есть скорость процесса абсорбции малорастворимого газа будет лимитироваться скоростью процесса в жидкой фазе.
Если газ хорошо растворим в жидкости
Сж ≈ С’ж, откуда Cж ≈ HC’г => ≈C’г
Н – велико,
=> K → βг
тогда
и общее уравнение абсорбции

то есть скорость процесса абсорбции хорошо растворимого газа определяется скоростью процесса в газовой фазе.
Химическая абсорбция.
, так как Сж = 0
в растворе химическое взаимодействие
Аппараты для абсорбции называются абсорберами:
Поверхностные.
0453390В абсорберах этого типа поверхностью соприкосновения фаз является зеркало жидкости или поверхность протекающей жидкой плёнки.
Абсорбер выполнен из ряда расположенных друг над другом элементов 1, орошаемых снаружи водой. В каждом элементе имеется порог 2, посредством которого поддерживается определённый уровень жидкости. Абсорберы данного типа малоэффективны и имеют ограниченное применение, главным образом для абсорбции небольших количеств хорошо растворимых газов (получение HCl).
Плёночные.
Устройство работы показанного на рисунке абсорбера следующее. Поглотитель поступает на верхнюю трубную решётку, распределяется по трубам и стекает по их внутренней поверхности в виде тонкой плёнки. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жидкой плёнке. Для отвода выделяющегося при абсорбции тепла по межтрубному пространству. Пропускают воду или другой охлаждающий агент.

Абсорберы данного типа применяются для абсорбции плохо растворимых газов. Жидкостная пленка тонкая и обновление поверхности высокое.
Насадочные.
0506095Они представляют собой колонны, загруженные насадкой – твёрдыми телами различной формы. При наличии насадки увеличивается поверхность соприкосновения газа и жидкости.
На насадочном абсорбере, показанном на рисунке, насадка 1 опирается на решётки 2, в которых имеются отверстия для прохождения газа и стока жидкости. Газ поступает в колонну снизу и движется вверх противотоком по отношению к жидкости. Подаваемая на насадку жидкость должна быть равномерно распределена по сечению колонны. Для подачи жидкости применяют желоба, дырчатые трубы и другие устройства. В абсорбере, показанном на рисунке, жидкость подаётся на насадку при помощи распределительного стакана 3 (брызгалка), в котором имеется большое количество отверстий диаметром 3-6 мм. Жидкость поступает в распределительный стакан из напорного бака или подаётся непосредственно насосом и вытекает из отверстий стакана отдельными струями. Для предотвращения растекания жидкости к стенкам, иногда насадку засыпают не сплошь на высоту, а виде отдельных слоёв как показано на рисунке. Высота отдельных слоёв 1,5-3 м. Для перераспределения жидкости и отвода её от стенок под каждым слоем насадки, кроме нижнего, устанавливают направляющий конус 4.

Барботажные.
В барботажных абсорберах поверхность соприкосновения фаз развивается потоками газа, распределяющегося в жидкости в виде пузырьков воздуха. Такое движение газа называется барботажем.
063500На рисунке газ проходит через отверстия 1 диаметром 2-5 мм и барботирует через слой жидкости на тарелке. При нормальной работе колонны жидкость не протекает через отверстия, так как она поддерживается снизу давлением газа. Высота слоя жидкости на тарелке составляет 25-30 мм и определяется положением верхних концов переливных труб 2.
Преимуществами барботажных абсорберов являются хороший контакт между фазами и возможность работы при любом, в том числе и низком, расходе жидкости. Основные недостатки – сложность конструкции и высокое гидравлическое сопротивление, связанное при пропускании больших количеств газа со значительными затратами энергии на перемещение газа через аппарат. Поэтому барботажные абсорберы применяют преимущественной в тех случаях, когда абсорбция ведётся под повышенным давлением, так как при этом высокое гидравлическое сопротивление не существенно.
АдсорбцияАдсорбция – это процесс поглощения газов, паров и жидкостей твердыми телами. Процесс адсорбции обладает большой селективностью и обратимостью. Адсорбент способен поглощать лишь определенные вещества, которые затем могут быть выделены при десорбции.
Наиболее распространенными адсорбентами являются активированный уголь, силикагель, ионообменные столы, цеолиты и т.д., которые имеют высоко развитую поверхность
1 г угля – 1000 см2
1 г силикагеля – 500 м2Процессы адсорбции протекают в неподвижном или подвижном адсорбенте и применяются для очистки и осушки газов, для разделения углеводородов и т.д. При адсорбции молекулы газов или жидкостей концентрируются на поверхности адсорбента под действием молекулярных сил притяжения, которые имеют по современные представлениям электрическую природу. Однако существует специфический тип адсорбции – хемосорбция, где происходит химическое взаимодействие газов с твердым материалом. В общем виде зависимость поглощенного вещества от парциального давления в газе выражаются изотермами Лэнгмюра, которые рассматривают подробно в курсе коллоидной химии.
Основные факторы, влияющие на процессы адсорбции, следующие:
Свойства адсорбента
Температура
Давление
Свойства поглощённых веществ.
Адсорбенты характеризуются динамической и статической активностью.
Динамическая активность – количество поглощенного вещества единицей веса адсорбента за время от начала адсорбции до проскока. Проскок – явление прохода газа через слой адсорбента без его адсорбции.
Статическая активность – количество поглощенного вещества единицей веса адсорбента за время от начала адсорбции до равновесия.
В технологии необходимый расход адсорбента определяют по динамической активности. Зависимость скорости адсорбции от парциального давления выражается эмпирическим уравнением

где q – количество адсорбированного вещества, G – количество абсорбента, K и n – коэффициенты.
Кинетика процесса адсорбции
Скорость адсорбции в общем виде определяется уравнением массопередачи
K – коэффициент массопередачи, C и C* – рабочая и равновесная концентрация.
Адсорбция складывается из следующих стадий:
Внешняя диффузия, т.е. диффузия молекул вещества из объёма к внешней поверхности абсорбента через окружающую плёнку.
Внутренняя диффузия, т.е. диффузия молекул вещества от внешней поверхности по порам к его эффективной адсорбирующей поверхности
Сорбция вещества на сорбирующей поверхности.
Последняя стадия – сорбция – считается почти мгновенной и не влияет на общую скорость процесса.
В случае адсорбции коэффициент массопередачи:

βг – коэффициент массопередачи в газовой фазе (жидкой), βт – коэффициент внутреннего массопереноса.
Коэффициент массопередачи при внешней диффузии βг учитывай перенос вещества к поверхности адсорбента в результате молекулярной и конвективной диффузии. На этот процесс существенное влияние оказывает гидравлический режим в жидкой или газовой фазе.
Вопрос об относительном влияния внешней и внутренней диффузии в каждом конкретном случае требует специального изучения. Как правило, при адсорбции крупнопористым адсорбентом сравнительно небольших молекул основное влияние оказывает внешняя диффузия. При использовании мелкопористых абсорбентов при абсорбции крупных по размеру молекул лимитирует скорость процесса внутренняя диффузия. Замечено также, что при первой стадии адсорбции лимитирующей стадией является внешняя диффузия, а при насыщении – внутренняя.
Наибольшее применение в промышленности получили адсорбционные установки периодического действия, состоящие из нескольких одинаковых аппаратов, любой из которых может отключаться в любой момент для регенерации. Рабочий цикл каждого аппарата состоит из трёх стадий:
Насыщение адсорбента
Десорбция поглощенного вещества
Охлаждение адсорбента
-38103810Адсорберы периодического действия представляют собой вертикальные или горизонтальные цилиндры, снабженные решетками, на которых располагается адсорбент. В аппаратах предусмотрены штуцеры для входа и выхода исходной и очищенной смеси, а также десорбирующего газа или водяного пара. Однако в аппаратах периодического действия адсорбент используется не полностью.
Этот недостаток исключен в адсорберах непрерывного действия с движущимся или «кипящим» слоем адсорбента. Последний непрерывно поступает сверху вниз навстречу потоку разделяемой смеси, проходит десорбер, затем поступает в бункер, а оттуда через холодильник возвращается в адсорбер.
Экстракция
Экстракцией – называется процесс разделения жидких и твёрдых смесей путем избирательного растворения одного или нескольких компонентов в жидкостях, называемых экстрагентами.
Применение:
в органическом синтезе
переработка нефти
поглощения ядерного горючего
получение чистых веществ различной природы и т.д.
Движущей силой экстракции, как и других массообменных процессов, является разность концентраций в обеих средах. При разделении жидкой смеси исходная жидкость обрабатывается экстрагентом, и в результате образуется экстракт – раствор извлечённого из смеси компонента в экстрагенте и рафинат – жидкость, обеднённая извлекаемым компонентом.
В общем случае к экстрагентам предъявляются следующие требования.
избирательность (способность растворять целевые компоненты)
химическая индифферентность
возможно низкая растворимость в жидкой смеси
доступность и низкая стоимость и т.д.
514350038735В технологическом отношении процесс экстракции состоит из 3-х последовательных операций
1. перемешивание исходной смеси с экстрагентом2. механическое разделение экстрагента и рафината3. регенерация экстрагента (ректификация, высаливание)
Рассмотрим схему экстракции.
031115I – обрабатываемая смесь
II – экстрагентВ процессе эктракции осуществляется непрерывный переход компонентов из одной жидкости в другую.
Скорость перехода компонентов из I в II равна

Обратный переход

KI, KII – константы скорости
При равновесии UI = UII => KICI = KIICII

K – коэффициент распределения
Процесс экстракции близок к процессу абсорбции, протекает по тем же стадиям:
Диффузия II компонента из объема I к поверхности раздела фаз.

βI – коэффициент скорости переноса в обрабатываемой жидкости.
Переход через границу раздела фаз – это быстрая стадия. Здесь осуществляется равновесие.
C = KC
Диффузия от границы в объем экстрагента
βII – коэффициент скорости переноса в объеме экстрагента.
При совместном решении уравнений устанавливается решение


– коэффициент скорости экстракции
Скорость экстракции зависит от
(KCI–CII), то есть от отдаленности от равновесия
поверхности раздела фаз
от температуры: при повышении температуры, повышается коэффициент диффузии и уменьшается η средн.
от перемешивания.
Рассмотрим 2 случая экстракции
I. Вещество плохо экстрагируется.

CI ≈ C => C≈ KCI

т.е. скорость экстракции будет определяться скоростью диффузии вещества в экстрагентеII. Вещество хорошо экстрагируется.

CII ≈ C => CII ≈ KC

т.е. скорость экстракции определяется скоростью диффузии вещества в растворе.
Процесс экстракции осуществляется в аппаратах – экстракторах. Эффективность экстракторов зависит от совершенства контактирования исходной смеси и экстрагента, а также от чёткости разделения полученной смеси на экстракт и рафинат.
Большая поверхность контакта достигается диспергированием одной из жидких фаз, а чёткость разделения – обособленными гравитационными отстойниками.
По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты делят на II группы:
Контактные экстракторы (в них характер изменения состава фаз близок к непрерывному):
Распылительные
Представляет собой полую колонну, заполненную одной из жидкостей – сплошной (дисперсионной) фазой (на рисунке – тяжёлая жидкость). Для создания большей поверхности контакта фаз другая жидкость (дисперсная фаза) распыляется при помощи распределительного устройства в сплошной фазе. На определённом уровне капли дисперсной фазы сливаются образуют слой, отдельный от сплошной фазы поверхностью раздела. Сверху и снизу колонна расширена, что способствует лучшему отстаиванию фаз. Данные колонны обладают высокой производительностью, но мало эффективны.
Насадочные
По устройству не отличаются от насадочных абсорберов. Насадка, беспорядочно засыпанная на опорную решётку, выполняет роль перегородок: она способствует многократному дроблению и слиянию и слиянию капель дисперсной фазы и сводит к минимуму обратное перемешивание. По простоте устройства данные аппараты приближаются к распылительным экстракторам, но предельная производительность их ниже, так как некоторая часть сечения колонны занята насадкой. Эффективность разделения в насадочных экстракторах невысокая.
Многоступенчатые смесители
Наиболее распространённым аппаратом этого типа является роторно-дисковый экстрактор. По оси колонны вращается ротор-вал, на который насажены плоские диски 2, перемешивающие жидкость. Колонна делится на секции кольцевыми перегородками 3, укреплёнными на стенках аппарата, причём диски находятся на середине высоты каждой секции. Движущиеся противотоком жидкие фазы смешиваются в каждой секции и в некоторой степени разделяются при обтекании неподвижных кольцевых перегородок, ограничивающих секции. Производительность и эффективность зависит от числа оборотов ротора, соотношения размеров дисков и кольцевых перегородок и расстояния между ними, а также, как и в других экстракторах, от соотношения расходов фаз. Достоинством роторно-дисковых экстракторов является сочетание довольно значительной производительности с высокой интенсивностью процесса массопередачи.
Пульсационные
Представляет собой колонну с ситчатыми тарелками без патрубков для перетока сплошной фазы. В колонне при помощи специального механизма (пульсатора) жидкости сообщаются пульсации – колебания небольшой амплитуды (10-25 мм) и определённой частоты. В качестве пульсатора чаще всего используют бесклапанный поршневой насос, присоединяемый к днищу колонны (а) или к линии подачи лёгкой жидкости (б). При сообщении жидкости пульсаций происходит многократное тонкое диспергирование одной из фаз, что обусловливает интенсивную массопередачу. Помимо ситчатых экстракторов, применяются также насадочные пульсационные колонны.
Ступенчатые экстракторы (в них изменение состава фаз происходит скачкообразно (ступенчато), в каждой ступени осуществляется смешение и разделение (сепарация) фаз):
Тарельчатые
В экстракторах с ситчатыми тарелками дисперсная фаза многократно раздробляется при прохождении сквозь отверстия ситчатых тарелок (диаметр отверстий 2-9 мм). Струйки дисперсной фазы распадаются при этом на мелкие капли, которые образуют слои над тарелками, если диспергируется лёгкая жидкость. Диспергирование происходит, когда гидростатическое давление слоя жидкости становится достаточным для её прохождения сквозь отверстия. Для стока сплошной фазы на тарелках имеются сливные патрубки. Расстояние между тарелками составляет 0,15-0,6 м.
Смесительно-отстойные.
Горизонтальный экстрактор такого типа представляет собой цилиндрический аппарат, разделённый перегородками на отсеки. Каждый отсек состоит из камеры смешения (труба с внутренним погруженным насосом) и отстойной камеры. Исходный раствор, подаваемый в экстрактор, поступает по переливной трубе 1, в первую по ходу раствора камеру смешения. В эту же камеру по трубе 2 поступает из предыдущей ступени экстрагент, обогащённый извлекаемым веществом. В камере смешения фазы при помощи насоса перемешиваются, и смесь подаётся через патрубок 3 на разделение в отстойную камеру. Отсюда экстракт отводится из аппарата через воронку 4, а обеднённый раствор (рафинат) по переливной трубе направляется в следующую камеру смешения, где снова смешивается с экстрактом, поступающим из предыдущей ступени, а затем смесь направляется в следующую отстойную камеру. Смешение и разделение фаз повторяется многократно, вплоть до последней ступени, где раствор смешивается со свежим экстрагентом, поступающим через штуцер 5. Из этой ступени удаляется конечный рафинат.
В вертикальных экстракторах прямоугольные отстойные камеры установлены непосредственно одна над другой, для смешения фаз служат насосы, смонтированные на боковых стенках отстойных камер. Колонна разделяется по высоте на чередующиеся смесительные и отстойные секции, причём отстойные секции (каждая высотой 0,3 м и более) заполнены специальной насадкой. В смесительных зонах перемешивание производится четырёхлопастными мешалками, вращающимися на общем вертикальном валу, который проходит по оси колонны. Такие аппараты занимают значительно меньшую площадь, чем горизонтальные смесительно-отстойные экстракторы. Кроме того, благодаря прямоугольной форме отстойных камер удаётся уменьшить отношение высоты камер к их сечению, что способствует ускорению отстаивания и приводит к большей компактности аппарата.


Дистилляция и РектификацияПри многих химических процессах получается смесь различных жидкостей, которую необходимо разделить на чистые компоненты. Процесс разделения основан на различной упругости пара компонентов. Способы разделения подобных смесей делятся на 2 группы:
1. Дистилляция: простая перегонка, перегонка под вакуумом.
2. Ректификация.
Простая перегонка применяется для разделения легколетучих и нелетучих жидкостей. Перегонка под вакуумом и с водяным паром применяется от разделения нелетучей и малолетучей жидкости.
Ректификация – способ разделения жидкостей, растворимых друг в друге и обладающих примерно одинаковой летучестью.
Дистилляции подвергаются смеси жидкостей, организующие при следующем типы диаграмм состояния.
1. с простой эвтектикой
039370
жидкости нерастворимы друг в друге
2. с областью расслаивания
055245
жидкости частично растворимы друг в друге
Ректификации подвергаются смеси жидкостей, неограниченно растворимых друг в друге и имеющие следующие типы диаграмм состояния:
1. сигарообразные

2. дающие азеотропные смеси
ВКТ
НКТ
Подобные растворы приближаются к идеальным, и равновесие в них между жидкостью и паром описывается законом Рауля.
Если рассмотрим систему
А+ВА – легколетучий, В – труднолетучий
Рn = РаХаРв = Ра(1–Ха)
Роб. = Ра+Рв = РаХа+Рв (1-Ха)
Рn – парциальное давление АРа – упругость чистого АХа – мольная доля А в смеси
То есть при температуре t = const парциальное давление компонентов, а также общее давление паров смеси находится в линейной зависимости от мольной доли лекголетучего компонента в смеси.
На основании этого закона и диаграммы состояния компонентов и проводится Ректификация.
Непрерывная ректификация
1. Простая ректификация.
Рассмотрим диаграмму состояния бензол-толуол.
-3810-3810Возьмём пар в точке X1t1 и начнём его охлаждать. В точке t2 появится жидкая фаза и она продолжит конденсироваться до точки t3. В этой точке X3t3 смеси жидкость состава X1 и пар – состава X2. Отберём и вновь сконденсируем этот пар до t4. При этой температуре состав жидкости X2, а пара – X3. В результате многократного повторения этого процесса получаем газ, состоящий из одного низкокипящего компонента и жидкость из высококипящего компонента.
Данный процесс реализуется в ректификационной колонне. Наибольшее распространение получили тарельчатые колонки. Общий вид колонки и принцип её действия следующие.
0290195Ректификационная колонна состоит из 2-х колонн: укрепляющей (1) и исчерпывающей (2). В первой происходит обогащение паров НКК, а во второй – извлечение (исчерпывание) этого компонента из жидкой фазы. Важное понятие РК – теоретическая тарелка – характеризует однократный контакт жидкости и пара, завершающий достижение фазового равновесия (ей соответствуют горизонтальные линии на РС). Исходная смесь состава Х1, подается на питающую тарелку (3), где смешиваются с флегмой, получаемой частичной конденсацией НКК, для поддержания постоянного состава ректификата. С тарелки питания жидкость стекает по исчерпывающей колонне навстречу пару, получаемому из жидкости в кипятильнике (4). Часть её испаряется, а часть удаляется в виде кубового остатка (чистый ВКК). Пар, обогащенный НКК, конденсируется в конденсаторе (5), часть его в виде флегмы поступает в колонну, а остаток отводится в виде чистого НКК.

Степень чистоты НКК и ВКК зависит от числа теоретических тарелок, которое можно рассчитать для каждой колонны.
2. Для ректификации смеси жидкостей, имеющих близкую tкип, применяется метод экстрактивной ректификации с использованием разделяющего реагента.
-38100Так, например, для ректификации смеси метилциклогексана (А) (tкип = 101°C) и толуола (В) (tкип = 110°C) качества разделяющего агента используют анилин (R). Установка состоит их 2-х обычных ректификационных колонн, в первую из которых на верхнюю тарелку укрепляющей части вводят поток разделяющего агента. Он растворяется в потоке флегмы, повышая интенсивность агента НКК, увлекая вниз, как бы экстрагируя ВКК. Кубовам жидкость первой колонны представляют собой смесь В+R, которую разделяют во 2-й колонне, откуда кубовый остаток идет снова на 1 колонну.
3. Для ректификации жидкостей, дающих азеотропы, применяют метод азеотропной ректификации при прибавлении разделяющего реагента, дающего свои азеотропы с одним или обоими компонентами исходной смеси.
Например, для получения 100% спирта перегоняют смесь С2Н5ОН(А)–Н2О(В) с бензолом (R). Тройной азеотроп Б–Э–Н2О имеет tкип = 65о, у Э–Н2О – 78о. Установка состоит из 3 колонн: азеотропной (1), отгонной (2) и укрепляющей (3). Из адсорбционной колонны, куда поступает исходная смесь и бензол, отводятся в виде дистиллята тройной азеотроп (Т), уносящий всю воду, и чистый спирт в виде кубового остатка. Охлажденный дистиллят попадает в отстойник (О), где образует 2 слоя. Верхний, с 1% Н2О образует флегму азеотропной колонны, нижний, с 36% Н2О – поступает в отгонную колонну. Дистиллят отгонной колонны (R+А) присоединяют к дистилляту азеотропной колонны, а кубовый остаток (слабый раствор С2Н5ОН) на питающую тарелку укрепляющей колонны Дистиллят укрепляющей колонны (96% А + 4% Н2О) смешивается с исходным азеотропом, а кубовый остаток представляет собой воду (В).

Основы передачи теплаПри тепловых процессах тепло передается от одного вещества к другому. Эти вещества участвующие в теплообменных процессах называется теплоносителями. Вещества с более высокой температурой, которые в процессе теплообмена отдают тепло, называются горячими теплоносителями, а вещества с более низкой, которые принимают тепло, – холодными теплоносителями.
Существует два основных технологических способа проведения тепловых процесса.
Путем непосредственного соприкосновения теплоносителей (проводится редко)
Передача тепла через стенку (теплоносители в этом случае не смешиваются, и каждый движется по своему каналу)
Передача тепла во втором случае происходит посредством:
Теплопроводности
Конвекции
Лучеиспускания.
Передача тепла теплопроводностью осуществляется путём переноса тепла при непосредственном контакте отдельных частиц тела. При этом тепло передается от одной частицы к другой в результате колебательного движения частиц без их перемещения друг относительно друга. Способ в основном для металлов. Передача тепла теплопроводностью описывается законом Фурье. Количество тепла, проходящего за счет теплопроводности прямо пропорционально времени, градиенту температуры и поверхности, нормальной к направлению теплопередачи.
dQ = –λdτdFλ (лямбда) – коэффициент теплопроводности. Знак «–» отражает то, что температура уменьшается в направлении x (направлении теплопередачи)

Коэффициент теплопроводности имеет следующие значения
λ λ
сталь 39 силикаты 1-3
Al 175 жидкости <1
Cu 330 газы <0,02
Теплопроводность плоской стенки (трубы) можно рассчитать следующим образом:
– количество тепла, проходящего через стенку

l – толщина стенки

Передача тепла конвекцией происходит в жидкости и газах путем перемещения их частиц в зависимости от движения частиц вследствие движения жидкости или газа либо различной их плотностью в различных точках.
073660Пусть у нас имеется текущая жидкость и стенка, через которую переходит Q. Среда движения турбулентно (неупорядоченно) и передает тепло стенке tст<t1. Но около стенки всегда имеется тонкий слой жидкости, который движется ламинарно (упорядочено). Этот слой является основным сопротивлением передаче тепла.
Передача тепла через этот пограничный слой подчиняется закону Фурье

Δ – толщина пограничного слоя, t0 – температура на границе слоя = t1
Величина =α в этом случае называется коэффициентом теплоотдачи
– уравнение Ньютона

α – это количество тепла, которое воспринимает стенка площадью 1м2 за 1 час и при разности температур 1°С.
Вычисление α – задача трудная, так как толщина ламинарного слоя определяется неточно вследствие размытых границ слоя. В этом слое передача тепла происходит и конвекцией и теплопроводностью. В общем случае α является функцией многих переменных.
Рассмотрим теперь передачу тепла через стенку.
-38100Запишем тепловые потоки («–» в скобки)



При установившемся режиме теплопередачи
Q1 = Qст = Q2 = Q
Складываем почленно правую часть и левую часть, τ переносим в правую часть, α, λ – в левую часть

= K – коэффициент теплопередачи тепла через стенку

Передача тепла лучеиспусканием происходит посредством электромагнитных волн. При этом тепловая энергия превращается в лучистую и затем снова в тепло при поглощении лучистой энергии другим телом. Тела, которые поглощают всю энергию, называются абсолютно черными телами. Тела, которые полностью отражают энергию называются абсолютно белыми телами. Это чисто теоретические понятия. Лучеиспускание подчиняется закону Стефана – Больцмана.
Теплообмен излучением – процесс переноса тепла в виде электромагнитных волн (фотонов). Этот вид теплообмена проходит в 3 этапа: внутренняя энергия тела вначале преобразуется в энергию излучения, которая на втором этапе распространяется в пространстве, а на третьем этапе энергия излучения вновь преобразуется в теплоту тела, поглощающего лучистый поток. Лучистый обмен имеет место между всеми телами и является единственно возможными способом переноса Q в вакууме. При температурах, обычных в технике, основное количество теплоты излучается в инфракрасном диапазоне.
При попадании потока излучения на тело он делится на 3 части: Поглощенную Епогл, отражаемую Еотр и пропущенную ЕпропЕ = Епогл +Еотр +Епроп | :Е= A + R + D
где А – поглощательная способность тела, R – отражательная способность тела, D – пропускательная способность тела.
При А = 1; R=D>0 – тело абсолютно черное
R=1; А=D=0 – тело абсолютно белое
D=1; А=R=0 – тело диатермичное (прозрачное)
В природе нет ни абсолютно чёрного тела, ни абсолютно белого тела. Свойством абсолютно чёрного тела обладает отверстие в стенке полого тела.
Количество тепла, излучаемого телом в единицу времени, пропорционально поверхности тела и четвёртой степени его абсолютной температуры:

C – коэффициент лучеиспускания
Если два тела находятся на определённом расстоянии друг от друга и T1<T2 и между ними находится лучепрозрачная среда, то между ними возникает теплообмен посредством излучения. Нагретое тело будет отдавать энергию холодному.
Cч = 5•10-8 ккал/м2•час•(град К)4
Cб = 1•10-8 ккал/м2•час•(град К)4

ε – степень черноты
Например, εмеди = 0,023, εасбеста = 0,96.
Аппараты для теплообмена используются те же, что и для утилизации тепла (регенераторы и рекуператоры).
Из законов излучения для теплотехники наибольшее значение имеет закон Стефана-Больцмана: количество энергии, излучаемое единицей поверхности абсолютно чёрного тела в единицу времени, пропорционально четвёртой степени его абсолютной температуры:

где σ0 – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.
При применении закона к серому телу:

σ0 ≠ σ
и их соотношение – степень приближения тела к абсолютно чёрному телу
ε
шамотный кирпич 0,59
уголь 0,80
медь 0,06
красный кирпич 0,94
Утилизация тепла
Из всех видов потребляемой в химической промышленности энергии первое место принадлежит тепловой энергии. Степень использования тепла при проведении химико-технологического процесса определяется тепловым К.П.Д.:

где Qт и Qпр соответственно количество тепла, теоретически и практически затрачиваемого на осуществление реакции.
Использование вторичных энергетических ресурсов (отходов) повышает К.П.Д. Энергетические отходы используются в химических и других отраслях промышленности для различных нужд.
Особенно большое значение в химической промышленности имеет утилизация тепла продуктов реакций, выходящих из реакторов, для предварительного нагрева материалов, поступающих в эти же реакторы. Такой нагрев осуществляется в аппаратах, называемых регенераторами, рекуператорами и котлами-утилизаторами. Они накапливают тепло отходящих газов или продуктов и отдают его для проведения процессов.
Регенераторы представляют собой периодически действующие камеры, заполненные насадкой. Для непрерывного процесса необходимо иметь, по крайней мере, 2 регенератора.

Горячий газ сначала проходит через регенератор А, нагревает его насадку, а сам охлаждается. Холодный газ проходит через регенератор Б и нагревается от ранее нагретой насадки. После нагрева насадки в А и охлаждения в Б заслонки перекрывают и т.д.
В рекуператорах реагенты поступают в теплообменник, где нагреваются за счёт тепла горячих продуктов, выходящих из реакционного аппарата, и затем подаются в реактор. Теплообмен происходит через стенки трубок теплообменника.

В котлах-утилизаторах тепло отходящих газов и продуктов реакции используют для получения пара.

Горячие газы движутся по трубам, размещённым в корпусе котла. В межтрубном пространстве находится вода. Образующийся пар, проходя влагоотделитель, выходит из котла.

Приложенные файлы

  • docx 14430203
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий