Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
М. Ю. Сарилов, П. М. Тягущев
МАШИНЫ И АППАРАТЫ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Утверждено в качестве учебного пособия Учёным советом Федерального государственного бюджетного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»
Комсомольск-на-Амуре
2015
УДК 66.02 ББК 35.113я7
С201
Рецензенты:
Кафедра теории и методики технологического образования ФГБОУ ВПО «Амурский гуманитарно-педагогический государственный университет»,
заведующий кафедрой кандидат технических наук, доцент В. Ф. Иваненко; В. М. Козин, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией механики деформирования ФГБУН «Институт машиноведения и металлургии» Дальневосточного отделения Российской академии наук
Сарилов, М. Ю.
С201 Машины и аппараты массообменных процессов : учеб. пособие / М. Ю. Сарилов, П. М. Тягущев. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВПО
«КнАГТУ», 2015. – 52 с. ISBN 978-5-7765-1226-1
В учебном пособии рассмотрены вопросы, касающиеся оборудования массообменных процессов, конструкционных материалов, нормативных документов.
Предназначено для студентов направления 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», профиль «Оборудование нефтегазопереработки», и направления 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», профиль «Машины и аппараты химических производств».
|
УДК 66.02 |
|
ББК 35.113я7 |
ISBN 978-5-7765-1226-1 |
© ФГБОУ ВПО «Комсомольский- |
|
на-Амуре государственный |
|
технический университет», |
|
2015 |
2
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................... |
4 |
|
1. |
МАССООБМЕН.............................................................................................. |
4 |
|
1.1. Общие сведения ........................................................................................ |
4 |
|
1.2. Классификация массообменных процессов........................................... |
6 |
|
1.3. Требования, предъявляемые к массообменному оборудованию............ |
8 |
|
1.4. Нормативные документы, используемые при проектировании |
|
|
оборудования........................................................................................... |
11 |
2. |
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ |
|
|
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ МАССООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ..... |
12 |
|
2.1. Стали......................................................................................................... |
15 |
|
2.2. Чугуны...................................................................................................... |
17 |
|
2.3. Алюминий и сплавы на его основе....................................................... |
18 |
|
2.4. Медь и ее сплавы..................................................................................... |
19 |
|
2.5. Титан и сплавы на его основе................................................................ |
21 |
3. КОЛОННЫЕАППАРАТЫ МАССООБМЕННЫХПРОЦЕССОВ.............. |
22 |
|
|
3.1. Тарельчатые аппараты............................................................................ |
22 |
|
3.2. Насадочные аппараты............................................................................. |
26 |
4. |
ЭКСТРАКЦИОННЫЕ АППАРАТЫ МАССООБМЕННЫХ |
|
|
ПРОЦЕССОВ................................................................................................. |
31 |
5. |
АППАРАТЫ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ АДСОРБЦИИ..................................... |
38 |
6. |
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ....................... |
40 |
7. |
СУШИЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ............................................................. |
45 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................. |
50 |
|
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................. |
51 |
|
3
ВВЕДЕНИЕ
Массообменные процессы играют важную роль при переработке нефти, различных углеводородных и других смесей. Путем ректификации из нефти получают различные продукты: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, масляные фракции, узкие (по температурам кипения) бензиновые фракции. При ректификации сжиженных газов выделяют этилен, этан, пропан, бутан и другие компоненты. Путем перегонки в вакууме получают специальные масла.
Абсорбцию жидкими поглотителями и адсорбцию твердыми веществами используют для извлечения из природных и попутных газов, а также из газов нефтеперерабатывающих заводов пропан-пропиленовой, бу- тан-бутиленовой, бензиновой фракций, которые служат сырьем для нефтехимической промышленности.
Для извлечения ароматических углеводородов из бензиновых фракций при производстве масел и очистке нефтепродуктов применяется процесс экстракции.
Процесс сушки нашел применение в производстве катализаторов и адсорбентов.
Даже такой неполный перечень использования массообменных процессов в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности свидетельствует об их широком распространении и важности решаемых с помощью этих процессов технологических задач.
1. МАССООБМЕН
1.1. Общие сведения
Массообмен – необратимый перенос массы компонента смеси в пределах одной или нескольких фаз. Осуществляется в результате хаотичного движения молекул. Массообмен включает массоотдачу (перенос вещества от границы раздела в глубь фазы) и массопередачу (перенос вещества из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз). Различают эквимолярный массообмен (например ректификация), при котором через поверхность раздела фаз в противоположных направлениях переносится одинаковое количество компонентов, и неэквимолярный (например абсорбция). Массообмен лежит в основе разнообразных процессов разделения и очистки веществ, объединяемых в класс массообменных процессов. Многие тепловые процессы, такие, как прокаливание, конденсация, выпаривание, испарение – сопровождаются массообменом. При проведении химических процессов массообмен определяет скорость подвода вещества в зону реак-
4
ции и удаления продуктов реакции. В большинстве случаев в массообмене участвуют две или более фаз, в которых концентрации целевого компонента при равновесии различаются. При взаимодействии двух фаз в соответствии со вторым началом термодинамики их состояние изменяется в направлении достижения равновесия, которое характеризуется равенством температур и давлений фаз, а также равенством химических потенциалов каждого компонента в сосуществующих фазах.
Массообмен осуществляется также под действием градиентов электрических потенциалов (при электрофорезе, в электрохимических процессах), температуры (например, в термодиффузионной колонне для разделения изотопов) и другого. Однако на практике движущую силу массообмена обычно выражают через градиент концентраций, что значительно упрощает связь между скоростью процесса и составом технологических потоков. В ряде случаев использование концентрации движущей силы можно обосновать теоретически.
Учет условий существования данного количества фаз и законов распределения компонентов в них, определяемых фаз правилом и законами равновесия, необходимо для понимания и анализа любого процесса массообмена. Термодинамическая теория фазовых равновесий разработана достаточно хорошо, хотя для практических расчетов, когда это возможно, в ряде случаев надежнее использовать экспериментальные данные, приводимые в справочной литературе. Условия контактирования фаз в процессах массообмена исключительно разнообразны. Так, при дистилляции в непосредственном контакте находятся насыщенный пар и кипящая жидкость, что способствует переносу менее летучих компонентов из пара в жидкость и более летучих – из жидкости в пар. В процессах адсорбции газовая или жидкая смесь разделяется в результате предпочтительной сорбции одного из компонентов на поверхности твердого адсорбента. Кристаллизацию используют для выделения кристаллизующейся твердой фазы из резервуара путем создания условий перенасыщения по нужному компоненту. Мембранные процессы разделения основаны на способности некоторых тонких пленок или пористых перегородок пропускать одни соединения и задерживать другие. Операции сушки зависят от переноса как жидкости, так и пара внутри твердого тела и затем пара в осушающий газ. Все эти процессы, а также ионный обмен, сублимация и другие, объединяются общими кинетическими закономерностями, определяющими скорость межфазного переноса массы. Последняя зависит от скорости молекулярной диффузии в неподвижной среде и скорости конвективной диффузии – в движущейся среде, а также от специфических условий на границе раздела фаз.
5