Альбом типовой химической аппаратуры (принципиальные схемы аппаратов): учебное пособие для вузов [Коллектив авторов] (pdf) читать онлайн

Н. И. СМИРНОВ,
В. М. БАРАБАШ,
К. А. КАРПОВ

АЛЬБОМ ТИПОВОЙ
ХИМИЧЕСКОЙ
АППАРАТУРЫ
(ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ
СХЕМЫ АППАРАТОВ)
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Под общей редакцией Н. Н. Смирнова
Издание пятое, стереотипное

шь

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ • МОСКВА • КРАСНОДАР
2024

УДК 60.02
ББК 35я73
С 50 Смирнов Н. Н. Альбом типовой химической аппаратуры
(принципиальные схемы аппаратов): учебное пособие для вузов /
Н. Н. Смирнов, В. М. Барабаш, К. А. Карпов ; под общей
редакцией Н. Н. Смирнова. — 5-е изд., стер. —Санкт-Петербург :
Лань, 2024. — 84 с. : ил. — Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-507-48587-1
В пособии представлены принципиальные схемы типовых хими­
ческих аппаратов и их элементов, которые наиболее широко исполь­
зуются в промышленной практике. Приводится описание устройства
оборудования, принцип его действия и области применения химической
аппаратуры. Книга предназначена для студентов вузов, обучающихся
по направлениям подготовки и специальностям: «Химические техно­
логии», «Промышленная экология и биотехнологии», «Машинострое­
ние», «Технологии легкой промышленности», «Управление в техни­
ческих системах». Материал пособия может быть использован на лек­
циях, групповых и лабораторных занятиях, а также во время
самостоятельной работы и подготовки студентов.

УДК 60.02
ББК35я73

Рецензенты:
В. Н. СОКОЛОВ — доктор технических наук, профессор,
заслуженный деятель науки и техники РФ;
А. Н. ВЕРИГИН — доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой машин
и аппаратов химических производств Санкт-Петербургского государственного
технологического института (технического университета).

Обложка
Е.А. ВЛАСОВА

© Издательство «Лань», 2024
© Н. Н. Смирнов, В. М. Барабаш,
К. А. Карпов, 2024
© Издательство «Лань»,
художественное оформление, 2024

СОДЕРЖАНИЕ
Введение

5

1. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

6

1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.

1.6.

1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
1.12.

1.13.
1.14.
1.15.
1.16.
1.17.
1.18.
1.19.
1.20.
1.21.
1.22.
1.23.
1.24.

Пылеосадительная камера
Отстойник непрерывного действия с гребковой мешалкой
Циклон
Батарейный циклон и его элементы
Центрифуга отстойного типа непрерывного действия
с горизонтальным валом и шнековой выгрузкой осадка
Центрифуга отстойного типа периодического действия
с горизонтальным валом и ручной выгрузкой осадка
Центрифуга фильтрующего типа непрерывного действия с выгрузкой
осадка пульсирующим поршнем
Жидкостной сепаратор тарельчатого типа
Трубчатая сверхцентрифуга периодического действия
Гидроциклон
Закрытый нутч-фильтр периодического действия и ручной
выгрузкой осадка
Барабанный вакуум-фильтр непрерывного действия с наружной
фильтрующей поверхностью и ножевым съемом осадка
Ленточный вакуум-фильтр непрерывного действия
Дисковый вакуум-фильтр непрерывного действия
Рамный фильтр-пресс периодического действия и ручной
выгрузкой осадка
Автоматизированный фильтр-пресс непрерывного действия
с горизонтальными камерами
Рукавный фильтр с механическим встряхиванием
Барботажный (пенный) пылеуловитель непрерывного действия
Скруббер Вентури непрерывного действия
Трубчатый электрофильтр непрерывного действия
Основные конструктивные типы мешалок
Аппарат для перемешивания маловязких систем
Аппарат для перемешивания высоковязких (неньютоновских) жидкостей
Пневматические (барботажные) перемешивающие устройства

2. ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»
Аппарат с греющей рубашкой
Пластинчатый калорифер для нагрева (охлаждения) воздуха
Пластинчатый теплообменник «фильтр-прессного»типа
Спиральный теплообменник
Кожухотрубчатые теплообменники с компенсациейнеоднородных
температурных удлинений труб и кожуха
2.7. Многоходовые (по трубному пространству) кожухотрубчатые
теплообменники жесткой конструкции
2.8. Многоходовый (по межтрубному пространству) кожухотрубчатый
теплообменник
2.9. Кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции

2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.

8
8
9
10
11

12
13
13
14
15
15

16

18
19
20

21
23
24
25
26
26
28
28
29
31

33
33
34
35
36
37
38

39
39
3

2.10. Насадочный теплообменник-конденсатор
2.11. Полочные барометрические конденсаторы
2.12. Выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной трубой
и естественной циркуляцией раствора
2.13. Выпарной аппарат с вынесенной зоной кипения
2.14. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией и вынесенными
нагревательной камерой и циркуляционной трубой
2.15. Выпарные пленочные аппараты с восходящей и нисходящей пленкой
2.16. Роторный пленочный аппарат
3. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Виды насадок
Колпачковая тарелка с капсульными колпачками
Ситчатая переточная тарелка
Клапанная тарелка
Пластинчатая тарелка
Провальная тарелка
Типы интенсивных контактных устройств
Насадочные абсорберы
Пленочный абсорбер
Тарельчатый абсорбер
Распыливающие абсорберы
Роторно-дисковый экстрактор
Ситчатый экстрактор
Распылительные экстракторы
Пульсационные экстракторы
Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента
Адсорбер с псевдоожиженным слоем
Адсорбер с плотным движущимся слоем
Кристаллизатор с псевдоожиженным слоем
Барабанный кристаллизатор
Вальцовый кристаллизатор
Кристаллизатор с мешалкой периодического действия
Камерная сушилка
Вакуумная двухвальцовая сушилка
Барабанная сушилка
Пневматическая сушилка
Распылительная сушилка
Ленточная сушилка
Сушилка с псевдоожиженным слоем
Ионообменный аппарат периодического действия с неподвижным слоем
Ионообменный аппарат с циркулирующим слоем смесительно-отстойного
типа
3.32. Мембранный аппарат с плоскими камерами
3.33. Мембранный аппарат с полыми волокнами
3.34. Мембранный аппарат с рулонами
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
3.12.
3.13.
3.14.
3.15.
3.16.
3.17.
3.18.
3.19.
3.20.
3.21.
3.22.
3.23.
3.24.
3.25.
3.26.
3.27.
3.28.
3.29.
3.30.
3.31.

40
41
42

43
43

44
45
47
49
50
51
52
52
53
54
54
55
56
57
59
59
60
60
62
62
63
64
65
65
66
67
67
68
69
70
71
71
72
73

74
75
76

Список литературы

77

Предметный указатель

78

ВВЕДЕНИЕ
Для успешного изучения и освоения технологического процесса необхо­

дима информация не только о его теоретических основах, но и об инженер­
ном оформлении, главной составной частью которого является конструктив­
ный тип аппарата, принцип устройства и действия, а также условия его ра­

боты.
Знание перечисленных выше факторов, их умелое и правильное исполь­

зование при решении аппаратурно-технологических задач во многом опреде­
ляет технико-экономический успех организации всего технологического
процесса производства.
Поэтому овладение знаниями по аппаратам, наиболее широко применяе­
мым в промышленных технологических процессах, является одной из важ­
ных и ответственных учебно-методических задач технологической подготов­

ки специалистов для химических отраслей промышленности.
Дополнительную более подробную информацию об устройстве и принци­
пе действия аппаратов, рассматриваемых, в том числе, в данном учебном по­

собии, а также области их применения в химической промышленности мож­
но получить в учебной литературе по процессам и аппаратам химической

технологии, список которой приведен в конце пособия.
При составлении пособия использован многолетний педагогический опыт

преподавания затронутых в пособии вопросов в Санкт-Петербургском госу­

дарственном технологическом

институте (техническом

университете) и

Санкт-Петербургском государственном инженерно-экономическом универси­
тете.

Авторы выражают искреннюю благодарность уважаемым рецензентам:

профессору, д-ру техн, наук А. Н. Веригину и профессору, д-ру техн, наук
В. Н. Соколову за внимательное прочтение рукописи.

1. ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Многие технологические процессы химической промышленности в той
или иной степени связаны с перемещением различных гомогенных и гетеро­

генных (неоднородных) сред в трубопроводах и аппаратах (перемешивание,
псевдоожижение, диспергирование, эмульгирование), а также с разделением
неоднородных смесей (осаждение, фильтрование). Движущей силой таких
процессов являются: силы, возникающие в результате гравитации, центро­
бежного движения, разности давлений, а также воздействия электрического
или акустического полей. Скорость всех указанных физических процессов
определяется законами гидромеханики. Поэтому такие процессы называют
гидромеханическими.
Гидромеханические процессы, связанные с разделением неоднородных
систем, играют большую роль в химической технологии при подготовке сы­
рья и очистке готовых продуктов, при очистке сточных вод и отходящих га­
зов, а также при выделении ценных компонентов. Наибольшее распростра­
нение получили рассмотренные ниже процессы.
Осаждение - процесс разделения, при котором взвешенные в жидкости
или газе твердые или жидкие частицы отделяются от сплошной фазы под

6

действием различных сил. Этот метод основан на разности плотностей разде­
ляемых компонентов (фаз).
Отстаивание - осаждение, происходящее под действием сил тяжести.

Применяется для предварительного, грубого разделения неоднородных си­

стем.
Циклонирование (циклонный процесс) - процесс разделения неоднород­
ных систем газ—твердое тело (газовзвесей) в неподвижном аппарате, произ­

водимый путем осаждения твердых частиц в поле центробежных сил (при со­
общении газовзвеси вращательного движения). Применяется для сухой
очистки газов (воздуха).

Центрифугирование - процесс разделения суспензий и эмульсий в поле
центробежных сил во вращающихся барабанах центрифуг. Под действием
этих сил осаждение сочетается с уплотнением образующегося осадка.
Фильтрование - процесс разделения с помощью пористой перегородки,

способной пропускать жидкость или газ, но задерживать взвешенные в среде

твердые частицы. Оно осуществляется под действием сил давления и приме­
няется для более тонкого разделения суспензий и пылей, чем путем осажде­
ния. В случаях, когда разность давлений создается центробежными силами,

процесс называют центробежным фильтрованием, где под действием этих

сил фильтрование сочетается с уплотнением и механической сушкой осадка.

Мокрая очистка газов - процесс разделения, основанный на улавлива­

нии взвешенных в газе частиц жидкостью. Улавливание осуществляется под
действием сил инерции или сил тяжести и применяется для очистки газов и
разделения суспензий. При обработке суспензий мокрое разделение исполь­

зуют в комбинации с другими способами разделения (промывка осадков в
процессах отстаивания и фильтрования).

В химической технологии неоднородные системы имеют разнообразное
физическое состояние дисперсионной среды (внешней, сплошной фазы) и
большую неоднородность по агрегатному состоянию, размерам и формам
дисперсной (внутренней) фазы. Все эти факторы обусловливают необходи­

мость иметь достаточно большое разнообразие конструктивных типов аппа­

ратов. Они выбираются исходя из особенностей того или иного гидромехани­
ческого процесса, обеспечивая при этом наиболее эффективные условия его
протекания. Эти аппараты различаются степенью сложности своего устрой­

ства, а также условиями работы и носят название по типу процесса: осадите­

ли, отстойники, циклоны, центрифуги, сепараторы, фильтры, аппараты с
мешалкой и т. п.
Следует отметить, что гидромеханические закономерности движения не­

однородных сред в значительной степени влияют на процессы тепло- и массопереноса, а также химических реакций в промышленных аппаратах.
7

1.1. ПЫЛЕОСАДИТЕЛЬНАЯ КАМЕРА
В пылеосадительных камерах (рис. 1.1) проводят предварительную гру­
бую очистку сильно запыленных газов под действием сил тяжести (степень
очистки 30-40 %).

Очищенный
газ

Запыленный
газ

Рис. 1.1. Принципиальная схема пылеосадительной камеры:
1 - корпус; 2 - полки; 3 - отражательная перегородка; 4 - люки для удаления пыли

Запыленный газ поступает в корпус камеры 1, в котором установлены го­
ризонтальные полки 2. Газ проходит в каналах между полками, при этом на
поверхности последних осаждаются твердые частицы. Пройдя полки, газ
огибает вертикальную отражательную перегородку 3, обеспечивающую рав­
номерное распределение газа между полками, и удаляется из камеры. Осев­
шие на полках твердые частицы периодически удаляются с помощью скреб­
ков через люки 4 или же смываются водой.

1.2. ОТСТОЙНИК НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ГРЕБКОВОЙ МЕШАЛКОЙ
Отстаивание проводят в аппаратах, называемых отстойниками. Отстой­
ники для сгущения суспензий называют сгустителями, а для классифика­
ции твердых частиц на фракции - классификаторами.
Различают отстойники непрерывного, полунепрерывного и периодиче­
ского действия. В первых все процессы протекают непрерывно, в послед­
них - периодически; в отстойниках полунепрерывного действия подача раз­
деляемой смеси и вывод очищенной сплошной фазы проводятся непрерывно,
а удаление сгущенной дисперсной фазы (осадка, шлама и т. п.) - периодиче­
ски.
Схема отстойника непрерывного действия с гребковой мешалкой показа­
на на рис. 1.2. Эти аппараты представляют собой цилиндрический резервуар
1 с коническим днищем 2. В резервуаре установлена мешалка 3, снабженная
гребками, которые непрерывно перемещают осадок к центральному разгру­
зочному отверстию и одновременно слегка взбалтывают осадок, способствуя
его обезвоживанию. Частота вращения мешалки незначительна, поэтому

8

Рис. 1.2. Схема отстойника непрерывного действия с гребковой мешалкой:
1 - корпус; 2 - днище; 3 - гребковая мешалка; 4 - кольцевой желоб

процесс осаждения не нарушается. Суспензия непрерывно поступает по трубе
в середине верхней части резервуара. Осветленная жидкость переливается в
кольцевой желоб 4 и удаляется через штуцер. Осадок (шлам), представляю­
щий собой сгущенную суспензию, удаляется через штуцер в коническом
днище с помощью диафрагмового насоса.

1.3. ЦИКЛОН
Процесс циклонирования получил свое название от циклонов - аппаратов
для разделения неоднородных систем - газовзвесей под действием центро­
бежной силы. Позднее начали использовать работающие по тому же принци­
пу аппараты для разделения суспензий - гидроциклоны (см. подраздел 1.10).
Применяют циклонный процесс и для отделения газа от капель жидкости.
Газовзвеси образуются во многих процессах химической технологии,
например: при сушке твердых материалов в потоке нагретых газов, их обра­
ботке в псевдоожиженном слое, измельчении и классификации, обжиге,
пневмотранспорте и др. Разделение газовзвесей в первую очередь диктуется
необходимостью обеспечения чистоты воздуха в производственных помеще­
ниях и окружающей среде. Этот процесс также может быть эффективен по
экономическим соображениям (улавливание ценных продуктов).
В промышленности применяют циклоны разнообразных конструкций.
Наиболее распространены циклоны, разработанные в ОАО «НИИОГАЗ». На
рис. 1.3, я показан циклон конструкции НИИОГАЗ с винтовой поверхностью
верхней крышки, что обеспечивает лучшую работу аппарата. В общем случае
циклон (рис. 1.3, я и б) состоит из цилиндрического корпуса 1 с коническим
днищем 2. Запыленный газ вводится в корпус 1 через штуцер тангенциально
со скоростью 20-30 м/с, при этом приобретает вращательное движение во­
круг трубы для вывода очищенного газа 4, расположенной по оси аппарата.
Частицы пыли под действием центробежной силы отбрасываются к стенкам
корпуса. В аппарате создаются два спиральных потока: внешний поток за­
пыленного газа, который движется вниз вдоль поверхности стенок циклона,
9

б

Очищенный
газ

i
Твердые частицы
Рис. 1.3. Принципиальные схемы:
a - циклон конструкции НИИОГАЗ; б - устройство циклона; 1 - цилиндрический корпус;
2 - коническое днище; 3 - разгрузочный бункер; 4 - выхлопная труба

и внутренний поток очищенного газа, который поднимается вверх, распола­
гаясь вблизи оси аппарата, и удаляется из него. Твердые частицы концен­
трируются вблизи стенок и переносятся потоком в разгрузочный бункер 3.

1.4. БАТАРЕЙНЫЙ ЦИКЛОН И ЕГО ЭЛЕМЕНТЫ
При больших расходах запыленного газа для увеличения производитель­
ности аппарата применяют батарейный циклон, в котором несколько цик­
лонных элементов объединены в одном корпусе (рис. 1.4, а и б) и работают
параллельно.
В цилиндрическом корпусе 1 расположены циклонные элементы 3, гер­
метично закрепленные в трубных решетках 4. Запыленный газ через входной
штуцер поступает в газораспределительную камеру 2, а из нее - одновремен­
но в циклонные элементы, в кольцевое пространство между корпусом эле­
мента 3 и патрубком для вывода очищенного газа. В этом пространстве раз­
мещены лопастные устройства 6, которые придают газовому потоку враща­
тельное движение. Твердые частицы отбрасываются к стенкам, движутся
вниз по спирали и ссыпаются из всех элементов в общий бункер 5. Очищен­
ный газ выходит из элементов по трубам в общую камеру и удаляется из ап­
парата через верхний штуцер.

10

б

а

Твердые частицы
Рис. 1.4. Схемы батарейного циклона (а) и его элементов (б):
1 - корпус; 2 - газораспределительная камера; 3 - корпуса циклонных элементов; 4 - труб­
ные решетки; 5 - бункер для частиц пыли; 6 - лопастные устройства для закручивания га­
зового потока внутри элементов

1.5. ЦЕНТРИФУГА ОТСТОЙНОГО ТИПА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ВАЛОМ И ШНЕКОВОЙ ВЫГРУЗКОЙ ОСАДКА
Отстойные (осадительные) центрифуги применяют для разделения сус­
пензий путем осаждения дисперсных частиц под действием центробежной
силы. На рис. 1.5 показана горизонтальная отстойная центрифуга непрерыв­
ного действия со шнековой выгрузкой осадка.
Аппарат состоит из конического барабана 1, вращающегося на полом
внешнем валу 3, и внутреннего барабана 2 со шнековыми лопастями 4, вра­
щающегося на полом внутреннем валу 5 с меньшей частотой, чем частота
первого. Суспензия вводится по трубе во внутренний барабан 2 и через окна 7
выбрасывается в отстойный барабан 1, где происходит ее разделение. Освет­
ленная жидкость (фугат) перетекает через окна в кожух 6 и удаляется из не­
го через патрубок. Осадок перемещается в барабане справа налево с помощью
шнека и благодаря различию частот вращения шнека и барабана через окна
выбрасывается в кожух 6 и удаляется через патрубок.

11

I Осадок

| Фугат

Рис. 1.5. Схема отстойной центрифуги непрерывного действия с горизонтальным
валом и шнековой выгрузкой осадка:
1 - конический барабан; 2 - внутренний барабан; 3 - полый внешний вал; 4 - лопасти шне­
ка; 5 - полый внутренний вал; 6 - кожух; 7 - окна

1.6. ЦЕНТРИФУГА ОТСТОЙНОГО ТИПА ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ВАЛОМ И РУЧНОЙ ВЫГРУЗКОЙ ОСАДКА

Суспензия

На рис. 1.6 показана схема отстойной центрифуги периодического дей­
ствия. Основной частью центрифуги является сплошной барабан 2, насажен­
ный на вращающийся вал 1. Под действием центробежной силы твердые ча­
стицы из суспензии отбрасыва­
ются к стенкам барабана и отла­
гаются в виде осадка. Фугат пе­
реливается в неподвижный кор­
пус (кожух) 3 и удаляется через
патрубок в его нижней части.
По окончании отстаивания цен­
трифугу останавливают и вы­
гружают осадок вручную.

Рис. 1.6. Схема отстойной цент­
рифуги периодического действия
с горизонтальным валом и ручной
выгрузкой осадка:

Фугат
12

1 - вращающийся вал; 2 - барабан;
3 - кожух

1.7. ЦЕНТРИФУГА ФИЛЬТРУЮЩЕГО ТИПА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
С ВЫГРУЗКОЙ ОСАДКА ПУЛЬСИРУЮЩИМ ПОРШНЕМ
С помощью этих центрифуг (рис. 1.7) разделяют средне- и грубодисперс­
ные суспензии.

5

6

Фугат |

7 8

| Осадок

Рис. 1.7. Схема непрерывно действующей фильтрующей центрифуги с пульси­
рующим поршнем:
1 - поршень; 2 - цилиндр; 3 - полый вал; 4 - шток; 5 - кожух; 6 - поршень-толкатель; 7 приемный конус; 8 - барабан; 9 - сито

В фильтрующей центрифуге с выгрузкой осадка пульсирующим поршнем
суспензия подается непрерывно, а осадок периодически выталкивается
поршнем-толкателем из перфорированного барабана 8, установленного на го­
ризонтальном валу. Внутри барабана вдоль его оси перемещается поршеньтолкатель 6, укрепленный на конце штока 4. Шток находится внутри полого
вала 3, вращается вместе с ним и одновременно совершает возвратно-посту­
пательные движения за счет попеременной подачи масла, нагнетаемого ше­
стеренчатым насосом, в правую и левую полости цилиндра 2 сервомеханиз­
ма. Суспензия подводится в приемный конус 7 и через отверстия в нем по­
ступает в барабан, покрытый изнутри металлическим щелевым ситом 9. От­
кладывающийся на сите осадок перемещается поршнем-толкателем к откры­
тому концу барабана и выгружается из него в кожух 5.

1.8. ЖИДКОСТНОЙ СЕПАРАТОР ТАРЕЛЬЧАТОГО ТИПА
Жидкостные сепараторы (рис. 1.8) являются аппаратами отстойного типа
непрерывного действия с вертикальным ротором, вращающимся со скоро­
стью 5 000-7 000 об/мин. Они предназначаются для разделения эмульсий, а
также для осветления жидкостей.
Эмульсия подается по центральной трубе 1 в нижнюю часть ротора, отку­
да через отверстия в тарелках 2 распределяется тонкими слоями между ни­
ми. Более тяжелая жидкость, перемещаясь вдоль поверхности тарелок, от­
брасывается центробежной силой к периферии ротора и отводится через
13

Рис. 1.8. Схема жидкостного сепаратора
тарельчатого типа:
1 - труба для подачи эмульсии; 2 - тарелки;
3 - отверстие для отвода более тяжелой жид­
кости; 4 - кольцевой канал для отвода более
легкой жидкости; 5 - ребра

отверстие 3. Более легкая жидкость
перемещается к центру ротора и уда­
ляется через кольцевой канал 4. Для
того чтобы жидкость не отставала от
вращающегося ротора, он снабжен ре­
брами 5.

1.9. ТРУБЧАТАЯ СВЕРХЦЕНТРИФУГА
ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Сверхцентрифуги служат для тон­
кого разделения неоднородных систем
под действием центробежной силы.
Схема трубчатой сверхцентрифуги пе­
риодического действия для осветле-

ния жидкостей показана на рис. 1.9.
В кожухе 2 вращается трубчатый барабан (ротор) 1 со сплошными стен­
ками, внутри которого имеются радиальные лопасти 3, препятствующие от­
ставанию жидкости от стенок барабана при его вращении. Барабан жестко
соединен с коническим шпинделем 7, подвешенным на опоре 6, и приводится
во вращение от шкива 5. В нижней
части центрифуги установлен подпят­
ник 4, через который в барабан прохо­
дит труба для ввода суспензии. Твер­
дые частицы суспензии оседают на
стенках барабана, а осветленная жид­
кость выбрасывается из него через от­
верстия вверху и удаляется из верх­
ней части кожуха. Осадок удаляют
вручную периодически после останов­
ки центрифуги и разборки ротора.
Ввиду небольшого рабочего объема
подобные
центрифуги
применяют
только для разделения суспензии с
небольшим содержанием твердой фа­
зы (не более 1 %).

Рис. 1.9. Схема трубчатой сверхцентри­
фуги периодического действия:
1 - трубчатый барабан (ротор); 2 - кожух; 3 радиальные лопасти; 4 - подпятник; 5 шкив; 6 - опора; 7 - шпиндель; 8 - отверстия
для вывода осветленной жидкости

14

1.10. ГИДРОЦИКЛОН
Для разделения суспензий и нестойких эмульсий под действием центро­
бежных сил применяют гидроциклоны (рис. 1.10). Эти аппараты характери­
зуются простотой устройства и непрерывностью действия, обеспечивая срав­
нительно высокую степень разделения (более 80 %).

Осветленная
---------------------------- ^
жидкость
1

А

А-А
Суспензия^ ।

| Шлам
Рис. 1.10. Принципиальная схема гидроциклона:
1 - цилиндрическая часть корпуса; 2 - коническое днище; 3 - штуцер для подачи суспен­
зии; 4 - штуцер для вывода шлама; 5 - патрубок; 6 - перегородка; 7 - штуцер для вывода
слива

Корпус гидроциклона состоит из верхней короткой цилиндрической ча­
сти 1 и удлиненного конического днища 2. Суспензия подается тангенциаль­
но через штуцер 3 в цилиндрическую часть 1 корпуса и приобретает интен­
сивное вращательное движение. Под действием центробежных сил наиболее
крупные твердые частицы перемещаются к стенкам аппарата и концентри­
руются во внешних слоях вращающегося потока. Затем они движутся по
спиральной траектории вдоль стенок гидроциклона вниз к штуцеру 4, через
который отводятся в виде сгущенной суспензии (шлама). Большая часть
жидкости с содержащимися в ней мелкими твердыми частицами (осветлен­
ная жидкость) движется во внутреннем спиральном потоке вверх вдоль оси
аппарата. Осветленная жидкость, или слив, удаляется через патрубок 5,
укрепленный на перегородке 6, и штуцер 7.

1.11. ЗАКРЫТЫЙ НУТЧ-ФИЛЬТР ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
И РУЧНОЙ ВЫГРУЗКОЙ ОСАДКА
Нутч представляет собой простейший фильтр периодического действия,
работающий под избыточным давлением (или вакуумом). Направления силы
тяжести и движения жидкой фазы (фильтрата) в нем совпадают. На

15

Рис. 1.11. Схема закрытого нутч-фильтра:
1 - корпус; 2 - обогревающая рубашка; 3 кольцевая перегородка; 4 - откидывающееся
дно; 5 - фильтровальная перегородка; 6 опорная решетка; 7 - сетка; 8 - съемная
крышка; 9 - предохранительный клапан

рис. 1.11 изображен закрытый нутчфильтр, работающий под давлением (до
0,3 МПа).
Нутч состоит из корпуса 1 с рубаш­
кой 2, съемной крышки 8 и перемещаю­
щегося дна 4. На опорной решетке 6
располагается фильтровальная перего­
родка 5. Иногда в качестве перегородки
применяют слой волокон. В этом случае
необходимо использовать защитную сет­
ку 7. Над фильтровальной перегородкой
располагают кольцевую перегородку 3,
поддерживающую осадок во время его
выгрузки. При этом дно 4 опускается и
поворачивается на такой угол, чтобы
осадок было удобно снимать вручную с
фильтровальной перегородки. Для того
чтобы давление в аппарате не превысило
допустимого, он снабжен предохранительным клапаном 9. В рубашку 2
обычно подают насыщенный водяной пар для повышения температуры
фильтрования, что обеспечивает снижение вязкости фильтрата и соответ­
ствующее увеличение производительности.

1.12. БАРАБАННЫЙ ВАКУУМ-ФИЛЬТР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
С НАРУЖНОЙ ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
И НОЖЕВЫМ СЪЕМОМ ОСАДКА
Среди фильтров непрерывного действия наиболее распространены бара­
банные вакуум-фильтры.
Схема такого фильтра представлена на рис. 1.12. Фильтр имеет вращаю­
щийся цилиндрический перфорированный барабан 1, покрытый металличе­
ской волнистой сеткой 2, на которой располагается тканевая фильтрующая
перегородка 3. Барабан на 30-40 % своей поверхности погружен в суспен­
зию. Поскольку в данном фильтре направление осаждения твердых частиц
противоположно направлению движения фильтрата, в корыте 6 для суспен­
зии установлена качающаяся мешалка 7, поддерживающая ее однородность.
Барабан разделен радиальными перегородками на ряд изолированных
друг от друга ячеек (камер) 9. Каждая камера соединяется трубой 10 с раз­
личными полостями неподвижной части 12 распределительной головки.
Трубы объединяются во вращающуюся часть 11 распределительной головки.
Благодаря этому при вращении барабана 1 камеры 9 в определенной после­
довательности присоединяются к источникам вакуума и сжатого воздуха.
В результате при полном обороте барабана каждая камера проходит несколь­
ко зон, в которых осуществляются процессы фильтрования, промывки осад­
ка и другие.

16

Суспензия

Рис. 1.12. Схема барабанного вакуум-фильтра:
1 — перфорированный барабан; 2 — волнистая сетка; 3 — фильтровальная перегородка; 4 — осадок; 5 — нож для съема осадка; 6 — корыто для
суспензии; 7 — качающаяся мешалка; 8 - устройство для подвода промывной жидкости; 9 — камеры (ячейки) барабана; 10 — соединитель­
ные трубки; 11 — вращающаяся часть распределительной головки; 12 - неподвижная часть распределительной головки; 1 — зона фильтро­
вания и отсоса фильтрата; II — зона промывки осадка и отсоса промывных вод; III — зона съема осадка; IV — зона очистки фильтровальной
ткани

Зона I - фильтрования и отсоса фильтрата. Здесь суспензия поступает в
камеру. В это время камера соединена с вакуумной линией. Под действием
вакуума фильтрат проходит через фильтровальную ткань, сетку и перфора­
цию барабана внутрь камеры и через трубу выводится из аппарата. На
наружной поверхности барабана, покрытой фильтровальной тканью, образу­
ется осадок 4.
Зона II - промывки осадка и отсоса промывных вод. Здесь камера, вы­
шедшая из корыта с суспензией, также сообщена с вакуумной линией, а на
осадок с помощью устройства 8 подается промывная жидкость. Она проходит
через осадок и по трубе выводится из аппарата.
Зона III - съема осадка. Попав в эту зону, осадок сначала подсушивается
вакуумом, а затем камера соединяется с источником сжатого воздуха. Воздух
не только сушит, но и разрыхляет осадок, что облегчает его последующее
удаление. При подходе камеры с просушенным осадком к ножу 5 подача
сжатого воздуха прекращается. Осадок падает с поверхности ткани под дей­
ствием силы тяжести. Нож служит в основном направляющей плоскостью
для слоя осадка, отделяющегося от ткани.
Зона IV - очистки фильтровальной перегородки. В этой зоне фильтро­
вальная ткань продувается сжатым воздухом или водяным паром и освобож­
дается от оставшихся на ней твердых частиц.
После этого ячейки с регенерированной тканью вновь входят в корыто с
суспензией, и весь цикл операций повторяется.

1.13. ЛЕНТОЧНЫЙ ВАКУУМ-ФИЛЬТР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Ленточный вакуум-фильтр (рис. 1.13) представляет собой работающий
под вакуумом аппарат непрерывного действия, в котором направления силы
тяжести и движения фильтрата совпадают.

Суспензия

I Фильтрат
Рис. 1.13. Схема ленточного вакуум-фильтра непрерывного действия:
1 - вакуум-камеры; 2 - перфорированная лента; 3 - натяжной барабан; 4 - лоток для подачи
суспензии; 5 - фильтровальная ткань; 6 - натяжные ролики; 7 - валик для перегиба ленты;
8 - приводной барабан; 9 - форсунки для подачи промывной жидкости

18

Перфорированная резиновая лента 2 перемещается по замкнутому пути с
помощью приводного 8 и натяжного 3 барабанов. Фильтрующая ткань 5
прижимается к ленте при натяжении роликами 6. Из лотка 4 на фильтрую­
щую ткань подается суспензия. Фильтрат отсасывается в вакуум-камеры 1,
находящиеся под лентой, и выводится из аппарата. Отложившийся на ткани
осадок промывается жидкостью, подаваемой из форсунок 9. Промывная
жидкость отсасывается в другие вакуум-камеры и также отводится из аппа­
рата.
Осадок благодаря вакууму подсушивается и при перегибе ленты через ва­
лик 7 отделяется от ткани и сбрасывается в бункер. На обратном пути между
роликами 6 фильтровальная ткань обычно регенерируется: очищается с по­
мощью механических щеток, пропаривается или промывается жидкостью.

1.14. ДИСКОВЫЙ ВАКУУМ-ФИЛЬТР НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Фильтр представляет собой аналог барабанного фильтра (рис. 1.12), в ко­
тором для увеличения поверхности фильтрования вместо барабана установ­
лены диски с фильтрующими боковыми поверхностями (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Схема дискового вакуум-фильтра непрерывного действия:
1 - привод; 2 - полый вал; 3 - диски с фильтрующими боковыми поверхностями; 4 - корыто
для суспензии; 5 - распределительная головка

Вертикальные диски 3 насажены на полый горизонтальный вращающий­
ся вал 2. Каждый диск имеет с обеих сторон рифленую поверхность, покры­
тую фильтровальной тканью. Диски примерно наполовину погружены в ко­
рыто с суспензией 4. Фильтрат под действием разрежения проходит внутрь
дисков и по желобам их рифленой поверхности поступает в полость вала. На
одном конце вала имеется распределительное устройство 5 (как и в барабан­
ном вакуум-фильтре), на другом - привод 1. Осадок, образовавшийся по по­
верхности ткани, удаляется с помощью ножей (на рисунке не показаны).

19

1.15. рамный фильтр-пресс периодического действия
И РУЧНОЙ ВЫГРУЗКОЙ ОСАДКА
Фильтр-прессы относятся к фильтрам периодического действия, работа­
ющим под давлением. Направления сил тяжести и движения фильтрата в
них перпендикулярны.
Одна из распространенных конструкций фильтр-пресса изображена на
рис. 1.15.1.

1.15.1. Схема рамного фильтр-пресса:
1 - упорная плита; 2 - рама; 3 - плита; 4 - фильтрующая ткань; 5 - подвижная концевая
плита; 6 - горизонтальная направляющая; 7 - зажимной винт; 8 - станина; 9 - желоб для
сбора фильтрата или промывающей жидкости

Блок этого фильтра состоит из рам и плит (рис. 1.15.2) с зажатой между
ними фильтрующей тканью. Это существенно увеличивает рабочую поверх­
ность фильтрующей перегородки. Плиты имеют вертикальные рифления 6,
предотвращающие прилипание фильтровальной ткани к плитам и обеспечи­
вающие дренаж фильтрата. Полая рама фильтр-пресса помещается между
двумя плитами, образуя камеру 4 для осадка. Отверстия 1 и 2 в плитах и ра­
мах совпадают, образуя каналы для прохода соответственно суспензии и
промывной воды. Между плитами и рамами помещают фильтровальные пе­
регородки («салфетки») 5. Отверстия в салфетках также совпадают с отвер­
стиями в плитах. Сжатие плит и рам производится посредством винтового
или гидравлического зажимов.
На стадии фильтрования суспензия по каналу 1 и отводам 3 поступает в
полое пространство (камеру) 4 внутри рам. Жидкость проходит через филь­
тровальные перегородки 5, по желобкам рифлений 6 движется к каналам 7 и
далее в каналы 8. Отсюда фильтрат выводится через краны 9, открытые на
стадии фильтрования.
После заполнения пространства (камеры) 4 осадком подачу суспензии
прекращают. Затем начинается стадия промывки осадка. Промывная жид­
кость проходит по каналам 2, омывает осадок и фильтровальные перегородки
и выводится через краны 9. По окончании промывки осадок обычно проду­
вают сжатым воздухом для удаления остатков промывной жидкости. После

20

в

Фильтрат
Рис. 1.15.2. Плита (а), рама (б) и сборка (в) рамного фильтр-пресса:
1 - отверстия в плитах и рамах, образующие при сборке канал для подачи суспензии; 2 отверстия в плитах и рамах, образующие канал для подачи промывной жидкости; 3 - отво­
ды для прохода суспензии внутрь рам; 4 - внутренние пространства рам; 5 - фильтроваль­
ные перегородки; 6 - рифления плит; 7 - каналы в плитах для выхода фильтрата на стадии
фильтрования или промывной жидкости - на стадии промывки осадка; 8 - центральные ка­
налы в плитах для сбора фильтрата или промывной жидкости; 9 - краны на линиях вывода
фильтрата или промывной жидкости

этого плиты и рамы раздвигают, и осадок частично падает под действием си­
лы тяжести в сборник, установленный под фильтром. Оставшуюся часть
осадка выгружают вручную.

1.16. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ФИЛЬТР-ПРЕСС
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ КАМЕРАМИ
В автоматизированном фильтр-прессе с горизонтальными камерами обес­
печены более благоприятные условия для стадии фильтрования, так как
направления силы тяжести и движения фильтрата совпадают, что дает воз­
можность оседания частиц суспензии в гравитационном поле.
Фильтровальные плиты этого фильтра показаны в разрезе на рис. 1.16.1.
Верхняя часть 1 каждой плиты покрыта перфорированным листом 2, под ко­
торым находится пространство для приема фильтрата 3. Нижняя часть, вы­
полненная в виде рамы 4, образует при сжатии плит камеру 5 для суспензии
и осадка. Между верхней и нижней частями фильтровальных плит располо­
жены эластичные водонепроницаемые диафрагмы 6. Фильтровальная ткань
7 размещается на перфорированном листе 2.
В периоды фильтрования, промывки осадка и его продувки в камеры 5
поступают из коллектора 8 по каналам 9 последовательно суспензия, свежая
промывная жидкость и сжатый воздух (положение А). При этом фильтрат,
отработавшая промывная жидкость и воздух при атмосферном давлении от­
водятся из фильтра по каналам 10 в коллектор 11. Затем осадок отжимается
диафрагмой 6, для чего в пространство 12 по каналам 13 подается вода под
давлением (положение Б). После отжатия осадка плиты раздвигаются, обра­
зуя щели, через которые осадок удаляется из фильтра (положение В).
Автоматизированный фильтр-пресс с горизонтальными камерами
(рис. 1.16.2) состоит из горизонтально расположенных одна над другой опи­
санных выше фильтровальных плит 1. Эти плиты находятся между двумя
крайними опорными плитами 2, которые связаны одна с другой четырьмя

21

Рис. 1.16.1. Автоматизированный фильтр-пресс с горизонтальными камерами:
1 - верхняя часть плиты; 2 - перфорированный лист; 3 - пространство для приема фильтра­
та; 4 - нижняя часть плиты в виде рамы; 5 - камера для суспензии и осадка; 6 - эластичная
водонепроницаемая диафрагма; 7 - фильтровальная ткань; 8 - коллектор для подачи сус­
пензии, промывной жидкости и сжатого воздуха; 9, 10, 13 - каналы; 11 - коллектор для
отвода фильтрата, промывной жидкости и воздуха; 12 - пространство для воды

вертикальными стержнями, воспринимающими нагрузку при действии дав­
ления внутри камер. Между плитами 1 при помощи направляющих роликов
3 протянута фильтровальная ткань 4, которая имеет вид бесконечной ленты
и поддерживается в натянутом состоянии гидравлическими устройствами (на
рисунке не показаны). Свежая промывная жидкость и сжатый воздух посту­
пают, а фильтрат, отработавшая промывная жидкость и воздух при атмо­
сферном давлении отводятся посредством коллекторов, которые на рисунке
показаны условно и обозначены соответственно 5 и 6. Осадок при периоди­
ческом перемещении фильтровальной
ткани снимается с нее ножами 7, рас­
положенными около роликов, а ткань
промывается и очищается в особом
устройстве (на рисунке также не по­
казано).
Основными преимуществами этих
фильтров кроме автоматизации явля­
ется развитая поверхность фильтро­
вания, возможность при помощи диа­
фрагмы регулировать толщину и влаж­
ность осадка.

Рис. 1.16.2. Схема действия автоматизи­
рованного фильтр-пресса с горизонталь­
ными камерами:
1 - фильтровальные плиты; 2 - опорные пли­
ты; 3 - направляющие ролики; 4 - фильтро­
вальная ткань; 5,6- коллекторы; 7 - ножи

22

1.17. РУКАВНЫЙ фильтр с механическим встряхиванием
Типичным аппаратом для очистки газов является рукавный фильтр,
имеющий гибкие пористые перегородки (степень очистки до 99 %).
Рукавный фильтр (рис. 1.17) представляет собой корпус, в котором нахо­
дятся тканевые мешки (рукава) 1. Нижние открытые концы рукавов закреп­
лены на патрубках трубной решетки 2. Верхние закрытые концы рукавов
подвешены на общей раме. Запыленный газ вводится в аппарат через штуцер
и попадает внутрь рукавов. Проходя через ткань, из которой сделаны рукава,
газ очищается от твердых частиц и выходит из аппарата через верхний шту­
цер. Твердые частицы осаждаются на внутренней поверхности и в порах тка­
ни, при этом гидравлическое сопротивление возрастает. Когда оно достигает
максимально допустимого значения, рукава очищают. Для этого их встряхи­
вают с помощью устройства 5, твердые частицы падают в разгрузочный бун­
кер 3 и удаляются из аппарата шнеком 4. Кроме того, рукава продувают воз­
духом, подаваемым с наружной их стороны, т. е. в направлении, обратном
направлению движения очищаемого газа. Для того чтобы рукава при про­
дувке не сплющивались, они снабжены кольцами жесткости.

। Очищенный газ

I

Твердые
частицы

Твердые
частицы

Рис. 1.17. Принципиальная схема рукавного фильтра:
1 - рукава с кольцами жесткости; 2 - трубная решетка; 3 - разгрузочный бункер; 4 - шнек;
5 - устройства для встряхивания рукавов

23

1.18. БАРБОТАЖНЫЙ (ПЕННЫЙ) ПЫЛЕУЛОВИТЕЛЬ
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Для очистки сильно запыленных газов используют барботажные пыле­
уловители (степень очистки 95-99 % при относительно низких капитальных
затратах и эксплуатационных расходах). В этих аппаратах жидкость, взаи­
модействующая с газом, приводится в состояние динамической пены, что
обеспечивает большую поверхность контакта между жидкостью и газом и со­
ответственно высокую степень очистки газа от пыли.
Барботажный пылеуловитель (рис. 1.18) представляет собой цилиндриче­
ский или прямоугольный корпус 1, внутри которого находится перфориро­
ванная тарелка 2. Вода или другая промывная жидкость через штуцер по­
ступает на тарелку, а запыленный газ подается в аппарат через патрубок.
Проходя через отверстия тарелки 2, газ барботирует через жидкость, пре­
вращая ее в слой подвижной пены 4.

♦

Очищенный
газ

Рис. 1.18. Схема барботажного (пенного) пылеуловителя:
1 - корпус; 2 - тарелка с перфорацией; 3 - переточный порог; 4 - слой пены на тарелке

В слое пены твердые частицы пыли поглощаются жидкостью, основная
часть которой (~80 %) удаляется вместе с пеной через регулируемый пере­
точный порог 3. Оставшаяся часть жидкости (~20 %) сливается через отвер­
стия в тарелке и улавливает в подтарелочном пространстве более крупные
частицы. Образующаяся при этом суспензия выводится из нижней части ап­
парата через сливной штуцер.
При большом содержании пыли в газе и высоких требованиях к качеству
очистки используют аппараты с двумя-тремя, иногда и с большим числом
тарелок.
24

1.19. СКРУББЕР ВЕНТУРИ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
Эти аппараты применяют для очистки запыленных газов с преимуще­
ственным содержанием фракций мелких частиц.
На рис. 1.19 показана схема очистки газа, основным аппаратом которой
является скруббер Вентури. Запыленный газ вводится через конфузор в тру­
бу Вентури 1. Через отверстия в стенке конфузора туда же впрыскивается
вода с помощью распределительного устройства 2. В горловине трубы ско­
рость газа достигает порядка 100 м/с. Сталкиваясь с газовым потоком, вода
распыляется на мелкие капли. Высокая степень турбулентности газового по­
тока способствует коагуляции пылинок с каплями жидкости.Относительно
крупные капли жидкости вместе с поглощенными частичками проходят че­
рез диффузор трубы Вентури, где их скорость снижается до 20-25 м/с, и по­
падают в циклонный сепаратор 3. Здесь капли под действием центробежной
силы отделяются от газа и в виде суспензии удаляются из нижней кониче­
ской части.

Очищенный

■

Рис. 1.19. Схема очистки газа с применением скруббера Вентури:
1 - труба Вентури (1а - конфузор, 16 - диффузор); 2 - распределительное устройство для по­
дачи воды; 3 - циклонный сепаратор; 4 - отстойник для суспензии; 5 - промежуточная ем­
кость; 6 - насос

Схема, приведенная на рис. 1.19, показывает также один из примеров
экономии воды при мокрой очистке газов. Так, суспензия, выходящая из
циклонного сепаратора, направляется в отстойник 4. Шлам выводится из
нижней части отстойника, а осветленная вода из верхней части направляется
в промежуточную емкость 5, куда добавляется свежая вода в небольшом ко­
личестве, необходимом для компенсации потерь воды со шламом. Далее вода
из емкости 5 насосом 6 вновь направляется в распределительное устройство 2
на трубе Вентури.
25

1.20. трубчатый электрофильтр непрерывного действия
По форме электродов электрофильтры делятся на трубчатые и пластин­
чатые, а в зависимости от вида удаляемых из газа частиц - на сухие (где
улавливается сухая пыль) и мокрые (для удаления влажной пыли).
Трубчатый электрофильтр (рис. 1.20) представляет собой аппарат, в ко­
тором расположены осадительные электроды 2, выполненные в виде труб
диаметром 0,15-0,3 м и длиной 3-4 м. По оси труб проходят коронирующие
электроды 1 из проволоки диаметром 1,5-2 мм, которые подвешены к раме
3, опирающейся на изоляторы 5. Запыленный газ входит в аппарат через
штуцер внизу и далее двигается внутри труб 2. Твердые частицы оседают на
их стенках, а очищенный газ выходит из аппарата через штуцер вверху.
В сухих электрофильтрах твердые частицы удаляются периодически пу­
тем встряхивания электродов с помощью специального устройства 4. В мок­
рых электрофильтрах осевшие частицы удаляются периодически или непре­
рывно промывкой внутренней поверхности электродов водой.

Твердые частицы
Рис. 1.20. Схема трубчатого электрофильтра:
1 - коронирующие электроды; 2 - осадительные электроды; 3 - рама; 4 - устройства для
встряхивания электродов; 5 - изоляторы

1.21. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ТИПЫ МЕШАЛОК
Механическое перемешивание может осуществляться мешалками различ­
ных типов. Наибольшее распространение в промышленной практике полу­
чили вращающиеся мешалки различных конструкций (рис. 1.21). Из них ча­
ще всего применяют: 1) лопастные; 2) пропеллерные; 3) турбинные; 4) рам­
ные; 5) шнековые; 6) ленточные.

26

Рис. 1.21. Основные типы мешалок:
а - лопастная (неразъемная); б - трехлопастная; в - шестилопастная; г - пропеллерная с по­
стоянным шагом винтовой линии; д - литая пропеллерная с профилем крыловидной формы;
е - пропеллерная с постоянной толщиной лопасти; ж - турбинная открытая; з - турбинная
закрытая; и - шнековая; к - якорная; л - рамная; м - ленточная

Лопастные мешалки (рис. 1.21, a-в) состоят из цилиндрической втулки,
к которой приварены плоские лопасти. Ширина лопастей мешалки b = 0,2dM.
Лопастные мешалки могут быть неразъемными и разъемными. Их применя­
ют для перемешивания жидкостей с низкой и повышенной вязкостью (до
5 Па - с).
Пропеллерные (винтовые) мешалки (рис. 1.21, г-е) представляют собой
втулку, на которую приварены под углом 120° одна к другой три лопасти
(плоские или со сложной пространственной крыловидной формой), литые
или штампованные. В гидродинамическом отношении пропеллерные мешал­
ки мало отличаются от трехлопастных. Их применяют для перемешивания
гомогенных и гетерогенных систем с низкой и повышенной вязкостью (до
5 Па-с).
Турбинные мешалки (рис. 1.21, ж, з) бывают: 1) открытого и 2) закрыто­
го типа. Открытая турбинная мешалка представляет собой конструкцию, со­
стоящую из цилиндрической втулки с кольцевым диском, на окружности
которого равномерно расположены, как правило, шесть плоских лопастей.
Длина каждой лопасти I = 0,25dy„ высота b = 0,2dM. Внутренний диаметр рас­
положения лопастей d1 = 0,5dyi. Закрытые турбинные мешалки имеют плос-

27

кие лопасти конической формы (Z22°30'), закрытые с обеих сторон кониче­
скими дисками. Турбинные мешалки закрытого типа используются преиму­
щественно для перемешивания газожидкостных систем.
Мешалки шнекового (рис. 1.21, и), якорного (рис. 1.21, к), рамного
(рис. 1.21, л) и ленточного (рис. 1.21, м) типов и их модификации использу­
ются, как правило, для перемешивания систем с вязкостью, превышающей
50-100 Па с.
Все мешалки условно делят на тихоходные и быстроходные. Быстроход­
ными принято считать те мешалки, у которых окружная скорость концов
лопастей достигает порядка 10 м/с (лопастные, пропеллерные, турбинные и
т. д.); они работают при турбулентном режиме и в переходной области. У ти­
хоходных мешалок окружная скорость порядка 1 м/с; они работают при ла­
минарном режиме. К тихоходным относят якорные, рамные и другие ме­
шалки.

1.22. АППАРАТ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ МАЛОВЯЗКИХ СИСТЕМ
Аппараты с мешалками (рис. 1.22, 1.23) применяются для распределения
смешиваемых компонентов и теплоты при перемешивании одно- или много­
фазных жидких сред, а также для интенсификации тепло- и массопереноса
при проведении различных химико-технологических процессов. Аппараты с
мешалкой проектируются для различных температур и давлений. Если в ап­
парате осуществляют тепловые процессы (нагревание или охлаждение), то он
снабжается теплообменными устройствами - рубашками или змеевиками,
встроенными в корпус, или различными электронагревательными элемента­
ми.
Обычно аппарат для перемешивания (рис. 1.22) представляет собой вер­
тикальный сосуд с мешалкой, ось вращения которой совпадает с осью аппа­
рата (однако возможно и эксцентричное расположение оси мешалки). В зави­
симости от условий проведения того или иного процесса объем аппарата с
мешалкой может достигать несколько тысяч кубических метров.
Основными элементами аппаратов с мешалками (рис. 1.22) являются
корпус и перемешивающее устройство, состоящее из привода, стойки, вала и
мешалки. Для уплотнения места входа вала мешалки в корпус аппарата ис­
пользуются различные уплотнения (гидрозатвор, сальник, торцевые уплот­
нения и др.). Корпус аппарата обычно состоит из вертикальной цилиндриче­
ской обечайки 5, крышки 2, на которой установлен привод мешалки 1
(обычно электродвигатель), и днища 9.
Аппараты, рабочее давление в которых отличается от атмосферного,
имеют, как правило, эллиптические днища и крышки, причем в аппаратах
большого диаметра крышки и днища выполняют неразъемными (цельно­
сварными), а для внутреннего осмотра и чистки таких аппаратов на крышке
устанавливают люки. На крышках размещают также патрубки 4 и 11 для
подвода и отвода веществ, подачи сжатого газа, установки контрольно-изме­
рительных приборов и т. п. Для подвода и отвода теплоты корпус аппарата
снабжают рубашкой 7 или другими теплообменными элементами.

1.23. АППАРАТ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ВЫСОКОВЯЗКИХ
(НЕНЬЮТОНОВСКИХ) ЖИДКОСТЕЙ
Современные конструкции аппаратов с мешалками больших (100 м3) и
очень больших (1000 м3 и более) объемов предназначены не только для нью­
тоновских (рис. 1.22), но и для неньютоновских жидкостей (рис. 1.23) с раз28

Рис. 1.22. Схема аппарата для перемешивания маловязких систем:
1 - двигатель с приводом; 2 - крышка; 3 - вал мешалки; 4 - штуцер для подачи сжатого га­
за; 5 - корпус; 6 а 11 - штуцеры входа и выхода теплоносителя; 7 - рубашка; 8 - отража­
тельная перегородка; 9 - днище; 10 - мешалка; 12 - штуцер слива продукта; 13 - труба пе­
редавливания

Рис. 1.23. Аппарат для перемешивания высоковязких жидкостей:
1 - двигатель с приводом; 2 - корпус; 3 - ленточная мешалка

личной вязкостью (до 100 Па-с и более). При перемешивании рабочих систем
с вязкостью, превышающей 30-100 Па-с, в качестве перемешивающих
устройств, как правило, используются мешалки ленточного и шнекового типов.

1.24. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ (БАРБОТАЖНЫЕ) ПЕРЕМЕШИВАЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА
При пропускании через жидкость потока газа (воздуха) или пара наблю­
дается интенсивное перемешивание, которое называется пневматическим.
Причем при использовании пара также происходит нагрев жидкости. Пнев­
матическое перемешивание позволяет проводить технологические процессы
при отсутствии в аппарате движущихся частей и с относительно низкими

29

эксплуатационными характеристиками. Особенно рекомендуется примене­
ние этого метода в том случае, когда необходимо, чтобы газ (например, кис­
лород, находящийся в воздухе) вступал в химическую реакцию с жидкостью.
Для интенсификации процесса аппараты оборудуют: 1) газораспредели­
тельными перфорированными решетками; 2) пористыми плитками; 3) барбо­
терами; 4) эрлифтами.
Схемы пневматических (барботажных) перемешивающих устройств пред­
ставлены на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Схемы пневматических (барботажных) перемешивающих устройств:
а - с газораспределительной сеткой; б - с барботером; в - с эрлифтом; г - с сочетанием барбо­
тера с лопастной мешалкой

Барботер представляет собой трубу (либо систему труб) с отверстиями,
свернутую в кольцо или спираль, по которой пропускается сжатый воздух.
Пузырьки сжатого воздуха, равномерно поднимаясь вверх через слой жидко­
сти, перемешивают ее.
Эрлифт (воздушный подъемник) действует за счет сжатого воздуха, ко­
торый, поступая в нижнюю часть устройства, образует в ней воздушно­
водяную смесь, плотность которой меньше плотности воды. Пузырьки возду­
ха, двигаясь по центральной трубе, расширяются вследствие уменьшения
давления, и скорость воздушно-водяной смеси увеличивается, при этом смесь
сыпучего материала с водой поднимается на нужную высоту и выводится из
аппарата. В случае необходимости смесь возвращается в аппарат и цикл
движения повторяется.

2. ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Процесс переноса теплоты, происходящий между средами (телами), име­

ющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей си­
лой любого процесса теплообмена является разность температур между более

нагретым и менее нагретым телами, при наличии которой тепло самопроиз­
вольно, в соответствии со вторым законом термодинамики, переходит от бо­
лее нагретого к менее нагретому телу.

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется
скоростью подвода или отвода тепла, называются теплообменными (тепло­
выми), а аппараты, предназначенные для проведения этих процессов, - теп­
лообменными (или теплообменниками). К тепловым процессам относятся

нагревание, охлаждение, испарение и конденсация.
Нагревание - повышение температуры перерабатываемых материалов

путем подвода к ним тепла.
Охлаждение - понижение температуры перерабатываемых материалов

путем отвода от них тепла.
31

Конденсация - сжижение паров какого-либо вещества путем отвода от
них тепла.

Испарение - перевод в парообразное состояние какой-либо жидкости пу­
тем подвода к ней тепла.

Частным случаем испарения является весьма широко распространенный
в химической промышленности процесс выпаривания - концентрирования
при кипении растворов твердых нелетучих веществ путем удаления жидкого

летучего растворителя в виде паров.
В зависимости от типа теплового процесса теплообменные аппараты

называют подогревателями, холодильниками, конденсаторами, испарителя­

ми (кипятильниками), выпарными аппаратами.

Теплообмен также имеет важное значение для проведения массообмен­
ных процессов: сушки, перегонки, кристаллизации и др.

Тела, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. Одно­
именное наименование имеет также среда с более высокой температурой, от­

дающая тепло при теплообмене. Среда с более низкой температурой, воспри­
нимающая тепло при теплообмене, называется хладагентом.
Различают стационарные и нестационарные теплообменные процессы.

В периодически действующих аппаратах при нагревании или охлаждении,
где температуры меняются во времени, осуществляются нестационарные
процессы.

В непрерывно действующих аппаратах, где температуры в различных
точках аппарата не изменяются во времени, имеют место стационарные
процессы.

К теплообменным аппаратам предъявляют ряд основных требований: вы­
сокое значение величины удельного теплового потока; создание интенсивно­

го гидродинамического режима движения теплоносителей; создание проти­
воточного движения теплоносителей; малая металлоемкость, т. е. масса ап­

парата, приходящаяся на единицу поверхности теплоообмена в нем.
Наиболее значительную и важную группу теплообменных аппаратов со­

ставляют теплообменники, в которых передача теплоты происходит через
неподвижную поверхность, разделяющую теплоносители. Это так называе­

мые рекуперативные теплообменники, которые очень разнообразны в кон­
структивном отношении и имеют разные геометрические формы и компа­

новку теплообменной поверхности. В зависимости от этого аппараты назы­

вают трубчатыми, с рубашкой, с оребренной поверхностью, пластинчатыми,
спиральными и т. д.

32

2.1. двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»
Двухтрубные теплообменники часто называют теплообменниками типа
«труба в трубе»; они применяются для процессов со сравнительно небольши­
ми тепловыми нагрузками и малыми поверхностями теплообмена. Аппарат
состоит из элементов концентрически расположенных труб, соединенных по­
следовательно (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Двухтрубный теплообменник типа «труба в трубе»:
1 - внутренние трубы; 2 - наружные трубы; 3 - соединительные колена (калачи); 4 - соеди­
нительные патрубки; I и II - теплоносители

Один теплоноситель I движется по внутренним трубам 1, другой II - по
кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние
трубы 1 соединяются с помощью калачей 3, а наружные - с помощью соеди­
нительных патрубков 4. Длина элемента теплообменника типа «труба в тру­
бе» обычно составляет 3-6 м, диаметр наружной трубы - 76-159 мм, внут­
ренней - 57-108 мм.

2.2. АППАРАТ С ГРЕЮЩЕЙ РУБАШКОЙ
Теплообменные аппараты с рубашками (рис. 2.2) используют в химиче­
ской промышленности как обогреваемые (охлаждаемые) сосуды для прове­
дения химических реакций. Как правило, они работают под избыточным
давлением и в зависимости от характера технологического процесса носят
название автоклавов, нитраторов, полимеризаторов и др. Для обеспечения
более интенсивной теплоотдачи от стенки аппарата к перемешиваемой среде
используют механическую мешалку (см. подраздел 1.22) или барботаж паром
или сжатым газом (см. подраздел 1.24).
Корпус 1 аппарата снабжен с наружной стороны рубашкой 2, в которую
подают греющий агент или охлаждающий теплоноситель (хладагент). К кор­
пусу аппарата рубашку крепят, как правило, с помощью сварки.

33

Рис. 2.2. Схема аппарата с грею­
щей рубашкой:

Холодная
жидкость

1 - корпус аппарата; 2 - греющая ру­
башка

Пар

2.3. ПЛАСТИНЧАТЫЙ
КАЛОРИФЕР ДЛЯ НАГРЕВА
(ОХЛАЖДЕНИЯ) ВОЗДУХА

Конструкции таких тепло­
обменников весьма разнообраз­
о
ны, причем разработаны кон­
0Q
струкции как с оребренными
трубами, так и с плоскими по­
верхностями теплообмена.
Поперечные ребра (эффек­
тивные средства для повыше­
ния компактности аппарата)
широко применяются в рас­
пространенных теплообменни­
Гзрячая жидкость
ках для нагрева (охлаждения)
Конденсат
воздуха (газов) - пластинчатых
калориферах. Схема этого аппарата представлена на рис. 2.3. Греющий пар
проходит по оребренным трубам. Нагреваемый воздух проходит между ними,
интенсивно омывая каждый пластинчатый элемент поверхности.

Рис. 2.3. Схема пластинчатого калорифера для подогрева воздуха

34

2.4. ПЛАСТИНЧАТЫМ ТЕПЛООБМЕННИК «ФИЛЬТР-ПРЕССНОГО» ТИПА
Поверхностью теплообмена в пластинчатых теплообменниках являются
гофрированные параллельные пластины (рис. 2.4, а), с помощью которых

Рис. 2.4. Схемы пластинчатого теплообменника и его элементов:
а - монтажная схема однопоточного аппарата: 1,11- штуцера ввода и вывода теплоносите­
ля I', 2, 12 - штуцера вывода и ввода теплоносителя Г, 3 - неподвижная плита; 4, 13 - кана­
лы для движения теплоносителя I (пунктирные линии); 5,14- каналы для движения теп­
лоносителя II; 6 - четные пластины, считая слева направо (остальные пластины - нечет­
ные), обтекаемые теплоносителем I справа и теплоносителем II слева; 7 - направляющие
стержни; 8 - подвижная плита; 9 - неподвижная стойка; 10 - стяжное винтовое устрой­
ство; б - схема движения теплоносителей I а II з однопоточном (одноходовом) теплообмен­
нике; в - характер потока жидкости в пространстве между двумя соседними гофрированны­
ми пластинами; г — устройство одного из типов пластин: 1 - прокладка, ограничивающая
пространство между пластинами, по которому движется теплоноситель I (снизу вверх); 2, 3
- отверстия для прохода этого теплоносителя; 4 - две малые кольцевые прокладки, уплот­
няющие отверстия 5 и 6, через которые проходит теплоноситель II

35

создается система узких каналов (рис. 2.4, в) шириной 3-6 мм, с волнистыми
стенками. Эти теплообменники применяются для нагрева (охлаждения) вы­
соковязких жидких сред.
На рис. 2.4, а схематично показано движение теплоносителя I пунктир­
ными линиями, а теплоносителя II - сплошными. Теплоноситель I поступает
через штуцер 12, движется по нечетным каналам (считая справа налево) и
уходит через штуцер 2. Теплоноситель II поступает в аппарат через штуцер
1, протекает по четным каналам и выходит через штуцер 2. Пакет пластин
зажимается между неподвижной головной плитой 3 и подвижной головной
плитой 8. На рис. 2.4, б также схематично показано взаимное движение теп­
лоносителей I и II между пластинами.
Пластинчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, их
легко разбирать и ремонтировать. Однако герметизация пластин представля­
ет серьезную проблему. По этой же причине их применение при высоких
давлениях затруднительно.

2.5. СПИРАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
Такой теплообменник (рис. 2.5) состоит из двух спиралей, входящих одна
в другую и образующих таким образом каналы четырехугольного сечения,
боковые стенки которых образуют две торцевые крышки. Перегородка в цен­
тре теплообменника разделяет полости входа и выхода теплоносителей.

Рис. 2.5. Схема спирального теплообменника:
1,2- металлические листы; 3 - пластина-перегородка; 4 - крышки; 5 - фланцы; I а II - те­
плоносители

В этих теплообменниках поверхность теплообмена образуется двумя
длинными металлическими листами 1 и 2, свернутыми по спирали. Внут­
ренние концы листов приварены к глухой перегородке 3. Между листами об­
разованы два изолированных друг от друга канала прямоугольного сечения
(высотой 2-8 мм), по которым обычно противотоком движутся теплоносите­
ли I и II. Иногда высоту канала фиксируют дистанционной полосой, которая

36

также способствует упрочнению всей конструкции аппарата. С торцов кана­
лы закрыты плоскими крышками 4 и уплотнены прокладкой. Крышки кре­
пят болтами к фланцам 5. Для ввода и вывода теплоносителей у центра кры­
шек и наружных концов спирали приваривают штуцеры.
Спиральные теплообменники компактны, позволяют создавать высокие
скорости движения теплоносителей при достаточно низких гидравлических
сопротивлениях, однако эти аппараты сложны в изготовлении.

2.6. КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ С КОМПЕНСАЦИЕЙ
НЕОДНОРОДНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УДЛИНЕНИЙ ТРУБ И КОЖУХА
На рис. 2.6 представлены некоторые конструкции кожухотрубчатых теп­
лообменников (в старых изданиях учебников - кожухотрубных) с компенса­
цией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха.

Рис. 2.6. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами:
а - теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б - аппарат с
плавающей головкой; в - аппарат с U-образными трубами; 1 - кожухи; 2 - трубы; 3 - линзо­
вый компенсатор; 4 - плавающая головка; I и II - теплоносители

Теплообменник с линзовым компенсатором 3 (рис. 2.6, а) на корпусе
применяют при небольших температурных деформациях (не более 10-15 мм)
и невысоких давлениях в межтрубном пространстве (не более 0,5 МПа).
В этом аппарате температурные деформации компенсируются осевым сжати­
ем или расширением компенсатора.
Теплообменник с плавающей головкой (рис. 2.6, б) применяют при зна­
чительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем
одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно переме­
щаться вдоль оси при температурных удлинениях.

37

Теплообменник с U-образными трубами (рис. 2.6, в) представляет собой
аппарат, в котором оба конца труб закреплены в одной трубной решетке, что
позволяет трубам свободно удлиняться. В теплообменниках этого типа, так
же как и в аппарате с плавающей головкой, наружные стенки труб довольно
легко очищать от накипи и загрязнений при выемке всей трубчатки из ко­
жуха. Однако в этом аппарате усложняется монтаж труб, затруднена очистка
их внутренних стенок.

2.7. МНОГОХОДОВЫЕ (ПО ТРУБНОМУ ПРОСТРАНСТВУ)
КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ ЖЕСТКОЙ КОНСТРУКЦИИ
Рассмотренный в подразделе 2.6 теплообменник (рис. 2.6, а) является од­
ноходовым, т. е. в этом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя
направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой - по
межтрубному). В тех случаях, когда скорость движения теплоносителя неве­
лика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, целесообразно ис­
пользовать многоходовые теплообменники (рис. 2.6, бив, 2.7, 2.8).

Рис. 2.7. Схемы многоходовых (по трубному пространству) кожухотрубчатых теп­
лообменников:
а - двухходовый теплообменник; б - четырехходовый теплообменник; 1 - крышки; 2 - пере­
городки в крышках; I и II - теплоносители

В многоходовом по трубному пространству теплообменнике (рис. 2.7) с
помощью поперечных перегородок 2, установленных в крышках теплооб­
менников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым после­
довательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции
обычно примерно одинаковое.
Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теп­
лоносителя скорость его движения по трубам возрастает с увеличением числа
ходов.

38

2.8. МНОГОХОДОВЫЙ (ПО МЕЖТРУБНОМУ ПРОСТРАНСТВУ)
КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК
Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в этом теплообмен­
нике (рис. 2.8) устанавливают ряд сегментных перегородок 2, которые в го­
ризонтальных теплообменниках одновременно являются промежуточными
опорами для труб.

Рис. 2.8. Схема многоходового (по межтрубному пространству) кожухотрубчатого
теплообменника:
1 - кожух; 2 - перегородки; I и II - теплоносители

Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном
пространствах теплообменника приводит к увеличению его гидравлического
сопротивления и усложнению конструкции теплообменника. В таких случа­
ях необходимо определить наиболее целесообразную с точки зрения эконо­
мики скорость движения теплоносителя. Следует отметить, что в многоходо­
вых теплообменниках по сравнению с противоточными движущая сила про­
цесса несколько снижается в результате того, что они работают по принципу
смешанного тока.

2.9. КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ЖЕСТКОЙ КОНСТРУКЦИИ
Эти теплообменники достаточно просты в изготовлении и могут иметь
большую поверхность теплообмена в одном аппарате; кроме того, они надеж­
ны в работе. На рис. 2.9, а показан вертикальный кожухотрубчатый тепло­
обменник с неподвижными трубными решетками 2, в которых закрепляются
трубы 3. К кожуху 1 с помощью болтов и прокладок крепятся крышка 4 и
днище 5.
Один из теплоносителей I протекает по трубам, другой II - по межтруб­
ному пространству. Теплота между теплоносителями передается через по­
верхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу, а
охлаждаемый теплоноситель - сверху вниз. Это способствует более эффек­
тивному переносу теплоты, так как каждый теплоноситель и сам стремиться
двигаться именно в этих направлениях под влиянием изменения его плотно­
сти при нагревании или охлаждении.
Трубы в трубных решетках могут располагаться различными способами
(рис. 2.9, б-г). Наиболее распространенным из них является размещение
труб по вершинам правильных шестиугольников (рис. 2.9, б). На практике
следует выбрать тот способ, который обеспечит максимально возможную
компактность поверхности теплообмена в аппарате.
39

Рис. 2.9. Кожухотрубчатый теплообменник (а) и способы размещения труб в труб­
ных решетках (б—г):
б - по вершинам правильных шестиугольников; в - по вершинам квадратов; г - по концен­
трическим окружностям (t - шаг труб; d - диаметр трубы); 1 - кожух; 2 - трубные решетки;
3 - трубы; 4 - крышка; 5 - днище; I и II - теплоносители

Воздух

2.10. НАСАДОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИККОНДЕНСАТОР
Насадочные смесительные теплообменни­
ки (рис. 2.10) представляют собой цилиндр,
заполненный различными по конфигурации
телами - насадкой (см. подраздел 3.1), кото­
рая служит для развития поверхности кон­
такта. Поскольку эти аппараты применяют
для конденсации паров и охлаждения газов
какой-либо жидкостью, обычно водой, то эту
жидкость через распределительное устрой­
ство 3 подают на насадку; под действием силы
тяжести жидкость растекается по поверхно­
сти насадки 2, увеличивая поверхность кон­
такта с поднимающимся снизу паром или га­
зом.
Рис. 2.10. Схема насадочного смесительного теп­
лообменника:

Вода
11 и конденсат

40

1 - корпус; 2 - насадка; 3 - распределительное уст­
ройство

В полых аппаратах-цилиндрах устанавливают специальные, весьма раз­
нообразные разбрызгиватели для увеличения поверхности контакта между
водой и паром или газом. В этих аппаратах контакт между фазами происхо­
дит на поверхности капель.

2.11. ПОЛОЧНЫЕ БАРОМЕТРИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
На рис. 2.11, а и б показаны полочные барометрические противоточные
конденсаторы смешения, предназначенные для создания вакуума в аппара­
тах с паровой фазой, в частности в выпарных установках.
a

Рис. 2.11. Полочные барометрические конденсаторы:
а - противоточный полочный барометрический конденсатор; б - противоточный барометри­
ческий конденсатор с кольцевыми полками; 1 - корпуса; 2 - перфорированные полки; 3 барометрические трубы; 4 - емкости; 5 - ловушка; 6 - кольцевые полки

41

В этом аппарате пар вводят в корпус 1 конденсатора с сегментными пер­
форированными полками 2. Воду подают на верхнюю полку, откуда она каскадно перетекает по полкам 2, имеющим небольшие борта. Основная часть
воды вытекает тонкими струйками через отверстия в полках, а остальная пе­
ретекает через борт на нижерасположенную полку. При контакте с водой пар
конденсируется, вследствие чего в конденсаторе и аппарате создается разре­
жение. Образовавшаяся смесь конденсата и воды самотеком сливается в ба­
рометрическую трубу 3 высотой около Юми затем в емкость 4. Барометри­
ческая труба 3 и емкость 4 образуют гидрозатвор, который препятствует
проникновению наружного воздуха в аппарат.
Из емкости 4 воду удаляют в линию оборотной воды или канализацию.
Несконденсировавшийся воздух, находившийся в паре и охлаждающей воде,
проходит через ловушку 5 и отсасывается вакуум-насосом для предотвраще­
ния резкого снижения разрежения в конденсаторе.

2.12. ВЫПАРНОЙ АППАРАТ С ВЫНЕСЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ТРУБОЙ
И ЕСТЕСТВЕННОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ РАСТВОРА
На рис. 2.12 показан выпарной аппарат с вынесенной циркуляционной
трубой 5. Циркуляция раствора в таких аппаратах вызывается различием
плотностей парожидкостной смеси и жидкости в кипятильных трубах и цир­
куляционной трубе. Скорость (кратность) циркуляции здесь невелика (ско­
рость движения парожидкостной смеси составляет 0,3-0,8 м/с). Поэтому ко­
эффициенты теплопередачи также относительно низкие. Аппараты с есте­
ственной циркуляцией раствора применяют для упаривания растворов не об­
разующих осадка на греющей поверхности и пенящихся.
В этом аппарате циркуляционная труба не обогревается, следовательно
раствор в ней не кипит и парожидкостная смесь не образуется. Разность
плотностей парожидкостной
Вторичный
смеси в кипятильных трубах 2
пар
и раствора в циркуляционной
трубе больше, чем в аппаратах
с центральной циркуляцион­
ной трубой, поэтому кратность
3
циркуляции и коэффициенты
теплопередачи несколько вы­
Парожидкостная ше. Повышение скорости дви­
жения парожидкостной смеси в
(
\
смесь
кипятильных трубах уменьша­
ет возможность отложения со­
Упаренный
лей, которые могут выделяться
раствор
при концентрировании раство­
Гэеющий
ров.
пар

2

42

1

Рис. 2.12. Выпарной аппарат с
вынесенной циркуляционной тру­
бой:

Исходный
раствор

1 - нагревательная камера; 2 - кипя­
тильные трубки; 3 - сепаратор; 4 брызгоотбойник; 5 - циркуляционная
труба

^ Конденсат

Рис. 2.13. Выпарной аппарат с выне­
сенной зоной кипения:

Вторичный
пар

1 - нагревательная камера; 2 - сепаратор;
3 - брызгоотбойник; 4 - труба вскипания;
5 - циркуляционная труба

3

2
2.13. ВЫПАРНОЙ АППАРАТ
С ВЫНЕСЕННОЙ ЗОНОЙ
КИПЕНИЯ

Парожидкостная
смесь

Существенного снижения от­
ложения солей можно достичь при
использовании аппаратов с выне­ Упаренный
раствор
Исходный
сенной зоной кипения (рис. 2.13).
раствор
В таких аппаратах вследствие уве­
личенного гидростатического дав­ Гоеющий
пар
ления столба жидкости кипения в
трубах нагревательной камеры 1
5
не происходит, упариваемый рас­
твор только перегревается. При
выходе перегретого раствора из
о
со -*► Конденсат
этих труб в трубу вскипания 4 он
5
о
попадает в зону пониженного гид­
CD
ростатического давления, где про­
исходит его интенсивное закипа­
ние.
Таким образом, предотвращается возможность отложения накипи на теплообменной поверхности труб и,
следовательно, увеличиваются коэффициент теплопередачи и время эксплу­
атации аппарата между профилактическими ремонтами.

2.14. ВЫПАРНЫЕ АППАРАТЫ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
И ВЫНЕСЕННЫМИ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ КАМЕРОЙ
И ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ ТРУБОЙ
Более высокие кратности циркуляции, соответствующие скоростям дви­
жения парожидкостной смеси более 2-2,5 м/с, достигаются в выпарных ап­
паратах с принудительной циркуляцией (рис. 2.14). Повышение кратности
циркуляции обеспечивается установкой в циркуляционной трубе осевых
насосов 5, обладающих высокой производительностью. В связи с более высо­
кими скоростями движения жидкости в этих аппаратах достаточно высоки
коэффициенты теплопередачи, поэтому такие аппараты могут эффективно
работать при меньших полезных разностях температур (равных 3-5 °C). В
аппаратах с принудительной циркуляцией можно с успехом концентриро­
вать высоковязкие или кристаллизующиеся растворы.
В ряде случаев выпарные аппараты с принудительной циркуляцией вы­
полняют с вынесенной нагревательной камерой (рис. 2.14, а). В этом случае
появляется возможность производить замену нагревательной камеры при ее
загрязнении, а иногда к одному сепаратору подсоединять две или три нагре­
вательные камеры. Роль зоны вскипания выполняет труба, соединяющая
нагревательную камеру и сепаратор. Достоинством выпарного аппарата с со­
осными греющей камерой и сепаратором (рис. 2.14, б) является меньшая
производственная площадь, необходимая для его размещения.

43

a

Вторичный

'1

б

Упаренный
’ раствор

Рис. 2.14. Выпарные аппараты с принудительной циркуляцией и вынесенными
нагревательной камерой (а) и циркуляционной трубой (б):
1 - нагревательные камеры; 2 - сепараторы; 3 - брызгоуловитель; 4 - циркуляционные тру­
бы; 5 - насосы

2.15. ВЫПАРНЫЕ ПЛЕНОЧНЫЕ АППАРАТЫ С ВОСХОДЯЩЕЙ
И НИСХОДЯЩЕЙ ПЛЕНКОЙ
Пленочные выпарные аппараты работают без циркуляции; процесс вы­
паривания осуществляется за один проход жидкости по кипятильным тру­
бам, причем раствор движется в них в виде восходящей или нисходящей
пленки жидкости (рис. 2.15, а и б).
Как правило, эти аппараты работают при прямоточном движении раство­
ра и образующегося вторичного пара, который занимает центральную часть
труб. В связи с этим здесь отсутствует гидростатический столб парожидкост­
ной смеси. Эти аппараты применяют для упаривания растворов, чувстви­
тельных к высоким температурам, а также склонных к интенсивному пенообразованию, так как процесс, как правило, проводят под вакуумом и при
малом времени контакта с поверхностью теплообмена.
Выпарной аппарат с восходящей пленкой жидкости (рис. 2.15, а) работа­
ет следующим образом. Снизу заполняют раствором трубы на 1/4~1/5 их высо­
ты, подают греющий пар, который вызывает интенсивное кипение. Выделя­
ющийся вторичный пар, поднимаясь по трубам, за счет сил поверхностного
трения увлекает за собой раствор. В сепараторе пар и раствор отделяются
друг от друга.

44

a

Рис. 2.15. Выпарные пленочные аппараты с восходящей (а) и нисходящей (б)
пленкой жидкости:
а - аппарат с восходящей пленкой жидкости; б - аппарат с нисходящей пленкой жидкости;
1 - нагревательные камеры; 2 - сепараторы; 3 - брызгоотбойник

В выпарном аппарате с нисходящей пленкой жидкости (рис. 2.15, б) ис­
ходный раствор подают в верхнюю часть нагревательной камеры 1, где обыч­
но расположен распределитель жидкости, из которого последняя по трубам
стекает вниз. Образующийся вторичный пар также движется в нижнюю
часть нагревательной камеры, откуда вместе с жидкостью попадает в сепара­
тор 2 для отделения от раствора.

2.16. РОТОРНЫЙ ПЛЕНОЧНЫЙ АППАРАТ
Для выпаривания и дистилляции нестойких к повышенным температу­
рам (термолабильных) вязких и пастообразных жидких сред применяют ро­
торные прямоточные пленочные аппараты (рис. 2.16). В роторных испарите­
лях пленка образуется либо при вращении ротора испарителя, либо при вра­
щении испаряемой жидкости.
Внутри цилиндрического корпуса 1 аппарата, снабженного паровыми ру­
башками 2, вращается ротор 3, состоящий из вертикального вала (располо­
женного по оси аппарата) и шарнирно закрепленных на нем скребков (лопа­
ток) 4. Под действием центробежной силы (окружная скорость на конце

45

Рис. 2.16. Роторный пленочный аппа­
рат:
1 - корпус; 2 - паровая рубашка; 3 - ротор;
4 - скребки

X Упаренный
’ раствор

скребка ~3 м/с) скребки прижима­
ются к поверхности теплообмена и
распределяют по ней жидкость в ви­
де турбулентно движущейся тонкой
пленки.
При упаривании пленки за счет
парового обогрева на поверхности
теплообмена аппарата образуется
тонкий слой отложений, который
непрерывно снимается с помощью
лопаток. Обогрев аппарата осу­
ществляется насыщенным водяным
паром или органическим теплоноси­
телем.
Благодаря малому времени пре­
бывания в зоне нагрева, незначи­
тельности количества продукта в
этой зоне и снижению температуры
кипения, обработка продукта про­
исходит без его разложения и сни­
жения качества.
Роторные испарители - непре­
рывно действующие аппараты. Их
применяют как в виде отдельных
установок, так и в виде последней
ступени многокорпусной выпарной
установки.

3. МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Технологические процессы, скорость протекания которых определяется
скоростью переноса вещества (массы) из одной фазы в другую, называются

массообменными (диффузионными) процессами, а аппаратура, предназна­
ченная для проведения этих процессов, - массообменной аппаратурой.

Движущая сила массообменного процесса характеризуется степенью его от­
клонения от состояния динамического равновесия и может определяться как
разность равновесной и рабочей концентраций активного (целевого) компо­
нента. Необходимыми и достаточными условиями протекания этих процес­
сов являются: наличие минимум двух фаз, имеющих межфазную поверх­

ность; активный компонент, переносимый из одной фазы в другую; неравно­
мерность его концентраций во взаимодействующих фазах.
Массообменные процессы широко используются в промышленности для

решения задач разделения жидких и газовых гомогенных смесей, их кон­
центрирования, а также для защиты окружающей природной среды (прежде
всего очистки сточных вод и отходящих газов). Наибольшее распространение

получили рассмотренные ниже массообменные процессы:
47

Абсорбция - избирательное поглощение газов (паров) из газовой смеси
жидким поглотителем (абсорбентом). Наиболее широко используется для
разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.
Перегонка и ректификация - разделение жидких гомогенных смесей на
компоненты при противоточном взаимодействии потоков жидкости и пара,
полученного испарением разделяемой смеси.
Экстракция (жидкостная) - извлечение вещества, растворенного в од­
ной жидкости, другой жидкостью (экстрагентом), практически не смеши­
вающейся или частично смешивающейся с первой. Применяют для извлече­
ния растворенного вещества (или веществ) сравнительно невысоких концен­
траций.
Адсорбция - избирательное поглощение газов, паров или растворенных в
жидкости веществ поверхностью твердого поглотителя (адсорбента). Приме­
няется для извлечения вещества (или веществ) достаточно низкой концен­
трации из их смеси.
Кристаллизация - выделение твердой фазы в виде кристаллов из пере­
сыщенных растворов или расплавов. Применяется, в частности, для получе­
ния веществ повышенной чистоты.
Сушка - удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном пу­
тем ее испарения. Применяется для предварительного обезвоживания ком­
понентов сырья или обезвоживания готового продукта.
Ионный обмен - избирательное извлечение ионов из растворов электро­
литов (где извлекаемые вещества содержатся в низких концентрациях). Он
заключается в обмене ионов между раствором электролита и твердыми веще­
ствами - ионитами.
Мембранные процессы - избирательное извлечение компонентов смеси
или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки - мем­
браны. Применяются для разделения газовых и жидких смесей, очистки
сточных вод и газовых выбросов.
Массообменный процесс сопровождается тепловым эффектом, особенно
значительным при изменении агрегатного состояния взаимодействующих
фаз.
Необходимым условием работы массообменного аппарата является созда­
ние в нем развитой межфазной поверхности, турбулизация потоков взаимо­
действующих фаз. Из всех физических процессов химической технологии
массообменные процессы имеют наиболее разнообразное и сложное аппара­
турное оформление. Все его многообразие связано, прежде всего, с состояни­
ем межфазной поверхности, а именно: аппараты с геометрически фиксиро­
ванной поверхностью взаимодействующих фаз; аппараты с гидродинамиче­
ски подвижной, свободной поверхностью. На конструктивный тип аппарата
оказывает влияние физическое состояние дисперсионной среды, агрегатное
состояние и структура дисперсной фазы.
48

3.1. ВИДЫ НАСАДОК
В промышленности при проведении процессов массопереноса для разви­
тия поверхности контакта взаимодействующих фаз используют насадку твердые тела, разнообразные по форме и размерам (рис. 3.1). Они изготавли­
ваются из различных материалов (металла, керамики, пластических масс и
др.), которые удовлетворяют основным требованиям при проведении того
или иного процесса.

4

5

8
Рис. 3.1. Виды насадок:

а - насадка из колец Рашига: 1 - отдельное кольцо; 2 - кольца навалом; 3 - регулярная насад­
ка; б - фасонная насадка: 1 - кольца Палля; 2 - седлообразная насадка; 3-кольца с крестооб­
разными перегородками; 4 - керамические блоки; 5 - насадки витые из проволоки; 6 - коль­
ца с внутренними спиралями; 7 - пропеллерная насадка; 8 - деревянная хордовая насадка

49

Насадка из колец Рашига (рис. 3.1, а) имеет наиболее широкое примене­
ние. Тонкостенные кольца Рашига имеют высоту, равную диаметру, который
изменяется в пределах 15-150 мм. Кольца малых размеров засыпают в ко­
лонну навалом. Большие кольца (от 50x50 мм и выше) укладывают правиль­
ными рядами, сдвинутыми друг относительно друга. Такой способ заполне­
ния аппарата насадкой называют загрузкой в укладку, а загруженную таким
способом насадку -регулярной.
Хордовая насадка (рис. 3.1, б) обычно применяется в колоннах большого
диаметра. Несмотря на простоту ее изготовления, хордовая насадка вслед­
ствие небольших удельной поверхности и свободного сечения вытесняется
более сложными и дорогостоящими видами фасонных насадок, часть из ко­
торых представлена на рис. 3.1, б.
В насадочных колоннах поверхностью контакта фаз является смоченная
поверхность насадки, поэтому насадка должна иметь возможно большую по­
верхность в единице объема. Вместе с тем, для эффективной работы она долж­
на удовлетворять следующим требованиям: 1) хорошо смачиваться орошаю­
щей жидкостью; 2) оказывать малое гидравлическое сопротивление газовому
(паровому) потоку; 3) создавать возможность для высоких нагрузок аппарата
по жидкости и газу (пару); 4) иметь малую плотность; 5) равномерно распре­
делять орошающую жидкость; 6) быть стойкой к агрессивным средам; 7) об­
ладать высокой механической прочностью; 8) иметь невысокую стоимость.

3.2. КОЛПАЧКОВАЯ ТАРЕЛКА С КАПСУЛЬНЫМИ КОЛПАЧКАМИ
Кроме насадок в качестве контактных устройств широкое применение
находят тарелки (рис. 3.2-3.7). Тарелки бывают со сливными устройствами
и без них. К первой группе относятся колпачковые, ситчатые, клапанные и
другие тарелки; ко второй группе - провальные.

а
Поток
жидкости

Рис. 3.2. Устройство колпачковой тарелки с капсульными колпачками:
а - две соседние тарелки; б - капсульный колпачок; в - формы капсульных колпачков; 1 тарелки; 2 - газовые (паровые) патрубки; 3 - круглые колпачки; 4 - переточные перегород­
ки(или трубы) с порогами; 5 - гидравлические затворы; 6 - корпус колонны

50

Сливные устройства это специальные приспособления для перетока жид­
кости - сливные трубки, карманы и др. Их нижние концы погружены в
жидкость на нижерасположенных тарелках для создания гидрозатвора,
предотвращающего прохождение газа (пара) через сливное устройство.
Принцип действия тарелок со сливными устройствами рассмотрим на
примере колпачковой тарелки (рис. 3.2, а). Жидкость подается сверху вниз,
движется вдоль тарелки от одного сливного устройства к другому. Газ (пар)
проходит снизу через прорези колпачков (рис. 3.2, б и в) и затем попадает в
слой жидкости на тарелке, высота которого регулируется в основном высотой
сливного порога.
При этом газ (пар) распределяется в жидкости в виде пузырьков и струй,
образуя слой пены, в которой происходят основные процессы массо- и теплопереноса. Эта пена нестабильна, и при подходе ее к сливному устройству
жидкость осветляется.

3.3. СИТЧАТАЯ ПЕРЕТОЧНАЯ ТАРЕЛКА
Ситчатые тарелки (рис. 3.3) представляют собой перфорированные диски
с большим числом отверстий диаметром 2-8 мм, которые равномерно про­
сверлены по всей поверхности.
Уровень жидкости на тарелке 1 поддерживается переливным устрой­
ством 2. Газ (пар) проходит через отверстия тарелки и барботирует через слой
жидкости (распределяется в слое жидкости в виде мелких струек и пузырь­
ков).
При слишком малой скорости газа (пара) его давление не может удержать
слой жидкости, соответствующий высоте перелива, и жидкость может проса­
чиваться (или «проваливаться») через отверстия тарелки на нижерасположенную тарелку, что приводит к существенному снижению движущей силы
процесса. Поэтому газ (пар) должен двигаться с определенной скоростью и
иметь давление, достаточное для того, чтобы преодолеть давление слоя жид­
кости на тарелке и предотвра­
тить стекание жидкости через
отверстия тарелки. Однако при
слишком больших нагрузках
жидкость будет уноситься по­
током газа (пара) на вышеле­
жащие тарелки.
Ситчатые тарелки обладают
более узким диапазоном рабо­
ты по сравнению с колпачковы­
ми, но отличаются простотой
устройства, низким гидравли­
ческим сопротивлением, легко­
стью монтажа, осмотра и ре­
монта.

Рис. 3.3. Устройство ситчатых
переточных тарелок:
1 - тарелки; 2 - переливные устрой­
ства; 3 - гидрозатворы; 4 - корпус
колонны

51

3.4. КЛАПАННАЯ ТАРЕЛКА
Клапанные тарелки (рис. 3.4) эффективны в широком интервале нагру­
зок по газу (пару). Принцип действия клапанных тарелок (рис. 3.4, а) состо­
ит в том, что клапан 2, свободно лежащий над отверстием в тарелке 1, с из­
менением расхода газа (пара) увеличивает подъем и соответственно площадь
зазора между клапаном и плоскостью тарелки для прохода газа (пара). По­
этому скорость газа (пара) в этом зазоре, а значит и во входе в слой жидкости
на тарелке, остается приблизительно постоянной, что обеспечивает неизмен­
но эффективную работу тарелки. Гидравлическое сопротивление тарелки при
этом увеличивается незначительно. Высота подъема клапана определяется
высотой ограничителя 7 (рис. 3.4, б) и обычно не превышает 6-8 мм. Диа­
метр отверстий под клапаном составляет 35-40 мм, а диаметр самого клапа­
на 45-50 мм.

а

б

Жидкость

Рис. 3.4. Устройство клапанных тарелок:
а - две соседние тарелки с круглыми клапанами; б - принцип работы клапана; 1 - тарелка;
2 - клапан; 3 - переточная перегородка с порогом; 4 - гидравлический затвор; 5 - корпус
колонны; 6 - диск клапана; 7 - ограничители подъема клапана; в - круглые клапаны с
верхним ограничителем (/) и с балластом (II): 1 - дисковый клапан; 2 - ограничитель; 3 балласт

Клапанные тарелки по сравнению с рассмотренными выше типами таре­
лок имеют повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное весом
клапана, и усложненную конструкцию. Они применяются для работы в
условиях значительно меняющихся скоростей газа (пара).

3.5. ПЛАСТИНЧАТАЯ ТАРЕЛКА
В отличие от тарелок, рассмотренных выше, пластинчатые тарелки
(рис. 3.5) работают при однонаправленном движении фаз.
На пластинчатой тарелке жидкость, движение которой показано на ри­
сунке сплошными стрелками, поступает с вышележащей тарелки в гидрав­
лический затвор 1 и через переливную перегородку 2 попадает на тарелку,
52

Жидкость

Рис. 3.5. Устройство пластинчатых тарелок:
1 - гидравлический затвор; 2 - переливная пере­
городка; 3 - пластины; 4 - сливной карман

состоящую из ряда наклонных пластин 3.
Дойдя до первой щели, образованной
наклонными
пластинами,
жидкость
встречается с газом или паром (пунктир­
ные стрелки), который с большой скоро­
стью (20-30 м/с) проходит сквозь щели.
При этом происходит частичное диспер­
гирование жидкости газовым (паровым)
потоком и отбрасывание ее к следующей
щели, где процесс взаимодействия фаз
повторяется.
Поэтому на такой тарелке жидкость с
большой скоростью в основном в виде ка­
пель движется от переливной перегород­
ки 2 к сливному карману 4. На пластин­
чатых тарелках нет необходимости в
установке переливного порога у кармана
4, что уменьшает их гидравлическое со­
противление.

Газ

3.6. ПРОВАЛЬНАЯ ТАРЕЛКА
В тарелках без сливных устройств газ (пар) и жидкость проходят через
одни и те же отверстия или щели. При этом одновременно с взаимодействием
фаз на тарелке происходит
Жидкость
сток жидкости на нижерасположенную тарелку - «про­
валивание» жидкости. По­
сп 03
этому тарелки такого типа
D
часто называют провальны­
о §
ми. На рис. 3.6 изображены
о
две соседние дырчатые про­
+
о 2
ОН
вальные тарелки.
о
со Б
о
%
,«
S^V
CD
Гидродинамические ре­
РИ
жимы работы провальных
тарелок специфичны тем,
Газ
что нормальная их работа
возможна только после до­
стижения определенной ско­
рости газа (пара).
‘^^ 00 0°

ОЛ
,0

о
°Л
1
0е 9° *° °*

3

О

О

О

0

О

0

^

о

0

0

6
ос

О

’О

О о °

D

о

0

с

0

Рис. 3.6. Устройство проваль­
ных тарелок:
1 - колонна; 2 - тарелки

53

3.7. ТИПЫ ИНТЕНСИВНЫХ КОНТАКТНЫХ УСТРОЙСТВ
На рис. 3.7, а и 6 приведены типы тарелок, на которых осуществляются
интенсивные режимы взаимодействия газовой (паровой) и жидкой фаз.
Тарелки с двумя зонами контакта фаз (рис. 3.7, а) имеют дополнитель­
ную зону контакта фаз за счет специально организованного слива жидкости с
одной тарелки на другую. Газ (пар) проходит через пленку жидкости (допол­
нительная зона контакта фаз) и барботирует через жидкость на тарелке. Как
показывают исследования, сепарирующее действие пленки позволяет повы­
сить скорость газа (пара) в колонне по сравнению с ситчатыми и колпачко­
выми тарелками.

б

| Жидкость
3.7. Типы интенсивных контактных устройств:
а - тарелки с двумя зонами контакта фаз; б - тарелки с подвижной шаровой насадкой

Тарелки с шаровой насадкой (рис. 3.7,
устройств, в которых поверхность контакта
(пара). Слой шаров, помещенных на тарелку
па, образует плотную сепарирующую завесу
ленном расходе газа (пара).

б) являются разновидностью
фаз развивается потоком газа
ситчатого или провального ти­
между тарелками при опреде­

3.8. НАСАДОЧНЫЕ АБСОРБЕРЫ
Насадочные абсорберы получили наибольшее применение по сравнению с
абсорбционными аппаратами других типов. Они представляют собой колон­
ны, заполненные насадкой - твердыми телами различной формы (см. под­
раздел 3.1). В насадочной колонне 1 (рис. 3.8, а, б) насадка 3 укладывается
на опорные решетки 4, имеющие отверстия или щели для прохождения газа
и стока жидкости, которая достаточно равномерно орошает насадку 3 с по­
мощью распределителя 2 и стекает по поверхности насадочных тел в виде
тонкой пленки вниз.
Часто насадку в колонну загружают секциями высотой в четыре-пять ди­
аметров (но не более 3-4 метров в каждой секции), а между секциями (слоя­
ми насадки) устанавливают перераспределители жидкости 5 (рис. 3.8, б),
54

a

б

в

Рис. 3.8. Насадочные абсорберы:
а - со сплошным слоем насадки; б - с секционной загрузкой насадки: 1 - корпуса; 2 - рас­
пределители жидкости; 3 - насадка; 4 - опорные решетки; 5 - перераспределитель жидко­
сти; 6 - гидравлические затворы; в - эмульгационная насадочная колонна: 1 - насадка; 2 сетка, фиксирующая насадку; 3 - гидравлический затвор; 4 - опорная решетка; 5 - распре­
делитель газа

назначение которых состоит в направлении жидкости от периферии колонны
к ее оси. В эмульгационной насадочной колонне (рис. 3.8, в) постоянно под­
держивается режим эмульгирования, который соответствует максимальной
эффективности насадочных колонн.
Следует отметить, что аппараты этого типа также используются для про­
ведения процесса ректификации (см. подраздел 3.10).

3.9. ПЛЕНОЧНЫЙ АБСОРБЕР
В пленочных абсорберах (рис. 3.9) поверхностью контакта фаз является
поверхность жидкости, текущей по твердой, обычно вертикальной стенке.
К этому виду аппаратов относятся: 1) трубчатые абсорберы; 2) абсорберы с
плоскопараллельной или листовой насадкой; 3) абсорберы с восходящим дви­
жением пленки жидкости.
Пленочные противоточные аппараты применяются при больших произ­
водительностях по газу, необходимости малых гидравлических сопротивле­
ний и сравнительно невысокой степени извлечения компонентов.
По устройству трубчатый пленочный абсорбер аналогичен кожухотрубча­
тому теплообменнику. Абсорбент поступает на верхнюю трубную решетку,
распределяется по трубам 2 и стекает по их внутренней поверхности в виде
тонкой пленки. В абсорберах с большим числом труб для улучшения распре­
деления абсорбента по трубам применяют специальные распределительные
55

л Газ

Узел А

Рис. 3.9. Трубчатый пленочный абсорбер:
1 - корпус; 2 - трубки; 3 - перегородки

устройства. Газ движется по трубам снизу вверх навстречу стекающей жид­
кой пленке. В случае необходимости отвода теплоты абсорбции в межтрубное
пространство абсорбера подают охлаждающий агент (обычно воду).
Следует также отметить, что пленочные колонны используются для про­
ведения процесса ректификации под вакуумом (см. подраздел 3.10).

3.10. ТАРЕЛЬЧАТЫЙ АБСОРБЕР
Тарельчатые (барботажные) абсорберы (рис. 3.10), представляют собой
вертикальные цилиндры - колонны, внутри которых на определенном рас­
стоянии друг от друга по высоте колонны размещаются горизонтальные пе­
регородки - тарелки. К тарельчатым абсорберам относятся колонны с любы­
ми рассмотренными выше тарелками. Тарелки служат для развития поверх­
ности контакта фаз при направленном движении этих фаз (жидкость течет
сверху вниз, а газ проходит снизу вверх) и многократном взаимодействии
жидкости и газа (см. подраздел 3.2).
Тарельчатые колонные аппараты также как и насадочные применяются
для процесса ректификации. Их устройство принципиально не отличается от
тарельчатых и насадочных абсорберов. Однако в отличие от последних, для
снижения потерь теплоты все эти аппараты покрывают тепловой изоляцией.

56

Рис. 3.10. Устройство тарельчатого аб­
сорбера:

Газ

1 - тарелки; 2 - газовые (паровые) патрубки;
3 - круглые колпачки; 4 - переточные пере­
городки (или трубы) с порогами; 5 - гидрав­
лические затворы; 6 - корпус колонны

Основной отличительной особен­
ностью ректификационных колонн
является то, что для проведения рек­
тификации они должны быть снаб­
жены соответствующей теплообмен­
ной аппаратурой (кипятильником,
подогревателем, конденсатором-деф­
легматором, холодильником дистил­
лята и кубового остатка).

3.11. РАСПЫЛИВАЮЩИЕ
АБСОРБЕРЫ
В распыливающих абсорберах кон­
такт между фазами достигается распыливанием или разбрызгиванием
жидкости в газовом потоке, Эти абсорберы подразделяют на следующие
группы: 1) полые (форсуночные) распыливающие абсорберы, в которых жид­
кость распыляется на капли форсунками; 2) скоростные прямоточные рас­
пыливающие абсорберы, в которых распыление жидкости осуществляется за
счет кинетической энергии газового потока (абсорбер Вентури); 3) механиче­
ские распыливающие абсорберы, в которых жидкость распыляется вращаю­
щимися деталями.
На рис. 3.11.1 изображены полые распыливающие абсорберы, применяе­
мые для обработки сильно загрязненных и хорошо растворимых газов.
В этих абсорберах газ движется снизу вверх, а жидкость подается через рас­
положенные в верхней части колонны 1 форсунки 2 с направлением факела
распыла обычно сверху вниз. Эффективность таких абсорберов невысока, что
обусловлено перемешиванием газа по высоте колонны и плохим заполнением
ее сечения факелом распыленной жидкости. В результате объемный коэффи­
циент массопередачи и число единиц переноса в этих аппаратах невелики.
Поэтому распылительные форсунки в полых абсорберах часто устанавливают
на нескольких уровнях.
Значительно более эффективным видом распыливающих абсорберов яв­
ляется бесфорсуночный скоростной прямоточный абсорбер Вентури, изобра­
женный на рис. 3.11.2.
Основной его частью является труба Вентури. В случае прямотока про­
цесс в таких абсорберах можно проводить при высоких скоростях газа (2030 м/с и выше). Жидкость поступает в конфузор 1, течет в виде пленки и в
горловине 2 распыляется газовым потоком. Затем жидкость газовым пото­
ком выносится в диффузор 3, где скорость газа снижается и его кинетиче­
ская энергия переходит в энергию давления с минимальными потерями. От­
деление капель от газа происходит в сепараторе 4.

57

б

a

Жидкость

Жидкость

2

Жидкость

т Жидкость
Рис. 3.11.1. Устройство полых распыливающих абсорберов:
а - вертикальная колонна с верхним распылом жидкости; б - вертикальная колонна с рас­
пылом жидкости по высоте аппарата; в - горизонтальная колонна с перекрестным током; 1 корпуса; 2 - форсунки; 3 - коллектор орошающей жидкости; 4 - брызгоотбойник; 5 - газо­
распределительная решетка

а

б

Рис.3.11.2. Устройство бесфорсуночных абсорберов Вентури:
а - абсорбер Вентури с эжекцией жидкости; б - абсорбер Вентури с пленочным орошением;
1 - конфузоры; 2 - горловины; 3 - диффузоры; 4 - сепараторы; 5 - циркуляционная труба;
6 - гидравлический затвор

3.12. РОТОРНО-ДИСКОВЫИ ЭКСТРАКТОР
В роторно-дисковом экстракторе (рис. 3.12) на равном расстоянии друг от
друга укреплены неподвижные кольцевые перегородки 2 (статор), делящие
колонну на ряд секций небольшого объема. По оси колонны 1 на валу 3 рас­
полагаются гладкие горизонтальные диски (ротор). Диаметр дисков ротора
несколько меньше диаметра отверстий колец статора.

б

Рис. 3.12. Схемы роторно-дискового экстрактора (а) и одного из вариантов его
секции (б):
1 - колонна; 2 - кольцевые перегородки; 3 - вал ротора с плоскими дисками; 4,6- отстой­
ные зоны соответственно для легкой и тяжелой фаз; 5 - распределитель легкой фазы

При вращении вала с дисками под действием сил трения и центробежных
сил возникает движение сплошной фазы к стенкам аппарата, достигнув ко­
торых, жидкость движется вверх и вниз вдоль стенки и отражается кольца­
ми статора. На это движение жидкости накладывается также движение в
осевом направлении. Диспергируемая распределителем 5 легкая фаза (экс­
трагент) движется противотоком к сплошной.
В результате в каждой секции возникает интенсивное перемешивание
фаз. При этом дисперсная фаза многократно дробится дисками при столкно­
вении со стенками и под действием турбулентных пульсаций. После переме­
шивания при обтекании кольцевых перегородок, ограничивающих секции
колонны, фазы частично разделяются вследствие разности плотностей. В от­
стойных зонах 4 и 6 фазы разделяются и затем выходят из аппарата.

3.13. СИТЧАТЫЙ ЭКСТРАКТОР
В качестве экстракторов в принципе можно использовать любую из рас­
смотренных ранее конструкций тарельчатых колонн, но в промышленности
наибольшее применение нашли ситчатые экстракторы (рис. 3.13).
В ситчатых экстракторах сплошная фаза (на рисунке сплошной фазой
является исходный раствор) течет вдоль тарелки 1 и перетекает с тарелки на

59

Рис. 3.13. Схема ситчатого экстрак­
тора:

Экстракт

Исходный
раствор

1
-

оо%о°*

~ -

оо • •

-о^^^Л-

3

2
' оэо °:!0
. ^ О о °О ^С
О 0 О ОО о °
ООоООО °

О
^
э
о

о DO ОО О •
О 00^0
*в О 0О о