В якості об’єкту керування при фільтруванні рідких систем приймаємо барабанний вакуум-фільтр. Контролю підлягають: витрата суспензії і фільтрату; рівень рідини у ванні; розрідження у вакуум-лінії; перепад тиску до і після фільтрувальної тканини; мутність фільтрату; потужність електродвигуна.
Товщина осаду є важливим режимним параметром і є доцільною стабілізація цього параметру. З цією метою регулюючі впливи можуть бути внесені як зміною вакууму, так і зміною швидкості обертання барабана.
Запитання для самоконтролю
1. Яка основна ознака класифікації неоднорідних систем?
2. Охарактеризуйте процес відстоювання та рушійну силу процесу.
3. Запишіть способи визначення осадження.
4. Запишіть формулу Стокса.
5. Складіть рівняння фільтрування.
6. Яка основна ознака класифікації фільтрів?
7. Назвіть основні елементи фільтрів.
8. Назвіть мембранні методи розділення.
9. Які ви знаєте методи контролю технологічних параметрів фільтрування?
10. Охарактеризуйте апарат для розділення неоднорідних систем як об’єкт автоматизації.
ЗМІСТОВИЙ МОДУЛЬ 2
ПРОЦЕСИ ТЕПЛО- ТА МАСООБМІНУ, ЇХ АПАРАТНА РЕАЛІЗАЦІЯ. ОСНОВНІ КОМПОНЕНТИ СИРОВИНИ ТА ГОТОВОГО ПРОДУКТУ
Тема 1. Процеси теплообміну та їх апаратна реалізація
Основи теплопередачі
Передача енергії в багаточисельнихрізноманітних технологічних процесах (від згорання пального в котельних установках до перекачування насосом рідини трубопроводом) описується одним і тим же законом. Зокрема, енергія (теплова, електрична, гідравлічна) при всіх її перетвореннях зберігається відповідно до першого закону термодинаміки.
У деяких процесах, наприклад, в процесі теплообміну, енергія передається від однієї речовини до іншої без перетворення. У інших процесах передача енергії відбувається внаслідоксупроводжується перетворення її зіз однієї форми в іншу. Такі процеси, що реалізуються в хімічних і ядерних реакторах, промислових печах, насосах, компресорах і інших апаратах, повинні вивчатися більш глибоко. Регулювання передачі енергії полягає в регулюванні швидкості потоку енергії, тобто в регулюванні її потужності. Основною умовою регулювання технологічних процесів є збереження їх матеріального і енергетичного балансів.
Передача енергії у вигляді тепла, що відбувається між тілами з різною температурою, називається теплообміном. Рушійною силою будь-якого процесу теплообміну є різниця температур, при якій тепло самочинно (відповідно до другого закону термодинаміки) переходить від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Внаслідок теплообміну інтенсивність руху частинок більш нагрітого тіла зменшується, а менш нагрітого – зростає. Тіла (речовини), які беруть участь у теплообміні, називаються теплоносіями.
Теплопередача – наука про процеси поширення тепла. Закони теплопередачі лежать в основі теплових процесів – нагрівання, охолодження, конденсації парів, випаровування – і мають велике практичне значення для проведення багатьох хімічних процесів, що відбуваються при підведенні або відведенні тепла.
Розрізняють три принципово різних елементарних способи поширення тепла: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання. Теплопровідність – перенесення тепла внаслідок хаотичного (теплового) руху мікрочастинок, які безпосередньо стикаються між собою. У твердих тілах теплопровідність є основним видом поширення тепла.
Конвекцією називають перенесення тепла внаслідок руху і перемішування мікроскопічних об'ємів газу чи рідини.
Тепловипромінювання - це процес поширення електромагнітних коливань з різною довжиною хвиль, який зумовлений тепловим рухом атомів або молекул тіла, що випромінює тепло. Всі тіла здатні випромінювати енергію, яка поглинається іншими тілами і знову перетворюється в тепло. Таким чином, здійснюється променевий теплообмін; він складається з процесів випромінювання і поглинання променів.
Перенесення тепла від стінки апарата до газу чи рідини або навпаки називається тепловіддачею. Процес передачі тепла від більш нагрітого газу чи рідини до менш нагрітих речовин через стінку або якусь поверхню, що їх розділяє, називається теплопередачею.
Розрахунок теплообмінної апаратури включає:
1. Визначення теплового потоку, тобто кількості теплоти Q, яку потрібно передати за певний час (в безперервнодіючих апаратах – за 1 с чи за 1 год.; в періодичнодіючих – за одну операцію) від одного теплоносія до іншого. Тепловий потік визначається складанням і розрахунком теплових балансів.
2. Визначення поверхні теплообміну F апарату, яка забезпечує передачу певної кількості тепла Q в заданий час. Величина поверхні теплообміну визначається швидкістю теплопередачі, яка залежить від механізму передачі тепла – теплопровідності, конвекції, випромінювання. Поверхню теплообміну знаходять з основного рівняння теплопередачі. Рівняння теплового балансу має вигляд:
(18)
де W1 і W2 – відповідно теплові еквіваленти нагрітого і холодного теплоносія; tП і tК – відповідно температура на вході в апарат і на виході з апарату, 0С.
В основу математичних| моделей цих процесів покладені такі|слідуючі| рівняння:
1. Загальна кінетична залежність для процесів теплопередачі, яка виражає зв'язок між тепловим потоком Q і поверхнею теплообміну FТ ,є основним рівнянням теплопередачі:
(19)
де К – коефіцієнт теплопередачі; FT – площа теплообміну; ∆tC – середня різниця температур між теплоносіями або температурний напір; τ – час.
Відповідно до рівняння (19) кількість теплоти, що передається від більш нагрітого до більш холодного теплоносія, є пропорційною до поверхні теплообміну FТ, середньому температурному напору ∆t і часу τ.
Отже, коефіцієнт теплопередачі показує, яка кількість теплоти (Дж) переходить за 1 с від більш нагрітого до більш холодного теплоносія через поверхню теплообміну 1 м2 при середній різниці температур між теплоносіями в 1 градус.
Якщо теплообмін відбувається між твердою стінкою апарату і газовим середовищем, наприклад, повітрям, то тепло передається конвекцією і випромінюванням. Подібні процеси перенесення тепла називаються складною тепловіддачею. Типовим прикладом складної тепловіддачі є втрати тепла стінками апаратів в оточуюче середовище.
2. Рівняння теплопровідності. Кількість теплоти dQ, що передається за час dτ за допомогою теплопровідності через елемент поверхні dF, перпендикулярний до теплового потоку, є прямо пропорційна температурному градієнту 
, поверхні dF і часу dτ:
, (20)
або кількість теплоти, що передається через одиницю поверхні в одиницю часу, дорівнює:
(21)
де – температурний градієнт (похідна температури по нормалі до ізотермічної поверхні).
Величина QT називається щільністю теплового потоку; λ – коефіцієнт теплопровідності, що характеризує здатність тіла проводити теплоту за допомогою теплопровідності і залежить від природи речовини, її структури, температури тощо.
За звичайних умов кращими провідниками тепла є метали, гіршими – гази.
3. Рівняння конвективного перенесення тепла:
(22)
де 
– коефіцієнт тепловіддачі, який характеризує кількість тепла, що передається від 1м2 поверхні стінки до рідини (або від рідини до стінки) за одиницю часу при різниці температур між стінкою та рідиною в 10С; 
, 
– температури стінки та рідини.
4. Рівняння для визначення коефіцієнта теплопередачі через| стінку:
(23)
де α1 – коефіцієнт тепловіддачі від більш нагрітого середовища до стінки апарата; α2 – коефіцієнт тепловіддачі від стінки апарата до менш нагрітого середовища; δi – товщина стінки; λi – коефіцієнт теплопередачі матеріалу стінки.
5. Співвідношення для визначення середньологарифмічної| різниці| температур:
(24)
де 
– різниця початкових температур, 
– різниця кінцевих температур.
Теплообмінні апарати
Теплообмінники – це апарати, в яких здійснюється обмін між нагрітим середовищем і середовищем, що нагрівається.
В теплообмінних апаратах можуть відбуватися різні теплові процеси: нагрівання, охолодження, випарювання, кипіння, затвердіння і складні комбіновані процеси.
Теплообмінні апарати використовуються в усіх галузях промисловості і в залежності від призначення називаються нагрівниками, випаровувачами, конденсаторами, регенераторами, пароутворювачами, скруберами, кип'ятильниками, випарними апаратами тощо.
Класифікація теплообмінних апаратів наведена в табл. 10.
Таблиця 10
Класифікація теплообмінних апаратів
| Принцип дії | Типи теплообмінних апаратів |
| Поверхневі теплообмінники | - з трубчатою поверхнею теплообміну (кожу-хотрубчаті, заглибні змійовикові, типу „тру-ба в трубі”, зрошувальні); - з плоскою поверхнею теплообміну (плас-тинчаті, спіральні, з оребреною поверхнею теплообміну; з поверхнею теплообміну, що утворена стінками апарата); - блочні; - шнекові |
| Змішувальні теплообмінники | - градирні; - конденсатори змішування; - апарати з барботажем газу; - апарати з заглибними горілками |
| Регенеративні теплообмінники | - з нерухомою насадкою; - з рухомою насадкою |
Конструкції теплообмінників. В залежності від способу передачі тепла розрізняють дві основні групи теплообмінників: поверхневі теплообмінники, в яких тепло передається через поверхню теплообміну (глуху стінку), і теплообмінники змішування, в яких тепло передається від одного середовища до іншого під час безпосереднього їх стикання. У хімічній технології іноді застосовуються і регенеративні теплообмінники, в яких нагрівання різних матеріалів відбувається внаслідок дотику їх до раніше нагрітих тіл-насадок, що періодично нагріваються іншим теплоносієм. У виробництві використовуються також теплообмінники, які виготовлені з різних металів. Вибір металів диктується в основному їх корозійною стійкістю і теплопровідністю, причому конструкція теплообмінного апарату суттєво залежить від властивостей вибраного матеріалу.
Трубчаті теплообмінники. Кожухотрубчаті теплообмінники – це найбільш поширені поверхневі теплообмінники. На рис. 20 зображений кожухотрубчатий теплообмінник, який складається з корпусу або кожуха 1 і приварених до нього трубних граток 2. В них вмонтований пучок труб 3, до яких прикріплюють кришки 4. В теплообміннику одне з середовищ І, що обмінюється теплом, рухається всередині труб, а друге II – протитоком в міжтрубному просторі.
а) б)
Рис. 20. Кожухотрубчаті одноходовий (а) і багатоходовий (б) теплообмінники:
1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3 – труби; 4 – кришка;
5, 6 – перегородки
Робочі середовища направляють протитоком одне до одного. При цьому середовище, яке нагрівають, направляють знизу вверх, а середовище, яке віддає тепло, - в протилежному напрямку. Такий напрямок руху кожного середовища співпадає з напрямком, в якому намагається рухатися речовина даної густини при нагріванні чи охолодженні.
Теплообмінник, який зображений на рис. 20а, є одноходовим. При порівняно невеликих витратах рідини швидкість її руху в трубах таких теплообмінників є низька, і, відповідно, коефіцієнти тепловіддачі невеликі. Для збільшення коефіцієнтів тепловіддачі при даній поверхні теплообміну можна зменшити діаметр труб, відповідно збільшивши їх висоту (довжину). Для збільшення продуктивності використовують багатоходові теплообмінники (рис. 20б). В ньому за допомогою перегородок 5, встановлених у кришках 4, та перегородок 6 в міжтрубному просторі труби поділені на секції або ходи, якими рідина рухається послідовно. В багатоходовому теплообміннику швидкість руху рідини зростає в стільки разів, скільки є ходів. Теплообмінники бувають вертикальними і горизонтальними. Вертикальні теплообмінники – простіші і займають меншу виробничу площу.
Змієвикові теплообмінники виготовляють з труб діаметром 15-75 мм, занурених у рідину, яка знаходиться в корпусі. Внаслідок великого об’єму корпусу швидкість рідини в ньому невелика, тому коефіцієнт теплопередачі малий, а різні заходи для підвищення швидкості руху рідини зменшують корисний об’єм корпусу. Незважаючи на істотні недоліки, змієвикові теплообмінники широко застосовуються в хімічній промисловості завдяки простоті їх будови, економічності, легкості очищення і ремонту, зручності роботи при високих тисках і в агресивних середовищах.
У зрошувальних теплообмінниках (рис. 21) змійовики 1, з’єднані калачами 2, зрошуються згори водою, що рівномірно розподіляється за допомогою жолоба. Відпрацьована вода відводиться з піддону 3, розміщеного під змійовиком. Зрошувальні теплообмінники застосовуються, в основному, як холодильники і конденсатори, причому майже половина тепла відводиться при випаровуванні зрошувальної води. Мала витрата води – важлива перевага зрошувальних теплообмінників, які, крім того, мають просту конструкцію, легко ремонтуються і очищаються (зовнішня поверхня). Ці теплообмінники, як правило, встановлюються поза виробничим приміщенням на відкритому повітрі.
Рис. 21. Зрошувальний холодильник:
1 – змійовик; 2 – з’єднувальні калачі; 3 – піддон
У пластинчатих теплообмінниках поверхня теплообміну утворюється гофрованими паралельними пластинами, за допомогою яких створюється система вузьких (3-6 мм) каналів з хвилястими стінками. Рідини, між якими відбувається теплообмін, рухаються в каналах між суміжними пластинами, обмиваючи протилежні бокові сторони кожної пластини. Внаслідок великої швидкості руху рідин між пластинами при малому гідравлічному опорі досягаються високі коефіцієнти теплопередачі. Пластинчаті теплообмінники легко розбираються і очищаються від забруднень. Недоліком їх є те, що вони не можуть працювати при високих тисках.
Ребристі теплообмінники є компактними і ефективними. Застосування ребер з боку теплоносія, який має низький коефіцієнт тепловіддачі, значно підвищує теплові навантаження апаратів. Труби з поперечними ребрами різної форми широко використовують, зокрема в апаратах для нагрівання повітря – калориферах, а також в апаратах повітряного охолодження.
У спіральних теплообмінниках (рис. 22) поверхня теплообміну утворюється двома металевими листами 1 і 2, скрученими в спіраль. Внутрішні кінці листів приварені до глухої перегородки 3, а зовнішні – зварені один з одним. З торців спіралі закриті встановленими на прокладках кришками 4 і 5. Отже, всередині апарата утворюються два ізольовані один від одного спіральні канали 2-8 мм завширшки, якими протитоком рухаються теплоносії. Спіральні теплообмінники дуже компактні, працюють при високих швидкостях теплоносіїв, мають невеликий гідравлічний опір і тому їх широко застосовують в промисловості.
Теплообмінні пристрої реакційних апаратів. Для обігрівання і охолодження реакційних апаратів застосовують різні пристрої, в яких поверхня теплообміну утворюється стінками самого апарату. До таких пристроїв належать „сорочки” (рис. 23), коли до корпусу апарату 1 прикріплюється сорочка 2. В просторі між сорочкою і зовнішньою поверхнею стінок апарата рухається теплоносій. Тиск теплоносія в сорочці – не більш як 6-10.105 Па, тому що при більших тисках треба набагато збільшувати товщину стінок апарату і сорочки.
Рис. 22. Спіральний теплообмінник:
1, 2 – металеві листи; 3 – глуха перегородка; 4, 5 – кришки
Блочні теплообмінники з неметалевих матеріалів використовуються для процесів теплообміну, що відбуваються в агресивних середовищах. Такі матеріали, як скло, кераміка, тефлон тощо, за винятком графіту, мають набагато меншу теплопровідність, ніж метали. Для усунення пористості графіту його просочують фенолоформальдегідною смолою. Такий графіт є хімічно стійким у досить агресивних середовищах, навіть таких, як гаряча хлоридна, розбавлена сульфатна, хлорна кислоти тощо. Крім того, він має високий коефіцієнт теплопровідності.
Рис. 23. Апарат з сорочкою:
1 – корпус; 2 – сорочка; 3 – штуцери для введення пари;
4 – штуцер для відведення конденсату
Конденсатори змішування. В хімічних виробництвах не використовується чистий конденсат водяної пари. Тому широко застосовуються конденсатори змішування, які є простішими за будовою і відповідно дешевшими, ніж кожухотрубчаті теплообмінники, що використовуються як поверхневі конденсатори.
Одним з найпоширеніших конденсаторів змішування є сухий полочний барометричний конденсатор, в якому рух охолоджуючої води і пари є протиточним. Конденсатори змішування широко використовуються для створення розрідження в установках, які працюють під вакуумом, зокрема в вакуум-фільтрах, вакуум-сушарках, випарних апаратах.
Тепловий розрахунок теплообмінника, що проектується, проводять в такій послідовності:
1. Визначаються теплові навантаження і витрати теплоносіїв.
2. Визначаються середня різниця температур і середні температури теплоносіїв.
Крім трубчатих теплообмінників застосовуються теплообмінники інших конструкцій: змієвикові, пластинчаті, ребристі, спіральні, зрошувальні теплообмінники, теплообмінні пристрої реакційних апаратів та теплообмінники інших типів.
