CC BY
296
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 66.011
В. А. Лашков, С. Г. Кондрашева ОБЗОР НАПРАВЛЕНИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭФФЕКТА, ВОЗНИКАЮЩЕГО ПРИ ПОНИЖЕНИИ ДАВЛЕНИЯ ПАРОГАЗОВОЙ СРЕДЫ
Ключевые слова: испарение жидкости, сброс давления, кристаллизация, сублимация.
Проанализированы области практического применения технологий, основанных на использовании непрерывно повышающегося вакуума. Установлено, что эффект, вызываемый понижением давления парогазовой среды, определяется физическим состоянием исходных веществ и интенсивностью изменения внешних условий.
Keywords: evaporation to liquids, unset of the pressure, crystallization, sublimation.
The areas of the practical application of technologies, founded on using continuously increasing of vacuum were analysed. It is installed that effect, caused by reduction of the vapour-gas pressure of medium, is defines by physical condition of source material and by intensity of the change of external environments .
Химические технологии, основанные на использовании непрерывно повышающегося вакуума для переработки продуктов, нашли широкое распространение в промышленности и используются для самых различных целей. Эффект, вызываемый понижением давления, для достижения конкретных результатов определяется физическим состоянием исходных веществ и интенсивностью изменения внешних условий.
При вакуумировании аппарата влага из продуктов удаляется за счет уменьшения предварительно запасенной энергии без подвода тепла в ходе процесса. Адиабатические условия испарения влаги в зависимости от назначения процесса приводят к понижению температуры материала, изменению концентрации жидкости, растворенного вещества и твердой фазы, к видоизменению или разрушению ее структуры.
Обезвоживание за счет накопленной материалом тепловой энергии впервые было применено в процессе сушки «сбросом» давления [1]. Физической основой этого метода является максимальное использование эффекта от интенсивного молярного переноса пара [2], возникающего после предварительного прогрева влажного материала под давлением и последующего быстрого его снижения. Величина начального давления определяет глубину термообработки материала. Повышение средней температуры тела обеспечивает переход влаги в свободное состояние. В силу этого граница между связанной и свободной влагой при «сбросе» давления смещается в область более низкого влагосодержания. В момент «сброса» давления во всем объеме тела происходит бурное вскипание влаги, между центром и поверхностью образца образуется перепад давления, способствующий формированию направленного к поверхности частицы потока влаги в виде пара. На своем пути поток пара увлекает капельки жидкости, а при встрече со сплошными водяными пробками проталкивает их к поверхности образца. Регулируя процесс вскипания, то есть скорость изменения внутренней энергии влажного материала, можно добиться, чтобы вместе с паром из материала удалялось до 40% влаги в жидком виде (эффект, аналогичный механическому обезвоживанию), либо, чтобы этот процесс производил разрушение или видоизменение структуры и свойств материала [3-5].
Разрушение материала происходит по поверхностям с наименьшим сопротивлением разрыву и осуществляется при условии, когда разрывное усилие, вызванное появлением в порах избыточного давления, превышает величину предела прочности материала. Исследования показывают, что в качестве факторов, определяющих размер частиц при «сбросе» давления,
выступает начальная температура материала [3] и его предварительное увлажнение [5], ослабляющие связи между отдельными фрагментами тела. С учетом этого использование «сброса» давления особенно эффективно для измельчения коллоидных капиллярно-пористых материалов [6], легко насыщаемых влагой и претерпевающих структурные изменения под ее воздействием [7, 8]. Примером является древесная щепа, служащая исходным сырьем для получения волокна в производстве древесноволокнистых плит [9]. Гидротермическая обработка щепы [10] насыщенным водяным паром при давлении 2,5-7,0 МПа вызывает гидролиз связей эфирного типа, ослабление структуры древесины, в том числе срединной пластинки (толщина пла-
6 6
стинки составляет 0,5-10" -1,5-10" м), соединяющей оболочки древесных клеток и состоящей, в основном, из лигнина [6]. В результате появляются свободные гидроксилы, повышающие гидрофильность волокон и связанную с ней пластичность [10]. Согласно справочным данным [12] средняя величина предела прочности при растяжении древесины вдоль волокон для всех пород составляет 130 МПа, а при растяжении поперек волокон - 6,5 МПа.
В ряде работ [4, 12] описаны устройства, использующие «сброс» давления как для обработки, так и для измельчения различных продуктов. Исследования, проводимые А.А. До-линским в области сушки «сбросом» давления [13], выявили принципиально новые возможности данного способа для интенсификации тепломассообменных и гидромеханических процессов на основе принципа дискретно-импульсного ввода энергии. Принцип базируется на аналогичных физических эффектах, возникающих в парожидкостной среде при быстром изменении внешнего давления, а его реализация предполагает существование или создание большого количества пузырьков, равномерно распределенных в жидкой фазе. При быстром «сбросе» внешнего давления возникают эффекты взрывного вскипания, сопровождаемого излучением импульса давления большой амплитуды и турбулизацией прилегающих слоев жидкости. Как следствие, в пространстве между пузырьками возникают интенсивные микротечения с высокими мгновенными значениями локальной скорости, ускорения и давления. Автором [13] определены направления практического использования нового способа. В некоторых технологических операциях (гомогенизация, эмульгирование, растворение, жидкостная экстракция) требуется обязательное диспергирование жидкости или измельчение твердых включений. При решении такого рода задач целесообразно использовать механизм кавитации: вначале путем «сброса» давления инициируется появление в жидкости паровых пузырьков, которые за счет последующего резкого повышения внешнего давления схлопываются с выделением мощного кратковременного импульса в форме ударной волны [13].
Применение механизма интенсивного роста паровых пузырьков эффективно при создании стабильных эмульсий, когда дисперсной фазой является легколетучая жидкость, а непрерывной средой - жидкость с высокой температурой кипения. Так, в аппарате адиабатного вскипания смесь двух взаимонерастворимых жидкостей, одна из которых имеет существенно меньшую температуру кипения, через канал со специальным соплом поступает из емкости с давлением 100 кПа в рабочую камеру, где с помощью вакуумного насоса поддерживается остаточное давление 10-20 кПа. Компонент с низкой температурой кипения становится перегретым. Вследствие резкого перепада давления, прохождение жидкой смеси через сопло сопровождается вскипанием легколетучего компонента и интенсивным ростом пузырьков. Коллективный эффект растущих пузырьков формирует поля давлений и скоростей, напоминающие по своему характеру соответствующие поля в сильно турбулентном потоке [14]. Выбирая температуру смеси, давление на входе в сопло и остаточное давление в вакуумной камере, можно в каждом конкретном случае подобрать оптимальные режимы эмульгирования [13]. Принципиальное отличие заключается в том, что в данном случае высокий уровень турбулентности достигается в системе, которая находится в макропокое, и необходимости в применении перемешивающих устройств не возникает. Интенсивное расширение пузырьков существенно увеличивает массоперенос через межфазную поверхность. При этом работают все три указанных фактора интенсивности: увеличение межфазной поверхности вследствие дробления пузырьков, турбулизация и обновление поверхности, перемешивание жидкости в межпузырьковом
пространстве.
Перегретая (метастабильная) жидкость в ряде энергетических и технологических режимов вызывает подобные динамические явления, вызванные ее взрывообразным вскипанием за счет запасенного тепла. Своеобразие термодинамических и кинетических свойств высоко перегретой жидкости проявляется при разгерметизации сосудов, разуплотнении стыков трубопроводов, а также в процессах интенсивного разогрева, в том числе происходящих за счет экзотермических реакций [15].
Эффект «сброса» давления в вакуумную камеру описывается также в работе
О.Кришера [16] при проведении периодической сушки древесины. Высушиваемый материал вначале прогревается в герметичной камере, а затем охлаждается путем испарения жидкости при понижении остаточного давления над ним. После шестнадцати циклов чередования нагрева и вакуумирования влажность древесины понижается со 132 до 1,7%. О.Кришер отмечает, что при сушке за счет испарения влаги теплом, аккумулированном в материале, можно добиться значительной равномерности распределения влажности по толщине древесины, то есть, снизить возникающие в пиломатериалах напряжения до минимума [17].
Преимущества сушки понижением давления показаны в работе [18], посвященной удалению легколетучих растворителей, таких как ацетон, диэтиловый эфир, этиловый спирт, метиленхлорид и т.п., из высокочувствительных пожаро- и взрывоопасных материалов. Специфические свойства высушиваемых продуктов долгое время являлись препятствием для интенсификации процесса известными способами. При широко распространенном конвективном способе сушки градиент температуры, возникающий в материале, направлен изнутри к его поверхности и тормозит перемещение влаги, происходящее за счет градиента влажности. По данным Н.А.Першакова [19] отрицательный температурный градиент снижает общий поток влаги, создаваемый градиентом влажности, до 30%. Исследования явлений термодиффузии влаги в древесине показали, что 1% градиента влажности дает иногда в 5-7 раз меньшую скорость сушки, чем 1% градиента температуры.
Авторами [18] было учтено явление термовлагопроводности при разработке способов сушки понижением давления в адиабатических условиях, при которых за счет положительного температурного градиента значительно повышена эффективность процесса удаления влаги из термолабильных материалов (длительность процесса сократилась в десять раз). Следует отметить, что понижение температуры высушиваемого материала при удалении из него влаги и обработка последнего в неподвижном слое позволяет повысить безопасность процесса. При сушке понижением давления внутри материала также образуется избыточное давление, соответствующее температуре жидкости в слоях материала, в результате по сечению высушиваемой частицы создается положительный градиент избыточного давления. Регулируя скорость изменения внешних условий, можно добиться того, чтобы возникающее давление было релак-сируемым.
Снижение температуры в условиях непрерывно повышающегося вакуума используется перед сублимационной сушкой при самозамораживании продуктов [20]. На начальном этапе от влажного материала отнимается теплота испарения жидкости, происходит его охлаждение, а затем замораживание имеющейся свободной влаги и дальнейшее охлаждение замороженного продукта до температуры, при которой установится равновесие между давлением пара над поверхностью испарения и в окружающем объеме сублиматора. Данный процесс быстротечен и занимает обычно 3-5% общей длительности сушки, однако за этот интервал удаляется 1015% влаги от общего ее количества в материале. Самозамораживание применяют при сублимационной сушке пищевых продуктов, овощей, фруктов, мяса, рыбы [20, 21]. С точки зрения упрощения технологического процесса самозамораживание представляет значительный интерес, так как на этой фазе удаляется значительное количество влаги, что повышает экономичность сублимационной сушки, исключает большие затраты на предварительное замораживание высушиваемых материалов, а при замерзании жидкости в материале выделяется теплота плавления льда, которая расходуется на сублимацию. Кроме того, это позволяет совместить
две фазы (замораживание и сушку) в одном аппарате. Однако самозамораживание для многих материалов не нашло применения в связи с увеличением при этом продолжительности сублимационной сушки. Увеличение продолжительности сублимационной сушки объясняется тем, что самозамораживание протекает очень быстро, а при быстром замораживании во внеклеточном пространстве образуются мелкие, равномерно распределенные кристаллы льда, сублимация которых характеризуется меньшей интенсивностью [20]. Следует отметить, что указанный недостаток процесса самозамораживания можно устранить, если удастся управлять процессом замораживания материалов путем постепенного понижения давления.
Эффект снижения давления над влажным материалом нашел также промышленное применение при кристаллизации растворов в вакуум-кристаллизаторах, в которых на испарение растворителя (примерно 8-12% от общей массы [22, 23]) расходуется физическое тепло раствора, при этом происходит его охлаждение до температуры кипения, соответствующей данному остаточному давлению. Поскольку количество испаряющегося растворителя сравнительно невелико, то основное значение в создании пересыщения в вакуум-кристаллизаторах имеет не концентрирование раствора, а его охлаждение в процессе «самоиспарения». По данным автора [24] время пребывания суспензии в зоне испарения составляет 0,2-0,3 с, что достаточно для установления одинаковой температуры между фазами при высокой степени турбу-лизации в этой зоне. Из-за относительно большой скорости испарения раствора его охлаждение, пересыщение, образование центров кристаллизации и рост кристаллов происходит одновременно во всем объеме. Это значительно уменьшает отложение кристаллов на стенках аппарата, сокращая непроизводительные затраты времени на его очистку. Исследованиями [24] показано, что при этих условиях зону испарения можно считать объектом с сосредоточенными параметрами.
Большим достоинством вакуум-кристаллизаторов является их герметичность, позволяющая создать хорошие санитарно-гигиенические условия труда, что важно для химических производств, связанных с переработкой токсичных растворов [22, 23]. Применение вакуум-кристаллизационных аппаратов выгодно и с энергетической точки зрения, так как выделяющееся при выпадении кристаллов тепло полезно расходуется на выпаривание растворителя [22]. В крупнотоннажных производствах получили распространение многокорпусные вакуум-кристаллизаторы, в которых процесс охлаждения раствора разбивается на ряд ступеней.
На самоиспарении растворителя при прохождении предварительно нагретой жидкости через ряд последовательно соединенных аппаратов с понижающимся давлением основано также действие многоступенчатых адиабатных испарителей для концентрирования раствора. Образующиеся в отдельных ступенях вторичные пары используются для нагревания концентрируемого раствора или на другие технологические нужды [25, 26]. Однако в отдельных случаях для соблюдения требований технологического регламента по некоторым параметрам процесса количество корпусов в установках может быть доведено до 24 [27], а в многоступенчатых адиабатных испарителях - до 50 [25]. Чрезмерное увеличение числа корпусов установок снижает эффект от использования тепла соковых паров и приводит к возрастанию материальных затрат.
Кроме этого, снижение давления применяется в пароэжекторных и абсорбционных холодильных машинах, расширителях геотермических электростанций, испарителях термических опреснительных установок в конденсатотводящих системах, для испарительного охлаждения перегретой жидкости [28, 29].
Процесс испарительного охлаждения целесообразно осуществлять в пароэжекторных установках и использовать в системах оборотного водоснабжения энергетических системах промышленных предприятий, что исключает потери оборотной воды, обеспечивает ее эффективное использование в качестве агента для охлаждения рабочей среды и позволяет совмещать стадии водоподготовки без дополнительных затрат. Авторами [30] разработана технологическая схема испарительного охлаждения отработанной технологической воды, по которой жидкость с начальной температурой из теплообменников промышленных установок подается
в испаритель за счет разряжения, создаваемого эжектором, где, испаряясь в область низкого давления, охлаждается до требуемой температуры.
Приток компонентов в парогазовую фазу может обеспечивается не только за счет са-моиспарения части жидкости в результате понижения давления среды, но и за счет химической реакции, сопровождающейся выделением большого количества газов и теплоты, приводящей к интенсивному испарению компонентов реакционной смеси. В работе [31] приведена классификация технологических процессов, протекающие при понижении давления, по степени изменения механического равновесия в системах с различным фазовым состоянием среды. Согласно классификации все процессы можно объединить в две группы: процессы, протекающие при понижении общего давления парогазовой среды над поверхностью влажного материала (раствора), а также процессы, протекающие при снижении парциального давления. Математические модели перечисленных тепло- и массообменных процессов должны учитывать многообразие условий конденсации, наличие инертных газов с различными по силе источниками и разнообразие гидродинамических режимов движения материальных потоков.
Представленная в работе [31] функциональная схема включает три основных блока: блок возмущающих воздействий на материал, реакционный блок и блок возмущающих воздействий на парогазовую среду. На материал можно воздействовать лазерным излучением, химической обработкой или электрическим током. В парогазовую среду возмущения вносят эжектор, конденсатор, вакуумный насос. Приведенная функциональная схема использована при разработке аппаратурного оформления экологически чистых процессов, в которых протекание основных процессов и улавливание образующихся паров и газов осуществляется в технологически связанных, герметичных аппаратах.
Литература
1. Ягов, В.В. Экспериментальное исследование теплообмена при кипении жидкостей при пониженных давлениях в условиях естественной конвекции / В.В.Ягов, А.К.Городов, Д.А.Лабунцов // ИФЖ. -1970. - Т. ХУШ. - № 4. - С. 624.
2. Михайлов, Ю.А. Сушка торфа методом сброса давления / Ю.А.Михайлов, Г.К.Пупол // Изв. АН Литв. ССР. Сер. физ.-техн. наук. - 1964. - № 2. - С.117-126.
3. Долинский, А.А. Кинетика и технология сушки распылением / А.А.Долинский, К.Д.Малецкая, В.В.Шморгун - Киев: Наукова думка, 1987. - 224 с.
4. Розенбаум, Т.Я. Эжекторная сушилка для сушки томатных семян / Т.Я.Розенбаум, С.Б.Иванченко // Консервная и овощесушильная пром-сть. - 1961. - № 1. - С.18-20.
5. Геллер, З.И. Измельчение топлива методом «сброса» давления / З.И.Геллер // Труды Грозненского нефтяного ин-та. - 1954. - № 14. - С. 42-68.
6. Фенгел, Д. Древесина: Химия. Ультраструктура. Реакции // Д. Фенгел, Г.Вегенер - М.: Лесная пром-сть, 1988. - 511 с.
7. Михайлов, Ю.А. Сушка перегретым паром // Ю. А.Михайлов - М.: Энергия, 1967. - 200 с.
8. Михайлов, Ю.А. Тепло- и массообмен при сбросе давления / Ю.А.Михайлов // ИФЖ. - 1961. - Т.1У. -№ 2. - С. 33-43.
9. Лашков, В.А., Левашко Е.И., Сафин Р.Г. Нагрев технологической щепы в среде насыщенного пара /
B.А.Лашков, Е.И.Левашко, Р.Г.Сафин // ИФЖ. - 2001. - Т. 74. - № 1. - С. 80-83.
10. Баженов, В.А. Технология и оборудование производства древесных плит и пластиков // В .А. Баженов, Е.Д.Карасев, Е.Д.Мерсов - М.: Экология, 1992. - 416 с.
11. Кречетов, И.В. Сушка и защита древесины / И.В.Кречетов - М.: Лесная пром-сть, 1975. - 428 с.
12. Орловский, М.А. Оборудование сушильных производств // М.А.Орловский, Т.Н.Кукушкина - М.: Пищевая пром-сть, 1973. - 240 с.
13. Долинский, А.А. Использование принципа дискретно-импульсного ввода энергии (ДИВЭ) для создания эффективных энергосберегающих технологий / А.А.Долинский // ИФЖ. - 1996. - Т. 69. - № 6. -
C. 885-896.
14. Протодьяконов, И.О. Турбулентность в процессах химической технологии // И.О.Протодьяконов, Ю.В.Сыщиков - Л.: Наука, 1983. - 319 с.
15. Павлов, П.А. Динамика вскипания сильно перегретых жидкостей / П.А.Павлов - Свердловск: УрО АН СССР, 1988. - 244 с.
16. Кришер, О. Научные основы техники сушки // О.Кришер - М.: Иностранная литература, 1961. -232 с.
17. Ананьин, П.И. Высокотемпературная сушка древесины // П.И.Ананьин, В.Н.Петри - М.: Гослесбум-издат, 1963 . - 127 с.
18. Сафин, Р.Г. Исследование процесса сушки дисперсных материалов от многокомпонентных смесей при понижении давления / Р.Г. Сафин, В.А.Лабутин, В.А.Лашков //Тепломассоперенос в одно- и двухфазных средах. - Киев: Наукова Думка, 1983. - С. 204-208.
19. Першаков, Н.А. Конвективная высококачественная сушка древесины // Н.А.Першаков - М.: Гослес-бумиздат, 1963. - 62 с.
20. Воскресенский, Н.А. Замораживание и сушка рыбы методом сублимации // Н.А.Воскресенский -М.: Рыбное хозяйство, 1963. - 257 с.
21. Mazolla, G. Flash frezing of foods / G.Mazolla // Food Industries. - 1946.- V.18. - № 12, С. 372-384.
22. Матусевич, Л.Н. Кристаллизация из растворов в химической промышленности // Л.Н.Матусевич -М.: Химия, 1968. - 304 с.
23. Хамский, Е.В. Кристаллизация в химической промышленности // Е.В.Хамский - М.: Химия, 1979. -344 с.
24. Беломытцев, С.Н. Химическое машиностроение / С.Н.Беломытцев // Сб. науч. трудов: НИИХиммаш. - 1973. - Вып. 62. - С. 126-133.
25. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. В 2-х т.// Н.И.Гельперин -М.: Химия, 1981. - 812 с.
26. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии // А.Г.Касаткин - М.: Химия, 1971. - 784 с.
27. Нудельман, А.Б. Многокорпусная вакуум кристаллизационная установка / А.Б.Нудельман // Химическая пром-сть. - 1951. - № 1. - С.10.
28. Берман, Л.Д. Испарительное охлаждение циркуляционной воды // Л.Д.Берман - М.-Л.: Госэнерго-издат, 1957. - 320 с.
29. Ирисов, А.С. Испаряемость топлив для поршневых двигателей и методы ее использования // А.С. Ирисов - М.: Гостоптехиздат, 1955. - 300 с.
30. Пат. 2206843 Российская федерация, , МПК7 F 26 В 5/04. Пароэжекторная установка для охлаждения воды: /Лашков В.А., Сафин Р.Г.,Нелюбин А.А., Петрова А.В.; заявитель и патентообладатель НТЦ РПО. - № 2001117923; заявл. 28.06.01; опубл. 10.03.03, бюл. № 7. - 5 с.
31. Лашков, В.А. Аппаратурное оформление процессов, протекающих при понижении общего и парциальных давлений парогазовой среды / В.А.Лашков, С.Г.Кондрашева, Д.А.Казанцева // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т.14, № 8. - С. 210-215.
© В. А. Лашков - д-р техн. наук, проф. зав. каф. машиноведения КГТУ, lashkov_dm@kstu.ru;
С. Г. Кондрашева - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.
