Теплотехника (стр. 29 )

Вакуумная камера должна отвечать следующим требованиям:

1.  Высокая степень герметичности.

2.  Обеспечивать постоянство режима сушки.

3.  Иметь источник тепла для сублимации.

4.  Иметь отверстие достаточных размеров для удаления водяных паров с минимальным понижением давления.

5.  Иметь устройства для загрузки и выгрузки продукта.

Паровые линии служат для отвода водяного пара и неконденсирующихся газов из вакуумной камеры. Удельный объем воздуха и водяного пара при глубоком вакууме представлен в табл. 2.3.

Диаметры труб паровых линий должны быть существенно больше диаметра труб для транспортировки жидкостей.

Система для удаления воды. Применяют три метода удаления воды: конденсацию, поглощение и откачивание насосом.

Таблица 2.3

Удельный объем воздуха и водяного пара при глубоком вакууме

Абсолютное давление	Удельный объем (при 00С)
мм рт. ст.	Н/м2	воздух	водяной пар
1	133,3	0,58	0,93
0,5	66,7	1,16	1,87
0,1	13,3	5,84	9,36
0,05	6,7	11,65	18,72
0,01	1,3	58,40	93,62
0,005	0,7	116,56	187,24
0,001	0,1	584,04	936,20

При конденсации поверхность теплообмена охлаждается хладагентом. Водяной пар конденсируется на поверхности в виде тонкого слоя льда. При низких температурах для непосредственного удаления водяных паров могут быть использованы гигроскопические жидкости. Химические поглотители удаляют воду в виде химических соединений. Например, пятиокись фосфора, реагирует с водой, образует метафосфорную кислоту, хлорид кальция, сульфат кальция и хлорид лития образуют гидраты. Такие поглотители применяются на малых производствах.

Физические поглотители удаляют водные пары путем адсорбции на активных поверхностях.

Расчет вакуумной линии

Перепад давления Dр определяется по формуле:

(2.189)

где l - коэффициент трения;

- длина линии;

- плотность пара при средних величинах температуры и давления;

- скорость потока;

d – внутренний диаметр трубопровода.

Уравнение (2.189) можно преобразовать к виду:

(2.190)

где V – объемная производительность;

Z – вязкость пара при средней температуре в линии кг/(м×с);

D – внутренний диаметр трубопровода, м;

W – массовый расход пара, кг/с.

(2.191)

где t – средняя температура воздуха.

Для водяного пара:

(2.192)

Уравнения (2.191) и (2.192) справедливы при температурах потока от –50 до +500С.

Когда известен перепад давления, по этим уравнениям можно рассчитывать диаметр трубопровода. Для проектных целей размеры трубопроводов можно оценить, исходя из предположения, что перепад давления составляет 10% абсолютного давления в системе.

Приближенно диаметры трубопроводов можно определить по формулам:

-  для воздуха

-  для водяного пара

.

2.10. Растворимость газов в воде

Для того, чтобы найти коэффициент растворимости газа в жидкости, обычно необходимо установить температуру, равновесное парциальной давление растворяемого газа в газовой фазе и концентрацию растворяемого газа в жидкой фазе. Строго говоря, должно быть установлено общее давление системы и парциальное давление растворимого газа, но в тех случаях, когда общее давление невелико – не выше 5 атм, можно с уверенностью считать, что растворимость не зависит от общего давления системы, и вычислить ее по одному парциальному давлению растворяемого газа. Например, растворимость аммиака при 300С и парциальном давлении NH3 260 мм рт. ст. составляет 20 кг NH3 на 100 кг воды Н2О.

Этот метод применяется к системам, для которых не соблюдается закон Генри.

Если закон Генри соблюдается, то растворимость определяется константой Генри Н и температурой, причем атм/моль (хА – мольная доля газа в растворе). Для целого ряда газов закон Генри соблюдается очень хорошо, пока парциальное давление газа не превышает 1 атм.

Если парциальное давление больше 1 атм, данная величина Н может быть использована только в узком интервале парциальных давлений. Определение растворимости газа при повышенных давлениях требует точного установления парциального давления растворяемого газа, температура и величины Н.

Растворимость газов в воде приведена в справочниках в виде таблиц.

Пользуясь приведенными таблицами растворимости, следует помнить, что если парциальное давление растворяемого газа не указано, величину Н можно с уверенностью применять только для давлений не выше 1 атм.

Там, где парциальное давление указано, данная величина Н может быть использована для давлений, отличающейся от указанной величины не более чем на ±1 атм.

Рассмотрим несколько примеров использования константы Генри.

Пример 1. 1. Определить, какое количество водорода может растворяться в 100 кг воды из газовой смеси. Давление газовой смеси 760 мм рт. ст., температура 200С. Для парциального давления 1 атм и температуры 200С Н=6,83×104.

Решение. 1. Мольная доля водорода в жидкой фазе:

тогда

2. Количество водорода, приходящегося на 100 кг воды:

здесь М – молекулярный вес.

Таким образом, 0,0000431 кг водорода может раствориться в 100 кг воды при 200С из газовой смеси, имеющей парциальное давление 200 мм рт. ст.

Пример 2. Концентрация кислорода, растворенного в воде, составляет 0,03 кг на 100 кг Н2О.

Какое равновесное парциальное давление кислорода будет иметь этот раствор при 200С?

Решение: Если парциальное давление рА больше 1 атм, то его величина должна быть известна – иначе нельзя правильно выбрать Н. В этом случае принимается метод последовательного приближения.

1.  В первом приближении принимаем рА<1 атм и по таблице выбираем Н, соответствующее 250С. Н=4,38×104

рА= 43800×0,0001688=7,39 атм

2.  Выбираем другое значение Н для парциального давления 7,39 атм (5620 мм рт. ст.) путем интерполяции этой величины при 250С.

Н=4,89×104

рА= 48900×0,0001688=6280 мм рт. ст.

3.  Третье приближение, сделанное в предположении, что рА=8,35 атм, позволит получить значение Н с достаточной степенью точности:

Н=4,95×104

рА=49500×0,0001688=8,35 атм=6350 мм рт. ст.

Таким образом, 0,03 кг кислорода, растворенным в 100 кг воды при 250С, соответствует парциальное давление 6350 мм рт. ст.

Существует также приближенная пропорциональность между концентрацией газа в жидкости и в газовой фазе, когда составы выражены в других единицах измерения, особенно для сравнительно разбавленных растворов. Применимость закона Генри в этих случаях должна проверяться экспериментально.

2.11. Кристаллизация

2.11.1. Равновесные соотношения

Процесс кристаллизации имеет большое значение в промышленности, так как ряд веществ находят практическое применение именно в форме кристаллов. Этот процесс широко используется при очистке веществ, так как он обеспечивает высокую степень разделения на одной ступени. С помощью кристаллизации удается получать твердые химические вещества в чистом и удобном для обращения виде.

Кристаллизацию веществ можно проводить из паров, расплава или раствора.

В промышленности в большинстве случаев кристаллизацию ведут из раствора.

Для расчетных целей необходимо знать равновесные соотношения или располагать достаточными сведениями о растворимости.

Для составления тепловых балансов желательно иметь энтальпийные диаграммы.

Равновесные соотношения в процессе кристаллизации непосредственно связаны с данными по растворимости, на основании которых строят фазовые диаграммы. Эти данные приводят обычно в относительных массовых единицах, учитывающих относительные массы безводного вещества к массе растворителя.

При наличии кристаллизационной воды указывают также состав кристалла.

Во многих случаях процесс кристаллизации протекает медленно. Маточный раствор в конце процесса находиться в контакте со сравнительно большой поверхностью кристаллов. Это приводит к тому, что концентрация жидкости становится практически равной концентрации насыщенного раствора при конечной температуре процесса.

В этих случаях выход кристаллов определяется по составу исходного раствора и растворимости вещества при конечной температуре.

При малой скорости роста кристаллов, для достижения равновесия требуется значительное время.

Это характерно для высоковязких растворов и при оседании кристаллов на дно. При этом маточный раствор перенасыщается, и выход кристаллов уменьшается. Выгруженная из кристаллизатора масса содержит часть маточного раствора.