Файл: Альбом основных аппаратов химической технологии.pdf

1
Федеральное агентство по образованию
Уральский государственный технический университет – УПИ
АЛЬБОМ ОСНОВНЫХ АППАРАТОВ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Часть 1: Аппараты гидромеханических процессов
Методические материалы по дисциплинам
«Процессы и аппараты химической технологии»,
«Процессы и аппараты пищевых производств» для студентов всех форм обучения по специальностям:
240301 – Химическая технология неорганических веществ;
240302 – Технология электрохимических производств;
240306 – Технология монокристаллов и изделий электронной техники;
240401 – Химическая технология органических веществ;
240403 – Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов;
240801 – Машины и аппараты химических производств;
240802 – Основные процессы химических производств и химическая кибернетика;
240901 – Биотехнология;
260601 – Машины и аппараты пищевых производств
Екатеринбург
УГТУ–УПИ
2007

2
УДК 66.02
Составители:
Л. Ю. Лаврова, канд. техн. наук, доц.
В. А. Степанов, канд. техн. наук, доц.
Научный редактор проф., д-р техн. наук С. А. Ермаков
Альбом основных аппаратов химической технологии. Часть 1 : Аппараты гидромеханических процессов / сост. Л. Ю. Лаврова, В. А. Степанов.
Екатеринбург : УГТУ–УПИ, 2007. 69 с.
В методических материалах представлены схемы и принцип работы основных гидромеханических аппаратов, которые рассматриваются в лекционных курсах «Процессы и аппараты химической технологии» и
«Процессы и аппараты пищевых производств».
Материалы разработаны для студентов всех специальностей и форм обучения химико-технологического факультета.
Библиогр.: 6 назв. Рис. 57.
Подготовлено кафедрой
© Уральский государственный технический университет – УПИ, 2007

3
1. АППАРАТЫ ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Движение жидкости по трубам происходит под действием разности давлений между начальным и конечным пунктами трубопровода. Для перемещения текучих сред по коммуникациям применяют гидравлические машины – насосы, которые преобразуют механическую энергию двигателя в энергию перемещаемой жидкости, повышая ее давление.
По принципу действия насосы делятся на поршневые, ротационные, центробежные и специальные перекачивающие устройства. Выбор насоса производится по заданной производительности и напору, который рассчитывают в соответствии со схемой трубопровода. Двигатель к насосу подбирают по установочной мощности и числу оборотов.
Поршневые насосы рекомендовано применять при высоких давлениях (до 1000 атмосфер и выше) для перекачивания вязких, огне- и взрывоопасных жидкостей, а также при дозировании жидких сред. Они имеют высокий КПД. В насосах двойного действия всасывание и нагнетание происходят при каждом ходе поршня, вследствие чего производительность таких насосов больше и подача жидкости равномернее, чем у насосов простого действия. Для перекачивания коррозийно-активных и загрязненных жидкостей применяют специальные типы поршневых насосов – плунжерный, мембранный и с буферной жидкостью. Однако поршневые насосы громоздки и тихоходны, включают в себя достаточно много точно пригнанных движущихся частей.
Ротационные насосы применяют при перемещении жидкостей, не содержащих твердых примесей, при средних производительностях и напорах. Они компактны и не имеют клапанов, целесообразны при работе с вязкими средами. Но характеризуются быстрым износом корпуса и вращающихся частей по плоскости их касания. При повышении давления возрастает обратный переток жидкости.
Наиболее распространены центробежные насосы, которые имеют ряд преимуществ перед остальными. Это высокая производительность, равномерная подача жидкости, компактность и быстроходность, простота устройства, возможность перекачивания загрязненных и агрессивных жидкостей, отсутствие клапанов и точно пригнанных деталей. В насосах большой производительностью рабочее колесо делается двухсторонним, т.е. с двухсторонним всасыванием. Однако центробежные насосы создают относительно низкие напоры. Вследствие значительных зазоров между колесом и корпусом насоса, разрежение, возникающее при вращении рабочего колеса, недостаточно для подъема жидкости по всасывающему трубопроводу, поэтому перед пуском центробежный насос заливают перекачиваемой жидкостью (установка «под залив»).
К специальным перекачивающим устройствам относят: пропеллерные, вихревые, струйные насосы, монтежю и воздушные подъемники. Пропеллерные насосы обладают большой производительностью (до 25 м
3
/с), но создают небольшой напор. Вихревые насосы применяют для перемещения чистых маловязких жидкостей с небольшой производительностью и сравнительно высокими напорами (до 250 м). В струйных насосах в качестве рабочей среды может применяться пар. Такие насосы называются пароструйными.
Монтежю и воздушные подъемники используют в производствах, где наличие движущихся и трущихся частей недопустимо. Все перечисленные устройства отличаются простотой и компактностью, отсутствием точно пригнанных деталей, но имеют низкий КПД (высокий
КПД имеют только пропеллерные насосы).

4
ПОРШНЕВОЙ НАСОС
Принцип работы
Поршневой насос двойного действия (рис.1) представляет собой цилиндр, в котором возвратно-поступательно движется поршень 4, снабженный уплотнительными кольцами, пришлифованными к внутренней зеркальной поверхности цилиндра. Поршень закреплен на штоке 5. Насос имеет клапаны: нагнетательные 3 и всасывающие 6.
При ходе поршня вправо в левой части цилиндра образуется свободный объем – создается вакуум, за счет которого происходит открывание всасывающего клапана и закрывание нагнетательного клапана.
Из заборного резервуара жидкость поступает в насос. При обратном ходе поршня в левой части цилиндра создается избыточное давление, под действием которого всасывающий клапан 6 закрывается и открывается нагнетательный клапан 3. Жидкость при этом выталкивается из цилиндра в нагнетательный трубопровод.
В отличие от насосов простого действия, где всасывание и нагнетание осуществляются последовательно, в насосе двойного действия эти процессы происходят одновременно.
Возвратно-поступательные движения поршня в насосах вызывают большие инерционные усилия массы жидкости
(гидравлические удары), чтобы их уменьшить и приблизить движение жидкости к равномерному, поршневые насосы снабжают воздушными колпаками 2, 7. Воздушные колпаки представляют собой емкости, в которых верхняя часть пространства заполнена воздухом. Воздух в колпаках легко сжимается при всасывании жидкости и расширяется при ее нагнетании, что сглаживает толчки жидкости и обеспечивает движение среды в трубопроводе примерно с постоянной скоростью.
Рис. 1. Схема поршневого насоса:
1 – нагнетательный трубопровод;
2, 7 – воздушные колпаки;
3 – нагнетательные клапаны;
4 – поршень;
5 – шток;
6 – всасывающие клапаны;
8 – всасывающий трубопровод

5
ПЛУНЖЕРНЫЙ НАСОС
Принцип работы
Плунжерный насос двойного действия (рис. 2) состоит из цилиндра 1, в котором возвратно-поступательно движется плунжер 2 – пустотелый металлический стакан. Насос имеет два всасывающих и два нагнетательных клапана.
При ходе плунжера вправо жидкость всасывается в левую часть цилиндра через всасывающий клапан. Одновременно через нагнетательный клапан среда поступает из правой части цилиндра в напорный трубопровод. Плунжер при своем движении не касается стенок цилиндра, поэтому не требуется тщательной обработки внутренней рабочей поверхности, а неплотности легко устраняются подтягиванием или заменой набивки сальника 3.
Рис.2. Схема плунжерного насоса двойного действия:
1 – цилиндр; 2 – плунжер; 3 – сальник; 4 – нагнетательные клапаны;
5 – всасывающие клапаны

6
МЕМБРАННЫЙ НАСОС
Принцип работы
В мембранном насосе (рис. 3)движущийся в масле поршень 1 отделен от агрессивной перекачиваемой жидкости эластичной перегородкой – мембраной 2, которая изготовляется из различных материалов (резины, пластмассы, гофрированной стали).
Мембрана повторяет ход поршня, участвуя в процессах всасывания и нагнетания.
Насос с буферной жидкостью аналогичен мембранному насосу. Основное отличие – отсутствие мембраны. Поршень отделен от агрессивной перекачиваемой жидкости лишь слоем более легкого нейтрального масла. Быстрое возвратно-поступательное движение жидкости здесь невозможно, т. к. это вызывает эмульгирование масла, что приводит в конечном итоге к поломке насоса.
Рис. 3. Схема мембранного насоса:
1 – поршень; 2 – мембрана; 3 – нагнетательный клапан;
4 – всасывающий клапан

7
РОТАЦИОННЫЙ ЭКСЦЕНТРИКОВЫЙ НАСОС
Принцип работы
Ротационный эксцентриковый насос (рис. 4), или ротационный пластинчатый насос, состоит из горизонтального цилиндрического корпуса 1, в котором эксцентрично вращается ротор 2. В роторе имеются радиальные щели, в которые вставлены пластины 3. При вращении ротора пластины центробежной силой плотно прижимаются к стенкам корпуса и делят рабочее пространство на две камеры. Объем каждой камеры со стороны всасывающего трубопровода I увеличивается – происходит всасывание жидкости. В полости нагнетания II объем камер уменьшается и жидкость нагнетается.
Рис. 4. Схема ротационного эксцентрикового насоса:
1 – корпус; 2 – ротор; 3 – пластины

8
РОТАЦИОННЫЙ ШЕСТЕРЕНЧАТЫЙ НАСОС
Принцип работы
Ротационный шестеренчатый насос (рис. 5) состоит из корпуса 1, в который вставлены две шестерни 2 и 3, одна приводится во вращение двигателем (ведущая шестерня), а другая находится в зацеплении с первой. При вращении шестерен жидкость передавливается в пространстве между зубьями и корпусом из всасывающей полости в нагнетательную.
Во избежание обратного перетока жидкости, зубья шестерен, а также зубья и корпус должны обеспечивать непрерывное плотное касание, достигаемое точно пригнанными деталями аппарата.
Рис. 5. Ротационный шестеренчатый насос:
1 – корпус; 2 – ведущая шестерня; 3 – ведомая шестерня

9
ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ НАСОС
Принцип работы
Центробежный насос состоит из рабочего колеса 1, снабженного лопатками 2. Рабочее колесо закреплено на валу 3 и помещено в спиральный кожух 5. В кожухе имеются патрубки
6 и 4 для всасывания и нагнетания жидкости.
За счет вращения рабочего колеса у его входа создается пониженное давление, и жидкость атмосферным давлением непрерывно подается в насос из всасывающего трубопровода через патрубок 6. Жидкость заполняет межлопаточные каналы и центробежными силами отбрасывается в спиральный кожух, а затем через патрубок 4 в нагнетательный трубопровод.
При перекачивании сильно загрязненных жидкостей (суспензий, шламов) рабочее колесо центробежного насоса изготовляют с меньшим числом лопаток (6 – 8). Такие аппараты называют шламовыми насосами.
Рис. 6. Схема центробежного насоса:
1 – рабочее колесо; 2 – лопатки; 3 – вал; 4, 6 – патрубки; 5 – спиральный кожух

10
БЕССАЛЬНИКОВЫЙ НАСОС
Принцип работы
Наиболее уязвим в центробежном насосе сальник, поэтому для перемещения сильно агрессивных жидкостей применяют бессальниковый насос (рис. 7), который имеет вертикальный подвешенный вал 3, на нижнем конце которого укреплено рабочее колесо 6.
Жидкость находится в нижней части насоса, поступая через всасывающий штуцер 4, и удаляется через нагнетательный штуцер 5. На случай повышения уровня жидкости при внезапной остановке насоса предусмотрен переливной штуцер 2.
Рис. 7. Схема бессальникового насоса:
1 – корпус; 2 – переливной штуцер; 3 – подвешенный вал;
4 – всасывающий штуцер; 5 – нагнетательный штуцер;
6 – рабочее колесо

11
ОСЕВОЙ (ПРОПЕЛЛЕРНЫЙ) НАСОС
Принцип работы
Схема осевого насоса представлена на рис. 8. Рабочее колесо, закрепленное на валу 1, состоит из нескольких винтовых лопаток – крыльев 3. При его вращении создается давление лопаток на жидкость, и она перемещается в осевом направлении. Над винтовыми лопатками установлен направляющий аппарат 2 для преобразования вращательного движения жидкости в поступательное.
В крупных насосах лопатки могут поворачиваться, изменяя угол наклона в струе жидкости.
Рис 8. Схема осевого насоса:
1 – вал; 2 – направляющий аппарат; 3 – винтовые лопатки

12
ВИХРЕВОЙ НАСОС
Принцип работы
Внешне вихревой насос похож на центробежный, но отличается принципом действия.
Вихревой насос (рис. 9) состоит из вращающегося рабочего колеса 1, снабженного ячейками
2, и кольцевого канала 3.
За счет сил трения жидкость увлекается вращающимся рабочим колесом, ячейки которого на наружной поверхности заполнены перекачиваемой средой. Жидкость подводится и отводится по кольцевому каналу.
Создаваемый напор частично обеспечивается центробежными силами, но большая его часть определяется энергией вихрей, образующихся в жидкости при вращении рабочего колеса.
Рис. 9. Схема вихревого насоса:
1 – рабочее колесо; 2 – ячейки; 3 – кольцевой канал

13
СТРУЙНЫЙ НАСОС
Принцип работы
В струйном насосе (рис. 10) перекачка жидкости осуществляется за счет кинетической энергии рабочей жидкости (или пара) при непосредственном контакте между ними. Рабочая жидкость подается под давлением через сопло 1. При выходе из сопла она приобретает большую скорость и за счет поверхностного трения увлекает перекачиваемую жидкость. В горловине 4 скорость смеси рабочей и перекачиваемой жидкостей достигает наибольшего значения. По закону Бернулли статическое давление струи (потока) становится наименьшим.
Благодаря перепаду давлений в камере смешения и горловине, жидкость подсасывается через трубу 2. В расширяющейся части (диффузор 5) скорость потока уменьшается, соответственно увеличивается потенциальная энергия давления, и жидкость под напором поступает в нагнетательный трубопровод.
В качестве рабочей среды в струйных насосах может применяться пар, когда допустимо смешение перекачиваемой жидкости с водой, образующейся при конденсации пара. Насосы в этом случае называются пароструйными. Пароструйные насосы делятся на всасывающие – эжекторы и нагнетательные – инжекторы.
Рис. 10. Схема струйного насоса:
1 – сопло; 2 – всасывающий трубопровод;3 – камера смешения; 4 – горловина;
5 – диффузор

14
МОНТЕЖЮ
Принцип работы
Монтежю (рис. 11) представляет собой горизонтальный или вертикальный резервуар, в котором для перекачивания жидкости используется энергия сжатого воздуха или инертного газа. Жидкость поступает в монтежю по трубе наполнения 1 через открытый кран 2. В момент заполнения должен быть открыт кран 5 для выхода воздуха в атмосферу и закрыт кран 4. Затем при закрытых кранах 2 и 5 жидкость выдавливается по трубе 3, для чего подается сжатый воздух через открытый кран 4.
Монтежю работает периодически. Однако имеются конструкции и автоматических монтежю – пульсометров, где чередование операций производится автоматически посредством поплавкового устройства.
Рис.11. Схема монтежю:
1 – труба наполнения; 2, 4, 5 – краны; 3 – труба выдавливания

15
ВОЗДУШНЫЙ ПОДЪЕМНИК – ЭРЛИФТ
Принцип работы
Эрлифт (рис.12) работает по принципу сообщающихся сосудов. По трубе 2 от компрессора подается сжатый воздух, пузырьки которого насыщают жидкость в трубе 1, образуя воздушно-жидкостную эмульсию. Удельный вес эмульсии меньше удельного веса жидкости. Вследствие этого жидкость, находящаяся в емкости 3, гидростатическим давлением столба жидкости высотой H будет выдавливать воздушно-жидкостную эмульсию по трубе 1 на высоту h. На выходе из трубы 1 из газо-жидкостной смеси выделяется воздух, а жидкость поступает в сборник верхнего уровня.
Рис. 12. Схема воздушного подъемника:
1 – труба; 2 – труба для подачи сжатого воздуха; 3 – емкость с жидкостью