Виды, назначение, устройство

Актуальная задача в химической промышленности — транспорти­рование жидких или газообразных продуктов по трубопроводам внут­ри предприятия, между отдельными аппаратами и установками. Для перемещения жидкости по горизонтальным трубопроводам и с низ­шего уровня на высший применяют насосы — гидравлические ма­шины, преобразующие энергию двигателя в энергию перемещения жидкости, вследствие перепада давления в насосе и трубопроводе.

Для перекачивания жидкостей наиболее часто используют цент­робежные и поршневые насосы, а также пропеллерные, вихре­вые, шестеренные, винтовые, пластинчатые, струйные насосы.

В центробежных насосах всасывание и нагнетание жидкости происходит равномерно и непрерывно под действием центробеж­ной силы, которая возникает при вращении рабочего колеса с лопатками, помещенного в спиралеобразном корпусе. Центробеж­ные насосы выпускают одно- и многоступенчатыми.

В поршневых насосах всасывание и нагнетание жидкости про­исходит при возвратно-поступательном движении поршня в ци­линдре насоса. При движении поршня создается разрежение. Под действием разности давлений происходит перемещение жидкости. Поршневые насосы делятся на насосы простого и двойного дей­ствия. Специальные поршневые и центробежные насосы: диафраг-мовые (мембранные), бессальниковые, герметические (для пере­качивания химически агрессивных и токсичных жидкостей). Вы­бирают насос по производительности и напору, а также в зависи­мости от свойств жидкости.

Наибольшее распространение в химической промышленности получили центробежные насосы, имеющие перед поршневыми ряд преимуществ:

• высокую производительность и равномерную подачу;

• компактность и быстроходность;

• простоту устройства;

• возможность перекачивания жидкостей, содержащих взвешен­ные частицы;

• возможность установки на легких фундаментах.

У центробежных насосов КПД = 95 %. К недостаткам центро­бежных насосов можно отнести относительно низкий напор.

Поршневые насосы целесообразно применять при небольших расходах и высоких давлениях. Винтовые насосы используют для перекачивания высоковязких жидкостей, нефтепродуктов и т. п. Плас­тинчатые насосы применяют для перемещения чистых, не содер­жащих твердых примесей, жидкостей. Вихревые — для перемеще­ния чистых маловязких жидкостей. Струйные насосы используют, когда допустимо смешение перекачиваемой жидкости с рабочей.

Для перемещения и сжатия газов на предприятиях химической промышленности, а также в лабораториях, для интенсификации процессов перемешивания, распыления жидкостей используют компрессорные машины.

В зависимости от степени сжатия различают следующие ком­прессорные машины:

• вентиляторы — для перемещения больших количеств газов;

• газодувки — для перемещения газов при высоком сопротив­лении газопроводов;

• компрессоры — для создания высоких давлений;

• вакуум-насосы — для отсасывания газов и жидкостей при дав­лении ниже атмосферного.

По принципу действия компрессорные машины делятся на пор­шневые, ротационные, центробежные и осевые.

В качестве вакуум-насосов могут быть использованы любые ком­прессорные машины. Принцип действия вакуум-насосов заключается в том, что всасывание в них производится при давлении значитель­но ниже, а нагнетание — выше атмосферного. Область применения вакуум-насосов определяется степенью создаваемого ими вакуума.

В лабораторной практике часто необходимо измерение давле­ния: при перегонке под вакуумом, работе с автоклавами, фильтро­вании под вакуумом и повышенном давлении. За единицу давле­ния принят паскаль — сила в один ньютон, нормально действую­щая на площадь в один квадратный метр: 1 Па = 1 Н/м ².

В табл. 4.1 приведены соотношения между единицами измере­ния давления, применяемыми на практике.

Таблица 4.1

Соотношения между единицами давления

В зависимости от измеряемой величины условно различают сле­дующие приборы:

• барометры — для измерения атмосферного давления;

• манометры — для измерения избыточного давления;

• вакуумметры — для измерения разрежения;

• мановакуумметры — для измерения давления и разрежения;

• дифференциальные манометры — для измерения разности давлений.

По принципу действия барометры и манометры делятся на не­сколько групп. В жидкостных приборах измеряемое давление урав­новешивается столбом жидкости. Пределы измерений — от уме­ренного вакуума до избыточного давления, ограниченного обыч­но одной атмосферой.

В пружинных трубчатых, мембранных и сильфонных приборах измеряемое давление деформирует пружину или мембрану. Вели­чина деформации является мерой давления. Пределы измерения вакуума и давления не ограничены.

В поршневых манометрах измеряемое давление уравнивается давлением, создаваемым силой, приложенной с противополож­ной стороны.

Предел измерения давления — до 10 ГПа (10¹⁰ Па).

Электрические приборы основаны на определении давления путем измерения электрических или магнитных свойств некото­рых материалов, функционально связанных с давлением.

Диапазон давлений, измеряемых вакуумметрами, весьма зна­чителен и не может быть охвачен ни одним прибором, использу­ющим какой-либо один физический принцип. Для измерения ос­таточного давления до нескольких миллиметров ртутного столба используют гидравлические (ртутные) стеклянные вакуумметры, у которых перемещение мениска пропорционально давлению. Для измерения давления порядка 10^-3—10 мм рт. ст. часто используют компрессионные манометры Мак-Леода, действие которых осно­вано на законе изотермического сжатия идеального газа, или же теплоэлектрические вакуумметры, в которых используется зави­симость теплопроводности газов от давления. Они подразделяются на термопарные и вакуумметры сопротивления.

Для измерения среднего и высокого вакуума применяют маг­нитные электроразрядные вакуумметры, в которых мерой давле­ния служит ток разряда, возникающий при низких давлениях под действием электрического и магнитного полей. Также используют ионизационные вакуумметры, с ионизацией газов либо потоком электронов, испускаемых накаленным катодом (электронно-иони­зационные), либо а -частицами, испускаемыми радиоактивным препаратом (ионизационные вакуумметры).

В лабораторной практике для создания вакуума чаще всего ис­пользуют электрические вакуумные насосы и водоструйные ва-

куум-насосы (см. рис. 1.6). Принципы действия водоструйных насо­сов заключаются в том, что давление жидкости, протекающей по трубе, при уменьшении диаметра уменьшается, но скорость дви­жения струи увеличивается. Свободная струя воды из сужения пер­вой трубки также сужается, приобретая высокую скорость и пони­женное давление. При этом вакуум захватывается и выводится на­ружу.

Водоструйные насосы через насадку прикрепляют к водопро­водному крану. Перед использованием насос проверяют. Для этого открывают водопроводный кран и закрывают боковое отверстие пальцем. Если палец присасывается быстро — насос исправен и готов к эксплуатации.

На боковой отросток насоса надевают толстостенную вакуум­ную резиновую трубку. Водоструйные насосы рекомендуется про­мывать разбавленной соляной кислотой не реже одного раза в год.

Кроме водоструйных насосов используют вакуум-насосы метал­лические, с накидной гайкой, металлические паромасляные, диф­фузионные масляные и др.

ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ РАБОТЫ

При выборе насоса необходимо учитывать характеристику сети, т. е. трубопровода и аппаратов, через которые будет перекачивать­ся жидкость. Данные расчеты проводят инженеры-технологи, ме­ханики на стадии проектирования предприятия, лаборатории.

Насос должен быть выбран так, чтобы обеспечить требуемую производительность и наибольший КПД. При работе с насосами следует выполнять правила техники безопасности. Порядок пуска насоса, выхода на рабочий режим, остановки насоса проводится строго по инструкции.

В лабораторной практике для проведения многих операций — фильтрования с отсасыванием, вакуумной перегонки, сушки в вакууме требуется создать разрежение. Для этого используют водо­струйные насосы, позволяющие получать разрежение в пределах 0,8 — 2,6 кПа (6 — 20 мм рт. ст.); механические вакуумные насосы (масляные насосы) разных типов применяют для достижения ос­таточного давления 70—400 Па (0,5 — 3,0 мм рт. ст.). Для работ, требующих высокого вакуума порядка 0,133 — 0,133- 10^-2 Па (10^-3— 10^-5 мм рт. ст.) используют диффузионные паромасляные и парор-тутные насосы.

Опасность работы с вакуумными системами связана с возмож­ностью взрыва стеклянной аппаратуры. Последствиями взрывов вакуумных установок могут быть не только травмы, но и попада­ние в атмосферу горючих и ядовитых, едких веществ.

Безопасность работы с вакуумными установками может быть обеспечена при соблюдении правил:

1) любые работы, связанные с использованием вакуума, сле­дует проводить в защитных очках или маске;

2) вся вакуумная установка должна быть экранирована прово­лочной сеткой или органическим стеклом. Вакуум-эксикаторы и колбы Бунзена перед работой помещают в специальные матерча­тые чехлы или обвертывают полотенцем;

3) все стеклянные детали вакуум-установки нужно предвари­тельно проверить; должны отсутствовать трещины, пузыри и дру­гие видимые дефекты. Шлифы и краны необходимо тщательно очистить и смазать тонким слоем вакуумной смазки;

4) цельнопаянные высоковакуумные установки должны изго­товлять квалифицированные мастера-стеклодувы;

5) для сборки вакуумных установок нельзя использовать плос­кодонные колбы и склянки, не предназначенные для работ при пониженном давлении;

6) перед началом работы вновь собранную установку необхо­димо испытать на герметичность и прочность при максимальном рабочем разрежении, приняв меры предосторожности;

7) при необходимости нагрева или охлаждения частей установ­ки следует сначала создать необходимое разрежение, а затем осто­рожно вести нагрев или охлаждение.

Запрещается обогревать стеклянные детали работающей ваку­умной установки открытым пламенем. Категорически запрещает­ся использовать для охлаждения жидкий кислород или жидкий воздух.

Контрольные вопросы

1. Дайте классификацию насосов.

2. Какие приборы испытывают для измерения избыточного и остаточ­ного давления?

3. Расскажите о правилах техники безопасности при работе с система­ми повышенного давления и вакуума.

Глава 5

ОСНОВНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ

ОПЕРАЦИИ

5.1. ИЗМЕЛЬЧЕНИЕ И СМЕШИВАНИЕ

Твердые вещества измельчают вручную или механически. Для ручного измельчения твердых веществ используют ступки: сталь­ные, чугунные, латунные, фарфоровые, агатовые. Выбор ступки зависит от твердости вещества и его химических свойств. Твердость материала ступки должна быть больше твердости измельчаемого вещества.

Агатовые ступки бывают разных размеров и рассчитаны на из­мельчение от 0,1—5,0 г вещества. Они обладают большой твердо­стью и служат очень долго.

Фарфоровые ступки (см. рис. 1.20, в) широко применяют при измельчении большинства веществ. Перед работой ступку хорошо моют и высушивают. Вещество, которое необходимо измельчить, насыпают в ступку на треть ее объема. Пестиком разбивают круп­ные куски, затем растирают круговыми движениями.

Во время измельчения вещество счищают со стенок ступки и с пестика шпателем. Измельченное до заданной степени дисперсно­сти вещество переносят в банку или в реактор. Ступку и пестик после работы моют. Если внутренняя сторона ступки и пестика не очищается, то в ступке растирают немного поваренной соли, а за­тем удаляют. Если это не помогает, то ступку обрабатывают раз­бавленной соляной кислотой, затем обмывают водой и сушат. Пылящие и вредные вещества измельчают в вытяжном шкафу, закрыв ступку чехлом.

Для механического измельчения твердых веществ используют дробилки разных модификаций, например, щековые, молотко­вые, валковые.

Для более тонкого измельчения применяют шаровые мельни­цы. Шаровая мельница — закрытый фарфоровый или металличе­ский барабан с фарфоровыми или стальными шарами определен­ного диаметра. Твердое вещество в шаровой мельнице измельчает­ся и перемешивается во время вращения мельницы на валках. В мель­ницу нельзя загружать слишком много вещества, так как это за­труднит движение шаров, но и малое количество измельчаемого вещества загружать невыгодно.

Для сухого и мокрого дробления и измельчения в открытом и замкнутом циклах хрупких материалов любой прочности и твердо­сти: алмазов, твердых сплавов, керамики, стройматериалов, отхо­дов электроники, компонентов лекарств, растительных материа­лов используют универсальные инерционные дробилки.

Для измельчения вещества до частиц размером 1,0 — 0,1 мкм используют коллоидные мельницы и вибромельницы. Последние бывают периодического и непрерывного действия, для сухого и мокрого помола и способны измельчать вещества до частиц разме­ром 1 мкм.

Для измельчения веществ, которые могут налипать на детали мельниц, используют вихревые мельницы. Принцип ее работы — удар струи жидкости о поверхность измельчаемого вещества.

Весьма распространенными являются струйные мельницы. Час­тицы вещества, подлежащего измельчению, подхватываются встреч­ными струями газа (воздуха или инертного газа), движущимися с большой скоростью. При столкновении частицы соударяются и измельчаются. В сепараторе частицы разделяются: мелкие собира­ются в сборник, а крупные поступают на повторное измельчение.

Смешивание — один из наиболее часто используемых в лабора­торной практике приемов.

Механическое смешивание твердых веществ можно проводить в ступках, шаровых мельницах и смесителях с одновременным истиранием.

Жидкости смешивают вручную и механически. При смешива­нии малых объемов применяют стеклянные палочки, вращая их по часовой стрелке.

При перемешивании в колбе ее вращают или переворачивают. Для смешивания жидкостей используют цилиндры с пробками. Объем жидкости для смешивания должен составлять не более ³/₄ емкости цилиндра. При смешивании органических веществ с низ­кой температурой кипения необходимо периодически открывать пробку цилиндра для удаления избыточного давления, создавае­мого парами легколетучих веществ.

Для механического перемешивания используют мешалки с элек­троприводом и электромагнитные мешалки. Форму мешалок вы­бирают с учетом вязкости жидкости.

Принцип действия электромагнитной мешалки заключается в том, что на дно сосуда (реактора) помещают якорь, запаянный в стеклянную или полимерную ампулу, и электромагнит приводит в движение ампулу с необходимой скоростью вращения. Электро­магнитные мешалки могут быть с подогревом и без.

Иногда перемешивают жидкости в режиме барботажа, т. е. про­пуская через них воздух или инертный газ под небольшим давле­нием. Барботирование воздухом можно применять лишь в том слу­чае, если он не взаимодействует с жидкостью.

Перемешивание гомогенных и гетерогенных сред широко при­меняют в химической промышленности для приготовления эмуль­сий, суспензий и растворов, а также для интенсификации хими­ческих процессов.