Cheminė inžinerija

KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS CHEMIJOS INŽINERIJA 2 Paskaitų konspektas ŠILUMOS PERNAŠOS PROCESAI 12. Šiluminių procesų charakteristika. Dauguma cheminės ir maisto produktų technologijos procesų norima kryptimi vyksta tik esant tam tikrai temperatūrai, kuri pasiekiama tiekiant arba šalinant šilumą. Šiluminiais procesais vadiname tokius technologinius procesus, kurių sparta yra sąlygojama šildymo ar aušinimo bei fazinių virsmų greičių. Šiems procesams vykdyti naudojami aparatai vadinami šilumos mainų aparatais, šilumokaičiais arba šilumą naudojančiais aparatais. Terminis cheminių medžiagų apdorojimas dažniausiai yra sudėtingas procesas: jo metu kinta medžiagos sandara arba fazinė būsena ir masė; be to, kiekvienas terminis apdorojimas visada susijęs su šilumos tiekimu ir atidavimu. Taigi, bendriausi šiluminiai chemijos pramonės procesai yra šildymas, aušinimas, garinimas, kondensacija ir šaldymas. Medžiagoms šildyti ir aušinti naudojamos darbinės medžiagos: degiosios dujos, oras, vanduo ar kiti skysčiai bei jų garai, taip pat elektra. Medžiagų šildymo ir aušinimo procesus, kurie vyksta tarp darbinės ir apdorojamosios medžiagų, įprasta vadinti šilumos atidavimo procesais, o tokie procesai, kai darbinė medžiaga yra atskirta nuo apdorojamosios ir jos šiluma perduodama per sienelę, vadinami šilumos perdavimo procesais. Kadangi chemijos pramonėje labai dažnai apdorojamos skystos medžiagos, – virinamos, garinamos, kondensuojamos, tai, be bendrųjų šildymo, aušinimo bei šaldymo procesų, šioje knygoje dar nagrinėjamas garinimas ir kondensacija. Dažniausiai naudojami šiluminiai procesai yra medžiagų šildymas (jų temperatūros didinimas), aušinimas (jų temperatūros mažinimas), kondensacija (garų vertimas skysčiu), garinimas (skysčių vertimas garais). Atskirais atvejais garinimo tikslas yra nelakių medžiagų koncentravimas tirpale, išgarinant dalį lakesniųjų medžiagų (tirpiklio). Šiluminiuose procesuose tarpusavyje sąveikauja ne mažiau kaip dvi skirtingos temperatūros medžiagos; šiame sąveikos procese savaime (be energijos kompensacijos) šiluma teka nuo aukštesnės temperatūros medžiagos (vadinamos šildalu) į žemesnės temperatūros medžiagą (vadinamos šaldalu arba šaldymo medžiaga). Technologiniai šiluminiai procesai vyksta, esant įvairioms temperatūroms, – nuo beveik absoliutaus nulio iki kelių tūkstančių laipsnių. Kiekvienam konkrečiam procesui parenkamos tinkamos darbinės medžiagos, šildalai ir šaldalai. Darbo sąlygomis jie turi būti chemiškai stabilūs ir lengvai tekėti vamzdžiais, iš jų ant aparatų sienelių neturi iškristi nuosėdų ir sukelti jų korozijos. Dažniausiai kaip šilumnešis naudojami vandens garai, karštas ir šaltas vanduo, kūryklų dujos, oras. Išskyrus kūryklų dujas, jie yra lengvai gaunami ir netoksiški. Kiekvieno šiluminio proceso pagrindinė charakteristika yra perduotos šilumos kiekis, J. Nuo šio dydžio priklauso šilumokaičių matmenys. Svarbiausias šilumokaičio parametras – šilumos perdavimo paviršiaus plotas, m2. Pagrindinė kinetinė šilumos perdavimo lygtis nusako šilumos pernašos proceso intensyvumą arba greitį, nustato ryšį tarp perduoto šilumos kiekio ir šilumos pernašos paviršiaus ploto. Ji užrašoma taip: ; (12.1) čia dQ – perduotas šilumos kiekis, J; kv – vidutinis vieno šilumnešio šilumos perdavimo kitam koeficientas, W/(m2K); t – šilumnešių temperatūros skirtumas, C; dF – šilumos pernašos paviršiaus plotas, m2; d – šilumos pernašos trukmė, s. Kai procesas nuostovusis, pagrindinė šilumos perdavimo lygtis užrašoma taip: ; (12.2) čia Q – perduodamos šilumos srautas, W; k – vieno šilumnešio šilumos perdavimo kitam koeficientas, W/(m2K); tvid – vidutinis šilumnešių temperatūrų skirtumas, C; F – šilumos perdavimo paviršiaus plotas, m2. Iš (12.2) lygties apskaičiuojamas F, kai žinoma Q, k, tvid. Per šilumos pernašos paviršių perduotas šilumos srautas Q apskaičiuojamas pagal toliau pateikiamą proceso šilumos balanso lygtį. Vidutinis šilumnešių temperatūrų skirtumas tvid nustatomas žinant jų pradines ir galines temperatūras ir šilumnešių tarpusavio judėjimo schemą. Šilumos perdavimo koeficientas – šilumos pernašos proceso greičio rodiklis. Skaičiuojant šilumos pernašos procesus jį nustatyti sunkiausia. Jis priklauso nuo šilumos pernašos sąlygų, nuo šilumos plitimo būdų, šilumnešių šiluminių bei fizikinių savybių, judėjimo greičių, geometrinių paviršių formų, konstrukcijos ir kt. Tiriant šilumos perdavimą, reikia nustatyti vidutinį temperatūrų skirtumą ir šilumos perdavimo koeficientą. Tyrimais įrodyta, kad šilumos perdavimas yra sudėtingas šiluminis procesas, todėl jis skirstomas į paprastesnius, elementarius procesus. Šiluma dažniausiai plinta laidumu, konvekcija ir šilumine spinduliuote. Šilumos laidumas yra šiluminės energijos sklidimas medžiagoje dėl mikrodalelių (molekulių, atomų, elektronų) judėjimo. Intensyviau judančios dalelės susidurdamos dalį savo energijos atiduoda mažiau jos turinčioms dalelėms. Šilumos pernašos laidumu mechanizmas yra molekulinis. Turbulentiškai judančiose terpėse – skystyje arba dujose, kai šiluma perduodama konvekciniu būdu, molekulinis šilumos pernešimo plonuose prie kieto paviršiaus esančiuose nejudančiuose pasienio sluoksniuose mechanizmas, t. y. laidumas, turi didelę įtaką. Laminarinio tekėjimo sraute arba nejudančiame skystyje, taip pat kietuosiuose kūnuose šilumos laidumas gali būti pagrindinis šilumos pernešimo būdas. Kadangi šilumos laidumas yra molekulinis reiškinys, tai šilumos pernašos laidumu greitis priklauso nuo medžiagos struktūros ir savybių, pvz., skysčių arba dujų klampos, tankio ir kt. Konvekcinė šilumos pernaša susijusi su medžiagos judėjimu. Tekanti medžiagos masė, judančios ir besimaišančios jos makrodalelės kartu perneša ir šilumą. Medžiaga gali judėti natūraliai ir priverstinai. Natūralusis judėjimas yra toks, kai medžiaga juda dėl nevienodai įšilusios (nevienodo tankio) masės, o priverstinis – kai takioji medžiaga transportuojama siurbliais ir ventiliatoriais. Atitinkamai konvekcinė šilumos pernaša skirstoma į natūraliąją ir priverstinę konvekciją. Konvekcinei šilumos pernašai daug įtakos turi skysčių ir dujų judėjimo pobūdis. Tačiau ir judančiame skystyje arba dujose susidaro temperatūros gradientas, kuriam esant šiluma iš aukštesnės temperatūros zonos į žemesnės temperatūros zoną sklinda laidumu. Taigi konvekciją visada lydi šilumos pernaša laidumu. Šiluminė spinduliuotė (radiacija) – tai šiluminės energijos pernaša infraraudonųjų spindulių diapazono (0,4...40 µm) elektromagnetinėmis bangomis. Tokiam šilumos sklidimui nereikalinga tarpinė medžiaga, šiluma gali būti spinduliuojama ir sklisti net beorėje erdvėje. Šilumos perdavimas spinduliuote susijęs su dviguba šiluminės energijos transformacija: pirma įkaitusiame kūne šiluma virsta spindulių energija ir erdvėje sklinda suaktyvintos medžiagos mikrodalelės, kurios, pereidamos į normalią energinę būseną, išskiria energijos perteklių – kvantus, antra, elektromagnetinės bangos suaktyvina apšvitinamosios medžiagos mikrodaleles, su kuriomis susiduria. Savo kelyje sutikusi kokį nors kūną spindulinė energija iš dalies virsta šiluma ir susigeria į jį, iš dalies nuo jo atsispindi, o iš dalies pereina per jį. Tokie šilumos sklidimo būdai retai pasitaiko grynu pavidalu, jie vyksta kartu vienas po kito ir sudaro sudėtingą šilumos pernašą. Pvz., perduodant šilumą nuo vienos medžiagos kitai per sienelę, šilumos pernaša nuo šiltos medžiagos sienelei ir nuo sienelės šaltesnei medžiagai vyksta konvekcija, o per kietą sienelę šiluma sklinda laidumu. Kitas pavyzdys – liepsnos fakelas šilumą teikia sienelei arba labai įkaitę šiluminių įrenginių paviršiai šilumą atiduoda konvekcijos ir spinduliavimo būdu. 12.2. Šilumos laidumas Šiluma sklinda kūne arba aplinkoje, kai temperatūros atskiruose jų taškuose yra nelygios. Temperatūros laukas – visų tiriamosios medžiagos arba kūno taškų momentinių temperatūrų visuma. Jei temperatūra laikui bėgant nekinta, to kūno temperatūros laukas ir šiluminis režimas (ar būsena) vadinamas stacionariuoju, arba nuostoviuoju, o jei temperatūra laikui bėgant kinta, laukas ir šiluminis režimas yra nestacionarusis, arba nenuostovusis. 12.1 pav. Izoterminiai paviršiai (1, 2, 3) ir temperatūros gradientas Geometrinė vieta taškų, kurių temperatūros tam tikru momentu yra vienodos (12.1 pav., 1, 2, 3), vadinama izoterminiu paviršiumi. Pereinant nuo vieno paviršiaus prie kito, temperatūros lauko temperatūra kinta, izoterminio paviršiaus normalės kryptimi temperatūros pokytis didžiausias. Temperatūros kitimui nusakyti naudojamas temperatūros gradientas. Temperatūros pokyčio t ir atstumo n tarp izoterminių paviršių normalės n kryptimi santykio riba, kai , vadinama temperatūros gradientu ir žymima grad( t), K/m: (12.4) Šilumos sklidimo kryptis priklauso nuo temperatūros kitimo. Iš fizikos kurso žinome, kad šiluma sklinda temperatūros mažėjimo kryptimi. Kūno, kuris, atiduodamas šilumą aplinkai, aušta, trimačiame temperatūros lauke galima išskirti vienodos temperatūros taškus, kurių visuma sudarys izoterminius paviršius. Juos perkirtę vertikalia plokštuma, gausime koncentrines uždaras linijas – izotermas, kurios niekada negali susikirsti, nes negali būti tokio materialaus taško, kuris tuo pačiu metu turėtų dvi skirtingas temperatūras. Iš to darome išvadą, kad kūno temperatūra gali kisti tik izoterminių paviršių kertamosios kryptimi, o intensyviausiai – statmenai šiems paviršiams. Šiluminio laidžio koeficientas rodo, koks šilumos kiekis, J, per 1 s prateka per 1 m2 paviršiaus ploto, kai 1 m kūno storyje temperatūra pakinta vienu laipsniu. Medžiagų šiluminio laidžio koeficientas , W/(mK), priklauso nuo jų cheminės kilmės, fazinės būsenos ir smarkiai svyruoja: dujų – 0,005...0,5, skysčių – 0,08...0,7, izoliacinių ir statybinių medžiagų – 0,02...3, metalų – 2,3...460. Metalų, naudojamų cheminės technologijos aparatūrai gaminti, šiluminio laidžio koeficientai  yra tokie, W/(mK): nerūdijančiojo plieno – 14...23, švino – 35, anglinio plieno – 45, nikelio – 58, ketaus – 63, aliuminio – 204, vario – 384, sidabro – 458. Medžiagų šiluminio laidžio koeficientai priklauso ne tik nuo temperatūros, bet ir nuo slėgio. Dujų  didėja, didėjant temperatūrai, ir mažai priklauso nuo slėgio. Skysčių  mažėja, didėjant jų temperatūrai. Kietų kūnų  dažniausiai didėja, didėjant temperatūrai, o statybinių ir izoliacinių medžiagų – mažėja. Pluoštinių medžiagų  priklauso ir nuo matavimo krypties. 12.3. Konvekcinė šilumos pernaša Šilumos pernašą kartu su judančia takiąja medžiaga, arba fluidu, (takioji medžiaga – dujos, garai arba skystis) įprasta vadinti šilumine konvekcija. Šiluminė konvekcija visada susijusi su šilumos laidumu, nes, judant fluidui, neišvengiamai liečiasi skirtingos temperatūros dalelės. Šiluminę konvekciją tarp besiliečiančių fluidų arba tarp fluido ir kietojo kūno paviršiaus įprasta vadinti konvekciniu šilumos atidavimu arba tiesiog šilumos atidavimu. Niutono dėsnis. Pagrindinį šilumos atidavimo konvekcija dėsnį suformulavo Niutonas. Pagal jį per sekundę paviršiaus plotui fluido atiduotas šilumos kiekis (ar atvirkščiai – nuo paviršiaus fluido gautas) yra proporcingas šilumos pernašos paviršiaus plotui bei fluido ir paviršiaus temperatūrų skirtumui: ; (12.46) čia  – proporcingumo koeficientas, vadinamas šilumos atidavimo koeficientu; Q – šilumos srautas, W; F – sąlyčio paviršiaus plotas, m2; tf – fluido temperatūra, C; tp – paviršiaus temperatūra, C. Šilumos atidavimo koeficiento matavimo vienetas . (12.47) Taigi koeficientas  yra šilumos srautas, kurį fluidas atiduoda 1 m2 paviršiui, arba srautas nuo 1 m2 paviršiaus, kai fluido ir aptekamojo paviršiaus temperatūros skiriasi vienu laipsniu. Konvekcinė šilumos pernaša – tai šilumos pernešimas konvekcija ir šilumos laidumu tuo pačiu metu tarp skysčio (dujų, garų) ir kietojo kūno paviršiaus. Toks šilumos sklidimo atvejis dar vadinamas konvekciniu šilumos atidavimu arba tiesiog šilumos atidavimu. Šiame procese šiluma nuo kietojo paviršiaus per pasienio sluoksnį plinta laidumu, o nuo pasienio sluoksnio į fluido srauto branduolį daugiausia pereina konvekcija. Fluido tekėjimo pobūdį dažnai lemia jo judėjimą sukeliančios priežastys. Jei jo masės dalys įgauna skirtingas temperatūras, susidaro skirtingas fluido srauto dalių tankis, atsiranda natūralios gravitacijos judėjimas, kuris vadinamas natūraliąja, arba laisvąja, konvekcija. Jei fluido masės judėjimas kyla dėl išorinio sužadinimo – siurblio, ventiliatoriaus, jis vadinamas priverstiniu, o tuo metu vykstanti šilumos pernaša – priverstine. 12.4. Šilumos pernaša spinduliuote Visi kūnai sugeria ir spinduliuoja energiją. Spinduliuotės energijos nešikliai yra elektromagnetinės bangos arba energijos dalelių srautas, vadinamas energijos kvantais, arba fotonais. Tai išplaukia iš banginės ir korpuskulinės elektromagnetinių reiškinių prigimties. Spinduliai, kurių bangos ilgis  nuo 0,8 iki 40 µm ir kuriuos lemia spinduliuojančių kūnų temperatūra, vadinami infraraudonaisiais, arba šiluminiais, spinduliais. Jų sklidimo reiškinys vadinamas šilumine (termine) spinduliuote. Kietieji ir skystieji kūnai spinduliuoja ir spindulius sugeria plonu paviršiniu sluoksniu. Dujos arba garai spinduliuoja visu savo tūriu. 12.19 pav. Į medžiagą krintančios spinduliuotės energijos pasiskirstymo schema Jeigu į kūno paviršių krinta energijos srautas spinduliuote Q, tai tik jo dalį QA kūnas sugeria ir paverčia šilumine energija. Dalis spinduliuotės energijos srauto QR atspindima nuo kūno paviršiaus, o dalis QD pereina per kūną. Akivaizdu, kad ; (12.145) ir . (12.147) Dydžiai A, R, D apibūdina kūnų gebą šiluminius spindulius sugerti, atspindėti ir praleisti. A, R ir D tarpusavio santykiai gali būti įvairūs. Jei A = 1 (R = D = 0), visa į kūną krintanti spindulinė energija sugeriama ir toks kūnas vadinamas absoliučiai juodu. Jei R = 1 (A = D = 0), visa į kūną krintanti spindulinė energija atspindima. Toks kūnas vadinamas absoliučiai baltu. Jei D = 1 (A = R = 0), visa į kūną krintanti spindulinė energija per jį pereina. Tai absoliučiai skaidrus kūnas. Absoliučiai juodų, baltų ar skaidrių kūnų gamtoje nėra. Santykis tarp A, R ir D priklauso nuo kūno rūšies, jo temperatūros ir jo paviršiaus mikronelygumų (mikrogeometrinių savybių). Kieti ir skysti kūnai dažniausiai būna neskaidrūs. Jų A + R +D = 1 ir D = 0. Dujos, ypač viena- ir dviatomės, dažniausiai būna skaidrios, t. y. jų D1. Apibrėžkime pagrindines kiekybines energijos sąvokas. Suminis energijos srautas, visomis kryptimis spinduliuojantis nuo kūno, kurio paviršius F, visų ilgių  bangomis (nuo 0 iki ), vadinamas pilnutiniu energijos srautu. Jis žymimas Q, W. Pilnutinis energijos srautas, spinduliuojantis nuo kūno paviršiaus ploto vieneto, vadinamas spinduliuotės srauto tankiu. Jis žymimas E, W/m2, ir apibrėžiamas taip: . (12.148) Energijos srautas, spinduliuojantis nuo kūno paviršiaus ploto vieneto bangų ilgių intervale nuo  iki  + d, vadinamas monochromatiniu spinduliuotės srauto tankiu. Jis žymimas E, priklauso nuo bangos ilgio ir kūno temperatūros, matuojamas W/(m2m) = W/m3 12.6.1. Šilumos pernašos procesų varos jėga ir fluidų tarpusavio judėjimo schemos Šilumos pernašos procesų varos jėga gali būti nustatoma dviem būdais: 1) išreiškiama šilumnešių vidutiniu temperatūrų skirtumu; 2) apskaičiuojama atsižvelgiant į šilumos pernašos proceso šilumokaityje efektyvumą. Pirmasis metodas yra grafinis, tinka paprastesniems (apytiksliams) skaičiavimams. Šilumos pernašos efektyvumo metodas remiasi analitinėmis išraiškomis, todėl geriau tinka kompiuteriniam šilumokaičių skaičiavimui. 12.27 pav. Fluidų tekėjimas šilumokaičiuose: a – pasrovinis; b – priešsrovinis; c – kryžminis; d – mišrus daugiaeilis; e – mišrus susikertantis Abu metodai, gauti naudojant šilumos balanso ir proceso kinetikos lygtis, yra identiški, duoda tą patį rezultatą, todėl abu vienodai plačiai taikomi. Šilumos pernašos procesų varos jėgos tiesiogiai priklauso nuo šilumnešių tarpusavio judėjimo schemos (12.27 pav.). Aptarkime pagrindines šilumnešių judėjimo schemas. Jos skirstomos į elementariąsias ir mišriąsias. Elementariosios šilumnešių judėjimo schemos dar skirstomos į tris grupes: • abu šilumnešiai juda lygiagrečiai ir viena kryptimi (12.27 pav., a). Toks šilumnešių judėjimas vadinamas tiesiasroviu (pasroviniu); • abu šilumnešiai juda lygiagrečiai ir priešingomis kryptimis šilumos pernašos paviršiaus atžvilgiu (12.27 pav., b). Toks šilumnešių judėjimas vadinamas priešsroviniu; • vienas fluidas teka išilgai kanalo, kitas vamzdeliais jam statmena kryptimi. Toks judėjimas vadinamas kryžminiu (12.27 pav., c). Mišriosios srovės gaunamos kombinuojant elementarias sroves. Jos skirstomos į dvi grupes: • mišriosios daugiaeilės šilumnešio schemos (12.27 pav., d); • mišriosios susikertančios šilumnešio schemos (12.27 pav., e). Daugiaėjos šilumnešių judėjimo schemos. Didelės šilumos atidavimo (perdavimo) koeficientų vertės dažniausiai pasiekiamos padidinant šilumnešių greičius. Didėjant šilumnešio srauto greičiui, mažėja jo tekėjimo skerspjūvio plotas, vamzdelių skaičius ir didėja jų ilgis, kadangi šilumos pernašos plotas didėja kur kas lėčiau. Tuo atveju, kai reikalingas vamzdžių ilgis viršija standartinį (6...7 m), galimos dvi šilumos pernašos proceso organizavimo schemos. Jei vamzdelių yra gana daug, bet jie telpa į leistino skersmens apvalkalą, būtinas fluido tekėjimo kelias (vamzdžių ilgis) L užtikrinamas nuosekliai sujungiant du arba kelis aparatus, kurių kiekvienas turi vienodą standartinį vamzdžių skaičių ir ilgį. Kai vamzdelių nedaug, jų ilgį galima padidinti viename apvalkale (korpuse) įrengiant dvi ar daugiau nuosekliai sujungtas ėjas. Tokie aparatai vadinami daugiaėjais. Tarpvamzdinėje erdvėje dažniausiai naudojama viena ėja ir srauto greitis didinamas skersinėmis pertvaromis. Mišriosios susikertančiosios srovės. Mišriosios susikertančiosios srovės šilumokaičiuose naudojamos ne dėl šilumos perdavimo pranašumų, bet dėl konstrukcijos reikalavimų. Dažniausiai naudojami tokie susikertančiųjų srovių aparatų variantai: a) kai vienas fluidas teka lygiagrečiu vamzdžiu pluoštu (nesusimaišo), o kitas ištisiniu srautu tarpvamzdinėje erdvėje (susimaišo); b) kai abu fluidai teka ištisiniais srautais (susimaišančiais srauto viduje), 12.28 pav. Fluidų temperatūros kitimo schema: a, b – kai fluidų tekėjimas pasrovinis; c,d – kai fluidų tekėjimas priešsrovinis apiplaudami skirtingas šilumą perduodančios sienelės puses. Tokie yra plokšteliniai aparatai; c) kai vienas šilumnešis teka lygiagrečių vamzdžių pluošte viena ar keliomis ėjomis, kitas – zigzaginiu keliu tarpvamzdinėje erdvėje. Tuo atveju, kai zigzagų yra daugiau nei keturi, schema yra mišri, bet ją galima skaičiuoti kaip priešsrovinę ir paklaida bus nedidelė. 12.28 pav. parodyta, kaip priklausomai nuo fluidų srautų šiluminių talpų santykio gali kisti fluidų temperatūros išilgai šilumos pernašos paviršiaus F. ŠILDYMAS, AUŠINIMAS, KONDENSACIJA 13.1. Šildymas Cheminėje technologijoje apdorojamas medžiagas dažnai reikia šildyti. Šios medžiagos gali būti įvairios fazinės būsenos (kietos, skystos, dujinės). Šildoma specialiuose įrenginiuose, vadinamuose šilumokaičiais. Tai tokie aparatai, kuriuose vienos medžiagos šiluma perduodama kitai. Ta medžiaga, kuri atiduoda šilumą, vadinama šildančiuoju fluidu, arba šildalu, o kuri perima šilumą, – šildomuoju fluidu, arba šaldalu (aušalu). Paprasčiausio šilumokaičio schema pateikta 13.1 pav. 13.1 pav. Paprasčiausio šilumokaičio schema: a – šildantysis fluidas, b – šildomasis fluidas Jeigu šilumokaičio paskirtis yra šildyti medžiagą, tai jis vadinamas šildytuvu, jeigu išgarinti, – garintuvu, jeigu kondensuoti, – kondensatoriumi ir t. t. Tokį šilumokaitį, kuriame fluidai vienas su kitu liečiasi, įprasta vadinti maišymosi, arba kontaktiniu, šilumokaičiu. Jeigu fluidai atskirti sienele (nesiliečia), toks šilumokaitis vadinamas paviršiniu. Paviršius, pro kurį iš šildančiojo fluido šiluma perduodama šildomajam, vadi- namas aparato šildomuoju paviršiumi. Jeigu šilumokaita tarp fluidų ir sienelės vyksta ant skirtingų paviršių, tai toks šilumokaitis vadinamas rekuperaciniu. Tuo atveju, kai tą patį paviršių pakaitomis apiplauna tai šildantysis, tai šildomasis fluidas, turime regeneracinį šilumokaitį. Šildančiuoju fluidu gali būti garai, aukštos temperatūros skystis, karštos dujos. Galimas šildymas ir elektros srove. 13.1.1. Šildymo būdai Šildymas garais. Šildoma vandens arba kitų aukštoje temperatūroje verdančių skysčių garais. Iki 150...160 C temperatūros dažniausiai šildoma vandens garais. Šis šildantysis fluidas turi daug gerų savybių. Pavyzdžiui, kondensuojantis garams, išsiskiria daug jo garavimo šilumos, todėl šildymui sunaudojama palyginti mažai garų. Kondensuojantis garams šilumos atidavimo koeficiento  vertė yra (4,6...17,4)·103 W/(m2K), dėl to fluidui šildyti reikia gana mažo paviršiaus. Be to, labai gera ir svarbi sočiųjų garų, kaip šildančiojo fluido, savybė yra pastovi (esant pastoviam slėgiui) jo kondensacijos temperatūra, todėl visame šildymo tūryje galima palaikyti vienodą, pastovią temperatūrą. Keičiant garų slėgį, galima reguliuoti šildymo temperatūrą. Šildymo garais įrenginių naudingumo koeficientas yra gana didelis, ypač kai panaudojama dar ir garų kondensato šiluma. Šildymui paprastai naudojamas nedidelio slėgio (0,6...1,0 MPa) drėgni sotieji arba nedaug perkaitinti (tp = 20...30 K) garai. Jų slėgis parenkamas pagal tai, kokia temperatūra turi būti šildytuve. Ekonominiais sumetimais tikslinga pirmiausia panaudoti iš turbinos ištekančius garus (priešslėgio turbinos išmetamus 0,2...0,3 MPa garus arba tarpinio ėmimo 0,6...0,7 MPa garus). Šildymas gali būti dvejopas: tiesioginis ir netiesioginis (13.2 pav.). Tiesioginis – kai šildantysis fluidas tiesiogiai liečiasi su šildomuoju, o netiesioginis – kai fluidai tiesiogiai nesiliečia. 13.2 pav. Šildymas: a – tiesioginis, b – netiesioginis Kad iš šildytuvo neištekėtų nesusikondensavę garai, už šildymo aparato įrengiamas kondensato puodas, kurio paskirtis – išleisti kondensatą ir sulaikyti garus. Pramonėje naudojamo kondensato puodo schema pateikta 13.3 pav. Iš šilumokaičio į kondensato puodą patekęs kondensatas pakelia cilindro formos plūdę 1, kuri yra standžiai pritvirtinta prie koto 2 ir uždaro kondensato išleidimo vožtuvą 3. Toliau tekėdamas kondensatas pripildo cilindrinę plūdę, ir ši nugrimzdama atidaro kondensato išleidimo vožtuvą. Tuomet vamzdžiu 4 puode esantis kondensatas, slegiamas garų, teka į šalinimo liniją 6. Pakilusi plūdė vėl uždaro išleidimo vožtuvą. Kondensato puodui prapūsti įrengtas vožtuvas 5. Kondensato puodo prijungimo schema parodyta 13.4 paveiksle. Didžiausias kaitinimo garais trūkumas tas, kad šis būdas netinka šildyti iki aukštų temperatūrų, nes tam reikia didelio slėgio garų. Pavyzdžiui, norint pašildyti medžiagą iki 364 °C temperatūros, sočiųjų garų slėgis turi būti 20,0 MPa. Tokiam šildymui reikia sudėtingos konstrukcijos ir brangios aparatūros, o tai – neekonomiška. 13.3 pav. Kondensato puodas: 1 – cilindrinė plūdė, 2 – kotas, 3 – vožtuvas, 4 – vamzdis, 5 –prapūtimo vožtuvas, 6 – kondensato šalinimo linija 13.4 pav. Kondensato puodo prijungimo schema: 1 – šildytuvas, 2 – kondensato puodas, 3 – ventilis Iki aukštos temperatūros gali būti šildoma aukštoje temperatūroje verdančių skysčių garais: gyvsidabrio, difenilo mišinio (73,5 % difenilo eterio C6H5–O–C6H5, 26,5 % difenilo C6H5–C6H5; šio mišinio virimo temperatūra 258 °C; jo tankis ρ = 710 kg/m3, esant t = 400 °C; lydymosi temperatūra 12 °C). Difenilo mišiniu kaitinama, kai reikia pasiekti 260...400 °C temperatūrą. Naudojamas iki 0,8...1,0 MPa slėgis. Besikondensuojančio difenilo mišinio garų šilumos atidavimo koeficientas  = (1,40...1,75)103 W/(m2K). Difenilo mišinys beveik nekenksmingas sveikatai. Gyvsidabrio garais kaitinama iki 350...500 °C. Besikondensuojančių gyvsidabrio garų šilumos atidavimo koeficientas  = 600 W/(m2K). Gyvsidabris yra nuodingas, todėl rečiau vartojamas. Šildymas skysčiais. Šilumokaičiuose kaip šildantysis fluidas gali būti naudojami karšti skysčiai: vanduo, aukštoje temperatūroje verdantys skysčiai, kai kurie tepalai, tetrachlordifenilas, naftalinas, glicerinas, organiniai silicio junginiai, kai kurių druskų tirpalai, kai kurie skystieji metalai. Šiuo atveju pirmiausia reikia pašildyti patį šildantįjį fluidą. Dažniausiai jis šildomas cirkuliaciniu arba vonios būdu. Pirmuoju atveju šildantysis fluidas sušyla specialioje krosnyje – katile 1 ir, patekęs į šilumokaitį 2, įgytą šilumą perduoda šildomajam fluidui (13.5 pav.). Fluido cirkuliacija yra uždara. Ji gali būti natūrali (a) arba priverstinė (b). Kad fluidas natūraliai cirkuliuotų, šilumokaitis turi būti sumontuotas aukščiau šildymo įrenginio. Nuo jų padėties lygių skirtumo H, m, priklauso susidarantis slėgių skirtumas Δp ir cirkuliacijos greitis: (13.1) čia p – slėgių skirtumas, Pa; 1, 2 – skysčių tankiai šilumokaityje ir katile, kg/m3; g – laisvojo kritimo pagreitis (g = 9,81 m/s2). Šio slėgių skirtumo turi pakakti cirkuliacijos kontūro hidrauliniams pasipriešinimams nugalėti ir tekėjimo greičiui išvystyti (paprastai ne didesniam kaip 0,2 m/s). Esant priverstinei cirkuliacijai, šilumokaičio nebūtina įrengti aukščiau. Be to, gali būti didesni skysčių greičiai, todėl galima imti mažesnio skersmens vamzdžius, intensyvesnis yra šilumos atidavimas. Tačiau šiuo atveju reikia siurblio 3. Taikant vonios būdą, fluidas šildomas pačiame šilumokaičio apvalkale degimo dujomis, garais, elektra ir kt. Skysčio šildymo degimo dujomis schema parodyta 13.6 pav. Vanduo, kuriuo šildoma, gali būti mažo, artimo atmosferos, didesnio už atmosferos ir didelio slėgio. 13.5 pav. Cirkuliacinio šildymo schema: a – natūralioji cirkuliacija, b – priverstinė cirkuliacija 13.6 pav. Voninio šildymo schema: 1 – plėtimosi indas, 2 – virimo katilas, 3 – apvalkalas, 4 – kūrykla, 5 – rezervuaras, 6 – siurblys Mažo slėgio vandeniu šildomos patalpos, taip pat toks vanduo naudojamas medžiagoms šildyti iki neaukštos temperatūros (iki 130 C). Vanduo, kaip šildantysis fluidas, pašildomas specialiuose katiluose dūmais arba panaudotais garais atitinkamuose šilumokaičiuose, kurie vadinami boileriais (iki 130...150 C). Norint gauti aukštesnę šildymo temperatūrą (200...370 C), šildoma didesnio arba didelio slėgio vandeniu (iki 22,1 MPa). Tepalais šildoma (iki 250...300 C temperatūros), kai negalima šildyti vandeniu ir vandens garais dėl jų didelio slėgio. Tepalo šilumos atidavimo koeficientas  mažesnis negu vandens. Kaip minėta anksčiau, difenilo mišinys, kaip šildantysis fluidas, plačiai naudojamas, kai medžiagą reikia įkaitinti iki 260...400 C temperatūros. Esant atmosferos slėgiui, pasiekiama 258 C temperatūra. Šio būdo teigiama savybė tai, kad, esant mažam slėgiui, gaunama didelė kaitinimo temperatūra. Kad būtų galima kaitinti iki aukštos temperatūros ir intensyviau perduoti šilumą, šilumokaičiuose plačiau pradėta naudoti skystus metalus: šviną, bismutą, kadmį, stibį, alavą, natrį, kalį ir jų lydinius. Ypač perspektyvus fluidas yra natris, turintis didelį šilumos atidavimo koeficientą (kai w = 3 m/s,  = 36,3·103 W/(m2K)). Didžiausias natrio trūkumas yra tai, kad jis aktyviai reaguoja su vandeniu (gali užsidegti ir sprogti). Šildymas dujomis. Medžiagoms kaitinti iki aukštos temperatūros (800...1000 C) šildytuvuose dažnai vartojamos degimo dujos. Jos, kaip šilumnešis, turi trūkumų: labai mažas jų šilumos atidavimo koeficientas , maža savitoji šiluma – cp = 1,5 kJ/(m3K). Todėl gana didelis dujų debitas, sunku reguliuoti kaitinimą, užsiteršia šildomieji paviršiai (netiesiogiai kaitinant) arba kaitinamoji medžiaga (tiesiogiai kaitinant). Šildančiosios degimo dujos gaunamos prie šildytuvo įrengtoje specialioje kuro deginimo kameroje – kūrykloje. Be to, ekonominiais sumetimais pirmiausia panaudojamos jau vartotos, t. y. iš krosnių, katilų ir kt., išmetamos dujos. Šildymo dujomis schema pateikta 13.7 pav. Dujų, kaip šildančiojo fluido, temperatūra reguliuojama keičiant į maišymo kamerą 2 tiekiamo oro kiekį. 13.7 pav. Šildymo dujomis schema: 1 – oro tiekimas į kamerą, 2 – maišymo kamera, 3 – šilumokaitis – garo katilas, 4 – kaminas, 5 – dūmsiurbis, 6, 7 – kuro ir oro tiekimas, 8 – kūrykla Šildymas elektra. Elektros energija plačiai naudojama chemijos pramonėje įvairioms medžiagoms šildyti, išdeginti, išlydyti ir kt. Pažymėtini šie šildymo būdai: varžinis, indukcinis aukštojo dažnio srovėmis ir elektros lanku. Šildant varžiniu būdu, elektros srovė leidžiama per pačią kaitinamąją medžiagą arba per specialius kaitinimo elementus – varžas. Šiuo būdu kaitinama iki 1000...1100 C temperatūros. Šildant indukciniu būdu, šildytuvas apvyniojamas apvijomis; jomis leidžiant kintamąją elektros srovę, aparato sienelėse indukuojasi elektros srovė, todėl jos tolygiai šyla. Šildant aukštojo dažnio srovėmis, šiluma skiriasi pačioje šildomojoje medžiagoje. Aukštojo dažnio srovė per kondensatorių perduodama dielektrinei kaitinamajai medžiagai. Joje dalis energijos sunaudojama nugalėti trinčiai tarp molekulių ir virsta šiluma. Šiuo būdu visa medžiaga šildoma tolygiai, neperkaista jos atskiri sluoksniai. Labai lengva ir patogu reguliuoti šildymo temperatūrą. Elektros lanku kaitinama iki 1500...2000 C temperatūros. Kaitinti galima uždaruoju ir atviruoju lanku. Tačiau elektros lanku neįmanoma tolygiai įkaitinti medžiagos, be to, sunku tiksliai reguliuoti temperatūrą. 13.1.2. Šilumokaičiai Šildytuvas yra toks šilumokaitis, kurio paskirtis pašildyti medžiagą iki reikiamos temperatūros. Chemijos pramonėje naudojami įvairių tipų ir rūšių šildytuvai. Jie, kaip šilumokaičiai, gali būti skirstomi pagal šildomojo paviršiaus formą, šildymo pobūdį, šildančiojo fluido, arba šildalo, rūšį ir kt. 13.8. pav. Šildytuvas su paprastu apvalkalu: 1 – šildytuvo korpusas, 2 – garo tiekimo atvamzdis, 3 – apvalkalas, 4 – kondensato išleidimo atvamzdis, 5 – oro išleidimo atvamzdis Pagal šildomojo paviršiaus formą šildytuvai skirstomi į apvalkalinius, vamzdinius, kanalinius, plokštinius, blokinius, elementinius. Apvalkaliniai šildytuvai esti įvairių konstrukcijų: su paprastu apvalkalu, su sustiprintu apvalkalu, su specialiais apvalkalais (su sienvamzdžiais, su pritvirtintais prie sienelės vamzdžiais bei kanalais). Šildytuvo su paprastu apvalkalu schema pateikta 13.8 pav. Šildantysis fluidas čia teka tarp apvalkalo ir korpuso, o šildomasis fluidas yra korpuse. Apvalkalas prie korpuso privirinamas arba varžtais priveržiamas prie jo flanšo. Toks paprastas apvalkalas naudojamas, esant nedideliam šildančiojo fluido slėgiui (0,6...1,0 MPa). Kad būtų geriau perduodama šiluma, korpuse esan- tis šildomasis fluidas gali būti maišomas. Skaičiuojant apytiksliai, galima imti tokias šilumos perdavimo koeficiento vertes: 13.9 pav. Šildytuvas su sustiprintu apvalkalu: 1 – apvalkalo sienelė, 2 – šildytuvo sienelė • šildant garais nemaišomą vandenį, k = 290...1220 W/(m2K); • šildant garais nemaišomą tepalą, k = 58...170 W/(m2K); • šildant garais nemaišomą verdantį vandenį, k = 1400...2090 W/(m2K). Jeigu slėgis siekia iki 7,5 MPa, gali būti naudojami šildytuvai su sustiprintu apvalkalu. Skylių, išštampuotų apvalkale, kraštai privirinami prie šildytuvo sienelių (13.9 pav.), todėl padidėja apvalkalo mechaninis stiprumas ir šildančiojo fluido turbulizacija. Kartu padidėja ir šilumos atidavimo koeficientas: k yra 50...70 % didesnis negu esant paprastam apvalkalui. Vartojant didelio slėgio šildantįjį fluidą, paprasti apvalkalai netinka, nes jų 13.10 pav. Šildytuvas su į sieneles įlietais vamzdžiais: 1 – šildytuvo sienelė, 2 – vamzdis sienelės būtų labai storos, o konstrukcija neekonomiška. Šiuo atveju daro mas specialus apvalkalas. Jo konstrukcija gali būti labai įvairi. Pavyzdžiui, tokį apvalkalą gali sudaryti plieninių vamzdžių spiralės, įlietos į pastorintas šildytuvo sieneles (13.10 pav.). Šiais vamzdžiais teka didelio slėgio šildalas (garai ar skystis). Didžiausias tokios konstrukcijos trūkumas yra tai, kad tokį apvalkalą sunkoka pagaminti; be to, plieno ir ketaus šiluminio plėtimosi koeficientai nevienodi, todėl atskirose vietose tarp vamzdžių ir korpuso sienelių dažnai susidaro tarpai ir dėl to blogiau perduodama šiluma. Dažnai naudojami šildytuvai, kurių korpusas apjuostas spiralės formos vamzdžiais, pritvirtintais prie korpuso (13.11 pav.). Vamzdžiai pritvirtinami prie sienelės, tarpas tarp jų ir sienelės pripildomas privirinamojo (a) arba kito metalo ir užvirinamas (b); be to, vamzdžiai prie sienelės gali būti prilituoti (c). Šios konstrukcijos gerosios savybės: korpusas ir vamzdžiai gali būti daromi iš skirtingų metalų, vamzdžių sistemą galima skirstyti į keletą sekcijų, maitinamų nepriklausomai viena nuo kitos. Tokios konstrukcijos šildytuvai gali būti naudojami, kai slėgis siekia iki 25,0 MPa. 13.11 pav. Šildytuvas su prie sienelių pritvirtintais vamzdžiais: a – privirinti vamzdžiai, b – privirinti, pripildžius tarpą tarp vamzdžio ir sienelės kito metalo, c – prilituoti vamzdžiai Šilumos perdavimas priklauso ir nuo vamzdžių pritvirtinimo prie korpuso būdo. Šildant sočiuoju garu verdantį vandenį, k = 1000 W/(m2K) (jei korpuso sienelė nikeliuota). 13.13 pav. Gyvatukinis šildytuvas: 1 – išlankstytas vamzdis – gyvatukas, 2 – spirale susuktas vamzdis; a – vamzdžio tvirtinimas prie sienelės Vamzdiniai šildytuvai būna įvairių konstrukcijų. Plačiausiai naudojami gyvatukiniai šildytuvai, su briaunotais vamzdžiais, apvalkaliniai, korpusiniai ir kt. Gyvatukinį šildytuvą (13.13 pav.) sudaro lankstytas į spiralę susuktas vamzdis. Gyvatuku teka šildantysis fluidas, o iš išorės jį plauna šildomasis fluidas. Iš teigiamų tokių šildytuvų savybių pažymėtina tai, kad čia gali būti aukštas šildančiojo fluido slėgis, galima ekonomiškai pa- naudoti šildomuosius paviršius, nes paprastai visas gyvatukas būna paniręs į šildomąjį fluidą.Šilumos perdavimo koeficientas k būna tokio dydžio: • šildant garu šildytuve esantį skystį, k = 700...2300 W/(m2K); • šildant garu šildytuve verdantį vandenį, k = 1700...3400 W/(m2K). Šildytuvai su briaunotais vamzdžiais naudojami, kai vieno iš fluidų yra gerokai mažesnis šilumos atidavimo koeficientas (dujos ir vanduo). Tokiu atveįu tikslinga padidinti iš to fluido (dujų) pusės šildomąjį paviršių tiek kartų, kiek kartų mažesnis yra šio fluido šilumos atidavimo koeficientas . Paviršius didinamas briaunomis (13.14 pav.) (iki 10...20 kartų). Briaunos gali būti skersinės arba išilginės. Jas galima pripresuoti arba privirinti. Kad šildytuvas būtų reikiamo našumo, tokie briaunoti vamzdžiai surenkami į sekcijas. Briaunoti šildytuvai dažnai dar vadinami kaloriferiais (13.15 pav.). Išilginės briaunos paprastai daromos, kai fluidas teka išilgai vamzdžių. Kartais tokios briaunos būna abiejose vamzdžių pusėse. Briaunoto šildytuvo šilumos perdavimo koeficientas apskaičiuojamas pagal suprastintą lygtį: (13.6) čia F1 – lygusis vamzdžio paviršius, m2; F2 – briaunotasis vamzdžio paviršius. 13.14 pav. Vamzdžių briaunos: a – lietos, b – lituotos, c – presuotos, d – vyniotos, e – spyglinės, f – išilginės 13.15 pav. Briaunotųjų vamzdžių šildytuvas Apytikslės koeficiento k vertės: kai vamzdžiais teka šildantysis fluidas (garas arba karštas vanduo), o šildomosios dujos natūraliai cirkuliuoja, apiplaudamos briaunotus vamzdžius, k = 5...11 W/(m2K); esant priverstiniam dujų tekėjimui, k = 11...46 W/(m2K). Vamzdiniai apvalkaliniai šildytuvai taip pat gali būti įvairių konstrukcijų. Vienas iš jų – ,,vamzdis vamzdyje“ parodytas 13.16 pav. Dėl didesnių fluidų greičių tokiuose šildytuvuose geresnės ir šilumos perdavimo sąlygos. 13.16 pav. ,,Vamzdis vamzdyje“ konstrukcijos šildytuvas: 1 – vidinis vamzdis, 2 – vamzdinis gaubtas Vamzdžiai sujungti nuosekliai alkūnėmis. Jas nuėmus, vamzdžius galima išvalyti. Taip pat nuosekliai sujungti yra ir išoriniai vamzdžiai – gaubtai. Šiems šilumokaičiams gaminti sunaudojama gana daug metalo. Be to, jie yra nekompaktiški. Šildant skysčiu skystį, tokių šildytuvų orientacinės šilumos perdavimo koeficientų vertės yra 350...1400 W/(m2K). Apvalkaliniai šildytuvai yra plačiausiai naudojami. Tai vamzdžių pluoštas iš gele žies lakštų suvirintame cilindriniame apvalkale. Vamzdžių galai įtvirtinti rėtinese plokštėse. Jeigu apvalkalo ir vamzdžių temperatūrų skirtumas ne didesnis kaip 50 C ir vamzdžiai nedaug ištįsta (13.17 pav.), prie apvalkalo pritvirtinamos abi rėtinės plokštės. Jeigu temperatūrų skirtumas didesnis ir šildytuvai ilgesni, reikia arba apvalkale įtaisyti kompensatorių, arba pastoviai įtvirtinti tik vieną rėtinę plokštę (13.18 pav.), arba panaudoti lenktus vamzdžius (13.19 pav.). Šio tipo šildytuvai gali būti statomi vertikaliai (13.19 pav., b) arba horizontaliai (13.19 pav., a). Kaip šildytuvuose teka fluidai, matyti jų paveiksluose. Kad fluidai greičiau tekėtų, ertmėje tarp vamzdžių daromos pertvaros (13.18 ir 13.19 pav.). 13.17 pav. Tiesių vamzdžių vertikalusis apvalkalinis šildytuvas: 1 – rėtinė plokštė, 2 – dangtis, 3 – vamzdžių pluoštas, 4 – apvalkalas, 5 – atrama 13.18 pav. Apvalkaliniai šildytuvai: 1 – kompensatorius, 2 – laisvoji rėtinė plokštė Apvalkaliniai šildytuvai plačiai naudojami cheminėje technologijoje, nes yra kompaktiški, jiems reikia palyginti mažai metalo, vamzdžius patogu išvalyti iš vidaus. Iš trūkumų paminėtini šie: sunku pasiekti didelius fluidų tekėjimo greičius, nepatogu vamzdžius valyti iš išorės, sunku gaminti juos iš tų metalų, kurie sunkiai valcuojami arba suvirinami. 13.19 pav. Lenktų vamzdžių apvalkalinis šildytuvas: a – horizontalusis, b – vertikalusis Blokiniai šildytuvai surenkami iš atitinkamo profilio plokščių. Jas suglaudus, susidaro kanalai šildančiajam ir šildomajam fluidams tekėti. Plokštės suveržiamos į bendrą bloką varžtais (13.22 pav.). Blokiniai šildytuvai paprastai gaminami iš antikorozinės medžiagos ir naudojami tuomet, kai šilumnešis yra agresyvus ir ne didesnio kaip 0,3...0,5 MPa slėgio. 13.22 pav. Blokinis šildytuvas 13.23 pav. Elementinis šildytuvas Ypač agresyvioms medžiagoms (pvz., druskos rūgščiai, praskiestai sieros sieros rūgščiai, fosforo rūgščiai) šildyti naudojami blokiniai šildytuvai, pagaminti iš grafito, prisotinto fenolformaldehidinės dervos. Tokio grafito šiluminio laidžio koeficientas  = 92...116 W/(mK). Orientacinis šilumos perdavimo koeficientas, šildant garu vandenį, k = 2200...2300 W/(m2K). 13.2. Aušinimas Aušinimu vadinamas toks procesas, kai medžiagos temperatūra sumažinama ne daugiau kaip iki aplinkos temperatūros. Medžiagos aušinamos skysčiais, garais, dujomis. Iki 10...30 C medžiagos dažniausiai aušinamos aplinkos vandeniu ir oru. Vanduo, kaip aušinantysis fluidas, arba aušalas, yra geresnis už orą, nes jo didesnė šiluminė talpa, didesnis šilumos atidavimo koeficientas, be to, juo medžiagas galima ataušinti iki mažesnės temperatūros. Medžiagoms aušinti vanduo imamas iš natūralių vandens telkinių: upių, ežerų, tvenkinių ir kt. Rajonuose, kur trūksta vandens, įšilęs aušintuve vanduo neišmetamas, bet leidžiamas į specialius aušinimo įrenginius (baseinus, bokštus), o iš jų vėl grąžinamas į aušintuvą. Temperatūra, iki kurios galima ataušinti medžiagas, priklauso nuo aušinančiojo vandens temperatūros, o ši priklauso nuo vandens šaltinio temperatūros ir atmosferos sąlygų. Pavyzdžiui, upių, ežerų, tvenkinių vandens temperatūra būna 4...25 C, artezinių gręžinių 8...15 C, aušinimo bokštų vanduo 30 C (vasarą). Kad mažiau iš aušinančiojo vandens ant aušinimo paviršiaus nusėstų druskų, iš aušintuvo ištekančio vandens temperatūra turi būti ne didesnė kaip 40...50 C. Jei medžiagos temperatūra yra didesnė už aušalo virimo temperatūrą, tai, jai auštant, dalis aušalo išgaruos. Tokį aušinimo procesą įprasta vadinti garinamuoju aušinimu. Jam vykti mažiau reikia aušalo. Nors aplinkos oro šiluminė talpa ir šilumos atidavimo koeficientas yra maži, bet jis gana plačiai naudojamas aušintuvuose, ypač ten, kur vanduo arba kiti skysčiai gali užšalti. Be to, oras dažniausiai naudojamas laistomuosiuose aušintuvuose. Šilumos atidavimo koeficientui padidinti aušintuvuose didinamas oro greitis ir iš oro pusės aušinimo paviršiai daromi ne lygūs, o briaunoti. 13.3. Kondensacija Bendrieji duomenys. Jei aušinamoji medžiaga yra garai, o aušalo temperatūra t 120 K, giliojo šaldymo – T T2, todėl o toks procesas, kaip teigia antrasis termodinamikos dėsnis, savaime vykti negali. Todėl, kad vyktų realus šaldymo procesas, be šilumos atėmimo ir atidavimo, dar reikalingas papildomas procesas, kuris kompensuotų entropijos sumažėjimą, o tai neišvengiamai būna susiję su energijos sąnaudomis. Kad vyktų toks ciklas, reikia atlikti darbą, kuris virstų šiluma, o ši kartu su iš šaldomosios medžiagos atimta šiluma būtų atiduota aukštesnės temperatūros medžiagai. Medžiaga, iš kurios atimama šiluma, vadinama šaldomąja, o kuriai atiduodama šiluma, šaldančiuoju fluidu, arba šaldalu. Šaldymo efektas bus tuo geresnis, kuo daugiau šilumos atimsime iš šaldomosios medžiagos, išeikvodami mažiau darbo. Jis nusakomas santykiu (14.4) Dydis e vadinamas šaldymo koeficientu. Juo apibūdinamas šaldymo ciklo efektyvumas. Iš šaldomosios medžiagos cikle atimtas šilumos srautas dar vadinamas bendruoju šaldymo našumu ir žymimas Q2. Mašininis kompresorinis šaldymas. Saikingojo šaldymo technikoje daugiausia naudojami mašininio šaldymo būdai. Atsižvelgiant į tai, kokiu būdu didinamas šaldalo slėgis, mašininiai šaldymo būdai skirstomi į kompresorinius, absorbcinius ir ežektorinius. Dažniausiai šaldoma mašininiu kompresoriniu būdu. Čia paprastai naudojamos garinės šaldymo mašinos, kuriose šaldalu būna žemos virimo temperatūros skysčiai. Šios medžiagos verda ir išgaruoja žemesnėje kaip 0 C temperatūroje, o suslėgtos ir aušinamos vandeniu vėl virsta skysčiu. Garinį kompresorinį šaldymo agregatą sudaro šie įrenginiai: garintuvas 1, kompresorius 2, kondensatorius 3 ir droselis arba plėtimosi cilindras – detanderis 4. Principinė įrenginio schema pateikta 14.1 pav. Garintuve, esant žemai temperatūrai, garuodamas 1 kg šaldalo iš šaldomosios medžiagos arba tarpinio šaldančiojo fluido atima šilumą q2. Kompresorius siurbia šiuos garus ir, sunaudodamas darbą l1, juos suslegia (kompresorių dažniausiai varo elektros variklis). Suslėgti garai aušta, kondensuojasi ir atiduoda aplinkai šilumą q1. Po to šaldalas, detanderyje plėsdamasis iki pradinio slėgio ir temperatūros, atlieka darbą l2. Toks šaltas fluidas vėl patenka į garintuvą ir vėl garuodamas absorbuoja šilumą iš šaldomosios medžiagos arba tarpinio šaldančiojo fluido. Pavaizdavę atskirose mašinos dalyse vykstančius procesus grafiškai, gauname idealios garų kompresorinės šaldymo mašinos ciklą, kuris atitinka atvirkštinį Karno ciklą: 1–2–3–4–1. Čia 1–2 – adiabatinis garų slėgimo procesas kompresoriuje; 2–3 – izobarinis–izoterminis kondensacijos procesas; 3–4 – adiabatinis plėtimosi procesas detanderyje; 4–1 – šaldalo garavimo procesas, esant pastoviai jo virimo temperatūrai T2. 14.1 pav. Idealios šaldymo mašinos schema ir šaldymo ciklas T-s diagramoje: 1 – garintuvas, 2 – kompresorius, 3 – kondensatorius, 4 – detanderis 14.2 pav. Idealios kompresorinės šaldymo mašinos darbo ciklas p–h diagramoje Iš ciklo matyti, kad iš šaldomosios medžiagos, kurios temperatūra T2, atimama šiluma q2, o aplinkai, kurios temperatūra T1 (čia T1 > T2), atiduodama šiluma q1 ir sunaudojamas darbas Tuomet šaldymo koeficientas Diagramoje (14.1 pav.) matome, kad lygus plotui , o lygus plotui Įrašę gautas q2 ir q1 vertes į ε lygybę, gauname idealios šaldymo mašinos šaldymo koeficientą: (14.6) čia s1, s2, ... – fluido entropijos diagramoje (14.1 pav.) pažymėtuose taškuose 1, 2, ... Šaldymo koeficientas priklauso nuo šaldomosios medžiagos ir aplinkos temperatūrų skirtumo: kuo mažesnis šis skirtumas, tuo didesnė ε vertė. Idealios kompresorinės mašinos darbo ciklas p–h diagramoje pateiktas 14.2 paveiksle. Čia darbas l ir šilumos atitinka tiesės atkarpas, kurias lengva išmatuoti, o T–s diagramoje šie dydžiai atitinka daug sunkiau apskaičiuojamus plotus. Adiabatinis šaldalo slėgimo procesas kompresoriuje atitinka p–h diagramos atkarpą 1–2, šaldalo izobarinis–izoterminis kondensacijos procesas kondensatoriuje – atkarpa 2–3, adiabatinis plėtimosi procesas detanderyje – 3–4 ir izobarinis–izoterminis šaldalo garavimo procesas garintuve – 4–1. Realios kompresorinės šaldymo mašinos darbo ciklas. Reali kompresorinė šaldymo mašina skiriasi nuo idealios. Konstrukcijai supaprastinti vietoj detanderio įrengtas droselinis ventilis. Norint išvengti hidraulinių smūgių, sumažinti šilumos nuostolius ir geriau pripildyti šaldalo cilindrą, į kompresorių leidžiamai ne drėgni, bet sausi garai. Be to, šaldymo našumui padidinti, esant toms pačioms energijos sąnaudoms, kondensatas ataušinamas iki žemesnės temperatūros negu kondensacijos temperatūra, t. y. jis peraušinamas. 14.3 pav. Realios kompresorinės šaldymo mašinos schema: 1 – garintuvas, 2 – skysčio skirtuvas, 3 – filtras, 4 – kompresorius, 5 – tepalo skirtuvas, 6 – kondensatorius, 7 – kondensato aušintuvas, 8 – droselinis ventilis 14.4 pav. Realios kompresorinės šaldymo mašinos darbo ciklas p–h diagramoje Realų kompresorinį šaldymo įrenginį (14.3 pav.) sudaro garintuvas 1, skysčio skirtuvas 2, filtras 3, kompresorius 4, tepalo skirtuvas 5, kondensatorius 6, kondensato aušintuvas 7, droselinis ventilis 8. Tokios šaldymo mašinos teorinis darbo ciklas pavaizduotas 14.4 pav. Čia adiabatinį šaldalo sausų garų slėgimo procesą kompresoriuje vaizduoja linija 1–2, perkaitintų garų izobarinį aušinimo procesą kondensatoriuje – linija 2–3, izobarinį–izoterminį garų kondensacijos procesą kondensatoriuje – 3–4, kondensato papildomą izobarinį aušinimą (peraušinimą) – 4–5, izoentalpinį šaldalo droseliavimo procesą droselyje – 5–6 ir izobarinį–izoterminį garavimo procesą garintuve – 6–1. Daugiapakopė kompresorinė šaldymo mašina. Esant žemesnei garinimo arba aukštesnei kondensacijos temperatūrai, gali susidaryti per didelis šaldalo suslėgimo laipsnis, dėl to kompresorius negali veikti reikiamu našumu, sumažėja jo pripildymo laipsnis. Tada naudojami daugiapakopio suslėgimo įrenginiai, vadinami daugiapakopėmis šaldymo mašinomis. Dviejų pakopų kompresorinės šaldymo mašinos schema parodyta 14.5 paveiksle. 14.5 pav. Dviejų pakopų kompresorinės šaldymo mašinos schema: 1, 5 – pirmosios ir antrosios pakopų garintuvai, 2, 6 – pirmosios ir antrosios pakopų kompresoriai, 3 – kondensatorius, 4 – tarpinis indas, 7 – peraušinimo (peršaldymo) šilumokaitis, 8, 9 – droseliniai ventiliai 14.6 pav. Dviejų pakopų kompresorinės šaldymo mašinos darbo ciklas p–h diagramoje Iš garintuvo 1 šaldalo garai siurbiami į mažo slėgio kompresoriaus cilindrą 2 ir suslegiamas jame iki tarpinio slėgio px (procesas 1–2) (14.6 pav.). Esant šiam slėgiui, garai aušinami kondensatoriuje 3 ir iš jo leidžiami į tarpinį indą 4. Čia, burbuliuodami pro skysčio sluoksnį, jie ataušta iki soties temperatūros, ir iš jo išgaruoja dalis skysčio (procesas 2–3). Iš tarpinio indo garai siurbiami į didelio slėgio kompresoriaus cilindrą 6 ir čia suslegiami iki kondensacijos slėgio (procesas 3–4). Kondensatoriuje 7 garai aušta, kondensuojasi ir kondensatas peraušta (procesas 4–5–6–7). Suslėgtas peraušintas kondensatas, tekėdamas pro ventilį 8, droseliuojasi iki slėgio px (procesas 7–8) ir patenka į tarpinį indą 4 (taškas 8). Iš čia dalis išgaravusio šaldalo įsiurbiama į kompresoriaus didelio slėgio cilindrą, o kita dalis, pratekėjusi pro ventilį 9, droseliuojasi iki garinimo slėgio (procesas 9–10). Garintuve šaldalas garuodamas atima iš šaldomosios medžiagos arba tarpinio šaldalo šilumą. Iš ciklo diagramos nesunku įsitikinti, kad, esant toms pačioms sąlygoms, daugiapakopis šaldymo ciklas yra ekonomiškesnis už vienpakopį. Tačiau pati šaldymo mašina yra sudėtingesnės konstrukcijos. Paprastai vienpakopės amoniakinės šaldymo mašinos veikia dar patenkinamai, kai suslėgimo laipsnis 8...9, t. y. kai garinimo temperatūra t2 aukštesnė kaip -25 C. Jeigu garinimo temperatūra žemesnė, t. y. t2 yra nuo -25 iki -50 C, naudojamos dviejų suslėgimo pakopų šaldymo kompresorinės mašinos, o kai t2 nuo -50 iki -70 C, – trijų pakopų. Šaldalai. Šaldalas, arba šaldantysis fluidas, kuris atima garintuve šilumą ir perduoda ją kondensatoriuje aušinamam vandeniui, vadinamas pagrindiniu, o fluidas, kuris iš šaldomosios medžiagos atimtą šilumą perduoda garintuve esančiam fluidui, vadinamas tarpiniu. Kompresorinio šaldymo technikoje vartojama daug įvairiausių rūšių pagrindinių šaldalų. Jie visi turi atitikti tokius reikalavimus: 1) jų garavimo ir virimo slėgis turi būti didesnis už atmosferos slėgį arba jam artimas, o dirbant vakuume, absoliutusis garavimo slėgis turi būti didesnis kaip 0,01 MPa; 2) garavimo šiluma turi būti kuo didesnė, o savitasis garo tūris kuo mažesnis, nes tuomet mažesni būna mašinos matmenys; 3) užšalimo temperatūra turi būti žemesnė už garavimo temperatūrą; 4) turi nereaguoti su tepalais ir neskatinti mašinos detalių korozijos; 5) turi nekenkti žmogui ir būti nedegūs. Turbininių kompresorinių šaldymo mašinų šaldalai turi būti kuo didesnės molekulinės masės. Stūmoklinėse šaldymo mašinose šaldalais būna amoniakas, anglies dvideginis, sieros dvideginis, metilo chloridas, freonai, o jeigu reikia žemos garavimo temperatūros (žemesnės kaip -70 C), – propanas, etanas ir etilenas. Vienas daugiausia naudojamų šaldalų yra amoniakas. Jis vartotinas, kai garavimo temperatūra iki -65 C. Vartojant amoniaką, reikia palyginti nedidelio mašinos cilindro. Amoniakas lengvai gaunamas, ir greitai iš kvapo pajaučiama, jei aparatas yra nesandarus. Tačiau amoniakas turi ir trūkumų: yra nuodingas, gali užsidegti, su oru sudaro sprogstamą mišinį, be to, drėgnoje aplinkoje sukelia vario ir jo lydinių koroziją. Anglies dvideginis nekenksmingas; be to, mašinų cilindrai būna pačių mažiausių matmenų. Didžiausias trūkumas – didelis kondensacijos slėgis. Dėl mažų matmenų angliarūgštinės šaldymo mašinos naudojamos laivuose. Šiuo metu iš šaldalų labai paplitę yra freonai (fluoro ir angliavandenilių junginiai). Jie dažniausiai neturi kvapo, yra nesprogūs ir nedegūs. Stūmoklinėms šaldymo mašinoms, kuriose garinimo temperatūra t didesnė kaip -70 C, dažniausiai vartojamas R–12 markės freonas (CCl2F2). R–13 (CClF3) ir R–22 (CHClF2) markių freonai vartojami vietoj propano, etano ir etileno, kai reikia žemos garavimo temperatūros. Freonas R–13 taip pat vartojamas vietoj CO2. Mašininis absorbcinis šaldymas. Taikant šį būdą, šaldymo efektui gauti naudojama šiluminė energija. Absorbcinės šaldymo mašinos schema pavaizduota 14.7 pav. Joje kaip šaldalas dažniausiai vartojamas vandeninis amoniako tirpalas. 14.7 pav. Absorbcinės šaldymo mašinos schema: 1 – generatorius, 2 – kondensatorius, 3 – droselinis ventilis, 4 – garintuvas, 5 – absorberis, 6 – siurblys, 7 – ventilis, 8 – šilumokaitis Generatoriuje 1 šildomas tirpalas, kuriame yra lengvai garuojančio komponento (amoniako). Garas, susidaręs daugiausia iš lakiojo komponento, patenka į kondensatorių 2. Kondensatas, tekėdamas pro ventilį 3, droseliuojasi ir patenka į garintuvą 4. Čia, absorbuodamas šaldomosios medžiagos arba tarpinio šaldalo šilumą, jis vėl garuoja ir patenka į aušinimo indą 5 – absorberį, kur vėl ištirpsta iš generatoriaus atitekančiame mažos koncentracijos tirpale. Jam tirpstant išsiskirianti šiluma pašalinama aušinant absorbentą. Absorberyje susidarantis koncentruotas tirpalas siurbliu 6 pro šilumokaitį 8, šildomą iš generatoriaus į absorberį tekančiu mažos koncentracijos tirpalu (jo kiekis reguliuojamas ventiliu 7), vėl grąžinamas į generatorių. Siurblio sunaudojamos mechaninės energijos galima nepaisyti, nes ji labai maža. GARINIMAS 15.1. Garinimo proceso teoriniai pagrindai Virinant nelakių medžiagų, pvz., druskų, šarmų bei organinių medžiagų, tirpalus esant mažam garų slėgiui, virimo temperatūroje išgaruoja tik tirpiklis. Tirpalų koncentravimas, virinimo būdu išgarinant dalį tirpiklio ir pašalinant garus, vadinamas garinimu. Mažėjant tirpiklio kiekiui tirpale, tirpalo koncentracija didėja tol, kol tomis sąlygomis susidaro sotusis bei persotintasis tirpalas. Temperatūrose, žemesnėse už tirpiklio virimo temperatūrą, tirpiklis garuoja tik nuo tirpalo paviršiaus, o tirpalui verdant tirpiklis garuoja visame verdančio tirpalo tūryje, todėl yra intensyviau pašalinamas iš tirpalo. Dėl to realūs technologiniai procesai atliekami tirpalų virimo temperatūroje. Garinimo metu pašalinama tik dalis tirpiklio, kad produktas liktų takus. Dažnai gaunamas sotusis tirpalas, toliau iš sočiojo tirpalo šalinant tirpiklį ištirpusi medžiaga kristalizuojasi. Garinimu pramonėje dažniausiai iš tirpalų gaunamos druskos, o kai kada išskiriamas tirpiklis (pvz., gaunamas geriamasis vanduo arba iš techninio vandens garintuvuose pašalinamos druskos). Šis būdas dažnai derinamas su kitais skysčių išskyrimo ir koncentravimo būdais, pvz., su kristalizacija, adsorbcija, ekstrakcija bei rektifikacija. Kad tirpalas garuotų, šildalas turi perduoti jam savo šilumą, esant tarp jų temperatūrų skirtumui. Tiriant ir skaičiuojant garinimo procesus, šildalo ir tirpalo virimo temperatūrų skirtumas vadinamas naudingu temperatūrų skirtumu. Garintuvuose kaip šildalas dažniausiai naudojami sotieji vandens garai, kurie vadinami šildančiaisiais, arba pirminiais, tačiau gali būti naudojami ir kiti šildalai bei šildymo būdai. Taigi garinimo metu vyksta tipinė šilumos pernaša nuo aukštesnės temperatūros šildalo verdančiam tirpalui. Garinama aparatuose, vadinamuose garintuvais (15.1 pav.). Šilumos atidavimas, kondensuojantis sotiesiems vandens garams ir verdant tirpalui, buvo nagrinėtas 12-oje vadovėlio dalyje. Pramonėje dažniausiai garinami vandeniniai tirpalai, todėl toliau nagrinėsime tik jų garinimą. Pagrindiniai garinimo dėsningumai, skaičiavimo metodika ir aparatai iš esmės tinka ir tuomet, kai naudojamas bet kuris kitas tirpiklis. Skiriamos šios garinimo stadijos: 1) tirpalo tiekimas į garintuvą; 2) tirpalo virinimas ir garinimas; 3) susidariusių garų pašalinimas (išmetant į atmosferą arba kondensuojant kondensatoriuose); 4) koncentruoto tirpalo pašalinimas iš garintuvo. 15.1 pav. Garintuvo su bendraaše ilgų vamzdžių šildymo kamera ir atskirai įrengtu cirkuliacijos vamzdžiu principinė schema: 1 – šildymo kamera, 2 – separatorius, 3 – purslų kreipiklis, 4 – virimo kamera, 5 – cirkuliacijos vamzdis Garinimo ypatybes nusako trečioji stadija. Tirpalui šildyti ir virinti, kaip buvo minėta anksčiau, gali būti taikomas bet kuris žinomas šildymo būdas, bet dažniausiai šildoma vandens garais. Tokie garintuvai gaminami su dvigubomis sienelėmis, juose įrengiami apvalkaliniai, gyvatukiniai arba vamzdiniai šilumokaičiai, kurių vamzdžių vieną sienelės pusę liečia šildalas, o kitą plauna verdantis garinamasis tirpalas. Pagal tai, kaip pašalinami susidarantys garai, garinimo būdai skirstomi taip: a) garinimas esant atmosferos slėgiui; b) garinimas sudarius vakuumą; c) garinimas sudarius atitinkamą slėgį. Garinimo būdas pasirenkamas pagal tirpalo fizikines ir chemines savybes bei proceso techninius ekonominius reikalavimus. Jeigu garinama, esant atmosferos slėgiui, susidarę vadinamieji antriniai garai pašalinami tiesiog į aplinką. Toks garinimo būdas yra paprastas, bet dėl didelių šilumos sąnaudų retai naudojamas. Dažniausiai garinama, sudarius vakuumą. Šiuo atveju garai kondensuojami specialiuose kondensatoriuose, o nesusikondensavę – nusiurbiami vakuuminiais siurbliais (žr. 12.5.4 sk.). Garinant vakuume, sumažinama tirpalo virimo temperatūra, kas svarbu, kai garinamos aukštesnėje temperatūroje nepatvarios medžiagos (pvz., dauguma organinių medžiagų) ir medžiagos, kurių aukšta virimo temperatūra. Be to, sudarius vakuumą, galima padidinti šildančių (pirminių) ir susidariusių (antrinių) garų temperatūrų skirtumą ir kartu sumažinti šildymo įrenginių paviršių. Šio būdo trūkumas – didelės eksploatacijos išlaidos vakuumui sudaryti. Kartais paranku garinti, sudarius atitinkamą slėgį. Šiuo atveju padidinama ne tik tirpalo virimo, bet ir susidarančių (antrinių) garų temperatūra, todėl šie garai gali būti panaudojami įvairiems technologiniams poreikiams kaip šildalas. Šis garinimo būdas taikomas gana retai, nes į garintuvą reikia tiekti aukštos temperatūros šildalą, o tai yra susiję su eksploataciniais sunkumais ir didelėmis šilumos sąnaudomis. Be to, nemaža dalis garinimo būdu koncentruojamų medžiagų yra nepatvarios aukštose temperatūrose. Kaip jau buvo minėta anksčiau, tirpalas garinamas esant virimo temperatūrai. Ji nusakoma Raulio dėsniu, kuris teigia, kad, esant tai pačiai temperatūrai, tirpalo garų slėgis p lygus gryno tirpiklio garų slėgiui po, padaugintam iš tirpiklio molinės dalies x, t. y. . Kuo didesnės koncentracijos tirpalas, tuo mažesnė tirpiklio molinė dalis ir žemesnis tirpalo garų slėgis. Kita vertus, žinome, jog tirpalas verda tada, kai tirpiklio garų slėgis tampa lygus aplinkos slėgiui. Iš čia nesunku padaryti bandymais patvirtintą išvadą, kad tirpalo virimo temperatūra tuo aukštesnė už gryno tirpiklio virimo temperatūrą, kuo didesnė jo koncentracija (15.2 pav.). Temperatūrinė depresija (15.2 pav.) atmosferos slėgyje nustatoma taip. Žinyne parenkama tiriamojo tirpalo žinomos koncentracijos virimo temperatūra. Per tarp vertikaliųjų ašių esantį medžiagą atitinkantį tašką ir iš žinyno paimto tirpalo koncentraciją viršutinėje pasvirusioje ašyje brėžiama tiesė iki susikirtimo su kairiąja vertikaliąja ašimi. Per gautą tašką ir tirpalo, kurio nustatoma temperatūrinė depresija, koncentraciją brėžiamos dvi tiesės, kurių viena susikerta su apatine pasvirusia koncentracijos ašimi, o kita – su viršutine pasvirusia koncentracijos ašimi. Pratęsus šias tieses iki susikirtimo su temperatūrinių depresijų vertikaliosiomis ašimis, nustatomos dvi temperatūrinės depresijos vertės ir jų vidurkis prilyginamas tiriamos tirpalo koncentracijos temperatūrinei depresijai. Temperatūros nuostoliai. Šie nuostoliai garinimo aparatuose susidaro dėl temperatūrinės arba fizikinės cheminės Δ1, hidrostatinės Δ2 ir hidraulinės Δ3 depresijų. 15.2 pav. Kai kurių vandeninių tirpalų virimo temperatūros padidėjimas – temperatūrinė depresija: 1 – sacharozė, 2 – citrinų rūgštis, 3 – sulfitiniai žlaugtai, 4 – glicerinas, 5 – natrio nitratas, 6 – amonio sulfatas, 7 – kalio karbonatas, 8 – kalcio nitratas, 9 – kalio chloridas, 10 – azoto rūgštis, 11 – ličio nitratas, 12 – sieros rūgštis, 13 – kalcio chloridas, 14 – natrio chloridas, 15 – natrio šarmas, 16 – kalio šarmas, 17 – ličio chloridas, 18 – magnio chloridas Tirpalo ir tirpiklio virimo temperatūrų t ir t0 skirtumas vadinamas temperatūrine depresija Δ1: . Šios depresijos skaitinė vertė priklauso nuo ištirpusios medžiagos ir tirpiklio savybių arba cheminės kilmės, taip pat nuo ištirpusios medžiagos koncentracijos ir slėgio virš tirpalo. Kuo didesnis slėgis, tuo didesnė temperatūrinė depresija. Žinodami depresiją, esant atmosferos slėgiui atm, depresiją 1, esant kitokiam slėgiui, galime apskaičiuoti pagal apytikslę Tiščenkos lygtį: ; čia T – vandens virimo/kondensacijos temperatūra, K; r – garų susidarymo šiluma, J/kg, esant nurodytajam slėgiui. Hidrostatinė depresija Δ2. Kadangi apatinio sluoksnio tirpalo garai turi papildomai nugalėti viršutinių sluoksnių hidrostatinį slėgį, tai apatiniai tirpalo sluoksniai garintuvuose užverda šiek tiek aukštesnėje temperatūroje negu viršutiniai. Sluoksnių virimo temperatūrų skirtumą nusako hidrostatinė depresija (dažniausiai 1...3 C). Hidraulinė depresija Δ3 susidaro dėl garų slėgio nuostolių vamzdžiuose, jungiančiuose aparatus. Ši depresija paprastai yra apie 0,5...1,5 C. Bendroji temperatūrinė depresija Δ garinimo aparatuose lygi temperatūrinės, hidrostatinės ir hidraulinės depresijų sumai (žr. 15.3 pav.): . (15.1) Kadangi bendroji tirpalo depresija Δ reiškia tirpalo virimo temperatūros t ir susidariusių antrinių garų temperatūros t skirtumą, tai tirpalo virimo temperatūrą galima apskaičiuoti taip: iš čia . 15.3 pav. Vienkorpusio garintuvo schema ir temperatūrų grafikas: 1 – šildančiųjų garų temperatūra, 2 – pirminių garų kondensacijos temperatūra, 3 – tirpalo apatinio sluoksnio virimo temperatūra, 4 – tirpalo vidurinio sluoksnio virimo temperatūra, 5 – tirpalo viršutinio sluoksnio virimo temperatūra, 6 – antrinių garų temperatūra, 7 – antrinių garų kondensacijos temperatūra Verdant tirpalui, antrinių garų temperatūra nesikeičia, o tirpalo virimo temperatūra t1 padidėja depresijos dydžiu Δ, todėl garintuvo naudingas temperatūrų skirtumas ; (15.2) čia tb – bendras temperatūrų skirtumas, lygus šildalo ir antrinių garų kondensacijos kondensatoriuje temperatūrų skirtumui. Garintuvuose naudingas temperatūrų skirtumas yra mažesnis už bendrą temperatūrų skirtumą bendros depresijos dydžiu. Iš čia galime padaryti išvadą, kad dėl depresijos sumažėja naudingas temperatūrų skirtumas arba padidėja temperatūros nuostoliai, todėl ši depresija dažnai vadinama temperatūros nuostoliais. Garintuvo naudingas temperatūrų skirtumas Δt reiškiamas pirminių (šildančiųjų) garų temperatūros t1 ir antrinių garų kondensacijos temperatūros t bei temperatūros nuostolių Δ skirtumu. Kai sistemoje yra keli garintuvai, tai naudingas temperatūrų skirtumas analogiškai išreiškiamas taip: ; (15.2a) čia t1 – šildalo (pirminių garų) temperatūra, C; tn – paskutinio (n-ojo) aparato antrinių sočiųjų garų kondensacijos temperatūra, C; – temperatūros nuostolių visuose garintuvuose suma, C. 15.3. Garinimo būdai. Garinimo proceso principinės schemos Pagal antrinių garų panaudojimą garinimas skirstomas į vienkartinį, daugkartinį ir garinimą naudojant šiluminį siurblį. Pagal darbo režimą garinimas gali būti periodinis ir nuolatinis. Vienkartinis garinimas būna ir periodinis, ir nuolatinis, o daugkartinis – tik nuolatinis. Nuolatinis garinimo procesas visada ekonomiškesnis už periodinį ir naudojamas esant dideliam gamybos našumui. Vienkartinis garinimas taikomas nedidelio našumo garintuvuose ir kai susidaro didelė garinamųjų tirpalų depresija. Vienkartinis garinimas atliekamas, esant atmosferos slėgiui, sudarius vakuumą arba papildomą slėgį. Vienkartinio vakuuminio garinimo schema pateikta 15.5 pav. 15.5 pav. Vienkartinio vakuuminio garinimo schema: 1 – šildymo kamera, 2 – šildančiojo garo tiekimo atvamzdis, 3 – nugarinto (koncentruoto) tirpalo išleidimo atvamzdis, 4 – separatorius, 5 – skysčio lašų skirtuvas, 6 – skysčio ir garų srautų kreipiamosios pertvaros, 7 – cirkuliacijos vamzdis, 8 – pradinio tirpalo tiekimo atvamzdis, 9 – kondensato išleidimo atvamzdis, 10 – barometrinis kondensatorius Visose garinimo aparatų schemose tirpalo srautas žymimas raide L, pirminių ir antrinių garų srautai – V1 ir V2, kondensato – D. Pradinis tirpalas per atvamzdį 8 patenka į garintuvo šildymo kamerą 1. Į apatinę garintuvo dalį, primenančią šilumokaitį, tiekiamas šildalas V1 (dažniausiai vandens garai, t. y. pirminiai garai). Garintuve tirpalas virinamas, o susidarę garai V2 (antriniai garai), perėję per separatorių 4 ir skysčio lašų skirtuvą 5, patenka į barometrinį kondensatorių 10. Čia garus kondensuoja iš viršaus tekantis vanduo. Kondensatas kartu su vandeniu išteka barometriniu vamzdžiu. Kondensatoriuje 10 nesukondensuoti garai, o kartu su jais ir oras bei kitos dujos patenka į skysčio lašų skirtuvą ir iš čia nusiurbiami vakuuminiu siurbliu (paveiksle jie neparodyti). Nugarintas tirpalas iš garintuvo atvamzdžiu 3 teka į produkto rezervuarą. Dėl didelių šilumos sąnaudų ir mažo aparato našumo vienkartinis garinimas retai naudojamas. Daugkartinis garinimas nuo vienkartinio skiriasi pirmiausia tuo, kad antriniai garai panaudojami sekančiame garintuve kaip šildalas; nepanaudojami ir išleidžiami į kondensatorių tik antriniai garai iš paskutinio korpuso (15.6 pav.). Be to, tirpalas iš vieno garintuvo leidžiamas į kitą aparatą. Jis teka savitaka arba pumpuojamas siurbliu. 15.6 pav. Pasrovinė daugkartinio garinimo, pradžioje pašildant tirpalą, schema: 1, 2, 3 – garintuvai su centriniu cirkuliacijos vamzdžiu, 4 – barometrinis kondensatorius, 5 – vakuuminis siurblys, 6 – pradinio tirpalo pašildymo iki virimo temperatūros šilumokaitis Teoriškai dėl tokio daugkartinio antrinio garo panaudojimo sumažėja šilumos sąnaudos vienam kilogramui tirpiklio išgarinti tiek kartų, kiek sistemoje yra garintuvų. Pavyzdžiui, jeigu vieno korpuso garinimo sistemoje vienam kilogramui vandens išgarinti reikia vieno kilogramo šildančiųjų garų, tai trijų korpusų garinimo sistemoje jo reikės maždaug tris kartus mažiau, t. y. tik 0,33 kg. Tačiau praktiškai vienam kilogramui vandens išgarinti šildančiųjų garų sunaudojama daugiau. Vienas įrenginys neturėtų turėti labai daug korpusų, nes kiekviename tokiame korpuse mažėja naudingasis temperatūrų skirtumas, didėja šilumos nuostoliai, o kartu ir garų sąnaudos. Didinant garintuvų skaičių vienoje sistemoje, galima ne tik nesutaupyti šilumos, bet priešingai – šilumos sąnaudos tam pačiam kiekiui vandens išgarinti taps didesnės, negu esant mažesniam aparatų skaičiui. Geriausia, kai korpusų yra 2...3 (optimalus skaičius); daugiau kaip penkių korpusų garinimo sistemos retai naudojamos. Garintuvai pradedami numeruoti nuo to, į kurį tiekiami pirminiai garai. Dalis kiekviename aparate susidariusių antrinių garų gali būti tiekiama į kitus korpusus kaip šildalas, o dalis panaudojama kitiems reikalams, nesusijusiems su garinimu. Šie garai vadinami ekstragarais. Jie gali būti imami iš bet kurio sistemos korpuso, išskyrus paskutinį, nes jo visi garai tiekiami į kondensatorių. Daugkartinio garinimo procese, kai antriniai garai vartojami kaip šildalas, t. y. kaip pirminiai garai, visuose korpusuose tirpalų virimo temperatūra turi būti skirtinga. Be to, tolesniame korpuse virimo temperatūra turi būti mažesnė negu ankstesniame, antraip pirmojo korpuso antriniai garai, leidžiami į sekantį korpusą kaip šildalas, negalės užvirinti šiame korpuse esančio tirpalo. Paprastai daugkartinio garinimo sistemos pirmuosiuose korpusuose būna atmosferos arba didesnis slėgis, o sekančiuose – vakuumas. Į daugkartinio garinimo aparatus garai ir garinamasis tirpalas gali būti tiekiami įvairiai. Plačiausiai taikoma tokia garinimo schema, kai pradinis tirpalas ir pirminiai garai teka pasroviui (15.6 pav.). Pradinis tirpalas tiekiamas į pirmąjį korpusą, iš jo – į antrąjį, o paskui – į trečiąjį. Pirmajame korpuse susidarę antriniai garai patenka į antrojo korpuso apatinę dalį – šilumokaitį – kaip šildalas; iš šio – į trečiąjį korpusą. Iš paskutinio, t. y. trečiojo, korpuso antriniai garai teka į kondensatorių ir jame kondensuojasi. Taigi, tirpalo ir garų judėjimo kryptys sutampa. Tirpalas iš vieno korpuso į kitą savitaka teka tik tada, kai slėgis šiuose korpusuose nuosekliai mažėja. Iš pirmesnio korpuso tirpalas patenka šiek tiek perkaitintas, todėl iki tirpalo virimo temperatūros jis atvėsta šiame korpuse ir kartu išgarina tam tikrą kiekį tirpiklio (savaiminis garavimas). Į pirmąjį korpusą stengiamasi tiekti ekstragarais arba kondensatu pašildytą tirpalą (geriausia iki tirpalo virimo temperatūros). Šios schemos trūkumas yra tas, kad į kiekvieną kitą korpusą, mažėjant slėgiui virš tirpalo, patenkančių šildančiųjų garų ir vis labiau koncentruoto tirpalo temperatūra nuosekliai mažėja, kartu didėja šio tirpalo klampa, mažėja šilumos perdavimo koeficientas ir blogėja šilumos mainai, todėl mažėja naudingasis temperatūrų skirtumas. Šio trūkumo išvengiama tiekiant pradinį tirpalą ir šildalą priešsroviniu būdu. Kaip pavaizduota 15.7 pav., praskiestas tirpalas tiekiamas į paskutinį, t. y. į trečiąjį, korpusą, iš šio – į antrąjį, o paskui – į pirmąjį. Iš pirmojo korpuso iki norimo laipsnio išgarintas tirpalas, t. y. gatavas produktas, pašalinamas iš sistemos. Kadangi tirpalas iš korpuso, kuriame yra mažesnis slėgis (pvz., iš trečiojo), turi patekti į korpusą, kuriame slėgis yra didesnis (pvz., į antrąjį), tai jį reikia transportuoti siurbliais. Dirbant pagal šią schemą didžiausia tirpalo koncentracija yra pirmajame korpuse; jame yra ir aukščiausia šildalo (garų) temperatūra. Tai turi teigiamos įtakos šilumos mainams, nes visuose korpusuose šilumos perdavimo koeficientų vertės yra beveik vienodos (priešingai negu pasroviniuose aparatuose). Be to, garinimo proceso pranašumu laikoma tai, kad paskutiniame korpuse antrinių garų išsiskiria mažiau, negu dirbant pagal 15.6 pav. pateiktą schemą, todėl mažiau apkraunamas kondensatorius ir kartu susidaro palankesnės sąlygos vakuumui sudaryti. Šilumos sąnaudos, dirbant vienu (15.6 pav.) ir kitu (15.7 pav.) būdu, nedaug skiriasi. Didelis priešsrovinės schemos trūkumas yra tai, kad čia būtinai reikalingi siurbliai. 15.7 pav. Priešsrovinė daugkartinio garinimo schema: 1, 2, 3 – korpusai, 4 – barometrinis kondensatorius, 5, 6, 7 – siurbliai, 8 – vakuuminis siurblys Be priešsrovinės ir pasrovinės garinimo schemų, gali būti naudojamos lygiagretaus arba mišraus tirpalo tiekimo į korpusus schemos. Schema, kai praskiestas tirpalas tiekiamas lygiagrečiai į visus tris korpusus, pavaizduota 15.8 pav., a. Tuomet iš kiekvieno korpuso gaunamas sukoncentruotas, bet 15.8 pav. Daugiakorpusių garintuvų schemos: a – lygiagretieji srautai, b – mišrusis būdas skirtingos koncentracijos tirpalas. Pagal šią schemą garinamos, pavyzdžiui, greitai besikristalizuojančios medžiagos, nes, perpilant jų tirpalus iš vieno korpuso į kitą dėl kristalizacijos gali užsikimšti vamzdžiai. Garinimo schema, kai tirpalas tiekiamas mišriuoju būdu, pavaizduota 15.8 pav., b. Daugiakorpusio garintuvo schemos ribinis ir optimalus korpusų skaičius. Šilumos sąnaudos mažėja, didėjant garintuvo korpusų skaičiui. Iš čia išeitų, kad tikslinga didinti korpusų skaičių sistemoje. Tačiau praktiškai daugiakorpusio garintuvo sistemoje korpusų ne daugiau kaip dešimt (dažniausiai 3...5). Tai aiškinama tuo, kad, didėjant korpusų skaičiui, didėja temperatūros nuostoliai ir mažėja bendra proceso varos jėga – sistemos naudingasis temperatūrų skirtumas. 15.4. Garintuvai su šiluminiu siurbliu Daugkartinio garinimo schemos turi nemaža trūkumų: gana brangi aparatūra, užimanti daug gamybinio ploto, aukšta virimo temperatūra pirmuosiuose korpusuose. Šių trūkumų neturi vienkorpusis garintuvas su šiluminiu siurbliu. Nagrinėdami garinimo proceso schemas, matėme, kad iš vieno korpuso antriniai garai tiekiami į kitą korpusą jau kaip pirminiai garai, t. y. kaip šildalas. Tiekti antrinių garų į tą patį korpusą negalima, nes šildančiųjų garų temperatūra visada turi būti aukštesnė už antrinių garų temperatūrą (naudingojo temperatūrų skirtumo dydžiu). Tačiau antriniai garai gali būti suslėgti iki tam tikro laipsnio, t. y. gali būti padidinta jų temperatūra, ir tuomet jais galima šildyti tą patį korpusą, kuriame susidarė. Garai suslegiami kompresoriais (15.10 pav.) arba antrinių garų inžektoriais (15.11 pav.). Šios garų slėgimo mašinos vadinamos šiluminiais siurbliais. Dirbant su šiluminiu siurbliu (15.10 pav.), į garintuvą iš pradžių tiekiami pirminiai garai V, kol užverda šiame aparate esantis tirpalas. Paskui garų tiekimas nutraukiamas. Jie papildomai įleidžiami tik tuomet, kai norima padengti šilumos nuostolius. Susidarę antriniai garai V2, kurių slėgis p1, patenka į šiluminį siurblį 2 (turbokompresorių, rotacinį kompresorių). Čia jie suslegiami iki slėgio p2 ir tiekiami į garintuvo 1 šilumokaitį jau kaip pirminiai garai. Atiduodami jame garavimo šilumą, garai kondensuojasi ir kondensatas išleidžiamas iš šildymo sistemos. Toks uždaras ciklas vyksta tol, kol garintuve 1 gaunamas reikiamos koncentracijos tirpalas. Tuomet gatavas produktas pašalinamas iš aparato ir į jį įleidžiama šviežio tirpalo L; garinimo procesas kartojamas iš naujo. 15.10 pav. Garintuvas su šiluminiu siurbliu: 1 – šilumokaitis, 2 – turbokompresorius 15.11 pav. Garinimas naudojant garų inžektorių: I, II – garintuvai; 1 – šilumokaitis, 2 – inžektorius Kai antriniams garams suslėgti naudojami garų srauto inžektoriai, garinimo procesas gali vykti pagal 15.11 pav. pateiktą schemą. Didelio slėgio po garai V1 (paprastai tiekiami iš katilinės) inžektoriaus 2 tūtoje staiga išsiplečia, įtraukdami į ją ir antrinius garus V2, kurių slėgis p1. Iš inžektoriaus ištekėję p2 slėgio garai (po > p2 > p1) patenka į garintuvo I šilumokaitį 1. Čia jie kondensuojasi ir kondensatas D išleidžiamas iš sistemos. Kadangi dirbant su garų inžektoriais nebūtina sunaudoti visus pirmojo aparato antrinius garus, tai dalis jų gali būti išleidžiami kaip ekstragarai (15.11 pav. neparodyta) arba tiekiama tiesiai į antrąjį garintuvą II kaip pirminiai garai. Vadinasi, pastarajame aparate turi būti vakuumas; tada garinamas tirpalas iš aparato I į aparatą II patenka savitaka. Pagal šią schemą garinimo procesas gali vykti ir nuolatiniu būdu. Garinimo, naudojant šiluminį siurblį, procesas dėl didelės temperatūrinės depresijos taikomas ribotai. Kuo didesnis šildiklio V1 ir antrinių garų V2 temperatūrų skirtumas, tuo didesnį darbą turės atlikti šiluminis siurblys. Kartu, didėjant temperatūrinei depresijai, didėja ir temperatūrų skirtumas. Taigi, šiluminio siurblio atliekamas darbas didėja kartu su temperatūrine depresija, ir galima pasiekti tokią temperatūrinės depresijos vertę, kad praktiškai garinimo aparatas nebegalės normaliai veikti. Garintuvą su šiluminiu siurbliu tikslinga naudoti tuomet, kai temperatūrinė depresija ne didesnė kaip 10...12 C. 15.5. Garintuvų konstrukcija Galimas garintuvų klasifikavimas pateiktas 15.12 paveiksle. Daugiausia naudojami garais šildomi garintuvai, kuriuose įrengti vamzdiniai šilumokaičiai. Garintuvuose, be įvairių šilumokaičių, būna įrengtas ir garų separatorius, kuriame antriniai garai atskiriami nuo tirpalo. Garintuvai skirstomi pagal įvairius požymius: šilumokaičių tipą, tirpalo cirkuliavimo aparate pobūdį ir kt. Trumpai panagrinėsime garintuvus, atsižvelgdami į tirpalo cirkuliavimo būdą. Pagal tai garintuvai gali būti: 1) natūraliosios cirkuliacijos; 2) priverstinės cirkuliacijos; 4) plėveliniai. Natūraliosios cirkuliacijos garintuvai. Jeigu turime dvi ertmes, sujungtas dviem vamzdžiais, į kuriuos iki tam tikro aukščio pripilta tirpalo (15.13 pav.), tai, šildydami vamzdį 1, kol užvirs jame esantis tirpalas, galime sužadinti natūraliąją tirpalo cirkuliaciją. Kadangi tirpalo, esančio šildomame vamzdyje 1, tankis bus mažesnis negu tirpalo nešildomame vamzdyje 2, tai vamzdžiu 1 tirpalas kils aukštyn, o vamzdžiu 2 leisis žemyn, taigi tirpalas natūraliai cirkuliuos. Šiuo būdu sudaromos geros sąlygos šilumos mainams, ir vamzdžiuose nenusėda išviros. Kad intensyviau cirkuliuotų tirpalas, reikia parinkti tinkamo aukščio cirkuliacijos vamzdį 2 ir žiūrėti, kad tirpalas intensyviai virtų šildomame vamzdyje 1. Virimo intensyvumas priklauso nuo garinamojo tirpalo fizikinių savybių (klampos, tankio, virimo temperatūros ir kt.) ir garintuvo konstrukcijos. 15.13 pav. Skysčio natūraliosios cirkuliacijos schema: 1 – vamzdis, kuriame virinamas tirpalas, 2 – cirkuliacijos vamzdis; Q – suteikiama šiluma Aprašytuoju tirpalo natūraliosios cirkuliacijos principu pagrįstas natūraliosios cirkuliacijos garintuvų veikimas. Natūraliosios cirkuliacijos aparatų yra keli tipai. Garintuvai su centriniu cirkuliacijos vamzdžiu (15.14 pav.) yra labai efektyvūs, todėl plačiai naudojami, nors juose skysčio-garų mišinio judėjimo greitis būna nedidelis – nuo 0,3 iki 0,8 m/s. Tokie aparatai susideda iš šildymo kameros 1 ir separatoriaus 4. Šildymo kamerą sudaro ilgi vertikalūs vamzdžiai 2, kuriais cirkuliuoja tirpalas, o tarpvamzdinėje ertmėje kondensuojasi pirminiai garai. Kameros centre įmontuotas didelio skersmens cirkuliacijos vamzdis 3, kurį garai šildo mažiau negu mažesnio skersmens vamzdžius 2. Dėl nevienodo centrinio ir šildymo kameros vamzdžių šildymo intensyvumo susidaro palankios sąlygos tirpalui natūraliai cirkuliuoti. Verdantis tirpalas šildymo kameros vamzdžiais 2 kyla aukštyn, o centriniu cirkuliacijos vamzdžiu 3 leidžiasi žemyn. Didelio našumo aparatuose vietoj vieno centrinio cirkuliacijos vamzdžio būna įrengti keli. Šie aparatai yra paprastos konstrukcijos, juos lengva valyti ir patogu remontuoti. Jie gaminami įvairių dydžių, šildymo paviršius būna 25, 50, 100, 150, 250 ir 350 m2, šilumokaičio vamzdžių aukštis – nuo 2 iki 4 m, skersmuo – 38...57 mm, cirkuliacijos vamzdžio skersmuo sudaro 1/3 aparato skersmens. Kitas šio tipo aparatas yra garintuvas su kabančiąja šildymo kamera (15.15 pav.). Jame cirkuliacijos vamzdžio funkcijas atlieka žiedinės formos ertmė tarp garintuvo korpuso 1 ir kabančiosios šildymo kameros išorinės sienelės. Šildymo kameros vamzdžiais 2 tirpalas kyla aukštyn, o žiedine ertme leidžiasi žemyn. Tirpalas cirkuliuoja intensyviai, nes garintuvo korpusas 1 nešildomas. 15.14 pav. Vertikalusis garintuvas su vidine šildymo kamera ir centriniu cirkuliacijos vamzdžiu: 1 – šildymo kamera, 2 – vertikalieji vamzdžiai, 3 – centrinis cirkuliacijos vamzdis, 4 – separatorius, 5 – skysčio lašų skirtuvas 15.15 pav. Garintuvas su kabančiąja šildymo kamera: 1 – garintuvo korpusas, 2 – šildymo kameros vamzdžiai, 3 – pirminių garų tiekimo vamzdis Šio tipo aparatai taip pat gaminami įvairių matmenų: šildymo kameros paviršius būna 50, 75, 95, 150 m2, vamzdžių skersmuo apie 64 mm, jų aukštis nuo 1,3 iki 1,7 m. Šie aparatai yra našūs, juos patogu valyti, nes šildymo kamerą galima išimti iš aparato, bet gana sudėtingos konstrukcijos, todėl pramonėje nėra plačiai naudojami. Garintuvai su atskirai įrengta šildymo kamera-virintuvu (15.18 pav.). Šiems garintuvams būdinga tai, kad šildymo kamera 1 ir separatorius 2 yra įrengti atskirai. Tokius aparatus patogu remontuoti, juose susidaro palankios sąlygos tirpalui cirkuliuoti. Verdantis tirpalas šildymo kameros 1 vamzdžiais kyla aukštyn ir patenka į separatorių 2, o iš jo, iš dalies sukoncentruotas ir šiek tiek ataušęs, cirkuliacijos vamzdžiu 3 grįžta į šildymo kamerą 1 (15.18 pav., a). Kai reikia, kad aparatas dirbtų be pertraukos, šildymo kamerų įrengiama ne viena, o dvi (ar net daugiau). 15.18 pav. Garintuvai su atskirai įrengta šildymo kamera-virintuvu: a – vertikalusis garintuvas, b – horizontalusis virintuvas; 1 – šildymo kamera-virintuvas, 2 – separatorius, 3 – cirkuliacijos vamzdis Šių aparatų šildymo kameros paviršiaus plotas būna 100, 150, 250, 350, 500, 700 ir 900 m2, vamzdžių skersmuo – 38...57 mm, jų aukštis – 3...7 m. Tokie aparatai labai našūs, juos lengva eksploatuoti, patogu remontuoti bei valyti, todėl jų naudojama labai daug. Klampių ir lengvai besikristalizuojančių tirpalų natūrali cirkuliacija garinant paprastai esti neintensyvi. Jiems garinti naudojami garintuvai, kurie nuo aptartųjų skiriasi tik kai kuriais konstrukcijos elementais. Priverstinės cirkuliacijos garintuvai (15.20 pav.). Garinant labai koncentruotus, klampius ir greitai besikristalizuojančius tirpalus, vien natūralios cirkuliacijos neužtenka. Tuomet siurbliais 1 tirpalas verčiamas cirkuliuoti priverstinai. Paprastai tirpalas užima ne visą šildymo kamerą 2. Pirmiausia užverda tirpalas, esantis viršutinėje vamzdžių 2 dalyje, o apatiniai jo sluoksniai šiek tiek perkaista, todėl vamzdžiuose susidaro gana daug skysčio-garų mišinio ir labai suintensyvėja tirpalo cirkuliacija. Kadangi beveik visą cirkuliacijos sistemą užima skystis, tai daugiausia elektros energijos naudoja siurblys hidrauliniams pasipriešinimams nugalėti. Šių garintuvų šildymo kameros 2 vamzdžiais tirpalas cirkuliuoja 1,5...3,5 m/s greičiu, todėl šilumos perdavimo koeficientas esti gana didelis (3...4 kartus didesnis, negu esant natūraliai cirkuliacijai). Tokiam garinimo procesui užtenka nedidelio pirminių garų ir verdančio tirpalo temperatūrų skirtumo (3...5  C). Didžiausias šių aparatų trūkumas yra tai, kad siurbliams reikia papildomos energijos. 15.20 pav. Priverstinės cirkuliacijos garintuvai su atskirai įrengta šildymo kamera (a) bei su atskirai įrengtu cirkuliacijos vamzdžiu (b): 1 – siurblys, 2 – šildymo kamera, 3 – separatorius, 5 – cirkuliacijos vamzdis, 6 – purslų atmušiklis Plėveliniai garintuvai. Putojantys ir aukštoje temperatūroje nepatvarūs skysčiai dažniausiai garinami plėveliniuose garintuvuose (15.21 pav.). Jų šildymo kamera (šildymo paviršiaus plotas 100...900 m2) susideda iš aukštų (iki 10 m) plonų virintuvo 1 vamzdžių, sujungtų su separatoriumi 2. Iš išorės vamzdžiai šildomi vandens garais. Tirpalo į juos pripilama iki 1/4...1/5 aukščio. Verdančio tirpalo ir jo garų mišinys virintuvo 1 vamzdžiu kyla į viršų (15.21 pav., a) arba leidžiasi žemyn (15.21 pav., b). Dėl susidariusių putų prie vamzdžių vidinės sienelės virš skysčio lygio vamzdžių vidinis paviršius tarsi pasidengia plona skysčio plėvele. Plėveliniai garintuvai priskiriami be tirpalo cirkuliacijos veikiančių aparatų grupei. Garinimo procesas įvyksta skysčiui vieną kartą pratekėjus virimo vamzdžiais. Proceso metu tirpalas teka į viršų kylančia arba žemyn besileidžiančia plėvele. Aparatuose tirpalas ir susidarę antriniai garai, kurie užima centrinę vamzdžių dalį, dažniausiai juda pasroviui. Dėl to šiuose aparatuose nesusidaro hidrostatinis tirpalo-garų mišinio stulpas, o kartu ir hidrostatinė depresija. Norimai ribinei tirpalo koncentracijai pasiekti, virintuvas gaminamas iš ilgų vamzdžių (nuo 6 iki 10 m). 15.21 pav. Plėveliniai garintuvai: a – kylančios plėvelės, b – žemyn besileidžiančios plėvelės; 1 – šildymo kamera-virintuvas, 2 – separatorius, 3 – purslų atmušikais Plėveliniai aparatai pasižymi geromis šilumos mainų savybėmis, todėl jie sunaudoja mažiau šilumos. Tačiau juos eksploatuoti reikia labai atidžiai: visą laiką būtina stebėti, kad nesumažėtų tirpalo lygis vamzdžiuose, nes jeigu ne visas vamzdis bus drėkinamas skysčio, labai sumažės aparato našumas. Be to, šių aparatų našumas labai priklauso nuo slėgio svyravimo, garinamojo tirpalo koncentracijos kitimo ir kt. Juos nepatogu valyti, remontuoti, jie užima daug gamybinio ploto. Garintuvai su kylančia garinamojo tirpalo plėvele (15.21 pav., a) dirba taip. Iš apačios 1/4...1/5 šildymo kameros vamzdžių ilgio užpildoma garinamuoju tirpalu ir tiekiami šildantieji garai, kad tirpalas intensyviai virtų. Veikiami paviršiaus trinties jėgų susidarę antriniai garai kildami su savimi kelia ir garinamąjį tirpalą. Separatoriuje antriniai garai atsiskiria nuo garinamojo tirpalo. Garintuvuose su žemyn besileidžiančia skysčio plėvele (15.21 pav., b) garinamasis tirpalas ir pirminiai garai tiekiami į šildymo kameros 1 viršutinę dalį, kur paprastai būna skysčio skirstytuvas. Vamzdžių vidiniu paviršiumi skystis teka žemyn. Susidarę antriniai garai taip pat teka į apatinę šildymo kameros dalį, iš kur kartu su skysčiu patenka į separatorių 2, kad atsiskirtų nuo garinamojo tirpalo. Tirpalo virimo temperatūrai sumažinti plėveliniuose garintuvuose dažnai palaikomas vakuumas. Bendras vamzdinių garintuvų trūkumas tas, kad juose sunku arba visai negalima garinti agresyvių tirpalų. Tokiems tirpalams garinti dažniausiai naudojami garintuvai, neturintys šilumos mainų paviršiaus, o šildalas (pašildytos arba kūryklų dujos) tiesiogiai liečiasi su garinamuoju tirpalu. MASĖS MAINŲ PROCESAI IR APARATAI Masės mainų procesais vadinami procesai, kurių metu medžiaga pernešama iš vienos fazės į kitą. Šių procesų varos jėga yra cheminių potencialų skirtumas (žr. 2 dalį). Kaip ir kituose procesuose masės mainų varos jėga apibūdina sistemos nukrypimą nuo dinaminės pusiausvyros. Tiriamojoje fazėje medžiaga pernešama iš taško, kuriame jos koncentracija didesnė, į tašką, kuriame koncentracija mažesnė. Todėl inžineriniams skaičiavimams supaprastinti varos jėga dažniausiai išreiškiama koncentracijų skirtumu. Masės mainų procesai plačiai naudojami perskiriant homogenines skystas bei dujines medžiagas ir jas koncentruojant, taip pat gamtosaugoje (visų pirma valant technologinius nutekamuosius vandenis ir panaudotąsias dujas). Pavyzdžiui, kiekvienoje chemijos gamyboje perdirbamos medžiagos apdorojamos reaktoriuje, kuriame jos tik iš dalies pereina į reakcijos produktus. Iš reaktoriaus ištekantį nesureagavusių pradinių medžiagų ir reakcijos produktų mišinį būtina perskirti, todėl jis tiekiamas į masės mainų aparatus. Iš masės mainų aparatų nesureagavusios pradinės medžiagos grąžinamos į reaktorių, o reakcijos produktai toliau perdirbami arba atiduodami vartoti. Daugiausia paplito tokie masės mainų procesai: 1. Absorbcija – išskirtinis dujų arba garų (absorbtyvo) sugėrimas visu skysčio (absorbento tūriu). Procesas atitinka medžiagos perėjimą iš dujinės arba garų fazės į skystąją. Dažniausiai naudojama technologinėms dujoms perskirti ir panaudotosioms dujoms valyti. Absorbcijai atvirkščio desorbcijos proceso metu iš skysčio pašalinamos ištirpusios dujos. 2. Distiliacija ir rektifikacija yra skystų homogeninių mišinių perskyrimas į komponentus arba komponentų grupes, vykstant skysčio ir garų, gautų išgarinant skiriamąjį skystį, sąveikai. Distiliacijos ir rektifikacijos metu komponentai iš skystosios fazės pereina į garų fazę, o po to susikondensavus garams vėl virsta skystąja faze. Procesas naudojamas skystiems mišiniams perskirti į juos sudarančius komponentus, labai gryniems skystiems komponentams gauti ir kitiems tikslams. 3. Ekstrakcija dviejų skysčių sistemose – tai viename tirpiklyje ištirpusio skysto komponento – ekstraktyvo išgavimas kitu tirpikliu – ekstrahentu, kuris su pirmuoju tirpikliu nesimaišo arba tik iš dalies maišosi. Šio proceso metu ekstraktyvas iš vienos skystosios fazės pereina į kitą. Procesas naudojamas ištirpusioms medžiagoms arba jų grupėms išgauti, kai jų koncentracijos nedidelės. 4. Adsorbcija – tai išskirtinis procesas, kai dujas, garus arba skystyje ištirpusias medžiagas (adsorbtyvą) sugeria kieta medžiaga – adsorbentas, sugebantis iš perskiriamojo mišinio sugerti vieną komponentą arba komponentų grupę. Procesas remiasi komponento arba komponentų grupės perėjimu iš skystosios, dujinės arba garų fazės į kietąją fazę. Adsorbcijos metu iš mišinio išgaunamas vertingas produktas arba produktų grupė, kai jų koncentracija gana maža. Priešingas adsorbcijai procesas, t. y. adsorbuoto komponento arba komponentų grupės išgavimas iš kieto sorbtyvo, vadinamas desorbcija. 5. Jonų mainai – išskirtinis jonų išgavimas iš elektrolitų tirpalų. Proceso metu išgaunama medžiaga iš skystosios fazės pereina į kietąją fazę grąžindama į skystąją fazę ekvivalentinį kitų vienvardžių jonų kiekį. Procesas naudojamas medžiagų jonams išgauti iš tirpalo, esant nedidelei jų koncentracijai. 6. Džiovinimas – drėgmės pašalinimas iš drėgnos kietos medžiagos, daugiausia ją išgarinant. Šio proceso metu drėgmė iš kietos drėgnos medžiagos pereina į dujinę arba garų fazę. Džiovinant dažniausiai iš perdirbamosios medžiagos šalinama drėgmė arba iš gautų produktų šalinamas vanduo. 7. Tirpimas ir ekstrakcija iš kietų medžiagų – tai medžiagos perėjimas iš kietosios fazės į skystąją – tirpiklį. Konkrečios medžiagos arba medžiagų išgavimas tirpinimo būdu iš poringos kietos medžiagos vadinamas ekstrahavimu iš kietų medžiagų arba išplovimu. Ekstrahuojama, kai iš kietų medžiagų reikia išgauti vertingus arba toksiškus komponentus. 8. Kristalizacija – kietos medžiagos išgavimas kristalų forma iš tirpalų arba lydinių. Tai medžiagos perėjimas iš skystosios fazės į kietąją. Dažniausiai naudojama labai švarioms medžiagoms gauti. 9. Membraniniai procesai – išskirtinis komponentų išgavimas arba jų koncentravimas naudojant puslaides membranas. Tai medžiagos arba medžiagų perėjimas iš vienos fazės į kitą per jas skiriančią membraną. Naudojami perskiriant dujų arba skysčių mišinius, valant nutekamuosius vandenis arba išmetamąsias dujas. Visiems šiems procesams bendra yra tai, kad medžiaga arba medžiagų grupė pereina iš vienos fazės į kitą. Medžiagos arba medžiagų grupės perėjimas iš fazės į fazę pusiausvyros pasiekimo kryptimi vadinamas masės mainais. Skirtingai nuo šilumos mainų, kurie vyksta per sienelę, masės mainai vyksta tiesiogiai liečiantis fazėms, išskyrus membraninius procesus. Šiuo atveju lietimosi riba, t. y. fazių sąlyčio paviršius, gali būti paslankus (sistemose dujos–skystis, garai–skystis, skystis–skystis) arba nepaslankus (sistemose dujos–kietasis kūnas, garai–kietasis kūnas, skystis–kietasis kūnas). Medžiagos pernaša fazės viduje – iš fazės į fazes skiriantį paviršių arba atvirkščiai – iš fazes skiriančio paviršiaus į fazės vidų – vadinama masės atidavimu – pagal analogiją su šilumos pernešimu fazės viduje – šilumos atidavimu. Masės mainų procesai paprastai būna grįžtamieji. Proceso kryptis priklauso nuo medžiagos koncentracijų fazėse ir pusiausvyros sąlygų. Izoliuotoje uždaroje sistemoje, susidedančioje iš dviejų arba daugiau fazių, medžiagos perėjimas iš vienos fazės į kitą prasideda savaime ir vyksta iki to laiko, kol tarp fazių, esant konkrečiai temperatūrai ir slėgiui, nusistovi paslankioji arba dinaminė pusiausvyra. Pusiausvyros sąlygomis iš pirmosios fazės į antrąją per laiko vienetą pereis tiek molekulių medžiagos, kiek iš antrosios į pirmąją. Jeigu, nusistovėjus pusiausvyrai, padidinsime paskirstomosios medžiagos kiekį, pvz., dujinėje fazėje V padidinsime n molekulių, tai paskirstomoji medžiaga iš dujinės fazės V pereis į skystąją fazę L. Perėjimo greitis bus nusakomas ne bendru dujinėje fazėje esančių paskirstomosios medžiagos molekulių skaičiumi m + n, o tik pertekliniu molekulių skaičiumi pusiausviro skaičiaus m atžvilgiu. Kadangi koncentracija proporcinga molekulių skaičiui, tai paskirstomosios medžiagos perėjimo iš vienos fazės į kitą greitis proporcingas faktinės arba darbinės paskirstomosios medžiagos koncentracijos tiriamojoje fazėje m + n ir pusiausviros paskirstomosios medžiagos koncentracijos tiriamojoje fazėje m skirtumui. Tai reiškia, kad kuo didesnis šis skirtumas, tuo daugiau medžiagos M, kai kitos sąlygos tos pačios, pereis iš vienos fazės į kitą. Jeigu šis skirtumas neigiamas, tai medžiaga M pereina iš skystosios fazės L į dujinę fazę V, t. y. procesas vyksta priešinga kryptimi. Taigi paskirstomosios medžiagos pusiausviros koncentracijos vertės leidžia nustatyti proceso kryptį, iš kurios fazės į kurią pereis medžiaga M, ir proceso greitį. Kaip anksčiau buvo minėta, masės mainų procesai vyksta tik pažeidus fazių pusiausvyrą. Šiomis sąlygomis paskirstomoji medžiaga pereina iš vienos fazės į kitą. Skiriami du medžiagos pernašos būdai: molekulinis ir konvekcinis. Nejudančioje aplinkoje paskirstomoji medžiaga pereina iš vidinių tiriamos pirmosios fazės sluoksnių į fazes skiriantį paviršių ir, jį perėjusi, pasiskirsto visame kitos, kontaktuojančios su pirmąja, fazės tūryje. Toks medžiagos masės perėjimas iš vienos fazės į kitą vadinamas molekuline difuzija. Ji yra šiluminio molekulių, jonų, atomų judėjimo, kuriam pasipriešinimą sudaro vidinė trintis, pasekmė. Konvekcinė pernaša, arba konvekcinė difuzija, apibūdinama medžiagos judėjimu arba pernešimu judančiomis srauto dalelėmis, vykstant turbulentiniam fazių judėjimui. Konvekcinė medžiagos pernaša, veikiant turbulentinei pulsacijai, kai kada vadinama turbulentine difuzija. Pagrindinė masės perdavimo procesų kinetinė lygtis yra masės perdavimo lygtis, išvesta remiantis kinetiniais cheminės technologijos procesų dėsningumais. Proceso greitis, kg/(m2 s), lygus varos jėgai , padalytai iš pasipriešinimo: ; čia dM – medžiagos kiekis, perėjęs per laiko vienetą iš vienos fazės į kitą, kg/(m2s); dF – fazių sąlyčio paviršiaus plotas, m2. Pažymėję , gausime: . Ši išraiška vadinama pagrindine masės pernašos lygtimi, kur dydis K apibūdina medžiagos pernašos iš vienos fazės į kitą fazę proceso greitį. Pagal analogiją su šilumos pernašos procesu K vadinamas masės perdavimo koeficientu. Pasinaudodami masės pernašos lygtimi, nusakysime masės perdavimo koeficiento fizikinę prasmę: , t. y. masės perdavimo koeficientas K parodo, kiek paskirstomosios medžiagos per laiko vienetą pereina iš fazės į fazę, per fazių sąlyčio paviršiaus ploto vienetą, kai proceso varos jėga lygi vienetui. Proceso varos jėgos matavimo vienetas gali būti įvairus, o nuo jo priklauso ir masės perdavimo koeficiento K matavimo vienetas. Dažniausiai masės pernašos lygtis naudojama apskaičiuoti fazių sąlyčio paviršiaus plotui F, o pagal jį nustatomi ir masės mainų aparatų matmenys. Integralinė masės perdavimo lygtis, išspręsta fazių sąlyčio paviršiaus ploto F atžvilgiu, užrašoma taip: . Dydis K yra daugelio kintamųjų funkcija ir jam nustatyti bendros lygties nėra. Analizuojant masės mainų procesus, pirmiausia bus kreipiamas dėmesys į fazių sąlyčio paviršiaus ribų būklę, nuo kurios priklauso masės pernašos mechanizmas. Pagal šį principą masės mainų procesai skirstomi į masės perdavimą sistemose su paslankiomis fazių sąlyčio paviršiaus ribomis (dujos–skystis, garai–skystis, skystis–skystis), masės perdavimą sistemose su nejudamu (nesikeičiančiu) fazių sąlyčio paviršiumi (sistemos dujos–kietasis kūnas, garai–kietasis kūnas, skystis–kietasis kūnas) ir masės perdavimą per puslaides membranas. 16.3. Molekulinė difuzija Molekulinė difuzija aprašoma pirmuoju Fiko dėsniu: . (16.14) Visam difuzijos paviršiaus plotui F pirmasis Fiko dėsnis užrašomas taip: ; (16.14a) čia D – molekulinės difuzijos koeficientas; F – difuzijos krypčiai statmenas arba normalinis paviršiaus plotas; – medžiagos koncentracijos gradientas, skaičiuojamas difunduojančiosios medžiagos nueito kelio ilgio n vienetui; minuso ženklas rodo, kad difuzija vyksta koncentracijos gradiento mažėjimo kryptimi. Molekulinės difuzijos koeficientas D priklauso nuo difunduojančiosios medžiagos prigimties. Todėl jis nesusijęs su proceso dinamika ir apibūdina medžiagos gebą prasiskverbti į kokią nors terpę. Naudojantis (16.14a) lygtimi, išvedamas difuzijos koeficiento matavimo vienetas: . Iš čia išplaukia, kad molekulinės difuzijos koeficientas D rodo, kiek medžiagos difunduoja per laiko vienetą pro ploto vienetą, kai koncentracijos gradientas lygus vienetui. Molekulinės difuzijos koeficientas D yra temperatūrinio laidžio koeficiento a analogas. Taigi difuzijos koeficientas priklauso nuo temperatūros: jai didėjant, difuzijos koeficientas didėja. Dujų difuzijos koeficientas priklauso ir nuo slėgio: jam didėjant, – mažėja. 16.4. Konvekcija ir masės atidavimas Konvekcine masės pernaša suprantama medžiagos pernaša judant skysčiui arba dujoms. Šis procesas vyksta judant skysčio arba dujų srautui makrotūriais. Panagrinėsime kai kuriuos masės pernašos fazės viduje, t. y. nuo branduolio link fazes skiriančio paviršiaus arba atvirkščiai – nuo fazių sąlyčio paviršiaus į srauto branduolį, procesus. Tariame, kad nagrinėjamu atveju vyksta masės pernaša tarp dujų ir skysčio (absorbcijos procesas, t. y. masės pernaša vyksta iš fazės V į fazę L) ir srautų judėjimas yra turbulentinis. Turbulentinio srauto kanale hidrodinaminiai savitumai buvo nagrinėjami vadovėlio 3-ioje dalyje. Čia reikia pažymėti hidrodinaminių sąlygų įtaką medžiagos pernašai. Pasienio sluoksnyje, kurio storis h (16.2 pav.), koncentracija staigiai keičiasi; kadangi šioje srauto srityje proceso greitis nusakomas molekuline difuzija, konvekcinės difuzijos įtaka maža. Tai aiškinama tuo, kad fazes skiriančiame paviršiuje sustiprėja trinties tarp fazių ir skystosios fazės paviršiaus įtempio jėgų stabdomasis veikimas. 16.2 pav. Skystosios fazės srauto greičio w ir ištirpusios medžiagos koncentracijos x kitimas turbulentiniame sraute Hidrodinaminio pasienio sluoks- nio prie fazių sąlyčio paviršiaus susidarymas sudaro sąlygas jame formuotis difuziniam pasienio sluoksniui, kurio storis d ir nesutampa su pasienio sluoksnio storiu h. Srauto branduolyje masė daugiausia pernešama turbulentinėmis pulsacijomis, todėl paskirstomosios medžiagos koncentracija srauto branduolyje yra beveik pastovi. Kaip anksčiau buvo minėta, medžiagos pernaša judančiomis ir turbulentinėse pulsacijose dalyvaujančiomis dalelėmis, vadinama turbulentine difuzija. - Esant nuostoviam masės atidavimo nuo viso paviršiaus ploto procesui, masės perdavimo lygtis užrašoma taip: . (16.18a) Dujinės fazės V masės atidavimo lygtis analogiška (16.18a) lygčiai, pakeičiamos tik koncentracijos: . (16.19) Naudojantis (16.18) ir (16.19) lygtimis, nustatomas masės atidavimo koeficiento matavimo vienetas: . Masės atidavimo koeficientas parodo, medžiagos pereina nuo fazes skiriančio paviršiaus ploto vieneto į srauto branduolį (arba atvirkščiai) per laiko vienetą, kai proceso varos jėga lygi vienetui. Masės atidavimo koeficientas skirtingai nuo masės perdavimo koeficiento, apibūdina medžiagos pernašos greitį fazės viduje tuo pačiu metu konvekcijos ir molekulinės difuzijos būdu. Masės atidavimo koeficientas priklauso nuo daugelio veiksnių (fizikinių fazių savybių, srauto greičio, apibrėžiančių geometrinių matmenų ir t. t.) ir yra šilumos atidavimo koeficiento analogas. Kadangi priklausomybė tarp masės atidavimo koeficientų ir anksčiau išvardytų veiksnių yra sudėtinga, todėl nėra apibendrintų lygčių y ir x skaičiuoti. Paprastai, sudarant masės pernašos modelį, daromos prielaidos, kad fazių sąlyčio paviršiuje fazės yra pusiausviros, o bendras pasipriešinimas pernašos procesui susideda iš dviejų fazių pasipriešinimų sumos. Iš šių prielaidų išplaukia, kad fazes skiriančioje riboje pasipriešinimo procesui nėra (t. y. riboje pusiausvyra nusistovi labai greitai, greičiau, nei pasikeičia vidutinė koncentracija srauto branduolyje, kas yra įrodyta daugeliu masės pernašos procesų bandymų) ir kad masės pernašos procesas pavaldus fazių pasipriešinimų adityvumo taisyklei. Kadangi masės mainuose dalyvaujančios fazės turi įtakos kitų fazių judėjimui, tai masės pernašos proceso greičio matematinis aprašymas yra labai sudėtingas. Todėl pernašos diferencialines lygtis (žr. 3 dalį) galima spręsti tik pačiais paprasčiausiais atvejais, kai tiksliai žinomas fazių sąlyčio paviršius ir kai fazių judėjimas yra laminarinis. Šiuo atveju proceso greitis apskaičiuojamas kartu sprendžiant pernašos lygtis kiekvienoje fazėje. 16.7. Masės mainų procesų varos jėga Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį uždaros sistemos būsena, kai sąveikauja dvi fazės, artėja prie pusiausvyros (žr. 2 dalį); tai apibūdinama fazių cheminių potencialų lygybe. Šiuo atveju masės pernašos varos jėga yra vieno ar kito komponento cheminių potencialų skirtumas. Kaip buvo minėta antroje dalyje, neidealių sistemų cheminius potencialus nustatyti gana sunku, todėl, tiriant ir skaičiuojant masės pernašos procesus, paprastai nagrinėjamas ne cheminių potencialų, o komponentų koncentracijų, kurias nustatyti gerokai paprasčiau, kitimas. Paprastai darbinės koncentracijos, srautams įtekant į sistemą ir iš jos ištekant, būna žinomos arba apskaičiuojamos pagal medžiagų balanso lygtis. Darbinių koncentracijų kitimas masės mainų paviršiuje aprašomas darbo linijų lygtimis. Šios lygtys naudojamos proceso varos jėgai nustatyti visame masės perdavimo paviršiuje F, taip pat masės mainų aparatų aukščiui H nustatyti. Masės pernašos procesas, esant skirtumui tarp darbo ir pusiausvyros koncentracijų (esant tiriamomis sąlygomis nurodytai temperatūrai ir slėgiui), kurias galima pažymėti y ir y* – dujų fazei ir x bei x* – skysčio fazei, vyksta savaime. Skirtumas tarp darbo ir pusiausvyros koncentracijų konkrečiomis sąlygomis ir yra masės mainų procesų varos jėga. Varos jėga koncentracijomis dujose išreiškiama taip: , kai y > y*, arba , kai y  1 ir medžiaga pernešama iš fazės L į fazę V (iš skysčio į dujas) (16.5 pav.). 16.5 pav. Masės perdavimo proceso varos jėgos grafinis nustatymas: a – koncentracijos dujose matavimo vienetais y; b – koncentracijos skystyje matavimo vienetais x Kai , vidutinė proceso varos jėga nustatoma kaip aritmetinis vidurkis, t. y. . Analogiškos išraiškos bus gaunamos ir esant tiesiasroviam masės mainuose dalyvaujančių fazių judėjimui. Bendresnė priklausomybė varos jėgai nustatyti, kai pusiausvyros linija yra kreivė ir srautų struktūra skiriasi nuo IIM, bus nagrinėjama toliau (16.8.2 sk.). ABSORBCIJA Absorbcija yra toks procesas, kai dujas arba garus (absorbtyvą) sugeria skysčiai (absorbentai). Kai tarp absorbtyvo ir absorbento nevyksta cheminė reakcija, tokia absorbcija vadinama fizikine. Nesugerta dujų dalis vadinama inertinėmis dujomis. Absorbcija, kurios metu tarp absorbento ir absorbtyvo vyksta cheminė reakcija, vadinama chemosorbcija. Technologiniuose procesuose taikomi abu absorbcijos būdai. Fizikinė absorbcija, arba tiesiog absorbcija, yra selektyvusis ir grįžtamasis procesas. Jis taikytinas, kai dujų ir garų mišinius reikia išskirstyti į komponentus. Po absorbcijos atliekama desorbcija – iš skysčio išskiriami vienas arba keli iš dujų arba garų mišinio absorbuoti komponentai. Po fizikinės absorbcijos dujų desorbcija atliekama šildant absorbentą arba sumažinant slėgį virš absorbento ir šitaip absorbtyvą išgarinant į inertinių dujų arba vandens garų srautą. Po chemosorbcijos naudotasis absorbentas regeneruojamas cheminiais metodais arba kaitinant. Derinant absorbciją ir desorbciją, galima kelis kartus naudoti absorbentą ir iš dujų mišinio išskirti grynus dujų komponentus. Pramonėje absorbcija naudojama: 1) gauti produktams (pvz., SO3 absorbcija, gaminant sieros rūgštį ir kt.); tokiais atvejais vyksta tik absorbcija be desorbcijos; 2) vertingiems komponentams išskirti iš dujų mišinių (pvz., benzenui išskirti iš koksavimo dujų, acetilenui absorbuoti iš krekingo, gamtinių arba pirolizės dujų ir t. t.); šiuo atveju absorbcija derinama su desorbcija; 3) kenksmingoms priemaišoms šalinti iš į aplinką išmetamų dujų (pvz., SO2 šalinti iš kūryklų dujų arba fluoro junginiams šalinti iš trąšų gamyboje susidarančių dujų ir t. t.). Absorbcija kenksmingos priemaišos gali būti šalinamos ir iš technologiniuose procesuose naudojamų dujų (pvz., iš koksavimo ir naftos perdirbimo dujų šalinamas H2S, iš amoniako sintezėje naudojamo vandenilio ir azoto mišinio šalinami CO2 ir CO ir t. t.). Šiais atvejais iš dujų mišinių išskiriami komponentai dažniausiai panaudojami tolesnei gamybai, todėl po absorbcijos būtinai atliekama desorbcija; 4) dujoms džiovinti, kai iš dujų absorbuojami vandens garai. Aparatai, kuriuose vykdoma absorbcija, vadinami absorberiais. 17.1. Dujų-skysčio sistemos fazių pusiausvyra Dujų ir skysčio sąveikos metu sistema dažniausiai būna sudaryta iš trijų komponentų (paskirstomosios ir dviejų paskirstančiųjų medžiagų) ir dviejų fazių – skysčio ir dujų. Jei sistema sudaryta iš trijų komponentų ir dviejų fazių, tai pagal fazių taisyklę ji turi tris laisvės laipsnius (). Absorbcijos atveju kintamieji gali būti keturi dydžiai: temperatūra, slėgis ir vieno iš komponentų koncentracija dujose ir skystyje. Todėl, kai sistema yra pusiausvira ir proceso temperatūra bei bendras slėgis yra pastovūs, tarp komponento koncentracijų dujose ir skystyje arba tarp komponento dalinio slėgio ir jo koncentracijos skystyje egzistuoja pusiausvyrą nusakanti priklausomybė, vadinama Henrio dėsniu: skystyje tirpių dujų dalinis slėgis virš tirpalo yra tiesiog proporcingas tame tirpale ištirpusių šių dujų koncentracijai: , (17.1) Kuo geriau dujos tirpsta absorbente, tuo mažesnės absorbento sąnaudos. Todėl, parenkant absorbentą, absorbuojamų dujų tirpumas jame laikomas svarbiausia jo savybe. 17.4. Absorberių konstrukcija ir veikimo principas Absorbcija, kaip ir kiti masės mainų procesai, vyksta fazių sąlyčio paviršiuje, todėl absorbcijos aparatuose – absorberiuose turi susidaryti didelis fazių sąlyčio paviršius tarp skysčio (absorbento) ir dujų fazės. Pagal konstrukcijos savitumus absorberius galima suskirstyti į keturias grupes: 1) plėvelinius; 2) įkrautinius; 3) lėkštinius ir 4) purkštuvinius. Pagal fazių sąlyčio paviršiaus susidarymą skiriami: 1) absorberiai su pastoviu ir nustatomu fazių sąlyčio paviršiumi; 2) absorberiai, kuriuose fazių sąlyčio paviršius susidaro pačiame procese; 3) absorberiai, kuriuose fazių sąlyčio paviršius didinamas pagalbinėmis priemonėmis. 17.4.1. Plėveliniai absorberiai Plėveliniuose absorberiuose fazių sąlyčio paviršius yra lygus standžia sienele (dažniausiai vertikalia) tekančio skysčio paviršiui. Plėveliniai absorberiai skirstomi į 1) vamzdinius; 2) su lygiagrečių plokščių arba plokštelių įkrova; 3) su kylančia arba besileidžiančia skysčio plėvele. Vamzdinis absorberis (17.6 pav.). Jo konstrukcija tokia pat kaip vamzdinio korpusinio šilumokaičio. Absorbentas tiekiamas virš viršutinės rėtinės plokštės ir pasiskirstęs į vertikalius vamzdelius 2, teka plona plėvele jų vidiniu paviršiumi. Daugiavamzdžiuose absorberiuose, kad absorbentas geriau pasiskirstytu į vamzdelius, įrengiamas specialus skysčio paskirstymo elementas. Dujos teka vamzdžių viduje skysčio besileidžiančiai plėvelei priešinga kryptimi. Jei aušinti būtina, į absorberio tarpvamzdinę erdvę tiekiamas aušinimo vanduo. Absorberis su plokščia lygiagrečia įkrova (17.7 pav.). Plokščios įkrovos paketas 1, sudarytas iš įvairių medžiagų (metalų, ant rėmelių ištemptų audinių arba kt.), įdedamas į koloną (absorberį). Viršutinėje absorberio dalyje įrengtas skysčio paskirstymo elementas 2, kuris užtikrina, kad abi plokštelės pusės būtų tolygiai padengtos plona skysčio plėvele. 17.6 pav. Vamzdinis plėvelinis absorberis:1 – korpusas, 2 – vamzdeliai, 3 – pertvaros 17.7 pav. Plėvelinis absorberis su plokščia lygiagrečia įkrova: 1 – plokščios įkrovos paketai, 2 – paskirstymo mazgas Hidrodinaminiai režimai plėveliniuose absorberiuose. Vertikalia sienele besileidžiančios skysčio plėvelės hidrodinamika buvo nagrinėjama vadovėlio 6 dalyje. Reikia pasakyti, kad minėtuose plėveliniuose absorberiuose dujų srauto greitis neturi viršyti aparatų „užspringimo“ greičio. „Užspringimo“ pradžiai būdingas hidraulinio pasipriešinimo, taip pat aparate esančio skysčio kiekio padidėjimas. Truputį padidėjus dujų greičiui, absorberis pradeda pildytis skysčio, per kurį barbotuoja dujos. Toliau didėjant dujų srauto greičiui, skystis išmetamas kartu su dujomis per absorberio viršų. Priešsroviniuose plėveliniuose absorberiuose leistinas (iki „užspringimo“) dujų srauto greitis – 3...6 m/s. Hidraulinis šių absorberių pasipriešinimas yra mažas, nes juose nesusidaro slėgio nuostoliai vietinėms kliūtims nugalėti. Todėl plėveliniai absorberiai naudotini, kai reikia apdoroti didelius dujų kiekius, esant nedideliems absorberių hidrauliniams pasipriešinimams ir nedideliems komponento išgavimo laipsniams. Plėveliniai absorberiai su kylančia plėvele. Tokius aparatus (17.8 pav., a, b) sudaro vamzdžių pluoštas 1, įtvirtintas rėtinėse plokštėse 2. 17.8 pav. Plėveliniai kylančiu skysčio absorberiai: a – vienos pakopos absorberis; b – dviejų pakopų absorberis; mazgas A – fazių judėjimas, ištekant iš vamzdžių; mazgas B – fazių judėjimo schema, įtekant į vamzdžius; 1 – vamzdžiai, 2 – rėtinės plokštės, 3 – purslų gaudyklės, 4 – paskirstomieji atvamzdžiai, 5 – absorbento tiekimo plyšiai Dujos tiekiamos pro paskirstymo antgalius 4, kurių ašys sutampa su vamzdelių 1 ašimis. Absorbentas į vamzdžius patenka pro plyšius 5 (elementas B). Pakankamai dideliu greičiu judantis dujų srautas pagriebia skysčio plėvelę ir kelia iš apačios į viršų, t. y. absorberis veikia kylančiuoju pasroviniu režimu. Skystis, ištekėjęs iš vamzdžių, išsilieja ant viršutinės rėtinės plokštės ir išteka iš absorberio. Dujų išnešamam purslų kiekiui sumažinti įrengtos purslų gaudyklės 3. Absorberiui aušinti į jo tarpvamzdinę erdvę tiekiamas aušinimo vanduo. Efektyvumuio padidinti naudojami daugiapakopiai absorberiai. Paveiksle (17.8 pav., b) pavaizduotas dviejų pakopų plėvelinis kylančio skysčio absorberis. Kiekviena jo pakopa veikia pasroviniu principu, o visame absorberyje dujos ir skystis juda priešsroviniu principu. Daugiapakopių absorberių konstrukcija sudėtingesnė negu vienpakopių. Aparatuose su kylančiu skysčio srautu galima pasiekti didelį dujų srauto greitį (dešimčių metrų per sekundę), todėl masės perdavimo koeficientai padidėja, tačiau didėja ir aparato hidraulinis pasipriešinimas. Dėl pastarosios aplinkybės šie aparatai absorbcijai nėra plačiai naudojami, kai procesai atliekami sistemose palaikant nedidelius slėgius. 17.4.2. Įkrautiniai absorberiai Įkrautiniai absorberiai (17.9 pav., a, b) pramonėje plačiai paplitę. Juos sudaro kolona, užpildyta įvairios formos kietais kūnais – įkrova. 17.9 pav. Įkrautiniai absorberiai: a – su vientisu įkrovos sluoksniu, b – su į sekcijas pakrauta įkrova: 1 – korpusai, 2 – skysčio skirstytuvai, 3 – įkrova, 4 – atraminiai tinkleliai, 5 – skysčio perskirstytuvas, 6 – hidraulinės užtvaros; c – emulgacinė įkrautinė kolona: 1 – įkrova, 2 – įkrovą fiksuojantis tinklelis, 3 – hidraulinė užtvara, 4 – atraminis tinklelis, 5 – dujų skirstytuvas Įkrautinėje kolonoje 1 įkrova 3 dedama ant atraminių tinklelių 4, turinčių dujų tiekimo ir skysčio nutekėjimo skylutes arba plyšius. Skystis per paskirstymo elementą 2 gana tolygiai drėkina įkrovą 3 ir plona plėvele teka įkrovos paviršiumi. Tačiau vienodai tolygaus skysčio pasiskirstymo kolonos skerspjūvyje pagal visą kolonos aukštį dėl pasienio efekto buvimo pasiekti negalima. Skystis kaupiasi prie sienelių, palikdamas kolonos centrą tuščią (17.10 pav.). Tyrimais nustatyta, kad skystis nuo tiekimo vietos susikaupia prie sienelių aukštyje, lygiame 4...5 kolonos skersmenims. Todėl dažnai įkrova kolonoje pakraunama sekcijomis, ne daugiau kaip 3...4 m. 17.10 pav. Drėkinimo skysčio pasiskirstymas pagal įkrautinės kolonos aukštį 17.11 pav. Skysčio skirstytuvai tarp įkrovos sluoksnių: a – kūginis, b – su antgaliais, c – kūginis su antgaliais Tarp sekcijų įrengiami skysčio skirstytuvai 5 (17.9 pav., b; 17.11 pav.), kurie skystį nuo kolonos sienelės nukreipia į jos centrą. Skystis įkrautiniuose absorberiuose įkrovos elemento paviršiumi teka plona plėvele, todėl fazių sąlyčio paviršius daugiausia yra sudrėkintas įkrovos paviršius. Skysčiui nutekant nuo įkrovos elemento, plėvelė sutrūksta ir ant žemiau esančio elemento formuojasi nauja. Šitaip ant žemiau esančio įkrovos elemento dalis skysčio patenka čiurkšlių, purslų bei lašelių pavidalu. Dalis įkrovos paviršiaus įkrovos elementų tarpusavio lietimosi vietose daugiausia yra drėkinama užsistovėjusio nejudančio skysčio. Tuo skysčio tekėjimas įkrautiniuose absorberiuose skiriasi nuo jo tekėjimo plėveliniuose absorberiuose, kuriuose skystis plėvele teka visame aukštyje. Pagrindinėmis įkrovos charakteristikomis laikomas jos savitasis paviršius a, m2/m3, ir laisvasis tūris , m3/m3. Paprastai dydis  nustatomas įkrovos užimamą tūrį užpildant vandeniu. Vandens ir įkrovos užimamo tūrio santykis lygus įkrovos . Dar viena įkrovos charakteristika yra jos laisvasis skerspjūvis S, m2/m3. Dažniausiai laikoma, kad įkrovos laisvasis skerspjūvis savo skaitine reikšme lygus laisvajam jos tūriui, t. y.. Hidrodinaminiai įkrautinių absorberių darbo režimai. Pasinaudodami laistomos įkrovos hidraulinio pasipriešinimo priklausomybe nuo dujų greičio kolonoje (17.12 pav.), panagrinėsime hidrodinaminius režimus priešsrovinėse įkrautinėse kolonose. Pirmasis režimas – plėvelinis pasireiškia esant nedideliems laistymo tankiams ir dujų greičiams. Šiuo atveju nematyti dujų srauto įtakos skysčio plėvelės tekėjimo įkrova greičiui ir atitinkamai įkrovoje sulaikomam skysčio kiekiui. Plėvelinis režimas baigiasi pirmame perėjimo taške A (17.12 pav.), vadinamame pakibimo tašku. 17.12 pav. Įkrovos hidraulinio pasipriešinimo priklausomybė nuo dujų greičio kolonoje (L = const): 1 – sausa įkrova, 2 – drėkinama įkrova Antrasis režimas vadinamas pakibimo, arba stabdymo, režimu. Po taško A, didinant dujų greitį, didėja skysčio trinties jėgos į fazių sąlyčio paviršių ir plėvelė labiau yra stabdoma dujų srauto. Dėl to sumažėja skysčio plėvelės tekėjimo greitis, jos storis ir įkrovoje sulaikoma daugiau skysčio. Pakibimo režimu didėjant srauto greičiui, pažeidžiamas skysčio plėvelės ramus tekėjimas, atsiranda sūkurių, purslų, didėja drėkinamas įkrovos paviršius ir atitinkamai masės perdavimo intensyvumas. Šis režimas pasibaigia taške B. Trečiasis režimas – emulgavimo režimas, kuris atsiranda dujų greičiui viršijus tašką B atitinkantį greitį. Dėl to skystis kaupiasi laisvajame įkrovos tūryje iki to momento, kai trinties jėga tarp besilei- džiančios skysčio plėvelės ir kolona kylančio dujų srauto tampa pusiausvira įkrovos laisvajame tūryje esančio skysčio sunkio jėgai. Šiuo momentu įvyksta fazinis virsmas, arba fazių inversija (skystis tampa terpe, o dujos disperguota faze). Susidaro dujų skysčio dispersinė sistema, išoriniu savo vaizdu primenanti barbotažinį sluoksnį (putas) arba dujų skysčio emulsiją. Emulgavimo režimas prasideda įkrovos, kurios supylimo tankis visame kolonos skerspjūvyje yra netolygus, siauriausiame skerspjūvyje. Švelniai reguliuojant dujų tiekimą, emulgavimo režimą galima nustatyti visame įkrovos aukštyje (atkarpa BC, 17.12 pav.). Emulgavimo režimas atitinka maksimalų įkrautinės kolonos efektyvumą pirmiausia dėl fazių sąlyčio paviršiaus padidėjimo, kuris šiuo atveju nusakomas ne tiek įkrovos paviršiumi, kiek dujų skysčio emulsijos, užpildžiusios visą laisvąjį įkrovos tūrį, paviršiumi. Reikia pasakyti, kad šitaip padidėjus įkrautinės kolonos efektyvumui gerokai padidėja jos hidraulinis pasipriešinimas (atkarpa BC). Įkrautinėse kolonose be specialaus įrenginio emulgavimo režimą palaikyti labai sunku, nes dujų greičio kitimo intervalas, kuriam esant įkrautinė kolona dirba emulgavimo režimu (tarp taškų B ir C), yra mažas. Todėl yra sukurta speciali emulgavimo kolonos konstrukcija (17.9 pav., c). Ketvirtasis režimas (virš taško C, 17.12 pav.) – išnešimo arba iš kolonos dujomis išnešto skysčio grįžtamojo judėjimo režimas. Šis režimas realiuose procesuose nesusidaro. Įkrovos parinkimas. Jau anksčiau minėta, kad įkrautinėse kolonose fazių sąlyčio paviršius lygus sudrėkintam įkrovos paviršiui. Todėl įkrovos savitasis paviršius turi būti kiek galima didesnis. 17.13 pav. Įkrovos rūšys: a – Rašigo žiedų įkrova; 1 – atskiri žiedai, 2 – netvarkingai supilti žiedai, 3 – reguliarioji įkrova; b – fasoninė įkrova; 1 – Pallio žiedai, 2 – balno formos įkrova, 3 – žiedai su kryžiaus formos pertvaromis, 4 – keramikos blokai, 5 – iš vielos susukta įkrova, 6 – žiedai su vidine spirale, 7 – propelerinė įkrova, 8 – medžio strypelių įkrova Be to, įkrova turi tenkinti tokius reikalavimus: 1) turi būti gerai drėkinama absorbento (skysčio), t. y. įkrovos medžiaga turi būti liofilinė drėkinamojo skysčio atžvilgiu; 2) turi sudaryti nedidelį hidraulinį pasipriešinimą dujų srautui, t. y. įkrovos laisvasis skerspjūvis arba tūris turi būti dideli; 3) pasiekti didelį tiek skysčių, tiek dujų absorbavimo našumą, t. y. įkrovos  ir Sl turi būti dideli; 4) turėti mažą tankį; 5) tolygiai paskirstyti skysčio srautą; 6) būti atspari agresyvių medžiagų veikimui; 7) būti pakankamai mechaniškai stipri; 8) būti pigi. Visus reikalavimus tenkinanti įkrova dar nesukurta ir turbūt nebus sukurta, nes, tenkinant vienus reikalavimus, nusižengiama kitiems, pvz., didinant įkrovos savitąjį paviršių a didėja absorberio hidraulinis pasipriešinimas ir mažėja leistinas dujų srauto greitis absorberyje ir t. t. Todėl pramonėje naudojamos įvairios formos ir dydžio įkrovos, pagamintos iš įvairių medžiagų: metalų, keramikos, plastiko ir kt., kurios tenkina pagrindinius vieno ar kito technologinio proceso reikalavimus. Dažniausiai naudojami plonasieniai Rašigo žiedai (17.13 pav.), kurių aukštis lygus jų skersmeniui (nuo 15 iki 150 mm). Mažų skersmenų žiedai į kolonas supilami netvarkingai. Dideli žiedai (5050 mm ir didesni) sukraunami tvarkingai taisyklingomis, viena kitos atžvilgiu paslinktomis eilėmis. Taip sukrauta įkrova vadinama reguliaria, jos hidraulinis pasipriešinimas mažesnis, joje leistinas didesnis dujų greitis, tačiau jai drėkinti reikalingi sudėtingesnės konstrukcijos laistytuvai, negu tokių pat matmenų netvarkingai supiltai įkrovai. Strypelių įkrova (17.13 pav.) dažniausiai naudojama didelio skersmens absorberiuose. Nors šios įkrovos gamyba paprasta, bet jos savitasis paviršius ir laisvasis skerspjūvis maži, todėl ji keičiama sudėtingesne fasonine įkrova, kurios pavyzdžių pateikta 17.13 pav., b. Įkrovos drėkinimas. Įkrova drėkinama, kad kolonoje būtų vienodas darbo režimas ir kuo geriau būtų panaudojama pati įkrova. Geriausiai įkrova drėkinama, kai tiekiamo skysčio debitas yra optimalus. Įkrovai tolygiai drėkinti naudojami specialūs absorberių elementai – laistytuvai (17.14 pav.), kurie skirstomi į čiurkšlinius ir ištaškomuosius. Čiurkšliniams laistytuvams priskiriamos paskirstymo plokštės, loviai, purkštuvai (17.14 pav., a, e), o ištaškomiesiems – lėkštiniai, besisukantys, išcentriniai ir kt. (17.14 pav., g, h). Reikia pasakyti, kad pirminis iš laistytuvo ištekančio skysčio paskirstymas neišsilaiko jam tekant įkrova (17.10 pav.). Nuo laistymo būdo priklauso purslų išnešimas iš absorberio ir sudrėkintos įkrovos paviršiaus plotas. Skystis išneša dujų srautui veikiant iš laistytuvo ištekantį skystį. Ypač daug skysčio išnešama laistymui naudojant ištaškomuosius laistytuvus, taip pat, kai iš čiurkšlinio laistytuvo skystis išteka gana toli nuo įkrovos paviršiaus. Išnešimui sumažinti ant laistytuvo uždedama purslų gaudymo įkrova, dujų ištekėjimo iš absorberių kanaluose įrengiamos purslų gaudyklės ir t. t. Įkrautinėms kolonoms dirbant plėveliniu režimu, paprastai ne visas įkrovos paviršius sudrėkinamas skysčiu. Tokiu atveju masės mainų paviršiaus plotas būna mažesnis už įkrovos paviršiaus plotą. Sudrėkinto įkrovos paviršiaus ploto asdr santykis su visu įkrovos paviršiaus plotu vadinamas įkrovos drėkinimo koeficientu ir žymimas , t. y.. Koeficiento vertė priklauso nuo laistymo tankio U, skysčio tiekimo ant įkrovos paviršiaus arba 17.14 pav. Laistytuvai: a – paskirstymo plokštės su užtvindytomis angomis, b – paskirstymo plokštės su užtvindytomis angomis ir dujų antgaliais, c – laisvai išsipilančios paskirstymo plokštės (1 – tinklelis, 2 – vandens antgaliai, 3 – dujų antgaliai), d – paskirstymo loviai, e – purslų kėlikliai (1 – cilindrinis, 2 – pusrutulis, 3 – su plyšiu), f – rato tipo purslų kėlikliai (1 – besisukantis vamzdis su skylutėmis, 2 – guolis), g – purslus sukeliantys laistytuvai (1 – su bortelius turinčia lėkšte, 2 – su lėkšte be bortelių, 3 – su daugeliu lėkščių), h – išcentrinis purslus sukeliantis laistytuvas (1 – pavara, 2 – paskirstymo kūgis, 3 – purslų kėliklis) drėkinimo taškų skaičiaus ndr. Didėjant U ir ndr iki tam tikros vertės, didėja, o toliau lieka beveik pastovus. Jis taip pat didėja didėjant įkrovos elementams. Dujų greičio kitimas didesnės įtakos įkrovos drėkinimo koeficientui neturi. Reikia pasakyti, kad tik dalis sudrėkinto paviršiaus yra aktyvus masės perdavimui. Tai paaiškinama tuo, kad aktyvus yra tik tekančia plėvele padengtas paviršius. Paviršiaus dalys, padengtos nejudančia plėvele, nėra aktyvios. Aktyvaus savitojo įkrovos paviršiaus ploto aa santykis su visu savituoju įkrovos paviršiaus plotu rodo įkrovos aktyvaus paviršiaus dalį , t. y. . Fazėms judant prieš srovę (17.15 pav., a), dujos absorberyje juda iš apačios į viršų, o skystis leidžiasi žemyn. Tada ištekančios dujos liečiasi su šviežiu absorbentu, virš kurio absorbtyvo dalinis slėgis labai mažas arba lygus nuliui. Todėl, esant priešsroviam fazių judėjimui, tomis pačiomis pradinėmis proceso sąlygomis pasiekiamas didesnis absorbcijos laipsnis, negu tada, kai procesas vyksta pasroviniu būdu (17.15 pav., b), kadangi iš absorberio ištekančiose dujose šiuo atveju absorbtyvo koncentracija Yg didesnė negu priešsrovinių srautų atveju. Todėl darbo metu fazių srautams judant priešpriešiais absorbento sunaudojama mažiau negu srautams judant pasroviui. 17.15 pav. Absorbcijos schemos: a – priešsrovinė, b – pasrovinė Įkrautinių absorberių pranašumai yra paprasta konstrukcija ir mažas hidraulinis pasipriešinimas, o jų trūkumai tokie: sunku aušinti; prastai drėkinama įkrova, esant mažiems laistančiojo srauto tankiams; reikalingi dideli įkrovos tūriai dėl nedidelio jos efektyvumo (palyginti su lėkštiniais aparatais). 17.16 pav. Vienos pakopos absorbcijos, recirkuliuojant skystį, schema (a) ir diagrama (b): 1 – absorberis, 2 – tarpinis rezervuaras, 3 – siurblys, 4 – šaldytuvas Aušinimui ir drėkinimui pagerinti dažnai absorbentas recirkuliuojamas, nors recirkuliacija absorberio konstrukciją padaro sudėtingesnę ir absorbciją pabrangina. Tokio absorberio 1 apačioje (17.16 pav., a) dalis skysčio, kuriame absorbtyvo koncentracija Xg, paimama kaip produktas, o kita dalis siurbliu 3 iš tarpinio rezervuaro 2 pakeliama į absorberio viršų ir sumaišoma su šviežiu absorbentu, kuriame absorbtyvo koncentracija Xp. Gaunamas mišinys, kurio koncentracija Xmiš > Xp. Į absorberį grąžinamą absorbentą galima atšaldyti šaldytuve 4, kas sumažina į aparatą tiekiamo mišinio, o kartu ir proceso, temperatūrą. 17.4.3. Lėkštiniai absorberiai Lėkštiniai absorberiai dažniausiai yra kolonos, t. y. vertikalūs cilindrai, kuriuose tam tikrais tarpais įrengtos horizontalios pertvaros – lėkštės. Lėkštės padidina fazių sąlyčio paviršių, kai fazės juda kryptingai. Dažniausiai skystis teka iš viršaus žemyn, o dujos priešingai – iš apačios į viršų (priešsrovinis agentų judėjimas). Taip dujos ir skystis nepertraukiamai tarpusavyje sąveikauja. Masės pernašos procesas vyksta kolonos lėkštėse susidariusiose skysčio-dujų sistemose, t. y. procesas vyksta pakopiniu principu, skirtingai negu įkrautinėse kolonose, kuriose procesas vyksta tolydžiai. Todėl lėkštinės kolonos yra pakopiniai aparatai. Kiekvienoje lėkštėje priklausomai nuo jos konstrukcijos vyksta vienos ar kitos rūšies fazių judėjimas: kryžminis srautas arba idealus skysčio maišymasis. Pagal skysčio persipylimo per lėkštę principą absorberio lėkštės būna su skysčio persipylimo elementais ir be jų arba ištisinio tekėjimo. Lėkštinės kolonos su skysčio persipylimo elementais. Šioms kolonoms priskiriamos kolonos su gaubtuvinėmis, tinklinėmis, vožtuvinėmis ir kt. lėkštėmis. Lėkštės turi specialius elementus: vamzdelius, kišenes, latakus ir kt., per kuriuos skystis nuo viršutinės lėkštės nuteka į apatinę. Apatinis persipylimo elemento galas įmerktas į žemiau esančioje lėkštėje įrengtą indą (stiklinę), pripildytą skysčio. Taip sudaroma hidraulinė užtvara, trukdanti dujoms prasiveržti pro skysčio persipylimo elementą. Tokio tipo absorberių darbo principas pavaizduotas 17.17 pav., a, kolonoje su gaubtuvinėmis lėkštėmis. Į viršutinę lėkštę tiekiamas skystis teka išilgai lėkštės nuo vieno skysčio persipylimo elemento prie kito, persipila nuo 17.17 pav. Kolonų ir lėkščių su kapsulių formos gaubteliais schemos: a – kolona su lėkštėmis, b – dvi gretimos lėkštės, c, d – kapsulių formos gaubteliai; 1 – lėkštės, 2 – garų vamzdeliai, 3 – apvalūs gaubteliai, 4 – persipylimo pertvaros arba vamzdžiai su slenksčiais, 5 – hidraulinės užtvaros, 6 – kolonos korpusas vienos lėkštės ant kitos ir išteka iš kolonos apačios. Persipylimo elementai lėkštėse išdėstyti taip, kad gretimose pagal aukštį lėkštėse skystis tekėtų priešingomis kryptimis. Dujos tiekiamos į absorberio apatinę dalį, prateka pro gaubtelių įpjovas (17.17 pav., c), po to patenka į ant lėkštės esančio skysčio sluoksnį, kurio aukštis reguliuojamas persipylimo slenksčio aukščiu. Dujos skystyje pasiskirsto burbuliukais, čiurkšlėmis, sudarydamos jame putų sluoksnį, kuriame vyksta pagrindiniai masės ir šilumos pernašos procesai. Tos putos yra nestabilios ir joms priartėjus prie persipylimo slenksčio skystis tampa skaidrus. Per visas lėkštes pratekėjusios dujos išteka iš viršutinės absorberio dalies. Hidrodinaminiai lėkštinių kolonų darbo režimai. Kiekvienos konstrukcijos lėkštinių kolonų darbo efektyvumui daugiausia įtakos turi jų hidrodinaminės darbo sąlygos, kurios labiausiai priklauso nuo dujų srauto greičio ir mažiau nuo laistymo tankio bei fazių fizikinių savybių. Pagal dujų srauto greitį skiriami trys hidrodinaminiai lėkštinių aparatų darbo režimai: burbuliukų, putų ir čiurkšlių arba inžekcinis. Šie režimai tarpusavyje skiriasi ant lėkščių esančio skysčių-dujų sluoksnio struktūra, kuri iš esmės nusako jo hidraulinį pasipriešinimą, aukštį ir sąlyčio paviršių ant lėkštės. Burbuliukų, arba barbotažinis, režimas susidaro esant nedideliems dujų greičiams, kada dujos atskirais burbuliukais juda per skysčio sluoksnį. Jeigu atskiri burbuliukai nesusilieja vienas su kitu, tai tokio judėjimo hidrodinamika (burbuliukų skersmuo, jų išplaukimo greitis) gali būti aprašytas atskirų burbuliukų išplaukimui lygtimis (6.1.1 sk.). Fazių sąlyčio paviršius, esant šiam režimui yra nedidelis. Putų režimas atsiranda padidėjus dujų greičiui, kai pro angas arba plyšelius ištekėję burbuliukai susilieja į čiurkšles, kurios (tam tikru atstumu nuo ištekėjimo vietos) dėl barbotažinio sluoksnio pasipriešinimo suskyla į daugybę smulkių burbuliukų. Taip ant lėkštės susidaro dujų-skysčio dispersinė sistema, kuri vadinama putomis. Ji yra nestabili ir tuoj pat suyra, nutrūkus dujų tiekimui. Fazių sąlyčio paviršiaus plotas šioje sistemoje yra paviršiaus plotas, susidedantis iš burbuliukų, dujų čiurkšlės ir skysčio lašelių virš dujų-skysčio sistemos. Jie susidaro suyrant dujų burbuliukams jų ištekėjimo iš barbotažinio sluoksnio momentu. Fazių sąlyčio paviršius putų režime didžiausias, todėl putų režimas yra racionaliausias hidrodinaminis lėkštinių absorberių darbo režimas. Čiurkšlinis, arba inžekcinis, režimas atsiranda, didinant dujų greitį. Tada dujų čiurkšlių ilgis padidėja ir nusistovi toks režimas, kad jos išteka iš dujų-skysčio sluoksnio nesuirdamos, bet suirus dideliam kiekiui dujų burbulų susidaro daug purslų. Šio režimo metu fazių sąlyčio paviršius būna gerokai mažesnis negu esant putų režimui. Eksperimentais patikrinta, kad fazių sąlyčio paviršius priklauso nuo skylučių arba plyšelių skaičiaus lėkštėje, kadangi kuo jų daugiau, tuo daugiau dujų čiurkšlių patenka į skysčio ant lėkštės sluoksnį. Pvz., ant gaubtuvinių lėkščių įrengiama daug netoli vienas kito išdėstytų gaubtelių. Šiuo atveju gaubteliai turi daug įpjovų (17.17 pav., d), kurios dujų srautą suskirsto į daugybę plonų dujų srautų. Tinklinės lėkštės. Šios lėkštės (17.19 pav.) turi daugybę 2...8 mm skersmens skylučių, pro kurias į skysčio sluoksnį ant lėkščių prateka dujos. Skysčio sluoksnio aukštis reguliuojamas persipylimo elementu 2. Esant labai mažam dujų greičiui, dujų srauto dinaminis slėgis būna mažesnis už persipilančio skysčio sluoksnio statinį slėgį. Taigi skystis gali pratekėti pro lėkštės skylutes ant žemiau esančios lėkštės, todėl sumažėja absorbcijos proceso varos jėga. Kad nugalėtų ant lėkštės esančio skysčio sluoksnio slėgį ir sutrukdytų skysčiui pratekėti pro lėkštės skylutes, dujų srautas turi judėti nustatytu greičiu ir pakankamu slėgiu. Tinklines lėkštes paprasta įrengti, lengva montuoti ir remontuoti, palyginti nedidelis jų hidraulinis pasipriešinimas, gana didelis efektyvumas. Tačiau šios lėkštės jautrios užteršimui nuosėdomis, kurios užkemša jų skylutes. Jeigu staigiai nutrūksta dujų tiekimas arba sumažėja jų slėgis, nuo tinklinės lėkštės nuteka visas skystis ir aparato normaliam darbui atnaujinti procesą būtina pradėti iš naujo. 17.19 pav. Kolonų su tinklinėmis lėkštėmis, turinčiomis persipylimo latakus, konstrukcija: a – kolona su lėkštėmis, b – dvi gretimos lėkštės; 1 – lėkštės, 2 – persipylimo pertvaros, 3 – hidraulinės užtvaros, 4 – korpusas Vožtuvinės lėkštės (17.20 pav., a) veikia taip: vožtuvas 2 laisvai guli ant lėkštės 1 skylių, padidėjęs dujų debitas pakelia vožtuvą ir padidina dujų tekėjimo plyšelio tarp vožtuvo ir lėkštės plokštumos skerspjūvio plotą. 17.20 pav. Lėkščių su vožtuvais konstrukcija: a – dvi gretimos lėkštės su apvaliais vožtuvais, b – vožtuvo darbo principas: 1 – lėkštė, 2 – vožtuvas, 3 – persipylimo pertvara su slenksčiu, 4 – hidraulinė užtvara, 5 – kolonos korpusas, 6 – vožtuvo diskas, 7 – vožtuvo pakilimo ribotuvas; c – apvalūs vožtuvai su viršutiniais ribotuvais (I) ir su papildomu svoriu (II): 1 – disko formos vožtuvas, 2 – ribotuvas, 3 – papildomas svoris Dujų greitis šiame plyšelyje, o kartu ir įtekėjimo į ant lėkštės esantį skystį greitis viso proceso metu išlieka beveik pastovus, todėl lėkštė dirba efektyviai ir stabiliai. Hidraulinis lėkštės pasipriešinimas dėl to mažai padidėja. Vožtuvo pakilimo aukštis nustatomas ribotuvu 7 (17.20 pav., b) ir yra ne didesnis kaip 6...8 mm. Po vožtuvu esančios angos skersmuo yra nuo 35 iki 40 mm, o paties vožtuvo – nuo 45 iki 50 mm. Vožtuvinės lėkštės būna ir su stačiakampiais vožtuvais (17.21 ir 17.22 pav.). Jų veikimo principas toks pat, kaip lėkščių su apvaliais vožtuvais. Skirtumas tik tas, kad ant lėkštės su stačiakampiais vožtuvais 2 dalis dujų kinetinės energijos sunaudojama skysčio tekėjimo išilgai lėkštės greičiui padidinti. 17.21 pav. Stačiakampio vožtuvo konstrukcija: 1 – lėkštės įpjovos, 2 – vožtuvas, esant mažam (a), vidutiniam (b, c ) ir dideliam (c) debitui; 3 – ribotuvai 17.22 pav. Pasrovinio vožtuvo konstrukcija ir veikimo principas: a, b –skysčiui tekėti uždarytas ir atidarytas vožtuvas (rodyklėmis parodyta skysčio tekėjimo lėkštėje kryptis), c – dviejų lėkščių su vožtuvais darbo schema, esant maksimaliam garų debitui; 1 – persipylimo pertvara, 2 – vožtuvai, 3 – užsidarančiosios plokštelės, 4 – kolonos korpusas, 5, 6 –angos lėkštėse, 7 – lėkštė Vožtuvinių lėkščių pranašumu laikomas jų hidrodinaminis pastovumas ir didelis efektyvumas, kintant dujų debitui plačiame intervale. Šių lėkščių trūkumai yra jų hidraulinio pasipriešinimo padidėjimas dėl vožtuvo masės ir sudėtinga konstrukcija. Plokštelinės lėkštės. Skirtingai nuo anksčiau aprašytų lėkščių, plokštelinėse lėkštėse abi fazės teka pasroviui (17.23 pav.). Ant plokštelinės lėkštės skystis, kurio judėjimas 17.23 pav. pavaizduotas vientisos linijos rodyklėmis, patenka nuo aukščiau esančios lėkštės į hidraulinę užtvarą 1 ir per persipylimo pertvarą 2 patenka ant lėkštės, sudarytos iš pasvirusių plokštelių 3. Pritekėjęs iki pasvirusių plokštelių sudaryto pirmo plyšio ir susitikęs su dujomis (punktyrinės rodyklės), kurios juda nuo 20 iki 30 m/s greičiu, skystis prateka pro plyšį. Šiuo atveju dujos iš dalies disperguoja skystį ir jį pastumia iki kito plyšio, kur fazių sąveika kartojama. Todėl ant tokios lėkštės skystis dideliu greičiu, daugiausia lašelių pavidalu, juda nuo persipylimo pertvaros 2 į surinkimo kanalą 4. Ant plokštelinių lėkščių prie surinkimo kanalo 4 nebūtina įrengti persipylimo slenkstį, todėl sumažėja jų hidraulinis pasipriešinimas. 17.23 pav. Pasvirusiųjų plokštelių lėkštės konstrukcija: 1 – hidraulinė užtvara, 2 – persipylimo pertvara, 3 – plokštelės, 4 – surinkimo kanalas 17.24 pav. Žvynelinės lėkštės konstrukcija: a – srautų lėkštėje schema: garų (punktyrinė linija), skysčio (vientisa rodyklė), b – žvynelių tipai Taigi plokštelinės lėkštės dirba kitokiomis hidrodinaminėmis sąlygomis negu anksčiau nagrinėtos lėkštės. Skystis ant šios lėkštės virsta dispersine faze, o dujos – dispersine terpe. Toks hidrodinaminis režimas dar vadinamas lašeliniu. Jis leidžia pasiekti didelį absorberio su plokštelinėmis lėkštėmis skysčio ir dujų absorbavimo našumą. Plokštelinių lėkščių pranašumai: mažas hidrodinaminis pasipriešinimas, didelis skysčių ir dujų absorbavimo našumas, nedidelės metalo sąnaudos jų gamybai. Plokštelinių lėkščių trūkumais laikomas sunkus šilumos tiekimas ir aušinimas, nedidelis efektyvumas, kai mažas skysčio debitas, ir kt. Sukurtos ir kitos pasrovinio fazių tekėjimo lėkščių konstrukcijos, pvz., žvynelinės (17.24 pav.), kurių veikimo principas toks pat kaip plokštelinių lėkščių. Kolonos su lėkštėmis be skysčio persipylimo elementų arba su tiesioginio tekėjimo lėkštėmis. Lėkštėse be skysčio persipylimo elementų (17.25 pav.) dujos ir skystis teka pro tas pačias angas arba plyšius. Ant lėkštės vykstant fazių sąveikai, skystis nuteka ant žemiau esančios lėkštės, o pro tas pačias angas dujos kyla į aukštesnę kolonos dalį. Tokios lėkštės gali būti vadinamos tiesioginio tekėjimo arba vientisojo pralaidumo lėkštėmis. 17.25 pav. Kolonos su lėkštėmis be skysčio persipylimo kanalo schema: a – kolona su lėkštėmis be skysčio persipylimo kanalo, b – dvi gretimos skylėtos lėkštės be skysčio persipylimo kanalo (1 – korpusas, 2 – lėkštės) 17.4.4. Purkštuviniai absorberiai Purkštuviniuose absorberiuose fazių sąlyčio paviršius padidinamas skystį dujų sraute išpurškiant arba paverčiant purslais. Šie absorberiai skirstomi į tokias grupes: 1) absorberius, kuriuose skystis į lašelius paverčiamas purkštukais; 2) absorberiai, kuriuose skysčio lašeliams gauti panaudojama dujų srauto kinetinė energija; 3) absorberius, kuriuose skystį išpurškia besisukančios detalės. Tuščiaviduriai purkštuviniai absorberiai. 17.28 pav. pavaizduota tuščiavidurės kolonos, kuriose dujos juda iš apačios į viršų, o skystis tiekiamas per kolonos 1 viršutinėje dalyje įrengtus purkštukus 2, nukreiptus iš viršaus žemyn. Tokių absorberių efektyvumas nedidelis, kadangi dėl netobulo dujų maišymosi kolonos aukštyje, skysčio srautas netolygiai užpildo jos skerspjūvį. Todėl šiuose absorberiuose tūrinis masės perdavimo koeficientas ir pernašos vienetų skaičius yra nedideli. Dėl to purkštukai juose dažnai įrengiami keliais lygiais. Tokie absorberiai pigūs, nesudėtinga jų gamyba, mažas hidraulinis pasipriešinimas; jais galima apdoroti smarkiai užterštas dujas. Šios grupės absorberių trūkumai yra nedidelis efektyvumas; mažas leistinas dujų greitis (iki 1 m/s), kad neišneštų skysčio; nepatenkinamas darbas, esant mažiems laistymo tankiams; gana didelės skysčio išpurškimo energijos sąnaudos. Juose geriausia absorbuoti labai tirpias dujas. 17.28 pav. Tuščiaviduriai purkštuviniai absorberiai: a – vertikalus, su skysčio purkštukais viršuje, b – vertikalus, su skysčio purkštukais, išdėstytais per visą aparato aukštį, c – horizontalus su kryžminiais srautais; 1 – korpusai, 2 – purkštukai, 3 – laistomo skysčio kolektorius, 4 – purslų atmušiklis, 5 – dujų paskirstymo tinklelis 17.7. Desorbcija Tai absorbcijai priešingas procesas, naudojamas absorbente ištirpintam absorbtyvui išgryninti, taip pat absorbentui regeneruoti, kad jį būtų galima pakartotinai panaudoti absorbcijos procese. Dujoms iš skysčio desorbuoti būtina, kad šių dujų koncentracija dujinėje fazėje būtų mažesnė už pusiausvirąją koncentraciją skysčio-dujų sistemoje. Desorbcijai naudojami tokie trys metodai: 1) distiliacija vandens garais arba inertinėmis dujomis; 2) distiliacija šildant absorbentą; 3) distiliacija, sumažinant slėgį virš absorbento. Praktikoje dažnai naudojami kombinuoti desorbcijos metodai (pvz., sumažinant slėgį virš absorbento ir tuo pačiu metu šildant absorbentą). 17.31 pav. Desorbcijos darbo linijų vaizdavimas Y–X diagramoje Distiliacija vandens garais arba inertinėmis dujomis. Desorbuojant šiuo metodu, vietoj inertinių dujų naudojamas oras. Jeigu oro ir desorbcijai tiekiamo absorbento temperatūra vienoda, tai komponento išskyrimo iš tirpalo šilumos galima nepaisyti ir teigti, kad desorbcija vyksta izotermiškai. Kadangi desorbuojamo komponento dalinis garų slėgis virš tirpalo didesnis už pusiausvirą jo slėgį desorbuojančiame agente, todėl komponentas pereina į oro srautą. Reikia pasakyti, kad po to einantis komponento išgavimo iš inertinių dujų procesas yra gana sun- kus. Todėl šis desorbcijos metodas dažniausiai taikomas tada, kai iš inertinių dujų išgautas komponentas toliau nevartojamas (pvz., šis komponentas yra kenksminga priemaiša, bet į aplinką šalinamose dujose jo koncentracija mažesnė už leistiną ribinę koncentraciją LRK). Šilumos tiekimas absorbentui. Dėl savo paprastumo šis metodas plačiausiai taikomas pramonėje. Šiuo atveju desorbcijos temperatūra būna aukštesnė už absorbcijos temperatūrą, todėl absorbcijos ir desorbcijos pusiausvyros linijos nesutampa. Dažnai desorbcija atliekama, tiekiant šilumą per sienelę. Šiuo atveju virintuve, į kurį tiekiami garai, kartu su desorbuotu komponentu išgaruoja ir dalis absorbento. Gautas mišinys dažniausiai perskiriamas distiliuojant ir rektifikuojant. Tam reikalingi garai iš virintuvo tiekiami į virš jo įrengtą rektifikacijos koloną (žr. 18 dalį). Slėgio virš absorbento sumažinimas. Šis desorbcijos metodas yra vienas iš paprasčiausių, ypač tada, kai absorbcija vyksta padidinus slėgį. Sumažinus dujų slėgį virš skysčio, tirpale ištirpusių dujų koncentracija tampa didesnė už pusiausvirą šiam slėgiui, todėl dujos skiriasi iš skystosios į dujinę fazę, kol vėl nusistovi pusiausvyra. Šiuo atveju desorbciją galima atlikti, sumažinant slėgį iki atmosferos slėgio. Jeigu absorbcija buvo vykdoma esant atmosferos slėgiui, tai desorbcija atliekama vakuume ir desorbuotas komponentas nusiurbiamas vakuuminiu siurbliu. Kaip buvo minėta anksčiau, siekiant kuo geriau išgauti šalinamą komponentą, desorbcija, mažinant slėgį, derinama su šilumos tiekimu arba su desorbcija inertinių dujų sraute. 17.8. Absorbcijos schemos Pramoninių absorberių schemas galima suskirstyti į dvi pagrindines grupes: 1) absorberiai, kuriuose absorbentas panaudojamas tik vieną kartą, t. y. kai absorbuoti komponentai nedesorbuojami; 2) absorberiai, kuriuose absorbentas naudojamas daug kartų, t. y. absorbuoti komponentai yra desorbuojami. Pirmosios grupės absorberiai (17.32 pav.) naudojami tada, kai po absorbcijos gaunamas gatavas produktas, todėl absorbento regeneruoti nereikia. Juose dažnai iš dujų valomos kenksmingos priemaišos. Šiuo atveju absorbentas turi būti pigus, o absorbtyvo koncentracija jame nedidelė. Tada absorbentas gali būti neregeneruojamas, o panaudojamas kitiems tikslams arba išmetamas į atliekas. 17.32 pav. Priešsrovinis daugiapakopis absorbcijos įrenginys, sudarytas iš nuosekliai sujungtų absorberių ir tarpinių skysčio šaldytuvų: 1 – absorberiai, 2 – tarpiniai rinktuvai, 3 – siurbliai, 4 – šaldytuvai Absorberiai, kuriuose absorbentas naudojamas daug kartų, pramonėje kur kas labiau paplitę. 17.33 pav. pavaizduota absorberio su absorbento regeneracija ir recirkuliacija schema. Absorbentas iš paskutinio skysčio judėjimo kryptimi absorberio 1 patenka į rinktuvą 2, o iš jo siurbliu 5 per šilumokaitį 8 tiekiamas į desorberį 9, kuriame iš jo pašalinamas absorbuotas komponentas (dujos). Regeneruotas absorbentas transportuojamas per šilumokaitį 8, kur jis atiduoda šilumą absorbentui, tiekiamam desorbcijai, o paskui per šaldytuvą 10 grįžta atgal pirmam skysčio judėjimo kryptimi absorberiui laistyti. 17.33 pav. Daugiapakopio priešsrovinio absorberio su absorbento regeneracija ir skysčio recirkuliacija atskirose absorbcijos pakopose schema: 1 – absorberiai, 2, 3, 4 – rinktuvai, 5, 6, 7 – siurbliai, 8 – šilumokaitis, 9 – desorberis, 10 – šaldytuvai DISTILIACIJA IR REKTIFIKACIJA Distiliacija – tai masės mainų procesas, kurio metu perskiriami skystų komponentų mišiniai, juos kaitinant iki virimo temperatūros, o gautus garus po to kondensuojant. Po perskyrimo gaunamas kondensatas ir likutis, kurių sudėtis skiriasi nuo pradinio mišinio sudėties. Rektifikacijos proceso metu skystiems vienalyčiams (homogeniniams) mišiniams arba tirpalams suskirstyti į komponentus arba komponentų grupes naudojama daugkartinė garų mišinio ir skysčio mišinio tarpusavio sąveika. Daug kartų garinant ir kondensuojant garus praktiškai pradinis mišinys perskiriamas į grynus komponentus. Distiliuojant ši sąveika yra vienkartinė. Procesas gali vykti, kai skirtingos yra tirpalo komponentų virimo temperatūros arba kai mišinį sudarančių komponentų garų slėgis, esant tai pačiai temperatūrai, yra skirtingas. Todėl garų, o po to ir jų kondensato sudėtis skirsis nuo pradinio mišinio sudėties. Pavyzdžiui, virinant dviejų komponentų tirpalą, žemesnės virimo temperatūros komponentas, sutrumpintai žymimas ŽVK, greičiau pereis į garų fazę V, negu tas tirpalo komponentas, kurio virimo temperatūra yra aukštesnė (sutrumpintai AVK). Kondensavus šio tirpalo garus, gaunamas distiliatas D, kuriame ŽVK koncentracija yra didesnė, negu ji buvo pradiniame tirpale M. Virintuve likusiame neišgarintame tirpalo likutyje K, palyginti su pradiniu tirpalu M, bus padidėjusi AVK ir sumažėjusi ŽVK koncentracija. Distiliacijos (a) ir rektifikacijos (b) schemos Distiliacijos procesas yra panašus į garinimo procesą. Skirtumas tik tas, kad garinimo aparate kietosios fazės komponentai niekada nepereina į garų fazę. Distiliuojant į garų fazę, be ŽVK, pereina ir dalis AVK, todėl sunkiau gauti grynąjį komponentą. 18.1 pav. Įkrautinė rektifikacijos kolona su virintuvu: 1 – korpusas, 2 – įkrova, 3 – atraminis tinklelis, 4 – skysčio skirstytuvas, 5 – likučio virintuve išleidimo atvamzdis, 6 – virintuvas, 7 – drėkintuvas Distiliacija ir rektifikacija naudojama chemijos, farmacijos, naftos perdirbimo, maisto ir kitose pramonės šakose perskiriant ir gryninant skysčius bei suskystintąsias dujas. Distiliaciją skiriama į paprastąją distiliaciją (arba tiesiog distiliaciją), distiliaciją vandens garais ir molekulinę distiliaciją. Paprastosios distiliacijos metu atliekamas vienkartinis pradinio mišinio išgarinimas ir susidariusių garų kondensacija. Dažniausiai paprasta distiliacija ŽVK atskiriamas nuo nedidelio AVK priemaišų kiekio. Rektifikacijos procesą galima vykdyti aparate (pvz., įkrautinėje kolonoje), kuriame iš apačios į viršų juda garai (18.1 pav.), o iš viršaus priešpriešiais garams juda skystis, kuriame yra daugiau ŽVK negu garuose. Sąveikaujant garams ir flegmai garai iš dalies kondensuojasi, o skystis (flegma) dėl kondensacijos metu išsiskyrusios šilumos iš dalies išgaruoja. Kondensuojasi lengviau AVK, o išgaruoja ŽVK. Todėl iš kolonos ištekančius garus sudaro beveik grynas ŽVK. Iš kolonos garai tiekiami į šilumokaitį-aušintuvą, vadinamą deflegmatoriumi (18.1 pav. jis nepavaizduotas), po deflegmatoriaus skystis skiriamas į dvi dalis: viena, vadinama distiliatu, sudaro rektifikacijos produktą, o kita dalis, vadinama flegma, grąžinama į koloną. Iš apatinės kolonos dalies ištekantis skystis vadinamas virintuvo likučiu. Kolonos 1 apačioje kylančių garų srautui sudaryti įrengtas virintuvas 6. Rektifikuojama lėkštinėse, taip pat įkrautinėse arba plėvelinėse rektifikacijos kolonose, kurios iš principo nesiskiria nuo absorberių. Kai kurie jų skirtumai bus paminėti toliau. Skystų komponentų mišinį dažniausiai sudaro keli komponentai, paprasčiausiu atveju – du, pvz., A ir B. Tokie mišiniai vadinami binariniais. Mišinio elgsena ir savybės priklauso nuo jį sudarančių komponentų cheminės kilmės ir slėgio. Pagal tai, kaip komponentai tirpsta vieni kituose, skysčių mišiniai arba tirpalai skirstomi į sudarytus iš vienas kitame a) gerai tirpstančių skysčių, b) iš dalies tirpstančių skysčių, c) netirpstančių skysčių. Distiliacijos ir rektifikacijos būdu perskiriami vienas kitame gerai tirpstančių komponentų mišiniai arba tirpalai. Šie tirpalai skirstomi į idealius tirpalus, kuriems galioja Raulio dėsnis; ir normalius tirpalus – mišinius, kurių eksperimentiškai nustatytos fizikinės cheminės savybės tik iš dalies skiriasi nuo tyrimo sąlygomis apskaičiuotų pagal Raulio dėsnį. Pastarieji nesudaro pastovioje temperatūroje verdančių mišinių (azeotropų). Dar yra ir neidealių tirpalų – skysčių, gerokai nukrypstančių nuo Raulio dėsnio (tarp jų ir mišinių, verdančių pastovioje temperatūroje, arba azeotropų). Realiai tarpusavyje netirpių skysčių nėra – visi skysčiai, kad ir nedideliais kiekiais, vieni kituose tirpsta. Patogumo dėlei šie skysčiai pavadinti tarpusavyje netirpiais. Technologiniams skaičiavimams svarbiausia yra diagrama t–x, (y), kadangi distiliacijos procesai pramoniniuose aparatuose dažniausiai vykdomi esant pastoviam slėgiui, t. y. izobarinėmis sąlygomis. Tokioje diagramoje (18.2 pav.) ant abscisės atidedamos įvairias temperatūras atitinkančios koncentracijos skystojoje fazėje x ir garų fazėje y. 18.2 pav. Fazinė diagrama t–x, y Pagal žinomas PA ir PB vertes, esant temperatūroms t1, t2 ir t. t., apskaičiuojamos xA1, xA2 ir t. t. vertės, o po to pagal (18.2) lygtį – atitinkamos ir t. t. vertės. Naudojant apskaičiuotas koordinates, per atitinkamus taškus brėžiama vadinamoji skysčio virimo linija (kreivė tAA2A1tB) ir garų kondensacijos linija (kreivė tAB2B1tB). Atkarpos A1B1, A2B2 ir t. t. yra izotermos, jungiančios pusiausviras skysčio ir garų sudėtis. Kreivės tAA2A1tB taškai atitinka virimo temperatūros skysčio sudėtį. Visi taškai, esantys žemiau šios kreivės, atitinka tik iš skysčio sudarytą sistemą. Analogiškai visi virš kreivės tAB2B1tB esantys taškai apibūdina sistemą, kurios temperatūra aukštesnė už garų kondensacijos pradžios temperatūrą, t. y. šiuose taškuose garai yra perkaitinti ir sistemą sudaro tik garai. Tarp kondensacijos ir virimo kreivių esantys taškai (pvz., 18.2 pav., taškas C) apibūdina sistemas, kurių temperatūra aukštesnė už tiriamos sudėties skysčio virimo temperatūrą ir žemesnė už nustatytos koncentracijos garų kondensacijos temperatūrą. Taigi šie taškai atitinka garų-skysčio sistemų pusiausvyrą. Daugelio realių mišinių nukrypimas nuo Raulio dėsnio yra toks ryškus, kad jų fazinėse diagramose p–x ir t–x atsiranda santykinis maksimumas arba minimumas (18.5 pav., b, c). Šiais atvejais ekstremumo taškuose pusiausvirųjų fazių sudėtys vienodos, todėl skysčio ir garų kreivės susiliečia viena su kita. Tokie mišiniai vadinami azeotropiniais mišiniais, arba azeotropais. Pagrindinė azeotropų savybė ta, kad garuojant jų sudėtis nesikeičia, todėl tokiems mišiniams perskirti reikalingi specialūs rektifikacijos būdai (pvz., azeotropinė arba ekstrakcinė rektifikacija), slėgio pakeitimas ir kt. 18.5 pav. Pusiausvirų skysčio-garų fazių diagrama: idealios (a) ir realios (b, c) sistemų 18.2. Distiliacija Paprastoji distiliacija, arba tiesiog distiliacija, dažniausiai yra periodinis procesas, nors ji gali būti ir nuolatinė. Periodiškai distiliuojant, iki virimo temperatūros šildomas skystis pamažu garuoja, susidarę garai nepertraukiamai šalinami iš sistemos ir kondensuojasi; gaunamas distiliatas. Tokios distiliacijos metu ŽVK kiekis virintuvo likutyje arba pradiniame mišinyje mažėja, todėl ŽVK kiekis mažėja ir distiliate. Proceso arba jo atskiro ciklo pradžioje gaunamas maksimalios, o pabaigoje – minimalios ŽVK koncentracijos distiliatas. Paprastąją distiliaciją galima vykdyti esant atmosferos slėgiui virintuve, sudarant viršslėgį arba vakuumą. Surenkant distiliatą tam tikrais periodais, gaunamos skirtingos sudėties frakcijos. Šios rūšies distiliacija vadinama frakcine (18.8 pav.). Pradinis mišinys supilamas į virintuvą 1, kuriame tirpalui pašildyti ir virinti įrengtas sočiaisiais vandens garais šildomas gyvatukas. Virintuve susidarę garai kondensuojami šilumokaityje-kondensatoriuje 3, jame taip pat iki nurodytos temperatūros ataušinamas distiliatas, kuris patenka į vieną iš rinktuvų 4. Pabaigus distiliacijos procesą, likutis išleidžiamas iš virintuvo ir, įpylus naują pradinio mišinio porciją, distiliacija kartojama. 18.8 pav. Distiliacijos proceso schemos: a – distiliacija be deflegmacijos, b – distiliacija su deflegmacija; 1 – virintuvas, 2 – deflegmatorius, 3 – kondensatorius, 4 – distiliato rinktuvai 18.3. Nuolatinė rektifikacija Kaip buvo minėta, rektifikacija yra skysčių tirpalų ir mišinių perskyrimo procesas, kai tuo pačiu momentu skysčio ir garų fazių sąlyčio paviršiuje perskiriamasis mišinys daug kartų išgaruoja ir kondensuojasi. Rektifikacijos procese vykstantys virsmai vaizduojami t–x, y diagramose (18.12 pav.). 18.12 pav. Fazių diagrama t–x, y Šildant pradinį mišinį, kuriame ŽVK koncentracija yra x1, iki jo virimo temperatūros t1, gaunami su skysčiu pusiausviri garai. Kondensuojant šiuos garus gaunamas kondensatas, kuriame ŽVK koncentracija . Kondensate ŽVK būna daugiau negu pradiniame mišinyje. Šildant kondensatą iki jo virimo temperatūros t2 ir kondensavusis gautiems garams, gaunamas naujas kondensatas, kurio koncentracija , x3 > x2, t. y. skystis dar labiau prisodrinamas ŽVK. Taigi galima gauti skystį iš gryno ŽVK. Analogiškai galima paaiškinti skysčio prisodrinimo AVK procesą. Kadangi perskiriamame skystyje ir gaunamuose garuose komponentų koncentracijų masės dalimis suma lygi vienetui, tai skystyje išgarinant žemesnės virimo koncentracijos komponentą, skysčio likutyje AVK kiekis didės. Aprašytasis procesas gali būti atliekamas nuosekliai sujungtų distiliacijos aparatų grandinėje. Tačiau taip rektifikacijos procesas organizuojamas labai retai, nes tai neekonomiška. Todėl rektifikacijos procesas atliekamas kolonose (dažniausiai lėkštinėse, taip pat įkrautinėse ar plėvelinėse), virš skysčio esant atmosferos slėgiui, padidintam slėgiui arba vakuumui. Slėgiuose, didesniuose už atmosferos slėgį, dažniausiai rektifikuojamos suskystintosios dujos, pvz., oras perskiriamas į deguonį ir azotą; esant vakuumui, perskiriami aukštoms virimo temperatūroms termiškai neatsparūs skysčių mišiniai, taip pat artimų virimo temperatūrų komponentų mišiniai. Rektifikuojama dažniausiai nuolatinio veikimo kolonose. Periodinė rektifikacija naudojama, kai reikia perskirti dažnai besikeičiančios sudėties mišinius ir esant mažiems našumams. 18.3.1. Rektifikacijos įrenginiai Rektifikacijos schemos. Panagrinėsime binarinių mišinių perskyrimo nuolatinio veikimo rektifikacijos kolonos schemą, pateiktą 18.13 paveiksle. 18.13 pav. Nuolatinio veikimo rektifikacijos kolonos schema: 1 – pradinio mišinio rezervuaras, 2 – šildytuvas, 3 – kolona, 4 – virintuvas, 5 – deflegmatorius, 6 – flegmos daliklis, 7 – aušintuvas, 8 – distiliato rinktuvas, 9 – likučio rinktuvas Nuolatinės rektifikacijos kolonoje perskirti tiekiamas skystis turi liestis su prieš priešais tekančiu šiek tiek daugiau ŽVK negu skystis turinčių garų srautu. Todėl pradinis mišinys tiekiamas į tokią kolonos 3 vietą, kuri tenkintų šiuos reikalavimus. Pradinis mišinys, šildytuve 2 pašildytas iki virimo temperatūros, tiekiamas į vadinamąją maitinimo lėkštę. Maitinimo lėkštės vieta, arba pradinio mišinio tiekimo vieta, specialiai apskaičiuojama. Maitinimo lėkštė koloną dalija į dvi dalis: viršutinę, arba koncentruojamąją ir apatinę arba išgaunamąją. Koncentruojamojoje dalyje kylantys garai prisodrinami ŽVK, o išgaunamojoje, arba apatinėje, dalyje ŽVK iš skysčio išgarinamas. Kolona kylantis garų srautas papildomas virintuve 4 išgarinant dalį skysčio, kuris vadinamas virintuvo likučiu, o kolona žemyn tekantis skysčio srautas – grąžinant dalį flegmos, gautos deflegmatoriuje 5 kondensavusis iš kolonos tiekiamiems garams. Į koloną grąžintos flegmos kiekio F santykis su surinkto distiliato kiekiu D vadinamas flegmos skaičiumi ir žymimas R (). Flegmos skaičiaus sąvoka vartojama, kad būtų patogiau analizuoti ir skaičiuoti rektifikaciją. Nuolatinės rektifikacijos pranašumai yra didelis našumas ir gauto produkto tolygumas, be to, procesą nesunku automatizuoti, galima panaudoti produkto ir virintuvo likučio šalinamą šilumą. Praktiškai nepertraukiamai rektifikuojant daugiakomponenčius mišinius, rektifikacijos kolona turi būti ne viena, kadangi vienoje kolonoje mišinį galima perskirti tik į du produktus. Kolonų skaičius turi būti lygus perskiriamajame mišinyje esančių komponentų skaičiui minus vienas, t. y. . Tai bus aiškinama kalbant apie trijų komponentų mišinio rektifikaciją (18.14 pav.). 18.14 pav. Du trijų komponentų mišinio rektifikacijos variantai (a ir b) Šiuo perskyrimo atveju galimi du proceso organizavimo variantai. 18.14 pav., a, parodytu atveju du lakesni komponentai A ir B patenka į distiliatą, komponentas C (AVK) pasilieka virintuvo likutyje. Distiliatas, sudarytas iš komponentų A ir B, tiekiamas į antrąją koloną. Variante b pirmosios kolonos virintuvo likutyje pasilieka komponentai B ir C, kurie tiekiami perskirti į antrąją koloną. Rektifikuojant daugiakomponenčius mišinius, visos kitos kolonos po pirmosios taip pat turi būti sudarytos iš dviejų dalių – apatinės ir viršutinės. Rektifikacijos aparatai. Pagrindiniai rektifikacijos aparatai yra lėkštinės ir įkrautinės kolonos, kurių konstrukcija iš principo yra tokia pat kaip lėkštinių ir įkrautinių adsorberių, nagrinėtų 17-oje dalyje. Norint padidinti fazių sąlyčio paviršių, įkrautinėse rektifikacijos kolonose dažnai naudojama fasoninė įkrova, turinti didelį savitąjį paviršių ir laisvąjį tūrį. Paprastai tokia gana brangi įkrova naudojama perskiriant artimų virimo temperatūrų mišinius. Rektifikacijos kolonų pagrindinis savitumas yra tai, kad rektifikacijos procesui atlikti jos turi turėti atitinkamus šilumokaičius: virintuvą, šildytuvą, kondensatorių-deflegmatorių, distiliato ir virintuvo likučio aušintuvus arba šaldytuvus. Paprastai deflegmatoriai (18.15 pav., a) įrengiami aukščiau kolonos, kad flegma į koloną tekėtų savitaka. Jeigu kolona labai aukšta, kad būtų patogiau ją aptarnauti, deflegmatorius įrengiamas žemiau kolonos viršaus (18.15 pav., b). Šiuo atveju kolonai laistyti reikalingai flegmai tiekti būtina įrengti papildomą siurblį. Kai kada deflegmatorius įrengiamas kolonos viršutinėje dalyje (18.15 pav., c). Tokiu atveju iš kolonos ištekančių garų kiekis lygus distiliato kiekiui. 18.15 pav. Deflegmatorių išdėstymo variantai: a – kai visi garai kondensuojami ir flegma tiekiama į koloną savitaka, b – kai visi garai kondensuojami ir flegma tiekiama į koloną siurbliais, c – kai garai iš dalies kondensuojami; 1 – kolona, 2 – deflegmatorius, 3 – siurblys, 4 – aušintuvas Kolona kylančių garų srautams sudaryti naudojami įvairių konstrukcijų virintuvai, kurie gali būti įrengti kolonos apatinės dalies viduje (18.16 pav., a) arba įrengiami šalia kolonos (18.16 pav., b). Pastarasis variantas praktikoje pasitaiko dažniau, nes šiuo atveju lengviau remontuoti ir pakeisti virintuvą. Kiek mažiau rektifikacijai naudojamos tinklinės lėkštinės kolonos. Tokios kolonos apie 30...40  pigesnės ir jų hidraulinis pasipriešinimas šiek tiek mažesnis negu lėkštinių kolonų su gaubtais. Lėkštinių kolonų gaubtų funkcijas tinklinėse kolonose atlieka tinklo angos, kurių skersmuo 0,8...8 mm. 18.16 pav. Pačioje kolonoje (a) ir atskirai (b) įrengto virintuvo išdėstymas: 1 – kolona, 2 – virintuvas 18.4. Periodinė rektifikacija Periodinio veikimo kolonos naudojamos tuomet, kai technologiniuose procesuose reikia perskirti nedidelius mišinių kiekius ir turėti pakankamai laiko, kad normaliam perskyrimo procesui būtų galima sukaupti pakankamą pradinio mišinio kiekį, arba kai labai dažnai keičiasi pradinio mišinio sudėtis. Pastarasis atvejis tinka, kai gaunami įvairūs produktai. Periodinės rektifikacijos technologinės schemos identiškos principinei rektifikacijos schemai. Viena iš galimų technologinių schemų pavaizduota 18.25 pav. Pradinis mišinys supilamas į virintuvą 1 su šilumokaičiu, į kurį tiekiamas šildalas pvz., sotieji vandens garai. Pradinis mišinys pašildomas iki virimo temperatūros. Susidarę garai kyla kolona 3. Kolonoje garai sąveikauja su jiems priešpriešiais kolona iš deflegmatoriaus 4 tekančiu skysčiu (flegma). Deflegmatoriuje 4 susidaręs kondensatas srauto daliklyje perskiriamas į dvi dalis: viena dalis gražinama į koloną kaip flegma F, kita – distiliatas D per aušintuvą 6 tiekiama į vieną iš rinktuvų 7. 18.25 pav. Periodinės rektifikacijos technologinė schema: 1 – virintuvas, 2 – šildytuvas, 3 – rektifikacijos kolona, 4 – deflegmatorius, 5 – srauto daliklis, 6 – aušintuvas, 7 – rinktuvas Rektifikacijos procesas užbaigiamas, kai gaunamas nurodytos vidutinės sudėties distiliatas. Taigi kolona 3 yra nuolatinio veikimo kolonos viršutinės (koncentruojančios) dalies analogas, o virintuvas atlieka apatinės (išgaunančiosios) kolonos dalies vaidmenį. Periodinę rektifikaciją galima atlikti dviem būdais: 1) kai gaunamas pastovios sudėties distiliatas () ir 2) kai palaikomas pastovus darbinis flegmos skaičius (). Pirmuoju atveju, kadangi ŽVK kiekis virintuve mažėja, tai, norint išlaikyti pastovų jo kiekį distiliate, reikia didinti flegmos skaičių Rd. Realiems procesams valdyti yra sukurtos periodinio veikimo rektifikacijos kolonų automatizuotojo valdymo sistemos, kurios pagal griežtai numatytą programą gali reguliuoti į koloną tiekiamos flegmos ir į virintuvą tiekiamų šildančiųjų garų kiekius. Pagrindinių srautų (flegmos ir distiliato) debitus galima reguliuoti pagal ŽVK kiekį flegmoje arba distiliate, t. y. pagal produktų kokybę. EKSTRAKCIJA 19.1. Ekstrakcijos proceso fizikiniai pagrindai Ekstrakcija yra procesas, kuriuo iš vienos skystosios fazės L1 (pradinio tirpalo) kita skystąja faze V1 (ekstrahentu) išgaunama ištirpusi medžiaga A arba medžiagų grupė (ekstraktyvas), kai šios dvi fazės viena kitoje beveik netirpsta arba silpnai tirpsta, bet tirpina ekstraktyvą. Ekstrakcijos procesas vyksta ne tik sistemoje skystis-skystis, bet ir sistemoje kieta medžiaga-skystis. Šiuo atveju skystu tirpikliu V1 (ekstrahentu), selektyviai tirpinančiu tiktai ekstrahuojamus komponentus, iš kietosios medžiagos išgaunamas ekstraktyvas. Kai ekstrakcijai iš kietųjų medžiagų kaip ekstrahentas naudojamas vanduo, ekstrakcijos procesas vadinamas išplovimu. Šioje vadovėlio dalyje apsiribojama vien tik ekstrakcijos proceso nagrinėjimu sistemoje skystis-skystis, kai liečiasi dvi skystosios fazės (ekstrakcija iš skysčių). Ekstrakcijos procesas sistemose skystis-skystis gana plačiai taikomas įvairiose cheminės technologijos, farmacijos, hidrometalurgijos ir kitose pramonės šakose, pvz., šalinant iš divinilo acetaldehidą ir kitas priemaišas, kaprolaktano ir kitų organinės sintezės produktų gamyboje, taip pat gaminant branduolinį kurą, antibiotikus. Ekstrakcija iš tirpalų arba pramoninių vandenų išgaunamos vertingos arba toksiškos medžiagos arba gaunami jų koncentruoti tirpalai. Ekstrakcija iš skysčių kartu su distiliacija bei rektifikacija yra pagrindiniai skystų vienalyčių sistemų perskyrimo metodai. Ekstrakcija ekonomiškesnė, pvz., už rektifikaciją, kai reikia perskirti tirpalus, kuriuose maža komponento koncentracija, nes nereikia išgarinti viso skysčio. Be to, ekstrahuoti tikslinga tada, kai šildomas tirpalas skyla. Dažnai naudojamas ekstrakcijos iš skysčių ir rektifikacijos derinys. Rektifikacija, šildymas, garinimas ir panašūs metodai naudojami tirpikliui arba ekstrahentui regeneruoti. Ekstrahento ir pradinio tirpalo tankiai turi būti skirtingi. Ekstraktyvo tirpalas ekstrahente vadinamas ekstraktu, o pradinio tirpalo likutis po ekstrakcijos – rafinatu. 19.1 pav. pavaizduotos pagrindinės ekstrakcijos schemos. Pagal ekstrakcijos neregeneruojant ekstrahento schemą (19.1 pav., a) pradinis tirpalas (fazė L+M) ir ekstrahentas (fazė V) tiekiami į ekstrakcijos aparatą – ekstraktorių, kuriame medžiaga M pereina iš fazės L į fazę V. Gaunamas ekstraktas (fazė V+M) ir rafinatas (fazė L). Ekstrakcija neregeneruojant ekstrahento naudojama labai retai. Ekstrakcijos regeneruojant ekstrahentą schema (19.1 pav., b) naudojama dažniau. Pagal šią schemą ekstrahentas regeneruojamas iš ekstrakto ir rafinato, jeigu ekstrahentas iš dalies jame tirpsta. Išvalytas ekstrahentas pakartotinai grąžinamas į ekstrakcijos procesą. 19.1 pav. Ekstrakcijos schemos: a – kai ekstrahentas neregeneruojamas, b – kai ekstrahentas regeneruojamas, c – ekstrakcijos ir reekstrakcijos derinys Pagal schemą (19.1 pav., c) po ekstrakcijos vyksta grįžtamasis procesas, kuris vadinamas reekstrakcija. Šiuo atveju regeneruojama fazė apdorojama reagentų tirpalais, kurie priverčia tikslinį produktą kaip galima daugiau pereiti į vandeninį tirpalą arba nuosėdas ir gautą tirpalą sukoncentruoja. Reekstrakcijos metu gautas produktas vadinamas reekstraktu. Kadangi ekstrakcija susijusi su ekstrahento dėjimu į perskiriamąjį tirpalą, neišvengiamai susidaro sąlygos užteršti produktus, todėl po perskyrimo juos būtina valyti. Tai pabrangina patį ekstrakcijos procesą. Dėl šio trūkumo ekstrakcija naudojama ribotai. 19.6. Pagrindiniai ekstrakcijos būdai Priklausomai nuo to, kokiu laipsniu ištirpusios medžiagos (ekstraktyvas) išgaunamas iš pradinio tirpalo, ekstraktui bei rafinatui keliamų reikalavimų ir kitų sąlygų galimi įvairūs ekstrakcijos iš skysčių variantai. Tačiau visada yra dvi pagrindinės ekstrakcijos stadijos: 1) ekstrahento ir pradinio mišinio sumaišymas jų tarpusavio sąlyčiui pagerinti; 2) dviejų nesimaišančių gauto mišinio fazių – ekstrakto ir rafinato perskyrimas. Kaip buvo minėta, po ekstrakcijos ekstrahentas dažnai yra regeneruojamas specialiame regeneracijos aparate, t. y. pašalinamas iš ekstrakto ir rafinato. Cheminėje technologijoje dažniausiai naudojami tokie ekstrakcijos būdai: vienkartinė ekstrakcija, daugkartinė ekstrakcija esant kryžminiam arba priešsroviniam ekstrahento judėjimui, nepertraukiama priešsrovinė ekstrakcija. Pramonėje plačiausiai paplito ekstrakcija vienu ekstrahentu, nors neretai ekstrahuojama ir dviem ekstrahentais. Vienkartinė ekstrakcija. Ekstrahuojant šiuo būdu, pradinis tirpalas F ir ekstrahentas S sumaišomi maišytuve 1 (19.9 pav.), po to nusodintuve 2 perskiriami į du sluoksnius: ekstrakto E ir rafinato R. 19.9 pav. Vienkartinės ekstrakcijos schema: 1 – maišytuvas, 2 – nusodintuvas-separatorius Dėl intensyvaus maišymo ir pakankamos mišinio buvimo maišytuve 1 trukmės nusistovi fazių pusiausvyra, t. y. vienkartinė ekstrakcija galima pasiekti efektyvumą, atitinkantį teorinėje koncentracijos kitimo pakopoje pasiekiamą efektyvumą. Ekstraktyvo išgavimo laipsnis gali būti padidintas, didinant į maišyklę 1 tiekiamą ekstrahento kiekį, tačiau tai mažina ekstrakto koncentraciją ir brangina procesą. Procesas gali būti tiek periodinis, tiek nuolatinis. Periodinio proceso atveju ekstrakto ir rafinato perskyrimo stadija gali vykti maišyklėje 1. Tuomet nereikalingas nusodintuvas 2. Daugkartinė ekstrakcija esant kryžminiam ekstrahento srautui. Ekstrahuojant šiuo būdu (19.10 pav.), pradinis tirpalas ir atitinkami rafinatai kiekvienoje ekstrakcijos pakopoje, susidedančioje iš maišyklės ir nusodintuvo (19.10 pav. jis nepavaizduotas), apdorojama šviežio ekstrahento porcija S1, S2 ir t. t. Rafinatas tiekiamas nuosekliai į tolesnę pakopą, o ekstraktai E1, E2 ir t. t. po kiekvienos pakopos išteka iš sistemos. Taigi ekstrahuojant, pradinis tirpalas F įteka į pirmąją pakopą, o galutinis rafinatas Rn gaunamas paskutinėje – n-ojoje pakopoje. 19.10 pav. Daugkartinės ekstrakcijos, esant kryžminiam ekstrahento srauti, schema: 1, 2, 3,..., n – pakopos Šiuo metodu iš pradinio tirpalo galima išgauti visą ekstraktyvą ir gryną rafinatą. Tačiau neišvengiama pradinio tirpiklio nuostolių, kadangi iš kiekvienos pakopos jo dalis pasišalina su ekstraktu. Daugkartinė ekstrakcija esant priešsroviniam ekstrahento srautui. Tokiai ekstrakcijai būdingas daugkartinis kontaktavimas pakopose 1, 2 ir t. t. su priešsroviniu būdu judančio rafinato R ir ekstrakto E srautu (19.11 pav.). 19.11 pav. Daugkartinės ekstrakcijos, ekstrahentui judant prieš srovę, schema: 1, 2, 3,..., n–1, n – pakopos 19.12 pav. Nuolatinės priešsrovinės ekstrakcijos schema Pradinis tirpalas F ir ekstrahentas S tiekiamas priešinguose schemos galuose. Kadangi daugkartine ekstrakcija, ekstrahentui judant prieš srovę, galima gauti nurodytos kokybės produktą ir aparatas yra gana našus, šis ekstrakcijos būdas pramonėje plačiai naudojamas. Nuolatinė priešsrovinė ekstrakcija. Taip ekstrahuojama kolonų (pvz., įkrautinių) aparatuose. Didesnio tankio tirpalas (pvz., pradinis tirpalas) nepertraukiamai tiekiamas į viršutinę kolonos dalį (19.12 pav.), o iš ten teka žemyn. Į apatinę kolonos dalį tiekiama mažesnio tankio frakcija (nagrinėjamu atveju ekstrahentas), kuri kolona kyla į viršų. Šis ekstrakcijos būdas pramonėje naudojamas gana dažnai. Priešsrovinė ekstrakcija su flegma. Kai pradinį tirpalą reikia perskirti didesniu laipsniu, galima ekstrahuoti su flegma, kaip ir rektifikacijos metu (19.13 pav.). Šiuo atveju pradinis mišinys tiekiamas į vidurinę aparato dalį (į maitinimo pakopą). Po ekstrahento regeneracijos regeneratoriuje 2 dalis gauto produkto R0 grąžinama kaip flegma į ekstraktorių 1, o kita dalis atskiriama kaip komponentas B, išgautas iš pradinio tirpalo. Tirpalų R0 ir B sudėtys yra vienodos. Taigi ekstraktoriaus elementas 2 ir rektifikacijos deflegmatorius yra analogai. Flegmos srautas R0, kontaktuodamas su ekstrakto srautu, išplauna iš jo iš dalies arba visiškai ištirpusį pradinį tirpiklį A. Pradinis tirpiklis patenka į rafinatą, todėl perskyrimo laipsnis ir rafinato išeiga padidėja. Reikia pasakyti, kad ekstrakcija su flegma pagerina pradinio mišinio perskyrimą, tačiau padidina ekstrahento sąnaudas ir aparato tūrį, todėl procesas brangsta. Taigi flegmos kiekio parinkimas turi būti pagrįstas techniniais ekonominiais skaičiavimais. 19.13 pav. Nuolatinės priešsrovinės ekstrakcijos su flegma schema: 1 –ekstraktorius, 2 – ekstrahento regeneracijos aparatas 19.14 pav. Ekstrakcijos su dviem ekstrahentais schema: 1 – ekstraktorius, 2 – ekstrahento regeneracijos aparatas 19.7. Ekstraktorių konstrukcija ir veikimo principas Pagal fazių sąveikos principą arba fazių kontakto būdą ekstraktoriai skirstomi į dvi grupes: pakopinius ir diferencialinius-kontaktinius. Ekstraktoriai dar skirstomi į gravitacinius, kuriuose fazių greitis yra sąlygojamas fazių tankių skirtumo, ir mechaninius, kuriuose energijos srautas suteikiamas iš šalies mechaniškai maišant, veikiant išcentrinėms jėgoms ir kt. Praktiškai bet kuriame ekstraktoriuje viena iš fazių įvairiais būdais disperguojama ir pasiskirsto kitoje – dispersijos fazėje lašeliais. Po kiekvieno sumaišymo šios fazės aparatuose separuojamos, nes tai būtina ekstrahentui regeneruoti. Pramonėje dažniausiai naudojami nuolatinio veikimo ekstraktoriai. Pakopiniai ekstraktoriai. Šios grupės ekstraktoriai yra sudaryti iš diskretinių pakopų, kurių kiekvienoje fazės susikeičia, yra perskiriamos ir juda prieš srovę į gretimą pakopą. 19.15 pav. pavaizduotos vienos pakopos (a) ir daugeliapakopės (b ir c) ekstraktorių schemos. Labiausiai paplitę pakopiniai ekstraktoriai, kuriuos sudaro nuosekliai sujungti maišytuvai ir nusodintuvai. Kiekviena tokio ekstraktoriaus pakopa susideda iš maišytuvo 1, kuriame, intensyviai maišant fazes, vyksta ekstrakcija, ir nusodintuvo 2, kuriame ekstraktas atskiriamas nuo rafinato. Maišytuve fazės visiškai susimaišo (t. y. šis aparatas dirba pagal idealaus sumaišymo modelį – ISM), todėl jame pasiekiama fazių pusiausvyra. Taigi vienoje pakopoje fazės juda pasroviui viena kitos atžvilgiu, o visame ekstraktoriuje sudaromas priešsrovinis fazių judėjimas. Esant kaskadiniam pakopų sujungimui (19.15 pav., b), didesnio tankio fazė juda iš pakopos į pakopą savitaka, o mažesnio tankio fazė transportuojama siurbliais 3. Horizontaliuosiuose ekstraktoriuose mažesnio ir didesnio tankio fazėms transportuoti iš pakopos į pakopą naudojami siurbliai (19.15 pav., c, mažesnio tankio fazei transportuoti naudojami siurbliai nepavaizduoti), ir tai pabrangina ekstraktoriaus gamybą ir eksploataciją. Tuo atveju, kai fazių pusiausvyra greitai nusistovi, jas gali sumaišyti siurbliai. Tokių ekstraktorių pranašumas yra didelis efektyvumas. Be to galima greitai pakeisti pakopų skaičių, jie gali dirbti smarkiai kintant fazių fizikinėms savybėms, jų tūriniams santykiams. Tačiau jie užima didelius gamybinius plotus, juose yra maišyklės su individualiais varikliais ir reduktoriais. Didelio našumo ekstraktoriai su maišytuvais-nusodintuvais (iki 1500 m3/h) naudojami hidrometalurgijoje, sodrinant uraną ir kt. 19.15 pav. Vienpakopių (a) ir daugiapakopių (b ir c) ekstraktorių schemos: 1 – maišytuvas, 2 – nusodintuvas, 3 – siurbliai Diferencialiniai-kontaktiniai ekstraktoriai. Šios grupės ekstraktoriai nuo pakopinių skiriasi tuo, kad jų fazių kontakto paviršius pagal aparato aukštį būna nepertraukiamas ir koncentracija kinta nuosekliai. Tačiau, priešingai negu pakopiniuose, pusiausvyra jų skerspjūvyje nepasiekiama. Diferencialiniai-kontaktiniai ekstraktoriai kompaktiškesni už pakopinius, užima mažiau gamybinio ploto. Prie diferencialinių-kontaktinių ekstraktorių priskiriami gravitaciniai ekstraktoriai, kuriuose fazės juda dėl jų tankių skirtumo. Pagal konstrukciją tai gali būti purkštuvinės, įkrautinės ir lėkštinės kolonos. 19.16 pav. Tuščiavidurės purkštuvinės kolonos-ekstraktoriai: a – išpurškiantys didesnio tankio fazę, b – išpurškiantys mažesnio tankio fazę; 1 – ekstraktoriai, 2 – purkštukai, 3 – hidraulinės užtvaros, 4 – fazių sąlyčio paviršius Iš aprašomų ekstraktorių paprasčiausios konstrukcijos yra purkštuvinės kolonos (19.16 pav.). Juos sudaro tuščiavidurės kolonos 1 su dispergavimo elementu 2, kuris disperguoja pradinį tirpalą. Kai pradinio tirpalo tankis didesnis negu ekstrahento, tai dispergavimo elementas yra aparato viršuje (19.16 pav., a), o kai priešingai, – aparato apačioje (19.16 pav., b). Dispersijos terpė juda priešinga kryptimi negu disperguota fazė. Disperguotos fazės lašams judant per dispersijos terpės sluoksnį, lašai koalescencijuoja ir išteka iš kolonos. Didesnio tankio fazė išteka per hidraulinę užtvarą 3, kuri padeda reguliuoti fazių perskyrimo laipsnį. Fazių perskyrimui pagerinti viršutinė ir apatinė kolonos dalys kai kada daromos didesnio skersmens negu vidurinė (tai sumažina dispersijos terpės judėjimo greitį ir pagerina fazių separavimo sąlygas). Purkštuvinėse kolonose vidinė erdvė tuščia, todėl fazės kolonoje gali laisvai cirkuliuoti vertikalia kryptimi, t. y. šiuose aparatuose susidaro fazių išilginio maišymosi sąlygos. Šis reiškinys dar labiau sustiprėja, kai padidinamas kolonos skersmens ir aukščio santykis. Išilginis, arba grįžtamasis, maišymasis dėl proceso varos jėgos sumažėjimo sumažina masės perdavimo greitį. Todėl purkštuviniai ekstraktoriai yra mažo efektyvumo, masės perdavimo vieneto aukštis juose siekia 5...6 m. Purkštuvinių ekstraktorių trūkumu laikomas ir „užspringimo“ greičio sumažėjimas, didėjant disperguotos fazės daliai sistemoje, kadangi šiuo atveju sumažėja dispersijos terpės pratekamasis skerspjūvis ir daugiau pašalinama lašelių. Purkštuviniuose ekstraktoriuose galima apdoroti ir užterštus skysčius. Kai kada juose ekstrahuojamos suspensijos. Plačiai pramonėje naudojami ir įkrautiniai ekstraktoriai (19.17 pav.), kurių konstrukcija tokia pat kaip įkrautinių adsorberių. Įkrovai dažnai naudojami Rašigo žiedai arba kt. (žr. 17 dalį). Įkrova sudedama ant atraminių tinklų sekcijomis, tarp kurių fazės maišosi. Vieną iš fazių (19.17 pav. – ekstrahentą) paskirstymo elementas disperguoja dispersijos terpėje (pradiniame tirpale). Įkrovos sluoksnyje lašai daug kartų koalescencijuoja, o po to yra susmulkinami, ie tai padidina proceso efektyvumą. Labai svarbu parinkti įkrovos medžiagą. Ji turi būti geriau drėkinama dispersijos terpės negu disperguotos fazės, kadangi tai trukdo lašams koalescencijuoti ir disperguotos fazės plėvelei susidaryti įkrovos paviršiuje, o tai sumažina fazių sąlyčio paviršių. Pastebėta, kad keraminė ir fajansinė įkrova vandeniu drėkinama geriau negu organiniais tirpikliais, o plastikinė įkrova geriau drėkinama organiniais tirpikliais. Fazės sluoksniuojasi nusistovėjimo zonose 3, kurių skersmuo fazių separavimui pagerinti dažnai daromas didesnis už ekstraktoriaus skersmenį. Kaip ekstraktorius galima naudoti bet kurios 17 dalyje nagrinėtos konstrukcijos lėkštines kolonas, tačiau pramonėje labiausiai paplito tinklinės kolonos (19.18 pav.). Tokiuose aparatuose viena iš fazių, tekėdama pro lėkščių 1 skylutes, daug kartų disperguoja ir koalescencijuoja. Dėl daugkartinio fazės dispergavimo ekstrakcijos proceso greitis padidėja, todėl šiai fazei įtekant pro lėkštės skylutes į dispersijos terpę atsiranda „galinių“ efektų. Kadangi šis procesas susijęs su šuolišku koncentracijos kitimu, tai tinkliniai ekstraktoriai kai kada priskiriami pakopinių ekstraktorių grupei. Tinkliniuose ekstraktoriuose dispersijos terpė (19.18 pav. – pradinis tirpalas) teka išilgai lėkštės 1 ir per perpylimo lataką teka nuo lėkštės ant lėkštės. Po sąveikos su dispersijos terpe lašeliai koalescencijuoja ir iš lašelių po aukščiau esančia lėkšte susidaro mažesnio tankio fazės sluoksnis. Jeigu disperguojama didesnio tankio fazė, tai jos sluoksnis susidaro ant aukščiau esančios lėkštės. Šie sluoksniai, vadinami slegiančiaisiais, koloną pagal aukštį suskirsto į sekcijas ir priverčia dispersijos fazę tekėti tik per perpylimo latakus. Be to, šie sluoksniai sudaro hidrostatinį slėgį, reikalingą skylučių lėkštėse hidrauliniam pasipriešinimui nugalėti, todėl skystis išteka pro skylutes ir yra iš naujo disperguojamas. Pramonėje naudojami tinklinių lėkščių ekstraktoriai su apvaliomis skylutėmis, kurių skersmuo d0 yra nuo 2 iki 10 mm (didesni – klampiems skysčiams), dažnai 3...4 mm skersmens skylutės sudaro nuo 50 iki 60 % lėkštės ploto. Tam, kad iš gretimų skylučių ištekantys lašeliai nesusilietų vienas su kitu, skylučių žingsnis t apskaičiuojamas taip: . Gravitaciniai tinklinių lėkščių ekstraktoriai yra paprastos konstrukcijos, gana našūs, neturi judamųjų dalių, nes lėkštėmis yra suskirstyti į sekcijas, juose išilginis maišymasis mažas. Tinklinių lėkščių ekstraktoriai naudojami sintetinio kaučiuko gamyboje, naftos chemijoje, farmacijoje ir kitose pramonės šakose. 19.17 pav. Įkrautinis ekstraktorius: 1 – įkrova, 2 – paskirstiklis, 3 – nusodintuvas, 4 – hidraulinė užtvara, 5 – išsisluoksniuojančias fazes skirianti riba 19.18 pav. Tinklinių lėkščių ekstraktorius: 1 – lėkštės, 2 – didesnio tankio fazės nutekėjimo nuo lėkštės ant lėkštės elementas, 3 – išsisluoksniuojančias fazes skirianti riba 19.9. Ekstrakcijos technologinės schemos Nuolatinio veikimo ekstraktoriaus, kuriame ekstraktas regeneruojamas rektifikuojant, schema pateikta 19.30 pav., a. Ekstrakcijos procesas vyksta kolonoje 1, o gautų komponentų ir ekstrahento perskyrimas – kolonoje 2. Ekstrahentas iš rafinato regeneruojamas rektifikacijos kolonoje 3. Rektifikacijos kolonų 2 ir 3 darbui užtikrinti naudojami šilumokaičiai-šildytuvai 4, deflegmatoriai 5 ir šaldytuvai 6. Kolonose 2 ir 3 regeneruotas ekstrahentas grąžinamas į ekstraktorių 1. Metalų druskų ekstrakcijos (19.30 pav., b) įrenginio schema skiriasi tuo, kad po kolonos 1 metalų druskos iš ekstrakto išgaunamos reekstrakcija, o kolonoje 2 paverčiamos į vandenį (dažniausiai tirpinant). 19.30 pav. Principinės ekstrakcijos iš skysčių įrenginio schemos: a – kai ekstrahentas regeneruojamas rektifikuojant: 1 – ekstraktorius, 2, 3 – rektifikacijos kolonos, 4 – šilumokaičiai-šildytuvai, 5 – deflegmatoriai, 6 – aušintuvai; I – šildalai, II – aušalai; b – kai ekstraktas išgaunamos reekstrahuojant: 1 – ekstraktorius, 2 – reekstrakcijos kolona Kai kuriais atvejais ekstrakcijos įrenginiai būna sudėtingesni: juose įrengiami papildomi ekstrahento regeneracijos, didesnio laipsnio medžiagos išgavimo iš pradinio tirpalo elementai ir pan. SKYSČIO, DUJŲ ARBA GARŲ IR KIETOJO KŪNO TARPUSAVIO MASĖS MAINAI Masės mainų procesams, kuriuose dalyvauja skysčiai, dujos arba garai ir kietieji kūnai, priskiriama adsorbcija, jonų mainai, džiovinimas, tirpinimas, ekstrakcija iš kietųjų medžiagų ir kristalizacija. Šiems procesams būdinga nestacionari masės pernaša ir labai įvairus kietojoje fazėje vykstančių elementarių masės pernašos procesų mechanizmas. Sistemose, kuriose dalyvauja kietoji fazė, pagrindinės masės pernašos stadijos yra pernaša išorinėje fazėje (skystyje, dujose arba garuose) ir vidinė pernaša (kietojoje fazėje). 20.2. Masės pernaša kietojoje fazėje Paprastai kietoji fazė masės pernašos procesuose yra poringas kūnas. Poringųjų kūnų struktūra apibūdinama porų forma, kryptimi, tarpusavio išsidėstymu ir tarpusavio susijungimu (20.2 pav.). Pagal formą poros gali būti: vamzdiniai kanalai su vietiniais susiaurėjimais ir paplatėjimais (20.2 pav., a); kanalai, sudaryti iš įvairaus skersmens sferų (20.2 pav., b); butelio formos (20.2 pav., c); V formos (20.2 pav., d). Pagal porų kryptį ir tarpusavio išsidėstymą skiriamos izotropinės ir anizotropinės struktūros. Izotropiniuose kūnuose poros tolygiai pasiskirsčiusios visame tūryje ir, skirtingai nuo anizotropinių, neturi vyraujančios krypties. Pagal tarpusavio susijungimą poros skirstomos į iš abiejų galų atviras, arba pernašos, poras ir aklinas poras (20.2 pav., c, d). Poringųjų kūnų struktūra taip pat apibūdinama poringumu, porų pasiskirstymu pagal dydį, savituoju paviršiumi ir porų kreivumu. Poringumas p (m3/kg arba m3/m3), kartais vadinamas poringumo koeficientu, yra bendras porų tūris kūno masės arba tūrio vienete. 20.2 pav. Galimos dalelių porų formos: a – vamzdiniai kanalai su vietiniais susiaurėjimais ir paplatėjimais, b – iš susijungusių sferų sudaryti kanalai, c ir d – atitinkamai butelio ir V formos kanalai Paprastai poringieji kūnai klasifikuojami remiantis porų pasiskirstymu juose pagal dydį. Pavyzdžiui, adsorbcijos procesuose skiriamos mikroporos (r  10–7 m). Džiovinimo procesuose medžiagos skirstomos į poringus ir kapiliariškai poringus kūnus. Poringuosiuose kūnuose sunkio jėga turi daugiau įtakos negu kapiliarinės jėgos, o kapiliariškai poringuose kūnuose – atvirkščiai. Ribinis porų dydis, skiriantis poringuosius ir kapiliariškai poringus kūnus, priklauso nuo kūno dydžio. Savitasis porų paviršiaus plotas  (m2/kg, m2/m3) rodo suminį kūno masės arba tūrio vienete esančių porų paviršiaus plotą. Savituoju paviršiaus plotu vertinamas mezo– ir makroporų paviršiaus plotas. Mikroporų, kurių skersmuo yra tos pačios eilės dydis kaip molekulių skersmuo, savitojo paviršiaus, kaip porų sienelių paviršiaus, supratimas turi neapibrėžtą pobūdį, todėl mikroporėtieji kūnai apibūdinami tik poringumu. Porų kreivumas apibūdinamas kreivumo koeficientu Tk, kuris lygus poros ilgio ir tiesės, jungiančios poros pradžią ir pabaigą, santykiui. Elementarūs masės pernašos procesai poringuosiuose kūnuose. Nors įvairių kietųjų poringųjų medžiagų, kuriose vyksta skirtingi procesai, yra labai daug, galima skirti bendrus elementarius pernašos būdus: difuziją kietajame kūne, konvekcinę pernašą, laisvą ir ribotą difuziją, paviršinę difuziją ir šiluminę difuziją. Medžiagos pernašos poringoje arba neporingoje medžiagoje pagrindiniai mechanizmai yra du: a) atomai užima tuščius kristalų gardelės kampus; b) du gretimi atomai pasikeičia vietomis. ADSORBCIJA IR JONŲ MAINAI Adsorbcija yra procesas, kurio metu kietasis kūnas (adsorbentas) porų paviršiumi arba tūriu sugeria dujas, garus arba ištirpusias medžiagas. Dujose, garuose arba skystyje esanti sugeriamoji medžiaga vadinama adsorbtyvu, o absorbento sugerta medžiaga – adsorbatu. Adsorbcija skirstoma į fizikinę ir cheminę. Fizikinę adsorbciją sąlygoja paviršinės van der Valso jėgos, kurių veikimas pasireiškia atstumu, gerokai viršijančiu adsorbuojamosios medžiagos molekulių dydį, todėl adsorbento paviršiuje sulaikomi keli adsorbato molekulių sluoksniai. Cheminės adsorbcijos metu sugeriama medžiaga reaguoja su adsorbentu jo paviršiuje ir susidaro cheminiai junginiai. Traukos jėgos adsorbento paviršiuje atsiranda todėl, kad paviršiuje esančius atomus ir molekules iš įvairių pusių veikia skirtingo dydžio jėgos, t. y. paviršiuje esančių molekulių jėgų laukas nėra išlygintas gretimų dalelių veikimo. Pagal fizikinę prigimtį adsorbuojamosios medžiagos ir adsorbento molekulių sąveikos jėgos priskiriamos prie dispersinių jėgų, atsirandančių persikeliant elektronams suartėjusiose molekulėse. Kai kuriais adsorbcijos atvejais didelę reikšmę turi elektrostatinės ir indukcinės jėgos, taip pat vandeniliniai ryšiai. Adsorbento paviršių užpildžius adsorbatui, paviršiaus jėgos iš dalies susilygina (atkuriama pusiausvyra), todėl sumažėja paviršiaus įtempis (laisvoji savitoji paviršiaus energija). Taigi adsorbcija yra savaime vykstantis procesas, kurio metu sumažėja sistemos laisvoji energija ir entropija. Sumažėjus sistemos laisvajai energijai ir entropijai taip pat sumažėja jos entalpija (), kas tolygu šilumos išsiskyrimui, t. y. adsorbcijos procesai yra egzoterminiai. Adsorbcijos procesai yra selektyvūs arba atrankūs ir grįžtami procesai. Adsorbcijos grįžtamasis procesas vadinamas desorbcija, kuri naudojama sugertai medžiagai išskirti ir adsorbentui regeneruoti. Adsorbciją geriausia naudoti apdoroti mišiniams, kuriuose išgaunamų komponentų koncentracija nedidelė. Šiuo atveju pailgėja adsorbcijos aparato – adsorberio adsorbcijos stadijos darbo trukmė, prieš jį perjungiant desorbcijai. Tipiniais adsorbcijos procesais laikomas dujų ir skysčių džiovinimas; angliavandenilių mišinių perskyrimas; tirpiklių rekuperacija; išmetamų technologinių dujų ir vandenų valymas ir t. t. Pastaruoju metu adsorbcijos procesų reikšmė padidėjo, ypač kai reikia spręsti ekologines problemas ir gauti labai švarias medžiagas. Dalinis chemosorbcijos atvejis yra jonų mainai tarp kieto sorbento (jonito) ir elektrolito tirpalo. Jonų mainų procesų kinetika, taip pat ir aparatai yra panašūs į adsorbcijos proceso kinetiką ir aparatus. Pramonėje naudojami gamtiniai jonų mainų sorbentai (jonitai): ceolitai, bentonitiniai moliai, titano, cirkonio fosfatai ir kt., taip pat sintetiniai sorbentai, tarp kurių vyrauja polimerai. Sintetiniai sorbentai – jonitai yra makromolekulių polimerinė matrica su trijų matmenų struktūra, turinčia jonogeninių grupių. Tirpale jonitai sudaro nejudrius makromolekulinius jonus ir priešingo ženklo judrius jonus. Pramonėje vyrauja ir sintetinių dervų pagrindu pagaminti jonitai. Jonitai, gebantys pasikeisti su tirpalu katijonais, vadinami katijonitais, o gebantys pasikeisti anijonais, – anijonitais. Jonų mainai plačiai naudojami daugelio neorganinių ir organinių medžiagų gamyboje, katalizėje – gaminant kai kuriuos medicinos preparatus, energetikoje – valant į katilus tiekiamą vandenį, elektronikoje bei radiochemijoje – valant naudotus vandenis. Vienas iš didžiausių jonų mainų procesų trūkumų yra būtinybė dažnai regeneruoti jonitus, o po to plauti; dėl to padidėja šarmų arba rūgščių sąnaudos ir valomo vandens tūriai. 21.1. Adsorbcija 21.1.1. Pagrindiniai pramoniniai adsorbentai ir jų savybės Adsorbentai yra poringieji kūnai, turintys didelį mikroporų tūrį. Adsorbentų savybės priklauso nuo medžiagų, iš kurių jie pagaminti, ir vidinių porų struktūros (19 dalis). Pramoniniuose adsorbentuose pagrindinė sugeriamos medžiagos masė adsorbuojama ant mikroporų (r 10–7 m) adsorbuojamosios medžiagos pereina į mikroporas. Adsorbentai apibūdinami sugertimi arba sorbcine geba, kuri nusakoma maksimalia adsorbtyvo koncentracija adsorbento masės arba tūrio vienete. Adsorbento sorbcinė geba priklauso nuo adsorbento kilmės ir jo porų struktūros, sugeriamosios medžiagos kilmės, jos koncentracijos ir proceso temperatūros, o dujų ir garų – nuo garų ir skysčio mišinio slėgio. Maksimaliai galima tyrimo sąlygomis adsorbento sugerties geba sąlygiškai vadinama pusiausviruoju aktyvumu. Pagal cheminę sudėtį adsorbentai skirstomi į anglinius (aktyvintosios anglys, anglinės pluoštinės medžiagos, taip pat kai kurios kietojo kuro rūšys) ir ne anglinius (silikageliai, aktyvusis aliuminio oksidas, aliuminio geliai, ceolitai, molingosios padermės). Aktyvintosios anglys. Aktyvintąsias anglis sudaro netvarkingai išsidėsčiusių grafito mikrokristalų visuma. Paprastai jos naudojamos organinėms medžiagoms sugerti, valant arba perskiriant skysčius, dujas arba garus. Šie adsorbentai gaunami sausai distiliuojant organines medžiagas (medieną, akmens anglis, gyvulių kaulus, vaisius ir kt.), pašalinant lakiąsias medžiagas. Po to anglys aktyvinamos, pvz., jas pakaitinant 850...900 C temperatūroje. Tokio proceso metu iš esamų porų pašalinamos dervos ir susidaro naujos mikroporos. Taip pat galima aktyvinti iš porų organiniais tirpikliais ekstrahuojant dervas arba jas oksiduojant oro deguonimi ir kt. Tolygesnė anglių struktūra gaunama aktyvinant cheminiais metodais: apdorojant jas karštais druskų (pvz., sulfatų,, nitratų ir kt.) tirpalais arba mineralinėmis rūgštimis (sieros, azoto ir kt.). Savitasis aktyvintųjų anglių paviršiaus plotas yra labai didelis ir siekia nuo 6105 iki 17105 m2/kg, o piltinis tankis – nuo 200 iki 900 kg/m3. Aktyvintosios anglys būna nuo 1 iki 7 mm dydžio netaisyklingos formos dalelių; nuo 2 iki 3 mm skersmens rutuliukų; nuo 4 iki 6 mm aukščio cilindrų; smulkesnių kaip 0,15 mm miltelių pavidalo. Didžiausi aktyvintųjų anglių trūkumai yra jų degumas, nedidelis mechaninis stipris. Silikagelis yra vandens netekęs silicio rūgšties (SiO2nH2O) gelis. Jis naudojamas adsorbuoti poliniams junginiams, džiovinti dujoms arba skysčiams, perskirti organinėms medžiagoms dujų fazėje, taip pat chromatografijoje. Silikagelis gaminamas natrio silikato (tirpaus stiklo) tirpalą apdorojant sieros (kai kada druskos) rūgštimi arba rūgščių druskų tirpalais. Susidaręs gelis plaunamas vandeniu ir džiovinamas iki galutinio 5...7 drėgnio, nes tokio drėgnio silikagelio adsorbcinė geba būna didžiausia. Savitasis silikagelio paviršius būna nuo 4105 iki 7,7105 m2/kg, o piltinis tankis – nuo 400 iki 800 kg/m3. Silikagelio granulės būna netaisyklingos formos (nuo 0,2 iki 7 mm) ir rutulio arba apvalios formos (nuo 2 iki 7 mm). Silikagelis yra nedegus, mechaniškai stipresnis už aktyvintąsias anglis, tačiau jo savitasis paviršius mažesnis. Pagal adsorbcines savybes silikageliams artimi yra aliuminio geliai, gaunami termiškai apdorojant aliuminio hidroksidą (Al(OH)3) 600...1000 C temperatūroje. Gauto sorbento porų skersmuo būna nuo 1 iki 3 nm, savitasis paviršius – nuo 2105 iki 4105 m2/kg, o piltinis tankis – apie 1600 kg/m3. Aliuminio geliai naudojami dujoms džiovinti, vandeniniams tirpalams ir mineralinėms alyvoms valyti, taip pat kaip katalizatoriai arba jų nešikliai. Ceolitais vadinami gamtiniai arba sintetiniai mineralai (pvz., hidroaliumosilikatai), turintys šarminių ir žemės šarminių metalų oksidų. Šie adsorbentai pasižymi reguliaria porų, kurių dydis sutampa su sugeriamųjų molekulių dydžiu, struktūra. Ceolitų savitumą sudaro tai, kad adsorbciniai paviršiai tarpusavyje sujungti tam tikro skersmens langais, pro kuriuos gali prasiskverbti tik mažesnio dydžio molekulės. Tuo remiasi skirtingo dydžio molekulių mišinių perskyrimas pagal molekulių dydį, todėl ceolitai kai kada vadinami molekuliniais sietais. Dujų mišiniams perskirti naudojami nuo 1 iki 5 mm skersmens ceolitų rutuliukai arba granulės, o skysčio mišiniams perskirti – smulkūs milteliai. Ceolitai dažnai naudojami dujoms ir skysčiams džiovinti, artimos molekulių masės medžiagų mišinių valymo ir perskyrimo procesuose, taip pat kaip katalizatoriai ir jų nešikliai. Įvairioms priemaišoms iš skysčių valyti kaip adsorbentai naudojamos gamtinės molingosios padermės. Šie moliai aktyvinami apdorojant juos sieros arba druskos rūgštimis ir gaunami nuo 1105 iki 1,5105 m2/kg savitojo paviršiaus adsorbentai. Adsorbentai dar apibūdinami statiniu ir dinaminiu aktyvumu. Statinis aktyvumas yra adsorbento masės arba tūrio vieneto sugertas medžiagos kiekis nuo adsorbcijos pradžios iki pasiekiama pusiausvyra. Šis aktyvumas nustatomas statinėmis sąlygomis, t. y. dujoms arba skysčiui nejudant. Judant mišiniui per adsorbento sluoksnį po tam tikro laiko intervalo adsorbentas pradeda sugerti ne visą išgaunamą komponentą ir šis ima „peršokti“. Dėl to didėja komponento koncentracija iš adsorbento ištekančio mišinio sraute, iki pasiekiama pusiausvyra. Adsorbento masės arba tūrio vieneto sugertas medžiagos kiekis nuo adsorbcijos pradžios iki to momento, kol adsorbtyvo koncentracija ima didėti iš absorbento ištekančiame sraute, vadinamas adsorbento dinaminiu aktyvumu. Dinaminis aktyvumas visada yra mažesnis už statinį, todėl reikalingas adsorbento kiekis apskaičiuojamas pagal jo dinaminį aktyvumą. 21.2. Adsorberių konstrukcija ir veikimo principas Adsorberiai su stacionariu adsorbento sluoksniu. Pramonėje dažniausiai naudojami vertikalieji ir horizontalieji adsorberiai su stacionariu adsorbento sluoksniu (21.5 pav.). Tai yra periodinio veikimo aparatai. Jie turi korpusą 1, kuriame ant atraminio paskirstymo tinklelio 2 yra adsorbento sluoksnis. Pradinis dujų mišinys arba tirpalas per adsorbento sluoksnį teka iš viršaus žemyn. Desorbuojant adsorbtyvą vandens garais, jie tiekiami pro apatinį antgalį, o kondensatas išleidžiamas pro dugne įrengtą antgalį. Nekondensuoti garai kartu su desorbuota medžiaga išteka pro aparato dangtyje esantį antgalį. Adsorbentas pakraunamas ir iškraunamas pro latakus 4 ir 3. Vertikaliaisiais adsorberiais adsorbuojamos dujas, esant nedideliam arba vidutiniam gamybos našumui. Kai gamybos našumai ne mažesni kaip 30000 m3/h perdirbamo mišinio, naudojami horizontalieji adsorberiai, kuriuose susidaro nedideli hidrauliniai pasipriešinimai. 21.5 pav. Adsorberiai su stacionariu adsorbento sluoksniu: a – vertikalusis, b – horizontalusis; 1 – korpusai, 2 – atraminės paskirstymo plokštelės, 3 – adsorbento iškrovimo kanalai, 4 – adsorbento pakrovimo kanalai Tokius periodinius adsorberius su stacionariu adsorbento sluoksniu lygiagrečiai sujungus į grandinę, gaunamas nuolatinio veikimo adsorbcijos įrenginys. Adsorberių skaičius grandinėje apskaičiuojamas pagal adsorbcijos-desorbcijos ciklo ilgį. Rekuperacinio įrenginio schema pavaizduota 21.6 pav. Pradinis dujų mišinys tiekiamas į aktyvintosiomis anglimis užpildytą 1 adsorberį. Prisisotinus adsorbento sluoksniui pirmajame absorberyje 1, jis perjungiamas desorbcijai, o adsorbuojamų dujų srautas leidžiamas į adsorberį 2. Adsorbentas regeneruojamas, tiekiant į adsorberio apačią sočiuosius vandens garus. Vandens garai adsorbato garus išneša į kondensatorių 3. Garų mišinio kondensatas iš kondensatoriaus 3 tiekiamas perskirti. Adsorbentas džiovinamas karštu oru, tiekiamu per kaloriferį 4, o aušinamas per kaloriferio apvedamąją liniją tiekiamu atmosferos oru. 21.6 pav. Rekuperacinio adsorbcijos įrenginio schema: 1, 2 – adsorberiai, 3 – vandens garų ir desorbuojančiosios medžiagos garų kondensatorius, 4 – kaloriferis, 5 – kondensato išleidimo sklendė Adsorbcijos įrenginio darbo ciklą gali sudaryti keturios stadijos: adsorbcija, desorbcija, džiovinimas, aušinimas, kai kada trys – adsorbcija, desorbcija, džiovinimas arba aušinimas, taip pat dvi stadijos – adsorbcija, desorbcija. Dviejų darbo stadijų režimu veikiantys adsorbcijos įrenginiai vadinami nešildomais trumpojo ciklo adsorbcijos įrenginiais. Jie naudojami dujoms valyti ir perskirti (21.7 pav.). Dujų mišinys nedideliu slėgiu tiekiamas į adsorberį 1, kuriame keletą minučių vienas iš komponentų yra adsorbuojamas. Po to, sudarius vakuumą, adsorbuotas komponentas desorbuojamas ir išleidžiamas, tuo metu adsorberyje 2 vyksta adsorbcijos stadija. Trumpojo ciklo adsorbcijos įrenginiai yra kompaktiški, naudoja mažai energijos, kadangi desorbcijos stadijoje nereikia tiekti šilumos. Tačiau tokie įrenginiai ribotai naudojami apdorojant sistemas, kurių adsorbcijos pusiausvyra aprašoma nuožulniomis adsorbcijos izotermomis. 21.7 pav. Nešildomo trumpojo ciklo adsorbcijos įrenginio schema: 1, 2 – adsorberiai Adsorberiai su pseudoverdančiuoju ir judančiuoju adsorbento sluoksniu. Atskiro adsorberio, įjungto į adsorbcijos įrenginį, darbo periodiškumas padaro adsorbcijos įrenginius (išskyrus trumpųjų darbo ciklų įrenginius) griozdiškus ir tokiuose įrenginiuose procesas yra sunkiai automatizuojamas. Tokių trūkumų neturi nuolatinio veikimo adsorberiai su pseudoverdančiuoju ir judančiuoju adsorbento sluoksniu. Šių adsorberių trūkumas – nepakankamas pseudoverdantįjį sluoksnį sudarančių adsorbentų mechaninis stiprumas, nes pseudoverdančiajame ir judančiajame sluoksnyje jie yra intensyviai smulkinami. Adsorberiai su pseudoverdančiuoju adsorbento sluoksniu išilginiam maišymuisi sumažinti pagal aukštį yra suskirstyti į sekcijas. Jų konstrukcija yra tokia pat kaip barbotažinių lėkštinių kolonų. Daugelio pakopų adsorberį su pseudoverdančiuoju adsorbento sluoksniu (21.8 pav.) sudaro keletą cilindriniame korpuse 1 išdėstytų sekcijų. Sekcijos atskirtos viena nuo kitos paskirstymo tinkleliais 2. Adsorbentas į aparato viršutinę sekciją tiekiamas pro vamzdį adsorberio viršuje ir aparato viduje pro perpylimo vamzdžius 3 juda priepriešiais terpės (dujų, garų arba tirpalo) srautui, tiekiamam iš apačios ir išleidžiamam viršuje. Kietajai fazei išleisti adsorberio apačioje įrengta reguliavimo sklendė 4. Adsorberio su judančiuoju grūdinio adsorbento sluoksniu, skirto dujų mišiniams perskirti, schema pateikta 21.9 pav. Aparatą sudaro adsorbcijos zona I ir rektifikacijos zona II, kur tiekiamas dujų mišinys yra perskiriamas, bei desorbcijos zona III, kurioje regeneruojamas adsorbentas. Zonos atskirtos paskirstymo tinkleliais 1. Adsorbentas nuolat juda aparate: pradžioje aušinamas šaldytuve 2, po to juda per adsorbcijos zoną I, kurioje jis pirmiausia sugeria sunkiuosius komponentus, prisodrinamas dujų mišinį lengvosios frakcijos, kuri išleidžiama iš šios zonos. Adsorbentui tekant per rektifikacijos zoną II, iš dalies sugertą lengvąją frakciją išstumia sunkiosios frakcijos garai, judantys iš desorbcijos zonos III. Karštas adsorbentas pneumatiniu transportu, naudojant dujopūtę 5, nukreipiamas į bunkerį 3, o iš jo vėl patenka į šaldytuvą. 21.8 pav. Daugelio pakopų adsorberis su pseudoverdančiuoju sluoksniu: 1 – korpusas, 2 – dujų, garų arba tirpalo skirstymo tinklas, 3 – adsorbento perpylimo vamzdis, 4 – reguliavimo sklendė 21.9 pav. Adsorberis su judančiuoju tankiu grūdiniu adsorbento sluoksniu: I – adsorbcijos zona, II – rektifikacijos zona, III – desorbcijos zona; 1 – dujų, garų arba tirpalo skirstymo tinklas, 2 – šaldytuvas, 3 – adsorbento tiekimo bunkeris, 4 – reguliavimo sklendė, 5 – dujopūtė 22. TIRPIMAS IR EKSTRAHAVIMAS IŠ KIETŲJŲ KŪNŲ Technologiniuose procesuose tirpimu suprantamas medžiagos „perėjimas“ nuo dalelių paviršiaus į tirpalą. Šis procesas dažniausiai naudojamas tirpių ir inertinių medžiagų dalelių mišiniams perskirti. Laikoma, kad tirpiosios dalelės yra chemiškai nesusijusios su inertinių medžiagų dalelėmis ir šios neturi įtakos tirpių dalelių tirpimo kinetikai ir galutiniams proceso rezultatams. Paprastai fiziškai ištirpinta medžiaga gali būti iškristalizuojama. Cheminis tirpimas yra heterogeninė reakcija, kurios produktai ištirpsta skystyje. Iš tirpalo iškristalizuoti pradinės medžiagos šiuo atveju negalima. Cheminio tirpimo sąlygomis gali susidaryti tirpimo kinetiką padarantys sudėtingesnę kietieji arba dujiniai reakcijos produktai. Tirpimo paviršiaus ekranizavimas kietaisiais reakcijos produktais gerokai sulėtina procesą, o dujų fazės susidarymas paspartina tirpimą iki tam tikros ribos, kurią viršijus dujų fazė pradeda veikti kaip ekranas. Tirpimo procesai dažniausiai vyksta greitai. Prie to prisideda tiesioginis judančio (maišomo) skysčio kontaktas su tirpstančios dalelės paviršiumi. Ekstrahavimu vadinamas vieno arba kelių komponentų (ekstraktyvo) išgavimas iš kietosios medžiagos naudojant skysčius (ekstrahentus). Išgaunami komponentai yra ištirpę kietojo kūno porose arba kieti. Pirmuoju atveju kalbama apie ištirpusios medžiagos ekstrakciją, o antruoju – apie kietosios medžiagos ekstrakciją. Ekstrakcijos metu kietosios medžiagos porose esanti ištirpusi medžiaga difunduoja į skysčio (ekstrahento) srautą, didėjant ištirpusios medžiagos (ekstraktyvo) koncentracijai ekstrahente ir mažėjant kietosios medžiagos kiekui porose. Judant priešsroviams srautams, pasiekiamas didelis išgavimo laipsnis. Kietosios medžiagos ekstrakcijos mechanizmas yra sudėtingesnis ir jungia tris stadijas: 1) ekstrahento prasiskverbimą į poringą kietojo kūno struktūrą; 2) tikslinio komponento tirpimą ekstrahente; 3) ekstrahente ištirpusio komponento difuziją į pagrindinę skysčio masę. Konkrečiomis sąlygomis kiekviena iš šių stadijų gali nusakyti viso proceso greitį, tačiau dažniausiai viso proceso greitį riboja trečioji stadija. Kietosios medžiagos ekstrakcijos ir tirpimo kinetika skirtinga. Tirpdama medžiaga tiesiogiai liečiasi su judančiu skysčiu, todėl pasipriešinimas masės pernešimui nedidelis. Ekstrakcijos metu tikslinį komponentą turinčios kietojo kūno sritys pradžioje užima visą dalelės tūrį, o paskui sistemingai mažėja. Išgaunamas komponentas, arba ekstraktyvas, tik ekstrakcijos pradžioje liečiasi su judančiu skysčiu, o toliau praranda kontaktą su juo. Medžiaga į poringojo kūno paviršių perneša molekulinės difuzijos poras užpildžiusiame nejudančiame skystyje būdu. Dėl šios priežasties ekstrakcija yra ne toks intensyvus kaip tirpimo procesas. Ekstrakcijos iš kietųjų medžiagų ir jų tirpimo procesą galima suintensyvinti smulkinant į procesą tiekiamos kietosios medžiagos daleles. Tačiau šiuo atveju sudėtingesnės tampa pagalbinės smulkinimo (prieš ekstrakciją) ir tirpalo atskyrimo nuo kietosios fazės (po ekstrakcijos) operacijos. Didėjant kietosios medžiagos susmulkinimo laipsniui, didėja smulkinimui reikalingos energijos sąnaudos ir lėtėja po ekstrakcijos gautos suspensijos filtravimas arba nusodinimas. 22.1. Tirpimas Daugeliu atvejų kietosios medžiagos skystyje tirpsta ribotai. Esant nurodytai tirpalo koncentracijai, vadinamai prisotinimo koncentracija, arba tirpumu, tarp kietojo kūno ir tirpalo nusistovi pusiausvyra. Prisotinimo koncentracija yra svarbiausias fizikinis cheminis ir technologinis parametras, kurio nustatymu prasideda kiekvieno tirpimo proceso tyrimas ir skaičiavimas, kadangi šis dydis parodo tirpiklio gebą priimti ištirpusią medžiagą. Be to, nuo šios koncentracijos labai priklauso tirpimo greitis. Iš chemijos termodinamikos žinoma, kad pusiausvyra pasiekiama tada, kai medžiagos cheminis potencialas tirpale lygus kietos būsenos šios medžiagos cheminiam potencialui. Iš šios priklausomybės galima nustatyti prisotinimo koncentraciją. Tačiau praktiškai prisotinimo koncentracija priklauso nuo temperatūros; daugeliui sistemų ji yra nustatyta eksperimentiškai ir pateikta žinynuose. Nagrinėjant tirpimo kinetiką, suformuluotas pagrindinis tirpimo kinetikos dėsnis: medžiagos srauto tankis nuo tirpimo paviršiaus ploto vieneto proporcingas tirpalo koncentraciniam neprisotinimui arba koncentracijos nukrypimui nuo prisotinimo: ; (22.1) čia M – iki laiko momento  ištirpusi medžiagos masė; F – tirpimo paviršiaus plotas; c – masės atidavimo koeficientas; c* – prisotinimo koncentracija; c – tirpalo faktinė koncentracija. 22.2. Ištirpusios medžiagos ekstrakcija Kietojo kūno porose yra tikslinio komponento tirpalas. Sąveikaudamas su ekstrahentu, tikslinis komponentas per kietojo kūno poras difunduoja į pagrindinę skysčio masę. Porų skersmuo toks mažas, kad porose uždarytas skystis beveik nejuda. Todėl laikoma, kad ištirpusi medžiaga yra pernešama molekulinės difuzijos būdu. 22.2 pav. Poringųjų kūnų struktūros variantai: a – izotropinis poringasis kūnas, b – anizotropinis reguliarios struktūros poringasis kūnas, c – anizotropinis nereguliarios struktūros poringasis kūnas. Rodyklės rodo difuzinio laidumo kryptį Kietųjų dalelių struktūros būna labai įvairios. Iš jų reikia išskirti izotropines, kurios turi tą savybę, kad difuzinis dalelės laidumas visomis kryptimis būna vienodas (22.2 pav., a). Anizotropiniai kūnai gali būti reguliarios struktūros (22.2 pav., b). Tokie kūnai dažniausiai yra augalinės kilmės ir turi sistemą kapiliarų, kurių kryptimi būna difuzinis laidumas didžiausias. Nereguliarios struktūros anizotropiniams kūnams (22.2 pav., c) būdinga sudėtinga difuzinio laidumo priklausomybė nuo porų. Medžiagos molekulinis pernešimas baigiasi, kai tikslinis komponentas pasiekia išorines poringojo kūno ribas; vėliau vyksta konvekcinis medžiagos pernešimas kietąjį kūną supančioje skysčio terpėje. Nepertraukiamame ištirpusios medžiagos ekstrakcijos procese dalyvauja du srautai, sudaryti ne mažiau kaip iš trijų komponentų: pirmasis srautas – neištirpusi medžiaga A, kurios porose yra ekstraktyvo B ir ekstrahento C, ir antrasis srautas – ekstraktyvo B tirpalas ekstrahente C. Pirmasis srautas dažniausiai vadinamas apatiniu, o antrasis – viršutiniu. 22.3. Kietosios medžiagos ekstrakcija Kietųjų poringųjų dalelių tikslinis komponentas yra kietas. Galimi įvairūs tikslinio komponento pasiskirstymo dalelės tūryje variantai. Daugeliu atvejų išgaunamoji medžiaga būna tolygiai pasiskirsčiusi poringojo kūno tūryje. Ekstrahuojant išgaunamo komponento užimamos srities tūris mažėja (22.4 pav.). Nuo išgaunamo kietosios būsenos komponento atsilaisvinusią dalelės sritį užima ištirpęs tikslinis komponentas. Ilgėjant ekstrakcijos trukmei, šios srities tūris didėja. 22.4 pav. Poringosios dalelės struktūros kitimas (a, b, c) ekstrahuojant kietąją medžiagą Panagrinėsime kietosios medžiagos ekstrakcijos kinetiką. 22.5 pav. Koncentracijų lauko kitimas ekstrahuojant kietus tikslinius komponentus 22.5 pav. pavaizduotas koncentracijos persiskirstymas ekstrahuojant kietąją medžiagą. Dešinėje dalyje parodytas koncentracijos pasiskirstymas medžiagai paprastai fiziškai tirpstant ekstrahente, o kairėje – chemiškai tirpstančio reagento ir reakcijos produktų (cR ir cB) pasiskirstymas. 22.4. Ekstrakcijos ir tirpimo metodai Chemijos technologijoje naudojami pagrindiniai ekstrakcijos ir tirpimo procesai skirstomi taip: 1) periodinis procesas; 2) pasrovinis ir priešsrovinis procesai; 3) procesas nejudančiajame sluoksnyje. Periodinis procesas atliekamas aparatuose su maišikliais arba pneumatinio maišymo aparatuose. Pneumatinio maišymo agentą (orą), jei reikia, galima panaudoti oksidavimui. Intensyviai maišant, kietosios dalelės juda kintamu greičiu ir kintama kryptimi, tai atsilikdamos nuo jas apiplaunančio skysčio srauto, tai jį aplenkdamos. Tokiomis sąlygomis atsiranda laikui bėgant kintantis aptekėjimo greitis, sąlygojamas kietųjų dalelių inercijos. Esant tokiam inerciniam režimui, susidaro palankios sąlygos tirpimo ir ekstrakcijos procesą paspartinti, nors jo varos jėga, sistemai artėjant prie pusiausvyros, mažėja. Silpnai maišant, kietosios dalelės skystyje būna pakibusios, t. y. gana ilgai juda paeiliui į viršų kylančiame ir besileidžiančiame skysčio srautuose. Tokiomis sąlygomis visas jų paviršius apiplaunamas skysčiu, bet aptekėjimo greitis šiuo atveju nusakomas dalelių sunkio jėga ir yra mažesnis už atitinkamus inercinio režimo greičius. Pasrovinis ir priešsrovinis procesai atliekami nuolatinio veikimo aparatuose ir yra plačiai naudojami pramonėje. Tirpinant arba ekstrahuojant aparatuose su maišyklėmis į juos nepertraukiamai tiekiama ir iš jų šalinama kietoji medžiaga ir skystis. Tačiau tokio nuolatinio proceso intensyvumas mažėja, nes į aparatą tiekiama kietoji medžiaga reaguoja su tirpalu, kurio koncentracija dėl intensyvaus maišymo aparate artima soties koncentracijai. Tai sumažina ekstrakcijos proceso varos jėgą, o kartu ir greitį, palyginti su vidutiniu vienos operacijos greičiu periodinio proceso metu, kai analogiškos sąlygos susidaro tik baigiamojoje stadijoje. Be to, pavieniame aparate dalis kietosios medžiagos dalelių peršoka proceso zoną, todėl šių dalelių buvimo trukmė gali būti nepakankama dideliam ekstraktyvo išgavimo laipsniui pasiekti. Todėl ekstrakcija ir tirpimas atliekamas nuosekliai sujungtų aparatų su maišyklėmis, per kuriuos suspensija teka savitaka, kaskade. Tokioje schemoje (22.6 pav.) srautams judant pasroviui proceso varos jėga nuo pakopos į pakopą po truputį mažėja, tačiau ne tokiu laipsniu, kaip viename aparate su maišykle, kuriame su šviežiu tirpikliu maišosi proceso pabaigoje susidaręs koncentruotas tirpalas. Tokiose kaskadose, gautose sujungiant nuo 3 iki 6 aparatų, pasiekiamas gana didelis išgavimo laipsnis. Kaskadose procesas vyksta efektyviau, kai srautai juda priešpriešiais. Kietosioms dalelėms judant prieš skysčio srautą, aparatų kaskados gale tiekiamas šviežias tirpiklis sąveikauja su dideliu laipsniu ekstrahuota medžiaga, o kitame kaskados gale pradinė kietoji medžiaga apdorojama koncentruotu tirpalu. Taip pasiekiamas tolygesnis aparatų darbas: tame įrenginio gale, kur tiekiamas tirpiklis, pasiseka padidinti išgavimo laipsnį iš kietosios medžiagos porų gilumos, o priešingame gale – efektyviai panaudoti koncentruotą tirpalą ekstrakcijai nuo kietosios medžiagos gabaliukų (grūdelių) paviršiaus. Todėl padidėja tirpalo koncentracija, sumažėja tirpiklio sąnaudos ir padidėja aparatūros našumas. 22.6 pav. Nuosekliai sujungtų aparatų 1 su maišyklėmis 2 kaskada, srautams judant pasroviui Priešsrautiniuose aparatuose smulkiosios dalelės sugaudomos skysčiu judančiu kietosios fazės judėjimui priešinga kryptimi. Todėl du pasroviniai aparatai gali būti sujungti taip, kad veiktų priešsrautiniu principu. Ekstrakcijos procesuose gautas tirpalas turi būti atskirtas nuo kieto netirpaus likučio (suspensijos), kuris šiam tikslui yra išplaunamas. Plaunama filtruose, centrifugose arba nusodintuvuose. Nuolatiniuose ekstrakcijos procesuose dažniausiai naudojamos priešsrautinės plovimo schemos, pvz., nuolatinio veikimo būgniniuose vakuuminiuose filtruose. 22.5. Ekstraktorių ir tirpinimo aparatų konstrukcija ir veikimo principas 22.7 pav. pavaizduota aparatų maišytuvo ir nusodintuvo sistema, susideda iš trijų modulių, kurių kiekvieną sudaro aparatas 1 su maišikliu, nusodintuvas 2 su sraigtiniu transporteriu 3 arba kita transportavimo priemone, rinktuvas 4 ir siurblys 5. Kietoji fazė transportuojama tirpalo judėjimui priešinga kryptimi; susidaro priešsroviniai srautai. 22.7 pav. Ekstraktorių maišytuvo ir nusodintuvo sistema, kurioje srautai juda prieš srovę: 1 – aparatai su maišikliais, 2 – nusodintuvai, 3 – sraigtiniai transporteriai, 4 – rinktuvai, 5 – siurbliai 22.8 pav. Priešpriešinių srautų ekstraktorius: 1 – korpusas, 2 – rėmeliai, 3 – ritinėlių grandinė, 4 – varantysis velenas 22.8 pav. pavaizduota priešsrovinio nuolatinio veikimo dviejų kolonų aparato schema. Jis įdėtas į stačiakampio formos skerspjūvio korpusą 1, kurio viduje juda ritinėlių grandinės 3. Prie grandinių pritvirtinti stačiakampiai rėmeliai 2, aptempti tinkleliu, ant kurio išsidėsto kietoji medžiaga. Kai kurių konstrukcijų aparatų rėmeliai yra pakeisti perforuotais krepšeliais. Palyginus aparatus su priešpriešiniais srautais (22.7 ir 22.8 pav.), matyti, kad maišytuvo ir nusodintuvo aparate (22.7 pav.) dėl intensyvaus maišymo tirpimo (ekstrakcijos) greitis yra didesnis negu 22.8 pav. pavaizduotame aparate. Prie nuolatinio veikimo priešpriešinių srautų aparatų priskiriami karuseliniai ekstraktoriai (22.9 pav.), kurių besisukantis rotorius 1 pertvaromis 2 suskirstytas į sekcijas 3. Kiekviena sekcija užpildoma pradine dispersine medžiaga (žaliava) ir, vieną kartą apsisukusi, automatiškai iškraunama. Būtina rotoriaus sukimosi trukmė priklauso nuo to, kokį ekstrakcijos laipsnį reikia pasiekti. Rotoriaus sukimosi greitį galima reguliuoti plačiame intervale, kartu reguliuojant ekstrakcijos trukmę. Ekstrahentas tiekiamas į kiekvieną sekciją, kurioje jis filtruojasi pro medžiagos sluoksnį ir renkasi tarpiniame inde. Iš tarpinio indo vėl tiekiamas priešsrautiniu principu kitai sekcijai laistyti. 22.9 pav. Karuselinis ekstraktorius: 1 – rotorius, 2 – pertvara, 3 – sekcija 22.10 pav. Sluoksnis aparatas: 1 – kolona, 2 – separatorius, 3 – žiedo formos latakas, 4 – paskirstymo tinklelis Perspektyviais laikomi vadinamieji sluoksniniai aparatai (22.10 pav.). Į cilindro formos koloną 1 pro apatinį atvamzdį nepertraukiamai tiekiamas skystis, kuris filtruojasi pro iš viršaus žemyn slenkantį kietosios medžiagos sluoksnį. Didelės koncentracijos tirpalas, įtekantis į kolonos išsiplečiančiąją dalį 2, kuri vaidina separatoriaus vaidmenį, pro šoninį atvamzdį išteka iš aparato ir perdirbamas toliau. Kieta pradinė dispersinė medžiaga nepertraukiamai tiekiama pro pakrovimo vamzdį ir pašalinama aparato apatinėje dalyje. Judantis kietosios medžiagos sluoksnis gali būti tankus arba pseudoverdančiosios būsenos. Aparato skiriamasis bruožas yra didelis tūrinis našumas ir paprasta konstrukcija. Kai kurių sluoksninių aparatų korpusas turi apvalkalinį šilumokaitį, kuris reikalingas medžiagai ekstrahuoti arba tirpinti nurodytoje temperatūroje. KRISTALIZACIJA 23.1. Kristalizacijos proceso fizikiniai pagrindai Kietosios fazės – kristalų susidarymas iš tirpalų, lydinių ir iš dujų arba garų vadinamas kristalizacija. Kristalizacija plačiai naudojama chemijos, naftos perdirbimo, metalurgijos, farmacijos, maisto ir kitose pramonės šakose tokiems tikslams: kristalinei fazei išskirti iš tirpalų ir lydinių, mišiniams perskirti dalinės vienkartinės arba daugkartinės kristalizacijos būdu, labai grynoms medžiagoms gauti arba priemaišoms iš jų išvalyti, auginant monokristalus. Didelio kiekio kristalų gavimas pramoniniu mastu vadinamas masine kristalizacija. Masinės kristalizacijos metu gaunamas birus produktas – įvairaus dydžio kristalai. Kiekvienos kietosios medžiagos kristalai turi specifinę geometrinę formą. Iš viso yra žinomos 32 kristalų simetrijos rūšys. Jos suskirstytos į 7 kristalografines sistemas, vadinamas singonijomis, – triklininę, monoklininę, ortorombinę, romboedrinę, tetragoninę, heksagoninę, kubinę. Kristalizacijos procesas vyksta tik tuomet, kai pradinė fazė yra persotintosios arba peraušintosios būsenos. Persotintaisiais vadinami tirpalai, kurių koncentracija didesnė už ištirpusios medžiagos tirpumą. Kadangi persotintieji tirpalai yra nestabilūs, tai iš jų išsiskiria perteklinis ištirpusios medžiagos kiekis, t. y. vyksta kristalizacija. Pasibaigus kristalizacijai gaunamas sotusis tirpalas. Toks tirpalas vadinamas likusiu tirpalu, nuo kurio kristalai atskiriami nusodinimu, filtravimu, centrifugavimu arba kitais metodais. Kristalizaciją sudaro dvi pagrindinės stadijos – kristalizacijos centrų arba užuomazgų susidarymas ir kristalų augimas, paprastai abi šios stadijos vyksta tuo pačiu metu. Kai kristalizacijos centrų susidarymo greitis yra didesnis už kristalų augimo greitį, tai gaunama daug smulkių kristalų. Jeigu kristalizacijos centrų susidarymo greitis mažesnis už kristalų augimo greitį, gaunama mažiau kristalų, bet jie būna stambesni. Kristalizacijos centrų susidarymas prasideda ne visame tirpalo arba lydinio tūryje, o tik tam tikruose taškuose; tai gali būti įvairios mechaninės priemaišos, aparato sienelės šiurkštumo elementai ir kiti atsitiktiniai veiksniai. Tolygiam kristalizacijos centrų atsiradimui visame tirpalo arba lydinio tūryje paspartinti į aparatą tiekiami priedai – smulkios besikristalizuojančios medžiagos dalelės, kurios ir yra kristalizacijos centrai. Kai reikia gauti didelius kristalus, kristalizaciją pradedančių centrų skaičius turi būti nedidelis. Pramonėje ir laboratoriniuose tyrimuose dažniausiai naudojama kristalizacija iš tirpalų ir lydinių. Kristalizacija iš tirpalų paprastai išgaunamos ir perskiriamos arba išgryninamos ištirpusios neorganinės medžiagos. Šiuo atveju kristalizacija vyksta žemesnėse temperatūrose negu kristalinant tas pačias medžiagas iš jų lydinių. Kristalizacijos iš tirpalų procesas yra atvirkščias tirpimui. Todėl kristalizacijos šiluminis efektas lygus tirpimo šiluminiam efektui su priešingu ženklu. Tirpdama medžiaga šilumą sugeria, o kristalizuodamasi ją išskiria ir atvirkščiai. Kai kada šie efektai, vykstant šalutiniams procesams, pvz., susidarant kristalų hidratams ir kt., gali būti nevienodi. Pramonėje naudojami du kristalizacijos metodai: izoterminis, kai persotintasis tirpalas gaunamas išgarinant dalį tirpiklio, esant pastoviai tirpalo koncentracijai (temperatūra taip pat pastovi), ir izohidratinis, kai persotintasis tirpalas gaunamas aušinant ir išlaikant tirpiklio masę pastovią, ką rodo metodo pavadinimas. Be paminėtų pagrindinių kristalizacijos metodų, pramonėje dar naudojamas išsūdymas, kai dedama priedų (druskų, rūgščių ir kt.), sumažinančių besikristalizuojančių medžiagų tirpumą. Nagrinėti kristalizacijos pavyzdžiai yra tik fizinis kristalų fazės susidarymo procesas. Kristalizacija su chemine reakcija vadinama aduktyviąja kristalizacija. Taip kristalizuojant, į tirpalą pridedama reagento, su išsiskiriančia medžiaga sudarančio kompleksinį junginį – aduktą. Gautus kompleksinius kristalinius junginius atskyrus nuo tirpalo, atliekamas jų terminis skaidymas, kurio metu tikslinis produktas atskiriamas nuo pridėto ir kompleksą sudarančio reagento. Kristalizacijos procesas gali būti periodinis ir nuolatinis. Periodinis naudojamas mažiems, o nuolatinis – dideliems tirpalo kiekiams perdirbti. Skiriamos šios pagrindinės technologinio kristalizacijos proceso stadijos: persotintojo tirpalo paruošimas, kristalizacijos centrų susidarymo sužadinimas, kristalų augimas, susidariusių kristalų išskyrimas iš tirpalo ir išskirtos kristalinės medžiagos džiovinimas bei tolesnis perdirbimas. Medžiagų tirpumas skystuose tirpikliuose priklauso nuo tirpstančių medžiagų ir tirpiklių cheminės kilmės, temperatūros ir slėgio. Pramoniniuose procesuose kaip tirpiklis dažnai naudojamas vanduo, taip pat kai kurie organiniai junginiai – spiritai, angliavandeniliai ir kt. Daugelio medžiagų tirpumas, kylant temperatūrai, didėja. Temperatūrai sumažėjus, tokie tirpalai tampa persotinti ir pereina į nenuostoviosios pusiausvyros būseną, kurios trukmė priklauso nuo nukrypimo nuo pusiausvyros dydžio, ištirpusios medžiagos ir tirpiklio savybių. Iš šios būsenos tirpalui pereinant į pusiausvyros būseną, išsiskiria kristalai, t. y. prasideda kristalizacija. Ribiniam (maksimaliam) persotinimui turi įtakos ištirpusios medžiagos ir tirpiklio savybės, tirpalo temperatūra, aušinimo greitis, priemaišų buvimas, mechaninis poveikis ir t. t. Todėl ribinis (maksimalus) persotinimas nustatomas eksperimentiškai arba apskaičiuojamas pagal empirines lygtis. 23.5. Kristalizatorių konstrukcija ir veikimo principas Pagal tai, kaip gaunamas persotintasis tirpalas ir pašalinama dalis tirpiklio, skiriami: a) natūraliai aušinami, b) priverstine oro srove aušinami, c) vandeniu arba aušinimo tirpalu aušinami ir d) vakuuminiai kristalizatoriai. Paprasčiausi yra natūraliai aušinami kristalizatoriai. Dažniausiai tai yra pailgos, atviros stacionarios arba svyruojančios dėžės, kuriose pakabintos juostos, tinklai arba vietoj jų dugne įrengtas juostinis transporteris. Dalis tirpiklio išgaruoja savaime, ir tirpalas pamažu vėsta. Gaunamas persotintasis tirpalas, iš kurio medžiaga kristalizuojasi ant pakabintų tinklų bei vielų arba juostinio transporterio, kuriais susidarę kristalai pašalinami iš kristalizatorių. Likęs tirpalas nupilamas, ir vėl kristalizuojama nauja tirpalo porcija. Šio tipo kristalizatoriai nenašūs, užima daug vietos, todėl jų naudojama nedaug. Pagal kristalų susidarymo ir jų augimo sąlygas kristalizatoriai skirstomi į: 1) paviršinius, kuriuose kristalai susidaro ir auga ant aušinamo arba šaldomo paviršiaus; 2) tūrinius, kuriuose šie procesai vyksta visame tūryje; 3) mišrius, kuriuose kristalai susidaro ir auga ant šaldomo paviršiaus ir visame tūryje. Tūriniai kristalizatoriai dar skirstomi į pasrovinius (juose tirpalas ir kristalinė fazė juda ta pačia kryptimi), kristalizatorius-talpyklas (kristalizuojamoji sistema visiškai sumaišoma) ir cirkuliacinius (sudaroma priverstinė tirpalo cirkuliacija). Cirkuliaciniuose kristalizatoriuose pasiekiamas didelis savitasis našumas ir gaunami geros kokybės kristalai, todėl pramonėje jie dažnai naudojami. Pagal tai, kaip sudaromos persotinimo sąlygos, kristalizatorius galima skirstyti į tris grupes: 1) izohidratinius (palaikoma pastovi tirpalo masė), 2) vakuuminius (sudaromas vakuumas) ir 3) išgarinančiuosius (dalis tirpalo išgarinama). Paviršiniai kristalizatoriai. 23.7 pav. pavaizduota izohidratinio būgninio paviršinio kristalizatoriaus konstrukcijos schema. Tokiuose kristalizatoriuose dažniausiai kristalizuojamos druskos, kurių tirpumas, mažėjant temperatūrai, gerokai mažėja. Aparatą sudaro horizontalus besisukantis būgnas 1 su dvigubomis sienelėmis, tarp kurių cirkuliuoja pro tuščiavidurius velenus 4 tiekiamas aušinimo vanduo. Būgnas panardintas į lovyje 2 esantį kristalizuojamąjį tirpalą arba lydalą. Kad nesikristalizuotų per anksti, lovys įdėtas į apvalkalą 5, kuriame cirkuliuoja tirpalą šildantys garai. Būgno sukimosi greitis būna nuo 0,1 iki 1 m/s. Per vieną būgno apsisukimą jo paviršiuje atsiradusių nuosėdų sluoksnis nužeriamas peiliu 3. Būgniniai kristalizatoriai dažniausiai naudojami kristalizuojant iš lydalų arba iš nedaug likusio tirpalo turinčių tirpalų. Šių kristalizatorių trūkumu laikoma tai, kad juose susidaro smulkūs kristalai, todėl į kristalus patenka visos pradiniame tirpale esančios priemaišos. 23.7 pav. Būgninis kristalizatorius: 1 – būgnas, 2 – vežimėlis arba lovys, 3 – peilis kristalams pašalinti, 4 – tuščiaviduriai velenai, 5 – garų apgaubas Lydalams kristalizuoti taip pat naudojami juostiniai kristalizatoriai (23.8 pav.). 23.8 pav. Juostinis kristalizatorius: 1, 5 – būgnai, 2 – talpykla, 3 – bortelis, 4 – kristalų sluoksnis, 6 – surinkimo talpykla, 7 – šepečiai, 8 – judančioji juosta Šaldant lydalą iš apačios, kristalų sluoksnis 4 formuojasi ant begalinės juostos 8. Lydalas ant juostos gali būti tiekiami įvairiais būdais: vientisu sluoksniu, juostomis ir t. t. Ant juostos pasilikę kristalai nuvalomi metaliniais šepečiais 7. Prie tūrinių natūraliai aušinamų kristalizatorių priskiriamas nuolatinio veikimo svyruojantysis kristalizatorius (23.10 pav.). 23.10 pav. Nuolatinio veikimo svyruojantysis kristalizatorius: 1 – lovys, 2 – ritinėliai, 3 – bandažai, 4 – pertvaros Kristalizatorių sudaro nuo 10 iki 15 m ilgio atviras lovys, turintis bandažus 3, kuriais jis remiasi į ritinėlius 2. Lovys pagal išilginę ašį yra pasviręs nedideliu kampu. Valdomas specialia pavara (23.10 pav. ji neparodyta) lovys lėtai svyruoja ant ritinėlių. Tirpalas aušinamas aplinkos oru. Toks procesas neintensyvus. Dėl lėto tirpalo judėjimo ir aušinimo mažėja kristalizacijos centrų susidarymo greitis, todėl tokiuose kristalizatoriuose susidaro stambūs (10...15 mm) kristalai. Jie būna taisyklingos formos, nes yra gerai apiplaunami tirpalo. Tokiuose aparatuose kristalai gali slysti, todėl atsiranda išilginis tirpalo maišymasis ir gaunamas smulkių kristalų produktas. Šiam reiškiniui išvengti lovyje 1 įrengiamos skersinės pertvaros 4. Didelis svyruojančiųjų kristalizatorių pranašumas yra tai, kad juose esančiame tirpale nebūna judančių dalių. Tačiau aparatai gana dideli, nelabai našūs, dėl tirpalo garavimo gamybinėse patalpose gali susidaryti netinkamos darbo sąlygos ir kt. Paviršiniai-tūriniai arba mišrūs kristalizatoriai. Prie tokio tipo kristalizatorių galima priskirti būgninius kristalizatorius, kuriuose tirpalas aušinamas oru (23.17 pav.). 23.17 pav. Būgninis kristalizatorius, kuriame tirpalas aušinamas oru: 1 – besisukantis būgnas, 2 – pavara, 3 – bandažai Kristalizatoriaus korpusą sudaro truputį pasviręs variklio per reduktorių 2 sukamas būgnas 1 su bandažais 3. Karštas tirpalas, tiekiamas į viršutinį būgno galą, nepertraukiamai maišomas ir aušinamas oru, judančiu priešinga kryptimi, negu juda tirpalas. Ant vidinio būgno paviršiaus susidarę kristalai neturi įtakos kristalizatoriaus našumui, nes tirpalas aušta tiesiogiai liesdamasis su oru. Šiems kristalams šalinti būgno viduje pagal visą jo ilgį įmontuotos judančios grandinės, kurios, būgnui sukantis, nudaužo kristalus ir jie maišosi su pagrindine jų mase būgne. MEMBRANINIAI PROCESAI Skystųjų medžiagų mišiniai paprastai perskiriami distiliacijos, rektifikacijos, ekstrakcijos, adsorbcijos ir kitais metodais. Iš jų naujausi yra membraniniai procesai, atliekami naudojant puslaides membranas. 24.1 pav. Membraninio perskyrimo proceso schema: A ir B – tirpalo komponentai, M – membrana Membraniniai procesai nuo kitų procesų skiriasi tuo, kad masės pernašos metu fazes skiria pertvara, vadinama membrana (24.1 pav.). Pro membraną pratekėjęs komponentas vadinamas permiatu (lot. permeare – praeiti, pratekėti), o sulaikytasis komponentas – retantu. Membraniniai procesai iki šiol buvo aiškinami skirtinga komponentų skverbtimi pro membraną, dabar literatūroje randasi ir naujesnių membraninių procesų aiškinimo teorijų. Chemijos ir naftos perdirbimo pramonėje membraniniai procesai naudojami azeotropiniams ir artimų virimo temperatūrų komponentų mišiniams perskyrti; šilumai neatsparioms medžiagoms išskirti; cheminių reakcijų pusiausvyrai perstumti, pašalinant vieną iš reakcijos produktų; tirpalams valyti ir koncentruoti; stambiamolekuliams junginiams bei koloidiniams tirpalams išskirti iš tirpalų ir smulkiamolekuliams komponentams (druskoms, rūgštims, alkoholiams) bei dujoms iš jų valyti; mineralinėms druskoms perskirti; gamtiniam vandeniui, technologiniams ir nutekamiesiems vandenims valyti bei gryninti. Biotechnologijoje ir medicinos pramonėje membraniniai metodai naudojami biologiškai aktyvioms medžiagoms, vakcinoms, fermentams išskirti bei valyti; maisto pramonėje – vaisių ir daržovių sultims koncentruoti, pienui tirštinti, aukščiausios kokybės cukrui gaminti. Pastaraisiais metais intensyviai kuriami dujinių mišinių perskyrimo procesai, pvz., deguonies išskyrimas iš oro, oro prisodrinimo deguonimi, helio ir sieros dioksido išskyrimas iš gamtinių dujų. Puslaides membranas naudoti ekonomiška: galima kurti naujas, paprastas, mažai energijos imlias ir ekologiškas technologijas, ypač kai jos derinamos su rektifikacija, adsorbcija ir ekstrakcija. Membraninių procesų pranašumais laikytina tai, kad jie yra ekonomiški, mažai imlūs energijos, ekologiški, juos galima naudoti kartu su rektifikacija, adsorbcija, ekstrakcija. Pagrindiniai membraniniai išskyrimo metodai yra atvirkštinis osmosas, ultrafiltravimas, mikrofiltravimas, dializė, elektrodializė, išgarinimas pro membraną. Kadangi membraninis procesas yra lėtas masės pernešimo būdas, tai reikalingi dideli membranų paviršiai, o membranos kol kas yra brangios: priklausomai nuo membranų medžiagos jų 1 m2 kainuoja nuo 2500 iki 5000 eurų. Membranos jautrios staigiems slėgio pokyčiams, smūgiams. Tai didžiausi membraninių procesų trūkumai. Per membraną praėjusi skiriamojo mišinio dalis praturtėja vienu arba grupe per puslaidę membraną prasiskverbusių komponentų, o tiekimo pusėje pasilikusi mišinio dalis tą komponentą arba komponentų grupę praranda. Kartais procesas vyksta iki galo, tada produkte (permiate arba retante) beveik nebūna priemaišų. Membraniniai procesai klasifikuojami pagal jų varos jėgos pobūdį. Membraninio proceso varos jėga yra cheminis (krūvio neturinčių dalelių srauto) ir elektrocheminis (krūvį turinčių dalelių srauto) potencialo pokytis. Kadangi šiuos potencialus nustatyti sunku, tai tokių procesų techniniuose skaičiavimuose varos jėga dažnai yra laikomi kiti paprasčiau nustatomi veiksniai, nusakantys proceso greitį. Baromembraninių procesų, pvz., atvirkštinio osmoso, nano-, ultra- ir mikrofiltravimo, bei pergarinimo per puslaidę membraną, toks veiksnys gali būti slėgio pokytis membranoje; difuzinių membraninių procesų, pvz., dializės, išgarinimo pro membraną, membraninio dujų perskyrimo, – koncentracijos skirtumas abipus membranos; elektromembraninių procesų, pvz., elektrodializės, elektroosmoso, – elektrinio potencialo pokytis membranoje; termomembraninių procesų, pvz., membraninio distiliavimo, – temperatūros pokytis. Kai kurių membraninių procesų varos jėgą gali nusakyti du ar net daugiau veiksnių. Membranų darbas nusakomas jų atrankumu ir našumu, (angl. flux) bei separacijos koeficientu. Membranų atrankumas, arba, kaip anksčiau buvo vadinama, selektyvumas  , %, parodo, kokiu laipsniu membrana praleidžia ar sulaiko vieną iš komponentų iš 1 kg mišinio, ir aprašomas tokiu santykiu: ; (24.1) čia c1 ir c2 – atitinkamai medžiagos koncentracija pradiniame mišinyje ir produkte. Separacijos koeficientas parodo mišinio perskyrimo laipsnį, kuris išreiškiamas ne procentais, o vienetais. Našumas (laidumas) G, kg/(m2s) arba m3/(m2s), išreiškiamas permiato (filtrato) tūriu arba mase per laiko  vienetą nuo membranos darbinio paviršiaus ploto F vieneto. Kadangi realūs membraniniai procesai vyksta lėtai, tai jų našumas dažniausiai matuojamas kg/(m2h) arba m3/(m2h): . (24.2) 24.1. Membranos Membrana – tai puslaidė kieta arba skysta pertvara, praleidžianti visus (pralaidi) arba tik dalį tam tikrų skystų ar dujinių mišinių komponentų (puslaidė). Pagal kilmę membranos būna gyvulinės, augalinės ir sintetinės – organinės ir neorganinės, pagal struktūrą – porėtos ir neporėtos, pagal mechanines savybes – spūdžios ir nespūdžios. Membranoms keliami tokie reikalavimai: didelis atrankumas ir našumas arba laidumas; cheminis atsparumas terpei; pakankamas mechaninis atsparumas montuojant, transportuojant ir laikant; savybių pastovumas eksploatavimo metu (gali pakisti tik keletu procentų). Membranų gamybai naudojami įvairūs polimerai (acetilceliuliozė, poliamidai, polisulfonai), keramika, stiklas, metalo folija. Polimerinės membranos gali būti porėtos (porous) ir neporėtos (dense), arba difuzinės. Porėtosios membranos plačiai naudojamos atvirkštinio osmoso, mikro- ir ultrafiltravimo, pergarinimo, rečiau – dujų perskyrimo procesuose. Jos turi tiek anizotropinę, tiek izotropinę struktūrą. Anizotropinės struktūros membranų storis gali kisti nuo 10...20 nm iki 10 m ir daugiau. Šis sluoksnis vadinamas aktyviuoju, selektyviuoju arba atrankiuoju. Jis sudaro vadinamąjį selektyvumo barjerą. Mišinio komponentai perskiriami būtent šiuo sluoksniu, esančiu skiriamojo mišinio pusėje. Po aktyviuoju sluoksniu yra nuo 100 iki 200 m storio stambių porų sluoksnis (nešiklio arba pagrindo sluoksnis). Šio sluoksnio storis gali būti ir didesnis, net iki keleto milimetrų. Nešiklio sluoksnis, esantis po aktyviuoju sluoksniu, padidina membranos mechaninį atsparumą. Anizotropinės struktūros membranos pasižymi dideliu pralaidumu, eksploatuojant lėčiau užsikemša jų poros. Šių membranų naudojimo trukmė nusakoma membranos medžiagos cheminiu atsparumu darbinėse terpėse. Izotropinės struktūros membranoms būdingas greitas laidumo sumažėjimas dėl porų užsikimšimo koloidinėmis arba mišiniuose pakibusiomis (suspenduotomis) dalelėmis. Difuzinės, arba neporėtos, membranos naudojamos dializėje dujų ir skysčių mišiniams perskirti išgarinant juos pro membraną. Paprastai jos būna neporėtos. Tai kvazidifuziniai geliai. Taip pat tai gali būti metalo pagrindo ar keraminės membranos, bet tuo atveju dėl koncentracijos gradiento pokyčio tirpiklis ir ištirpusi medžiaga teka pro kristalinę ar metalinę gardelę (molekulinė difuzija). Proceso greitis priklauso nuo prasiskverbiančių dalelių ir membranos medžiagos tarpusavio aktyvacijos energijos, nuo membranos matricos atskirų dalių judrumo ir difunduojančiųjų komponentų savybių. Difuzijos greitis tuo didesnis, kuo silpnesni polimerinės grandinės grandžių tarpusavio ryšiai gelio sluoksnyje, t. y. kuo labiau brinksta membrana. Dėl to difuzinių membranų gamybai geriausiai tinka liofilinės medžiagos. Molekulių difuzijos greitis proporcingas difuzijos koeficientui, kuris priklauso nuo molekulių dydžio ir formos, todėl difuzines membranas geriausia naudoti vienodų savybių, bet skirtingos formos ir dydžio komponentams perskirti. Difuzinių membranų laidumas senstant beveik nekinta. Dėl didelio hidrodinaminio pasipriešinimo jas geriau naudoti ultraplonų plėvelių, pritvirtintų prie porėto pagrindo, pavidalu. Porėtosios ir difuzinės membranos gaminamos lakštų, vamzdelių formos arba tuščiavidurio pluošto (skersmuo 20...100 m, sienelės storis 10...50 m) pavidalo. Puslaidėse membranose esančios poros pagal skersmens dydį sąlygiškai skirstomos į mikroporas (jų spindulys r 10-7 m). 24.1.2. Kietos struktūros membranos Prie kietos struktūros membranų priskiriamos metalinės ir keraminės membranos, porėtojo stiklo, padengtosios, dinamiškosios membranos ir t. t. Metalinės membranos gaminamos: • demineralizuojant arba sublimuojant vieną iš lydalo komponentų. Joms būdingas didelis porėtumas ir labai siauras porų pasiskirstymas pagal dydį. Tokių membranų porų dydis 0,1...6 m; prireikus jas galima dar sumažinti, membranoms gaminti naudojant metalinę foliją; • sukepinant metalo miltelius aukštoje temperatūroje. Porų dydis – nuo kelių mikrometrų iki dešimtųjų ar šimtųjų mikrometro dalių. Metalinių membranų pranašumai: vienoda porų struktūra ir dydis; atsparumas bakterijų poveikiui; cheminis atsparumas įvairiose terpėse. Jas galima valyti atgaline vandens ar kito skysčio srove arba kaitinant. Keraminės membranos dažniausiai būna dvisluoksnės arba trisluoksnės (kompozicinės). Pagrindo porų dydis 3,0...15 m. Ant jo klojamas membraninis keleto mikrometrų storio sluoksnis (Al, Ti, Zr oksidai). Paprastai keraminės membranos elementas gaminamas virbalo pavidalo (dažniausiai šešiakampio, kurio skersmuo gali kisti nuo kelių (kapiliarai) iki kelių dešimčių, pvz., 40, milimetrų). Dažnai naudojamo 10 mm skersmens 0,7...1 m ilgio virbalo viduje darbiniam paviršiui padidinti daromos išilginės angos – tuščiaviduriai 4...6 mm skersmens cilindrai, kurių vidinis paviršius padengiamas atrankiaisiais sluoksniais, dažniausiai zolių ir gelių arba kietosios fazės (metalų oksidai plius įvairūs priedai) nusodinimu ant pagrindo. Keraminės membranos naudojamos mikro- ir ultrafiltravimo procesuose, taip pat agresyvioms terpėms perskirti ir valyti įvairiose temperatūrose, tarp jų ir aukštose temeratūrose. Porėtojo stiklo membranoms būdingas didelis cheminis atsparumas ir struktūros kietumas, jų neveikia mikroorganizmai. Jas galima naudoti plataus pH verčių intervalo (1...10) tirpalams perskirti. Gaminamos plokštelių, vamzdelių, kapiliarų, tuščiavidurio pluošto pavidalo membranos. Jas galima sterilizuoti termiškai ir chemiškai. Kapiliarinių porėtojo stiklo membranų gamybos technologija paremta kapiliarų iš šarminio boro silikatinio stiklo formavimu, apdorojimu rūgštimis, siekiant pašalinti iš stiklo masės vieną sudedamųjų dalių. Keičiant terminio ir cheminio apdirbimo režimus, galima gauti įvairaus porėtumo (su 2,0...100 nm dydžio poromis) membranas. Padengtosios membranos priklausomai nuo gamybos būdo skirstomos į įmirkomąsias ir užpurškiamąsias. Gaminant įmirkomąsias membranas, kaip porėtasis pagrindas naudojamas porėtas nerūdijantysis plienas arba kermetinės (sitalinės) pertvaros. Poras mažinančios medžiagos – netirpios druskos, kurios susidaro porų paviršiuje reaguojant specialiai parinktiems druskų tirpalams. Porėtasis pagrindas keletą parų mirkomas sočiajame kokios nors druskos (pvz., CuSO4) tirpale ir išdžiovinamas. Po to jis parą laikomas tokios druskos (pvz., K4[Fe(CN)]6) tirpale, kad reakcijos metu susidarytų netirpios nuosėdos (šiuo atveju vario heksaciano feratas). Užpurškiamosios membranos gaunamos pagrindo makroporas (rečiau mezaporas) užpurškiant įvairiomis medžiagomis (iš tirpalų ar polimerų bei metalų lydalų), galinčiomis prikibti prie pagrindo medžiagos. Keičiant užpurškiamo sluoksnio storį, galima kryptingai reguliuoti membranų porų dydį. Užpurškiamosios membranos pavyzdžiu gali būti organinių junginių (akrilonitrido, kumolo, etilbenzeno, piridino, dichloretano ir daugelio kitų) plazminės polimerizacijos būdu ir po to einančiu polimerų nusodinimu ant porėtojo pagrindo pagamintos membranos. Plazmine sinteze gaunamos sausos membranos, todėl jas lengviau transportuoti ir laikyti. Polimerizacijos metu galima reguliuoti membranos polimerizuoto, t. y. aktyvaus, sluoksnio storį, naudoti daug polimerų, nusodinti aktyvųjį sluoksnį ant įvairių formų ir medžiagų pagrindo. Šios membranos palyginti greitai pagaminamos. Kai kurių šalių literatūroje šis metodas vadinamas CVD padengimo metodu. CVD metodu labai sunku užpurkšti membranas ant vamzdinių paviršių. 24.1.3. Skystosios membranos Skystosiose membranose didžiausią pasipriešinimą medžiagos pernašai sudaro šios medžiagos difuzija pro skystą plėvelę, kuri gaunama šiais būdais: 1) plona skysta plėvelė susidaro laisvai arba separatoriaus sienelės ar sieto, skiriančio du tirpalus, ertmėse; 2) plonas skysčio sluoksnis (arba plėvelė) susidaro tarp dviejų lygiagrečių polimerinių plėvelių; 3) skysta plėvelė susijungia su pagrindo medžiaga ir užkemša jos poras; 4) „membraninis“ skystis apgaubia skysčio lašelius (dispersinė fazė), pasiskirsčiusius kitame skystyje (dispersijos terpe), t. y. sistema tampa emulsija. Pirmaisiais dviem būdais gautų skystų membranų paviršius būna palyginti nedidelis (apie 10 m2 viename aparato kubiniame metre), ketvirtuoju būdu gautų membranų paviršius būna didžiausiais (keletas tūkstančių kvadratinių metrų viename aparato kubiniame metre). Todėl pramonėje perspektyviausios yra skystosios membranos emulsinėje sistemoje. Skystosios membranos gali efektyviai perskirti tiek vandenines, tiek nevandenines sistemas. Jos taikomos sunkiųjų metalų jonams, fenoliui, amoniakui ir kitiems junginiams išskirti iš tirpalų. Medžiaga, tekanti pro skystąją membraną, joje ištirpsta, difunduoja pro ją ir po to patenka į kitą skystąją fazę. Kuo membrana plonesnė, tuo greičiau pernešama medžiaga. Pramonėje dažnai susiduriama su tepalo emulsija vandenyje ir vandens emulsija tepale. Šiai sistemai stabilizuoti naudojamos paviršinio aktyvumo medžiagos – emulgatoriai, kurie dažnai būna nejonogeninio pobūdžio. Paviršiaus įtempis tarp dviejų nesimaišančių skysčių palengvina emulsijos susidarymą. Emulgatoriai turi saveikauti tiek su vandeniu, tiek su tepalu, t. y juos turi sudaryti amfoterinės molekulės, kurių viena dalis (hidrofilinė) turi polinę struktūrą, o kita (hidrofobinė) – nepolinę. Hidrofilinė molekulės dalis yra vandenyje, o hidrofobinė – tepale. Mechaniškai apdorojant sistemą, pvz., maišant, didesnio paviršiaus įtempio fazė tampa disperguota, o mažesnio paviršiaus įtempio fazė sudaro dispersijos terpę. Skystosios membranos gali būti panaudotos skysčių ekstraktoriuose, pvz., purkštuvinėse kolonose arba rotoriniame-diskiniame ekstraktoriuje. Norint iš dispersinės fazės išskirti perneštąją medžiagą, emulsija suardoma terminiu arba elektrostatiniu būdu. 24.2. Fizikiniai cheminiai membraninių procesų pagrindai Kol kas bendro membraninių procesų mechanizmo nėra sukurta, todėl kiekvienas membraninis procesas nagrinėjamas atskirai, nes šių procesų mechanizmai gali gerokai skirtis. Tiriant ir analizuojant membraninių procesų mechanizmus, būtina atkreipti dėmesį į tris pagrindinius veiksnius: 1) membranos struktūrą pagal storį (porėta, neporėta, izotropinė); 2) perskiriamosios sistemos fizikines chemines savybes (ypač termodinamines); 3) perskiriamojo tirpalo ir membranos medžiagos sąveiką. Neįvertinus bent vieno iš šių veiksnių, galima gauti klaidingą nagrinėjamojo membraninio proceso mechanizmo modelį. Perskiriamosios medžiagos ir polimerų membranos sąveikos jėgų dydis kinta plačiame intervale. Silpnos sąveikos jėgos, kurias daugiausia nusako difuzija, gaunamos, pvz., pro membranas skverbiantis dujoms. Tuo paaiškinamas nedidelis įvairių dujų skverbties pro to paties tipo polimerines membranas greičių skirtumas. Skverbties pro skirtingų savybių polimerus greitis gali skirtis 105 kartų. Toks didelis skirtumas aiškinamas polimerų grandinių, kurios priklauso nuo molekulių dydžio ir poliškumo, judrumu ir lankstumu. Didelę įtaką perskiriamųjų medžiagų pernašai per membraną turi tirpiklių, pvz., vandens, struktūrinės savybės ir jų poveikis membranai. Vandenyje yra vandeniliniais ryšiais susijusių molekulių grupių, sudarytų iš šimtų molekulių. Tokių molekulių grupių patvarumas priklauso ne tik nuo temperatūros, bet ir nuo ištirpusių medžiagų kilmės, fizinių ir cheminių membranos savybių. Hidrofobinės membranos stengiasi atstumti vandens molekules; vidutinio poliškumo grupės (COO–, NH2–, OH–) ardo vandenilinius ryšius molekulių grupėse, todėl pro membraną prateka daugiau vandens. Hidrofilinėse (acetilceliuliozinėse) membranose didelė vandens dalis esti sujungta ir iki -80 °C neužšąla. Kapiliarinis vanduo iš membranos pasišalina lengviau, jis gali solvatuoti druskų jonus ir pernešti juos per membraną. Polimero molekulę solvatavęs vanduo būna nejudrus, jis uždaro membranos poras ir negali solvatuoti ištirpusių druskų jonų. Tai labai svarbu aiškinant membranos atrankumą. Didinant membranos hidrofiliškumą ir atsižvelgiant į vandens, kaip tirpiklio, prasiskverbiančio pro membraną, vaidmenį, galima didinti membranų atrankumą ir pralaidumą. Polimerinių membranų hidrofiliškumą galima didinti didinant hidrofilinių ir mažinant hidrofobinių polimero, iš kurio pagaminta membrana, makromolekulių grupių skaičių. Skysčio ir kietojo kūno sąlyčio vietoje veikia paviršinės jėgos (adhezija, paviršiaus įtempis, molekulinė trauka). Su membranos medžiaga sujungto kraštinio skysčio sluoksnio, savybės (klampa, dielektrinė skverbtis) gali skirtis nuo likusio skysčio savybių. Skysčių mišinių paviršinių sluoksnių sudėtis yra kitokia nei tūrio viduje ir tai turi įtakos perskiriant organinių medžiagų mišinius. Kintant tirpalo paviršinio sluoksnio sudėčiai ir struktūrai, jo kai kurių fizikinių cheminių savybių (pvz., klampos, dialektrinės skverbties) vertės yra kitokios nei nuo tų pačių savybių vertės tirpalo viduje. Vandens dialektrinės skverbties sumažėjimas rodo vandens molekulių judrumo sumažėjimą, o tai sumažina sujungto vandens gebą tirpinti. Ar keičiasi nepoliškų skysčių pakraščio sluoksnio savybės, nepastebėta. 24.2.1. Baromembraniniai procesai Baromembraninių procesų varos jėga yra slėgių skirtumas abipus membranos. Jiems priskiriami molekulinė separacija, atvirkštinis osmosas, nano-, ultra- ir mikrofiltravimas. 24.1 lentelėje pateiktos baromembraninių procesų naudojimo sąlygos. 24.1 lentelė. Baromembraninių procesų skirstymas Procesas Atvirkštinis osmosas, dializė, molekulinė separacija Nanofiltravimas Ultrafiltravimas Mikrofiltravimas Filtravimas Dalelių dydis, m 0,0001...0,003 0,001...0,005 0,005...0,05 0,05...10,0 > 10,0 Ištirpusios medžiagos, jonai, molekulės Makromolekulės, virusai Labai mažos dalelės Mažos dalelės Didelės dalelės Atvirkštinis osmosas yra procesas, atvirkščias natūraliam osmosiniam procesui. Osmosas – tai natūrali, arba savaiminė, tirpalo tėkmė pro puslaidę membraną iš mažesnės koncentracijos pusės į didesnės koncentracijos pusę (24.4 pav., a). Jį sukelia osmosinis slėgis, kuris priklauso nuo tirpalo tipo, ištirpusios medžiagos ir jos koncentracijos. Kai osmosinis slėgis abiejose pusėse susilygina (24.4 pav., b), susidaro osmosinė pusiausvyra ir tirpalas tekėti negali. Slėgis, kuriam esant susidaro pusiausvyra, vadinamas osmosiniu slėgiu. Kai didesnis slėgis sudaromas didesnės koncentracijos tirpalo pusėje, atsiranda atgalinis tekėjimas. Tada tirpalas teka iš didesnės koncentracijos pusės į mažesnės koncentracijos pusę. Šis procesas vadinamas atvirkštiniu osmosu (24.4 pav., c). Tirpalų osmosinis slėgis gali siekti dešimtis megapaskalių. Darbinis slėgis atvirkštinio osmoso įrenginiuose turi būti gerokai didesnis, nes jų našumas priklauso nuo proceso varos jėgos – darbinio ir osmosinio slėgių skirtumo. Atvirkštinio osmoso varos jėga P idealiai atrankios arba selektyvios membranos atveju (kai  = 100 %) išreiškiama lygtimi: ; (24.3) čia P – darbinis slėgis; 3 – osmosinis pradinio tirpalo slėgis prie membranos paviršiaus. 24.4 pav. Masės pernešimo osmosu per membraną schema Kadangi membranos nėra idealiai atrankios arba selektyvios ir tam tikras ištirpusios medžiagos kiekis prateka pro jas, proceso varos jėga ; (24.4) čia 2 – osmosinis produkto slėgis. Kadangi pradinio tirpalo slėgį 3 prie membranos nustatyti sunku, jis prilyginamas pradinio tirpalo osmosiniam slėgiui 1, t. y. 3  1. 24.5 pav. Membranų laidumo aiškinimas Pagal selektyviosios skverbties kapiliarinės filtracijos modelį į elektrolito tirpalą panardintos liofilinės membranos paviršiuje ir porų viduje (24.5 pav.) susidaro ts storio paviršinis sujungto vandens sluoksnis, kuris nedalyvauja tirpinimo procese ir neprateka pro membraną, nes sujungto vandens tirpinamoji geba sumažėja. Jonai arba molekulės, kurių netirpina membranų porose sujungtas vanduo, pro membraną neprasiskverbia. Kuo storesnis šis sluoksnis ir kuo didesnis hidratuotas jonas, tuo atrankesnė, arba selektyvesnė, yra membrana. Remiantis tyrimais nustatyta, kad atvirkštiniam osmosui naudojamų membranų medžiaga turi būti liofilinė, t. y. porų skersmuo (25.5 pav.) neturi viršyti dvigubo sujungto vandens sluoksnio storio ir hidratuoto katijono skersmens sumos (d  2ts + dhidr.jono); hidrauliniam pasipriešinimui sumažinti tikslinga gaminti anizotropinės struktūros membranas arba kompozicines membranas su plonu aktyviuoju sluoksniu. Visų membranų, kai darbo slėgiai viršija osmosinį, atrankumas susijęs su jonų hidratacijos šiluma. Minėto ryšio lygtys nurodomos platesniuose atvirkštinio osmoso aprašymuose. Ultra- ir mikrofiltravimas yra stambiamolekulių ir smulkiamolekulių junginių tirpalų perskyrimo, taip pat jų frakcionavimo ir koncentravimo procesas. Jis vyksta esant slėgių skirtumui abipus membranos, panašiai kaip paprasto filtravimo metu. Ultrafiltravimas, skirtingai nuo atvirkštinio osmoso, naudojamas sistemose, kuriose ištirpusio komponento molekulinė masė daug didesnė už tirpiklio molekulinę masę. Kadangi stambiamolekulių junginių osmosinis slėgis mažas (neviršija dešimtųjų megapaskalio dalių), todėl, skaičiuojant ultrafiltravimo proceso varos jėgą, į jį neatsižvelgiama. Ultrafiltruojama 0,2...1,0 MPa slėgyje. Jeigu ultrafiltruojami gana didelės koncentracijos tirpalai arba jeigu sulaikoma medžiaga susikaupia ant membranos, tai, skaičiuojant proceso varos jėgą, reikia atsižvelgti į stambiamolekulių medžiagų tirpalų osmosinį slėgį prie membranos paviršiaus ((24.4) lygtis). 24.2.2. Difuziniai membraniniai procesai Šių procesų varos jėga dažniausiai yra koncentracijos arba slėgio pokytis membranoje, o ribojančioji proceso stadija yra difuzija. Jie taikomi dujiniams ir skystiems mišiniams perskirti. Membraninis dujų perskyrimas – tai mišinio komponentų perskyrimas arba jo prisodrinimas kurio nors komponento. Naudojant porėtąsias membranas su 0,005...0,03 m dydžio poromis, būtina, kad molekulės laisvojo kelio ilgis būtų didesnis už membranos poras, t. y. molekulių susidūrimų su poros sienelėmis dažnis būtų didesnis už molekulių tarpusavio susidūrimų dažnį. Kadangi pagal dujų kinetinę teoriją vidutiniai dujinių molekulių greičiai atvirkščiai proporcingi jų masės kvadratinei šakniai, tai komponentai pro membraną skverbiasi skirtingais greičiais. Permiate daugėja mažesnės molekulinės masės komponento, o retante arba koncentrate – didesnės molekulinės masės komponento. Mišinio perskyrimo koeficientas apskaičiuojamas pagal tokią lygtį: ; (24.5) čia n1 ir n2 – komponentų molių skaičius; M1 ir M2 – jų santykinės molinės masės Realiomis sąlygomis dėl dujų adsorbcijos ir kondensacijos membranose su makroporomis šis koeficientas gaunamas mažesnis už apskaičiuotąjį. Skysčiams perskirti šis parametras netaikomas. Knudseno, arba perskyrimo, koeficientas labai plačiai taikomas mezoporinėms ir mikroporinėms membranoms apibūdinti. Jei atrankumas, arba selektyvumas, yra mažesnis nei Knudseno koeficientas, tai laikoma, kad membranos turi defektų arba makroporų. Naudojant neporėtas membranas, dujos perskiriamos dėl skirtingų komponentų difuzijos greičių. Tokių membranų laidumas 2...3 kartus mažesnis nei porėtųjų, tačiau jų atrankumas didesnis. Dujų skverbimosi pro neporėtą polimerinę membraną proceso stadijos yra: dujų sorbcija ant membranos perskiriamojo mišinio pusėje; dujų difuzija pro membraną; dujų desorbcija kitoje membranos pusėje. Grynų dujų difuzija pro porėtąsias membranas gerai sutampa su jų difuzija mišiniuose, todėl gali būti naudojama parenkant membranų medžiagas. Realūs atskirų dujų ir jų mišinių procesai mikroporėse membranose nebūtinai turi sutapti, nes vienas komponentas gali būti blokuojamas adsorbcijos ir sunkiau praleidžiamas nei kiti komponentai. Didinant temperatūrą neporėtų membranų savitasis našumas G didėja, bet kartu mažėja jų atrankumas. Dujoms perskirti naudojamos polimerinės plėvelės ir tuščiaviduris pluoštas, o aparatai tinka tokie pat, kaip ir skysčiams perskirti. Membraninis dujų perskyrimas porėtosiomis membranomis naudojamas uranui sodrinti; radioaktyviajam kriptonui iš oro šalinti; heliui iš gamtinių dujų gauti ir kt. Membraninis dujų perskyrimas neporėtomis membranomis naudojamas vandeniliui išskirti iš dujų gaminant amoniaką (dažniausiai naudojamos paladžio lydinių metalinės membranos), orui sodrinti deguonimi, dujų terpei reguliuoti daržovių saugojimo kamerose, vandeniliui, amoniakui ir heliui išskirti iš gamtinių bei technologinių dujų, angliavandeniliams perskirti. Išgarinimu pro membraną vadinamas skystų mišinių perskyrimas esant skirtingiems komponentų pernešimo greičiams, kuriuos sąlygoja jų difuzijos koeficientų vertės. Iš pradinio tirpalo pro membraną į inertinių dujų srautą vakuumu nusiurbiami garai, kurie po to kondensuojasi kondensatoriuje. Taip pat naudojami išgarinimo pro membraną įrenginiai, kuriuose naudojama ne inertinė aplinka, o tik paprasčiausias vakuumas bei oras. Išskyrimo metu, naudojant polimerines neporėtas membranas, medžiaga tirpsta membranoje (sorbcija), difunduoja pro membraną ir yra desorbuojama vakuumo arba dujinės fazės kitoje jos pusėje. Naudojant keramines bei kitas porėtąsias membranas, medžiaga tiesiog adsorbuojama membranos paviršiuje. Garų sudėtis priklauso nuo temperatūros, membranos medžiagos, mišinio sudėties; slėgio įtaka maža. Greičiui padidinti tirpalas pašildomas iki 30...60 °C, o garų zonoje sudaromas vakuumas. Šiame procese naudojamos polimerų bei keramikos porėtosios ir neporėtosios membranos arba įvairius pagrindus dengiantys ploni jų sluoksniai, t. y. kompozicinės membranos. Tokios membranos pasižymi dideliu hidrodinaminiu pasipriešinimu, todėl jas tikslinga gaminti kaip kompozitus – ant porėto pagrindo sudarant ypač ploną atrankiąją plėvelę. Išgarinimą pro membraną geriausia naudoti azeotropiniams mišiniams, skirtingų klasių angliavandeniliams, organinių rūgščių vandeniniams tirpalams, ketonams perskirti, nuotekoms valyti, cheminių reakcijų pusiausvyrai pastūmti, pašalinant vieną iš produktų, arba reagentams selektyviai tiekti į reakcijos terpę. Dializės procesas vyksta dėl difuzijos pro puslaidę membraną, skiriančią skirtingų koncentracijų tirpalus, greičių skirtumo. Dažniausiai ji naudojama perskirti medžiagoms, kurių molekulinės masės (kartu ir difuzijos koeficientai) labai skiriasi. Susidaro koncentruotojo ir praskiestojo tirpalų koncentracijų skirtumas ir ištirpusios medžiagos skirtingais greičiais difunduoja pro membraną į mažesnės koncentracijos tirpalą. Tirpiklis (paprastai vanduo) juda į priešingą pusę ir sumažina ištirpusių medžiagų pernešimo greitį. Dializės greitis nusakomas pirmuoju Fiko dėsniu ((24.6) lygtis). Kaip puslaidės membranos naudojamas celofanas, acetilceliuliozės ir nitroceliuliozės plėvelės, mikroporėtasis polivinilchloridas. Dializė taikoma mažos molekulinės masės junginiams išskirti chemijos ir medicinos pramonėje, biocheminių preparatų gamyboje ir medicinoje. Daugeliu atvejų, kai virš perskiriamojo tirpalo galima sudaryti didelį slėgį, vietoj dializės naudojamas intensyvesnis membraninis procesas – ultrafiltravimas. 24.4. Membraniniai aparatai Aparatai, kuriuose komponentai perskiriami naudojant puslaides membranas, vadinami membraniniais aparatais. Jie turi atitikti šiuos reikalavimus: būti lengvai prižiūrimi; membranos turi turėti didelį savitąjį darbinį paviršių, m2/m3; skystis proceso metu turi tolygiai pasiskirstyti membranos paviršiuje ir tekėti pakankamai dideliu greičiu, kad būtų išvengta koncentracinės poliarizacijos įtakos; slėgio nuostoliai aparate turi būti nedideli. Pagal membranų formą skiriami membraniniai aparatai su plokščiais ir su vamzdiniais membraniniais elementais, su ritininėmis membranomis, su tuščiavidurio pluošto membranomis. Šie aparatai gali būti korpusiniai ir be korpuso. Pagal membranų išdėstymą membraniniai aparatai skirstomi į vertikaliuosius ir horizontaliuosius; pagal montavimo sąlygas – į surenkamuosius ir neardomuosius. Priklausomai nuo konstrukcijos ir įrenginių schemos aparatai gali veikti idealaus išstūmimo ir idealaus sumaišymo režimu. Plokščiųjų membraninių elementų aparatų membranos yra lakštinės, sudėtos abipus plokščio, porėto drenažo arba suformuotos tiesiai ant jo paviršiaus. Atstumas tarp gretimų membranų 0,5...5 mm. Tarp jų teka tirpalas. Jis iš eilės prateka visus membraninius elementus, koncentruojasi ir pasišalina iš aparato. Pro membraną į drenažą ištekėjęs tirpalas sudaro permiatą. Plokščiųjų membraninių elementų pranašumai yra paprasta jų gamyba ir priežiūra, mažas hidraulinis pasipriešinimas; trūkumas – mažas naudingasis plotas. Membraniniai elementai būna apvalūs (elipsiniai) ir stačiakampiai, arba kvadratiniai. Elementų forma turi didelę įtaką tirpalo tekėjimui virš membranos paviršiaus. 24.7 paveiksle pateikta srautų pasiskirstymo plokščiuosiuose elipsės formos membraniniuose elementuose schema. 24.7 pav. Plokščiųjų elipsės formos membraninių elementų aparato schema: 1 – flanšas, 2 – membraniniai elementai, 3 – kreipiamieji strypai, 4 – atraminės plokštės, 5 – membranos, 6 – pratekamasis žiedas, 7 – uždaromasis žiedas, 8 – aklė, 9 – vamzdelis, 10 – filtrato kolektorius Aparatą sudaro paketas elipsės formos membranų 2, esančių tarp apvalių flanšų 1. Jiems centruoti įrengti du kreipiamieji strypai 3, ant kurių galų užsukamos veržlės aparato sandarumui užtikrinti. Membraninius elementus sudaro atraminės plokštelės 4, kurių abiejose pusėse išdėstytos membranos 5. Angos membranose ir atraminėse plokštelėse tiksliai sutampa ir yra sandarinamos dviem užspaudžiamaisiais žiedais: pratekamaisiais 6 – nuo perskiriamojo mišinio tiekimo angų pusės ir uždaromaisiais 7 – nuo ištekėjimo angų pusės. Perskiriamajam tirpalui tiekti iš pratekamojo kanalo į tarpmembraninę erdvę ir toliau į pratekamąją angą, pratekamuosiuose žieduose yra radialinės įpjovos. Pratekamasis žiedas blogai įeina į lizdą, gaubiantį angą, ir taip pasiekiamas visų centruojamųjų angų ašių sutapimas ir patikimas pratekamųjų angų sandarumas ties siaurais membranų, įdėtų tarp žiedų 6 ir 7, krašteliais. Skiriamajam mišiniui paskirstyti po sekcijas viena atitinkamo membraninio elemento pratekamųjų angų yra uždaroma akle 8. Permiatas išleidžiamas atskirai iš kiekvieno membraninio elemento ir lanksčiu vamzdeliu 9 tiekiamas į bendrą kolektorių 10. Elipsinių ir apskritųjų membraninių aparatų trūkumai: neracionaliai naudojamos lakštinės medžiagos (membranų, atraminių plokščių), sunku sandarinti angas, tirpalas netolygiai teka pro tarpmembraninio kanalo skerspjūvį, gali susiformuoti užsistovėjimo zonos. Šių trūkumų neturi stačiakampiai plokščiamembraniai aparatai (24.8 pav.). 24.8 pav. Aparatas su nepertraukiamąja juostine membrana: 1 – flanšas, 2 – suveržiamasis varžtas, 3 – tankinamoji plokštelė, 4 – membrana, 5 – drenažo plokštė, 6 – skiriamoji plokštė Tarp varžtais 2 suveržiamų flanšų 1 įdėtos dvi sandarinamosios plokštelės 3, o tarp jų yra paketas pakaitomis sudėtų drenažo 5 ir skiriamųjų 6 plokštelių. Aparato skiriamasis bruožas tas, kad jame membrana nepjaustoma gabalais, o ja nuosekliai padengiamos visos drenažo plokštelės. Plokščiakamerių aparatų trūkumas yra nedidelis membranų savitasis paviršius (aparato 1 m3 tūriui – nuo 60 iki 300 m2), taip pat rankinis membranų keitimas. Aparatai su cilindrinėmis filtruojamosiomis membranomis. Tokie aparatai surenkami iš atskirų cilindrinių filtruojamųjų modulių (24.9 pav.). 24.9 pav. Membraninio aparato su cilindriniais filtruojamaisiais elementais schema Aparatų pagrindinė detalė – vamzdinis membraninis elementas (24.10 pav.), susidedantis iš membranos 2 ir drenažo karkaso 4. Drenažo karkasas gaminamas iš atraminio vamzdžio, užtikrinančio filtrato nutekėjimą, ir mikroporėtojo pagrindo 3. Vamzdinių aparatų membrana gali būti vamzdžio viduje (24.10 pav., a), išorėje (24.10 pav., b) ir kombinuoto išdėstymo (24.10 pav., c). 24.10 pav. Vamzdinio membraninio aparato elementų schema: a – membrana viduje, b – membrana išorėje, c – kombinuota konstrukcija; 1 – vamzdis, 2 – membrana, 3 – pagrindas, 4 – korpusas ir drenažo karkasas Plačiausiai naudojami aparatai su membrana vamzdžio viduje. Jų pranašumai: neturi korpuso; dėl trumpo drenažo kanalo mažas hidraulinis pasipriešinimas; geros membranos hidrodinaminės darbo sąlygos (tolygus srauto pasiskirstymas, didelis greitis, nėra užsistovėjimo zonų); mechaninis membranų valymas neišardant aparato; mažesnė tikimybė pažeisti membranų sluoksnį; patogus membraninių elementų tvirtinimas; patikimas aparato sandarinimas. Trūkumai: mažas savitasis membranų paviršius (60...200 m2/m3); reikia labai tiksliai pagaminti ir mechaniškai apdirbti vidinį drenažo karkaso paviršių; negalima vizualiai kontroliuoti membranų formavimo proceso. Formuojant membraną vamzdžio išorėje, galima gauti mažų skersmenų membranų elementus ir gerokai padidinti savitąjį membranų paviršių aparate, nereikia labai tiksliai apdirbti drenažo karkaso ir galima kontroliuoti membranos formavimo procesą. Tačiau šiems aparatams reikia daug medžiagų (reikalingas korpusas, palaikantis darbinį slėgį), blogos hidrodinaminės sąlygos, juos sunku valyti, keičiant vamzdelius lengva pažeisti atrankųjį membranų sluoksnį. 24.6. Membranų valymo būdai Membranų eksploatavimo trukmė, be kitų veiksnių, labai priklauso ir nuo to, kaip buvo paruoštas tirpalas prieš tiekiant jį į membraninį aparatą, ir nuo parinktos darbo schemos. Užsiteršusių membranų pradinėms savybėms atkurti naudojami įvairūs valymo būdai. Mechaninio valymo metu užsiteršęs paviršius valomas muilinu šepetėliu, kempine. Taip valomos tik vamzdinės membranos. Plokščiakamerinių aparatų membranoms valyti galima naudoti kietus rutuliukus, kurių medžiagos tankis artimas perdirbamojo tirpalo tankiui. Mikroporinės membranos šiuo būdu valomos retai, nes labai lengva pažeisti filtruojamąjį paviršių. Valant hidrodinaminiu būdu membrana yra veikiama atgaline pulsuojančia vandens ar tirpalo srove; kanalas plaunamas dujų ir skysčio emulsija. Valymo efektyvumui pagerinti padidinamas srauto turbulentiškumas; membrana atgaline kryptimi prapučiama suslėgtu oru arba išplaunama filtratu; staigiai sumažinamas slėgis. Hidrodinaminiai būdai paprasti ir pigūs, tačiau jais pašalinamos tik netvirtai su membrana sukibusios nuosėdos. Fiziškai valant membrana yra veikiama įvairiais laukais (elektriniu, magnetiniu, akustiniu). Tai perspektyvus metodas, nes membranas galima valyti nestabdant membraninio proceso. Valant cheminiu būdu membranos plaunamos įvairiais reagentais (pavyzdžiui, silpnais vandenilio chlorido, citrinos, rūgštynių rūgščių, sodos tirpalais). Tai palyginti brangus metodas, nes naudojami cheminiai reagentai, be to, jis netinka chemiškai neatsparioms membranoms valyti. DŽIOVINIMAS 25.1. Džiovinimo proceso teorijos pagrindai Drėgmės pašalinimo iš medžiagos procesas vadinamas džiovinimu. Chemijos ir maisto bei kitose pramonės šakose džiovinimo procesas plačiai taikomas, kai medžiagoje esanti drėgmė blogina jos fizikines chemines savybes, kai drėgmę būtina šalinti dėl tolesnio medžiagos apdorojimo ypatumų ar tiesiog kai norima sumažinti transporto išlaidas. Džiovinamos ne tik kietos drėgnos medžiagos, bet ir suspensijos, kuriose drėgmės yra gerokai daugiau nei kietosios medžiagos. Medžiagose esanti drėgmė gali būti pašalinta šiais metodais: 1) mechaniniais (presuojant, filtruojant, centrifuguojant ir kt.), 2) fizikiniais cheminiais (sugeriant drėgmę higroskopinėmis medžiagomis, pvz., kalcio chloridu, sieros rūgštimi), 3) šiluminiais (išgarinant drėgmę ir garus pašalinant nuo medžiagos paviršiaus). Mechaninis drėgmės pašalinimo metodas yra paprasčiausias ir pigiausias, tačiau po jo medžiagoje neišvengiamai lieka šiek tiek drėgmės. Fizikinis cheminis metodas dažniausiai taikomas, kai norima, kad išdžiovinta medžiaga, ilgiau laikoma patalpoje, neadsorbuotų iš aplinkos drėgmės. Plačiausiai tiek buityje, tiek pramonėje naudojamas šiluminis metodas, kurį ir nagrinėsime šioje dalyje. Džiovinamajai medžiagai šilumą galima perduoti konvekciniu, radiaciniu, kontaktiniu ir mišriuoju (konvekciniu-radiaciniu) būdais. Džiovinimo proceso metu iš kietos medžiagos pašalinama ne tik drėgmė, bet ir prie jos paviršiaus susikaupę garai. Medžiagai džiūstant, vyksta difuzinis procesas, t. y. drėgmė garuoja (difunduoja) nuo medžiagos paviršiaus į aplinką ir difunduoja iš vidinių sluoksnių į paviršių. Konvekciniu būdu medžiaga džiovinama sauso (šilto) oro arba dūmų srautu. Džiovinimo agentas perduoda dalį savo šilumos džiovinamajai medžiagai, todėl suintensyvėja drėgmės garavimo procesas, o susidarę vandens garai su tuo pačiu srautu pašalinami į aplinką. Taikant radiacinį džiovinimo būdą, šiluminė energija (infraraudonieji spinduliai) džiovinamajai medžiagai perteikiama spinduliavimo būdu nuo įkaitusių paviršių ir kt. Džiovinant kontaktiniu būdu, medžiaga šildoma prie jos priglaustu įkaitintu paviršiumi. Šis būdas plačiai taikomas plonasluoksnėms medžiagoms džiovinti. Džiovinant kontaktiniu elektriniu būdu, gaminiai gali būti įjungiami į kintamosios srovės grandinę arba šildomi elektrinio šildytuvo varžomis. Džiovinant šiuo būdu nereikia specialių džiovinimo kamerų, gerai išdžiovinami stambūs fasoniniai gaminiai. Džiovinant dielektriniu būdu, medžiaga, kaip dielektrikas, dedama į aukštojo dažnio elektromagnetinį lauką. Dėl aukštojo dažnio srovės, t. y. elektromagnetinių virpesių, ima virpėti džiovinamosios medžiagos molekulės, todėl medžiaga džiūsta tolygiai. Kartais reikia džiovinti užšaldytas medžiagas arba esant dideliam vakuumui. Šis džiovinimo būdas vadinamas sublimavimu. Taip džiovinant drėgmė pasišalina aplenkdama skystąją fazę. Pramonėje dažniausiai džiovinama konvekciniu ir radiaciniu būdais. Džiovinimo procesas apibūdinamas džiovinimo statika ir kinetika. Džiovinimo statika nusako ryšį tarp medžiagos ir džiovinimo agento, arba džioviklio, pradinių ir galinių parametrų, t. y. čia nagrinėjami medžiagų ir šilumos balansai. Remiantis sudarytomis balansų lygtimis, apskaičiuojamas išdžiovintos medžiagos drėgnis, džioviklio ir šilumos sąnaudos ir kt. Džiovinimo kinetika nusakomas ryšys tarp medžiagos drėgnio kitimo laikui bėgant ir kitų proceso parametrų. Pagal atitinkamas lygtis galima apskaičiuoti džiovinimo trukmę ir režimą. Cheminėje technologijoje dažniausiai taikomas konvekcinis kietųjų medžiagų džiovinimas įkaitintu dujiniu džiovikliu. Drėgmės pašalinimo iš medžiagos procesas yra sudėtinis drėgmės ryšių su džiovinamąja medžiaga nutraukimo, jos migracijos kietoje medžiagoje iš giluminių sluoksnių link medžiagos paviršiaus, agregatinės būsenos iš skystosios į garų fazę pasikeitimas ir drėgmės garų pasišalinimas iš paviršinio sluoksnelio į dujinį džioviklį. Drėgmė su džiovinamąja medžiaga gali būti susijusi stipriais cheminiais arba silpnesniais fizikiniais cheminiais bei fizikiniais mechaniniais (adsorbciniu, osmosiniu bei kapiliariniu) ryšiais, kuriems nutraukti reikalingas tam tikras energijos kiekis. Keičiantis drėgmės agregatinei būsenai iš kondensuoto skysčio į garų, taip pat sunaudojama energija ne tik ryšiams tarp agreguotų skysčio molekulių nutraukti, bet ir garų plėtimosi darbui atlikti (garų susidarymo šiluma). Džiovinimo metu lygiagrečiai vyksta masės ir šilumos pernašos procesai. 25.2. Džiovinamos medžiagos pusiausvyros būsenos charakteristikos Džiovinimo proceso metu drėgna medžiaga tiesiogiai kontaktuoja su aplinka, kurioje nuolat yra tam tikras drėgmės kiekis ir į kurią pereina iš medžiagos pasišalinę garai. Fizikine prasme džiovinimas yra šilumos ir masės mainų procesas, kurio metu dėl šilumos poveikio drėgmė iš gilesnių medžiagos sluoksnių skverbiasi į viršutinius, garuoja ir pasiskirsto aplinkoje. Džiovinamoji medžiaga pagal turimą drėgmės kiekį stengiasi pasiekti pusiausvyrą su drėgna aplinka. Todėl medžiaga negali būti išdžiovinta iki absoliučiai sausos būsenos. Likutinis pusiausvirasis medžiagos drėgnis priklauso nuo daugelio parametrų, bet pagrindiniai yra aplinkos temperatūra ir joje esančių garų kiekis bei pačios medžiagos hidrofilinės savybės. Kai vandens garais neprisotintų šildančių dujų srovė teka virš drėgnos medžiagos paviršiaus, dujų drėgnis didėja dėl medžiagos paviršiuje esančio skysčio garavimo. Tačiau garuojančio skysčio temperatūra mažėja, nes garų susidarymui sunaudojama šiluma. Ši šiluma skysčiui suteikiama iš dujų srauto. Nusistovėjus pusiausviriesiems šilumos pernašos iš dujinės aplinkos ir medžiagos paviršio skysčio garavimo greičiams, skystyje nusistovi tam tikra temperatūra, kuri vadinama šlapiojo termometro temperatūra ir žymima td. Šlapiojo termometro temperatūra dažniausiai nustatoma išmatavus drėgnu skudurėliu apvynioto termometro rutuliuko temperatūrą, nusistovėjus šilumos ir masės pernašos pusiausvyrai. Šlapiojo termometro temperatūra priklauso tik nuo oro temperatūros ir jo drėgnio. Ji nustatoma apvyniojus termometro rutuliuką skudurėliu, kurio kitas galas įmerktas į vandenį, ir dėl kapiliarinių jėgų poveikio skudurėlis yra nuolat drėkinamas. Garuojant nuo skudurėlio paviršiaus vandens garams, pažemėja oro sluoksnelio, kuris liečiasi su drėgnu skudurėlio paviršiumi, temperatūra, nes šis sluoksnelis atiduoda šilumą vandeniui išgarinti. Todėl drėkinamu skudurėliu apvynioto termometro rodoma temperatūra visada yra mažesnė už nesotaus aplinkos oro temperatūrą ta, kurią rodo sausasis termometras. Kaip jau buvo minėta, nustatant šlapiojo termometro temperatūrą, nei dujų drėgnis, nei jų temperatūra negali pastebimai keistis. Tačiau jei skysčio ir dujų fazių sąlyčio paviršius yra didelis, o garavimo greitis ir trukmė – taip pat dideli, tai dujos gali prisisotinti skysčio garų ir abiejų fazių temperatūros išsilygins. Tokios sąlygos gali susidaryti begalinio aukščio termiškai izoliuotoje kolonoje, į ją iš viršaus uždaru ciklu tiekiant temperatūros ts skystį, o į apatinę kolonos dalį tiekiant tam tikros temperatūros t bei drėgnio x dujas. Iš kolonos ištekančių dujų srauto temperatūra sumažėja iki ts, o jų drėgnis tampa xs (sočiųjų garų slėgį atitinkantis dujų drėgnis). Ši pusiausviroji temperatūra yra vadinama adiabatine soties temperatūra. Daugumos vandens garų sistemų drėgnojo termometro ir adiabatinė soties temperatūros yra labai artimos. Tačiau oro ir organinių skysčių (etanolio, n-butanolio, benzeno, tolueno, anglies tetrachlorido ir kt.) sistemų, kurių šilumos pernašos koeficientas kc yra gerokai didesnis už garų masės difuzijos koeficientą kD, drėgnojo termometro temperatūra yra aukštesnė už adiabatinę soties temperatūrą. Sauso ir drėgno termometrų rodomas temperatūrų skirtumas (t0 – td) vadinamas psichrometriniu skirtumu. Jis tuo didesnis, kuo sausesnis aplinkos oras, nes tuo didesnis yra ore esančių vandens garų slėgio pg ir skudurėlio paviršiuje esančių td temperatūros sočių garų slėgio pm skirtumas (pm – pg). Taigi, žinant psichrometrinį skirtumą, galima spręsti apie oro sausumą, t. y. apie ore esančių vandens garų kiekį, ir, naudojantis lentelėmis, nustatyti oro santykinį drėgnį (žr. 25.1 lent.). Jeigu tam tikroje temperatūroje oras bus visiškai prisotintas vandens garų, tai garų slėgis aplinkos ore bus lygus sočiųjų garų slėgiui drėgno skudurėlio paviršiuje. Vanduo nuo jo paviršiaus nebegaruos, o sauso ir drėgno termometrų rodmenys bus vienodi, t. y. psichrometrinis skirtumas bus lygus nuliui. Kad vanduo garuotų, jo garų slėgis pm džiovinamosios medžiagos paviršiuje turi būti didesnis už vandens garų slėgį pg aplinkoje, t. y. . (25.11) Garavimas, taigi ir džiovinimas, intensyvėja didėjant slėgiui pm, kuris yra tuo didesnis, kuo drėgnesnė medžiaga ir aukštesnė džiovinimo temperatūra. Slėgio pm dydis priklauso ir nuo ryšio tarp drėgmės ir medžiagos stiprumo. Džiūstant medžiagai, po tam tikro laiko pasiekiama drėgmės mainų pusiausvyra tarp medžiagos ir aplinkos, t. y. . (25.12) 25.2 pav. Pusiausvirojo absoliučiojo drėgnio kreivės (t1 h1), tai taškas C1 bus aukščiau už tašką C ir realaus džiovinimo proceso tiesė BC1 eis virš teorinio proceso linijos BC (kai h1 = const). Toks džiovinimo būdas yra efektyvesnis, nes didesnė džiovinimo proceso varos jėga: , taip pat mažesnės medžiagai džiovinti reikalingo oro sąnaudos. Džiovinamosios medžiagos paviršiaus temperatūra tm, nustatoma pagal izoentalpijos (td = const) ir  = 100 % kreivių susikirtimo taško temperatūrą, padidėja nedaug, t. y. tm1 yra tik šiek tiek didesnė už tm2 (25.5 pav.). 25.8. Džiovinimo schemos Dažniausiai naudojamos tokios džiovinimo schemos: pagrindinis, arba paprastasis, džiovinimas oru; džiovinimas papildomai pašildant orą; džiovinimas esant tarpiniam (laiptuotam) oro pašildymui; džiovinimas esant dalinei oro recirkuliacijai; džiovinimas dūmais. Pagrindinio, arbapaprastojo, džiovinimo procese (25.8 pav.) aplinkos oras, kurio parametrai t0, φ0, x0 ir h0, šildytuve (kaloriferyje) 1 pašildomas iki temperatūros t1. Šią temperatūrą atitinkančius kitus oro parametrus pažymėsime raidėmis φ1, x1, h1. Po to šiltas oras tiekiamas į darbinę džiovinimo kamerą 2, o iš jos išteka jau tokių parametrų: t2, φ2, h2. 25.8 pav. Pagrindinio, arbapaprastojo, džiovinimo proceso schema: a – pagrindinių oro parametrų t, x ir φ kitimas džiovinimo procese; b – realaus džiovinimo proceso vaizdavimas h–x diagramoje Džiovinimo procesas h–x diagramoje vaizduojamas laužtine linija ABC. Oro šildymą kaloriferyje (nuo t0 iki t1, kai x0 = x1, atitinka atkarpa AB, o drėgmės išgarinimą darbinėje džiovyklos ertmėje – linija BC. Tai dažniausiai taikomas džiovinimo variantas, nors tokiam džiovinimo procesui būdingas gana didelis temperatūrų (t1 – t2) skirtumas džiovykloje, t. y. griežtas režimas. Džiovinant papildomo oro pašildymo džiovyklose (25.9 pav.), oras iš pradžių pašildomas kaloriferyje (taškas B1), o paskui papildomai pašildomas džiovykloje (taškas B). Procesą vaizduoja linijos ABC. Temperatūrų skirtumas (t1 – t2) čia yra mažesnis ir džiovinimo režimas švelnesnis, negu taikant pagrindinį variantą. 25.9 pav. Džiovinimo papildomai pašildant orą schema ir proceso vaizdavimas h–x diagramoje Džiovyklų, kuriose oras pašildomas tarpiniu būdu (laiptuotai), darbo kameroje yra keletas papildomų šildytuvų, kurie dalija ją į zonas (25.10 pav.). h–x diagramoje visą džiovinimo procesą vaizduoja laužtinė linija ABCB CBC. Išgarinimo procesą antrojoje zonoje vaizduoja linija BC ir pan. Džiovykloje oras pašildomas tarpiniu būdu (linijos AB, CB, CB), todėl atskirose zonose susidaro švelnus džiovinimo režimas. Tokioje džiovykloje džiovinimo režimą galima reguliuoti gana plačiai. 25.10 pav. Džiovinimo esant tarpiniam (laiptuotam) oro pašildymui schema ir proceso vaizdavimas h–x diagramoje Dalinės recirkuliacijos džiovyklose dalis panaudoto oro sumaišoma su šviežiu oru ir gautuoju mišiniu džiovinama (25.11 pav.). Procesą vaizduoja laužtinė linija AMB1C. Joje taškas A rodo šviežio oro, C – panaudoto oro ir taškas M – į džiovyklą tiekiamo mišinio būseną. Tiesė AC vaizduoja šviežio ir panaudoto oro sumaišymą taške M, linija MB1 – mišinio pašildymą kaloriferyje ir linija B1C – džiovinimą (drėgmės išgarinimo ir medžiagos džiovinimo procesą). Šiuo atveju džiovinimo režimas yra gana švelnus; be to, palyginti su pagrindiniu variantu, čia ekonomiškiau naudojama šiluma. 25.11 pav. Džiovinimo esant dalinei oro recirkuliacijai schema ir proceso vaizdavimas h–x diagramoje 25.9. Džiovyklos Įrenginiai, kuriuose džiovinamos medžiagos, vadinami džiovyklomis. Kadangi džiovinti reikia labai skirtingas medžiagas, todėl džiovyklų yra įvairių konstrukcijų. Pagal slėgį virš džiovinamosios medžiagos džiovyklos skirstomos į atmosferines ir vakuumines, o pagal darbo režimą – į periodinio ir nuolatinio veikimo. Kadangi šiluma džiovinamajai medžiagai gali būti perduodama įvairiai, tai džiovyklos būna konvekcinės, kontaktinės, radiacinės, elektrinės ir mišriosios (konvekcinės radiacinės, aukštadažnės radiacinės ir kt.). Atsižvelgiant į džioviklio ir medžiagos judėjimą, džiovyklos skirstomos į pasrovines, priešsrovines, kryžmines, recirkuliacines arba nerecirkuliacines. Jose medžiagos gali būti džiovinamos karštu oru, dūmais, garais, elektra ir kt. Pagal technologinę paskirtį, skiriamos gabalinių, birių, skystų, tirštų medžiagų, suformuotų pusgaminių ir kt. džiovyklos. Apibūdinant džiovyklas pagal konstrukciją, atsižvelgiama į darbo kameros formą ir medžiagos judėjimo joje pobūdį. Pagal tai skiriamos kamerinės, tunelinės, būgninės, konvejerinės, vamzdinės, valcinės, pneumatinės, purkštuvinės, puraus sluoksnio ir kitokios džiovyklos. Norint tiksliai apibūdinti džiovyklą, paprastai reikia nurodyti keletą minėtųjų požymių (pvz., kontaktinė nuolatinio veikimo valcinė vakuuminė džiovykla). 25.9.1. Konvekcinės džiovyklos Kamerinės džiovyklos. Šio tipo džiovyklos yra periodinio veikimo. Pagrindinis šių džiovyklų pranašumas – konstrukcijos ir džiovinimo proceso paprastumas. Džiovinama vienoje ar keliose stačiakampėse kamerose. Priklausomai nuo džiovinimo temperatūros ir džiovinamosios medžiagos savybių kameros gali būti sumontuotos iš plytų, betono, metalo ir kitų medžiagų. Kamerų dydį lemia džiovinimo trukmė ir našumas. Džiovinamoji medžiaga, sukrauta ant lentynų 1 (25.13 pav.) arba vagonėlių, įstumiama pro tam tikras angas arba duris, kurios džiovinimo proceso metu yra sandariai uždaromos. 25.13 pav. Kamerinės džiovyklos schema Pro angą 4 į džiovyklą patekęs oras ventiliatoriumi 3 prapučiamas pro šildytuvą 2 ir apteka džiovinamąją medžiagą. Dalis panaudoto oro recirkuliuoja: jis sumaišomas su naujai tiekiamu oru ir grąžinamas atgal į džiovyklą. Džiovinimo režimas reguliuojamas keičiant sklendžių 5 ir 6 posvyrio kampą. Didžiausias kamerinių džiovyklų trūkumas yra gana didelės darbo jėgos ir energijos sąnaudos, sunku aptarnauti ir kontroliuoti procesą, medžiaga netolygiai džiūsta, džiovinimo ciklas ilgai trunka, nes medžiaga nejuda, pakraunant ir iškraunant kameras patiriama papildomų šilumos nuostolių. Dėl to savitosios šilumos sąnaudos periodinio veikimo kamerinėse džiovyklose yra didesnės negu nuolatinio veikimo džiovyklose, pvz., tunelinėse. Tunelinės džiovyklos. Šios džiovyklos yra nuolatinio veikimo. Jose dažniausiai džiovinami stambūs suformuoti pusgaminiai, pvz., keraminiai. Darbo kamerą sudaro ilgas tunelis, kuriame džiovinamoji medžiaga juda sukrauta ant vagonėlio platformos arba ant begalinės juostos. Tuneliai jungiami į blokus (po 8...10). Bendras tunelio ilgis gali būti – 30...40 m. Jame nutiesti bėgiai vagonėliams, kurie į džiovyklą įstumiami hidrauliniais arba mechaniniais stumtuvais. Tokių džiovyklų našumas yra didelis, darbo procesai čia automatizuoti. Didžiausias šių džiovyklų trūkumas yra tas, kad viršutinės gaminių eilės išdžiūsta geriau negu apatinės. Priešsrovinės tunelinės džiovyklos schema pateikta 25.14 pav. 25.14 pav. Tunelinės džiovyklos schema: 1 – vagonėliai, 2 – ventiliatorius, 3 – kaloriferis–šilumokaitis, 4 – durys, 5 – vagonėlių perstatymo ir paskirstymo keliai Tunelio viduje lėtai juda vagonėliai 1, prikrauti džiovinamosios medžiagos. Vagonėlių judėjimo greitis priklauso nuo džiovinamosios medžiagos ir šilumnešio (oro, dūmų) savybių. Šilto oro srautas ventiliatoriumi 2 per kaloriferį 3 pučiamas priešpriešiais medžiagos judėjimo krypčiai ir, aptekėdamas džiovinamąją medžiagą, ją džiovina. Džioviklio judėjimo greitis būna 2...5 m/s. Tunelio galai sandariai uždaromi durimis 4, kurios periodiškai atidaromos, ištraukiant vagonėlį su išdžiovinta medžiaga ir tuo pačiu metu įstumiant vagonėlį su drėgna medžiaga. Kad lengviau ir greičiau būtų galima iškrauti ir pakrauti džiovyklas, įrengiami vagonėlių paskirstymo keliai. Efektyviai pusgaminiai džiovinami daugiazonėse tunelinėse džiovyklose, kuriose karštas oras, panaudotas vienoje zonoje, sumaišytas su šviežiu oru ir pašildytas kaloriferyje, tiekiamas į kitą zoną papildomai panaudoti. Tunelinėse džiovyklose dažnai panaudojamas karštas oras, ištekantis iš tunelinės krosnies aušinimo zonos. Juostinės džiovyklos. Šios džiovyklos yra nuolatinio veikimo. Jos skirtos džiovinti birioms, granuliuotoms arba stambiadispersinėms medžiagoms, taip pat ir pusgaminiams. Medžiaga juda per darbo kamerą, sukrauta ant vienos arba ant kelių juostų. Be to, kameroje gali būti ir keliais aukštais įrengta begalinė juosta arba konvejerinė grandinė su prikabintais lopšeliais-lentynėlėmis, kuriuose yra džiovinamoji medžiaga. Daugiajuostę džiovyklą (25.15 pav.) sudaro stačiakampė kamera 2, kurioje juda kelios begalinės juostos 3. Jos pagamintos iš specialaus gumuoto audeklo, tinklo ir kt. Juostos judėjimo greitis – 0,005...0,01 m/s. Juostos kameroje įtempiamos varomaisiais 4 ir varančiaisiais 7 velenais. Ventiliatoriaus 6 pučiamas šviežias oras pirmiausia patenka į šildytuvą 5, kuriame įkaista ir yra nukreipiamas į džiovyklą. Medžiaga beriama tiektuvu 1. Oro greitis džiovykloje yra apie 3 m/s. 25.15 pav. Juostinės džiovyklos schema: 1 – tiektuvas, 2 – kamera, 3 – begalinė juosta, 4 – varomasis velenas, 5 – šilumokaitis, 6 – ventiliatorius, 7 – varantysis velenas Kilpinės džiovyklos. Šios džiovyklos (25.16 pav.) yra nuolatinio veikimo, ir jose pastos tirštumo medžiagos džiovinamos ant tankaus tinklinio audinio. Tiektuvu 1 medžiaga pilama ant begalinės juostos 3. Garais šildomi volai 2 įspaudžia medžiagą į tinklo akutes ir ji patenka į džiovinimo kamerą, kurioje juosta juda kilpomis. Išdžiūvusią medžiagą nukrato plaktukas 5. Iš džiovyklos ji toliau gali būti gabenama, pvz., sraigtiniu transporteriu. 25.16 pav. Kilpinės džiovyklos schema: 1 – tiektuvas, 2 – šildomieji volai, 3 – begalinė juosta, 4 – ventiliatoriai, 5 – medžiagos nukratymo plaktukas, 6 – sraigtinio transporterio tiekimo bunkeris Pašildytą orą pučia ventiliatoriai 4, įrengti abiejose kameros pusėse. Džiovykloje gali būti ir tarpiniai oro šildytuvai. Medžiagos sluoksnis būna nestoras ir iš abiejų pusių aptekamas šilto oro, todėl ji greitai džiūsta. Kilpinėse džiovyklose taip pat džiovinami tekstilės audiniai, popierius ir pan. Būgninės džiovyklos. Šios džiovyklos (25.17 pav.) plačiai naudojamos birioms bei gabalinėms medžiagoms (smėliui, moliui, anglims ir kt.) nepertraukiamai džiovinti. Dažniausiai džiovinama esant atmosferos slėgiui. Būgnas suvirinamas arba sukniedijamas iš 10...14 mm storio plieninių lakštų. Jo skersmuo būna nuo 1 iki 3,5 m, o ilgis – iki 30 m. Kad būtų mažesni šilumos nuostoliai, būgnas iš išorės padengiamas izoliacinių medžiagų sluoksniu, kuris iš išorės apdengiamas apsauginiu apvalkalu iš skardos lakštų. 25.17 pav. Būgninės džiovyklos schema: 1 – kūryklos kamera, 2 – latakas medžiagai tiekti, 3 – bandažas, 4 – džiovinimo būgnas, 5, 12 – būgno pavara, 6 – iškrovimo latakas, 7 – ciklonas, 8 – ventiliatorius, 9 – pertvaros medžiagai pakelti būgno viduje, 10 – atraminiai ritinėliai, 11 – variklis, 13 – dūmtraukis Ant būgno būna pritvirtinti ne mažiau kaip du plieniniai bandažai, kuriais jis remiasi į atraminių ritinėlių poras. Būgnas pasviręs 4...6 laipsnių kampu iškrovimo kryptimi ir sukasi apie savo ašį 3...6 aps./min greičiu, todėl medžiaga iš lėto slenka iškrovimo angos link. Kad medžiaga būgne turėtų didesnį sąlyčio su džiovikliu paviršiaus plotą, jo viduje prie sienelių įrengiamos įvairios pertvaros (išilginės mentelės, lentynėlės ir kt.,) (25.18 pav.). 25.18 pav. Džiovinimo būgne įrengiamų pertvarų tipai: a – pakeliančiųjų mentelių, b – sektorinių mentelių, c – atskirų nedidelių susisiekiančių sektorių, d ir e – perpylimo sektorių Tokios lentynėlės pakelia drėgną medžiagą kartu su būgnu aukštyn ir ši, pasiekusi tam tikrą aukštį, vėl krinta žemyn. Taip padidinamas sąlyčio paviršiaus plotas ir vis nauji medžiagos paviršiai yra aptekami džiovikliu. Išilginės mentelės (25.18 pav., a) įrengiamos džiovinant stambių gabaliukų pavidalo, prilimpančias medžiagas. Sektorinės perpylimo ir paskirstymo pertvaros (25.18 pav., b...e), sukantis būgnui, maišo džiovinamąją medžiagą, perpildamos ją nuo vienų mentelių arba lentynėlių ant kitų iš nedidelio aukščio, todėl yra skirtos gabalėlių pavidalo arba smulkiai dulkančiai medžiagai džiovinti. Kartais (pvz., džiovinant molį) būgne pakabinamos grandinės, kurios ne tik pagerina šilumos mainus, bet ir smulkina džiovinamosios medžiagos gabalus. Džioviklis ir medžiaga dažniausiai juda ta pačia kryptimi, todėl medžiaga neperkaista, nes aukščiausios temperatūros džioviklis pradžioje liečiasi su drėgniausia medžiaga. Be konvekcinių būgninių džiovyklų, naudojamos ir kontaktinės, kuriose džiovinamoji medžiaga tiesiogiai nesiliečia su džiovikliu. Čia džioviklis tiekiamas būgne nutiestais vamzdžiais. Pneumatinės džiovyklos. Šiose džiovyklose (25.19 pav.) džiovinamos birios smulkiagrūdės medžiagos: anglys, grūdai, smėlis ir kt. Medžiaga džiūsta pakibusi džiovinimo vamzdyje 1, kurio ilgis būna 10...20 m, o skersmuo 0,5...1,2 m. Į jį tiekiamos 300...800 C temperatūros karštos dujos. Dujų greitis vamzdyje – 10...30 m/s. Medžiaga gali būti džiovinama kylančiame (25.19 pav., a, c) arba besileidžiančiame (25.19 pav., b) dujų sraute. 25.19 pav. Pneumatinės džiovyklos schema: a – kylančio srauto, b – besileidžiančio srauto, c – džiovinimo ir smulkinimo Karštos dujos arba kaloriferyje 2 įšildytas oras ventiliatoriumi 6 pro atvamzdį 3 tiekiamas į vamzdį 1 (25.19 pav., a). Medžiaga į tą patį vamzdį 1 tiekiama tiektuvu 4. Išdžiovinta medžiaga nusodinama ciklone 5, o išvalytos dujos išpučiamos į atmosferą. 25.19 pav., c, pateikta schema džiovyklos, kurioje medžiaga iš pradžių susmulkinama ventiliatoriniame malūne 9. Iš jo medžiaga ir dujos patenka į džiovinimo vamzdį 1. Stambios dalelės separatoriuje 7 atskiriamos ir vamzdžiu 8 grąžinamos pakartotinai smulkinti. Kadangi čia džiovinama pasroviniu būdu, todėl medžiaga neperkaitinama, nors džioviklio temperatūra palyginti aukšta. Džiovinimo trukmė – keletas sekundžių, todėl šiose džiovyklose gali būti džiovinamos nelabai drėgnos ir gerai drėgmę atiduodančios medžiagos. Šio tipo džiovyklos yra efektyvios, kompaktiškos, tik jose sunku reguliuoti džiovinimo procesą ir sunaudojama daug energijos. Purkštuvinės džiovyklos. Šiose džiovyklose (25.20 pav.) džiovinamos skystos suspensijos ar emulsijos (dažai, kraujas, pienas – gaminant pieno miltelius ir kt.) kietos medžiagos dalelėms gauti. Skystis intensyviau džiūsta didėjant jo ir džioviklio sąlyčio paviršiui, t. y. džiūvimo intensyvumas priklauso nuo išpurškiamo skysčio dispergavimo laipsnio. Skystis išpurškiamas šiais būdais: išcentriniu, mechaniniu ir pneumatiniu. Norint išpurkšti išcentriniu būdu, džiovinamasis skystis tiekiamas ant greitai besisukančio disko. Diskų periferinis sukimosi greitis – 100...180 m/s. Jais galima išpurkšti suspensijas bei klampius skysčius. Purškiant mechaniniu būdu, skystis tiekiamas į purkštuvą 20,0 MPa slėgiu. Kadangi purkštuvo anga yra mažo skersmens (iki 0,5 mm), tai mechaniniai purkštuvai netinka suspensijoms ir klampioms medžiagoms išpurkšti. Purškiant pneumatiniu būdu, skystis į purkštuvus tiekiamas iki 0,15...0,5 MPa suslėgtu oru. 25.20 pav. Purkštuvinės džiovyklos schema: 1 – ventiliatorius, 2 – šilumokaitis–kaloriferis, 3 – džiovinimo kamera, 4 – sukamasis diskas, 5 – ciklonas, 6 – rankovinis filtras, 7 – sraigtinis transporteris Purkštuvinės džiovyklos geros tuo, kad medžiaga greitai išdžiūsta. Džiovinamos medžiagos temperatūra būna artima skysčio garavimo temperatūrai, o džioviklio temperatūra yra aukšta. Kadangi džiovinama medžiaga su džiovinimo agentu kontakte būna labai trumpą laiką, todėl šis būdas ypač tinka medžiagoms, kurios yra neatsparios aukštoje temperatūroje. Gautas produktas yra miltelių pavidalo, todėl toliau jo smulkinti nereikia. Šio tipo džiovyklų trūkumas yra nedidelis tūrinis intensyvumas, t. y. 2...25 kgdrėgmės/(m3h), todėl jų kameros būna didelių matmenų. Be to, jos naudoja daug energijos, šilumos ir yra gana sudėtingos konstrukcijos. 25.9.2. Kontaktinės džiovyklos Konvekcinėse džiovyklose šiluma džiovinamajai medžiagai perduodama nuo džioviklio – šilto oro ar dūmų, o kontaktinėse – nuo įkaitintų paviršių, prie kurių tiesiogiai liečiasi džiovinamoji medžiaga. Tokiose džiovyklose šildalas dažniausiai būna sotieji vandens garai, tačiau gali būti ir karštas vanduo arba tirpalas. Kai kuriais atvejais sienelė šildoma ir aukštojo dažnio srove. Šiluma visada perduodama per sienelę, kurios šilumos perdavimo koeficientas yra labai didelis. Valcinės (ritininės) džiovyklos. Šios džiovyklos yra nuolatinio veikimo. Jos turi vieną arba du volus ir gali būti atmosferinės ir vakuuminės. Džiovinamąją medžiagą kontaktiniu būdu šildo iš vidaus šildomo volo paviršius. Jis gali būti šildomas sočiaisiais vandens garais, karštu vandeniu ar kitais tirpalais. Tokiose džiovyklose gali būti džiovinamos suspensijos ar pastų pavidalo medžiagos. Virš džiovinamosios medžiagos gali būti palaikomas atmosferos slėgis arba vakuumas. Vakuuminėse džiovyklose volai dedami į hermetišką korpusą, kuriame vakuumą sudaro vakuuminis siurblys. Pvz., popierius džiovinamas daugiavalcėse džiovyklose. 25.27 pav. Valcinių džiovyklų schemos: a – vieno valco: 1 – spaudimo velenėlis, 2 – piltuvas, 3 – karštas volo paviršius, 4 – peilis, 5 – transporteris, 6 – prispaudimo juosta, 7 – prispaudimo velenėlis; b – dviejų valcų vakuuminė: 1 – ritinys (valcas), 2 – tiekimo vamzdis, 3 – vamzdis į vakuuminį siurblį, 4 – drėgna medžiaga, 5 – peiliai, 6 – sraigtai išdžiovintai medžiagai gabenti, 7 – sraigtas ištekėjusiai medžiagai surinkti Atmosferinė vienvalcė džiovykla, skirta pastos konsistencijos medžiagoms tuo pačiu metu džiovinti ir formuoti, parodyta 25.27 pav., a. Džiovyklą sudaro ritinys, kurį iš vidaus šildo 0,2...0,8 MPa slėgio garai. Ritinio paviršius įkaista iki 120...150 C. Tame paviršiuje yra 6...12 mm gylio išilginių griovelių, į kuriuos spaudimo velenėlis 1 įspaudžia iš piltuvo 2 tekančią pastą. Liesdamasi su karštu paviršiumi 3, medžiaga greitai išdžiūsta, ir peilis 4 nužeria ją ant transporterio 5. Kad iš džiūstančios medžiagos drėgmės susidarę vandens garai neišstumtų medžiagos iš griovelių, yra numatytas antrasis prispaudimo velenėlis 7 ir juosta 6. Valcų sukimosi dažnis parenkamas toks, kad, velenui apsisukus vieną kartą, medžiaga pakankamai išdžiūtų. Savitosios garų sąnaudos, esant 0,6 MPa slėgiui, sudaro 1,2...1,4 kg garų (kilogramui drėgmės). Dviejų valcų nuolatinio veikimo vakuuminė džiovykla parodyta 25.27 pav., b. Joje džiovinamos skystos ir tirštos medžiagos, kurių negalima ilgiau laikyti aukštoje temperatūroje. Valcai yra sandariame gaubte, kuriame vakuuminis siurblys ir kondensatorius sudaro vakuumą. Valcai iš vidaus šildomi garais. Medžiaga patenka ant jų iš viršaus (arba valcų apatinė dalis liečia džiovinamąją medžiagą). Vakuuminė džiovinimo kamera (25.28 pav.) yra paprasčiausia periodinio veikimo kontaktinė džiovykla. Pastaruoju metu jos plačiai taikomos džiovinti nedidelės apimties ir įvairaus asortimento dirbiniams. Vakuuminė džiovinimo kamera sudaryta iš cilindrinės, rečiau stačiakampės formos kameros 1, kurioje išdėstytos tuščiavidurės lentynos 3, šildomos karštais garais. Džiovinamoji medžiaga gali būti sudėta padėkluose 2 ant lentynų. Džiovinimo metu kamera sandariai uždaroma ir vakuuminiu siurbliu 5 per kondensatorių 4 sudaromas vakuumas. 25.28 pav. Vakuuminės džiovinimo kameros schema: 1 – kamera, 2 – padėklai su medžiaga, 3 – tuščiavidurės šildomosios lentynos, 4 – kondensatorius, 5 – vakuuminis siurblys Tokiose džiovyklose taip pat galima džiovinti lengvai užsidegančias, sprogias bei pavojingas dujas išskiriančias medžiagas. Tačiau jos yra nenašios.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!