Д.т.н., проф. Микулёнок И.О., Воронцов Н.Е.

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», г. Киев, Украина

средства стабилизации температуры рабочей среды

в оборудовании химических производств

Технологическое оборудование химических производств – машины, сосуды и аппараты – обычно эксплуатируют при температуре, отличной от температуры окружающего среды. При этом обеспечение стабильного температурного режима эксплуатации указанного оборудования является одним из наиболее важных факторов получения продукции высокого качества.

Необходимый тепловой режим химического процесса традиционно обеспечивают за счёт текучих теплоносителей или электрических нагревателей [1]. Однако такой подход предусматривает использование вспомогательного оборудования (станций подготовки промежуточного теплоносителя, обустройство теплоизоляции и т.д.), что не только увеличивает стоимость изготовления оборудования, но и его эксплуатации.

Авторами предложен новый подход обеспечения стабилизации температуры элементов технологического оборудования, контактирующих с обрабатываемыми в нём потоками. Так, стабилизацию температуры элементов технологического оборудования, взаимодействующих с сыпучими или текучими веществами, можно обеспечить за счёт изготовления указанных элементов из ферромагнитных материалов, которые имеют температуру Кюри, соответствующую температуре проведения технологического процесса. В качестве соответствующих материалов в первую очередь можно использовать различные бинарные и другие интерметаллиды с широким диапазоном температур Кюри (от 20–30 °С до 700–800 °С и выше [2]).

При этом элементы оборудования можно изготавливать полностью из указанных материалов, или предусматривать наличие в их конструкции соответствующих составляющих (как правило, съёмных).

Так, одним из первых видов оборудования с использованием предложенного эффекта является насадочный аппарат для проведения тепломассообменного процесса [3]. Указанный аппарат содержит полый корпус 1, снабжённый патрубками 2–5 и заполненный насадкой 6, при этом корпус выполнен из немагнитного материала. С внешней стороны корпуса на участке размещения насадки 6 смонтирована катушка индуктивности 7, а насадка 6 выполнена из магнитного материала с точкой Кюри, соответствующей температуре проведения тепломассообменного процесса в аппарате (рис. 1).

Рис. 1. Насадочный тепломассообменный

аппарат [3]

Во время прохождения тяжёлой фазы по полому корпусу 1 с помощью патрубков 4 и 5 сверху вниз, а лёгкой ей навстречу – снизу вверх с помощью патрубков 2 и 3 – происходит непрерывное взаимодействие фаз в объёме насадки 6 (точнее на поверхности насадочных тел).

Проходящий в аппарате тепломассообменный процесс будет наиболее эффективен при обеспечении в объёме насадки стабильного температурного режима, который может быть обеспечен в случае изготовления элементов насадки 6 из материала, точка Кюри которого соответствует указанному температурному режиму. Так, после подключения катушки индуктивности 7 к источнику электрического тока вследствие того, что полый корпус 1 изготовлен из немагнитного материала, ферромагнитные элементы насадки 6 вследствие индукции нагреваются. При достижении ими температуры, соответствующей точке Кюри материала насадки 6, её элементы теряют магнитные свойства и перестают нагреваться. При дальнейшем охлаждении они снова приобретают магнитные свойства и снова начинают нагреваться. Таким образом, поддерживается постоянная температура насадки и соответственно обрабатываемых в аппарате сред, которая равна точке Кюри материала насадки.

Таким образом, предложенная конструкция существенным образом повышает эффективность работы насадочного массообменного аппарата, обеспечивая стабильный температурный режим массообменного процесса, а, следовательно, и высокое качество получаемой продукции.

Также разработана конструкция сепаратора для разделения эмульсий [4], теплообменных аппаратов [5, 6], экструзионной головки [7] и статических смесителей [8, 9] экструдеров для переработки термопластов (рис. 2).

Рис. 2. Статический смеситель для переработки полимеров [8]:

1 – корпус; 2 – насадочные тела; 3 – катушка индуктивности;
4 – переходники; 5 – перфорированные перегородки

Одной из последних конструкций предложена сушилка [10], содержащая корпус 1 с размещаемыми в нём обогреваемыми поддонами 2 для размещения на них высушиваемого материала, а также патрубком 3 для отвода образующегося во время сушки пара. При этом корпус 1 выполнен из немагнитного материала, извне корпуса 1 на участке размещения поддонов смонтирована катушка индуктивности 4, а поддоны полностью или частично выполнены из магнитного материала с точкой Кюри, соответствующей температуре процесса сушки (рис. 3).

Сушилка также может работать как вакуум-сушильный шкаф или как сублимационная сушилка.

Подлежащий сушке материал располагают на поддонах 2, после чего их размещают друг над другом в корпусе 1 сушилки. После закрывания дверцы корпуса катушку индуктивности 4 подключают к источнику электрического тока. Поскольку полый корпус 1 выполнен из немагнитного материала, поддоны 2 или их элементы вследствие индукции нагреваются. После достижения ими температуры, соответствующей точке Кюри материала поддонов 2 или их элементов, они теряют магнитные свойства и перестают нагреваться. При дальнейшем охлаждении они вновь приобретают магнитные свойства и начинают нагреваться. Таким образом поддерживается постоянная температура поддонов 2 или их элементов и соответственно высушиваемого материала, соответствующая точке Кюри материала поддонов 2 или их элементов. Влага, выделяющаяся из материала, в виде пара удаляется через патрубок 3.

Рис. 3. Сушилка для сыпучих материалов [10]

Как показали проведенные исследования, предложенный подход к стабилизации теплового потока различного технологического оборудования достаточно перспективен, хотя он и не лишён определённых недостатков. В частности, его достаточно тяжело реализовать на существующем оборудовании, большей частью изготовленного из магнитных материалов (сталь, чугун). Таким образом, для реализации указанного подхода на практике необходимо разрабатывать новые конструкции оборудования или подвергать глубокой модернизации существующие образцы. Тем не менее, в определённых случаях предложенный способ поддержания заданной температуры обрабатываемых сред может стать наиболее целесообразным

Литература:

1. Процессы и оборудование химической технологии : учебник в 2-х т. / Я. Н. Корниенко, Ю. Е. Лукач, И. О. Микулёнок [и др.]. — К. : НТУУ «КПИ», 2011. — 716 с. [на укр. языке]

2. Физические величины : справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский [и др.]. — М. : Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

3. Пат. 52742 U Украина, МПК(2009) B29D 53/18. Насадочный аппарат для проведения тепломассообменного процесса / И. О. Микулёнок. — № u201001769 ; заявл. 18.02.10 ; опубл. 10.09.10.

4. Пат. 66592 U Украина, МПК(2011.01) B04B 5/00. Сепаратор для розділення емульсій / О. Г. Зубрий, И. А. Левчук, И. О. Микулёнок. — № u201107567 ; заявл. 16.06.11 ; опубл. 10.01.12.

5. Пат. 68042 U Украина, МПК(2012.01) F24H 1/00. Теплообменный аппарат / И. О. Микулёнок. — № u201110808 ; заявл. 09.09.11 ; опубл. 12.03.12.

6. Пат. 75172 U Украина, МПК(2012.01) F24H 1/00. Теплообменный аппарат / И. О. Микулёнок, В. Т. Вознюк. — № u201205100 ; заявл. 24.04.12 ; опубл. 26.11.12.

7. Пат. 68120 U Украина, МПК(2006.01) B29С 47/20. Экструзионная головка для формования полого изделия / В. В. Гончаренко, Н. М. Мартыненко, И. О. Микулёнок. — № u201111769 ; заявл. 05.10.11 ; опубл. 12.03.12.

8. Пат. 69843 U Украина, МПК(2006.01) B29В 7/32. Статический смеситель / И. О. Микулёнок. — № u201114137 ; заявл. 09.09.11 ; опубл. 10.05.12.

9. Пат. 84023 U Украина, МПК(2006.01) B29В 7/32. Статический смеситель / И. О. Микулёнок, Л. В. Сицинская, О. А. Шалькевич, В. С. Шевченко. — № u201303954 ; заявл. 01.04.13 ; опубл. 10.10.13.

10. Пат. 89173 U Украина, МПК(2014.01) F26B 9/00. Сушилка / И. О. Микулёнок, Н. Е. Воронцов. — № u201313561; заявл. 21.11.13 ; опубл. 10.04.14.