1. tétel: Építsen fel egy belső túlnyomással terhelt nyomástartó edényt korrozív közeg tárolására! - Vegyipari készülékek szerkezeti kialakítása − a vegyipari készülékek csoportosítása alakjuk, funkciójuk szerint − a tartályok kialakítása, f őbb szerkezeti egységeik − alátámasztó, nyílászáró és biztonsági szerelvények, adattábla - Vegyipari berendezések korrózióvédelmének feladata és f őbb megoldásai - Nyomástartó edények biztonsági szabályzata (NYEBSZ) (NY EBSZ) − készülékek veszélyességét meghatározó tényezők − veszélyességi mutató meghatározása − hengeres nyomástartó edények szilárdsági számítása, a kazánformula Vegyipari készülékek szerkezeti kialakítása A vegyipari készülékek általában körszimmetrikus, zárt, vagy nyitott edények. Vegyipari készülékek csoportosítása alakjuk szerint
L/D: hossz / átmérő aránya Nyomástartó edény: olyan zárt, vagy zárható berendezés, amely nincs kitéve égéstermékek, vagy villamos energia közvetlen hőhatásának, és benne 0,7 bar túlnyomásnál nagyobb nyomás van, vagy keletkezhet. Duplikátor: duplafalu edény, melynek mindkét tere lehet nyomástartó. Vegyipari készülékek csoportosítása funkciójuk szerint A vegyipari készülékek szolgálhatnak: - tárolásra - szállításra - vegyipari műveletek elvégzésére. Tartályok kialakítása, f őbb szerkezeti egységeik
A készülékfedél és fenék, alakja szerint lehet: félgömb, kosárgörbe, kúpos, sík stb. A csonkok funkciójuk szerint lehetnek: töltő, ürítő, légtelenítő, mérő, búvónyílás stb. A készülék megtámasztások lehetnek: láb lá b (3-4 db), pata (4-6 db), szoknya, gy űrű, nyereg (fekvő tartálynál). Biztonsági szerelvények Feladatuk a biztonságos működés biztosítása. Ilyen szerelvények például a biztonsági szelep, a hasadótárcsa, a cseppentőél stb.
1
A biztonsági szelepek feladata, hogy az üzemi nyomás jelentős túllépése esetén (általában +25%) a rendszert tehermentesítsék, lefúvassák. Lehetnek súly- vagy rugós terhelés űek. A hasadótárcsát akkor alkalmazzák, ha a nyomás a készülékben nagyon hírtelen n őhet meg, például robbanóelegyeknél. Ilyenkor a biztonsági szelepek nem tudják elég gyorsan tehermentesíteni a rendszert, csak a hasadótárcsa. A hasadótárcsa az egyik csőcsonk és az elvezető cső közé van beépítve. Vastagsága úgy van méretezve, hogy adott nyomás esetén széthasadjon, így a nagynyomású közeget biztonságos helyre el lehet vezetni. A cseppentőél megakadályozza, hogy betáplálásnál a folyadék a tartály belső felületén végigcsorogjon, és azt ott korrodálja. Adattábla A vegyipari készülékek jellemzőit a rajtuk elhelyezett adattáblán tüntetik föl. Az adattábla tartalma: - készülékben (tartályban) lévő anyag megnevezése, - készülék űrtartalma, - üzemi és próbanyomás, - üzemi és méretezési hőmérséklet, - készülék tömege (üresen, üzemi állapotban ál lapotban és próbanyomás alatt), - veszélyességi osztály, - gyártásra és vizsgálatokra vonatkozó szabványok és el őírások, - hegesztési varratok (ha vannak) szilárdsági tényező je, - méretezéskor figyelembe vett dinamikai hatások (ha van ilyen). Vegyipari berendezések korrózióvédelmének feladata és f őbb megoldásai Korrózió: fémes szerkezeti anyag környezetével való reakciója. Lehet kémiai és elektrokémiai. Korrózióvédelem feladata: megakadályozni a szerkezeti anyag rongálódását. Megoldásai: - korrózióálló acélok használatával (krómtartalmuk nagyobb, mint 11 % → „KO”-s acélok) - korrózióálló bevonat alkalmazásával (korrózióálló fémbevonatok pl: króm, kadmium, cink stb. vagy nemfémes bevonatok pl: műanyag, gumi stb.) Nyomástartó edények biztonsági szabályzata (NYEBSZ) NYEBSZ: nyomástartó edények biztonsági szabályzata Készülékek veszélyességét meghatározó tényezők: - V : : az edény teljes térfogata [m3] - p : az engedélyezési (méretezési) nyomás [bar] - k : korrózióra, kopásra jellemző tényező (k = 1 − 20 ) - c : a töltet fizikai állapotára (pl: halmazállapot, hőmérséklet) jellemző tényező (c = 1 − 3 ) - f : a töltet tűzveszélyességére jellemző tényező ( f f = 0 − 3) - t : : a töltet mérgező hatását kifejező tényező (t = 0 − 3 ) Veszélyességi mutató meghatározása A veszélyességi mutató a veszélyességre jellemz ő szám, amely szoros összefüggésben van az edényben felhalmozott energiával és a töltet veszélyeztető tulajdonságaival. Kiszámítása: Y = V ⋅ p ⋅ k ⋅ (c + f + t ) Y -tól -tól függ: - a felállítási fel állítási engedély szükségessége, - az üzembevétel előtti vizsgálatok, - az ismétlődő helyszíni vizsgálatok gyakorisága, - a kezelőszemélyzet képesítése és ellenőrzése. Ha: Y < 4, akkor nem vonatkozik rá a NYEBSZ, 4 < Y < 100 , kis veszélyességi osztályba tartozó berendezés, 100 < Y < 10 000, közepes veszélyességi osztályba tartozó berendezés, Y > 10 000 , nagy veszélyességi osztályba tartozó berendezés. Hengeres nyomástartó edények szilárdsági számítása, a kazánformula - belső átmérő [m] s - szükséges falvastagság [m], p - belső túlnyomás [Pa], d p ⋅ d (szigma) - a berendezés anyagának megengedett feszültsége f eszültsége [Pa] +c s= 2 ⋅ σ meg ⋅ ϕ (fí) - a hegesztési varrat szilárdsági tényez ő je (jóságfoka) [-] (értéke: 0,6 − 0,95) (varrat nélküli tartálynál: 1), 2 korróziós falvastagság pótlék [m] (acéloknál 0,001 m) c
Feladatok nyomástartó edények témakörhöz 1.) Egy 70 cm átmérő jű tartályt 20 bar nyomásra terveznek. A tartály anyagának megengedett feszültsége 110 MPa. A hegesztési varratok szilárdsági tényező je (jóságfoka) 0,8. A korróziós falvastagság falvastagság pótlék 1 mm. A.) Hány mm vastagságú lemezből kell készíteni a tartályt? (8,95 mm) B.) Ha 10 mm vastagságú lemezb ől készítjük, akkor hány bar nyomást visel el maradandó alakváltozás nélkül? (22,6 bar) 2.) Egy 900 mm átmérő jű tartályt 25 bar nyomásra terveznek. A tartály anyagának megengedett feszültsége 120 ⋅103 kPa. A hegesztési varratok szilárdsági tényező je (jóságfoka) 0,75. A korróziós falvastagság falvastagság pótlék 1 mm. A.) Hány mm vastagságú lemezből kell készíteni a tartályt? (13,5 mm) B.) Ha 15 mm vastagságú lemezb ől készítjük, akkor hány bar nyomást visel el maradandó alakváltozás nélkül? (28 bar) 3) Egy hengeres nyomástartó készülékben a nyomás 20 bar, bels ő átmérő je 1500 mm, a berendezés anyagának megengedett feszültsége 90⋅103 kPa, a hegesztési varratok szilárdsági tényez t ényező je (jóságfoka) 0,82; a korróziós falvastagság pótlék 1,1 mm. A.) Mekkora a szükséges falvastagság mm-ben? (21,43 mm) Mekkora a készülék küls ő átmérő je mm-ben? (1542,86 mm) B.) Milyen veszélyességi osztályba tartozik a berendezés, ha a hossza 200 cm, a kopásra, korrózióra jellemz ő tényező je 10, a töltet fizikai állapotára jellemző tényező 2, a töltet t űzveszélyességére jellemző tényező 0, a töltet mérgező hatását kifejező tényező 3? (Y = 3534 → közepes veszélyességi osztály) 4) Egy hengeres nyomástartó készülékben a nyomás 40 bar, belső átmérő je 250 cm, a berendezés anyagának megengedett feszültsége 110 MPa, a hegesztési varratok szilárdsági tényez ő je (jóságfoka) 0,88; a korróziós falvastagság pótlék 1,2 mm. A.) Mekkora a szükséges falvastagság mm-ben? (52,85 mm) Mekkora a készülék küls ő átmérő je mm-ben? (2605,7 mm) B.) Milyen veszélyességi osztályba tartozik a berendezés, ha a hossza 3000 mm, a kopásra, korrózióra jellemz ő tényező je 15, a töltet fizikai állapotára jellemző tényező 3, a töltet t űzveszélyességére jellemző tényező 1, a töltet mérgező hatását kifejező tényező 0? (Y = 35342,4 → nagy veszélyességi osztály)
3
Folyadékszállítás
A folyadékszállítás elméleti összefüggései Folytonossági (kontinuitási) törvény: id őben állandó áramlás esetén a cső keresztmetszetének és a folyadék áramlási sebességének szorzata állandó. Ez a folyadék térfogatárama: Q [m3 /s]
Q1 = Q2 A1 ⋅ v1 = A2 ⋅ v 2 d 2 ⋅ π A = 4 d 2 ⋅ π ⋅ v = áll. Q = A ⋅ v = 4 Bernoulli törvény (energiatörvény): Ideális esetben, veszteségmentes áramlásnál az áramló folyadék helyzeti, nyomási és mozgási energiájának összege két pont között, a csővezeték bármely részén állandó.
p1 v1 2 p 2 v2 2 + = h2 + + = áll. h1 + ρ ⋅ g 2 ⋅ g ρ ⋅ g 2 ⋅ g
h - fajlagos helyzeti energia (szintmagasság) [ J/N = m]
p ρ ⋅ g
- fajlagos nyomási energia (nyomásmagasság) [ J/N = m]
v2 - fajlagos mozgási energia (sebességmagasság) [ J/N = m] 2⋅ g p - a folyadék nyomása a cs ővezetékben [N/m2] - folyadék sűrűsége [kg/m3] ρ g - nehézségi gyorsulás (9,81 m/s 2) v - a folyadék áramlási sebessége a csővezetékben [m/s]
A fajlagos energia az 1 N súlyú folyadékra vonatkoztatott energiát jelenti. Mértékegysége a [ J/N], ami formailag a méterrel [m] is leírható, leír ható, ezért a fajlagos energiákat, energiamagasságoknak is szokták nevezni. Bernoulli egyenlet valós esetben, veszteséges áramlásnál:
p1 v1 2 p 2 v2 2 h1 + + = h2 + + + hv ρ ⋅ g 2 ⋅ g ρ ⋅ g 2 ⋅ g
hv - fajlagos energiaveszteség (veszteségmagasság) [ J/N = m]
Veszteséges áramlásnál az áramló folyadék helyzeti, nyomási és mozgási energiájának összege a csővezeték két pontja között nem állandó a fellépő veszteségek miatt. A veszteségek a cs ősúrlódás valamint az idomok, szerelvények ellenállásából adódnak: hv = hv(e) + hv(i,sz) Egyenes csőszakaszok vesztesége:
hv (e )
l v2 = λ ⋅ ⋅ d 2 ⋅ g
λ (lambda) - csősúrlódási tényező [-] f(Re)
l - egyenes csőszakaszok hossza [m] d - cső belső átmérő je [m] v - a közeg áramlási sebessége [m/s] g - nehézségi gyorsulás (9,81 m/s 2)
Idomok, szerelvények vesztesége:
hv (i ,sz )
v2 = Σξ ⋅ 2⋅ g
ell enállástényező je [-] Σξ (kszí) – idomok, szerelvények együttes ellenállástényez
Veszteségek meghatározása egyenértékű csőhossz segítségével: Egyenértékű csőhossz: az az egyenes csőhossz, amelynek vesztesége megeszezik az idomok, szerelvények veszteségének összegével. le = d ⋅Σ k d - cső belső átmérő je [m] ⋅Σ k k - szerelvények, idomok veszteségtényezői [-]
l g + le v 2 ⋅ hv = λ ⋅ d 2 ⋅ g
lg - geometriai csőhossz [m]
4
Az áramlás jellege és hatása a cs ővezeték ellenállására Az áramlás jellegét a Reynolds-szám mutatja meg. Ez egy mértékegység nélküli viszonyszám. A Re-szám az áramlások hasonlósági kritériuma. Két áramlás akkor hasonló, ha Re-számuk közel azonos. Nagy Re-szám esetén nagy a cs ővezeték ellenállása az áramlással szemben. v - a folyadék áramlási sebessége a cs őben [m/s] v ⋅ d v ⋅ d ⋅ ρ = Re = [-] d - belső csőátmérő [m] υ η (nű) - a folyadék kinematikai viszkozitása [m2 /s] υ (n - folyadék s űrűsége [kg/m3] ρ (éta) - a folyadék dinamikai viszkozitása [Pa⋅s] η (éta) Ha Re < 2320 akkor az áramlás jellege a cs őben lamináris (réteges, örvénylésmentes). → λ =
64 Re
Ha 2320 < Re < 10 000 akkor az áramlás jellege átmeneti (réteges és örvénylő részei is vannak). → λ = 0,02 − 0,03 Ha Re > 10 000 akkor az áramlás jellege turbulens (örvényl ő). → λ = 0,02 − 0,03 Az áramlástani elven működő (centrifugál) szivattyú a mellékelt ábrák felhasználásával Működése áramlástani elven alapul: kettős energiaátalakulási folyamatban a forgómozgás révén bevitt energia el őbb sebességi, majd nyomási energiává alakul át. A mozgási energia a járókerékben n ő meg, ami a szivattyúházban, annak kiképzése miatt nyomási energiává alakul. A forgómozgás miatt a járókerék lapátjai között lévő folyadékra centrifugális erő hat. Ennek következtében a folyadék kifelé mozdul el a szivattyúház fala felé. A folyadék nyomása megnő és emiatt a nyomócsonkon keresztül távozik a szivattyúból. A tengelynél a nyomás lecsökken, ezért a szívócsonkon keresztül folyadék áramlik be a lapátok közé. Felépítése (melléklet) Üzemeltetésük: Nem önfelszívóak, ami azt jelenti, hogy indítás előtt fel kell tölteni a szivattyúházat folyadékkal, különben nem indul meg a folyadékszállítás. A szívócső végén lábszeleppel akadályozzák meg a folyadék visszaáramlását a szivattyú kikapcsolása után. Így nem kell minden egyes indítás előtt feltölteni a szivattyúházat. A szivattyúk gazdaságos alkalmazásának alapfeltétele a szállítási feladatnak legjobban megfelelő, a legnagyobb hatásfokkal dolgozó szivattyú kiválasztása. Fontos a helyes indítás, a folyamatos ellenőrzés és az id őszakos karbantartás. Alkalmazási területe: ott alkalmazzák, ahol nagy folyadékmennyiséget kell szállítani kisebb nyomással. Szivattyú jelleggörbék, a munkapont fogalma (melléklet)
H ),), teljesítményfelEzen a diagramon a centrifugálszivattyú szállítómagassága ( H vétele (P) és hatásfoka ( η ) van ábrázolva a szállított folyadékmennyiség (térfogatáram Q) függvényében. A szállítómagasság ( H H ) csökken a szállított folyadékmennyiség növelésével. A teljesítményfelvétel (P) nő a szállított folyadékmennyiség növelésével. A hatásfok ( η ) egy darabig növekszik, majd csökken a szállított folyadékmennyiség növelésével. A görbe egy adott térfogatáramnál maximumot mutat. h – a csővezeték jelleggörbéje: megadja a csővezeték ellenállásának legyőzéséhez szükséges fajlagos energiát. hst – statikus energiaigény: a szintkülönbség és a nyomáskülönbség legyőzéséhez szükséges fajlagos energia. hdin – dinamikus energiaigény: az áramlási veszteségek és a kilépési veszteség legyőzéséhez szükséges fajlagos energia. M ) ott van, ahol a szivattyú jelleggörbe ( H H ) A szivattyú munkapontja ( M metszi a csővezeték jelleggörbét (h). Itt a folyadék szállításához szükséges energia, megegyezik a szivattyú által a folyadékkal közölt energiával.
5
Szivattyú teljesítménye:
P=
Ph η össz
=
H ⋅ ρ ⋅ g ⋅ Q η össz
(W )
Ph – szivattyú hasznos teljesítménye (ami a folyadékszállításra fordítódik) [W] H – manometrikus szállítómagasság: az a fajlagos energia, amit a szivattyú közöl a folyadékkal a szintkülönbség, nyomáskülönbség és a veszteségek legy őzéséhez. ∆h – szintkülönbség [m] ∆ p – nyomáskülönbség [Pa]
v2 – kilépési veszteség [m = J/N] (áramlási sebesség változása miatti veszteség) 2⋅ g hv – áramlási veszteség (veszteségmagasság) [m = J/N] ηössz – szivattyú összhatásfoka [-] ηössz = ηh⋅ ηv⋅ ηm ηh - hidrauikai hatásfok [-], ηv - volumetrikus hatásfok [-], ηm - mechanikai hatásfok [-]
Szivattyúk soros és párhuzamos kapcsolása (melléklet)
Soros kapcsolásnál a szivattyúk szállítómagassága összeadódik. Szállítómagasság növelésére alkalmazzák.
Párhuzamos kapcsolásnál a szivattyúk folyadékszállítása (térfogatárama) adódik össze. Térfogatáram növelésére alkalmazzák.
A szállított térfogatáram szabályozása
SZ – szabályozó Q – térfogatáram-mérő M – motor Fojtásos szabályozásnál egy fojtószeleppel szabályozzuk a szállított térfogatáramot. Fordulatszám szabályozásnál a szivattyút hajtó motor (M) fordulatszámának változtatásával szabályozzuk a szállított térfogatáramot. Visszakeringtetéses szabályozásnál a nyomóágban áramló folyadék egy részét visszavezetik a szívóágba. A visszavezetett folyadékmennyiség változtatásával a szállított térfogatáram szabályozható. A térfogat-kiszorítás elvén működő (volumetrikus) szivattyúk jellemzése a mellékelt ábrák felhasználásával Működési elvük: egy dugattyú a hengerben a teret b ővíti, ezáltal szívóhatást, majd a teret szűkítve nyomóhatást fejt ki. A szívóhatás alatt a tér megtelik folyadékkal, majd a nyomóhatás alatt távozik onnan. A folyadék egy irányba áramlását a nyomó- és szívószelep biztosítja. A dugattyút forgattyús hajtóművel mozgatják. Főbb típusaik: Legjelentősebb képviselő jük a dugattyús szivattyú, a vegyiparban előszeretettel alkalmazott membránszivattyú, és a fogaskerék-szivattyú.
6
Alkalmazási területük: Ott alkalmazzák a térfogat-kiszorításos szivattyúkat, ahol nagyobb nyomásra és kisebb térfogatáramra (folyadékszállításra) van szükség. El őszeretettel alkalmazzák őket változó ellenállású csőhálózatokban adagolószivattyúként. Üzemeltetésük: A fogaskerék-szivattyú kivételével önfelszívóak, ami azt jelenti, hogy üresen képesek a bennük lévő levegőt megritkítani annyira, hogy a folyadékot fel tudják szívni a szívócsonkon keresztül. Így nem kell bekapcsolás el őtt feltölteni őket folyadékkal. Dugattyús szivattyú (melléklet) (melléklet) ős mű ködés Egyszeres mű ködés ködésű (melléklet) Kett ő ködésű (melléklet)
A szivattyúk által szállított folyadék mennyisége: Egyszeres működésű D 2 ⋅ π ⋅ s ⋅ n ⋅ η v Q=
4
Kétszeres működésű D 2 ⋅ π
Q = 2⋅
4
⋅ s ⋅ n ⋅η v
Q – térfogatáram [m3 /s] D – hengerátmérő [m] s – lökethossz [m] n – fordulatszám [1/s] ηv – volumetrikus hatásfok [-] (tömítetlenség miatt)
A folyadékszállítás egyenetlenségének oka és kompenzációs módszerei, a légüstök m űködésének ismertetése a mellékelt ábra alapján A dugattyús szivattyúk folyadékszállítása nagyon egyenlőtlen, mivel a nyomó ütemben csak a nyomóágban, a szívóütemben csak a szívóágban szállít folyadékot. A folyadékszállításban tehát kihagyások vannak. Ez a szakaszos működés a nyomócsőben és a szívócs őben is nyomásingadozást okoz, ami el őbb-utóbb károsítja a szivattyú alkatrészeit és a csővezetéket is. A folyadékszállítás egyenletesebbé tehető kettős működésű dugattyús szivattyú alkalmazásával. Itt két nyomó- és két szívócsonk van szelepekkel. A dugattyú előtt és mögött is van folyadékszállítás, de itt is szakaszos. Sokkal egyenletesebb a folyadékszállítás légüstök alkalmazásával. (melléklet)
7
Légüstök működése: A nyomóütemben a folyadék a nyomócsonkon keresztül a nyomólégüstbe áramlik és a benne lév ő levegőt összesűríti, miközben megindul a folyadékáramlás a nyomóágban. A szívóütemben a szivattyú folyadékot szív be a szívócsonkon keresztül és a szívólégüstben lév ő levegőt ritkítja, miközben megindul a folyadékáramlás a szívóágban. Eközben a nyomóágban is van folyadékszállítás, mivel a nyomólégüstben összesűrített levegő kinyomja a folyadékot a cs ővezetékbe. A nyomóütem alatt, pedig a szívóágban is van folyadékszállítás, mivel a szívólégüstben lév ő alacsony nyomású levegő miatt folyadék áramlik be a szívólégüstbe. A vegyiparban alkalmazott különleges szivattyúk (fogaskerék- és membrános adagoló) szerkezeti kialakítása és működésük Fogaskerék-szivattyú (melléklet) Sűrű, viszkózus (nagy belső súrlódású) anyagok, pépek, masszák továbbítására alkalmas. Fordulatszáma elsősorban a viszkozitástól függ. Nem önfelszívó. Működése: Az egymásba kapcsolódó fogaskerékpár forgása közben, a fogak és a készülékház közötti térbe szorult anyag folyamatosan el őrehalad és a nyomócsonkon keresztül távozik. Folyadékszállítása egyenletes.
Membrános adagoló (membránszivattyú) (melléklet) A dugattyút egy rugalmas tárcsa, a membrán helyettesíti, aminek anyaga gumi vagy fém. Nagy fordulatszámon, f őleg adagolásra használják. Maró hatású folyadékok és zagy (szuszpenzió) szállítására is alkalmas.
A szállított térfogatáram szabályozása Térfogat-kiszorításos szivattyúknál a szivattyút hajtó motor fordulatszámának változtatásával szabályozzák a szállított térfogatáramot. Fojtószelepet nem szabad alkalmazni, mert a nyomást a térfogat-kiszorításos szivattyúk ilyenkor annyira megnövelik, ami a berendezés vagy a cs ővezeték meghibásodását, törését okozza!
Feladatok folyadékszállítás témakörhöz 1.) Egy tartályból oldatot szállítunk csővezetéken keresztül egy másik tartályba. 750 kg folyadékot 1,5 óra alatt kell átjuttatni. Az oldat sűrűsége 1100 kg/m3, áramlási sebessége a cs őben 2 m/s. A.) Mekkora a szükséges bels ő csőátmérő mm-ben? (8,97 mm) B.) Csőbővítő elemmel a 10 mm-es belső átmérőt 25 mm-re növelve mekkora lesz a folyadék áramlási sebessége? (0,32 m/s) C.) Milyen az áramlás jellege a 10 mm belső átmérő jű csőben, ha az oldat dinamikai viszkozitása 1,2⋅10-3 Pa⋅s? (Re = 18333 → turbulens áramlás) Milyen az áramlás jellege a 25 mm belső átmérő jű csőben? (Re = 7333 → átmeneti áramlás) 2.) Egy tartályból oldatot szállítunk csővezetéken keresztül egy másik tartályba. 6500 kg folyadékot 2,5 óra alatt kell átjuttatni. Az oldat sűrűsége 1,3 kg/dm3, áramlási sebessége a cs őben 1,5 m/s. A.) Mekkora a szükséges bels ő csőátmérő mm-ben? (21,7 mm) B.) Csőbővítő elemmel a 23 mm-es belső átmérőt 40 mm-re növelve mekkora lesz a folyadék áramlási sebessége? (0,496 m/s) C.) Milyen az áramlás jellege a 23 mm belső átmérő jű csőben, ha az oldat dinamikai viszkozitása 1,3⋅10-3 Pa⋅s? (Re = 34500 → turbulens áramlás) 8 Milyen az áramlás jellege a 40 mm belső átmérő jű csőben? (Re = 19840 → turbulens áramlás)
óránként 10 t folyadékmennyiséget folyadékmennyiséget kell szállítani. 3.) Egy szivattyúval óránként A.) Határozza meg a térfogatáramot (m3 /s egységben), ha az oldat sűrűsége 1250 kg/m3! (2,224·10-3 m3 /s) B.) Számítsa ki az áramlási sebességet m/s egységben, ha a csővezeték belső átmérő je 50 mm! (1,13 m/s) C.) Határozza meg a kilépési veszteséget! (0,064 m) D.) Számítsa ki a manometrikus szállítómagasságot, ha a nyomáskülönbség 2 bar, a szintkülönbség 4 m, és az áramlási veszteségmagasság 12,8 m! A nehézségi gyorsulás: 10 m/s 2 (32,86 m) óránként 15 t folyadékmennyiséget folyadékmennyiséget kell szállítani. 4.) Egy szivattyúval óránként A.) Határozza meg a térfogatáramot (m3 /s egységben), ha az oldat sűrűsége 1,4 kg/dm3! (2,98·10-3 m3 /s) B.) Számítsa ki az áramlási sebességet m/s egységben, ha a csővezeték belső átmérő je 8 cm! (0,59 m/s) C.) Határozza meg a kilépési veszteséget! (0,0177 m) D.) Számítsa ki a manometrikus szállítómagasságot, ha a nyomáskülönbség 1 bar, a szintkülönbség 5 m, és az áramlási veszteségmagasság 13,6 m! A nehézségi gyorsulás: 9,81 m/s 2 (25,9 m) 5.) Két tartály között folyadékszállítást végzünk. Az ábrán egy centrifugálszivattyú és egy cs ővezetéki (terhelési) jelleggörbe látható.
A.) Mekkora a statikus szállítómagasság értéke? (4 m) B.) Mekkora a csővezeték dinamikus szállítómagassága az M-munkapontban? (1 m) C.) Mennyi folyadékot szállít a szivattyú óránként? (3,6 m3 /h) D.) A tartályok közötti szintkülönbség elhanyagolható. Mekkora a tartályok közötti nyomáskülönbség, ha a szállított közeg víz, sűrűsége 1000 kg/m3, a nehézségi gyorsulás 10 m/s2? (40000 Pa) E.) A nyomóoldali szelepet fojtjuk, a folyadékszállítás új értéke 2,5 m3 /h-ra csökken. Rajzolja be az új csővezetéki jelleggörbét és a munkapontot! lesz a manometrikus F.) Mekkora szállítómagasság új értéke? (6,4 m)
6.) Két tartály között folyadékszállítást végzünk. Az ábrán egy centrifugálszivattyú és egy cs ővezetéki (terhelési) jelleggörbe látható. A.) Mekkora a statikus szállítómagasság értéke? (4,25 m) B.) Mekkora a csővezeték dinamikus szállítómagassága a munkapontban? (1,5 m) C.) Mennyi folyadékot szállít a szivattyú óránként? (2,2 m3 /h) D.) A tartályok közötti szintkülönbség elhanyagolható. Hány bar a tartályok közötti nyomáskülönbség, ha a szállított közeg víz, s űrűsége 1000 kg/m3, a nehézségi gyorsulás 9,81 m/s2? (0,417 bar) E.) A nyomóoldali szelepet fojtjuk, a folyadékszállítás új értéke 1,4 m3 /h-ra csökken. Rajzolja be az új csővezetéki jelleggörbét és a munkapontot! F.) Mekkora lesz a manometrikus szállítómagasság új értéke? (6,75 m)
9
7.) Két nyitott tartály között folyadékszállítást végzünk. Az ábrán egy centrifugálszivattyú és egy cs ővezetéki (terhelési) jelleggörbe látható. A.) Mekkora a dinamikus szállítómagasság értéke? (1,8 m) Mekkora a statikus szállítómagasság értéke? (3,6 m) B.) Hány liter folyadékot szállít a szivattyú percenként? (41,67 l /min) /min) Mekkora a szivattyú szállítómagassága? (5,4 m) C.) Hány m/s-os sebességgel áramlik a folyadék a csővezetékben, ha a cső belső átmérő je 30 mm, a folyadék sűrűsége 1,1 kg/dm3, dinamikai viszkozitása 1,2 ·10-3 Pa·s? (0,98 m/s) Milyen az áramlás jellege a csővezetékben? (Re = 26950 → turbulens áramlás) D.) Mekkora a szintkülönbség a két tartály között? (3,6 m) Mekkora a veszteségmagasság értéke? (1,75 m) E.) Mekkora az idomok, szerelvények együttes ellenállástényező je, ha az egyenes szakaszok vesztesége 0,5 m? (25,43) Mekkora a folyadék kinematikai viszkozitása? (1,091·10-6 m2 /s) 8.) Két nyitott tartály között folyadékszállítást végzünk. Az ábrán egy centrifugálszivattyú és egy cs ővezetéki (terhelési) jelleggörbe látható. ( 0,75 m) A.) Mekkora a dinamikus szállítómagasság értéke? (0,75 Mekkora a statikus szállítómagasság értéke? (1,75 m) /s) B.) Hány liter folyadékot szállít a szivattyú másodpercenként? (0,5 l /s) Mekkora a szivattyú szállítómagassága? (2,5 m) C.) Hány m/s-os sebességgel áramlik a folyadék a cs ővezetékben, ha a cső belső átmérő je 3,5 cm, a folyadék sűrűsége 1300 kg/m3 dinamikai viszkozitása 1,15⋅10-3 Pa ·s? (0,52 m/s) Milyen az áramlás jellege a csővezetékben? (Re = 20574 → turbulens áramlás) D.) Mekkora a szintkülönbség a két tartály között? (1,75 m) Mekkora a veszteségmagasság értéke? (0,736 m) E.) Mekkora az idomok, szerelvények együttes ellenállástényez ő je, ha az egyenes szakaszok vesztesége 0,7 m? (2,61) Mekkora a folyadék kinematikai viszkozitása? (8,846·10 -7 m2 /s) 9.) Folyadékot szállítunk az 1 jelű, légköri nyomású tartályból a 2 jelű tartályba, ahol a belső túlnyomás értéke 0,5 bar. A tartályok közötti szintkülönbség 4,4 m. A szállított térfogat óránként 3 m3. A folyadék s űrűsége 1000 kg/m3, a nehézségi gyorsulás 9,81 m/s 2. A.) Számítsa ki a szükséges csőátmérőt, ha a tervezett folyadéksebesség 2 m/s! (0,023 m) B.) Számítsa ki a szivattyú manometrikus szállítómagasságát ( H H ), ), ha az áramlástani veszteségmagasság h’ = 2 m! Mekkora ebb ől a szállítómagasság statikus tagja? (11,7 m, 9,5 m) C.) Határozza meg a szivattyú hasznos teljesítményszükségletét! (95,65 W) A mellékelt diagramon egy centrifugál szivattyú jelleggörbéje látható. A feladatot két szivattyú sorba kapcsolásával szeretnénk megoldani.
10
D.) Rajzolja be a diagramba a szivattyúk sorba kapcsolása esetén adódó szállítási jelleggörbét! Rajzolja be a = 3 m3 /h folyadékszállításhoz tartozó feltételezett M munkapontot! munkapontot! E.) Rajzolja meg jellegre helyesen a csővezetéki (terhelési) jelleggörbét a B) pont alatt kiszámolt két két isme ismert rt pon pontj tjaa ( = 0; hst ) ililletv letvee ( = 3 m3 /h; H ) alapján! F.) El tudja-e látni a sorba kapcsolt két szivattyú a feladatát? Indokolja válaszát! A szállítómagasság tekintetében a ±10%-os eltérés megengedett. (Hiba% = 2,56 % → el tudja látni a feladatát)
10.) Folyadékot szállítunk az 1 jelű, légköri nyomású tartályból a 2 jelű tartályba, ahol a belső túlnyomás értéke 0,7 bar. A tartályok közötti szintkülönbség 2,7 m. A szállított térfogat óránként 2 m3. A folyadék s űrűsége 1,1 g/cm3, a nehézségi gyorsulás 9,81 m/s2. A.) Számítsa ki a szükséges cs őátmérőt, ha a tervezett folyadéksebesség 1,2 m/s! (0,0243 m) B.) Számítsa ki a szivattyú manometrikus szállítómagasságát ( H H ), ), ha az áramlástani veszteségmagasság h’ = 2,1 m! Mekkora ebb ől a szállítómagasság statikus tagja? (11,4 m, 9,2 m) C.) Határozza meg a szivattyú hasznos teljesítményszükségletét! (68,2 W)
A mellékelt diagramon egy centrifugál szivattyú jelleggörbéje látható. A feladatot két szivattyú sorba kapcsolásával szeretnénk megoldani. kapcsolása esetén adódó szállítási szállítási jelleggörbét! Rajzolja be a = 2 m3 /h D.) Rajzolja be a diagramba a szivattyúk sorba kapcsolása folyadékszállításhoz tartozó feltételezett M munkapontot! munkapontot!
11
E.) Rajzolja meg jellegre helyesen a csővezetéki (terhelési) jelleggörbét a B) pont alatt kiszámolt két ismert pontja ( = 0; hst ) ill lleetve tve ( = 2 m3 /h; H ) alapján! F.) El tudja-e látni a sorba kapcsolt két szivattyú a feladatát? Indokolja válaszát! A szállítómagasság tekintetében a ±10%-os eltérés megengedett. (Hiba% = 7 %)
11.) Az ábrán látható rendszerben óránként 7,2 m 3 oldatot szállítunk a légköri nyomású térből a 200 kPa túlnyomású tartályba. A csővezeték belső átmérő je 4 cm, az oldat sűrűsége 0,705 g/cm3. A.) Határozza meg az oldat áramlási sebességét! (1,59 m/s) B.) A csőszerelvények, csőidomok veszteségtényezői (k ) a következők: könyök 90°-os: 30; csap nyitva: 15; T-idom iránytöréssel: 90; T-idom iránytörés nélkül: 10; csővezetékbe belépés: 18; tolózár nyitva: 7; Határozza meg az egyenértékű csőhosszt! (8 m) C.) Határozza meg a veszteségmagasságot, ha λ = 0,03! (2,27 m) D.) Határozza meg a manometrikus szállítómagasságot! (33,82 m) E.) Mekkora a szivattyú összhatásfoka, ha a teljesítménye 0,6 kW? (78 %) 12.) Az ábrán látható rendszerben percenként 240 liter oldatot szállítunk az 2 bar nyomású térb ől a 7 bar nyomású tartályba. A csővezeték belső átmérő je 50 mm, az oldat sűrűsége 1,1 kg/dm3. A.) Határozza meg az oldat áramlási sebességét! (2,04 m/s) B.) A csőszerelvények, csőidomok veszteségtényezői (k ) a következők: könyök 90°-os: 30; szelep nyitva: 300; T-idom iránytöréssel: 90; T-idom iránytörés nélkül: 10; csővezetékbe belépés: 18; Határozza meg az egyenértékű csőhosszt! (23,9 m) C.) Határozza meg a veszteségmagasságot, ha λ = 0,02! (4,83 m) D.) Határozza meg a manometrikus szállítómagasságot! (60,38 m) E.) Határozza meg a szivattyú hajtásához szükséges motor teljesítményét, ha hatásfoka 80 %! (3258 W)
12
13.) Egy település vízellátását 10 m átmérő jű víztoronyról látják el, melynek térfogata 523,6 m3. A feltöltési idő 3 óra. A.) Határozza meg mennyi legyen a szivattyú szállítóteljesítménye! (0,0485 m3 /s) B.) Szállítás közben a víz áramlási sebessége a nyomócs őben 1,5 m/s. Határozza meg a nyomócs ő belső átmérő jét! (0,203 m) C.) A csőszerelvények együttes ellenállás-tényező je 21,4. A csőhossz 2 km, a cs ősúrlódási tényező 0,03. Mennyi a veszteségmagasság? (36,35 m) D.) A szivattyú 40 m szintkülönbséggel dolgozik. Számolja ki a szivattyú manometrikus szállítómagasságát! A víztoronyban a folyadék feletti nyomás megegyezik a légköri nyomással. (76,46 m) E.) A hidraulikai hatásfok 80 %, a volumetrikus hatásfok 95 %, a mechanikai hatásfok 89 %. Milyen teljesítmény ű motor szükséges a szivattyú hajtásához? A szállított víz sűrűsége 1000 kg/m3. (53782,6 W) 14.) Egy település vízellátását egy víztoronyról látják el, melynek térfogata 650 m3. A feltöltési idő 2,5 óra. A.) Határozza meg mennyi legyen a szivattyú szállítóteljesítménye! (0,0722 m3 /s) B.) Szállítás közben a víz áramlási sebessége a nyomócsőben 1,8 m/s. Határozza meg a nyomócső belső átmérő jét mm-ben! (226 mm) C.) A csőszerelvények együttes ellenállás-tényező je 23,7. A csőhossz 2,5 km, a cs ősúrlódási tényező 0,02. Mennyi a veszteségmagasság? (40,44 m) D.) A szivattyú 50 m szintkülönbséggel dolgozik. Számolja ki a szivattyú manometrikus szállítómagasságát! A víztoronyban a folyadék feletti nyomás megegyezik a légköri nyomással. (90,61 m) E.) A hidraulikai hatásfok 85 %, a volumetrikus hatásfok 96 %, a mechanikai hatásfok 88 %. Hány kW teljesítmény ű motor szükséges a szivattyú hajtásához? A szállított folyadék sűrűsége 1 kg/dm3. (89,4 kW) 15.) Egy szivattyúval vizet szállítunk, 5 m mélységből 2 m magasan lévő készülékbe. A nyomáskülönbség 4 bar, a szállított víz sűrűsége 1 g/cm3, viszkozitása 10-3 Pa⋅s, sebessége 1,23 m/s. A szállításhoz használt cs ő belső átmérő je 30 mm, a veszteségmagasság 3,85 m. A.) Hány m3 vizet szállít a szivattyú óránként? (3,13 m3 /h) B.) Igazolja, hogy a csővezetékben turbulens az áramlás! (Re = 36900) C.) Számolja ki a manometrikus szállítómagasságot! (51,7 m) D.) Mekkora a teljesítménye a szállítást végző szivattyúnak, ha hatásfoka 72 %? (612,5 W) E.) Hány perc alatt lehet feltölteni egy 1,6 m átmér ő jű, 2,5 m magas tartályt az adott szivattyúval? (96,36 min) 16.) Egy szivattyúval folyadékot szállítunk, 3 m mélységb ől 6 m magasan lévő készülékbe. A nyomáskülönbség 2 bar, a szállított folyadék sűrűsége 1,1 kg/dm3, viszkozitása 1,05⋅10-3 Pa⋅s, sebessége 1,4 m/s. A szállításhoz használt cs ő belső átmérő je 2,5 cm, a veszteségmagasság 4,8 m. m. 3 A.) Hány m folyadékot szállít a szivattyú óránként? (2,474 m3 /h) B.) Igazolja, hogy a csővezetékben turbulens az áramlás! (Re = 36667) C.) Számolja ki a manometrikus szállítómagasságot! (32,43 m) D.) Mekkora a teljesítménye a szállítást végző szivattyúnak, ha hatásfoka 82 %? (293,3 W) át mérő jű, 3,5 m magas tartályt az adott szivattyúval? (7,51 h) E.) Hány óra alatt lehet feltölteni egy 2,6 m átmér 17.) Egy egyhengeres, egyszeres m űködésű dugattyús szivattyú lökethossza 50 mm, a henger átmér ő je 45 mm. Hajtómotorjának fordulatszáma percenként 1440 fordulat, teljesítménye 2000 W. A.) Számítsa ki a szivattyú által szállított folyadék térfogatáramát! (1,91·10-3 m3 /s) B.) Számítsa ki, mennyi idő alatt tölti meg a 3 m 3-es tartályt a szivattyú! (1570,7 s = 26,18 min) C.) Határozza meg a szivattyú manometrikus szállítómagasságát, ha a szivattyú összhatásfoka 70 %! A szállított víz sűrűsége 1 g/cm3. (74,72 m) D.) Számítsa ki, milyen nyomáskülönbség mérhető a szivattyú, szívó- és nyomócsonkja között! (7,33·10 5 Pa) 18.) Egy egyhengeres, egyszeres m űködésű dugattyús szivattyú lökethossza 8 cm, a henger átmér ő je 50 mm. Hajtómotorjának fordulatszáma percenként 2880 fordulat, teljesítménye 1,5 kW. A.) Számítsa ki a szivattyú által szállított folyadék térfogatáramát m3 /h-ban! (27,14 m3 /h) B.) Számítsa ki, hány perc alatt tölti meg a 2,5 m3-es tartályt a szivattyú! (5,53 min) C.) Határozza meg a szivattyú manometrikus szállítómagasságát, ha a szivattyú összhatásfoka 80 %! A szállított víz sűrűsége 1 kg/dm3. (16,22 m) ba r nyomáskülönbség mérhető a szivattyú, szívó- és nyomócsonkja között! (1,59 bar) D.) Számítsa ki, hány bar 19.) Egy kettős működésű olajszállító dugattyús szivattyú hengerátmérő je 100 mm, lökethossza 150 mm, fordulatszáma 120 1 /min, volumetrikus hatásfoka 95 %. A szivattyú 4 bar túlnyomású térbe té rbe szállítja az olajat, melynek a sűrűsége 3 -3 850 kg/m , dinamikai viszkozitása 1,68·10 Pa⋅s. A szívómélység 5 m, a nyomómagasság 15 15 m. Az olajat szállító csővezeték hosszúsága 50 m, a csővezeték iránytöréseit és egyéb veszteségeit figyelembe vevő egyenértékű csőhosszúság 19,5 m. Az olaj áramlási sebessége 2 m/s, a cs ősúrlódási együttható értéke 0,02. A.) Mennyi olajat szállít a szivattyú óránként? (16,12 m3 /h) B.) Mekkora a szállító csővezeték átmérő je? (0,0534 m) C.) Számítsa ki a veszteségmagasságot! (5,31 m) ( 2743,3 W) D.) Mekkora a szivattyú hasznos teljesítménye? (2743,3 13
l ökethossza 160 mm, fordulatszáma 20.) Egy kettős működésű olajszállító dugattyús szivattyú hengerátmérő je 90 mm, lökethossza 90 1 /min, volumetrikus hatásfoka 94 %. A szivattyú 3 bar túlnyomású térbe szállítja az olajat, melynek a sűrűsége 0,88 kg/dm3, dinamikai viszkozitása 1,68·10-3 Pa⋅s. A szívómélység 6 m, m, a nyomómagasság 17 m. m. Az olajat szállító csővezeték hosszúsága 60 m, a csővezeték iránytöréseit és egyéb veszteségeit figyelembe vevő egyenértékű csőhosszúság 22,5 m. Az olaj áramlási sebessége 1,5 m/s, a cs ősúrlódási együttható értéke 0,03. A.) Mennyi olajat szállít a szivattyú óránként? (10,33 m3 /h) B.) Mekkora a szállító csővezeték átmérő je mm-ben? (49,36 mm) C.) Számítsa ki a veszteségmagasságot! (5,75 m) D.) Mekkora a szivattyú hasznos teljesítménye kW-ban? (1,58 kW)
21.) A.) Egészítse ki az alábbi mondatokat! Az ábrán ………………………………….. ………………………………….. működésű ………………………………… szivattyú látható. A ……………………- és a …………………… csonkokat rendre A, B bet űkkel jelöljük. A forgattyús mechanizmus forgómozgást alakít át ………………………… ………………………… mozgássá.
B.) Az excenter tengelyének pillanatnyi helyzeteit 3, 6, 9, 12 számokkal láttuk el. Rajzolja be jellegre helyesen a folyadékszállítás változását az idő függvényében, valamint a forgattyús tengely (excenter) helyzeteinek megfelelő pontjait: 6, 9, 12!
D)! C.) Jelölje be a rajzba az excentricitást (e), a lökethosszt (l) és a dugattyúátmérőt ( D D.) Rajzoljon be az ábrába egy nyomólégüstöt! E.) Miért előnyös a légüst alkalmazása, hatására hogyan változik a folyadékszállítás? Rajzolja be az ábrába hatását! áll ítás utáni cellába! F.) Döntse el az alábbi állításokról, hogy igazak, vagy hamisak! Döntését írja be az állítás
1) 2) 3)
A dugattyús szivattyút nyomóoldalon nem szabad fojtani, elzáró szerelvényt beépíteni. A térfogatáramot szabályozni a lökethosszal, illetve fordulatszám-változtatással lehet. A volumetrikus szivattyúk nem önfelszívóak, ráfolyást kell biztosítani.
14
22.) A.) Nevezze meg az ábrán látható gépelemet! B.) Mi a feladata ennek a gépelemnek? C.) Döntse el az alábbi megállapítások közül melyek igazak és melyek hamisak! Húzza alá a megfelelő választ! Az 1-es jelű gépelem forgatásával szabályozzuk a térfogatáramot!
Igaz
Hamis
A 2-es jelű gépelem vezeti és tömíti a szeleporsót!
Igaz
Hamis
A 3-as jelű gépelemet szelep háznak nevezzük.
Igaz
Hamis
A 4-es jelű gépelemet szelepüléknek nevezik.
Igaz
Hamis
Az 5-ös jelű gépelemet szeleptányérnak nevezik.
Igaz
Hamis
23.)
15
2. tétel: Állítson össze folyadékszállítási megoldásokat különböző csővezetéki terhelések esetére! - A folyadékszállítás elméleti összefüggései − a hidrodinamika alaptörvényei, folytonossági törvény, energiatörvény − az áramlás jellege és hatása a cs ővezeték ellenállására − csővezetékek jelleggörbéje, a munkapont fogalma - Az áramlástani elven működő (centrifugál) szivattyú a mellékelt ábrák felhasználásával − működési elve, felépítése, alkalmazási területe, üzemeltetése − szivattyú jelleggörbék, a munkapont fogalma − szivattyúk soros és párhuzamos kapcsolása − a szállított térfogatáram szabályozása - A térfogat-kiszorítás elvén működő szivattyúk jellemzése a mellékelt ábrák felhasználásával − f őbb típusai, alkalmazási területük, üzemeltetésük − a folyadékszállítás egyenetlenségének oka és kompenzációs módszerei, a légüstök működésének ismertetése a mellékelt ábra alapján szivatt yúk (fogaskerék- és membrános adagoló) szerkezeti kialakítása és − a vegyiparban alkalmazott különleges szivattyúk működésük − a szállított térfogatáram szabályozása A folyadékszállítás elméleti összefüggései Folytonossági (kontinuitási) törvény: id őben állandó áramlás esetén a cső keresztmetszetének és a folyadék áramlási sebességének szorzata állandó. Ez a folyadék fol yadék térfogatárama: Q [m3 /s] Q = A · v v = áll. Bernoulli törvény (energiatörvény): Ideális esetben, veszteségmentes áramlásnál az áramló folyadék helyzeti, nyomási és mozgási energiájának összege két pont között, a csővezeték bármely részén állandó. Veszteséges áramlásnál az áramló folyadék helyzeti, nyomási és mozgási energiájának összege a csővezeték két pontja között nem állandó a fellépő veszteségek miatt. A veszteségek a cs ősúrlódás valamint az idomok, szerelvények ellenállásából adódnak. Az áramlás jellege és hatása a cs ővezeték ellenállására Az áramlás jellegét a Reynolds - szám mutatja meg. Ez egy mértékegység nélküli viszonyszám. A Re-szám az áramlások hasonlósági kritériuma. Két áramlás akkor hasonló, ha Re-számuk közel azonos. Nagy Re-szám esetén nagy a cs ővezeték ellenállása az áramlással szemben. v - a folyadék áramlási sebessége a cs őben [m/s] v ⋅ d v ⋅ d ⋅ ρ Re = = [-] d - belső csőátmérő [m] υ η (nű) - a folyadék kinematikai viszkozitása [m2 /s] υ (n - folyadék s űrűsége [kg/m3] ρ (éta) - a folyadék dinamikai viszkozitása [Pa⋅s] η (éta) Ha Re < 2320 akkor az áramlás jellege a cs őben lamináris (réteges, örvénylésmentes). Ha 2320 < Re < 10 000 akkor az áramlás jellege átmeneti (réteges és örvénylő részei is vannak). Ha Re > 10 000 akkor az áramlás jellege turbulens (örvényl ő). Az áramlástani elven működő (centrifugál) szivattyú a mellékelt ábrák felhasználásával Működése áramlástani elven alapul: kettős energiaátalakulási folyamatban a forgómozgás révén bevitt energia el őbb sebességi, majd nyomási energiává alakul át. A mozgási energia a járókerékben n ő meg, ami a szivattyúházban, annak kiképzése miatt nyomási energiává alakul. A forgómozgás miatt a járókerék lapátjai között lévő folyadékra centrifugális erő hat. Ennek következtében a folyadék kifelé mozdul el a szivattyúház fala felé. A folyadék nyomása megnő és emiatt a nyomócsonkon keresztül távozik a szivattyúból. A tengelynél a nyomás lecsökken, ezért a szívócsonkon keresztül folyadék áramlik be a lapátok közé. Felépítése (melléklet)
16
Üzemeltetésük: Nem önfelszívóak, ami azt jelenti, hogy indítás előtt fel kell tölteni a szivattyúházat folyadékkal, különben nem indul meg a folyadékszállítás. A szívócs ő végén lábszeleppel akadályozzák meg a folyadék visszaáramlását a szivattyú kikapcsolása után. Így nem kell minden egyes indítás előtt feltölteni a szivattyúházat. A szivattyúk gazdaságos alkalmazásának alapfeltétele a szállítási feladatnak legjobban megfelelő, a legnagyobb hatásfokkal dolgozó szivattyú kiválasztása. Fontos a helyes indítás, i ndítás, a folyamatos ellenőrzés és az időszakos karbantartás. Alkalmazási területe: ott alkalmazzák, ahol nagy folyadékmennyiséget kell szállítani kisebb nyomással. Szivattyú jelleggörbék, a munkapont fogalma (melléklet)
H ),), teljesítményfelEzen a diagramon a centrifugálszivattyú szállítómagassága ( H vétele (P) és hatásfoka ( η ) van ábrázolva a szállított folyadékmennyiség (térfogatáram Q) függvényében. A szállítómagasság ( H H ) csökken a szállított folyadékmennyiség növelésével. A teljesítményfelvétel (P) nő a szállított folyadékmennyiség növelésével. A hatásfok ( η ) egy darabig növekszik, majd csökken a szállított folyadékmennyiség növelésével. A görbe egy adott térfogatáramnál maximumot mutat. h – a csővezeték jelleggörbéje: megadja a csővezeték ellenállásának legyőzéséhez szükséges fajlagos energiát. hst – statikus energiaigény: a szintkülönbség és a nyomáskülönbség legyőzéséhez szükséges fajlagos energia. hdin – dinamikus energiaigény: az áramlási veszteségek és a kilépési veszteség legyőzéséhez szükséges fajlagos energia. M ) ott van, ahol a szivattyú jelleggörbe ( H H ) A szivattyú munkapontja ( M metszi a csővezeték jelleggörbét (h). Itt a folyadék szállításához szükséges energia, megegyezik a szivattyú által a folyadékkal közölt energiával. Szivattyúk soros és párhuzamos kapcsolása (melléklet)
Soros kapcsolásnál a szivattyúk szállítómagassága összeadódik. Szállítómagasság növelésére alkalmazzák.
Párhuzamos kapcsolásnál a szivattyúk folyadékszállítása (térfogatárama) adódik össze. Térfogatáram növelésére alkalmazzák.
A szállított térfogatáram szabályozása A centrifugálszivattyúk által szállított folyadék mennyisége háromféle módon szabályozható: - Fojtásos szabályozásnál egy fojtószeleppel szabályozzuk a szállított szállít ott térfogatáramot. - Fordulatszám szabályozásnál a szivattyút hajtó motor fordulatszámának változtatásával szabályozzuk a szállított térfogatáramot. - Visszakeringtetéses szabályozásnál a nyomóágban áramló folyadék egy részét visszavezetik a szívóágba. A visszavezetett folyadékmennyiség változtatásával a szállított térfogatáram szabályozható. A térfogat-kiszorítás elvén működő (volumetrikus) szivattyúk jellemzése a mellékelt ábrák felhasználásával Működési elvük: egy dugattyú a hengerben a teret b ővíti, ezáltal szívóhatást, majd a teret szűkítve nyomóhatást fejt ki. A szívóhatás alatt a tér megtelik folyadékkal, majd a nyomóhatás alatt távozik onnan. A folyadék egy irányba áramlását a nyomó- és szívószelep biztosítja. A dugattyút forgattyús hajtóművel mozgatják. Főbb típusaik: Legjelentősebb képviselő jük a dugattyús szivattyú, a vegyiparban előszeretettel alkalmazott membránszivattyú, és a fogaskerék-szivattyú. Alkalmazási területük: Ott alkalmazzák a térfogat-kiszorításos szivattyúkat, ahol nagyobb nyomásra és kisebb térfogatáramra (folyadékszállításra) van szükség. El őszeretettel alkalmazzák őket változó ellenállású csőhálózatokban adagolószivattyúként.
17
Üzemeltetésük: A fogaskerék-szivattyú kivételével önfelszívóak, ami azt jelenti, hogy üresen képesek a bennük lévő levegőt megritkítani annyira, hogy a folyadékot fel tudják szívni a szívócsonkon keresztül. Így nem kell bekapcsolás el őtt feltölteni őket folyadékkal. Dugattyús szivattyú Egyszeres mű ködés ködésű (melléklet) (melléklet) Kett ő ködésű (melléklet) (melléklet) ős mű ködés
A folyadékszállítás egyenetlenségének oka és kompenzációs módszerei, a légüstök m űködésének ismertetése a mellékelt ábra alapján A dugattyús szivattyúk folyadékszállítása nagyon egyenlőtlen, mivel a nyomó ütemben csak a nyomóágban, a szívóütemben csak a szívóágban szállít folyadékot. A folyadékszállításban tehát kihagyások vannak. Ez a szakaszos működés a nyomócsőben és a szívócs őben is nyomásingadozást okoz, ami el őbb-utóbb károsítja a szivattyú alkatrészeit és a csővezetéket is. A folyadékszállítás egyenletesebbé tehető kettős működésű dugattyús szivattyú alkalmazásával. Itt két nyomó- és két szívócsonk van szelepekkel. A dugattyú előtt és mögött is van folyadékszállítás, de itt is szakaszos. Sokkal egyenletesebb a folyadékszállítás légüstök alkalmazásával. (melléklet)
Légüstök működése: A nyomóütemben a folyadék a nyomócsonkon keresztül a nyomólégüstbe áramlik és a benne lév ő levegőt összesűríti, miközben megindul a folyadékáramlás a nyomóágban. A szívóütemben a szivattyú folyadékot szív be a szívócsonkon keresztül és a szívólégüstben lév ő levegőt ritkítja, miközben megindul a folyadékáramlás a szívóágban. Eközben a nyomóágban is van folyadékszállítás, mivel a nyomólégüstben összesűrített levegő kinyomja a folyadékot a cs ővezetékbe. A nyomóütem alatt, pedig a szívóágban is van folyadékszállítás, mivel a szívólégüstben lév ő alacsony nyomású levegő miatt folyadék áramlik be a szívólégüstbe.
18
A vegyiparban alkalmazott különleges szivattyúk (fogaskerék- és membrános adagoló) szerkezeti kialakítása és működésük Fogaskerék-szivattyú (melléklet) Sűrű, viszkózus (nagy belső súrlódású) anyagok, pépek, masszák továbbítására alkalmas. Fordulatszáma elsősorban a viszkozitástól függ. Nem önfelszívó. Működése: Az egymásba kapcsolódó fogaskerékpár forgása közben, a fogak és a készülékház közötti térbe szorult anyag folyamatosan el őrehalad és a nyomócsonkon keresztül távozik. Folyadékszállítása egyenletes.
Membrános adagoló (membránszivattyú) (melléklet)
A dugattyút egy rugalmas tárcsa, a membrán helyettesíti, aminek anyaga gumi vagy fém. Nagy fordulatszámon, f őleg adagolásra használják. Maró hatású folyadékok és zagy (szuszpenzió) szállítására is alkalmas.
A szállított térfogatáram szabályozása Térfogat-kiszorításos szivattyúknál a szivattyút hajtó motor fordulatszámának változtatásával szabályozzák a szállított térfogatáramot. Fojtószelepet nem szabad alkalmazni, mert a nyomást a térfogat-kiszorításos szivattyúk ilyenkor annyira megnövelik, ami a berendezés vagy a cs ővezeték meghibásodását, törését okozza!
19
Keverés A keverés célja: kiegyenlítés, homogenizálás (egyneműsítés), vagy a részecskék közvetlenebb érintkezésének az elősegítése. Kiegyenlíthető például a koncentráció, hőmérséklet, sűrűség, viszkozitás stb. Homogén (egynemű) az anyag akkor, ha a különböz ő pontjain mért tulajdonságok azonosak. A keverés csoportosítása halmazállapot szerint: - gázok keverése - folyadékok keverése pl: emulgeálás (folyadékcseppek eloszlatása folyadékban) - szilárd anyagok (porok) keverése - az előbbiek kombinációja pl: szuszpendálás (folyadék és szilárd por keverése) A keverés hatékonysága: a keverés hatékonyságán azt értjük, hogy a keverés milyen mértékben egyenlíti ki a kevert anyag jellemzőit. A keverés hatékonyságát a keverési index mutatja. A keverési index kifejezi, hogy mennyire tökéletes a keverés %-ban. Ha a kiegyenlítés tökéletes, akkor a keverési index 100 %. Ezt a valóságban nem tudjuk elérni. A keverési indexet kísérletekkel határozzák meg. A keverési index adott anyagnál és keverőnél a fajlagos teljesítménytől függ. A fajlagos teljesítmény az egységnyi térfogatú kevert anyagra vonatkozó teljesítményt jelenti: P0 = P/V [W/m3] A diagramon a keverési index függése látható a fajlagos teljesítménytől: A diagramból látható, hogy a görbék a 100 %-hoz tartanak, de azt csak végtelen nagy teljesítményfelvételnél érik el. A görbék alapján az 1-es görbéhez tartozó kever ő minősíthető a legjobbnak adott rendszer esetén, mert a keverési index ennél közelíti meg legjobban a 100 %-ot, adott teljesítménynél. Gázkeverők: Az Y-csatlakozónál fontos a nagy gázsebesség, hogy turbulens legyen az áramlás. Ez biztosítja a keveredést. Az ütközőlapos keverőnél az egy csőbe vezetett gázok útjába furatokkal ellátott ütközőlapokat helyeznek, melyek biztosítják a jó keveredést kis gázsebesség esetén is. Rövid szakaszon is jól kever. Folyadékkeverő berendezések csoportosítása
(levegőbefúvásos keverés) Lapátos keverők: kis fordulatszámúak, egyszer űbb keverési feladatok megoldására képesek. Olcsók, egyszer ű szerkezetűek, kicsi a teljesítményigényük, fordulatszámuk 100 ford./perc alatt van. Legtöbbször a keverés síkjában kevernek. A lapkeverők és karos kever ők használata f őleg szilárd anyagok oldásánál gyakori. A kalodás keverőket lapos fenekű edényekben, a horgonykeverőket (Ankerkeverő) domború fenekű edényekben, duplikátorokban használják. Mindkettő a falmelletti hőátadás javítására szolgál és megakadályozzák, hogy az anyag rásüljön az edény falára.
20
Propellerkeverők: szárnylapátjai mértani csavarfelületek, a lapátok száma 2, 3 és ritkán 6. Er ős axiális (tengelyirányú) áramlást hoznak létre, nagy folyadéktömeget képesek mozgatni. Fordulatszámuk közepes. Kisebb tartályoknál hordozható kivitelű, könnyen felszerelhet ő propellerkeverőket alkalmaznak. Használatuk során tölcsérképződés és együttforgás következhet be, ami rontja a keverés hatékonyságát. Ez ellen úgy védekeznek, hogy torlólapokat hegesztenek az edény belső falára. Nagymennyiségű szilárd anyag oldásakor véd ő-, illetve oldókosarat használnak, ami megvédi a propellert a nagyméretű anyagdaraboktól. Sebességviszonyok: va – axiális (tengelyirányú) sebesség vt – tangenciális (érintőirányú) sebesség
Turbinakeverők: Fordulatszámuk nagy, a folyadékban sugárirányú mozgásokat (áramlást) hoznak létre. Kever őelemük a tengelyre merőleges tárcsára hegesztett lemezek. Lehet nyitott és zárt, egyenes és ívelt lapátozású. Tölcsérképz ődéssel, illetve együttforgással itt is számolni kell. Nyitott turbinakever ő Zárt turbinakever ő ő ő
Sebességviszonyok: vr – radiális (sugárirányú) sebesség vt – tangenciális (érintőirányú) sebesség
Nagy viszkozitású anyagok (paszták) keverésére dagasztókat és gyúrógépeket használnak. Ezek er ős szerkezetűek, az edény teljes térfogatát bejárják. Ide tartozik a Z-karos dagasztó, a homogenizáló hengersor és a szalagos keverő. A hengersornál a hengerek közötti rés egyre csökken, míg fordulatszámuk növekszik.
Nagyfinomságú diszperz rendszerek előállítása: A diszperz rendszer igen finoman eloszlatott e loszlatott részecskékből álló anyagot jelent. Igen finom eloszlás érhető el kolloid malom alkalmazásával. A forgórésze nagy fordulatszámú és a keverés mellett őrli is a nagyobb szemcséket. Az állórész és é s a forgórész közötti rés néhány tizedmilliméter t izedmilliméter nagyságú. A porkeverők legegyszerűbb képviselő je a forgódobos keverő. Ez egy üreges henger, melyben a keverend ő porokat forgatják. A jobb keveredés érdekében terelőlapátokat hegesztenek a henger belső falára, vagy bonyolultabb alakú dobot alkalmaznak. Porkeverésre használható a szalagos kever ő is.
21
Kolloid malom
Porkeverők
A keverés teljesítmény-szükséglete:
P = ξ ⋅ ρ ⋅ n 3 ⋅ d 5
[W]
(kszí) - keverési ellenállás-tényező [-] ξ (kszí) - a kevert anyag s űrűsége [kg/m3] ρ n - a keverőelem fordulatszáma [1/s] d - a kever őelem átmérő je [m]
A hasonlósági törvények alkalmazása a keverőelem ellenállás-tényező jének megállapításánál: Az egyenletben szereplő, keverési ellenállás-tényező (ξ – kszí) értékét hasonlósági elmélet alapján határozzák meg. Biztosítani kell a keverőtípus azonosságát, valamint a geometriai hasonlóságot, vagyis az üzemi készülékben a megfelel ő D h H W δ méretek arányának ugyanakkorának kell lennie, mint a kísérleti berendezésekben ; ; ; ; . d d d d 3 ⋅ d D – készülék átmérő je [m] – keverőelem átmérő je [m] d – h – beépítési magasság [m] – folyadékszint magassága [m] H – W – keverőelem vastagsága [m] δ − δ − torlóelem szélessége [m]
Ezen kívül biztosítani kell az áramlások hasonlóságát is. Az áramlások hasonlóságát a Reynolds-szám biztosítja. Két áramlás akkor hasonló, ha Re-számuk megegyezik. A keverési Re-szám: n ⋅ d 2 n ⋅ d 2 ⋅ ρ Re = = [-] υ η n - a keverőelem fordulatszáma [1/s] d - a keverőelem átmérő je [m] (nű) - a kevert anyag kinematikai viszkozitása [m2 /s] υ (n - a kevert anyag s űrűsége [kg/m3] ρ (éta) - a kevert anyag dinamikai viszkozitása [Pa ⋅s] η (éta)
A keverési ellenállás-tényező Re-szám függése:
22
Duplikátoros és csőkígyós f űtésű keverős berendezések kialakítása űtés tés Duplikátoros f ű (Fűtőcsatornás f űtés)
űtés tés Cső kígyós kígyós f ű
Duplikátor: kettősfalú edény, melynek mindkét tere lehet nyomástartó. A belső térben van a melegítendő anyag, a duplafal között, pedig a f űtőközeg. A duplikátorok küls ő és belső köpenye közti tér jelentős keresztmetszetű, ezért kicsi a f űtőközeg áramlási sebessége. Emiatt az áramlás lamináris, így a hőátadás is kicsi. A f űtőcsatornás f űtésnél a f űtőköpenyt f űtőcsatornával helyettesítik. Az edény falára csöveket, vagy félcsöveket hegesztenek, melyekben a f űtőközeg áramlik. A csatorna keresztmetszete jóval kisebb, mint a f űtőköpenyé, így az áramlási sebesség nagyobb. A nagyobb áramlási sebesség miatt a f űtőközeg áramlása turbulens, emiatt a h őátadás is nagyobb. Hátránya, hogy drágább, mint a f űtőköpeny, valamint f űtőfelületnek csak a készülék falával érintkező felület számít (ezért jobb a félcsövek alkalmazása a teljes csöveknél). A technológiai folyamat gyorsítására, a hőátvitel fokozására többnyire keverőt alkalmaznak a készülékben. A hőveszteségek elkerülése végett minden esetben hőszigetelést kell alkalmazni. Csőkígyós f űtésnél a f űtőközeg a készülékbe beépített spirálisan feltekert cs őkígyóban áramlik. A kis keresztmetszet miatt az áramlási sebesség nagy, az áramlás turbulens, így a h őátadás is nagy. A csövek teljes felületükön adják át a hőt. A csőkígyót körülvevő folyadékot keverni kell, hogy a h őátbocsátás javuljon. Hátránya, hogy a csövek belülr ől nehezen tisztíthatók. A mellékelt ábra alapján az adott keverős berendezés f űtésszabályozási megoldásának és f ő szabályozási egységeinek bemutatása (melléklet) A hőmérsékletmérő /távadó (a felső T), méri a duplikátorban lévő kevert anyag hőmérsékletét és az ennek megfelelő jelet (ellenőrző jelet) folyamatosan továbbítja a szabályozónak (SZ). A folyamatot másodlagosan a f űtőközeg hőmérséklete (és tömegárama) is befolyásolhatja. Az alsó hőmérsékletmérő /távadó méri a f űtőközeg hőmérsékletét, és folyamatosan jelet (ellenőrző jelet) küld róla a szabályozónak. A szabályozó a két hőmérsékletmérő /távadó ellenőrző jelét hasonlítja össze, és ettől függően avatkozik be a folyamatba szükség esetén. Ha szükséges, akkor a szabályozó, jelet (végrehajtó jelet) küld a fojtószelepnek (a beavatkozó szervnek), ami csökkenti, vagy növeli a f űtőközeg mennyiségét.
23
Feladatok keverés témakörből 1.) Folyadékelegyet egy külső f űtőterű, zárt keverős készülékben – autoklávban – homogenizálunk, kever őeleme tárcsás turbinakeverő. A keverőelem átmérő je 400 mm, fordulatszáma 240 1 /min. A közeg dinamikai viszkozitása 1,2⋅10-3 Pa⋅s, sűrűsége 1200 kg/m3. A.) Rajzoljon le egy autoklávot! Jelölje be és nevezze meg f ő részeit! B.) A mellékelt hasonlósági hányadosok alapján határozza meg a készülék f ő méreteit!
A készülék átmérő je: (1,2 m) Beépítési magasság: (~0,4 m) Keverőelem vastagsága: (0,08 m) A torlóelem szélessége: (0,204 m) Folyadékszint magassága: (~1,2 m) C.) Számolja ki a keverőkészülék maximális térfogatát! (1,76 m3) D.) Számolja ki a keverési Reynolds-szám értékét és határozza meg a keverési ellenállás-tényező értékét! (640000→2) E.) Határozza meg a keverés hasznos teljesítményszükségletét! (1573 W)
2.) Egy külső f űtőterű keverős autokláv töltési térfogata 25 °C-on 0,9 m3. A turbina kever őelemének átmérő je 220 mm, fordulatszáma 300 ford/min.
A.) Határozza meg a hiányzó geometriai méreteket! (D = 0,66 m, h ~ 0,22 m, W = 0,044 m, H ~ 0,66 m, δ = 0,1122 m) B.) A megadott hasonlósági hányadosok alapján határozza meg az autokláv maximális, illetve minimális töltöttségét! A keverőkészüléket tekintsük tisztán hengeresnek! (0,294 m 3; 0,203 m3) C.) Számolja ki a keverési Re-szám értékét! (240064) D.) Határozza meg a mellékelt diagram alapján a keverési ellenállás-tényező értékét! (~5,2) E.) Határozza meg a hasznos teljesítményszükséglet értékét! (332,3 W) Anyagjellemzők az alábbi táblázatban adottak: Hőmérséklet °C Sűrűség kg/m3 Dinamikai viszkozitás Pa⋅s Fajhő kJ/(kg⋅°C) -3 25 992 10 4,19
24
3.) Keverős berendezésben propeller keverővel végzünk anyagmozgatást a hő- és koncentrációkiegyenlítés érdekében. A keverőelem átmérő je d = 300 mm, fordulatszáma n = 180 1 /min. A folyadék sűrűsége 1000 kg/m3, a dinamikai viszkozitása 10-3 Pa⋅s. A.) Határozza meg a keverési Re számot! (270000) B.) A diagramból határozza meg a keverési ellenállás-tényezőt! (~0,33) C.) Számítsa ki a keverés teljesítményszükségletét! (21,7 W) D.) Rajzoljon le egy tárcsás turbinakeverőt vonalas ábrával!
4.) Egy külső f űtőterű keverős autokláv töltési térfogata 20 °C-on 0,85 m 3. A turbina keverőelemének átmérő je 320 mm, fordulatszáma 240 ford/min.
A.) Mekkora a készülék átmérő je és a folyadékoszlop magassága, ha a keverős készüléket hengeresnek tekintjük? (0,96 m, 1,17 m) B.) Megfelel-e a folyadékoszlop magassága a geometriai hasonlósági feltételnek? C.) Számolja ki a keverési Re-szám értékét! (409000) D.) Határozza meg a mellékelt diagram alapján a keverési ellenállás-tényező értékét! (3) E.) Határozza meg a hasznos teljesítményszükséglet értékét! (643 W) Anyagjellemzők az alábbi táblázatban adottak: Hőmérséklet °C Sűrűség kg/m3 Dinamikai viszkozitás Pa⋅s Fajhő kJ/(kg⋅°C) -3 20 998 10 4,18
25
5.) A.) Rajzolja be az ábrákba a propeller- és a tárcsás turbinakeverők esetén a kialakuló sebességviszonyokat! Alkalmazza a következő jelöléseket: va: axiális sebesség, vr: radiális sebesség, vt: tangenciális sebesség!
B.) Döntse el a két keverőelem keverési ellenállástényező – Reynolds-szám diagramja alapján, hogy melyik keverőelemhez melyik diagram tartozik!
Írja be a kever őelem típusát! 1) jelleggörbe:
…………..………………… …………..…………………
2) jelleggörbe:
…………………………… ……………………………
C.) Ülepedésre hajlamos anyagok keverésénél melyik kever őelemet választaná? ………………………. D.) Definiálja a keverési Reynolds-számot, a benne szereplő jellemzők megnevezéseivel, illetve mértékegységeikkel! E.) Az alábbi táblázat adatai alapján döntse el, hogyan változik a Reynolds-szám a h őmérséklet növekedés hatására! Indokolja válaszát!
26
3. tétel: Adjon javaslatokat különböz ő közegek homogenizálására, kitérve a kever őelem-típus – teljesítményszükséglet összefüggéseire! - A keverés célja, a folyadékkeverő berendezések csoportosítása, alkalmazási területük - A hasonlósági törvények alkalmazása a keverőelem ellenállás-tényező jének megállapításánál, a keverés teljesítményszükséglete - Duplikátoros és cs őkígyós f űtésű keverős berendezések kialakítása - A mellékelt ábra alapján az adott keverős berendezés f űtésszabályozási megoldásának és f ő szabályozási egységeinek bemutatása A keverés célja: kiegyenlítés, homogenizálás (egyneműsítés), vagy a részecskék közvetlenebb érintkezésének az elősegítése. (Kiegyenlíthető például a koncentráció, hőmérséklet, sűrűség, viszkozitás stb.) Homogén az anyag akkor, ha a különböző pontjain mért tulajdonságok azonosak. A keverés csoportosítása halmazállapot szerint: - gázok keverése - folyadékok keverése pl: emulgeálás (folyadékcseppek eloszlatása folyadékban) - szilárd anyagok (porok) keverése - az előbbiek kombinációja pl: szuszpendálás (folyadék és szilárd por keverése) Folyadékkeverő berendezések csoportosítása
(levegőbefúvásos keverés) Lapátos keverők: kis fordulatszámúak, egyszer űbb keverési feladatok megoldására képesek. Olcsók, egyszer ű szerkezetűek, kicsi a teljesítményigényük, fordulatszámuk 100 ford./perc alatt van. Legtöbbször a keverés síkjában kevernek. A lapkeverők és karos kever ők használata f őleg szilárd anyagok oldásánál gyakori. A kalodás keverőket lapos fenekű edényekben, a horgonykeverőket (Anker keverő) domború fenekű edényekben, duplikátorokban használják. Mindkettő a falmelletti hőátadás javítására szolgál és megakadályozzák, hogy az anyag rásüljön az edény falára. Propellerkeverők: szárnylapátjai mértani csavarfelületek, a lapátok száma 2, 3 és ritkán 6. Er ős axiális (tengelyirányú) áramlást hoznak létre, nagy folyadéktömeget képesek mozgatni. Fordulatszámuk közepes. Kisebb tartályoknál hordozható kivitelű, könnyen felszerelhet ő propellerkeverőket alkalmaznak. Használatuk során tölcsérképződés és együttforgás következhet be, ami rontja a keverés hatékonyságát. Ez ellen úgy védekeznek, hogy torlólapokat hegesztenek az edény belső falára. Nagymennyiségű szilárd anyag oldásakor véd ő-, illetve oldókosarat használnak, ami megvédi a propellert a nagyméretű anyagdaraboktól. Sebességviszonyok: va – axiális (tengelyirányú) sebesség vt – tangenciális (érintőirányú) sebesség
27
Turbinakeverők: Fordulatszámuk nagy, a folyadékban sugárirányú mozgásokat (áramlást) hoznak létre. Kever őelemük a tengelyre merőleges tárcsára hegesztett lemezek. Lehet nyitott és zárt, egyenes és ívelt lapátozású. Tölcsérképz ődéssel, illetve együttforgással itt is számolni kell. ő ő Nyitott turbinakever ő Zárt turbinakever ő
Sebességviszonyok: vr – radiális (sugárirányú) sebesség vt – tangenciális (érintőirányú) sebesség
A keverés teljesítmény-szükséglete:
P = ξ ⋅ ρ ⋅ n 3 ⋅ d 5
[W]
(kszí) - keverési ellenállás-tényező [-] ξ (kszí) - a kevert anyag s űrűsége [kg/m3] ρ n - a keverőelem fordulatszáma [1/s] d - a kever őelem átmérő je [m]
A hasonlósági törvények alkalmazása a keverőelem ellenállás-tényező jének megállapításánál: Az egyenletben szereplő, keverési ellenállás-tényező (ξ – kszí) értékét hasonlósági elmélet alapján határozzák meg. Biztosítani kell a keverőtípus azonosságát, valamint a geometriai hasonlóságot, vagyis az üzemi készülékben a megfelel ő D h H W δ méretek arányának ugyanakkorának kell lennie, mint a kísérleti berendezésekben ; ; ; ; . d d d d 3 ⋅ d D – készülék átmérő je [m] d – – keverőelem átmérő je [m] h – beépítési magasság [m] H – – folyadékszint magassága [m] W – keverőelem vastagsága [m] δ − δ − torlóelem szélessége [m]
Ezen kívül biztosítani kell az áramlások hasonlóságát is. Az áramlások hasonlóságát a Reynolds-szám biztosítja. Két áramlás akkor hasonló, ha Re-számuk megegyezik. A keverési Re-szám: n - a keverőelem fordulatszáma [1/s] n ⋅ d 2 n ⋅ d 2 ⋅ ρ = Re = [-] d - a keverőelem átmérő je [m] υ η (nű) - a kevert anyag kinematikai viszkozitása [m2 /s] υ (n - a kevert anyag s űrűsége [kg/m3] ρ (éta) - a kevert anyag dinamikai viszkozitása [Pa⋅s] η (éta)
28
Duplikátoros és csőkígyós f űtésű keverős berendezések kialakítása ű tés Duplikátoros f ű tés
űtés Cső kígyós kígyós f ű t és
Duplikátor: kettősfalú edény, melynek mindkét tere lehet nyomástartó. A belső térben van a melegítendő anyag, a duplafal között, pedig a f űtőközeg. A duplikátorok küls ő és belső köpenye közti tér jelentős keresztmetszetű, ezért kicsi a f űtőközeg áramlási sebessége. Emiatt az áramlás lamináris, így a hőátadás is kicsi. A technológiai folyamat gyorsítására, a hőátvitel fokozására többnyire keverőt alkalmaznak a készülékben. A hőveszteségek elkerülése végett minden esetben hőszigetelést kell alkalmazni. Csőkígyós f űtésnél a f űtőközeg a készülékbe beépített spirálisan feltekert cs őkígyóban áramlik. A kis keresztmetszet miatt az áramlási sebesség nagy, az áramlás turbulens, így a h őátadás is nagy. A csövek teljes felületükön adják át a hőt. A csőkígyót körülvevő folyadékot keverni kell, hogy a h őátbocsátás javuljon. Hátránya, hogy a csövek belülr ől nehezen tisztíthatók. A mellékelt ábra alapján az adott keverős berendezés f űtésszabályozási megoldásának és f ő szabályozási egységeinek bemutatása (melléklet) A hőmérsékletmérő /távadó (a felső T), méri a duplikátorban lévő kevert anyag hőmérsékletét és az ennek megfelelő jelet (ellenőrző jelet) folyamatosan továbbítja a szabályozónak (SZ). A folyamatot másodlagosan a f űtőközeg hőmérséklete (és tömegárama) is befolyásolhatja. Az alsó hőmérsékletmérő /távadó méri a f űtőközeg hőmérsékletét, és folyamatosan jelet (ellenőrző jelet) küld róla a szabályozónak. A szabályozó a két hőmérsékletmérő /távadó ellenőrző jelét hasonlítja össze, és ettől függően avatkozik be a folyamatba szükség esetén. Ha szükséges, akkor a szabályozó, jelet (végrehajtó jelet) küld a fojtószelepnek (a beavatkozó szervnek), ami csökkenti, vagy növeli a f űtőközeg mennyiségét.
29
4. tétel: Érvekkel támassza alá az ülepítési művelet alkalmazását szuszpenzió vagy emulzió szétválasztása esetén! - Az ülepedő szemcsékre ható erők egyensúlya, az ülepedési sebesség és az ülepedési teljesítmény meghatározása - Az ülepítőkészülékek f őbb méreteinek meghatározása, anyagmérlegük – a szakaszos ülepítőtartály és a Dorr-ülepítő működése, alkalmazási területük – szuszpenzió koncentrációja gyakorlati meghatározásának módszere - A mellékelt ábra alapján az adott ülepítő berendezés áramlásszabályozási megoldásának és f ő szabályozási egységeinek bemutatása Az ülepítés fizikai elválasztó művelet, melynek alapja a sűrűségkülönbség. Ülepítéssel szuszpenziót és emulziót is szétválaszthatunk. Az ülepedő szemcsére ható erők egyensúlya Folyadékban lévő szemcsére hat a súlyerő, a felhajtó erő és a közegellenállási erő. G - súlyerő [N] F f - felhajtóerő [N] F k k közegellenállás [N] ρ szsz - szemcse sűrűsége [kg/m3] ρ f - folyadék s űrűsége [kg/m3] - folyadék dinamikai viszkozitása [Pa·s] η d - szemcseátmérő [m] Az ülepedés feltétele, hogy a szemcsére ható gravitációs er ő (G) nagyobb legyen, mint a felhajtóerő és a közegellenállási erő összege G > Ff + Fk. Ellenkező esetben a szemcse felúszik G < Ff + gravitációs erő, a felhajtóerő és a közegellenállási erő összegével + Fk. Ha a gravitációs megegyezik, akkor a szemcse lebeg G = Ff + + Fk.
d 2 ⋅ g ⋅ ( ρ sz − ρ f ) Az ülepedési sebesség meghatározása: vü = 18 ⋅η
[m/s]
Az ülepedési sebesség a d átmér átmérő jű határszemcsére vonatkozik. A határszemcse az a legkisebb méretű szemcse, ami még éppen leülepszik. A képletből látható, hogy a szemcse annál gyorsabban ülepszik, minél nagyobb a mérete, valamint minél nagyobb a szilárd anyag és a folyadék s űrűségének különbsége. Viszont a folyadék viszkozitása minél nagyobb, annál lassabb az ülepedés. Az ülepedés szempontjából a legkedvez l egkedvezőbb a lamináris áramlás. Az áramlás jellegét a Re-szám mutatja meg: v – ülepedési sebesség (v ü) [m/s] v ⋅ d v ⋅ d ⋅ ρ f Re = = [-] d – határszemcse átmérő je [m] υ η υ – folyadék kinematikai viszkozitása [m2 /s] ha Re < 1 → lamináris ülepedés, ρ f f – folyadék sűrűsége [kg/m3] ha 1 < Re < 600 → átmeneti ülepedés, – folyadék dinamikai viszkozitása [Pa·s] η – ha Re > 600 → turbulens ülepedés. Lamináris esetben a leggyorsabb az ülepedés. Ülepítőkészülékek Lengőszivornyás ülepítő Működése: 1. lépés: A medence feltöltése zaggyal (szuszpenzióval), miközben a szivornya áll. 2. lépés: Ülepedés (órák, napok), közben a szivornya áll. 3. lépés: A tiszta folyadék (derítmény) elvezetése a szivornya óvatos leengedésével. (A szivornya szája a folyadékszintet követi.) 4. lépés: Az iszap eltávolítása, miközben a szivornya álló helyzetben van. Szakaszos működésű. Alkalmazási területe pl: víztisztításnál, szennyvíztisztításnál.
30
Dorr-ülepítő
Q z – zagy (szuszpenzió) térfogatárama [m 3 /s] Qd – derített folyadék térfogatárama [m3 /s] Qi – iszap térfogatárama [m3 /s] D – medence átmérő je (20-30 m) Működése: A zagy betáplálás a felső csövön történik. A medencében az iszap folyamatosan ülepszik. A medence aljára tapadt iszapot a lassan forgó gereblye fellazítja (nem felkeveri!), és lecsúszva alul távozik. Eközben a felfelé áramló derítmény (tiszta folyadék) a medence tetején átbukva eltávozik. Folyamatos működésű. Alkalmazási területe pl: víz- és szennyvíztisztításnál, bauxit feltárásánál (vörösiszap elválasztása az aluminátlúgtól).
Ülepítésnél általában a tiszta folyadékra van szükségünk. Derítés: olyan művelet, melynek során a zagyhoz nagy fajlagos fajla gos felületű anyagot pl: aktív szenet keverünk, ami a felületen megköti a kis szemcseméretű kolloid részecskéket. Így gyorsabbá válik az ülepedés. Szilárd anyag kinyerése esetén zagys űrítésről beszélünk. Az ülepítő teljesítménye, f ő méreteinek meghatározása Az ülepítő teljesítménye megadja az ülepítő készülékben időegység alatt szétválasztható anyag mennyiségét. A teljesítményből meghatározható a készülék f ő méretei. Q z – zagy térfogatárama [m3 /s] A – ülepítő keresztmetszete [m2] D 2 ⋅ π 4 ⋅ Q z Q z = A ⋅ v ü = ⋅ v ü ⇒ D = vü – ülepedési sebesség [m/s] 4 π ⋅ v ü D – medence átmérő je [m] Az ülepítő anyagmérlege Teljes anyagmérleg:
Q z = Q d + Q i Részleges anyagmérleg: Q z ⋅ x z = Q d ⋅ x d + Q i ⋅ x i Tömegáramokkal: Teljes anyagmérleg: •
•
x z – zagy térfogat %-os összetétele xd – derítmény térfogat %-os összetétele ( x xd ≈ 0 %) xi – iszap térfogat %-os összetétele
•
m z = m d + m i Részleges: •
•
•
m z ⋅ w z = m d ⋅ w d + m i ⋅ w i
wz – zagy tömeg %-os összetétele wd – derítmény tömeg %-os összetétele (wd ≈ 0 %) wi – iszap tömeg %-os összetétele
Szuszpenzió koncentrációjának gyakorlati meghatározása A térfogattört meghatározásához meg kell mérni az össztérfogatokat (zagy, derítmény, iszap), majd a bel őlük (szűréssel, centrifugálással, szárítással) kinyert szilárd anyag térfogatát. Ebből a térfogattört:
x =
V sz V össz
V szsz – szilárd anyag térfogata [m3] 3 V össz össz – össztérfogat [m ]
A térfogattörtet szorozva 100-al, megkapjuk a szuszpenzió térfogat %-os koncentrációját.
31
A mellékelt ábra alapján az adott ülepítő berendezés áramlásszabályozási megoldásának és f ő szabályozási egységeinek bemutatása (melléklet) Az áramlásmérő /távadó (a felső Q), méri a betáplált zagy térfogatáramát és az ennek megfelelő jelet (ellenőrző jelet) folyamatosan továbbítja a szabályozónak (SZ). A folyamatot másodlagosan az elvezetett derítmény térfogatárama is befolyásolhatja. Az alsó áramlásmérő /távadó méri a derítmény térfogatáramát, és folyamatosan jelet (ellenőrző jelet) küld róla a szabályozónak. A szabályozó a két áramlásmérő /távadó ellenőrző jelét hasonlítja össze, és ettől függően avatkozik be a folyamatba szükség esetén. Ha szükséges, akkor a szabályozó, jelet (végrehajtó jelet) küld a fojtószelepnek (a beavatkozó szervnek), ami csökkenti, vagy növeli a betáplált zagy mennyiségét.
Feladatok ülepítés témakörből 1.) Vizes szuszpenzió ülepítését végezzük 25 °C-on egy ülepít ő medencében. Az ülepítendő anyag 1,30 g/cm3 s űrűségű, átlagos szemcsenagysága 80 µm, a folyadék sűrűsége 998 g/dm3. A folyadék dinamikus viszkozitása 0,001 Pa·s. A.) Mennyi az átlagos méretű szemcse ülepedési sebessége? (1,05·10-3 m/s) B.) Mennyi az ülepedési Reynolds-szám? (0,08) C.) Lamináris-e az ülepedés? (igen; 0,08 < 1) D.) Hogyan befolyásolja a hőmérséklet növekedése az ülepedési sebességet? 2.) Vizes szuszpenzió ülepítését végezzük 20 °C-on egy ülepít ő medencében. Az ülepítendő anyag 1200 g/dm3 s űrűségű, átlagos szemcsenagysága 70 µm, a folyadék sűrűsége 0,995 kg/dm3. A folyadék dinamikus viszkozitása 1,05·10 -3 Pa·s. A.) Mennyi az átlagos méretű szemcse ülepedési sebessége? (5,21·10-4 m/s) B.) Mennyi az ülepedési Reynolds-szám? (0,035) C.) Lamináris-e az ülepedés? (igen; 0,035 < 1) 3.) Dorr ülepítőben szuszpenziót választunk szét. A szilárd szemcsék sűrűsége 1400 kg/m3. A leválasztandó legkisebb szemcseátmérő 60 µm. A folyadék sűrűsége 1 kg/dm3, dinamikai viszkozitása 1,05⋅10-3 Pa⋅s. A belépő zagy tömegárama 50 t/h, belépő koncentrációja 5 tömegszázalék. Az iszap koncentrációja 45 tömegszázalék. A.) Rajzolja le a berendezést, tüntesse fel az anyagáramokat, nevezze meg f ő részeit! B.) Írja fel a teljes anyagmérleget, valamint a szilárd anyagra vonatkoztatott részleges anyagmérleget! C.) Számolja ki az iszap tömegáramát, ha a derítmény koncentrációja elhanyagolhatóan kicsi! (1,543 kg/s) D.) Határozza meg a derítmény térfogatáramát! (12,347·10-3 m3 /s) E.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (7,47·10 -4 m/s, Re = 0,043 < 1) F.) Mekkora a szükséges készülékátmér ő, ha a folyadék sebessége: vf = 0,7⋅vü? A zagy és a folyadék s űrűségkülönbsége elhanyagolható! (5,82 m)
32
4.) Dorr ülepítő berendezésben szuszpenziót választunk szét. A szilárd szemcsék sűrűsége 1270 kg/m3, a leválasztandó legkisebb szemcseátmérő 50 µm. A folyadék sűrűsége 1 g/cm3, dinamikai viszkozitása 10-3 Pa⋅s. A belépő zagy tömegárama 120 kg/h, belépő koncentrációja 4 tömegszázalék. Az iszap koncentrációja 40 tömegszázalék. A.) Írja fel a teljes anyagmérleget, valamint a szilárd anyagra vonatkoztatott részleges anyagmérleget! B.) Számolja ki az iszap tömegáramát, ha a derítmény koncentrációja elhanyagolhatóan kicsi! (3,3· 10-3 kg/s = 11,88 kg/h) /h) C.) Határozza meg a derítmény térfogatáramát! (2,97·10-5 m3 /s = 106,92 l /h) D.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (3,68·10 -4 m/s, Re = 0,018 < 1) E.) Mekkora a szükséges készülékátmérő, ha a folyadék sebessége: vf = 0,75⋅vü? A zagy és a folyadék s űrűségkülönbsége elhanyagolható! (0,37 m) /h 5.) Laboratóriumi ülepítő készülékben mérést végzünk. Krétapor szuszpenziót ülepítünk, ahol a betáplálás 20 l /h 3 térfogatárammal történik, sűrűsége 1020 kg/m , koncentrációja 1,2 tömegszázalék. Az iszap térfogatárama 5 l /h, /h, sűrűsége 3 1060 kg/m , koncentrációja 3,2 tömegszázalék. A.) Írja fel az anyagmérleget és a részleges anyagmérleget! B.) Határozza meg a derítmény tömegáramát és koncentrációját! (4,2·10-3 kg/s; 0,5 %) C.) Számítsa ki a derítési hatásfokot! (58,3 %) D.) Rajzolja le a Dorr-féle ülepít ő elvi ábráját, jelölje be és nevezze meg fontosabb részeit és az anyagáramokat! /h 6.) Laboratóriumi ülepítő készülékben mérést végzünk. Krétapor szuszpenziót ülepítünk, ahol a betáplálás 30 l /h 3 térfogatárammal történik, sűrűsége 1030 kg/m , koncentrációja 1,6 tömegszázalék. Az iszap térfogatárama 6 l /h, /h, sűrűsége 3 1060 kg/m , koncentrációja 3,6 tömegszázalék. A.) Írja fel az anyagmérleget és a részleges anyagmérleget! B.) Határozza meg a derítmény tömegáramát és koncentrációját! (6,81·10-3 kg/s; 1,1 %) C.) Számítsa ki a derítési hatásfokot! (31,25 %)
7.) Folyadékban lévő szilárd szennyeződést ülepítő kádban kívánjuk szétválasztani. Az ülepítő kád hasznos magassága h = 20 cm, l = 2 m hosszúságú, s = 500 mm szélesség ű. A szilárd szemcsék sűrűsége 1200 kg/m3, a leválasztandó legkisebb szemcseátmérő 40 µm. A folyadék sűrűsége 1000 g/dm3, dinamikai viszkozitása 1,1⋅10-3 Pa⋅s. A.) Rajzolja be az ábrába az anyagáramokat, a folyadéksebesség vektorokat, a legkedvez őtlenebb helyzetben lévő szemcsét és annak ülepedését! B.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (1,585·10 -4 m/s, Re = 5,76·10 -3 < 1) C.) Mennyi idő alatt ülepedik le az adott szemcse? (1261 s = 21 min) D.) Mekkora lehet a maximális folyadéksebesség, amikor a szemcse még éppen határesetben ülepszik le? (1,585·10 -3 m/s) E.) Óránként mekkora tömegű zagyot tudunk megtisztítani? A zagy és a folyadék s űrűségkülönbsége elhanyagolható! (570,6 kg/h)
8.) Folyadékban lévő szilárd szennyeződést ülepítő kádban kívánjuk szétválasztani. Az ülepítő kád hasznos magassága h = 30 cm, l = 2,5 m hosszúságú, s = 60 cm szélesség ű. A szilárd szemcsék s űrűsége 1,3 kg/dm3, a leválasztandó legkisebb szemcseátmérő 50 µm. A folyadék sűrűsége 1050 kg/m3, dinamikai viszkozitása 1,05⋅10-3 Pa⋅s. A.) Rajzolja be az ábrába az anyagáramokat, a folyadéksebesség vektorokat, a legkedvez őtlenebb helyzetben lévő szemcsét és annak ülepedését! B.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (3,24·10 -4 m/s, Re = 0,016 < 1) C.) Mennyi idő alatt ülepedik le az adott szemcse? (925,9 s = 15,4 min) D.) Mekkora lehet a maximális folyadéksebesség, amikor a szemcse még éppen határesetben ülepszik le? (2,7·10 -3 m/s) E.) Óránként mekkora tömegű zagyot tudunk megtisztítani? A zagy és a folyadék s űrűségkülönbsége elhanyagolható! (1837,5 kg/h) 33
9.) Egy szakaszos üzem ű 300 cm hosszú, 160 cm szélesség ű, 120 cm mély ülepít ő medencében 30 µm átmérő jű határszemcse mérettel történik az elválasztás. Az iszapban lévő szilárd anyag sűrűsége 1640 kg/m3, a folyadéké 1105 kg/m3, a folyadék dinamikai viszkozitása 1,21⋅10-2 Pa⋅s. A.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (2,17·10 -5 m/s, Re = 5,95·10 -5 < 1) B.) Mennyi ideig tart az ülepedés az ülepítőben? (15,36 h) C.) Mennyi zagy elválasztását lehet elvégezni egy műszak (8 óra) alatt, ha a mellékid ő (derítmény evezetés + iszapkiszedés + zagyfeltöltés ideje) 2 óra? (2,65 m3) 10.) Egy szakaszos üzem ű 600 cm hosszú, 2,6 m szélességű, 2200 mm mély ülepítő medencében 20 µm átmérő jű határszemcse mérettel történik az elválasztás. Az iszapban lévő szilárd anyag sűrűsége 1540 kg/m3, a folyadéké 1,105 kg/dm3, a folyadék dinamikai viszkozitása 1,2 ⋅10-3 Pa⋅s. A.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (7,9·10 -5 m/s, Re = 1,45·10-3 < 1) B.) Mennyi ideig tart az ülepedés az ülepítőben? (7,74 h) C.) Mennyi zagy elválasztását lehet elvégezni egy műszak (8 óra) alatt, ha a mellékid ő (derítmény evezetés + iszapkiszedés + zagyfeltöltés ideje) 2,5 óra? (26,81 m3) 11.) Óránként 5860 m3 zagyot ülepítünk egy 24 m átmér ő jű, folyamatos üzemű ülepítő medencében. Az iszapban lévő szilárd anyag sűrűsége 3810 kg/m3, a folyadék s űrűsége 1080 kg/m3, kinematikai viszkozitása 1,48⋅10-5 m2 /s A.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (3,6·10 -3 m/s, Re = 4,79·10-2 < 1) B.) Adja meg a határszemcse méretét! (1,96·10-4 m) C.) Leülepszik-e a 0,16 mm átmérő jű szemcse az ülepítő medencében? (nem; 0,16 mm < 0,196 mm) 12.) Óránként 6000 m3 zagyot ülepítünk egy 35 m átmér ő jű, folyamatos üzemű ülepítő medencében. Az iszapban lévő szilárd anyag sűrűsége 2800 g/dm3, a folyadék s űrűsége 1120 kg/m3, kinematikai viszkozitása 1,52⋅10-6 m2 /s A.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (1,74·10 -3 m/s, Re = 0,065 < 1) B.) Adja meg a határszemcse méretét! (5,68·10-5 m) C.) Leülepszik-e a 0,016 mm átmérő jű szemcse az ülepítő medencében? (nem; 0,016 mm < 0,0568 mm)
34
5. tétel: Egy technológiai folyamatba egy szűrési műveletet kell beilleszteni. Sorolja fel a f őbb szempontokat és a hozzájuk leginkább megfelelő berendezéstípusokat! berendezéstípusokat! - A szűrés elméleti kérdései − a felületi és mélységi sz űrés elve − a D’Arcy-féle szűrési alapegyenlet − optimális szűrletmennyiség- a szűrési teljesítmény meghatározása - Szűrőberendezések − f őbb típusai, működési elvük, alkalmazási területeik − szűrőanyagok és a velük szemben támasztott követelmények − szűrési segédanyagok − állandó nyomásesésű szűrés megvalósítása - A mellékelt ábra alapján az adott szűrőberendezés nyomásszabályozási megoldásának és f ő szabályozási egységeinek bemutatása A szűrés fogalma, a felületi és mélységi szűrés elve A szűrés fizikai elválasztó művelet, melynek során a szuszpenziót pórusos rétegen vezetik keresztül. A szilárd anyag (iszap) a pórusos rétegen vagy rétegben marad, míg a folyadék (szűrlet) átáramlik rajta. Felületi szűrésnél az iszap (szilárd anyag) a szűrőrétegen marad. Ilyekor valamilyen szűrőszövetet használunk. Mélységi szűrésnél az iszap (szilárd anyag), behatol a sz űrőréteg belsejébe. Ilyenkor kavics- vagy homokágyon át történik a szűrés.
Felületi szűrés
Mélységi szűrés
Az elválasztás feltétele, hogy a szűrőréteg két oldalán a nyomás különböz ő legyen. A levált iszap miatt a szűrőréteg vastagsága egyre nő a szűrés folyamán. A sz űrőréteg egy idő után telítődik, ekkor alulról való visszamosással regenerálható. Nyomáskülönbség szerint a szűrés lehet: - gravitációs szűrés, - szívó- (vákuum-) sz űrés, - nyomószűrés, - centrifugális szűrés. A D’Arcy-féle szűrési alapegyenlet Q – szűrési teljesítmény [m3 /s] K – – szűrő áteresztőképessége (lyukak területe) [m2] K ⋅ A ⋅ ∆ p Q= A – szűrőfelület nagysága [m2] η ⋅ l ∆ p – nyomáskülönbség [Pa] η – szűrlet dinamikai viszkozitása [Pa·s] l – szűrőréteg vastagsága [m] A D’Arcy-képlet segítségével meghatározható, hogy milyen tényezők, hogyan befolyásolják a sz űrés műveletét. K, A, ∆ p növelésével nő a sz űrési teljesítmény, míg a dinamikai viszkozitással és a szűrőréteg vastagságának növekedésével pedig csökken. A szűrőkészülékek teljesítményét a szűrőfelület nagyságának és az alkalmazott nyomáskülönbségnek a változtatásával befolyásolják. A D’Arcy-képlet alkalmazhatóságát korlátozza az a tény, hogy a szűrési jellemzőket mindig egyedileg kell az adott gyakorlati esetre meghatározni. Valamint a levált iszap miatt a sz űrőréteg vastagsága egyre n ő a sz űrés folyamán. Ezért a gyakorlatban inkább kísérleti úton határozzák meg egy-egy e gy-egy készülék teljesítményét.
35
Optimális szűrletmennyiség- a szűrési teljesítmény meghatározása Az adott készülékre jellemző görbét kísérleti szűrésekkel határozzák meg. t szsz – szűrési idő [s] t m – mellékidő (állásidő, regenerálási idő) [s] t – – összidő (tsz + tm) [s] V – – szűrlettérfogat [m3] 3 V opt opt – optimális szűrlettérfogat [m ] C ⋅η 2
t =
A 2 ⋅ ∆ p
⋅ (V + 2 ⋅ V ⋅ V e )
C – – szűrési állandó [1/m2] η – szűrlet dinamikai viszkozitása [Pa·s] A – szűrőfelület nagysága [m2] ∆ p – alkalmazott nyomáskülönbség [Pa] V e – egyenértékű szűrlettérfogat [m3] (Az a sz űrlettérfogat, amit ahhoz kell leszűrni, hogy a kialakult iszapréteg szűrési ellenállása megegyezzen a szűrőréteg ellenállásával.) Az optimális szűrletmennyiséget szerkesztéssel határozzák meg. Először lemérik a mellékidőt. A mellékidő (t m) a leállás, ürítés, tisztítás, összeszerelés idejét jelenti. Ebből érintőt húznak a görbéhez. Ahol a görbét érinti az egyenes, azt levetítve a vízszintes tengelyre, megkapjuk az optimális szűrletmennyiség értékét, a függőleges tengelyen pedig a szűrési időt. A szűrés összideje pedig: t = = t sz sz + t m [s] Ennek felhasználásával a szűrési teljesítmény:
Q=
V opt t sz + t m
[m3 /s]
A maximális szűrési teljesítmény akkor adódik, ha a sz űrési idő megegyezik a mellékidővel (t sz sz ≈ t m) m), így a maximális szűrési teljesítmény: Q max
V opt = [m3 /s] 2 ⋅ t m
Szűrőberendezések f őbb típusai, működési elvük, alkalmazási területeik A szűrőberendezéseket a szűrőközeg két oldalán lévő nyomáskülönbség szerint csoportosíthatjuk. Ez alapján vannak: - gravitációs szűrők - szívó- (vákuum-) sz űrők - nyomószűrők - centrifugális szűrők. Gravitációs szűrők A szűrőanyag két oldalán lévő nyomáskülönbséget a folyadékra ható gravitációs er ő hozza létre. Mivel a nyomáskülönbség nem nagy, ezért a sz űrés lassú. Inkább laboratóriumokban alkalmazzák. Vákuumszűrők (szívószűrők) A szűrőfelület után vákuumot létesítenek. A nyomáskülönbség maximum 1 bar lehet, ezért a sz űrési teljesítményt úgy növelik meg, hogy a szűrőfelületet növelik. Fajtái: vákuum dobszűrő és vákuum tárcsás szűrő. Mindkét típusnál a szűrés, az iszapöblítés és az iszapleválasztás is, a sz űrődob vagy tárcsa egy körülfordulása alatt történik meg. Folyamatos üzeműek, ezért jól beilleszthetők technológiai folyamatokba. Vákuum dobszű r r ő ő:
36
Nyomószűrők csoportosítása
ő k: Táskás sz ű r r ő k:
A szűrővásznat lyuggatott lemezből készült „táskákra” húzzák, majd a szűrőelemeket egy tartályban helyezik el. A tartályba 2 - 4 bar nyomással vezetik be a zagyot (sz űrendő anyagot). Az iszap a szűrővásznon fennmarad, a sz űrlet pedig a táskák belsejében a gyű jtőcsatornán át távozik a szűrőből. Az iszap eltávolítása a tartály szétszerelése (nyitása) után történik. Szakaszos üzeműek. Fajtái: Kelly-szűrő és Sweetland-szűrő. Kelly-szűrő:
A táskák különböző magasságúak, ezért szerelése nagyobb odafigyelést igényel. A táskák kocsin tolhatók be és ki. Nagyobb nyomással üzemeltethető, mint a Sweetland szűrő. Szakaszos üzemű.
Sweetland-szűrő: A táskák korong alakúak (sz űrőkorongok) egyforma méretűek, ezért cseréjük egyszerű. A berendezésnek nagyobb a szűrőfelülete, mint a Kelly-szűrőé. Viszont kisebb nyomást bír el. Szakaszos üzemű.
Szű r rő prések: ő A szűrőelemeket és a közéjük elhelyezett szűrőközeget egymáshoz szorítják és nagy nyomáson (2-20 bar) vezetik be a zagyot (szűrendő közeget). Az iszap az elemek közötti teret tölti ki, a szűrlet pedig a szűrőközegen áthaladva, szűrőelemek bordái között a kifolyócsatornán át távozik. Ha az iszap megtölti az elemek közötti teret, a szűrést befejezik, szétszerelés után eltávolítják az iszapot. Szakaszos üzeműek. Fajtái: keretes és kamrás szűrőprés. Keretes szűrőprés: Kamrás szűrőprés:
37
A keretes szűrőprésnél kétféle elem van (+ a két végén a záróelem), ezért összerakása, karbantartása több figyelmet igényel. Iszaptere viszont nagyobb, ezért több zagyot tudnak sz űrni, vagy nagyobb lehet a zagy szilárdanyag tartalma, mint a kamrás szűrőprésnél. A kamrás szűrőprésnél azonosak a közbens ő elemek, ezért összerakása, karbantartása egyszerűbb, viszont az iszaptere kisebb, mint a keretes szűrőprésnek. Centrifugális szűrők Centrifugális erőtérben, a szuszpenzióra ható centrifugális erő következtében, nyomás jön létre a dob falára mer őlegesen. A nyomáskülönbség függ a s űrűségtől, a fordulatszámtól és a centrifuga dobátmérő jétől. A centrifugában végzett szűrés gyorsabb, mintha gravitációs erőtérben végeznénk. A centrifugák hatékonyságát a jelzőszámmal adják meg (ez kifejezi, hogy hányszor gyorsabb a művelet centrifugában, mint a nehézségi erőtérben).
Szűrőanyagok és a velük szemben támasztott követelmények: - pamutszövetek - gyapjúszövetek - üvegszövetek - fémszövetek - szintetikus anyagok (m ű anyagok) anyagok) - papír A szűrendő anyag kémiai és fizikai tulajdonságai, valamint a szűrési technológia körülményei (nyomás, hőmérséklet stb.) határozzák meg, hogy melyik szűrőanyagot alkalmazzák. Szűrési segédanyagok Többnyire olyankor alkalmazzák, amikor finoman eloszlatott, vagy könnyen összenyomható (pelyhes) részecskéket kell szűrni. Ilyenkor a szűrési segédanyagból kell kialakítani a sz űrőréteget (lepényt). Ilyen segédanyag a kovaföld, papírpép, szén, perlit, azbeszt, stb. A segédanyagot a sz űrés előtt viszik fel a szűrőre és csak utána kezdik meg a tényleges sz űrést. Folyamatos szűrésnél inkább az a szokás, hogy a segédanyagot a sz űrendő anyaghoz keverik, és szűrés közben jön létre a szűrőréteg. A szűrőket egy idő múlva meg kell szabadítani a segédanyagoktól, mert elzárják a szűrőt. Állandó nyomásesésű szűrés megvalósítása
1. lépés: Az A szűrő feltöltése a B zagytartályból. (nyitva az 1-es és 2-es csap) 2. lépés: Szűrés, közben az E nézőkén ellenőrizzük a szűrlet tisztaságát. Ha zavaros, akkor nyitva a 2-es, 3-as és 4es csap. Ha tiszta, akkor a D szűrlettartályba vezetjük. (nyitva a 2-es, 3-as és 5-ös csap) 3. lépés: Tartály leürítése. (nyitva az 1-es és 6-os csap) 4. lépés: A szűrő feltöltése a C mosófolyadék mosófolyadék tartályból. (nyitva az 1-es és 7-es csap) 5. lépés: Az iszap mosása. (nyitva a 7-es és 8-as csap) 6. lépés: Mosófolyadék leeresztése. (nyitva az 1-es és 9-es csap) 7. lépés: A szűrő szétszerelése, iszap eltávolítása.
38
A mellékelt ábra alapján az adott szűrőberendezés nyomásszabályozási megoldásának és f ő szabályozási egységeinek bemutatása (melléklet)
A zagytartályban lévő zagyot szivattyúval juttatják a szűrőprésbe egy fojtószelepen keresztül. A szűrőprésben lévő nyomást a nyomásmérő /távadó méri, és folyamatosan jelet (ellenőrző jelet) küld róla a szabályozónak. Ha ez eltér a beállított értéktől (alapértéktől), akkor a szabályozó, jelet (végrehajtó jelet) küld a fojtószelepnek (a beavatkozó szervnek). A fojtószelep nyitásával vagy zárásával a szűrőprésben lévő nyomást a szabályozó a beállított értéken (alapértéken) tartja.
Feladatok szűrés témakörből 1.) A.) Írja fel a D’Arcy-féle szűrési alapegyenletet állandó nyomásesésű szűrés esetén! Ismertesse az egyenletben szereplő jellemzőket, mértékegységeit! B.) Az ábrán egy keretes sz űrőprés vázlata látható. Fejezze be a keretes szűrő szűrőelemeinek rajzát, középen egy üres keretet helyezzen el! A jobb oldali képen kitöréssel adja meg a megfelelő keretelemeket! Nevezze meg és jelölje a szerkezeti részeket és az anyagáramokat, azok irányát! Tartsa be a műszaki ábrázolás alapvető szabályait!
39
C.) Keretes szűrőprésen kísérleti szűrést végzünk. A mérés eredménye az alábbi diagramon látható.
− Határozza meg az optimális szűrletmennyiséget és a maximális szűrési teljesítmény értékét, ha az állásidő 85 perc!
(820 liter ; 4,82 l /min /min = 289,4 l /h) /h) − Egy technológiai folyamatban lévő vákuumdobszűrő, melynek szűrési teljesítménye 240 l /h, /h, meghibásodott. Vizsgálja meg, beállítható-e a technológiai folyamatba a keretes szűrő? (igen; Qmax = 289,4 l /h /h > 240 l /h) /h)
2.) A.) Keretes szűrőprésen kísérleti szűrést végzünk. A mérés eredménye az alábbi diagramon látható. A függőleges tengelyen a szűrési idő, a vízszintes tengelyen a keletkezett szűrlet mennyisége van feltüntetve. Határozza meg az optimális szűrletmennyiséget, ha az állásidő 15 perc! (32 liter )
40
B.) Egy technológiai folyamatban lévő vákuumdobszűrő, melynek szűrési teljesítménye 60 liter/óra, meghibásodott. Helyettesítheti-e a keretes szűrőprés? (igen; Qmax = 64 l /h /h > 60 l /h) /h) 3.) Keretes szűrőprésen kísérleti szűrést végzünk. A mérés eredménye az alábbi diagramon látható. A függ őleges tengelyen a ∆t időkülönbségek alatt keletkezett ∆V filtrát mennyiségek vannak feltüntetve, a keletkezett összes filtrát mennyiség (V) függvényében.
Határozza meg a szűrési állandókat (a, b)! Segítségül a szűrési alapegyenlet időre megoldva, átrendezve:
(a = 0,017 s/dm6, b = 6 s/dm3)
∆t = a ⋅ V + b ∆V
4.) Keretes szűrőprésen kísérleti szűrést végzünk. A mérés eredménye az alábbi diagramon látható. A függ őleges tengelyen a ∆t időkülönbségek alatt keletkezett ∆V filtrát mennyiségek vannak feltüntetve, a keletkezett összes filtrát mennyiség (V) függvényében.
Az alkalmazott nyomáskülönbség 0,6 bar, a szűrő felülete 1,6 m2, a szűrlet dinamikai viszkozitása 1,4⋅10-3 Pa⋅s. Határozza meg a szűrési állandót, és az egyenértékű filtrát (szűrlet) mennyiséget! (C = 5,49·1012 1/m2, Ve = 0,02 m3)
5.) Egy ipari szűrőberendezésen, melynek a felülete 0,6 m2, 0,85 bar nyomáskülönbség mellett a következ ő szűrési egyenletet kapjuk: y = 410000x +12200. A közeg viszkozitása 1,5 ⋅10-3 Pa⋅s. Határozza meg a szűrési állandót és az egyenértékű szűrlettérfogatot! (C = 8,36·1012 1/m2, Ve = 0,0149 m3) 6.) Egy ipari szűrőberendezésen, melynek a felülete 0,8 m2, 0,95 bar nyomáskülönbség mellett a következ ő szűrési egyenletet kapjuk: y = 52000x +1550. A közeg viszkozitása 1,4⋅10-3 Pa⋅s. Határozza meg a szűrési állandót és az egyenértékű szűrlettérfogatot! (C = 2,26·1012 1/m2, Ve = 0,0149 m3) 41
6. tétel: Számszerűsítse a centrifugális szétválasztás hatásosságát, adjon javaslatokat a különböz ő centrifugatípusok alkalmazhatóságára! - A centrifugálás fogalma, ttörvényszer örvényszerűségei, ülepítés centrifugális erőtérben - A centrifugális és gravitációs ülepítés összehasonlítása, a jelzőszám fogalma - A centrifugálás készülékei, a mellékelt ábrák felhasználásával − ülepítő- és szűrőcentrifugák kialakítása, felhasználási területük − az inga-, tányéros, szupercentrifuga működése - Centrifugák üzemeltetése, baleset- és munkavédelmi előírások A centrifugálás fogalma, törvényszerűségei, ülepítés centrifugális erőtérben A centrifugálás olyan fizikai elválasztó művelet, melyet centrifugális erőtérben végzünk. Megvalósítható centrifugális ülepítés és centrifugális szűrés. Az elválasztás a fázisok s űrűségkülönbségén, ill. a részecskék szemcseméret-különbségén alapszik. A centrifugában ülepedő részecskére hat a súlyer ő, ami elhanyagolható, a centrifugális er ő, a felhajtóerő és a közegellenállási erő. A nagy fordulatszám miatt a centrifugális erő sokkal nagyobb, mint az ellene ható felhajtóer ő és közegellenállási erő, ezért az ülepedés sokkal gyorsabb, mint gravitációs erőtérben. A centrifugális és gravitációs ülepítés összehasonlítása, a jelzőszám fogalma Gravitációs erőtérben az ülepedés sebessége:
v üg
d 2 ⋅ g ⋅ ( ρ sz − ρ f ) = 18 ⋅ η
Centrifugális erőtérben:
v üc
d 2 ⋅ a c ⋅ ( ρ sz − ρ f ) d 2 ⋅ R ⋅ ω 2 ⋅ ( ρ sz − ρ f ) d 2 ⋅ R ⋅ ( 2 ⋅ π ⋅ n ) 2 ⋅ ( ρ sz − ρ f ) = = = 18 ⋅ η 18 ⋅ η 18 ⋅ η
A centrifuga jelzőszáma:
v üc a c R ⋅ ω 2 R ⋅ (2 ⋅ π ⋅ n) 2 j = = = = v üg g g g Ahol: d - szemcseátmérő [m] ρ szsz - szemcse s űrűsége [kg/m3] ρ f - folyadék sűrűsége [kg/m3] η - folyadék dinamikai viszkozitása [Pa ·s] g - nehézségi gyorsulás [9,81 m/s 2] ac - centrifugális gyorsulás (R· ω2) [m/s2] R - a centrifuga dobjának sugara [m] - a dob szögsebessége (2· π· n) [1/s] n - a dob fordulatszáma [1/s] A jelzőszám a centrifuga hatékonyságára jellemző érték, mely megmutatja, hogy hányszor gyorsabb az elválasztás a centrifugában, mint a gravitációs erőtérben. Ha j < 5000, akkor normál centrifugáról, ha j > 5000, akkor gyors(szuper-) centrifugáról beszélünk. A centrifugálás készülékei A centrifugák a bennük elvégzett művelet szerint lehetnek: - szűrőcentrifugák → folyadék-szilárd rendszer (szuszpenzió) elválasztására - ülepítőcentrifugák → szuszpenzió elválasztására, ha a szilárdanyag-tartalom csekély - szeparátorcentrifugák → folyadék-folyadék rendszer (emulzió) elválasztására (emulzióbontó centrifugák) - szárítócentrifugák → csapadékok és kristályok víztelenítésére (előszárítására) A centrifugák üzemmódjukat tekintve lehetnek szakaszosak és folyamatosak. A forgástengelyük elhelyezkedése szerint lehetnek vízszintes és függőleges tengelyűek.
42
Ingacentrifuga (melléklet) A legegyszerűbb és legáltalánosabban használt centrifuga típus az ingacentrifuga. A ház három ponton csuklósan van rögzítve, hogy kiküszöbölje a kiegyensúlyozatlanság káros hatásait. Jelzőszáma 200 – 600 között van. Sz űrésre használják, de teliköpenyes változatban emulzióbontáshoz is alkalmazható. Ilyenkor a forgódobon (köpenyen) nincsenek lyukak (perforáció). Szakaszos üzemű. Működése: A fedél felemelése után teszik bele a szűrendő anyagot (a forgódob ilyenkor áll). A fedél zárása után felpörgetik a dobot. A folyadék (sz űrlet) a perforált dobon átáramlik, míg az iszap a dob bels ő falára tapad. Leállítás után a dobot ürítik. Függőcentrifuga (melléklet)
Szakaszos üzemű szűrőcentrifuga. A töltés lassú forgás közben történik. Jelzőszáma ≈ 900. Az iszap ürítése a zárókúp felhúzása után, alul történik. Főleg a cukoriparban használják.
Tányéros centrifuga (szeparátor) (melléklet) Működése: A dob belsejében vékony lemezekből készült kúpos betéteket (tányérokat) helyeznek el kb. 1 mm távolságra egymástól. A tányérok száma 40 – 100 db. A tányérok közé az emulziót a tányérokon lévő lyukakon keresztül vezetik be. A tányérok között lévő kis távolság, rövid ülepedési úthosszt, ennélfogva gyors elválasztást biztosít. A nagyobb sűrűségű folyadék a forgódob falához közelebb, míg a kisebb sűrűségű beljebb helyezkedik el. A szétvált folyadékokat az állóház különböző részein vezetik el. Általában emulzióbontáshoz alkalmazzák, ilyenkor folyamatos üzemű. Például víz olajmentesítésére használják. 1 – 2 % szilárdanyag tartalmú szuszpenziók elválasztásához is alkalmazható, szakaszos üzemben. Ilyenkor centrifugálás után a szilárd szemcséket kifújják a tányérok közül. Jelzőszáma 5000 – 10 000 között van.
43
Szuper centrifuga (melléklet) Folyamatos üzemű, emulzióbontó centrifuga. A kis átmérő (4 – 15 cm) és nagy hossz miatt „csöves centrifugának” is nevezik. Jelzőszáma 40 000 – 50 000 között van. Működése: Az emulziót alul táplálják be, ahol a forgótárcsának ütközik. A forgótárcsa az emulziót egyenletesen szétoszlatja és felgyorsítja a forgórész sebességére. Miközben az anyag a forgórész hosszában végigáramlik, megtörténik a szétválás. A nagyobb sűrűségű folyadék a forgórész falához közelebb, míg a kisebb s űrűségű beljebb helyezkedik el. A szétvált folyadékokat az állóház különböző részein vezetik el. Szakaszos üzemben alkalmas, kis szilárdanyag tartalmú szuszpenzió elválasztására is. Ilyenkor a szilárd anyag a forgórész belső falára rakódik. Amikor tele lesz, akkor a forgórészt üresre cserélik ki.
Dugattyús centrifuga (melléklet) Folyamatos üzemű szűrőcentrifuga. Nagy szilárdanyag tartalmú zagyoknál alkalmazzák. Töltés üzemi fordulatszámon történik. Az iszapot a dugattyú segítségével tolják ki, percenként 10 – 15-ször. Az iszapot, ha szükséges mossák is. Ilyenkor a szűrletet és a mosófolyadékot az állóház különböző részein vezetik el. Jelzőszáma alapján normálcentrifuga.
44
Centrifugák üzemeltetése, baleset- és munkavédelmi előírások A centrifugák veszélyes üzemű berendezések, ezért csak szakképzett dolgozók kezelhetik védőruha, védőfelszerelés használata mellett! Veszélyforrások: - nagy sebességgel forgó tömeg, - kiröpülő anyag, - túlterhelés, - nincs kellően kiegyenlítve, - nincs kellően rögzítve, - biztonságtechnikája nem működik, - veszélyes anyagok. A centrifuga házát (védőköpenyét) zárható fedéllel és reteszelővel kell ellátni! A reteszelő nem engedi elindulni a dobot, ha nincs a fedél lezárva és rögzítve. Műszakkezdés előtt ellenőrző vizsgálatot kell végezni. Üzembe helyezéskor és felülvizsgálat alkalmával próbapörgetést kell végezni az üzemi fordulatszámon. Mérgező, környezetre káros gőzök esetén zárt rendszert kell alkalmazni. Tűz- és robbanásveszélyes anyag esetén nem szabad mechanikus féket alkalmazni. A villamos berendezésekre vonatkozó érintésvédelmi szabályokat be kell tartani. A biztonságtechnikai berendezéseket kiiktatni még ideiglenesen i deiglenesen sem szabad!
Feladatok centrifugálás témakörből 1.) A.) Mit értünk egy centrifuga jelzőszáma alatt? Írja le a definíciót és a kiszámításának képletét! (2060) B.) Számolja ki a jelzőszám értékét, ha a centrifuga közepes átmérő je 160 mm, fordulatszáma 4800 f/perc! (2060) 2.) 400 mm átmérő jű, 300 mm dobmagasságú ingacentrifugában percenként 900-as fordulatszámmal olyan vizes szuszpenziót ülepítünk, amelynek átlagos szemcsemérete 50 µm, sűrűsége 1300 kg/m3, viszkozitása 0,015 Pa⋅s. A víz sűrűsége 1 g/cm3. A.) Határozza meg a szemcsék ülepedési sebességét! (4,93·10 -3 m/s) B.) Határozza meg a centrifuga felületét! (0,38 m2) C.) Számítsa ki, hogy mennyi anyagot lehet óránként feldolgozni a berendezéssel! (6,74 m3 /h) D.) Mekkora a centrifuga jelzőszáma? (181,1) 3.) 450 mm átmérő jű, 350 mm dobmagasságú ingacentrifugában percenként 950-as fordulatszámmal olyan vizes szuszpenziót ülepítünk, amelynek átlagos szemcsemérete 40 µm, sűrűsége 1350 kg/m3, viszkozitása 0,016 Pa ⋅s. A folyadék sűrűsége 1,05 kg/dm3. A.) Határozza meg a szemcsék ülepedési sebességét! (3,71·10 -3 m/s) B.) Határozza meg a centrifuga felületét! (0,495 m2) C.) Számítsa ki, hogy mennyi anyagot lehet óránként feldolgozni a berendezéssel! (6,68 m3 /h) D.) Mekkora a centrifuga jelzőszáma? (226,9) 4.) Centrifugában 2480 kg/m3 s űrűségű szilárd anyagot kell elválasztani a folyadéktól, melynek kinematikai viszkozitása 9,3⋅10-6 m2 /s, dinamikai viszkozitása 1,32⋅10-2 Pa⋅s. A leválasztandó legkisebb szemcseátmérő 0,22 mm. A centrifuga jelzőszáma 150, fordulatszáma 720/perc. A.) Mekkora a centrifuga dobátmér ő je? (0,52 m) B.) Mekkora a centrifugális ülepedési sebesség? (0,32 m/s) C.) Mennyi anyagot lehet feldolgozni óránként, ha a centrifuga dobmagassága megegyezik a dobátmér ővel? (979,2 m3 /h) 5.) Centrifugában 2310 kg/m3 s űrűségű szilárd anyagot kell elválasztani a folyadéktól, melynek kinematikai viszkozitása 9,1⋅10-6 m2 /s, dinamikai viszkozitása 1,22⋅10-2 Pa⋅s. A leválasztandó legkisebb szemcseátmér ő 0,033 mm. A centrifuga jelzőszáma 250, fordulatszáma 800/perc. A.) Mekkora a centrifuga dobátmér ő je? (0,7 m) B.) Mekkora a centrifugális ülepedési sebesség? (0,012 m/s) C.) Mennyi anyagot lehet feldolgozni óránként, ha a centrifuga dobmagassága megegyezik a dobátmér ővel? (66,5 m3 /h)
45
7. tétel: Adjon javaslatokat durva és finomszemcsés halmazok szállítási módjaira, lehet őségeire! - Szilárd anyagok szállítása, berendezéseinek bemutatása a mellékelt ábrák felhasználásával − szállítószalagok − elevátorok − csigás szállítók - A pneumatikus szállítás bemutatása a mellékelt ábrák felhasználásával − a nyomó- és szívóüzemű pneumatikus szállítás ismertetése − kapcsolási vázlata, f ő részei, alkalmazási példák A szállítás, a gyártáshoz szükséges, ill. a gyártás során keletkezett anyagok mozgatását jelenti. A folyamatos termelés biztosítása miatt van rá szükség. A szállító berendezések csoportosíthatók a szállított anyag halmazállapota szerint: - gázszállítók (ventilátorok, fúvók, kompresszorok) - folyadék szállítók (szivattyúk) - szilárd anyagokat szállító berendezések (erről részletesebben, ebben a tételben) A szilárd anyagokat két csoportba soroljuk a szállítás szempontjából: - darabárú (egyedileg csomagolt, tárolt és szállított anyagok) - ömlesztett árú (nagyobb tömegű, rendezetlen és csomagolatlan szemcsés, darabos halmaz) Működésük szerint a szállítóberendezések lehetnek: - szakaszosak (csillék, kézikocsik, targoncák stb.) - folyamatosak (vonóelemes, vonóelem nélküli pl: úsztatás, vagy pneumatikus szállítók) Szállítóberendezések Szállítószalagok (melléklet) Ömlesztett és darabáru, vízszintes és ferde szállítására egyaránt alkalmas. Vonóeleme a heveder, ami készülhet gumiból, acélsodronyból.
Robin-görgők Robin-görgők alkalmazásával nagyobb a szállított anyag keresztmetszete, így id őegység alatt több anyag szállítható. Hátránya, hogy a szalagot jobban igénybe i génybe veszi. Serleges elevátor (melléklet) Ömlesztett anyagok függőleges vagy meredek szállítására alkalmas. Vonóeleme lánc vagy textilbetétes gumi.
46
Csigás szállító (melléklet) A zárt köpenyben forgó, csavarfelületű csiga a beadagolt anyagot fordulatonként a menetemelkedésnek megfelelő mértékben mozdítja előre. Nem teljes keresztmetszetben szállít, hanem csak a vályú alján kotorja előre az anyagot. Ömlesztett anyag szállítható vele, vízszintes vagy kis lejtésű pályán.
Csúszdák (melléklet) Gravitáción alapuló, ömlesztett és darabárú szállítására egyaránt alkalmas. Készülhet nyitott vagy zárt csatornával. A lejtés szögének megfelelőnek kell lennie. Túl kicsi szög esetén nem csúszik le az anyag, túl nagy szög esetén, pedig zuhan.
Görgősor (melléklet) Darabárú vízszintes és enyhén lejtős pályán történő szállítására alkalmas. Egyenes és íves szakaszokból állítják össze az útvonalat. Vagy a görgőket (pl: minden ötödiket) hajtják, vagy kézi erővel továbbítják a darabárut.
Lengő- és rázócsatornák (melléklet) Ömlesztett anyagok szállítására használják. A haladás irányába nagyobb mértékben gyorsítja az anyagot az excenter, mint ellentétes irányba. Lengőcsatornánál (n = 300/min) az anyag el őre csúszik, míg rázócsatornánál (n = 3000/min) pattogva, lebegve halad előre.
47
Aerációs csatorna (melléklet) Finomszemcsés ömlesztett anyag vízszintes és enyhén lejt ős szállítására alkalmas. A fluid állapotot az anyagréteg alá fúvatott levegővel érik el. Az anyag ilyenkor úgy viselkedik, mintha folyadék lenne. A csatorna hossza 50 – 200 m, elágazások és ívek is építhetők bele.
Kötöttpályás konvejor (melléklet) Egy felfüggesztett kötél, vagy egyéb rögzített pályán történik a szállítás. Alkalmas darabáru és ömlesztett áru vízszintes és ferde szállítására.
Pneumatikus szállítás Szívóüzemű pneumatikus szállítás (melléklet)
A szívófejtől szállítja az anyagot a silóig. A ciklon és a porszűrő a le nem ülepedett anyag felfogására szolgál, hogy az nehogy bekerüljön a légszivattyúba. Alkalmazása: cementipar, gabonaipar, festék- és műanyagipar stb.
48
Nyomóüzemű pneumatikus szállítás (melléklet)
A silóból szállítja az anyagot a ciklonba. A porszűrő a le nem ülepedett anyag felfogására szolgál. Alkalmazása: ugyanaz, mint a szívóüzemű szállításnál. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Feladatok megoldásához szükséges összefüggések: Szállítóképesség: •
V = A ⋅ v
[m3 /s]
•
V - szállított anyag térfogatárama [m3 /s]
A - anyagáram keresztmetszete [m2] v - anyagáram sebessége [m/s]
A szállítás teljesítményszükséglete: - vízszintes szállításnál
⋅ A ⋅ v ⋅ ρ ⋅ g ⋅ L [W] η
Pv =
- függőleges szállításnál
P f =
A ⋅ v ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H η
[W]
- ferde szállításnál
P=
⋅ A ⋅ v ⋅ ρ ⋅ g ⋅ L A ⋅ v ⋅ ρ ⋅ g ⋅ H + [W] η η
µ – 1 kg anyagra vonatkoztatott szállítási ellenállás [-] ρ – látszólagos s űrűség (az anyagszemcsék és a közöttük lévő levegő együttes sűrűsége [kg/m3]
g – nehézségi gyorsulás (9,81 m/s 2) L – vízszintes szállítás hossza [m] η – szállítás hatásfoka H – – függőleges szállítás magassága [m]
49
Feladatok szállítás témakörből 1.) Szállítószalaggal ömlesztett szemcsés anyagot szállítunk 10 m magasra. A szállítószalag hossza 50 m, szélessége 1100 mm, sebessége 1,5 m/s. Az anyag látszólagos sűrűsége 1,3 kg/dm3, rézsűszöge a szalagon 30°. A.) Mekkora a szalag szállítóképessége t/h-ban? (1224,3 t/h) B.) Mekkora a szállítás teljesítményszükséglete kW-ban, ha a szállítási ellenállás 1,1; a hatásfok 80 %? (266,48 kW) 2.) Szállítószalaggal ömlesztett szemcsés anyagot szállítunk 15 m magasra. A szállítószalag hossza 60 m, szélessége 140 cm, sebessége 1,8 m/s. Az anyag látszólagos sűrűsége 1500 kg/m3, rézsűszöge a szalagon 32°. A.) Mekkora a szalag szállítóképessége t/h-ban? (2975,4 t/h) B.) Mekkora a szállítás teljesítményszükséglete kW-ban, ha a szállítási ellenállás tényező 1,2; a hatásfok 87 %? (789,3 kW) 3.) Szállítószalaggal ferde szállítást valósítunk meg. A szalag 42°-os szögben 13 m magasra szállítja az ömlesztett anyagot. A szállított anyag térfogategységének tömege 2,08 kg/dm3, keresztmetszete a szalagon 430 cm2. A hatásfok 75 %, az ellenállás tényező 1,35; szalagsebesség 0,75 m/s. A.) Határozza meg az óránként szállított anyag tömegét! (241488 kg/h) szállít ás teljesítményszükséglete? (28,51 kW) B.) Hány kW a szállítás C.) Hány óra alatt tölti meg a 3 m átmér ő jű, 12 m magas silót? (0,73 h) 4.) Szállítószalaggal ferde szállítást valósítunk meg. A szalag 35°-os szögben 17 m magasra szállítja az ömlesztett anyagot. A szállított anyag térfogategységének tömege 3300 kg/m 3, keresztmetszete a szalagon 550 cm2. A hatásfok 78 %, az ellenállás tényező 1,4; szalagsebesség 0,85 m/s. A.) Határozza meg az óránként szállított anyag tömegét! (555390 kg/h) szállít ás teljesítményszükséglete? (98,94 kW) B.) Hány kW a szállítás C.) Hány óra alatt tölti meg a 4,5 m átmér ő jű, 15 m magas silót? (1,417 h) 5.) Serleges elevátorral egy silót töltenek fel. Egy serleg térfogata 3 dm 3, a szomszédos serlegek távolsága 400 mm, a vonóelem sebessége 2,1 m/s. A szállítás hatásfoka 75 %. A szállított anyag látszólagos s űrűsége 1,8 t/m3. A.) Mekkora az elevátor szállítóképessége kg/h-ban, ha a töltöttségi fok 0,55? (56133 kg/h) B.) Hány óra alatt tölti meg a 10 m átmérő jű, 20 m magas silót? (50,37 h) C.) Mekkora a szállítás teljesítményszükséglete kW-ban, ha a siló töltéséhez 21 m magasra kell az anyagot szállítani? (4,3 kW) 6.) Serleges elevátorral egy silót töltenek fel. Egy serleg térfogata 6 dm 3, a szomszédos serlegek távolsága 55 cm, a vonóelem sebessége 1,65 m/s. A töltési fok 75 %. A szállított anyag látszólagos s űrűsége 1750 kg/m3. A.) Határozza meg az óránként szállított anyag térfogatát! (48,6 m3 /h) B.) Egy műszak alatt (8 óra) hány tonna anyagot szállít az elevátor? (680,4 t)
50
8. tétel: Adjon javaslatokat a durva szemcsés halmazok anyagátadási folyamatokhoz történ ő előkészítésére, valamint az átlagos szemcseátmérő meghatározására! - Aprítás és osztályozás − az aprítás célja, az aprítóberendezések csoportosítása, felhasználási területük − a golyósmalom kritikus fordulatszám-meghatározása − az osztályozás és fajtázás készülékei, a mellékelt ábrák felhasználásával − a határszemcse-átmérő és az átlagos szemcseátmérő fogalma Az aprítás a szemcseméret csökkentésére irányuló művelet. Célja: a fajlagos felület növelése. A nagyobb fajlagos felület elősegíti a vegyipari műveletek pl.: szárítás, oldás, extrakció stb. végrehajtását. Fajlagos felület: f = A/m [m2 /kg]
A – a szemcsék összfelülete [m2] m – a szemcsék össztömege [kg] [ kg]
Az aprítás úgy történik, hogy valamilyen mechanikai er őhatással az anyagban nagyobb feszültséget idézünk el ő, mint az anyag szilárdsága. Mechanikai erőhatás lehet pl.: nyomás, ütés, dörzsölés, nyírás (vágás, hasítás). Az aprítandó anyag tulajdonsága t ulajdonsága határozza meg a választott mechanikai erőhatást. A kemény, rideg anyagokat nyomással és ütéssel célszerű aprítani, finom aprításukhoz pedig jól beválik a dörzsölés. A szálas, rugalmas, szívós és képlékeny (plasztikus) anyagok aprítását nyírással (vágással, hasítással) és dörzsöléssel szokták megoldani. Az aprítóberendezések csoportosítása az aprítási fok alapján ala pján történik. Aprítási fok: υ = D/d [-] D – eredeti szemcseméret [mm] d – aprított szemcseméret [mm] Az aprítási fok alapján az aprítógépek lehetnek: - durva aprítók υ = 2…5 - közepes aprítók υ = 5…10 - finom aprítók υ = 10…50 - igen finom aprítók υ > 50 Az aprítógépek üzemmód szerint lehetnek l ehetnek szakaszos, vagy folyamatos üzeműek. Durva aprítók (υ = 2…5): - pofás törő: nyomással aprít, folyamatos üzemű. Előkészíti az anyagot a tényleges aprításra vagy szállításra.
- kúpos tör ő: nyomással és dörzsöléssel aprít, folyamatos üzem ű.
51
Közepes aprítók (υ = 5…10): - hengeres törő: nyomással és dörzsöléssel aprít, folyamatos üzem ű. Állítható a résméret és a hengerek fordulatszáma külön-külön is. Az egyik henger rugós megtámasztású, így ha fém kerülne bele, nem következik be törés.
- görgő járat: nyomással és dörzsöléssel aprít, folyamatos folyamatos üzemű.
- kalapácsos törő: ütéssel aprít, folyamatos üzemű. A kalapácsok és a ház bels ő fala végzi egyszerre az aprítást. A kalapácsok csuklósan vannak rögzítve a beszorulás ellen.
- verőtárcsás törők: ütéssel aprítanak, folyamatos üzeműek. A dezintegrátor belsejében ellentétes irányba forgó verőtárcsák találhatók, melyekre verőpálcák vannak erősítve. A pálcák és a ház bels ő fala végzi egyszerre az aprítást.
52
Finom és igen finom aprítók (υ = 10…50, υ > 50): - golyósmalmok:
A malom vízszintes tengely körül forgó zárt henger, mely méretétől függően készülhet porcelánból (laborban) vagy fémb ől (ipari méreteknél). Ebben található az aprítandó anyag és az őrlőtest, melyeknek együttes térfogata nem haladhatja meg a malom térfogatának 30…40 %-át. Ha nagyobb az együttes térfogat, akkor nincs elég hely az aprításhoz, ha kisebb az együttes térfogat, akkor pedig nincs kihasználva a malom. Mindkét esetben csökken a malom teljesítménye. Az őrlőtest lehet golyó, rúd vagy pálca alakú, anyaga fém, porcelán, üveg, műanyag. Ha a malmot az optimális fordulatszámon üzemeltetik, akkor dörzsöléssel és ütéssel is aprít. Ilyenkor az őrlőtestek nemcsak egymáson gördülnek és csúsznak, hanem a malom belső faláról, felülről visszahullva ütik is az anyagot. A kritikus fordulatszámnál a centrifugális erő hatására az őrlőtestek feltapadnak a malom belső falára és megszűnik az aprítás. A kritikus fordulatszám meghatározása: nkrit = Az optimális fordulatszám: nopt =
32 [1/min] D
42,3 [1/min] D – a malom átmérő je [m] D
D – a malom átmérő je [m] Ez a kritikus fordulatszám 75 %-a. %-a.
A golyósmalom általában szakaszos üzemű berendezés, de folyamatossá tehető úgy, ha lejtéssel látják el, és lyuggatott lemezt építenek be, hogy csak az aprított anyag távozzon belőle. Különleges aprítók: A szálas vagy képlékeny (plasztikus) anyagokhoz használják. Ilyen például a csigás aprító (hasonló, mint a húsdaráló) és a késes aprító (késes malom). Osztályozás fogalma: az agyagok méret szerinti szétválasztása. Módszerei: szitálás vagy ülepítés. Osztályozás készülékei: - rácsok: párhuzamosan elhelyezkedő rudakból állnak, melyek között csak egy adott méretű (200…50 mm) vagy annál kisebb szemcse esik át. A rácsok közötti hézag felül a legkisebb, hogy a szemcsék ne szoruljanak be a rácsok közé. A rácsok lehetnek álló és mozgó típusúak.
- rosták: adott lyukméretű (100…60 mm) lemezek vagy drótszövetek. Lehetnek álló vagy mozgó típusúak, rajtuk az anyag csak csúszik. Álló rosta (melléklet) Mozgó rosta (melléklet)
- sziták: adott lyukméretű drótszövetek. A szitákon a szemcse nem csak csúszik, hanem a felületre mer őleges mozgást is végez, pattog. Szitatípusok: síksziták, dobsziták, rezonancia sziták. Dobszita (melléklet) Rezonancia szita (melléklet)
53
Az ülepítéssel történő osztályozás készülékei áramlási elven működnek. Az elválasztás alapja, hogy a különböző méretű szemcsék eltérő sebességgel süllyednek a közegben (leveg őben, vízben). Készülékei a légszeparátor és a csúcskád. Határszemcse-átmérő: Annak a legkisebb szemcsének az átmér ő je, ami még éppen leülepszik. Az ettől kisebb méretű szemcse a közeggel együtt távozik az elválasztóból. Az osztályozás nem tévesztendő össze a fajtázással, ugyanis a fajtázás nem szemcseméret, hanem valamilyen más tulajdonság szerinti válogatást jelent. Fajtázás készülékei A fajtázás történhet például mágneses tulajdonságok alapján, s űrűségkülönbség alapján, nedvesítés alapján stb. Készülékei a mágneses fajtázó, légszeparátor, csúcskád, flotációs fl otációs kamra. Mágneses fajtázó (melléklet) A mágnesezhető anyagot elektromágnessel választják el a nem mágnesezhető egyéb anyagoktól (medd őtől).
Légszeparátor (melléklet) Az áramló levegő magával ragadja a kis s űrűségű (vagy kisméretű) szemcséket. A levegő áramlási sebessége a terel őlapok elfordításával változtatható.
Csúcskád (melléklet) A kád keresztmetszete a folyadékáramlás irányába egyre n ő, ezért a folyadék sebessége egyre csökken. A nagyobb sűrűségű (vagy nagyobb méret ű) szemcsék a kád elején, nagyobb folyadéksebességnél is leülepszenek, míg a közepes és kisebb sűrűségűek (vagy méretűek) a kád középső részén vagy a végén ülepszenek le, kis folyadéksebességnél.
54
Flotációs kamra (melléklet) A nem nedvesedő (hidrofób) anyaghoz hozzátapadó légbuborékok miatt, nagyobb felhajtóerő hat ezekre a szemcsékre, ezért felúsznak a folyadék tetejére, és azzal együtt eltávoznak. A nedvesedő (hidrofil) anyag alul távozik.
Szitaanalízis: szemcsés halmaz, szitával (osztályozással) végzett vizsgálata. Meghatározott mennyiségű (tömegű) anyagot szitasoron szitálunk. A szitasor lyukmérete lefelé csökken, legalul egy gyű jtő edény van, felül pedig a fedél. A szitálást követ ően minden egyes szitán maradt anyag tömegét lemérjük, és %-osan is megadjuk (100 % a szitákra öntött anyag tömege). A sziták lyukméretének, tehát a szemcseméretnek a függvényében ábrázoljuk a %-okat. A kapott szemcseeloszlási-görbékb ől megállapítható a domináló és az átlagos szemcseméret. Szemcseeloszlási-görbék fajtái:
A gyakoriság görbénél a szemcseméret függvényében ábrázoljuk az egyes szitákon fennmaradó anyag %-át. A görbe legmagasabb pontját levetítve az x-tengelyre, x -tengelyre, megkapjuk a domináló (uralkodó) szemcseméretet. A maradvány görbénél a szemcseméret függvényében ábrázoljuk az egyes szitákon át nem szitálható anyag %-át. A görbe inflexiós pontját levetítve az x-tengelyre, megkapjuk az átlagos szemcseméretet. Az átlagos szemcseméret a vizsgált szemcsehalmazban található valamennyi szemcse méretének átlaga. Az áthullási görbénél a szemcseméret függvényében ábrázoljuk az egyes szitákon áthulló anyag %-át. A görbe inflexiós pontját levetítve az x-tengelyre, megkapjuk az átlagos szemcseméretet. (Ugyanazt az eredményt kapjuk, mint a maradványgörbénél, mivel a két görbe egymás tükörképe.) A szitaanalízissel kapott görbék segítségével meghatározható az optimális őrlési idő.
Feladatok aprítás témakörből 1.) Ipari golyósmalomban közepes finomságú szilárd halmazt őrlünk acél golyókkal. A golyók és az egy töltettel feldolgozandó anyag összes mennyisége 4 m 3. A.) Határozza meg a golyósmalom f ő méreteit, ha a malom töltöttsége 40 % és a cs ő alakú készülék hossz/átmérő aránya L/D = 1,2! (D = 2,2 m, L = 2,64 m) e lméleti (kritikus) és a percenkénti üzemi (optimális) fordulatszámát! (28,52 f/min, 21,57 f/min) B.) Számítsa ki a malom elméleti 2.) Ipari golyósmalomban közepes finomságú szilárd halmazt őrlünk acél golyókkal. A golyók és az egy töltettel feldolgozandó anyag összes mennyisége 5 m 3. A.) Határozza meg a golyósmalom f ő méreteit, ha a malom töltöttsége 35 % és a cs ő alakú készülék hossz/átmérő aránya L/D = 1,5! (D = 2,3 m, L = 3,45 m) B.) Számítsa ki a malom elméleti (kritikus) és a percenkénti üzemi (optimális) fordulatszámát! (27,89 f/min, 21,1 f/min)
55
9. tétel: Javasoljon megoldásokat a különböz ő technológiai folyamatokban alkalmazható por- és cseppleválasztás lehetőségeire! - Por- és cseppleválasztás − a gáztisztítás feladata, módszerei − a gáztisztítók kiválasztásának elvei: gáztisztító-típusok, a leválasztható szemcseméret és a gázterhelés összefüggése - Ciklonok, multiciklonok méretezése − áramlási viszonyok, a potenciális örvény kialakulása a ciklonban − a leválasztható szemcseátmérő és a gázterhelés összefüggése - A mellékelt ábrák alapján az adott berendezések szerkezeti egységeinek ismertetése, összehasonlító elemzésük − ülepítő kamra − nedves gázmosó Gáztisztítás feladata: a különféle gázoknak, vagy levegőnek a megszabadítása a kisméretű szilárd, vagy folyékony részecskéktől. Azért foltos a gáztisztítás, mert, - a környezetre káros lehet a szennyeződés, - a berendezések üzemét károsan befolyásolhatja, - egészségvédelmi, munkavédelmi szempontok miatt elengedhetetlen, - de értékes anyagot is visszanyerhetünk a gázokból, vagy leveg őből. Gáztisztítás módszerei:
Gázterhelés (porterhelés)
r = =
m por V gáz
[mg/m3]
A por tömege osztva a gáztérfogattal.
Abszolút (teljes, összesített) portalanítási fok: ε =
r 0 − r m ⋅ 100 r 0
[%]
r 0 : kiindulási porterhelés [mg/m3] r m : maradék porterhelés [mg/m3]
Leválasztható szemcseméret (határszemcse átmérő dh): Az a legkisebb méret ű szemcse, amelynél nagyobbakat a porleválasztó készülék elvileg 100%-ban leválaszt. Gáztisztító típusok Zsákos porleválasztó
Zsalus porleválasztó (melléklet)
Cseppleválasztó (melléklet)
56
A zsákos porleválasztó szűrés elvén, míg a zsalus porleválasztó és a cseppleválasztó ütköztetés elvén működik. A gázban lévő porszemcsék, ill. folyadékcseppek nagyobb tehetetlenségüknél fogva nem tudják követni az iránytörésre kényszerített gázáramot, az útjukba eső akadálynak nekiütközve lehullanak. Ezek a berendezések folyamatos működésűek. Ülepítő (Howard) kamra (melléklet) A tálcák között leülepedett por a tálcákon gyűlik össze. Gravitációs ülepítés elvén működik. Szakaszos működésű, mivel a tálcákra leülepedett port egy idő múlva a berendezés nyitása után el kell távolítani. A por ilyenkor a berendezés alján távozik.
Az ülepedés sebessége:
d h 2 ⋅ g ⋅ ( ρ sz − ρ l ) vü = [m/s] 18 ⋅η l d h - határszemcse átmérő [m] g - gravitációs gyorsulás [m/s 2] ρ szsz - szemcse sűrűsége [kg/m3] ρ l - levegő (gáz) sűrűsége [kg/m3] η l - levegő (gáz) dinamikai viszkozitása [Pa·s]
Ebből a leválasztható legkisebb szemcseméret (határszemcse átmérő):
d h =
vü ⋅ 18 ⋅ η l g ⋅ ( ρ sz − ρ l )
Az ülepedés feltétele: t ü =
[m]
h L L ≤ t gáz = v = ⋅ vü , innen a maximális gázsebesség: gáz vü v gáz h •
A tisztítható levegő térfogatárama (kamra teljesítménye): V = A ⋅ v gáz = H ⋅ S ⋅ v gáz = z ⋅ h ⋅ S ⋅ v gáz z – tálcák száma
[m3 /s]
Ha több tálcát teszünk be, akkor a tálcák közötti távolság csökken, ezzel csökken az ülepedési id ő, így a gázsebesség, illetve a gázterhelés nőhet.
57
Ciklon (melléklet)
Multiciklon
Centrifugális ülepítés elvén működik. A ciklonba a gáz érintőirányba lép be, így forgásra van kényszerítve. A gázban lév ő porszemcsék a centrifugális erő hatására a ciklon falához közelednek, majd annak nekiütközve elveszítik elveszítik mozgási energiájukat és a fal mellett lecsúsznak az alsó kúpos gy ű jtőrészbe. A tiszta gáz az örvénykeres ő csövön keresztül távozik. Folyamatos működésű. A ciklon átmérő je (2 ⋅r) maximum 0,4 m szokott lenni, efölött ugyanis nagyon csökken a centrifugális erő, így nagyon romlik a ciklon teljesítménye. A multiciklonnál több ciklon párhuzamosan van kapcsolva, így a teljesítményük összeadódik. A centrifugális ülepedési sebesség:
d h 2 ⋅ a c ⋅ ( ρ sz − ρ l ) vü = [m/s] 18 ⋅η l Ebből a leválasztható legkisebb szemcseméret (határszemcse átmérő):
d h =
vü ⋅ 18 ⋅ η l ac ⋅ ( ρ sz − ρ l )
[m]
A centrifugális gyorsulás:
v k 2 a c = r ⋅ ω = [m/s2] r 2
r - keringési sugár [m] - a gáz szögsebessége [1/s] vk - a gáz keringési (kerületi) sebessége [m/s]
58
Nedves gázmosó (melléklet) A poros gázt az alsó csövön vezetik be. A készülékben felfelé áramló gázba vizet permeteznek, ami megköti a port. A tisztított gázt a gázmosó tetején vezetik el, alul pedig a szuszpenzió távozik. Folyamatos m űködésű.
Elektrosztatikus porleválasztó (villamos porleválasztó) (melléklet) A középen lévő elektródhuzal és a készülék köpenye, mint másik elektród között elektromos erőteret hozunk létre. Az elektród huzalt negatív, míg a készülékköpenyt a pozitív pólusként kapcsoljuk az áramkörbe. A porszemcsék miközben áthaladnak az elektromos erőtéren, elektromosan feltöltődnek és az erőtér hatására a fal felé mozdulnak el. A falnak nekiütközve a porszemcsék elveszítik töltésüket, lerakódnak, majd lecsúsznak a fal mentén. Folyamatos működésű.
59
Feladatok gáztisztítás témakörből 1.) Levegőben lévő szilárd szennyeződést ülepítő kamrában kívánjuk leválasztani. Az ülepítő kamrában egymástól 5 cm magasságban 20 db 2 m hosszúságú, 1 m szélesség ű tálcákat helyezünk el. A szilárd szemcsék sűrűsége 1200 kg/m3, a leválasztandó legkisebb szemcseátmérő 40 µm. A levegő sűrűsége1,18 kg/m3, dinamikai viszkozitása 1,81⋅10-5 Pa⋅s. A.) Rajzolja be az ábrába: - az anyagáramokat, - a gázsebesség és az a z ülepedési sebesség vektorokat, - egy, a legkedvezőtlenebb helyzetben lévő szemcsét és annak ülepedését! B.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (0,0578 m/s, Re = 0,15 < 1) C.) Mennyi idő alatt ülepedik le az adott szemcse? (0,865 s) D.) Mekkora lehet a maximális gázsebesség, hogy a szemcse még a tálcára ülepedjen? (2,312 m/s) E.) Óránként mekkora tömegű poros gázt tudunk megtisztítani? (9821 kg/h) F.) Hogyan befolyásolja a tálcaszám növelése a tisztítandó gáz térfogatáramát? Indokolja válaszát!
2.) Levegőben lévő szilárd szennyeződést ülepítő kamrában kívánjuk leválasztani. Az ülepítő kamrában egymástól 6 cm magasságban 25 db 2,2 m hosszúságú, 1,1 m szélesség széle sségű tálcákat helyezünk el. 3 A szilárd szemcsék sűrűsége 1,3 kg/dm , a leválasztandó legkisebb szemcseátmérő 50 µm. A levegő s űrűsége1,17 kg/m3, dinamikai viszkozitása 1,82⋅10-5 Pa⋅s. A.) Rajzolja be az ábrába: - az anyagáramokat, - a gázsebesség és az a z ülepedési sebesség vektorokat, - egy, a legkedvezőtlenebb helyzetben lévő szemcsét és annak ülepedését! B.) Számolja ki az ülepedési sebességet, lamináris ülepedést feltételezve! (0,097 m/s, Re = 0,31 < 1) C.) Mennyi idő alatt ülepedik le az adott szemcse? (0,62 s) D.) Mekkora lehet a maximális gázsebesség, hogy a szemcse még a tálcára ülepedjen? (3,548 m/s) E.) Óránként mekkora tömegű poros gázt tudunk megtisztítani? (24657 kg/h) F.) Hogyan befolyásolja a tálcaszám növelése a tisztítandó gáz térfogatáramát? Indokolja válaszát!
3.) Ülepítő kamrában egymástól 15 cm magasságban 25 db, 2,5 m hosszúságú, 1,5 m szélesség ű tálcákat helyezünk el. A szilárd szemcsék sűrűsége 2,4 kg/dm3, a levegő sűrűsége 1,15⋅10-3 kg/dm3, kinematikai viszkozitása 1,56⋅10-5 m2 /s. A.) Hány mikron a leválasztható legkisebb szemcseméret, ha az ülepedés sebessége 6,16⋅10-2 m/s? (29,07 µm) B.) Ellenőrizze, hogy az ülepedés lamináris-e! (Re = 0,115 < 1) C.) Mekkora lehet a maximális gázsebesség, hogy a legkedvez őtlenebb helyzetben lévő szemcse is leülepedjen? (1,027 m/s) D.) Óránként mekkora tömegű levegőt tudunk megtisztítani? (23917 kg/h) E.) Mekkora lehet a maximális gázsebesség, ha 50 tálcát helyezünk bele? (2,054 m/s) F.) Hányszorosára változik a megtisztítható levegőmennyiség 50 tálca használatával? (47809 kg/h → kétszeresére)
60
4.) Ülepítő kamrában egymástól 10 cm magasságban 35 db, 3 m hosszúságú, 2 m szélességű tálcákat helyezünk el. A szilárd szemcsék sűrűsége 2500 kg/m3, a levegő sűrűsége 1,2⋅10-3 kg/dm3, kinematikai viszkozitása 1,6⋅10-5 m2 /s. A.) Hány mikron a leválasztható legkisebb szemcseméret, ha az ülepedés sebessége 6,3⋅10-2 m/s? (29,8 µm) B.) Ellenőrizze, hogy az ülepedés lamináris-e! (Re = 0,117 < 1) C.) Mekkora lehet a maximális gázsebesség, hogy a legkedvez őtlenebb helyzetben lévő szemcse is leülepedjen? (1,587 m/s) D.) Óránként mekkora tömegű levegőt tudunk megtisztítani? (48000 kg/h) E.) Mekkora lehet a maximális gázsebesség, ha 55 tálcát helyezünk bele? (3,78 m/s) F.) Hányszorosára változik a megtisztítható levegőmennyiség 55 tálca használatával? (75428,6 kg/h → 1,57 szeresére) 5.) Az alábbi ábrán látható ciklonban a leválasztandó legkisebb szemcseméret 80 µm. A belépő gázsebesség 15 m/s, ami a ciklonban keringő gáz sebességének 1,5-szöröse. A szilárd szemcsék s űrűsége 2800 kg/m3, a levegő sűrűsége 1,18 kg/m3, dinamikai viszkozitása1,8⋅10-5 Pa⋅s. A ciklon méretei: H = 15 cm, B = 10 cm, D = 400 mm. A.) Rajzolja be az ábrába az anyagáramokat és a gáz útját a berendezésben! B.) Mekkora a ciklon teljesítménye m3 /h-ban? (810 m3 /h) ül epedési sebesség? (27,6 m/s) C.) Mekkora a ciklonban az ülepedési D.) Hogyan változik a centrifugális ülepedési sebesség, ha a ciklon átmér ő jét növeljük? Válaszát indokolja! E.) Mekkora az örvénykeres ő cső átmérő je mm-ben, ha benne a gázsebesség 8 m/s? (190 mm) F.) Hány db ilyen ciklont kell párhuzamosan kapcsolni, hogy óránként legalább 6000 m3 levegőt tisztítson meg? Mi ennek a berendezésnek a neve? (8 db-ot)
6.) Az alábbi ábrán látható ciklonban a leválasztandó legkisebb szemcseméret 90 µm. A belépő gázsebesség 17 m/s, ami a ciklonban keringő gáz sebességének 1,6-szorosa. A szilárd szemcsék s űrűsége 2700 kg/m3, a levegő sűrűsége 1,19 kg/m3, dinamikai viszkozitása 1,81⋅10-5 Pa⋅s. A ciklon méretei: H = 160 mm, B = 10 cm, D = 0,4 m. A.) Rajzolja be az ábrába az anyagáramokat és a gáz útját a berendezésben! B.) Mekkora a ciklon teljesítménye m3 /h-ban? (979,2 m3 /h) ül epedési sebesség? (37,87 m/s) C.) Mekkora a ciklonban az ülepedési D.) Hogyan változik a centrifugális ülepedési sebesség, ha a ciklon átmér ő jét növeljük? Válaszát indokolja! E.) Mekkora az örvénykeres ő cső átmérő je mm-ben, ha benne a gázsebesség 9 m/s? (196 mm) F.) Hány db ilyen ciklont kell párhuzamosan kapcsolni, hogy óránként legalább 5100 m3 levegőt tisztítson meg? Mi ennek a berendezésnek a neve? (6 db-ot)
61
7.) Különböző porleválasztó berendezéseket elemzünk. A.) Tüntesse fel a sorszámuk után a porleválasztó berendezések megnevezéseit!
B.) Vizsgálja meg az alábbi berendezéseket és rajzolja be a megfelelő berendezésekhez tartozó anyagáramokat, azok betű jeleit: GS – poros gáz bevezetése G – tiszta gáz elvezetése C.) Rajzolja be a megfelel ő ábrába, a megfelelő helyre az alábbi bet ű jeleket: M – mosófolyadék bevezetése DC – nagyfeszültségű egyenáram
D.) Jelölje X-szel, hogy melyik berendezéshez tartja igaznak az alábbi állításokat!
62
10. tétel: Adjon javaslatot egy technológiai folyamat során keletkezett nagy mennyiség ű telített vízgőz hasznosítására! - A közvetlen hőátadás célja, módszerei alkalmazási területe - A víz mint hőhordozó, hőtani tulajdonságai, a túlhevített vízgőz fajlagos hőtartalma - Az anyag- és h őmérleg fogalma, számítása közvetlen hőcserénél - A barometrikus kever őkondenzátor működésének bemutatása a mellékelt ábra alapján, vízszükségletének meghatározása, az ejtőcső hidraulikai méretezése, alkalmazási területe, korlátai - Az ipari vízhűtőtorony működési elve, szerkezeti kialakítása, alkalmazásának korlátai - A Heller – Forgó-rendszerű hűtőtorony működésének bemutatása a mellékelt ábra alapján, jelentősége Hőközlés, hőátszármaztatás A hő terjedésének feltétele a hőtartalom különbség (a nagyobb h őtartalmú helyről áramlik az alacsonyabb hőtartalmú helyre). Amelyik közegnek nő a hőtartalma, az a hőfelvevő, amelyiknek csökken, az a hőleadó. A hőleadó és hőfelvevő közeg érintkezése alapján megkülönböztetünk - közvetlen - közvetett hőcserét. Közvetlen hőcsere A két közeg összekeveredhet és ez nem káros, vagy az összekeveredett közegek könnyen elválaszthatók egymástól. Történhet: - gőzbefúvással (célja a melegítés) - keverő kondenzátorban (célja a gőz kondenzáltatás) - hűtőtoronyban (célja a vízhűtés) A víz mint hőhordozó Hőhordozó az az anyag, amelyik a hőt szállítja egyik helyről a másikra. Fontosabb hőhordozók: vízgőz, víz, olajok, füstgázok, levegő. A hőhordozókkal szemben támasztott követelmények: - nagy hőmennyiséget tároljon - tág hőmérsékleti tartományok között legyen alkalmazható - magas hőmérsékleten ne bomoljon - ne legyen gyúlékony, robbanásveszélyes, mérgez ő, korróziót okozó - kicsi legyen a viszkozitása (turbulens áramlás miatt) - könnyen szállítható legyen - könnyen hozzáférhet ő legyen (sok és olcsó legyen) le gyen) A víz hőtani tulajdonságai - forráspontja 1 bar nyomáson 100 °C (99,63 °C) - fajhő je (az a hő amely 1 kg víz hőmérsékletét 1 °C -al megváltoztatja): c = 4,19 [kJ/(kg·°C)] - entalpiája (fajlagos hőtartalma, 1 kg víz hőtartalma adott hőmérsékleten): h = c·t [kJ/kg] - forrponti víz entalpiája: h’, forrponti gőz entalpiája: h” - párolgáshő je (kondenzációs hő je, látens hő je, rejtett hő je): ∆h = h”- h’ - túlhevített gőz entalpiája: hth = h” + cg· (tth – tfp) •
•
•
- a víz hőtartama: tartama: Q = m·c· t = m·h [kJ], a hőáram: Q = m ⋅ c ⋅ t = m ⋅ h [kJ/h] Anyag- és hőmérleg közvetlen hőcserénél (gőz kondenzáltatásnál) Anyagmérleg: Hőmérleg: •
•
•
m v + m g = m mv
•
m v – a hűtővíz tömegárama [kg/s]
•
Q v + Q g = Q mv •
•
•
•
''
•
m v ⋅ c ⋅ t v + m g ⋅ h = (m v + m g ) ⋅ c ⋅ t mv •
•
Q v – a hűtővíz hőárama [kJ/s]
•
Q g – a gőz hőárama [kJ/s]
m g – a gőz tömegárama [kg/s] m mv – a meleg víz tömegárama [kg/s]
•
•
•
Q mv – a meleg víz hőárama [kJ/s]
63
Barometrikus keverőkondenzátor (melléklet) A feleslegez gőz kondenzáltatására használják. Működése: A gőzt a gőzbevezető csonkon vezetjük be. A keverőkondenzátorban a légköri nyomásnál kisebb nyomás van (0,3 − 0,4 bar). A bevezetett gőz kitágul, hőmérséklete csökken, mivel a tágulás h őelvonással jár. Ekkor a gőz nagy része kondenzálódik (lecsapódik). A felfelé áramló nem kondenzálódott gőz a tálcákról lecsurgó hűtővízen keresztülhaladva lehűl és kondenzálódik. A felmelegedett hűtővíz + kondenzvíz elegyet az ejtőcsövön vezetik el. A kitágulás okozta hőelvonást kihasználva sokkal kevesebb hűtővízre van szükség. A kevés nem kondenzálódott gőz, felül a cseppfogóba jut, ahol a benne lévő vízcseppek összegyűlnek és visszafolynak az ejtőcsőbe. A le nem csapódott gőzt vákuumszivattyúval elszívják. A külső nyomással ( p p0) az ejtőcsőben lévő vízoszlop és a kondenzátor bels ő nyomása ( p pk ) tart egyensúlyt. A berendezés kb. 10 m magas. Nagy a helyigénye, ami korlátozza az alkalmazhatóságát. Víztakarékosság miatt csak annyi vizet kevernek a gőzhöz, amely elegendő a rejtett hő jének elvonásához. Így a keverőkondenzátorból a gőz hőmérsékletével egyenlő hőmérsékletű víz távozik (az adott nyomáson forrponti h őmérsékletű víz).
Vízszükséglet meghatározása •
•
•
•
m v ⋅ cv ⋅ t v + m g ⋅ h '' = m v ⋅ cv ⋅ t fp + m g ⋅ h ' •
•
m g ⋅ ∆h = m v ⋅ cv ⋅ (t fp − t v ) •
m g ⋅ ∆h mv = cv ⋅ (t fp − t v ) •
[kg/h]
A kondenzációs hő (∆h) és a forrponti h őmérséklet (t fp) a kondenzátorbeli nyomás ( p pk ) függvénye. Vízgőztáblázatból kikereshető.
cv – a víz fajhő je [kJ/(kg⋅°C) t v – a hűtővíz hőmérséklete [°C]
Ejtőcső hidraulikus méretezése
p 0 = h ⋅ ρ ⋅ g + p k
( ρ =
1 ) v'
v’ – forrponti víz fajlagos térfogata [m3 /kg] → vízgőztáblázatból
64
h=
p 0 − p k [m] ρ ⋅ g •
•
V mv =
h – az ejt őcsőben lévő vízoszlop magassága
•
mv + m g ρ
d 2 ⋅ π V mv = ⋅v 4 •
v – a meleg víz elvezetési sebessége [m/s]
•
d =
4 ⋅ V mv π ⋅ v
d – – az ejt őcső szükséges belső átmérő je
Hűtőtornyok Erőművek, vegyipari gyárak nagymennyiségű felmelegedett vizeinek visszahűtésére alkalmazzák. A hűtést levegő áramoltatásával végzik. A hűtőtorony magassága elérheti a 100 m-t, teljesítménye akár 70 000 m3 /h is lehet. A levegő és a víz érintkezése alapján a h űtőtorony lehet: - nedves hűtőtorony - száraz hűtőtorony A levegő áramoltatása szerint a hűtőtorony lehet: - természetes huzatú, - mesterséges huzatú (ventillátorokkal létrehozott), - vegyes huzatú. Nedves hűtőtorony (melléklet)
Heller-Forgó - rendszerű hűtőtorony (melléklet)
Működése: A nedves h űtőtoronyba a melegvizet a torony tetején bepermetezik. A lehulló vízcseppek a levegővel érintkezve lehűlnek, míg a felmelegedett levegő felszállva, a torony tetején távozik. A távozó meleg levegő helyére alulról hideg levegő áramlik be a toronyba. A hűtés folyamata a két részre bontható: konvekciós h őátadásra és elpárolgásra. Konvekciós hőátadásnál a hűtőközeg (a levegő) közvetlenül érintkezik a hűtendő közeggel (a melegvízzel), közöttük közvetlen hőcsere játszódik le. A toronyban elhelyezett nagyfelületű töltetnek az a szerepe, hogy a ráhullott melegvizet nagy felületen eloszlassa, ami így intenzíven érintkezik az alulról érkező hideg levegővel. Másrészt a vízcseppek és a tölteten eloszlatott folyadék felülete párolog is, a párolgás pedig h őelvonással jár. A lehűlt vízcseppek a párolgás miatt tovább hűlnek, a hideg levegő hőmérséklete alá. Ez a párolgás viszont vízveszteséggel jár, különösen nyáron, mivel a felmelegedett levegő sok vízgőzt magával visz. A Heller-Forgó − rendszerű száraz hűtőtoronynál nincs lehetőség a párolgásra, mert a lehűtendő melegvíz csővezetékben áramlik. A hideg levegő és a melegvíz nem keveredhet egymással, a köztük lévő cs c sőfal miatt. A hőcsere közvetett úton megy végbe. Így nincs a párolgás miatt vízveszteség.
65
Feladatok közvetlen hőátadás témakörből 1.) Keverőkondenzátorban óránként 1400 kg 0,3 bar nyomású g őzt kondenzáltatunk. A kondenzáláshoz 22 °C-os vizet használunk és a víz mennyiségét úgy szabályozzuk, hogy a vízgőznek csak a rejtett h ő jét vonjuk el. A.) Mekkora a keverőkondenzátor vízszükséglete óránként? (16985,8 kg/h) B.) Mekkora a vízoszlop magassága az ejtőcsőben? (7,29 m) C.) Hány mm belső átmérő jű legyen az ejtőcső, ha a folyadékelvezetés sebessége 0,12 m/s? (235,3 mm) D.) Mekkora átmérő jű a kondenzátor gőzbevezető csöve, ha a g őzbevezetés sebessége 16 m/s? (425 mm)
2.) Keverőkondenzátorban óránként 1200 kg 0,4 bar nyomású g őzt kondenzáltatunk. A kondenzáláshoz 20 °C-os vizet használunk és a víz mennyiségét úgy szabályozzuk, hogy a vízgőznek csak a rejtett h ő jét vonjuk el. A.) Mekkora a keverőkondenzátor vízszükséglete óránként? (11879,6 kg/h) B.) Mekkora a vízoszlop magassága az ejtőcsőben? (6,42 m) C.) Hány mm belső átmérő jű legyen az ejtőcső, ha a folyadékelvezetés sebessége 0,2 m/s? (154,1 mm) D.) Mekkora átmérő jű a kondenzátor gőzbevezető csöve, ha a g őzbevezetés sebessége 20 m/s? (291,1 mm) 3.)
A.) Nevezze meg az ábrán látható berendezést! B.) Nevezze meg az anyagáramokat! 1.: 2.: 3.: C.) Nevezze meg a berendezés kisbetűkkel jelölt részeit! a.: b.: D.) Mekkora a nyomás a berendezésben? Miért? Mivel állítják elő ezt a nyomást?
66
4.) Keverőkondenzátorban óránként 50 kg 0,4 bar nyomású g őzt kondenzáltatunk 30 °C-os víz segítségével. A g őz 3 %-a nem kondenzálódó gáz. A gőznek csak a rejtett hő jét vonjuk el. A víz fajhő je: 4,19 kJ/(kg °C). A gőz hőtani adatai: p t v' v" h' h" ∆h 3 3 bar °C dm /kg m /kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg 0,4 75,89 1,0266 3,994 317,46 2635,7 2318,3 ·
A.) Hány fokos víz távozik a kondenzátorból, és mennyi h űtővízre van szükség? (75,89 °C, 584,8 kg/h) B.) Mekkora átmérő jű legyen a kondenzátor gőzbevezető csöve, ha az ajánlott áramlási sebesség a cs őben 20 m/s? Az átmérő meghatározásánál a nem kondenzálódó részt is gőzként kell figyelembe venni! (59 mm) C.) Rajzolja le az ellenáramú keverőkondenzátort és jelölje be az anyagáramokat! 5.) Keverőkondenzátorban óránként 80 kg 0,3 bar nyomású g őzt kondenzáltatunk 28 °C-os víz segítségével. A g őz 5 %-a nem kondenzálódó gáz. A gőznek csak a rejtett hő jét vonjuk el. A víz fajhő je: 4,19 kJ/(kg °C). A gőz hőtani adatai: p t v' v" h' h" ∆h 3 3 bar °C dm /kg m /kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg 0,2 60,09 1,0173 7,652 251,28 2608,9 2357,6 0,4 75,89 1,0266 3,994 317,46 2635,7 2318,3 ·
A.) Hány fokos víz távozik a kondenzátorból, és mennyi h űtővízre van szükség? (67,99 °C, 1060,43 kg/h) B.) Mekkora átmérő jű legyen a kondenzátor gőzbevezető csöve, ha az ajánlott áramlási sebesség a cs őben 15 m/s? Az átmérő meghatározásánál a nem kondenzálódó részt is gőzként kell figyelembe venni! (104,8 mm) C.) Rajzolja le az ellenáramú keverőkondenzátort és jelölje be az anyagáramokat! 6.)
67
11. tétel: Mutassa be a közvetett h őcserélés folyamatát, alkalmazási lehetőségeit és korlátait! - A hővezetés, hőátadás, hősugárzás fogalma - A hőátbocsátás hőtani alapjai, a hőátbocsátási együttható fogalma és az értékeit befolyásoló tényezők - Kétrétegű síkfal teljes hőátbocsátásának elemzése egy gyakorlati példa kapcsán - A szabad- és kényszeráramlás hatásának bemutatása a h őátadási, illetve a hőátbocsátási tényező értékére egy-egy hőátadó berendezés vázlatrajzának felhasználásával Hőátvitel A hőátvitel (hőátszármatzatás) feltétele a hőtartalom különbség. A hő a nagyobb hőtartalmú helyről az alacsonyabb hőtartalmú helyre áramlik. Ez három módon valósulhat meg: - hővezetéssel (kondukcióval): ennek során a részecskék úgy adják át egymásnak a h őt, hogy közben a helyükön maradnak. Tiszta hővezetésről csak szilárd anyagoknál beszélhetünk. - hőátadással (konvekcióval): ilyenkor a részecskék változtatják a helyüket, miközben magukkal viszik a h őt. Áramlás közben adják át a hőt. Ez a folyékony és gáz halmazállapotú anyagokra jellemző, melyeknek részecskéi nincsenek helyhez kötve. - hősugárzással (radiációval): elektromágneses rezgések útján megy végbe (h ősugárzással). A nagyobb h őtartalmú test kisugározza a hőt, az alacsonyabb hőtartalmú test elnyeli azt. Ehhez nem szükséges vezető közeg. Hőátbocsátás: összetett hőátszármaztatás, amely a fal két oldalán történő hőátadásból és a falban lezajló hővezetésből tevődik össze. α - hőátadási
tényező [W/(m2⋅°C), W/(m2⋅K)]
λ - hővezetési tényező [W/(m⋅°C), W/(m⋅K)]
s - falvastagság [m] t - hőmérséklet [°C, K]
Hőátbocsátási tényező (együttható)
k =
1 α 1
+
1 s
+
1
[W/(m2⋅°C), W/(m2⋅K)]
λ α 2
A hőátbocsátási tényező értéke a hőátadási tényezőktől, valamint a szilárd fal hővezetési tényező jétől és vastagságától függ. Minél nagyobbak a hőátadási és hővezetési tényezők értékei, annál nagyobb a hőátbocsátási tényező értéke is (egyenes arányosság). Viszont a falvastagság növelésével csökken (fordított arányosság). Kétrétegű síkfal hőátbocsátása
k =
1 1 α 1
+
s1 λ 1
+
s2 λ 2
+
1
[W/(m2⋅°C), W/(m2⋅K)]
α 2 •
Az időegység alatt átáramló hőmennyiség (∆Q ≡ Q ): ∆Q
= k · A · (t1 − t2)
A – a fal hőátadó felületének nagysága [m2] A falon átáramló hőmennyiség, ha a fal felülete és a két áramló közeg ugyanaz marad, akkor a fal hővezetési tényező jétől, ill. a rétegek vastagságától és számától függ. Szigeteléskor az a cél, hogy az átáramló hőmennyiség minél kisebb legyen. Ez úgy érhet ő el, hogy növeljük a rétegek vastagságát, ill. számát, vagy csökkentjük a hővezetési tényező értékét (ez annál kisebb, minél jobb h őszigetelő a fal).
68
Ha az a cél, hogy minél nagyobb h őmennyiséget juttassunk át a falon (f űtésnél), akkor csökkenteni kell a rétegek számát, ill. vastagságát, vagy növelni a h ővezetési tényező értékét (ez annál nagyobb, minél jobb h ővezető a fal). Ezen kívül a hőátadó felület növelésével az átáramló hőmennyiség is nő. Szabad- és kényszerkonvekció Szabad (természetes) konvekciónál a folyadékok, gázok belsejében természetes áramlás történik, ugyanis a melegebb részek sűrűsége kisebb, mint a hidegebbeké. Ez, pedig a melegebb részecskék felszálló áramlását idézi elő. Kényszerkonvekciónál külső behatással (szivattyúval, keverővel) hozzuk létre a közeg áramlását, mozgását, azaz a hőáramlást. A hőátadási folyamat, a hőközlés legfontosabb esete, amely szilárd fal és a határoló közeg között megy végbe. A fal mellett egy lassan áramló lamináris határréteg alakul ki. Ebben a rétegben a hő a közegáramlásra merőlegesen, vezetéssel terjedhet. A lamináris réteg így ellenállást jelent a hő terjedésével szemben. Minél kisebb a réteg vastagsága, annál nagyobb a hőátadási tényező értéke, azaz jobb a h őátadás. α =
λ
s
A turbulens (örvényl ő) rétegben a h őmérséklet kiegyenlítődés gyorsabb, így ennek a rétegnek a termikus ellenállása elhanyagolható. Természetesen a hőátadási tényező a közeg h ővezetési tényező jétől, viszkozitásától, sűrűségétől, valamint a fal alakjától és annak érdességét ől is függ. Például gő zf ű űtés tésű duplikátornál a köpenyrészben lecsapódó g őz hőátadási tényező je nagy, tehát a réteg hőellenállása nagyon kicsi. A fal h őellenállása szintén jelentéktelen. A hőátszármaztatással szembeni legnagyobb ellenállást a készülék belsejében lévő folyadék, fal mellett kialakuló lamináris határrétegének ellenállása képezi. Ha keverést alkalmaznak, a folyadék turbulens áramlásba jön, a fal melletti határréteg elvékonyodik, aminek következtében javul a hőátadás.
Cső köteges köteges hő cserél cserélő knél knél a f űtőközeget a köpenytérben, a folyadékot a csövekben áramoltatják. A csövekben a nagy áramlási sebesség miatt turbulens az áramlás, így a jobb hőátadás. A köpenytérben, pedig terelőlemezekkel érik el, hogy a csövekre merőlegesen áramoljon a f űtőközeg. A terelőlemezek csökkentik az áramlási keresztmetszetet, az áramlási sebessége így megnő a f űtőközegnek. A nagy áramlási sebesség miatt itt is turbulens az áramlás, így a jobb h őátadás.
69
Feladatok közvetett hőcsere témakörből 1.) A duplikátor anyaga acél, vastagsága 10 mm, hővezetési tényező je 45 W/(m⋅°C). A hőszigetelés vastagsága 20 cm, h ővezetési tényező je 0,07 W/(m⋅°C). A külső levegő hőmérséklete 20 °C, a levegőoldali hőátadási tényező értéke 5 W/(m2⋅°C). A f űtőgőz hőmérséklete 120 °C, a gőzoldali hőátadási tényező 104 W/(m2⋅°C). A.) Számolja ki a h őátbocsátási tényező értékét! (0,327 W/(m2·°C)) B.) Mekkora a duplikátor fajlagos (felületegységre vonatkoztatott) hővesztesége, vagyis a hőáramsűrűség értéke? (32,7 W/m2) C.) Számolja ki a szigetelés külső- és belsőoldali, fali hőmérsékleteit! (26,54 °C, 119,96 °C) 2.) A duplikátor anyaga acél, vastagsága 5 mm, hővezetési tényező je 40 W/(m⋅°C). A hőszigetelés vastagsága 25 cm, h ővezetési tényező je 0,08 W/(m⋅°C). A külső levegő hőmérséklete 25 °C, a levegőoldali hőátadási tényező értéke 6 W/(m2⋅°C). A f űtőgőz hőmérséklete 140 °C, a gőzoldali hőátadási tényező 104 W/(m2⋅°C). A.) Számolja ki a h őátbocsátási tényező értékét! (0,304 W/(m2·°C)) B.) Mekkora a duplikátor fajlagos (felületegységre vonatkoztatott) hővesztesége, vagyis a hőáramsűrűség értéke? (34,94 W/m2) C.) Számolja ki a szigetelés külső- és belsőoldali, fali hőmérsékleteit! (30,82 °C, 139,998°C) 3.) Egy gázf űtéssel ellátott hőtárolós folyadéktartály (bojler) töltési térfogata 2 m 3. A felf űtési szakaszban a bejövő hidegvíz hőmérséklete 7,5 °C, amelyet 80 °C-ra kell felf űtenünk. A víz átlagos sűrűsége 990 kg/m3, fajhő je 4,2 kJ/(kg⋅°C). A.) Mennyi hő szükséges a bojler felf űtéséhez? (602910 kJ) B.) Számítsa ki, hány óra az elméletileg szükséges felf űtési idő, ha a kazán teljesítménye 23 kW! (7,28 h) A tartály szabadba telepített, így hőszigeteléssel kell ellátnunk. A melegvíz oldali hőátadási tényező értéke 50 W/(m2⋅°C), hőmérséklete 80 °C. A fal anyaga korrózióálló acél, vastagsága 8 mm, hővezetési tényező je 45 W/(m⋅°C). A hőszigetelés vastagsága 12 cm, h ővezetési tényező je 0,07 W/(m⋅°C). A külső levegő hőmérséklete fagypont alatti, - 10 °C, a levegőoldali hőátadási tényező értéke 5 W/(m2⋅°C). C.) Számítsa ki a h őátbocsátási tényező értékét! (0,517 W/(m2·°C)) D.) Mekkora a tartály fajlagos (felületegységre vonatkoztatott) h ővesztesége, vagyis a h őáramsűrűség értéke? (46,53 W/m2) E.) Mekkora a hőveszteség értéke, ha a hőátadó felület 10 m2? (465,3 W) F.) Számítsa ki a szigetelésen eső hőmérsékletkülönbséget! A teljes hőfokesés hány százaléka esik a h őszigetelésen? (79,77 °C; 88,62 %) 4.) Egy gázf űtéssel ellátott hőtárolós folyadéktartály (bojler) töltési térfogata 2,5 m3. A felf űtési szakaszban a bejövő hidegvíz hőmérséklete 10 °C, amelyet 90 °C-ra kell felf űtenünk. A víz átlagos sűrűsége 990 kg/m3, fajhő je 4,2 kJ/(kg⋅°C). A.) Mennyi hő szükséges a bojler felf űtéséhez? (831600 kJ) B.) Számítsa ki, hány óra az elméletileg szükséges felf űtési idő, ha a kazán teljesítménye 25 kW! (9,24 h) A tartály szabadba telepített, így hőszigeteléssel kell ellátnunk. A melegvíz oldali hőátadási tényező értéke 55 W/(m2⋅°C), hőmérséklete 90 °C. A fal anyaga korrózióálló acél, vastagsága 10 mm, hővezetési tényező je 45 W/(m⋅°C). A hőszigetelés vastagsága 15 cm, h ővezetési tényező je 0,07 W/(m⋅°C). A külső levegő hőmérséklete fagypont alatti, - 5 °C, a levegőoldali hőátadási tényező értéke 4 W/(m2⋅°C). C.) Számítsa ki a h őátbocsátási tényező értékét! (0,415 W/(m2·°C)) D.) Mekkora a tartály fajlagos (felületegységre vonatkoztatott) h ővesztesége, vagyis a h őáramsűrűség értéke? (39,43 W/m2) E.) Mekkora a hőveszteség értéke, ha a hőátadó felület 12 m2? (473,1 W) F.) Számítsa ki a szigetelésen eső hőmérsékletkülönbséget! A teljes hőfokesés hány százaléka esik a h őszigetelésen? (84,48 °C; 88,93 %)
70
12. tétel: Gyakorlati példákon keresztül mutassa be a felületi h őcserélők kialakítását, hőmérsékletviszonyait, hőtani méretezésüket! - A csőköteges folyadékhőcserélők szerkezeti kialakítása, alkalmazásának előnyei, valamint hátrányos tulajdonságai, kiküszöbölésének lehetőségei a rajzon mellékelt hőcserélőtípusoknál - Hőmérséklet lefutási diagramok ismertetése, közegvezetési módok, a hőcserélő közepes hőmérséklet-különbségének meghatározása - A duplikátorok és cs őkígyók szerkezeti kialakítása, alkalmazása - A gőzvezetékrendszerek üzemviteli- és biztonságtechnikai szerelvényei Csőköteges hőcserélők A csőköteges hőcserélők, olyan felületi hőcserélők, melyeknél az egyik közeget a csövekben, míg a másik közeget a csövek közti térben vezetik. A csöveket csőkötegfalban rögzítik, a csőosztás lehet háromszög és négyzet.
A csőköteget egy nagy átmérő jű csővel, a köpennyel veszik körbe. A hőátadó felület a csövek palástja, ami kis térfogatban nagy felületet jelent. A csövekbe a közeg bevezetését ill. elvezetését edényfenékkel oldják meg. A hosszabb csöveknél terelőlemezeket alkalmaznak a köpenytérben. A terelőlemezek feladata, hogy megnövelje az áramlási úthosszat és ezzel az áramlási sebességet, aminek hatására az áramlás turbulens lesz, valamint javítja a hőátadást azzal is, hogy a csövekre merőlegesen történik a köpenytérben a közeg áramlása. A közegek vezetésénél általában a csövekben kell vezetni - a nagynyomású közeget, így a köpeny vékonyabb, olcsóbb lehet - a lerakódást okozó közeget, mert a csövek könnyebben tisztíthatók - a korrozív közeget, mert így csak a csöveket kell korrózióálló anyagból készíteni - azt a közeget amelyet forralni akarjuk - a vegyesfázisú közeget (gáz és folyadék együtt), így nem keletkezik légzsák Gőzf űtéskor a kondenzálódó gőzt a köpenytérben kell vezetni. A f űtőgőzt ilyenkor mindig felül vezetik be, hogy a lecsapódott kondenzvíz alul el tudjon távozni. Terelőlemezeket nem építenek be, mert ezektől a kondenzvíz nem tudna eltávozni. Merevcsöves csőköteges hőcserélő (melléklet)
Előnye: A csövek egyformák, könnyen tisztíthatóak az edényfenék leszerelése után. Hátránya: Ha a két közeg között nagy a h őmérséklet-kölönbség, akkor a csőkötegfalnál tömítetlenség, törés következhet be, mivel a köpeny és a csövek nem azonos mértékben nyúlnak meg. A hőtágulásbeli különbséget a köpenybe épített lencsekompenzátor egyenlítheti ki.
71
Hajtűcsöves csőköteges hőcserélő (melléklet)
Gyakran alkalmazzák nyomástartó edénybe építve, vagy g őzf űtésű forralóként. Előnye: A csövek hőtágulása nem zavarja a készülék működését. Többjáratú, így h őátadása intenzívebb. intenzívebb. A csövek csövek küls külső felülete a csőköteg kihúzása után könnyen tisztítható. Hátránya: A csövek elrendezése bonyolult, méretük különböző, a belsejük tisztítása nehézkes. A járatosztó lemez megfelelő tömítése nagyon fontos. Úszófejes csőköteges hőcserélő (melléklet)
Akkor alkalmazzák, ha a hőmérsékletkülönbség meghaladja a 180 °C-ot, vagy a nyomás 10 bar felett van. Előnye: A csövek tágulása esetén az úszófej fordulókamrája és cs őkötegfala együttesen elmozdulhat. A külső fej leszerelése után az úszófej fordulókamrája is leszerelhet ő, így a csövek mind kívülr ől, mind belülről tisztíthatók. Többjáratú, ezért hőátadása intenzívebb. Kritikus része a járatosztó lemez. Hőmérséklet lefutási diagramok A hőcserélők közegáramainak vezetése alapján megkülönböztethetünk egyenáramú, ellenáramú és keresztáramú rendszert ill. ezek valamilyen kombinációját (vegyesáram).
72
Egyenáramú hőcsere esetén a f űtőközeg és a felmelegítendő közeg egy irányba áramlanak. A kilép ő felmelegített közeg hőmérséklete legjobb esetben is csak megközelíti a kilépő lehűlt f űtőközeg hőmérsékletét.
Ellenáramú hőcsere esetén a f űtőközeg és a felmelegítendő közeg ellentétes irányba áramlanak. A kilép ő felmelegített közeg hőmérséklete meg is haladhatja a kilépő lehűlt f űtőközeg hőmérsékletét.
73
Halmazállapot változás esetén a közeg hőmérséklete nem változik, csak a hőtartalma. Halmazállapot változások: gőz lecsapatása folyadék forralása pl.: olaj melegítése f űtőgőzzel pl.: víz forralása forró olajjal
gőzf űtésű elgőzölögtetés pl.: alkohol forralása f űtőgőzzel
Hőcserélőknél a hőmérséklet a hőcserélő hosszában nem lineárisan változik, ezért a közepes hőmérséklet-különbséget nem számíthatjuk a számtani középértékkel. Helyette a logaritmikus hőmérséklet-különbséggel kel számolnunk: ∆t log =
∆t N − ∆t k ∆t − ∆t k = N ∆t ∆t ln N 2,3 ⋅ lg N ∆t k ∆t k
Ha a hőleadó és a h őfelvevő közeg halmazállapota is változik, akkor nem tudunk a logaritmikus h őmérsékletkülönbséggel számolni, csak a számtani középértékkel. Duplikátorok és csőkígyók Duplikátor: kettősfalú edény, melynek mindkét tere lehet nyomástartó. A belső térben van a melegítendő anyag, a duplafal között, pedig a f űtőközeg. A duplikátorok küls ő és belső köpenye közti tér jelentős keresztmetszetű, ezért kicsi a f űtőközeg áramlási sebessége. Emiatt az áramlás lamináris, így a hőátadás is kicsi. A f űtőcsatornás f űtésnél a f űtőköpenyt f űtőcsatornával helyettesítik. Az edény falára csöveket, vagy félcsöveket hegesztenek, melyekben a f űtőközeg áramlik. A csatorna keresztmetszete jóval kisebb, mint a f űtőköpenyé, így az áramlási sebesség nagyobb. A nagyobb áramlási sebesség miatt a f űtőközeg áramlása turbulens, emiatt a h őátadás is nagyobb. Hátránya, hogy drágább, mint a f űtőköpeny, valamint f űtőfelületnek csak a készülék falával érintkező felület számít (ezért jobb a félcsövek alkalmazása a teljes csöveknél). A technológiai folyamat gyorsítására, a hőátvitel fokozására többnyire keverőt alkalmaznak a készülékben. A hőveszteségek elkerülése végett minden esetben hőszigetelést kell alkalmazni.
74
Csőkígyós f űtésnél a f űtőközeg a készülékbe beépített spirálisan feltekert cs őkígyóban áramlik. A kis keresztmetszet miatt az áramlási sebesség nagy, az áramlás turbulens, így a h őátadás is nagy. A csövek teljes felületükön adják át a hőt. A csőkígyót körülvevő folyadékot keverni kell, hogy a h őátbocsátás javuljon. Hátránya, hogy a csövek belülről nehezen tisztíthatók. Permetezett csőkígyós hűtés
Gyakran használnak a vegyiparban permetezett csőkígyós, ill. kettőscsöves hőcserélőt is. Kettőscsöves hőcserélő:
A gőzvezeték rendszerek üzemviteli- és biztonság technikati szerelvényei: - kondenzedény: feladata a gőzvezetékekben képződő kondenzvizet folyamatosan, gőzveszteség nélkül elvezetni. A kondenzvíz az úszót megemelve nyitja a szelepet, amin keresztül a víz eltávozik. Ha az összes víz eltávozott, akkor az úszó a súlyánál fogva lezárja a szelepet, így a gőz nem tud elszökni.
ő (reduktor): - nyomáscsökket ő (reduktor): feladata a csővezetékben a nyomás megfelelő szintre csökkentése. - szű r rő : csővezetékbe építve a szilárd szennyeződések bejutását akadályozza meg. ő - visszacsapó szelep: megakadályozza a csővezetékben a közeg visszaáramlását. - kompenzátor: lehetővé teszi a hőmérséklet-változás következtében létrejövő hőtágulást. - biztonsági szelep: feladata, hogy az üzemi nyomás jelent ős túllépése esetén (általában +25%) a rendszert tehermentesítse, lefúvassa. - hasadótárcsa: felszakadásával megakadályozza a belső nyomás hírtelen, túlzott megnövekedését. 75
Feladatok felületi hőcserélők témakörből 1.) Csőköteges hőcserélőben óránként 1,5 m3 anyagot melegítenek 20 °C-ról 95 °C-ra 3 bar nyomású telített vízg őz rejtett hő je segítségével. Az anyag sűrűsége 985 kg/m3, fajhő je 2,0 kJ/(kg⋅°C). A.) Határozza meg az elegy felmelegítéséhez szükséges f űtőgőz tömegáramát kg/h egységben! (102,32 kg/h) B.) Rajzolja meg a hőcserélő hőfoklefutási diagramját! A telített vízgőz adatai a nyomás függvényében:
C.) Számolja ki a közepes h őmérséklet-különbség nagyságát! (67,6 °C) 2.) Egy ellenáramú csőköteges folyadék-folyadék hőcserélőt méretezünk. A hőleadó közeg (meleg víz) a cs őoldalon áramlik. Belépő hőmérséklete 90 °C, kilépő hőmérséklete 45 °C, térfogatárama 250 liter/óra, sűrűsége 985 kg/m3. A hőfelvevő közeg belépő hőmérséklete 20 °C, kilépő hőmérséklete 60 °C. A közegek fajhő je megegyezik: 4,2 kJ/(kg⋅°C). A.) Rajzolja le a hőcserélőt f ő részeinek feltüntetésével! Írja rá az ábrára a be- és kilép ő közegek hőmérsékletét! B.) Számítsa ki a hőleadó közeg tömegáramát kg/s egységben! (0,0684 kg/s) C.) Számítsa ki az 1 másodperc alatt leadott h őmennyiséget, vagyis a hőteljesítményt! (12928 W) D.) Rajzolja meg a hőcserélő hőmérséklet-felület diagramját, és számítsa ki a közepes hőmérséklet-különbséget! (27,42 °C) E.) Számítsa ki a hőátadó felületet, ha a hőcserélőben 16 db ∅ 14 mm-es cs ő van, hosszuk 0,8 m. (0,563 m 2) F.) Számítsa ki a h őátbocsátási tényező értékét! (837,5 W/(m2·°C)) 3.) Egy ellenáramú csőköteges folyadék-folyadék hőcserélőt méretezünk. A hőleadó közeg (meleg víz) a köpenyoldalon áramlik. Belépő hőmérséklete 95 °C, kilép ő hőmérséklete 40 °C, térfogatárama 300 liter/óra, sűrűsége 990 kg/m3. A hőfelvevő közeg belépő hőmérséklete 15 °C, kilépő hőmérséklete 80 °C. A közegek fajhő je megegyezik: 4,2 kJ/(kg⋅°C). A.) Rajzolja le a hőcserélőt f ő részeinek feltüntetésével! Írja rá az ábrára a be- és kilép ő közegek hőmérsékletét! B.) Számítsa ki a hőleadó közeg tömegáramát kg/s egységben! (0,0825 kg/s) C.) Számítsa ki az 1 másodperc alatt leadott h őmennyiséget, vagyis a hőteljesítményt! (19057,5 W) D.) Rajzolja meg a hőcserélő hőmérséklet-felület diagramját, és számítsa ki a közepes hőmérséklet-különbséget! (19,58 °C) E.) Számítsa ki a hőátadó felületet, ha a hőcserélőben 20 db ∅ 15 mm-es cs ő van, hosszuk 0,7 m. (0,66 m 2) F.) Számítsa ki a h őátbocsátási tényező értékét! (1474,7 W/(m2·°C)) 4.) Egy egyenáramú csőköteges folyadék-folyadék hőcserélőt méretezünk. A hőleadó közeg (meleg víz) a cs őoldalon áramlik. Belépő hőmérséklete 80 °C, kilépő hőmérséklete 65 °C, térfogatárama 200 liter/óra, sűrűsége 971 kg/m3. A hőfelvevő közeg belépő hőmérséklete 20 °C, kilépő hőmérséklete 40 °C. A közegek fajhő je megegyezik: 4,2 kJ/(kg⋅°C). A.) Rajzolja le a hőcserélőt f ő részeinek feltüntetésével, nevezze meg alkatrészeit! B.) Számítsa ki a meleg víz tömegáramát! (0,05394 kg/s) C.) Számítsa ki a leadott h őteljesítményt! (3398 W) D.) Rajzolja meg a h őcserélő hőmérséklet-felület diagramját és számítsa ki a közepes hőmérséklet-különbséget! (39,98 °C) E.) Számítsa ki a hőátadó felületet, ha a hőcserélőben 6 db, ∅ 12 mm-es cs ő van, a forrcsövek hossza 1 m. (0,226 m 2) F.) Számítsa ki a h őátbocsátási tényező értékét! (376 W/(m2·°C))
76
5.) Egy egyenáramú csőköteges folyadék-folyadék hőcserélőt méretezünk. A hőleadó közeg (meleg víz) a cs őoldalon áramlik. Belépő hőmérséklete 90 °C, kilépő hőmérséklete 55 °C, térfogatárama 300 liter/óra, sűrűsége 965 kg/m3. A hőfelvevő közeg belépő hőmérséklete 15 °C, kilépő hőmérséklete 45 °C. A közegek fajhő je megegyezik: 4,2 kJ/(kg⋅°C). A.) Rajzolja le a hőcserélőt f ő részeinek feltüntetésével, nevezze meg alkatrészeit! B.) Számítsa ki a meleg víz tömegáramát! (0,08041 kg/s) C.) Számítsa ki a leadott h őteljesítményt! (11820,3 W) D.) Rajzolja meg a h őcserélő hőmérséklet-felület diagramját és számítsa ki a közepes hőmérséklet-különbséget! (42,45 °C) E.) Számítsa ki a hőátadó felületet, ha a hőcserélőben 10 db, ∅ 15 mm-es cső van, a forrcsövek hossza 1,5 m. (0,707 m 2) F.) Számítsa ki a h őátbocsátási tényező értékét! (393,85 W/(m2·°C)) 6.) Ellenáramú csőköteges hőcserélő készülékben aromás oldószert melegítünk. A hőcserélőben óránként 5 m3 anyagot melegítünk 20 °C-ról 80 °C-ra. A készülék f űtéséhez 95 °C-os ipari melegvizet használunk, amely leh űl 40 °C-ra. A készülék hőveszteségétől eltekintünk. Az aromás oldószer sűrűsége 885 kg/m3, fajhő je 1,85 kJ/(kg⋅K). Az ipari melegvíz sűrűsége 983 kg/m3, fajhő je 4,19 kJ/(kg⋅K). A hőcserélő hőátbocsátási tényező je 1850 W/(m2⋅K). A hőcserélő készülékbe 30 mm átmérő jű és 4 m hosszúságú csöveket építettek be. A.) Határozza meg az oldószer tömegáramát! (4425 kg/h) B.) Számítsa ki az oldószer által felvett hőmennyiséget (hőáramot)! (491175 kJ/h) C.) Mekkora tömegű f űtővízre van szükség óránként? (2131,4 kg/h) D.) Rajzolja meg a hőcserélő hőfokváltozási diagramját! E.) Számítsa ki a közepes hőmérsékletkülönbséget! (17,4 °C) F.) Határozza meg a hőcserélő felületét! (4,24 m2) G.) Határozza meg a hőcserélő csöveinek számát! (11,3 db → 12 db) 7.) Ellenáramú csőköteges hőcserélő készülékben aromás oldószert melegítünk. A hőcserélőben óránként 4 m3 anyagot melegítünk 25 °C-ról 75 °C-ra. A készülék f űtéséhez 90 °C-os ipari melegvizet használunk, amely leh űl 35 °C-ra. A készülék hőveszteségétől eltekintünk. Az aromás oldószer sűrűsége 880 kg/m3, fajhő je 1,75 kJ/(kg⋅K). Az ipari melegvíz sűrűsége 985 kg/m3, fajhő je 4,19 kJ/(kg⋅K). A hőcserélő hőátbocsátási tényező je 1800 W/(m2⋅K). A hőcserélő készülékbe 35 mm átmérő jű és 3 m hosszúságú csöveket építettek be. A.) Határozza meg az oldószer tömegáramát! (3520 kg/h) B.) Számítsa ki az oldószer által felvett hőmennyiséget (hőáramot)! (308000 kJ/h) C.) Mekkora tömegű f űtővízre van szükség óránként? (1336,52 kg/h) D.) Rajzolja meg a hőcserélő hőfokváltozási diagramját! E.) Számítsa ki a közepes hőmérsékletkülönbséget! (12,33 °C) F.) Határozza meg a hőcserélő felületét! (3,855 m2) G.) Határozza meg a hőcserélő csöveinek számát! (11,69 db → 12 db) 8.) Egy tárcsás turbinakever ős berendezést 5 bar nyomású 151 °C h őmérsékletű telített gőzzel f űtünk. A készülékben 1500 liter folyadékot melegítünk 20 °C-ról 85 °C-ra óránként. A folyadék s űrűsége 992 kg/m3, viszkozitása 5,5⋅10-4 Pa ⋅s, fajhő je 4,19 kJ/(kg⋅°C), a gőz párolgáshő je 2120 kJ/kg. A f űtőgőznek csak a rejtett h ő jét hasznosítjuk. Tekintsünk el a hőveszteségtől! A készülékben 300 mm átmérő jű keverőelem van, amelynek fordulatszáma percenként 300. A.) Írja le a melegítésre vonatkozó hőtani egyenlőséget! B.) Határozza meg a melegítéshez szükséges f űtőgőz mennyiségét! (191,2 kg) C.) Rajzolja le a hőfokváltozási diagramot! D.) Számítsa ki a h őátadó felületet, ha a hőátbocsátási tényező 1010 J/(m2⋅s⋅°C)! (1,176 m2) E.) Határozza meg a keverési Re-számot! (8,11·105) F.) Számítsa ki a keverési ellenállás-tényező értékét, ha a teljesítményszükséglet 2100 W! (6,97) 9.) Egy tárcsás turbinakever ős berendezést 8 bar nyomású 170 °C h őmérsékletű telített gőzzel f űtünk. A készülékben 1800 liter folyadékot melegítünk 15 °C-ról 95 °C-ra óránként. A folyadék s űrűsége 996 kg/m3, viszkozitása 5,5⋅10-4 Pa ⋅s, fajhő je 4,19 kJ/(kg⋅°C), a gőz párolgáshő je 2047,5 kJ/kg. A f űtőgőznek csak a rejtett h ő jét hasznosítjuk. Tekintsünk el a hőveszteségtől! A készülékben 40 cm átmérő jű keverőelem van, amelynek fordulatszáma percenként 400. 77 A.) Írja le a melegítésre vonatkozó hőtani egyenlőséget!
B.) Határozza meg a melegítéshez szükséges f űtőgőz mennyiségét! (293,5 kg/h) C.) Rajzolja le a hőfokváltozási diagramot! D.) Számítsa ki a h őátadó felületet, ha a hőátbocsátási tényező 1050 J/(m2⋅s⋅°C)! (1,443 m2) E.) Határozza meg a keverési Re-számot! (1931636) F.) Számítsa ki a keverési ellenállás-tényező értékét, ha a teljesítményszükséglet 2,5 kW! (0,827) 10.)
11.)
78
12.)
13.)
79
14.) Az alábbi leírások alapján rajzolja meg a hőcserélő hőmérséklet-felület diagramokat! Telített gőzzel folyadékot melegítünk:
Ellenáramú folyadék-folyadék hőcserélő:
Egyenáramú folyadék-folyadék hőcserélő:
Mindkét oldalon halmazállapot változás történik:
80
13. tétel: Javasoljon megoldásokat a különböz ő technológiai folyamatokban keletkezett híg oldatok bepárlásának lehetőségeire! - A bepárlás fogalma, célja, alkalmazási területe, gyakorlati példák ismertetése - A bepárlás anyag- és h őmérlege, a bepárláshoz szükséges f űtőgőz mennyiségének meghatározása - A Robert-bepárló szerkezeti kialakítása, a természetes cirkuláció kialakulása, el őnyei, hátrányos tulajdonságai kiküszöbölésének lehetőségei, azok bemutatása a mellékelt bepárlótípusokon - A filmbepárlók működési elve és gyakorlati megvalósításuk, azok bemutatása a mellékelt ábrán Bepárlás: elválasztó művelet, melynek során az oldószert választjuk el az oldott anyagtól úgy, hogy az oldattal hőt közlünk, aminek következtében az oldószer egy része elpárolog. Célja: az oldott anyag koncentrációjának növelése, vagyis oldattöményítés (sűrítés). Alkalmazási területei: vegyiparban, élelmiszeriparban, gyógyszergyártásban, enyvgyártásban, stb. Bepárlás anyag- és hőmérlege •
Betáplált, híg oldat tömegárama: B ≡ m B •
Maradék, tömény oldat tömegárama: M ≡ m M •
Szekunder-, oldószergőz tömegárama: W ≡ mW x: tömegtört (tömeg %) t: hőmérséklet [°C] h: fajlagos hőtartalom (entalpia) [kJ/kg] c: fajhő [kJ/(kg⋅°C)] Teljes anyagmérleg: B = M + W
•
•
•
•
(m B = m M + mW )
Részleges anyagmérleg: B ⋅ x B = M ⋅ x M •
•
•
•
(m B ⋅ x B = m M ⋅ x M ) mivel xW = 0, ezért W ⋅ xW = 0.
•
H ő őmérleg: mérleg: Q G + Q B = Q M + Q W
G ⋅ ∆h + B ⋅ c B ⋅ t B = M ⋅ c M ⋅ t M + W ⋅ h ''
•
•
•
•
(m G ⋅ ∆h + m B ⋅ c B ⋅ t B = m M ⋅ c M ⋅ t M + mW ⋅ h '' )
Gőzszükséglet
M ⋅ c M ⋅ t M + W ⋅ h '' − B ⋅ c B ⋅ t B G= ∆h
•
[kg/h]
•
•
m M ⋅ c M ⋅ t M + mW ⋅ h '' − m B ⋅ c B ⋅ t B (m G = ) ∆h •
∆h – a f űtőgőz kondenzációs hő je (párolgádhő je) [kJ/kg]
Bepárlók
A bepárlók feladata, hogy f űtés hatására az oldat forráspontján az oldószer egy részét elpárologtassák. A bepárlók f ő részei: f űtőfelület, gőztér, oldatgyű jtő. A f űtőtér elhelyezkedése szerint a bepárló lehet: belső ill. külső f űtőterű. A f űtőtér szerkezeti kialakítása lehet: kettősfalú, bemerülő csőkígyós, csőköteges. A bepárlás üzemmódja lehet: szakaszos, ill. folyamatos. A bepárlás történhet: egy ill. több fokozatban.
81
Robert-bepárló (melléklet) Belső f űtőterű, függőleges csőköteges, természetes cirkulációjú, folyamatosan és szakaszosan is üzemeltethet ő, nagy páraterű készülék. A híg oldatot a f űtőtér fölé táplálják be. Az oldat a középső nagy átmérő jű ejtőcsőben lefelé áramlik, míg a forrcsövekben a f űtés hatására keletkezett gőz az oldatot felfelé áramoltatja. Így jön létre a természetes cirkuláció. A f űtőtér fölött a folyadék és a g őz szétválik. A gőz a páratérben gyűlik össze, ahonnan cseppfogón keresztül vezetik el. A tömény oldatot a készülék alján vezetik el. Előnyei: - egyszerű szerkezet, egyszerű üzemeltetés, könnyű a szerelése, kicsi a beépítési magassága, - sokféle anyag bepárlására alkalmas. Hátrányai: - a természetes cirkuláció lassú, könnyen lerakódás jön létre, - a lassú áramlás miatt kicsi a h őátadási tényező, - kicsi a f űtőfelület-térfogat arány, így kicsi a teljesítmény.
Külső f űtőterű bepárló (melléklet)
Elkülönül a hőcserélő és a páratér. Nagy a f űtőfelület. A külső ejtőcső miatt nagyobb a sűrűségkülönbség, ezért intenzívebb a cirkuláció. A két vagy több küls ő hőcserélő lehetővé teszi, hogy meghibásodás, karbantartás miatt nem kell leállítani az egész bepárlót.
82
Vogelbusch-bepárló (Ferdecsöves bepárló) (melléklet) A hőcserélő ferde elhelyezése miatt kisebb a beépítési magasság. Valamint kisebb a csövekben a hidrosztatikai nyomás, ezért kicsi a hidrosztatikai nyomásból eredő forráspont-emelkedés.
Filmbepárlók A forrcsövekben a folyadék áramlása lehet: Buborékos Dugós
Gyűrűs áramlás.
hőre érzékeny anyagok bepárlására. Jellegzetes típusa a Kestner bepárló. Kestner bepárló (melléklet)
A gyűrűs áramlásnál a cső belső felületén a folyadékból vékony film alakul ki, amelyet a cső középső részén lévő gőzáram felfelé mozgat. A készülékben lévő folyadék térfogata a f űtőfelülethez képest igen kicsi, a tartózkodási idő igen rövid, ezért a filmbepárlók jól használhatók
Forgólapátos filmbepárló (melléklet)
A forgólapátos filmbepárlónál a lefelé csorgó híg oldatot a lapátok vékony rétegben elkenik a f űtőfelületen, így alakul ki a folyadékfilm. Nagy viszkozitás esetén is nagy sebességgel áramoltatható így az oldat.
83
Feladatok bepárlás témakörből 1.) Óránként 1500 kg vizes oldat bepárlását kívánjuk megoldani egy Robert-rendszer ű bepárlóban. A híg lé mennyiségének kezdeti koncentrációja 15 %, h őmérséklete 20 °C. A bepárlás végére 60 %-os koncentrációt akarunk elérni. A.) Írja le a művelet teljes és részleges anyagmérlegét! Határozza meg, mennyi másodlagos gőz keletkezik és mennyi lesz a maradék mennyisége a bepárlás végén! (1125 kg/h, 375 kg/h) B.) Írja le a bepárló h őmérlegét, és határozza meg, mennyi f űtőgőzre van szükség, ha a bepárló f űtésére 4 bar nyomású telített gőzt használunk, amelynek kondenzációs h ő je 2132,1 kJ/kg! (1487 kg/h) kg/h) A bepárlóban légköri nyomás uralkodik. Az oldat forráspontját tekintse 100 °C-nak! A h őveszteséget 1,3⋅105 kJ/h-ra becsüljük. Az oldat fajhő je a műveletben végig 4,18 kJ/(kg⋅°C), a másodlagos gőz fajlagos hőtartalma 2675 kJ/kg. 2.) Óránként 3400 kg vizes oldat bepárlását kívánjuk megoldani egy Robert-rendszer ű bepárlóban. A híg lé mennyiségének kezdeti koncentrációja 7 %, hőmérséklete 28 °C. A bepárlás végére 58 %-os koncentrációt akarunk elérni. A.) Írja le a művelet teljes és részleges anyagmérlegét! Határozza meg, mennyi másodlagos gőz keletkezik és mennyi lesz a maradék mennyisége a bepárlás végén! (2989,66 kg/h, 410,34 kg/h) B.) Írja le a bepárló h őmérlegét, és határozza meg, mennyi f űtőgőzre van szükség, ha a bepárló f űtésére 5 bar nyomású telített gőzt használunk, amelynek kondenzációs h ő je 2108,6 kJ/kg! (3289,85 kg/h) kg/h) A bepárlóban légköri nyomás uralkodik. Az oldat forráspontját tekintse 105 °C-nak! A h őveszteséget 1,1⋅105 kJ/h-ra becsüljük. Az oldat fajhő je a műveletben végig 4,1 kJ/(kg⋅°C), a másodlagos gőz fajlagos hőtartalma 2355 kJ/kg. 3.) Bepárlókészülékben cukoroldatot töményítünk. A bepárló páraterében 0,6 bar abszolút nyomás uralkodik. A hidrosztatikus nyomás okozta forrpontemelkedés nem hanyagolható el. A függőleges forrcsövek hossza 4 m. A belépő oldat tömegárama 1200 kg/h, összetétele 22 tömegszázalék. A maradék töménysége 38 tömegszázalék, az oldat közepes sűrűsége 980 kg/m3. A.) Számítsa ki a hidrosztatikus nyomásnövekedést! (19230 Pa) B.) Mekkora az oldat tényleges forrpontja, ha a koncentrációnövekedés okozta forrpontemelkedés 2 °C? (95,5 °C) Vízgőz tenzió – hőmérsékletértékek: p (bar) 0,6 0,8 1,0 2,0
t (°C) 86,0 93,5 99,6 120,0
C.) Írja fel a bepárlás teljes és részleges anyagmérlegét! D.) Számítsa ki a maradék tömegáramát és a másodlagos gőz tömegáramát! (694,7 kg/h, 505,3 kg/h) E.) Írja a Robert-féle bepárlókészülék mellett található karikákba a helyes megnevezés számát!
84
4.) Bepárlókészülékben cukoroldatot töményítünk. A bepárló páraterében 0,5 bar abszolút nyomás uralkodik. A hidrosztatikus nyomás okozta forrpontemelkedés nem hanyagolható el. A függőleges forrcsövek hossza 4,2 m. A belépő oldat tömegárama 2400 kg/h, összetétele 18 tömegszázalék. A maradék töménysége 55 tömegszázalék, az oldat közepes sűrűsége 985 kg/m3. A.) Számítsa ki a hidrosztatikus nyomásnövekedést! (20292 Pa) B.) Mekkora az oldat tényleges forrpontja, ha a koncentrációnövekedés okozta forrpontemelkedés 3 °C? (92,96 °C) Vízgőz tenzió – hőmérsékletértékek: Telítési Forrponti gő znyomás hő mérséklet mérséklet p (bar) t (°C) 0,4 75,90 0,5 81,35 0,6 85,95 0,7 89,96 0,8 93,51
C.) Írja fel a bepárlás teljes és részleges anyagmérlegét! D.) Számítsa ki a maradék tömegáramát és a másodlagos gőz tömegáramát! (785,45 kg/h, 1614,55 kg/h) E.) Írja a Robert-féle bepárlókészülék mellett található karikákba a helyes megnevezés számát! 1. Páratér 2. Ejtőcső 3. Forrcső 4. Kezelő, tisztító nyílás 5. Bepárolt oldat elvezetése 6. Pára- (másodlagos g őz-) elvezetés 7. Gőzdóm 8. Betáp csonk 9. Fűtőgőz-bevezetés 10. Kondenzátumelvezetés
5.) Egy bepárlótelep utolsó fokozatában uralkodó nyomás 0,4 bar abszolút nyomás. A f űtőgőz hőmérséklete 120 °C. A hőcserélő magassága, ami egyúttal a folyadékoszlop magassága 4,3 m. Az oldat közepes s űrűsége 950 kg/m3. A koncentrációnövekedés okozta forrpontemelkedés 4 °C. A hőcserélő 60 db 20 mm átmérő jű, a fenti 4,3 m hosszúságú forrcsövekből és 400 mm átmérő jű ejtőcsőből áll. Telített vízgőz hőtani tulajdonságai: Telítési Forrponti gő znyomás hő mérséklet mérséklet p (bar) t (°C) 0,4 75,90 0,5 81,35 0,6 85,95 0,7 89,96 0,8 93,51
85
Figyelem: A feladatrészek többnyire egymásra épülnek. Amennyiben valamelyik feladatrésznél elakadna, úgy számoljon a fenti táblázatban megadott tiszta oldószerre vonatkozó értékekkel! A.) Fejezze be a jobboldalon látható Robert-bepárló rajzát! Különös tekintettel legyen a f űtőtérre, valamint a cseppleválasztóra! c seppleválasztóra! A f űtőtér vázlatos metszeti képét is rajzolja meg! B.) Tüntesse fel f ő részeit és az anyagáramokat, és nevezze meg azokat! C.) Hogy alakul ki a f űtőtérben az oldat természetes cirkulációja? D.) Határozza meg a hidrosztatikus nyomásnövekedés okozta átlagos (közepes) forrpontemelkedést! (10,05 °C) E.) Számolja ki az oldat valódi forrpontját! (89,95 °C) F.) Mekkora a közepes hőmérsékletkülönbség? (30,05 °C) Az oldat betáplálása közel forrponton történik, így hőfelvevő oldalon csak forralás történik. G.) Mekkora a hőátadó felület? (21,6 m2) H.) Számolja ki az átszármaztatott hőmennyiséget, ha a hőátbocsátási tényező értéke 500 W/(m2⋅°C)! (324540 W = 1168344 kJ/h) I.) A telített gőzt barometrikus keverőkondenzátorba vezetjük, ahol kondenzáltatjuk. Milyen hosszú ejt őcső szükséges, ha a csőveszteségtől eltekintünk? (6,14 m) A külső (légköri) nyomás 10 5 Pa, a hűtővíz és a kondenzátum sűrűsége 996 kg/m3.
6.) Egy bepárlótelep utolsó fokozatában uralkodó nyomás 0,5 bar abszolút nyomás. A f űtőgőz hőmérséklete 130 °C. A hőcserélő magassága, ami egyúttal a folyadékoszlop magassága 4,6 m. Az oldat közepes s űrűsége 960 kg/m3. A koncentrációnövekedés okozta forrpontemelkedés 5 °C. A hőcserélő 80 db 15 mm átmérő jű, a fenti 4,6 m hosszúságú forrcsövekből és 450 mm átmérő jű ejtőcsőből áll. Telített vízgőz hőtani tulajdonságai: Telítési Forrponti gő znyomás hő mérséklet mérséklet p (bar) t (°C) 0,4 75,90 0,5 81,35 0,6 85,95 0,7 89,96 0,8 93,51
Figyelem: A feladatrészek többnyire egymásra épülnek. Amennyiben valamelyik feladatrésznél elakadna, úgy számoljon a fenti táblázatban megadott tiszta oldószerre vonatkozó értékekkel!
86
A.) Fejezze be a jobboldalon látható Robert-bepárló rajzát! Különös tekintettel legyen a f űtőtérre, valamint a cseppleválasztóra! c seppleválasztóra! A f űtőtér vázlatos metszeti képét is rajzolja meg! B.) Tüntesse fel f ő részeit és az anyagáramokat, és nevezze meg azokat! C.) Hogy alakul ki a f űtőtérben az oldat természetes cirkulációja? D.) Határozza meg a hidrosztatikus nyomásnövekedés okozta átlagos (közepes) forrpontemelkedést! (8,61 °C) E.) Számolja ki az oldat valódi forrpontját! (94,96 °C) F.) Mekkora a közepes hőmérsékletkülönbség? (35,04 °C) Az oldat betáplálása közel forrponton történik, így hőfelvevő oldalon csak forralás történik. G.) Mekkora a hőátadó felület? (23,84 m2) H.) Számolja ki az átszármaztatott hőmennyiséget, ha a hőátbocsátási tényező értéke 600 W/(m2⋅°C)! (501212 W = 1804363 kJ/h) I.) A telített gőzt barometrikus keverőkondenzátorba vezetjük, ahol kondenzáltatjuk. Milyen hosszú ejt őcső szükséges, ha a csőveszteségtől eltekintünk? (5,15 m) A külső (légköri) nyomás 10 5 Pa, a hűtővíz és a kondenzátum sűrűsége 990 kg/m3.
7.) Az ábrán egy lengőlapátos filmbepárló berendezés látható. A.) Az alábbi táblázatban nevezze meg az A-H betűkkel jelölt anyagáramokat és a berendezés 1-6 számokkal jelölt elemeit!
87
B.) Rajzolja le a felülnézeti képében a lengőlapátsort, feltüntetve a tengelyt, a csuklópontokat, a forgásirányt és a folyadékfilm vastagságát!
hatá sfoka? C.) Hogy befolyásolható a bepárlás hatásfoka?
hi drosztatikus nyomásnövekedés okozta okozta forrpontemelkedéssel? D.) Kell-e számolni hidrosztatikus
E.) Melyik berendezésben nagyobb a koncentráció növekedése? Húzza alá a megfelelő választ! A filmbepárlóban
A Robert-bepárlóban
8.) Egy lengőlapátos ipari filmbepárlóban uralkodó nyomás 0,4 bar abszolút nyomás. A f űtőgőz nyomása 2 bar, a bepárlóba lép ő tömegárama 125 kg óránként. A bepárlóba lépő oldat hőmérséklete 20 °C-os, mennyisége 100 kg óránként, koncentrációja 16 tömegszázalék, a maradék összetétele 40 tömegszázalék. A közepes fajhő értéke 4,1 kJ/(kg⋅°C). A telített vízgőz hőtani tulajdonságai: Telítési gőznyomás, p [bar] Forrponti hőmérséklet, t [°C] [°C] Rejtett hő, ∆hr [kJ/kg] 0,4 75,9 2310 2 120 2202 t öltse ki az anyagáram-, illetve berendezéselem megnevezéseit! A.) A mellékelt ábra jelölései alapján töltse
88
B.) Rajzoljon be a filmbepárló metszeti ábrájába egy lengőlapátsort! Jelölje az ábrán a folyadékfilmet is!
C.) Mit értünk a leng őlapátos filmbepárló optimális fordulatszámán?
D.) Határozza meg a maradék és a másodlagos gőz mennyiségét! (40 kg/h, 60 kg/h) E.) Határozza meg a gőz által leadott hőáramot! (275000 kJ/h = 76388,9 W) F.) Számítsa ki a hasznos h őáram nagyságát! Alkalmazza a közelítő összefüggést! (cköz ≅ c B ≅ cS ill. t fp ≅ t M ≅ t S S ) (161000 kJ/h = 44722,2 W) G.) Határozza meg a bepárló termikus hatásfokát! (58,5 %) 9.) Egy lengőlapátos ipari filmbepárlóban uralkodó nyomás 0,6 bar abszolút nyomás. A f űtőgőz nyomása 3 bar, a bepárlóba lép ő tömegárama 150 kg óránként. A bepárlóba lépő oldat hőmérséklete 25 °C-os, mennyisége 130 kg óránként, koncentrációja 26 tömegszázalék, a maradék összetétele 50 tömegszázalék. A közepes fajhő értéke 4,1 kJ/(kg⋅°C). A telített vízgőz hőtani tulajdonságai: Telítési gőznyomás, p [bar] Forrponti hőmérséklet, t [°C] [°C] Rejtett hő, ∆hr [kJ/kg] 0,6 85,95 2292,5 3 133,5 2161,9 A.) Határozza meg a maradék és a másodlagos gőz mennyiségét! (67,6 kg/h, 62,4 kg/h) B.) Határozza meg a gőz által leadott hőáramot! (324285 kJ/h = 90079,2 W) C.) Számítsa ki a hasznos h őáram nagyságát! Alkalmazza a közelítő összefüggést! (cköz ≅ c B ≅ cS ill. t fp ≅ t M ≅ t S S ) (175538,35 kJ/h = 48760,65 W) D.) Határozza meg a bepárló termikus hatásfokát! (54,13 %) E.) Mit értünk a lengőlapátos filmbepárló optimális fordulatszámán? 10.)
89
11.) Hőérzékeny anyag oldatát kell bepárolnunk, ezért a bepárlóban 0,4 bar abszolút nyomás uralkodik. A bepárlóhoz keverőkondenzátor van kapcsolva. A vizes oldat forráspontja f orráspontja 75,9 °C, párolgáshő je 2319 kJ/kg. A hűtővíz hőmérséklete 22 °C, átlagos fajhő je 4,18 kJ/(kg °C). A bepárlóba óránként 500 liter 1,4 kg/dm 3 sűrűségű oldat lép be, amely w = 15 %-os töménység ű, a bepárolt oldat w = 60 %-os. A.) Írja fel a bepárló teljes és részleges anyagmérlegét! B.) Számítsa ki, hogy mennyi a másodlagos g őz mennyisége óránként! (525 kg/h) el , és a hűtővíz a C.) Határozza meg a keverőkondenzátor hűtővíz igényét, ha csak a másodlagos gőz rejtett hő jét vonjuk el, forráspontig melegszik! (5404 kg/h) D.) Határozza meg a keverőkondenzátorhoz kapcsolódó ejtőcső minimális hosszát, ha a víz sűrűsége 980 kg/m3! A külső nyomás 1 bar. (6,24 m) E.) A gépcsoporthoz cseppfogó és vákuumszivattyú csatlakozik. Mi a szerepük? ·
12.) Hőérzékeny anyag oldatát kell bepárolnunk, ezért a bepárlóban 0,5 bar abszolút nyomás uralkodik. A bepárlóhoz keverőkondenzátor van kapcsolva. A vizes oldat forráspontja f orráspontja 81,4 °C, párolgáshő je 2305 kJ/kg. A hűtővíz hőmérséklete 18 °C, átlagos fajhő je 4,18 kJ/(kg °C). A bepárlóba óránként 600 liter 1,3 kg/dm 3 sűrűségű oldat lép be, amely w = 10 %-os töménység ű, a bepárolt oldat w = 65 %-os. A.) Írja fel a bepárló teljes és részleges anyagmérlegét! B.) Számítsa ki, hogy mennyi a másodlagos g őz mennyisége óránként! (660 kg/h) el , és a hűtővíz a C.) Határozza meg a keverőkondenzátor hűtővíz igényét, ha csak a másodlagos gőz rejtett hő jét vonjuk el, forráspontig melegszik! (5740,5 kg/h) D.) Határozza meg a keverőkondenzátorhoz kapcsolódó ejtőcső minimális hosszát, ha a víz sűrűsége 990 kg/m3! A külső nyomás 1 bar. (5,15 m) E.) A gépcsoporthoz cseppfogó és vákuumszivattyú csatlakozik. Mi a szerepük? ·
90
14. tétel: Az oldhatósági görbék ismeretében adjon javaslatokat kristályosítási m űvelet megvalósítására! - A kristályosítás fogalma, célja, oldhatósági görbék, kristályosítás h űtéssel és bepárlással, gyakorlati példák bemutatása az oldhatósági görbék alapján - A Crystal-kristályosító működésének bemutatása, a kristályméret és a műveleti sebesség befolyásolásának lehetőségei - A hűtésszabályozási kör ismertetése a mellékelt vázlatrajz alapján - A bepárlással működő kristályosító berendezés felépítése - Helyezze el a kristályosítási műveletet egy ismert technológiai folyamatban, és nevezze meg a hozzá kapcsolódó folyamatokat Kristályosítás: Olyan szétválasztó művelet, melynek során az oldott anyagot, szilárd kristályos formában nyerjük ki az oldatból. A kristályosítás megvalósítható gáz- vagy g őz fázisból, valamint olvadékból is. Célja: az oldott anyag kinyerése, tisztítás. •
•
•
(m B = m K + m L )
Teljes anyagmérleg: B = K + L
Részleges anyagmérleg: B ⋅ x B = K + L ⋅ x L
•
•
•
(m B ⋅ x B = m K + m L ⋅ x L ) mivel x K = 1 (100 %).
•
Betáplált oldat tömegárama: B ≡ m B •
Kristályok tömegárama: K ≡ m K •
Anyalúg tömegárama: L ≡ m L Tömegtört: x [-] A kristályosodás folyamata két lépésből áll, bár ezek egyidej űleg játszódnak le: - gócképződés (mikroszkopikus kristályok keletkeznek) - kristálynövekedés (a kristályok elérik végleges méretüket). A kristályosodás feltétele, hogy az oldat túltelített legyen és addig tart, míg az oldat ismét telítetté nem válik. Fontos tehát, az anyag oldhatóságának h őmérsékletfüggése. Oldhatósági görbék
Hűtéses kristályosítás 1 → 2 telített tömény oldat hűtése (a hőmérséklet csökkentésével az oldat túltelítetté válik) 2 → 3 kristályosodás (az oldat koncentrációja csökken, a túltelített oldat telített lesz)
91
Bepárlásos kristályosítás 1 → 2 telített tömény oldat melegítése (a hőmérséklet növelésével az oldat telítetlen lesz, mivel az oldhatóság nő) 2 → 3 párolgás (az oldat koncentrációja nő, túltelítetté válik, hőmérséklete csökken, mivel a párolgás hőelvonással jár) 3 → 1 kristályosodás (az oldat koncentrációja csökken, a túltelített oldat telített lesz)
Crystal-kristályosító működésének bemutatása, a kristályméret és a műveleti sebesség befolyásolásának lehetőségei
A kristályosítóba bevezetett tömény oldatot egy csövön keresztül a szivattyú a h őcserélőbe juttatja, ahol lehűl és túltelítetté válik. Megkezdődik a kristályok kiválása, melyek csövön keresztül az oldattal együtt a kristályosítótér aljába jutnak. Itt tovább folyik a kristályok kiválása, kiválása, melyek az itt lévő kristályokat növelik. A kristályosítótérben felfelé áramló oldat a kisméret ű kristályokat magával ragadva felfelé viszi, míg a nagy kristályok az edény alján maradnak, amit elvezetnek. A kisméretű kristályok a bevezetett tömény oldattal együtt újra a hőcserélőbe jutnak. A mikroszkópikus méretű kristályok az oldatban lebegve egy leválasztóba jutnak, ahol egy részüket elvezetik (1. csonkon), míg másik részüket visszavezetik a h őcserélőbe (2. csonkon) és itt kristályosodási gócként, gyorsítják a kristályosodást. A kristályméret nagyságát az oldat áramlási sebességén kívül a leválasztóból visszavezetett kristályok mennyiségével tudjuk befolyásolni. Minél kevesebb mikroszkópikus kristályt vezetünk vissza a h őcserélőbe, annál több nagyméretű szemcse képződik, a kevesebb kristálygóc miatt. Hűtésszabályozási kör
92
A szabályozás során mérik a h őcserélőből kilépő lehűtött oldat hőmérsékletét. A szabályozó (PID) feladata, hogy a hőcserélőből kilépő lehűtött oldat hőmérsékletét a beállított értéken (alapértéken) tartsa. A h őmérsékletmérő /távadó (T/TA) méri a lehűtött oldat hőmérsékletét, és a mért értéknek megfelelő jelet küld a szabályozónak (PID). Ha ez eltér a beállított értéktől (alapértéktől), akkor a szabályozó a fojtószeleppel megváltoztatja a hűtővíz térfogatáramát úgy, hogy a lehűtött oldat hőmérséklete visszaálljon a beállított értékre (alapértékre). A beavatkozószerv a fojtószelep. Az alapjelképző (A) feladata, hogy a beállított alapértéknek megfelelő nagyságú alapjelet állítson elő, és azt küldje a szabályozónak (PID). A bepárlással működő kristályosító berendezés felépítése
Az oldat bevezetése szivattyúval történik a gőzf űtésű hőcserélőbe. Itt az oldat forrásba jön, töményedik és megkezdődik a kristályosodás. Az oldat a kristályokkal és a gőzzel együtt, a bepárlótestbe jut. A párát felül elvezetik, az oldatban lévő nagy kristályok pedig leülepednek a készülék aljára, ahonnan elvezetik őket. Az oldatot a kisméretű kristályokkal együtt a szivattyúval visszavezetik a hőcserélőbe. A lemezből készült terelőkúp feladata, hogy megakadályozza a nagy kristályok bejutását a szivattyúba, mert különben az tönkremenne. Technológiai folyamatban elhelyezett kristályosítás
A – anyaoldószer (eredeti oldószer) B – extrahálószer (kioldószer) C – kivonandó anyag (E + R) E – extaktum (átoldott (átol dott kivonandó anyag) R – raffinátum (át nem oldott kivonandó anyag)
93
Feladatok kristályosítás témakörből 1.) Kristályosító berendezésben óránként 84 kg kálium-jodidot kristályosítanak ki 745 kg 70 °C-on telített oldatból. A táblázat a KI oldhatósági adatait tartalmazza különböző hőmérsékleteken. Hőmérséklet (°C) Oldhatóság (g só/100 g víz) A.) Hány tömeg %-os lesz a visszamaradó oldat? (60,33 %) B.) Hány °C-ra kell ehhez lehűteni az oldatot? (30 °C) 20 144 30 152 40 160 50 168 60 176 70 184 80 192 2.) Kristályosító berendezésben óránként 98 kg kálium-jodidot kristályosítanak ki 600 kg 80 °C-on telített oldatból. A táblázat a KI oldhatósági adatait tartalmazza különböző hőmérsékleteken. Hőmérséklet (°C) Oldhatóság (g só/100 g víz) A.) Hány tömeg %-os lesz a visszamaradó oldat? (59 %) B.) Hány °C-ra kell ehhez lehűteni az oldatot? (20 °C) 20 144 30 152 40 160 50 168 60 176 70 184 80 192 3.) A.) Fejezze be a Krystal folyamatos kristályosító berendezés rajzát! B.) Jelölje be az ábrán az anyagáramok irányait! C.) Nevezze meg a készülék f őbb szerkezeti egységeit, a be- és elvezető csonkokat!
4.) Kálium-nitrátot átkristályosítással tisztítunk. Ennek érdekében 80 °C-os oldatot készítünk és leh űtjük 20 °C-ra. Az oldat tömegárama 800 kg/h. A hűtéshez 10 °C-os vizet használunk, amely 60 °C-ra melegszik. A KNO3 oldhatósága 80 °C-on 169 g/100 g víz, 20 °C-on 31,6 g/100 g víz. Az oldat fajhő je 3,5 kJ/(kg·°C), a víz fajh ő je 4,18 kJ/(kg·°C). A) Mennyi a kikristályosodó anyag és az anyalúg tömegárama? (408,4 kg/h, 391,6 kg/h) B) Mekkora tömegáramú víz szükséges az oldat hűtéséhez? (803,8 kg/h) C) A hűtéshez ellenáramú hőcserélőt használunk. Rajzolja fel a hőcserélő hőmérséklet-lefutási diagramját! D) Határozza meg a közepes hőmérsékletkülönbséget! (14,43 °C) E) Határozza meg a szükséges hőátadó felületet! Tekintsen el a hőveszteségektől! A hőátbocsátási tényező értéke 500 W/(m2·°C). (6,47 m2)
94
15. tétel: Készítsen vázlatokat egy adott nedves anyag szárítására! - A szárítási művelet célja, f őbb módszerei - A konvekciós szárítás elmélete − a nedves levegő állapotjelzői, a konvekciós szárítási folyamat folyamatábrája, ábrázolása a mellékelt t-h-x diagramon − a szárítandó anyag tulajdonságai, a konvekciós szárítás anyag- és hőmérlege − a száradási sebesség fogalma, változása vált ozása szárításnál − a konvekciós szárítók szerkezeti kialakításának bemutatása a mellékelt ábra segítségével, jellemző típusai, alkalmazási területük (konvekciós szárítás szabályozása) − a kontakt szárítás elve, a vákuumszárító szerkezeti kialakítása, alkalmazási példák, egy kontakt szárító bemutatása a mellékelt ábrán − a fagyasztva szárítás (liofilizálás) elve, egy liofilizáló bemutatása a mellékelt ábrán Szárítás célja: a nedves anyag nedvességtartalmának csökkentése. Kalorikus, diffúziós művelet, ami azt jelenti, hogy hőközléssel a nedvességet elpárologtatjuk, ami a környezetébe (levegőbe) távozik. Főbb módszerei: - kontakt - konvektív (konvekciós) - hősugárzásos - vákuumszublimációs - ultrahangos Az anyagok nedvességtartalma mechanikai úton is eltávolítható, de ezeket nem nevezzük szárításnak. Ilyen m űvelet a sajtolás, ülepítés, szűrés és centrifugálás. Konvekciós szárítás A szárítandó anyag közvetlenül érintkezik a szárítóközeggel, a meleg levegővel. Nedves levegő állapotjelzői, t-h-x diagram (melléklet) t – – hőmérséklet [°C] x – abszolút nedvességtartalom [kg/kg]
x =
W L – levegőben lévő nedvesség tömege [kg] W – L – száraz levegő tömege [kg]
h – fajlagos hőtartalom (entalpia) [kJ/kg] ϕ − relatív nedvességtartalom [-]
ϕ =
p g ptg pg – nedvesség gőznyomása [Pa] ptg – telítési gőznyomás [Pa]
Szárítási folyamat folyamatábrája (levegő)
H – hőcserélő (kalorifer) SZ – szárító L – száraz levegő tömege [kg] W0 – nedvesség tömege a levegőben [kg] ∆W – eltávolított nedvesség (szárítandó anyagból) [kg]
95
A folyamat ábrázolása a szárítási diagramban: 0.-pont → kiinduló (környezeti) levegő 1.-pont → felmelegített levegő 2.-pont → szárítás utáni levegő A levegő felmelegítése során a szárítólevegő abszolút nedvességtartalma x = állandó, azaz x0 = x1. A szárítás során a szárítólevegő fajlagos hőtartalma h = állandó, azaz h1 = h 2 .
Szárítási folyamat folyamatábrája (szárítandó anyag)
Gsz – szárazanyag tömege [kg] W – anyagban lévő nedvesség tömege [kg] (1. → szárítás előtt, 2.→ szárítás után) y – abszolút nedvességtartalom [kg/kg]
y =
W G sz + W
(Gsz + W) – össztömeg [kg] (szárazanyag + nedvesség tömege) yr – relatív nedvességtartalom [kg/kg]
y r =
W G sz
Anyag- és hőmérleg: ∆W = L ⋅ ( x 2 − x1 ) = G sz ⋅ ( y r 1 − y r 2 )
∆W – eltávolított nedvesség (szárítandó anyagból) [kg]
A szárítás során az anyagból eltávolított nedvesség mennyisége ( ∆W) megegyezik a levegő által felvett nedvesség mennyiségével. Ebből a szárítás elméleti levegőszükséglete:
L =
∆W [kg] x 2 − x1
A tényleges levegőszükséglet: L' = L ⋅ (1 + x 0 ) [kg] A szárítás hőszükséglete: ∆Q = L' ⋅ (h1 − h0 )
[kJ]
96
Száradási sebesség fogalma, változása szárításnál Időegység alatt, egységnyi felületen elpárolgott nedvesség. [g/m2⋅s] A-B: a száradás sebessége állandó, az anyag teljes felülete állandóan nedves. B-C: a száradás sebessége csökken, a nedves felületen f elületen szárat foltok jelennek meg. C-D: a száradás lelassul, az anyag felülete száraz, csak az anyag kapillárisaiban elpárolgó nedvesség diffundál a felületre.
Konvekciós szárítók A felmelegített levegő, vagy gáz h őt ad le a szárítandó anyagnak, aminek következtében a nedvesség elpárolog, gőzzé alakul, majd a levegő-, vagy gázárammal távozik. Szárítószekrény (melléklet) A konvekciós szárítószekrény meleg levegővel szárít, közvetlen hőcserével. A környezeti levegőt ventillátorral szívják be és továbbítják az előmelegítőn keresztül. A levegő az előmelegítőn keresztülhaladva felmelegszik. A felmelegített levegőt a tálcákon elhelyezett szárítandó anyag felett vezetik át. A tálcák végénél távozó nedves levegő még nem telített, további szárításra képes, ezért egy részét visszavezetik az előmelegítőbe. Másik része a szabadba távozik. Szakaszos üzemű.
Szalagos szárító (melléklet) A meleg levegő és a szárítandó anyag ellenáramban halad. Folyamatos üzemű.
97
Dobszárító (melléklet) A meleg levegő és a szárítandó anyag ellenáramban halad. Folyamatos üzemű.
Fluidizációs szárító (melléklet) A fluid állapotot az anyagréteg alá fúvatott levegővel érik el. Folyamatos üzemű.
Kontakt szárítók Kontakt, vagy másnéven konduktív szárításnál a szárításhoz szükséges h őt falon keresztül biztosítjuk, a nedvesség-gőzt vákuummal, vagy hideg levegővel vezetik el. Vákuum szárítószekrény (melléklet) A vákuum szárítószekrény közvetett hőcserével szárít, falon keresztül. A f űtőgőz a f űtőcsövek belsejében áramlik és a csőfalon keresztül hőt ad át a tálcákon lévő szárítandó anyagnak. A felmelegedett anyagban lévő nedvesség elpárolog, amit vákuumszivattyúval szívnak ki a szárítószekrényből. Kisebb berendezésnél (laborokban) a gőzf űtés helyett elektromos izzószállal melegítik az anyagot.
98
Hengeres szárító (melléklet) A szárítandó masszaszerű anyagot a hengerek a gőzzel f űtött hengerre juttatják. A gőz a henger falán keresztül melegíti a szárítandó anyagot. A hideg levegő csak az elpárolgott nedvesség elvezetésére szolgál, nem melegíti az anyagot. A f űtött hengerre tapadt anyagot egy leválasztókéssel távolítják el.
Liofilizálás (vákuumszublimációs szárítás, fagyasztva szárítás) (melléklet) Először az anyagot fagyasztani kell (h őmérséklet csökkentésével 1 → 2), majd a jégállapotban lévő nedvességet szublimáltatni (nyomás csökkentésével 2 → 3).
Konvekciós szárítás szabályozása
A szabályozás során mérik a hőcserélőből kilépő meleg levegő hőmérsékletét. A szabályozó (PID) feladata, hogy a hőcserélőből kilépő meleg levegő hőmérsékletét a beállított értéken (alapértéken) tartsa. A hőmérsékletmérő /távadó (T/TA) méri a kilépő meleg levegő hőmérsékletét és a mért értéknek megfelelő jelet küld a szabályozónak (PID). Ha a kilépő meleg levegő hőmérséklete eltér a beállított értéktől (alapértéktől), akkor a szabályozó a fojtószeleppel megváltoztatja a hőcserélőbe belépő hideg levegő térfogatáramát. A térfogatáram változásával a kilépő levegő hőmérséklete is változik. A szabályozó úgy változtatja a belépő hideg levegő térfogatáramát, hogy a kilépő levegő hőmérséklete visszaálljon a beállított értékre (alapértékre). A beavatkozó szerv a fojtószelep. Az alapjelképző (A) feladata, hogy a beállított alapértéknek megfelelő nagyságú alapjelet állítson elő, és azt küldje a szabályozónak (PID).
99
Feladatok szárítás témakörből 1.) Egy szárítóba óránként 120 kg 20 % nedvességtartalmú anyagot adagolunk, és 6 % nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalomig szárítunk. A szárító levegő abszolút nedvességtartalma kezdetben 0,01 (kg nedvesség/kg száraz levegő), hőtartalma 45 kJ/kg. A szárítás előtt előmelegítjük, hogy hőtartalma 130 kJ/kg legyen. A szárítás végén a leveg ő nedvességtartalma 0,035 kg nedvesség/kg száraz leveg őre nő. A.) Milyen esetekben célszerű vákuum-szárítószekrényt alkalmazni? B.) Mennyi a betáplált anyagban a szárazanyag mennyisége kg/h-ban? (96 kg/h) C.) Óránként mennyi szárított anyagot kapunk a szárítás végén? (102,13 kg/h) D.) A mellékelt t – h – x diagramból olvassa le a szárító levegő kezdeti, a kalorifer (előmelegítő) utáni és a szárító utáni hőmérsékletét és a relatív nedvességtartalmát! Töltse ki a táblázat hiányzó adatait!
x0 = 0,01 h0 = 45 kJ/kg t 0 = ϕ 0 =
x1 = h1 = 130 kJ/kg t 1 = ϕ 1 = 0,01
x2 = 0,035 h2 = t 2 = ϕ 2 = 0,70
E.) Számolja ki, mennyi a szárítás óránkénti levegőszükséglete? (721,95 kg/h) F.) Számolja ki a kalorifer f űtéséhez szükséges óránkénti hőmennyiséget! (61365,75 kJ/h)
100
2.) Egy szalagos szárító előmelegítő jébe belépő levegő hőmérséklete 25 °C, relatív nedvességtartalma 70 %. A kaloriferből kilépő levegő hőmérséklete 80 °C. A levegő 45 °C h őmérsékleten lép ki a szárítóból. A belépő nedves anyag mennyisége 200 kg/h, nedvességtartalma 30 %, a kilép ő anyag nedvességtartalma 5 %. A.) Mennyi a betáplált anyagban a szárazanyag mennyisége kg/h-ban? (140 kg/h) B.) Óránként mennyi szárított anyagot kapunk a szárítás végén? (147,4 kg/h) C.) Mennyi nedvességet kell elpárologtatni? (52,6 kg/h) D.) A mellékelt t – x – h diagramon ábrázolja a szárítás folyamatát, a szárító levegő állapotának válzozását!
E.) A diagram felhasználásával határozza meg a szárító levegő állapotjelzőit! Töltse ki a táblázatot! Kezdeti állapot
x0 = h0 = t 0 = ϕ 0 =
Kalorifer utáni állapot
x1 = h1 = t 1 = ϕ 1 =
Szárító utáni állapot
x2 = h2 = t 2 = ϕ 2 =
F.) Számolja ki, mennyi a szárítás óránkénti levegőszükséglete! (3802,2 kg/h) G.) Számolja ki a kalorifer elméletileg szükséges hőteljesítményét! (209122 kJ/h = 58,1 kW)
101
3.) Egy szárítóba óránként 800 kg 40 % nedvességtartalmú anyagot adagolunk, és 5 % nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalomig szárítunk. A kaloriferbe (előmelegítőbe) belépő levegő abszolút nedvességtartalma 0,005 (kg nedvesség/kg száraz leveg ő), hőmérséklete 20 °C. A szárítás előtt előmelegítjük, hogy hőtartalma 115 kJ/kg legyen. A szárítás után a levegő nedvességtartalma 0,026 kg nedvesség/kg száraz leveg őre nő. A.) Ábrázolja a diagramon a szárítási folyamatot és olvassa le a szárító levegő állapotjelzőit! B.) Mennyi a betáplált anyagban a szárazanyag mennyisége kg/h-ban? (480 kg/h) C.) Hány % a betáplált anyag relatív nedvességtartalma? (86,67 %) D.) Óránként mennyi szárított anyagot kapunk a szárítás végén? (505,26 kg/h) E.) Számolja ki, mennyi a szárítás óránkénti levegőszükséglete? (14105,42 kg/h) F.) Számolja ki a kalorifer f űtéséhez szükséges óránkénti h őmennyiséget! (1163697,15 kJ/h)
102
nedvességtartalmú anyagot adagolunk, és 8 % nedves anyagra anyagra vonatkoztatott 4.) Egy szárítóba óránként 200 kg 30 % nedvességtartalmú nedvességtartalomig szárítunk. A kaloriferbe (előmelegítőbe) belépő levegő abszolút nedvességtartalma 0,01 (kg nedvesség/kg száraz leveg ő), hőtartalma 45 kJ/kg. A szárítás előtt előmelegítjük, hogy hőmérséklete 105 °C legyen. A szárítás után a levegő nedvességtartalma 0,035 kg nedvesség/kg száraz leveg őre nő. A.) Ábrázolja a diagramon a szárítási folyamatot és olvassa le a szárító levegő állapotjelzőit! B.) Mennyi a betáplált anyagban a szárazanyag mennyisége kg/h-ban? (140 kg/h) C.) Hány % a betáplált anyag relatív nedvességtartalma? (42,86 %) D.) Óránként mennyi szárított anyagot kapunk a szárítás végén? (152,17 kg/h) E.) Számolja ki, mennyi a szárítás óránkénti levegőszükséglete? (1932,33 kg/h) F.) Számolja ki a kalorifer f űtéséhez szükséges óránkénti h őmennyiséget! (164248 kJ/h)
103
5.) Egy szárítóba óránként 750 kg 35 % nedvességtartalmú anyagot adagolunk, és 7 % nedves anyagra vonatkoztatott nedvességtartalomig szárítunk. A kaloriferbe (előmelegítőbe) belépő levegő relatív nedvességtartalma 30 %, abszolút nedvességtartalma 0,004. Az előmelegített levegő hőmérséklete 110 °C. A szárítás utáni relatív nedvességtartalma 20 %. A.) Ábrázolja a diagramon a szárítási folyamatot és olvassa le a szárító levegő állapotjelzőit! B.) Mennyi a betáplált anyagban a szárazanyag mennyisége kg/h-ban? (487,5 kg/h) C.) Hány % a betáplált anyag relatív nedvességtartalma? (53,8 %) D.) Óránként mennyi szárított anyagot kapunk a szárítás végén? (524,2 kg/h) E.) Számolja ki, mennyi a szárítás óránkénti levegőszükséglete? (11335,16 kg/h) F.) Számolja ki a kalorifer f űtéséhez szükséges óránkénti h őmennyiséget! (963488,6 kJ/h)
104
6.) Egy fluidizációs szárító el őmelegítő jébe belépő levegő hőmérséklete 20 °C, relatív nedvességtartalma 50 %. A kaloriferből kilépő levegő hőmérséklete 60 °C. A szárítóból kilépő levegő átlagos hőmérséklete 45 °C. Az elpárologtatandó nedvesség mennyisége 50 g, amelyet 15 perc alatt szárítunk ki. A.) Mennyi nedvességet kell másodpercenként elpárologtatni? (0,0556 g/s) Ábrázolja t-x-h diagramon a szárítási folyamatot!
B.) A diagram felhasználásával határozza meg a szárító levegő abszolút nedvességtartalmait és fajlagos hőtartalmait! C.) Számítsa ki a szárítás levegőszükségletét! (33,77 kg/h) D.) Határozza meg a szárítás h őszükségletét! (1350,8 kJ/h)
105
7.) Egy szárítóban óránként 500 kg nedves anyagot szárítanak, aminek száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalma 20 %. A kilép ő anyag száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalma 10 %. A kaloriferbe belépő levegő abszolút nedvességtartalma 0,012, hőmérséklete 25 °C. Az el őmelegített levegő fajlagos hőtartalma 90 kJ/kg. Szárítás utáni hőmérséklete 35 °C. A.) Ábrázolja a diagramon a szárítási folyamatot és olvassa le a szárító levegő állapotjelzőit! B.) Mennyi a betáplált anyagban a szárazanyag mennyisége kg/h-ban? (416,67 kg/h) C.) Óránként mennyi szárított anyagot kapunk a szárítás végén? (458,34 kg/h) D.) Számolja ki, mennyi a szárítás óránkénti levegőszükséglete? (4216 kg/h) E.) Számolja ki a kalorifer f űtéséhez szükséges óránkénti hőmennyiséget! (147560 kJ/h)
106
8.) Szalagos szárító élőmelegítő jébe belépő levegő hőmérséklete 20 °C, relatív nedvességtartalma 50 %. A kaloriferből kilépő levegő hőmérséklete 60 °C. A szárítóból a levegő 50 °C hőmérsékleten lép ki. A belépő nedves anyag mennyisége 20 kg/h, száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalma 10 %, a kilép ő anyag száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalma 5 %. A.) Mennyi nedvességet kell időegység alatt elpárologtatni? (0,909 kg/h) B.) Ábrázolja t-x-h diagramon a szárítási folyamatot!
C.) A diagram felhasználásával határozza meg a szárító levegő abszolút nedvességtartamait, és fajlagos hőtartalmait! D.) Számolja ki a szárítás levegőszükségletét! (224 kg/h) E.) Számolja ki a szárítás hőszükségletét! (8960 kJ/h) F.) Tételezzük fel, hogy a szárítandó anyagunk hőérzékeny, és a szárító levegő hőmérséklete nem emelkedhet 55 °C fölé. Hogyan oldaná meg a feladatot? Rajzolja be megoldását a t-x-h diagramba!
107
9.) Egy szárítóban óránként 300 kg nedves anyagot szárítanak, aminek száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalma 0,3 kg/kg. A kilépő anyag száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalma 0,05 kg/kg. A kaloriferbe belépő levegő nedvességtartalma 0,008 kg nedvesség/kg száraz leveg ő. Az előmelegített levegő hőmérséklete 100 °C. El őmelegítés előtti relatív nedvességtartalma 30 %, szárítás után 20 %. A.) Ábrázolja a diagramon a szárítási folyamatot és olvassa le a szárító levegő állapotjelzőit! B.) Mennyi a betáplált anyagban a szárazanyag mennyisége kg/h-ban? (230,77 kg/h) C.) Óránként mennyi szárított anyagot kapunk a szárítás végén? (242,55 kg/h) D.) Számolja ki, mennyi a szárítás óránkénti levegőszükséglete? (3613,08 kg/h) E.) Számolja ki a kalorifer f űtéséhez szükséges óránkénti hőmennyiséget! (234851,5 kJ/h)
108
10.) Szalagos szárító élőmelegítő jébe belép ő levegő h őmérséklete 25 °C, relatív nedvességtartalma 70 %. A kaloriferből kilépő levegő hőtartalma 95 kJ/kg. A szárítóból kilépő levegő abszolút nedvességtartalma 0,022. A belépő nedves anyag mennyisége 250 kg/h, száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalma 0,18 kg/kg, a kilép ő anyag száraz anyagra vonatkoztatott nedvességtartalma 0,08 kg/kg. A.) Mennyi nedvességet kell időegység alatt elpárologtatni? (21,19 kg/h) B.) Ábrázolja t-x-h diagramon a szárítási folyamatot!
C.) A diagram felhasználásával határozza meg a szárító levegő abszolút nedvességtartamait, és fajlagos hőtartalmait! D.) Számolja ki a szárítás levegőszükségletét! (2144,43 kg/h) E.) Számolja ki a szárítás hőszükségletét! (85777,2 kJ/h)
109
16. tétel: Adjon javaslatokat egy ipari h űtőház hűtőrendszerének kialakítására! - A hőelvonás elve, technikai megvalósításának lehetőségei - A kompresszoros h űtőkörfolyamat felépítése, gyakorlati megvalósítása, a h űtőközegek tulajdonságai, kiválasztásuk elve, a közvetítő közegek (sólék) alkalmazási területe - Az abszorpciós h űtőkörfolyamat felépítése, gyakorlati megvalósítása, alkalmazható hűtőközegek - Alkalmazott hűtőközegek veszélyessége néhány konkrét h űtőközegek adatlapja alapján Hűtésen hőelvonást értünk, melyet közvetlen és közvetett módon valósíthatunk meg. A hűtőközegek eredete szerint megkülönböztetünk természetes és gépi hűtést. A természetes hűtőközegeknél (levegő, víz) az okoz nehézséget, hogy h őmérsékletük sokszor magasabb, mint a h űtéssel elérendő hőmérséklet. A víz 0 °C-on jéggé fagy, míg a sólevek (NaCl, CaCl 2, MgCl2 stb.) 0 °C alatti hőmérsékleten sem fagynak meg, tehát csőben áramoltathatók. Gépi hűtésnél a hűtést egy mesterségesen lehűtött közeggel végezzük. Kompresszoros hűtőkörfolyamat 1 → 2 : Elpárologtatás (hűtés) 2 → 3 : Kompresszió 3 → 4 : Gázhűtés és kondenzáció 4 → 1 : Fojtásos nyomáscsökkentés A hűtőközeg a hűtőtérnél alacsonyabb hőmérsékletű az 1. és 2. pontban.
Kompresszoros hűtőgép működése: az elpárologtatóból érkező gőzt a kompresszorban összes űrítik, ezáltal nő a hőmérséklete. A meleg ammóniagőzt a kondenzátorba vezetjük, ahol a lég-, vagy vízh űtés hatására lehűl és cseppfolyósodik. A folyékony ammóniát ezután fojtószelepen vezetik keresztül, ahol csökken a nyomása. A nyomáscsökkenés miatt csökken a forráspont, ezért a h űtendő térben lévő elpárologtatóban a folyékony ammónia elpárolog. A párolgás a h őt a környezetétől vonja el. Az ammóniagőzt ezután újra a kompresszorba vezetik. Hűtőközegekkel szemben támasztott követelmények: - nagy legyen a párolgáshő je - kicsi legyen a gőzének fajlagos térfogata - az elpárologtatóban a gőznyomás légköri, vagy ahhoz közeli legyen - a kompressziós végnyomás ne legyen túl nagy - ne legyen gyúlékony, mérgező és vegyileg állandó legyen - ne okozzon korróziót, ne károsítsa a környezetet - viszkozitása ne legyen nagy, ken őolajjal ne elegyedjen - olcsó legyen Jelentősebb hűtőközegek: - ammónia (mérgező, a levegővel robbanó elegyet alkot, a rezet és ötvözeteit megtámadja, de el őnye a viszonylag kis gőznyomás, nagy párolgáshő, az acéllal szemben közömbös, vízben jól oldódik) - freonok (előnyük a kis gőznyomás, vegyileg közömbösek, nem mérgezők, nem tűzveszélyesek, de oldják a gumitömítéseket, párolgáshő jük kicsi, drágák, károsítják a környezetet környezetet (ózont), ezért ma már nem használhatók!) - régebben használták a kéndioxidot, széndioxidot, metilkloridot, speciális helyeken ma is használják az etánt, butánt és propánt.
110
Abszorpciós hűtőkörfolyamat
Abszorpciós hűtőgép működése: a kazánban ammónia vizes oldata van, amit a cs őkígyóban áramló gőzzel f űtenek. Az ammónia eltávozik az oldatból, hőmérséklete és nyomása megnő. Ezután a kondenzátorba vezetve leh űl és cseppfolyósodik. A fojtószelepen keresztülvezetve csökken a nyomása és a forráspontja. A h űtendő térben a folyékony ammónia elpárolog és hűti a környezetét. Az elpárologtatóból érkező ammóniagőzt az abszorberbe (oldóba) vezetik. Az abszorberbe érkezik a kazánból a meleg ammóniaszegény oldat is, amit cs őkígyós vízhűtéssel lehűtenek. Az ammóniagőz feloldódik a lehűtött ammóniaszegény oldatban, amit ezután szivattyúval a kazánba juttatnak. Abszorpciós hűtőgép létesítése 25-30%-al többe kerül, mint az azonos teljesítmény ű kompresszoros gépé, viszont kevesebb karbantartást igényel. Valamint az abszorpciós gép olcsó hulladékhővel is üzemeltethető, míg a kompresszor drága villamos energiát igényel.
111
Feladatok hűtés témakörből 1.) A.) Azonosítsa a hűtőberendezés betűkkel jelzett részeit, és írja a betűk mellé az elnevezéseit! A: ……………………………………… B: ……………………………………… C: ……………………………………… D: ………………………………………
B.) A számozott vonalak a hűtőközeg útját jelölik. Írja a pontozott helyre a megfelelő számot, illetve számokat, amelyekre igaz az alábbi állítás: A hűtőközeg a hűtőtérnél alacsonyabb hőmérsékletű: ……………………………………..... ……………………………………..... A hűtőközeg gőz halmazállapotú: ……………………………………………… …………………………………………………………… ……………
C.) Mi a D-jelű alkatrész feladata?
D.) Melyik pontban legnagyobb a hűtőközeg hőmérséklete? Miért?
és D-jelű berendezésekben? E.) Hogyan változik a hűtőközeg hőmérséklete az A, B, C és
F.) Milyen folyamat zajlik a D-jelű berendezésben? Húzza alá a helyes választ! abszorpció
expanzió
kompresszió
deszorpció
kondenzáció
112
2.) Az ábrán egy abszorpciós hűtőkör látható. A.) Írja a bet ű jelek mellé a megnevezéseket! A:………………………………………………… B:………………………………………………… C:………………………………………………… D:………………………………………………… E:………………………………………………… F:…………………………………………………
B.) A hűtőközegre vonatkozóan tegye ki a megfelel ő reláció jeleket! Alkalmazandó relációjelek: > nagyobb, < kisebb, ≈ közel egyenlő. t 4
…………
T
t 1
…………
t
p1
…………
p2
p2
…………
p3
C.) Milyen halmazállapotú a hűtőközeg az alábbi pontokon? 1 pontban:
……………………
2 pontban:
……………………
3 pontban:
……………………
4 pontban:
……………………
D.) Milyen vegyipari művelet zajlik a B-jelű berendezésben? ……………………… Nevezzen meg gyakorlati példaként egy anyagpárt, amely a folyamatban részt vesz: ……………………………………… ……………………………………… Írja le a folyamat h őszínezetét: …………………… -jelű berendezésben? ……………………… E.) Milyen vegyipari művelet zajlik a C -jel Adja meg a folyamat hőszínezetét: ………………….
113
17. tétel: Nevezzen meg ipari példákat az abszorpciós műveletekre, és adjon műszaki javaslatokat a m űvelet megvalósítására! - Az abszorpció elve, célja, egyensúlyi viszonyok, oldhatósági törvény, a h őmérséklet és a nyomás hatása az abszorpció mértékére - Az abszorpciós készülékek f őbb típusai, kiválasztásuk elve, működésük bemutatása a mellékelt ábrák felhasználásával - Az adszorpció folyamata és készülékeinek bemutatása a mellékelt ábrák felhasználásával - Az adszorpció és deszorpció fogalma, a h őmérséklet és nyomás hatása az ad- és a deszorpció mértékére, alkalmazási területük - Az adszorbensekkel szemben támasztott követelmények, alkalmazási alkal mazási példák Abszorpció: szétválasztási művelet, melynek során gázelegyet folyadékkal érintkeztetünk abból a célból, hogy a gáz egy vagy több komponensét kioldjuk és a folyadékban ezek oldatát hozzuk létre. Abszorpciós egyensúly: ha a folyadékba be-, ill. onnan kilépő gázmolekulák száma egyenlő. Ha a folyadékba belépő gázrészecskék száma nagyobb mint a kilép ő gázmolekuláké, akkor abszorpcióról beszélünk, fordított esetben deszorpcióról. Abszorpció fajtái: - fizikai abszorpció (deszorpcióval visszanyerhető az oldott gáz) - kémiai abszorpció, kemoszorpció (deszorpcióval nem nyerhet ő vissza a gáz, új vegyület keletkezik). Oldhatósági törvény: a gázok oldhatósága folyadékban a gáz folyadék feletti parciális nyomásával arányos. Ezen kívül a gáz minőségétől és a hőmérséklettől függ. Egyensúlyi viszonyok, a h őmérséklet és a nyomás hatása az abszorpció mértékére p: az elnyelendő gázkomponens parciális nyomása c: az oldat koncentrációja Ha a nyomás nő, akkor nő az elnyelt gáz mennyisége, tehát az oldat koncentrációja is nő. A hőmérséklet növekedésével viszont csökken az elnyelt gáz mennyisége, tehát az oldat koncentrációja is csökken.
Abszorpciót befolyásoló tényezők: - hőmérséklet (csökkentése kedvez) - nyomás (növelése kedvez) - a gáz és a folyadék érintkezési felületének nagysága (növelése kedvez) - az érintkezés módja (készülékektől függ) - anyagi minőség (oldószer kiválasztás) Deszorpció: az oldószer és az elnyelt gáz szétválasztása. Megvalósítható: - nyomás csökkentésével, vákuum alkalmazásával - melegítéssel, forralással - szellőztetéssel, inert gázárammal. Abszorpciós készülékek Felületi abszorberek (melléklet) Wolff-turill abszorber (melléklet)
Kvarc abszorber (melléklet)
114
Az érintkező felület nem nagy, ezért ott alkalmazzák ahol az abszorpció gyors és nagy hőfejlődéssel jár. Pl.: sósavgyártás A folyadék és a gázelegy ellenáramban halad bennük, folyamatos üzeműek. Tornyos abszorberek Permetezett torony (melléklet)
Tányéros torony (melléklet)
Töltetes torony (melléklet)
A folyadék és a gázelegy ellenáramban halad bennük, folyamatos üzeműek. Mechanikus abszorberek Tárcsás abszorber (melléklet) A tárcsák felületét jól nedvesíti a folyadék, így nagy az érintkező felület. Folyamatos üzemű, ellenáramú.
Adszorpció: elválasztási művelet, melynek során szilárd anyag felületén kötünk meg gázokat, g őzöket, folyadékokat, folyadékban oldott szilárd anyagot, vagy kolloidot. Deszorpció: az adszorbeált molekulák távozása a felületről. Adszorpciós egyensúly: hasonló az abszorpcióhoz. Megkülönböztetünk fizikai és kémiai adszorpciót (ugyanaz, mint az a z abszorpciónál) Adszorpciót befolyásoló tényezők: - hőmérséklet (csökkentése kedvez) - nyomás (növelése kedvez) - az adszorbens felülete (növelése kedvez) Az adszorpció alkalmazási területei: - gázok tisztítása (gázálarc) - értékes oldószergőzök visszanyerése - szennyvíztisztítás - gázok szárítása - levegő szétválasztása - kozmetikai ipar (fogkrém, arckrém) - ioncsere - kromatográfia Az adszorbensekkel szemben támasztott követelmények: - jól ömleszthető legyen (könnyű betöltés, ürítés) - megfelelő legyen a szilárdsága és keménysége (mozgatása közben ne morzsolódjon) - nagy fajlagos felületű legyen (sok apró kapilláris, hézag) - szelektív legyen - ne lépjen reakcióba a készülék anyagával, ne oldódjon a kezelt közegben - ne legyen mérgező, tűz- és robbanásveszélyes, egészségre káros - olcsó, könnyen beszerezhet ő legyen 115
Adszorbensek lehetnek: - aktív szén (csont, fa száraz lepárlásával, majd aktivizálásával állítható elő) fajlagos felülete 600 – 1500 m2 /g, általában illékony szerves anyagok gőzeinek, mérgező gázoknak a megkötésére használják - szilikagél (nátriumszilikát oldatból savas kicsapással állítják elő) fajlagos felülete 400 – 700 m2 /g, f őleg levegő és más gázok szárítására használják - műgyanták (szervetlen és szerves polimerek) ioncserél őkben alkalmazzák Adszorberek Nyugvóágyas adszorber (melléklet) Az adszorpció művelete 4 szakaszból áll: 1. adszorpció (gázelegy átvezetése az adszorbensen) 2. deszorpció ( a megkötődött gázkomponens eltávolítása forró vízgőz átvezetésével) 3. szárítás (meleg levegő átvezetésével) 4. hűtés (hideg levegő átvezetésével)
1. Adszorpció esetén a gázelegy az [1]-es gázbevezet ő csonkon áramlik be és a [9]-es szénrétegen áthaladva a megfelel ő komponens megkötődik. A maradék gáz a [2]-es gázelvezető csonkon távozik. A többi nyílás zárva van. 2. Deszorpciós lépésben a deszorbeáló vízg őzt a [3]-as gőzbevezető csövön vezetik be, ami a szénrétegen áthaladva magával viszi a deszorbeálódott gázt. A vízgőz és a gáz a [4]-es gőzelvezető csonkon távozik. A többi nyílás eközben zárva van. 3. A szénre lecsapódott vízgőzt meleg levegővel szárítják ki. 4. A felmelegedett szénréteget hideg levegő átfúvatásával hűtik le. A szén időnkénti tisztítása közvetlen gőzbefúvással történik a [7]-es g őzbefúvón keresztül. A lecsapódó vizet a [8]-as csonkon vezetik el. Az elnyeletőt friss szénnel az [5]-ös búvónyíláson keresztül töltik meg. Az elhasznált szenet a [6]-os ürít őnyíláson távolítják el. Szakaszos működésű. Adszorpciós telep (melléklet) Folyamatos működést tesz lehetővé. Amíg az egyik adszorber működik, addig a másikat regenerálják.
116
Feladatok ab- és adszorpció témakörből 1.) A.) Sorolja fel az abszorpciót befolyásoló tényez őket! B.) Nevezze meg az abszorberek f őbb típusait! C.) Fejezze be a harangtányéros abszorber hiányosan elkészített ábráját! Az ábrán tüntesse fel és jelölje az anyagáramok irányait, nevezze meg a készülék f őbb szerkezeti egységeit!
117
Desztilláció
A desztilláció (lepárlás) a folyadékelegyek szétválasztására irányuló művelet. A szétválasztás azon alapszik, hogy az egyes komponensek illékonysága különbözik, így az elegyet forralva, a keletkezett gőz összetétele eltér a vele egyensúlyban lévő folyadék összetételétől. A gőz az illékonyabb komponensben dúsabb lesz, mint a folyadék. A lepárlás az üzemmódot tekintve lehet: - szakaszos - folyamatos A lepárlás a végrehajtás módja szerint lehet: Egyszeri Ismételt - egyensúlyi - egyenáramú - differenciális - ellenáramú - rektifikálás Egyensúlyi desztilláció:
A szétválasztandó folyadékelegyet szivattyúval táplálják be a forralóba. A megfelelő h őmérsékletre hevített csőkígyóban végigáramolva a folyadék egy része elpárolog. A forralóból kilép ő folyadék + gőz keveréket egy elválasztóba vezetik. Az illékonyabb komponensben szegényebb folyadékot (Maradékot) alul elvezetik, míg a g őzt, vízhűtésű kondenzátorban kondenzáltatják le, így illékonyabb komponensben gazdagabb desztillátumot kapnak. A berendezés folyamatos működésű. Egyensúlyi diagramja (forráspont diagram): Az egyensúlyi diagram függőleges tengelyein a hőmérséklet, míg a vízszintes tengelyen a folyadékelegy összetétele van feltüntetve tömegtörttel kifejezve. A tömegtörtet az illékonyabb komponensre vonatkoztatva adják meg. Ennek megfelelően a tiszta, illékonyabb komponens tömegtörtje 1 (tehát 100 tömeg%), míg a kevésbé illékony (magasabb forráspontú) alkotó tömegtörtje 0 (tehát 0 tömeg%) az illékonyabb komponensre vonatkoztatva. Az egyensúlyi diagram két görbét tartalmaz: - a likvidusz görbét (folyadékgörbét → alsó görbe) és - a vapor görbét (gőzgörbét → felső görbe). A likvidusz (folyadék) görbe az elegy különböz ő folyadék-összetételeihez tartozó legkisebb forrásponti h őmérsékleteket összekötő görbe. Tehát a likvidusz görbéről leolvasható hőmérsékleten kezd el forrni az adott összetételű folyadékelegy. A vapor (gőz) görbe az elegy különböző g őzösszetételeihez tartozó legnagyobb kondenzációs hőmérsékleteket összekötő görbe. Tehát a vapor görbér ől leolvashatók azok a hőmérsékletértékek, amelyeken hűtés hatására a gőzelegy kondenzálódni kezd. A diagramon látható, hogy az xB összetételű folyadékelegyet egy adott h őmérsékletre hevítve az eltávozó gőzelegy (a desztillátum), xD összetételű lesz, míg a visszamaradt folyadékelegy (a maradék), x M összetételű. A maradékban az illékonyabb komponens kevesebb lesz, mint a betáplált elegyben. A desztillátum viszont dúsabb lesz illékonyabb komponensben, mint a betáplált elegy.
118
Differenciális desztilláció: A lepárlókészülékbe (üstbe) adott mennyiségű folyadékelegyet táplálunk be, és ennek egy részét párologtatjuk el. A keletkező gőzt kondenzátorba vezetve megkapjuk a desztillátumot. Ha a berendezésben a lepárlás szakaszos, akkor a desztilláció előrehaladtával az üstben lévő folyadékelegyben egyre kevesebb lesz az illékonyabb komponens. A folyadékelegy forráspontja egyre növekszik, mivel a maradék a magasabb forráspontú anyagban dúsul fel. Ez viszont azt eredményezi, hogy az eltávozó gőzben, (tehát a desztillátumban) is csökken az illékonyabb komponens aránya. Ez látható a differenciális desztilláció egyensúlyi diagramjából is:
Az xB kiindulási összetételű folyadékelegy forralásakor távozó gőz összetétele y1. A desztilláció előrehaladtával a maradék folyadékelegy összetétele (xM), egyre jobban balra tolódik el, forráspontja emelkedik. A vele egyensúlyt tartó gőz összetétele is balra tolódik (y1→ y2→ y3), tehát a gőzben is egyre kisebb lesz az illékonyabb komponens aránya.
Frakcionált desztilláció: Ha a differenciális desztilláció során a keletkező desztillátumot időben egymás után külön-külön szedőedénybe gyű jtjük, akkor a keletkező termékek (frakciók) összetétele különböző lehet. Leghamarabb a legkisebb forráspontú alkotók párolognak el, majd az idő múlásával az egyre magasabb forráspontúak. Többkomponens ű elegyeknél, például a kőolajlepárlásnál alkalmazzák. A többfokozatú desztilláció szükségessége Az egyensúlyi desztilláció és a differenciális desztilláció esetén általában nem elég éles az elválasztás: a desztillátum koncentrációja nem elég dús az a z illékonyabb komponensben. A szétválasztás fokozható a desztillátum többszöri újradesztillációjával: ismételt lepárlással. Ez elvileg tetszőlegesen dúsított desztillátum előállítását teszi lehetővé. Ismételt egyenáramú lepárlás:
119
A folyamat lényegében az egyensúlyi desztilláció ismételt alkalmazásán alapszik. Az egyensúlyi diagramból látható, hogy az üstök számának növelésével, javul a desztillátum összetétele. Az eljárás hátránya, hogy az újradesztillálások számának növelésével csökken a desztillátum mennyisége, hiszen minden fokozatban csak a desztillátum kerül feldolgozásra, az egyes üstökben lév ő maradékot eltávolítjuk a rendszerből. Pedig a maradék alkalmas további elválasztásra. További hátrány, hogy az üstök számának növelésével egyre drágább az elválasztás, mivel n ő a f űtés és a kondenzáltatás száma is.
Ismételt ellenáramú lepárlás:
Az egyes üstökben lévő maradékokat nem távolítjuk el a rendszerből, hanem visszaadagoljuk az előző üstbe. Így jön létre az ellenáramú rendszer. Ennél már sokkal jobb a desztilláció kihozatala, mivel nem keletkeznek közbenső termékek. Ha a kiindulási elegy összetételéhez képest elég nagy változást akarunk elérni a maradékban is, akkor célszerű a betápláló üst alá néhány további üstöt beállítani (az ábrán csak egy van lerajzolva). Így a maradék egész kis koncentrációban, a desztillátum pedig nagy koncentrációban tartalmazza az illékony komponenst. Az üstök lépcsőzetes elhelyezése lehetővé teszi a maradék folyadék (L) visszaáramlását. Az üstökbe épített cső magassága megszabja a folyadékszintet, így a felesleges folyadékmennyiség a csövön keresztül lefolyik az alsó üstbe. A legalsó üstből történik a maradék elvezetése. Hátrány, hogy az üstök számának növelésével egyre drágább az elválasztás, mivel nő a f űtés és a kondenzáltatás száma is. i s.
120
Rektifikálás
A rektifikálás ismételt lepárlás. Csak a legalsó üstöt f űtik éles gőzzel. Az üstökben keletkezett gőzöket bevezetik a magasabban fekvő üstbe, ahol kondenzálódik, miközben az üstben lévő folyadékelegyet felforralja. Ez azért lehetséges, mert az egyes üstökből eltávozó gőzök hőmérséklete mindig nagyobb, mint a magasabban elhelyezett szomszédos üstben az elegy forrpontja. Ez látható a rektifikálás egyensúlyi diagramjából is. Az üstök lépcsőzetes elhelyezkedése, valamint az üstökben lévő cső magassága lehetővé teszi, hogy a felesleges folyadék visszaáramoljon az eggyel alatta lévő üstbe. Így a folyadék és a keletkez ő gőz ellenáramban halad. A felfelé haladó gőz az illékonyabb komponensben egyre dúsabbá válik, míg a lefelé áramló folyadék egyre szegényedik. A betáplálás valamely közbenső üstbe történik, így élesebb az elválasztás. Az utolsó (legfelső) üst folyadékellátását úgy oldják meg, hogy az üstből távozó gőz egy részét, kondenzáltatás után visszavezetik. Ezt a részleges kondenzáltatást deflegmátorral oldják meg. A deflegmátor hőmérséklete úgy van beállítva, hogy a gőznek csak egy része kondenzálódik le. A visszavezetett folyadékot reflux folyadéknak vagy egyszer űen refluxnak nevezzük (L). A reflux folyadék illékonyabb komponensben szegényebb, mint a desztillátum. A deflegmátor alkalmazásával így jobb az elválasztás, mivel a deflegmátor egy plusz üstöt pótol. A visszavezetett folyadék (L) és az elvezetett desztillátum (D) arányát (hányadosát) a refluxarány adja meg (R=L/D). Az üstök számának növelésével a desztillátum minősége javul. A maradékokat is visszavezetjük a rendszerbe, így jobb a desztilláció kihozatala. Kevésbé költséges, mivel a gőzök kondenzáltatása egyben az üstök melegítése is. Valamint a deflegmátorral plusz egy üstöt pótolunk. Deflegmálás (részleges kondenzáltatás):
121
Az elméleti fokozatszám (tányérszám) meghatározása grafikus módszerrel
122
fmv. – felső munkavonal amv. – alsó munkavonal qv.− q-vonal
q =
Q [-] r
q – a betáplált folyadék hőállapotára (hőtartalmára) jellemző szám Q – egységnyi mennyiség ű betáplált folyadékelegy elpárologtatásához szükséges h ő [kJ/kg] r – – a folyadékelegy párolgásh ő je [kJ/kg]
q > 1, ha a betáplált elegy hideg folyadék, q = 1 ha a betáplált elegy forrponti folyadék, q < 1 ha a betáplált elegy nedves g őz (forrponti folyadék és gőz együttes betáplálása), q = 0 ha a betáplált elegy telített száraz g őz, q < 0 ha a betáplált elegy túlhevített gőz,
nt =
ne η
nt – tényleges tányérszám (fokozatszám) ne – elméleti tányérszám (a diagramon megszerkesztett „lépcsők” száma) - tányérhatásfok [%] η -
A rektifikáláshoz lepárlóoszlopokat, tornyokat használnak, melyeknek két alaptípusa a laptípusa van: - tányéros - töltetes A tányéros lepárlóoszlopok szerkezeti kialakítása
A tányérok egy-egy üstnek felelnek meg és a torony falára er ősített tányértartó gyűrűkön helyezkednek el. Szitatányéroknál a tányér egy sík lemez, amelyen apró furatok vannak. A tálcán lév ő folyadékrétegen az alulról érkező gőz átbuborékol. Megfelelő g őzsebességnél ez akadályozza meg, hogy a folyadék a furatokon lecsorogjon a tálcáról. Ha nagy a gőzsebesség, erős habzás indul meg, s őt a gőz felhordja a folyadékot az alsó tányérról a fels őre. Nagyon fontos a tányérok vízszintes beállítása is. A tálcákon lévő apró furatok könnyen eltömődhetnek, ami szintén ronthatja a tányér hatásfokát. Egyszerű, olcsó, ezért hátrányos tulajdonságai ellenére el lenére is sok esetben használják. Buboréksapkás tálcák (harangtányérok) esetén a g őz a párakéményen keresztül áramlik, ami megakadályozza a folyadék visszacsorgását. A sapkák (harangok) széleit kicsipkézik az egyenletesebb gőzelosztás miatt. Tág gőzsebességi határok között használhatók, a tányérok közötti távolság nagyobb mint a szitatányérosnál. Érzéketlenebb a lerakódásokkal szemben, nagy oszlopátmérőknél is egyenletes áramlást biztosít.
123
A töltelékes oszlopok működése, szerkezeti kialakítása, a tölteléktestek típusai, a velük szemben támasztott követelmények
A g őz és a folyadék nagy felületen való érintkezését úgy érik el, hogy a gőz útjába olyan akadályokat állítanak, amelyek egyben a folyadékot nagy felületen, vékony rétegben terítik szét. Fontos, hogy a folyadék eloszlatása minden keresztmetszetben állandó és egyenletes legyen. Erre szolgál a folyadékelosztó terel őlemez. Az oszlopok igen érzékenyek a terhelés változásokra, fontos az optimális gőzsebesség betartása. Tölteléktestek például a Raschig-gyűrű, Lessing-gyűrű, golyó stb. Újabban elterjedtek a csomagtöltetek, amelyek szitaszövet szalagokból, vagy speciálisan kiképzett műanyag szerkezetből készülnek. A tölteléktesttel szemben támasztott követelmények, hogy nagy legyen a fajlagos felülete, a porozitása (szabad hézagtérfogat), a mechanikai szilárdsága, vegyileg ellenálló legyen, kis s űrűségű, olcsó legyen, kicsi az áramlási ellenállása. A tölteléktestek kőagyagból, porcelánból, műanyagból vagy korrózióálló acélból készülnek. A tölteléktesteket lehet ömlesztve, vagy rendszerbe rakottan elhelyezni az oszlopban. Reflux-arány szabályozás (melléklet) A szabályozás során mérik a toronyból távozó gőz (V) nyomását és a torony tetején lévő gőz hőmérsékletét. A szabályozók (SZ) feladata, hogy a reflux-arányt (L/D) állandó értéken tartsák. Ha nő a gőz (V) hőmérséklete, akkor nő a nyomása is. Szabályozás nélkül ilyenkor kevesebb reflux (L) kondenzálódna le, és több desztillátumgőz (D) keletkezne rosszabb összetétellel. A reflux-arány (L/D) is megváltozna. Szabályozás esetén, a h őmérsékletmérő (T) a mért értéknek megfelelő jelet küld a szabályozónak (alsónak). A hőmérséklet növekedésekor a szabályozó nyitja a fojtószelepet, így több h űtővíz fog átáramlani a deflegmátoron. Ennek hatására a desztillátum (D) mennyisége csökken, a refluxé (L) növekszik, mivel több gőz kondenzálódik le. A hőmérséklet növekedésekor a nyomás is növekszik. A nyomásmérő (P) a mért értéknek megfelel ő jelet küld a szabályozónak (felsőnek). A szabályozó zárja a fojtószelepet, így a gőz (V) lassabban áramlik át a deflegmátoron, ezért nagyobb mennyiség kondenzálódik le. A desztillátum mennyisége csökken, a refluxé nő, így a reflux-arány állandó marad. Fordított esetben, amikor a hőmérséklet és a nyomás csökken, akkor a szabályozók növelik a desztillátum mennyiségét, míg a refluxét csökkentik, hogy a reflux-arány ilyenkor is állandó maradjon. Így a desztillátum összetétele is állandó lesz. A beavatkozószervek a fojtószelepek.
124
Feladatok desztillálás témakörből 1.) Desztilláló oszlopban benzol-toluol elegyet választanak szét. A betáplálás 40 %-os, a desztillátum koncentrációja 75 %, a maradéké 25 %. A betáplált folyadékelegy hőállapotára jellemző szám 1,14; a reflux-arány 0,87; a tányérhatásfok 80 %. A.) Mennyi a szükséges tányérszám, ha óránként 19000 kg a betáplálás? (7db) B.) Menyi a desztillátum, a maradék, a reflux és az oszlop tetején elvezetett g őz mennyisége óránként? (D = 5700 kg/h, M = 13300 kg/h, L = 4959 kg/h, V = 10659 kg/h) C.) Mekkora f űtőgőz tömegárama, ha a lepárló hőszükséglete óránként 3,9 ⋅106 kJ, kondenzációs h ő je 2085,1 kJ/kg, nyomása 6 bar és csak a rejtett h ő jét adja át? (1870,4 kg/h)
125
2.) Desztilláló oszlopban benzol-toluol elegyet választanak szét. A betáplálás 45 %-os, a desztillátum koncentrációja 85 %, a maradéké 15 %. A betáplált folyadékelegy h őállapotára jellemző szám 0,8; a reflux-arány 1,43; a tányérhatásfok 70 %. A.) Mennyi a szükséges tányérszám, ha óránként 22000 kg a betáplálás? (12 db) B.) Menyi a desztillátum, a maradék, a reflux és az oszlop tetején elvezetett gőz mennyisége óránként? (D = 9428,6 kg/h, M = 12571,4 kg/h, L = 13482,9 kg/h, V = 22911,5 kg/h) C.) Mennyi f űtőgőzre van szükség óránként, ha a lepárló hőszükséglete óránként 4,4 GJ, kondenzációs h ő je 2015,3 kJ/kg, nyomása 10 bar és csak a rejtett h ő jét adja át? (2183,3 kg/h)
126
3.) Lepárlóoszlopban 56 %-os pentán-heptán elegyet választanak szét. A fejtermék (desztillátum) koncentrációja 92 %, a fenékterméké (maradéké) 8 %. A.) Határozza meg a szükséges tányérszámot, ha a betáplált folyadék h őállapotára jellemző szám 1,6; a tányérhatásfok 70 % és a reflux-arány 1,3! (8 db)
B.) Mennyi f űtőgőzre van szükség óránként, ha a lepárló h őszükséglete óránként 3,2⋅103 MJ? A f űtőgőz nyomása 10 bar, kondenzációs hő je 2015,3 kJ/kg és csak a rejtett hő jét vonjuk el. (1588 kg/h) C.) Számolja ki a desztillátum, a maradék, a reflux és az oszlop tetején elvezetett gőz mennyiségét, ha a bevezetett elegy mennyisége óránként 10 t! (D = 5714,3 kg/h, M = 4285,7 kg/h, L = 7428,6 kg/h, V = 13142,9 kg/h)
127
4.) Lepárlóoszlopban 54 %-os etanol-víz elegyet választanak szét. A desztillátum koncentrációja 72 %, a maradéké 28 %. A.) Határozza meg a szükséges tányérszámot, ha a betáplált folyadék h őállapotára jellemző szám 1,8; a tányérhatásfok 75 % és a reflux-arány 1,6! (6 db) B.) Mennyi f űtőgőzre van szükség óránként, ha a lepárló h őszükséglete óránként 4,3⋅103 MJ, és a f űzőgőz kondenzációs hő je 2085,1 kJ/kg? (2062,25 kg/h) kg/h) C.) Számolja ki a desztillátum, a maradék, a reflux és az oszlop tetején elvezetett gőz mennyiségét, ha a bevezetett elegy mennyisége óránként 7200 kg! (D = 4254,55 kh/h, M = 2945,45 kg/h, L = 6807,28 kg/h, V = 11061,83 kg/h)
128
5.) A.) A mellékelt egyensúlyi diagram alapján határozd meg milyen összetételű lesz a desztillátum és a maradék, ha a forralóban a 45 % metanol tartalmú folyadékelegyet 82 °C-on forralják? Jelöld a diagramon a desztilláció folyamatát! (xD = 0,67 → 67 % metanoltartalmú, xM = 0,35 → 35 % metanoltartalmú) B.) Jelöld a vapor- és a likvidusz görbét! C.) Add meg a tiszta metanol és a víz forráspontját! Melyik az illékonyabb? (64,5 °C, 100 °C, metanol illékonyabb) D.) Olvasd le, hány fokon kezd el forrni a 45 % metanol tartalmú folyadékelegy, és milyen összetétel ű a vele egyensúlyt tartó gőzelegy? (~78,4 °C; 0,76 → 76 % metanoltartalmú) E.) Olvasd le, hogy 45 % metanol tartalmú g őzelegy hány °C-on kezd kondenzálódni, és milyen összetétel ű a vele egyensúlyt tartó folyadékelegy? (~89 °C; 0,18 → 18 % metanoltartalmú) F.) Olvasd le, milyen összetételű lesz a gőzelegy és a folyadékelegy, ha az A.) pontban keletkezett desztillátum folyadékot 75 °C-on ismét desztillálják? (xD = 0,83 → 83 % metanoltartalmú, xM = 0,51 → 51 % metanoltartalmú)
129
6.) A.) A mellékelt egyensúlyi diagram alapján határozd meg milyen összetételű lesz a desztillátum és a maradék, ha a 65 % metanol tartalmú folyadékelegyet 76 °C-ra melegítik? Jelöld a diagramon a desztilláció folyamatát! (xD = 0,81 → 81 % metanoltartalmú, xM = 0,52 → 52 % metanoltartalmú) B.) Jelöld a vapor- és a likvidusz görbét! C.) Add meg a tiszta metanol és a víz forráspontját! Melyik az illékonyabb? D.) Olvasd le, hány fokon kezd el forrni a 65 % metanol tartalmú folyadékelegy, és milyen összetétel ű a vele egyensúlyt tartó gőzelegy? (~72,4 °C; 0,88 → 88 % metanoltartalmú) E.) Olvasd le, hogy 65 % metanol tartalmú g őzelegy hány °C-on kezd kondenzálódni, és milyen összetétel ű a vele egyensúlyt tartó folyadékelegy? (~83 °C; 0,32 → 32 % metanoltartalmú) F.) Olvasd le, milyen összetételű lesz a gőzelegy és a folyadékelegy, ha az A.) pontban keletkezett desztillátum folyadékot 70 °C-on ismét desztillálják? (xD = 0,92 → 92 % metanoltartalmú, xM = 0,75 → 75 % metanoltartalmú)
130
7.) feladat
131
18. tétel: Építsen fel vázlatosan egy desztilláló berendezést az egyensúlyi görbék és az összetételek ismeretében! - A többfokozatú desztilláció szükségessége, a rektifikáció elve - A reflux fogalma és szerepe a lepárlásban - Az elméleti fokozatszám meghatározása grafikus módszerének bemutatása a mellékelt diagramon - A tányéros lepárlóoszlopok szerkezeti kialakítása - A tányértípusok a hatásfok és a terhelésváltozás összefüggésében vizsgálva - A töltelékes oszlopok működése, szerkezeti kialakítása, a tölteléktestek típusai, a velük szemben támasztott követelmények - A Reflux-arány szabályozás megvalósítása, az arányszabályozási kör felépítése A desztilláció (lepárlás) a folyadékelegyek szétválasztására irányuló művelet. A szétválasztás azon alapszik, hogy az egyes komponensek illékonysága különbözik, így az elegyet forralva, a keletkezett gőz összetétele eltér a vele egyensúlyban lévő folyadék összetételétől. A gőz az illékonyabb komponensben dúsabb lesz, mint a folyadék. A lepárlás az üzemmódot tekintve lehet: - szakaszos - folyamatos A lepárlás a végrehajtás módja szerint lehet: Egyszeri Ismételt - egyensúlyi - egyenáramú - differenciális - ellenáramú - rektifikálás A többfokozatú desztilláció szükségessége Az egyensúlyi desztilláció és a differenciális desztilláció esetén általában nem elég éles az elválasztás: a desztillátum koncentrációja nem elég dús az a z illékonyabb komponensben. A szétválasztás fokozható a desztillátum többszöri újradesztillációjával: ismételt lepárlással. Ez elvileg tetszőlegesen dúsított desztillátum előállítását teszi lehetővé. Rektifikálás
A rektifikálás ismételt lepárlás. Csak a legalsó üstöt f űtik éles (f űtő-) gőzzel. Az üstökben keletkezett gőzöket bevezetik a magasabban fekvő üstbe, ahol kondenzálódik, miközben az üstben lévő folyadékelegyet felforralja. Ez azért lehetséges, mert az egyes üstökből eltávozó gőzök hőmérséklete mindig nagyobb, mint a magasabban elhelyezett szomszédos üstben az elegy forrpontja. Az üstök lépcsőzetes elhelyezkedése, valamint az üstökben lévő cső magassága lehetővé teszi, hogy a felesleges folyadék visszaáramoljon az eggyel alatta lévő üstbe. Így a folyadék és a keletkező gőz ellenáramban halad. A felfelé haladó gőz az illékonyabb komponensben egyre dúsabbá válik, míg a lefelé áramló folyadék egyre szegényedik.
132
Ez látható a rektifikálás egyensúlyi diagramjából is: A betáplálás valamely közbenső üstbe történik, így élesebb az elválasztás. Az utolsó (legfelső) üst folyadékellátását úgy oldják meg, hogy az üstb ől távozó gőz egy részét, kondenzáltatás után visszavezetik. Ezt a részleges kondenzáltatást deflegmátorral oldják meg. A deflegmátor hőmérséklete úgy van beállítva, hogy a g őznek csak egy része kondenzálódik le. A visszavezetett folyadékot reflux folyadéknak vagy egyszer űen refluxnak nevezzük (L). A reflux folyadék illékonyabb komponensben szegényebb, mint a desztillátum. A deflegmátor alkalmazásával így jobb az elválasztás, mivel a deflegmátor egy plusz üstöt pótol. A visszavezetett folyadék (L) és az elvezetett desztillátum (D) arányát (hányadosát) a refluxarány adja meg (R=L/D). Az üstök számának növelésével a desztillátum minősége javul. A maradékokat is visszavezetjük a rendszerbe, így jobb a desztilláció kihozatala. Kevésbé költséges, mivel a gőzök kondenzáltatása egyben az üstök melegítése is. Valamint a deflegmátorral plusz egy üstöt pótolunk. Deflegmálás (részleges kondenzáltatás):
Az elméleti fokozatszám (tányérszám) meghatározása grafikus módszerrel fmv. – felső munkavonal amv. – alsó munkavonal qv.− q-vonal
q =
Q [-] r
q – a betáplált folyadék hőállapotára (hőtartalmára) jellemző szám Q – egységnyi mennyiségű betáplált folyadékelegy elpárologtatásához szükséges hő [kJ/kg] r – – a folyadékelegy párolgáshő je [kJ/kg]
nt =
ne η
nt – tényleges tányérszám (fokozatszám) ne – elméleti tányérszám (a diagramon megszerkesztett „lépcsők” száma) - tányérhatásfok [%] η -
133
A rektifikáláshoz lepárlóoszlopokat, tornyokat használnak, melyeknek két alaptípusa a laptípusa van: - tányéros - töltetes A tányéros lepárlóoszlopok szerkezeti kialakítása
A tányérok egy-egy üstnek felelnek meg és a torony falára er ősített tányértartó gyűrűkön helyezkednek el. Szitatányéroknál a tányér egy sík lemez, amelyen apró furatok vannak. A tálcán lév ő folyadékrétegen az alulról érkező gőz átbuborékol. Megfelelő g őzsebességnél ez akadályozza meg, hogy a folyadék a furatokon lecsorogjon a tálcáról. Ha nagy a gőzsebesség, erős habzás indul meg, s őt a gőz felhordja a folyadékot az alsó tányérról a fels őre. Nagyon fontos a tányérok vízszintes beállítása is. A tálcákon lévő apró furatok könnyen eltömődhetnek, ami szintén ronthatja a tányér hatásfokát. Egyszerű, olcsó, ezért hátrányos tulajdonságai ellenére el lenére is sok esetben használják. Buboréksapkás tálcák (harangtányérok) esetén a g őz a párakéményen keresztül áramlik, ami megakadályozza a folyadék visszacsorgását. A sapkák (harangok) széleit kicsipkézik az egyenletesebb gőzelosztás miatt. Tág gőzsebességi határok között használhatók, a tányérok közötti távolság nagyobb mint a szitatányérosnál. Érzéketlenebb a lerakódásokkal szemben, nagy oszlopátmérőknél is egyenletes áramlást biztosít. A töltelékes oszlopok működése, szerkezeti kialakítása, a tölteléktestek típusai, a velük szemben támasztott követelmények
A g őz és a folyadék nagy felületen való érintkezését úgy érik el, hogy a gőz útjába olyan akadályokat állítanak, amelyek egyben a folyadékot nagy felületen, vékony rétegben terítik szét. Fontos, hogy a folyadék eloszlatása minden keresztmetszetben állandó és egyenletes legyen. Erre szolgál a folyadékelosztó terel őlemez. Az oszlopok igen érzékenyek a terhelés változásokra, fontos az optimális gőzsebesség betartása.
134
Tölteléktestek például a Raschig-gyűrű, Lessing-gyűrű, golyó stb. Újabban elterjedtek a csomagtöltetek, amelyek szitaszövet szalagokból, vagy speciálisan kiképzett műanyag szerkezetből készülnek. A tölteléktesttel szemben támasztott követelmények, hogy nagy legyen a fajlagos felülete, a porozitása (szabad hézagtérfogat), a mechanikai szilárdsága, vegyileg ellenálló legyen, kis s űrűségű, olcsó legyen, kicsi az áramlási ellenállása. A tölteléktestek kőagyagból, porcelánból, műanyagból vagy korrózióálló acélból készülnek. A tölteléktesteket lehet ömlesztve, vagy rendszerbe rakottan elhelyezni az oszlopban. Reflux-arány szabályozás (melléklet)
A szabályozás során mérik a toronyból távozó gőz (V) nyomását és a torony tetején lévő gőz hőmérsékletét. A szabályozók (SZ) feladata, hogy a reflux-arányt (L/D) állandó értéken tartsák. Ha nő a gőz (V) hőmérséklete, akkor nő a nyomása is. Szabályozás nélkül ilyenkor kevesebb reflux (L) kondenzálódna le, és több desztillátumgőz (D) keletkezne rosszabb összetétellel. A reflux-arány (L/D) is megváltozna. Szabályozás esetén, a h őmérsékletmérő (T) a mért értéknek megfelelő jelet küld a szabályozónak (alsónak). A hőmérséklet növekedésekor a szabályozó nyitja a fojtószelepet, így több h űtővíz fog átáramlani a deflegmátoron. Ennek hatására a desztillátum (D) mennyisége csökken, a refluxé (L) növekszik, mivel több gőz kondenzálódik le. A hőmérséklet növekedésekor a nyomás is növekszik. A nyomásmérő (P) a mért értéknek megfelel ő jelet küld a szabályozónak (felsőnek). A szabályozó zárja a fojtószelepet, így a gőz (V) lassabban áramlik át a deflegmátoron, ezért nagyobb mennyiség kondenzálódik le. A desztillátum mennyisége csökken, a refluxé nő, így a reflux-arány állandó marad. Fordított esetben, amikor a hőmérséklet és a nyomás csökken, akkor a szabályozók növelik a desztillátum mennyiségét, míg a refluxét csökkentik, hogy a reflux-arány ilyenkor is állandó maradjon. Így a desztillátum összetétele is állandó lesz. A beavatkozószervek a fojtószelepek.
135
19. tétel: Egy technológiai folyamatba extrakciós m űveletet kell beilleszteni. Sorolja fel a f őbb szempontokat és a hozzájuk leginkább megfelelő berendezéstípusokat! berendezéstípusokat! - Az extrakció fogalma, célja, típusai és eszközei, megoszlás két oldószer között, a Nernst-törvény és a megoszlási hányados, a munkavonal egyenlete, a fokozatszám meghatározása, az extrahálószer kiválasztása - Szilárd-folyadék extakció jellemző készülékeinek, a folyamatos extrahálók működésének bemutatása a mellékelt ábrák felhasználásával - Folyadék-folyadék extrakció jellemző készülékei, működésük bemutatása a mellékelt ábrák felhasználásával, alkalmazási területük - Folyadék-folyadék extrakciós művelet szabályozása, oldószerek tömegáramának arányszabályozása a rányszabályozása Az extrakció: olyan szétválasztási művelet, melynek során egy vagy több komponens kioldását valósítjuk meg szilárd vagy folyadék fázisból, szelektív oldószer alkalmazásával. Az extrakció fajtái: - szilárd−folyadék extrakció (kilúgozás, diffúziós extrakció) - folyadék−folyadék extrakció (szolvens extrakció) - szilárd, (vagy folyadék)−gáz extrakció (destrakció, szuperkritikus extrakció) Nernst-törvény: Két oldószer között, egy mindkett őben oldódó harmadik komponens úgy oszlik meg, hogy a keletkezett két oldat koncentrációjának aránya (adott hőmérsékleten) állandó. Ideális esetben a megoszlási görbe egy egyenes, a valóságban viszont görbét kapunk a mérések során. Megoszlási hányados:
K =
y x
y – extraktum oldat összetétele tömegaránnyal kifejezve [kg/kg] x − raffinátum oldat összetétele tömegaránnyal t ömegaránnyal kifejezve [kg/kg]
y =
átoldott kivonandó anyag tömege [kg ] extraktum tömege [kg ] = kioldószer tömege [kg ] kioldószer tömege [kg ]
x =
át nem oldott (visszamaradt ) kivonandó anyag tömege [kg ] raffinátum tömege [kg ] = anyaoldószer (eredeti oldószer ) tömege [kg ] anyaoldószer tömege [kg ] A – anyaoldószer (eredeti oldószer) tömege [kg] C – kivonandó anyag tömege [kg] B – kioldószer (extrahálószer) tömege [kg] R – raffinátum (át nem oldott kivonandó anyag) tömege [kg] E – extraktum (átoldott kivonandó anyag) tömege [kg]
Teljes anyagmérleg:
x 0 =
C A
x =
A + C + B = A + R + B + E → C = E + R
R A
y =
E B
x 0 – az anyaoldat kiinduló összetétele tömegaránnyal kifejezve [kg/kg]
Részleges anyagmérleg:
A ⋅ x 0 = A ⋅ x + B ⋅ y Munkavonal egyenlete:
A y = − ⋅ ( x − x 0 ) B
136
A megoszlási egyenes és a munkavonal metszéspontja megadja az extraktum és raffinátum oldat összetételét.
A K ⋅ x = − ⋅ ( x − x 0 ) → y, x B
Többfokozatú extrakció (keresztáramú) Többfokozatú extrakciónál az anyaoldatban maradt kivonandó anyaghoz friss extrahálószert adagolnak, ami további anyagot tud átoldani.
E = E1 + E2 + E3 Az extrahálószer kiválasztásának szempontjai: - szelektív oldóképességű legyen - könnyen elpárologtatható legyen - forráspontja ne legyen se túl nagy, se túl kicsi - melegítés hatására ne bomoljon - ne legyen agresszív - fajhő je és párolgáshő je ne legyen nagy - sűrűsége és viszkozitása ne legyen nagy - ne legyen egészségre ártalmas - ne legyen tűz- és robbanásveszélyes - olcsó legyen - az anyaoldószerben ne oldódjon Az extrakciót befolyásoló tényezők: - anyagi minőség - extrahálószer koncentrációja - hőmérséklet (emelése kedvező) - érintkező felület nagysága (növelése kedvező) - érintkezés módja (folyamatos üzeműnél → egyen-, kereszt- vagy ellenáramú-e; szakaszos üzeműnél → keverik-e az anyagokat) - a folyadék (extrahálószer) sebessége Szilárd-folyadék extrakció A kioldandó komponens a szilárd anyag pórusaiban oldott alakban, vagy szilárd formában van jelen. Az extrakció sebességét befolyásoló tényezők: a hőmérséklet, a szemcse fajlagos felülete, a folyadék áramlási sebessége, érintkezés módja, anyagi minőség.
137
Jellemző készülékei: Diffuző r r (melléklet) (melléklet)
ős extraktor (melléklet) Kever ő (melléklet)
Bollann extraktor (melléklet) (melléklet)
Diffuzőr működése: A fedél felnyitása után a szilárd anyagot felül adagolják be. Az extrahálószert a készülék tetején vezetik be, amely keresztülszivárog a szilárd anyagon, és közben megtörténik az extrakció. Az extraktum oldatot alul vezetik el. Ha a szilárd anyag kimerült, akkor a diffuz őr aljának nyitásával eltávolítják. Szakaszos üzemű berendezés. A keverős extraktor működése hasonló, mint a diffuzőré, de itt a szilárd anyag aprószemcsés és az extrahálószerrel együtt keverik is az anyagot. A keverés növeli az extrakció hatékonyságát. Szakaszos üzemű berendezés. Bollmann extraktor működése: Egy körbeforgó láncra, karok segítségével csuklósan, serlegeket er ősítenek. A serlegek alja perforált. A lánc mozgása közben a jobb oldali serlegek lefelé, míg a bal oldali serlegek felfelé mozdulnak el. A szilárd anyag beadagolása a jobb oldal legfelső serlegébe történik. A baloldal serlegeibe, pedig a friss extrahálószert vezetik be. A friss extrahálószer a szilárd anyagon átszivárogva, a serlegek perforált alján keresztül az alatta lév ő serlegbe csurog, majd a következőbe stb. A bal oldali ág ellenáramú, mivel a friss extrahálószer és a többé-kevésbé kimerült szilárd anyag egymással szemben haladnak. A friss extrahálószer a többé-kevésbé kimerült szilárd anyagból további anyagot tud kioldani. A lecsurgott, félig telítődött extrahálószert (félmiszcellát) szivattyúval a jobb oldali ág felső serlegében lévő friss szilárd anyagra permetezik. A jobb oldali ág egyenáramú, mert a félig telít ődött extrahálószer (félmiszcella) és a friss szilárd anyag egyirányba haladnak. A félig telítődött extrahálószer (félmiszcella) a friss szilárd anyagból további anyagot tud kioldani. A jobb oldalon lecsurgott és telítődött extrahálószert (miszcellát) alul összegyű jtik és elvezetik. A serlegek csuklósan vannak rögzítve és az extraktor tetején a kimerült anyagot egy szállítószalagba ürítik. A berendezésben többfokozatú extrakció valósul meg. Folyamatos üzemű. Rotocell extraktor (melléklet) Forgócellás extraktor. A friss extrahálószert az ürítés el őtti rekeszre (cellára) permetezik, amely átszivárog a majdnem kimerült szilárd anyagon, és további anyagot old ki. Az átszivárgott még viszonylag friss kioldószert szivattyúval az ezt megelőző rekeszben lévő anyagra permetezik, ahonnan további anyagot old ki. És így tovább. Az extrahálószer egyre telítődik, viszont egyre frissebb szilárd anyaggal találkozik, így lehetősége van további anyag kioldására. A beadagolás utáni rekeszben a majdnem telít ődött extrahálószer friss szilárd anyaggal érintkezik, amib ől még tud anyagot kioldani. Az itt átszivárgott telített extraktum oldatot elvezetik. Az extrahálószer és a szilárd anyag ellenáramban halad. A berendezésben többfokozatú extrakció valósul meg. Folyamatos üzemű.
138
Extrahálótelep (melléklet)
A szakaszos üzemű készülékek (pl. diffuzőrök) telepbe kapcsolásával az extrakció folyamatossá tehet ő. A fenti ábrán 6 db diffuzőr összekapcsolásának vázlata látható egy-egy üzempillanatban. Az ábrából látható, hogy az ellenáramú kapcsolás biztosítja legjobban az oldószer kihasználását. Ilyenkor ugyanis a friss oldószer mindig a legjobban kimerült anyaggal kerül kapcsolatba, míg a friss szilárd anyaggal a majdnem telítődött extrahálószer érintkezik, amely ebből még képes anyagot kioldani. Folyadék-folyadék extrakció A kivonandó komponens oldatban van, az oldószert úgy kell megválasztani, hogy a kivonandó komponenst jól oldja, a másik oldószerrel egyáltalán ne elegyedjen. A folyamatos működés feltétele, hogy az extraktum- és a raffinátum-oldat között sűrűségkülönbség legyen. Kever ő - ülepít ő (melléklet) Permetező oszlop oszlop (melléklet) ő-ülepít ő extraktor extraktor (melléklet)
Folyadék-folyadék extrakciós művelet szabályozása (melléklet) A szabályozás során mérik külön az anyaoldat és külön az exrahálószer térfogatáramát. A térfogatárammérők (Q) a mért értéknek megfelelő jelet (ellenőrző jelet) továbbítanak a szabályozónak (SZ). A szabályozó feladata, hogy a két mennyiség arányát állandó értéken tartsa. Ha megváltozik valamelyik anyagnak a térfogatárama, akkor a szabályozó a fojtószelep segítségével az egyik anyag térfogatáramát úgy változtatja meg, hogy az arány visszaálljon az eredeti értékre. A fojtószelep a beavatkozó szerv.
139
Feladatok extrahálás témakörből 1.) 100 kg vízből és 30 kg izo-propanolból álló oldatot benzollal extrahálunk. Lépésenként 40 kg benzolt adunk az oldathoz. A megoszlási hányados 1,8. A.) Hány tömegszázalékos a kiinduló oldat (anyaoldat)? (23,08 %) B.) Hány lépéssel lehet a raffinátum mennyiségét 6,5 kg alá csökkenteni? (R = 5,895 kg → 3 lépés) C.) Hány tömegszázalékos a raffinátum-oldat? (5,57 %) D.) Hány kg izo-propanolt sikerült kivonni az anyaoldatból? (24,105 kg) 2.) 120 kg vízből és 50 kg izo-propanolból álló oldatot benzollal extrahálunk. Lépésenként 30 kg benzolt adunk az oldathoz. A megoszlási hányados 1,8. A.) Hány tömegszázalékos a kiinduló oldat (anyaoldat)? (29,41 %) B.) Hány lépéssel lehet a raffinátum mennyiségét 6,5 kg alá csökkenteni? (R = 5,376 kg → 6 lépés) C.) Hány tömegszázalékos a raffinátum-oldat? (4,29 %) D.) Hány kg izo-propanolt sikerült kivonni az anyaoldatból? (44,62 kg) 3.) 195 kg vízb ől és 90 kg szerves anyagból álló oldatot toluollal extrahálnak, 1,9 megoszlási hányados mellett. Lépéseként 45 kg toluolt adnak az oldathoz. t ömegtörtje és tömegszázalékos összetétele? (0,3158; 31,58 %) A.) Mennyi a kiinduló oldat (anyaoldat) tömegtörtje ( E = 68,98 kg → 4 lépés) B.) Hány lépés szükséges, ha minimum 65 kg szerves anyagot ki akarunk nyerni? (E 4.) 136 kg vízből és 63 kg szerves anyagból álló oldatot toluollal extrahálnak, 1,85 megoszlási hányados mellett. Lépéseként 31 kg toluolt adnak az oldathoz. t ömegtörtje és tömegszázalékos összetétele? (0,3166; 31,66 %) A.) Mennyi a kiinduló oldat (anyaoldat) tömegtörtje ( E = 52,15 kg → 5 lépés) B.) Hány lépés szükséges, ha minimum 50 kg szerves anyagot ki akarunk nyerni? (E
140
