gépészmérnök mester képzés, vegyipari gépészeti szakirány
Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai kar
Energetikai és Vegyipari Gépészeti Intézet
Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék
Előadó: Mikáczó Viktória, tanársegéd
Miskolci Egyetem, Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék © 2017
VEGYIPARI MŰVELETEK I.
Vegyipari műveletek I.
2
Aláírás megszerzésének feltétele:
• előadásokon és gyakorlatokon aktív részvétel
• méréseken való aktív részvétel, mérési jegyzőkönyvek beadása
Kredit megszerzésének feltétele:
• zárthelyi dolgozat sikeres teljesítése (elméleti és gyakorlati részből min. 50-50%
teljesítmény)
Ajánlott irodalom:
• Fejes – Tarján : Vegyipari műveletek I.
• Fonyó – Fábry: Vegyipari művelettani alapismeretek
• Kaszatkin: Alapműveletek, gépek és készülékek a vegyiparban
Általános információk
Vegyipari műveletek I.
3
Témakörök
Hét Dátum Előadás
1.02.12.
Bevezetés. Mechanikus műveletek általános bemutatása.
2. Szilárd szemcsés anyaghalmaz jellemzői. Szemcseosztályozás.
3. 02.19. Aprítási műveletek. Aprítógépek.
4. 02.26. Testek mozgása fluidumban. Fluidizáció. Fluidizációs rendellenességek.
5. 03.05. Mérés: fluidizáció, szemcseanalízis.
6. 03.12. Szűrési művelet. Általános szűrőegyenlet.
7. 03.26.Szűrés állandó nyomáskülönbség illetve állandó szűrési sebesség esetén.
Szűrőkészülékek.
8.04.09.
Gáz-szilárd rendszerek szétválasztása.
9. Gáztisztítás gravitációs és centrifugális erőtérben. Gáztisztító berendezések.
10. 04.16. Centrifugák méretezésének alapjai. Folytonos és szakaszos üzemű centrifuga típusok.
11. 04.23. Keverő típusok. A folyadékkeverők teljesítményszükséglete.
12. 05.07. Keverős berendezések méretnövelése.
13. 05.14. Mérés: szűrés, keverés.
14. 05.21. Zárthelyi
Előadások: 02.12, 02.19, 02.26, 03.05, 03.12, 03.26, 04.09, 04.16, 04.23, 05.07, 05.14, 05.21.
Vegyipari műveletek I.
4
Témakörök
Mérések:
1. Szemcseanalízis
2. Fluidizáció
3. Szűrés
4. Keverés
Megjegyzés:
- A méréseken kötelező a részvétel.
- A beadandó jegyzőkönyvhöz minta a tanszéki honlapon található.
- Jegyzőkönyv értékelési szempontjai: igényes, műszaki gyakorlatnak
megfelelő forma, mérés reprodukálhatósága.
Vegyipari műveletek csoportosítása
A különböző műveleteknek azonos fizikai és kémiai alapjai vannak: komponens-, hő- és
impulzustranszport. A csoportosítás alapja a folyamatok hajtóereje és a folyamatokat leíró
törvényszerűségek.
1. Mechanikai műveletek: szilárdtest mechanika törvényszerűségei határozzák meg
(aprítás, szétválasztás, osztályozás, granulálás…).
2. Hidrodinamikai műveletek: folyadékok, gázok mozgásával foglalkozik, a
hidrodinamika törvényszerűségei határozzák meg (ülepítés, keverés, szűrés…).
3. Hőátadási műveletek: hőátadással foglalkozik, a hőtan törvényszerűségei határozzák
meg (melegítés/hűtés, forralás/kondenzáció, bepárlás…).
4. Anyagátadási műveletek: a kiindulási elegy komponenseinek fázishatáron keresztül
történő áthaladása jellemzi, az anyagátadás törvényszerűségei határozzák meg
(desztilláció, abszorpció, rektifikálás, szárítás, adszorpció…).
5. Kémiai műveletek: a reakciókinetika törvényszerűségei határozzák meg, anyag- és
energiaátvitellel járnak.
Vegyipari műveletek I.
5
Bevezetés
Vegyipari műveletek I.
6
Bevezetés
Művelet: összefüggő, tervszerű cselekmények sorozata vagy ennek mozzanata, amelynek
során a termékek elnyerik a formájukat.
Művelettan: műveletek közti közös paraméterek meghatározása → összefüggések
megalkotása → matematikai egyenletek
Tárgyalás módjai:
- Dimenzió nélküli kifejezések pl. Reynolds-szám
- Félempirikus egyenletek pl. Nusselt-szám összefüggései
- Egyenletek felírása dimenziókkal pl. nyomásveszteség csővezetékben
Vegyipari műveletek I.
7
Bevezetés
Alapműveletek: (műveleti egység – unit operation)
- Alapját fizikai-kémiai jelenségek képezik
- Önmagukban is képeznek technológiai folyamatokat pl: aprítás, őrlés
Alapfolyamatok: (unit process)
- Kémiai jelenségek
- Pl. oxidáció, nitridálás, polimerizáció, stb.
Alapműveletek + alapfolyamatok = technológiai/gyártási folyamat
Az ipari vállalatok tevékenységüket egy többé-kevésbé összetett folyamat szerint fejtik ki,
amit termelési folyamatnak nevezünk, amely rendszerint több technológiai folyamatot
foglal magában.
Vegyipari műveletek I.
8
Művelettani alapok
A műveleti egység
• unit operation – a vegyipari eljárások széles köre viszonylag kevés számú
alapműveletből összeállítható
• a kezelendő anyag (a munka tárgya) átalakul, a készülék (a munka eszköze) az
elhasználódástól eltekintve nem változik, az ember használati értéket termel =
együttesen alkotják a műveleti egységet
• a folyamatábrákon található készülék szimbólumok általában egy-egy műveletet
képviselnek (pl. keverő, hőcserélő)
• a készülék nem mindig azonos a műveleti egység fogalmával (pl. reaktor )
• a folyamatok leírásához öt SI mennyiség elegendő (bázisrendszer): hosszúság (m),
idő(s), tömeg (kg), hőmérséklet (K), anyagmennyiség (mol)
• származtatott mennyiségek: erő(N), energia (J), nyomás (Pa)
Vegyipari műveletek I.
9
Művelettani alapok
A műveleti egység
• Fázisértintkezés alapján: lehet egy-, két-vagy többfázisú:• Gőz-folyadék: desztilláció, rektifikáció
• Gáz-folyadék: abszorpció, deszorpció
• Folyadék-folyadék: extrakció
• Folyadék-szilárd: extrakció, adszorpció, ioncsere
• Szilárd-folyadék-gőz: nedvesítés, szárítás
• Folyadék-szilárd-folyadék: membránszeparáció, dialízis
• Üzemvitel szerint:
• szakaszos (időben periodikusan ismétlődő részműveletek)
• folyamatos (a betáplálás és a termékek elvezetése folyamatos)
• Transzportfolyamatok alapján:
• mechanikus (impulzustranszport),
• termikus (entalpiatranszport),
• diffúziós (komponenstranszport)
Vegyipari műveletek I.
10
Művelettani alapok
Az anyagmérleg a gyártási folyamatok szakszerű követését, ellenőrzését teszi lehetővé.
Az anyagmegmaradás törvényén alapszik, magában foglalja a nyersanyagokat, a kapott
termékeket (főtermék, melléktermék, selejt, maradék, hulladék) és a veszteséget.
Pl. veszélyes anyag raktárak anyagforgalma, rektifikálási művelet hatékonysága, kémiai
folyamatok lejátszódása (cukorgyártás, füstgáz-kéntelenítés), stb.
Az anyagmérleg készítésének lépései:
1. felvázoljuk a gyártás folyamatábráját,
2. meghatározzuk a gyártás során elért hozamot (a lejátszódó kémiai reakciók
figyelembevételével),
3. összeállítjuk a technológiai folyamat mindegyik szakaszára nézve a parciális
anyagmérleget,
4. a szakaszonkénti anyagmérlegek összegzésével az egész berendezésre (technológiai
folyamatra) szóló általános anyagmérleg birtokába jutunk. Ennek segítségével
könnyen kiszámítható a különböző nyersanyagok fajlagos fogyasztása.
Energiamérleg
• Az energia megmaradásának törvényén alapszik.
• Magában foglalja a rendszerbe belépő és távozó összes energiaformát.
• Az anyagmérleghez hasonlóan lehet parciális és általános.
• Ipari körülmények között leggyakoribb a hőenergiára vonatkozó energiamérleg.
Pl.: életciklus-elemzések, kémiai folyamatok lejátszódása, energetikai elemzések
Az anyag- és energiamérlegek gyakori ábrázolási módja az Sankey diagram:
http://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/pdf/flow/total_energy.pdf
http://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/pdf/flow/petroleum.pdf
http://acquireprocure.com/wp-content/uploads/2016/06/formula-one-f1-budget-cost-breakdown-sankey-diagram-v2.jpg
Vegyipari műveletek I.
11
Művelettani alapok
http://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/pdf/flow/total_energy.pdfhttp://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/pdf/flow/petroleum.pdfhttp://acquireprocure.com/wp-content/uploads/2016/06/formula-one-f1-budget-cost-breakdown-sankey-diagram-v2.jpg
Vegyipari műveletek I.
12
Áramlástan alapjai
Kontinuitási törvény: megmaradási törvény lokális kifejezése (áramlástanban tömegmegmaradás)
- Változó keresztmetszetű csővezetékek
- A közeget összenyomhatatlannak tekintjük
- Mértékegysége: m3/s
- Alkalmazása: térfogatáram meghatározása az áramlási sebesség mérésével, áramlási sebesség
meghatározása az adott keresztmetszetben.
https://www.youtube.com/watch?v=wykn-JTnacE
AdvdVt
AV
https://www.youtube.com/watch?v=wykn-JTnacE
Vegyipari műveletek I.
13
Áramlástan alapjai
Euler-egyenlet: olyan mozgásegyenlet, amely a súrlódás elhanyagolása esetén
összefüggést teremt a folyadékrész mozgásmennyiségének idő szerinti megváltozása (
gyorsulása) és a folyadékrészre ható erők, a térerősségből származó erő (pl. egy kg
tömegre ható súlyerő), és a nyomás hely szerinti változásából származó erő
között:
- Ha elhanyagoljuk a súrlódást: a folyadékrészecskék a nyomás változásából származó
erő és a térerősség eredője irányában gyorsulnak, a gyorsulás mértéke arányos az eredő
erő nagyságával.
- Alkalmazás: kapulégfüggöny (üzemcsarnok belsejében télen kisebb a nyomás →
ajtónyitáskor levegő áramlik be), radiátor mindig az ablak alatt.
gradp1
dt
vd
g
gradp1
gdt
vd
Vegyipari műveletek I.
14
Áramlástan alapjai
Bernoulli-egyenlet: áramló folyadékok energia-megmaradási törvénye két pont között.
- Változó keresztmetszetű csővezetékek
- A közeget összenyomhatatlannak tekintjük
- A belső energiát figyelmen kívül hagyjuk
https://www.youtube.com/watch?v=IneyT4kRDAU
https://www.youtube.com/watch?v=IneyT4kRDAU
Vegyipari műveletek I.
21
2. Előadás
Szemcseosztályozás
Vegyipari műveletek I.
22
Mechanikai műveletek és eljárások
- Létrejöttüket, törvényszerűségeiket a mechanikai erők határozzák meg (fizikai
testeket érő olyan hatások, melyek egy tömeggel rendelkező testet gyorsulásra
késztetnek)
- Durva diszperz anyagrendszerekben végbemenő gravitációs, törés-mechanikai,
mágneses, elektromos, termikus, optikai és adszorpciós-adhéziós jelenségek.
- Folyadékokban és gázokban történő részecskemozgási alap-jelenségek.
- Ide tartoznak: szétválasztási és keverési, aprítási és darabosítási eljárások
anyagátalakulási, anyag- és energia-transzportfolyamai.
- Diszperz rendszer: Olyan heterogén rendszer, amelyben az egyik fázis (diszperz fázis) részecskéi egyenletesen
oszlanak el a másik fázisban (diszperziós közegben).
Vegyipari műveletek I.
23
Szilárd anyagok és szemcsehalmazok jellemzése:
Anyagjellemzők
- Szemcse: az anyaghalmaz önálló szilárd része.
- Szemcseméret: azzal a névleges szitanyílással jelölt elméleti érték, amely
szitanyíláson a szemcse éppen áthullik.
- Fajlagos felület
- Halmazsűrűség és porozitás
- Szemcsék fizikai és fizikai-kémiai tulajdonságai:
- sűrűség, mágneses és elektromos, hőtani, optikai, határfelületi, szilárdsági,
rugalmassági, apríthatósági… tulajdonságok
- Anyagi összetétel
- Fűtőérték és hamutartalom
- Kémiai összetétel
Vegyipari műveletek I.
24
Szemcseméret jellemzése
- Statisztikus szemcseátmérő: a szemcse vetületén adott iránnyal párhuzamosan
húzott egyenes szakaszok hossza.
- Közepes szemcseátmérő: a szemcséhez véletlenül rendelt párhuzamos három
érintősík átlagos távolsága.
- Egyenértékű
szemcseátmérő: a
szemcsével azonos süllyedési
sebességű gömb átmérője
Vegyipari műveletek I.
25
Szemcseméret jellemzése
- Feret-átmérő: egy tetszőlegesen elhelyezkedő szemcséhez húzott, az okulárskálára
merőleges, két képzeletbeli párhuzamos érintő közti távolság. (xF)
- Martin-átmérő: a szemcse azon pontján mért átmérő, amely a tetszőlegesen
elhelyezkedő részecske vetületét 2 egyforma területre osztja. (xM)
XFX maxM X
- Vetületi átmérő: annak a körnek az
átmérője, melynek területe megegyezik
a szemcse vetületének területével.
- Hosszúság: az okulárskálával
párhuzamosan elhelyezkedő szemcse
legnagyobb hosszúsága éltől élig.
- Szélesség: a szemcse legnagyobb
kiterjedése a hosszúságra merőlegesen.
Vegyipari műveletek I.
26
Szemcseméret meghatározása
- Lineáris méretből, térfogatból és felületből:
2
21 xxxá
21xxxá
6
3dV 3
e
V6d
2dA
A
de
27
Szemcsealak jellemzése
Felületi tulajdonságok:
- Töredezett: részlegesen hasadt, törött vagy repedt
- Sima: szabálytalanságoktól, érdességtől vagy kiszögellésektől mentes
- Porózus: nyílásokat, átjárókat (üregeket) tartalmazó
- Durva: göröngyös nem egyenletes, nem sima
- Üreges/gödrös: kis horpadásokkal borított
Alak:
Vegyipari műveletek I.
28
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe
- Szitaanalízis: Az anyaghalmazt szitálással elemezzük úgy, hogy egy adott
szitasoron átszitáljuk az anyaghalmazt. (ha a szemcsék mérete x>~20µm)
Vegyipari műveletek I.
29
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe
Szitaanalízis:
- Szitáin azok a szemcsék maradnak fenn, amelyek mérete nagyobb a szita
lyukméreténél, illetve kisebbek a felette lévő szita lyukméreténél.
- Lyukméret/szitanyílás: a huzalszövet egymás mellett lévő és egymást keresztező
huzalai által alkotott nyílás oldalának névleges mérete mm-ben.
- Hátrány:
- Nagymennyiségű minta szükséges
- Aprózódik-e az anyag a művelet során?
- Olajos vagy tapadó porok elemzésének nehézsége →
eltömődés
- Elektrosztatikus feltöltődés
- Nedves szitálással, golyókkal javítható
Vegyipari műveletek I.
30
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe
Szitaanalízis:
- Menete:
- Reprezentatív mintavétel
- Minta előkészítés (szárítás/mosás)
- Minta vizsgálathoz szükséges mennyiségének beállítása
- Szitasor és gép előkészítése
- Szitálás elvégzése
- Analízishez szükséges számítások elvégzése
- Eredmények értékelése és reprezentálása
- Ajánlott szitálási időtartam:
- 10-20 perces intervallum
- Optimális időtartam: próbaszitálás addig, míg a minta tömegváltozása 5 perc
alatt 1% alá nem esik
Vegyipari műveletek I.
31
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe
Szitaanalízis – mintavételezés:
- Csúszdáról, szállítószalagról:
- Ahol a minta leesik az eszközről
- A gyűjtőedény ne teljen meg (nagyobb szemcsék elveszhetnek)
- A mintavétel egy egyenletes mozdulattal történjen
- Szállítmányból, ömlesztett raktárból:
- Minimum 3 különböző helyről, kb. 30 cm mélyről
- Halomból:
- Különböző mintavételi pontokról, lehetőleg lapátolás közben (a szemcsék
frakciók szerint szétválnak)
32
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe
Szitaanalízis – minta vizsgálati mennyiségének beállítása:
- Kúpozás, negyedelés:
- Minta kúp alakú felhalmozása, majd az alapterület növelése a tetejének lebontásával
- Körcikkekre bontjuk, a negyedeket keverjük, és újra kúpozzuk
- Minta kettéválasztók és csökkentők:
- Jones-típusú vályú: minta felezése a szemcseméret-eloszlás megváltoztatása nélkül (4
egymás utáni felezés 16-odára csökkenti a mennyiséget)
- A nyílások mérete legalább a szemcseméret háromszorosa
Vegyipari műveletek I.
33
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe
- Eredménye: a szemcseméret-eloszlási függvény és a gyakorisági görbe
Szemcsefrakció
xi-xi+1
[m]
Tömeghányad
dmi
[%]
Összegzett tömeghányad
1-F(x)
[%]
Gyakoriság
dmi/dxi
[%/µm]
< 20 49,4 100,0 2,47
20 – 50 17,8 50,6 0,59
50 – 100 15,1 32,8µ 0,30
100 – 150 9,3 17,7 0,19
150 – 200 4,2 8,4 0,11
> 200 4.2 4,2 0,04
100,0
Vegyipari műveletek I.
34
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 5 10 15 20 25
Szitaáthullás
F(x)
Szitamaradvány
1-F(x)
Vegyipari műveletek I.
35
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények
Példa
- Szitálási feladat mérési eredményei:
Szita lyukmérete
(µm)
xi
Fennmaradó
tömeg (g)
mi
0-45 6,76
45-80 11,82
80-150 37,74
150-300 86,18
300-800 300,37
800-1800 255,5
1800-3150 199,07
3150-5000 73,49
Összes szitált anyag tömege: σ 𝑚𝑖
Direkt tömeghányad: d𝑚𝑖 =𝑚𝑖
σ 𝑚𝑖
Adott szemcseméret-frakció mérete: d𝑥𝑖
Gyakoriság: 𝑑𝑚𝑖
𝑑𝑥𝑖
Áthullás-görbe: d𝑚𝑖 kumulált összege
Maradvány-görbe: 1 – áthullás-görbe
Vegyipari műveletek I.
36
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények
Példa; számított értékekle
gk
iseb
b
szem
csem
éret
leg
na
gy
ob
b
szem
csem
éret
fra
kció
k
táv
ols
ág
a
szit
án
fen
nm
ara
dó
töm
eg
dir
ek
t
töm
eg
há
ny
ad
mi/
szu
m(m
)
gy
ak
oris
ág
áth
ull
ás
ma
ra
dv
án
y
xi xi_min xi_max dxi mi dmi dmi/dxi F(x) 1-F(x)
0-45 0 45 45 6,76 0,0070 0,00015472 0,01 0,99
45-80 45 80 35 11,82 0,0122 0,000347826 0,02 0,98
80-150 80 150 70 37,74 0,0389 0,000555285 0,06 0,94
150-300 150 300 150 86,18 0,0888 0,000591735 0,15 0,85
300-800 300 800 500 300,37 0,3094 0,000618726 0,46 0,54
800-1800 800 1800 1000 255,5 0,2631 0,00026315 0,72 0,28
1800-3150 1800 3150 1350 199,07 0,2050 0,000151874 0,92 0,08
3150-5000 3150 5000 1850 73,49 0,0757 4,09137E-05 1,00 0,00
szum 970,93
Vegyipari műveletek I.
37
Példa
Direkt tömeghányad/eloszlás: megmutatja, hogy az egyes szemcseméret-frakciók a teljes
részecsketömeg hány százalékát képezik.
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények
Vegyipari műveletek I.
38
Példa
Gyakoriság: az áthullás szemcseméret szerinti első differenciálhányadosa.
Maximumának helye a leggyakoribb szemcseméret.
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények
Vegyipari műveletek I.
39
Példa; szitaáthullás-maradvány görbe
Maradvány: az egyes sziták lyukméterénél nagyobb szemcsék tömegszázaléka.
Áthullás: az adott szita alá kerülő szemcsék tömegszázaléka.
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények
Vegyipari műveletek I.
40
Schumann-Gaudin függvény (Gates-Gaudin-Schumann):
Ahol
F(x) .. Áthullás-görbe (kumulált összeg, 100-zal szorozva a százalékos eloszlást adja)
x .. Részecskeméret (adott részecskeméret-frakció felső határa)
a .. Méret modulus (a log(x)-log(F(x)) görbe felső metszéspontja, a legnagyobb
szemcsemérethez tartozó értékek)
m .. Eloszlás modulus (log(x)-log(F(x)) görbe meredeksége)
m
a
xxF
)(
)lg()lg(
))(lg(
ax
xFm
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények
Vegyipari műveletek I.
41
Példa; Schumann-Gaudin függvény (Gates-Gaudin-Schumann):
- Alkalmazható: ha mindkét tengely logaritmikussága esetén egyenest kapunkm
a
xxF
)(
- Méret modulus: a
legnagyobb vizsgált
szemcseméret
𝑎 = 𝑥𝑚𝑎𝑥 = 5000
- Eloszlás modulus:
megközelítőleg az x50-
nél található értékek
esetén:
𝑚 =log(𝐹 ∼ 𝑥50 )
log(∼ 𝑥50) − log(𝑥𝑚𝑎𝑥)
=𝑙𝑜𝑔 0,263
log 1800 − log 5000= 0,323
)lg()lg(
))(lg(
ax
xFm
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények
Vegyipari műveletek I.
42
Rosin-Rammler függvény:
- Az „a” paraméter értelmezése érdekében legyen a = x. Ebben az esetben:
- „a” az a szemcseméret, amelynél a szemcsés anyag 0,368 tömeghányada durvább és
0,632 tömeghányada finomabb. Az „m” paraméter meghatározásához kétszer kell
logaritmizálnunk (természetes alapon):
Kolmogorov (lognormális) szemcseeloszlás:
- Az „a” paraméter a medián (x50) logaritmusát jelenti.
m
a
x
exF
)(1
368,01
)(1 e
xF
amxmxF
lglg)(1
1lglg
xm
ax
dxexm
xF0
2
)(ln2
2
2
1)(
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények
Vegyipari műveletek I.
43
3. Előadás
Aprítás
Vegyipari műveletek I.
44
Aprítás szükségessége
- Aprítás: szemcseméret csökkentésére irányuló művelet, külső erőhatások
segítségével. Az anyag részecskéi közötti és/vagy részecskéin belüli összetartó erőket
legyőző dezintegráló művelet, ami külső erők hatására megy végbe.
- Cél: a fajlagos felület növelése, a szemcseméret csökkentése
- A végtermék kívánt halmazsajátságainak az elérése, pl. jó folyási tulajdonságok, megfelelő
töltéssűrűség, magas színhatás, stb.
- különböző komponensek kinyerési műveleteinek elősegítése (cukorrépa szeletelése a cukor
kioldása előtt, stb.),
- meghatározott méretűre aprítás további felhasználás esetén (cukor őrlése csokoládégyártás
előtt, lisztőrlés),
- fajlagos felület megnövelése (szárítási művelet idejének csökkentése érdekében, kioldásos
műveletek intenzifikálása miatt, hőkezelési idők csökkentése végett),
- műveletek energiafelhasználásának csökkentése (pl. keverés).
- Előkészítő műveletként: szuszpenziók, paszták készítése pl. gyógyszerek, kenőcsök
- Befejező művelet: granulátumok, porok készítése pl. személyabroncs-gyártás, öntészeti
homokok
Vegyipari műveletek I.
Vegyipari műveletek I.
45
Aprítás
Erőhatás alapján:
- Törés (nyomó): síkfelületek közt kifejtett nyomóerő
hatására
- Őrlés (dörzsölő: nyomás+súrlódás): nyomóerő + erre
merőleges irányú erő
- Nyírás: ellentétes irányú, kitérő hatásvonalú erők, éles
felületek (közegek segítségével vagy anélkül)
- Metszés (vágó): ellentétes irányú, azonos hatásvonalú
erők, éles felületek
- Zúzás (ütő): ütésekkel
- Nem mechanikai okok: sugárzás, hő, elektromosság
Vegyipari műveletek I.
46
Aprítás
Aprítandó anyagok szerkezeti tulajdonságai:
- Rideg: erő hatására csak nagyon kismértékben képesek maradó alakváltozást
szenvedni. Rugalmasságuk nagyon kicsi, de ha ezt a rugalmassági határt az
aprításkor kifejtett erőhatás meghaladja, az anyag kisebb darabokra hullik szét. Pl.
üveg és számos kristály.
- Szívós: rugalmasak, de maradó alakváltozásra kevéssé képesek. Pl. a gumi.
- Képlékeny: erő hatására nem képesek (kismértékben képesek) rugalmas alakváltozást
szenvedni, de képlékenységi fokuktól függő mértékben maradandó alakváltozást
mutatnak. Pl. a kenőcsök, agyag.
Vegyipari műveletek I.
47
Aprítás
Megváltozó anyagsajátosságok:
- Elsődleges (primer) mechanokémiai folyamatok: a rendszer szabadenergiájának
növekedését hozzák létre, növelik a reakcióképességet. (deformáció, aprózódás,
melegedés, rácshibák keletkezése és elmozdulása)
- Halmazsűrűség és -porozitás
- Szemcseméret
- Összenövési viszonyok
- Fajlagos felület
- Felületi sajátságok (felületi energia)
- Belső szerkezet (amorfizáció)
- Anyagi összetétel
- Fűtőérték stb.
- Másodlagos (szekunder) mechanokémiai folyamatok: mechanikai energiával aktivált
spontán átalakulások, melyek a rendszer szabadenergiájának csökkenését idézik elő.
(rekrisztallizáció, agglomerizáció)
Vegyipari műveletek I.
48
Fajlagos felület
- Fajlagos felület: az adott anyag tömegegységre vonatkoztatott felülete.
Jele: s, mértékegysége: [m2/kg]
Meghatározza: elektromos és kapilláris jelenségek, kémiai reakcióképesség,
nedvesedés, gázáteresztő-képesség, stb.
- Gömbre és kockára:
- Általános alakú testre:
dd
d
V
Fs
g
gg
6
6
3
2
aa
a
V
Fs
k
kk
663
2
xs
6
- Heywood-faktor: φ, a szabályos gömb alaktól való
eltérés mértéke.
Kvarchomok (gömbölyded) 1,43
Üvegőrlemény (kocka-téglatest) 1,90
Szállópor 2,28
Csillám (lemezes) 9,27
Vegyipari műveletek I.
49
Aprítás
- Jellemzése: aprítási fokkal történik.
- Az aprítás mértékét kifejező mértékegység nélküli szám.
r = D/d=X/x
ahol D; X az eredeti szemcseméret [mm]
d; x az aprított szemcseméret [mm]
vagy
ahol X80 és x80 a feladásra kerülő anyag és a töret 80%-os
szemcsemérete [mm] (F(x)-ről leolvasva)
80
8080r
x
X
x80 [mm] r80
durva aprítás 50 < x80 3 - 6
közép aprítás 5 < x80 ≤ 50 4 – 10
finom aprítás 0,5 < x80 ≤ 5 5 – 10
őrlés 0,05 < x80 ≤ 0,5 10 – 15
finom őrlés x80 ≤ 0,05 > 15
Vegyipari műveletek I.
50
Részecskeméretek
Vegyipari műveletek I.
51
Fajlagos aprítási munka
- Keressük: az őrlőberendezés által az őrlésre fordított munka és az őrlendő anyag
aprózódásának mértéke közti összefüggést.
- Aprítási munka részei:
- Rugalmas alakváltozási munka → kinetikus energia, hő
- Felületi energia növelésére fordított munka
- Friss törési felület struktúra változása
- Makroszkopikus deformáció → hő
- Aprítógép belső súrlódása (golyók, görgők, szemcsék és fal)
- Aprítógép külső súrlódása (csapágy, hajtómű)
Vegyipari műveletek I.
52
Fajlagos aprítási munka
Rittinger-féle felületi elmélet
- az aprítási munka arányos a keletkező új felülettel. A térfogategységre vonatkozó
fajlagos aprítási munka:
𝑊𝑅 = 𝑐𝑅1
𝑥2−
1
𝑥1
ahol
cR a Rittinger-féle állandó, ami a fajlagos felületi energiával arányos
x2 és x1 a termék és a feladás szemcsemérete
- Főleg a finomőrlés tartományában (x
Vegyipari műveletek I.
53
Fajlagos aprítási munka
Kick-Kirpicsev térfogati elmélet
- az aprítási munka arányos a test térfogatával (térfogati átlag szemcsenagysággal). A
térfogategységre vonatkozó fajlagos aprítási munka:
𝑊𝐾 = 𝑐𝐾𝑉
𝑊𝐾 = 𝑐𝐾 𝑙𝑔1
𝑥2− 𝑙𝑔
1
𝑥1
ahol
cK a Kirpicsev-Kick állandó
V az aprítandó test térfogata
x2 és x1 a termék és a feladás szemcsemérete
- Főleg a durva aprítás tartományában (x>50 mm)
- Mértékegysége: J/kg; kWh/t
Vegyipari műveletek I.
54
Fajlagos aprítási munka
Bond-féle elmélet
- A Rittinger-féle és a Kirpicsev-Kick elmélet által meghatározott fajlagos aprítási
munka mértani közepe:
𝑊𝐵 = 2 𝑊𝑅𝑊𝐾 = 𝑐𝐵𝑥2,5
𝑊𝐵 = 𝑐𝐵1
𝑥80,2−
1
𝑥80,1
ahol
cB a Bond-index
x80,2 és x80,1 a termék és a feladás 80%-os szemcsemérete
- Alkalmazási tartománya: 50 µm … 50 mm
- Mértékegysége: J/kg; kWh/t
Vegyipari műveletek I.
55
Aprítás teljesítményszükséglete
- Ha meghatároztuk a fajlagos munkaszükségletet → teljesítmény-szükséglet
meghatározása:
𝑃𝑎 = 𝑄 ∙ 𝑊
ahol
Pa az aprítógép teljesítménye [kW]
Q a gép kapacitása [t/h]
W a fajlagos munkaszükséglet [kWh/t]
- A gépi teljesítmény függ: Pg=f(méret, anyagok mozgatása, belső súrlódás, …)
- Közelítő számításoknál: 𝑃𝑎 ≈ 𝑃𝑔
Vegyipari műveletek I.
56
Aprító-törő gépek
Vegyipari műveletek I.
57
Aprító-törő gépek
Pofástörő
- Durva aprításra: ásványok, kőzetek (mészkő, dolomit, andezit, …)
- Előtörésre a további műveletkehez
- Aprítást végzi: álló és mozgó pofa (sík vagy domború felület – kisebb az eldugulás veszélye)
- Anyaga: Cr, Mn-mal ötvözött acél
- Aprítási fok: r=4-9
- A termék/töret szemcseméretét meghatározza:
résméret (R); 20-50 mm
- Egyéb részek: excenter, hajtórúd, csuklós
szerkezet/tolólapok
Pofástörő
Vegyipari műveletek I.
58
Aprító-törő gépek
H
G
s .. legszűkebb résméret
l .. lökethossz, löketméret
𝑙 = 0,06 ∙ 𝐺0,85
𝑅 = 𝑠 + 𝑙 vagy 𝑅 =𝑥𝑚𝑎𝑥
1,223
G .. garat feladónyílás mérete, garatszélesség
𝐺 = 1,2 ∙ 𝑥𝑚𝑎𝑥
H .. törőtér magassága
𝐻 ≈ 2𝐺
VB .. Törőtér térfogata [m3]
L .. Garathossz
𝐿 = 1,5 ∙ 𝐺
α .. törőszög, 18-24°
𝑡𝑔 𝜑 =𝐺 − 𝑅
𝐻
Kapacitás: 𝑄 = 850 ∙ 𝑅 ∙ 𝐿; [t/h, m3/h]
Szilárd anyag térfogata a törőtérben: 𝑉𝐵 = 𝐿 𝐺 + 𝑅 ∙𝐻
2
Aprítandó anyag térfogata löketenként: 𝑉𝑆 = 1 − 𝜀 ∙ 𝑉𝐵
Törési munka: 𝑊 =𝜎2
2𝐸∙ 𝑉𝑆∙ 𝑘; 𝑘 = 0,8
Törőrerő: 𝐹 =𝑊
𝑙
Vegyipari műveletek I.
59
Aprító-törő gépek
Kalapácsos törő
- Vegyiparban ritkán alkalmazzák
- Középaprítás
- Tangenciális, radiális vagy axiális beömlés
- Részei: rotor, kalapács alakú ütőelemek (3, 4, 6 db) (tengelyre felfűzött, szabadon lengő)
- Cserélhető szitarács a garaton: a töltet szemcseméretét osztályozza
- A szemek a nagy sebességgel forgó kalapácsokhoz (60-
130 m/s), majd törőfelülethez, végül a rostafelülethez
ütközve aprózódnak fel.
- Az aprózódás mértékét a rosták lyukátmérője határozza
meg (leggyakrabban a 3-6 mm-es)
- Nyirkos anyag nem adható fel
- Vízszintes vagy függőleges elrendezés
Vegyipari műveletek I.
60
Aprító-törő gépek
Hengertörő, hengerszék
- Sima vagy fogazott felületű, párhuzamos tengelyű hengerek
- Közép- és finomaprításra
- Hengerátmérő: általában 𝐷 ≥ 27 𝑑0 − 𝑑𝑡
- Anyagbehúzás feltétele: 𝑡𝑔𝛼 ≤ 𝜇
cos 𝛼 =𝐷
2+
𝑑𝑡2
𝐷
2+
𝑑02
Vegyipari műveletek I.
61
Aprító-törő gépek
Golyósmalom
- Őrlési művelet
- Őrlőtestek: acélgolyók, kerámia (15-100 mm, gömb, hengeres vagy rúdszerű), a malom kb. 20-30%-
át foglalják el
- Malom bélése: kerámia, üveg, acél, gumi
- Alkalmazása: vegyipar, cementgyártás, ásványelőkészítés
Keverő golyósmalom
- Őrlés + keverés
- Keverőtengely + keverőtárcsák
- Őrlőtesttel való töltési fok: 70-80%
- Száraz és nedves üzem
- Fűtő-hűtő köpenyek
Rezgőmalom: a tartályokat sajátfrekvencia-közeli állapotban kell rezgetni
Gyöngymalom
Vegyipari műveletek I.
62
Aprító-törő gépek
Rotoros nyíró-aprító gép (shredder)
- Ipari hulladékok darálásrára, fa, műanyag, gumi, stb.
- Egytengelyes („kos” szorítja az anyagot a tárcsához), többtengelyes
- Kapacitás: 30 kg/h – 10-30 t/h
- Egytengelyes esetén: a rotorok alatt rosta (a megfelelő méretű anyagot engedi távozni).
Vegyipari műveletek I.
63
Aprító-törő gépek
Görgő járat
Kolloidmalom
Kúpos törő
Vegyipari műveletek I.
65
4. Előadás
Fluidizáció
Vegyipari műveletek I.
66
- Folyadéksúrlódás definíciója (Newton): ha egy áramlásban az áramvonalak
párhuzamosak és az áramvonalak között sebességkülönbség van, akkor az
áramvonalakkal párhuzamos síkokban csúsztató- (nyíró) feszültség keletkezik.
- A fluidumnak azt a tulajdonságát, hogy ellenállást tanúsít a részecskék egymás közötti
relatív elmozdulása során keletkezett erőhatásokkal szemben, viszkozitásnak
nevezzük.
Fluidumok jellemzői
- Newtoni súrlódási törvény: A fluidum
áramlása során a rétegek között keletkező
belső súrlódási feszültség
(csúsztatófeszültség) egyenesen arányos a
sebességgradienssel:
𝜏 = −𝜂𝑑𝑣𝑥𝑑𝑧
ahol 𝜏 a csúsztatófeszültég, 𝜂 a dinamikai
viszkozitás,𝑑𝑣𝑥
𝑑𝑧a sebesség- grandiens 𝑧
komponense.
Vegyipari műveletek I.
67
- Newtoni folyadékok: azok a folyadékok, amelyek a Newtoni súrlódási törvénynek
engedelmeskednek. Ezek viszkozitása csak a hőmérséklettől függ.
- A dinamikai viszkozitás SI mértékegysége Ns/m2 vagy Pas. A gyakorlatban használatos
egység még a poise (jele P), amelyet J. Poiseuille (1799-1865) francia tudós tiszteletére
neveztek el. Kisebb viszkozitású folyadékoknál a poise századrészét használjuk:
1𝑃 = 10−1𝑃𝑎𝑠 1𝑐𝑃 = 10−2𝑃 = 10−3𝑃𝑎𝑠
- A kinematikai viszkozitást (𝜈) kapjuk, ha a dinamikai viszkozitást osztjuk a sűrűséggel.Mértékegysége SI rendszerben m2/s.
𝜈 =𝜂
𝜌
- A használatos még a stokes (St) mértékegység, amelyet J. Stokes (1819-1903) angol
tudós tiszteletére neveztek el, a gyakorlatban azonban ennek századrészét használjuk:
1𝑆𝑡 = 10−4𝑚2
𝑠1𝑐𝑆𝑡 = 10−6
𝑚2
𝑠
Fluidumok jellemzői
Vegyipari műveletek I.
68
- A vegyiparban feldolgozásra kerülő anyagok jelentős része nem newtoni folyadék,
amelyekre a Newtoni súrlódási törvény nem lineáris.
- A struktúrviszkózus anyagok látszólagos viszkozitása az egyik esetben növekszik a
másik esetben csökken. A legtöbb ilyen anomális folyadék viszkozitása az Ostwald-féle
modellel jól közelíthető:
𝜏 = 𝐵𝑑𝑣𝑥𝑑𝑧
𝑚
Az összefüggésben szereplő 𝑚 értéke anyagonként változó állandó.
- A pszeudoplasztikus fluidumok (m1) mechanikai igénybevétel hatására szilárdulnak. Nagy
mennyiségű szilárd szuszpenziót tartalmazó folyadékok tartoznak ide, pl. tömény
iszapok, tengerparti homok.
Fluidumok jellemzői
Vegyipari műveletek I.
69
- A plasztikus anyagoknak, az ún. Bingham-fluidumoknak olyan szerkezetük van, hogy
az alakváltozás ill. áramlás csak egy meghatározott nyírófeszültség (𝜏0=a folyási határ)túllépése esetén következik be:
𝜏 − 𝜏0 = 𝐵𝑑𝑣𝑥𝑑𝑧
Pl: a fogkrémek, paszták, sűrű szuszpenziók, zagyok.
- Tixotróp fluidumok: a látszólagos viszkozitás itt már nem csak a sebességgradienstől
hanem a nyírás időtartamától is függ. A mechanikus behatásra (rázás, keverés)
elfolyósodnak, a feszültség megszűnése után azonban a folyadék szerkezete
fokozatosan helyreáll és a folyás megszűnik. Pl. sok festékfajta, majonéz, kefir, vaj,
egyéb tejtermékek.
- Rheopektikus fluidumok: viselkedésük ellentétes a tixotróp folyadékokkal; olyan
anyagok, amelyeknek a folyékonysága a mechanikus igénybevétel hatására gyorsabban
csökken. Jellemző képviselői a habok.
- Maxwelli fluidumok: Szilárd testhez hasonló folyadékok, rugalmas és viszkózus
tulajdonságokkal egyaránt rendelkeznek. Ide tartoznak a szívós, rugalmas folyadékok,
pl. a tészták, bitumenek, műgyanták.
Fluidumok jellemzői
Vegyipari műveletek I.
70
Folyási görbék
Fluidumok jellemzői
Deformációs időL
áts
zóla
gos
vis
zk
ozit
ás
Vegyipari műveletek I.
71
Szilárd test mozgása fluidumban
- Diszperz, heterogén rendszerekkel kapcsolatban
- Kapcsolódó műveletek:
- Ülepítés: szennyvíztisztítás, cukorgyártás, gyógyszeripar, papírgyártás
- Fluidizáció: tüzeléstechnika, különböző csomagolóüzemek
- Porleválasztás: füstgáz-tisztítás, légtisztítás, koromgyártás
Vegyipari műveletek I.
72
Szilárd test mozgása fluidumban
- A test (szemcse) fluidumban való mozgásakor létrejövő ellenállások főként az áramlás
módjától és a test alakjától függenek.
- Lamináris áramlás során a testet folyadék-határréteg veszi körül és az áramlás
egyenletesen beborítja. Csak súrlódási ellenállás van!
- Turbulens jellegű áramlásoknál egyre
nagyobb jelentőségűek a tehetetlenségi
erők. A határréteg leválik, örvények
képződnek.
- Kellően nagy Re-számok esetén az elülső
torlóellenállás (közegellenállás) szerepe
válik döntővé, amelyhez képest a súrlódási
ellenállások elhanyagolhatók.
Vegyipari műveletek I.
73
Szilárd test mozgása fluidumban
Dimenziómentes hasonlósági kritériumok:
tehetetlenségi erő
belső súrlódási erő=
𝑣𝐿𝜌
𝜂= 𝐑𝐞 (Reynolds − szám)
nyomóerő
tehetetlenségi erő=
𝑝
𝜌𝑣2= 𝐄𝐮 (Euler − szám)
tehetetlenségi erő
nehézségi erő=
𝑣2
𝑔𝐿= 𝐅𝐫 (Froude − szám)
↓↓↓
Egyenlőségük esetén hidrodinamikai hasonlóság áll fenn
Vegyipari műveletek I.
74
• Közegellenállási erő: 𝐹𝑒 = 𝐶𝐷𝐴1
2𝜌𝑣2
ahol 𝐶𝐷 a közegellenállási tényező,
𝐴 a mozgás irányára vett merőleges (normál) felülete
• Az egyenletet átalakítva kapjuk a közegellenállási tényezőre:
ൗ𝐹𝑒 𝐴𝜌𝑣2
=Δ𝑝
𝜌𝑣2= 𝐄𝐮 =
1
2𝐶𝐷
• Kísérleti adatokból nyert függvénynél három különböző áramlási tartományt tudunk
megkülönböztetni:
• Lamináris (Re
Vegyipari műveletek I.
75
Szilárd test mozgása fluidumban
Ha Re = 4∙105 A CD(=0,075) görbe hirtelen lecsökken; Rittinger-árok, ekkor a gömb
homlokfelületén a lamináris határréteg turbulensre vált.
Pl. : golflabda
Vegyipari műveletek I.
76
• Egy szemcsére ható mozgatóerő: (gravitációs erő – felhajtóerő)
𝐹𝑚 =𝑑3𝜋
6𝑔 𝜌𝑠 − 𝜌
• Stacioner állapotban a gravitációs erő egyenlővé válik közegellenállási erővel, a
részecskék elérik az ülepedési határsebességüket:
𝐶𝐷𝑑2𝜋
4
𝜌𝑣02
2=
𝑑3𝜋
6𝑔 𝜌𝑠 − 𝜌
• Lamináris tartományban 𝐶𝐷 =24
𝐑𝐞az ülepedési határsebesség:
𝑣0 =𝑑2𝑔 𝜌𝑠 − 𝜌
18𝜂
Ez az ún. Stokes-féle ülepedési törvény.
• Általánosan a stac. esés sebességképlete:
𝑣0 =4
3
1
𝐶𝐷
𝜌𝑠 − 𝜌
𝜌𝑑𝑔
Szilárd test mozgása fluidumban
Vegyipari műveletek I.
77
Szemcsés szilárd anyagon keresztüli fluidum-átáramlás állapotai:
- Kis sebességeknél: kis nyomásesés az ágyon; a szemcsék a helyükön maradnak, a gáz a
köztük lévő hézagokban áramlik. Álló ágy.
- A sebesség növelésével az ágy folyamatosan kitágul, a nyomásesés nő.
Fluidumok áramlása szemcsés rétegeken keresztül
- Adott sebesség (minimális fluidizációs
sebesség), mikor a nyomásesés egyenlő az
ágy egységnyi keresztmetszetére
vonatkoztatott súlyával: fluid állapot. A
szemcsék minden irányban szabadon
mozoghatnak, a rendszer nagyviszkozitású
folyadékként viselkedik. Ameddig a
gázáram nem ragad el szemcséket, sűrű
fázisú fluidizációról beszélünk. Stabil
állapot.
Vegyipari műveletek I.
78
Szemcsés szilárd anyagon keresztüli fluidum-átáramlás állapotai:
- A gáz sebességének jelentős növelésével az ágy erősen fellazul, a szemcsék kilépnek a
gázárammal és az ágy felett egy híg fázist alkotnak. (Nagyobb szemcsék = alsóbb, sűrű
fázis) Kétfázisú fluidizáció, instabil állapot.
- A híg fázisból további sebességnöveléssel egy felső határsebesség után pneumatikus
szállításról beszélünk.
Fluidumok áramlása szemcsés rétegeken keresztül
Vegyipari műveletek I.
79
Leva módszere:
- Egyenes üres csőben (l hossz, D átmérő, kör keresztmetszet) történő nyomásesés
számítása alapján (Fanning-egyenlet):
Δ𝑝 =𝜌
2𝑤2
𝑙
𝐷𝑓
- Ha a cső nem kör keresztmetszetű, egyenértékű csőátmérővel számolunk:
𝐷𝑒 =4𝐴
𝐾
- A gáz az álló ágy csatornáiban a szemcsék között áramlik: a csatornák átmérője
változó, ezért hidraulikai sugárral számolunk:
𝑅𝐻 =ℎé𝑧𝑎𝑔𝑜𝑘 𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠 𝑡é𝑟𝑓𝑜𝑔𝑎𝑡𝑎
𝑠𝑧𝑒𝑚𝑐𝑠é𝑘 𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠 𝑓𝑒𝑙ü𝑙𝑒𝑡𝑒=
𝑉𝑝ó𝑟𝑢𝑠𝑜𝑘
𝐴𝑠𝑧𝑒𝑚𝑐𝑠é𝑘…
- Egységnyi magasságú töltet nyomásesése lamináris áramlás esetén:
Δ𝑝
𝑙= 𝐶
1−𝜀 2
𝜀3∙
η
𝐷𝑒2Ψ2
𝑤 (Δ𝑝 ≈ 𝐴η𝑤) 𝜀 =𝑉𝑝ó𝑟𝑢𝑠
𝑉𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠
- Turbulens áramlás esetén:
Δ𝑝
𝑙= 2
1−𝜀
𝜀3∙
𝜌
𝐷𝑒Ψ𝑤2 (Δ𝑝 ≈ 𝐵𝜌𝑤2)
Fluidumok áramlása szemcsés rétegeken keresztül
Vegyipari műveletek I.
Vegyipari műveletek I.
80
Ergun módszere:
- A lamináris és turbulens áramlásra vonatkozó nyomásveszteséget egy két tagból álló
képlet segítségével foglalja össze:
Δ𝑝
𝑙= 𝑘1
1 − 𝜀 2
𝜀3∙
η
𝑑2𝑤 + 𝑘2
1 − 𝜀
𝜀3∙
𝜌
𝑑𝑤2
Viszkózus energiaveszteség + kinetikus energiaveszteség
(lamináris tartományban döntő + turbulens tartományban uralkodó)
Fluidumok áramlása szemcsés rétegeken keresztül
- A nyomásesés jelentősen függ a töltet hézagtérfogatától
(porozitásától). Ezt a készülék fala is módosíthatja.
A nyomásesési diagram szakaszai és nevezetes pontjai:
- A pontig: Leva-képlet (lam.), Ergun-képlet első fele értelmében a nyomásesés a sebességgel
arányosan nő.
- A-B közt: leva-képlet (turb.) Ergun-képlet második fele értelmében a nyomásesés a sebességgel
négyzetesen arányos.
- B pont: a részecskék fellazulnak, egyre intenzívebb mozgás.
- C pont: maximális ellenállás értéke.
- D pont: a részecskék rendeződnek, így kissé lecsökken az ellenállás. A fluidizáció kezdőpontja.
- D-E közt: a részecskék elválnak egymástól, és önállóan lebegnek. Fluidizáció. A sebességet tovább
növelve dugóhatás folytán kialakuló mozgás (emelkedés, visszaesés).
- E pont: megkezdődik a kihordás.
81
Fluidumok áramlása szemcsés rétegeken keresztül
Δp Ágy nyomásesése
L0 Hézagmentes töltetmagasság
v0 Gázsebesség
Vegyipari műveletek I.
82
Buborékképződés:
- A gáz buborék formájában halad át a rétegen
(0,1 … 1 mm)
- A buborékok a felszínre érve szétpattannak
- Nagy gázsebességek vagy nagy szemcseméret
esetén
- Szabályos gázelosztással vagy a gázsebesség
csökkentésével kiküszöbölhető
Dugós áramlás:
- A buborékok annyira megnőnek, hogy az egész
keresztmetszetet kitöltik
- A gáz a szemcsés réteget, mint dugattyút tolja
maga előtt (d=1 … 3 mm)
Fluidizációs rendellenességek
- A dugattyúréteg a szemcsék és a fal közti súrlódás hatására szétesik
- Vékony csövekben → készülékátmérő növelésével kiküszöbölhető
Vegyipari műveletek I.
83
Csatornaképződés:
- Összetapadásra hajlamos és kisméretű (≈10µm) részecskék, vagy alacsony
rétegmagasság (1,4 cm) esetén
- A sebességet növelve sem alakul ki fluid állapot
- Ha a rétegmagasság alacsony, a csatornaképződés a magasság növelésével
megszüntethető
- Nedves anyag esetén száraz anyaggal keverendő
Fluidizációs rendellenességek
Vegyipari műveletek I.
84
- Előnyök:
- intenzív mozgás, erőteljes keveredés (hőmérséklet, koncentráció állandó),
- nagy hővezetési, anyagátadási tényező,
- nagyobb anyag- és hőátadási felületek,
- szakaszos üzem folyamatossá tehető,
- kis hidraulikus ellenállás,
- …..
- Hátrányok:
- nehéz ellenáramot megvalósítani,
- korrózió, erózió a berendezésekben,
- eltérő tartózkodási idő,
- anyag rétegződése,
- aprózódás, portalanító berendezés szükséges,
- dielektromos anyag statikus töltődése, robbanásveszély
Fluidizáció előnyei és hátrányai
Vegyipari műveletek I.
85
Fúvókák, gázelosztók
Vegyipari műveletek I.
86
Fluidizációs készülékek
Gyógyszergyári fluidszárító Többkamrás fluidszárító
1 gázbelépés
2 gázkilépés
3 szárítandó anyag
4 szárított anyag
Vegyipari műveletek I.
87
Fluidizációs készülékek
Fluidágyas gázmosó Fluidizációs szárító
1 gázbelépés
2 gázkilépés
3 szárítandó anyag
4 szárított anyag
Vegyipari műveletek I.
88
Fluidizációs készülékek
Inertgázos fluidizációs szárító kör
Vegyipari műveletek I.
89
5. Előadás
Szűrés
Vegyipari műveletek I.
90
- Folyadék-szilárd (szuszpenziók) vagy gáz-szilárd (poros gáz) rendszerek
szétválasztására szolgáló művelet, mely során a fluidumból a szilárd szemcséket a
szűrőközeg segítségével kiválasztjuk.
- A szűrőn átfolyó folyadékot szűrletnek, a szűrőn fennmaradó anyagot iszaplepénynek
nevezzük.
1. mélységi szűrés: a kapillárisoknál kisebb méretű szemcsék a közeg belsejében
leválnak (iránytörés, keresztmetszet-változás); a továbbiakban szűrőközegként
viselkednek;
2. felületi szűrés: csak a szűrőközeg felülete végez szeparációt
- Hajtóerő: nyomáskülönbség (gravitáció, szivattyú, vákuumszivattyú)
Szűrés
Vegyipari műveletek I.
91
- Szűrőközegeknek nevezzük azokat az anyagokat, amelyek a rajtuk keresztül
átáramló fluidumokból leválasztják a pórusméretüknél nagyobb (néhány esetben a
kisebbeket is!) méretű részecskéket.
- Leggyakoribb szűrőközegek: Rácsok, Szemcsés anyagok, Szűrőszövetek,
Szűrőpapírok, Szűrőlapok, Porózus testek, Membránok
Szűrőközeg
Vegyipari műveletek I.
92
- Szűrési segédanyagok: összenyomható iszapot eredményező anyagok szűrésénél, vagy
kisebb részecskék leválasztása érdekében. Pl.: kovaföld (elhalt kovamoszat-
maradványok, tű alak), cellulózrostos pépek, diatomaföld (diatomák vázának
maradványa)
- Szűrőszövetek:
Szűrőközeg
Vászon Sávoly Atlasz
folyadék áteresztés rossz közepes jó
szemcse visszatartó képesség jó közepes rossz
iszaplepény eltávolíthatóság nehéz közepes könnyű
iszaplepény maradó nedvessége nagy közepes kicsi
eltömődési hajlam nagy közepes kicsi
Vegyipari műveletek I.
93
Szűrési fázisok segédanyag esetén
Vegyipari műveletek I.
94
- A folyadék a szemcsék közti üres térben áramlik, ezt a kapillárisok geometriája befolyásolja.
- A szűrlet átáramlásához legyőzendő ellenállások: Δ𝑝 = Δ𝑝𝑙 + Δ𝑝𝑚- szűrőberendezés vezetékei és szerelvényei: Δpsz- szűrőközeg ellenállása: (összevonjuk az előbbivel) Δ𝑝𝑚 = Δ𝑝𝑘 + Δ𝑝𝑠𝑧- iszaplepény ellenállása: Δpl
Lepényellenállás
- Egységnyi felületen, egységnyi idő alatt átáramló szűrletmennyiség: 𝑣 =1
𝐴
𝑑𝑉
𝑑𝑡
- Darcy-féle egyenlet: (homokra, a kd a homokra jellemző áteresztő-képesség [m2])
𝑣 =𝑄𝑘𝐴
= 𝑘𝑑Δ𝑝
𝑙𝜂
- Az előzőek egyenlőségéből az iszaplepény nyomásesése: Δ𝑝𝑙=𝜂
𝐴
𝑙
𝑘𝑑
𝑑𝑉
𝑑𝑡
- Helyettesítés:𝑙
𝑘𝑑=
𝛼𝑐𝑉
𝐴
ahol α a fajlagos lepényellenállás [m/kg],
c az egységnyi térfogatból felhalmozódó részecskék tömege [kg/m3].
- Így az iszaplepényen eső nyomásveszteség: Δ𝑝𝑙=𝜂
𝐴
𝛼𝑐𝑉
𝐴
𝑑𝑉
𝑑𝑡
A szűrés elmélete
Vegyipari műveletek I.
95
Szűrőközeg ellenállása
- A szerelvények ellenállásával összevonva: Rm- Egységnyi felületen, egységnyi idő alatt átáramló szűrletmennyiség: 𝑣 =
1
𝐴
𝑑𝑉
𝑑𝑡
- Darcy-féle egyenlet a közeg ellenállására vonatkozóan: 𝑣 =𝑄𝑘
𝐴=
Δ𝑝
𝑅𝑚𝜂
- Az előzőek egyenlőségéből a szűrőközeg nyomásesése: Δ𝑝𝑚=𝜂
𝐴𝑅𝑚
𝑑𝑉
𝑑𝑡
A teljes nyomásesés
Δ𝑝 =𝜂
𝐴
𝛼𝑐𝑉
𝐴+ 𝑅𝑚
𝑑𝑉
𝑑𝑡
- Átrendezve: Carman-féle szűrőegyenlet: (akkor igaz, ha az iszaplepényt összenyomhatatlannak
feltételezzük)
𝑑𝑉
𝑑𝑡=
Δ𝑝𝐴
𝜂𝛼𝑐𝑉
𝐴+ 𝑅𝑚
A szűrés elmélete
Vegyipari műveletek I.
96
A teljes nyomásesés
Δ𝑝 =𝜂
𝐴
𝛼𝑐𝑉
𝐴+ 𝑅𝑚
𝑑𝑉
𝑑𝑡
- Átrendezve: Carman-féle szűrőegyenlet: (akkor igaz, ha az iszaplepényt összenyomhatatlannak
feltételezzük)𝑑𝑉
𝑑𝑡=
Δ𝑝𝐴
𝜂𝛼𝑐𝑉
𝐴+ 𝑅𝑚
A szűrés elmélete
1. Megoldás állandó nyomáskülönbség esetén:
- A szűrést állandó nyomáson elvégezve integrálható az egyenlet: (az
iszaplepényt összenyomhatatlannak feltételezzük!)
න
0
𝑡
𝑑𝑡 =𝜂
𝐴Δ𝑝
𝛼𝑐
𝐴න
0
𝑉
𝑉𝑑𝑉 + 𝑅𝑚 න
0
𝑉
𝑑𝑉
𝑡 =𝜂
Δ𝑝
𝛼𝑐
2
𝑉
𝐴
2+ 𝑅𝑚
𝑉
𝐴vagy
𝑡
𝑉=
𝛼𝑎𝑐
2Δ𝑝𝐴2𝑉 +
𝜂𝑅𝑚
Δ𝑝𝐴vagy
𝑡
𝑉= 𝑎𝑉 + 𝑏
ahol a szűrési állandók: 𝑎 =𝜂∙𝛼∙𝑐
2∙Δ𝑝∙𝐴2; 𝑏 = 𝑅𝑚 ∙
𝜂
Δ𝑝∙𝐴
Vegyipari műveletek I.
97
A teljes nyomásesés𝑑𝑉
𝑑𝑡=
Δ𝑝𝐴
𝜂𝛼𝑐𝑉
𝐴+ 𝑅𝑚
2. Megoldás állandó sebesség esetén:
- Állandó sebességű szűrés esetén:𝑑𝑉
𝑑𝑡= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡. =
𝑉
𝑡
- Behelyettesítve a Carman-féle szűrőegyenletbe:1
𝐴
𝑑𝑉
𝑑𝑡=
Δ𝑝
η 𝛼𝑐𝑉
𝐴+𝑅𝑚
Δ𝑝 =η𝛼𝑐𝑉
𝐴2𝑡𝑉 +
η𝑉𝑅𝑚𝐴𝑡
Δ𝑝 = 𝑎′𝑉 + 𝑏′- Szintén lineáris összefüggéshez jutunk
Összenyomható iszapok
- A lepény fajlagos ellenállása (Carman-Kozeny összefüggés): 𝛼 =𝑘1 1−𝜀
2𝑓𝑓𝑎𝑗𝑙2
𝜀3
- Összenyomható esetben a porozitás a helytől függően és az idő függvényében is változik. (A
szűrőlepény porozitása a szűrőközegtől távolodva növekszik): 𝜀𝑥 = 𝜀0𝑝𝑠−𝜆 (λ=0-0,05)
A szűrés elmélete
Vegyipari műveletek I.
98
Mélységi szűrés
- Pl.: ivóvíz-előkészítés, kolloid méretű szennyezők eltávolítása, cigaretta füstszűrője, stb. →
mélységi szűrők (szemcsés anyaggal töltött oszlopok, szálas szerkezetek)
- A szűrőközeg részecskéi között kialakuló csatornák mérete legtöbbször meghaladja az
eltávolítandó részecskék méretét
- Töltet: általában több rétegű, benne felülről lefelé csökkenő nagyságú, növekvő sűrűségű
rétegekben (antracit, homok, kőzúzalék, kavics)
- A leválasztott részecskék a szűrőközeg belsejében rakódnak le.
- A szűrőközeg általában szemcsés anyag, a folyadék szilárd anyag tartalma általában kicsi (
Vegyipari műveletek I.
99
Mélységi szűrés
- Nyitott homokszűrő működési elve
A szűrés elmélete
1. Vízelosztó csatorna
2. Tiszta szűrő feletti
minimális vízszint
3. Eltömődött szűrő
feletti maximális
vízszint
4. Szűrőréteg
5. Szűrőgyertya
6. Szűrtvíz-állványcső
7. Öblítőzagy-elvezető
vályú
8. Öblítővíz
9. Öblítőlevegő
10. Leürítés
11. Rendelkezésre álló
nyomásveszteség
Vegyipari műveletek I.
100
Folyadékszita
- Csővezetékbe iktatható
- Durva, felületi szűrésre.
- A nyílásaiknál nagyobb szemcséket tartják vissza.
- Szűrőközeg: lyukasztott lemez, durva rács v. fémszövet
- Alkalmazás: folyadéktartályokban, technológiai
csővezetékekben
- A kiszűrt anyag a szitakosárba kerül.
Szűrőberendezések
1. Szitakosár2. Fedél
Vegyipari műveletek I.
101
Szűrőprések, keretes szűrőprés
- Több párhuzamosan kapcsolt szűrőelemből áll, szakaszos működés. A szűrendő
folyadékot az elemek közé nyomják.
- Nagyobb iszapűrtartalom, hosszabb élettartam, könnyebb cserélhetőség! Az iszaptér
kialakítása kerettel történik. Iszap kimosása: egyenáramú mosással vagy egyen-, és
ellenáram kombinációval, szétszereléssel.
Szűrőberendezések
1. álló rész
2. mozgó fejrész
3. szűrőlap
4. mosólap
5. keret
6. szűrőkendő
7. iszaplepény
8. szűrletkifolyás
9. szuszpenzió betáplálás
10. mosófolyadék bevezetése
11. mosófolyadék elvezetése
Vegyipari műveletek I.
102
Szűrőprések, keretes szűrőprés
Szűrőberendezések
Vegyipari műveletek I.
103
Gyertyás szűrő
- Nyomószűrő
- Csőkötegszerű cső alakú szűrőelemek = szűrőgyertyák (anyaguk: lyukacsos kerámia,
fémszita, műanyag, textília, lyukacsos zsugorított fém, L=1m)
- A szűrés kívülről befelé történik.
- A szűrlet a csőkötegfal és az edényfenék közötti térben gyűlik össze.
Szűrőberendezések
1. Szűrőgyertyák
2. folyadék bevezetése
3. iszapeltávolítás
(ellenáramú
öblítéssel/levegőnyomással)
4. szűrlet elvezetése
Vegyipari műveletek I.
104
Gyertyás szűrő
Szűrőberendezések
Vegyipari műveletek I.
105
Belső szűrésű vákuumszűrő
- Forgódobos szűrő
- Vízszintes tengelyű fekvő henger. Gyorsan ülepedő nagyobb szemcséket tartalmazó
folyadékok szűrésére. Az iszapkihordás nem valósítható meg a szűrődobban!
Szűrőberendezések
1. dob
2. cellák
3. alátámasztó görgők
4. szűrendő anyag bevezetése
5. szállítócsiga
Vegyipari műveletek I.
106
Dobszűrő
Szűrőberendezések
1. Szűrődob
2. Vályú
3. Elosztófej
4. Iszapleszedő kés
5. Szívócsatlakozás
6. Sűrített levegő csatlakozás
7. Szuszpenzió bevezetése
8. Túlfolyó
Vegyipari műveletek I.
107
Dobszűrő
Szűrőberendezések
https://www.youtube.com/watch?v=v-GIfMcQ_nw
Vegyipari műveletek I.
108
Szívótömlős szűrő
- Szűrőelemek: hengeres, felül zárt szövettömlők; zárt házban.
- Poros gáz: alul, a tömlők nyitott száján át, a por a tömlő belső felületén válik ki
- Tisztított gáz: gyűjtőcsatornán át
- Tisztítása: felső pillangószelep elzárása + tisztítólevegő felülről, közben leállítják a
szerkezetet (több szerkezet párhuzamosan kötve, így nem jelent gondot)
- Nagyon jó hatékonyság
Szűrőberendezések
Vegyipari műveletek I.
109
Szívótömlős szűrő
Szűrőberendezések
Vegyipari műveletek I.
110
Zsákos tömlős szűrő
- A poros levegő a tömlők külsejétől a belseje felé áramlik
→ merevítő rácsozat
- Tisztítása: pulzáló tisztítólevegő, üzem közben, leállás
nincs
- Gyapjú, műszál, üvegszál
- Élelmiszeripar (mikroorganizmusoknak ellenáll)
- Műszál, üvegszál: jó mechanikai tulajdonságok,
kopásálló, kevéssé nedvszívó
- Kevésbé jó tisztítási hatékonyság
- Nagyon meleg gázok: üvegszálas tömlők (max. 250-
300°C-ig)
Szűrőberendezések
Vegyipari műveletek I.
111
6. Előadás
Gáz-szilárd rendszerek szétválasztása
Vegyipari műveletek I.
112
- Gáz-szilárd (poros gáz) rendszerek szétválasztására szolgáló művelet, mely során a
gázból a szilárd szemcséket kiválasztjuk.
- Cél: Por eltávolítása füstgázokból, portartalmú véggázokból, levegőből →
környezetvédelem (füstgáztisztítás, szállópor, üzemek levegőjének tisztán tartása),
értékes termékek por alakban (pl. őrlés, porlasztva szárítás, pneumatikus szállítás,
koromgyártás, stb.)
- Módjai:
- Nedves: gázmosók
- Száraz: ülepítők, ciklonok, porszűrők, elektrosztatikus leválasztók
(Porrobbanások kockázata!)
- Porterhelés: a gáz/levegő egységnyi térfogatában található por mennyisége. Jele: r;
[μg/m3 , g/m3 , mg/m3]
- Szálló por egészségügyi határérték:
50 μg/m3 (PM10), 150 μg/m3 (PM2,5)
- Vörösiszap-katasztrófa: 2010. 10. 4.
- 2011. 02. 03 – 02. 09 közt Devecseren: 67,6-108 μg/m3
Porleválasztás
Szabadban ~ 0,04 – 0,08
mg/m3
Városban ~ 0,1 mg/m3
Ipartelepen ~ 0,3 mg/m3
Poros
üzemrészekben
~ 0,45 mg/m3
Vegyipari műveletek I.
113
Leválasztó készülékek típusai:
- Gravitációs elven működő: porkamrák, Howard-féle porkamrák, ütközéses
porleválasztók, zsákos szűrő, tömlős szűrő
- Centrifugális elven működő: ciklonok, multiciklonok, Venturi-mosók
- Elektromos térerőt kihasználó: elektrofilterek
Portalanítás hatásossága:
- Abszolút portalanítási fok: a teljes leválasztott pormennyiség és a nyersgáz
pormennyiségének aránya.
- Relatív portalanítási fok: valamely szemcseméret-frakció teljes mennyiségéből hány
százalékot választ le a berendezés.
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
114
- Határszemcse: az a legkisebb méretű szemcse, amelynél nagyobbat a porleválasztó
készülék 100%-ban leválaszt (gyakorlatban 99,5%-ban)
- Fontos üzemi jellemző: a belépés és a kilépés közötti nyomáskülönbség (ellenállás)
Porleválasztás
Porleválasztó Határszemcse (μm)
Porkamrák 100 - 200
Multiciklonok 5 - 10
Elektrosztatikus leválasztók 0,5 - 5
Ultraszűrők ~ 2
HEPA szűrők
Vegyipari műveletek I.
115
Porszűrők
- Megfelelő szűrőanyagból készített tömlőn átvezetve a gáz jól tisztítható. A por a
szűrőszövet belső felületén felgyülemlik, a tisztított gáz a szövet kis nyílásain át
távozik.
- Pl. porszívó, autók légszűrői, pollenszűrői
- Leválasztási hatásfok (abszolút portalanítási fok): ≈99%
- Határszemcse: ≈0,5μm
- Ismétlés:
- Felületi szűrés: a leválasztott részecskék a szűrőközeg felületén gyűlnek össze és
a továbbiakban szűrőközegként viselkednek.
- Mélységi szűrés: a leválasztott részecskék behatolnak a szűrőközeg belsejébe és
ott megakadnak, a továbbiakban részt vesznek a szűrésben, és eltömítik a
szűrőt.
- Valóságban: vegyes eset.
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
116
Porszűrők
- Szűrőszövetek (porzsákok, …)
- Szívótömlős szűrő
- Zsákos tömlős szűrő
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
117
Porkamrák
- Légvezetékbe iktatják
- Gáz előtisztítására, nagyobb szennyeződések
kiszűrésére
- Határszemcse: ülepedési idő = tartózkodási idő
- Annál kisebb, minél kisebb a porkamra
magassága és minél hosszabb a kamra
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
118
Porkamrák
- A keresztmetszet-növekedés eredményeként áramlási
sebességcsökkenés jön létre
- Alapja: kontinuitási egyenlet:
- Vízszintes irányban - tartózkodási idő:
𝜏𝑡 =𝐿
𝑣- Függőleges irányban – ülepedési idő:
𝜏ü =𝐻
𝑤0- Határszemcse esetén megegyeznek!
- Porkamra abszolút portalanítási foka: η𝐺 =𝐿∙𝑣𝑓ü𝑔𝑔
𝐻∙𝑣𝑣í𝑧𝑠𝑧∙ 100%
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
119
Cikonok
- A centrifugális erőt használják ki
- Aerociklon vagy hirdociklon
- Nincs mozgó alkatrész
- Részei: hengeres palástrész, kúpos palástrész, tangenciális beömlő csonk,
örvénykereső cső
- Működése: a belépő poros levegő körpályára kényszerül, a centrifugális erő hatására a
szilárd szemcsék egy része kiválik a paláston és spirálisan a kúpos részbe távozik
- portalanítási fok javítható a gázmennyiség és a ciklon átmérőjének növelésével (nő a
nyomásveszteség és az üzemköltség)
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
120
Cikonok
- A belépő szakasz kialakításai: tangenciális, helikális, axiális, spirális
- Célzóna eróziója vagy lerakódások → megerősítés
Porleválasztás
Különböző típusú belépő szakaszok
A célzónában erősített hengeres test
Vegyipari műveletek I.
121
Cikonok
- Szilárd részecskék kivezetése: a szemcsék visszaáramolhatnak a ciklonba
Porleválasztás
Különböző geometriájú alsó porgyűjtő oldal
Vegyipari műveletek I.
122
Cikonok
- Áramlási viszonyok:
Porleválasztás
a) tangenciális, b) radiális, c) axiális sebességek
Vegyipari műveletek I.
123
Cikonok
- Méretezési viszonyszámok:
𝑏𝑒𝑙é𝑝ő 𝑘𝑒𝑟𝑒𝑠𝑧𝑡𝑚𝑒𝑡𝑠𝑧𝑒𝑡
ö𝑟𝑣é𝑛𝑦𝑘𝑒𝑟𝑒𝑠ő 𝑐𝑠ő 𝑘𝑒𝑟𝑒𝑠𝑧𝑡𝑚𝑒𝑡𝑠𝑧𝑒𝑡𝑒=
𝐴0
𝐴1= 0,5 … 1,8
𝑐𝑖𝑘𝑙𝑜𝑛 𝑡𝑒𝑙𝑗𝑒𝑠 𝑚𝑎𝑔𝑎𝑠𝑠á𝑔𝑎
ö𝑟𝑣é𝑛𝑦𝑘𝑒𝑟𝑒𝑠ő 𝑐𝑠ő 𝑠𝑢𝑔𝑎𝑟𝑎=
𝐻
𝑟1= 10 … 25
ö𝑟𝑣é𝑛𝑦𝑘𝑒𝑟𝑒𝑠ő 𝑐𝑠ő 𝑏𝑒𝑛𝑦ú𝑙á𝑠𝑎
ö𝑟𝑣é𝑛𝑦𝑘𝑒𝑟𝑒𝑠ő 𝑐𝑠ő 𝑠𝑢𝑔𝑎𝑟𝑎=
𝑠
𝑟1= 3
𝑏𝑒𝑙é𝑝ő 𝑐𝑠𝑜𝑛𝑘 𝑠𝑧é𝑙𝑒𝑠𝑠é𝑔𝑒
𝑏𝑒𝑙é𝑝é𝑠 𝑡á𝑣𝑜𝑙𝑠á𝑔𝑎=
𝑏
𝑟0= 0,2 … 0,5
𝑐𝑖𝑘𝑙𝑜𝑛 𝑠𝑢𝑔𝑎𝑟𝑎
ö𝑟𝑣é𝑛𝑦𝑘𝑒𝑟𝑒𝑠ő 𝑐𝑠ő 𝑠𝑢𝑔𝑎𝑟𝑎=
𝑟2
𝑟1= 3 … 4
Porleválasztás
A0 .. Belépő keresztmetszet [m2] 𝐴0 = 𝑎 ∙ 𝑏
d1 .. Örvénykereső cső átmérője [m]
d2 .. Hengeres palást átmérője [m]
H .. Ciklon teljes magassága [m] ℎ = 𝐻 − 𝑠s .. Örvénykereső cső benyúlása a ciklonba [m]
c0 .. Belépő porkoncentráció [kg/m3]
c1 .. Kilépő porkoncentráció [kg/m3] (örvénykereső csövön)
r0 .. Poros gáz belépési pontja [m] 𝑟0 =𝑑2
2−
𝑏
2
Vegyipari műveletek I.
124
Cikonok; Határszemcse számítása:
Elhanyagolások:
- a szemcsék mozgás közben egymást nem befolyásolják
- a szemcsék mozgása a Stokes-tartományba esik
- a leválasztás feltétele, hogy a szemcse eléri a ciklon falát
- gömbszemcsét feltételezünk
- a belépő nyílásban a gázsebesség és a szemcseeloszlás egyenletes
- a ciklonban a gáz és a szemcse csavarmenetben, együtt mozog
- a ciklonban a gázáram alakja a befúvás alakjával azonos marad
- a közeg legnagyobb kerületi sebessége az örvénykereső cső átmérőjével megegyező
átmérőjű, h magasságú hengeres felületen van (maximális kerületi sebesség, közel
állandó radiális sebesség) → a határszemcsét erre a sugárra határozzuk meg (R0)
(radiális ülepedési sebességből)
Porleválasztás
𝑑ℎ =18𝜂𝑅0𝑤0
𝜌𝑠𝑧𝑣𝑡02
𝑣𝑟 =𝑄
2𝑅0𝜋ℎ
𝑑ℎ =9𝜂𝑄
𝜋ℎ𝜌𝑠𝑧𝑣𝑡02
Vegyipari műveletek I.
125
Cikonok áramlási viszonyai
Barth-elmélet:
- A határszemcsét az örvénykereső csővel azonos átmérőjű
kontrollfelületen állapítjuk meg
- A szemcse jellemző esési sebessége 𝑣𝑒∗ (a kontrollfelületen
fellépő 𝑣𝑟 radiális sebesség középértékéből)- Erőegyensúlyokat feltételezve: centrifugális erő = súrlódó erő
𝑣𝑒∗ =
𝑉 ∙ 𝑔
2𝜋 ∙ ℎ ∙ 𝑤𝑡12
ahol a 𝑤𝑡1 tangenciális szemcsesebesség (kontrollfelületen)meghatározása szükséges:
- α belépési veszteségtényező (a sugár összenyomódása):
- Az A0 keresztmetszeten v0 közepes sebességgel r0 sugáron
beáramló gáz az r2 sugarú ciklonban összehúzódik és v2sebességre gyorsul. A belépő keresztmetszet
impulzusnyomatéka Mb, ami a ciklon belsejében Mr lesz.
A belépési sugár összehúzódási együtthatója:
𝛼 =𝑀𝑏𝑀𝑟
=𝜌𝑄𝑣0𝑟0𝜌𝑄𝑣2𝑟2
=𝑣0𝑟0𝑣2𝑟2
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
126
Cikonok
Barth-elmélet:
𝛼 =𝑀𝑏𝑒
𝑀𝑐𝑖𝑘𝑙𝑜𝑛=
𝜌𝑄𝑣0𝑟0𝜌𝑄𝑣0𝑟2
=𝑣0𝑟0𝑣2𝑟2
- Spirális belépésnél 𝛼 ≈ 1, egyszerű tangenciális belépésnél 𝛼 ≈0,2 − 1, más forrás szerint 𝛼 ≈ 0,5 − 0,7
- Átrendezve, a ciklonban fellépő kerületi sebességet kifejezve:
𝑣2 =1
𝛼∙ 𝑣0 ∙
𝑟0𝑟2
- A ciklonfal menti kerületi sebesség:
𝑤𝑡2 =𝛼 ∙ 𝑟2 ∙ 𝑣0
𝑟0- Maximális tangenciális sebesség: örvénykereső csőben lép fel
(legkisebb átmérőjű keresztmetszetek d1 sugáron):
𝑣1 = 𝑣2 ∙
𝑟2𝑟1
1 + λ ∙𝐻𝑟1
∙𝑟2𝑟1
∙𝑣2𝑣1
=𝑣0
𝛼 ∙𝑟1𝑟0
𝐴0𝐴1
+ λ ∙𝐻𝑟1
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
127
Cikonok
- A ciklon ellenállása:
- A belépéstől az örvénykereső cső bejáratáig: 𝑟𝑅 = 𝑟1 ∙ 𝑟2 sugarú, H magasságú
képzeletbeli hengeren lép fel a súrlódás az áramló gázban
+
- Az örvénykereső csövön keresztüli átáramlási veszteség
Δ𝑝 =𝜌12
𝑤𝑡22 𝑟2𝑟1
−𝜌12
𝑤𝑡12 𝑟1𝑟2
- Egyszerűsítve:
Δ𝑝 = ζ𝜌
2∙ 𝑣1
2
- ahol 𝑣1 =𝑄
𝐴1
- Ellenállás-tényező: ζ = 1,2 ∙ ζ1
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
128
Cikonok
- Veszteség nélküli javítás: arányos méretcsökkentés és sorba kapcsolt ciklonok
(multiciklon)
- Feleakkora határszemcse → 16 db kisméretű ciklon
- Kb. 67-97% portalanítási fok
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
129
Cikonok
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
130
Elektrosztatikus porleválasztók/elektrofilterek
- Cottrell-elv: „koronahatás”
- Egyenirányított villamos áram, ionizáció
- Negatív pólus: ionizáló elektródra; pozitív pólus: porgyűjtő elektródra + földelés
- Villamos tér keletkezik, a töltött gázionok ütköznek a semleges gázmolekulákkal
és polarizálják
- A negatív ionok a pozitív pólus felé vándorolnak és elvesztik a töltésüket
- A leválasztott por magától távozik
Porleválasztás
- Hátrány: sok ózon keletkezik;
könnyen eltömődik
- Előny: nedves üzemben is
használható: savas ködök,
kátránycseppek
- Finom részecskék (>0,1μm)
leválasztására
- Igen jó hatásfok (99,9%)
- Kis nyomásveszteség és kis
energiafelhasználás, de nagy
beruházási költség
Vegyipari műveletek I.
131
Elektrosztatikus porleválasztók
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
132
Gázmosók
- A gázt cseppfolyós anyagon vezetik át → a porszemek
nagy része benne marad és leülepszik
- Hasonló elv, mint a ciklonoknál (örvénylő mozgás, kúpos
részen távozik az iszap)
- Venturi-mosó: 50-150 m/s sebességű poros gáz
- A diffúzorban a porszemcsék a cseppekre tapadnak, és a
lapátkoszorún át távoznak
- Kis helyszükséglet
- Határszemcse: 0,1-0,4 μm
- Leválasztási fok: 96-98%
- gyúlékony vagy erősen korrozív anyagot kellene
elválasztani a gáz fázistól és az elektrosztatikus tisztító
vagy a szűrők nem alkalmazhatóak
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
133
Cseppfogók, cseppleválasztók
- Gáz által elragadott cseppek visszatartására
- Működési elv: áramlási sebesség csökkentése, irányelterelés, ütköztetés
- Betétes cseppfogók:
- Műanyag vagy fémlemez betét
- Görbületek → a csepp nem tudja követni
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
134
Porleválasztás
Vegyipari műveletek I.
135
7. Előadás
Centrifugálás
Vegyipari műveletek I.
136
Gépe: a centrifuga
- Dobja:
- hengeres vagy kúpos kialakítású
- köpenye vagy perforált vagy nem perforált kivitelű.
- Perforált kivitel esetében = szűrési művelet
- Nem perforált esetben, és ha a szuszpenzió
szárazanyag-tartalma kisebb, mint 2% akkor
centrifugális derítésről, ha nagyobb akkor
ülepítésről beszélünk.
Elvégzendő műveletek:
- Nem keveredő folyadékok szétválasztása.
- Folyadékban lévő diszperz szilárd anyag eltávolítása.
- Felesleges folyadék eltávolítása szilárd anyagból.
Centrifugálás
- Egyéb különleges esetekben: gázok szétválasztása, molekulatömeg meghatározása
stb.
Vegyipari műveletek I.
137
- Centrifugális erőtér előállítása: tengely körül forgó rendszerrel.
- A körhenger alakú dob a tengely körül állandó ω szögsebességgel forog.
- A szemcsére ható erők:
𝐶 = 𝑚 ∙ 𝑟 ∙ 𝜔2 centrifugális erő𝐺 = −𝑚 ∙ 𝑔 gravitációs erő
- Az eredő erő és a centrifugális erő közötti szög:
𝑡𝑔𝛼 =−𝑚∙𝑔
𝑚∙𝑟∙𝜔2=
−𝑔
𝑟∙𝜔2
- Az érintő nem más mint a -1/tgα, azaz:𝑑𝑦
𝑑𝑟=
𝑟∙𝜔2
𝑔
- A felület egyenletét integrálással kapjuk meg:
𝑦 =𝑟2∙𝜔2
2𝑔
- A kialakuló folyadékfelszín (az egyenlet alapján) forgási paraboloid lesz.
Centrifugálás
- A jelzőszám a centrifugában kialakuló centrifugális és gravitációs erőtér nagyságának
aránya.
𝑗 =𝑟 ∙ 𝜔2
𝑔
- Ha j>100, akkor a kialakuló felület koaxiális hengernek tekinthető.
Vegyipari műveletek I.
138
- Egy szemcsére lamináris áramlás esetén az erőegyensúly:
𝑑3𝜋
6𝜌𝑠𝑧 − 𝜌𝑓 𝑟𝜔
2 = 3𝜋𝑤𝑑η
Centrifugális erő – felhajtóerő(centrifugális erőtérben) = közegellenállás
- Rendezzük az előbbi egyenletet w-re, majd szorozzuk meg
a számlálót és a nevezőt is g-vel:
𝑤 =𝑑2 𝜌𝑠𝑧 − 𝜌𝑓 𝑔
18η
𝑟𝜔2
𝑔= 𝑣0𝑗
ahol v0 a Stokes-féle ülepedési sebesség.
Átmeneti áramlásnál a jelzőszám 2/3-on, míg turbulens
áramlásnál négyzetgyök alatt van.
Centrifugálás
Vegyipari műveletek I.
139
Tartózkodási idő, határszemcse
- Ha egy szemcse kevesebb ideig tartózkodik a centrifuga
dobjában, mint az ülepedéshez szükséges idő, akkor
biztosan távozni fog a dobból.
- Tartózkodási idő: a rendelkezésre álló (szediment)térfogat
és a bevezetett térfogatáram függvénye.
𝑡𝑡𝑎𝑟𝑡 =𝑉
𝑄
- Ülepedési idő: az ülepedési sebesség és az ülepedési út (H)
függvénye:
𝑡ü =𝐻
𝑤- Határszemcse esetén: 𝑡𝑡𝑎𝑟𝑡 = 𝑡ü
- A bevezetendő térfogat mennyisége:
𝑄 =𝑉𝑤
𝐻=
𝑉𝑣0𝑗
𝐻= 𝐴𝑣0𝑗 = Σ𝑣0
Centrifugálás
Vegyipari műveletek I.
140
- A Σ egyenértékű derítőfelület megmutatja, hogy az adott centrifugális erőteret
kihasználó ülepítő mekkora gravitációs ülepítő felülettel egyenértékű.
- Ha a centrifuga közepes felülete:
𝐴 = 𝐷 − 𝐻 𝜋𝐿akkor
Σ = 𝐴 ∙ 𝑗 = 𝑘ö𝑧é𝑝𝑓𝑒𝑙ü𝑙𝑒𝑡 ∙ 𝑗𝑒𝑙𝑧ő𝑠𝑧á𝑚 = 𝐷 − 𝐻 𝜋𝐿𝐷 − 𝐻 𝜔2
2𝑔=
𝐷 − 𝐻 2𝜋𝐿𝜔2
2𝑔
- A centrifugában lévő folyadékmennyiség térfogata:
𝑉 =𝐷2𝜋
4−
𝐷 − 2𝐻 2𝜋
4𝐿 = 𝐷 − 𝐻 𝐻𝜋𝐿
- Határszemcse:
𝑑 =18η𝑄𝐻
𝜌𝑠𝑧 − 𝜌𝑓 𝑉𝑟𝜔2
Centrifugálás
Vegyipari műveletek I.
141
- Osztályozási szempontok:
- Működésük szerint: szakaszos vagy folytonos üzeműek.
- A velük végrehajtó művelet szerint: szűrő, ülepítő, derítő és emulzióbontó
centrifugák.
- További felosztás alapját képezheti pl. a hajtás módja, elhelyezése, a szilárd
anyag eltávolítása stb.
- A centrifugákat az alábbi csoportosítás szerint tárgyaljuk:
- Szakaszos üzemű centrifugák.
- Folytonos üzemű szűrőcentrifugák.
- Folytonos üzemű ülepítő centrifugák.
- Derítő és emulzióbontó centrifugák.
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
142
Szakaszos üzemű centrifugák
- szűrő és ülepítő kivitelben
- Szűrőcentrifugák:
- dobköpenye lyukasztott lemezből készül.
- A lyukak átmérője általában 5-7 mm
- szuszpenziók szétválasztására szitaszövetből vagy vékony lyukasztott lemezből
betétet helyeznek el a dobköpeny belső oldalára.
- A perforált lemezbetétet dróthálóval támasztják alá.
- Ülepítő centrifugák:
- a szuszpenzióból kiülepedett szilárd szemcsék a dob falára rakódnak le, míg a
folyadék beljebb helyezkedik el.
- A folyadék eltávolítása menet közben elszívó csővel vagy túlfolyással, nyugalmi
állapotban pedig a dob fenekén lévő nyílásokon keresztül történik.
Centrifugálás berendezései
1 - perforált lemez
2 - alátét huzalháló
3 - szűrőszövet
4 - iszaplepény
5 - folyadék
Vegyipari műveletek I.
143
Szakaszos üzemű centrifugák
Ingacentrifugák
- A kiegyensúlyozatlan tömegek káros hatását jobban el lehet kerülni az
ingacentrifugáknál.
- Meghajtása: betétmotoros vagy oldalmotoros.
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
144
Szakaszos üzemű centrifugák
Ingacentrifugák
Centrifugálás berendezései
- A centrifugadob három ponton
csuklósan felfüggesztett.
- A töltés álló helyzetben illetve
csökkentett fordulatszámon
lehetséges.
- Ürítés gyakran felülről
történik.
- Korszerűbb centrifugák alsó
ürítéssel ellátottak.
- Dobátmérő: 0,3 – 2 m
- Jelzőszám: 400-1300
Vegyipari műveletek I.
145
Szakaszos üzemű centrifugák
Függő centrifugák
- A centrifuga tengelye felső végénél fogva csuklósan van
felfüggesztve a vasszerkezeti állványhoz.
- Rendszerint alsó ürítésű.
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
146
Szakaszos üzemű centrifugák
Önürítő függő centrifuga
- A dob alsó része kúpos, hajlásszöge nagyobb
mint a szilárd anyag rézsűszöge
- Betöltés: lassú forgás közben töltik az
elosztótárcsára
- Leállítás után az anyag magától kicsúszik a
dobból
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
147
Szakaszos üzemű centrifugák
Hámozó centrifuga – dobmegoldások
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
148
Szakaszos üzemű centrifugák
Hámozó centrifuga – szerkezeti megoldások
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
149
Szakaszos üzemű centrifugák
Hámozó centrifuga – működési szakaszok
Centrifugálás berendezései
a - Töltés és szétválasztás b - Iszaplepény eltávolítása
1 - cső, 2 - szűrlet, 3 - kihordó csiga, 4 - kés
Vegyipari műveletek I.
150
Folytonos üzemű centrifugák
- Folytonos üzemű szűrő centrifugáknál a szuszpenzió állandó, folytonos beadagolása
mellett nemcsak a folyadék, hanem az iszaplepény és a szilárd anyag eltávolítása is
folytonosan történik a centrifugából.
- Kiküszöbölik a szakaszos üzem hátrányait, energiaigényük lényegesen kisebb és
egyenletes.
- Előnyük a kisebb helyszükséglet melletti nagyobb teljesítmény.
- A termék egyenletes minőségű.
- Az esetleg fellépő káros rezgések miatt általában rugalmas alapozást készítenek.
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
151
Folytonos üzemű centrifugák
Pulzáló centrifuga
- A dob belső palástján a szilárd anyagot a tolólap
előre haladva eltolja a szitafelületen.
- Visszafelé mozgáskor a közelében levő dobrész
megtelik anyaggal, amely azután a legközelebbi
előre mozgásnál az előbbivel együtt tovább jut. Ha
mosás is szükséges, akkor mosófolyadékot is be
lehet juttatni a dob belsejébe.
- A dobok 160...1400 mm átmérővel készülnek.
- A jelzőszám: 250...800.
- A tolólap percenkénti löketszáma: 20...80.
- Az iszapréteg vastagsága 20...40 mm (max. 120
mm).
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
152
Folytonos üzemű centrifugák
Kúpos centrifuga
- Elnevezésüket a dob alakjáról kapták.
- A szuszpenziót a dob kisebb átmérőjénél adják be, a kúpos dobon való áthaladás
közben a szitabetéten át eltávozik a folyadék.
- A szilárd anyag a nagyobb kúpátmérőnél hagyja el a forgórészt.
- Az anyag áthaladására leginkább az anyag és a szitabetét közötti súrlódási tényező
jellemző.
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
153
Folytonos üzemű centrifugák
Kihordó elem nélküli szűrőcentrifuga
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
154
Folytonos üzemű centrifugák
Vízszintes tengelyű vibrációs centrifuga
Centrifugálás berendezései
Vegyipari műveletek I.
155
Folytonos üzemű centrifugák
Csigás ülepítő (dektanter)
- A centrifugadob belsejében szállítócsiga van elhelyezve. A dobbal azonos irányba
forog, kissé eltérő sebességgel.
- A szuszpenziót a forgási középpontban elhelyezett betápláló csövön keresztül vezetik
be a forgó dob belsejébe. Itt a centrifugális erő hatására az iszap a dob falánál, míg a
kisebb fajsúlyú folyadék a belső koncentrikus rétegben helyezkedik el.
Centrifugálás berendezései
1 - csiga
2 - szuszpenzió
3 - mosófolyadék
4 - szűrlet
5 - mosási szűrlet
6 - szilárd anyag
- A szállítócsiga a dob egyik végébe szállítja az
üledéket, ahol az alkalmas nyíláson elhagyja a dobot.
A tisztított folyadék a dob másik vége felé halad és
állítható gáton át túlbukva távozik el.
Top Related