vegyipari mŰveletek i.vgt.uni-miskolc.hu/wp/wp-content/uploads/2013/02/... · vegyipari műveletek...

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


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.


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.


5

Bevezetés


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


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.


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)


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)


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


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


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


13


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


14


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


21

2. Előadás

Szemcseosztályozás


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).


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


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


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.


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:


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)


29


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


30


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


31


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


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


33


- 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


34


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)


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


36


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


37

Példa

Direkt tömeghányad/eloszlás: megmutatja, hogy az egyes szemcseméret-frakciók a teljes

részecsketömeg hány százalékát képezik.



38

Példa

Gyakoriság: az áthullás szemcseméret szerinti első differenciálhányadosa.

Maximumának helye a leggyakoribb szemcseméret.



39

Példa; szitaáthullás-maradvány görbe

Maradvány: az egyes sziták lyukméterénél nagyobb szemcsék tömegszázaléka.

Áthullás: az adott szita alá kerülő szemcsék tömegszázaléka.



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



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



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)(



43

3. Előadás

Aprítás


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



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


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.


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)


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


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


50

Részecskeméretek


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)


52


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


53


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


54


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


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


56

Aprító-törő gépek


57


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


58


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


59


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


60


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


61


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


62


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).


63


Görgő járat

Kolloidmalom

Kúpos törő


65

4. Előadás

Fluidizáció


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.


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



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.



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.



70

Folyási görbék


Deformációs időL

áts

zóla

gos

vis

zk

ozit

ás


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


72


- 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.


73


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


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


75


Ha Re = 4∙105 A CD(=0,075) görbe hirtelen lecsökken; Rittinger-árok, ekkor a gömb

homlokfelületén a lamináris határréteg turbulensre vált.

Pl. : golflabda


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



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.


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.



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)




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)


- 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


Δp Ágy nyomásesése

L0 Hézagmentes töltetmagasság

v0 Gázsebesség


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


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


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


85

Fúvókák, gázelosztók


86

Fluidizációs készülékek

Gyógyszergyári fluidszárító Többkamrás fluidszárító

1 gázbelépés

2 gázkilépés

3 szárítandó anyag

4 szárított anyag


87


Fluidágyas gázmosó Fluidizációs szárító

1 gázbelépés

2 gázkilépés

3 szárítandó anyag

4 szárított anyag


88


Inertgázos fluidizációs szárító kör


89

5. Előadás

Szűrés


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


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


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


93

Szűrési fázisok segédanyag esetén


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


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



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


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


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)



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 (


99

Mélységi szűrés

- Nyitott homokszűrő működési elve


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


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


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.


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


102

Szűrőprések, keretes szűrőprés



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.


1. Szűrőgyertyák

2. folyadék bevezetése

3. iszapeltávolítás

(ellenáramú

öblítéssel/levegőnyomással)

4. szűrlet elvezetése


104

Gyertyás szűrő



105

Belső szűrésű vákuumszűrő

- Forgódobos szűrő

- Vízszintes tengelyű fekvő henger. Gyorsan ülepedő nagyobb szemcséket tartalmazó

folyadékok szűrésére. Az iszapkihordás nem valósítható meg a szűrődobban!


1. dob

2. cellák

3. alátámasztó görgők

4. szűrendő anyag bevezetése

5. szállítócsiga


106

Dobszűrő


1. Szűrődob

2. Vályú

3. Elosztófej

4. Iszapleszedő kés

5. Szívócsatlakozás

6. Sűrített levegő csatlakozás

7. Szuszpenzió bevezetése

8. Túlfolyó


107

Dobszűrő


https://www.youtube.com/watch?v=v-GIfMcQ_nw


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



109

Szívótömlős szűrő



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)



111

6. Előadás

Gáz-szilárd rendszerek szétválasztása


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


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


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


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


116

Porszűrők

- Szűrőszövetek (porzsákok, …)

- Szívótömlős szűrő

- Zsákos tömlős szűrő

Porleválasztás


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


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


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


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


121

Cikonok

- Szilárd részecskék kivezetése: a szemcsék visszaáramolhatnak a ciklonba

Porleválasztás

Különböző geometriájú alsó porgyűjtő oldal


122

Cikonok

- Áramlási viszonyok:

Porleválasztás

a) tangenciális, b) radiális, c) axiális sebességek


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


𝑠

𝑟1= 3

𝑏𝑒𝑙é𝑝ő 𝑐𝑠𝑜𝑛𝑘 𝑠𝑧é𝑙𝑒𝑠𝑠é𝑔𝑒

𝑏𝑒𝑙é𝑝é𝑠 𝑡á𝑣𝑜𝑙𝑠á𝑔𝑎=

𝑏

𝑟0= 0,2 … 0,5

𝑐𝑖𝑘𝑙𝑜𝑛 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


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


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


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


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


128

Cikonok

- Veszteség nélküli javítás: arányos méretcsökkentés és sorba kapcsolt ciklonok

(multiciklon)

- Feleakkora határszemcse → 16 db kisméretű ciklon

- Kb. 67-97% portalanítási fok

Porleválasztás


129

Cikonok

Porleválasztás


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


131

Elektrosztatikus porleválasztók

Porleválasztás


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


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


134

Porleválasztás


135

7. Előadás

Centrifugálás


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.


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.


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


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


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


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


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.


1 - perforált lemez

2 - alátét huzalháló

3 - szűrőszövet

4 - iszaplepény

5 - folyadék


143


Ingacentrifugák

- A kiegyensúlyozatlan tömegek káros hatását jobban el lehet kerülni az

ingacentrifugáknál.

- Meghajtása: betétmotoros vagy oldalmotoros.



144


Ingacentrifugák


- 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


145


Függő centrifugák

- A centrifuga tengelye felső végénél fogva csuklósan van

felfüggesztve a vasszerkezeti állványhoz.

- Rendszerint alsó ürítésű.



146


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



147


Hámozó centrifuga – dobmegoldások



148


Hámozó centrifuga – szerkezeti megoldások



149


Hámozó centrifuga – működési szakaszok


a - Töltés és szétválasztás b - Iszaplepény eltávolítása

1 - cső, 2 - szűrlet, 3 - kihordó csiga, 4 - kés


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.



151


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).



152


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.



153


Kihordó elem nélküli szűrőcentrifuga



154


Vízszintes tengelyű vibrációs centrifuga



155


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.


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.

vegyipari mŰveletek i.vgt.uni-miskolc.hu/wp/wp-content/uploads/2013/02/... · vegyipari műveletek...

Documents