4. Heterogén rendszerek szétválasztása

Átírás

1 Heterogén renderek étválatása 4. Heterogén renderek étválatása A diperz, heterogén render, mint tudjuk egy elotott (diperzióban lévő - d) és egy folytonos (continuum - c) fázis keveréke. A fázisok halmazállapotától függően ezek a renderek különböző néven ismeretesek. Ezekről nyújt bepillantást az 4.1 táblázat táblázat. Szilárd-gáz-folyadék diperz renderek. Elotott Folytonos, külső fázis fázis Szilárd Cseppfolyós Gáz Szilárd Porkeverék Híg-upenzió Tömény-zagy Portartalmú gáz Füst Cseppfolyós Pata Pép Emulzió Köd Permet Gél Gáz Xerogél/spongya/habkő Hab - Ilyen renderek étválatására különböző hidrodinamikai és mechanikai módereket alkalmazunk. Például a ilárd-uidumot tartalmazó keverékek étválatását a következő műveletekkel valósíthatjuk meg: - Ülepítés; - Szűrés; - Centrifugálás; - Ultraűrés, membránűrés, stb. Míg az ülepítők a gravitációs erőt, a űrők a nyomáskülönbséget, a centrifugák a centrifugális térerőt hanálják a étválatásra. A étválatás célja lehet a tita uidum vagy a diperzióban lévő közeg kinyerése. Az ülepítő berendezésekben kapott ilárd fázis folyadéktartalma nagy, a űréskor kapott lepénnyé kisebb, míg a centrifuga által termelt ilárd fázisé nem haladja meg a - 5% ot. A étválatás hatásfokát (a kivált ilárd fázist tartalmazó anyag ilárd

2 Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban fázistartalma) elemezve, megállapítható, hogy a legnagyobb étválatási fokot a centrifuga biztosítja, míg a legkisebbet az ülepítés Az ülepítés és berendezései Nagyon sok ipari és környezetvédelmi berendezésben a heterogén renderek étválatására ülepítőket alkalmaznak. Itt a gravitáció hatására a sűrűbb közeg kiválik az elegyből s a keletkezett folyadékáram titább le. Mint ismeretes, a uidumban gáz vagy folyadék w sebességgel mozgó test és a uidum között egy ellenállási erő lép fel, amelyet a közegellenállási törvénnyel fejezünk ki. Ez erint az ellenállási erő arányos a normálfelülettel és a uidum kinetikai energiájával: w Fe CD A (4.1) ahol: F e - a közegellenállási erő, N, A- a körüláramlott testnek a mozgás irányára merőleges felülete, m, w- az átlagsebesség, m/s, - a uidum sűrűsége, kg/m 3, C D - a közegellenállási tényező. Átrendezve az ösefüggést, felírható: Fe p C A D w, ahonnan p w különböző testek alaktényező értékeit C Eu D (4.) A közegellenállási tényezőt is a Re-ám függvényében tudjuk meghatározni. Éspedig, kis Re-ám esetén (Re<1), a Stokes tartományban, a közegellenállási tényező értéke: C 4/ Re. (4.3) D Nagyobb Re-ám esetén (1<Re<800) a közegellenállási tényezőt az Allen vagy a Bohnet képletével ámítjuk ki: 18,5 1 Allen képlete: C D (4.4) Bohnet képlete: C 0, 6 D (4.5) 0, 5 Re Re Még nagyobb Re-ám esetén Re>800 a közegellenállási tényező értéke 0,44. A gömbtől eltérő alakú testeknél figyelembe kell venni az alaktényezőt is (a gömbhöz vionyított alaktényező nem más, mint az ugyanolyan térfogatú gömb felülete és a test felületének aránya). Így a közegellenállási tényező értékét nem csak a Re-ám hanem a alaktényező is befolyásolja. A 4.. táblázat tartalmazza

3 Heterogén renderek étválatása 4.. táblázat. Különböző geometrialak abályos testek gömbhöz vionyított alaktényezője. A test megnevezése A test megnevezése Henger H/d=1 H/D=10 H/D=0,1 0,8738 0,579 0,4706 Kocka 0,806 Négyzet alapú prizma L/a=0,1 L/a=10 0,434 0, Szupenziók étválatása ülepítéssel Vizsgáljuk most meg egy nyugvó folyadékban ülepedő gömb alakú réecske mozgását. A d átmérőjű réecskére a tömegerő (F m ), vagyis a súlyerő és a felhajtó erő különbsége, hat: F m F F s A 3 d R V g V g ( R ) g (4.6) 6 Ha a réecske mozogni kezd, kezdetben a mozgási sebessége nő s idővel ezt a mozgást ellensúlyozza a közegellenállási erő (F e ) és a lokális impulzusváltozás nulla le, és a réecske eléri az ülepedési sebességet: F e F d d 3 R m vagyis C D w g w0 4 6 Lamináris tartományban: d 6 4 d g ( R ) Re 4 4 d d w 4 R 4 3 w w Innen pedig: R w0 18 g d Átmeneti tartományban: 0,714 R 0,714 1, 143 w0 0, 15 g d 0,44 Turbulens tartományban: d g 3C D (4.7) (4.8) (4.9) (4.10)

4 Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban R w0 1,74 g d (4.11) A ilárd testek ülepedése, függ, úgy a folytonos közeg, mint a benne mozgó test makrokopikus tulajdonságaitól (méret, alak, sűrűség, stb.) A lamináris, vagy más néven Stokes tartományban, ahol az Archiméde kritérium kisebb mint 3,6 (18), ha a uidum sűrűsége elenyéő (például gázok esetén), akkor a sűrűségkülönbség egyenlő a ilárd anyag sűrűségével, s így az ülepedési sebességet a következő ösefüggés írja le: w ü d p 18 g, m/s (4.1) ahol: d - a gömb alakú réecske mérete, m, p a ilárd közeg sűrűsége, kg/m 3, - a uidum dinamikai vikozitása, Pa. s, g- a gravitációs gyorsulás, m/s. Általában, a mozdulatlan, végtelen kiterjedésű közegben (, alakú test (, d p ) mozgó gömb ) ülepedését kriteriális alakban az Archiméde, Reynolds vagy a Liascsenko ámok segítségével írhatjuk le. A három kritériumot a következő ösefüggések írják le: w d p Re (4.13) Ar 3 Re p Ga Ga Fr Re Ly Ar 3 Re Fr 3 Re Re Fr d g 3 w g (4.14) (4.15) A Re-ám és az Ar-ám közötti ösefüggés az áramlás jellegétől függ (lásd a 4.3. táblázatot), éspedig lehet lamináris, átmeneti és turbulens. A három kritérium közötti ösefüggés grafikus ábrázolását a 4.1 ábra tartalmazza. Az ábra segítségével meghatározható, az ülepedés jellegétől függetlenül az ülepedési sebesség. Egy d átmérőjű réecske esetében, előör kiámítjuk az Ar ámot, majd ennek segítségével a test alakját figyelembe véve, meghatározzuk a Re vagy a Ly ámot, melyekből, végül kiámítjuk az ülepedési sebességet.

5 Heterogén renderek étválatása 4.3. táblázat. A Re-ám és az Ar-ám közötti ösefüggések különböző áramlások esetén. Az áramlás jellege Re=f(Ar) Az Ar-ám intervalluma Lamináris Re Ar / 18 Ar<18 Átmeneti Re Ar /13,9 5 / 7 18<Ar<84000 Turbulens Re 1,73 Ar Ar> ábra. A Re-ám, Ly-ám és az Ar-ám közötti ösefüggések különböző alakú réecskék esetén. 1 és 6- gömb, - kerekített, 3-ögletes, 4-hosukás, 5-lemezes [Pavlov ]

6 Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban w w u Ha ismert a Re-ám Re, m/s (4.16) d p Ha a Ly-ám ismert, akkor: Ly u 3 g, m/s (4.17) Ha a réecske nem gömb alakú, akkor az egyenértékű átmérővel dolgozunk, vagyis az olyan gömb átmérőjével melynek térfogata megegyezik a réecske térfogatával. d e 6V M 3 1, 43, m (4.18) Abban az esetben, ha ismert az ülepedési sebesség, akkor előör kiámítjuk a Ly-ámot, azután a 4.1-es ábra segítségével meghatározzuk az Ar-ámot, majd a végén, kiámítjuk a réecske átmérőjét vagy az egyenértékű átmérőjét: d e vagy d 3 Ar, m (4.19) g Az ülepítő berendezések ülepítő felületét a (4.0)-as ösefüggéssel ámoljuk: V A, m (4.0) ahol: w u V - a kéülék / ülepítő felületével párhuzamosan áramló uidum térfogatárama, m 3 /s, wü - ülepedő réecske sebessége, m/s. A híg heterogén rendereknél az ülepedő réecskék kevésbé befolyásolják egymást, de a koncentrált rendereknél a tényleges ülepedési sebesség koncentrációfüggő. Ilyenkor a legjobb a sebesség gyakorlati meghatározása. Ha erre nincs lehetőség, akkor a tényleges sebességet az egyedül ülepedő réecske sebességének felével veik egyenlővé. A folyamatosan üzemelő ülepítő berendezések esetében, az ülepedési felület meghatározására a következő ösefüggések egyikét hanáljuk: X M 1 X A w u 0 v,m vagy A X V 1 X w 0 v ,m (4.1)

7 Heterogén renderek étválatása ahol: M - a kezdeti upenzió tömegárama, kg/s, folyadékának térfogatárama, m 3 /s, koncentrációja, kg/kg, V X V - a kezdeti upenzió 0 X - a kezdeti upenzió ilárd fázis - az iap ilárd fázis koncentrációja, kg/kg, w - az ülepedési sebesség, m/s, - uidum sűrűsége, kg/m 3. Igazából véve, az ülepedési törvények csak a abályos egyedi emcse ülepedését írják le. Ha a renderben több réecske van, s a valóságban mindég ez az eset áll fenn, akkor ezek egymás mozgását gátolják. Tehát, a abad ülepedés helyett inkább a gátolt ülepedést kell hanálni. Ilyen esetben az ülepítők ámításnál a mért ülepedési sebességet hanálunk, főleg, ha a emcsék eltérnek a gömbformától, s nagy a upenzió koncentrációja. a) b) 4.. ábra. Ülepedési görbék: a-kritikus idő meghatározása, b- sűrítési idő meghatározása. Az ülepítési görbe segítségével meghatározható, úgy a tita emcsenélküli folyadék és a upenzió határfelületének az időbeli változása, mint az un. kritikus idő (lásd a 4.a ábrát), vagyis az a pillanat, amikor az öses ilárd réecske a sűrítő zónába került. Igaz, hogy a akaos mérési eredmények nem igen hanálhatók a folytonos ülepítők tervezésére, hi ilyenkor nem a kritikus idő ükséges, hanem azon időtartam, ami alatt a upenzió eléri a kívánt töménységet. Ezen érték meghatározásra egy újabb mérést oktak elvégezni, amikor egy olyan upenzió ülepítését tanulmányozzak, melynek indulási töménysége megegyezik az előbbi esetben mért kritikus töménységgel. A kritikus töménységű upenzió ülepedését követve, vagyis mérve az egyre jobban

8 Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban sűrűsödő upenzió magasságát, megfigyelhető, hogy a sebesség értéke idővel csökken (lásd a 4.b. ábrát), vagyis felírható az alábbi ösefüggés: dh k( H H d ) (4.) ahol: H- a időben mért upenzió magasság, m, H - végtelen időben mért upenzió magasság, m. Integrálva az egyenletet, az alábbi ösefüggést kapjuk: H H ln k (4.3) H H k ahol: a H k a kritikus időnek megfelelő magasság Ülepítők Az ülepítők lehetnek akaos vagy folytonos működésűek. Leginkább a folytonos működésűeket hanálják, úgy az iparban, mint a ennyvíztitításban. Ezekre jellemző a nagyobb hozam és konstans minőség, úgy a titított uidum, mint a ilárdfázis koncentráció empontjából. Az egyik legismertebb folytonos sűrítőkád a Dorr típusú kád. Ez, hengeres nagy átmérőjű tartály, melyben radiálisan mozgó terelőlapátok vannak felerelve. Ezek segítségével a sűrített zagy az alsó ürítőnyíláshoz állítják, ahonnan folytonosan, vagy időközönként kivezetik. Az ilyen derítő átmérője elérheti a 00 m is, terelőjének fordulatáma 0,0 ford/min. Sok esetben, főleg a nagyátmérőjű kádak esetén, a terelést a kád peremén körbemozgó kocsihoz erősített 4.3. ábra. A folytonos üzemű ülepítőben kialakult zónák

9 Heterogén renderek étválatása karokkal végzik. Mint a 4.3. ábra is mutatja a upenzió adagolás központi, ugyanúgy az iapelvonás is. A kádban kialakul négy zóna, éspedig a titafolyadék zónája, a derítő-ülepítő zóna, a felső és az alsó sűrítőzóna. Ezek a zónák magassága függ a folyadék és a ilárdanyag minőségétől és a belső hőmérséklet elolástól. A beragadás megelőzésére a terelők leállásakor ükséges ezeket kiemelni a sűrítési zónából ábra. Ferde, hullámos lapú ülepítő[fonyó-fábry] ábra. Florenci edény[fonyó- Fábry]. Kistöménységű upenziók esetén, mikor a folyadék titasága a cél, az átáramlásos derítőket hanálják. Ilyen például a víztitító ülepítő - derítő. Ez egy betonból kéült kád, melynek a beáramló felében található az iapgyűjtő árok. Ide terelik periodikusan az iapot, mely innen a csatornarenderen keretül távozik. Az iap derítésére ferdelapos ülepítőt hanálnak. A ferde lapok közötti réteg alján a emcsék ülepedés következtében megnő a zagysűrűség. Így a sűrűbb zagy lefelé, míg a tita folyadék felfelé áramlik. A folyadék-folyadék emulziók étválatására is ferdelapos ülepítőt hanálunk. Ilyen a 4.4. ábrán bemutatott, Buchs cég ülepítője. Itt, az olaj, a könnyűfázis felfelé áramlik, míg a nehéz fázis, a víz lefelé, és az olajintje alatti túlfolyón le kivezetve a kádból. Egy nagyon egyerű erkezetű emulzió étválató a Florenci edény. Mint ahogy a 4.5 ábra is mutatja, az egymással nem elegyedő nehéz ( ) és könnyű ( k ) folyadékot elválatására, a keveréket valamivel alacsonyabb inten vezetik be, mint a fázis határint, melyet a következő ösefüggés ír le: n

10 Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban y n y3 n ( y1 y3 ) (4.4) k A keletkezett könnyű fázis az edény felső, míg a nehéz fázis az edény alsó felén le kivezetve. Sokor alkalmazzák az ülepedési sebességet ilárd fázisok emcseméret erinti étválatására, vagy sűrűségerinti fajtázására. Erre a célra a legalkalmasabbak az áramkéülékek. Egy ilyen típusú áramkéüléket mutat be a 4.6. ábra. Newton képlete erint, két különböző átmérőjű réecskék együtt ülepednek, ha 4.6. ábra. Csúcskádas áramkéülék [Fonyó- Fábry]. teljesül az alábbi ösefüggés: d d ( 1 (4.5) ) Híg upenzió esetén, ha Stokes tartományban vagyunk, akkor az együttülepedésre felírható: d ( 1) d (4.6) Az áramkéülékek alkalmazhatók úgy az érckitermelésnél (dúsítók), mint a éntitításnál- mosásnál és az élelmier-ipari nyersanyag feldolgozásnál Porleválatás ülepítési móderrel Nagyon sok esetben a gázok portalanítása megoldható az un. porkamrák beiktatásával. A nagyobb térfogatú ülepítő kamra hatására a gáz sebessége annyira lecsökken, hogy már nem képes magával ragadni az öses poremcséket. Terméetesen, 4.7. ábra. Porülepítő kamra vázlata [Fonyó-Fábry] a kamrában áramló gáznak még van annyi kinetikai energiája, hogy a kisebb emcséket magával vii. Így

11 Heterogén renderek étválatása a porkamrák csak a por egy bizonyos réét képesek leválatani. Mint, ahogy a 4.7.-es ábra is mutatja, a belépő gáz portartalma a C o értékről a végső C 1 értékre esik. Az L hosúságú kamrán a w H sebességgel átáramló gáz t időt tartózkodik a kamrában, ahol L t (4.7) w H Ahhoz, hogy a réecske ebben az időben leülepedjék, ükséges, hogy a tartózkodási idő és az ülepedési idő megegyezzen, vagyis: L H H t tu wa wh (4.8) w w L H A A lamináris, Stokes tartományban, w A sebességgel ülepedő réecske mérete tehát: H 18w 18w H A d L (4.9) ( ) g ( ) g p g p g Mint látható, a határátmérő értéke nő a kamra magasságával és csökken ennek a hosával. A kamra portalanítási fokát a következő ösefüggés írja le: L wa Globalis (4.30) H w Egy levegőtitítására hanált porkamrát mutat be a 4.8. ábra Nedves gáztitítók és cseppfogók Sok esetben a ilárd réecskék leválatásának hatásfokát gázmosóval növelik, mikor is poros gázt folyadékolopba, vagy folyadék áramlatba vezetik, a por a folyadékfázisba kerül, míg a gáz, különböző H 4.8. ábra. Howard típusú porkamra vázlata: 1- lemezek, -6- abályzó tolattyú, 3-elotócsazorna, 4-gyűjtőcsatorna, 5-kivezető csatorna, 7- titítónyílás [Fonyó-Fábry]. mértékben telítődik folyadékcseppekkel. A nedves gáztitítók egyik jól bevált képviselőjét a 4.9. ábrán mutatjuk be. Mint látható, a kéülék három réből áll,

12 Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban egy alsó és egy felső titítókamrából, meg egy gázűrőből. A gáz a felsőkamra víz intje alá van tangenciálisan bevezetve. Így a folyadékot egy örvénylő mozgásra kényeríti, ami elősegíti a ilárdréecskék kiválását és az alsó kamra felé való állítását (a ferde tölcsérhatására megnő az ülepedési sebesség). A kilépő gáz nedvesség és portartamának a csökkentésére olgál a felső gyűrűkkel töltött űrőtest ábra. Gázmosó kéülék: 1- alsó kamra, - felső kamra, 3- portartamú gáz bevezetésére olgáló csonk, 4- űrő, 5-folyadék bevezetés, 6- iaplecsapolás ábra. Venturi gázmosó [Fonyó-Fábry]. Nagyobb térfogatáram hatásosabb titításra olgál a 4.10 ábrán bemutatott Venturi csöves titító. Itt, a bevezetett poros gáz kb m/s sebességre gyorsul fel. A űkebb réen a Venturi fúvókán vezetik be a folyadékot, mely a diffúzorban csepp alakjában elegyedik a poros gázzal. Itt a por réecskék a folyadékcseppekre tapadnak s az alsó kamrában kiválnak a gázból, upenzió formájában. A titított gázt a folyadékintje fölé emelkedő csonkon vezetik ki a kéülékből. A Venturi gázmosó hatásfoka nagy (96-98 %), határ emcsemérete kicsi (0,1-0,4 m), míg vízükséglete 0,5-5 l/m 3 gáz körül mozog.

13 Heterogén renderek étválatása Elektrotatikus erő hatására való por és csepp leválatás Nagyon kisméretű poremcsék vagy cseppek esetében a korona effektus hatására felépítetett leválatókat, más néven elektromos-űrőket, hanálnak. Az első elektrotatikus portalanítót Frederik Cotrell építette 1908-ban. A titítóhatás a nagyfeültségű áram hatásra kialakult elektrotatikus térnek tulajdonítjuk. A nagyfeültségű egyenáram negatív pólusát az ionizáló elektródra, a pozitív pólust porgyűjtő elektródra kapcsolják. Mindkét elektródát földelik. A feültség hatására keletkezett térben a gázionok felgyorsulnak és ütköznek a semleges gázmolekulákkal. Az ütközéshatásra újabb abad elektronok és gázionok keletkeznek. A negatív töltésű ionok a pozitív elektróda, míg a pozitív töltésű ionok a negatív elektróda felé mozognak. A poremcsék, melyek túlnyomó rében negatív töltésre tenek ert, a pozitív elektróda felé mozognak. Itt leadják töltésüket és lerakodnak az elektródra. A földelt elektródra kicsapódott por magától is lehull, de jobb eltávolítás végett kikapcsolják az áramot és rázzák, kopogtatják a porgyűjtő elektródákat. A porleválatást lehet áraz 4.1. ábra. Cseppleválatás irányváltoztatás útján: a-hajlított lemezes, b- egyenes lemezes. renderben, vagy nedves renderben megvalósítani. A áraz renderekben függőleges lemezek közé helyezik a negatív elektródákat, míg a nedves rendereknél párhuzamos függőleges csőrendert alakítanak ki, melyeknek tengelyében van beépítve az ellenkező töltésű elektróda. Az ábra. Elektrotatikus portalanító [Fonyó-Fábri után]: 1-egyenirányitó, -pozitiv porgyűjtő elektróda, 3-negativ, ionizáló elektróda, 4-igetelés, 5-gázbevezetés, 6- titított gáz kivezetése, 7- poreltávolítás.

14 Műveletek a kémiai és biokémiai folyamatokban ionizáló elektródokat acélból kéítik és nehezékkel feítik ki. Mint a gyakorlatból ismeretes, az elektrotatikus leválatók hatásfoka magas (99,9%), határ emcseméretük alacsony (0,1 mikron), nyomásveteségük csekély (kisebb, mint 100 Pa), energia ükségletük pedig kicsi (0,08-0,5 Wh/m 3 ), ellenben a beruházási költségük rendkívül nagy. Ha a gáz csak folyadék cseppekkel van telítve, akkor ezek leválatására cseppfogókat építenek a renderbe. Ilyenkor különböző sebesség csökkentés (méretnövelés) vagy ütközés (hirtelen irányváltoztatás) elvére alapuló berendezéseket alkalmaznak. Ilyen cseppfogók egyeri irány-eltérítésen, vagy többörös irányeltérítésen alapulnak. Ez utóbbit mutat be a 4.1. ábra