TDA TAR MENTESÍTÉSE OPTIMÁLIS KEVERÉSI VISZONYOK A TAR OLDÓBAN I. TDA TAR DECONTAMINATION OPTIMAL CONDITIONS IN THE TAR MIXER, PART I.

Átírás

1 Anyagérnöki Tudoányok, 37. kötet, 1. szá (01), pp TDA TAR MENTESÍTÉSE OPTIMÁLIS KEERÉSI ISZONYOK A TAR OLDÓBAN I. TDA TAR DECONTAMINATION OPTIMAL CONDITIONS IN THE TAR MIXER, PART I. BOKROS ISTÁN, SIMÉNFALI ZOLTÁN, SZEPESI GÁBOR Miskolci Egyete, egyipari Gépek Tanszéke 3515 Miskolc-Egyeteváros szepesi@uni-iskolc.hu A TDI-gyártás során ellékterékként keletkező TDA anyag TAR tartalának csökkentése ne csak inőségi, hane gazdasági előnyöket is jelent. Cikkünkben célul tűzzük ki, hogy a TAR egseisítése során az oldó készülék űködési paraétereit vizsgáljuk, eghatározzuk a feladathoz legalkalasabb keverőtípust, a keveréshez szükséges optiális keverési időt, ai egyben a tartózkodási idő is. Kulcsszavak: TDA TAR, keverési idő, CFD. During the TDI producing process the TDA secondary product contains TAR that ust be decrease and it cause quality and econoical benefits. In this paper we shows soe theoretical ethods to choose the best type of ixer for solvint TAR in TDA, to deterine the optial ixing tie which has equal the residential tie. Keywords: TDA TAR, optial ixing tie, CFD. Bevezetés A TDI (touilén-diizocianát) gyártása során a TDA (touilén-diain) egy közbenső terék, ely kb. 1% TAR (kátrány) tartaloal rendelkezik. A TDA-ból a TAR kinyerése ne pusztán inőségi- és technológiai, hane gazdasági előnyökkel is jár, ugyanis annak égetése során keletkező hő hasznosításra kerül. A TDA TAR entesítésének elvi kapcsolási vázlatát az 1. ábrán utatjuk be. Az ábrán látható desztilláló oszlop fenék terékének a TAR tartala kb. 30%, elyet a vákuubepárló készülékben tovább dúsítunk. A dúsítás utáni töény TAR oldatot ortotoluilén-diainban (OTDA) feloldjuk és égetőre küldjük. Cikkünket egelőzte egy odellkísérlet, elyet a Borsodche Zrt. Műveleti Laboratóriuában hajtottak végre, ahol a TAR-t OTDA-ban keverős készülékben való oldhatóságát vizsgálták [3]. Célunk az üzei berendezés egtervezése a laborkísérlet eredényeit felhasználva, azt kiegészítve további kisinta kísérletekkel, elyek alapján a CFD sziuláció adta lehetőségek is alkalazhatóak. (A CFD betűkobináció egy ozaikszót takar, ely a Coputational Fluid Dynaics angol terinológia rövidítése, agyar egfelelője,,áralástani nuerikus sziuláció.)

2 36 Bokros István Siénfalvi Zoltán Szepesi Gábor 1. ábra. TDA TAR entesítése Jelen cikkünkben a téa összetettségére való tekintettel az elvégzendő feladatok összefoglalását illetve eléleti hátterének isertetését tűztük ki célul, elyek a későbbi éretnövelési feladat egoldását teszik lehetővé. 1. Az optiális keverési idő és fordulatszá eghatározása A keverés hatékonyságára jellező a szükséges keverési idő ( τ ), aely elsősorban a keverő keringtetési kapacitásától és a fordulatszától függ. Holes-áralástörőkkel felszerelt turbinakeverőre adja eg az optiális keverési időre vonatkozó összefüggést, aely a következő: d n τ k const. (1) D ahol d a keverőele, D a készülék átérője. Zlokaik-propellerkeverőkkel végzett kísérletsorozat eredényeképpen azt tapasztalta, hogy az n τ függvénynek iniua van a Re = Reynolds-szá értéknél, így a k következő összefüggések írhatók fel az optiális keverési idő eghatározására: 0,7 n τ Re, ha Re > 3 10 (. a) k 0,7 n τ Re, ha Re < 3 10 (. b) k Az egyes keverőtípusok közötti választás egkönnyítésére két új dienzió nélküli száot vezettek be. Az egyik a keverési időre jellező dienzió nélküli szá: 4 4 k

3 TDA TAR entesítése optiális keverési viszonyok a TAT oldóban I d τ k η n τ k Re = (3) D D ρ A ásik a hajtóteljesítényre (P) jellező kifejezés: ζ Re 3 D P D ρ = 3 d η ahol: P : a keverés teljesítényszüksége, ρ : a kevert anyag sűrűsége, η : a kevert anyag dinaikai viszkozitása, ζ : ellenállástényező. Tapasztalati adatok alapján, a technológiai folyaat igényeit eleezve a keverési feladatra hároszárnyú ipeller-keverőt tartunk alkalasnak, azonban erre a típusú keverőre a szakirodaloban nincsenek használható érési eredények. Két folyadék összekeverése esetén az egyes keverőtípusokat jól össze tudjuk hasonlítani, ha a hajtóteljesítényre jellező száot ábrázoljuk a keverési időre jellező szá függvényében. Az így kapott görbeseregből száunkra az az érdekes, hogy ely keverőtípushoz tartozó görbe fekszik egy adott intervalluban a legélyebben. Az ábrába bejelölhető az egyes görbeszakaszokhoz tartozó Re-szá skála is. Ezáltal egy adott keverési feladatra könnyen és gyorsan eghatározható a legalkalasabb keverőtípus és az egyéb űködtetési paraéterek. Ha isert a keverős készülék átérője és a kevert folyadék anyagjellezői, akkor a keverési idő (a keverőhöz kapcsolódó technológiai berendezések ezt általában deterinálják) felvételével kiszáítjuk a keverési időre jellező száot. A diagraból leolvasható: a legkedvezőbb keverőtípus a betartandó Re-szá (ebből eghatározható a fordulatszá is) az ordinátaértékből kiszáítható a szükséges hajtóteljesítény. A keverés hatásosságának további jellezésére Danckwerts [4] a szegregáció erőssége (intensity of segregation, I) fogalat vezette be. Folytonos üzeódban dolgozó keverőknél ez a következő kifejezéssel száítható: Qv I = (5) Q + Q p ahol a Q p : (puping capacity) éréssel határozható eg az egyes keverőtípusokra [5]. Adott keverőtípus gazdaságos keverési idejét csak kisinta kísérletekkel lehet helyesen egállapítani. A kísérletek során érni kell a szükséges keverési időket különböző fordulatszáoknál és a teljesítényszükségletet. A kísérletek eredényei alapján a éretnövelés összefüggéseit felhasználva lehet egválasztani az ipari éretű keverő legkedvezőbb űködtetési paraétereit.. Az optiális keverési idő (tartózkodási idő) eghatározása ipeller-keverő esetén Az optiális keverési idő eghatározásához kísérleti vizsgálatokat kívánunk végezni. A kísérleti érés eredényének feldolgozása során egy dienzióentes száok közötti v (4)

4 38 Bokros István Siénfalvi Zoltán Szepesi Gábor epirikus összefüggést kívánunk felállítani a függő és független változók között. Ezeket a száokat a dienzióanalízis ódszerével állítjuk elő és a közöttük lévő összefüggés alapján határozzuk eg a keverési időt. A dienzió nélküli invariánsok eghatározásához a bázisfaktoron-alapuló ódszert alkalazzuk, elyet Baloghné, Békéssy és Fáy [1] használtak először az itthoni tudoányos életben. Az eljárás lényege, hogy a dienzióátrixot úgynevezett bázisfaktorokra bontjuk, azaz olyan két átrix szorzatára, aelynél elsőnek oszlopai, a ásodiknak a sorai lineárisan függetlenek. A bázisátrixokból azután a fizikai ennyiségek báziseleei eghatározhatóak. Az általunk vizsgált folyaatot leíró fizikai jellezők az 1. táblázatban tekinthetők eg. Megnevezés Jel Dienzió Fordulatszá n T -1 Keverőele átérő d L Folyadékszint H L Idő τ T Tartály átérő D L Nehézségi gyorsulás g LT - 1. táblázat. Az általunk vizsgált fizikai jellezők A fenti ódszer a független, dienzió nélküli száok egy rendszerét adja. Az eljárás eredénye az alábbi dienzióentes száok: d H n d n τ,,, = Fr H D g Szükséges vizsgálni, hogy a kapott dienzió nélküli száok teljes készletet alkotnak-e. A kitevőkből képzett deterináns értéke: -1, így a teljes készletre vonatkozó feltétel teljesül. A szükséges keverési idő az alábbi függvénykapcsolattal írható le: ( d, n, H, D g) τ = f, (6) Ezt az általános függvénykapcsolatot a dienzióanalízis segítségével a fentiek szerint az alábbi alakra hozható: c b H d n τ = A Fr (7) D D Tehát a keresett optiális keverési idő értékét a (7) egyenlet alapján kívánjuk eghatározni. Az összefüggésben szereplő állandók értékeit a legkisebb négyzetek ódszerével a kísérleti eredények alapján kapjuk eg. 3. Méretnövelés A kisinta kísérletek eredényeinek felhasználása az ipari berendezés tervezésekor csak akkor hasznosítható, ha tisztában vagyunk a éretnövelés törvényszerűségeivel. Duplikatúrás készülékek esetében a legnagyobb probléát az jelenti, hogy a lezajló techno- e

5 TDA TAR entesítése optiális keverési viszonyok a TAT oldóban I. 39 lógiai folyaat és a hőátadási viszonyok egyidejű hasonlóságának biztosítása ne lehetséges. Keverős készülékeknél a folyadékoldali (belső) hőátadási tényezőt fázisváltozás nélküli hőátvitel esetén az alábbi egyenlettel száoljuk: o Nu C η = Re Pr (8) η f ahol: C,,o,p: állandók, Pr: Prandtl-szá. A kitevők értéke a legtöbb kutató szerint: = /3, o = 1/3, p = 0,14 A fenti egyenlet figyelebevételével egállapítható, hogy a odellkészülék felnagyításánál ilyen hőátadási tényező érhető el. E célból képezzük a Nu-száok viszonyát, feltételezve az anyagjellezők azonosságát, azaz a odellkísérleteknél az ugyanolyan anyagok használatát. A kisintára vonatkozó változókat index-el jelölve: Nu Nu αd = α D p / 3 ( nd ) = ( n d ) Tekintettel arra, hogy a keverésnél indig célszerű a geoetriai arányokat egtartani (d~d), ezért a hőátadási tényezők viszonyára vonatkozó összefüggés: / 3 (9) α α = n n / 3 d d 1/ 3 (10) A fordulatszá helyes egválasztásának jelentősége necsak a keverési hatásnál, hane a teljesítényszükségletnél is fontos. Miután kisinta kísérletekkel ár eghatároztuk a legkedvezőbb alakot, típust, fordulatszáot, következik az ipari éretű keverő fordulatszáának és ás egyéb paraétereinek egválasztása. A keverés jósága, a keverési idő arányos a térfogategységre vonatkoztatott teljesítényszükséglet, tehát a hasonlóság feltétele a következő lesz: Turbulens áraláskép esetén: P P = (11) P 5 ρ 3 n 3 3 n d ~ = d ρ (1) d A jobb áttekinthetőség érdekében a éretnövelés értékét k-val jelölve ( k = d / d ) az ipari éretű berendezésben a fordulatszá, a kerületi sebesség, a Re-szá, a hőátadási tényező, a térfogategységre vonatkoztatott átvihető hőennyiség és a (7) egyenlet alapján a keverési idő a következőképpen alakul:

6 40 Bokros István Siénfalvi Zoltán Szepesi Gábor n = k / 3 1/ 3 4 / 3 n, w = k w, Re = k Re, 1/ 9 α = k α Q 10 / 9 = k Q, b / 3, τ = k τ (13) 4. Az áralásképek vizsgálata, az energia bevitel és a folyaat eredényességét befolyásoló rendszerparaéterek eghatározása Az áraképek, keveredési inták eghatározására több lehetőség is adódik. Egyrészt kísérleti ódszerekkel ásrészt nuerikus sziulációk végrehajtásával is eredényre juthatunk. Napjainkban jelentős értékben elterjedt a CFD alkalazása keverési feladatok vizsgálatára. A tervezett keverős készülék nuerikus áralástani sziulációját Tetra/SC CFD szoftver környezetben kívánjuk végrehajtani. Keverési feladatok nuerikus vizsgálatánál az egyik legfontosabb alapfeladat, az alkalazni kívánt turbulencia odell egválasztása. A jelenleg leginkább alkalazott turbulenciaodellek: standard k-e odell, RNG k-e odell (átlagolt Reynolds), RSM odell, LES. A turbulenciaodellek közül az első kettő a kétváltozós, az RSM, hétváltozós turbulencia odell közé tartozik. Az idevonatkozó szakirodalo tanulányozása során a vizsgált jelenség leírására az RSM illetve a LES odellek felelnek eg legjobban a kevert terek leírására. A sziulációs eredényekből eghatározható a keverés teljesítényszükséglete, illetve a köpenyfűtéssel ellátott keverős készülék hőtani szepontból is leírható. A sziuláció eredényeit következő tervezett Közleényünkben isertetjük Összefoglalás Jelen cikkünkben ráutattunk arra, hogy a vegyiparban alkalazott TDI-gyártás során a TDA, int közbenső terék TAR tartalának kinyerése ne csak inőségi, hane anyagi előnnyel is jár. A technológiai igények és anyagtulajdonságok alapján eghatároztuk azt a keverőtípust, elyet alkalasnak tartunk a TAR oldásának elősegítésére. Kidolgoztunk egy összefüggést az optiális keverési idő eghatározására, valaint egvizsgáltuk a éretnövelés hatását a űködési paraéterekre. Az elvégzett vizsgálataink konkrét eredényeit a cikk II. részében foglaljuk össze. Köszönetnyilvánítás A beutatott kutató unka a TÁMOP-4..1.B-10//KON jelű projekt részeként az Európai Unió táogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul eg.

7 TDA TAR entesítése optiális keverési viszonyok a TAT oldóban I. 41 Irodalo [1] Szűcs Ervin: Hasónlóság és a odell, Műszaki könyvkiadó, Budapest, 197. [] Szepesi Gábor: Nagyéretű tartályok keverési viszonyainak vizsgálata, TDK dolgozat, [3] Lengyel Attila, Ábrahá József, Mogyoródy Ferenc, Magyari Miklós, Fehér Taás: Meta- Toluilén-Diain (TDA)-kátrány (TAR) koncentrátu előállítása vákuu desztillációval, a koncentrátu viszkozitás hőérséklet és koncentráció függésének odellezése, Miskolci Egyete közleényei, Anyagérnöki Tudoányok II. sorozat, 35. kötet (7-38 oldal) [4] Fejes Gábor: Ipari keverőberendezések, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, [5] J. Broz, I. Fort, R. Sperling, S. Jabre, M. Heiser, F. Rieger: Puping capacity of pitced blade ipellers in a tall vessel with a draught tube. Acta Polytechnica ol. 44. No. 4/004 pp

8