Vegyipari technológiák berendezései (MSc, levelező)

Átírás

1 Vegyipari technológiák berendezései (MSc, levelező) Tantárgyjegyző: Dr. Mannheim Viktória, egyetemi adjunktus Kötelező és ajánlott irodalmak: Órai előadásjegyzet Fejes, G. Tarján, G.: Vegyipari gépek és műveletek I. Fonyó, Zs. Fábry, Gy.: Vegyipari Művelettani Alapismeretek Fejes, G. Fábry, Gy.: Vegyipari Gépek és Műveletek II. Fábry, Gy.: Vegyipari Gépek és Műveletek III. Kiss, L.: Vegyipari gépek példatár: Keverés, szűrés, ülepítés A kreditpont megszerzésének feltétele: Az előadások rendszeres látogatása. Sikeres zárthelyi dolgozat Miskolci Egyetem, Vegyipari Gépek Tanszéke technológiák berendezései 1

2 Előadástematika Mechanikai műveletek: Vegyipari műveletek csoportosítása. Az aprítás fizikája, hatásfoka. Aprító-, és őrlőberendezések bemutatása. Őrlési folyamatok bemutatása. A szétválasztással kapcsolatos alapfogalmak. Szétválasztási alapfolyamatok és mérőszámok. Nagyüzemi osztályozás. Szitálás céljai, előfeltételei és a szitálás eredményét befolyásoló tényezők. Sziták teljesítménye, energiaszükséglete. Szitatípusok, szitaberendezések bemutatása. Az együttülepedési jelenség és a Stokes-törvény értelmezése, elvi alapok. A szétválasztás határát képviselő süllyedési sebesség meghatározása és mérése. Áramkészülékek: felszíni, hidraulikus és száraz áramkészülékek bemutatása. Hidrodinamikai műveletek: Ülepítés nehézségi erőtérben. Ülepítés centrifugális erőtérben. Centrifugálás elméleti alapjai. Centrifugák csoportosítása és bemutatása. A keverés elméleti alapjai. Keveréssel megvalósítható célok és feladatok. Folyadékkeverők bemutatása. Nagy viszkozitású anyagok keverése. Szilárd szemcsés anyagok keverése, homogenizálása. Keverőgépek. Gázdiszpergálás és pneumatikus keverés. Kolloidmalmok. Keverési teljesítményszükséglet meghatározása. Keverő berendezések kiválasztási szempontjai. Szűréssel kapcsolatos alapfogalmak értelmezése. A szűrési teljesítmény meghatározása. Tantermi feladatok: 1.Folyamatos üzemű ülepítő kád átmérőjének meghatározása. 2.Meghatározott átmérőjű szilárd szemcse ülepedési sebességének meghatározása. 3.Szilárd szemcse ülepedési idejének meghatározása derítő centrifugában. 4.Centrifuga jelzőszámának meghatározása 5.Anker keverő keverési teljesítményszükségletének meghatározása. Zárthelyi dolgozat. technológiák berendezései 2

3 Vegyipari műveletek 1. Mechanikai műveletek: aprítás, őrlés, osztályozás, szétválasztás, granulálás 2. Hidrodinamikai műveletek: ülepítés, centrifugálás, keverés, szűrés 3. Hőátadási műveletek: melegítés, hűtés, kondenzáció, hőcsere, bepárlás 4. Anyagátadási műveletek: desztilláció, abszorpció, rektifikálás, extrakció, adszorpció, szárítás 5. Kémiai műveletek technológiák berendezései 3

4 Mechanikai műveletek és eljárások Durva diszperz anyagrendszerekben végbemenő gravitációs, törés-mechanikai, mágneses, elektromos, termikus, optikai és adszorpciósadhéziós jelenségek. Folyadékokban és gázokban történő részecskemozgási, keverék-áramlási alapjelenségek. A szétválasztási és keverési, az aprítási és darabosítási eljárások anyagátalakulási, anyag- és energia-transzportfolyamai. technológiák berendezései 4

5 Szilárd anyagok és szemcsehalmazok jellemzése: Anyagjellemzők Szemcseméret Fajlagos felület Halmazsűrűség és porozitás Szemcsék fizikai és fizikai-kémiai tulajdonságai: sűrűség, mágneses és elektromos, hőtani, optikai, határfelületi, apríthatósági tulajdonságok Anyagi összetétel Fűtőérték és hamutartalom Kémiai összetétel technológiák berendezései 5

6 Szemcseméret jellemzése X M X max x F Feret-féle szemcseméret x M Martin-féle (területfelező) szemcseméret x max maximális belső méret X F Statisztikus szemcseátmérő: a szemcse-vetületén adott iránnyal párhuzamosan húzott egyenesszakaszok hossza. Közepes szemcseátmérő: a szemcséhez véletlenül rendelt párhuzamos három érintősík átlagos távolsága. Egyenértékű szemcseátmérő: a szemcsével azonos süllyedési sebességű gömb átmérője technológiák berendezései 6

7 Szemcseméret meghatározása Lineáris méretből, térfogatból és felületből: x 1 + x x 2 á = 2 V = d 3 π 6 x á = x 1 x 2 6 V d 3 e = π 2 A = d π d e = A π Szitaanalízis: Az anyaghalmazt szitálással elemezzük úgy, hogy egy adott szitasoron átszitáljuk az anyaghalmazt. Eredménye: a szemcseméret-eloszlási függvény és a gyakorisági görbe. technológiák berendezései 7

8 Példa: Szemcseméret-eloszlási függvény és gyakorisági görbe meghatározása táblázatos módszerrel Szemcsefrakció Tömeghányad Összegzett tömeghányad Gyakoriság x i -x i+1 [mm] m i [%] 1-F(x) [%] dm i /dx i [%/mm] < 20 49,4 100,0 2, ,8 50,6 0, ,1 32,8 0, ,3 17,7 0, ,2 8,4 0,11 > ,2 0,04 Σ 100,0 technológiák berendezései 8

9 Példa: Szemcseméret-eloszlási függvény és gyakorisági görbe meghatározása grafikus módszerrel 1 0,9 0,8 0,7 Szitaáthullás F(x) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Szitamaradvány 1-F(x) technológiák berendezései 9

10 Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Schumann-Gaudin függvény: F( x) = x a m Az a paraméter értelmezése érdekében legyen a = x. Ekkor F(x)=1, tehát a = x max. Logaritmizálva az eloszlásfüggvényt, majd egy kiválasztott mérési adatból az m paraméter számolható. m = lg F( x) lg( x) lg( a) technológiák berendezései 10

11 Rosin-Rammler függvény: (A szitamaradvány értékekre vonatkozik). 1 F( x) = e x a m Az a paraméter értelmezése érdekében ismét legyen a = x. Ebben az esetben: 1 1 F( x) = = 0,368 e a az a szemcseméret, amelynél a szemcsés anyag 0,368 tömeghányada durvább és 0,632 tömeghányada finomabb. Az m paraméter meghatározásához kétszer kell logaritmizálnunk: 1 lg lg = m lg x m lg a 1 F( x) Kolmogorov (lognormális) szemcseeloszlás: F( x) = 1 2π m x x 0 e (ln x a) 2 2m 2 dx Az a paraméter a medián (x 50 ) logaritmusát jelenti. technológiák berendezései 11

12 technológiák berendezései 12 Gömbre és kockára Általános alakú testre d d d V F s g g g = = = π π a a a V F s k k k = = = x s 6ϕ = Heywood-faktor: ϕ, értéke kvarchomokra (gömbölyded): 1,43; üvegőrleményre (kockatéglatest): 1,90; szállópor: 2,28 csillám (lemezes): 9,27. Fajlagos felület fogalma

13 Aprítás fogalma Def.: Nagyobb méretű szemcseméretű darabokból kisebb szemcseméretű töretet állítunk elő. Jellemzése: az aprítási fokkal történik. Aprítási céljai: A végtermék kívánt halmazsajátságainak az elérése, például jó folyási tulajdonságok, megfelelő töltéssűrűség, magas színhatás, kellemes íz A további feldolgozás eljárásai által igényelt szemcseméret előállítása. Kötő- és reakcióképesség valamint anyag és energiatranszport szabályozása a fajlagos felület növelésével a vegyiparban, az energiaiparban és a cementgyártásban (kémiai reakciók és égetés). technológiák berendezései 13

14 Igénybevételi módok aprításnál 1. nyomó 2. vágó 3. nyíró 4. ütő 5. nyíró: közeg segítségével 6. dörzsölés 7.nem mechanikai okok: sugárzás, hő, elektromosság, robbanás technológiák berendezései 14

15 Megváltoz ltozó szemcse- és s halmazsajáts tságok Halmazsűrűség és -porozitás Szemcseméret Összenövési viszonyok Fajlagos felület Felületi sajátságok (felületi energia) Belső szerkezet (amorfizáció) Anyagi összetétel Fűtőérték stb. technológiák berendezései 15

16 Aprítási fok és fajlagos aprítási munka r 80 = X x r = X x xi Fi xi + x x ; xi = F 2 i i = 1 W m = W m [ kj / kg ]; [ kwh / t ] technológiák berendezései 16

17 Aprítógépek méretezése 1) Anyag által igényelt fajlagos munkaszükséglet meghatározása: Rittinger, Kick-Kirpicsov, Bond munkatörvények segítségével. 2) Teljesítményszükséglet meghatározása: Pa = Q Wf Gépi teljesítmény meghatározása: Pg = f (méret, mozgatás..): pl. P = k L D v Pa = Pg hengeres törő technológiák berendezései 17

18 Aprítási területek x80 [mm] r80 durva aprítás 50 < x közép aprítás 5 < x finom aprítás 0,5 < x őrlés 0,05 < x80 0, finom őrlés x80 0,05 > 15 technológiák berendezései 18

19 Aprítógépek Pofástörő Körtörő Kúpostörő Hengertörők Röpítő-törő Röpítőmalmok Kalapácstörők Kalapácsos shredder kalapácsmalmok technológiák berendezései 19

20 Durva aprítás: Pofástörő Q = 850 R L technológiák berendezései 20

21 Ütve törők: Kalapácstörő és röpítőtörő e F( x ) = x - x e max -1 m technológiák berendezései 21

22 Hengertörő Aprítási feltételek: tg φ/2 µ cosφ/2 =(D/2+R/2)/(D/2+x 0 /2) D 27(x 0 -R) x 0 /2 D/2 φ/2 φ R technológiák berendezései 22

23 Őrlőberendezések, malmok Gyűrűsmalmok Dobmalmok Planétamalmok Rezgőmalmok Keverő- Sugármalom Vágómalom Rotorosmalom nyíróaprítógép technológiák berendezései 23

24 Nyíró aprítógépek technológiák berendezései 24

25 Gyűrűsmalmok technológiák berendezései 25

26 Dobmalmok technológiák berendezései 26

27 Golyósmalmok Teljesítményigény (Rowland-Kjos): 0,1 P = 7,33 eϕ ρg LD 9-10e 2 2, 3 ( 1-0,937ϕ ) 1- D malom átmérője, [m] L malom hossza, [m] ρ g golyók sűrűsége, [t/m 3 ] ф e őrlőtestek töltési (laza) foka, a malom-fordulatszám viszonya a kritikus fordulatszámhoz (e = n/n krit ). technológiák berendezései 27

28 Keverő golyósmalmok Történelem: KLEIN és SZEGVÁRI [1928]- lassújárású keverő-golyósmalom SZEGVÁRI [1950]- gyorsabb járású keverőgolyósmalom HOCHBERG és BOSSE [1958] homokmalom ENGELS [1965] teljes őrlőterű, körőrlőterű és pálcás őrlőterű keverőgolyósmalmok STEHR, WEIT, KWADE [napjainkban] - SALA keverő-golyósmalom technológiák berendezései 28

29 Keverőmalmok teljesítményigénye Kiindulási feltétel: A malomkapacitás és a teljesítményszükséglet, valamint a méret-, és az üzemjellemzők közötti összefüggések ismerete. Alkalmazott módszer: Dimenzióanalízis A feltételezett alapösszefüggés: P = f ( d, w, D, n, c, ϕ, d, ρ,, g) m k k m m m g µ Az egyes összefüggések jelölései: d k a keverőtárcsa átmérője [m] w k a keverőtárcsa szélessége [m] D m a malom belső átmérője [m] n a keverőtengely fordulatszáma [1/min] c m a szilárd anyag tömegkoncentrációja [-] ϕ m malom töltési foka [-] d g az őrlőgolyók átmérője [m] ρ a szuszpenzió sűrűsége [kg/m 3 ] µ a szuszpenzió dinamikai viszkozitása [Pas] technológiák berendezései 29

30 technológiák berendezései 30 Keverőmalom teljesítményigénye n m k m Fr A Eu n d P = = Re 3 5 ρ = m m k g k m k k c d d d D d w f A ϕ,,,,. µ ρ = v k d k Re Eu n d P k m = ρ 3 5 Mannheim, 2005.

31 Rezgőmalmok technológiák berendezései 31

32 Malmok hatékonysága F (x) / % keverőmalom rezgőmalom rezgőmalom Keverőmalom t = 20 min. Rezgőmalom t = 20, 60 min Szemcseméret / µm f (x) / % Keverőmalmokban a megkívánt őrlési finomság lényegesen rövidebb idő alatt érhető el, mint rezgőmalmokban! technológiák berendezései 32

33 Őrlőtárcsák, sugármalmok, vágómalmok technológiák berendezései 33

34 Szétválasztás fogalma A keverék komponenseit fizikai és fizikai- kémiai erők által különkülön termékekbe nyerjük ki. szilárd-gáz, szilárd-folyadék fázisok elválasztása történik. Alkalmazott berendezések: Osztályozó, dúsító berendezések vagy fázisszétválasztó készülék. A vegyiparban, kőolajiparban, környezetvédelemben fontos a szétválasztási folyamatok gyors és hatékony tervezése! technológiák berendezései 34

35 Szétválasztási alapfolyamatok 1. Szitálás 2. Dúsítás 3. Fázisszétválasztás 1. a szitanyílásnál egy kisebb (x d) és egy nagyobb (x > d) szemekből álló termék. 2. a feladás alkotórésztartalmánál egy kisebb (a1 < a0) egy nagyobb (a2 > a0) alkotórész-tartalmú termék. 3. a feladásnál kisebb és nagyobb nedvességtartalmú, szilárd-koncentrációjú (ill. zagysűrűségű) vagy porkoncentrációjú termék. technológiák berendezései 35

36 Kéttermékes szétválasztás Feladás m 0 a 0 m-tömegáram K- tömegkihozatal Szétválasztás 2-es termék m 2 a 2 K = 2 m m es termék m 1 a 1 K = 1 m m 1 0 a 1 < a 0 < a 2 technológiák berendezései 36

37 Sűrűségeloszlás (tökéletes szétválasztás) Eloszlási sűrűség, f(x) x min B K B Szemcseméret, x A- feladás B- finom termék d- Szitanyilás-méret x = d A x max Eloszlási sűrűség, f(x) A K C A- feladás C- durva termék d- Szitanyilás-méret C x min x = d Szemcseméret, x x max technológiák berendezései 37

38 Sűrűségeloszlás (reális szétválasztás) Sűrűség-függvény, f ( x ) Szitaáthullás B A f (x) A Sűrűség-függvény, f ( x ) Szitamaradvány C A f (x) A x a x a f (x) B dx x = d Szemcseméret, f x x f x a x a f (x) C dx x = d Szemcseméret, f x x f technológiák berendezései 38

39 Tromp-görbe T(x)-sszétválasztási függvény, % T= 75 % T=25 % Szemcseméret, mm TERRA: a szétválasztás élességének mértéke, Ep (valószínűségi eltérés): Ep κ = x x = x 75 x 25 I = E x p T technológiák berendezései 39

40 Nagyüzemi osztályozás 1. Szitákkal, szitalapokkal (szemcseméret+alak) 2. Áramkészülékekkel (szemcseméret+alak+sűrűség+s. végsebesség) Száraz és nedves osztályozási módok technológiák berendezései 40

41 Szitálás - Szitálás céljai (4 fő cél) - Szitálás előfeltétele - Szitalapok jellemzése - Szabad szitafelület fogalma - Sziták teljesítménye és hatásfoka - Sziták energiaszükséglete technológiák berendezései 41

42 Szitálás eredményét befolyásoló tényezők Szemcsealak, szitanyílás alakja Szitanyílás relatív nagysága Kritikus szemek mennyisége a feladásban Szabad szitafelület A szitanyíláshoz közeledő szemcsék mozgásiránya és kinetikai energiája A feladás mennyisége, nedvessége, rétegvastagsága Szitalap merevsége, korróziója Szitamozgatási mód stb. technológiák berendezései 42

43 Szitatípusok, szitaberendezések Szitatípusok szemcsemozgás szerint: 1. Dobsziták (csúszás-gördülés) 2. Síksziták: 1. Rácsok (álló:ívszita vagy mozgatott) 2. Lengősziták (csúszás): - rosták= vízszintes síkban mozgó lengősziták - függőleges síkú, kényszermozgású nem rezonanciás sziták - szabadlengésű rezonanciás sziták 3. Rezgősziták = szitavibrátorok (ugrálás) - elektromágneses és mechanikus gerjesztésű technológiák berendezései 43

44 Mozgatott rácsok technológiák berendezései 44

45 Rosták, kényszermozgású sziták technológiák berendezései 45

46 Szabadlengésű nem rezonanciás sziták technológiák berendezései 46

47 Szabadlengésű rezonanciás sziták technológiák berendezései 47

48 Együttülepedés szerinti osztályozás Áramkészülékek Elvi alapok: együttülepedés jelensége. Az osztályozás a szemcsék eltérő süllyedési seb. alapján történik. Nincs éles szétválasztás (Tromp-görbe kevésbé meredek). Csoportosítási elv: A közegáramlás iránya a szemcsékre ható külső erők irányára merőleges vagy ellentétes? 1.felszíni (felületi, keresztáramú) áramkészülékek 2.hidraulikus (ellenáramú) áramkészülékek technológiák berendezései 48

49 Süllyedési sebesség meghatározása STOKES-TÖRVÉNY! A szétválasztás határát képviselő s. sebesség: w0 = Q/A Q a finomosztály zagymennyisége A - az á.készülék osztályozó terének keresztmetszete/zagynívó felülete 1. wx < w0 finom osztály~felfelé 2. wx > w0 durva osztály~lefelé technológiák berendezései 49

50 Áramkészülékek csoportosítása I. Felszíni áramkészülékek 1. mozgó részek nélküli Csúcskádak, tölcsérek 2. mechanikus osztályozók Gereblyés, kaparószalagos, Akins, Hardinge, tányéros osztályozó (Dorr) II. Hidraulikus áramkészülékek szabad és hátráltatott ülepedésű á.készülékek (házi gyártmányú, Rheax, hidrociklon) technológiák berendezései 50

51 Áramkészülékek csoportosítása III. Száraz áramkészülékek 1. Száraz őrlőgépekkel körfolyamban dolgozó = Szélosztályozók 2. Száraz anyagok portalanítására és finomosztályozásra = Légszeparátorok: szórótányéros, spirális légáramú, redőnyös, cikcakkos, szitás, lüktető légáramú állószitás. technológiák berendezései 51

52 Hidrociklon technológiák berendezései 52

53 Légszeparátorok technológiák berendezései 53

54 Ülepítés nehézségi erőtérben Def.: Az a művelet, melynek során a heterogén rendszerek az őket alkotó fázisokra válnak szét a nehézségi erő hatására. 1.Zagysűrítés 2.Derítés (szakaszos és folytonos üzemű) technológiák berendezései 54

55 Folytonos derítés Dorr-sűrítőkádban Kisméretű szilárd részecskék szuszpenziójának szétválasztására. folytonos üzemű, nagy átmérőjű tartály (1,5-100m). lassan forgó, kiemelhető mechanizmus (0,02 1/min.) a derített tiszta folyadék a felső peremen ömlik át. technológiák berendezései 55

56 Csatornamosók és nedves szér technológiák berendezései 56

57 Centrifugálás elméleti alapjai Ha m tömegű test tengelye körül ω szögsebességgel forog r sugarú körön, akkor a centrifugális erő: C = mrω 2 = m v r 2 A centrifuga jelzőszáma egy ún. szétválasztási tényező, a centrifugális és a g nehézségi gyorsulás viszonya: 2 2 rω v j = = g r g technológiák berendezései 57

58 Centrifugák jellemzése A centrifugákat a legkülönbözőbb iparágakban elterjedten használják szűrésre, ülepítésre, illetve derítésre. A centrifuga lehet függőleges vagy vízszintes tengelyű. A nehézségi erőtérben való szétválasztáshoz képest a centrifugális erőtér használata több százszor vagy több ezerszer gyorsabb! A centrifugák alkalmasak: 1.nemelegyedő folyadékok szétválasztására (emulzióbontás), 2. folyadékban levő eloszlatott szilárd anyag eltávolítására (kinyerésére) 3. nedves szilárd anyag mellől a felesleges" folyadék eltávolítására (víztelenítés), 4. az 1-3. bármely kombinációjára. technológiák berendezései 58

59 Centrifugák csoportosítása Csoportosítás FEJES szerint: a) szakaszos üzemű szűrő- és ülepítő centrifugák b) folytonos üzemű szűrőcentrifugák c) folytonos üzemű ülepítő centrifugák d) derítő- és emulzióbontó centrifugák technológiák berendezései 59

60 Függőleges tengely körüli forgás elve technológiák berendezései 60

61 Szakaszos üzemű szűrőcentrifugák Szűrőcentrifuga-dob részlete 1 - perforált lemez, 2 -alátét huzalháló, 3 - szűrőkendő, 4 - iszaplepény, 5 - folyadék technológiák berendezései 61

62 Hámozó szűrőcentrifuga a - töltés és szétválasztás: 1 - cső, 2 - szűrlet, 3 - kihordó csiga, 4 - kés; b - az iszaplepény eltávolítása technológiák berendezései 62

63 Hámozó ülepítő centrifuga 1. cső a szuszpenzió bevezetésére 2. dob 3. hámozócső 4. Kés 5. surrantó. technológiák berendezései 63

64 Folytonos üzemű szűrőcentrifugák: Kúpos és csigás centrifuga 1 - csiga, 2 - szuszpenzió, 3 - mosófolyadék, 4 - szűrlet, 5 - mosási szűrlet, 6 - szilárd anyag technológiák berendezései 64

65 Folytonos üzemű ülepítő centrifugák: Csigás ülepítő centrifuga (dekanter) Guinard-féle egyenáramú" dekanter technológiák berendezései 65

66 Derítő- és emulzióbontó centrifugák: Szupercentrifuga Szupercentrifuga dobja. A - derítő fejrésszel, B -emulzióbontó fejrésszel 1 - betáplálás 2 - a derített folyadék eltávozása 3 - a könnyű folyadék kilépése 4 - a nehéz folyadék kilépése 5 elosztó technológiák berendezései 66

67 Derítő- és emulzióbontó centrifugák: Kamrás és tányéros centrifuga technológiák berendezései 67

68 Keverés célja és feladatai Keverés célja: finomdiszperz rendszer létrehozása. Egyfázisú folyadéknál: koncentrációkiegyenlítődés Kétfázisú folyadék-folyadék extrakciónál: fázisegyensúly kialakítása vertikális folyadékáramlással. Megvalósítandó feladatok: Homogenizálás Szuszpendáltatás Diszpergáltatás Emulgeálás Hőcsere intenzifikálása technológiák berendezései 68

69 Folyadékok keverése Szükséges az alábbi folyamatokhoz: Szolvens extrakció Folyadékok savas, lúgos kezelése Foly-fázisú reakciók Polimerizáció Emulziók készítése technológiák berendezései 69

70 Lapátos keverőtípusok áramlási irány: tangenciális fordulatszám: n< 100 1/min kerületi sebesség < 3-5 m/s technológiák berendezései 70

71 Impeller keverő Nagyon jó hatásfok. n= /min. Főleg szuszpenziók készítéséhez használják. Nagy szállítóteljesítmény. Méretarányok: d/d:0,5-0, 8; w/d:0,11-0,13; h/d:0,02-0,05; technológiák berendezései 71

72 Propellerkeverők A lapátok csavarfelületek. Aránylag nagy fordulatszám (n= /min). Általában közvetlen motorhajtásúak. Viszkozitás: 1000 cp. Méretarányok: d/d:0,1-0, 33; h/d:0,2-2; H/d:4-7;H/D=0,8-1,5 Jelentős axiális áramlást idéz elő.-> nagy folyadéktömeg mozgatása technológiák berendezései 72

73 Ferde elrendezéssel Q p = v a 2 d π 4 technológiák berendezései 73

74 Zárt turbinakeverő (turbókeverő) Sugárirányú áramlás. Nagy nyíróerők. Gyors járás. n= /min, max 1000 cp. Méretarányok: D/d:3,15; b1/d:0,11; b2/d:0,0055; H/d=3,15 technológiák berendezései 74

75 Nyitott turbinakeverők Gyors járású. (n= /min) Max cp. Méretarányok: D/d:5-2,25; d/d:0,2-0,45; w/d:0,2-0,3; H/d=3; H/D=1 Alkalmazási területek: emulgeálás diszpergálás hőátadás javítása reakciók gyorsítása (fermentor) technológiák berendezései 75

76 Nagy viszkozitású anyagok keverése Kétkeverős főzőüst A keverős főzőüst (A) tetején elhelyezett (B) hajtóműhöz (C) tengelykapcsolókon keresztül csatlakozik a centrális (D) horgonykeverő és az (E) lapkeverő. A leeresztőnyílás: (F), a hőmérőtok: (G). technológiák berendezései 76

77 Nagy viszkozitású anyagok keverése Kétkarú dagasztó Nagy viszkozitású, nyúlós, sűrű masszák dagasztására keverőgépeket használnak. Az ilyen, fekvő elrendezésű, kétvályús gép két munkavégző eleme, a gyúrószerszám, a homlokfalakban csapágyazva van, és a két elem egymással szemben forog. technológiák berendezései 77

78 Szilárd szemcsés anyagok keverése Többmozgású ferde csigás Nauta-keverő A keverő tartálya kúpos, benne egy ferdén elhelyezett csiga felfelé szállítja és egyben (kisebb mértékben) keveri is az anyagot. Eközben a csiga a tartály tengelye körül a fal mentén körbe mozog (kering). A csiga fordulatszáma percenként, a keringési fordulatszám 2,2...2,8 percenként. technológiák berendezései 78

79 Forgótartályos keverők technológiák berendezései 79

80 Gázdiszpergálás. Pneumatikus keverés. a - turbokeverő gázdiszpergáló perforált csővel b - perforált csöves pneumatikus keverő c - vezetőcsöves pneumatikus keverő technológiák berendezései 80

81 Homogenizáló gépek Kolloidmalmok A felső tárcsa áll, az alsó 3000 percenkénti fordulatszámmal forog. A centrifugális erő az anyagot a középponttól a kerület felé kényszeríti. A két tárcsa közötti hézagban a fellépő nyíróerők hatására az anyagban levő agglomerátumok ( csomók") szétdörzsölődnek. Előnyösen használhatók: zsírok homogenizálására, gyümölcs- és zöldséglevek, valamint sűrítmények homogenizálására. technológiák berendezései 81

82 A keverés teljesítményszükséglete F E dn = c A ρ E = df E f v 2 v 2 dn = df v = df ( 2π n x) E E x=0 és x=d/2 határok között integrálunk N = ξ n d ρ f ξ = Eu = f (Re ξ = m 3 B Re a 5 Fr b m, Fr m ) technológiák berendezései 82

83 Keverő berendezések kiválasztási szempontjai 1. Anyagok viselkedése 2. Szemcseméret és sűrűség különbségek 3. Keverési arány 4. Keverési idő technológiák berendezései 83

84 SZŰRÉS Def.: Szuszpenziók szétválasztására szolgáló művelet, mely során a folyadékból a szilárd szemcséket a szűrőközeg segítségével kiválasztjuk. A szűrőn átfolyó folyadékot szűrletnek, a szűrőn fennmaradó anyagot iszaplepénynek nevezzük. 1. mélységi szűrés 2. felületi szűrés Felületi szűrés esetén a csak a szűrőközeg felülete végez szeparációt, míg mélységi szűrés esetén a szűrőközeg belsejében lévő pórusok is szerepet játszanak. technológiák berendezései 84

85 SZŰRŐKÖZEG Def.: Szűrőközegeknek nevezzük összefoglaló néven 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 technológiák berendezései 85

86 Rácsok: csak durva szűréshez! technológiák berendezései 86

87 Szűrőszövetek 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 technológiák berendezései 87

88 SZŰRÉSI MODELL 1. dk átmérőjű kapillárisokban történik az áramlás! Q k = 4 rk π p 8ηL lamináris áramlás N ε = r 2 k π Egységnyi keresztmetszetben található kapillárisok száma technológiák berendezései 88

89 SZŰRÉSI MODELL 2. Q k = A N Q k = Aε 2 rk p 8ηL 1. Hagen-Poiseuille összefüggés π p q l r 4 dv pa v = = = 8η dτ Rη Ez a modell csak addig érvényes, míg a szűrés folyamán a porozitás, a kapilláris sugarak nem változnak! technológiák berendezései 89

90 SZŰRÉSI MODELL 3. Q k = k d A p Lη 2. DARCY féle törvény Kd- a homokra jellemző áteresztőképesség (A szűrés során szabálytalan alakú csatornák alakulnak ki) Q A k = k 1 ε 3 p ( ) ε f ηl fajl 3. KOZENY féle ö.függés (az ismeretlen kapilláris-átmérő helyett a hidraulikai sugárral számol) technológiák berendezései 90

91 MÉLYSÉGI SZŰRÉS A szilárd szemcsék lerakódnak a pórusokban. A szűrőközeg általában szemcsés anyag. A folyadék szilárd-anyag tartalma kicsi (0,5% alatti). A kiválasztandó szemcsék mérete kicsi. A szűrőközeg belsejében lamináris áramlás. A nyomásesés arányos a sebességgel. A szemcsék kiválása a szűrés folyamán több hatás eredménye. Lefelé történő (gravitációs) áramlás esetén a gravitáció miatt hajlamosak a szemcsék kirakódni. technológiák berendezései 91

92 FELÜLETI SZŰRÉS A leválasztott részecskék elfedik a kapillárisok bejáratát. Ha a felület megtelt, valamennyi kapilláris nyílás eltömődött a szűrési folyamat leáll. Csak a szűrőközeg felülete végez szeparációt, míg mélységi szűrés esetén a szűrőközeg belsejében lévő pórusok is szerepet játszanak. technológiák berendezései 92

93 Általános szűrőegyenlet v = 1 A dv dτ = p η 1 R A szűrők jellemző paramétere a szűrési sebesség, ami azt mutatja meg, hogy a szűrő egységnyi felületén egységnyi idő alatt mekkora szűrletmennyiség (térfogatáram sűrűség) halad át. R a folyadék átáramlásával szembeni teljes ellenállás amely két részből tevődik össze. Az egyik a szűrőközeg ellenállása (Rm), a másik a képződött iszaplepény (Ri) ellenállása. Azaz R= Rm+ R1. technológiák berendezései 93

94 Ellenállás értékek meghatározása 1. Ri: iszaplepény ellenállása egyenesen arányos a szűrlettérfogattal (V [m3]) és fordítottan arányos a szűrőfelület nagyságával (A [m2]). Az arányossági tényező a szűrendő anyagra jellemző fajlagos lepényellenállás (r, [m2/kg]) és a szűrendő szuszpenzió koncentrációja (c, [kg/m3]). rc = lepényellenállás Ri = rc V/A Rm = rc V'/A Rm : szűrőközeg ellenállás értékét célszerű az iszaplepényhez hasonló összefüggés segítségével meghatározni. Ehhez vezessük be az egyenértékű szűrlettérfogat fogalmát, ami annak a képzeletbeli szűrletnek a mennyisége, amelynek A szűrőfelületen történő átáramlása során kiülepedő iszaplepény ellenállása megegyezik a szűrőközeg ellenállásával. dv = dτ pa η rc V + A rcv A technológiák berendezései 94

95 Ellenállás értékek meghatározása 2. dv pa 2 = dτ ηrc V V ( + ) a reciprok értéket képezve: a Darcy féle szűrőegyenlethez jutunk: dτ ηrc dv pa V ηrc = + pa V 2 2 technológiák berendezései 95

96 A differenciál-egyenlet megoldásának feltétele A differenciál-egyenlet megoldása során feltételezzük, hogy a fajlagos lepényellenállás, az egységnyi szűrletből kinyert iszap mennyisége valamint a szűrőközeg ellenállása az időtől független. Ez azonban csak akkor igaz, ha az iszaplepényt összenyomhatatlannak feltételezzük! Összenyomható szűrőlepény esetében az egyenlet módosított formája lesz alkalmazható. Az iszaplepény ellenállása függvénye a nyomásnak, sőt bizonyos esetben a közegellenállás is függhet a nyomástól. Lepényellenállás: Ri = K1*V * ps K1 = arányossági tényező s = lepény kompresszibilitása szűrőközeg ellenállásának nyomásfüggése: RM = K2 * pm K2 = arányossági tényező m = közeg kompresszibilitása technológiák berendezései 96

97 SZŰRŐKÉSZÜLÉKEK: folyadéksziták Csővezetékbe iktatható folyadékszita: 1. szitakosár 2. fedél Durva, felületi szűrésre. A nyílásaiknál nagyobb szemcséket tartják vissza. Szűrőközeg: lyukasztott lemez, durva rács v. fémszövet Alkalmazás: folyadéktartályokban, tech. Csővezetékekben A kiszűrt anyag a szitakosárba kerül. technológiák berendezései 97

98 Szűrőprések Több párhuzamosan kapcsolt szűrőelemből áll, szakaszos működés. A szűrendő folyadékot az elemek közé nyomják. 1.kamrás szűrőprés: kis szárazanyag-tartalmú szuszpenziókhoz. Az iszapteret kamrákkal oldják meg. 2. keretes szűrőprés: nagyobb iszapűrtartalom, hosszabb élettartam, könnyebb cserélhetőség! Az iszaptér kialakítása kerettel történik. Iszap kimosása: egyenáramú mosással vagy egyen-, és ellenáram kombinációval. technológiák berendezései 98

99 Szűrőprések Kamrás szűrőprés: a kamrák vastagsága korlátozott! 1. Állórész 2. mozgó fejrész 3. szűrőlapok technológiák berendezései 99

100 Szűrőprések Keretes szűrőprés: 1. álló rész, 2. mozgó fejrész 3.szűrőlap 4. mosólap 5. keret 6. szűrőkendő 7. iszaplepény 8.szűrletkifolyás 9. szuszpenzió betáplálás 10. mosófolyadék bevezetése mosófolyadék elvezetése technológiák berendezései 100

101 SZŰRŐKÉSZÜLÉKEK: nyomószűrők Gyertyás szűrő: 1. Szűrőgyertyák 2. folyadék bevezetése 3. iszapeltávolítás (ellenáramú öblítéssel/levegőnyomással) 4. szűrlet elvezetése Csőkötegszerű cső alakú szűrőelemek = szűrőgyertyák (anyaguk: lyukacsos kerámia, fémszita, műa.,textília, lyukacsos zsugorított fém, L=1m) A szűrés kívülről befelé történik. A szűrlet a csőkötegfal és az edényfenék közötti térben gyűlik össze. technológiák berendezései 101

102 SZŰRŐKÉSZÜLÉKEK: forgódobos szűrők Belső szűrésű szűrődob: 1. dob 2. cellák 3.alátámasztó görgők 4. szűrendő anyag bevezetése 5. szállítócsiga Vízszintes tengelyű fekvő henger. Gyorsan ülepedő nagyobb szemcséket tartalmazó folyadékok szűrésére. Az iszapkihordás nem valósítható meg a szűrődobban! technológiák berendezései 102

103 SZŰRŐKÉSZÜLÉKEK KIVÁLASZTÁSI SZEMPONTJAI 1. Szuszpenzió jellege: jól szűrhető, közepesen szűrhető, lassan szűrhető, híg, nagyon híg 2. Teljesítmény 3. Üzemi körülmények 4. Kívánatos minőség 5. Szerkezeti anyag technológiák berendezései 103