Ülepítés. Vegyipari és biomérnöki műveletek segédanyag Simándi Béla, Székely Edit BME, Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

Átírás

1 Ülepítés Vegyipari és biomérnöki műveletek segédanyag Simándi Béla, Székely Edit BME, Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Megköszönjük Szternácsik Klaudia és Wolowiec Szilvia hallgatóknak a diák elkészítéséhez nyújtott segítségét

2 Ülepítés Számos technológiában alkalmazott művelet: Ivóvíz előállítás Szennyvíztisztítás Levegő tisztítás Korszerű ércfeldolgozás (Al, Cu, Mn, Ni) Szén Mész, cement Cukorgyártás Keményítőgyártás 2

3 Ülepítés Folytonos gáz folyadék Diszpergált szilárd folyadék szilárd folyadék gáz Mintapéldák: Por ülepítése levegőből (pl. munkahelyi légtér védelme) Eső Magával ragadott folyadékcseppek elválasztása forralásnál (bepárlás, desztilláció Esővíz és szennyvíz tisztítása Olaj- víz elválasztás Folyadék tisztítása illékony szennyezőktől, abszorpció. 3

4 Ülepítő tervezése Bármely ülepítés feladatnál a legfontosabb az ülepedési sebesség meghatározása. Az ülepedési sebesség meghatározza, hogy a kívánt tisztaságot / elválasztást elérjük mekkora készülékre van szükség, milyen kialakítású legyen a készülék. milyen körülmények mellett lehet használni egy adott készüléket. Az ülepedési sebesség függ: Ülepedő anyag (sűrűség, alak, méret) Folytonos közeg (sűrűség, viszkozitás stb.) 4

5 Az ülepedési sebesség meghatározása Méréssel Pl.: szétülepedési idő mérése folyadék-folyadék szétválasztásnál Közelítés számítással Egyszerűsítések: A fluidum nyugvó, inkompresszibilis, newtoni fluidum; A nyugvó rendszerben csak egyetlen részecske van, amely a berendezés falaitól távol ülepszik (végtelen térben ülepszik). 5

6 Gravitációs erőtérben a testre ható erők Archimédeszi súly (lefelé): ú = ( ) Közegellenállásból eredő erő (a mozgás irányával ellentétesen): ö = F- erő (N) V-részecske térfogata (m 3 ) A- részecske ülepedés irányára merőleges legnagyobb felület (m 2 ) - részecske sűrűsége ( ) - közeg sűrűsége ( ) u- részecske ülepedési sebessége ( ) Ülepedés iránya C D - közegellenállási tényező (-) 6

7 Gravitációs erőtérben a testre ható erők További feltételezések: Az ülepedési részecske sima felületű, merev gömb. Az ülepedési határsebességet elérte a részecske (már nem gyorsul) ú = ö 6 = 4 = A sebesség számításához szükség van a C D közegellenállási tényező ismeretére (állandósult ülepedésnél csak az ülepedési Reynolds-számtól függ). = Ülepedés számításánál a 2-es index mindig a folytonos közegre utal. 7

8 Ülepedési Reynolds-szám meghatározása Re<0,6 Stokes-tartomány (lamináris tartomány) A közegellenállást a részecske felületén létrejövő súrlódás okozza = Stokes-egyenlet (1851): 8 = u = ( ) 24 Re = = ρ ρ ρ ρ ρ ρ g d C g d u D µ ρ ρ ρ ρ = u d g d u µ ρ ρ = g d u

9 George Gabriel STOKES ( ) Matematikus, fizikus (Cambridge) Cambridge iskola (a nagy trio: Stokes, Maxwell, Kelvin) Viszkózus folyadékok áramlásának általános egyenlete (Navier-Stokes-egyenlet) További témák: A fény hullámelmélete Polarizált fény Fluoreszcencia (Stokes-eltolódás) Kristályos hővezetése A gravitáció változása a Földön Vasúti hidak leomlásának okait vizsgálta (Tay Bridge, 1879: badly designed, badly built and badly maintained ) 9

10 Ülepedési Reynolds-szám 0,6<Re<600 átmeneti tartomány A test mögött örvények alakulnak ki =. 600<Re< Newton-tartomány C D =0,44 Nagy testek levegőben ülepedése 10

11 Az ülepedési sebesség meghatározása Kis és közepes ülepedési sebességek esetén (kis és közepes Re-számok esetén) a közegellenállási tényező függ a Re-számtól. A közegellenállási tényező szükséges az ülepedési sebesség számításához. A lamináris tartományban analitikusan kifejezhető az ülepedési sebesség (Stokes-egyenlet), az átmeneti tartományban iterálásra lenne szükség. A számolás megkönnyítésére készítették az általános ülepedési diagramot, másnéven F(u)-F(d) diagramot. 11

12 F(u)-F(d) diagram F(d) paraméter = = 4 3 ( ) = 4 3 = az ismeretlen ülepedési sebesség nem szerepel = 4 3 Ha az ülepedési sebesség ismert (ismeretlen d itt nem szerepel): =

13 F(u)-F(d) diagram F(u) paraméter (nevező szorzása -vel): = ( ) = 4 3 = Kinematikus viszkozitás ( ): = 13

14 F(u)-F(d) diagram 14

15 F(u)-F(d) diagram F(d) ismeretében leolvasható F(u), ebből pedig az ülepedési sebesség számítható. F(u) értékből d meghatározható. d->f(d)->f(u)->u u->f(u)->f(d)->d Az ülepedő részecske átmérőjének meghatározása: az adott áramlási ülepítő berendezésben a legkisebb átmérőjű ülepedő szemcsét számítjuk. Más esetben: mekkora az a legnagyobb szemcseméret, amelyet adott felfelé irányuló folyadékáram még magával ragad. 15

16 Kis méretű részecskék ülepedése A modern ipar egészen kis méretű szemcsék kezelését igényli (pl. elektronikai alapanyaggyártás, gyógyszer hatóanyagok). Gravitációs erőtérben nagyon lassan ülepednek. Sebesség növelése: gravitációs erőtér helyett centrifugális erőtér használata. A részecskére ható erő egyenlő a centrifugális erővel, a használt összefüggésben a centrifugális gyorsulást használjuk. Pl. Stokes-képletben: = ( ) 18 = 2, szögsebesség (1/s) n fordulatszám (1/s) r a folyadékfelszín sugara (m) 16

17 Nem gömb alakú részecskék ülepedése végtelen térben Az ülepítendő szemcse csak ritkán gömb alakú. C D közegellenállási tényezőt egy alakfaktorral kell beszorozni. Korrekciós tényező számítása: A részecske felülete megegyezik egy d F egyenértékű átmérővel jellemzett gömb felületével.? 17

18 Koncentrált szuszpenziók, zagyok ülepítése A részecskék akadályozzák egymás ülepedését, mert sok részecske van, véletlenszerűen összeérnek (nincs végtelen tér). Az ülepedő részecske kiszorítja a fluidumot, amely a részecskék közötti térben visszafelé áramlik, így az ülepedési sebesség csökken. Ülepedési sebesség becslése (egyforma méretű és eloszlású szuszpenzió): = u s ülepedési sebesség szuszpenzióban (m/s) u egy gömb ülepedési sebessége (m/s) fajlagos hézagtérfogat (m 3 /m 3 ) n exponenciális tényező (-) 18

19 n kitevő Re-szám függése Példa: 10 V/V %-os szuszpenzió esetén ( =0,9) az u s /u = 0,62. Stokes Különböző részecskeméretű és különböző anyagok keverékéből álló szuszpenzióknál a sebességet kísérletekkel határozzuk meg. 19

20 Ülepítők Dorr ülepítő Rhittinger csúcskád Rheo-mosó Dekanterek Ciklonok 20

21 Ülepítő csatorna kapacitásának Téglalap alakú ülepítő kamra: meghatározása Ülepedési idő ü Áramlási tartózkodási idő á ü t á a méretezés alapfeltevése Alapegyenlet: - betáplálási térfogatáram (m 3 /s) A ülepítő alapterülete (m 2 ) 21

22 Ülepítő kádak 22

23 Ülepítő kádak 23

24 Ülepítő kádak 24

25 Rittinger csúcskád 25

26 Rheo mosó 26

27 Dekanter centrifuga Dekantálás 27

28 Dekantálás 28

29 Dekantálás 29

30 Dorr ülepítő Szennyvíztisztításban legáltalánosabban használt ülepítő típus. Előnyei: Egyszerű kialakítás és üzemeltetés, Nagy méret, nagy kapacitás. 30

31 Dorr ülepítő kialakítása Kúpos fenekű, hengeres tartály; Lassú forgású (n=0,02-0,5 1/min) terelő lapátok: a leülepedett iszapot a tartály közepe felé terelik. Zagy betáplálása fent középen, a tiszta folyadék átbukik a paláston és a kifolyó csatornán keresztül távozik. A sűrű iszapot a tartály alján, középen vezetik el. Tartály átmérő akár m; 31

32 Dorr-ülepítő 32

33 Dorr-ülepítők 33

34 Ütközésen alapuló ülepítők Áramlási irány megváltoztatása: ütközőlemezekkel. A szilárd részecskék az irányváltoztatást nem tudják követni. Porülepítő kamra Gyakori előülepítő nagyobb méretű részecskék leválasztására Gáz, por Tisztított gáz por por 34

35 Ütközésen alapuló ülepítők - ciklonok Gáz nagy sebességgel, tangenciálisan lép be a henger alakú ciklon testbe és útját lefelé folytatja. Porrészecskék a gázzal együtt a fal mentén mozognak. Fal mentén lecsúszó por a porelvezető csonkon keresztül távozik. Gáz áramlási sebessége: ~20 m/s. Gyakori használat: Levegő-tisztítás (pormentesítés) Folyadék-szilárd elválasztás (hidrociklonok) 35

36 Párhuzamosan kapcsolt ciklonok 36

37 Hidrociklonok 37

38 Hidrociklonok 38

39 Disa-Ciklonok DISA high-efficiency Cyclone DISA ciklofilter 39

40 Szűrés Vegyipari és biomérnöki műveletek segédanyag Simándi Béla, Székely Edit BME, Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Megköszönjük Szternácsik Klaudia és Wolowiec Szilvia hallgatóknak a diák elkészítéséhez nyújtott segítségét

41 Szűrés Definíció: szilárd anyag elválasztása folyadéktól vagy gáztól olyan módon, hogy a szilárd részecskéket tartalmazó fluidumot (szuszpenzió, gáz) pórusos rétegen keresztül engedjük át. Felhasználás: Ivóvíz előállítása; Szennyvíztisztítás; Levegő és véggázok tisztítása (porszűrés); Fermentációs termékek (élesztő, sör, bor, gyógyszer alapanyagok, penicillin, citromsav); Cukorgyártás; Keményítőgyártás; Festék és pigmentgyártás. 41

42 Szűrés művelete A szűrés a nyomáskülönbség hatására jön létre. Nyomás lehet: hidrosztatikus, vákuum, túlnyomás. 42

43 Szűrés Darcy-egyenlet Darcy-egyenlet (a szűrőréteg pórusaiban az áramlás lamináris), szűrés egyenlete: 1 = μ A szűrő felülete (m 2 ) V szűrlet térfogata (m 3 ) t idő (s) K szűrő áteresztő képessége (m 2 ) nyomáskülönbség (Pa) l i szűrőréteg vastagsága (m) µ dinamikai viszkozitás (Pa s) 43

44 Henry Philibert Gaspard DARCY ( ) Mérnök (L Ecole des Ponts at Chaussées, Párizs) Fő műve: Dijon vízellátásának megteremtése Szűrés: folyóvíz, kútvíz áramlása pórusos rétegen (természetes, mesterséges szűrők) Darcyegyenlet Csőben, kapillárisban áramló folyadék súrlódása (Darcy-Weisbach formula) Folyadékok és gázok áramlása természetes kőzetekben (hidrológia, talajfizika, földgáz- és kőolajbányászat) 44

45 Szűrés Carman-egyenlet Szűrőréteg kialakulásának részletesebb vizsgálata Carman-egyenlet 1 = μ ( + ) µ dinamikai viszkozitás (Pa s) α fajlagos lepényellenállás (m/kg) C egységnyi térfogatú szűrletből felhalmozódó részecsketömeg (kg/m 3 ) R m szűrőközeg (vászon) és a szerelvények ellenállása (1/m) 45

46 Szűrés Carman-egyenlet Az átrendezett Carman-egyenlet analitikusan integrálható bizonyos feltételek mellett: Iszapréteg összenyomhatatlan A nyomásesés állandó V p R A V C A t m d 1 d + = α µ + = V m V p R A V C A t 0 t 0 d 1 d α µ + = A V R A V C p t m 2 2 α µ + = V m V A R A V C p 0 2 d α µ 46

47 Szűrés Carman-egyenlet t = µ α C p 2 V A 2 + R m V A 0 = α C 2 R p V m + V t A A µ 2 2 Egyenletet átrendezve (másodfokú egyenlet megoldása): Időegység alatt átáramló szűrlet mennyisége az idő előrehaladásával csökken. 47

48 Carman-egyenlet, konstansok meghatározása Jellemző konstansok: αc, R m Adott szuszpenzióra és készülékre kísérletek alapján meghatározhatóak 1 Carman-egyenlet reciproka: μ μ μ

49 Szűrés Kavics/homok ágyas vízszűrők Nuccs Keretes/kamrás szűrőprések Vákuum dobszűrő Egyéb szűrők 49

50 Kavics/homokágyas szűrő Kavicsos és homokszűrőket a víztisztításnál használnak; kevés, lebegő szilárd részecske (homok, szerves anyag) eltávolítása. Legtöbbször betonból készült medencék Ivóvíztisztításnál hosszú ideig alkalmazható 50

51 Kavicságyas szűrőkád 51

52 Homokágyas szűrés 52

53 Szűrő szövetek 53

54 Nuccs levegőnyomással A szűrőhatást a szűrőszövet és a kialakuló szűrőlepény együttesen biztosítja. A szűrés hajtóereje a szűrőszövet két oldala közötti nyomáskülönbség. Szakaszos művelet. 54

55 Szívónuccs gyűjtőedénnyel A szűrőhatást a szűrőszövet és a kialakuló szűrőlepény együttesen biztosítja. A szűrés hajtóereje a szűrőszövet két oldala közötti nyomáskülönbség. A szűrőkádban légköri nyomás uralkodik, a gyűjtőedényben vákuum van. A vákuum előállítása általában drágább, mint a túlnyomásé, de kisebb vákuumban az oldószerveszteség. Szakaszos művelet. 55

56 Nuccs 56

57 Nuccs 57

58 Nuccs 58

59 Nuccs- Seitz szűrők 59

60 Szűrőprések Keretes szűrőprés Kamrás szűrőprés 60

61 Keretes szűrőprés 61

62 Keretes szűrőprés 62

63 Keretes szűrőprés 63

64 Keretes szűrőprés 64

65 Keretes szűrőprés - Netzsch 65

66 Keretes szűrőprés - Seitz 66

67 Keretes szűrőprés - Seitz 67

68 Kamrás szűrőprés 68

69 Kamrás szűrőprés 69

70 Vákuumdobszűrők 70

71 Vákuum dobszűrő 71

72 Vákuum dobszűrő 72

73 Vákuum dobszűrő 73

74 Vákuum dobszűrő 74

75 Iszapeltávolítási megoldások Késes Szűrősegédanyagos-késes 75

76 Iszapeltávolítási megoldások Hengeres Zsinóros/ Szalagos 76

77 Tárcsás vákuumszűrők 77

78 Tárcsás vákuum szűrők 78

79 Nyomószűrők Táskás szűrők Gyertyás szűrők 79

80 Táskás szűrők 80

81 Táskás szűrők Horizontális 81

82 Táskás szűrők Vertikális 82

83 Gyertyás szűrők 83

84 Gyertyás szűrők-szűrőelemek 84

85 Belső szűrésű szűrődob 85

86 Szalagos szűrők 86

87 Szalagos szűrők 87

88 Szalagos szűrők 88

89 Szalagos szűrők 89

90 Szalagos szűrők 90

91 Szalagos szűrők 91

92 Tányéros szűrő - Seitz 92

93 Köszönöm a figyelmüket! 93