Fluidizáció A luidizáció érés célja, hogy a hallgató a érés elvégzése után az alábbi tanulási eredényeket elérje: Miniu szint: A hallgató - kées egy élüzei éretű készüléken eligazodni és a seatikus rajz alaján a érőűszereket azonosítani - rálátással rendelkezik a luidizáció jelenségére, azonosítani tudja, hogy a érés során ikor, elyik kéletet elhasználva kell az oszlo nyoásesését eghatározni - iseri az összeüggést a töltött oszlorész agassága, a hézagtérogat és a hézagentes töltetagasság között - iseri és el tudja agyarázni a rotaéter és a érőere űködési elvét - kétolyadékos dierenciálanoéter száítását iseri - a érés során a érési adatokat jól dokuentáltan jegyzi el és átlátható orában összesíti. - érési adatait ás szakeber száára érthető orában, a egelelő egyenletek kiválasztásával és a értékegységek helyes használatával értékeli ki és átlátható kivitelű jegyzőkönyvet készít. - a száítási eredényeit összeveti a taasztalati értékekkel és jelentős eltérés esetén keresi a hiba okát. Otiális szint: A hallgató - az eredényeket összeüggéseiben, a gyakorlati taasztalatai igyelebevételével értékeli, eltéréseket indokolja - az értékelés során igyelebe veszi a érőeszközök illetve a leolvasás ontosságát A leiratban a elkészülést és a élyebb egértést elősegítő elgondolkodtató és ellenőrző kérdések zölddel vannak szedve. Eléleti összeoglalás Fluidizáció során egy ino szecséjű, orszerű szilárd anyagot alulról elelé áraló luidual (gáz, olyadék) olyan lebegő állaotba hozunk és abban tartunk, ait a orrásban lévő olyadékhoz lehet leginkább hasonlítani. A luidizáció nagyon intenzív érintkeztetést eredényez a szilárd és luid ázis között. A luidizáció tehát a töltött oszloban történő áralás egy seciális esete. A luidizáció jelenségével a vegyiarban több helyen találkozhatunk. Példaként egelítjük a luidizációs szárítót, a luidizációs irit-örkölőt, sőt több heterogén katalitikus reakció is luidizált katalizátorszecséken játszódik le. Ha a töltött csőben áraló luidu üres oszlora vonatkoztatott áralási sebességét (v0) növeljük és közben érjük a töltet nyoásesését, ajd ezeket logaritikus skálán ábrázoljuk, akkor - aennyiben a töltet elülről nincs ráccsal rögzítve - a következő görbét kajuk [1]:
1. ábra Az áralási sebességet növelve a nyoásesés először a sebességgel arányosan növekszik, ajd nagyobb áralási sebességtartoányban a sebesség kitevője okozatosan növekedve eléri a értéket, azaz a nyoásesés a sebesség négyzetével lesz arányos (turbulens tartoány). Az 1. ábrán az A és B ontok közötti szakaszon a nyugaloban lévő tölteten az áralás turbulens, ezért a logaritikus skálán ábrázolva az egyenes eredeksége. Aikor a sebesség nővelésével elérjük a B ontot, az áralási nyoásesés egyenlő lesz a rácsnyoással, a szecsékre ható erők eredője zérus lesz, erőegyensúly alakul ki, a szecsék lebegni kezdenek. Megkezdődik a luidizáció. A rácsnyoás a szecsés réteg egységnyi rácselületre eső archiedesi súlya ([] 10. old.): L g 1 (1) r ahol L a luidizált réteg agassága [], a ajlagos hézagtérogat, a töltet sűrűsége [kg/ 3 ], a luidu sűrűsége [kg/ 3 ]. A ajlagos hézagtérogat deiníciójából következik, hogy a töltet által eloglalt oszloagasság, ha ne lenne hézag a szecsék között, L0 lenne (hézagentes vagy redukált töltetagasság). L0 L1 () Ez az érték állandó a luidizáció során, tehát a nyoásesést egységnyi redukált töltetagasságra is vonatkoztatjuk. L 0 r g Az áralási nyoásesés a töltött oszlook hidrodinaikai ellenállására levezetett összeüggés segítségével kiszáítható: 4 L 0 1 d v 0 (3) (4)
ahol v 0 az üres oszlora vonatkoztatott áralási sebesség,[/s]; a súrlódási tényező; d a luidizált részecskék átérője, []. Az súrlódási tényező értéke a Reynolds-szá üggvénye, értéke nyugaloban lévő töltet esetén az - Re diagraból határozható eg (. ábra), ha iserjük az áralási sebességet és a relatív hézagtérogatot. Re Re d v0 (5) ahol a luidu dinaikai viszkozitása [Pas]. Az 1 ábrán a B ontnál a részecskék elválnak egyástól (egozdulnak), és a luiduban egyenként lebegnek. Ez a ont a luidizáció kezdőontja, az ehhez tartozó áralási sebesség a kezdeti luidizációs sebesség (v 0 ). Ha a sebességet tovább növeljük (B és C közötti szakasz), a luid ágy kiterjed, L és növekszik, de a nyoásesés állandó arad. Fluidizált állaotban tehát a részecskére ható erők egyensúlyban vannak, azaz az archiedesi súly egyenlő a közegellenállási erővel. D D 1 v0 L 0 g L 04 (6) 4 4 d ahol D a luidizációs cső belső átérője, []. Az üres oszlora vonatkoztatott v 0 áralási sebességet a Reynolds-szából kiejezve és a (6) egyenlőségbe helyettesítve, átrendezés után egkajuk Re kiejezését erőegyensúlyban (7), ez az érték ne ügg a Reynolds szától, csak a szecseéret és a luidu anyagi jellezői határozzák eg értékét. Re 3 d g (7) Aikor a ellazulás eléri azt a értéket (C ont az 1. ábrán), elynél ár az egyes részecskék oly távol vannak egyástól, hogy a szecse végtelen térben lebeg 1, elértük a kihordási sebességet (v 0 ). A sebességet tovább növelve valaennyi részecske távozik az oszloból az áraló luidual együtt. Ideális esetben, ha nincs alhatás és a luidu áralási sebessége a teljes keresztetszet entén állandó, a C onthoz tartozó áralási sebesség egegyezik az egyedi test üleedési határsebességével. A luidizáció kezdetéhez szükséges áralási sebességet és a kihordási sebességet Re - Re diagra segítségével határozhatjuk eg (. ábra). A görbesereg araétere a relatív hézagtérogat. A enti diagra alaján a luidu és a töltet tulajdonságainak iseretében eghatározhatjuk a luidizáció kezdetéhez szükséges Reynolds-száot és az üleedési Reynolds-száot, aiből a kihordási sebesség (v 0 eghatározható. Göb alakú töltet esetén a (7) egyenlettel száított Re értékhez és a 0,4-es relatív hézagtérogathoz tartozó ont x tengelyen vett vetülete a luidizációhoz szükséges kezdeti Reynolds-szá, a száított Re
értékhez és az 1-es relatív hézagtérogathoz tartozó ont x tengelyen vett vetülete edig a kihordáshoz tartozó Reynolds-szá.. ábra * ** Ha luidizált állaotban (erőegyensúlyban, vagyis a Re Re Re tartoányban) a nyoásesést a (4) egyenlettel akarjuk száítani, a száításához szükséges érték a (7) összeüggésből határozhatjuk eg az adott Reynolds szához. Mivel erőegyensúlyban az áralási nyoásesés egegyezik a rácsnyoással, és annak száítása sokkal egyszerűbb, ésszerűbb a (3) egyenlet használata. Megjegyezzük, hogy nyugaloban lévő töltet áralási nyoásesése az Ergun kélettel [] is száítható, ha a relatív hézagtérogat ne haladja eg a 0,5 értéket. L0 1 150 1 v0 1, 75 3 (8) d Re A luidizáció gyakorlati alkalazása A luidizált ágyaknak száos előnye van az álló ágyakkal szeben. Ha a töltet luidizált állaotba kerül, olyadékhoz hasonlóan kezd viselkedni: a gázzal luidizált szilárd anyag elszíne orró olyadékhoz hasonlít. A gázzal luidizált ágyon lebegnek az ágynál kisebb
sűrűségű testek, a nagyobb sűrűségű testek edig elsüllyednek. A luidizált ágy olyadékszerű viselkedése lehetővé teszi, hogy a szilárd anyagot olyadékként kezeljük. Ily ódon a szilárd anyag olyaatos adagolása és elvétele is lehetségessé válik. A luidizált ágy alkalazásának nagy előnye az ágyon belüli szinte tökéletes keveredés, ai lehetővé teszi, hogy erősen exoter vagy endoter reakcióknál is egyenletes hőérsékleteloszlást biztosítsunk. A kiváló keveredés iatt a szilárd-luidu érintkeztetés is sokkal intenzívebb, int álló ágyak esetén, ezért jobb hő- és anyagátadási tényezőkkel száolhatunk [1]. A luidizáció legelterjedtebb alkalazásai a gáz-szilárd luidizációt alkalazó rendszerek, éldául a kőolajiarban használt luid katalitikus krakk (FCC), az éleliszeriarban gyakran alkalazott luidizációs szárító és a szén égetésére kiejlesztett luidizációs égetők. A olyadékkal luidizált ágyak alkalazásai közül érdees egelíteni a szennyvízkezelésnél alkalazott luidizált ágyas bioreaktort valaint a luidizációs elektrolízist. A érés leírása A érőberendezés vázlata a következő ábrán látható: 3. ábra
A luidizáció jelenségét 54 belső átérőjű lexi csőben tanulányozzuk. A luidizált töltet 3 átérőjű üveggöbökből áll, aelyek sűrűsége 500 kg/ 3. A készülékben lévő töltet töege 1 kg. A rotaéterek éréshatára 0-50 lit/h illetve 100-1000 lit/h. A érőere nagyobb átérője (D) 5,1 c, kisebb átérője (d) c. A érőereen ért nyoásesésből a térogatára száítható. A laborgyakorlat során ezt a száítást ne kell elvégezni, a térogatáraot (érőere esetén) kalibrációs diagra segítségével határozzák eg. A nyoásesés érése az oszloon és a érőereen kétolyadékos dierenciálanoéterrel történik, elyben a reerenciaolyadék kloroor, sűrűségét a következő táblázat alaján száíthatjuk lineáris interolációval (a reerenciaolyadék hőérséklete a labor hőérsékletével egyenlő): hőérséklet ( C) A reerenciaolyadék sűrűsége (kg/ 3 ) 15 1498 0 1489 5 1480 30 1471 A érés enete 1. Biztosítsuk, hogy az L1 és L csaok, valaint az S1, S és S3 szeleek zárt, az R1, R és a érőere után található csaok teljesen nyitott állaotban legyenek!. Nyissuk eg teljesen az F1 csaot! 3. Nyissuk eg lassan az S1 szeleet, és legalább 5 különböző rotaéter állásnál jegyezzük el a térogatáraot, a nyoásesést az oszloon és az ágy agasságát! 4. Zárjuk az S1 szeleet, és ezzel egyidejűleg egnyitjuk az S szeleet, ajd isét legalább 5 különböző rotaéter állásnál jegyezzük el a térogatáraot, a nyoásesést az oszloon és az ágy agasságát! 5. Aikor a térogatára egközelíti a 900 liter/órát (a luidizált ágy agassága segít ebben), zárjuk az S szeleet és ezzel egyidejűleg egnyitjuk az S3 szeleet. Legalább 5 különböző nyoásesésnél jegyezzük el a nyoásesést a érőereen, a nyoásesést az oszloon és az ágy agasságát! 6. Biztosítsuk, hogy egyszerre indig csak egy rotaéteren vagy érőereen haladjon át a teljes térogatára! A érés során egyszer érjük eg a víz hőérsékletét és a laboratóriu hőérsékletét! Az egyes rotaéterek, illetve a érőere közötti váltás során a térogatáraokat úgy változtassuk, hogy a vizsgált térogatáraok között ne legyen átedés az egyes érőeszközök esetén. 7. A érés végeztével zárjuk el az F1 csaot és az S3 szeleet! A érés kiértékelése 1. A töltet töegének és sűrűségének iseretében száítsuk ki a hézagentes töltetagasságot (L0), a ért nyugali töltetagasságból az L0 = L(1-) kélet alaján száítsuk ki a relatív hézagtérogatot!. A leolvasott hőérséklet (egészre kerekítve) alaján határozzuk eg a víz sűrűségét, ajd ennek elhasználásával inden érési ontban határozzuk eg a anoéteren ért szintkülönbségből az oszlo nyoásesését!
Az U csöves anoéteren észlelt szintkülönbségből hogyan száítja ki a nyoáskülönbséget? Korábban ilyen anoéterrel találkozott és azt hogyan száolta? Vajon i lehet az oka, hogy itt kétolyadékos anoétert alkalaztunk? 3. A rotaéter, illetve a érőereen ért nyoásesések alaján határozzuk eg inden érési ontra a térogatáraot. (A érőerehez kalibrációs diagraot használnak.) Fel tudna ég sorolni térogatára érésére alkalas eszközt, ódszert? 4. A térogatára adatokból száítsuk ki az üres oszlora vonatkoztatott áralási sebességet! 5. A ért ágyagasságokból L0 iseretében száítsuk ki inden érési ontban a relatív hézagtérogatot! Honnan, elyik érési onttól végzi el a száítást? 6. Ábrázoljuk diagraon az egységnyi hézagentes töltetagasságra vonatkoztatott nyoásesést (Δ/L0) az üres oszlora vonatkoztatott áralási sebesség üggvényében. Jelöljük a luidizáció kezdetét, és olvassuk le az ehhez tartozó áralási sebességet! Milyen okai lehetnek a ért és száított értékek közötti eltérésnek? 7. Száoljuk ki a luidizáció kezdetéhez szükséges áralási sebességet az Re Re diagra segítségével. Hasonlítsuk össze ezeket az előző ontban leolvasott értékkel! 8. A luidizációt egelőző érési ontokban száítsuk ki a nyoásesést a (8) egyenlettel. Hasonlítsuk össze a érési adatokkal! 9. A ért rácsnyoást hasonlítsuk össze a (1) egyenletből száított értékkel! 10. A kihordási sebességet (v 0 határozzuk eg az Re Re diagra segítségével! 11. Eredényeinket oglaljuk össze táblázatban!
Sorszá Mérőeszköz Rotaéter állás [lit/h] Mérőere h [] [Pa] W [lit/h] v0 [/s] L [] h [] ért [Pa] Töltet /L0 [Pa/] [Pa]* száított /L0 [Pa/]* ért L alaján** 1 3 4 Kisebb rotaéter 5 6 7 8 9 Nagyobb rotaéter 10 11 1 13 14 15 Mérőere *Álló ágy esetén az (8) egyenlettel, luidizált ágy esetén a (3) egyenlettel ** A () összeüggés segítségével
Kezdeti luidizációs sebesség (v 0 [/s] a érési adatokból Re Re diagraról Kihordási sebesség (v 0 [/s] Re Re diagraról Nyoásesések összehasonlítása ért rácsnyoás száított rácsnyoás Pa Pa relatív hiba % Irodalo [1] Wen-Ching Yang: Handbook o Fluidization and Fluid-Particle Systes, Routledge, 003 [] Fonyó Zs., Fábry Gy.: Vegyiari űvelettani alaiseretek, Nezeti Tankönyvkiadó, 004 [3] Tanszéki unkaközösség: Vegyiari élüzei raktiku, (átdolgozott kiadás), Egyetei jegyzet, 6509, Műegyetei Kiadó, 000 A leiratot Kató Zoltán TDK dolgozata és a tanszéki unkaközösség korábbi unkái elhasználásával készítette: Ellenőrizte: Angyalné Koczka Katalin Csikor Zsolt Kőrösi Márton
Melléklet: a víz sűrűsége és dinaikai viszkozitása a hőérséklet üggvényében Hőérséklet ( C) Sűrűség (kg/ 3 ) Viszkozitás (Pas) 8 999,85 0,0013663 10 999,70 0,0013077 1 999,50 0,001337 14 999,5 0,0011699 16 998,95 0,0011093 18 998,60 0,0010339 0 998,1 0,001007 997,77 0,0009553 4 997,30 0,0009113 6 996,79 0,0008708 8 996,4 0,0008330 30 995,65 0,0007977
Mérőcsoort: Tankörvezető: 1.. 3. 4. Fluidizáció Mérési adatok A labor hőérséklete: C A víz hőérséklete: C Nyugali töltetagasság: c Sorszá 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 13 14 15 16 17 18 19 0 Mérőeszköz Rotaéter állás [lit/h] Mérőere anoétere Az oszlo anoétere h [] h1 [] h [] h1 [] Ágyagasság [c]