Szuszpenziók tisztítása centiugálással 1. Elméleti bevezető A centiugálás művelete a centiugális eőté kihasználásán alapuló hidodinamikai szepaációs művelet. A centiugális eőtében a centipetális eőnek köszönhetően a szétválasztás több százszo, vagy több ezesze gyosabb, mint a gavitációs eőtében. Centiugális eőteet tengely köül ogó endszeel tudunk előállítani. Függőleges tengely köüli ogás esetén a köhenge alakú edény a tengely köül állandó szögsebességgel (n odulatszámmal) oog. Ha az edénybe töltött összenyomhatatlan olyadék együttogását biztosítjuk (megelelő betétekkel), akko a olyadék elatíve nyugalomban van. A olyadék elszíne ogási paaboloidon helyezkedik el. Ez a elszín nívóelület éppen úgy, mint ahogy az álló tében, a nehézségi eőtében nyugalomban lévő víz vízszintes elülete is nívóelület. A ogó edénnyel olyan eőteet állítunk elő, amelyben a dm tömegű észecskée a téeő nehézségi eő (súly, azaz g dm) és a centiugális eő ( dm) eedője hat [1]. 1. ába A dm tömegű ülepedő észecskée ható eők [Az ábát Po. D. Vatai Gyula engedélyével használtuk el ] 1
1.1 Szögsebesség és odulatszám Ha szilád anyagot tatalmazó olyadékot gyosan ogatunk, a szemcsék az edény alán eldúsulnak. Ebben az esetben a gavitációs gyosulás (g) szeepét a centiugális gyosulás (a c ) veszi át, amelyet ω szögsebesség és a ogástengelytől való távolság () ismeetében számíthatunk az (1) egyenlet segítségével: a c = ω (1) Ha m tömegű test tengelye köül ω szögsebességgel oog sugaú köön, akko a centiugális eő az alábbi egyenlet alapján íható el. F c =m ω () A szögsebesség helyett a keületi sebességet bevezetve: F c =m v / (3) ahol a kö sugaa [m] v = ω a keületi sebesség [m/s] ω = π n szögsebesség [ad/s] n a odulatszám [1/s] A odulatszámot kiejezhetjük a Revolutions pe Minute (továbbiakban RPM) vagyis az egy pec alatt megtett odulatok számával is. Ez esetben a szögsebesség a (4) egyenlet alapján számolható: RPM 60. (4) A centiugák jellemzésée az ún. jelzőszámot használják, amely a centiugális és a g nehézségi gyosulás viszonya. j g v g (5) A nomál odulatszámú centiugáknál j=00 400, a nagy odulatszámúaknál j=4 000 50 000. A laboatóiumi centiugákban töténő szétválasztás jellemzésée a teljesítmény indexet szokták használni, angol nevén Peomance Index (PI). A teljesítmény index számítása (6) egyenlet szeint töténik: PI ln k ln m (6) ahol a szögsebesség [ad/s]
k a vizsgálandó anyagot tatalmazó pohá legtávolabbi pontjának távolsága a ogástengelytől [m] m a olyadék elszínének (meniszkusz) távolsága a ogástengelytől működés közben [m]. A (6) képlet alapján belátható, hogy a teljesítmény index nagy métékben ügg attól, hogy mekkoa a olyadékszint a centiuga csövekben. A teljesítmény indexet a centiugálási idővel szoozva az eektív centiugálási teljesítménye jellemző számot kapunk. Ez annyit jelent, hogy nagyobb odulatszám, tehát nagyobb teljesítmény index esetén övidebb centiugálási idő is elegendő ugyanazon hatás eléésée. Az ilyen átszámítást a valóságban azonban csak kolátozott métékben szabad alkalmazni, ugyanis a makomolekula nagyságú észecskék csak meghatáozott nagyságú eőtében ülepednek. Így kisebb odulatszám esetén a centiugálási idő meghosszabbításával nem lehet pótolni a szükséges nagyságú eőteet. 1. Centiugálási idő [3] Centiugális ülepedés esetén az ülepedési sebesség (u) változik a észecskék tengelytől való távolságával, vagyis: d u dt (7) ahol [m] a észecske aktuális helyzete a ogástengelytől méve, t [s] pedig az a centiugálási idő. Az egyenlet integálásához azonban ismenünk kell, hogy ülepedés hol, milyen étékeknél, továbbá, milyen tatományon belül töténik. Amennyiben a centiuga csövet maximálisan megtöltjük, és homogén oldatot tételezünk el, akko a maximális ülepedési úthossz a olyadék elszíne ( m ) és a centiuga cső alja ( k ) közti távolság lesz. t k m d u (8) Az ülepedési sebesség közegellenállási tényezőtől való üggése csak a Stokes tatományban ismeetes ( = 4 / Re), ahol az integálás elvégezhető. Átmeneti és Newton tatományban u -től való üggése csak gaikusan áll endelkezése, ezét itt az integálást csak gaikusan lehet elvégezni. Éppen ezét előszö meg hatáozni, hogy melyik tatományban töténik az ülepedés, majd az integálás elvégzésével az ülepedési idő meghatáozható. Fontos megjegyezni, hogy a (9) egyenlet azzal a eltételezéssel él, hogy eőegyensúly van, vagyis az ülepedő észecske súlyeeje és a centipetális eő eedője, továbbá a elhajtóeő és a közegellenállási eő eedője között. Ez ez túlzott eltételezés, azonban ennek hiányában a centiugálási időt nem tudjuk számítani. Re 4 3 d 3 p (9) ahol d a gömb alakúnak eltételezett ülepedő észecske sugaa [m] p az ülepedő észecske sűűsége [kg/m 3 ] a közeg sűűsége [kg/m 3 ] a közeg dinamikai viszkozitása [Pa s] 3
a tengelytől való maximális távolság [m] a szögsebesség [ad/s] Ha Re < 1,5, akko Stokes tatományban vagyunk, és az ülepedési sebesség a (10) egyenlet segítségével számolható. u d p 18 (10) A (10) egyenletet a (8) egyenletbe helyettesítve, és a hatáok megadásával az egyenlet integálható. k k t d 18 d 18 u d m m d p p k m d (11) t d 18 p ln m k (1). ába Lengőejes centiuga esetén változása 1.3 A centiuga hatásoka A centiuga hatásokát Bass [4] szeint a centiugában kapott valódi és elméletileg kinyehető iszapmennyiség hányadosaként deiniáljuk. 4
c Z Z v e (13) ahol Z v a ténylegesen kiülepedett iszapmennyiség [g] Z e az elméletileg kiülepíthető iszap mennyisége [g]. 1.4 Centiugák csopotosítása [5]: Szakaszos üzemű o Meev tengelyű centiugák o Ütköző centiugák o Inga centiugák o Függő centiugák o Hámozó centiugák Folytonos üzemű o Folytonos üzemű szűő centiugák Szupe centiuga Kamás centiuga Tányéos centiuga (szepaáto) Önüítő centiuga Fúvókás szepaáto o Deítő és emulzióbontó centiugák Különleges centiugák Laboatóiumi centiugák o Lengőejes otoal elszeelt (kilendülőcsöves) centiuga o Fedecsöves- vagy más néven szögcentiuga A továbbiakban a Kémiai és Könyezeti Folyamatménöki Tanszék DCs élüzemi laboatóiumában található centiugákat tágyaljuk. Az egyes centiugák működésével, és tevezési szempontjaival kapcsolatos bővebb inomációkat a Fejes Gábo által ít Centiugálás [5] c. könyvben olvashatnak. Fedecsöves centiuga 3. ába Hat meevszögű mélyedést tatalmazó oto oldalnézeti ajza 5
A edecsöves centiuga otojában a ogó észbe adott szögben út lyukakba helyezik a pohaakat vagy csöveket, amelyek helyzete állandó. A üggőleges tengellyel 15-45 okos szöget zának be. Ezeket a ogóészeket má nagyobb odulatszámon is lehet használni. Az üvegcsövek alá ugalmas betétet, többnyie gumikoongot helyeznek a töés elkeülése édekében. Szög centiugák esetén az ülepedési úthossz leövidül. Ezzel egy időben kisebb a valószínűsége annak, hogy a centiuga leállításako a kiülepedett anyag visszakeveedik. Az ülepedő észecskék a centiuga cső aláa ülepednek ki. 1.5 Centiugák alkalmazása Centiugák szélesköű alkalmazása elsősoban az élelmiszeipaa jellemző. Példaként említhető a bokő (káliumhidotataát) víztelenítése, cukokistályok elválasztása az anyalúgtól, tej elválasztása a zsítól, továbbá keményítő tisztítása. Vegyipai alkalmazás tekintetében ásványolajipaban a koóziós tulajdonságok csökkentésée használt kénsavas inomításból eedő használt sav eltávolításáa szepaáto centiugát használnak. Olajtisztító eljáásoknál is elsősoban önüítő szepaátookat, míg a szennyvíztisztításban ülepítő centiugákat használnak. Legeltejedtebb alkalmazási teülete a háztatási mosógépekbe épített centiuga, amelyet a uhák víztelenítésée használunk. 1.6 Méőbeendezés ismetetése Lengőejes otoal elszeelt vagy más néven kilendülőcsöves centiuga 4. ába Négy seleggel elszeelt lengőejes oto működés közben, elülnézeti ajz A kilendülőcsöves centiugáknál a üggőleges tengely köül páos számú seleg van elszeelve. Ezekbe helyezik a vizsgálandó anyaggal megtöltött centiuga pohaakat, amelyek készülhetnek műanyagból, üvegből vagy émből. Űtatalmuk néhány ml-től az 1 liteig tejed. A pohátató selegeket a otoa elogatható módon eősítik, hogy azok üzem közben a centiugális eő hatásáa kilendülhessenek, és a ogástengelye meőlegesen helyezkedhessenek el. A égebbi típusú centiugák tipikusan 1000-3000 1/min odulatszámmal működtek, ma többnyie 5000 1/min odulatszámig működnek. 6
A labogyakolat soán Janetzki S 70 típusú készülékkel ognak dolgozni. A beendezés 0 V eszültséggel működik. A centiuga edele csak kikapcsolt állapotban nyitható, vagyis a betöltést és üítést is kikapcsolt állapotban kell végezni. A készülék otoja 4 seleggel működik, amelyekbe egyenként maximum 1 lite olyadék tölthető. Jelen gyakolat soán a selegekbe csak előzetesen centiuga pohaakba, vagy centiuga csövekbe töltött mintát szabad helyezni. A centiugát mindig csak kiegyensúlyozott állapotban szabad üzemeltetni, ezét az egyes mintával, vagy csapvízzel töltött centiuga pohaak buttó tömege közötti megengedett tömegkülönbség 1 g lehet. A méőbeendezés üzemeltetéséhez készített útmutató a beendezés mellett található. Adatok: k =35 cm, m = k -h, ahol h a centiuga poháal együtt mét olyadék magassága. Méés leíása A gyakolat célkitűzése Kétapo tatalmú szuszpenzió ülepítése lengőejes centiugával, a odulatszám változtatásának hatása a elülúszó lebegőanyag tatalmáa. Számolt centiugálási idő összevetése a gyakolat soán alkalmazott centiugálási idővel. Teljesítményindex számítása. Gyakolati eladat Méjen ki - centiuga pohába közel 100 ml 0,1 m%, illetve 0,5 m% kétapo tatalmú szuszpenziót. A minták tömegméését táamélegen kell elvégezni. A centiugát mindig csak kiegyensúlyozott állapotban szabad üzemeltetni, ezét az egyes mintával töltött centiuga pohaak buttó tömege közötti megengedett tömegkülönbség 1 g lehet. A centiuga pohaak megelelő számú selegbe tötént behelyezése után indítsa el a centiugát, és üzemeltesse 5 pecig 000 1/min-es RPM étéken. 5 pec után állítsa vissza a odulatszámot nulláa, kapcsolja ki a centiugát, és ékezéssel állítsa meg a otot. Méje a elutási időt és a leállításhoz szükséges időt. Miután a oto leállt a beendezés teteje nyitható. Méjék meg a elülúszó és a maadék tömegét! Hatáozzák meg a elülúszók lebegőanyag tatalmát Pastel UV spektootométeel. Ismételjék meg a méést 1000 1/min odulatszámon! 1. táblázat Kétapo izikai adatai Kétapo átlagos szemcseátméő 1 m Kétapo sűűsége 111 kg/dm 3 Kétapo tatalmú víz sűűsége 1010 kg/dm 3 Kétapoos víz dinamikai viszkozitása helyett a 0 C-on mét víz dinamikai viszkozitásával (1 mpa. s) számolhatnak! 7
Beadandó: A kísélet soán készített táblázatok (az egyes tömegek, összeételek h és m étékei) A centiuga jelzőszáma a két különböző odulatszámon (5) egyenlet segítségével = k =0,35 m alkalmazható. Számolt centiugálási idő a két különböző odulatszámon A elülúszó, a maadék a bemét tömeghez viszonyított %-os aánya a két különböző odulatszámon A elülúszók lebegőanyag tatalma és összehasonlításuk Relatív centiugálási eő kiszámítása (RCF) 000, 5000, 10 000 1/min odulatszámon a melléklet segítségével Étékelés Melléklet: Nomogam a centiuga átméő, centiugálási eő (RCF) és odulatszám (RPM) számításhoz 8
35 cm 5. ába Centiugálási eő (Relative Centiugal Foce = RCF) számítása a odulatszám (Revolutions pe Minute =RPM) ismeetébe [6] Az 5. ába egy nomogam, amely segítséget nyújt a elatív centiugálási eő kiszámításához. A jobb oldali skálán kiválasztjuk a beállítni kívánt centiugálási odulatszámot (RPM). Ezt összekötjük a bal oldali skála megelelő étékével (többnyie a cm-ben megadott maximális sugá 9
étéke, azaz a centiuga pohá aljának/seleg aljának ogástengelytől mét távolsága). Jelen esetben k =35cm. A két pont összekötésével kapott egyenes metszi a középső tengelyt, amelynek bal oldaláól a elatív centiugálási eő étéke leolvasható. A gyakolatleíást készítette: Ellenőizte: D. Cséalvay Edit Po. D. Mizsey Péte Budapest, 014. Július Iodalomjegyzék 1 Fonyó Zsolt, Fáby Gyögy, Vegyipai Művelettani Alapismeetek, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1998 Élelmiszeipai Műveletek és Gépek Tanszék tanszéki munkaközösség, Vegyipai Műveletek I. 3. Ülepítés, elektonikus jegyzet, 011. http://www.emuv.kee.hu/tagy.php?t=vegyipai_muveletek_1, letöltés 014. Febuá 4. 3 Manczinge Józse, Vegyipai műveleti számítások I., Hidodinamika, hőtan, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 000, p. 7-73 4 Bass Emil, Vegyipai gépek és műveletek, kéziat, Tankönyvkiadó, Budapest, 1963 5 Fejes Gábo, Centiugálás, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1967 6 J. Ochei, A. Kolhatka, Medical Laboatoy Science: Theoy and Pactice, Tata McGaw-Hill Publishing Company Ltd., 10. Kiadás, New Delhi, 008 10