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
Ülepítés Számos technológiában alkalmazott művelet: Ivóvíz előállítás Szennyvíztisztítás Levegő tisztítás Korszerű ércfeldolgozás (Al, Cu, Mn, Ni) Szén Mész, cement Cukorgyártás Keményítőgyártás 2
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
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
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
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
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 = 4 3 1 2 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
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 3 4 1 3 4 2 2 1 2 2 1 2 = = ρ ρ ρ ρ ρ ρ g d C g d u D 2 2 2 2 1 2 24 3 4 µ ρ ρ ρ ρ = u d g d u 2 2 1 2 24 3 4 µ ρ ρ = g d u
George Gabriel STOKES (1819-1903) 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
Ülepedési Reynolds-szám 0,6<Re<600 átmeneti tartomány A test mögött örvények alakulnak ki =. 600<Re<2 10 5 Newton-tartomány C D =0,44 Nagy testek levegőben ülepedése 10
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
F(u)-F(d) diagram F(d) paraméter = 4 3 1 = 4 3 ( ) = 4 3 = az ismeretlen ülepedési sebesség nem szerepel = 4 3 Ha az ülepedési sebesség ismert (ismeretlen d itt nem szerepel): = 4 3 12
F(u)-F(d) diagram F(u) paraméter (nevező szorzása -vel): = ( ) = 4 3 = Kinematikus viszkozitás ( ): = 13
F(u)-F(d) diagram 14
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
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
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
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
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
Ülepítők Dorr ülepítő Rhittinger csúcskád Rheo-mosó Dekanterek Ciklonok 20
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
Ülepítő kádak 22
Ülepítő kádak 23
Ülepítő kádak 24
Rittinger csúcskád 25
Rheo mosó 26
Dekanter centrifuga Dekantálás 27
Dekantálás 28
Dekantálás 29
Dorr ülepítő Szennyvíztisztításban legáltalánosabban használt ülepítő típus. Előnyei: Egyszerű kialakítás és üzemeltetés, Nagy méret, nagy kapacitás. 30
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 100-200 m; 31
Dorr-ülepítő 32
Dorr-ülepítők 33
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
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
Párhuzamosan kapcsolt ciklonok 36
Hidrociklonok 37
Hidrociklonok 38
Disa-Ciklonok DISA high-efficiency Cyclone DISA ciklofilter 39
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
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
Szűrés művelete A szűrés a nyomáskülönbség hatására jön létre. Nyomás lehet: hidrosztatikus, vákuum, túlnyomás. 42
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
Henry Philibert Gaspard DARCY (1803-1858) 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
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
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
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): 4 2 2 Időegység alatt átáramló szűrlet mennyisége az idő előrehaladásával csökken. 47
Carman-egyenlet, konstansok meghatározása Jellemző konstansok: αc, R m Adott szuszpenzióra és készülékre kísérletek alapján meghatározhatóak 1 Carman-egyenlet reciproka: μ μ μ
Szűrés Kavics/homok ágyas vízszűrők Nuccs Keretes/kamrás szűrőprések Vákuum dobszűrő Egyéb szűrők 49
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
Kavicságyas szűrőkád 51
Homokágyas szűrés 52
Szűrő szövetek 53
Nuccs levegőnyomással A szűrőhatást a szűrőszövet és a kialakuló szűrőlepény együttesen biztosítja. A szűrés hajtóereje a szűrőszövet két oldala közötti nyomáskülönbség. Szakaszos művelet. 54
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
Nuccs 56
Nuccs 57
Nuccs 58
Nuccs- Seitz szűrők 59
Szűrőprések Keretes szűrőprés Kamrás szűrőprés 60
Keretes szűrőprés 61
Keretes szűrőprés 62
Keretes szűrőprés 63
Keretes szűrőprés 64
Keretes szűrőprés - Netzsch 65
Keretes szűrőprés - Seitz 66
Keretes szűrőprés - Seitz 67
Kamrás szűrőprés 68
Kamrás szűrőprés 69
Vákuumdobszűrők 70
Vákuum dobszűrő 71
Vákuum dobszűrő 72
Vákuum dobszűrő 73
Vákuum dobszűrő 74
Iszapeltávolítási megoldások Késes Szűrősegédanyagos-késes 75
Iszapeltávolítási megoldások Hengeres Zsinóros/ Szalagos 76
Tárcsás vákuumszűrők 77
Tárcsás vákuum szűrők 78
Nyomószűrők Táskás szűrők Gyertyás szűrők 79
Táskás szűrők 80
Táskás szűrők Horizontális 81
Táskás szűrők Vertikális 82
Gyertyás szűrők 83
Gyertyás szűrők-szűrőelemek 84
Belső szűrésű szűrődob 85
Szalagos szűrők 86
Szalagos szűrők 87
Szalagos szűrők 88
Szalagos szűrők 89
Szalagos szűrők 90
Szalagos szűrők 91
Tányéros szűrő - Seitz 92
Köszönöm a figyelmüket! 93