VEGYIPARI MŰVELETEK I. gépészmérnök mester képzés, vegyipari gépészeti szakirány Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai kar Energetikai és Vegyipari Gépészeti Intézet Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék Előadó: Mikáczó Viktória, tanársegéd Készítette: Mikáczó Viktória, Venczel Gábor Miskolci Egyetem, Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék 2017
Általános információk Aláírás megszerzésének feltétele: előadásokon és gyakorlatokon aktív (min. 70%-os) részvétel tantárgyhoz kapcsolódó záróvizsga-tételek kidolgozása kézzel, azok beadása méréseken való aktív részvétel, mérési jegyzőkönyvek beadása Kredit megszerzésének feltétele: zárthelyi dolgozat sikeres teljesítése (elméleti és gyakorlati részből min. 50-50% teljesítmény) Ajánlott irodalom: Fejes Tarján : Fonyó Fábry: Vegyipari művelettani alapismeretek Kaszatkin: Alapműveletek, gépek és készülékek a vegyiparban 2
Témakörök Hét Előadás 1. Bevezetés. Mechanikus műveletek általános bemutatása. 2. Szilárd szemcsés anyaghalmaz jellemzői. Szemcseosztályozás. 3. Aprítási műveletek. Aprítógépek. 4. Testek mozgása fluidumban. Fluidizáció. Fluidizációs rendellenességek. 5. Mérés: fluidizáció, szemcseanalízis. 6. Szűrési művelet. Általános szűrőegyenlet. 7. Szűrés állandó nyomáskülönbség illetve állandó szűrési sebesség esetén. Szűrőkészülékek. 8. Gáz-szilárd rendszerek szétválasztása. 9. Gáztisztítás gravitációs és centrifugális erőtérben. Gáztisztító berendezések. 10. Centrifugák méretezésének alapjai. Folytonos és szakaszos üzemű centrifuga típusok. 11. Keverő típusok. A folyadékkeverők teljesítményszükséglete. 12. Keverős berendezések méretnövelése. 13. Mérés: szűrés, keverés. 14. Zárthelyi 3
Témakörök Mérések: 1. Szemcseanalízis 2. Fluidizáció 3. Szűrés 4. Keverés Megjegyzés: - A méréseken kötelező a részvétel. - A beadandó jegyzőkönyvhöz minta a tanszéki honlapon található. - Jegyzőkönyv értékelési szempontjai: igényes, műszaki gyakorlatnak megfelelő forma, mérés reprodukálhatósága. 4
Vegyipari műveletek csoportosítása Bevezetés A különböző műveleteknek azonos fizikai és kémiai alapjai vannak: komponens-, hő- és impulzustranszport. A csoportosítás alapja a folyamatok hajtóereje és a folyamatokat leíró törvényszerűségek (transzportjelenségek). 1. Mechanikai műveletek: szilárdtest mechanika törvényszerűségei határozzák meg (aprítás, szétválasztás, osztályozás, granulálás ). 2. Hidrodinamikai műveletek: folyadékok, gázok mozgásával foglalkozik, a hidrodinamika törvényszerűségei határozzák meg (ülepítés, keverés, szűrés ). 3. Hőátadási műveletek: hőátadással foglalkozik, a hőtan törvényszerűségei határozzák meg (melegítés/hűtés, forralás/kondenzáció, bepárlás ). 4. Anyagátadási műveletek: a kiindulási elegy komponenseinek fázishatáron keresztül történő áthaladása jellemzi, az anyagátadás törvényszerűségei határozzák meg (desztilláció, abszorpció, rektifikálás, szárítás, adszorpció ). 5. Kémiai műveletek: a reakciókinetika törvényszerűségei határozzák meg, anyag- és energiaátvitellel járnak. 5
Bevezetés Művelet: összefüggő, tervszerű cselekmények sorozata vagy ennek mozzanata, amelynek során a termékek elnyerik a formájukat. Művelettan: műveletek közti közös paraméterek meghatározása összefüggések megalkotása matematikai egyenletek Tárgyalás módjai: - Dimenzió nélküli kifejezések pl. Reynolds-szám - Félempirikus egyenletek pl. Nusselt-szám összefüggései - Egyenletek felírása dimenziókkal pl. nyomásveszteség csővezetékben 6
Bevezetés Alapműveletek: (műveleti egység unit operation) - Alapját fizikai-kémiai jelenségek képezik - Önmagukban is képeznek technológiai folyamatokat pl: aprítás, őrlés Alapfolyamatok: (unit process) - Kémiai jelenségek - Pl. oxidáció, nitridálás, polimerizáció, stb. Alapműveletek + alapfolyamatok = technológiai/gyártási folyamat Az ipari vállalatok tevékenységüket egy többé-kevésbé összetett folyamat szerint fejtik ki, amit termelési folyamatnak nevezünk, amely rendszerint több technológiai folyamatot foglal magában. 7
Művelettani alapok A műveleti egység unit operation a vegyipari eljárások széles köre viszonylag kevés számú alapműveletből összeállítható a kezelendő anyag (a munka tárgya) átalakul, a készülék (a munka eszköze) az elhasználódástól eltekintve nem változik, az ember használati értéket termel együttesen műveleti egység a folyamatábrákon található készülék szimbólumok általában egy-egy műveletet képviselnek a készülék nem mindig azonos a műveleti egység fogalmával a folyamatok leírásához öt SI mennyiség elegendő (bázisrendszer): hosszúság (m), idő(s), tömeg (kg), hőmérséklet (K), anyagmennyiség (mol) származtatott mennyiségek: erő(n), energia (J), nyomás (Pa) 8
Művelettani alapok A műveleti egység Fázisértintkezés alapján: lehet egy-, két-vagy többfázisú: Gőz-folyadék: desztilláció, rektifikáció Gáz-folyadék: abszorpció, deszorpció Folyadék-folyadék: extrakció Folyadék-szilárd: extrakció, adszorpció, ioncsere Szilárd-folyadék-gőz: nedvesítés, szárítás Folyadék-szilárd-folyadék: membránszeparáció, dialízis Üzemvitel szerint: szakaszos (időben periodikusan ismétlődő részműveletek) folyamatos (a betáplálás és a termékek elvezetése folyamatos) Transzportfolyamatok alapján: mechanikus (impulzustranszport), termikus (entalpiatranszport), diffúziós (komponenstranszport) 9
Művelettani alapok Az anyagmérleg a gyártási folyamatok szakszerű követését, ellenőrzését teszi lehetővé. Az anyagmegmaradás törvényén alapszik, magában foglalja a nyersanyagokat, a kapott termékeket (főtermék, melléktermék, selejt, maradék, hulladék) és a veszteséget. Pl. veszélyes anyag raktárak anyagforgalma, rektifikálási művelet hatékonysága, kémiai folyamatok lejátszódása (cukorgyártás, füstgázkéntelenítés), stb. Az anyagmérleg készítésének lépései: 1. felvázoljuk a gyártás folyamatábráját, 2. meghatározzuk a gyártás során elért hozamot (a lejátszódó kémiai reakciók figyelembevételével), 3. összeállítjuk a technológiai folyamat mindegyik szakaszára nézve a parciális anyagmérleget, 4. a szakaszonkénti anyagmérlegek összegzésével az egész berendezésre (technológiai folyamatra) szóló általános anyagmérleg birtokába jutunk. Ennek segítségével könnyen kiszámítható a különböző nyersanyagok fajlagos fogyasztása. 10
Energiamérleg Művelettani alapok Az energia megmaradásának törvényén alapszik. Magában foglalja a rendszerbe belépő és távozó összes energiaformát. Az anyagmérleghez hasonlóan lehet parciális és általános. Ipari körülmények között leggyakoribb a hőenergiára vonatkozó energiamérleg. Pl.: életciklus-elemzések, kémiai folyamatok lejátszódása, energetikai elemzések Az anyag- és energiamérlegek gyakori ábrázolási módja az Sankey diagram: http://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/pdf/flow/total_energy.pdf http://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/pdf/flow/petroleum.pdf http://acquireprocure.com/wp-content/uploads/2016/06/formula-one-f1-budget-cost-breakdown-sankey-diagram-v2.jpg 11
Áramlástan alapjai Kontinuitási törvény: megmaradási törvény lokális kifejezése (áramlástanban tömegmegmaradás) - Változó keresztmetszetű csővezetékek V dv t vda - A közeget összenyomhatatlannak tekintjük A - Térfogatáram: ሶ Q; q [m 3 /s] - Tömegáram: m ሶ [kg/s] - Alkalmazása: térfogatáram meghatározása az áramlási sebesség mérésével, áramlási sebesség meghatározása az adott keresztmetszetben. https://www.youtube.com/watch?v=wykn-jtnace 12
Áramlástan alapjai Euler-egyenlet: olyan mozgásegyenlet, amely a súrlódás elhanyagolása esetén összefüggést teremt a folyadékrész mozgásmennyiségének idő szerinti dv megváltozása ( gyorsulása) és a folyadékrészre ható erők, a térerősségből dt származó erő (pl. egy kg tömegre ható súlyerő), g és a nyomás hely szerinti 1 változásából származó gradp erő között: dv 1 g gradp dt Milyen hatással van a nehézségi erő és a nyomásváltozásból származó erő a fluidum mozgásállapotára. - Ha elhanyagoljuk a súrlódást: a folyadékrészecskék a nyomás változásából származó erő és a térerősség eredője irányában gyorsulnak, a gyorsulás mértéke arányos az eredő erő nagyságával. - Alkalmazás: kapulégfüggöny (üzemcsarnok belsejében télen kisebb a nyomás ajtónyitáskor levegő áramlik be), radiátor mindig az ablak alatt. 13
Áramlástan alapjai Bernoulli-egyenlet: áramló folyadékok energia-megmaradási törvénye két pont között. - Változó keresztmetszetű csővezetékek - A közeget összenyomhatatlannak tekintjük - A belső energiát figyelmen kívül hagyjuk https://www.youtube.com/watch?v=ineyt4krdau 14
Áramlástan alapjai Navier-Stokes egyenlet: folyékony anyagok mozgásának, áramlásának leírására. Cél: Newton második törvényének az áramló folyékony anyagokra való alkalmazása, azt véve alapfeltételül, hogy az ilyen anyagokban fellépő feszültség két összetevőből: egy a folyékony anyag sebességgradiensével arányos diffúziós (vagyis egy a viszkozitást jellemző) kifejezés összetevőből és egy nyomás összetevőből áll. - Alkalmazása: folyadékmozgás leírása, időjárás, óceáni áramlások, csillagok galaxisokon belül leírt mozgása, légszennyezés terjedése, stb. 15
Hasonlóságelmélet: Hidrodinamikai hasonlóság - Áthidaló szerep az elmélet és a mérnöki gyakorlat között - A művelettani jelenségek leírása: differenciálegyenletek analitikus megoldása csak speciális, egyszerűsített esetekre lehetséges (kezdeti- és peremfeltételekkel) - A differenciálegyenleteket dimenziómentes mennyiségek összefüggéseire vezeti vissza. - Nem képes a differenciálegyenletek matematikailag egzakt megoldását szolgáltatni, azonban gyakorlatilag használható összefüggésekhez vezet, másrészt lehetővé teszi a dimenziómentes mennyiségek bevezetését és fizikai értelmezését. - Kísérleti adatok és tapasztalatok általánosításával lehetővé teszi a hidrodinamikai, hőtani, anyagátadási és kémiai műveletek egységes tárgyalását. 16
Hasonlóságelmélet: Hidrodinamikai hasonlóság - A hasonlóság homogén lineáris transzformáció két változó között. Ha pl. két háromszög egymáshoz geometriailag hasonló, a három oldalára írható, hogy a /a =b /b =c /c = =konst. egy dimenziómentes hasonlósági lépték, melynek értéke állandó. - A mérnöki gyakorlatban: a két rendszer hasonlósági kritériuma nem a változók arányainak, hanem a rendszereken belül képzett dimenziómentes mennyiségek értékeinek egyenlősége: A háromszög példájánál maradva pl.: a /b =a /b =λ=konst. - Az ilyen hasonlósági invariánsokat, amelyeket két egyfajta fizikai mennyiség arányából képezünk, szimplexeknek nevezzük. - A művelettanban különböző mennyiségek arányával képzett dimenziómentes hasonlósági kritériumokat is használunk; ezeket komplexeknek nevezzük. Pl.: Reynolds-kritérium a csővezetékekben végbemenő áramlások hasonlóságát fejezi ki, pontosabban a tehetetlenségi erő és a súrlódási erő viszonyát. 17
Hasonlóságelmélet: Hidrodinamikai hasonlóság - Általában a műveleti egységeket leíró egyenletek öt tagból állnak: 1) konvekció, 2) vezetés, 3) átadás, 4) forrás és végül 5) lokális változás. Ha a tagok arányát tekintjük, akkor olyan dimenziómentes komplexeket kapunk, amelyek a két tagnak megfelelő hatások (erők vagy mennyiségek) viszonyát fejezik ki. - Pl. Navier-Stokes egyenlet x irányban, a g nehézségi erővel: - Az egyenlet karakterisztikus v sebességgel és L hosszmérettel átírva: tehetetlenségi erő = nyomóerő + belső súrlódás + nehézségi erő 18
Hasonlóságelmélet: Hidrodinamikai hasonlóság - Az egyenlet karakterisztikus v sebességgel és L hosszmérettel átírva, sűrűséggel elosztva: tehetetlenségi erő = nyomóerő + belső súrlódás + nehézségi erő - Reynolds-szám: a súrlódási erő hatása a fluidum áramlására. (lamináris, átmeneti, turbulens) (kinematikai viszkozitás! ν, m 2 /s) - Froude-szám: a nehézségi erő hatása a fluidum áramlására. - Euler-szám: a hidrosztatikus nyomásesés hatása a közeg áramlására. A gyakorlatban a p nyomás helyett a kontinuum valamely két pontja közötti Δp nyomáskülönbséget helyettesítjük be. 19
Hasonlóságelmélet: Hidrodinamikai hasonlóság - Homokronitási szám: időbeli sebességváltozást is figyelembe véve, az instacionér áramlásra jellemző taggal osztva a tehetetlenségi erőt: - Hidrodinamikailag hasonlónak nevezzük azokat a geometriailag hasonló stacionárius rendszereket, melyeknél az előbbi dimenziómentes számok értéke egyenlő. (Fr, Eu, Re, Ho) - A hidrodinamikai hasonlóságot méretnöveléseknél közvetlenül is használják, ahol kisebb méretű berendezésekben kapott kísérleti eredményeket nagyobb méretűre kell átültetni. (bővebben: keverés témakörénél) 20
2. Előadás Szemcseosztályozás 21
Mechanikai műveletek és eljárások - Létrejöttüket, törvényszerűségeiket a mechanikai erők határozzák meg (fizikai testeket érő olyan hatások, melyek egy tömeggel rendelkező testet gyorsulásra késztetnek) - Durva diszperz anyagrendszerekben végbemenő gravitációs, törésmechanikai, mágneses, elektromos, termikus, optikai és adszorpciósadhéziós jelenségek. - Folyadékokban és gázokban történő részecskemozgási alap-jelenségek. - Ide tartoznak: szétválasztási és keverési, aprítási és darabosítási eljárások anyagátalakulási, anyag- és energia-transzportfolyamai. - Diszperz rendszer: Olyan heterogén rendszer, amelyben az egyik fázis (diszperz fázis) részecskéi egyenletesen oszlanak el a másik fázisban (diszperziós közegben). 22
Szilárd anyagok és szemcsehalmazok jellemzése: Anyagjellemzők - Szemcse: az anyaghalmaz önálló szilárd része. - Szemcseméret: azzal a névleges szitanyílással jelölt elméleti érték, amely szitanyíláson a szemcse éppen áthullik. - Fajlagos felület - Halmazsűrűség és porozitás - Szemcsék fizikai és fizikai-kémiai tulajdonságai: - sűrűség, mágneses és elektromos, hőtani, optikai, határfelületi, szilárdsági, rugalmassági, apríthatósági tulajdonságok - Anyagi összetétel - Fűtőérték és hamutartalom - Kémiai összetétel 23
Szemcseméret jellemzése - Statisztikus szemcseátmérő: a szemcse vetületén adott iránnyal párhuzamosan húzott egyenes szakaszok hossza. - Közepes szemcseátmérő: a szemcséhez véletlenül rendelt párhuzamos három érintősík átlagos távolsága. - Egyenértékű szemcseátmérő: a szemcsével azonos süllyedési sebességű gömb átmérője 24
Szemcseméret jellemzése - Feret-átmérő: egy tetszőlegesen elhelyezkedő szemcséhez húzott, az okulárskálára merőleges, két képzeletbeli párhuzamos érintő közti távolság. (x F ) - Martin-átmérő: a szemcse azon pontján mért átmérő, amely a tetszőlegesen elhelyezkedő részecske vetületét 2 egyforma területre osztja. (x M ) - Vetületi átmérő: annak a körnek az átmérője, melynek területe megegyezik a szemcse vetületének területével. - Hosszúság: az okulárskálával párhuzamosan elhelyezkedő szemcse legnagyobb hosszúsága éltől élig. - Szélesség: a szemcse legnagyobb kiterjedése a hosszúságra merőlegesen. X M X max X F 25
Szemcseméret meghatározása - Lineáris méretből, térfogatból és felületből: x á x 1 x 2 2 x á x 1 x 2 d 3 V d 3 e 6 A d 2 d e 6 V A 26
Szemcsealak jellemzése Felületi tulajdonságok: - Töredezett: részlegesen hasadt, törött vagy repedt - Sima: szabálytalanságoktól, érdességtől vagy kiszögellésektől mentes - Porózus: nyílásokat, átjárókat (üregeket) tartalmazó - Durva: göröngyös nem egyenletes, nem sima - Üreges/gödrös: kis horpadásokkal borított Alak: 27
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe - Szitaanalízis: Az anyaghalmazt szitálással elemezzük úgy, hogy egy adott szitasoron átszitáljuk az anyaghalmazt. (ha a szemcsék mérete x>~20µm) 28
Szemcseméret-eloszlási függvény, Szitaanalízis: gyakoriság-görbe - Szitáin azok a szemcsék maradnak fenn, amelyek mérete nagyobb a szita lyukméreténél, illetve kisebbek a felette lévő szita lyukméreténél. - Lyukméret/szitanyílás: a huzalszövet egymás mellett lévő és egymást keresztező huzalai által alkotott nyílás oldalának névleges mérete mm-ben. - Hátrány: - Nagymennyiségű minta szükséges - Aprózódik-e az anyag a művelet során? - Olajos vagy tapadó porok elemzésének nehézsége eltömődés - Elektrosztatikus feltöltődés - Nedves szitálással, golyókkal javítható 29
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe Szitaanalízis: - Menete: - Reprezentatív mintavétel - Minta előkészítés (szárítás/mosás) - Minta vizsgálathoz szükséges mennyiségének beállítása - Szitasor és gép előkészítése - Szitálás elvégzése - Analízishez szükséges számítások elvégzése - Eredmények értékelése és reprezentálása - Ajánlott szitálási időtartam: - 10-20 perces intervallum - Optimális időtartam: próbaszitálás addig, míg a minta tömegváltozása 5 perc alatt 1% alá nem esik 30
Szemcseméret-eloszlási függvény, Szitaanalízis mintavételezés: - Csúszdáról, szállítószalagról: - Ahol a minta leesik az eszközről gyakoriság-görbe - A gyűjtőedény ne teljen meg (nagyobb szemcsék elveszhetnek) - A mintavétel egy egyenletes mozdulattal történjen - Szállítmányból, ömlesztett raktárból: - A halomból, minimum 3 különböző helyről, kb. 30 cm mélyről - Halomból: - Különböző mintavételi pontokról, lehetőleg lapátolás közben (a szemcsék frakciók szerint szétválnak) 31
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe Szitaanalízis minta vizsgálati mennyiségének beállítása: - Kúpozás, negyedelés: - Minta kúp alakú felhalmozása, majd az alapterület növelése a tetejének lebontásával - Körcikkekre bontjuk, a negyedeket keverjük, és újra kúpozzuk - Minta kettéválasztók és csökkentők: - Jones-típusú vályú: minta felezése a szemcseméret-eloszlás megváltoztatása nélkül (4 egymás utáni felezés 16-odára csökkenti a mennyiséget) - A nyílások mérete legalább a szemcseméret háromszorosa 32
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe - Eredménye: a szemcseméret-eloszlási függvény és a gyakorisági görbe Szemcsefrakció Tömeghányad Összegzett tömeghányad Gyakoriság x i -x i+1 [mm] dm i [%] 1-F(x) [%] dm i /dx i [%/mm] < 20 49,4 100,0 2,47 20 50 17,8 50,6 0,59 50 100 15,1 32,8 0,30 100 150 9,3 17,7 0,19 150 200 4,2 8,4 0,11 > 200 4.2 4,2 0,04 100,0 33
Szemcseméret-eloszlási függvény, gyakoriság-görbe 1 0,9 0,8 0,7 Szitaáthullás F(x) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Szitamaradvány 1-F(x) 0 0 5 10 15 20 25 34
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Példa - Szitálási feladat mérési eredményei: Szita lyukmérete (μm) x i Fennmaradó tömeg (g) m i 0-45 6,76 45-80 11,82 80-150 37,74 150-300 86,18 300-800 300,37 800-1800 255,5 1800-3150 199,07 3150-6300 73,49 Adott szemcseméret-frakció mérete: dx i Összes szitált anyag tömege: σ m i Direkt tömeghányad: dm i = m i σ m i Gyakoriság: dm i dx i Áthullás-görbe: dm i kumulált összege Maradvány-görbe: 1 áthullás-görbe 35
legkisebb szemcseméret legnagyobb szemcseméret frakciók távolsága szitán fennmaradó tömeg direkt tömeghányad mi/szum(m) Gyakoriság* áthullás maradvány Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Példa; számított értékek * a gyakoriság a kezelhetőség érdekében 1000-es szorzót kapott! x i x i_min x i_max dx i m i dm i dm i /dx i F(x) 1-F(x) 0-45 0 45 45 6,76 0,0070 0,15472 0,007 0,993 45-80 45 80 35 11,82 0,0122 0,347826 0,019 0,981 80-150 80 150 70 37,74 0,0389 0,555285 0,058 0,942 150-300 150 300 150 86,18 0,0888 0,591735 0,147 0,853 300-800 300 800 500 300,37 0,3094 0,618726 0,456 0,544 800-1800 800 1800 1000 255,5 0,2631 0,26315 0,719 0,281 1800-3150 1800 3150 1350 199,07 0,2050 0,151874 0,924 0,076 3150-6300 3150 6300 3150 73,49 0,0757 0,024029 1,000 0,000 szum 970,93 36
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Példa Direkt tömeghányad/eloszlás: megmutatja, hogy az egyes szemcseméretfrakciók a teljes részecsketömeg hány százalékát képezik. 37
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Példa Gyakoriság: az áthullás szemcseméret szerinti első differenciálhányadosa. Maximumának helye a leggyakoribb szemcseméret. 38
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Példa; szitaáthullás-maradvány görbe Maradvány: az egyes sziták lyukméterénél nagyobb szemcsék tömegszázaléka. Áthullás: az adott szita alá kerülő szemcsék tömegszázaléka. x 50 : a szemcsehalmaz mediánértéke (az ennél kisebb és nagyobb szemcsék mennyisége azonos) 39
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Schumann-Gaudin függvény (Gates-Gaudin-Schumann): Ahol F( x) F(x).. Áthullás-görbe (kumulált összeg, 100-zal szorozva a százalékos eloszlást adja) x.. Részecskeméret (adott részecskeméret-frakció felső határa) a.. Méret modulus (a log(x)-f görbe felső metszéspontja) m.. Eloszlás modulus (log(x)-f görbe meredeksége) x a m lg( F( x)) m lg( x) lg( a) 40
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Példa; Schumann-Gaudin függvény (Gates-Gaudin-Schumann): - A kapott áthullás-görbe ábrázolása: mindkét tengely logaritmikus F( x) - Eloszlás modulus: grafikus úton a logaritmikus görbe meredeksége(?): x a m m lg( F( x)) lg( x) lg( a) m = d(log(f x i )) d(log(x i_max )) = 0,562 = log 0,719 log0,456 log 1800 log 800 41
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Példa; Schumann-Gaudin függvény (Gates-Gaudin-Schumann): - Méret modulus: grafikus úton a logaritmikus görbe legmeredekebb érintőjének teljes áthullással való metszéke: F( x) x a m a = "ahol az 1 et metszi az m egyenese" = 4000 42
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Schumann-Gaudin függvény Példa; Gates-Gaudin-Schumann közelítés 43
Nevezetes szemcseméret-eloszlási függvények Rosin-Rammler függvény: 1 F( x) e m x a - Az a paraméter értelmezése érdekében 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: lg lg 1 1 F( x) mlg x mlga Kolmogorov (lognormális) szemcseeloszlás: F( x) 1 2 m x x 0 e (ln xa) 2 2m 2 dx - Az a paraméter a medián (x 50 ) logaritmusát jelenti. 44
3. Előadás Aprítás 45
Aprítás szükségessége - Aprítás: szemcseméret csökkentésére irányuló művelet, külső erőhatások segítségével. Az anyag részecskéi közötti és/vagy részecskéin belüli összetartó erőket legyőző dezintegráló művelet, ami külső erők hatására megy végbe. - Cél: a fajlagos felület növelése, a szemcseméret csökkentése - A végtermék kívánt halmazsajátságainak az elérése, pl. jó folyási tulajdonságok, megfelelő töltéssűrűség, magas színhatás, kellemes íz - különböző komponensek kinyerési műveleteinek elősegítése (cukorrépa szeletelése a cukor kioldása előtt, stb.), - meghatározott méretűre aprítás további felhasználás esetén (cukor őrlése csokoládégyártás előtt, lisztőrlés), - fajlagos felület megnövelése (szárítási művelet idejének csökkentése érdekében, kioldásos műveletek intenzifikálása miatt, hőkezelési idők csökkentése végett), - műveletek energiafelhasználásának csökkentése (pl. keverés). - Előkészítő műveletként: szuszpenziók, paszták készítése pl. gyógyszerek, kenőcsök - Befejező művelet: granulátumok, porok készítése pl. személyabroncs-gyártás, öntészeti homokok 46
Aprítás Aprítandó anyagok szerkezeti tulajdonságai: - Rideg: erő hatására nem képesek maradandó alakváltozást szenvedni. Rugalmasságuk nagyon kicsi, de ha ezt a rugalmassági határt az aprításkor kifejtett erőhatás meghaladja, az anyag kisebb darabokra hullik szét. Pl. üveg és számos kristály. - Szívós: rugalmasak, de maradó alakváltozásra kevéssé képesek. Pl. a gumi. - Képlékeny: erő hatására nem képesek (kismértékben képesek) rugalmas alakváltozást szenvedni, de képlékenységi fokuktól függő mértékben maradandó alakváltozást mutatnak. Pl. a kenőcsök, agyag. 47
Aprítás Erőhatás alapján: - Törés (nyomó): síkfelületek közt kifejtett nyomóerő hatására - Őrlés (dörzsölő: nyomás+súrlódás): nyomóerő + erre merőleges irányú erő - Nyírás: ellentétes irányú, kitérő hatásvonalú erők, éles felületek (közegek segítségével vagy anélkül) - Metszés (vágó): ellentétes irányú, azonos hatásvonalú erők, éles felületek - Zúzás (ütő): ütésekkel - Nem mechanikai okok: sugárzás, hő, elektromosság 48
Aprítás Megváltozó anyagsajátosságok: - Elsődleges (primer) mechanokémiai folyamatok: a rendszer szabadenergiájának növekedését hozzák létre, növelik a reakcióképességet. (deformáció, aprózódás, melegedés, rácshibák keletkezése és elmozdulása) - Halmazsűrűség és -porozitás - Szemcseméret - Összenövési viszonyok - Fajlagos felület - Felületi sajátságok (felületi energia) - Belső szerkezet (amorfizáció) - Anyagi összetétel - Fűtőérték stb. - Másodlagos (szekunder) mechanokémiai folyamatok: mechanikai energiával aktivált spontán átalakulások, melyek a rendszer szabadenergiájának csökkenését idézik elő. (rekrisztallizáció, agglomerizáció) 49
Fajlagos felület - Fajlagos felület: az adott anyag tömegegységre vonatkoztatott felülete. Jele: s f, mértékegysége: [m 2 /kg] Meghatározza: elektromos és kapilláris jelenségek, kémiai reakcióképesség, nedvesedés - Gömbre és kockára: - Általános alakú testre: s g F V g g 6 x 2 d 3 d 6 - Heywood-faktor: φ, a szabályos gömb alaktól való eltérés mértéke; értéke kvarchomokra (gömbölyded): 1,43; üvegőrleményre (kockatéglatest): 1,90; szállópor: 2,28; csillám (lemezes): 9,27. s 6 d s k F V k k 6a a 3 2 6 a 50
Aprítás - Jellemzése: aprítási fokkal történik. - Az aprítás mértékét kifejező mértékegység nélküli szám. vagy υ = D/d=X/x ahol D; X; x 1 az eredeti szemcseméret [mm] d; x; x 2 az aprított szemcseméret [mm] X80 r 80 x 80 ahol X 80 és x 80 a feladásra kerülő anyag és a töret 80%-os szemcsemérete [mm] (F(x)-ről leolvasva) x 80 [mm] r 80 durva aprítás 50 < x 80 3-6 közép aprítás 5 < x 80 50 4 10 finom aprítás 0,5 < x 80 5 5 10 őrlés 0,05 < x 80 0,5 10 15 finom őrlés x 80 0,05 > 15 51
Részecskeméretek 52
Fajlagos aprítási munka - Keressük: az őrlőberendezés által az őrlésre fordított munka és az őrlendő anyag aprózódásának mértéke közti összefüggést. - Aprítási munka részei: - Rugalmas alakváltozási munka kinetikus energia, hő - Felületi energia növelésére fordított munka - Friss törési felület struktúra változása - Makroszkopikus deformáció hő - Aprítógép belső súrlódása (golyók, görgők, szemcsék és fal) - Aprítógép külső súrlódása (csapágy, hajtómű) 53
Fajlagos aprítási munka Rittinger-féle felületi elmélet - az aprítási munka arányos a keletkező új felülettel. A térfogategységre vonatkozó fajlagos aprítási munka: ahol W R = c R 1 x 2 1 x 1 c R a Rittinger-féle állandó, ami a fajlagos felületi energiával arányos x 2 és x 1 a termék és a feladás szemcsemérete - Főleg a finomőrlés tartományában (x<50µm) - Mértékegysége: J/kg; kwh/t 54
Fajlagos aprítási munka Kick-Kirpicsev térfogati elmélet - az aprítási munka arányos a test térfogatával (térfogati átlag szemcsenagysággal). A térfogategységre vonatkozó fajlagos aprítási munka: W K = c K V W K = c K lg 1 lg 1 x 2 x 1 ahol c K a Kirpicsev-Kick állandó V az aprítandó test térfogata x 2 és x 1 a termék és a feladás szemcsemérete - Főleg a durva aprítás tartományában (x>50 mm) - Mértékegysége: J/kg; kwh/t 55
Fajlagos aprítási munka Bond-féle elmélet - A Rittinger-féle és a Kirpicsev-Kick elmélet által meghatározott fajlagos aprítási munka mértani közepe: ahol c B a Bond-index W B = 2 W R W K = c B x 2,5 W B = c B 1 x 80,2 1 x 80,1 x 80,2 és x 80,1 a termék és a feladás 80%-os szemcsemérete - Alkalmazási tartománya: 50 µm 50 mm - Mértékegysége: J/kg; kwh/t 56
Aprítás teljesítményszükséglete - Ha meghatároztuk a fajlagos munkaszükségletet teljesítmény-szükséglet meghatározása: ahol P a = Q W P a az aprítógép teljesítménye [kw] Q a gép kapacitása [t/h] W a fajlagos munkaszükséglet [kwh/t] - A gépi teljesítmény függ: P g =f(méret, anyagok mozgatása, belső súrlódás, ) - Közelítő számításoknál: P a P g 57
Aprító-törő gépek 58
Aprító-törő gépek Pofástörő - Durva aprításra: ásványok, kőzetek (mészkő, dolomit, andezit, ) - Előtörésre a további műveletkehez - Aprítást végzi: álló és mozgó pofa (sík vagy domború felület kisebb az eldugulás veszélye) - Anyaga: Cr, Mn-mal ötvözött acél - Aprítási fok: r=4-9 - A termék/töret szemcseméretét meghatározza: résméret (R); 20-50 mm - Egyéb részek: excenter, hajtórúd, csuklós szerkezet/tolólapok 59
Aprító-törő gépek Pofástörő - Kapacitás: Q = 850 R L; [t/h, m 3 /h] α.. törőszög, 18-24 G s.. legszűkebb résméret l.. lökethossz, löketméret R = s + l G.. garat feladónyílás mérete, garatszélesség H H.. törőtér magassága H 2G V B.. Törőtér térfogata [m 3 ] L.. garathossz 60
Aprító-törő gépek Kalapácsos törő - Vegyiparban ritkán alkalmazzák - Középaprítás - Tangenciális, radiális vagy axiális beömlés - Részei: rotor, kalapács alakú ütőelemek (3, 4, 6 db) (tengelyre felfűzött, szabadon lengő) - Cserélhető szitarács a garaton: a töltet szemcseméretét osztályozza - A szemek a nagy sebességgel forgó kalapácsokhoz (60-130 m/s), majd törőfelülethez, végül a rostafelülethez ütközve aprózódnak fel. - Az aprózódás mértékét a rosták lyukátmérője határozza meg (leggyakrabban a 3-6 mm-es) - Nyirkos anyag nem adható fel - Vízszintes vagy függőleges elrendezés 61
Aprító-törő gépek Hengertörő, hengerszék - Sima vagy fogazott felületű, párhuzamos tengelyű hengerek - Közép- és finomaprításra - Hengerátmérő: általában D 27 d 0 d t - Anyagbehúzás feltétele: tgα μ cos α = D 2 +d t 2 D 2 +d 0 2 62
Aprító-törő gépek Golyósmalom - Őrlési művelet - Őrlőtestek: acélgolyók, kerámia (15-100 mm, gömb, hengeres vagy rúdszerű), a malom kb. 20-30%-át foglalják el - Malom bélése: kerámia, üveg, acél, gumi - Alkalmazása: vegyipar, cementgyártás, ásványelőkészítés Keverő golyósmalom - Őrlés + keverés - Keverőtengely + keverőtárcsák - Őrlőtesttel való töltési fok: 70-80% - Száraz és nedves üzem - Fűtő-hűtő köpenyek Gyöngymalom Rezgőmalom: a tartályokat sajátfrekvencia-közeli állapotban kell rezgetni 63
Aprító-törő gépek Rotoros nyíró-aprító gép (shredder) - Ipari hulladékok darálásrára, fa, műanyag, gumi, stb. - Egytengelyes ( kos szorítja az anyagot a tárcsához), többtengelyes - Kapacitás: 30 kg/h 10-30 t/h - Egytengelyes esetén: a rotorok alatt rosta (a megfelelő méretű anyagot engedi távozni). 64
Aprító-törő gépek Kúpos törő Görgő járat Kolloidmalom 65
a) verőcsapos malom, b) diszintegrátor, c) sugármalom, d) verőszárnyas malom, e) kalapácsdobos malom, f) kalapácsos malom, g) rotoros törő, h) ikerrotoros törő, i) dezintegrátor j) fogastárcsás malom, k) állítható korongos malom, l) golyós malom, m) háromszögletű rotoros vágó, n) karmos vágó, Aprítóberendezések o) oldalsó betápláló vágó, p) granulátortörő, r) szalagos törő, s) 18-rotoros szeletelő, t) sugármalom 66
Köszönöm a figyelemet! Miskolci Egyetem, Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék 2017