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

VEGYIPARI MŰVELETEK I.

Vegyipari műveletek I.

2

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 : Vegyipari műveletek I.

• Fonyó – Fábry: Vegyipari művelettani alapismeretek

• Kaszatkin: Alapműveletek, gépek és készülékek a vegyiparban

Általános információk


3

TémakörökHét 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


4

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.


5

Bevezetés

Vegyipari műveletek csoportosítása

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.


6

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


7

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.


8

Művelettani alapokA 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)


9

Művelettani alapokA 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)


10

Művelettani alapokAz anyagmérleg a gyártási folyamatok szakszerű követését, ellenőrzését teszilehetővé. Az anyagmegmaradás törvényén alapszik, magában foglalja anyersanyagokat, a kapott termékeket (főtermék, melléktermék, selejt, maradék,hulladék) és a veszteséget.

Pl. veszélyes anyag raktárak anyagforgalma, rektifikálási művelethatékonysága, kémiai folyamatok lejátszódása (cukorgyártás, füstgáz-kéntelenítés), stb.

Az anyagmérleg készítésének lépései:

1. felvázoljuk a gyártás folyamatábráját,

2. meghatározzuk a gyártás során elért hozamot (a lejátszódó kémiai reakciókfigyelembevételével),

3. összeállítjuk a technológiai folyamat mindegyik szakaszára nézve aparciális anyagmérleget,

4. a szakaszonkénti anyagmérlegek összegzésével az egész berendezésre(technológiai folyamatra) szóló általános anyagmérleg birtokába jutunk.Ennek segítségével könnyen kiszámítható a különböző nyersanyagokfajlagos fogyasztása.

Energiamérleg

• 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

Művelettani alapok

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


12

Áramlástan alapjaiKontinuitási törvény: megmaradási törvény lokális kifejezése (áramlástanban

tömegmegmaradás)

- Változó keresztmetszetű csővezetékek

- A közeget összenyomhatatlannak tekintjük

- Térfogatáram: ሶ𝑄; 𝑞 [m3/s]

- Tömegáram: ሶ𝑚 [kg/s]

- Alkalmazása: térfogatáram meghatározása az áramlási sebesség mérésével,

áramlási sebesség meghatározása az adott keresztmetszetben.

https://www.youtube.com/watch?v=wykn-JTnacE

AdvdVt

AV

https://www.youtube.com/watch?v=wykn-JTnacE


13

Áramlástan alapjaiEuler-egyenlet: olyan mozgásegyenlet, amely a súrlódás elhanyagolása esetén

összefüggést teremt a folyadékrész mozgásmennyiségének idő szerinti

megváltozása ( gyorsulása) és a folyadékrészre ható erők, a térerősségből

származó erő (pl. egy kg tömegre ható súlyerő), és a nyomás hely szerinti

változásából származó erő között:

„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.

gradp1

dt

vd

g

gradp1

gdt

vd


14

Áramlástan alapjaiBernoulli-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

https://www.youtube.com/watch?v=IneyT4kRDAU


15

Áramlástan alapjaiNavier-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.


16

Hidrodinamikai hasonlóságHasonlóságelmélet:

- 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.


17


- 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.


18


- 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”


19


- 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, m2/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.


20


- 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)


21

2. Előadás

Szemcseosztályozás


22

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, törés-

mechanikai, mágneses, elektromos, termikus, optikai és adszorpciós-

adhéziós 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).


23

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


24

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


25

Szemcseméret jellemzése

- Feret-átmérő: egy tetszőlegesen elhelyezkedő szemcséhez húzott, az

okulárskálára merőleges, két képzeletbeli párhuzamos érintő közti távolság. (xF)

- Martin-átmérő: a szemcse azon pontján mért átmérő, amely a tetszőlegesen

elhelyezkedő részecske vetületét 2 egyforma területre osztja. (xM)

XFX maxM X

- 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.


26

Szemcseméret meghatározása

- Lineáris méretből, térfogatból és felületből:

2

21 xxxá

21xxxá

6

3dV 3

e

V6d

2dA

A

de

27

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:


28

Szemcseméret-eloszlási függvény,

gyakoriság-görbe

- Szitaanalízis: Az anyaghalmazt szitálással elemezzük úgy, hogy egy

adott szitasoron átszitáljuk az anyaghalmazt. (ha a szemcsék mérete

x>~20µm)


29


gyakoriság-görbe

Szitaanalízis:

- 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


30


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


31


gyakoriság-görbe

Szitaanalízis – mintavételezés:

- Csúszdáról, szállítószalagról:

- Ahol a minta leesik az eszközről

- 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)

32


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


33


gyakoriság-görbe

- Eredménye: a szemcseméret-eloszlási függvény és a gyakorisági görbe

Szemcsefrakció

xi-xi+1

[mm]

Tömeghányad

dmi

[%]

Összegzett tömeghányad

1-F(x)

[%]

Gyakoriság

dmi/dxi

[%/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


34


gyakoriság-görbe

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 5 10 15 20 25

Szitaáthullás

F(x)

Szitamaradvány

1-F(x)


35

Nevezetes szemcseméret-eloszlási

függvények

Példa

- Szitálási feladat mérési eredményei:

Szita lyukmérete

(μm)

xi

Fennmaradó

tömeg (g)

mi

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

Összes szitált anyag tömege: σ𝑚𝑖

Direkt tömeghányad: d𝑚𝑖 =𝑚𝑖

σ𝑚𝑖

Adott szemcseméret-frakció mérete:

d𝑥𝑖

Gyakoriság: 𝑑𝑚𝑖

𝑑𝑥𝑖

Áthullás-görbe: d𝑚𝑖 kumulált összege

Maradvány-görbe: 1 – áthullás-görbe


36


függvények

Példa; számított értékek * a gyakoriság a kezelhetőség érdekében 1000-es szorzót kapott!

leg

kis

eb

b

szem

cse

méret

leg

na

gy

ob

b

szem

cse

méret

fra

kció

k

táv

ols

ág

a

szit

án

fen

nm

ara

dó

töm

eg

dir

ek

t

töm

eg

há

ny

ad

mi/

szu

m(m

)

Gy

ak

oris

ág

*

áth

ull

ás

ma

ra

dv

án

y

xi xi_min xi_max dxi mi dmi dmi/dxi 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


37


függvények

Példa

Direkt tömeghányad/eloszlás: megmutatja, hogy az egyes szemcseméret-

frakciók a teljes részecsketömeg hány százalékát képezik.


38


függvények

Példa

Gyakoriság: az áthullás szemcseméret szerinti első differenciálhányadosa.

Maximumának helye a leggyakoribb szemcseméret.


39


függvényekPélda; szitaáthullás-maradvány görbe

Maradvány: az egyes sziták lyukméterénél nagyobb szemcsék tömegszázaléka.

Áthullás: az adott szita alá kerülő szemcsék tömegszázaléka.

x50: a szemcsehalmaz mediánértéke (az ennél kisebb és nagyobb szemcsék

mennyisége azonos)


40


függvények

Schumann-Gaudin függvény (Gates-Gaudin-Schumann):

Ahol

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)

m

a

xxF

)(

)lg()lg(

))(lg(

ax

xFm


41


függvényekPélda; Schumann-Gaudin függvény (Gates-Gaudin-Schumann):

- A kapott áthullás-görbe ábrázolása: mindkét tengely logaritmikus

m

a

xxF

)(

)lg()lg(

))(lg(

ax

xFm

- Eloszlás modulus: grafikus úton a

logaritmikus görbe

meredeksége(?):

𝑚 =𝑑(log(𝐹 𝑥𝑖 ))

𝑑(log(𝑥𝑖_𝑚𝑎𝑥))=𝑙𝑜𝑔 0,719 −𝑙𝑜𝑔0,456

log 1800 − log 800

= 0,562


42


függvények

Példa; Schumann-Gaudin függvény (Gates-Gaudin-Schumann):

m

a

xxF

)(

- Méret modulus: grafikus úton a

logaritmikus görbe

legmeredekebb érintőjének teljes

áthullással való metszéke:

𝑎 = "ahol az 1−et metszi az m egyenese"= 4000


43


függvények

Schumann-Gaudin függvény – Példa; Gates-Gaudin-Schumann

közelítés


44


függvények

Rosin-Rammler függvény:

- Az „a” paraméter értelmezése érdekében legyen a = x. Ebben az esetben:

- „a” az a szemcseméret, amelynél a szemcsés anyag 0,368 tömeghányada

durvább és 0,632 tömeghányada finomabb. Az „m” paraméter

meghatározásához kétszer kell logaritmizálnunk:

Kolmogorov (lognormális) szemcseeloszlás:

- Az „a” paraméter a medián (x50) logaritmusát jelenti.

m

a

x

exF

)(1

368,01

)(1 e

xF

amxmxF

lglg)(1

1lglg

xm

ax

dxexm

xF0

2

)(ln2

2

2

1)(


45

3. Előadás

Aprítás


46

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


47

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.


48

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


49

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)


50

Fajlagos felület

- Fajlagos felület: az adott anyag tömegegységre vonatkoztatott felülete.

Jele: sf, mértékegysége: [m2/kg]

Meghatározza: elektromos és kapilláris jelenségek, kémiai

reakcióképesség, nedvesedés

- Gömbre és kockára:

- Általános alakú testre:

dd

d

V

Fs

g

gg

6

6

3

2

aa

a

V

Fs

k

kk

663

2

xs

6

- Heywood-faktor: φ, a szabályos gömb alaktól

való eltérés mértéke; értéke kvarchomokra

(gömbölyded): 1,43; üvegőrleményre (kocka-

téglatest): 1,90; szállópor: 2,28; csillám

(lemezes): 9,27.


51

Aprítás

- Jellemzése: aprítási fokkal történik.

- Az aprítás mértékét kifejező mértékegység nélküli szám.

υ = D/d=X/x

ahol D; X; x1 az eredeti szemcseméret [mm]

d; x; x2 az aprított szemcseméret [mm]

vagy

ahol X80 és x80 a feladásra kerülő anyag és a töret 80%-os

szemcsemérete [mm] (F(x)-ről leolvasva)

80

8080r

x

X

x80 [mm] r80

durva aprítás 50 < x80 3 - 6

közép aprítás 5 < x80 ≤ 50 4 – 10

finom aprítás 0,5 < x80 ≤ 5 5 – 10

őrlés 0,05 < x80 ≤ 0,5 10 – 15

finom őrlés x80 ≤ 0,05 > 15


52

Részecskeméretek


53

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)


54


Rittinger-féle felületi elmélet

- az aprítási munka arányos a keletkező új felülettel. A térfogategységre

vonatkozó fajlagos aprítási munka:

𝑊𝑅 = 𝑐𝑅1

𝑥2−

1

𝑥1

ahol

cR a Rittinger-féle állandó, ami a fajlagos felületi energiával arányos

x2 és x1 a termék és a feladás szemcsemérete

- Főleg a finomőrlés tartományában (x<50µm)

- Mértékegysége: J/kg; kWh/t


55


Kick-Kirpicsev térfogati elmélet

- az aprítási munka arányos a test térfogatával (térfogati átlag

szemcsenagysággal). A térfogategységre vonatkozó fajlagos aprítási munka:

𝑊𝐾 = 𝑐𝐾𝑉

𝑊𝐾 = 𝑐𝐾 𝑙𝑔1

𝑥2− 𝑙𝑔

1

𝑥1

ahol

cK a Kirpicsev-Kick állandó

V az aprítandó test térfogata

x2 és x1 a termék és a feladás szemcsemérete

- Főleg a durva aprítás tartományában (x>50 mm)



56


Bond-féle elmélet

- A Rittinger-féle és a Kirpicsev-Kick elmélet által meghatározott fajlagos

aprítási munka mértani közepe:

𝑊𝐵 = 2 𝑊𝑅𝑊𝐾 = 𝑐𝐵𝑥2,5

𝑊𝐵 = 𝑐𝐵1

𝑥80,2−

1

𝑥80,1

ahol

cB a Bond-index

x80,2 és x80,1 a termék és a feladás 80%-os szemcsemérete

- Alkalmazási tartománya: 50 µm … 50 mm



57

Aprítás teljesítményszükséglete

- Ha meghatároztuk a fajlagos munkaszükségletet → teljesítmény-szükséglet

meghatározása:

𝑃𝑎 = 𝑄 ∙ 𝑊

ahol

Pa az aprítógép teljesítménye [kW]

Q a gép kapacitása [t/h]

W a fajlagos munkaszükséglet [kWh/t]

- A gépi teljesítmény függ: Pg=f(méret, anyagok mozgatása, belső súrlódás, …)

- Közelítő számításoknál: 𝑃𝑎 ≈ 𝑃𝑔


58

Aprító-törő gépek


59


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

Pofástörő

- Kapacitás: 𝑄 = 850 ∙ 𝑅 ∙ 𝐿; [t/h, m3/h]


60


α .. törőszög, 18-24°

s .. legszűkebb résméret

l .. lökethossz, löketméret

𝑅 = 𝑠 + 𝑙

G .. garat feladónyílás mérete,

garatszélesség

H .. törőtér magassága

𝐻 ≈ 2𝐺

VB .. Törőtér térfogata [m3]

L .. garathossz

H

G


61


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


62


Hengertörő, hengerszék

- Sima vagy fogazott felületű, párhuzamos tengelyű hengerek

- Közép- és finomaprításra

- Hengerátmérő: általában 𝐷 ≥ 27 𝑑0 − 𝑑𝑡

- Anyagbehúzás feltétele: 𝑡𝑔𝛼 ≤ 𝜇

cos𝛼 =𝐷

2+𝑑𝑡2

𝐷

2+𝑑02


63


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

Rezgőmalom: a tartályokat sajátfrekvencia-közeli állapotban kell rezgetni

Gyöngymalom


64


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).


65


Görgő járat

Kolloidmalom

Kúpos törő


66

Aprítóberendezések

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,

o) oldalsó betápláló vágó, p) granulátortörő, r) szalagos törő, s) 18-rotoros

szeletelő, t) sugármalom

VEGYIPARI MŰVELETEK I. -...

Documents

Transcript of VEGYIPARI MŰVELETEK I. -...