vegyipari mŰveletek i. -...

of 67 /67
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.

Author: others

Post on 04-Nov-2019

9 views

Category:

Documents


0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • 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

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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.

  • Vegyipari műveletek I.

    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.

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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.

  • Vegyipari műveletek I.

    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)

  • Vegyipari műveletek I.

    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)

  • Vegyipari műveletek I.

    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

    Vegyipari műveletek I.

    11

    Művelettani alapok

    http://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/pdf/flow/total_energy.pdfhttp://www.eia.gov/totalenergy/data/monthly/pdf/flow/petroleum.pdfhttp://acquireprocure.com/wp-content/uploads/2016/06/formula-one-f1-budget-cost-breakdown-sankey-diagram-v2.jpg

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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.

  • Vegyipari műveletek I.

    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.

  • Vegyipari műveletek I.

    17

    Hidrodinamikai hasonlóságHasonlóságelmélet:

    - 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.

  • Vegyipari műveletek I.

    18

    Hidrodinamikai hasonlóságHasonlóságelmélet:

    - 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”

  • Vegyipari műveletek I.

    19

    Hidrodinamikai hasonlóságHasonlóságelmélet:

    - 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.

  • Vegyipari műveletek I.

    20

    Hidrodinamikai hasonlóságHasonlóságelmélet:

    - 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)

  • Vegyipari műveletek I.

    21

    2. Előadás

    Szemcseosztályozás

  • Vegyipari műveletek I.

    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).

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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.

  • Vegyipari műveletek I.

    26

    Szemcseméret meghatározása

    - Lineáris méretből, térfogatból és felületből:

    2

    21 xxxá

    21xxxá

    6

    3dV 3e

    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:

  • Vegyipari műveletek I.

    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)

  • Vegyipari műveletek I.

    29

    Szemcseméret-eloszlási függvény,

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    30

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    31

    Szemcseméret-eloszlási függvény,

    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

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    33

    Szemcseméret-eloszlási függvény,

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    34

    Szemcseméret-eloszlási függvény,

    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)

  • Vegyipari műveletek I.

    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 =𝑚𝑖σ𝑚𝑖

    Adott szemcseméret-frakció mérete:

    d𝑥𝑖

    Gyakoriság: 𝑑𝑚𝑖

    𝑑𝑥𝑖

    Áthullás-görbe: d𝑚𝑖 kumulált összege

    Maradvány-görbe: 1 – áthullás-görbe

  • Vegyipari műveletek I.

    36

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    függvények

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

    gk

    ise

    bb

    szem

    cse

    méret

    leg

    na

    gy

    ob

    b

    szem

    cse

    méret

    fra

    kció

    k

    táv

    ols

    ág

    a

    szit

    án

    fen

    nm

    ara

    töm

    eg

    dir

    ek

    t

    töm

    eg

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    37

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    függvények

    Példa

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

    frakciók a teljes részecsketömeg hány százalékát képezik.

  • Vegyipari műveletek I.

    38

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    függvények

    Példa

    Gyakoriság: az áthullás szemcseméret szerinti első differenciálhányadosa.

    Maximumának helye a leggyakoribb szemcseméret.

  • Vegyipari műveletek I.

    39

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    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)

  • Vegyipari műveletek I.

    40

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    41

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    42

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    43

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    függvények

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

    közelítés

  • Vegyipari műveletek I.

    44

    Nevezetes szemcseméret-eloszlási

    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)(

  • Vegyipari műveletek I.

    45

    3. Előadás

    Aprítás

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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.

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    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)

  • Vegyipari műveletek I.

    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.

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    52

    Részecskeméretek

  • Vegyipari műveletek I.

    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)

  • Vegyipari műveletek I.

    54

    Fajlagos aprítási munka

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    55

    Fajlagos aprítási munka

    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)

    - Mértékegysége: J/kg; kWh/t

  • Vegyipari műveletek I.

    56

    Fajlagos aprítási munka

    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

    - Mértékegysége: J/kg; kWh/t

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    58

    Aprító-törő gépek

  • Vegyipari műveletek I.

    59

    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

  • Pofástörő

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

    Vegyipari műveletek I.

    60

    Aprító-törő gépek

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    61

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    62

    Aprító-törő gépek

    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

  • Vegyipari műveletek I.

    63

    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

    Rezgőmalom: a tartályokat sajátfrekvencia-közeli állapotban kell rezgetni

    Gyöngymalom

  • Vegyipari műveletek I.

    64

    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).

  • Vegyipari műveletek I.

    65

    Aprító-törő gépek

    Görgő járat

    Kolloidmalom

    Kúpos törő

  • Vegyipari műveletek I.

    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

  • Köszönöm a figyelemet!

    Miskolci Egyetem, Vegyipari Gépészeti Intézeti Tanszék © 2017