Kémiai technológia I. 2012/13

1. Fogalmak Kémia technológia Fizikai, kémiai folyamatok sora, melyben a kiindulási anyagok (alap, segédanyag) mélyreható változásokon mennek keresztül, melyben megváltozik a belső szerkezetük, halmazállapotuk, összetételük. A kémiai technológia a kémiai reakciók ipari méretű gyakorlati megvalósításának tudománya. „A vegyipari üzemek tudománya” A termék mennyiségén és minőségén kívül az energiaszükségletet, gazdaságosságot, környezetre gyakorolt hatást, stb. is vizsgálnunk kell Hajtóerő: piaci kereslet

Műszaki kémia, Vegyipari termelés mestersége (chemical engineering) Kémiai technológia – vegyipari eljárástan (chemical process technology) Milyen módon lehet egy terméket nyersanyagokból előállítani. Vegyipari művelettan (unit operations) Gépek, készülékek, berendezések gyártási technológiától független elmélete. Vegyipari gazdaságtan (chemical industry management)

A műveleti egység A művelettan alapvető fogalma a műveleti egység (unit operation), melynek alapján a vegyipari eljárások széles köre jól definiált, viszonylag kevés számú alapműveletből összeállítható. Az elvi folyamatábrákon található egyszerű készülékszimbólumok általában egy-egy műveletet képviselnek (kolonna: desztilláció, reaktor: reagáltatás, szűrő: szűrés, kondenzátor: gőz-folyadék fázisátalakulás, stb.). A készülékek a legtöbb esetben műveleti egységeknek tekinthetőek

Alapműveletek osztályozása 1.Végrehajtási mód szerint: Szakaszos: Időben periodikusan ismétlődő részműveletekből áll Pl: töltési – végrehajtási – ürítési – tisztítási lépések, azaz ugyanazon térben, de időben eltolódva mennek végbe az egyes lépések. Folyamatos: a készüléken az anyag átfolyik, tehát egy időben zajlik a teljes folyamat. (Stacionárius esetben az intenzív paraméterek eloszlása időtől független) Vegyes: folyamatos művelet – egyes része szakaszos (vagy fordítva), pl. folyamatos desztilláció, szakaszos ürítés

A folyamatos műveletek előnyei folyamatos minden lépése, nincs időveszteség (töltés, ürítés), jól és könnyen automatizálható, stabil üzem, kis felügyelet, kevesebb, egyszerűbb készülék kell (olcsóbb beruházás és üzemeltetés), jó a hőhasznosításuk, ezért a nagyvolumenű gyártásoknál használják.

A szakaszos műveletek jellemzői rugalmasan, kis költséggel átszerelhető, kevés anyag kell a próbagyártásokhoz, kísérleti üzemben, kis mennyiségű és többféle terméket gyártó üzemekben használják (programozott gyártás).

2. A folyamatokat leíró törvények szerint: Hidrodinamikai műveletek: folyadékok, gázok mozgása a hidrosztatika és a hidrodinamika írja le – Bernoulli, Euler, Pascal folyadékok szállítása, gázok szállítása, ülepítés, szűrés, keverés centrifugálás, ciklonozás, fluidizáció. Mechanikai műveletek: aprítás, osztályozás, drazsírozás, préselés, extrudálás. Kalorikus műveletek: hőterjedés, hőátadás. Melegítés, hűtés, hőcsere, bepárlás, szárítás, kondenzálás. Drazsírozás: a granulálás (a tömörítést nem külső mechanikai erők okozzák) egyik fajtája, a finomszemcsés anyag görgetése során rögökké, golyókká tapad össze (koromfesték, műtrágya, „drazsé”: pörkölt magvak bevonása) Extrudálás: hőre lágyuló műanyagok sajtolása csigaorsóval, amelynek során a képlékeny anyag felveszi a formázó nyílás alakját Ciklonzás: centrifugális elven gázok és folyadékok pormentesítése Fluidizáció: egy csőbe betöltött részecskék a folyadékáram hatására felazulnak

Anyagátbocsájtási műveletek (diffúziós): desztillálás: részleges elpárologtatás, és részleges kondenzáció; extrakció: folyadék → folyadék, szilárd → folyadék; adszorpció: gáz, folyadék → szilárd; abszorpció: gáz → folyadék; kristályosítás: kristályos komponensek kinyerése folyadékokból. Kémiai műveletek: kémiai reakciók: kémiai reakciókinetika – sebesség, kémiai termodinamika – reakcióhő, anyagmennyiségek.

A (kémiai) technológia alaptörvényei (Korach Mór műegyetemi professzor szerint) • a költségparaméter-elv: a technológia nem létezik (nem működőképes), ha a termék önköltsége magasabb, mint a termék piaci ára. • a paraméterek nagy számának elve: a kémiai technológiában az összes paraméter szétválasztása lehetetlen, és így kénytelenek vagyunk a döntő befolyású, ún. „vezérlő” paraméterek tekintetbe vételével beérni • a léptékhatás elve: minden technológiai folyamat, illetve berendezés növelése bizonyos mértékhatáron túl minőségi változásokkal jár • az automatizáció szükségessége: a paraméterszórás csak automatizálás útján szorítható az előírt határok közé

Hidrosztatika, hidrodinamika Fluidum: áramló közeg a halmazállapottól függetlenül (folyadék, gáz, gőz) A vegyipari készülékek általában áramló közegekkel dolgoznak, a műveleti egységek kvantitatív leírásához a bennük áramló mennyiségek tér-idő függése alapvető jelentőségű. A folyadékok és gázok mozgástörvényei gyakorlatilag azonosak A folyadékok és gázok mozgástörvényei gyakorlatilag azonosak, ha sebességük lényegesen kisebb a hangsebességnél, ill. gázok esetében az eredeti nyomás nem változik meg 5%-nál nagyobb mértékben.

Az alaptörvények tárgyalásakor az ideális folyadékból indulunk ki. összenyomhatatlan viszkozitása nincs, h = 0 sűrűsége nem függ a hőmérséklettől, r ≠ f(T) Reális folyadék: a fentiek nem igazak, csak közelítések van viszkozitás sűrűsége függ a hőmérséklettől a műszaki gyakorlatban használható elhanyagolás az összenyomhatatlanság

Hidrosztatika Newton II. törvénye a folyadékokra Navier-Stokes tétel: Pascal törvény levezetése: A sebesség totális (szubsztanciális differenciálhányadosa): dv/dt=szigma v/ szigma t + v*nabla v A térfogatelemre ható erők: tömegerő (nehézségi); nyomóerő; a felülettel párhuzamosan ható belső surlódási erő

z iránya legyen ellentétes g irányával:

Hogyan terjed a nyomás a folyadékokban? A Pascal törvényből: azaz nyugalmi állapotban lévő összenyomhatatlan folyadékban a nyomás gyengítetlenül tovább terjed.

Pascal törvény felhasználása: 1. Közlekedő edények: A közlekedő edények törvénye: két, egymással összeköttetésben lévő térben a folyadék ugyanazon szintig emelkedik fel, ha a folyadék felszíne felett azonos a nyomás. a, Egyféle folyadék:

b, Két nem elegyedő folyadék: c, Eltérő levegő nyomás (u csöves manométer): A szintkülönbség arányos a nyomáskülönbséggel Elsősorban gázok nyomás- különbségének méréséhez

Ipari felhasználás: Szintjelzés, szintmérés Olajemelő:

Fluidumok (folyadékok) áramlása Lamináris (réteges) Tetszőleges folyadékelem sebességvektorának nagysága és iránya állandó. Párhuzamos rétegű áramlás. Lamináris: Re < 2300 Reynolds szám, dimenziómentes (hasonlósági kritérium) Valóságos közegek áramlásának jellege kétféle lehet Lamináris: a fluidumrétegek egymáson elcsúsznak, egymással nem keverednek. Modell: teleszkóp kihúzása

Turbulens Átmeneti: 2300 < Re > 10 000 A sebességvektor az átlagérték körül nagyság és irány szerint véletlenszerűen ingadozik. Nagy energiaveszteség. Örvénylő mozgás. Turbulens: Re > 10 000 Átmeneti: 2300 < Re > 10 000

Csővezeték optimális átmérője: Kis átmérő → olcsó cső nagy áramlási sebesség, sok energia (turbul) E – energia költség (folyadék szállítási költsége) A – amortizáció (beruházás) + javítás

Gyakorlatban: v – lineáris sebesség [m/s] qv – térfogatáram [m3/s] Átl. lineáris sebesség: max. 3 m/s kis viszkozitású folyadék max. 1 m/s nagy viszkozitású folyadék gázokra, ennek 5-10 szeresét lehet venni v – lineáris sebesség [m/s] qv – térfogatáram [m3/s] qm – tömegáram [kg/s]

Példa: 316 s alatt 0,3 m3 folyik ki egy d = 0,02 m csövön, vátl. = ?

Áramlás közbeni (energia) veszteségek: áramlás iránya és/vagy nagysága változik a.) Kis átmérőből gyorsan jövő folyadék, áram részecskék a lassabbaknak ütköznek. b.) Gyorsítás nyeli el az energiát és az, hogy az áramlási keresztmetszet a szükségesnél kisebb lesz → impulzus változás.

c.) normál és éles kanyar d.) szerelvények

Nyomás (energia)-veszteség áramló fluidomokban: Navier-Stokes egyenlet: Stacionárius áramlás, belső súrlódástól mentes, összenyomhatatlan közeg: Bernoulli-egyenlet Bernoulli egyenlet: a Navier-Stokes egy. Egyszerűsítése: elhagyva a súrlódásos tagot, a földi gyorsulás ellen irányuló áramlást feltételezve, integrálva dh szerint Ez az egyenlet ún. magassági formulája: helyzeti (sztatikai) magasság nyomómagasság sebességmagasság

Energiaformula: Nyomásformula: Energiamegmaradás törvénye fluidumok áramlására Nyomásformula:

Reális esetben a súrlódás miatt van veszteségünk. Energiaformula Nyomásformula

A veszteséget kifejezhetjük a zveszt. definiálásával is.

Áramlási ellenállás kör keresztmetszetű egyenes csőben A súrlódás leküzdésére szolgáló erő arányos a súrlódó felülettel és a térfogategységre vonatkoztatott kinetikai energiával (dinamikus nyomással): ahol f : csősúrlódási tényező d : csőátmérő l : csőhossz Ugyanez az erő az áramlás irányába eső nyomáskülönbséggel is kifejezhető: Kifejezve Dp -t adódik a Fanning egyenlet: (Blasius v. Darcy súrlódási tényező: l = 4f ) Lamináris áramlás esetén: Turbulens áramlás esetén függ a cső érdességétől is (Moody diagram)

Szivattyúk: Jellemzőik: szállító teljesítmény szállító magasság teljesítményigény hasznos teljesítmény Szállító magasság (nyomómagasság)

Szívómagasság meghatározása (hsz): Eltekintünk a súrlódási és egyéb veszteségektől Bernoulli egyenlet:

Reális esetben még veszteség is jelentkezik a szívóvezetékben (pveszt.) A természet gyűlöli a vákuumot

Meleg folyadékok – kavitáció jelensége A kavitáció egy fizikai jelenség, mely akkor következik be, ha egy anyag folyadék fázisból hirtelen gáz fázisba megy át a nyomás esése következtében. Ha a folyadék sebessége hirtelen megnő, akkor az energiamegmaradás törvénye értelmében (Bernoulli törvénye) a nyomása leesik. A keletkező gőzbuborék, ha az áramlás mentén olyan helyre ér, ahol a nyomás nagyobb az ottani hőmérséklethez tartozó telítettgőz nyomásnál, a buborék hirtelen összeroskad, az egymásnak csattanó folyadékfelületek erős akusztikus lökéshullámot keltenek, ami egyrészt erős zajjal, rezgéssel, másrészt a környező szilárd testek eróziójával jár. Ilyen eset fordul elő például nem teljesen elzárt vízcsap szűk áramlási keresztmetszetében, szivattyúknál vagy hajócsavaroknál. Szivattyúknál, ha a jelenség kiterjed az egész áramlási keresztmetszetre, a vizoszlop el is szakadhat, és a szivattyú nem képes folyadékot szállítani.