A diszperz rendszerek jellemzője:

Az előadások a következő témára: "A diszperz rendszerek jellemzője:"— Előadás másolata:

1 A diszperz rendszerek jellemzője:
a) felületi feszültség, b) adszorpció, c) nedvesedés, d) adhézió e) részecskeméret;

2 Keverés Keverés: Két vagy több anyagot kényszeríttet áramlással egyesítünk, hogy az egyes alkotó részek eloszlása a meghatározott legkisebb térfogatelemekben a kívánt keverési arányának feleljen meg. Célja a hő/anyagátvitel meggyorsítása, a részecskék közvetlenebb érintkezésének az elősegítése és egyenletesebb eloszlatása finomdiszperz rendszerek létrehozása, kémiai reakciók elősegítése. Feladata: - homogenizálás: egymásban oldódó alkotórészek egyenletes eloszlatása, összetételi ill. hőmérsékleti különbségek kiegyenlítése - szuszpendáltatás: szemcsés anyagok egyenletes eloszlatása folyadékban - diszpergáltatás: gáz szétoszlatása folyadékban (levek dúsítása) egymásban nem oldódó folyadékok emulgeálása - hőátvitel javítása-hőcsere intenzifikálása

3 Keverékek jellemzése:
A keverés úgy kezdődik, hogy a komponensek együtt vannak a keverő térben, de egymástól elkülönülve. Ha egy kis mintát veszünk, akkor az vagy az egyik, vagy a másik komponensből fog állni tisztán , attól függően, hogy a keverőtér mely részéből származik a minta. A keverés előrehaladtával fokozatosan növekszik A koncentrációja B anyagban és B koncentrációja A anyagban, amíg a tökéletesen elkevert állapotig el nem jutunk, amíg akárhonnan vesszük a mintát ott a koncentráció meg fog egyezni a halmaz, a teljes keverék koncentrációjával.

4 Keverés A keverés csoportosítása az összekeverendő anyagok halmazállapota alapján: - gázok keverése - folyadékok keverése - szilárd anyagok keverése - az előbbiek kombinációja Gázok keverése: Gáz-gázkeverés: A gázok összekeverése viszonylag könnyű feladat. Kis viszkozitásúak, a sűrűségük szintén kicsi, és a diffúzió (Brown-mozgás) révén önmaguktól is összekeverednek. A keveréssel az utóbbi folyamatot tudjuk meggyorsítani. b) Gáz-folyadék keverés: folyadék beporlasztása, ahol a szerkezet lehet pneumatikus (nagyobb nyomású gáz); mechanikus (centrifugális erőtér porlaszt); hidraulikus (folyadékot vezetjük nagy nyomáson) c) Gáz- szilárd keverés: fluidizáció

5 Keverés Folyadékok keverése: a)Egymással elegyedő folyadékok b) Folyadékba-gázt keverünk c)Egymással nem elegyedő folyadékok keverése d) Folyadékban jól oldódó szilárd anyag keverése e) Folyadékban nem oldódó szilárd anyag keverése (A folyadékoknak fontos jellemzője a viszkozitás a keverés során. A viszkozitás valamely folyadék folyékonyságának a mértéke, és a belső súrlódás hozza létre.) Szilárd anyagok keverése: a) szilárd anyagba folyadék bekeverése (dagasztás) b) porszerű szilárd anyag összekeverése c) szilárd anyagba gáz bekeverése

6 A keverő jellemző méretei
d = keverőelem átmérője (m) D = keverős készülék átmérője (m) h = beépítési magasság (m) H = folyadékszint magassága (m) W = keverőelem vastagsága (m) δ = torlóelem szélessége (m) Összefüggések: D/d; h/d; W/d; H/d; δ/3d

7

8

9

10 Keverés A keverés esetén fontos szempont a keverő teljesítményszükségletének kiszámítása. A keverés esetén fellépő impulzusáram esetén a mérlegegyenletnek három tagja szerepel. konvekció + vezetés – forrás = 0 ebből konvekció+vezetés = forrás A forrás (-) a folyadék elnyeli a keverő impulzusát. Az előbbi egyenlet dimenziómentes formában: vezetés/konvekció= forrás/konvekció 1/Re = f (Eu) azaz Eu = konstans Re-m

11 A keverő teljesítmény igénye
A keverő teljesítmény igénye ( erő szorozva a keverőlap sebességével): A keverőlap kerületi sebessége a tengelytől x távolságban: and Ahol n a keverő fordulatszáma. Integrálva a keverőelem teljes ütközési felületére: Keverőelem

12 A keverő teljesítmény igénye
Legyen a geometriai szimplex (geometriai hasonlóság), és Az Euler számot (a közegellenállási erő és a tehetetlenségi erő hányadosa), Eu=f*= f*(Rek) a Re-szám függvényében határozzák meg: Az alábbi kritériális egyenletek segítségével: A keverő teljesítményigénye: η a hatásfok Keverő berendezés elve

13 Keverési Freude-szám (Fr)
A keverés folyamán a tölcsérképződést áramlástörők (függőleges torlólapok a készülék palástja mentén) beépítésével korlátozzuk. Eu = f (Re; Fr) A keverési Freude-szám (Fr) = n2 d/g A Freude számot áramlástörő nélküli esetben kell figyelembe venni.

14 A forgatónyomaték levezetése
M = 6 ellenálláserő x a karokkal = 6 F x F = cf ρ/2 vk2 Af ahol cf :ellenállási tényező vk :a lapát közepes kerületi sebessége = d 3/8 ω = x ω ahol ω = 2 π n és x = 3/8 d Af :a lapát felülete = d/4 d/5= d2/20 f = 0,1388 cf ρ n2 d4 M = 6 Fx = 6 F 3/8d = 0,3123 cf ρ n2 d5

15 A folyadékkeverő teljesítményszükséglete
Befolyásoló tényezők: a kevert anyag dinamikai viszkozitása, az áramlás jellege, keverőátmérő, a keverő fordulatszáma, a kevert anyag sűrűsége, a geometriai elrendezés, a keverő típusa. A teljesítményszükséglete = forgatónyomaték (M) x szögsebesség(ω) P = M ω = M 2 π n ahol ω = 2 π n 6 keverőlapátos keverőnél: M = 0,3123 cf ρ n2 d5 P = 1,962 cf ρ n3 d5 = ξ ρ n2 d5 A teljesítményszükséglet a fordulatszám harmadik, a keverő átmérő ötödik hatványával arányos. Keverési Eu-szám Eu = ξ (ellenállási tényező) = 1,962 cf (dimenzió nélküli szám) Keverési jelzőszám : (ált.) P = Eu ρ n3 d5 Eu = P/ ρ n3 d5 A keverési Re-szám : Re = ρ n d2 /ƞ = n d2 /υ

16 A keverő teljesítményszükséglete dimenzióanalízissel
P = ϕ (d ; w; D, H;n; ρ; ƞ; g) Ahol P = teljesítményszükséglet [ML2/T3]; d = a keverő átmérője [L]; w = a keverőelem vastagsága[L]; D = a tartály átmérője [L]; H = folyadéknívó magassága [L]; n = a keverő fordulatszáma [1/T]; Ρ = a folyadék sűrűsége [M/L3]; ƞ = folyadék viszkozitása [M/L T]; g = a nehézségi gyorsulás, az egységnyi tömegre ható nehézségi erő [L/T2] Hatványfüggvényként felírva: P = A da wc De nh ρi ƞm gn A dimenziókat behelyettesítve: 𝑀 𝐿 2 𝑇 3 = 𝐿 𝑎 𝐿 𝑐 𝐿 𝑒 𝐿 𝑓 1 𝑇 ℎ 𝑀 𝐿 3 𝑖 𝑀 𝐿𝑇 𝑚 𝐿 𝑇 2 𝑛 A hatványkitevők meghatározása – felírjuk az azonos mennyiségek kitevőinek egyenlőségét: Tömeg (M) 1= i+m i = 1-m Hosszúság (L) 2 = a +c+e+f-3i-m+n a = 5-c-e-f-2m-m Idő (T) -3 = h-m-2n h = 3-m-2n

17 A keverő teljesítményszükséglete dimenzióanalízissel
Behelyetteseítve: 𝑃=𝐴 𝑑 5 𝑛 3 𝜌 𝑑 2 𝑛𝜌 𝜂 −𝑚 𝑑 𝑛 2 𝑔 −𝑛 𝑤 𝑑 𝑐 𝐷 𝑑 𝑒 𝐻 𝑑 𝑓 keverési Re-szám keverési Fr-szám, geometriai tényezők Ha a geometriai tényezők hasonlóak (az üzemi készülék hasonló a kísérleti berendezéshez) Akkor egyszerűsödik az egyenlet: 𝑃=𝐴 𝑑 5 𝑛 3 𝜌 𝑅𝑒 −𝑚 𝐹𝑟 −𝑛 𝐸𝑢= 𝑃 𝑑 3 𝑛 3 𝜌 =𝐴 𝑅𝑒 −𝑚 𝐹𝑟 −𝑛 Ha a tölcsér nem éri el a keverőt és a keverő nem diszpergál levegőt a folyadékba, akkor a Fr kitevője =0 Így Eu = A Re-m

18 A keverő teljesítményszükséglete dimenzióanalízissel
Ha az Eu számot a Re-szám függvényében log-log koordinátarendszerben vizsgáljuk, akkor a görbének Re-számtól függő 3 szakaszát különböztetjük meg. Lamináris tartomány a Re-szám m kitevője = 1 és Eu = A Re-1 Re = 10….60 Lamináris tartományban a keverő teljesítményszükséglete a fluidum viszkozitásával egyenesen arányos, független a folyadék sűrűségétől. A: konstans a geometriai arány függvénye. Eu Re = const. = P / d3 n2  A lamináris tartomány határa szintén függ a keverő típusától. adott keverő típusra a konst. = A L/d (D/e)0,45 ahol e = D-d/2 b) Átmeneti tartomány 10……60 < Re < 103…..104 A görbe nem ill. csak közelítőleg és igen bonyolult összefüggéssel irható le. c) Turbulens tartomány Re > 103…..104 Az Eu szám függetlenné válik a Re számtól, m= 0 és ez esetben: P = c d5 n3 

19

20 Különböző keverők Eu- Re diagramja

21 Méretnövelés Ha kis laboratóriumi méretekről ipari méretekre akarunk áttérni két szempont szerint járhatunk el: A tapasztalat szerint a keverési idő ill. a keverés jósága általában azonos, ha térfogategységre vonatkoztatott teljesítményszükséglet azonos. P/V = áll. V: aktív keverőedény térfogat (m3) Lamináris tartomány: P = A d3 n2 ρ V~ D3 D~d3 Eu = A Re-1 = P/d5 n3 ρ így P = A Re-1 d5 n3 ρ = A x (ƞ/ d2 n ρ) x d5 n3 ρ = A d3 n2 ƞ Ipari készülék kis minta A d3 n2 ƞ/d3 = A dkm3 nkm2 ƞkm/dkm3 n2 ƞ = nkm2 ƞkm azonos a folyadék Ha ƞ = ƞkm ƞ > ƞkm azonos a fordulatszám n = nkm n < nkm k: méretarány: ipari/kisminta A méretnövelés során változik a fordulatszám

22 Méretnövelés Turbulens tartományra: A d5 n3 ƞ/d3 = A dkm5 nkm3 ƞkm/dkm3 n3 d2 = mkm3 dkm5 n= nkm (dkm/d)2/3 = nkm k-2/3 = nkm (1/k)2/3 2) A keverő kerületi sebessége legyen állandó gázok diszpergálásánál a kerületi sebesség a döntő tényező n π d = nkm π dkm n = (dkm/d) nkm = 1/k nkm A keverés gazdaságossága: Ha egy keverő fordulatszáma (teljesítményszükséglete) nő, a keverési idő csökken (és fordítva): 𝑛 𝜏 𝑘𝑒𝑣 𝑑 𝐷 2 ≅á𝑙𝑙𝑎𝑛𝑑ó ahol: τ kev a keveredési idő. A teljesítményt viszont egyrészt nem tudjuk egy bizonyos határon túl növelni (adott berendezés esetén a motor max. teljesítménye) másrészt nem is érdemes növelni azt. A kritikus teljesítményszükséget és a keverési idő szorzata megadja a munkaszükségletet, s többféle keverő közül a leggazdaságosabban az dolgozik, ahol ez a munkaszükséglet a legkisebb.

23 Kis viszkozitású folyadékok keverésére alkalmazott keverőtípusok
Lapátos keverők: Lapkeverő(1-több)karos keverő b) Horgony(anker)keverő c) Újjkeverő d) Kalodás keverő

24 Lapátos keverők Többnyire homogenizálásra, diszperzió képzésre, hőátadás javítására és gáz elnyeletésére alkalmazzák. A keverőelem átmérője mm közötti, kerületi sebességük 2-8 m/s közötti. Az egyenes karos keverőknél turbulens vagy lamináris radiális áramlás, a ferde karos keverőknél turbulens vagy lamináris axiális áramlás alakul ki. Főbb méretek: D = az edény belső átmérője; d = a keverőelem (külső) legnagyobb átmérője, H = edényben a folyadékmagasság; h = a fenék és a keverőelem alja közötti távolság; h1 = keverőelem magassága;

25 Propeller keverők A propellerkeverők erős axiális (tengelyirányú) áramlást hoznak létre. Ott alkalmazzák, ahol nagy tömegű folyadékot kell megmozgatni. A szárnylapátok mértani csavartfelületek, nagy fordulatszámúak. pl. szuszpenzió készítés, oldás kis viszkozitású folyadékok esetén. A tölcsérképződés megakadályozására db ütközőlemezt szokás a tartály falán elhelyezni. Kisebb tartályokat excentrikus elhelyezésű, függőleges tengelyű propellerkeverőkkel keverhetünk. 3 és 6 szárnyú propeller keverők

26 Turbókeverők Gyors keverés megoldására vezették be az általában zárt turbókeverőket. Axiálisan szívnak, tangenciálisan áramoltatják ki a folyadékot. A keverőelemet az agyra, vagy tárcsára felszerelt lapátok alkotják. A lapátokat, vagy sugár-irányban, vagy valamilyen görbe mentén helyezik el, esetleg ferde lapátozást alkalmaznak. A turbókeverő a centrifugál szivattyú járókerekéhez hasonlóan működik, a tengelyirányban oda áramló folyadékot a lapátok felgyorsítják. A turbinakeverőkkel nagy nyíróerőket lehet létrehozni, ezért előnyösen alkalmazhatók diszpergáláshoz, emulgeálásokoz. Fordulatszámuk: /min. Egyszeres és kétszeres beömlésű zárt túrbókeverők

27 Csőkígyós keverőkészülék
Abban az esetben, ha a keverés mellett hőátadást vagy hőelvonást végzünk, akkor kígyócsövet vagy más hűtő-fűtő köpenyt (duplikatúra) alkalmazunk.

28 Különféle folyadékkeverők optimális munkaterülete Zlokarnik szerint

29 Az Eu-szám Re-szám függvénye különböző keverőtípusok esetén

30 A összefüggés megfelelő együtthatók értékei különböző keverőtípusokra

31 Egyéb keverőtípusok Szalagkeverő vezetőcsöves keverő csigás keverő

32 Nagy viszkozitású folyadékok keverése
Nagy viszkozitású anyagok keverésére komplexebb mozgású keverőket alkalmaznak. Ezek legalább két keverőt tartalmaznak, melyek mozgásai elősegítik az anyag áramlását. A keverők formája változatos lehet. Pl. lyukas keverők, habveréshez kalitkás keverők alkalmazhatóak. Ha a keverendő anyag nemcsak nagy viszkozitású, hanem nyúlós is, akkor keverőgépet alkalmaznak. lapát a) hevederes b-d) keverők

33 Kolloidmalom A kolloidmalmokban álló és forgó tárcsák közötti résen halad át a homogénezett anyag. A nagy fordulatszám miatt (n ~ 3000 min–1) keletkező súrlódási hő a viszkozitást előnyösen csökkenti. Ha azonban az anyag melegedése káros, úgy hűtőköpenyekkel ellátott berendezéseket alkalmaznak. Az aprító hatás oka főleg a nagy nyírófeszültség (ütközés, ütés is van), de kavitáció is felléphet.

34 Dagasztók A dagasztásra keverőgépeket használnak. Ebben az esetben a két gyúrószerszám egymással szemben forog. A jobb hatásfok végett a keverők fordulatszáma is eltérő lehet. dagasztóelemek:

35 Szilárd anyagok keverése
Szilárd anyagok keverésére a nagy viszkozitású anyagok (folyadékok) keverésére használatos keverők alkalmasak. A különböző vízszintes helyzetű keverőkkel száraz és nedves keverést is lehet végezni. Sok esetben többjáratú egyes vagy kettős csigás keverőt alkalmaznak. Ha a két csiga sebessége eltérő, melyek egymással ellentétes irányba mozgatják az anyagot az anyagszállítás is megoldható.

36 Porok keverése forgótartályos keverőkkel 40-45%-os töltöttség, a legegyszerűbb szerkezetű keverő berendezéseink, ezek a dobkeverők. A dob geometriai kialakítása lehet: hengeres, hatszögletű, kettős kúpos, tetraéderes, stb. Ezek a berendezések jól ömleszthető, összetapadásra nem hajlamos anyagok keverésére alkalmasak.

37 Sztatikus keverők A sztatikus keverők forgóalkatrész nélküliek, beépített merev terelőlemezes szerkezetek, ahol a részáramot a terelőmezek 2 vagy több részre osztják. A beáramló fluidum kinetikus energiáját hasznosítják. Pl. Kenics ill. Sulzer keverők. A legismertebb a Kenics féle sztatikus keverő. A keverőcső belsejében felváltva jobb és bal menetű csavarfelületek helyezkednek el. A kapcsolódó élek 90°-kal el vannak forgatva. Egy elem hossza kb. a csőátmérő másfélszerese.

38 Gáz-folyadék keverése
Pneumatikus keveréssel (nincs mechanikus keverőszerkezet)a) Perforált csövekkel (a folyadékot buborékoltatással keverik)b) Mechanikus-pneumatikus keverőszerkezetek a) pneumatikus b)mechanikus-pneumatikus c) gázlift, ahol a központi csőbe bevitt levegő felfelé irányuló áramlást idéz elő.

39