Kmiai technolgia I 201819 1 Fogalmak n Kmia

Kémiai technológia I. 2018/19

1. Fogalmak n Kémia technológia n n 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 n n n 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 n n n 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.

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 n n n 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

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

Newton II. törvénye a folyadékokra Navier-Stokes egyenlet:

Hidrosztatika Pascal törvény levezetése:

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 nyomáskülönbségének 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)

Turbulens 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: 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 [m 3/s] qm – tömegáram [kg/s]

Példa: 316 s alatt 0, 3 m 3 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

Bernoulli egyenlet Navier-Stokes egyenlet: Stacionárius áramlás, belső súrlódástól mentes, összenyomhatatlan közeg: Bernoulli-egyenlet Energiamegmaradás törvénye fluidumok áramlására

Bernoulli egyenlet Nyomásformula: Magassági formula: • helyzeti (sztatikai) magasság • nyomómagasság • sebességmagasság

Fluidum sebességének mérése Venturi-cső

Pitot (Prandtl) cső

Reális esetben a súrlódás miatt van veszteségünk.

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 = 4 f ) Lamináris áramlás esetén: Turbulens áramlás esetén függ a cső érdességétől is (Moody diagram)

Szivattyúk: Jellemzőik: szállító teljesítmény szállító magasság teljesítményigény hasznos teljesítmény

https: //www. szivattyubolt. hu/szivattyuk/kerti-szivattyu

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

Reális esetben még veszteség is jelentkezik a szívóvezetékben (pveszt. )

Meleg folyadékok – kavitáció jelensége