Kémiai technológia I.

1. Kémiai technológia I. 2012/13

2. 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

3. 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)

4. 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

5. 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

6. 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.

7. 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).

8. 2. A folyamatokat leíró törvények szerint: Hidrodinamikai műveletek: • folyadékok, gázok mozgásaa 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.

9. 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.

10. 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

11. 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

12. Az alaptörvények tárgyalásakor az ideális folyadékból indulunk ki. • Ideális folyadék: • 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

13. Hidrosztatika Newton II. törvénye a folyadékokraNavier-Stokes tétel: Pascal törvény levezetése:

14. ziránya legyen ellentétes g irányával:

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

17. 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:

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

20. Ipari felhasználás: Szintjelzés, szintmérés Olajemelő:

21. Fluidumok (folyadékok) áramlása Lamináris (réteges) Tetszőleges folyadékelem sebességvektorának nagysága és iránya állandó. Párhuzamos rétegű áramlás. Lamináris: Re < 2300 Reynolds szám, dimenziómentes (hasonlósági kritérium)

22. 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

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

25. 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 [m3/s] qm – tömegáram [kg/s]

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

27. 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.

28. c.) normál és éles kanyar d.) szerelvények

29. Nyomás (energia)-veszteség áramló fluidomokban: Navier-Stokes egyenlet: Stacionárius áramlás, belső súrlódástól mentes, összenyomhatatlan közeg: Bernoulli-egyenlet • Ez az egyenlet ún. magassági formulája: • helyzeti (sztatikai) magasság • nyomómagasság • sebességmagasság

30. Energiaformula: Energiamegmaradás törvénye fluidumok áramlására Nyomásformula:

31. Reális esetben a súrlódás miatt van veszteségünk.

32. A veszteséget kifejezhetjük a zveszt. definiálásával is.

33. 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 : csőátméről : 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)

34. Szivattyúk: Jellemzőik: szállító teljesítmény szállító magasság teljesítményigény hasznos teljesítmény

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

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

37. Meleg folyadékok – kavitáció jelensége