Műveletek a kémiai és biokémia folyamatokban
2. Anyagmozgatás. Szilárd anyagok szállítása. Szállítóberendezések Az ipari berendezések elképzelhetetlenek a sok fajta szilárd, cseppfolyós és gáznemű anyagokat mozgató berendezések nélkül. Míg a gáznemű anyagok zárt rendszerben áramolnak, addig a szilárd vagy folyékony anyagok szabad felületű rendszerekben is mozgathatók. Bármelyik anyagmozgató rendszerre jellemző a bizonyos termelékenység – térfogat vagy tömegáram- és a mozgatáshoz szükséges teljesítményszükséglet. Ezek meghatározása általában a technológiai folyamatot tervező szakember munkakörébe tartozik. Természetesen, hogy minden ilyen anyagmozgató berendezést gyártó cég, egy bizonyos szabványosított termelékenységgel rendelkező berendezést gyárt. A technológus ilyenkkor a folyamatnak legjobban megfelelő berendezések beszerzésében, működtetésében hivatott. Ahhoz, hogy a szakember a piacon forgalmazott, vagy külön rendelésre gyártott berendezéseket beszerezhesse, bizonyos technológiai és piaci ismeretekkel kell rendelkezzen. Ezek alapjainak megszerzésére nyújt lehetőséget a következőkben e rövid bemutató. 2.1. Szilárd anyagok szállítása A különböző feldolgozó iparágakban, amelyekhez az élelmiszeripar is tartozik, nagyon változatos formájú és méretű szilárd anyagokkal találkozunk. Gondoljunk itt csak a pékárú gyártásra, cukoriparra, édességiparra, sörgyártásra, stb. Ha a technológiai folyamat nagyobb részében nem is találkozunk szilárd anyagokkal, a csomagolás és áruraktározásban ezek megjelenhetnek (példa erre az üdítő gyártás, vagy a borászat). Ha jól megnézzük a különböző technológiai folyamatokat, akkor észre lehet venni, hogy a szilárd anyagok megjelenése változó, vannak egységnyi – csomagolt vagy nem csomagolt, szabályos vagy szabálytalan geometriával rendelkező anyagok– de vannak különböző szemcseméretű, ömlesztett vagy csomagolt, anyagok is. Ezek szállítására nagyon sokféle berendezést alkalmaznak. Egyesek alkalmasak, úgy az ömlesztett, formamentes anyagok szállítására, mint a szabályos geometriával rendelkezők mozgatására is. A munkaerő megtakarítása szükségessé teszi ezen anyagok mechanizált, sőt, az utóbbi időben, számítógépvezérelt szállítási rendszer alkalmazását.
-9-
Szilárdanyagok szállítása Az ipari berendezésekben használt anyagmozgatási gépeket nagyon sok kritérium szerint osztályozhatjuk. Így például, az egységnyi anyagok mozgatását megoldhatjuk a következő gépek használásával: - vízszintes mozgatás esetén - sajátenergia nélküli rendszerek – gravitációs szállítás vagy folyadékon való úsztatás; - különböző önerővel mozgó rendszerek- távirányított targonca, autó, vasúti vagon, stb.; - szalagszállító berendezések; - kis szintkülönbségű mozgatás esetén - szalagszállítók beleértve a kaparószalagos szállítót is (maximális emelkedés 30o); - sikló; - görgős sikló. - függőleges mozgatáskor: - felvonó; - daru; - elektromos máglyázó/rakó. Ömlesztett szemcsés anyagok mozgatására nagyon sok lehetőség áll a technológus rendelkezésére. Ezekből az ömlesztett anyagok szállítására alkalmasak: - vízszintes vagy kis dőlésszögű mozgatás esetén használhatók a: - kupás auto-motiv rendszerek, kezdve a talicskától egészen a futódaruig; - a szalagszállító; - vibrációs transzportőr; - szállítócsiga; - pneumatikus lefolyó. - függőleges szállítás esetén - kupás felvonó; - kupás daru; - gravitációs szállító, sikló. - a kis szemcseméretű anyagok esetén a szállítás irányától függetlenül alkalmazható rendszer a pneumatikus szállító. Sok esetben a levegő helyettesíthető más fluidummal, gázneművel vagy folyadékkal egyaránt. Egy különleges típusú szállító berendezés az úgynevezett gáz-lift rendszer, amelyben a vízoszlopban lévő szilárdtestek súlyának csökkentésére gázt fuvatnak a - 10 -
Műveletek a kémiai és biokémia folyamatokban szállítócsőbe, s így a megvalósítják a gravitációellenes mozgatást. Mivel az áramlástan témakörébe csak nagyon kevés típusú anyagmozgatási berendezés tartozik, ahhoz hogy egy átfogóbb képet kapjunk az ipari szállítóberendezésről, a következő ábrákon a legfontosabb anyagmozgatógépet és berendezést mutatunk be. 2.1.1. Gravitációs szállítók A 2.1. ábrán a legfontosabb gravitációs anyagmozgató berendezéseket mutattuk be. Mint jól látható, ezek alkalmasak, úgy a csomagolt, mint az ömlesztett anyagok mozgatására. Ahhoz, hogy egy anyagot a siklón elmozdítsunk, szükséges, hogy fennálljon az alábbi összefüggés (lásd a 2.3e ábrát):
2.1. ábra. Gravitációs szállítók: a-spirális, b- görgős sikló, c, d- zárt csőrendszerek, e- sikló szállító erő felbontása.
T N , vagy
G sin G cos
(2.1)
ahol az a sikló dőlésszöge, - a sikló és az anyag között fellépő súrlódási tényező. A különböző anyagoknak különböző minimális dőlési szög felel meg. Például a gabonaféléknek 25-270, a lisztnek 32-350, répának 400 , a cukornak 33-360, stb.
- 11 -
Szilárdanyagok szállítása 2.1.2. Az önerővel mozgó gépek Az önerővel mozgó (auto-motiv) anyagmozgatók leghasználtabb típusát a 2.2-2.3 ábrán láthatjuk. Ezek alkalmasak úgy a csomagolt, mint az ömlesztett anyagok mozgatására. Jellemző rájuk a hajtómű léte. Az irányítást kezelővel vagy komputer segítségével oldják meg.
2.2. ábra. Különböző önerővel rendelkező anyagmozgatók.
2.3. ábra. Különböző elektromos, kézzel irányított targoncák.
- 12 -
Műveletek a kémiai és biokémia folyamatokban 2.1.3. Szilárd –szemcsés, egyedi geometriával rendelkező vagy csomagolt– anyagszállítók Az iparban egyik legtöbbet használt anyagmozgató rendszer a szalagszállító. Ez alkalmas, úgy az egyedi testek (csomagok), mint az ömlesztett különböző méretű szemcsék /darabok szállítására. Többféle típusú szalagszállító van forgalomban. Egyedi csomagok szállítására alkalmas a síkfelületű szalagszállító, míg az ömlesztett anyagok esetén a síkfelületűt vagy csatorna keresztmetszetűt alkalmazzák (lásd a 2.4. ábrát). A szalag készülhet természetes vagy műrosttal, fémhálóval erősített kaucsukból, fémlemezből, dróthálóból, láncra illesztett lemezekből, stb. Egyedi csomagok esetén a szalagszállító végén görgősorral is megoldható a szállítás. Az ürítés a legtöbb esetben a szállító végén történik, de az ömlesztett anyagok esetén megoldható bárhol a szállítón. Ilyenkor különböző szalagürítőket alkalmaznak. Ahhoz, hogy megvalósuljon a szállítás, az emelkedési szög értékét úgy kell megválasztani, hogy a szállítandó anyag ne csússzon visszafelé.
2.4. ábra. Szalagszállító berendezések: a- szalagszállító (1- gumiheveder / szalag, 2 hajtódob, 3- feszítődob, 4- csúszásgátló pótdob, 5- ellensúllyal ellátott feszítő, 6- 7- görgők). b- síkfelületű, c- csatorna /vályú keresztmetszetű.
- 13 -
Szilárdanyagok szállítása Ezeket a berendezéseket nagyon sok változatban gyártják. Minden gyártó cégnek meg vannak a jellegzetes mechanikai megoldásai. Legtöbb esetben a szalagszélesség szabványosított, de lehet rendelésre is legyártani. A szállító főbb technológiai adatai a termelékenység és teljesítményszükséglet. A szalagszállító termelékenységét a kontinuitástételre alapozott összefüggéssel számítjuk:
m w F ; mτ 3600 k F w,
kg/h
(2.2)
ahol: F - az ömlesztett anyag keresztmetszete, m , - az ömlesztett anyag 2
sűrűsége, kg/m3, w - a szalag sebessége, m/s, k- az emelkedési szögtől függő együttható ( 0 k 1, 100 k 0,85 , 200 k 0,80 ). A szállító teljesítményszükségletét (P) a következő összefüggés segítségével számítjuk:
M (2.3) P Pszm PV Pe g L L0 w m gm h, W L ahol: Pszm - a szalag működtetéséhez szükséges teljesítményszükséglet, W, PV -
a
vízszintes
irányban
való
szállításhoz
szükséges
teljesítményszükséglet, W, Pe - az anyag emeléséhez szükséges teljesítményszükséglet, W,
- a csapágyba fellépő súrlódási tényező (0,03 a golyós csapágy esetén és 0,05 ennek hiányában), L - a szállítás hosszúsága, m, L0 - a csapágyaktól függő állandó (45 a golyóscsapágynál és 30 a súrlódásosnál),
M - az egységnyi hosszra vonatkoztatott mozgó részek tömege, kg/m, m - a szállító teljesítménye, kg/s, h - a szállítási szintkülönbség, m. A 2.1. táblázat a szalagszállító jellegzetes paramétereit tartalmazza. Ha a szállítandó anyag könnyen porzódik, vagy könnyen szennyeződik, akkor ajánlott a 2.5 ábrán feltüntetett zártszállító használata. Ilyen esetekben azonban sokkal megfelelőbb a csigás szállító berendezés (lásd a 2.6. ábrát). Ezt, főleg nem tapadó, jó ömleszthető anyagok szállítására és adagolására használják. Általában vízszintes elhelyezkedésű tengelyen rögzített csigalemezekből, vagy kisebb méret esetén öntvényből, műanyagból készült csiga szállítja az anyagot a zárt, kör vagy U - 14 -
Műveletek a kémiai és biokémia folyamatokban keresztmetszetű, csőben. A csigaszállító az adagoló bunker aljára szerelhető, így a bunkerzárást is megoldja. Teljesítményhatára kb. 2-80 m3/h között mozog. A teljesítménye függ úgy a csigafordulatszámától (kb. 30-90 ford/min), mint annak keresztmetszetétől és csigamenet emelkedésétől. 2.1. táblázat. A szalagszállító főbb adatai. A szalagszállító adatai Maximális teljesítmény Szalagszélesség Szállítási sebesség A csatorna keresztmetszetű szállító görgőinek dőlési szöge, Az ömlesztett anyag keresztmetszete (síkszalag) Az ömlesztett anyag keresztmetszete (csatorna keresztmetszetű szalag) A görgők közötti távolság, szállítás irányban A görgők közötti távolság, a visszaúton Görgők átmérője A szállító emelkedési foka
Mérték egység t/h m m/s Fok
Érték 5000 0,3-0,5 0,5-3 (5) 20-25
m2 m2
0,0017-0,093 0,0038-0,22
mm mm mm fok
900-1800 2500-3000 100-175 18-20 (max. 30)
2.5. ábra. Zárt szalagszállító vázlata: 1-hajtómű, 2- adagolóbunker, 3-adagoló tölcsér, 4- szalagnyitó, 5-szalagzáró, 6-mozgó ürítő, 7-fedőcsatorna [Fonyó-Fábry]. A teljesítmény számítására a (2.4.) összefüggés ajánlott:
- 15 -
Szilárdanyagok szállítása
m A w ahol:
D 2 4
n s , kg/s (2.4) amelyben az n
K
(2.5)
D
D- a csiga névleges átmérője, m, n- a csiga fordulatszáma, ford/s, általában
a csigatengely legnagyobb fordulatszáma megfelel a n 1/ 2 D , ford/s -nak.
- az anyag sűrűsége, kg/m3, s- a csigamenet emelkedése (s=0,6…..0,8 D), m, - a töltéstényező, amely zárt csigaszállító esetén maximum 0,8-0,9 nyitottnál pedig 0,25-0,3, tapadós vagy nagy szemcsézetű anyagoknál 0,12, K- a szállítandó anyagtól függő tényező (könnyű anyagoknál K=1, nehéz anyagoknál K=0,75, nehéz, durva szemcsék esetén K=0,25).
2.6. ábra. Csigaszállító: 1-cső, 2-csiga, 3-közbenső tartócsapágy, 4szálsőcsapágy, 5- töltőcsonk/csatlakoztató, 6-hajtókerék, 7kapscolószekrény, 8-ürítő. a- folytonos hegesztett csiga, b- hegesztett folytonos szalagcsiga, cdupla szalag, d, e-fogascsiga, f- különféle csigalapát [Fonyó-Fábry].
- 16 -
Műveletek a kémiai és biokémia folyamatokban A szállításhoz szükséges energiát az anyagtovábbítási ellenállás, a csigatest és az anyag, valamint a henger és az anyag közötti súrlódás, továbbá a csapágyazás ellenállása használja el. A csigaszállító teljesítményszükségletét a következő összefüggés adja meg:
P m g kL H
V KL H 367
(2.6)
ahol: V - a szállítási teljesítmény, m3/h, - az anyag sűrűsége, t/m3, K- az ellenállási együttható (2-4 között), L- a szállítótávolság, m, H- az emelési magasság, m, P- teljesítményszükséglet, kW. Néhány jellegzetes adatot a 2.2. táblázatban tüntettünk fel. 2.2. táblázat. A csigaszállító néhány jellegzetes adata. A szállító adatai Mértékegység Érték 3 Maximális teljesítmény m /h 2,5-80 Szállítási hossz m 1-30 Fordulatszám ford/s 0,3-3 (5) A csiga keresztmetszetének átmérője m 0,125-0,8 Menetemelkedés és átmérőarány, s/D m/m 0,8-1 A csigaátmérő és a maximális részecskeméret m/m 10-12 közötti arány, fajtázott anyagoknál, D/dp A csigaátmérő és a maximális részecskeméret m/m 4-8 közötti arány, D/dp Kis távolságra, jól ömleszthető anyagok esetén sok esetben az oszcillációs vagy a vibrációs szállítóberendezést használják. Ez nagyon jól megfelel a szilárdanyag adagolására, főleg ahol nem áll fen a porképződés veszélye. Ilyen szállító sémája van feltüntetve a 2.7. ábrán. Az elektromágnes segítségével előállított oda-vissza mozgás, melynek a 2.7. ábra. Vibrációs szállító. függőleges komponense arra készteti a szemcséket, hogy szökdécselve egyik végtől a másikig haladjanak. A szállítási teljesítmény függ az anyag minőségétől. Például a nagyobb szemcsézetű anyagokat könnyebben szállítja, mint a porszerűeket, a nehezeket
- 17 -
Szilárdanyagok szállítása könnyebben, mint a könnyű anyagokat. Függőleges szállításra a legtöbb esetben a felvonókat használjuk. Ilyenek vannak feltüntetve a 2.8. ábrán. Ezeket használhatják egyedi testek/csomagok mozgatásra vagy ömlesztettek függőleges szállítására. Az ömlesztett anyagok esetén a kupák ürítése lehet gravitációs vagy centrifugális. Ahhoz, hogy a részecskéket centrifugálisan ürítsük szükséges, hogy a centrifugális erő és a részecske súlya között fennálljon a következő összefüggés: 2 v2 G v m C 2 g R (2.7) R G 3 G G
v2 2 3 v2 R gR 3 2 g
ahol: C- centrifugális erő, N, G- a részecske súlya, N, R- a felsődob tengelyétől a részecske súlyközpontjáig mért távolság, m, v- a kupa sebessége, m/s g – a gravitációs gyorsulás, m/s2. A szállítási sebesség a legnagyobb a centrifugális 2.8.ábra. A kupás felvonó vázlata: ürítésű felvonóknál, s a a- centrifugális ürítésű, b- gravitációs ürítésű, c- folytonos [Fonyó-Fábry]. legkisebb a gravitációsoknál. A felvonó energiaszükségletét a következő összefüggéssel határozhatjuk meg:
P c m H , kW
(2.8)
ahol a c- együttható értéke 0,005, m - a szállító teljesítménye, t/h, H- a szállítandó magasság, m. A kupás felvonók egyes jellemzőit a 2.3. táblázat tartalmazza. 2.1.4. A pneumatikus szállító Az anyagmozgató berendezések egy külön csoportját a pneumatikus szállító berendezések képezik. Ezek esetében a szilárd részecskéket egy nagy mozgási energiával rendelkező fluidum segítségével szállítják egy adott pontból egy vagy - 18 -
Műveletek a kémiai és biokémia folyamatokban több ürítő pontig. A levegőre kevésbé érzékeny anyagok esetén pneumatikus szállításról beszélünk. Ha vizet használunk, mint szállító közeg, akkor hidraulikus szállításról beszélünk. Sok esetben a levegőnél biztonságosabb közeget használnak, ami lehet nemes gáz, vagy bármilyen könnyen előállítható gáznemű közeg. A szállítás különbözőképpen valósítható meg. Így, lehet szállítani vákuum alatt, nyomáson, sőt vegyesen vákuumon és nyomáson egyaránt. A szállításhoz szükséges energiát a teljes nyomáseséstől függően, ventillátor, fúvógép vagy kompresszor szolgáltatja. 2.3. táblázat. A kupás felvonok technológiai jellemzői. A kupás felvonó adatai Mértékegység Érték Maximális teljesítmény Centrifugális vagy gravitációs ürítéssel t/h 14-150 Folytonos ürítéssel 35-130 Szállítási sebesség Lassú m/s 0,2-0,5 Gyors 1-1,7 A kupák űrtartalma L 1-130 2 Az ömlesztett anyag keresztmetszete m 0,0017-0,093 (síkszalag) A kupák töltési tényezője Nehéz, darabos anyagok esetén L/L 0,5-0,6 Szemcsés anyagok esetén 0,75-0,9 A rendszerek, melyeket a 2.9. ábrán tüntettünk fel, a fluidumot mozgásba hozó gépeken kívül általában szemcseadagolót vagy szívófejet, bunkertárolót és különböző típusú porleválasztót tartalmaznak. A leginkább használt leválasztók a ciklonok (víz/folyadék esetén a hidrociklonok), de a végtisztításra szűrőket is használnak. Ahhoz, hogy egy szilárd fluidum rendszerben a részecskéket elmozdítsuk a fluidum mozgásának irányába, a fluidum sebessége túl kell szárnyalja a részecske lebegési sebességét, vagyis:
w wu w
4 p fl dg 3C D fl
- 19 -
(2.9)
Szilárdanyagok szállítása A pneumatikus szállító berendezésekben áramló levegő sebességének számítására a következő empirikus összefüggés ajánlott:
w p B Le 2
(2.10)
ahol : p - a szállítandó anyag sűrűsége, t/m3, Le- egyenértékű hosszúság, m, Btényező ( 2 10 5 5 10 5 ), - a részecske maximális méretétől függő együttható (lásd a 2.4. táblázatot) Az egyenértékű hosszúság meghatározásra a technológiai hosszúság mellett (L) szükséges ismerni a könyökök számát és görbületi szögét. A 2.5. táblázat néhány adatot tartalmaz ezek meghatározására.
2.9.ábra. Pneumatikus szállítóberendezés típusok: a, c- nyomóhatással (nyomáson) b- szívóhatással (vákuumon), d- szívó-nyomóhatással. 1-szívófej, 2- szállítócső, 3-bunker tároló, 4-ciklon, 5-ventillátor, 6- cellás adagoló, 7-adagoló bunker/siló, 8- elosztó, 9- közbenső bunker/silótároló [Fonyó-Fábry].
- 20 -
Műveletek a kémiai és biokémia folyamatokban 2.4. táblázat. Az együttható értékei. dp, mm 0,001-1 1-10 10-15 17-20
10-20 17-22
40-60 40-80
2.5. táblázat. A könyökök egyenértékű hosszúsága (Le) a görbületi sugár (R) és a csőátmérő függvényében (d). R/d 2 4 6 10 15 20 Le 90o könyök 110 100 90 100 110 120 értéke a 120okönyök 100 90 90 90 100 110 A nyomáseséstől függően a berendezések lehetnek: a- alacsonynyomásúak, vákuumon üzemelők P= (0,2-0,45)105 Pa, b- közepes nyomáson üzemelők P= (1,2-2,2)105 Pa, c- magas nyomáson üzemelők P= (2,5-5,0)105 Pa, A nyomás számítására a következő összefüggések használhatók:
Pny 10 5 1 Psz 10 5 1
w 2 L0 d
w 2 L0 d
*
*
X fl gZ X *
(2.11)
*
X fl gZ X
(2.12)
ahol: L0- a vízszintes szakasz hossza, m, Z- a függőleges szakasz hossza, m, fl - a fluidum sűrűsége, kg/m3, w- fluidum sebessége, m/s, d- a részecske átmérője, m, *
X - a szilárd anyag koncentráció, kg/ kg fluidum. A gyakorlati együttható értékét a 2.6. táblázatból határozzuk meg. A együttható értéke.
2.6. táblázat.
L w2 * 10 6 0 X d 10 7
Nyomó szállítás Szívó szállítás
5 10
10 7
- 21 -
20 5
40 2,5 1,5
80 1,7
100 1,5
Szilárdanyagok szállítása
A pneumatikus szállítóberendezések nagy előnye, hogy nagyon kis élőmunka igényesek, kevés porral és zajjal nagyon rugalmasan tudnak viszonyulni a technológiai változásokhoz. Hátrányuk az, hogy befektetés igényesek és az energiafogyasztásuk se elenyésző. Elég nagy távolságokra képesek anyagot szállítani (több mint 500 m), nagy magasság igénybevételével (kb. 50 m). Ahhoz, hogy minél kevesebb porral dolgozzanak, nagyon jó adagoló berendezésekre és tárlóbunker zárokra van szükség. Épp ezért a legtöbb esetben a cellás záró-adagolókat javasolják (lásd a 2.10. ábrát).
2.10.ábra. Cellás zárószerkezet / adagoló.
- 22 -
