Általános kémiai technológia. 5. Energiahordozók

Általános kémiai technológia

5. Energiahordozók Az ipari termelés el sem képzelhető különböző típusú energia csere nélkül. Mivel az anyag átalakítási folyamatok lebonyolítására legtöbb esetben a hőenergiát alkalmazzuk az aktiválásra, a leginkább alkalmazott energiahordozók a fűtő és hűtő közegek. Ezek közül a víz, a gőz, a levegő a legelterjedtebb, de találkozunk olyan folyamatokkal is, ahol hűtést szerves anyagokkal, vizes oldatokkal, a fűtést pedig olvadékokkal, sóoldatokkal, égési gázokkal vagy különböző szerves anyagokkal valósítjuk meg. A következezőkben a legismertebb energiahordozókkal foglalkozunk bővebben.

5.1. A víz A víz a természetben, legnagyobb mennyiségben előforduló anyag. Különleges tulajdonsága – relatív magas a párolgáshője, nagy fajhője és alacsony a forrpontja– gyakorisága, és az ebből adódó alacsony ára teszi lehetővé alkalmazását úgy a hűtésre, mint a fűtésre. A termelési folyamatokban a víz több szerepet tölt be, éspedig: - a termelés irányító és a folyamatokat vezető szakemberek biológiai szükségletét elégíti ki, mint ivóvíz; - hőcserében hűtővízként szerepel; - gőzalakban, mint fűtőközeget alkalmazzuk; - mivel nagyon jó poláris oldószer, sok technológiában oldószerként alkalmazzuk; - alkalmazva van még, mint nyersanyag, tisztító közeg stb. Az alkalmazását néhány hátrányos tulajdonsága gátolja: fagypontja magas (273 K), fagyásra kiterjed, a leginkább alkalmazott szerkezeti anyaggal szemben korróziós hatású, főleg az oldott oxigénnek „köszönhetően”. Ennek ellenére a modern termelési folyamatok el sem képzelhetők a víz nélkül.

5.1.1. Az ivóvíz Az ivóvíz minden termelési egységben megtalálható. Főleg édesvízből – felszíni, felszínalatti – állítják elő, de ismeretes tengervíz sótalanításából előállított ivóvíz is. Ami az ivóvizet megkülönbözteti az édesvizektől, az hogy színtelen, szagtalan, lebegőanyag és korokozó csirától mentes, kellemes ízű. Nagyon sok tekintetben hasonlít a forrásvízhez, amitől azonban különbözik, hogy az emberi szervezetre káros komponensei (ionok, oldott szerves anyagok, 107

Energiahordozók

mikroorganizmusok és korokozók) a veszélyességi szint alatt vannak tartva. Tehát, az ivóvíz a természetből kivont édesvíz, amely többé-kevésbé bonyolult technológiai feldolgozásnak eredménye. Mint minden édesvízre rá is jellemzők a kémiai, (mikro)biológiai és fizikai tulajdonságok. Ami a kémiai tulajdonságot illeti, a legkifejezőbb a kémia összetétel. Az összetétel szempontjából a komponenseket csoportosíthatjuk: - oldott gázok; - oldott sók; - szerves anyag tartalom; - lebegőanyag tartalom; - mikroorganizmusok. Ha az oldott gázokat veszzük figyelembe, akkor meg kell említeni, hogy az ivóvízben többé-kevésbé megtalálható a levegő összes komponense. Természetesen, a víz minőség szempontjából fontos komponensek az oxigén, a széndioxid és kénhidrogén. Míg az oxigén általában a vízbe való életet teszi lehetővé, az ivóvízben nagy szerepe nincs. Ellenben alacsony volta (2 mg/L) nagy szerves-anyag szennyezésre utalhat, míg magas volta (8 mg/L) szerves-anyagmentességet fejez ki. A másik fontos oldott gáz a széndioxid. Ez jelentősen megnöveli a vízoldó hatását (gondoljunk csak a karszti tevékenységre, amikor a széndioxidban gazdag víz képes kioldani a mészkő kalcium karbonát tartamát). Az vízben oldott széndioxid szabadon, hidrokarbonát és karbonát formájában van jelen. A hidrokarbonátok labilisak lévén, fütésre könnyen átalakulnak karbonáttá, mely fő komponense a kazánkőnek. A széndioxidnak nagy szerepe van a víz – mész egyensúly rendszerben. Ami az oldott sókat illeti, megemlíthetjük, hogy az ivóvíz sótartalma sokban függ a tápvíztől. A folyóvíznek van a legkisebb sótartalma, ezt követi a tóvíz és a legtöbb oldott sót a kútvíz tartalmaz. Minden esetben az édesvíz sótartalma a főldkéreggel való kapcsolatra vezethető vissza. Az oldott sóknak „köszönheti” a víz a keménységét és a színváltozást (főleg a mangán és a vas sói). Ami a vízkeménységet illeti, meg kell említeni azt, hogy annak okozója az oldott magnézium és kalcium sók. A nagy kalcium és magnézium tartalmú vízben a szappan nem habzik, mindaddig, míg ezek az ionok el nem használják a vízhez adagolt nátrium vagy kálium szappanokat. A keménységet okozó sókból képződik a kazánkő nagy része. Ez elduguláshoz, hőátbocsátási tényező csökkenéséhez, hatásfok csökkenéshez (nem ritka a 3-6 % hőátbocsátási hatásfok csökkenés) s sokszor csőrepedéshez és robbanáshoz vezethet. A vízkeménységet keménységi 108


fokban fejezzük ki. Egy keménységi fok vagy, más szóval német keménységi fok, annak a víznek a keménysége, melynek 1 L térfogatában 10 mg CaO –al egyenértékű kalcium és magnézium só van feloldva. A keménységi fok függvényében beszélhetünk: - lágy vizekről (0-7 NK0); - közepesen kemény vizekről (8-15 NK0); - kemény vizekről (16-30 NK0) és - meszes talajra jellemző nagyon kemény vizekről (60-80 NK0). A vízben oldott kalcium és magnézium sók kéttípusú keménységet okoznak: az un. változó keménységet és az állandó keménységet. A változó keménységet a hidrokarbonátok okozzák. Ezek melegítésre szétbomlanak: Ca(HCO3)2 =CaCO3+H2O+CO2 (5.1) Az állandó keménységet a szulfátok és más oldódó kalcium és magnézium sók okozzák. Mint ismert, a szénsav egy gyenge sav. Így a változó keménységet okozó hidrokarbonátok a vízben hidrolízist szenvednek: Ca(HCO3)2+H2O=Ca(OH)2+H2CO3 (5.2) E hidrolízisnek köszönhető a kemény-víz lúgos kémhatása. Az oldott gázok és sók mellett, a víz tartalmaz még szerves anyagokat is. A szerves anyag tartalom mértékére az oxigén fogyasztásból lehet következtetni (ez nem más, mint a KMnO4 mérőoldat fogyás, vagy K2Cr2O7- oldat fogyás). Ennek függvényében a tápvíz oxigén fogyasztása lehet 2 mg/L (artézi kútvíz), 4-60 mg/L (folyóvíz esetén) és 400-1000 mg/L (mocsárvíz esetén). A szerves anyagok lehetnek biológiailag degradálhatók vagy ellenkező esetben biológiailag le nem bonthatók. Sok esetben az emberi tevékenység hatására több ilyen biológiailag lassú lebontású szerves vegyület kerül a vízbe. Ezek közé tartoznak a rovar-, a gyom-, a gombairtószerek, de a piperecikkek adalékai, sőt több színezék és gyógyszer is. Az összes oldott anyag mennyiséget az un. bepárlási maradékból is meghatározhatjuk. Itt természetesen, hiányzani fog az illékony oldott anyag (oldott gázok és gőzök). Igaz, hogy az ivóvíz kevés lebegő anyagot tartalmaz (a megengedett koncentráció 5-10 formazin zavarossági fok), mégis meg kell említeni ezt a csoportot is. A lebegő anyag eredete a tápvíz és a hálózat. Sok esetben a rosszul végzett derítés is okozhatja a zavarosságot, sőt a nagy vas és mangán tartalom. Mint ismert, a vízben lévő vas ionok oxidálódnak a levegőből abszorbeált oxigénnel és kicsapódnak ferri-hidroxid formájában, mely a víz zavarosságát okozza. A mangán sók is ugyanúgy viselkedhetnek. A tápvíz által hozott lebegő anyagok legismertebb 109

Energiahordozók

képviselője a kolloid szilikátok. Ezek kovasav, kovasav-anhidrid, vagy alumínium szilikátok (főleg a különböző agyagkőzetek) formájában vannak jelen az ivóvízben és a rosszul végzett szűrésnek az eredményei. Egy jó minőségű ivóvíz néhány fontosabb ionkoncentrációját az 5.1. táblázat tartalmazza. 5.1. Táblázat. Az ivóvíz megengedett iontartalma. Komponens M.E. Koncentráció Komponens M.E. Koncentráci ó 2 2  <50 <0,05 SO Mn 4

Cl



NO3

mg/L

NO2

<30

Fe 2 

<10

NH 4

mg/L

0,01 0,05

<0,05

Ha az eddig említett komponensek bizonyos koncentrációig megtalálhatók az ivóvízben, addig a korokozók jelenléte tiltott. Tehát, ahhoz hogy a vízminőség biztosítható legyen a szűrt vizet, fertőtlenítik. Erre különböző fizikai és vegyi módszereket alkalmazunk. Ami az ivóvíz minőségét illeti ez meg kell feleljen az érvényben lévő kiírásoknak. Ezekből mutat be egy párat a 5.2, 5. 3. és 5.4. táblázat. 5.2. Táblázat. Az ivóvíz néhány kumulatív jellemzője. Komponensek Jel ME Megengedett érték Szervesanyag-tartalom 5 SV mgO2 / L Lebegő-anyagtartalom Vízkeménység savasság Elektromos vezetőképesség Gyom, rovar és más ilyen vegyszerek Coli-baktériumok Coli-szám 310 K

LAT -

TE 0

NK

pH

 Peszticidek CSz CSz/37 110

 S / cm g / L Szám/100 mL Szám/250 mL

5 5(16) 6,5-9,5 2500 0,5 Kisebb, mint 20 0


5.3. Táblázat. Az ivóvíz megengedett oldott anyagtartalma. Komponensek Jel ME Megengedett érték  Nitrátok mg/L 50 NO 3

Nitritek

NO2

mg/L

0,5

Alumínium

Al 3

g / L

200

Ammónium

NH 4

mg/L

0,5

Klorid

Cl 

mg/L

250

Szulfát

SO4

mg/L

250

Szulfid

H2S

g / L

100

Nátrium

Na 

200

Mangán

Mn2

Ólom

Pb2

Szelénium

Se2 Cl2

g / L g / L g / L g / L mg/L

0,5

Oldott reziduális klór

50 10 5

5.4. Táblázat. Az ivóvíz mikrobiológiai jellemzői. Mikroorganizmus ME Megengedett érték Esecheria coli Szám/100 mL víz 0 Streptococi fecali 0 A 5.5. táblázatban az ivóvíz előállításnak három technológiai sémáját mutatjuk be.

Tápvíz minősége Kútvíz

5.5. Táblázat. Ivóvíz előállítási technológiák blokksémái. Technológiai blokkséma

111

Energiahordozók

Nagy mangán és vastartalmú kútvíz

Felszíni folyóvíz

5.1.2. Az ipari víz Mint említettük az iparban a vizet sok mindenre alkalmazzák, kezdve a folyamati hűtővíztől, egész a technológiai vízig. Ha a legkisebb igényesség a torony hűtővizeket illeti, a legnagyobb igényesség a technológiai folyamatokban szereplő nyersanyagként használt vízzel merül fel. Nem kevésbé fontosak a kazán vízzel szembeni elvárások sem. A hűtővíz és kazánvíz közötti minőségi vizet lágy vagy lágyított víznek nevezzük. De nézzük is csak meg jobban, mire használják a vizet az iparban. Először is hűtőközegként alkalmazzák. Vízzel hűtnek vizet, gázokat, folyadékokat és szilárdanyagokat. Gondoljunk csak a kondenzációs hűtésre, a vízüveg granulálására, az acél edzésére, a turbina kondenzációs hatásnak növelésére stb. Vizet használnak fűtésre. Itt már nem akármilyen vizet lehet felhasználni, hanem csak olyant, amely kizárja a kőlerakodást. Ilyen vízzel fűtjük a termelési csarnokokat és az irodákat. Forró, nagynyomású vízzel lehet 373 K fölött is fűteni, tehát szárítókamrákat, kalorifereket melegíteni. Az ilyen fűtésre alkalmas a kondenzátum is, amely minőségileg eltér a lágyított víztől, hisz ennek iontartalma elenyésző. Ugyancsak vízzel tápláljuk a kazánokat is. Itt a gőz előállításra ioncserélt vizet, vagy fordított ozmózis –RO- vizet alkalmazunk. Vizet használjuk 112


hígítani, oldani, termékkoncentráció beállítására. Gondoljunk csak a szeszesitalgyártásra, ahol pl. a vodkát szeszből, vízből és más adalékanyagból (aroma, tartósító stb.) állítjuk elő. De az alkoholmentes üdítőknél is technológiai vizet alkalmazunk, sokszor az ivóvíztől különböző minőséggel. Vizet alkalmazunk szállításra, sokszor mechanikai energia átadásra, nem beszélve a mosásról (nem csak berendezés, tároló palack, hanem nyersanyag, sőt közbenső termék, végtermékmosás stb.). Mélyfurásoknál, sóbányászatban, kőolaj-kitermelésben, építkezésben és sok más helyen alkalmazzuk a különböző víz minőségeket. Feltevődhetnek a következő kérdések. Miért kell más víz, mint az ivóvíz? Ez nem felel meg, hisz a természetes vizekből van nyerve ez is? Igazából elég nehéz erre válaszolni. Ami bizonyára való, az, hogy az ivóvíz vagy túl jó vagy minősége nem felel meg az alkalmazási körülményeknek. Amit még figyelembe kell venni az, hogy az ivóvíz általában elég drága és nem tanácsos használati értékén alul alkalmazni, hisz ez nem más, mint vízpazarlás. Épp ezért, csak nagyon ritka esetben alkalmazzák az ivóvizet, mint a technológiai folyamat mellékanyaga. Természetesen ismert, hogy a textilipar, az élelmiszeripar sokszor ehhez a vízféleséghez fordul, ezt használva mosásra, tisztításra, szállításra stb. Sőt, ebből a vízből kiindulva állítja elő a jobb minőséget megkövetelő technológiai vagy kazánvizet is. Az iparban a következő vizekkel találkozunk: - ülepített hűtővíz; - ülepített és derített hűtővíz; - lágyított víz, mely lehet csapadék, komplex képződéssel vagy ioncseréléssel lágyított; - ioncserélt víz; - teljesen ioncserélt és gáztól mentesített víz. A különböző vízminőség előállítására szolgáló technológiai folyamatot elképzelhetjük külön-külön minden vízminőség szempontjából párhuzamosan működő áramlásban, vagy sorosan kapcsolt, több vízminőséget termelő beállításban (lásd a 5.1 ábrát). Míg az első esetben elég költséges a befektetés és a működtetés, a második módszerben sokkal gazdaságosabb víz előállításra tudunk ráállni. A folyamatba belépő tápvíz jellemzői a kémiai összetétel, a biológiai szennyező anyagtartalom mellett a víz szennyezettségére jellemző néhány technológia tulajdonság. Ezek közül a lebegőanyag tartalom a legfontosabb, hisz meghatározza a víz színét annak zavarossági fokát és eltömítési képességét. A lebegőanyag tartalom azt mutatja, hogy a tápvíz mennyire is szennyezett szervetlen és szerves 113

Energiahordozók

szuszpendált vagy kolloid formában lévő részecskékkel. Kvantitatív mércéje a zavarossági fok, melyet optikai mérésekből állapítunk meg. A mérésre különböző típusú reagenseket használunk. Nálunk például a formazin a használatos, melynek segítségével meghatározható, hogy mennyire lesz áttetsző a víz.

Tápvíz Iszap

Ülepítés Derítő adalék

Hűtővíz Derítés

Ülepítés Iszap Vissza mosóvíz Hűtővíz

Szűrés Adalék

Adalék

Szűrt hűtővíz

Vegyi lágyítás

Ioncserés lágyítás

Teljes ioncserélés

Iszap

Lágyított hűtő vagy mosóvíz

Kazánvíz Technológiai víz

5.1. ábra. Az ipari vizek előállításnak technológiai sémája

114


A víz színét a benne található kromofor anyagok határozzák meg. A szint is optikai összehasonlító módszerrel határozzuk meg. Ilyen színmérő oldatok a kloroplatinsav oldata, melyben különböző szín elérésére kóbalt klorid oldatot csepegtetünk. A szint un. HANSEN fokban fejezzük ki. Egy Hansen fok megfelel annak az etalon oldatnak mely 1 mg Pt és 0,5 mg Co tartalmaz literenként a megnevezett két oldat formájában. Az tömítő képességét, un. eltömítési fokban fejezzük ki. Ez a vízben lévő szuszpendált anyagokra jellemző tulajdonság. Mérését az un. Baudrey eltömítési mérővel határozzuk meg. Ez egy szintszabályzóval ellátott edény, amelynek az alján az 1 cm2 felületű résen egy szita van elhelyezve. Tiszta víz esetén az átfolyt vízáram konstans, míg zavaros víz esetén változó, csökkenő trendet mutatva. A víz eltömítő képességét az alábbi összefüggés írja le: Ti =

1000 , Vm

(5.9)

ahol: Vm- a szitán átfolyt vízmennyiség, mL, (a csepegés kezdetéig a mérőhengerben összegyűjtött víz térfogata). 5.6.Táblázat. Természetes tárolókban előülepített folyóvíz jellemző adatai. Komponens Ca2+ Mg2+ K++Na+ Összkation ClSO42HCO3Összanion Szerves anyag Lebegő anyag Elektromos vezetőképesség pH

ME meq/L meq/L meq/L meq/L meq/L meq/L meq/L meq/L mg KMnO4/L mg/L S / cm

Tartalom 5,5 2,0 4,5 12 1,5 4,5 6 12 10-20 100-600 400-1000

-

7-9

Ami a minőségi elvárások legalacsonyabb fokán lévő hűtővizet képezi arra jellemző a zavarosság (10 mg/L is meghaladja) és az alacsony szerves anyag tartalom. Ennek szabályzására különböző zöld, vörös algaölő adalékokat alkalmaznak. Az ilyen vizet általában csak ülepítéssel állítják elő, de van eset rá, 115

Energiahordozók

hogy szükséges a derítés is, ha nem is az egész vízáramra, de egy bizonyos hányadára. A vízkeménység problémáját a tápvíz kiválasztásával oldjuk meg. Általában a vissza-vezetett hűtővizek esetén kerüljük a kútvizet, inkább folyóvizet alkalmazunk. Egy ilyen előülepített folyóvíz legfontosabb jellemzőit a 5.6. táblázat tartalmazza. A minőségi létrán a következő vízféleség az derített és ülepített hűtővíz. Ez vegyi összetétel szempontjából nem különbözik a tápvíztől és az előbbi ülepített víztől, csak a zavarossági foka sokkal kisebb, jóval 10 mg/L alatt van. Ebből a vízféleségből lehet előállítani a lágyvizet és az ioncserélt vizet. Ha a lágyvizet kicsapással állítjuk elő (karbonátos, foszfátos vagy vegyes módszerrel), akkor még a zavarossága se fontos. Ha a lágyítás komplex képződéssel (Calgon, Komplexon III -EDTA, Trilon A és B, nátrium tri-poli-foszfát - TPP, nátrium hexa-metafoszfát - HMP stb.) történik, vagy ioncserével akkor általában csak előszűrt vizet alkalmazunk a lágyítási folyamatba. Minőségileg a legjobban tisztított víz a kazánvíz, főleg a magasnyomású gőz eléállítására alkalmazott, mely nem csak ioncserélt, hanem kovasav és gáz (főleg oxigén) mentes is. E víz egyes jellemzőit a 5.7 táblázat tartalmazza. 5.7. Táblázat. A kazántápvíz és a kondenzátum főbb jellemzői. Jelemző

Jel

Savasság Össz vízkeménység, max. Bázikus jelleg ( m), max. Elektromos vezetőképesség Oxidáló képesség, max. Kovasav tartalom, max. Vas, max. Réz, max. Nátrium és kálium, max.

pH dT m

ME

meq/L meq/L S/cm CP ppm SiO2 ppm FeT ppm Cu ppm Na+K ppm

A gőznyomástól függően Kondenzátum hPa 40 40-64 64-100 100 7 7 7 7 7 - kimutathatatlan 0,1 1 0,75 0,5 0,3 1 4 0,5 0,02 0,02 0,05 0,02 0,02 0,05 0,005 0,003 0,005 0,01 -

A lágy vízre jellemző, hogy a szappan jól habzik benne, alkalmas mosásra és melegítéskor nem képes a kőlerakodásra. A lágyítás megoldható a keménységet okozó sók eltávolításával vagy a kazánkő kialakulásának meggátolásával. Az első esetben a vízlágyítást termikus, vegyszeres vagy ioncserélős módszerrel végezzük. A második esetre jellemző a komplex képződés.

116


A termikus vízlágyítás alkalmával a hidro-karbonátok bomlását követő kicsapás hatására csökken a vízkeménység. Ez a módszer csak a változó keménységet távolítja el a vízből, tehát csak parciális vízlágyítást érünk el vele. Ca(HCO3)2= CaCO3+CO2+H2O (5.10) Mg(HCO3)2= MgCO3+CO2+H2O (5.11) A vegyszeres vízlágyítás sokkal előnyösebb, de ez se tudja teljesen eltávolítani a vízkeménységet okozó sókat. Itt, ha csak részleges vízlágyításra törekedünk (a végkeménység 1-3 NK0) akkor a mész-szódás eljárást alkalmazzuk. Ha előrehaladottabb lágyításra törekszünk (a végkeménység 0,1-0,2 NK0), akkor már foszfátos lágyítás alkalmazható. A mész-szódás eljáráskor a kalcium ionokat nátrium karbonáttal, míg a magnézium ionokat nátrium hidroxiddal csapjuk ki:

Ca( HCO3 ) 2  Ca(OH ) 2  2CaCO3  2H 2 O

(5.12)

Mg ( HCO3 ) 2  2Ca(OH ) 2  2CaCO3   Mg (OH ) 2  2H 2 O (5.13)

MgCl 2  Ca(OH ) 2  CaCl 2  Mg (OH ) 2 

(5.14)

CaCl 2  Na2 CO3  CaCO3  2 NaCl

(5.15)

A vízlágyítást általában melegen végzik, az 5-10 % os karbonát oldatot és a 2-4 % mésztejet összekeverik egy kúpos aljú reaktorba a vízzel. A kúp alján összegyúl az iszap, a tetején a lágyított víz. Ezt szűrés után használják vagy kazánvíznek, vagy melegvízrendszer veszteségének pótlására. Egy ilyen vízlágyító rendszer berendezés vázlatát látjuk a 5.2. ábrán. A mész-szódás eljárással együtt vagy külön is alkalmazzák a nátrium foszfátos vízlágyítást. Bár ez drágább, mint az előbbi, a víz is lúgosabb és habzós, de mivel keménysége nagyon alacsony, sok esetben a mész-szódás lágyítás után alkalmazzuk. A főbb reakciók: 3Ca( HCO3 ) 2  2 Na3 PO4  Ca3 ( PO4 ) 2  6 NaHCO3 (5.16)

3Mg ( HCO3 ) 2  2 Na3 PO4  Mg 3 ( PO4 ) 2  6 NaHCO3

(5.17)

3CaCl 2  2 Na3 PO4  Ca3 ( PO4 ) 2  6 NaCl

(5.18)

3MgCl 2  2 Na3 PO4  Mg 3 ( PO4 ) 2  6 NaCl

(5.19)

3MgSO4  2 Na3 PO4  Mg 3 ( PO4 ) 2  3Na2 SO4

(5.20)

117

Energiahordozók

5.2.ábra. Vízlágyító rendszer vázlata: 1- elosztó, 2- mészoltó reaktor/kád, 3- mésztejadagoló tartály, 4—mésztej telítő, 5- reaktor, 6- kavicságyas szűrő, 7- szódaoldó és adagoló edény. Mivel a csapadékos eljárásokkal keménységmentes vizet nem lehet előállítani, erre az ioncserét alkalmazzuk. Régebb a nátrium-hidroszilikátokat alkalmazták, mostanában azonban csak műgyanta típusú ioncserélők vannak üzemben. Az ioncserét általában dinamikus, az ioncserélő anyag szempontjából szakaszos, a víz szempontjából folyamatos rendszerben valósítják meg, de ismert a folytonos ellenáramú vagy fluid-ágyas ioncsere is. Jellemző a vízlágyításos ioncserére, hogy mivel csak a Ca2+ és Mg2+ ionokat kell kicserélni, e gyanta nátrium ionnal telitett. Az ioncserében fellépő reverzibilis folyamat a következő:

2 NaR  Ca 2  CaR2  2 Na 

(5.21)

2 NaR  Mg 2  MgR2  2 Na 

(5.22)

zNaR  M z   MRz  zNa 

(5.23)

Mivel az ioncserélő gyanta aktív centrumai telítődnek, egy bizonyos idő múlva ez nem képes már a lágyításra. Ilyenkor az oszlopot „kiveszik a 118


rendszerből”, fellazítják, visszamossák, koncentrált sóoldattal visszaállítják a dinamikus ioncserélő kapacitást, újramossák vízzel, eltávolítva a gyanta által visszatartott sóoldatot és újra munkába állítják. A folyamat tehát ciklikusan megy végbe, a gyanta a telítési, lazítási, regenerálási és mosási műveleteken megy át. Így egy év alatt a gyanta kb. 200 ciklust végez és 3-5 év alatt majdnem elveszti ioncserélő kapacitásának nagyobb részét, gazdaságossága kérdéses lesz. Egy harmadik módszere a vízlágyításnak a kazánkő kicsapódásának a megakadályozása. Ez lehetséges komplex képződéssel, vagyis a kalcium és magnézium ionokat komplex képződéssel kivonjuk a karbonát vagy hidroxid kicsapódásának lehetősége alól. Ugyancsak lágyítást tudunk elérni a víz energetikai kezelésével is. Igaz, erre a mágneses kezelés vagy a besugárzás nem tud mindég magyarázatot adni, de sok boyler vagy kazán előtt felszerelt mágnesező már működik és óvja a kazánt a korai lerakodástól. A teljes ioncserét is két módszerrel tudjuk megvalósítani, éspedig fizikai meg kémiai módszerrel. Míg a fizikai módszerekhez a bepárlás és a membrán szeparáció tartozik, a kémiai műveletkehez a teljes –kation és anion–csere tartozik. Eleinte az egyszeri vagy többszöri bepárlás volt alkalmazva, de mostanában ugyanolyan jó minőségű vizet lehet előállítani olcsóbban fordított ozmózissal (RO) és ioncserével. Iparilag az ioncserét alkalmazzák a legelterjedtebb mértékben, a RO módszer most kezd betörni a piacra. Akárcsak a vízlágyítást végző gyanta oszlop esetén, itt is a kation cserélő vagy az anion cserélő oszlopok négy perióduson mennek át: - telítési, - mosási-lazítási - regenerálási - oldat eltávolítási mosási fázis. Az első fázis kb. 16+24 órát tart, a lazítással járó visszamosás néhány percig, a regenerálás 0,5-1 h és a regeneráló oldat eltávolítására szolgáló mosás 1015 percig. Míg a kation cserélő gyanta regenerálására sósavat (8-10 % HCl) vagy kénsavat (5-10 % H2SO4) használunk, az anion cserélő kapacitását nátriumhidroxid oldattal (5-10 % NaOH) állítjuk vissza. Az ioncsere lehet parciális, mikor is a hidrokarbonát iont szénsavvá alakítjuk, majd ezt sztripelléssel kihajtjuk a vízből. Ca(HCO3)2 + 2 RH R2Ca + 2H2O + 2 CO2 (5.24) Mg(HCO3)2 + 2 RH R2Mg + 2H2O + 2 CO2 (5.25) 119

Energiahordozók

Miután eltávolítottuk a széndioxidot, a kalcium és magnézium ionokat távolítjuk el RNa gyantán: Ca2+ + 2 RNa R2Ca + 2Na+ (5.26) 2+ + Mg + 2 RNa R2Mg + 2Na (5.27) Az első fázisban a gyantát sósavval regeneráljuk, a másodikban nátriumklorid oldattal. R2Ca + 2 HCl  2 RH + CaCl2 (5.28) R2Mg + 2 HCl  2 RH + MgCl2 (5.29) R2Ca + H2SO4  2 RH + CaSO4 (5.30) R2Mg + H2SO4  2 RH + MgSO4 (5.31) R2Ca + 2 NaCl  2 RNa + CaCl2 (5.32) R2Mg + 2 NaCl  2 RNa + MgCl2 (5.33) A parciális ioncserélő módszert a 5. 3. ábra mutatja be. Ca2+Cl- HCO3Mg2+ SO42Na+ HSiO3 -

Levegő+CO2 3 2

1 R-H

Ca2+ Cl- CO2 Mg2+ SO42Na+ HSiO3 -

R-Na

Ca2+ ClMg2+ SO42Na+ HSiO3 -

+

Na

ClSO42HSiO3 -

5.3. ábra. A parciális kation cserés módszer: 1- RH gyantás reaktor, 2- sztripper, 3-RNa –gyantás reaktor. A teljes ioncserés módszer esetében úgy az anionokat, mint a kationokat cseréljük. A legismertebb berendezés vázlatot az 5.4. ábra mutatja be. Az első oszlopban a következő reakciók játszódnak le: Ca(HCO3)2 + 2 RH R2Ca + 2H2O + 2 CO2 (5.34) Mg(HCO3)2 + 2 RH R2Mg + 2H2O + 2 CO2 (5.35) NaCl+RH= NaR+HCl (5.36) 120


Na2SO4+2RH=2RNa+H2SO4 (5.37) A másodikban az anionokat cseréljük. Közben, természetesen a savasság változásával szétbomlott szénsavanhidridet hajtjuk ki a rendszerből. Ahhoz, hogy minél nagyobb vízáramot tudjunk elérni a reaktorokat különböző kapcsolási sémában üzemeltetjük. Ilyen sémát mutat be a 5.4. ábra. Nagyon sok esetben az anion cserét két lépésben végezzük, egy erős és egy gyenge anion cserélő gyantát alkalmazva. Máskor a legutolsó reaktorba, kevert ágyat használunk, így finomítva az ioncserét. Ca2+ HCO3Mg2+ SO42- ClNa+ HSiO3-

Levegő+CO2 3 2

1 R-H

Cl- CO2 SO42- H+ HSiO3 -

R-OH

ClH SO42HSiO3+

H+

HO-

5.4. ábra. Teljes ioncserélő berendezés vázlata. Az így előállított vizet még nem lehet a kazán táplálására használni, hisz még oldott gázokat, főleg oxigént tartalmaz. Épp ezért először oxigéntől mentesítik. Erre a legalkalmasabb módszer az oxigén elfogyasztása. Sok reagens képes az oxigént elfogyasztani, de a legmegfelelőbb a hidrazin-hidrát (N2H4H2O). A reakcióból víz és nitrogén keletkezik, mely kevésbé agresszív, mint az oxigén és könnyebben kihajtható.

5.2. A vízgőz A folyamatok fűtésében nagy előrelépést jelentett a gőzfűtés elterjedése, mely a gőzgép feltalálása után került alkalmazásra. A vízgőz még mindég a legelterjedtebb iparilag alkalmazott fűtőközeg maradt. A többi gáztól abban különbözik, hogy míg az eddigiek halmazállapota nem változik a fűtés alatt, a 121

Energiahordozók

gőzfűtés főleg a latens, kondenzációs hőt alkalmazza. Így a hogy megértsük fontosságát, nézzük, meg a víz pár termodinamikai tulajdonágát. Legyen egy egykomponensű termodinamikai rendszerünk, melynek alkotója a víz. Az egykomponensű rendszer esetén a rendszer legmagasabb szabadsági foka: (5.38) Lmax  c  2  Fmin  1  2  1  2 , ami azt jelenti, hogy az egykomponensű rendszer fázisegyensúlyát a p(nyomás)- T (hőmérséklet) diagramban adjuk meg. Ez a kétváltozós diagramm tartalmaz egyváltozós rendszert és természetesen olyan rendszert is melynek szabadságfoka nulla. A gyakorlatban a különböző minőségű cseppfolyós és gőz halmazállapotú közegek jellemzésére az entrópia hőmérséklet diagramokat alkalmazzuk. Ezek segítségével meg lehet határozni a különböző gőzfázisokat, éspedig a telitett gőzt, a nedves és a szárazgőzt. Legyen a 5.5. ábrának megfelelő T-S diagram.

5.5. ábra. T-S diagram (Fonyó után).

122


Az egyfázisú rendszerek esetén (F=1) a rendszer szabadságfoka, L=1+2-1=2, tehát területnek fele meg. Ezek a szilád, folyadék és gázfázist tartalmazó területek.

A kétfázisú rendszerek esetén a szabadsági fok L=1+2-2=1, ami a görbéknek felel meg. Ezeket határgörbéknek is nevezzük. Ilyen a gőzfolyadék fázis egyensúlyát leíró határőrbe az l–C-m, vonal. Az l-C rész megfelel az alsó határgörbének, vagyis a különböző hőmérsékletű forrásban levő cseppfolyós közegek sokasága. Itt a gőz cseppfolyós fázis tartalma nulla, tehát a gőzminőség x=0. A C-m szakasz a felső határgörbe, ahol a gőzminőség értéke 1. A l-C-m harang alatti terület a különböző arányban lévő gőz-folyadék fázisú elegyek keveréke. Itt különböző gőzminőségű rendszerekkel találkozunk az x=0 értéktől az x= 1 értékig. A C pont a kritikus pont, ahol a gőz és a folyadékfázis sűrűsége megegyezik. Az alsó határgörbén balra kapjuk a szubkritikus folyadék zónát egész a k-B-l harangig, ahol a szilárd folyadék kétfázisú rendszer keverékek található. A felső határgörbén túli terület a túlhevített gőzöknek felel meg. A k-l-m vonal alatti felület a gőz-szilárd kétfázisú rendszernek felel meg. Ezt a területet még szublimációs területnek is nevezzük. A C pont feletti gőzfázis a szuprakritikus gáznak felel meg. A diagram tartalmazza még a különböző konstans nyomású izobár görbéket és az állandó fajlagos entalpiával rendelkező rendszerek sokaságát. A párolgáshő kiszámítására a fázisváltozásnak megfelelő entalpia és a hőmérséklet szorzatát alkalmazzuk, tehát: H  T forrpont S g  S foly (5.39)





A vízgőz esetén azonban a gyakorlatban a következő összefüggéssel dolgozunk:

H  t forrpontS g  S foly 

(5.40)

A mérnöki gyakorlatban mind az entrópia mind az entalpia fajlagos értékét önkényes alapponttal veszik fel. Például a vízgőz esetén a 273,15 K – hez tartozó forrásban levő víz entalpiája és entrópiája nulla. A párolgás, illetve a kondenzációs hő jó megközelítéssel harmadrendű parabola, melynek Jakob szerint a víz esetén az alábbi összefüggés felel meg:

H  347  3 374   , kJ/kg

(5.41)

ahol a 374 C a víz kritikus hőmérséklete és  az aktuális forráspont, C. Ez az érték jó megközelítéssel kiszámítható a (5.41)-as összefüggés segítségével: 0

123

Energiahordozók

  100  4 p , ahol a  forrási hőmérséklet, 0C és p a nyomás értéke bar-ban kifejezve.

(5.41)

A gyakorlatban inkább az entalpia diagramokat használjuk. Ezek segítségével könnyebben meghatározható a fajlagos hőmennyiség változás, éspedig ha nincs halmazállapot változás, akkor a két hőmérséklet közötti fajlagos entalpia változás adja meg a felvett vagy leadott hőmennyiség értékét:

H  c p  T  c p  (T1  T2 )

(5.42)

Ha fellép a fázis változás, akkor az latens forralási vagy kondenzálási entalpiaváltozást a száraz gőz és a forró folyadék entalpia változásnak különbségéből számoljuk, vagyis:

H kond  H goz  H folyadek

(5.43)

Ha a közeget egy alacsonyabb hőmérsékletről forrpontig melegítjük, majd a kapott gőzt túlhevítjük, a szükséges hőmennyiséget a következőképp számítjuk:









Q  m c p  foly T forr  T 0  H goz  H foly   c p  gaz T  Tforr  , kJ

(5.44)

Ez még kiszámítható a megfelelő hőmérsékleten vett entalpia értékekkel is:



T Q  m H goz  H Tfoly 0



(5.45)

Ez az utolsó összefüggés rejtett formában tartalmazza a fázisváltozási hőt, épp ezért nevezik azt latens hőnek. A mérnöki gyakorlatban az un. gőztáblázatokat használunk. Ilyen például az 5.8. táblázatban feltüntetett vízgőz táblázat. Az aláhúzott sor a kritikus állapotot jelképezi, mikor is fajlagos latens hő nulla. 5.8. Táblázat. A víz és vízgőz entalpia és entrópia változása a nyomás függvényében p, MPa

,C

0,0025 0,01 0,1 1,0 10,0 20,0 22,12

21,094 45,84 99,64 179,88 310,96 365,71 374,15

Entalpia, kJ/kg Folyadék Gőz 88,5 191,9 417,4 762,7 1407,7 1827 2095

2539 2584 2675 2778 2725 2410 2095

124

Entrópia, J/kgK Folyad Gőz ék 2451 312,4 2392 649,2 2258 1302,6 2015 2138 1317 3360 583 4015 0 4430

Fajlagos kondenzációs hő, kJ/kg 8642 8149 7360 6587 5615 4928 4430


Mint ismert a legtöbb ipari berendezés nagy gőzfelhasználó. Ezek általában a szükséges gőzt saját rendszerükben állítják elő. Egy klasszikus körfolyamatú gőzrendszer tartalmaz egy kazánt, gőzturbinát, kondenzátort és visszavezető folyadékszivattyút (lásd a 5.6 ábrát).

5.6. ábra. A Clausius-Rinke körfolyamat kapcsolási vázlata (Fonyó után).

5.7. ábra. A körfolyamat T-S diagramja (Fonyó után).

Az ilyen ciklusban a munkaközeg a víz. A kinyerhető munkát a gőzturbinába kerülő nagynyomású és nagy hőmérsékletű gőznek a turbinalapáton való hő esése szolgáltatja. Az 5.7. ábrán feltüntetett ciklus jól tükrözi, hogy a T 1 hőmérsékletű gőz hő esése folytán a 2 pontba kerül, ahol a hőmérséklete T2=T0, p2=p0 és az entalpiája H2(i2). A munkát végző kisnyomású gőzt le lehet csapatni, vagy ha a gőznyomása nagyobb mint a nedves gőzé, akkor azt hasznosíthatjuk az ipari berendezésben. A kapott kondenzátumot majd vissza-vezetjük a kazánhoz, hogy újabb gőzmennyiséget kapjunk. Egy ilyen körfolyamat hatásfokát a következő összefüggés írja le:

 elméleti 

L i1  i2  Q i1  i0

(5.46)

ami nem más mint az elvégzett munka és a használt gőz hőenergiájának aránya. Ez az elméleti hatásfok, amely függ a túlhevített gőz nyomásától és hőmérsékletétől, általában a 0,4 körül mozog. A termodinamikai tulajdonságai mellett a vízgőz alkalmazását nagy kondenzációs hője (kb. 2260 kJ/kg 1 bar nyomáson), a kondenzáláskor fellépő nagy hőátadási tényezője (15000 W/m2K felett), a konstans hőmérséklet 125

Energiahordozók

beállíthatóság s ezzel párosuló konstans falfelületi hőmérséklet, a viszonylag kis mennyiségű kondenzátum keletkezés, kis korrózióveszély és, nem utolsó sorban, olcsósága teszi lehetővé. Ez nem jelenti azt, hogy a vízgőz most már mindenre jó. Hisz a hőmérséklet növekedésével a nyomást is kell növelni, ami nem csak a berendezés értékét növeli (vastagabb falú nyomásbíró berendezés), hanem a kondenzációs hő értékét is csökkenti.

5.3. Más fütö/hütő közegek Mint ismeretes a fűtésre a hőmérséklettől függően különböző közegeket alkalmaznak: alacsony hőmérsékletig, kb. 353-363 K, a melegvízet, ennél magasabb hőmérsékleten a vízgőzt, a 473-673 K intervallumban a túlhevített vízgőz mellett a szerves hő-közvetítőket, a 673 K túlszárnyaló hőmérsékleti területen a só olvadékot és az égési gázokat. Természetesen, hogy bármely normálhőmérsékletet túlhaladó területen alkalmazható a hősugárzásra alapuló villamos fűtés is. 5.3.1. Gázhalmazállapotú fűtő-közegek A fűtésre általában olcsó, kevésbé korrózió veszélyes, vegyileg stabil, jó hővezetési tényezővel rendelkező gázokat alkalmazhatunk. Ilyenek lehetnek a több komponenst tartalmazó (lásd a levegőt meg az égési gázokat), vagy monokomponenst tartalmazó gázok (vízgőz, hélium stb.) Füstgázok. A vegyipari illetve az élelmiszeripari folyamatokban eleinte, mint hő-közvetítőt a füstgázokat vagy a direkt lángot alkalmazták. Gondoljunk csak a sólé bepárlására vagy a szeszgyártás kezdeteire. A füstgázokat általában 473-1473 K intervallumban használjuk. A magas hőmérsékletük valamelyest kompenzálja a kis hővezetési tényezőt és az alacsony fajhőt. Mégis a füstgázzal elég nehéz a hő-szabályzás, sokszor túlhevítést okoz. Mivel a gázok a víz harmatpont alatt eléggé korrózió veszélyesek s így nem hűthetők a víz-kondenzáció alá, nagy mennyiségű hőt visznek el magukkal. Így a fűtés hatásfoka alacsony. A hatásfok javítására különböző égési technikákat fejlesztettek ki, mint például: - oxigén vagy dúsított levegőben való égetés, - nagy áramlási sebesség biztosítása, jobb hőátbocsátási tényező értékért, - a tüzelési technika automatizálása, a láng hőmérséklet szabályzása, - az égési gáz parciális recirkulációja, - a láng nélküli égés. 126


A direkt lánggal való fűtés, bár elavult, még imitt-amott alkalmazzák úgy a vegyiparban, mint más rokon iparágakban. A hőmérséklet emelésével a hőközvetítés hatásfoka egyre kisebb lesz. Így például, ha 600 K még 88 %, 1273 K már 56,8 % és 1773 K 30 % körüli értéket érhetünk el. Ennek a legfőbb oka, az alacsony hőátadási tényező és a magas hőveszteség. Veszélyes volta, kis szabályozási lehetősége, helyi túlhevülések nehéz elkerülhetősége késztette a szakembereket más megoldás keresésére. Így született a folyadékba merített égők bevezetése. Itt, a túlhevülést és a hő-veszteséget elkerülték, igaz marad még a hőmérséklet szabályzásnak és a gáz korróziót okozó hatásának a problémái. Igazán jó előrelépést jelentett a lángnélküli égés. Ezt először az un.

5.8. ábra. Felületi égés típusok: 1-fűtendő tér, 2- porózus anyag, 3-hőszigetelő:

a- szemcsehalmazos, b- porózus réteges. kerámia csövekben való égésként alkalmazták, utána tértek a töltött ágyban való égésre (lásd az 5.8. ábrát). Most az égést porózus, tűzálló töltetekben végzik, magas és konstans hőmérsékletet biztosítva. Amire erre az égésre jellemző, az hogy a réteg hő-közvetítő hatásfoka jóval túlszárnyalja füstgázzal való fűtéskor elért értéket. Nagyobb hőmérsékleten már kemencében való égésre volt szükség, ahol az égési folyamat és a vegyi folyamat ugyanabban a térben történik, mint például a mész, a cement vagy más anyag előállításakor. Egyik legtöbbet használt tiszta gáz a hélium. Ezt általában az energetika alkalmazza 1273 K –ig, de vannak már petrokémiai üzemek is ahol hőközvetítőként megtaláljuk. Alacsony hőmérsékleten, főleg szárításra alkalmazzák a levegőt is. Mivel bőven van és nem gyúlékony, de főleg azért, mert nem veszélyes 127

Energiahordozók

a szervezetre a termelőcsarnokok és a munkahelyek légkondicionálására is alkalmas. Sok esetben a vízgőz helyett más komponens gőzét alkalmazzuk. Ilyenek például a szerves vegyületek gőzei. Ezeket a 473-653 K hőmérséklet intervallumban használjuk. Ezek a vegyületek akkor jók, ha nagy a latens hőjük, nagy a fajhőjük és a hővezetési tényezőjük, és kicsi a gőznyomásuk, meg a viszkozitásuk. Természetesen, hogy az áruk, gyúlékonyságuk, korróziós hatásuk is számításba jön. Ilyen fűtőközeg például a 26,5 % difenil és 73,5 % difenilétert tartalmazó elegy, melyet DIFILnek hivunk. Ezen kívül ismert az 1,2,4,8 tetra-klórdifenil, a ditolil metan, a mono-izo-propil-difenil. Ami megkülönbözteti az ugyanazon a hőmérsékleten végzett gőzfűtéstől, az hogy sokkal kevesebb a nyomásuk és, így a biztonsági problémák is kisebbek. Azonban elég kis hőátadási tényezővel rendelkeznek és a magas áruk sem elhanyagolható. Egy ilyen gőzfűtéses rendszert mutat be a 5.9. ábra.

5.9. ábra. DIFIL gőzökkel való fűtés: 1-DIFIL tartály, 2-szivattyú, 3-kazán, 4-gőzfűtéses rendszer, 5-folyadék fűtéses rendszer.

128


Sok esetben, főleg olyankor, amikor a technológiai folyamat megengedi, akkor higanygőzzel is fűthetünk. Alkalmazási területe 600-823 K mikor is a nyomása 400-1300 hPa között mozog. Mérgező hatása és nagy ára ellenére még alkalmazzák a petrokémiában és a hőerőműveknél, de napjai már meg vannak számlálva. 5.3.2. Cseppfolyós fűtőközegek A cseppfolyós fűtőközegek alkalmazását nagy sűrűségük és fajhőjük teszi lehetővé, mivel nagy hőmennyiséget képesek szállítani. Ugyanakkor a szükséges csőrendszer átmérője sokkal kisebb, mint a gázoknál. Ami még mérvadó lehet ezek alkalmazásában, az, hogy könnyen szabályozható fűtést képesek biztosítani (úgy a hőmérsékletnövekedés, mint az izoterm állapot szempontjából). A cseppfolyós közegekkel való főtést két módszerrel lehet megoldani, éspedig a mozdulatlan, kádfűtés és a köpenyben vagy hőcserélőben áramoltatott fűtőközeg segítségével. A leg ismertebb cseppfolyós fűtőközegek: - a melegvíz, - a különböző ásványi olajok, - szilikonolajok, - szerves vegyületek, - só olvadékok, - fémolvadékok.

5.10. ábra. Melegvizes fűtő rendszer: 1- melegvíz- boyler, 2-fűtőköppenyes készülék, 3-mérő és biztonsági rendszer, 4- térfogatváltozás kompenzátor. A melegvíz az nagyon jó hő-közvetítő közeg, hisz nagy a fajhője, a hővezetési tényezője, kicsi a viszkozitása, olcsó és nem gyúlékony. Általában 353 K hőmérsékletig használják, de nagy nyomáson még a kritikus hőmérsékletig is használható. A melegvízzel fűtött berendezések elég olcsók, könnyen karbantarthatók, és szabályozhatók. Ami ellene beszél az a korróziós hatása és sok 129

Energiahordozók

esetben a lerakodás veszély, ami főleg a keményvizeknél áll fenn. Egy ilyen melegvizes fűtőrendszer mutat be a 5.10. ábra. Az ásványi olajokat általában 573 K hőmérsékletig alkalmazzák. Különböző típusú olajokat alkalmaznak, kezdve a kis viszkozitású aromás olajoktól, égész az adalékos olajokig. Sok esetben a szilikon alapú olajokat alkalmazzák. Ezek forrpontjuk 723 K, így 623 K hőmérsékletig jól használhatók. Ilyen típusú olajok a Hydrotherm 750-200, amely 333-645 K hőmérséklet intervallumban alkalmazzák. Mivel erősen mérgező, nagy elővigyázatossággal kell alkalmazni. Ezekről, az olajokról ad egy bepillantást az 5.11. táblázat. Egy ilyen melegítő rendszert mutat be a 5.11. ábra.

5.11 ábra. Ásványi olajjal fűtött rendszer: 1- olajmelegítő, 2- olajjal fűtött készülékek, 3- tároló, 4-szivattyú. 5.9. Táblázat. A fűtő olajok és szilikon olajok néhány tulajdonsága. Tulajdonság Sűrűség, kg/m3 Olvadáspont, K Forrpont, K Fajhő, J/kgK Viszkozitás, 1000 Pa.s Hővezetési tényező, W/(mK)

Mobiltherm 600 900 266,9 585 2430 0,595 0,1559

Mobiltherm light 930 244,5 477 2220,7 0,873 0,1128

Hydrtherm 750-200 1110 258 2346,4 0,572 0,0865

Hydrotherm 700-160 1080 233 2671 0,605 0,124

Sok esetben a 473-673 K hőmérséklet intervallumban, mint fűtőközeg szerves vegyületeket alkalmazunk. Ilyen a difenil, a naftalin, a glicerin, etilenglikol, és a különböző szerves anyag keverékek (26,5 % difenil és 73,5 % 130


difeniléter, 85 % difeniléter és 15 % nbaftalin). Ezen fűtőközegek elég jó szabályozható rendszer kiépítését teszik lehetővé. Épp ezért elterjedtek ott ahol a víznél nagyobb hőmérséklet szükséges. A fűtő berendezések zárt körforgásúak, állandó nyomáson, kevés párolgási veszteséggel dolgoznak. Egy ilyen tipusú a 5.12. ábrán bemutatott DIFIL-lel működő fűtő rendszer.

5.12. ábra. DIFIL-lel fűtött rendszer: 1- DIFIL melegítő, 2-fűtőköppenyes reaktor, 3-térfogat kompenzáló, 4- léghűtéses hőcserélő, 5- a hideg DIFIL térfogatáram szabályzó, 6- g-folyadék szeparátor, 7- mérőműszer. Nagyobb hőmérsékleti tartományban (673-773 K) só olvadékokat alkalmaznak. Ilyen eutektikus keverékek például: - a 45 % nátrium nitrit és 55 % nátrium nitrát, - az 50 % kálium nitrát és 50 % nátrium nitrát, - a 40 % nátrium nitrit, 7 % nátrium nitrát és 53 % kálium nitrát. Ennek a három-komponensű keveréknek a legfontosabb jellemzőit a 5.10 táblázat tartalmazza. Bár nem gyúlékony, mégis fenn áll a robbanás veszélye, főleg ha az olvadék szerves vegyülettel lép kapcsolatba. A fémolvadékokat kevés iparág alkalmazza. Ezeket megtaláljuk az üveggyártásban, a vegyipar egyes területén de főleg az energetikában. Ilyen olvadékok a tisztafémek (Pb, Sn, Na, Li) vagy a különböző fámötvőzetek (Sn-Pb, Li-Na stb.).

131

Energiahordozók

5.10. Táblázat. A NaNO3-NaNO2-KNO3 elegy fontosabb hőátadási jellemzője. Jellemző Sűrűség, kg/m3 Fajhő, J/(kgK) Dinamikus viszkozitás, 1000 Pa.s Hővezetési tényező, W/(mK) Maximális hőmérséklet, K Maximális nyomás, MPa Olvadáspont, K

473 1939 1560 8,65

523 1901 1565 5,17

Hőmérséklet, K 573 623 1863 1825 1570 1575 3,38 2,36

673 1787 1580 1,74

0,545

0,571

0,597

0,649

5.13. ábra. Szilárd hő-közvetítős rendszer: 1- hő felvevő rész, 2- átfolyó cső, 3- fűtött rész, 4- pneumatikus szállító, 5- áramlászabályzó.

0,623

823 0,1 415

5.3.3. Szilárd halmazállapotú hő-közvetítők A szilárd halmazállapotú hőközvetítőket elég nehéz alkalmazni, főleg olyan rendszerekben, ahol fontos az áramlásuk. Ha az állóagyas rendszerek még elképzelhetők, gondoljunk csak a homokfürdőre, az ipari rekuperátorokra, az áramlásban lévő szilárd rendszerek már kevésbé. Ennek ellenére az iparban találunk, olyan hőcserélőt, amelyekben az áramlási tulajdonsággal rendelkező vasgolyókkal, vagy nagyon jó hővezetési szemcsékkel hajtjuk végre a hőátadást (lásd a 5.13. ábrát). Valójában ezek a rendszerek nem is igazából szilárd hőközvetítők, hanem heterogén rendszerek, vagy gáz szilárd, vagy folyadék-szilárd rendszerek.

132

Általános kémiai technológia. 5. Energiahordozók

Recommend Documents