MOLNÁR FERENC KÖRNYEZETTECHNIKA MŰVELETI SZÁMÍTÁSOK

MOLNÁR FERENC

KÖRNYEZETTECHNIKA MŰVELETI SZÁMÍTÁSOK

PETRIK TISZK BUDAPEST, 2011

ELŐSZÓ

„… csakis mérték és szám szerinti számítások alapján hatolhatunk valóban a különböző tételek mélyére, és néhány példa kiszámításának árán megkapjuk jutalmul azt, hogy a tételt nagyobb érdeklődéssel olvassuk el és könnyebben emlékezetünkben tartjuk.” / Wartha Vince/ A tankönyv a környezetvédelmi technikus hallgatók részére készült. Tartalmazza azokat a számítási feladatokat, amelyek a víz- és szennyvíztisztítási technológia műveleteinek, folyamatainak jobb megértését szolgálják. Tárgyalja a levegő portalanításának műveleti számításait is. A tankönyv összeállításának célja -

a műveleti számításokhoz nélkülözhetetlen ismeretek összefoglalása,

-

a jártasságok kialakítása a számítási feladatok megoldásában.

Összefoglaljuk az egyes műveletek körébe tartozó legfontosabb ismeretelemeket: fogalmakat, mennyiségeket, mértékegységeket, törvényeket. Bemutatjuk több alapvető feladat megoldását. Kiemeljük a számítások kiinduló, mértékadó adatait és célját: miből mit és miért kell kiszámítani. Megadjuk a megoldás menetét, algoritmusát. Magyarázatokkal tesszük könnyebbé a bonyolultabb lépések megértését. A példák egy részében kérdésekkel, utasításokkal segítjük elő a megoldást. Ez a módszer munkáltat és biztosítja az átmenetet a kidolgozott mintapéldáktól a feladatok önálló megoldásáig. Több feladat túlmutat a kötelező tananyagon. Ezek a tehetséges, szorgalmas tanulók felkészítését szolgálják a tanulmányi versenyekre és az emeltszintű vizsgákra. Bemutatjuk a leggyakrabban alkalmazott berendezések, műtárgyak leegyszerűsítet vázlatát: a szerkezeti egységek megnevezését, az anyagáramok irányát. A vázlatok feladata, hogy szemléltesse a berendezések, műtárgyak működését és elősegítse ezek felismerését, reprodukálását.

2

A margón látható kis rajzok, utalások elősegítik az ismeretek jobb megértését, szemléltetnek, értelmeznek. Mindenhol az SI mértékegységeket alkalmazzuk, ezért a számítások egyes lépéseiben nem kellene ezeket feltüntetni. Sok helyen mégis szerepelnek. A mértékegységekkel bemutatott számítások felhívják a figyelmet ezek gondos átváltására és behelyettesítésére. Segítségükkel ellenőrizhetjük, hogy az elvégzett matematikai művelet valóban a kívánt mennyiséget adja. A műveleti számításokhoz kiinduló alapadatok kellenek. Ezeket általában az adott technológia anyagforgalma szabja meg: mennyi anyag lép be a műveleti egységbe, vagy mennyi kilépő terméket kell előállítani (kg/h, m3/h). A műveleti számítások célja: -

a berendezések, műtárgyak fő méreteinek meghatározása egy adott technológiai lépéshez

-

különböző méretű berendezések, műtárgyak kiválasztása az adott feladathoz, az egységek számának meghatározása,

-

a

műveleti

egységbe

belépő

anyagáramok

és

a

kilépő

termékek

mennyiségének kiszámítása: az anyagmérlegek elkészítése, -

a művelet energiaigényének meghatározása: az energiamérleg elkészítése,

-

a művelet beillesztése a technológiát felépítő műveletek sorába.

A vegyipari és környezettechnikai műveletek körében az összes paraméter figyelembe vétele nagyon bonyolult összefüggésekhez vezet. A szigorú matematikai formulák alkalmazása ritkán lehetséges. A legtöbb esetben csak néhány fontos, domináló paramétert tartalmazó, közelítő összefüggésekkel dolgozunk. Az empirikus, félempirikus képleteket sok évtizedes gyakorlati tapasztalatok igazolják. Számításaink sok esetben jó közelítések, amelyek a gyakorlati munka során megfelelő, használható eredményeket adnak. A vegyipari termékek számát 65-70000-re becsülik a különböző források. A technológiákból kilépő melléktermékek, hulladékok és bomlástermékek (véggázok, szennyvizek, szilárd hulladékok) száma közelíti a kilencvenezret. Sok hulladék és bomlástermék környezeti és egészségügyi hatását még nem ismerjük pontosan. Ezek kezelésének műveletei szerves része kell, hogy legyen minden technológiának. Ez is indokolja a vegyipari és környezetvédelmi szakemberek együttműködését, közös felelősségét a természet védelmében.

3

BEVEZETÉS I.

Művelettan, műveleti egység A technológia különböző műveletek sorozata, amelyekben a belépő anyagot meghatározott céllal

alakítjuk.

Minden átalakításra jellemző -

a munka tárgyának (az átalakítandó anyagnak),

-

a munka eszközének (a berendezésnek, műtárgynak)

-

és az emberi tevékenységnek együttes jelenléte.

Az átalakítás lehet -

fizikai, amikor az anyag különböző fizikai tulajdonságai változnak meg, pl. elválik egymástól a víz és a lebegő szilárd anyag (ülepítés, szűrés,,,,), vagy az iszapból eltávozik a víz egy része (szárítás….)

-

kémiai, amikor az anyagban kémiai reakciók is lejátszódnak és egy új vegyület jön létre (semlegesítés, kémiai kicsapás…)

A vegyipari technológiákban általában több kémiai folyamat (reakció) is részt vesz az anyag átalakításában. Célja: új vegyületek (gyógyszerek, műanyagok, növényvédőszerek…) előállítása az alapanyagokból. A környezetvédelmi technológiák általában fizikai műveletekből állnak, de előfordulnak kémiai és biológiai műveletek is. Célja a környezetnek, az ember életterének védelme. Fontos feladat pl. a termelő egységekben elszennyeződött levegő megtisztítása a portól és a mérgező gázoktól, vagy a szennyvizek megtisztítása a lebegő szilárd anyagoktól és az oldott szervetlen- és szerves vegyületektől, mielőtt bevezetjük az élő vizekbe. A különböző technológiákban gyakran előfordulnak ugyanazok a műveletek. Célszerű tehát ezeket a technológiákból kiemelve együtt tárgyalni.

4

A művelettan a különböző technológiákban előforduló műveletek, berendezések, műtárgyak általános, az adott technológiától független, elmélete. A műveleti egység általában egy-egy berendezéshez, műtárgyhoz kapcsolható. Az ülepítőkben ülepítünk, a szűrőkben szűrünk, stb. A készülék fogalma azonban nem mindig esik egybe a műveleti egység fogalmával, pl. a lepárló oszlop, mint készülék, több egyszerű műveleti egységből épül fel. A műveleti egységet (készüléket) az elvi

folyamatábrákban

egy

négyzettel

ábrázoljuk. A b1, b2, b3 a belépő, a k1, k2 a kilépő anyagáramokat jelöli. A be- és kilépő anyagáramokat különböző fázisoknak tekinthetjük. A fázis az anyagnak valóságos vagy elvi határfelülettel elválasztott része, amelyben a fizikai és kémiai tulajdonságok az adott térfogat minden pontján azonosak. A fázisban az állapotot leíró függvényeknek nincs szakadása. A műveleti egységbe belépő vagy a kilépő anyagáramokat határfelületek választják el egymástól. Ilyen értelemben használjuk a fázis kifejezést. A műveleti egység működése lehet szakaszos vagy folyamatos. Szakaszos a művelet, ha az alapanyagot egy-egy adagban vezetjük be a készülékbe és a termék elvezetése is adagonként történik a művelet végén. A fázisokra jellemző intenzív mennyiségek értéke egy adott helyen időben változik. Folyamatos műveletben az alapanyagot egyenletesen adagoljuk és a termék elvétele is folyamatos. Az intenzív mennyiségek értéke egy adott helyen időben állandó, de a hely szerint változik. Stacionárius (állandósult) műveletekben az időegység alatt betáplált anyagmennyiség megegyezik a termék elvételével. Az intenzív tulajdonságok térbeli eloszlása az időben állandó.

5

A stacionárius állapot kialakulásához (a művelet indításához) és megszűnéséhez (a művelet leállításához) idő kell. A felfutási és a lecsengési idő alatt a műveleti egység tranziens (átmeneti) állapotban van.

2. A műveletek csoportosítása Célszerű a műveleteket az alapján csoportosítani, hogy milyen hajtóerő idézi elő és milyen törvényszerűségek írják le a műveleti egységben lejátszódó folyamatokat. a/ Hidrodinamikai műveletek Ülepítés, szűrés, centrifugálás, flotálás, keverés. Folyadékokban vagy gázokban (elsősorban vízben vagy levegőben) játszódnak le. A víz vagy a levegő nem csak hordozza az adott komponenseket. Részt vesz a folyamatokban pl. azzal, hogy mozog, áramlik. b/ Diffúziós műveletek Ioncsere, adszorpció, abszorpció, extrakció. Ezekben a műveletekben anyagátadás történik két fázis között a határfelületen át. A folyamat hajtóereje a koncentráció különbség. c/ Kalorikus műveletek Szárítás, bepárlás, lepárlás. Ezekben a műveletekben hőt közlünk a rendszerrel. A felvett vagy leadott hőmennyiség és az anyag kalorikus tulajdonságai pl. a forráspontja határozza meg a folyamatok irányát. d/ Kémiai műveletek Semlegesítés, oxidáció (fertőtlenítés), kémiai kicsapás. Ezeket a műveleteket valamilyen alkalmas reagensek hozzáadásával indítjuk el. Kémiai reakciók is lejátszódnak, pl. csapadék keletkezik, amely leülepedik. e/ Biológiai műveletek Szerves anyagok lebontása: szennyvizek tisztítása, komposzt vagy biogáz előállítása hulladékból, olajjal szennyezett talajok tisztítása. A lebontást elsősorban baktériumok és gombák végzik. A tankönyvben a felsorolt műveleteket tárgyaljuk. Természetesen nem mindegyik egy formán fontos a vegyipari és környezettechnikai műveletek sorában. Számos művelettel nem foglalkozunk. Nem érintjük pl. a mechanikai műveleteket (szállítás, tárolás, aprítás, fajtázás…) és a kalorikus műveletek közül pl. a melegítést, hűtést, hőcserét…). Ezeket a műszaki ismeretek” körében tárgyaljuk.

6

1. A MŰVELETI SZÁMÍTÁSOK ALAPJAI

1. Elegyek és oldatok összetétele 2. Térfogatáramok, tömegáramok 3. Tömegmérlegek 4. Hőmérlegek 5. Fázisegyensúlyok 1.1.

ELEGYEK ÉS OLDATOK ÖSSZETÉTELE

Fázis egy rendszer fizikailag egynemű része, amelyet határfelület választ el egy másik fázistól. A fázis minden térfogatelemének azonosak a makroszkopikus tulajdonságai. Elegy több anyagot (összetevőt, komponenst) tartalmazó gáz, folyadék vagy szilárd fázis, amelyben az egyik komponenst sem emeljük ki a többivel szemben. Oldat több komponenst tartalmazó folyadék vagy szilárd fázis, amelyben az egyik komponenst – általában az oldószert – kiemeljük a többivel szemben. Szuszpenzió folyadékban finoman eloszlatott (diszpergált) szilárd szemcsék. Emulzió Folyadékban finoman eloszlatott (diszpergált) folyadékcseppek. Koncentráció az oldott anyag mennyisége az oldat térfogategységében. (Térfogattal osztott mennyiség). Tömegkoncentráció ρB = mB/V

kg/m

Anyagmennyiség-koncentráció

3

cB = nB/V

7

mol/m3

mB/ illetve nB a B anyag tömege, illetve anyagmennyisége, V az oldat térfogata. Sűrűség a térfogategységbe foglalt anyag tömege. Általában: térfogattal osztott mennyiség: a víz sűrűsége: 1000 kg/m3 

1 m3 víz tömege



töltéssűrűség: ρ = Q/V

coulomb/köbméter

Extenzív mennyiségek a rendszer kiterjedésével (mennyiségével) arányos állapotjelzők. Ilyenek a tömeg, térfogat, kémiai anyagmennyiség, entalpia. Ezek jellemző tulajdonsága az additivitás: ha pl. az egyes fázisok tömege m 1, m2 … n

mn, akkor a rendszerben az anyag tömege m =

m

t

1

Intenzív mennyiségek értéke független a rendszer kiterjedésétől (mennyiségétől). Ilyen állapotjelző a nyomás, hőmérséklet, sűrűség, a komponensek koncentrációja. A fajlagos kifejezés mindig egységnyi tömegre vonatkoztatott extenzív mennyiséget jelent m3/kg

fajlagos térfogat: v = V/m A moláris kifejezés mindig

egységnyi anyagmennyiségre vonatkoztatott extenzív mennyiséget jelent moláris térfogat:

Vm = V/n

dm3/mol,

m3/kmol

moláris tömeg:

M

g/mol,

kg/kmol

= m/n

Az elegyek összetételére vonatkozó fontosabb mennyiségeket és a koncentrációk átszámítását az 1.1. táblázatban foglaltuk össze.

8

1.1. táblázat Elegyek összetétele TÖMEGKONCENTRÁCIÓ, B a B komponens tömege B  az elegy térfogata

mB kg Ve m 3

TÖMEGTÖRT, wB a B komponens tömege wB  az elegy tömege

mB me

kg kg

mB 100 % me

TÖMEGSZÁZALÉK: tömegtört  100 TÖMEGARÁNY, WB a B komponens tömege WB  az oldószer tömege

mB kg mo kg

TÉRFOGATTÖRT, B a B komponens térfogata B = az elegy térfogata

VB m 3 Ve m 3

TÉRFOGATSZÁZALÉK: térfogattö rt  100

Vg Ve

100 %

ANYAGMENNYISÉG KONCENTRÁCIÓ, cB a B konmponens anyagmennyisége cB  az elegy térfogata

n B kmol Ve m 3

MOLTÖRT, xB (gáz- és gőzelegye: yB) a B komponens anyagmennyisége xB = az elegy anyagmennyuisége

n B kmol ne kmol

MOLARÁNY, rB a B komponen anyagmennyisége rB = az oldószer anyagmennyisége

n B kmol no kmol

MOLALITÁS, mB a B komponens anyagmennyisége mB = az oldószertömege

n B kmol mo kg

9

1.1. táblázat Elegyek összetétele

MOLÁRIS TÖMEG, M tömeg M  anyagmennyiség

m g kg n mol kmol

MOLÁRTIS TÉRFOGAT, Vm térfogat Vn = anyagmennyiség

V dm 3 m 3 n mol kmol

Vn = 22,41 dm3/mol

IDEÁLIS GÁZOK MOLÁRIS TÉRFOGATA (273,15 K, 101,325 kPa) MOLTÖRT KISZÁMÍTÁSA TÖMEGTÖRTBŐL

w x

wg / M B wB 1  wB  MB MA

xB 

TÖMEGTÖRT KISZÁMÍTÁSA MOLTÖRTBŐL

x  w

wB 

xB  M B xb  M B  1  x B  M A

xB 

rB 1  rB

rB 

xB 1  xB

MOLTÖRT KISZÁMÍTÁSA MOLARÁNYBÓL

r x MOLARÁNY KISZÁMÍTÁSA MOLTÖRTBŐL

x  r TÖMEGTÖRT KISZÁMÍTÁSA TÖMEGARÁNYBÓL W  w

wB 

WB 1  WB

WB 

wB 1  wB

TÖMEGARÁNY KISZÁMÍTÁSA TÖMEGTÖRTBŐL w  W

10

1.1. PÉLDA

Tömegtört, tömegszázalék

Kálium-nitrát oldatot készítünk: 25 g kálium-nitrátot oldunk fel 250 g vízben. Hány tömeg %-os az oldat? MEGOLDÁS a/ Az oldat tömege: m = 25 gr KNO3 + 250 g víz = 275 g

mKNO3

wKNO3 

tömegszázalék:

wKNO3  0,0979  100  9,79 %

m



25 g  0,0979 275 g

tömegtört:

b/ 275 g oldatban van 25 g KNO3 100 g oldatban van w g KNO3 275 : 25 = 100 : w

wKNO3 

25 g 100  9,75 % 275 g

ÁLTALÁBAN a tömegszázalék wB 

1.2.PÉLDA

mB 100 m

%

mB a B komponens tömege M az oldat tömege

Adott tömeg %-os oldat készítése

39 m %-os kénsavoldatot kell készíteni, amelynek a sűrűsége 1,295 kg/dm3. Hány kg kénsavat kell bemérni 2 dm3 oldathoz? ADATOK

 = 1,295 kg/dm3

wH 2 SO4 = 39 m %, A tömegszázalékból:

wH 2 SO4 

mH 2 SO4 m

100  mH 2 SO4 

WH 2 SO4  m 100

MEGOLDÁS A 2 dm3 39 m%-os kénsavoldat tömege:

m  V  1,295

kg 2 dm 3  2,59 kg 3 dm 11

A bemérendő kénsav tömege:

39 %  2,59 kg  1,0 kg / 2 dm 3 100 %

mH 2 SO4 

A 2 dm3 kénsavoldat tömege: m = 2,59 kg = 1 kg H2SO4 + 1,59 kg H2O A 39 m%-os kénsavoldat készítéséhez 1 kg kénsavat adagolunk kis részletekben 1,59 kg vízhez.

1.3. PÉLDA

Térfogatszámítás

A biogáz metán (CH4) és széndioxid (CO2) elegye. A fűtőérték javítása érdekében a CO2-ot mésztejben elnyeletjük. 500 m3 biogáz térfogata a mésztejes mosás után 290 m3-re csökken. Hány tf% CO2 volt a gázelegyben? ADATOK

 CO = ?

VCH4 = 290

Ve = 500

2

VCO2 = 500 - 290 = 210 m3 MEGOLDÁS A széndioxid térfogatszázaléka:

 CO 

VCO2 Ve

2

210 m 3 100  100  42 tf % 500 m 3

A gázelegy 42 tf % CO2-ot és 58 tf % CH4-t tartalmazott. MEGJEGYZÉS A metán térfogatszázaléka:

 CH  4

VCH4 Ve

100 

290 m 3 100  58 % 500 m 3

A széndioxid térfogatszázaléka: VCO2 = 100 - 58 = 42 % ÁLTALÁBAN a térfogatszázalék V  B  B 100 Ve

%

VB a B komponens térfogata  100 Ve az elegy térfogata

12

Tömegtört, tömegszázalék

1.4. PÉLDA

A levegő összetétel: 21 tf % oxigén, 79 tf % nitrogén. Mekkora az oxigén és a nitrogén molszázaléka? ADATOK 100 dm3 levegőben van 21 dm3 O2 és 79 dm3 N2. Ideális gázok moláris térfogata: 2,41 dm3/mol. MEGOLDÁS Az oxigén anyagmennyisége: 22,41 dm3

1 mol

nO2 

21 dm3 nO2 mol

10 dm 3  0,937 mol 22,41 dm 3 / mol

2,41 : 1 = 21 : nO2 A nitrogén anyagmennyisége:

nN2 

79 dm 3  3,527 mol 2,41 dm 3 / mol Molszázaléka:

Az oxigén moltörtje:

yO2 

nO2 nO2  n N 2



0,937 mol  0,21 0,937  3,527 mol

Molszázaléka

A nitrogén moltörtje:

y N2 

nN2 nO2  n N 2



21 %

3,527 mol  0,79 0,937  3,527 mol

79 %

Ideális gázoknál az  térfogatszázalék és az y molszázalék egyenlő.

1.5. PÉLDA

A tömegszázalék átszámítása térfogatszázalékra

Az alkohol és víz elegye 24 tömegszázalék alkoholt tartalmaz. Mekkora az alkohol térfogatszázaléka ADATOK Az alkohol sűrűsége:

1 = 800 kg/m3

A 25 %-os elegy sűrűsége:

e = 963 kg/m3

100 kg elegyben van m1 = 24 kg alkohol és m2 = 76 kg víz

13

MEGOLDÁS a/ A térfogatszázalék definíció egyenlete:  B  A sűrűség:  = m/V

1 



V1 100 Ve

VB 100 Ve

V = m/

V1  m1 / 1

Ve  m1  m2 /  e

Az alkohol térfogata az elegyben: V1 

m1

1



24 kg  0.03 m 3 3 800 kg / m

Az elegy térfogata: Ve 

m1  m2

e



24 kg  76 kg  0,1038 m 3 3 963kg / m

Az alkohol térfogatszázaléka:

1 

V1 0,03 m 3 100  100  28,9 tf % Ve 0,1038 m 3

b/ A tömegszázalék átszámítása térfogatszázalékra

B 

1.6. PÉLDA

wB  e

B



24  963  28,9 tf % 800

Tömegkoncentráció

A víz ammónia tartalma 8,8 mg/dm3, amely az oxigén jelenlétében nitráttá oxidálódik. Mekkora a víz nitrát tartalma az oxidáció után? ADATOK

 NH

3

= 8,8 mg/dm3

Mr(N) = 14 g/mol

Mr(NH3) = 17 g/mol

Mr(O) = 16 g/mol

 NO

Mr(NO 3 ) = 62 g/mol

3

MEGOLDÁS Az ammónia oxidációja: NH3 + 2 O2 + H2O = NO 3 + H3O 1 mmol

1 mmol

17 mg

62 mg

14

= ?

17 mg NH3-ból lesz 62 mg NO 3 8,8 mg NH3-ból lesz m mg NO 3 17 mg : 62 mg = 8,8 mg : m mg 62  8,8 m  32 mg 17 A nitrát tömegkoncentrációja:  NO3  32 mg / dm 3

1.7. PÉLDA

Tömegkoncentráció

A szennyvíz 24 g/m3 NH 4 , 0,2 g/m3 NO 3 és 4,7 g/m3 PO 34 iont tartalmaz. Mekkora a szennyvízben a N és a P tömegkoncentrációja? ADATOK  NH 4 = 24 g/m3

Mr(NH 4 ) = 18 g/mol

 NO 3 = 0,2 g/m3

Mr(NO 3 ) = 62 g/mol

 PO 34 = 4,7 g//m3

Mr(PO 34 ) = 95 g/mol

Ar(N) = 14 g/mol,

ArP = 31 g/mol

MEGOLDÁS a/ Az NH 4 ionban a N mennyisége: 18 g-ban van 14 g N 24 g-ban van m g N

mN1 

18  14  24 : m

14  24  24 g 18

b/ Az NO 3 ionban a N mennyisége: 62 g-ban van 14 g N 0,5 g-ban van m g N 62 : 14 = 0.5 : m A N tömegkoncentrációja:

mN 2 

N 

c/ A PO 34 ionban a P mennyisége: mP = A P tömegkoncentrációja: P = (N = 24,113 g/m3, P = 1,534 g/m3)

15

1.8. PÉLDA

A gázelegy tulajdonságai

Egy gázelegy összetétele:

A moláris tömegek:

 H  5 tf % ,

M r H 2   2 kg / kmol

 CO  30 tf % ,

M r CO2   28 kg / kmol

 CO  10 tf % ,

M r CO2   44 kg / kmol

 N  55 tf % ,

M r N 2   28 kg / kmol

2

2

2

A gázelegy nyomása: Moláris térfogat:

p = 0,12 MPa Vm = 22,42 m3/kmal

Számítsa ki: a/ a gázelegy sűrűségét normálállapotban, b/ a komponensek parciális nyomását, c/ a gázelegy átlagos moláris tömegét, d/ a gázelegy speciális gázállandóját, e/ a komponensek moltörtjét és tömegtörtjét. MEGOLDÁS a/ A gázelegy sűrűsége normál állapotban. A gáz moláris térfogata normálállapotban (273,15 K hőmérsékleten, 101,325 kPa nyomáson) : Vm = 22,42 m3/kmol. Az egyes gázok sűrűsége:

H 

M r H 2  2 kg / kmol   0.089 kg / m 3 3 Vm 22,42 m / kmol

 CO 

M r CO  Vm

2

 CO

2

A gázelegy sűrűsége:  e 

  i

i

 e  0,05  0,089 kg/m3 + e 

16

N

2

b/ A komponensek parciális nyomása. Az i gázkomponens úgy tölti ki a V elegy térfogatot, mintha egyedül volna: a kifejtett nyomás megegyezik a pi parciális nyomással. Az i komponens parciális nyomása: pi = i  p (Az i komponens a térfogattört arányában vesz részt az össznyomásban).

p H 2   H 2  p  0,05  0,12 MPa  0,006 MPa

 CO

 CO  p

N

2

A gázelegy nyomása: p =

p

2

i

P = 0,006 + c/ A gázelegy átlagos moláris tömege. Az i komponens térfogattörtje és moltörtje megegyezik, ha a gázelegy idális:

 i  yi . (A kisebb nyomású gázokat, a gyakorlati számításokban, ideálisnak tekinthetjük). A gázelegy átlagos moltömege: M   yi M i   i M i (Az i komponens a moltört arányában vesz részt a moltömegben).

 H  M r H 2   0,05  2 kg / kmol  0,1 kg / kmol 2

CO  M r CO 

CO  M r CO2  

 N  M r N 2  =

2

2

M = 0,1 d/ A gázelegy speciális gázállandója, Rs = R/M Az általános gázállandó: R  8,314 kJ / kmol  K

Rs 

R 8,314 kJ / kmol  K   M 28,3 kg / kmol

e/ A komponensek moltörtje és tömegtörtje. A moltörtek:

x H 2   H  0,05

Ellenőrzés:

x

xCO   CO 

xCO2 

xN 2 

17

i

1

A tömegtörtek

Wi 

xi  M i  i  M i  M M

WH 2  WCO 

 H  M r H 



2

M

 CO  M r CO  2

M

Ellenőrzés:

w

i

0,05  2 kg / kmol  0,00353 28,3 kg / kmol 

WCO2 

WN 2 

1

1.2. TÉRFOGATÁRAMOK, TÖMEGÁRAMOK 

Térfogatáram, qv V adott

keresztmetszeten

egységnyi

idő

alatt

átáramlott folyadék vagy gáz térfogata. Mértékegysége: m3/s A

térfogatáram

arányos

az

áramló

v  m/s A  m2

sebességével (v) és a keresztmetszettel (A):

m m3 2 m  s s

3

qv = vA

közeg

m /s



Tömegáram, qm, m adott keresztmetszeten egységnyi idő alatt átáramlott folyadék vagy gáz tömege.

 a közeg sűrűsége kg/m3

Mértékegysége: kg/s A tömegáram:

qm = qv ρ

kg m 3 kg  3  3 m s

kg/s

18

Térfogatáram sűrűség, v

v 

egységnyi keresztmetszeten, egységnyi idő alatt

qv A

m3 m2  s

átáramlott folyadék vagy gáz térfogata. Mértékegysége: m 3 / m 2  s Tömegáram sűrűség, m

m 

egységnyi keresztmetszeten, egységnyi idő alatt

qm A

átáramlott folyadék vagy gáz tömege.

Gyakori feladat az adott térfogatáramhoz tartozó -

áramlási sebesség kiszámítása, vagy

-

az áramlást biztosító, szükséges keresztmetszet meghatározása.

Reynolds-szám, Re Az áramlás jellege egy csőben („az áramlási kép”) lamináris vagy turbulens lehet. Lamináris

áramlásban

a

folyadékrétegek sebességvektor: 1

párhuzamosan mozognak. A csőfalánál az áramlás sebessége kisebb/ mint a cső tengelyében.

sebességprofil: 2

Turbulens áramlásban a párhuzamos rétegződés felborul, gomolygó mozgás alakul ki. Az áramlás jellegét a Reynolds-számmal fejezzük ki. Egy csőben áramló fluidumra:

Re 

vd 



v az áramlás sebessége, m/s d a cső átmérője, m

 és  az áramló közeg sűrűsége (kg/m3) és viszkozitása Pa  s . Re  2360

Az áramlás lamináris, ha a átmeneti, ha

2360  Re  10000

turbulens, ha

Re > 10000

A Reynolds-szám mindig tartalmaz egy jellemző -

sebességet (itt az áramlás sebessége),

-

méretet (itt a cső átmérője).

19

kg m2  s

1.9. PÉLDA

Térfogatáram – sebesség – Re-szám

Egy csőben víz áramlik. A cső belső átmérője 20 mm. A térfogatáram 100, illetve 800 liter óránként. Számítsa ki a Reynolds-számot és határozza meg az áramlás jellegét! ADATOK

d = 20 mm = 20/1000 = 0,02 m

q v1 = 100 dm3/h,

q v2 = 800 dm3/h



= 1000 kg/m3 (a víz sűrűsége)



= 10-3 Pa  s (a víz viszkozitása)

Ismerni kell az áramlás sebességét. A többi tényező adott. Re 

vd 



v

qv A

A

d2  4

MEGOLDÁS a/ A víz áramlási sebessége: q v   A    qv / A

A térfogatáram:

qv1  100 dm 3 / h  0,1 m 3 / h  0,1 / 3600  0,000028 m 3 / s

qv 2  800 dm 3 / h  0,8 m 3 / h  0,8 / 3600  0,00022 m 3 / s A cső keresztmetszete: A = d2  /4 = 0,022  3,14 / 4 = 0,000314 m2 Az áramlási sebességek:

1 

q v1 0,000028 m 3 / s   0,089 m / s A 0,000314 m 2

2 

qv 2 0,0002   0,7 m / s A 0,000314

20

b/ A Reynolds-számok

Re1  Re 2 

v1 d 

 v2 d 



0,089  0,02  1000  1780 0,001

 

0,7  0,02  1000  14000 0,001

c/ Az áramlás jellege Ha a qv1 = 100 dm3/h:

lamináris

Ha a qv2 = 800 dm3/h: turbulens 1.3. TÖMEGMÉRLEGEK A vegyipari rendszerekben mindig számolnunk kell az anyag, az energia és az impulzus megmaradásának törvényeivel. Ezekhez a paraméterekhez rendelt extenzív mennyiségek a változások, folyamatok során összegükben állandóak maradnak. Ezért ezekre a rendszerekre mérlegegyenleteket írhatunk fel. A művelettan körében a mérlegegyenleteket egy készülékbe, műveleti egységbe, a teljes műveletbe vagy technológiába belépő, majd távozó anyag- és energiaáramokra alkalmazzuk. A mérlegek lehetővé teszik az egyenlet egyik ismeretlen tagjának kiszámítását. Ha az egyenlet mindegyik tagját kiszámítjuk vagy mérjük, és a készülékbe belépő és kilépő oldal nem egyenlő, az anyag, az energia vagy az impulzus egy része „elveszik”, valahol megszökik a rendszerből. Az anyagmérleget általában a tömeg megmaradásával fejezzük ki. a/ A teljes tömegmérleg A készülékbe bevezetett anyagok tömegének összege egyenlő a kilépő anyagok tömegének összegével. 

m

ib





m

kg/h

ik

A b és a k index a be- és a kilépő anyagokra vonatkozik. b/ A részleges tömegmérleg (komponens mérleg). Egy kiválasztott komponens mérlege, pl. a vízben lebegő szilárd anyag tömegére vonatkozik.

21

   Vi  i   b



   Vi  i 

V a térfogatáram

m3/h

kg/m3

 1 az adott komponens tömegkoncentrációja

kg m 3 kg  3  h m h



A V  szorzat az adott komponens tömegáramát adja.

1.11. PÉLDA

A tömegmérleg alkalmazása

Szilárd/ lebegő szemcséket ülepítünk ki vízből gravitációs erőtérben. Az ülepítőben a lebegő anyag nagy része leülepedik a berendezés aljára és iszap formájában eltávolítható. A tisztított, derített víz a túlfolyón távozik. FELADAT Óránként 100 m3 szuszpenziót táplálunk be az ülepítőbe. Mintát veszünk a szuszpenzióból, az iszapból és a derített vízből és meghatározzuk a szárazanyag koncentrációját. Ezek rendre: Ki kell számítani, hogy mekkora teljesítménnyel üzemel az ülepítő: hány m3 tisztított vizet, illetve iszapot kapunk óránként? ADATOK 



V B  100 m3/h

 1 = 95 kg/m3

VD ?

 B = 48 kg/m3

 D = 4,5 kg/m3

Vl ?



MEGOLDÁS a/ Írja fel a tömegmérlegeket! 

Belép: a szuszpenzió, V B 

Kilép: az iszap, V l 

a derített víz, V D 





Mérleg a térfogatáramokkal: V B  V  V D

22

m3 h







A részleges tömegmérleg: V B  B  V I  I  V D  D 



Két ismeretlen: V I és VD

- két egyenlet



b/ Fejezze ki a keresett mennyiséget: V D 



V  VB

I  B I  D







VI  VB VD

c/ Számítsa ki a derített víz térfogatáramát. 

V D  100 m 3 / h

95  48 kg / m 3 95  4,5 kg / m 3

 52 m3/h



V I  100 m 3 / h  52 m 3 / h  48 m3/h PRÓBA

100  48 = 50 . 4,5 + 48 + 95 4800 kg/h  4800 kg/h Az ülepítőbe betáplált szilárd anyag tömege egyenlő az iszappal és a derített vízzel kilépő szilárd anyag tömegének összegével. 1.4. HŐMÉRLEGEK

Az energiamérleg az energia megmaradásának törvényét alkalmazza a műveletekre. Egy készülékbe belépő energia egyenlő a készülékből távozó energiával, ha közben nem játszódik le valamilyen energiatermelő folyamat. A mérlegegyenlet felírásakor figyelembe kell venni valamennyi energiafajtát, a hő-, a helyzeti-, a mozgási energiát, a térfogati munkát, stb. A műveleti számításokban többnyire elegendő, ha egy egyszerűsített energiamérleggel, a hőmérleggel számolunk. A készülékbe bevezetett hőmennyiségek összege egyenlő a kilépő hőmennyiségek összegével:

    m i ii   b

     mi ii  k



mi

a tömegáramok, kg/h

ii

a hőtartalmak, kJ/h

A b és a k index a be- és a kilépő anyagáramokra vonatkozik. Az m  i szorzat hőáramot jelent: kg/h . kJ/kg  kJ/h.

23

1.12. PÉLDA

A hőmérleg alkalmazása

A vízgőzt általában keverő hőcserélőben hűtjük le és kondenzáltatjuk. A vízgőzt vízzel keverjük össze, a gőz leadja rejtett hőjét és lecsapódik, a víz felveszi ezt a hőmennyiséget és felmelegszik. A kondenzvíz a hűtővízzel együtt távozik a kondenzátorból. FELADAT Óránként 1200 kg 0,4 bar nyomású gőzt kell kondenzáltatni 30 oC-os vízzel. A hűtővíz és a kondenzvíz fajlagos hőkapacitása (fajhője) 4,19 kJ/kgoC. Ki kell számítani a gőz kondenzálásához szükséges víz mennyiségét. ADATOK G = 1200 kg/h

A gőztáblázatból a gőz

c = ck = 4,19 kJ/kg

hőmérséklete: tG = 75,89 oC

t = 30 oC

hőtartalma: iG = 2635,7 kJ/kg

A gőz csak a rejtett hőjét adja le, ezért a 75,89 oC-os gőzből 75,89 oC-os kondenzvíz keletkezik. A víz is erre a hőmérsékletre melegszik fel. MEGOLDÁS a/ Írja fel a hőmérleget! Vegye számba a tömegáramokkal belépő és kilépő hőmennyiségeket! A hőmérleg:      m c t  G iGh   m  G  c k t k   

A vízzel belép hőmennyiség: m  c t 

A gőzzel belépő hőmennyiség: G iGh A kondenzvízzel kilépő hőmennyiség:

kg kJ h kg  oC

i mG

h G

 ck t k

c t k  t 



⁄

A gőz lecsapásához 14,46 m3/h vizet kell felhasználni.

24

kJ h

kg kJ kJ  h kg h

b/ A hőmérlegből fejezze ki a keresett mennyiséget: 

C

kg kJ o C  h kg o C

   m  G   ck t k  



o

kJ h

2. ÜLEPÍTÉS

1. Fogalmak, összefüggések. 1/ Az ülepedési sebesség. 2/ Az ülepítők teljesítménye. 3/ Az ülepítők anyagmérlege. 4/ Az ülepítők terhelése. 2. Homokfogók 3. Ülepítők

Ülepítés a szilárd/ lebegő szemcsék elválasztása a folyadékoktól vagy gázoktól gravitációs erőtérben. Az ülepítés célja: - a szuszpenziók megbontása, a szilárd és a folyadékfázis elválasztása - az értékes folyadék vagy a szilárd anyag kinyerése, pl. a bauxit feltárása után az aluminátlúg és a vörösiszap elválasztása, - a felszíni vizek, szennyvizek lebegő szennyeződéseinek eltávolítása, a víz megtisztítása, pl. az ivóvíz előállítása felszíni vizekből, vagy a szennyvizek megtisztítása, mielőtt a befogadóba, az élővizekbe vezetjük, - az iszapok sűrítése, a víz egy részének eltávolítása, - a poros gázok (levegő) megtisztítása.

25

2.1. FOGALMAK, ÖSSZEFÜGGÉSEK A szilárd lebegő anyag lehet szervetlen (ásványi szemcsék….) vagy szerves (növényi maradékok….). A folyadék legtöbbször víz. Az I. típusú szennyezőanyag különálló szemcsékből áll, amelyek nem tapadnak össze, külön-külön süllyednek le a folyadékban. A II. típusú szennyezőanyag szemcséi könnyen összetapadnak, pelyheket képeznek (flokkulumok keletkeznek). A szilárd szemcsés

anyag leülepedését

biztosító

műtárgyakat

technológiai

szempontból négy csoportra osztjuk. - A homokfogók a 0,1 - 0,2 mm-nél nagyobb átmérőjű, I. típusú szennyezőanyag eltávolítására alkalmasak. - Az ülepítők a 0,1 - 0,01 mm átmérőjű lebegő szemcsék eltávolítását teszik lehetővé. - A derítők a 0,01 mm-nél kisebb szervetlen (ásványi szemcsék) és szerves anyagok (részben mikroorganizmusok) eltávolítására alkalmasak koaguláló, pelyhesítő vegyszerek adagolásával. - Az iszapsűrítőkben az iszap leülepedve betömörödik és a folyadékot kiszorítja az iszapágy felületére. 1. Az ülepedési sebesség,  ü Egy ülepedő szemcsére három erő hat: - a gravitációs erő,

Eg

- a közegellenállás,

Ek

- és a felhajtóerő,

Ef

Az ülepedés feltétele: E g  E k  E f Az ülepedési sebesség:

ü 

d 2  sz   f  g 18 

m/s



a folyadék viszkozitása, Pa  s

d

a határszemcse átmérője, m

 sz és  f a szilárd anyag és a folyadék sűrűsége, kg/m3

A határszemcse a legkisebb leülepítendő szemcse. A nagyobb/ nehezebb szemcsék is mind kiülepednek, a kisebb/ könnyebb szemcséket a folyadék magával sodorja. Az ülepedési sebesség érvényes, - ha a szemcsék gömb alakúak, 26

- egymás mozgását nem befolyásolják, - és az ülepedésük lamináris. Lamináris az ülepedés, ha a Re-szám  1 Az ülepedés Re-száma: Re 

d ü  f



Lamináris ülepedéskor a süllyedő szemcse nem zavarja meg a párhuzamos folyadékrétegeket, nem alakul ki turbulencia. 2. Az ülepítők teljesítménye, q Megadja

az

időegység

alatt

leülepített

szuszpenzió

(nyersvíz,

szennyvíz)

térfogatáramát. Arányos az ülepedési sebességgel és az ülepítő felületével (A): q  ü A

m  m 2  m3 / s s

m3/s

3. Az ülepítők anyagmérlege Kifejezi, hogy a készülékbe időegység alatt bevezetett anyagok mennyisége és a kilépő anyagok mennyisége egyenlő m3/h

qb  qi  q d qb , qi , q d

a belépő szuszpenzió, a kilépő iszap és a derített folyadék

térfogatárama, m3/h. A részleges anyagmérleg: az egyik komponensre, rendszerint a szilárd lebegő anyagra vonatkozik: qb  b  qi  i  q d  d

b , i d

kg/h

a belépő szuszpenzió, a kilépő iszap és a derített folyadék szilárdanyag

koncentrációja, kg/m3, A q szorzat a szilárdanyag tömegáramát fejezi ki.

kg m 3 kg  3  h m h

Az anyagmérlegekből kiszámíthatjuk a derített folyadék térfogatáramát: q d  qb

i  b i  d

m3/h

Az iszap mennyisége: qi  qb  q d

m3 / h 27

4. Az ülepítők terhelése A lebegőanyag terhelés,

Wl

Az ülepítőre időegység alatt érkező lebegőanyag tömege: Wl  q  b

kg / h

kg m 3 kg  h m3 h

A felületi lebegőanyag terhelés, wl Az ülepítő egységnyi felületére időegység alatt érkező lebegőanyag tömege: wl 

Wl kg 2 A m h

A vízhozam terhelés (hidraulikai terhelés), q,Wh Az ülepítőre időegység alatt érkező nyersvíz (szennyvíz) térfogata: m3/h. A felületi vízhozam terhelés (felületi hidraulikai terhelés), wh Az ülepítő egységnyi felületére időegység alatt érkező nyersvíz (szennyvíz) térfogata:

wh 

q A

m3 m2  h

Óracsúcs terhelés, óracsúcs tényező A napi szennyvíz nem egyenletesen érkezik az ülepítőkre, a reggeli és esti órákban nagyobb a vízhozam. Ezért a műtárgyakat nem a napi 24 órás, átlagos vízhozamra kell méretezni. A számítások alapját adó vízhozamot, az óracsúcs terhelést a napi szennyvízhozam és az óracsúcs tényező szorzata adja. Egy átlagos településen az óracsúcs tényező általában 1/14.

28

2.2. HOMOKFOGÓK A hosszanti átfolyású homokfogóban a szemcse mozgását két sebesség határozza meg: a vízszintes átfolyási sebesség (   ) és az ülepedési sebesség (  ü ). A vízszintes átfolyási határsebesség: mg nem keveri fel és nem ragadja magával a leülepedett iszapszemcséket



 8  sz   f    g d  0,03   f  

 sz és  f

1/ 2

m/s

a

szilárd

folyadék sűrűsége, kg/m3

d

a határszemcse átmérője, m



a szemcse összetételtől függő tényező, szennyvizeknél

~ 0,04

A homokfogó méretezésének alapja a szennyvízhozam: q (m3/s)A homokfogó szükséges felülete:

q A= ü

2

m

vízhozam, m 3 / s ülepedési sebesség , m / s

A homokfogó keresztmetszete:

q Ak = 

2

m

vízhozam, m 3 / s átfolyási sebesség , m / s

A homokfogó szélessége, B B=

q H

BH 

m

q



A homokfogó hossza, L

L

q ü B

BL 

m

q

ü

Az átfolyási idő, t

t 

L

idő 



Az ülepedési idő, tü

tü 

H

ü

29

út sebesség

és

a

Feltételek:

- lamináris és folyamatos áramlás, - állandó ülepedési sebesség, - gömb alakú és egymástól függetlenül süllyedő szemcsék.

A számításokhoz a medence három méretének (H, B/ L) egyikét, általában a mélységet, megválasztjuk. Az ülepedési sebességeket kísérleti adatok alapján ismerjük. 2.1. táblázat Ülepedési sebességek 10 oC-os álló vízben, mm/s

Sűrűség kg/m

szemcseátmérő, mm

3

1

0,5

0,2

0,1

0,05

0,01

0,005

Homok

2650

140

72

23

6,7

1,7

0,083

0,017

Szén

1500

42

21

7,2

2,1

0,42

0,02

0,004

1200

34

17

5,0

0,83

0,22

0,008

0,002

Települési szennyvízből

A homokfogók fő méreteinek kiszámításához megadjuk a vízhozamot (q), az optimális átfolyási sebességet (  ), ismerjük az adott szemcse ülepedési sebességét (  ü ), és a medence mélységét megválasztjuk (H). A számítás lépései (algoritmusa): 1. A homokfogó felülete:

A  q / ü

m2

2. Keresztmetszete:

Ak  q / 

m2

3. Szélessége:

B  q / H

m

4. Hossza:

L  q / ü B m

PÉLDÁK

2.1.PÉLDA

Átfolyási sebesség

A homok határszemcséjének átmérője 0,5 mm. A homok sűrűsége 2650 kg/m 3, a víz sűrűsége 1000 kg/m3. Számítsa ki, hogy milyen átfolyási sebesség mellett ülepedik ki a határszemcse (és minden nagyobb átmérőjű szemcse)! 30

MEGOLDÁS d = 0,0005 m

 f  1000 kg / m 3

 sz  2650 kg / m 3

8   sz   f     g d    f  

1/ 2

a  alaki tényező: 0,04. a  súrlódási tényező: 0,03.

2650  1000  8  0,04     9,81 0,0005  1000  0,03 

1/ 2

 0,3 m / s

A 0,3 m/s vízszintes átfolyási sebesség mellett van elegendő idő arra, hogy a 0,5 mm átmérőjű határszemcse kiülepedjen.

2.2. PÉLDA

A határszemcse átmérője

Egy homokfogóban az átfolyás sebessége 0,2 m/s. A lebegő szerves anyag sűrűsége 1200 kg/m3, az áramló közeg sűrűsége 1 000 kg/m3. A  és  értékei a 2.1. példában szerepelnek. Számítsa ki, hogy az adott áramlási sebesség mellett mekkora a határszemcse átmérője! MEGOLDÁS 1. Fejezze ki a   képletből a „d”-t. 2. Helyettesítse be a számértékeket. 3. Számítsa ki a határszemcse átmérőjét.

2.3. PÉLDA

(d = 1,9 mm)

Az átfolyási sebesség hatása a határszemcse méretére

Egy homokfogóban 0,3 m/s átfolyási sebesség mellett a határszemcse átmérője 0,2 mm. Üzem közben megváltozik a hidraulikai terhelés, az átfolyási sebesség 0,4 m/s-ra nő. Határozza meg, hogy a nagyobb átfolyási sebesség mellett mekkora a határszemcse átmérője! ADATOK

1  0,3 m / s  2  0,4 m / s

d1  0,2 mm d2  ?

31

MEGOLDÁS Az átfolyási sebességek úgy aránylanak egymáshoz, mint a határszemcsék átmérőinek négyzetgyöke.

1  2

d1 d2



d2 

   d1 2  d 2  d1  2  1  1 

2

2

 0,4   0,2    0,36 mm  0,3 

d2

Nagyobb átfolyási sebesség mellett tehát nagyobb a határszemcse átmérője. A nagyobb átfolyási sebesség rövidebb tartózkodási időt jelent, ezért a nagyobb sebességgel ülepedő, nehezebb szemcsék tudnak kiülepedni.

2.4. PÉLDA

A sűrűség hatása a határszemcse átmérőjére

Egy homokfogóban 0,2 mm átmérőjű homokszemcsék még leülepednek. A víz szerves szennyeződéseket is tartalmaz. A homok sűrűsége 2650 kg/m3, a szerves anyag sűrűsége 1100 kg/m3, a víz sűrűsége 1000 kg/m3. Határozza meg, hogy mekkora a homokkal együtt leülepedő szerves anyag határszemcséjének átmérője. ADATOK

1  2650 kg / m 3

 2  1100 kg / m 3

d1  0,2 mm

d2  ?

  1000 kg / m 3

MEGOLDÁS A határszemcse átmérője fordított arányban áll a sűrűségkülönbséggel:

      d2  1  d 2  d1 1 d1  2    2   d 2  0,2

2650  1000  3,3 mm 1100  1000

A 0,2 mm átmérőjű homokszemcsékkel együtt ülepedő szerves szemcsék átmérője 3,3 mm. Az azonos átmérőjű, kisebb sűrűségű szemcsék lassabban ülepednek. Ezért az adott átmérőjű homokszemcsékkel nagyobb átmérőjű szerves szemcsék ülepednek együtt.

32

33

2.5. PÉLDA

Homokfogó levegőszükséglete

Egy homokfogó hossza 6 m, szélessége 2,5 m, mélysége 3 m. Esős napokon a csúcs vízhozam 12 m3/min. A víz 3 percig tartózkodik a medencében. A hidraulikai hatásfok 90 %. (A medence maximum 90 %-át töltheti ki a víz). Számítsa ki: a/

A medence alkalmas a csúcsvízhozam befogadására is?

b/ A levegőbefúváshoz szükséges levegő mennyiségét és a befúvás energiaszükségletét! MEGOLDÁS L

 6 m,

B  2,5 m,

q cs  12 m 3 / min,



H  3m

t  3 min

 90 %  0,9

a/ A medence térfogata: V  L B H  6 m  2,5 m  3 m  45 m 3

A hidraulikai hatásfokkal korrigálva:

Vk  V  0,9  45 m 3  0,9  40,5 m 3 A medence szükséges, hasznos térfogata (a víz térfogata a tartózkodási idő alatt):

Vh  qcs  t  12 m 3 / min  3 min  36 m 3 A medence befogadja az esős napok csúcsvízhozamát is. b/ A levegőszükséglet és az energiafelhasználás. A medence vízszintes felülete: A  B  L  2,5  6  15 m 2

A medence keresztmetszete:

Ak  B  H  2,5  3  7,5 m 2 A levegőszükséglet a medence hosszának egy folyóméterén egy óra alatt: 10,5 m 3 / fm  h (2.1. ábra).

A levegőszükséglet: Vlev  10,5 m 3 /( m  h)  6 m  63 m 3 / h Az energiafelhasználás a medence egy köbméterére számolva: 16 Wh/m3. (2.1. ábra) Az energiafelhasználás: E  16 Wh / m 3  50 m 3 

34

800 Wh

2.6. PÉLDA

A homokfogó méretezése

A homokfogóra 2000 m3 kommunális szennyvíz érkezik óránként egyenletes eloszlásban. Ki kell ülepíteni a 0,2 mm átmérőjű (és nagyobb) homokszemcséket, amelyek ülepedési sebessége 23 mm/s (2.1. táblázat). A medence mélysége 0,95 m, az átfolyás sebessége 0,3 m/s. Számítsa ki: a/ a homokfogó szükséges felületét, b/ függőleges keresztmetszetét, c/ szélességét, hosszát, térfogatát, d/a szennyvíz tartózkodási idejét! ADATOK

q  2000 m 3 / h d  0,2 mm,  ü  23 mm / s  82,8 m / h

  0,3 m / s  1080 m / h H  0,95 m MEGOLDÁS a/

A vízszintes felület:

A  b/

ü

A 

2000 m 3 / h  24,15 m 2 82,8 m / h

A függőleges keresztmetszet

Ak  c/

q

q



Ak 

2000 m 3 / h  1,85 m 2 1080 m / h

Szélessége, hossza, térfogata

Ak  B  H

B 

AK 1,85 m 2   1,95 m H 0,95

A  LH

L 

24,15 m 2 A   12.4 m H 1,95

V  L  B  H  12,4  1,95  0,95  23 m 3

d/ A szennyvíz tartózkodási ideje t 

V 23 m3   0,0115 h  0,69 min q 2000 m3 / h

35

2.3. ÜLEPÍTŐK Az ülepítők alaptípusa a Dor-ülepítő. Ez egy kör keresztmetszetű medence. A szuszpenziót (nyersvizet, szennyvizet) a medence közepén vezetjük be és sugárirányban áramolva jut a bukóélre. A szilárd lebegő szemcsék kiülepednek a medence aljára, ahol egy lassan forgó kar az iszapzsompba kotorja. A/ Szuszpenzió B/ Derített folyadék C/ Iszap 1. Elosztó 2. Bukóél 3. Kotró szerkezet 4. Zsomp A feladatok három típusát különböztetjük meg. I. típus: az ülepítő átmérőjének kiszámítása. Mekkora átmérőjű medencét kell építeni, hogy előírt teljesítménnyel működjön és az adott átmérőjű határszemcse is kiülepedjen?

d

ü 

d 2  n   f g 

A 

18  f

q

ü

D 

4A



II. típus: az ülepítő teljesítményének kiszámítása. Egy megépített, adott átmérőjű medence, adott átmérőjű határszemcse kiülepítése során mekkora teljesítménnyel üzemel? Kiszámítjuk:

m / s 

-

a d átmérőjű szemcse ülepedési sebességét:  ü

-

a D átmérőjű ülepítő felületét: A  D 2 / 4 (m 2 )

-

teljesítményét:



q  ü A m3 / s



III. típus: a felület és az átmérő kiszámítása a lebegőanyag terhelés (Wl) és a megengedhető felületi lebegőanyag terhelés (wlm) ismeretében. A  Wl / wlm

kg kg /  m2 2 h hm

36

a felület és az átmérő kiszámítása a vízhozam terhelés (q) és a megengedhető felületi hidraulikai terhelés (whm) ismeretében:

A  q / whm

m3 m3 / h h  m2

 m2

PÉLDÁK 2.6. PÉLDA

A Dorr-ülepítő átmérője (I. típusú feladat)

Vörösiszapot ülepítünk ki aluminátlúgból. A határszemcse átmérője 0,1 mm. A szilárd anyag viszkozitása 10 2 Pa  s. A szennyvízhozam 3600 m3/h. Számítsa ki:

a/ a vörösiszap szemcsék ülepedési sebességét, b/ az ülepítő felületét, c/ az ülepítő átmérőjét, d/ a felületi hidraulikai terhelést, e/ határozza meg az ülepedés jellegét!

ADATOK q  3600 m 3 / h  1 m 3 / s

 sz  5000 kg / m 3

d  0,1 mm  10 4 m

 f  1200 kg / m 3 

 10 2 Pa  s

MEGOLDÁS a/ Az ülepedési sebesség

ü 

d 2  n   f  g 18 



10  5000  1200 9,821 4 2

18  10

2

 2,07  10 3 m / s

b/ Az ülepítő felülete

q  ü A  A 

q

1 m3 / s  482,8 m 2 2,07  10 3 m / s



ü

c/ Az ülepítő átmérője A 

D2   4

4A





4  482,8  24,8 m 3,14

d/ A felületi hidraulikai terhelés

Wh 

3600 m 3 / h  7,45 m 3 / m 2 h 2 482,8 m

37

Az ülepedés jellege Re 

d ü  f



10 4  2,07   10  2

 2,48  10  2

Re  1, az ülepedés lamináris.

2.7. PÉLDA

A Dorr-ülepítő teljesítménye (II. típusú feladat)

Az ülepítő átmérője 12,5 m. A lebegőanyag sűrűsége 2500 kg/m3, a víz sűrűsége 1000 kg/m3, viszkozitása 10 3 Pa  s. A határszemcse átmérője 0,1 mm. Számítsa ki

a/ az ülepedési sebességet, b/ az ülepítő felületét, c/ az ülepítő teljesítményét!

ADATOK D  12,5 m

d  0,1 mm  10 4 m

 sz  2500 kg / m 3  f  1000 kg / m 

ü  ? A  ? q  ?

3

 10 3 Pa  s

MEGOLDÁS a/ Az ülepedési sebesség:

ü 

d 2  sz   f  g 18 



10  2500  1000 9,81 4 2

18  10 3

 0,0082 m / s

b/ Az ülepítő felülete:

A 

D2  12,5 2  3,14   122,65 m 2 4 4

c/ Az ülepítő teljesítménye:

q   ü A  0,0082 m / s  122,65 m 2  1 m 3 / s  3600 m 3 / h d/ A felületi hidraulikai terhelés:

wh

3600 m 3 / h   29,35 m 3 / m 2  h 2 122,65 m

e/ Az ülepítés jellege:

38

Re 

d ü  f





10 4  8,2  10 3  9,81  8,04  10  2 3 10

A Re-szám  1, az ülepedés lamináris.

2.8. PÉLDA

A Dorr-ülepítő átmérője (III. típusú feladat)

A szennyvíztisztító telepre 20000 m3 kommunális szennyvíz érkezik naponta. Az óracsúcs tényező 1/14. A megengedhető felületi hidraulikai terhelés 1,3 m 3 / m 2  h. A szennyvíz tartózkodási ideje 1,2 óra. Technológiai szempontból célszerű két egyforma, párhuzamosan működő Dorrülepítőt építeni. Egy ülepítő vízhozam terhelése tehát 10000 m3 naponta. Számítsa ki: a/ az ülepítő csúcsterhelését, b/ felületét, c/ átmérőjét, d/ hasznos térfogatát, e/ hasznos mélységét! ADATOK

q  10000 m 3 / d whn  1.3 m 3 / m 2  h

óracsúcs tényező 1 / 14 t  1,2 h

MEGOLDÁS a/ Az ülepítő csúcsterhelése.

q cs

10000 m 3 / h q    714,28 m 3 / h 14 14

b/ Az ülepítő felülete. Az ülepítőre 714,28 m3 szennyvíz érkezik óránként a csúcsidőben, 1 m2-re érkezhet 1,3 m3 óránként. Hány m2 kell 714,28 m2 szennyvíz fogadására? A 

q cs 714,28 m 3 / h   549,4  550 m 2 3 2 whm 1,3 m / m  h

39

c/ Az ülepítő átmérője. A 

D2   D  4

4A





4  550  26,5 m 3,14

d/ Az ülepítő hasznos térfogata, amit a szennyvíz betölt 1,2 órán át: 1 óra alatt érkezik 714,28 m3 1,2 óra alatt érkezik V m3 1 h : 714,28 m3 = 1,2 h : V m3

V 

714,28 m 3  1,2 h  857,12 m 3 1h

e/ Az ülepítő mélysége:

V  A H  H 

2.9. PÉLDA

857,12 m 3 V   1,56 m A 550 m 2

A Dorr-ülepítő átmérője (III. típusú feladat)

Egy utóülepítőben 10000 m3 biológiailag tisztított szennyvizet ülepítünk naponta. A lebegőanyag koncentráció a belépő vízben 4 kg/m3, a kilépő vízben 20 g/m3. Az üzemi tapasztalatok alapján a megengedhető felületi lebegőanyag terhelés 3 kg / h  m 3 , és a megengedhető felületi hidraulikai terhelés 1,2 m 3 / h  m 2 , az átfolyási idő 2,5 óra. Számítsa ki: a/ az ülepítőn óránként átáramló víz térfogatát, b/ a leülepedő lebegőanyag mennyiségét %-ban, c/ a medence lebegőanyag terhelését, d/ a medence szükséges felületét és átmérőjét, e/ az ülepítő felületi hidraulikai terhelését, és hasonlítsa össze a megengedhető értékkel, f/ a medence szükséges térfogatát és mélységét! ADATOK

q  1000 m 3 / d

wlm  3 kg / h  m 2

 b  4 kg / m 3

whm  1,2 m 3 / h  m 2 t  2,5 h

 k  20 g / m 3  0,02 kg / m 3

40

MEGOLDÁS a/ Az ülepítőn átáramló víz térfogata óránként:

10000 m 3 / d q   416,7 m 3 / h 24 h b/ A leülepedett lebegőanyag mennyisége:

   b   k  4  0,02  3,98 kg / m3 4 kg/m3 lebegőanyag

100 %

3,98 kg/m3 lebegőanyag

m%

m 

100 %  98 kg / m 3  99,5 % 4 kg / m 3

c/ Az ülepítő lebegőanyag terhelése:

Wl  q   b  416,7 m 3 / h  4 kg / m 3  1666,8 kg / h d/ A medence szükséges felülete és átmérője: A medencébe érkezik 1666,8 kg/h lebegőanyag, 1 m2 felületre juthat 3 kg / m 2  h .

A  A 

1666,8 kg / h w   555,6 m 2 2 wlm 3 kg / m h

 D2 4

 D 

4F





4  555,6  26,6 m 3,14

e/ Az ülepítő felületi hidraulikai terhelése: wh

416,7 m 3 / h q    0,75 m 2 / m 2  h A 555,6

A felületi hidraulikai terhelés kisebb/ mint a megengedhető érték! f/ A medence szükséges térfogata és mélysége: Óránként érkezik 416,7 m3 szennyvíz, ezt a medencének 2,5 órán át kell tárolni. V  q  t  416,7 m 3 / h  2,5 h  1041,75 ~ 1042 m 3

1042 m 3 V H    1,87  1,9 m A 555,6 m 3

41

V  A H

2.10. PÉLDA A Dorr-ülepítő átmérője A napi szennyvíz 30000 m3, a lebegőanyag tartalom 250 g/m3. Az ülepítő hatásfoka 90 %, átlagos mélysége 3 m, az átfolyási idő 1 óra. Az ülepítő hidraulikai hatásfoka 80 %. Számítsa ki: a/ a naponta eltávolított lebegőanyag tömegét, b/ az ülepítő térfogatát, felületét és átmérőjét! ADATOK

q

 30000 m 3 / d  1250 m 3 / h

 b  250 g / m 3  0,250 kg / m 3   0,9

t  1h  h  0,8 H  3m

MEGOLDÁS a/ A beérkező lebegőanyag mennyisége naponta:

mb  q   b  30000 m 3 / d  0,250 kg / m 3  7500 kg / d Az eltávolított lebegőanyag mennyisége naponta: me    mb  0,9  7500 kg / d  6750 kg / d

b/ Az ülepítő hasznos térfogata: Az óránként érkező szennyvizet 1 órán át kell befogadni.

Vh  q  t  1250 m 3 / h 1 h  1250 m 3 Az ülepítő térfogata: A medence 80 %-át tölti ki a hasznos térfogat.

V 

Vh

h



1250 m 3  1562,5 m 3 0,8

Az ülepítő felülete:

A 

1562,5 m 3 V   520,8 m 2 H 3m

V  A H

Az ülepítő átmérője: D 

4A  

4  520,8  25,8 m 3,14

42

A

D 2 4

m2

2.11. PÉLDA

A Dorr-ülepítő anyagmérlege

Egy Dorr ülepítőre érkező szuszpenzió 100 m3 óránként, amelynek a szilárd anyag koncentrációja 50 kg/m3. A derített folyadékból és az iszapból vett minták elemzése alapján a szilárd anyag koncentrációk a derített vízben 4,5 kg/m3, az iszapban 100 kg/m3. Számítsa ki, hogy hány m3 derített folyadék és iszap keletkezik óránként. ADATOK

q b  100 m 3 / h

 d  4,5 kg / m 3

qd  ?

 b  50 kg / m 3

 i  100 kg / m 3

qi  ?

MEGOLDÁS A derített folyadék térfogatárama:

q d  qb

i  b 100  50 kg / m 3  100 m 3 / h  52,35 m 3 / h 3 i  d 100  4,5 kg / m

Az iszap térfogatárama:

qi  qb  q d  100 m 3 / h  52,36 m 3 / h  47,65 m 3 / h PRÓBA A belépő szilárd anyag tömegárama:

qb  b  100 m 3 / h  50 kg / m 3  5000 kg / h A kilépő szilárd anyag tömegárama: a derítménnyel: q d  d  52,35 m 3 / h  4,5 kg / m 3  235,57 kg / h az iszappal:

qi  d  47,65 m 3 / h  100 kg / m 3 

4765,00 kg / h 5000,57 kg / h

Az ülepítőbe belépő és kilépő szilárd anyag mennyisége egyenlő.

2.12. PÉLDA

Tömegáramban megadott betáplálás

A Dorr ülepítőben 8 tömeg %-os CaCO3 szuszpenziót ülepítünk. A folyadékfázis víz. A határszemcse átmérője 40 mm. Az ülepítő teljesítménye 80 t/h szuszpenzió. A CaCO3 sűrűsége 2710 kg/m3. Számítsa ki: a/ a határszemcse ülepedési sebességét, b/ az ülepítő felületét, c/ és átmérőjét! 43

A feladat sajátossága, hogy a tömegáramot át kell számolni térfogatáramra. Az ülepítő teljesítményének képletében térfogatáram szerepel: qv   ü A ( m 3 / h) ADATOK: q m  80 t / h  80000 kg / h

q sz  2710 kg / m 3

w  8 tömeg %

q f  1000 kg / m 3

d  40 m  4  10 5 m

 f  10 3 Pa  s

MEGOLDÁS a/ A határszemcse ülepedési sebessége:

ü 

d 2  n   f  g

4  10  2710  1000 9,81 5 2

  0,0015 m / s  5,4 m / h 18  f 18  10 3 A biztonság érdekében az elméleti érték felével számolunk:

 ü  0,5   ü  0,5  5,4  2,7 m / h b/ Az ülepítő felülete: A  q v /  ü A szuszpenzió térfogata a szilárdanyag és a víz térfogatának összege. A CaCO3 tömege a 8 tömeg %-os szuszpenzióban:

mCaCO3  80000 kg  0,08  6400 kg A CaCO3 térfogata:

VCaCO3  mCaCO3 /  CaCO3

VCaCO3  6400 kg / 2710 kg / m 3  2,36 m 3 A víz tömege: mv  800000  6400  73600 kg

A víz térfogata: Vv  mv /  73600 kg / 1000 kg / m 3  73,6 m 3

A szuszpenzió térfogatárama:

qv  2,36 m3 / h  73,6 m3 / h  75,96 ~ 76 m3 / h Az ülepítő felülete:

A 

q



ü

76 m 3 / h  28,15 m 2 2,7 m / h

c/ Az ülepítő átmérője: D 

4A





4  28,15  6m 3,14

44

2.13. PÉLDA

A határszemcse átmérőjének hatása

A Dorr ülepítő átmérője 6 m, felülete 28,15 m2. A 40 m átmérőjű határszemcse ülepedési sebessége 5,4 m/h. (5.12. PÉLDA) Hogyan változik az ülepedési sebesség, az ülepítő felülete és átmérője, ha a 20 m átmérőjű szemcséket is ki kell ülepíteni azonos körülmények között? ADATOK

 ü1  5,4 m / h ü2  ?

d 1  40 m d 2  20 m

A1  28,15

D1  6 m

A2  ?

D2  ?

MEGOLDÁS Az ülepedési sebesség: Az ülepedési sebességek úgy aránylanak egymáshoz, mint az átmérők négyzetei.

ü1 d 12  ü2 d2

 40     20 

2

ü2 

 4

 ü1 4



5.4 m / h  1,35 m / h 4

Az ülepítő felülete: A1 

q

 ü1  4  ü 2

 ü1

A1 

q 4 ü 2

4 A1 

q

A2  4 A1

ü2

A2  4 A1  4  28,15  112,6 m 2

Az ülepítő átmérője: A leülepedő határszemcse átmérője és az ülepítő átmérője fordított arányban áll. d1 D2  d2 D1

D2  D1

d1 d2

D2  6 m

40 m  12 m 20 m

PRÓBA D2 

4A



4  112,6  11,97 m ~ 12 m 3,14



ÁLTALÁBAN Ha a határszemcse átmérője n-ed részére csökken 2

az ülepedési sebesség n -szer lesz kisebb 2

a felület n -szer lesz nagyobb

d1 / n

 ü 2   ü1 / n 2 A2  n 2 A1

az átmérő n-szer lesz nagyobb

D2  n D1

45

3.

SZŰRÉS

1. Rácsok 2. Sziták 3. Nyomósszűrők 4. Vákuumszűrők 5. Homokszűrők

A szűrés olyan művelet, amellyel a szilárd/ lebegő anyagokat távolítjuk el a folyadékokból valamilyen szűrőközeg segítségével. A szűrőközeg lehet -

rács - az 5 mm-nél nagyobb/ darabos szennyeződés eltávolítására,

-

szita - a 0,1 mm-nél nagyobb szemcsés szennyeződés visszatartására,

-

szűrőszövet - a pórus méretének megfelelően 1 – 10 m átmérőjű szemcsék kiszűrésére,

-

homokágy - elsősorban a pelyhes szennyeződések eltávolítására.

Az 1 m -nél kisebb részecskék (makromolekulák, baktériumok…) kiszűrése speciális feladat, ez már az ultraszűrés művelete. A szűrés zagyok, szuszpenziók, felszíni vizek, szennyvizek szétválasztását jelenti két fázisra: szilárd anyagra és folyadékra. A szűrés célja a folyadék megtisztítása, vagy az értékes szilárd anyag visszanyerése. Műveleti példák: -

ivóvíz előállítása, szennyvíztisztítás,

-

iszapok víztelenítése,

-

extrakciós oldatok elválasztása a növényi, állati maradéktól,

-

feltárási oldatok elválasztása az ásványi maradéktól. 46

3.1. RÁCSOK 1. Fogalmak, összefüggések A rácsok a felszíni vizekben, szennyvizekben úszó lebegő, nagyobb méretű szennyeződések eltávolítására szolgálnak. A durva (ritka) rácsok

A finom (sűrű) rácsok

pálcaköze 20 – 100 mm

pálcaköze 5 – 50 mm

Az üzemi tapasztalatok alapján néhány paraméter javasolt értéke: -

a rácsra folyó víz sebessége, 

-

a visszaduzzasztás mértéke, h

-

felszíni vizek tisztításakor max. 0,15 m

-

szennyvizek tisztításakor

0,5 – 0,8 m/s

max. 0,40 m

A

visszaduzzasztást

a

rácson

felhalmozódó rácsszemét okozza, ezért a rácsot időnként meg kell tisztítani. Jelölések: B a rács teljes szélessége, b

egy pálcaköz szélessége, az határozza meg, hogy milyen méretű testeket akarunk visszatartani,

d

egy pálca szélessége,

Z egy rácsegység: Z = b + d. 2. A rácsok méretezése A méretezés alapja a rácsra érkező vízhozam, (a hidraulikai terhelés) q, m3/s. Ki kell számítani a rács szélességét. Ismerjük a vízhozamot (q), az optimális ráfolyási sebességet (), meghatározzuk a visszatartandó testek méretét, tehát egy pálcaköz szélességét (b). Az összes pálcaköz szélességének biztosítani kell az adott térfogatú víz átáramlását a rácson, adott idő alatt.

47

A méretezés algoritmusa: 1. Az összes pálcaköz szélessége

q h

bö 

m3 m / h  m s s

bö b

m / m  db

3. Egy rácsegység

Z  bd

mmm

4. A rács szélessége

B  nZ

nm  m

2. A pálcaközök száma

n 

A számított szélességű rácsot kell összeállítani a beszerezhető elemekből. Több méter széles rács esetén célszerű a szennyvizet több/ 1,5 – 2 m széles csatornára szétosztani és a rácselemeket ezekben elhelyezni. 3. A rácstisztítások száma Meghatározásához ismerni kell a következő két adatot. a/ A különböző pálcaközű rácsokon felfogott rácsszemét térfogatát. 3.1. Táblázat A rácsszemét térfogata átlagos szennyvízben. Pálcaköz, mm 1. Rácsszemét, dm3/m3 2. Rácszemét, dm3/m3

10

20

30

40

50

0,18-

0,12-

0,05-

0,03-

0,02-

0,25

0,16

0,08

0,05

0,03

0,28-

0,18-

0,12-

0,06-

0.05-

0,35

0,24

0,15

0,08

0,06

1. Elválasztott csatornázási rendszerben 2. Egyesített csatornázási rendszerben A táblázat azt adja meg, hogy 1 m3 szennyvízből hány dm3 rácsszemét akad fenn az adott pálcaközű rácson. b/ A megengedhető visszaduzzasztáshoz tartozó rácsszemét mennyiségét. A tapasztalatok szerint 15 cm magas és 2 cm vastag rácsszemét okoz 20 cm visszaduzzasztást.

48

PÉLDÁK 3.1. PÉLDA

A rács méretezése

Egy 40 000 lakosú város szennyvízének kezelésére rácsot tervezünk. A szennyvíz mennyisége 0,15 m3/fő nap. Az óracsúcs tényező 1/14. Az átemelő szivattyú zavartalan működése miatt a megengedett legnagyobb méretű szennyeződés 25 mm. Ezért a 20 mm pálcaközű rácsot választjuk. A legyártott rács szélessége 2 m, a pálca 8 mm lapos acél. A víz sebessége 0,7 m/s, a visszaduzzasztás a tiszta rácson 5 cm. Számítsa ki a rács szélességét! Hány 2 m-es rácselem szükséges? ADATOK A napi vízhozam: q  40000 fő  0,15 m3 / fő  d  6000 m3 / d A csúcshozam: qcs  6000 / 14  430 m 3 / h  0,12 m 3 / s b  20 mm  0,02 m,

  0,7 m / s,

d  8 mm  0,008 m

h  5 cm  0,05 m

MEGOLDÁS 1. Az összes pálcaköz szélessége:

bö 

qcs 0,12 m 3 / s   3,43 m h 0,7 m / s  0,05

2. A pálcaközök száma: n 

bö  b

3,43 m 0,02 m

 171,2 ~ 172

3. Egy rácsegység: Z  b  d  0,02 m  0,008 m  0,028 m

4. A rács szélessége: B  nZ  172  0,028  4,8 m ~ 5 m

A feladat biztonságosan megoldható három csatornában egyenként 2 m széles ráccsal.

3.2. PÉLDA

A rácstisztítások száma

A szennyvízhozam 7500 m3 naponta. A rács szélessége 3x2 m, a pálcaköz 20 mm. A megengedhető visszaduzzasztás 20 cm. A szennyvíz elválasztott csatornarendszeren érkezik. Határozza meg a napi rácstisztítások számát és ütemezését!

49

MEGOLDÁS a/ A rácsszemcsék mennyisége naponta A 20 mm-es rácson fennakad 0,15 dm3 rácsszemét minden m3 átlagos szennyvízből (3.1.) táblázat). A napi rácsszemét térfogata: V  7500 m3  0,15 dm 3 / m3  1125 dm3

b/ 20 cm szintkülönbséget 15 cm magas és 2 cm vastag rácsszemét okoz. 600 cm (6 m) széles rácson a megengedhető rácsszemét térfogata:

Vm  600 cm 15 cm  2 cm  1800 cm 3  18 dm 3 A rácsot tisztítani kell, ha felhalmozódott 18 dm3 rácsszemét. A tisztítások száma naponta:

n 

1125 l V   62,6 ~ 63 Vm 18 l

t 

24  60 min .  22,8 min . 63

A rácsot ~ 23 percenként kell tisztítani. MEGJEGYZÉS Ha a szennyvíz nem egyenletesen elosztva érkezik, a csúcsidőben a rácsot gyakrabban kell tisztítani. A csúcsidőben visszatartott rácsszemét, ha az óracsúcs tényező 1/14: Vcs = 115 l/14 = = 80,36 dm3/h. A tisztítások száma csúcsórákban:

Vcs 80,36 dm 3 / h n    4,46 ~ 5 Vm 18 dm 3

t 

60 mm  12 min . 5

A rácsot 12 percenként kell tisztítani óránként a csúcsidőben.

3.3. PÉLDA

Rács méretezése

Egy 2500 lakosú város szennyvízének kezelésére rácsot tervezünk.

50

A szennyvíz mennyisége 0,15 m 3 / fő  d . Az óracsúcs tényező 1/14. A kiválasztott rács 1,5 m széles, a pálcaköz 20 mm, a pálca szélessége 8 mm. A víz sebessége 0,7 m/s. A visszaduzzasztás a tiszta rácson 5 cm. A megengedhető vízszintkülönbség 20 cm. A szennyvíz elkülönített csatornarendszeren érkezik. Számítsa ki a rács szélességét! Hány 1,5 m-es rácselem szükséges? Határozza meg a rácstisztítások számát! ADATOK q  25000 fő  0,15 m3 / fő  d  3750 m3 / d  367,85 m3 / h  0,074 m3 / s

Óracsúcs tényező: 1/14   0,7 m / s

h  5 cm  0,05 m

b  0,02 m d  0,008 m

hm  20 cm

MEGOLDÁS a/ A rács szélessége: 1. Az összes pálcaköz szélessége: bö 2. A pálcaközök száma: n 3. Egy rácsegység: Z 4. A rács szélessége: B ( 3 m) A feladat megoldható 2 csatornában egyenként 1,5 m-es ráccsal. b/ A rácstisztítások száma: 1. A napi rácsszemét térfogata A 20 mm-es rácson felhalmozódó rácsszemét:

0,15 dm 3 / m 3

(3.1. táblázat) A napi rácsszemét térfogata:

V  q m3 / d  0,15 dm3 / m3  562,5 dm

2. A megengedhető rácsszemét térfogata: A megengedhető visszaduzzasztás 20 cm, ezt 15 cm magas és 2 cm vastag rácsszemét okozza. A megengedhető rácsszemét térfogata:

Vm  B cm 15 cm  2 cm

cm 3  dm3

3. A napi rácstisztítások száma: N  V / Vm ( 63) A tisztítások közötti időtartam: t perc

51

9000 cm 3  9 dm 3

c/ A rácstisztítások száma csúcsidőben, óránként: A rácsszemét térfogata csúcsidőben: Vcs  V / 14

562,5 / 14  40,2 dm 3 / h

A tisztítások száma: N cs  Vcs / Vm

40,2 / 9  4,46 ~ 5 / h

A tisztítások közötti időtartam: t perc

60 / 5  12 min

3.2. SZITÁK 1. Fogalmak, összefüggések A sziták a vízben úszó, lebegő, kisebb méretű szennyeződések eltávolítására szolgálnak, legkisebb lyukméretük 0,1 mm, tehát ennél nagyobb szemcsék kiszűrésére alkalmasak. A sziták egyik gyakran alkalmazott típusa a dobszita. A dobszita vízszintes tengellyel meghajtott forgó dob/ amelynek palástja perforált, erre feszítjük ki a szitaszövetet. A víz a szintkülönbség hatására áramlik át a dobszitán. 2. A dobszita méretezése A méretezés alapja a vízhozam, q, az átfolyó tisztítandó víz térfogatárama, m3/s.

1. Dob 2. Szitaszövet 3. Szüredék kivezetés 4. Öblítővíz

Ki kell számítani a dob szükséges felületét és átmérőjét. Első lépésben azt a felületet, amelyen az adott térfogatú víz adott idő alatt át tud folyni. A szabad átfolyási felület: Asz

Asz 

q

 a szitára folyó víz



sebessége

m3 m /  m2 s s

A szabad átfolyási felület arányos a vízhozammal és fordítottan arányos az átfolyás sebességével. Nagyobb átfolyási sebesség mellett kisebb felületen folyik át ugyanaz a mennyiségű víz. Második lépésben kiszámítjuk a dob felületét a szükséges szabad átfolyási felület ismeretében.

52

A víz csak a dob palástján kialakított furatokon áramolhat át. Az átfolyási felület kisebb/ mint a dob felülete. Ezt egy keresztmetszeti tényezővel vesszük figyelembe. A dob keresztmetszeti tényezője: f d a szabad lyukak és az egész dob felületének hányadosa:

fd 

A

ly

/ Ad

A szitaszövet is ellenállást fejt ki a víz áramlásával szemben. A víz csak a szitaszövet lyukain folyhat át. Ezt is egy keresztmetszeti tényezővel vesszük figyelembe. A szitaszövet keresztmetszeti tényezője, f szi   Aly / Aszi A keresztmetszeti tényezőket a gyártó cég megadja. Kiterített szita A dobszita keresztmetszeti tényezője, f k a dob és a szita keresztmetszeti tényezőinek szorzata: f k  f d  f szi A dobnak csak a vízbe merülő része vesz részt a szűrésben, ez a hasznos felület. A bemerülés mértékével is számolni kell, amely 30-40 % : f b = 0,3 – 0,4 A méretezés algoritmusa: 1. a szabad átfolyási felület

Asz  q / 

2. A keresztmetszeti tényező

f k  f d  f szi

m3 m /  m2 s s

fb

3. A bemerülés mélysége

A 

4. A dob felülete

Asz fk  fb

m2

Harmadik lépésben kiszámítjuk a dob átmérőjét (D), a felület ismeretében. A dob szélességét (B) megadjuk. A dob palástjának felülete: A  LB  KB  D  B

A kerületével:

kiterített

palást

hossza

egyenlő

L  K  D

53

a

dob

A dob átmérője:

A  D B 

D 

A B

PÉLDÁK 3.4. PÉLDA

A dobszita méretezése

Felszíni vízből kell kiszűrni a 2 mm-nél nagyobb lebegő szemcséket. A napi vízhozam 10000 m3. Az átfolyás sebessége 0,3 m/s. A dob keresztmetszeti tényezője 0,4, a szitaszöveté 0,6. A dob 35 %-a merül a vízbe. A dob szélessége 800 mm. Számítsa ki a dobszita felületét és átmérőjét! ADATOK

q  10000 m 3 / d  416,6 m 3 / h  0,116 m 3 / s f d  0,4, f szi  0,6, f b  0,35

  0,3 m / s B  800 mm  0,8 m MEGOLDÁS 1. A szabad átfolyási felület:

Asz 

q





0,116 m 3 / s  0,386 m 2 0,3 m / s

2.A dob keresztmetszeti tényezője: f k  f d  f szi  0,4  0,6  0,24

3.A bemerülés mértéke: f b  0,35 4.A dobszita felülete:

A 

Asz 0,386 m 2   4,59 m 2 ~ 4,6 m 2 fk  fb 0,24  0,35

5.A dobszita átmérője:

D 

4,6 m 2 A   1,83 ~ 1,9 m B 3,14  0,8 m

A feladathoz 1,9 m átmérőjű és 0,8 m széles dobszita kell. 54

3.5. PÉLDA

A dobszita kiválasztása

A vízhozam 20000 m3 naponta. A szennyeződés maximális átmérője 2 mm lehet. Az optimális szűrési sebesség 0,25 m/s. A perforált dob keresztmetszeti tényezője 0,4, a szitaszöveté 0,64. A dob 45 %-a merül a vízbe. A dobszita átmérője 2500 mm, szélessége 1100 m. Számítsa ki a dobszita szükséges felületét! A kiválasztott méretű dobszitával a feladat megoldható? ADATOK

q  20000 m 3 / d  833,3 m 3 / h  0,231 m 3 / s   0,25 m / s f d  0,4,

f szi  0,64,

f b  0,45

D  2500 mm  2,5 m,

B  1100 mm  1,1 m

MEGOLDÁS a/ A dobszita szükséges felülete. 1. A szabad átfolyási felület: Asz 

q





0,231 m 3 / s  0,924 m 2 0,25

2. A keresztmetszeti tényező: f k  f d  f szi  0,4  0,64  0,256

3. A bemerülés mértéke:

f b  0,45

4. A dobszita felülete:

A 

Asz 0,924 m 2   8 m2 fk  fb 0,256  0,45

b/ A kiválasztott dobszita felülete. A  D B  2,5 m  3,14 1,1 m  8,62 m 2

A kiválasztott dobszita felülete nagyobb/ mint a szükséges felület. Ezért alkalmas a szűrési feladatra.

55

3.3. NYOMÓSZŰRŐK 1. Fogalmak, összefüggések A nyomósszűrőkben a szuszpenzió egy szűrőszöveten áramlik át nyomás hatására. A szilárd/ lebegő anyagok a szűrőszöveten fennakadnak. A továbbiakban már a lerakódott iszaplepény felületén következik be a szűrés. (Felületi szűrés). A nyomósszűrőkben a szűrőközeg belépő oldalán nyomást hozunk létre, a szuszpenziót „átpréseljük” a szűrőszöveten, majd az iszaplepényen. Az iszaplepény növekvő vastagságával nő az ellenállás a folyadék áramlásával szemben és csökken a szűrés sebessége állandó nyomás mellett. A szűrés sebessége:

  k

pA R

Darcy egyenlet

m3 / s

egyenesen arányos a nyomáskülönbséggel ( p ), és a szűrő felületével (A), fordítva arányos a szűrlet dinamikai viszkozitásával (  ) és az ellenállással (R). Az ellenállás két tagja az iszap ( Ri ) és a szűrőszövet ( Rsz ) ellenállása: R  Ri  Rsz .

a/ Az iszaplepény ellenállása arányos az egységnyi felületen lerakódott iszap tömegével. Az ellenállást a száraz iszap (a szűrőszöveten „víztelenített” iszap) tömegegységének vastagságával fejezzük ki. Mértékegysége: méter/kilogramm. A szűrési állandó, C C  R   sz

R

m kg 1  2 3 kg m m

a száraz iszap tömegegységének ellenállása, m/kg

 sz a száraz anyag koncentrációja az iszapban,

kg/m3

Jellemző a szűrendő anyag minőségére. b/ A szűrőszövet ellenállását kifejezhetjük a vele egyenértékű iszaplepény ellenállásával.

Ve  m 3

Az egyenértékű szűrlettérfogat, Ve

átszűrésekor rakódik le olyan vastag iszaplepény, amelynek az ellenállása megegyezik a szűrőszövet ellenállásával, m3. Jellemző a szűrőszövet minőségére.

56

2. A C és a VE meghatározása. A szűrési idő V térfogatú szűrlet előállításához: t 

2 C VE  C C V2  V  V 2  2 VE V 2 2 2 pA pA pA





A szűrési idő kiszámításához ismerni kell az adott berendezésre jellemző szűrési állandót és egyenértékű szűrlet térfogatot. A C és a VE értékét egy a szűrési kísérlettel határozhatjuk meg: adott időközönként (pl. percenként) megmérjük a szűrlet térfogatát. Az egyenletet V-vel osztva egy egyenes egyenletéhez jutunk: 2 C VE  C t  V  2 v pA  p A2 y  ax  b

Idő, t

Térfogat, V

" a" az egyenes meredeksége " b" a tengelymet szet

t/V

m3

S

A t/V hányadost a V függvényében ábrázolva, az egyenes meredekségéből és a tengelymetszetből kiszámíthatjuk a C és a VE értékét:

a 

C a  p A2  C    p A2

b 

2 C VE  b  p A2  V  E 2 C  p A2

A C és VE meghatározásának algoritmusa: 1. Mérjük meg az idő függvényében a szűrlet térfogatát az adott berendezéssel. 2. Kiszámítjuk a t/V hányadost. 3. Ábrázoljuk a t/V hányadost a V függvényében. 4. Kiszámítjuk az egyenes meredekségét (a) és leolvassuk a tengelymetszetet. (b) 5. Kiszámítjuk a C és a VE értékét az „a” és a „b” ismeretében. 3. Az optimális szűrési idő Az iszaplepény növekvő vastagsága miatt nő az ellenállása, csökken a szűrés sebessége, az időegység alatt nyert szűrlet térfogata. Ezért célszerű a szűrést egy idő után befejezni és a szűrőt kitisztítani.

57

Az optimális szűrési idő, t o t alatt nyerjük az optimális szűrlet térfogatot. Később a szűrlet térfogatának növekedése nincs arányban a befektetett energiával. Az optimális szűrési időt és térfogatot két módszerrel határozhatjuk meg: a/ Empirikus összefüggések felhasználásával Az optimális szűrési idő:

t opt  t h 

2VE A

C  th p

th

s

a

holtidő

szétszerelésének,

(a

szűrő

kitisztításának

és összeszerelésének időtartama). Az optimális szűrlet térfogat: Vo p t  A

th  p C

m3

b/ Szűrési kísérlet adataiból grafikus úton! 1. Mérje

meg

a

szűrlet

térfogatát

az

idő t

függvényében!

s

V

m3

2. Ábrázolja a szűrlet térfogatát az idő függvényében mm papíron! 3. Mérje fel az origótól balra a th értékét az idő azonos léptékével! 4. A th pontból húzzon érintőt a szűrési görbéhez! 5. Az érintkezési pontot vetítse a két tengelyre! 6. Olvassa le a topt és Vopt értékét! PÉLDÁK

3.6. PÉLDA

A szűrési állandó és az egyenértékű szűrlet térfogat

A nyomószűrő felülete 1,5 m2, a nyomáskülönbség 0,3 bar. A szűrlet viszkozitása 10-3

Pa  s. A szűrőn kalcium-karbonát szuszpenziót szűrünk, 2 percenként mérjük a szűrlet térfogatát. Számítsa ki: a/ a szűrési állandót, b/ az egyenértékű szűrlet térfogatát! 58

Idő, t

Térfogat, V

t/V

s

m3

s/m3

120

0,0258

4651,2

240

0,0497

4829,0

360

0,0724

4972,4

40

0,0934

5139,2

ADATOK

 p  0,3 bar  0,3 10 5 Pa

A  1,5 m 2

  10 3 Pa  s MEGOLDÁS 1. Számítsa ki a t és a V mérési adatokból a t/V hányadost! 2. Ábrázolja mm papíron a t/V hányadost a V függvényében! (3.1 ábra) 3. Az ábráról olvassa le a tengelymetszetet: b = 4470 Számítsa ki a meredekségét! a  tg   u /   4900  4470 / 0,06  7166,6

4. Számítsa ki a C és a VE értékét!

C  VE 

3.7.PÉLDA

a  p A2



7166,6  0,3 10 5 1,5 2   4,84 1011 3 10

1/ m 2

b  p A2 4470  0,3 10 5 1,5 2   0.312 m 3 11 3 2 C 2  4,84 10 10

A szűrési idő adott szűrlet térfogat eléréséig

A nyomószűrő felülete 1,5 m2, a nyomáskülönbség 0,3 bar. A szűrlet viszkozitása 10-3

Pa  s. A berendezés szűrési állandója 4,84  1011 az egyenértékű szűrlet térfogat 0,312 m3. (3.6. PÉLDA) Számítsa ki, hogy az adott berendezéssel mennyi idő alatt „állítható elő” 100, illetve 200 l szűrlet!

59

ADATOK A  15 m 2

C  4,84 1011 1 / m 2

p  0,3 bar  0,3 105 Pa

VE  0,312 m 3



V  0,1 m 3 illetve 0,2 m 3

 10 3 Pa  s

MEGOLDÁS a/ V = 0,1 m3 szűrlet t 

C 4,84 1011 10 3 2 V  2 V V  0,12  2  0,312  0,1  519 s E  p A2 0,3 10 5 1,5 2









t  8,65 min .

b/ V = 0,2 m3 szűrlet t=? A második 0,1 m3 szűrlet előállításához már hosszabb idő kell. Mi ennek az oka? MEGJEGYZÉS Számítsa ki a szűrési időt a t = a V2 + b V összefüggéssel is: a = 7166,6, b = 4470 (3.6. PÉLDA)!

3.8. PÉLDA

Az optimális szűrési idő

Pelyhes szennyeződést kell eltávolítani vízből egy nyomószűrővel. A szűrő felülete 1,2 m3, a nyomáskülönbség 1 bar. A szűrési állandó

6,5  10 7 1/m2, az

egyenértékű szűrlet térfogat 2  10 3. A holtidő 8 perc. Egy szűrési kísérlet során mértük a szűrlet térfogatát két percenként: Idő

Térfogat

s

m3

120

0,042

a/ Számítsa ki az optimális szűrési időt és az

240

0,065

optimális szűrlet térfogatát!

360

0,080

480

0,092

b/ Határozza meg az optimális szűrési időt a

600

0,100

mérési adatok alapján grafikus úton!

60

ADATOK

A

C  6,5 10 7 1 / m 2

 1,2 m 2

   1 bar  110 5 Pa t h  8 min  480 s

VE  2 10 3 m 3

MEGOLDÁS a/ Optimális szűrési idő: to p t

2 VE  th  A

2 10 3 C t h  480  p 1,2

6,5 10 7  480 110 5

t o p t  445 s  7,42 min

Optimális szűrlet térfogat:

Vo p t  A b/

th  p  1,2 C

480 110 5  0,886 m 3 7 6,5 10

1. Ábrázolja a szűrlet térfogatát az idő függvényében! (3.2. ábra) 2. Mérje fel balra a th holtidőt, azonos idő léptékben! 3. Húzzon érintőt a th pontból a szűrési görbéhez! 4. A találkozási pontot vetítse le az időtengelyre és olvassa le az optimális szűrési időt: topt = 5. A találkozási pontot vetítse a függőleges tengelyre és olvassa le az optimális szűrlet térfogatot: Vopt = A két módszerrel kapott eredmény jó egyezést mutat.

3.9. PÉLDA

A szűrési idő adott szárazanyag tartalomig

Kiszámíthatjuk azt a szűrési időt is, amely az iszap szárazanyag tartalmának növeléséhez, az iszaplepény előírt szárazanyag tartalmának ( wil ) eléréséhez kell. Szuszpenziót szűrünk egy nyomószűrőn 5  10 5 Pa nyomáson. A szuszpenzió szárazanyag tartalma 2 %. Az iszap fajlagos ellenállása 3  1012 m / kg. a/ Mennyi ideig kell szűrni, hogy az iszaplepény szárazanyag tartalma 10 % legyen? ADATOK

 p  5 10 5 Pa R  3 1012 m / kg

wi  2 % ( 0,02 ) wil  10 % ( 0,1)

61

t  k

R wil  wi 

2

 1,5 10 6

 p wi 1  wi 

3 1012  0,1  0,02  2,9 óra 5 10 5  0,02 1  0,02 2

b/ Mennyi ideig kell szűrni, hogy az iszaplepény szárazanyag tartalma 15 % legyen? Hasonlítsa össze az a, és a b/ feladat eredményét!

3.4. VÁKUUMSZŰRŐK 1. Fogalmak, összefüggések A vákuumszűrőkben a szűrőközeg kilépő oldalán vákuumot létesítünk, a szuszpenziót átszívjuk a szűrőszöveten, majd az iszaplepényen. A vákuumszűrők egyik gyakran használt típusa a vákuum-dobszűrő. Ez egy lassan forgó, perforált falú dob/ amelyre szűrőszövetet feszítünk ki. A kamrákra osztott dobban vákuumot létesítünk, amely felszívja a szuszpenziót. A szilárd anyag a szűrőszövet felületén halmozódik fel, a szűrletet a kamrákból vezetjük el. Az iszaplepény eltávolítása folyamatos (3.4. ábra) A vákuum dobszűrő jellemző tulajdonsága a szűrési teljesítmény. A szűrési teljesítmény, M Egységnyi kg / m 2  s,

felületen,

egységnyi

idő

alatt

leszűrt

kg / m 2  h.

2. A szűrési teljesítmény Egy fél-empirikus összefüggéssel számíthatjuk ki:

 2 pC   M  A  B  R   1  wi A 1  wi / wil C

 180

o

1/ 2

B  1000 cos  

wi 1  wi

r h   r

p

a nyomáskülönbség (a vákuum), Pa,



a szűrlet viszkozitása, Pa  s



a ciklusidő, a dob körül fordulásának ideje: s/fordulat, 62

szárazanyag

tömege:

R

a szűrési ellenállás (előzetes kísérletek alapján), m/kg

wi és wil

az iszap és az iszaplepény szárazanyag tartalma, %

r

a dob sugara, m

h

a dob bemerülésének mélysége, m

PÉLDÁK 3.10. PÉLDA

A vákuum-dobszűrő felülete

Egy szennyvíztisztítóban 1000 m3 iszap keletkezik naponta. Az iszap szárazanyag koncentrációja 40 kg/m3. A

vákuum-dobszűrő

átmérője

2,8

m,

hossza

2,62

m,

szűrési

teljesítménye

25 kg szárazanyag / m 2  h, üzemideje 24 h / d .

Hány dobszűrő kell az iszap víztelenítéséhez? ADATOK

q  1000 m 3 / d

 sz  35 kg / m 3

D  2,8 m L  2,62 m

t

 24 h

M  25 kg / m 2  h

=

MEGOLDÁS a/ A szárazanyag tömege naponta:

m  q   sz  1000 m3 / d  40 kg / m3  40000 kg / d Ezt a szárazanyag tömeget kell leszűrni. b/ A vákuum-dobszűrő szűrési teljesítménye naponta:

M d  25 kg / m 2  h  24  600 kg / m 2  d A dobszűrő 1 m2 felülete 600 kg szárazanyagot szűr ki naponta. Hány m2 szükséges 40000 kg szárazanyag kiszűréséhez? c/ A vákuum-dobszűrő szükséges felülete:

A

40000 kg / d m   66,6 m 2 2 Md 600 kg / m  d

Egy dobszűrő felülete:

Ad  D  L  2,8  3,14  2,62  23 m 2 A dobszűrők száma: N  A / Ad  66,6 / 23  2,89 ~ 3 db

63

3.11. PÉLDA

Iszap víztelenítése vákuum-dobszűrővel

Egy szennyvíztisztítóban 1 500 m3 iszap keletkezik naponta, amelynek szárazanyag koncentrációja 30 kg/m3. A kondicionáláshoz 2 % Fe3+ iont (FeClSO4 alakban) és 20 % Ca (OH)2-at adagolnak a szárazanyagra számolva naponta, amelynek 80 %-a az iszap szárazanyag tartalmát növeli. A kondicionált iszap szárazanyag tartalma 5 %, szűrés után 2 %. A vákuum-dobszűrő felülete 30 m2, szűrési teljesítménye 27 kg / m 2  h , üzemideje 24 óra. Számítsa ki, hogy mekkora naponta a/ az iszap szárazanyag tömege, b/ a kondicionáló szerek tömege, c/ az iszap szárazanyag tömege kondicionálás után, d/ a víztelenítendő iszap tömege, e/ az iszaplepény tömege, f/ hány vákuum-dobszűrő kell a szűréshez! ADATOK q  1500 m 3 / d

m Fe 3   2 % ( szárazanyagra számolva)

 sz  30 kg / m 3

mCa(OH )3  20 % ( szárazanyagra számolva)

wi  5 tömeg %

80 %  a az iszapba megy

wil  22 tömeg %

M  27 kg / m 2  h t  24 h

A  30 m 2

MEGOLDÁS a/ Az iszap szárazanyag tartalma:

msz  q   sz  1500

m3 kg  30 3  45000 kg / d d m

b/ A kondicionáló szerek tömege: kg  0,02  900 kg / d d  45000 kg / d  0,2  9000 kg / d

m Fe 3  45000 mCa(OH ) 2

c/ A kondicionáló szerek tömegének 80 %-a jut az iszapba.

mk  9900 kg / d  0,8  7920 kg / d misz  msz  mk  45000  7920  52920 kg / d

64

d/ A víztelenítendő iszap tömege kondicionálás után: az iszap szárazanyag tartalma 52920 kg/d/ ez az iszap 5 %-a 5%

52920 kg/d

100 %

mi

mi 

kg/d

52920 100  1 058 400 kg/d 5

e/ Az iszaplepény tömege a szűrés után: az iszaplepény szárazanyag tartalma

52920 kg/d/ ez az iszaplepény 22 %-a

(szűréskor az iszap szárazanyag tartalma jut az iszaplepénybe) 22 %

52920 kg/d

100 %

mil

mil 

kg/d

52920 100  240 545 kg/d 22

f/ A vákuum-dobszűrők száma: a dobszűrö szűrési teljesítménye naponta: M  27 kg / m 2  h  24  648 kg / m 2  d szárazanyag

a leszűrendő szárazanyag naponta: mszk = 52920 kg/d a szükséges felület: A 

mszk 52920 kg / d  M 648 kg / m 2  d

 81,6 m 2

A 30 m2 felületű dobszűrőből 3 db kell.

3.12. PÉLDA

Vákuum-dobszűrő szűrési teljesítménye

Az iszap szárazanyag tartalma

4 %,

szűrés után az iszaplepényé 2 %. A

nyomáskülönbség (a vákuum) 0.35 bar. A szűrlet viszkozitása 1  10 3 Pa  s A dobszűrő sugara 1 m és 0,2 m-rel merül a szuszpenzióba. A ciklusidő 90 s/fordulat. A fajlagos szűrőellenállás előzetes kísérletek alapján, 3,25  1011 m / kg. Számítsa ki a vákuum-dobszűrő szűrési teljesítményét! ADATOK

r  1m

wi  4 % wil  22 %



 110

3

Pa  s

p  0,35 bar  0,35 10 5 Pa

h  0,2 m   90 s / fordulat R  3,25 1011 m / kg

MEGOLDÁS

 2  pC   A vákuum-dobszűrő szűrési teljesítménye: M  A  B  R   

65

1/ 2

 wi B    1  wi A 

  0,04 1000    1  0,04 

1  wi 1  wi / wil

cos  



 1000  41,66 kg / m 3 

1  0,04  1,17 1  0,04 / 0,22

rh 1  0,2   0,8    36,87 r 1

 2  0,35 10 5  0,205 M  1,17  41,66 110 3  3,25 1011  90 

1/ 2

C 

 180

   0,0053 kg / m 2  s  M  19 kg / m 2  h

66

o



36,78  0,205 180

3.5. HOMOKSZŰRŐK

1. Fogalmak, összefüggések A homokszűrés során a vizet szemcsés anyagból (kavicsból, zúzott kőből, homokból, stb.) álló adott vastagságú szűrőrétegen engedjük át. A lebegő szennyeződés a szemcsék közötti „csatornákban” akad meg (mélységi szűrés). A mélységi szűrés két egymást követő fázisra bontható: -

részecskék transzportja a megkötődés helyére,

-

kötőerők kialakulása a szűrőréteg és a részecskék között.

A kötőerők nagyrészt van der Waals erők, hidrogénhíd kötések és elektromos kettősréteg kölcsönhatások. A nyitott homokszűrők nagy vasbeton medencék – a víz gravitáció hatására áramlik át a homokágyon. (3.5. ábra) A zárt homokszűrők kör keresztmetszetű acéltartályok – a víz áramlási sebességét nyomással növeljük meg. (3.5. ábra) A homokszűrők üzemére két paraméter A p és jellemző:

a  e változása

az

idő

függvényében

A hidrodinamikai nyomásesés, p A szűrőréteg feletti és alatti nyomás különbsége – amely a szűrőréteg eltömődése miatt változik. Az elfolyó víz koncentrációja,  e Mindegyik függ a szűrés idejétől.

A szűrőágy lassú eltömődése miatt a szűrést meg kell szakítani, amelynek két kritériuma lehet: -

a nyomásesés megengedhető határa (pm)

-

szűrlet megengedhető koncentrációja (  m )

Az áttörési idő addig tart, amíg a szűrőágy teljes vastagsága telítődik, és a szűrletben megjelenik a szennyeződés (t1). 67

Az eltömődési idő addig tart, amíg a nyomáskülönbség eléri a megengedhető értéket (t2). Az ideális az lenne, ha a szűrlet minősége akkor válna elfogadhatatlanná, amikor a nyomásesés is eléri a megengedhető értéket: t1 = t2. Ha a t1  t2, csökkenteni kell a t2 időt (növelni kell a szűrőellenállást): -

koagulálószerek adagolásával a szűrés előtt,

-

a szűrőréteg vastagságának növelésével,

-

a szűrési sebesség növelésével,

-

finomabb szemcséjű homok alkalmazásával.

A szűrhetőséget jelentősen befolyásolja a víz előkezelése, a koagulálás és a flokkulálás körülményei: a koagulálószer koncentrációja, a keverés időtartama és fordulatszáma. A homokszűrés optimális körülményeire a szűrhetőségi szám jellemző. A szűrhetőségi szám, F F 

 p  e   b t

p a nyomásesés, Pa

 b ill .  e a betáplált , ill . az elfolyó víz koncentrációja , g / m3

 az átfolyási sebesség, m / s t szűrési idő, s

A homokszűrés optimális paraméterei: a jó tisztítási hatásfok (a  e és  b hányados kis értéke), kis nyomásesés és nagyobb átfolyási sebesség. Optimális körülmények mellett a szűrhetőségi szám minimális értéket vesz fel. 2. A homokszűrők méretezése A méretezés alapadata az időegység alatt érkező víz térfogata. Ismerjük a vízhozamot (q), egy szűrőegység felületét (A), a lebegőanyag koncentrációját (  l ) és a megengedhető felületi lebegőanyag terhelést ( wlm ) Ki kell számítani -

a szükséges szűrőfelületet, amelyen az adott térfogatú víz adott idő alatt átáramolhat,

-

a szűrőegységek számát,

-

a szűrés időtartamát, azt az időt mialatt a felületi lebegőanyag terhelés eléri a megengedett értéket.

68

A szükséges szűrőfelület:

Asz 

q

m3 m /  m2 h h



A szűrőegységek száma: a szükséges szűrőfelület és egy szűrőegység felületének hányadosa: N  Asz / A

m 2 / m 2  db

A lebegőanyag tömege, ml

m 3 kg kg  3  h m h

ml  q   l

 l a lebegőanyag tömegkoncentrációja. A felületi lebegőanyag terhelés, wl a szűrőre időegység alatt érkező lebegőanyag tömege egy négyzetméterre számítva: wl 

ml A

kg hm2

kg 2 kg /m  h h m2

A megengedhető felületi lebegőanyag terhelés, wlm A kiszűrhető lebegőanyag tömege a szűrő egy négyzetméterére számítva

kg / m 2

A szűrési periódus időtartama, t Időtartam, amely alatt a felületi lebegőanyag terhelés eléri a megengedhető értéket: t 

wlm wl

kg kg /  h m2 m2 h

A homokszűrők méretezésének algoritmusa: 1. A szükséges szűrőfelület 2. A szűrőegységek száma

Asz  N 

q

m2

 Asz A

3. A lebegőanyag tömege

db kg/h

ml  q  l 4. A felületi lebegőanyag terhelés

wl 

69

m A

kg / m 2  h

5. A szűrési periódus időtartama

t 

wlm w

kg kg / 2 h 2 m m h

PÉLDÁK 3.13. PÉLDA

Nyitott, gyors homokszűrő alkalmazása

Naponta 24000 m3 vízből kell kiszűrni a lebegő, pelyhes szennyeződést. A lebegőanyagok koncentrációja 10 mg/dm3. Egy szűrési periódusban kiszűrhető pelyhes anyag mennyisége 1 kg, a szűrő egy négyzetméterére számítva. Az optimális szűrési sebesség 5 m/h. Alkalmazza a hazánkban elterjedt 53,2 m2 alapterületű (3,8 x 14 m) medencét! Számítsa ki: a/ a szükséges szűrőfelületet, b/ a szűrőegységek (medencék) számát, c/ a szűrési periódusok időtartamát! ADATOK q  24000 m 3 / d  1000 m 3 / h

 l  10 mg / dm 3  10 g / m 3  0,01 kg / m 3   5 m/h wml  1 kg / m 2 A  53,2

MEGOLDÁS a/ A szükséges szűrőfelület:

Asz 

q





1000 m 3 h  200 m 2 5 m/h

b/ A szűrőegységek száma:

N 

Asz 200 m 2   3,76 ~ 4 db A 53,2 m 2

c/ A szűrési periódusok időtartama: 1000 m3 víz érkezik 1 óra alatt, hoz 1000 m3/h . 0,01 kg/m3 = 10 kg/h lebegőanyagot. 1 m2 felületre jut 10

kg / 200 m 2  0,05 kg / h  m 2 , h

A felületi lebegőanyag terhelés: wl  0,05 kg / h  m 2 A megengedhető felületi lebegőanyag terhelés: wlm  1 kg / m 2

70

A szűrési periódus időtartama: Ki kell számítani, hogy mennyi idő alatt halmozódik fel 1 kg lebegőanyag 1 m2 felületen, ha óránként 0,05 kg érkezik.

t 

Wlm 1 kg / m 2   20 h Wl 0,05 kg / h  m 2

A szűrőket 20 óránként kell visszamosni. MEGJEGYZÉS Egyik szűrő visszamosásakor három szűrőre kell elosztani a térfogatáramot. Ez megnöveli az átfolyási sebességet. Egy szűrőre jutó vízhozam ekkor:

1000 m 3 / h q q1    333,3 m 3 / h N 1 3 Az átfolyási sebesség egy szűrőn:

q1 333,3 m 3 / h 1    6,26 m / s A 53,2 m 2 Ez az átfolyási sebesség még megengedhető.

3.14. PÉLDA

Zárt, gyors homokszűrő alkalmazása

A víz vastartalmát hidroxid formában választjuk le. Ki kell szűrni a Fe(OH)3 pelyheket. A napi vízhozam 10000 m3. A lebegőanyag koncentrációja 1,7 mg/dm3. A célszerű szűrési sebesség 7 m/h. Egy szűrési periódusban 0,6 kg/m2 terhelés engedhető meg. A választható tartályok átmérője 3150 vagy 4000 mm. Számítsa ki: a/ a szükséges szűrőfelületet, b/ a szűrőegységek (tartályok) számát, c/ a szűrési periódusok időtartamát! ADATOK q  10000 m 3 / d  416,6 m 3 / h

 l  1,7 mg / dm 3  1,7 g / m 3  0,0017 k / m 3   7 m/h wml  0,6 kg / m 2 D1  3,15 m,

D2  4,0 m

71

MEGOLDÁS a/ A szükséges szűrőfelület

Asz 

q





416,6 m 3 / h  59,5 m 2 7 m/h

b/ A szűrőegységek száma Egy szűrőegység felülete:

D12  3,15 2  3,14   7,79 m 2 4 4

A1 

A2 

A szűrőegységek száma:

N1 

Asz 59,5 m 2   7,64 ~ 8 db A1 7,79 m 2

N2 

c/ A szűrési periódusok időtartama A szűrőre érkező lebegőanyag mennyisége:

ml  q   l  416,6 m3 / h  0,0017 kg / m3  0,7 kg / h A felületi lebegőanyag terhelés: ml 0,7 kg / h   0,012 kg / h  m 2 2 A 59,5 m

wl 

Kétszeres biztonsággal számolva: 2  0,012  0,024 kg / h  m 2 A szűrési periódus időtartama:

wml 0,6 kg / m 2 t    25 h wl 0,024 kg / h  m 2 A szűrőket 25 óránként kell öblíteni. MEGJEGYZÉS A nagyobb vagy a kisebb átmérőjű tartályokból célszerű összeállítani a szűrőtelepet? Egy tartály visszamosásakor a vízhozam a többi tartály között oszlik meg. Számítsa ki, hogy -

mekkora vízhozam jut egy szűrőre (q1, q2)

-

és mekkora a szűrési sebesség egy szűrőn (1, 2)

ha egy tartály kiesik a folyamatból! Azt a változatot célszerű választani, amelynél a szűrési sebesség növekedése kisebb.

72

3.5. ábra

73

4. CENTRIFUGÁLÁS

Alapfogalmak, összefüggések

A cetrifugálás olyan művelet, amellyel különböző sűrűségű anyagokat választunk el egymástól centrifugális erőtérben. Műveleti példák: -

egymásban nem oldódó folyadékok elválasztása (emulziók megbontása): a tej lefölözése, az olaj és a víz elválasztása, stb.,

-

a folyadékban lebegő diszperz, szilárd anyagok eltávolítása (szuszpenziók megbontása): pl. a gyümölcslevek elválasztása a rostoktól, stb.,

-

4.1.

az iszapok víztelenítése.

Alapfogalmak, összefüggések

A centrifugák fő szerkezeti eleme a saját tengelye körül forgó hengeres vagy kúpos dob. Ebbe adagoljuk a szétválasztandó anyagot. Az

ülepítő

centrifugákban

a

szilárd

szemcsék kiülepednek a dob falára a centrifugális erő hatására, a folyadék a dob pereménél távozik. A szűrő centrifugák palástja perforált, ennek belső falára simul rá a szűrőszövet. A szilárd szemcsék fennakadnak a szűrőszöveten, a szűrlet „kirepül” a ház falának.

74

1. Ház 2. Dob 3. Iszaplepény 4. Szűrőszövet

A jelzőszám, j a centrifugális és a gravitációs gyorsulás viszonya. Megadja, hogy a centrifugálás hányszor hatékonyabb az ülepítésnél. R 2 R n2 ~ g 900

j 

n a fordulatszám, 1/min

R a keringő szemcse pályájának sugara, helyettesíthető a dob sugarával (m),  a szögsebesség Az ülepedési sebesség a centrifugális erőtérben:

d 2 (  sz   f ) g R n 2 vü  18  900 A fordulatszámot 1/min-ban kell behelyettesíteni! A folyamatos üzemű centrifugákban a szemcse akkor éri el a dob falát, ha a tartózkodási idő (tt) a centrifugában nagyobb/ mint a szemcse ülepedési ideje t ü  : t t  t ü

tt 

Vh qt

m3  s m3 / s

tü 

Rr

ü

m  s m/ s

Vh a centrifuga hasznos térfogata, amit a forgó dob térfogatából a folyadék kitölt (m 3), qt a centrifugán átáramló folyadék térfogatárama (m3/s) A hasznos térfogat:

Vh  R  r   H 2

m3

R a forgó dob sugara, m r a folyadékréteg belső felületének sugara (a túlfolyó peremének sugara), m H a forgó dob magassága, m

75

A forgó dob térfogatának 50-60 %-át hasznosítjuk. A centrifuga teljesítménye (kapacitása), qt megadja az időegység alatt szétválasztható szuszpenzió térfogatát: m3/s. A centrifuga teljesítménye arányos a hasznos térfogattal és fordítva arányos az ülepedés idejével:

V qt  h tü

m3 s

Ki kell számítani az adott centrifuga teljesítményét és a feladat elvégzéséhez szükséges centrifugák számát. Ismerjük a centrifuga méreteit: R, r, H a zagy jellemzőit: sz, f, f, q Kiszámíthatjuk a/ dob térfogatát és hasznos térfogatát: V, Vh b/ az adott d átmérőjű szemcse ülepedési sebességét: ü ülepedési idejét: tü c/ a centrifuga teljesítményét: qt (m3/s) d/ a q (m3/s) zagy feldolgozásához szükséges centrifugák számát. PÉLDÁK 4.1. PÉLDA

A centrifuga teljesítménye

Naponta 75 m3 iszap keletkezik. Az iszap víztelenítéséhez rendelkezésre áll 3, 5, 10 vagy 25 m3/h kapacitású centrifuga, amelyek a névleges kapacitás 2/3-ával üzemelnek hatékonyan. Legkevesebb két centrifugát kell működtetni az üzembiztonság érdekében. A centrifugák 8 órás műszakban üzemelnek. a/ Határozza meg a centrifuga szükséges teljesítményét! b/ Válassza ki a feladatra alkalmas kapacitású centrifugákat! MEGOLDÁS q = 75 m3/d t= 8 h

centrifuga – kapacitások 3, 5, 10, 25 m3/h

76

a/ A szükséges teljesítmény 8 órás műszakban:

75 m 3 q qt    9,37 m3/h t 8h A centrifugákat a kapacitásuk 2/3-ával (66,6 %-ával) üzemeltetjük. A szükséges kapacitásnál tehát nagyobb névleges kapacitású centrifuga kell. 66,6 %

kapacitás

9,37 m3/h

100 %

kapacitás

qt

m3/h

66,6 % : 9,37 m3/h = 100 % : qt m3/h

9,37 m 3 / h 100 % = 14 m3/h qt  66,6 % b/ A feladathoz 1 db 10 m3/h és 1 db 5 m3/h, vagy 3 db 5 m3/h névleges kapacitású centrifugát kell alkalmazni.

4.2. PÉLDA

Ülepedési sebesség a centrifugában

Vörösiszap szemcséket ülepítünk aluminát oldatból centrifugában. A vörösiszap szemcsék sűrűsége 5000 kg/m3, átmérője 0,01 mm. Az aluminátlúg sűrűsége 1200 kg/m3, viszkozitása 10 2 P  s. A centrifuga átmérője 1 m, fordulatszáma 500/min. Számítsa ki a szemcsék ülepedési sebességét gravitációs és centrifugális erőtérben! MEGOLDÁS

 sz  5000 kg / m 3

d  0,01 mm  10 5 m

 f  1200 kg / m 3

D  1m



n  500 / min

 10  2 Pa s

Az ülepedési sebesség: a/ gravitációs erőtérben

ü  ü

d 2  sz   f  g 18 



10  5000  1200 9,81 5 2

18 10  2

10 8  3800  9,81   10 8  2071 ~ 2 10 5 m / s 18

b/ centrifugális erőtérben a jelzőszám:

j 

R n2 0,5  500 2   138,90 900 900

77

ü  2 10 5 138,9  277,8 10 4  2,78 10 3 m / s Az ülepedési sebesség a centrifugális erőtérben két nagyságrenddel nagyobb. A jelzőszám képletébe a fordulatszámot 1/min mértékegységben kell behelyettesíteni.

4.3. PÉLDA

A centrifuga teljesítménye

Keményítőtejből 0,02 mm átmérőjű keményítő szemcséknél nagyobb szemcséket választunk el centrifugában. A keményítőtej sűrűsége 1100 kg/m3, viszkozitása 10 2 Pa  s. A keményítőszemcsék sűrűsége 1500 kg/m3. A centrifuga dobjának átmérője 1200 mm, szélessége 600 mm, fordulatszáma 955/min. A túlfolyó peremének sugara 420 mm. A centrifugát 200 kg kiülepedett keményítő mennyiségenként ürítjük egy leszedő késsel, leállás nélkül. Percenként 2 m3 zagyot kell feldolgozni, amelyben a keményítő 10 tömeg %. Számítsa ki: a/ a centrifugadob térfogatát és a hasznos térfogatot, b/ az ülepedési sebességet és az ülepedés időtartamát, c/ a centrifuga teljesítményét, d/ a centrifugák számát, e/ és a centrifuga periódus idejét! ADATOK

q  2 m 3 / min  0,033 m 3 / s w  10 % d  0,02 mm  2 10 5 m

 f  110 kg / m 3 R  600 mm  0,6 r  420 mm  0,42 m

 f  10 2 Pa  s  sz  1500 kg / m 3

l  600 mm  0,6 m

m  200 kg a/ A dob térfogata és hasznos térfogata.

D2  1,2 2  3,14 l  0,6  0,678 m 3 4 4 Vh  R 2  r 2  l  0,6 2  0,42 2 3,14  0,6  0.347 m 3 V 









(A dobot kb. 50 %-ig tölthetjük fel a szuszpenzióval).

78

b/ Az ülepedési sebesség és az ülepedés időtartama

ü

d 2  sz   f  g R n 2   18  600

2 10  1500  1100 9,81 5

18 10  2

0,6  955 2 600

 ü  872 10 8  608  5,3 10 3 m / s tü 

Rr

ü



0,6  0,42  34 s 5,3 10 3

c/ A centrifuga teljesítménye. Mivel a tü = tt, a 0,347 m3 zagynak 34 s-ig kell a centrifugában tartózkodni. Hány m3 folyik át a dobon 1 s alatt? Vh 0,347   0,01 m 3 / s tú 34 s

qt 

d/ A centrifugák száma. Egy centrifuga 0,01 m3 zagyot dolgoz fel 1 s alatt. Hány centrifuga kell 0,033 m3-hez?

n 

0,033 m 3 / s q   3,3 ~ 4 db qt 0,01 m 3 / s

e/ A centrifuga periódus ideje. 1 m3 keményítőtej tömege: mkt  1 m 3 1100

kg  1100 kg. m3

Ennek 10 tömeg %-a a keményítő: mk  1100  0,1  110 kg . 110 kg keményítő van

1 m3-ben

200 kg

Vkt m3-ben

keményítő van

110 kg : 1 m3 = 200 kg : Vkt m3

Vkt 

1 m 3  200 kg  1,82 m 3 110 kg

Egy centrifuga teljesítménye… 0,01 m3/s 200 kg keményítő kiülepedéséhez (1,82 m3 keményítőtej centrifugálásához) szükséges időtartam: 0,01 m3 keményítőtejet centrifugál

1 s alatt

1,82 m3 keményítőtejet centrifugál

 s alatt

0,01 m3 : 1 s = 1,82 m3 :  s

1 s 1,82 m 3    182 s  3 min . 0,01 m 3

79

A keményítőtej betáplálását 3 percenként kell leállítani és a kiülepedett keményítőt a leszedő késsel eltávolítani. MEGJEGYZÉS 3 percig centrifugálunk 1,82 m3 keményítőtejet, 1 percig centrifugálunk: 1,82/3 = 0,6 m3-t, 4 centrifugával: 4  0,6 = 2,4 m3-t. A feladat: 2 m3 feldolgozása percenként, ami 4 centrifugával biztonságosan megoldható.

80

5. FLOTÁLÁS AZ OLAJCSEPPEK FELÚSZTATÁSA

1. Hosszanti átfolyású olajfogó 2. Lemezes olajfogó

Flotálás Az olajcseppek (zsírcseppek) és a kolloid tartományhoz közel álló szilárd szemcsék felúsztatása a víz felszínére. Az olajcseppek felúszásának oka az olaj és a víz sűrűségének különbsége. Az olajfogók elterjedt típusa a hosszanti átfolyású egy vagy két kamrás és a lemezes olajfogó. A szilárd szemcsék felúszását a felületi tulajdonságok határozzák meg. A víztaszító (hidrofób) felületű szemcsék a levegő buborékokhoz tapadva felúsznak a víz felszínére, a nedvesedő (hidrofil) szemcsék leülepednek. A flotálás alkalmazása (műveleti példák): -

olajos, zsíros szennyvizek tisztítása (ásványolaj feldolgozás, gépjármű javító, kocsi mosó műhelyek, ….),

-

tisztító műveletek, pl. a leoldott nyomdafesték elválasztása a papírpéptől,

-

iszapok sűrítése,

-

algák eltávolítása a felszíni vizekből.

Az olajfogók méretezésekor több korrekciós tényezőt elhanyagolunk. Ezért az összefüggések csak jó közelítéssel adják meg a méreteket.

81

5.1. HOSSZANTI ÁTFOLYÁSÚ OLAJFOGÓ Ki kell számítani az olajfogó fő méreteit, hosszát, szélességét és mélységét. A méretezés alapadata a szennyvízhozam (q) és az olajcsepp felúszásának sebessége (u). Az olajcsepp felúszásának sebessége:

d 2  _  o  g u  18 

m/s

Stokes-törvény

d az olajcsepp átmérője (m),  a víz,  o az olaj





sűrűsége kg / m 3 ,  a víz viszkozitása Pa  s 

Az olajos víz átfolyásának optimális sebessége az üzemi tapasztalatok alapján:   15  u Az áramlási viszonyok eltérnek az ideálistól (turbulencia), amit egy C szorzóval veszünk figyelembe.

 u

C

20

1,74

15

1,64

10

1,52

6

1,37

8

1,28

Az olajfogó szükséges felülete:

q

A  C

u

m3 / s  m2 m/ s

A  L B

q

Az olajfogó keresztmetszete:

Ak 

q



m2

Ak  B  H

 L B  BH

Ak q  H H

Az olajfogó mélységét

hossza:

L 

q



szélessége: B 

ü

megválasztjuk.

A q  C B u B

82

5.1. PÉLDA

Hosszanti átfolyású olajfogó méretezése

Az olajos szennyvíz hozama: q = 360 m3/h = 0.1 m3/s. Az olajcseppek átlagos átmérője: d = 0,15 mm = 1,5  10 4 m. Az olaj sűrűsége: o = 925 kg/m3. A víz sűrűsége:  = 1000 kg/m3. A víz viszkozitása:  = 10-3 Pa  s. Az olajfogó mélysége legyen: H = 1,5 m. Számítsa ki az olajfogó szélességét és hosszát! A MEGOLDÁS ALGORITMUSA 1. A felúszás sebessége:

d 

2. Az átfolyás sebessége:

u  

u

3. A korrekció:

/u .  C

4, A szükséges felület:

q, u 

5. A keresztmetszet: 7. Az olajfogó hossza:

m/s

A

m2



Ak

m2

Ak, H 

B

m

A, B 

L

m

q, 

6. Az olajfogó szélessége:

m/s

1. Az olajcsepp felúszásának sebessége:

u

d 2    o  g 1,5 2 10 8  75  9,81   9,2  10 4 m / s 3 18  18 10

(5,52 cm / min)

2. Az olajos víz átfolyásának sebessége:

  15 u  15  9,2 10 4  1,38  10 2 m / s

(82,8 cm / min)

3. A korrekciós szorzó:  / u  1,38  10 2 / 9,2 10 4  15  C  1,64 4. Az olajfogó szükséges felülete:

A  C

q

u

 1,64

0,1  178,3 m 2 4 9,2 10

5. Az olajfogó keresztmetszete:

Ak 

q





0,1  7,246 m 2 2 1,38 10

6. Az olajfogó szélessége:

83

Ak  B  H  B 

Ak 7,246   4,83 ~ 5 m H 1,5

7. Az olajfogó hossza:

A  L B  L 

A 178,3   36,9 ~ 37 m B 4,83

Két párhuzamos medencét építve: a szélessége: B1 = B2 = 2,5 m, hossza: 37 m A medence hasznos térfogata: V  L  B  H  37  5 1,5  277,5 m3 A tartózkodási idő: t  L /   37 m / 1,38 10 2 m / s  2681 s

~ 44,7 min 

PRÓBA Az olajos szennyvíz térfogatárama 0,1 m3/s, a tartózkodási ideje a medencében 2681 s. A medencének be kell fogadni: V  0,1 m3 / s  2681 s  268,1 m3 szennyvizet.

5.2. PÉLDA

Hosszanti átfolyású olajfogó méretezése

Olajos szennyvizet kell megtisztítani hosszanti átfolyású két kamrás olajfogóban. (5.1. ábra). A vízhozam 1100 m3/h = 0,3 m3/s. Az olajcsepp átmérője 0,25 mm, sűrűsége 850 kg/m3. A szennyvíz viszkozitása 1,14  10 3 Pa  s. A medence mélysége 1 m legyen. Számítsa ki

a/ az olajcsepp felúszásának sebességét, b/ az olajfogó felületét, hosszát és szélességét, c/ ellenőrizze a Re-számot!

ADATOK q  1100 m3 / h  0,3 m 3 / s d  0,25 mm  2,5 10 4 m

  850 kg / m3   1,14 10 3 Pa  s

H = 1m W  ?

L  ?

B = ?

Az optimális méretarányok: -

a hasznos vízmélység és a kamra szélességének aránya:

H1/B1 = 0,4, a korlát: H1  2,5 m, B1  6 m -

a második kamra hossza: L2 = 1,4 L1

-

a vízmélység a második kamrában: H2 = 0,94 H1 84

MEGOLDÁS a/ A felúszási sebesség

d 2     o  g n  18 



2,510   1000  850 9,81 4 2

18 1,14 10

3

 4,48 10 3 m / s

b/ Az olajfogó felülete, hossza, szélessége:

A 

q



u

0,3 m 3 / s  67 m 2 3 4,48 10 m / s

Egy kamra felülete: A1 = 67/2 = 33,5 m2 Az első kamra mélysége: H1 = 1 m szélessége: B1 = H1/0.4 = 1 m/0,4 = 2,5 m hosszas: A1 = B1L1  L1 = A1/B1 = 33,5 m2/2,5 m = 13,4 m A második kamra szélessége: B2 = 2,5 m hossza:

L2 = 1,4 L1 = 1,4 . 13,4 m = 18,76 m

mélysége: H2 = 0,94 H1 = 0,94 . 1 m = 0,94 m c/ Az olajcseppek mozgására vonatkozó Reynolds-szám:

 u d  4,48 10 3  2,5 10 4 1000 Re    0,98  1  1,14 10 3 A Stokes ülepedési törvény érvényes az adott esetben. MEGJEGYZÉS Az első kamra jellemző üzemi adatai: -

hasznos térfogata: V1  A1  H1  33,5 m 2 1 m  33,5 m3

-

átfolyási sebesség:  

qv 0,15 m 3 / s   0,06 m / s Ak 2,5 m 1 m

(egy kamrára jutó vízhozam: 0.3/2 = 0,15 m3/s) -

a folyadék tartózkodási ideje a kamrában:

t1 

V1 33,5 m 3   23,3 s  3,72 min q 0,15 m 3 / s

-

a felületi hidraulikai terhelés:

wh 

qv 0,15 m 3 / s   0,00447 m 3 / m 2  s  16,1 m 3 / m 2  h 3 A1 33,5 m

85

5.2. LEMEZES OLAJFOGÓ A lemezes olajfogó előnye, hogy a lemezek lerövidítik az olajcseppek felúszásának útját. Biztosítani kell a lamináris áramlási viszonyokat az olajfogóban. A lamináris áramlás érdekében célszerű a Reynolds-szám 500-1500 értékével számolni. A Re-szám két lemez között áramló folyadékra:

Re 

2 d 

d



a két lemez

távolsága, m , , és  a folyadék áramlási sebessége(m/s), sűrűsége (kg/m3) és viszkozitása ( Pa  s)

A Re-szám a D átmérőjű csőben:

Re 

A Re-szám a térfogatárammal (q) és az áramlás keresztmetszetével (A):

Az egyenértékű hidraulikai sugár:

2qd  Re  A

R = D/4  D = 4 R R = d/2

A szükséges átfolyási keresztmetszet:

2qd  A  Re 

D 

m

D = 4d/2

2

m3 / s m2

 

q A

Re 

4 d  2 d   2 

Az átlagos tartózkodási idő az olajfogóban:

   

V AL  q q 2 d

m3  s m3 / s

a hasznos térfogat a térfogatár am az olajcsepp felúszásának útja a felúszás sebessége

u

Az olajfogó hasznos térfogata és hossza. V  q

2d

u

 V 

qv 2 d

V  L A  L 

m3

u V A

m

86

5.2. PÉLDA

Lemezes olajfogó méretezése

Az olajfogóra q = 0,02 m3/s olajos víz érkezik. Az olajos víz sűrűsége:  = 1000 kg/m3, viszkozitása:  = 10 3 Pa  s. Az olajcsepp felúszásának sebessége:  u  2  10 4. A lemezek távolsága: d = 10 cm. Számítsa ki a szükséges átfolyási keresztmetszetet, az olajfogó hasznos térfogatát és hosszát! A Re = 1000 értékével számoljon! MEGOLDÁS A szükséges átfolyási keresztmetszet:

A 

2qd  2  0,02  0,11000   4 m2 Re 1000  0,001

Az olajfogó hasznos térfogata:

V 

q

2d





0,02 1,41 0,1  14 m 3 4 2 10

Az olajfogó hossza:

14 m 3 V L    3,5 m A 4 m2 Az olajos víz tartózkodási ideje:

 

14 m 3 V   700 s ~ 11,6 min q 0,02 m 3 / s

Az olajos víz hosszanti átfolyásának sebessége:

 

0,02 m 3 / s q   0,005 m / s A 4 m2

PRÓBA A megtett út 700 s alatt: L     0,005 m / s  700 s  3,5 m

87

(30 cm / min)

5.1. ábra

88

6.

FOLYADÉKOK KEVERÉSE

1. Keverési index 2. A keverő teljesítmény-felvétele 3. Méretarányok 4. A keverők kiválasztása és üzeme 5. Az ipari méretű keverők fordulatszáma Műveleti példák: a/ Folyadék és szilárd fázis keverése: -

szuszpenziók

készítése,

pl.

az

ülepítési

és

szűrési

segédanyagok

(koaguálószerek) bekeverése a szennyvizekbe, - a kristályos anyagok, sók oldódásának elősegítése. b/ Két folyadék keverése: -

a kémiai kicsapás, semlegesítés, folyadék-folyadék extrakció elősegítése,

- a folyadékok savas vagy lúgos kezelése (olajok finomítása, stb.). c/ Folyadék- és gázfázis összekeverése: -

az érintkező felületek növelése (pl. az abszorpciónál)

-

a levegő (oxigén) elnyeletése a felszíni vizekben,

-

olajok hidrogénezése

89

6.1. Keverési index A Keverési index, I megadja a kevert rendszer homogenitásának mértékét. Csak a kevert folyadék egységnyi térfogatára felhasznált teljesítménytől függ:

Po 

P V

W m3

P a felhasznált teljesítmény, V a folyadék térfogata. A térfogategységre jutó teljesítmény növelésével közelítünk az I = 100 %-hoz, az adott tényező (koncentráció, hőmérséklet…) tökéletes eloszlásához. 6.2. A keverő teljesítmény-felvétele A meghajtó motor teljesítmény-felvétele függ -

az edény és a keverőelem méretétől,

-

a fordulatszámtól, n

-

a folyadék sűrűségétől, 

A teljesítmény-felvétel: P   d 5 n3 

W

 az ellenállás tényező,

d a keverőelem átmérője, m n a fordulatszám, 1/s

 a folyadék sűrűsége, kg/m3 Az ellenállás tényező értékeit a keverés Re-számának függvényében a 6.1. ábráról olvashatjuk le propeller- és tárcsás turbinakeverőkre. A keverés Re-száma: Re 

d 2n 



a jellemző méret: a keverőelem átmérője a jellemző sebesség: a fordulatszám

90

A görbe három szakaszát különböztetjük meg: a, lamináris tartomány:

Re < 50

b/ átmeneti tartomány:

50 < Re < 104

a keverő típusától függően Re > 104

c/turbulens tartomány:

a  már nem függ a Re-számtól. A teljesítmény-felvételt kifejezhetjük a forgatónyomaték (M) és a szögsebesség (  ) szorzatával is: P  M  M 2

W

6.3. Méretarányok Az ideális keverők egyes méretei nem függetlenek egymástól. A jellemző méretarányok: az edény (tartály) átmérője a keverőelem átmérője

D d

a folyadék magassága a keverőelem átmérője

H d

a keverőelem és az edény aljának távolsága a keverőelem átmérője

h d

a keverőelem szélessége a keverőelem átmérője

w d

A méretarányokat a 6.1. ábráról olvashatjuk le propeller- és tárcsás turbinakeverőkre. 6.4. A keverők kiválasztása és üzeme a/ A keverő típusának kiválasztása A különböző alkalmazási területek sajátos áramlási kép kialakítását követelik meg a keverőben. Néhány típus jellegzetes áramlásképét a 6.2. ábra mutatja be. b/ A keverési idő meghatározása A keverési idő az a legrövidebb időtartam, amely alatt a kívánt keverési indexet elérjük. Kisminta kísérletekkel határozhatjuk meg.

91

Mérjük pl. a koncentrációt egy modell készülék két különböző helyén egy-egy vezetőképesség mérő műszerrel. A keverést akkor fejezhetjük be, ha a koncentrációkülönbség pl. 0,1 % alá csökken. c/ A fordulatszám meghatározása A keverési idő és a fordulatszám szoros kapcsolatban állnak. A keverési időt különböző fordulatszámok

mellett

kisminta

kísérletekkel

határozzuk meg. Ha a fordulatszám nő, a keverési idő általában

csökken.

Nagyobb

fordulatszám

ugyanakkor nagyobb teljesítmény-felvétellel jár. Egy határon túl nem érdemes növelni a fordulatszámot, mert a keverési idő nem csökken lényegesen. A teljesítmény-felvétel és a keverési idő szorzata - a vonalkázott terület az ábrán egyenlő a befektetett munkával. A 2. keverővel kevesebb munka árán érjük el ugyanazt a hatást. 6.5. Az ipari méretű keverő fordulatszáma A kisminta kísérletekkel kapott eredményeket akkor alkalmazhatjuk az ipari méretű keverőkre, ha -

a modell és az ipari keverő méretarányai megegyeznek: D/d/ H/d/ stb.,

-

a kevert folyadék térfogategységére jutó teljesítmény-felvétel egyenlő a két készülékben: Po 

Pm P  Vm V

az m index a kisminta adataira utal.

Az ipari méretű keverő fordulatszámát kiszámíthatjuk a modell keverővel meghatározott optimális fordulatszámból. -

lamináris tartományban: (Re < 20) : n = nm

-

turbulens tartományban:

d  n  nm  m   d 

2/3

1  nm   k

2/3

k az ipari méretű és a modell keverő közötti méretarány, pl.: D/Dm 92

PÉLDÁK, FELADATOK

A keverők üzemeltetése során ki kell számítani a

meghajtó

villanymotor

teljesítmény-felvételét,

a

megfelelő

villanymotor

kiválasztásához, a keverő méreteit, térfogatát az ideális méretarányok ismeretében, a keverési időt és a fordulatszámot a kisminta kísérletek alapján.

6.1. PÉLDA

A keverők teljesítmény-felvétele

Olajszuszpenzió fenntartásához propeller keverőt alkalmazunk. A tartály átmérője 1 m, a keverő átmérője 0,3 m, fordulatszáma 540/min. Az olajszuszpenzió sűrűsége 850 kg/m3 viszkozitása 10 2 Pa  s. Számítsa ki a keverőt meghajtó villanymotor teljesítmény-felvételét! ADATOK D = 1 m,

d = 0,3 m,

  850 kg / m3 ,

n = 540/min = 9/s

  10 2 Pa  s

P=?

MEGOLDÁS A teljesítmény-felvétel: P   d 5 n 3 

W

Az ellenállástényező a Re-szám függvényében: Re 

d 2 



2  0,3 m   9 / s  850 kg / m 3 

0,01 Pa  s

= 6885

Re    0,33 (6.1. ábra)

A teljesítmény-felvétel stacionáris állapotban, egyenletes forgás mellett:

Pst  0,33  0,35  93  850  496,9 W ~ 500 W Az indítás pillanatában a teljesítmény-felvétel 2-3-szor nagyobb/ mint a stacionáris állapotban: Pin  2  Pst  2  496,9  993,8 W ~ 1 kW

93

Az elektromotor és az erőátvitel hatásfoka 95 %, a biztonságos teljesítménytöbblet legyen 20 %. P 

1 kW  1,2  1,26 kW 0,95

A meghajtómotor teljesítmény-felvétele, az indítást és a biztonságos hajtást is figyelembe véve? 1,26 kW

6.2. PÉLDA

A keverők fordulatszáma

Egy reakcióelegyet kell intenzíven keverni. A tartály étmérője 1,6 m, a hatlapátos nyitott turbinakeverő átmérője 0,5 m. A folyadékelegy sűrűsége 1200 kg/m3, viszkozitása 1,6 P  s. Az intenzív keverést a turbulens áramlás biztosítja, 105 Re-számot feltételezve a keverési ellenállás tényezőt. (6.1. ábra) A villanymotor teljesítménye 16 kW. Számítsa ki a megfelelő fordulatszámot! ADATOK D = 1,6 m,

 = 7,

d = 0,5 m,

  1200 kg / m3 ,

P = 16 kW

n= ?

  1,6 P  s

MEGOLDÁS

P   d 5 n3   n  n

16  10 3 W  7  0,5 5  1,2  10 3

3

P  d5 

3

3

16 0,2625

 4 / s  240 / min .

A villanymotor fordulatszámát egy reduktoron át 240/min. értékre kell lecsökkenteni. MEGJEGYZÉS Ellenőrizze, hogy a 240/min. fordulatszám valóban turbulens áramlást hoz létre! Számítsa ki az adott fordulatszám mellett az ellenállás tényező értékét!

 

P  d n3  5

Határozza meg, hogy a  értékének megfelel-e a feltételezett Re-szám!

94

6.3. PÉLDA

A keverők méretarányai

Egy keverővel 1 m3 oldatot kell keverni, amelynek a sűrűsége 1150 kg/m3, viszkozitása 0,01 Pa  s. A keverőelem átmérője 350 mm. A fordulatszám 240/perc. A keverő 2900 W teljesítménnyel működik. A méretarányok: D/d = 3, H/d = 3,9 Számítsa ki: a/ a keverő ellenállás tényezőjét, b/ a Reynolds-számot, c/ a keverő átmérőjét és az oldat magasságát! Határozza meg, hogy az 1 m3 oldat belefér-e a „számított, ideális térfogatba! ADATOK V  1 m3

d  350 mm  0,35 m

D/d  3

  1150 kg / m 3   0,01 Pa  s

n  240 / perc  4 / s P  2900 W

H / d  3,9

MEGOLDÁS a/ A keverő ellenállás tényezője:

P   d 5 n3    

P 2900   7,5 3 5 d n  0,35  4 3  1150 5

b/ A Re-szám Re 

d2 n





0,35 2  4  1150  56350 0,01

c/ A keverő átmérője:

D  3  D  3  0,35  1,05 m d d/ Az oldat magassága:

H  3,9  H  3,9  0,35  1,365 m d e/ Az ideális, számított oldattérfogat:

V 

D2  1,05 2  3,14 H  1,36  1,125 m 3 4 4

Az 1 m3 oldat tehát belefér a számított oldattérfogatba. Határozza meg az alkalmazott keverő típusát a 6.1. ábra segítségével!

95

6.4. PÉLDA

Az ipari méretű keverő fordulatszáma

Egy ipari méretű keverővel folyadékelegyet keverünk. A keverőedény átmérője 1,5 m. A folyadék sűrűsége 1200 kg/m3, viszkozitása 0,01 Pa  s. Számítsa ki a keverő optimális fordulatszámát! Egy modell keverővel, kisminta kísérlettel a kívánt eredményt (adott keverési indexet a legrövidebb idő alatt) 240/min. fordulatszámmal értük el. A/ A modell készülék méretarányai Az átmérője: D = 0,4 m, A keverőelem átmérője: D/d = 3  d = 0,4/3 = 0,133 m, A folyadék magassága: H/d = 3,3



H  3.3  0,133  0,44 m,

A fordulatszám: nm = 240/min. = 4/s. A kisminta térfogata:

D2  0,4 2  3,14 H  0,44  0,0553 m 3 55,3 l  4 4

Vm 

A Re-szám és a teljesítmény-felvétel: Re 

d2 n





0,1332  4  1200  8491 0,01

az ellenállás tényező:   0,35 (6.1. ábra).

Pm   d 5 n 3   0,35  0,1335  4 4  1200  1,12 W A folyadék térfogategységére jutó teljesítmény: Po 

Pm 1,12   20,25 W / m 3 Vm 0,0553

B/ Az ipari készülék mérete Átmérője: D = 1,5 m a keverőelem átmérője: D/d = 3  d = 1,5/3 = 0,5 m, a folyadék magassága:

H / d  3,3  H  3,3  0,5  1,65 m,

A folyadék térfogata:

V 

D2  1,5 2  3,15 H  1,65  2,92 m 3 4 4

C/ Az ipari keverő fordulatszáma Turbulens áramlási viszonyokat feltételezve: Re > 20 96

d  n  nm  m   d 

2/3

 0,133  4   0,5 

0, 66

 1,67 / s  100 / min .

D/ A Re-szám és a teljesítmény-felvétel Re 

d2 n





1,5 2  1,67  1200  450900 0,01

Az áramlás valóban turbulens, a   0,32 (6.1. ábra) P   d 5 n 3   0,32  0,5  5  1,67 3  1200  55884 W

A térfogategységre jutó teljesítmény-felvétel

Po 

P 55884   19,14 W / m 3 V 2,92

A modell és az ipari keverőben - a méretarányok azonosak: D/d = 3, H/d = 3,3 - az egységnyi térfogatra jutó teljesítmény-felvétel is jó közelítéssel megegyezik a számított fordulatszám mellett.

97

6.1. ábra Ellenállás tényező a Re-szám függvényében

98

6.2. ábra Keverők áramlási képe A

PROPELLER

KEVERŐ

axiális

(tengelyirányú) áramlást hoz létre. Ott alkalmazzuk, ahol nagy folyadéktömeget kell megmozgatni: szuszpenziók készítése, szilárd anyagok oldása, kisés közepes viszkozitású folyadékok keverése, stb. A TÁRCSÁS TURBINAKEVERŐ radiális (sugárirányú) áramlást, nagy szívóerőket hoz létre. Előnyösen

használható

diszpergáláshoz,

emulgeáláshoz, kis mennyiségű, kis viszkozitású folyadék

bekeveréséhez

nagyobb

mennyiségű

folyadékba, folyadék-folyadék extrakcióhoz, stb. FELSŐ

BESZÍVÁSÚ

ZÁRT

TURBINAKEVERŐ alkalmazása a kisebb sűrűségű, felúszó kisebb mennyiségű folyadék bekeverésére a nagyobb

sűrűségű

folyadékba.

A

zárt

turbinakeverőből „kidobott” két folyadéknyaláb összeütközik, intenzíven keveredik. ALSÓ

BESZÍVÁSÚ

ZÁRT

TURBINAKEVERŐ alkalmas a nagyobb sűrűségű (leülepedő) bekeverésére

és

kisebb

a

kisebb

mennyiségű sűrűségű

és

folyadék nagyobb

mennyiségű folyadékba.

99

7. IONCSERE

1. Az ioncsere fogalma 2. Az ioncserélő műgyanta kapacitása 3. A kimerült gyantaoszlop regenerálása

Az ioncsere alkalmazása. Műveleti példák. -

A víz lágyítása: a keménységet okozó Ca és Mg-sók eltávolítása - vízgőz előállításához gőzkazánokban, hőcserélőkben.

-

A kiskoncentrációjú, híg vizes oldatokból a fémionok eltávolítása, összegyűjtése - galvanizáló üzemek mosó- és öblítővizeiből a bevonatokat alkotó fémek (Ni2+, Cu2+, Cr2+, stb.) visszanyerése.

-

A nyersvizek, ipari szennyvizek anionjainak

( NH 3 , NO3 , Cl  , PO43 , SO42 , stb.) eltávolítása.

100

7.1. Az ioncsere fogalma

Az ioncsere olyan művelet, amelyben ionok cserélnek helyet az egymással érintkező szilárd és folyékony fázis között, a szilárd fázis kationokat (anionokat) vesz fel az oldatból és ekvivalens mennyiségű másfajta kationt (aniont) ad le. Az ioncserélő műgyanták vízben oldhatatlan, szilárd/ térhálós polimerek, amelyek ionok leadására alkalmas aktív csoportokat tartalmaznak. Az ioncserélő műgyanták négy típusa és egy-egy jellemző aktív csoportja: -

erősen savas kationcserélő R  SO3 H

-

szulfonsav - csoport

gyengén savas kationcserélő R  COOH

-

karboxil - csoport

erősen lúgos anioncserélő

R  N CH  OH 

3

-



kvaterner ammónium - csoport

gyengén lúgos anioncserélő R  NH 3 OH

amin - csoport

Az erősen savas (lúgos) ioncserélő műgyanták minden kation (anion) cseréjére képesek, nem szelektívek. Kationcsere:

R  SO3 H  NaCl

 R  SO3 Na  HCl

Anioncsere:

R  NH 3OH  NaCl  R  NH 3Cl  NaOH

Az ioncsere egyensúlyra vezető folyamat, ezért alkalmazhatjuk a tömeghatás törvényét: R  H  K  R K  H3

Az ioncsere egyensúlyi állandója

K 

R  K   H   R  H   K  

A K+ és H+ a kation és a hidrogénion koncentrációja az oldatban, R  K és R  H a gyantán egy térfogategységben. Azok az ionok, amelyeknek nagyobb az egyensúlyi állandója, nagyobb sebességgel cserélnek helyet és jobban kötődnek a műgyantához.

101

Néhány ion relatív kötéserőssége: F- < Cl- < Br- < IH+ < Na+ < K+ < Mg2+ < Ca2+ < Sv2+ < Ba2+ 7.2. Az ioncserélő műgyanta kapacitása Egy ioncserélő oszlop működése a/ Az oszlopra felöntött NaCl oldat Na+ ionjai helyet cserélnek a gyanta H+ ionjaival. b/

Az

oszlopon +

végig

vándorló

+

„munkarétegben” Na és H ionok is vannak a gyantán. c/ A Na+ ionok megjelennek az oszlop alján, „áttörnek” még mielőtt az oszlop kapacitása kimerült volna.

Az ioncserélő műgyanta kapacitását, K a kiszárított gyanta 1 g-ja, vagy a vízben ülepített gyanta 1 cm3-e által kicserélt ionok mennyiségével fejezzük ki, mértékegysége: mmol/g vagy mmol/cm3 7.3. A kimerült gyantaoszlop regenerálása - Eluálás (leoldás): a gyantáról lecserélendő ion 2-10 %-os oldatával, kationcserélőknél HClval, anioncserélőknél NaOH-dal végezzük általában. A H+ vagy OH- ion nagyobb koncentrációjának hatására az ioncsere megfordul, az alsó nyíl irányában játszódik le. Ezzel a gyantát ismét hidrogén vagy hidroxid formára hozzuk. A savat vagy lúgot desztillált vízzel mossuk le az oszlopról. - Kiszorítás: olyan oldattal, amelyben nagyobb ioncsere állandójú ion van, pl. a Na+ ionokat kiszorítják a Ca2+ ionok az aktív centrumokról. A regeneráló oldatot is desztillált vízzel mossuk ki az oszlopból.

102

PÉLDÁK, FELADATOK

7.1. PÉLDA

Az ioncserélő műgyanta kapacitása

Az ioncserélő oszlop10kg száraz műgyantát tartalmaz. Az oszlopon 30 m3víz folyik át a kimerülésig, amelynek NaCl koncentrációja 190 g/m3. Számítsa ki a gyanta kapacitását! ADATOK mGY = 10 kg V = 30 m+

Ar(Na) = 23 g/mol

NaCl = 190 g/m3

Ar(Cl) = 35.5 g/mol

K?

Ki kell számítani, hogy a száraz gyanta 1 g-ja hány mmol Na-iont köt meg. Hány g Na+-iont tartalmaz 1 m3 víz? Hány g Na+-iont „visz” 30 m3 víz az oszlopra? Hányg Na+-ion jut 1 g műgyantára? Ez hány mol, illetve mmol? a/ A Na+-ion koncentrációja. 58,5 g NaCl-ban van 23 g Na+ 190 g NaCl-ban van  g Na+ 58,5 : 23 = 190 : Na+

 Na

23 g 190 g / m 3   74,7 g / m 3 Na   ion 58,5 g

b/ 10 kg műgyantán megkötött Na+-ion tömege:

m10  V   Na  30 m 3 : 74,7 g / m 3  2241 g Na   ion 1 kg műgyantán megkötött Na+-ion tömege: m1 = 2241 g/10 = 224,1 g Na+ 1 g műgyantán megkötött Na+-ion tömege: m = 223,1 g/1000 = 0,2241 g Na+ A műgyanta kapacitása:

k

0,2241 g  9,74  10 3 mol / g  9,74 mmol / g 23 g / mol

103

7.2. PÉLDA

A regeneráló oldat mennyisége

Ioncserélő műgyantával vizet lágyítunk. A víz keménysége 10 mmal CaO/dm 3. Az ioncserélő oszlop 15 kg száraz műgyantát tartalmaz, amelyen 50 m3 víz folyt át kapacitásának kimerüléséig. Az aktív centrumokon Na-ionok cserélhetők ki. Számítsa ki:

a/ a gyanta kapacitását, b/ a gyantán megkötött Ca2+-ion tömegét, c/ a regeneráláskor szükséges NaCl tömegét, ha 20 % feleslegben alkalmazzuk.

MEGOLDÁS V = 50 m3

mGY = 15 kg

Ar(Na) = 23 g/mol

k = 10 mol CaO/m3

Ar(Ca) = 40 g/mol

Ar(Cl) = 35,5 g/mol

2 R – Na + Ca2+



R2 – Ca + 2 Na+ 2  58,5 g NaCl

40 g a/ A gyanta kapacitása (mmol Ca2+/g).

15 kg műgyantán megkötöttCa2+ mennyisége: 50 m3  10 mol Ca 2 / m3  500 mol Ca 2 / 15 kg

1 kg műgyantán megkötött Ca2+: 500 mol/15 kg = 33,3 mol Ca2+/kg A gyanta kapacitása: k = 33,3 mmol/g b/ A műgyantán megkötött Ca2+ tömege: 1 mol Ca2+ 40 g 500 mol Ca2+ mCa g 1 mol : 40 g = 500 mol : mCa g mCa  40 g / mol  500 mol  20000 g  20kg

c/ A regeneráló NaCl tömege. 40 g Ca 2 kicseréléséhez kell 2  58,5  117 g NaCl

2000 g Ca2+ kicseréléséhez kell

m(NaCl) g NaCl

40 g : 117 g = 20000 g : mNaCl g

m NaCl 

117 g  20000 g  58500 g  58,5 kg 40 g

20 % feleslegben: mNaCl = 58,5 + 11,7 = 70,2 kg

104

7.3. PÉLDA

Az ioncserélt víz pH-ja

A kationcserélő gyantán15 m3 víz folyik át a kimerülésig. A víz keménysége 12,6 onk. A gyanta tömege 5 kg. A gyantát 5 mol/dm3 koncentrációjú HCl oldattal regeneráljuk. 2 R - H + Ca2+  R2 - Ca + 2 H+ Számítsa ki a/ az ioncserélő gyártás átfolyó víz pH-ját b/ az ioncserélő gyanta kapacitását, c/ a regeneráló oldat térfogatát! ADATOK A gyanta kapacitása: mmol megkötött ion/g gyanta. 1 onk = 10 g/m3 CaO

 

 

pH =  lg H  , ahol a H  mol / dm3 V = 15 m3

mGY = 5 kg

k = 12,6 onk

cHCL = 5 mol/dm3

Mr(CaO) = 56

MEGOLDÁS a/ A víz pH-ja A CaO koncentrációja a vízben:

  10 g / m3 CaO  12, ,6  126 g / m3 CaO 56 g CaO 1 mol 126 g CaO c mol 56 g : 1 mol = 126 g : c mol

c

126 g / m 3 CaO  2,25 mol / m 3 CaO  2,25 mol / m 3 Ca 2 56 g / mol

1 mol Ca2+ lecserél 2 mol H+-t a gyantáról. 2,25 mol Ca2+/m3 lecserél 2  2,25 mol / dm 3 H   t.

 

A vízbe jutott H+ koncentrációja: H   4,5 mol / m 3





pH   lg H    lg 4,5  103 mol / dm3  2,35

b/ A gyanta kapacitása A Ca2+ koncentrációja: c = 2,25 mol/m3

105

1 m3 vízből megkötődött: 2.25 mol Ca2+ 15 m3 vízből megkötődött: 15  2,25  33,75molCa 2 1 kg műgyanta megkötött: 33,75/5 = 6,75 mol Ca2+-t A műgyanta kapacitása: k = 6,75 mol/kg k = 6,75 mmol/g c/ A regeneráló oldat térfogata A H+ koncentráció a vízben 4,5 mol/m3 1 m3 víz tehát kicserélt 4,5 mol H+-t. 15 m3 víz kicserélt 15  4,5  67,5 mol H +-t. Ezt kell „visszacserélni”. A regeneráló oldat H+ (HCl) koncentrációja: 5 mol H+/dm3 1 dm3 regeneráló oldatban van 5 mol H+ hány V dm3 regeneráló oldatban van 67,5 mol H+ V m3 : 67,5 mol H+ = 1 dm3 : 5 mol H+

67,5 mol H  V  13,5 dm 3  3 5 mol H / dm

7.4. PÉLDA

Az ioncserélt víz pH-ja

A víz 95 gr/m3 Ca2+, 43 g/m3 Mg2+ és 35 g/m3 Na+ iont tartalmaz. Az ioncserélő műgyanta aktív csoportjain H+ ionok vannak, ezekkel cserélnek helyet a kationok. Mekkora lesz az ioncserélő oszlopon átfolyt víz pH-ja? ADATOK

 cA  95 g / m 3

 Mg  43 g / m 3

 Na  35 g / m 3

A (Ca) = 40

Ar(Mg) = 24

Ar(Na) = 23

2

 

2



pH   lg H  , ahol a H  mol / dm 3

Ki kell számítani, hogy 1 m3 vízben található ionok hány mol H+-iont cserélnek le és juttatnak ugyancsak 1 m3 vízbe, illetve 1 dm3 vízbe. Ennek a H+-ion koncentrációnak a negatív logaritmusa adja a pH-t. 106

MEGOLDÁS a/ A Ca2+ ionok által lecserélt H+-ionok mennyiség. 2 R – H + Ca2+  R2 Ca + 2 H+ 1 mol

2 mol

40 g

21 g

40 g Ca2+ ion kicserél 2 g H+ iont 95 g Ca2+ ion kicserél 1 g H+ iont 40 g : 2 g = 95 g : 1 g

1 

2 g  95g / m 3  4,75 g / m 3 40 g mivel Ar H  = 1 g/mol

c1 = 4,75 mol/m3 H+

A Ca2+ ionok tehát 4,75 mol H+ iont „küldenek” a vízbe. b/ A Mg2+ ionok által lecserélt H+ ionok mennyisége. 2 R – H + Mg2+  R2 Mg + 2 H+ 1 mol

2 mol

c2 = c/ A Na+ ionok által kiszorított H+ ionok mennyisége. R – H + Na2+  R – Na + H+ 1 mol

2 mol

c3 =

  H  =

d/ A H+-ion koncentrációja: H  = c1 + c2 +c3 mol/m3 mol/dm3



 

A pH   lg H 

107

8. ADSZORPCIÓ

1. A gáz /szilárd rendszer fázisegyensúlya 2. Adszorpciós csatorna 3. Adszorpciós entalpia 4. Az adszorptívum és az adszorbens tömege 5. A felszabaduló hőmennyiség 6. Az abszorber méretezése

Adszorpció Gáz vagy folyadékelegyek egyik komponensének megkötése szilárd felületen.

Műveleti példák: -

a nedves levegő szárítása (a vízgőz megkötése)

-

füstgázok kéntelenítése (A SO2 megkötése)

-

oldószergőzök eltávolítása (visszanyerése) levegőből

-

mérgező gázok megkötése levegőből

-

szín és szaganyagok eltávolítása folyadékokból (vízből, alkoholból...)

-

megkülönböztetünk gáz/szilárd és folyadék/szilárd adszorpciós rendszereket. Csak a gáz/szilárd adszorpcióval foglalkozunk.

108

Az adszorpciós műveletben legalább három komponens vesz részt: -

a vivőgáz - legtöbbször levegő, amely nem vesz részt az adszorpcióban,

-

az adszorptívum - a gázelegy értékes vagy veszélyes komponense, amelyet eltávolítunk a vivőgáz mellől,

-

az adszorbens - a szilárd anyag legtöbbször aktív szén vagy szilikagél, amely az adszorptívum molekuláit megköti a felületén.

Adszorber: készülék, amelyben az adszorpció lejátszódik. Fizikai adszorpció: az adszorptívum gyenge molekuláris erőkkel (van der Waals erőkkel) kötődik a szilárd felülethez. Megfordítható folyamat. Kémiai adszorpció: az adszorptívum és a szilárd anyag között kémiai kötések alakulnak ki. Nem megfordítható folyamat. Deszorpció: az adszorptívum eltávolítása az adszorbens felületéről. Az adszorbens kapacitása: Xk Megadja az adszorbens egységnyi tömege által megkötött adszorptívum tömegét a beállt fázisegyensúlyban:

Xk 

m mA

az adszorbált anyag tömege kg az adszorbens tömege, kg

8.1. A GÁZ/SZILÁRD RENDSZER FÁZISEGYENSÚLYA Adszorpciós izoterma Az adszorpció mértéke függ -

az adszorber felületétől,

-

az adott gázkomponens parciális nyomásától,

-

és a hőmérséklettől.

Az adszorpciónak kedvez a nagyobb felület, a nagyobb parciális nyomás és a kisebb hőmérséklet. Az adszorpció adott hőmérsékleten és nyomáson egyensúlyhoz vezet a gáz és a szilárd fázis között. Akkor fejeződik be, ha a gázmolekulák a szilárd felületet beborították.

109

Adszorpciós izoterma Megadja az adszorbens által megkötött i gázkomponens mennyiségét a pi parciális nyomás függvényében, állandó hőmérsékleten. A Langmuir adszorpciós izoterma Egy molekula vastag adszorbeált gázrétegre vonatkozik:

Xi 

k A X max pi 1  k A pi

Xi

a

megkötött

i

komponens

egyensúlyi

koncentrációja (kg adszorptívum/kg adszorbens). pi az

i

komponens parciális nyomása a gázfázisban (MPa), Xmax a maximális

adszoptívum koncentráció egy molekula vastag rétegben (kg adszorptívum/kg adszorbens), , kA az adszorpciós állandó (1/MPa). Az adszorpciós izoterma szerkesztése. Az adszorpciós izoterma megszerkesztéséhez kísérleti úton meghatározzuk egy adott pi parciális nyomáshoz tartozó Xi egyensúlyi koncentrációt és az Xmax telítési koncentrációt. Ezek után kiszámíthatjuk a kA adszorpciós együtthatót a Langmuir egyenletből kifejezve. Majd ábrázoljuk a számított egyensúlyi koncentrációkat a növekvő parciális nyomásokon.

8.1. PÉLDA

Az adszorpciós izoterma szerkesztése

Propán/levegő elegyből a propánt kötjük meg aktív szénen, 35

o

C-os üzemi

hőmérsékleten. A kísérleti adatok: a propán parciális nyomása: pp = 0,0067 MPa, egyensúlyi koncentrációja: X = 0,094 kg/kg aktív szén maximális koncentrációja: Xmax = 0,232 kg/kg aktív szén a/ Számítsa ki az adszorpciós állandót! b/ Írja fel a Langmuir adszorpciós izoterma egyenletét a propán/levegő/aktív szén rendszerre! c/ Ábrázolja mm papíron az adszorpciós izotermát! 110

MEGOLDÁS X 

k A X max p p



1 k A p p

kn 

X X max p p  X p p

a/ Az adszorpciós állandó:

0,094 kg / kg 0,232 kg / kg  0,0067 MPa  0,094 kg / kg  0,0067 MPa

kA 

kA 

0,094  101,66 0,0009246

1 / MPa

b/ A Langmuir adszorpciós izoterma egyenlete: X

101,66  0,232  Pp 1  101,66  p p

c/ Az abszorpciós izoterma: Pp MPa

0,002

X kg/kg

0,0392

X1 

0,004

0,006

0,008

0,01

0,03

101,66 1 / MPa  0,232 kg / kg  0,002 MPa 0,04717 kg / kg  1 101,66 1 / MPa  0,002 MPa 1,2033

X1 = 0,0392 kg propán/kg aktív szén Ábrázolja a számított értékeket mm papíron. Határozza meg az Xmax értékét, amikor a felület teljesen beborított egy molekula vastag gázréteggel.

8.2. AZ ADSZORPCIÓS ENTALPIA Az

adszorpció

exoterm

folyamat.

A

felszabaduló

hőmennyiség

függ

az

adszorptívum/adszorbens rendszertől, az egyensúlyi koncentrációtól és a hőmérséklettől. Az adszorpciós entalpiát meghatározhatjuk két különböző hőmérsékleten felvett adszorpciós izotermából.

111

H 

R T1 T2 l n p 2  l n p1  T2  T1

kJ/kmol

p1 és p2 a parciális nyomások a T1 és T2

hőmérsékleten,

azonos

Xe

egyensúlyi

koncentráció mellett.

8.2. PÉLDA

Az adszorpciós entalpia kiszámítása

Az egyensúlyi koncentráció egyenlő egymással T1 = 35 oC = 380 K hőmérsékleten, p1 = 0,01 MPa nyomáson, és T2 = 100 oC = 373 K hőmérsékleten, p2 = 0,056 MPa nyomáson. Számítsa ki egy kmol propán megkötése során felszabaduló hőmennyiséget. ADATOK T1 = 308 K

P1= 0,01 MPa

T2 = 373 K

p2 = 0,056 Mpa

H 

R = 8,314 kJ/kmol

R T1 T2 l n p 2  l n p1  T2  T1

MEGOLDÁS

H  H 

8,314 kJ / kmol  308 K  373 K l n 0,056 MPa  l n 0,01 MPa  373K  308 K 1 642 850,4 kJ  kmol  25274,6 kJ / kmol 65 K

8.3. AZ ADSZORPTÍVUM ÉS AZ ADSZORBENS TÖMEGE A gázelegy adott komponensének Yb belépő koncentrációját le kell csökkenteni Yk kilépő koncentrációra,  adszorpciós idő alatt. Ki kell számítani az adott komponensből mennyit kell megkötni, hogy a koncentráció az előírt értékre csökkenjen az adszorpciós ciklus alatt, az adszorbens tömegét, amely képes ezt az adszorptívum mennyiséget megkötni, kapacitását figyelembe véve.

112

A megkötött adszorptívum tömege

m  qmL Yb  Yk 

m

kg kg h h h



kg

m a megkötött gázkomponens tömege  idő

qm Yb  Yk  1  Yb

alatt, kg

q mL az adszorpció szempontjából inert vivőgáz (legtöbbször a levegő tömegárama). qm a gázelegy tömegárama, kg/h qm = a qv a gázelegy térfogatáramának (m3/h) és sűrűségének (kg/m3) szorzata, Yb és Yk a be- és kilépő gázban az adott komponens tömegaránya, kg komponenes/kg vivőgáz. Az abszorbens mennyiségét a kapacitása és a megkötendő komponens mennyisége határozza meg. Az adszorbens szükséglet

mA 

8.3. PÉLDA

Xk az adszorbens kapacitása kg adszorbeátum/kg

m Xk

adszorbens

Az adszorbens szükséglet kiszámítása

Óránként 4000 m3 benzolgőzzel szennyezett levegőt kell megtisztítani aktív szén ágyon. A belépő gázelegyben a tömegarány: Yb = 0,09 kg benzol/kg levegő A kilépő gázelegyben a tömegarány: Yk = 0,0001 kg benzol/kg levegő Az adszorpciós ciklus időtartama:

 =2h

Az aktív szén kapacitása:

Xk = 0,43 kg benzol/kg aktív szén

A gázelegy sűrűsége:

 = 1,4 kg/m3

Számítsa ki: a/ egy ciklus alatt megkötött benzol tömegét, b/ az aktív szén szükségletet!

113

MEGOLDÁS a/ A megkötött benzol tömege: A gázelegy tömegárama: qm  qv   4000 m 3 / h  1,4 kg / m 3  5600 kg / h mB 

qm Yb  Yk  5600 kg / h 0,09  0,0001 2 h 1  Yb 1  0,09 kg / kg

mB = 923,7 kg benzol b/ Az aktív szén szükséglet: mA 

mB 223,7 kg benzol   2148 kg Xk 0,43 kg benzol / kg aktívszén

MEGJEGYZÉS Az aktív szén regenerálása nem tökéletes. A maradék benzolkoncentráció csökkenti az aktív szén kapacitását: Xr = (0,6 … 0,9) Xk A maradék benzolkoncentráció: Xm = 0,05 kg/kg aktív szén A kapacitás csökkenése: Xr = 0,7  0,43  0,3 kg / kg aktívszén A regenerált aktív szén szükséglet: mA 

mB Xr  Xm



923,7  3694,8 kg 0,3  0,05

8.4. A FELSZABADULÓ HŐMENNYISÉG Az adszorpció során az adszorbens ágy felmelegszik, ami az adszorpció ellen hat. A rendszert hűteni kell. Meg kell határozni az adszorbens (a kilépő gázelegy) megengedhető hőmérsékletét. Ebből kiindulva kiszámíthatjuk, hogy az adszorpció egyes résztvevőitől (a vivőgáztól, az adszorptívumtól és az adszorbenstől) mekkora hőmennyiséget kell elvenni. Legyen a kilépő gázelegy hőmérséklete: tk A hűtés közben leadott hőmennyiség: Q = mc  t m a közeg tömege, kg; c a közeg fajhője, kJ/kg oC

 t a hőmérsékletváltozás, oC

114

8.4. PÉLDA

Az elvonandó hőmennyiség

A benzolgőzzel szennyezett levegő tömegárama: q1 = 5600 kg/h. Az adszorpciós ciklus időtartama: 2 h. A belépő gázelegy koncentrációja: Yb = 0,09 kg benzol/kg levegő. Az aktív szén tömege: mA = 2150 kg. A megkötött benzol tömege: mB = 924 kg

8.3. PÉLDA

A levegő (vivőgáz) fajhője: cL = 1,0 kJ/kgoC. A benzolgőz fajhője: cB = 1,04 kJ/kgoC. A benzol párolgáshője: HB = 452 kJ/kg. A folyékony benzol fajhője: c B~ 1,78 kJ / kg o C . Az aktív szén fajhője: cA = 0,84 kJ/kgoC. A belépő gázelegy hőmérséklete: t = 40 oC. A kilépő gáz (az aktív szén) hőmérséklete: tk = 25 oC lehet. Az aktív szén oszlop kezdeti hőmérséklete: tA = 15 oC. MEGOLDÁS Az adszorpciós ciklusban leadott hőmennyiségek. q1 

a vivőgáz (a levegő) lehűtése közben: Q = mc  t

qm 5600 kg / h o  c L t b  t k   2 h  1,0 kJ / kg o C 40  25 C  154128,4 kJ 1  Yb 1  0,09 kg / kg

-

a benzolgőz lehűtése és kondenzációja során:

Q2  mB c B t b  t k   mB H B  924 kg  1,04 kJ / kg o C40  25 C  924 kg  452 kJkg  o

= 432062,4 kJ -

a folyékony benzol lehűtése és adszorpciója közben:

QB  mB cB~ t k  t A   mB H AD  924 kg  1,78 kJ / kg o C 25 15 C  924 kg  3625 kJ / kg  o

= 3365947,2 kJ -

az aktív szén hűtése során (25oC



15oC):

Q4  m A c A t k  t A   2150 kg  0,84 kJ / kg o C 25 15 C  18060 kJ o

Az elvonandó hőmennyiség egy adszorpciós ciklusban: Q 154138,4  432062,4  3365947,2  18060  3970198 kJ

115

5. AZ ADSZORBER MÉRETEZÉSE A méretezés kiinduló adata a gázelegy térfogatárama (q) és áramlási sebessége (v). Az adszorber keresztmetszete, A

A

m3 / s  m2 m/ s

q v

Az adszorbens ágy magassága, H H

8.5. PÉLDA

mA A A

kg  m kg 2 m m3

mA

az adszorbens tömege

A

az adszorbens sűrűsége

Az adszorber méretezése

A gázelegy térfogatárama: q = 4000 m3/h = 1,11 m3/s A gázelegy megengedett áramlási sebessége: V = 0,3 –0,4 m/s Az aktív szén tömege: mA = 2150 kg Az aktív szén sűrűsége: A = 300 kg/m3 Számítsa ki a/ az adszorber keresztmetszetét és átmérőjét, b/ az aktív szén ágy magasságát! MEGOLDÁS a/ Az adszorber keresztmetszete:

1,11 m 3 / s q A  = 3,7 m2 v 0,3 m / s D2  A 4

 D

4A





b/ Az aktív szén ágy magassága H 

mA 2150 kg   2m  A A 300 kg / m 3  3,7 m 2

116

4  3.7  2,17 m 3,14

9.

ABSZORPCIÓ

1. Gázok oldhatósága folyadékokban Bunsen-féle abszorpciós együttható 2. Gáz/folyadék rendszer egyensúlya Henry-törvény 3. Az ellenáramú abszorber mérlegegyenlete 4. Egyensúlyi egységek, elméleti tányérszám 5. A töltelékes oszlop méretezése

Az abszorpció alkalmazása, műveleti példák: -

SO3 elnyeletése vízben (H2SO4 előállítása),

-

nitrogén-oxidok elnyeletése vízben (HNO3 előállítása)

-

szénhidrogének gőzeinek elnyelése,

-

oldószerek visszanyerése,

-

vízgőz eltávolítása gázokból, rendszerint kénsavval,

-

HCl gőz, HF, SO2 eltávolítása füstgázokból,

-

felszíni vizek oldott oxigéntartalmának növelése.

Az abszorpció olyan művelet, melyben gázokat vagy gőzöket nyeletünk el valamilyen folyadékban.

117

A műveletben legalább három komponens vesz részt: -

a vivőgáz (inert, semleges gázkomponens), legtöbbször levegő, A

-

az abszorptívum - az értékes vagy veszélyes gázkomponens,

amellyel

eltávolítunk

a

gázelegyből, a vivőgáz mellől, B/ -

az abszorbens - a folyadék (oldószer), amelyben az adott gázkomponenst elnyeljük, C.

Az abszorber – az abszorpciós készülék. Fizikai abszorpció: az abszorptívum molekuláit gyenge fizikai erők (van der Waalsféle erők) kötik az oldószerhez. Kémiai abszorpció (kemiszapció): a gázelegyből elnyelt komponens az oldószerrel kémiai reakcióba lép. Deszorpció: az elnyelt komponens eltávolítása az oldószerből a hőmérséklet növelésével vagy a folyadék feletti légtér nyomásának csökkentésével. Sztrippelés: az elnyelt komponens kigázosítása, kihajtása az oldószerből semleges gázárammal, legtöbbször levegővel. 9.1. GÁZOK OLDHATÓSÁGA FOLYADÉKOKBAN Az oldott gáz térfogata az oldószer térfogatától és a gáz parciális nyomásától függ. A gázok oldhatóságát a Bunsen-törvény írja le.: VG =  pG VL

VG

az elnyelt gáz térfogata, m3

VL

az oldószer térfogata, m3

pG

a gáz parciális nyomása, Pa



a Bunsen-féle abszorpciós együttható, m 3 / m 3  10 5 Pa ,

megadja 1 m3 oldószerben elnyelt gáz térfogatát, ha a gáz parciális nyomása 105 Pa, hőmérséklete 0oC. A Bunsen-féle abszorpciós együttható értékeit normálállapotú gázra határozták meg, ezért az oldott gáz térfogata is normálállapotra vonatkozik. Az abszorpciós együtthatókat néhány gáz/víz rendszerben a 9.1. táblázat tartalmazza.

118

9.1. PÉLDA

Az oxigén oldhatósága vízben

Hány m3 normálállapotú (0oC hőmérsékletű és 105 Pa nyomású) oxigén oldódik 5 m3 0oC hőmérsékletű vízben? Az oxigén parciális nyomása 105 Pa. A Bunsen-féle abszorpciós együttható 0,04899 m 3 / m 3  105 Pa . MEGOLDÁS pG = 105Pa,

VL= 5 m3,

  0,04899 m3 / m3  105 Pa

m3 VG   pG VL  0,04899 10 5 Pa  5 m 3  0,2449 m 3 3 5 m  10 Pa 0,2449 m3 oxigén oldódik 105 Pa parciális nyomáson 5 m3 0oC-os vízben. MEGJEGYZÉS A példában az oxigén parciális nyomása a víz felett megegyezik a Bunsen-féle együtthatóra vonatkozó nyomással.

9.2. PÉLDA

A kén-hidrogén oldhatósága vízben

Egy tartályban hány dm3 kén-hidrogén oldódik 50 dm3 10oC-os vízben, ha a kénhidrogén parciális nyomása a víz felett 1,05  10 5 Pa ? A Bunsen-féle abszorpciós együttható 3.399 m3/m3 105 Pa. a/ Számítsa ki az elnyelt kén-hidrogén térfogatát normálállapotra a Bunsen képlettel! b/ Majd ezt a térfogatot számítsa át az adott hőmérsékletre és nyomásra az egyesített gáztörvénnyel! MEGOLDÁS VL = 50 dm3,

t = 10oC/

pG  1,05  10 5 Pa

  3,399 m3 / m3  105 Pa a/ Az elnyelt kén-hidrogén térfogata normálállapotra vonatkoztatva:

VGO   pG VL  3,399

m3 1,05 Pa  0,05 m 3  0,178 m 3 m 3  10 5 Pa

0,05 m3 (50 dm3) vízben 0,178 m3 (178 dm3) normálállapotú kén-hidrogén oldódik.

119

b/ Az elnyelt kén-hidrogén térfogata az adott körülményekre számolva: a gáz felveszi a víz hőmérsékletét, nyomása beáll a külső parciális nyomásra, VGO = 0,178 m3

To = 273 K

po = 105 Pa

T = 283 K

p  1,05  10 5 Pa

p VGO p VG  To T

 VG 

po VGO T To p



VG = ?

10 5 Pa  0,178 m 3  283 K 273 K  1,05  10 5 Pa

VG = 0,176 m3 0,05 m3 10oC hőmérsékletű vízben 0,176 m3 10oC hőmérsékletű, 1,05 Pa nyomású kén-hidrogén oldódik.

9.3. PÉLDA

A széndioxid deszorpciója vízből

Egy gázelegy nyomása 1,04  10 5 Pa és 65 H % szén-dioxidot tartalmaz. Ezt 1 m3 10 oC-on vízben nyeletjük el. Deszorpció során a vizet 50 oC-ra felmelegítjük. A szén-dioxid nagy része felszabadul és a levegőbe, 25 oC hőmérsékletű és 205 Pa nyomású térbe jut. Számítsa ki: a/ a szén-dioxid parciális nyomását a gázelegyben, b/ a deszorpció során felszabaduló szén-dioxid térfogatát, normál állapotban, c/ és a szén-dioxid térfogatát a környezetben! ADATOK p = 1,04  10 5 Pa t1 = 10 oC/

t1 = 50 oC/

tl = 25 oC/

pl = 105 Pa

 CO  65 tf % 2

V L = 1 m3

MEGOLDÁS a/ A CO2 parciális nyomása A szén-dioxid a térfogat %-ának megfelelő arányban vesz részt a gázelegy nyomásában. 100 tf % : 1,04  10 5 Pa = 65 tf % : pCO2

pCO2 

65 tf %  1,04  10 5 Pa  0,676  10 5 Pa 100 tf %

120

b/ A deszorpció során felszabaduló CO2 térfogata. A 10

o

C-os vízben és az 50

o

C-os vízben elnyelhető CO2 térfogatának a

különbsége. 10 oC-on: 1  1,194 m 3 / m 3  105 Pa

Az abszorpciós együttható

50 oC-on:  2  0,436 m 3 / m 3  105 Pa

VCO2    pCO2 VL  0,758

m3 0,676  10 5 Pa  1 m 3  0,512 m 3 3 5 m 10 Pa

c/ A CO2 térfogata 25 oC-on és 105 Pa nyomáson. To = 273 K

po = 105 Pa

Vo = 0,5 m3

T = 298 K

p = 105 Pa

V = ?

pő Vo pV  To T



po Vo T 10 5 Pa  0,512 m 3  298 K   0,559 m 3 5 p To 10 pa  273 K

Deszorpcióval 25 oC-on, 105 Pa nyomáson 0,559 m3 CO2 nyerhető. 9.2. GÁZ/FOLYADÉK RENDSZER EGYENSÚLYA A Henry-törvény Az abszorpció mértéke függ a gáz nyomásától és a hőmérséklettől. Ha a gázelegyben nő az adott gázkomponens parciális nyomása, nagyobb lesz a folyadékfázisban az adott gázkomponens koncentrációja is. A Henry-törvény: Pi = Hi xi

pi az i komponens parciális nyomása a gázfázisban, egyensúly esetén, Pa,

xi az i komponens moltörtje az oldatban, Hi a Henry-állandó, Pa. Az i komponens xi moltörtje az oldatban arányos az i komponens pi parciális nyomásával az oldat feletti gáztérben. Az arányossági tényező a Henry-állandó. A Henry-törvénnyel kiszámíthatjuk az elnyelt i gáz moltörtjét (xi), ebből a tömegtörtjét (tömegszázalékát) a folyadékfázisban, a parciális nyomás (pi) ismeretében. A Henry-törvény csak híg oldatokra érvényes, nagy oldószerfelesleg mellett.

121

Dalton-törvény: pi az i komponens parciális nyomása,

pi = p yi

yi az i komponens moltörtje a gázelegyben, p a gázelegy össznyomása

Egy gázelegyben az i komponens parciális nyomása egyenlő az össznyomás és az i komponens moltörtjének szorzatával. A Henry- és Dalton törvényből: p yi = Hi xi

yi 

megadja az i komponens összetartozó koncentrációit a

Hi xi p

gáz- és a folyadékfázisban, egyensúlyban.

Az egyensúly egyenletével kiszámíthatjuk a gázfázisban maradt i komponens moltörtjét

(yi),

ebből

a

tömegtörtjét

(tömegszázalékát),

ha

a

Henri-törvénnyel

meghatároztuk a folyadékban elnyelt i komponens moltörtjét (xi).

9.4. PÉLDA

A kén-hidrogén megoszlása a levegő/víz rendszerben

A levegő kén-hidrogén gázzal szennyezett, amelyet vízben nyeletünk el. Az üzemi nyomás 4,5 MPa, a kén-hidrogén parciális nyomása 2,7 MPa. A víz hőmérséklete 20 oC. A Henry-állandó 48,9 MPa. Számítsa ki: a, a H2S moltörtjét a vízben, b/ a H2S

moltörtjét a levegőben! c/

Ábrázolja a szorpciós izotermákat a parciális nyomásokkal és a moltörtekkel! MEGOLDÁS p = 4,5 Mpa,

ph2 s  2,7 MPa,

H H 2 S  48,9 MPa

Mr (H2O) = 18.

Mr (H2S) = 34,

Mr (lev) = 29

t=20 oC

a/ A H2S moltörtje és tömegtörtje a vízben

p i  H i xi  x H 2 S  wH 2 S 

p H 2S H H 2S



2,7 MPa  0,055 48,9 MPa

x H 2 S M r H 2 S  x H 2 S M r ( H 2 S )  (1  x) M r ( H 2 O)



0,055  34  0,1 0,055  34  (1  0.055) 18

A vízben elnyelt H2S moltörtje: x H 2 S  0,055 mol H2S/mol elegy, tömegtörtje:

wH 2 S  0,1 kg H2S/1 kg elegy (10 tömeg %).

122

b/ A H2S moltörtje és tömegtörtje a levegőben Hi xi p

yi 

wH 2 S 

y H 2S 

48,9 MPa 0,055  0,598 4,5 MPa

0,598  34  0,635 0,598  34  (1  0,598) 29

A levegőben maradt H2S moltörtje: y H 2 S = 0,598 mol/H2S/mol elegy, tömegtörtje:

wH 2 S = 0,635 kg/ H2S/kg elegy (63,5 tömeg %). c/ Az abszorpciós izotermák Megadják az i komponens parciális nyomását vagy moltörtjét a gázfázisban az i komponens folyadékfázisban mért moltörtjeinek függvényében állandó hőmérsékleten. -

Izoterma parciális nyomásokkal: pi = 48,9 xi pi  48,9 MPa  0,002  0,978 MPa

-

Izoterma moltörtekkel: yi 

Hi 48,6 MPa xi  xi  10,8 xi p 4,5 MPa

y1  10,8  0,02  0,216 kmol H 2 S / kmol elegy xi

0,02

0,04

0,06

0,08

pi

0,918

4,89

yi

0,216

1.08

123

0,1

10. FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ

1. Fogalmak 2. Megoszlási hányados 3. Extrakciós veszteség és nyereség 4. Folyamatos extrakció 5. Az extrakciós művelet grafikus analízise Az extrakció olyan művelet, amellyel egy szilárd vagy folyadékelegy egyik összetevőjét szelektíven kioldjuk valamilyen alkalmas oldószerrel. Az extrakció célja -

az értékes komponens kinyerése, vagy

-

egy szennyezőanyag eltávolítása.

Műveleti példák: -

gyógyszeralapanyagok kioldása növényekből,

-

olajok kinyerése olajos magvakból

-

fenol eltávolítása szennyvizekből.

10.1. FOGALMAK A szilárd-folyadék extrakció során szilárd anyagokból oldunk ki értékes összetevőket: gyógynövényekből különböző hatóanyagokat, olajos magvakból és növényekből növényi olajokat stb. Gyakori extrakciós művelet, amikor a teafűből íz anyagokat oldunk ki forró vízzel. A folyadék-folyadék extrakció során egy folyadékelegy egyik összetevőjét oldjuk ki valamilyen oldószerrel, majd a két folyadékfázist elválasztjuk. Elterjedt művelet az ásványolaj iparban (pl. a szénhidrogénelegyekből az aromás vegyületek kinyerése), a környezetvédelemben (az ipari szennyvizek egyes veszélyes összetevőinek eltávolítása) stb.

124

A folyadék-folyadék extrakcióban általában három komponens vesz részt: -

a vivőfolyadék (A)

-

az értékes vagy szennyező összetevő (C)

-

és az oldószer (B)

A kiinduló elegy az „anyaoldat” (L) összetétele: A + C. A C komponenst kell kioldani a B oldószerrel. A B oldószert úgy kell megválasztani, hogy ne oldódjon az A vivőfolyadékban, de a C komponenst jól oldja. A folyadékelegyet összekeverjük az oldószerrel. A C komponens megoszlik az A és B oldószer között, majd a két fázist a sűrűségkülönbség alapján elválasztjuk. A raffinátum (R) az a fázis, amelyből a C komponens egy részét kioldottuk. Az extraktum (E) az a fázis, amely a C komponenst kioldotta. Az értékes (vagy a szennyező) komponenst (C) az oldószertől (B) rendszerint lepárlással választjuk el, ezzel tisztán visszanyerjük mindkét komponenst. Az extrakciós művelet fajtái: -

egyszerű, egylépcsős extrakció,

-

többlépcsős, keresztáramú extrakció,

-

folyamatos, ellenáramú extrakció.

Ezeket a műveleteket a 10.1. ábra szemlélteti.

125

10.1. ábra Extrakciós műveletek 1. Egyszerű, egylépcsős extrakció Az L kiinduló elegyet összekeverjük a B oldószerrel,

majd

a

raffinátum

és

az

extraktum fázist elválasztjuk a sűrűségkülönbség alapján. A

raffinátum

rendszerint

a

vizes,

az

extraktum a szerves fázis.

2. Többlépcsős, keresztáramú extrakció Az egyes fokozatok raffinátumait az oldószer újabb/ tiszta adagjaival keverjük össze. Az extraktumokat egyesítjük.

3. Folyamatos, ellenáramú extrakció Az

anyaoldat

és

az

oldószer

ellenáramban mozog. A nehéz fázist a tartály tetején, a könnyű fázist a tartály alján vezetjük le. A könnyű fázist cseppekre elosztjuk, diszpergáljuk, a cseppek felfelé szállnak a lefelé áramló, összefüggő nehéz fázison át. Az anyagátadó felületet növelhetjük például töltelékek, szitatányérok alkalmazásával.

126

10.2. MEGOSZLÁSI HÁNYADOS Az extrakciót az teszi lehetővé, hogy a kivonandó komponens mindkét folyadékban oldódik, ezért megoszlik a két fázis között. A megoszlási hányados: A ρE és ρR az extrahálandó komponens koncentrációja az extraktumban és a raffinátumban, (kg/m3). 10.3. EXTRAKCIÓS VESZTESÉG ÉS NYERESÉG a/ Egyszerű, egy lépcsős extrakció. Az extrakciós veszteség (ami a raffinátumban marad): m0 és mR az extrahálandó komponens tömege vagy koncentrációja az anyaoldatban és a raffinátumban, f a folyadékarány: az oldószer (az extraktum) és az anyaoldat (raffinátum) térfogatának hányadosa: f = VE/VR. Az extrakciós nyereség (ami az extraktumba átmegy):

b/ Egyszerű, több lépcsős extrakció. Ha az oldószer mennyisége mindegyik lépcsőben egyenlő, az n-szer megismételt művelet extrakciós vesztesége:

127

10.4. FOLYAMATOS EXTRAKCIÓ Az anyaoldat és az oldószer ellenáramban mozog az extraháló oszlopban. A tiszta oldószer (B) a kilépő raffinátummal (Rki), az anyaoldat (L) a kilépő extraktummal (Eki) találkozik az oszlop egyik és másik végén. Ez a nagy koncentrációkülönbség jelentős hajtóerőt eredményez az anyagátadás során. A teljes anyagmérleg Az extraktumba belépő anyaoldat és oldószer tömegáramának összege egyenlő a kilépő raffinátum és az extraktum tömegáramának összegével. L, B/ R, E: kg/s

L+B=R+E A részleges anyagmérleg

A kioldandó komponensre vonatkozik. Az anyaoldattal belépő komponens megoszlik a kilépő raffinátum és az extraktum között. Az anyaoldatból kioldott rész tömege egyenlő az oldószerbe átment komponens tömegéve: A, B: kg/s

A(Xbe - Xki) = B(Yki - Ybe) X: kgC/kgA, Y: kgC/kgB

Az egyenletből kifejezhetünk két fontos technológiai adatot. a/ Hány kg oldószerre van szükség?

b/ Mekkora a C komponens koncentrációja az extraktumban?

Ha a C komponens koncentrációja kicsi, az A vivőfolyadék tömegáramát helyettesíthetjük az L anyaoldat tömegáramával:

.

128

10.5. AZ EXTRAKCIÓS MŰVELET GRAFIKUS ANALÍZISE Az extrakció folyamatát az egyensúlyi diagram vagy a háromszög diagram segítségével követhetjük. Egyensúlyi diagram Egyensúly alakul ki az oldószerbe kioldott és az eredeti elegyben maradó C komponens koncentrációja között. A vízszintes tengelyen a raffinátum, a függőleges tengelyen az extraktum összetételét, A C komponens tömegarányát ábrázolhatjuk:

WR és WE a C komponens tömegszázaléka a raffinátumban és az extraktumban. Az egyensúlyi diagram segítségével kiszámolhatjuk: 1. a raffinátum és az extraktum összetételét, a kiinduló elegy összetételének ismeretében, (10.4. példa), 2. többlépcsős extrakció lépéseinek számát, ha előírjuk a raffinátum végső összetételét, (10.5. példa), 3. folyamatos, ellenáramú extrakció elméleti fokozatainak számát, (10.6. példa), 4. a minimális oldószerarányt. A számításokat a 10.2. sz. ábra mutatja be.

129

10.2. ábra Számítások az egyensúlyi diagram segítségével 1.A raffinátum és az extraktum összetétele - A kiinduló elegy összetétele: Xbe - A munkavonal meredeksége: - A metszéspont vetülete: Xki a raffinátum összetétele Yki az extraktum összetétele 2. Több lépcsős extrakció lépéseinek száma - A raffinátum előírt összetétele: Xki - Az oldószer tömege minden lépésben egyenlő, a munkavonalak meredeksége is egyenlő (párhuzamosak). - X1, X2, X3… és Y1, Y2, Y3… az egyes lépések raffinátumainak és extraktumainak összetétele.

130

10.2. ábra folytatása 3. Az ellenáramú extrakció elméleti fokozataink száma. - Az Xki és Yki a raffinátum és extraktum végső összetétele. - Az Xbe ill. Yki pontokból induló függőleges ill. vízszintes metszi egymást. - MV1 munkavonal a metszéspontot és az Xki pontot köti össze. - Az elméleti fokozatok számát az EG görbe és az MV1 egyenes közé rajzolt lépcsők száma adja. 4. A minimális oldószerarány meghatározása - Xbe és Xki a raffinátum kezdeti és végső összetétele. - MV2 az Xki pontból indított érintő, amely metszi az Xbe pontból induló függőlegest. - A metszéspont vetülete az Y tengelyre kijelöli az Ymax értékét. A minimális oldószerarány:

131

PÉLDÁK, FELADATOK 10.1. PÉLDA

Megoszlási hányados, kioldás

Ipari szennyvíz fenol tartalmát kell lecsökkenteni extrakcióval. A szennyvíz napi mennyisége 5 m3, fenol tartalma 2 g/dm3. Az extrahálószer szén-tetraklorid. A megoszlási hányados 17. Számítsa ki: a/ A fenol hány %-a oldható ki 1 m3 szén-tertakloriddal? b/ Hány % oldható ki két fokozatban 0,5-0,5 m3 szén-tetrakloriddal? c/ Hány m3 szén-tetraklorid kell a fenol 95 %-ának kioldásához? MEGOLDÁS q = 5 m3/d

k=17 3

ρ0 = 2 g/dm = 2 kg/m3 a fenol mennyisége 5 m3/d 2 kg/m3 = 10 kg/d a/ Hány kg fenol oldódik ki 1 m3szén-tetrakloridban? A megoszlási hányadosba tömeg-koncentrációkat helyettesítünk be (kg/m3): a fenol tömegét az extraktum és a raffinátum 1-1 m3-ében. Kioldódik x kg 1 m3 oldószerben, marad 10-x kg 5 m3 vízben, illetve (10-x)/5 kg 1 m3 vízben. A megoszlási hányados:

1 m3 CCl4-ben kioldódott 7,72 kg, 10 kg-nak 77,2 %-a. (5 m3 raffinátumban maradt 10 - 7,72 = 2,28 kg). b/ Hány kg fenol oldódik ki 0,5-0,5 m3 CCl4-ban két fokozaton? A fenol tömegét 0,5 m3 oldószerben (extraktumban) adjuk meg. Ezért a raffinátumban is 0,5 m3-re kell számolni, hogy azonos legyen a két koncentráció mértékegysége a megoszlási hányadosban.

132

Kioldódik x1 kg 0,5 m3 oldószerben, maradt 10-x1 kg 5 m3 vízben, illetve (10-x1)/10 kg 0,5 m3 vízben. A megoszlási hányados: x1 = 6,3 kg Kioldódott 6,3 kg 0,5 m3 oldószerben, a raffinátumban maradt 10-6,3 = 3,7 kg, ebből extrahálunk az oldószer újabb/ 0,5 m3-es adagjával. Kioldódik x2 0,5 m3 oldószerben, marad 3,7-x2 kg 5 m3 vízben, illetve (3,7-x2)/10 kg 0,5 m3 vízben x2 = 2,33 kg

Kioldódott x1 + x2 = 6,3 + 2,33 = 8,63 kg, 10 kg-nak 86,3 %-a. Az extrakció két lépésben eredményesebb/ azonos térfogatú oldószer felhasználása mellett. c/ Hány m3 CCl4 kell a fenol 95 %-ának kioldásához? Ki kell oldani 9,5 kg fenolt y m3, illetve 9,5/y kg 1 m3 oldószerben. Marad 0,5 kg fenol 5 m3, illetve 0,5/5 = 0,1 kg 1 m3 vízben.

A fenol 95 %-ának extrakciójához 5,59 m3 szén-tetraklorid kell. MEGJEGYZÉS Az x kifejezése a megoszlási hányados képletéből:

133

10.2. PÉLDA

Egyszeres extrakció

Ipari szennyvíz fenollal szennyezett. A szennyvizet meg kell tisztítani a fenoltól, mielőtt a csatornába engedjük. A fenolt szén-tetrakloriddal oldhatjuk ki a vízből. A megoszlási hányados 17. A szennyvíz mennyisége 500 dm3, amelynek fenol tartalma 0,4 %. A szén- tetraklorid oldószer 100 dm3. Mekkora a raffinátum és az extraktum koncentrációja? MEGOLDÁS k = 17

VE = 100 dm3

VR = 500 dm3

A folyadékarány: f = VE/VR = 100/500 = 0,2 A fenol tömege a híg vizes oldatban: 100 kg-ban van 0,4 kg fenol 500 kg-ban van 2 kg fenol a/ Az extrakciós veszteség (ami a raffinátumban marad):

A raffinátum koncentrációja:

b/ Az extrakciós nyereség (ami az extraktumba átmegy):

Az extraktum koncentrációja:

134

10.3.PÉLDA

Többszörös extrakció

Fenolos szennyvizet extrahálunk szén-tetrakloriddal. A megoszlási hányados 17. A szennyvíz mennyisége 500 l, amelynek fenol tartalma 0,4 %. A szén-tetraklorid oldószer 100 liter, amelyet két 50 l-es adagban használunk fel. Mekkora a raffinátum koncentrációja? Hasonlítsa össze a 10.2. és a 10.3. példa eredményeit! MEGOLDÁS k = 17

VE = 2×50 l

VR = 500 l

m0 = 2 kg (a fenol tömege a vizes oldatban) a/ Az 1. extrakciós műveletben -

a folyadékarány: f = VE/VR = 50/500 = 0,1

-

az extrakciós veszteség:

-

a raffinátum koncentrációja:

b/ A 2. extrakciós műveletben -

a folyadékarány: f = 50/500 = 0,1

-

az extrakciós veszteség:

-

a raffinátum koncentrációja: ρR2 = 0,274 kg/500 dm3 = 0,000 548 kg/dm3 Az extrakciós nyereségek: az 1. lépésben: mE1 = m0 - mR1 = 2 - 0,74 = 1,26 kg a 2. lépésben: mE2 = mR1 - mR2 = 0,74 - 0,1 = 0,64 kg az extraktumok egyesítésével: mE = 1,9 kg Két lépésben extrahálva a vizes oldatban (a raffinátumban) marad 0,1 kg fenol, a szén-

tetrakloridba (az extraktumba) kioldódott 1,9 kg.

135

c/ A feladatot egy lépésben is megoldhatjuk. 2 az extrakciós lépések száma a folyadékarány: f= 100/500 = 0,2 (a két egymást követő lépésben mind a 100 dm3 oldószert felhasználhatjuk).

FELADAT Hasonlítsa össze a visszamaradó fenol mennyiségét -

az egyszeres extrakcióban (10.2. példa)

-

a kétszeres extrakcióban (10.3. példa)

-

Melyik eljárás a hatékonyabb?

10.1. FELADAT

Egyszeres extrakció

A szennyvíz fenollal szennyezett. A szennyvizet extrakcióval tisztítjuk meg, mielőtt a csatornába engedjük. A szennyvíz 10 m3 naponta, fenol tartalma 2 g/dm3. Az oldószer 1 m3 szén-tetraklorid. A megoszlási hányados 17. Számítsa ki a/ a fenol tömegét naponta (kg/d), b/ az oldószerbe kioldott fenol tömegét (kg) c/ a raffinátumban maradt fenol tömegét (kg) és koncentrációját. a/ A fenol tömege naponta: m = 10 m3/d 2 kg/m3 = b/ Kioldódik x kg 1 m3 CCl4-ban Marad 20-x 10 m3-ben, 20-x/10 1 m3-ben (ρR = 0,741 kg fenol/m3 víz)

136

10.2. FELADAT

Kétszeres extrakció

A fenolos ipari szennyvizet szén-tetrakloriddal extraháljuk. A szennyvíz mennyisége: 10 m3/d/ fenol tartalma 2 g/dm3. Két lépésben extrahálunk 0,5-0,5 m3 CCl4-al. Számítsa ki a/ a fenol napi tömegét (kg/d), b/ a két lépésben kioldott fenol tömegét (kg), c/ a raffinátumban maradt fenol mennyiségét (kg) és koncentrációját (kg/m3). Hasonlítsa össze a 10.1. és a 10.2. feladat eredményeit! a/ A fenol tömege: m = 10 m3/d 2 kg/m3 = b/ Kioldódik x kg 0,5 m3 CCl4-ban Marad 20-x kg 10 m3-ben, 20-x/20 0,5 m3-ben (ρR = 0,58 kg fenol/m3 víz)

10.3. FELADAT

Egyszeres extrakció

Fenollal szennyezett ipari vizet kell megtisztítani. A fenolt szén-tetrakloriddal oldjuk ki a vízből. A szennyvíz mennyisége 10 m3, fenol tartalma 2 g/dm3, a szén-tetraklorid 1 m3. A megoszlási hányados 17. Az m0 = 10 m3 2 kg/m3 = 20 kg Számítsa ki a/ az extrakciós veszteséget és a fenol koncentrációját a raffinátumban, b/ az extrakciós nyereséget és fenol koncentrációját az extraktumban! (ρR = 0,74 kg fenol/m3, ρE = 12,6 kg fenol/m3) Hasonlítsa össze a 10.1. és a 10.3. feladat eredményét! A két számítási módszer azonos eredményt ad?

137

10.4. FELADAT

Kétszeres extrakció

Végezze el az extrakciót két lépésben, 0,5-0,5 m3 oldószerrel, a 10.3. feladat adataival! (ρR = 0,27 kg fenol/m3, ρE = 17,26 kg/m3) Hasonlítsa össze a 10.3. és a 10.4.4 feladat eredményeit. Melyik eljárás a hatékonyabb?

10.5. FELADAT A raffinátum és az extraktum összetétele Víz és izo-propanol elegyét extraháljuk benzollal: az izo-propanolt kell kioldani. A víz tömege: A = 100 kg. Az izo-propanol tömege: C = 50 kg. A benzol tömege: B = 50 kg. Határozza meg a raffinátum és az extraktum összetételét az egyensúlyi görbe segítségével (10.3. ábra), ha a, egy lépésben extrahálunk, b/ két lépésben extrahálunk: a benzol 25-25 kg-os adagjával. a/ Egylépéses extrakció 1. Az x tengelyen jelölje meg a kiinduló elegy összetételét. 2. Számítsa ki a munkavonal meredekségét: -tg = a/b = 2/1 = 2 mérjen fel az Xbe ponttól balra 1 egységet, majd felfelé 2 egységet.

3. Határozza meg a raffinátum és az extraktum összetételét: az egyensúlyi görbe és a munkavonal metszéspontját vetítse az x és az y tengelyre.

138

4. Számítsa ki a benzolba átoldódott izo-propanol mennyiségét: Az extraktumba 21,25 kg izopropanol jutott, a raffinátumban maradt: b/ Kétlépéses extrakció 1. A kiinduló elegy összetétele:

2. A munkavonal meredeksége: -tg = a/b = 4/1 = 4 mérjen fel az Xbe ponttól balra 1 egységét, majd felfelé 4 egységet.

3. A raffinátum és az extraktum összetétele az első lépés után: 4. A benzolba átoldódott izo-propanol:

5. Rajzolja meg a második munkavonalat párhuzamosan az elsővel, az X1=0,36-ból kiindulva.

6. A raffinátum és az extraktum összetétele a második lépés után: 7. A benzolba átoldódott izo-propanol: A két extraktumba kioldódott:

139

10.6. FELADAT

Többlépcsős extrakció lépéseinek száma

Dioxánt kell kivonni vízből, az oldószer benzol. Az elegy tömege 150 kg, a dioxán tartalom 20 tömeg %. A raffinátum koncentrációja 0,05 kg dioxán/ kg víz legyen. Hány lépcsőben kell extrahálni, ha mindegyik lépésben 100 kg tiszta oldószert használunk fel? A dioxán egyensúlyi koncentrációja: vízben:

5,1

18,9

25,2

tömeg %

benzolban: 5,2

22,5

32,0

tömeg %

ADATOK L = 150 kg

B = 100 kg (minden lépésben)

WC = 20 tömeg% MEGOLDÁS 1. Ábrázolja a dioxán egyensúlyi diagramját (mm papíron). A tömegarányok:

X kg dioxán/kg víz

0,0537

Y kg dioxán/kg benzol

0,0548

2. Határozza meg a kiinduló elegy dioxán tartalmát.

3. Határozza meg a munkavonal iránytangensét. A kiinduló elegyben az oldószer (víz) tömege:

140

4. Rajzolja fel a munkavonalat. -

Mérjen fel az Xbe pontból kiindulva 1 egységet balra, majd 1,2 egységet felfelé.

-

A többi munkavonal párhuzamos az elsővel.

Hány lépés után lesz kisebb a raffinátum koncentrációja, mint az előírt Xki = 0,05 kg dioxán/kg víz koncentráció? Hány kg oldószert kell felhasználni összesen?

10.7. FELADAT

Folyamatos, ellenáramú extrakció.

Fenollal szennyezett vizet tisztítunk meg folyamatos ellenáramú extrakcióval. Az oldószer benzol. A víz kezdeti fenol tartalma 8 kg/m3, ezt kell lecsökkenteni 1 kg/m3 koncentrációra. A benzol végső fenol tartalma 25 kg/m3 lehet. A szennyvíz térfogatárama 10 m3/h. A fenol egyensúlyi koncentrációja: x kg fenol/m3 víz

0,426

1,59

5,74

x kg fenol/m3 benzol

0,974

4,37

46,7

Határozza meg az extrakció elméleti fokozatainak számát és a szükséges oldószer térfogatáramát! ADATOK L = 10 m3/h = 0,0027 m3/s

Ybe = 0 kg fenol/m3 benzol

Xbe = 8 kg fenol/m3 víz

Yki = 25 kg fenol/m3 benzol

Xki = 1 kg fenol/m3 benzol

L A = 10 m3/h

141

MEGOLDÁS 1. Rajzolja meg a fenol egyensúlyi görbéjét (mm papíron)! 2.

Rajzolja meg a munkavonalakat! az egyenes egyik pontja: Xbe = 8 kg/m3 Yki = 25 kg/m3 az egyenes másik pontja: Xki = 1 kg/m3 Ybe = 0 kg/m3

3. Rajzolja be az egyensúlyi görbe és a munkavonal közé a koncentrációváltozás lépcsőit! Mekkora a folyamatos ellenáramú extrakció elméleti fokozatainak száma? Az oldószer szükséges térfogatárama:

(A fenol kis koncentrációja miatt a vivőfolyadék és a kiinduló elegy térfogatáramát egyenlőnek vehetjük: A L). MEGJEGYZÉS Ellenőrizze, hogy az extraktum koncentrációja valóban megegyezik az előírt Yki = 25 kg fenol/m3 benzol koncentrációval! Az extraktum koncentrációja:

142

11. SEMLEGESÍTÉS

1. Kémhatás: pH, pOH 2. A savas szennyvizek semlegesítése Savak és lúgok gyártásakor és felhasználásakor jelentős mennyiségű - szennyezett sav és lúg, vagy - savas vagy lúgos kémhatású szennyvíz keletkezik. Jellemző példa a galvanizáló üzem, ahol a fémek felületét savakkal (páclével) tisztítjuk. A hulladék savak és lúgok maró és korróziós hatásuk miatt nehezen kezelhető, veszélyes hulladékok, ezért a keletkezésük helyén semlegesíteni kell.

A semlegesítés olyan művelet, amellyel a savas vagy lúgos hulladékokat közömbösítjük, kémhatásukat pH = 7 körüli értékre állítjuk be. A savakat lúgokkal (általában kalcium-hidroxiddal, mésztejjel) a lúgokat savakkal (legtöbbször kénsavval) semlegesítjük.

11.1. KÉMHATÁS, pH, pOH A savak és lúgok erős elektrolitok, amelyek vizes oldatokban teljesen disszociálnak: HCl = H+ + Cl-

NaOH = Na+ + Cl-

Az elektrolitos disszociáció olyan folyamat, amelyben egyes vegyületek (elektrolitok) pozitív és negatív töltésű ionokká bomlanak oldószerek (víz) hatására. A savak H+,a lúgok OH- ionokat adnak az oldatba. A kémhatást a H+ és az OH- ionok koncentrációja határozza meg, és a pH (pOH) értékével fejezzük ki.

143

A

pH

logaritmusa.

a

hidrogénion

A

koncentrációt

koncentráció

negatív

mol/dm3-ben

kell

pH = -lg[H+]

behelyettesíteni. A

pOH

logaritmusa.

a A

hidroxidion koncentrációt

koncentráció

negatív

mol/dm3-ben

pOH = -lg[OH-]

kell

behelyettesíteni. Tiszta, semleges vízben a hidrogénion és a hidroxidion koncentrációja egyenlő: [H+] = [OH-] = 10-7 mol/dm3 => pH = -lg[10-7] = 7 pOH = -lg[10-7] = 7 A hidrogén- és a hidroxidion koncentrációjának szorzata állandó: +

[H ] [OH-] = 10-14

=> tiszta vízben 10-7 10-7 = 10-14

Ha savat öntünk a vízhez, a disszociáció miatt megnő a H+ ion koncentráció (pl. H2SO4 = 2 H+ + SO42-) és arányosan lecsökken a OH- ion koncentráció. Lúg hozzáadása megnöveli a OH- ion koncentrációt (pl. Ca(OH)2 = Ca2+ + 2 OH-) savas oldatokban +

lúgos oldatokban

-

[OH-] > [H+]

[H ] > [OH ]

Ha nagyobb a H+ koncentráció, kisebb a hatványkitevő (10-6,10-5...), vele együtt a pH is (6, 5...). savas

semleges

lúgos

pH

0…6

7

8 … 14

pOH

14 … 8

7

6…0

A pH és a pOH összege állandó: pH + pOH = 14

144

11.2. A SAVAS SZENNYVIZEK SEMLEGESÍTÉSE a/ Semlegesítés mészkővel: CaCO3 + 2 HCl = CaCl2 + H2O + CO2 A CO2 eltávozik az oldatból, ezért a reakció jobbra teljesen végbemegy. Két technikai megoldás terjedt el: - mészkőágyas semlegesítés: a savas szennyvizet egy saválló medencében, saválló rostélyon 5-10 cm-es mészkődarabokból kialakított rétegen vezetjük át, alulról felfelé, - mészkőlisztes semlegesítés: a megőrölt mészkövet vízzel szuszpendáljuk egy tartályban és innen adagoljuk a savas szennyvízhez a semlegesítő medencébe. b/ Semlegesítés mésztejjel: Ca(OH)2 + 2 HCl = CaCl2 + 2 H2O Általában 10 %-os mésztejet készítünk, és ezt adagoljuk a savas szennyvízhez a semlegesítő medencébe. Az adagolást az elfolyó víz pH-ja szabályozza.

PÉLDÁK, FELADATOK A semlegesítés művelete során gyakran ki kell számítani -

a hidrogénion (hidroxidion) koncentrációjából a pH és a pOH értékét, (11.1. példa),

-

a pH (pOH) ismeretében a H+ ion (OH—ion) koncentrációját, (11.2. példa),

-

a sav (lúg) koncentrációjából az oldat pH-ját, pOH-ját, (11.3. példa),

-

adott pH-jú savas (lúgos) oldatok, szennyvizek semlegesítéséhez szükséges lúg (sav) mennyiségét, (11.4. példa),

-

adott tömegkoncentrációjú savas (lúgos) oldatok, szennyvizek semlegesítéséhez szükséges lúg (sav) mennyiségét, (11.5. példa). A semlegesítés során a kiinduló vegyület lehet

-

a mésztej (Ca(OH)2, 11.4., 11.6. példa),

-

vagy az oltott mész (CaO, 11.5. példa).

145

11.1. PÉLDA

H+ ion koncentráció => pH és pOH

Egy oldatban a hidrogénion koncentrációja 10-2 mol/dm3. Mekkora a/ az oldat pH-ja, b/ az oldat OH- ion koncentrációja, c/ az oldat pOH-ja? MEGOLDÁS [H+] = 10-2 mol/dm3 a/ pH = -lg[H+] = -lg[10-2 mol/dm3] = -lg0,01 = 2 b/ [H+] [OH-] = 10-14 [

]

[

]

c/ pH + pOH = 14 pOH = 14 - pH = 14 - 2 = 12

11.2.PÉLDA

pH => H+ ion koncentráció

Az oldat pH-ja 3,7. Mekkora a/ a hidrogénion koncentráció, b/ a hidroxidion koncentráció, c/ a pOH? MEGOLDÁS pH = 3,7 a/ [H+] = num lg(-pH) = num lg(-3,7) = 2 10-4 mol/dm3 b/ [H+] [OH-] = 10-14 [

]

c/ pH + pOH = 14 pOH = 14 - pH = 14 - 3,7 = 10,3 MEGJEGYZÉS A tudományos kalkulátorok log gombjának második funkciója 10 x művelet. A num log (-pH) kiszámításához ezt használja: shift, log, -pH, =

146

11.3. PÉLDA

A pH kiszámítása a sav koncentrációjából

Egy oldatban a sósav koncentrációja 85 g/m3. Mekkora az oldat pH-ja? MEGOLDÁS [HCl] = 85 g/m3 = 0,085 g/dm3 Mr(HCl) = 36,5 g/mol A H+ ion koncentrációt mol/dm3-ben kell behelyettesíteni, ezért a tömegkoncentrációkat át kell számolni anyagmennyiség-koncentrációkra: ha 36,5 g HCl 1mol akkor 0,085 g n mol A sósav koncentrációja: [HCl] = 0,00233 mol/dm3. A behelyettesítéshez nem a sósav, hanem a hidrogénion mól-koncentrációja kell. Az erős savak (lúgok) teljesen disszociálnak, ezért a savkoncentrációk (lúgkoncentrációk) megegyeznek a hidrogénion (hidroxidion) koncentrációkkal: [HCl] = [H+] = 0,00233 mol/dm3 A sósavoldat pH-ja: pH = -lg[0,00233] = 2,63

11.4. PÉLDA

Ismert pH-jú sósavoldat semlegesítése mésztejjel

Munkája során hulladék sósavoldatot kell semlegesíteni. Mérje meg az oldat pH-ját! Számítsa ki, hogy hány kg kalcium-hidroxiddal semlegesítheti a savas oldatot! ADATOK Az oldat pH-ja 3,5, térfogata 100 m3, Mr(Ca(OH)2) = 74 g/mol. MEGOLDÁS a/ A reakcióegyenlet: 2 HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 + 2 H2O 2 mol

1 mol

Két mol HCl-t semlegesíthetünk 1 mol Ca(OH)2-dal: Nem ismerjük az oldatban a HCl mól-koncentrációját. A pH ismeretében kiszámíthatjuk a H+ ion mól-koncentrációját.

147

Mivel a sósav teljesen disszociál (HCl = H+ + Cl-) a hidrogénion és a sósav mólkoncentrációja egyenlő: [H+] = [HCl]. b/ A hidrogénion koncentráció 1dm3-ben: [H+] = num lg(-pH) = num lg(-3,5) = 0,000316 mol/dm3 c/ A sósav koncentrációja 1 dm3-ben: [HCl] = [H+] = 0,000316 mol/dm3. A sósavnak ezt a mennyiségét kell közömbösíteni minden dm3-ben. d/ 1 dm3 oldat semlegesítéséhez kell: 2 mol HCl-hoz kell 74 g Ca(OH)2 0,000316 mol HCl-hoz kell m g Ca(OH)2 Ca(OH)2 e/ 1 m3 oldat semlegesítéséhez kell: m = 0,01169 g/dm3 1000 dm3 = 11,69 g Ca(OH)2 100 m3 oldat semlegesítéséhez kell: m = 1169 g = 1,169 kg Ca(OH)2

11.5. PÉLDA

Ismert koncentrációjú kénsavoldat semlegesítése

Egy üzemben 10 kg 2,5 tömeg %-os hulladék kénsav keletkezik naponta. Hány kg 15 tömeg %-os mésztej kell a semlegesítéséhez? ADATOK m = 10 kg/d

Ar(S) = 32,0

Mr(H2SO4 ) = 98

W(H2SO4) = 2,5 %

Ar(O) = 16,0

Mr(Ca(OH)2) = 74

W(Ca(OH)2) = 15 %

Ar(Ca )= 40,0

MEGOLDÁS A semlegesítés reakcióegyenlete: H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 + 2 H2O 1 mol

1 mol

98 g

74 g

148

A kénsav tömege az oldatban: m(H2SO4) = m W(H2SO4) = 10 kg 0,025 = 0,25 kg = 250 g A semlegesítéshez szükséges Ca(OH)2 tömege: 98 g H2SO4-hoz kell 74 g Ca(OH)2 250 g H2SO4-hoz kell m g Ca(OH)2

A 15 tömeg %-os mésztej tömege: 188,8 g Ca(OH)2 15 tömeg % m g mésztej 100 tömeg %

10 kg 2,5 tömeg %-os kénsav semlegesítéséhez 1,26 kg 15 tömeg %-os mésztej kell.

11.6. PÉLDA

Ismert pH-jú kénsavoldat semlegesítése mésszel

Egy galvanizáló üzemben a vasfelületeket kénsavas páclével tisztítjuk meg. A szennyezett kénsavat mésszel semlegesítjük. ADATOK A szennyezett kénsav mennyisége 10 m3 naponta, pH-ja 2. Hány kg mész kell a semlegesítéshez? Mr(CaO) = 56 g/mol MEGOLDÁS a/ A meszet (CaO) mésztej (Ca(OH)2) formájában adagoljuk. Első lépés a mész „oltása”: CaO + H2O = Ca(OH)2 => Ca2+ + 2 OH1 mol

2 mol

56 g 56/2 g (28 g) CaO 1 mol OH- iont bocsát az oldatba. b/ A semlegesítés: Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + 2 H2O 2 OH- + 2 H+ = 2 H2O 1 mol OH- ion semlegesít 1 mol H+ iont. 1 mol OH- ion 26 g CaO-ból keletkezik. 149

28 g CaO semlegesít 1 mol H+ iont. c/ A H+ ion koncentráció 1 dm3 páclében. H+ = num lg(-pH) = num lg(-2) = 0,01 mol/dm3 Ezt a H+ ion mennyiséget kell lekötni. d/ A CaO mennyisége 1 mol H+ iont semlegesít 28 g CaO 0,01 mol H+ iont semlegesít m g CaO

A páclé 1 dm3-ének semlegesítéséhez kell 0,28 g CaO. e/ A CaO napi mennyisége m = 280 g/m3 10 m3/d = 2800 g/d = 2,8 kg/d A 10 m3/d kénsavas páclé semlegesítéséhez 2,8 kg meszet kell felhasználni.

11.7. PÉLDA

Fe3+ ionnal szennyezett páclé semlegesítésére

Naponta 15 m3 páclé keletkezik, amelynek Fe3+ ion taralma 6,3 kg/m3, pH-ja 2,12. A semlegesítéshez 15% nedvességtartalmú kalciumoxidot használunk, amelynek egy része a Fe3+ kicsapásához, másik része a semlegesítéshez szükséges. MEGOLDÁS q = 15 m3/d = 6,3 kg/m3

Ar(Fe) = 55,85 g/mol Mr(CaO) = 56 g/mol

pH = 2,12 a/ A Fe3+ kicsapása: 2 Fe3+ + 3 Ca(OH)2 = 2 Fe(OH)3 + 3 Ca2+ 2 kmol Fe3+ ionhoz kell 3 kmol Ca(OH)2, illetve CaO 15 m3 páclében van: 15 m3 6,3 kg/m3 = 94,5 kg Fe3+ ion, 55,85 kg : 1 kmol = 94,5 kg : n Fe3+ kmol

2 kmol Fe3+ : 3 kmol CaO = 1,692 kmol Fe3+ : n CaO á á

150

b/ A semlegesítés: A hidrogénion koncentráció: [H+] = num lg(-pH) = num lg(-2,12) = 7, 58 10-3 mol/dm3 illetve kmol/m3 15 m3 páclében van: 15m3 7,58 10-3 kmol/m3 = 0,114 kmol H+ ion a semlegesítés: 2 H+ + Ca(OH)2 = Ca2+ + 2 H2O 2 kmol H+ ionhoz kell 1 kmol Ca(OH)2 illetve CaO 2 kmol H+ : 1 kmol CaO = 0,114 kmol H+ : nCaO íé c/ Összesen kell 2,538 + 0,057 = 2,595 kmol CaO 1 kmol CaO : 56 kg = 2,595 kmol CaO : m1 kg

a 15 % nedvességtartalmú CaO-ban a hatóanyag 85 % 85 % : 145,5 kg CaO = 100 % : m kg CaO

A páclé semlegesítéséhez 171 kg CaO kell naponta. Határozza meg, hogy a felhasznált CaO hány %-a kell a vas kicsapásához és a semlegesítéséhez! 11.1. FELADAT Egy szennyvízminta pH-ja 12. Mekkora a szennyvíz a/ hidrogénion koncentrációja: [H+] b/ hidroxidion koncentrációja: [OH-]? a/ A hidrogénion koncentráció pH = -lg[H+] => 12 = -lg[H+] => [H+] = 10-12 mol/dm3 b/ A hidroxidion koncentráció [H+] [OH-] = 10-14 => [OH-] = pH + pOH = 14 => pOH =

151

11.2. FELADAT Nátrium-hidroxid tartalmú szennyvízben a Na tömeg-koncentrációja 230 g/m3. Mekkora az oldat pOH-ja és pH-ja? = 230 g/m3 = 0,230 g/dm3 Ar(Na) = 23 g/mol MEGOLDÁS A NaOH disszociál: NaOH = Na+ + OHAz anyagmennyiség koncentrációk egyenlők. a/ A Na+ anyagmennyisége:

Az OH- mól-koncentrációja: [Na+] = [OH-] = 0,01 mol/dm3 b/ A pOH és a pH pOH = -lg[OH-] = pH = (pOH = 2, pH = 12)

11.3. FELADAT Munkája során hulladék sósavoldatot kell semlegesíteni kalcium-hidroxiddal. ADATOK A hulladék sósav térfogata: V = 100 m3 pH-ja: pH = 3,7 Hány kg Ca(OH)2-ot kell felhasználni? Kövesse a 11.4. példa megoldásának menetét! Válaszoljon a következő kérdésre: A savas oldat térfogata azonos (100 m3), miért kell mégis kisebb mennyiségű Ca(OH)2-ot felhasználni? (m = 0,378 kg Ca(OH)2)

152

11.4. FELADAT Egy galvanizáló üzemben 15 m3 kénsavas páclét kell semlegesíteni naponta. A páclé pH-ja 2,2. Hány kg meszet kell felhasználni? Első lépésben a mészből (CaO) mésztejet (Ca(OH)2) készít vízzel, majd ezt adagolja a kénsavhoz (H2SO4). -

Hány g CaO ad 1 mol H+ iont?

-

Hány mol OH- ion semlegesít 1 mol H+ iont?

-

Hány g CaO semlegesít 1 mol H+ iont?

-

Mekkora a savas oldat H+ ion koncentrációja (mol/dm3)?

-

Hány g CaO kell a számított H+ ion koncentráció közömbösítéséhez? (2,65 kg/d CaO)

153

12. KÉMIAI KICSAPÁS 1. A víz keménysége 2. A víz lágyítása 3. A foszfor kicsapása

A kémiai kicsapás során a vízben oldott ionokat alkalmas reagensekkel oldhatatlan csapadékká alakítjuk. A csapadékokat ülepítéssel vagy szűréssel választjuk el a víztől. A kémiai kicsapás célja: -

a víz megtisztítása a szennyező anyagoktól,

-

az értékes komponensek visszanyerése az oldatból.

Műveleti példák: -

a víz lágyítása,

-

a foszfor eltávolítása a vízből,

-

a fémek kinyerése a fémsók vizes oldataiból.

12.1. A VÍZ KEMÉNYSÉGE A víz keménységét az oldott kalcium- és magnézium-sók okozzák, -

a karbonát (változó) keménységet a hidrogén-karbonát sók: Ca(HCO3)2 és Mg(HCO3)2

-

a nem karbonát (állandó) keménységet a Ca2+ és Mg2+ ionok valamilyen más anionnal alkotott vegyületei: CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2…

A víz keménységét a Ca- és Mg-sók koncentrációjából számított CaO mennyiségével fejezzük ki.

154

A kéménység mértékegysége: -

a CaO koncentrációja: mmol/dm3, mol/m3

-

a német keménységi fok, °nk 1 °nk: 10 mg/dm3 (g/m3) CaO koncentráció.

12.2. A VÍZ LÁGYÍTÁSA A vízben oldott sók a víz elpárolgása, gőz keletkezése közben kicsapódnak és „vízkövet” hoznak létre a fémek felületén, amely lerontja a hőátadási viszonyokat, és tönkreteszi a kazánokat, hőcserélőket. Ezért a kazánok tápvizét lágyítani kell. A vízlágyítás során az oldott Ca- és Mg–sókat eltávolítjuk a vízből, ezzel lecsökkentjük a víz keménységét. A Ca- és Mg- sókat ioncserével vagy kémi kicsapással távolíthatjuk el a vízből. A hidrokarbonátok és a magnézium-sók kicsapása mésztejjel: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + 2 H2O Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + Mg(OH)2 + 2 H2O MgSO4 + Ca(OH)2 = CaSO4 + Mg(OH)2 MgCl2 + Ca(OH)2 = CaCl2 + Mg(OH)2 A kalcium-sók kicsapása szódával: CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4 CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2 NaCl A szabad szén-dioxid is fogyaszt kalcium-hidroxidot: CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O Az égetett mészből kiindulva a mészszükségletet egy tapasztalati képlettel számíthatjuk ki: m(CaO) = 10 (Kk + KMg +

) g/m3

Kk a karbonát keménység (°nk), KMg a magnézium keménység (°nk), szén-dioxid keménység (°nk), (1°nk = 7,9 g CO2/m3).

155

a szabad

A vízlágyítás műveletéhez ki kell számítani: -

a víz keménységét az oldott Ca- és Mg-sók koncentrációjának ismeretében, (12.1. példa),

-

a Ca- és Mg-sók kicsapásához szükséges vegyszerek (CaO, Ca(OH)2, Na2CO3…) mennyiségét (12.2., 12.3. példa).

12.3. A FOSZFOR KICSAPÁSA VÍZBŐL A foszfor növényi tápanyag. Ha a szennyvizekkel sok foszfort viszünk be a befogadó élővizekbe, a tápanyagdúsulás miatt a vízi növények (hínár stb.) elszaporodnak (eutrofizáció). Ezért a foszfor-vegyületeket el kell távolítani a befogadóra vezetett vizekből. A foszfor három formában lehet jelen a vízben: -

ortofoszfátok: PO43-, HPO42-, pH

7 körül a HPO42- dominál,

-

kondenzált foszfátok: PO4 tetraéderekből álló lánc/

-

szerves foszforvegyületek: a biológiai lebontás során ortofoszfáttá alakulnak.

A sokféle foszforvegyület miatt az összes foszfortartalmat adjuk meg g/m3-ben. A foszfor kicsapásához elsősorban Al3+- vagy Fe3+- vegyületeket alkalmazunk: Al3+ + PO43- = AlPO4

Fe3+ + PO43- = FePO4

Ki kell számítani -

a foszfor kicsapásához szükséges vegyszerek (Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3) mennyiségét (12.4. példa),

-

a kicsapószer feleslegét (12.5. példa).

156

PÉLDÁK, FELADATOK

12.1. PÉLDA

A víz keménysége

Analitikai módszerekkel meghatározta a vízben oldott kalcium- és magnézium-sók koncentrációját. Számítsa ki a víz keménységét. A vízben oldott sók tömeg-koncentrációja Ca(HCO3)2

144 g/m3

Mr = 162 g/mol

Mg(HCO3)2

73 g/m3

Mr = 146 g/mol

MgSO4

72 g/m3

Mr = 120 g/mol

MgCl2

48 g/m3

Mr = 95 g/mol

Mekkora a/ a karbonát (változó) keménység, b/ a nem karbonát (állandó) keménység, c/ és az összes keménység? A megoldás lépései: Számítsa ki A/ a tömeg-koncentrációkból a kémiai anyagmennyiség-koncentrációkat, B/ ezek összege adja az egyenértékű CaO anyagmennyiség-koncentrációját, C/ a CaO anyagmennyiség-koncentrációjából a tömeg-koncentrációt, D/ a német keménységi fokot! Az anyagmennyiség-koncentrációk 162 g Ca(HCO3)2 144 g Ca(HCO3)2

1 mol c(Ca(HCO3)2) mol

162 g : 1 mol = 144 g : c(Ca(HCO3)2) mol

c(Mg(HCO3)2) = 0,5 mol/m3

c(MgCl2) = 0,5 mol/m3

c(MgSO4) = 0,6 mol/m3

157

a/ A változó keménység Kv = c(Ca(HCO3)2) + c(Mg(HCO3)2) = 0,88 + 0,5 = 1,39 mol/m3 Az egyenértékű CaO tömeg-koncentrációja: a CaO relatív molekulatömege: Mr = 56 g/mol 1 mol CaO

56 g

1,39 mol CaO

ρ

1 : 56 = 1,39 : ρ

g

g

ρ mivel 10 g/m3 CaO = 1 °nk ° b/ Az állandó keménység Ká = c(MgSO4) + c(MgCl2) = 0,5 + 0,5 = 1,1 mol/m3 Az egyenértékű CaO tömeg-koncentrációja 1 mol CaO

56 g

1,1 mol CaO 1 : 56 = 1,1 : ρ

ρ

g

g

ρ °

á

c/ Az összes keménység: K = Kv + Ká = 7,78 + 6,16 = 14

12.2. PÉLDA

A víz meszes és szódás lágyítása

A gőz előállításához lágy kazántápvizet kell biztosítani, hogy megelőzzük a vízkő lerakódását. A Ca- és Mg-sók kicsapásához hány kg meszet és szódát kell felhasználni adott sótartalmú víz lágyításához? 158

ADATOK A vízminta oldott sótartalma 1. Ca(HCO3)2

210 g/m3

Mr = 162

2. Mg(HCO3)2

68 g/m3

Mr = 146

3. MgCl2

51 g/m3

Mr = 95

4. CaSO4

38 g/m3

Mr = 136

5. CaCl2

79 g/m3

Mr = 111

6. CO2

52 g/m3

Mr =44

Számítsa ki a víz lágyításához szükséges a/ CaO mennyiségét, Mr(CaO) = 56 g/mol b/ Na2CO3 10 H2O mennyiségét, Mr(Na2CO3 10 H2O) = 286 g/mol a/ A CaO mennyisége CaO + H2O = Ca(OH)2 1 mol

1mol

A kalcium-hidrokarbonát kicsapásához: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + H2O 1 mol

1mol

162 g

56 g CaO

162 g Ca(HCO3)2-hoz kell Ca(HCO3)2 210 g Ca(HCO3)2-hoz kell ρ1 g

ρ A magnézium-hidrokarbonát kicsapásához: Mg(HCO3)2 + 2 Ca(OH)2 = 2 CaCO3 + Mg(OH)2 + H2O 1 mol

2 mol

146 g Mg(HCO3)2-hoz kell 2 56 g CaO 68 g Mg(HCO3)2-hoz kell ρ g CaO

159

ρ A magnézium-klorid kicsapásához: MgCl2 + Ca(OH)2 = Mg(OH)2 + CaCl2 95 g

56 g CaO g/m3

A szén-dioxid kicsapásához: CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3 + H2O g/m3 A CaO mennyisége a lágyításhoz: ρ

ρ

ρ

ρ

ρ

( = 221 g/m3) b/ A Na2CO3 10 H2O mennyisége A kalcium-szulfát kicsapásához: CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3 + Na2SO4 1 mol

1 mol

136 g

286 g

136 g CaSO4-hoz kell 286 g Na2CO3 10 H2O 38 g-hoz kell ρ g

ρ A kalcium-klorid kicsapásához: CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2 NaCl

A Na2CO3 10 H2O mennyisége a lágyításhoz: ρ

ρ

ρ

( = 283,4 g/m3)

160

12.3. PÉLDA

A víz lágyítása égetett mésszel

Óránként 24 m3 vizet kell lágyítani. A víz karbonát keménysége 14 keménysége 2 10

, magnézium

, és a szabad szén-dioxid tartalomból számítható „szénsav keménység”

. Számítsa ki a szükséges égetett mész, vagy mészhidrát mennyiségét 8 órás műszak

alatt! MEGOLDÁS q = 24 m3/h

KMg = 2

Kk = 14

= 10

a/ Az égetett mész szükséglet m(CaO) = 10 (Kk + KMg +

) = 10 (14 + 2 + 10) = 260 g/m3

8 órás műszakban: m(CaO) = 8 h 24 m3/h 0,26 kg/m3 = 50 kg Égetett mészből 50 kg kell 8 óra alatt. b/ A mészhidrát szükséglet A mészhidrát 67,5 % CaO-ot tartalmaz. 67,5 kg CaO van 100 kg Ca(OH)2-ban 50 kg CaO van m kg Ca(OH)2-ban 67,5 kg : 100 kg = 52 kg : m kg = 74 kg Mészhidrátból 74 kg kell 8 óra alatt.

12.4. PÉLDA

A foszfor kicsapása alumínium-hidroxiddal

A víz foszfor vegyületekkel szennyezett. Hány kg alumínium-szulfát kell a foszfor kicsapásához? A feladat megoldása során számítsa ki, hogy -

1 kg foszfor kicsapásához hány kg alumínium (Al 3+) kell,

-

az Al 3+–ot mekkora feleslegben kell adagolni, 161

-

a számított mennyiségű Al 3+ hány kg kristályos alumínium-szulfátban van?

Ezzel meghatároztuk, hogy 1 kg foszfor kicsapásához hány kg kristályos alumíniumszulfát kell. FELADAT a/ Számítsa ki a foszfor kicsapásához az Al : P elméleti tömegarányát. b/ Határozza meg 1 kg foszfor kicsapásához szükséges kristályos alumínium-szulfát elméleti (számított) mennyiségét. MEGOLDÁS

Ar(Al) = 27 g/mol

Ar(P) = 31 g/mol

Mr(Al2(SO4)3 18H2O) = 666 g/mol, az Al 8,1 % a/ 1 kg foszfor kicsapásához szükséges Al3+ tömege: Al3+ + PO43- = AlPO4 1 mol 1mol P 27 g 31 g 31 g P kicsapásához kell 27 g Al 1 000g P kicsapásához kell m g Al

1 kg foszfor kicsapásához 0, 871 kg alumínium kell. Az Al : P elméleti tömegaránya: 0,871 : 1. b/ A kristályos alumínium-szulfát elméleti mennyisége: 8,1 kg Al van 100 kg Al2(SO4)3 18H2O-ban 0,871 kg Al van m kg alumínium-szulfátban

Tehát 1 kg foszfor kicsapásához 11 kg kristályos alumínium-szulfát kell.

162

12.5. PÉLDA

Az alumínium-szulfát felesleg kiszámítása

A laboratóriumi és félüzemi kísérletek szerint a kicsapó szereket feleslegben kell alkalmazni. A gyakorlati tömegarány: Hatásfok

Al3+ : P

Fe3+ : P

85 %

1,5 : 1

3,5 : 1

95 %

2,0 : 1

4,5 : 1

Számítsa ki, hogy a foszfor 85 és 95 %-ának kicsapásához az alumínium számított mennyiségének hányszorosát kell alkalmazni a gyakorlatban. A számított Al : P tömegarány: 0,871 : 1. (12.4. példa) MEGOLDÁS Az Al számított mennyisége hányszor van meg a gyakorlatban alkalmazható mennyiségen? 85 % hatásfokhoz: A számított mennyiség 1,7-szeresét kell alkalmazni. 95 % hatásfokhoz: A számított mennyiség 2,3-szorosát kell alkalmazni.

12.6. PÉLDA

A foszfor 85 %-ának kicsapása

Naponta 1200 m3 szennyvizet kell kezelni, amelynek foszfortartalma 12 g/m3. Számítsa ki, hogy hány kg kristályos alumínium-szulfátot kell felhasználni naponta a foszfor 85 %-ának kicsapásához. ADATOK q = 1 200 m3/d

= 12 g/m3

Mr(Al2(SO4)3 18 H2O) = 666 g/mol

163

Ar(Al) = 27 g/mol

MEGOLDÁS a/ A foszfor napi mennyisége mp = q

= 1 200 m3/d 12 g/m3 = 14 400 g/d = 14,4 kg/d

b/ Az alumíniumot 1,5-szeres feleslegben kell alkalmazni a 85 %-os hatásfok eléréséhez: mAl = 1,5 14,4 kg/d = 21,6 kg/d A 14,4 kg P-hoz 21,6 kg Al-ot kell adagolni naponta. Hány kg kristályos alumíniumszulfátban van 21,6 kg Al? c/ A kristályos alumínium-szulfát tömege: 2 27 g Al van 666 g Al2(SO4)3 18 H2O-ban 21 600 g Al van m g Al2(SO4)3 18 H2O-ban 2 27 g : 666 g = 21 600g : m g

A 14,4 kg foszfor 85 %-ának kicsapásához

12.7. PÉLDA

267 kg kristályos alumínium-szulfát kell.

A foszfor kicsapásának hatásfoka

Egy üzemben naponta 120 m3 szennyvíz keletkezik, amelynek ortofoszfát tartalma 38,3 g/m3. A kibocsátott szennyvízben az ortofoszfát koncentráció 2 g/m3 lehet. a/ Mekkora a foszfor kicsapásának hatásfoka? b/ Hány kg kristályos alumínium-szulfátot kell felhasználni a kicsapáshoz naponta? MEGOLDÁS Ar(Al) = 27 g/mol

Ar(P) = 31 g/mol

Ar(S) = 32 g/mol

Ar(O) = 16 g/mol

Ar(H) = 1 g/mol

Mr(PO43-) = 95 g/mol

a/ A kicsapás hatásfoka A foszfor koncentrációja a szennyvízben: 95 g PO43--ban van 31 g P 38,3 g PO43--ban van ρ g P 95 : 31 = 38,3 :

164

ρ A foszfor koncentrációja a kilépéskor: ρ Az eltávolítandó P mennyisége: ρ

ρ

ρ

A kicsapás hatásfoka: 12,5 g/m3 foszfor 100% 11,85 g/m3 foszfor

%

12,5 : 100 = 11,85 : η

b/ A kristályos alumínium-szulfát napi mennyisége A foszfor napi mennyisége: mP = 120 m3/d 12,5 g/ m3 = 1 500 g/d = 1,5 kg/d A 95 %-os kicsapáshoz az Al : P tömegarány 2 : 1. Az Al igény naponta: mAl = 2 1,5 = 3 kg/d 666 g Al2(SO4)3 18 H2O-ben van 2 27 g Al m g Al2(SO4)3 18 H2O-ben van 3 000 g Al 666 : 2 27 = m : 3 000 ⁄ A foszfor 95 %-ának kicsapásához 37 kg kristályos alumínium-szulfát kell.

12.9. PÉLDA

A vízlágyítás technológiai paraméterei

A meszes vízlágyítás technológiai lépései. a/ Az égetett mész „oltása”- kalcium-hidroxid (mésztej) előállítása: CaO + H2O = Ca(OH)2 b/ A mészvíz előkészítése A mésztej felhasználásával telített mészvizet készítünk. 165

c/ A mészvizet bekeverjük a lágyítandó vízbe, a kalcium- és magnézium-ionok kicsapásához. Berendezések: tartály az oltáshoz (mésztejtartály) tartály a mészvíz telítéséhez, reaktor a kicsapáshoz. FELADAT Nyolc órás műszakban 200 m3 vizet lágyítunk. A/ 52 kg égetett mész, vagy B/ 77 kg mészhidrát felhasználásával (12.4. példa). Számítsa ki a fontosabb technológiai paramétereket! MEGOLDÁS A/ Égetett mészből kiindulva a/ Mészoltás A mész és a víz aránya 1 : 3. A mésztejtartály térfogatát a szükséges vízmennyiség térfogatának kétszeresére célszerű megválasztani. A szükséges vízmennyiség: 3 52 = 156 kg

0,15 m3

A mésztejtartály térfogata: 2 0,15 = 0,3 m3 b/ A mészvíz előkészítése A telített vizes oldat koncentrációja 20°C-on 1,29 kg/ m3. Az optimális felületi vízhozam terhelés: 0,72 kg/ m3/m2 h. Az optimális tartózkodási idő 4 h. A szükséges vízmennyiség óránként: 1 m3 telített mészvízben 1,29 kg CaO van V m3 telített mészvízben van 52/8 kg CaO 1 m3 : 1,29 kg = V m3 : 6,5 kg 5 m3/h víz A telítő felülete és átmérője 0,72 m3-rel terhelhetünk 1 m2-t óránként 5 m3-rel terhelhetünk At m2-t óránként 0,72 : 1 = 5 : At √

166

A telítő térfogata Óránként 5 m3 vizet kell adagolni, amelynek 4 órát kell a telítőben tartózkodni. Vt = 5 m3/h 4 h = 20 m3 Vt = 20 m3

A telítő mélysége H

At = 7 m2 c/ Kicsapás Az optimális felületi terhelés a reaktorban 1,8 m3/ m2 h és az optimális tartózkodási idő 2,5 h. A gyári katalógusból: a 4 m átmérőjű reaktor térfogata 60 m3. A reaktor szükséges felülete és átmérője: √ A számított tartózkodási idő: Ez elegendő a kicsapáshoz. A 4 m átmérőjű, 60 m3 térfogatú reaktor alkalmas 25 m3 víz lágyítására óránként. B/ Mészhidrátból kiindulva A mésztej előkészítése. A szivattyúzáshoz 2 %-os szuszpenziót célszerű készíteni. A bekeveréshez szükséges víz térfogata: 2 kg mészhidráthoz kell 100 kg (dm3) víz 77 kg mészhidráthoz kell V kg (dm3) víz 2 : 100 = 77 : V í

167

13. OXIDÁCIÓ

1. Klóros oxidáció Fertőtlenítés 2. Vas és mangán eltávolítása vízből

Az oxidáció olyan kémiai folyamat, amelyben egy vegyület vagy atom -

oxigént vesz fel vagy hidrogént ad le,

-

elektront ad le, ezért a pozitív töltése nő.

A szén oxigén felvétele: C + O2 = CO2 (A C atom elektronokat ad le és a két oxigén atom p héja feltöltődik.) A Fe2+ oxidációja: Fe2+ —> Fe3+ + eAz oxidáció alkalmazása - műveleti példák: -

az ivóvíz és a szennyvizek fertőtlenítése

-

az ivóvíz vas- és mangántalanítása

13.1. KLÓROS OXIDÁCIÓ A klóros oxidációt a víz fertőtlenítésére, a patogén mikroorganizmusok elpusztítására használjuk. a/ Fertőtlenítés klórgázzal Ha a klórgázt vízben oldjuk, hipoklórossav keletkezik: Cl2 + H2O = HOCl +HCl A HOCl szerkezete hasonlít a víz szerkezetéhez, ezért behatol a sejtekbe, az enzimeket oxidálja, így fejti ki mérgező hatását.

168

A klórgázt kisebb mennyiségű vízben nyeletjük el, klóros vizet készítünk, és ezt adagoljuk a fertőtlenítésre váró vízhez. A klóros víz készítéséhez felhasználható vízmennyiség:

m (Cl2) a klór szükséges mennyisége, g/h A szokásos klóradag (g/m3) és a fertőtlenítendő víz térfogatáramának (m3/h) szorzata. k az oldásra használt víz karbonát keménysége, °nk A gyakorlatban alkalmazott klóradagok: kútvíz

0,1-0,5 g/m3

felszíni víz

5-15 g/m3

szennyvíz ülepítés után

20-30 g/m3

szennyvíz biológiai tisztítás után

5-10 g/m3

b/ Fertőtlenítés nátrium-hipoklorittal A Na-hipokloritból is hipoklórossav keletkezik: NaOCl —> Na+ + OClOCl- + H2O —> HOCl + OH-

13.2. VAS- ÉS MANGÁN ELTÁVOLÍTÁSA VÍZBŐL A két vegyértékű vasat (Fe2+) három vegyértékűvé (Fe3+) oxidáljuk, amelyből vas(III)-hidroxid pelyhes csapadék keletkezik: 4 Fe(HCO3)2 + O2 + 2 H2O = 4 Fe(OH)3 + 8 CO2 Az oldott vas legtöbbször hidrogén-karbonát kötésben van a vízben, amelynek oxidációjához elegendő a levegő oxigénje (levegőztetés). Szerves kötésű vas eltávolításához erélyesebb oxidálószer (klór, ózon) kell. A kis mennyiségű mangán (Mn2+) a vassal együtt oxidálódik (Mn3+) és válik ki a vízből. Nagyobb mennyiségű mangán oxidációja lassú, mert a felszabaduló CO2 (szénsav) miatt víz savas kémhatású lesz.

169

PÉLDÁK, FELADATOK

A fertőtlenítés során gyakran ki kell számolni -

a fertőtlenített víz Cl- ion tartalmát, (13.2. példa), tudni kell, hogy a koncentráció kisebb vagy nagyobb az egészségügyi határértéknél vagy a vízvezetékben és a szerelvényekben korróziót előidéző koncentrációnál

-

a fertőtlenítéshez elegendő klórgáz vagy nátrium-hipoklorit mennyiségét, (13.3. példa)

13.1. PÉLDA

Ammónia oxidációja

A víz 7,0 g ammóniát tartalmaz köbméterenként. Az ammónia a befúvott levegő hatására nitráttá alakul. Mekkora lesz a víz nitrát ion koncentrációja? MEGOLDÁS ρ( NH3) = 7,0 g/m3

Mr(NO3-) = 62 g/mol

Mr(NH3) = 17 g/mol NH3 + 2 O2 + 2 H2O = NO3- + H3O+ 1 mol

1 mol

17 g

62 g

17 g NH3-ból keletkezik 62 g NO37 g NH3-ból keletkezik m g NO3-

A 7 g/m3 ammóniából 25,5 g/m3 nitrát ion keletkezik.

170

A Cl- ion koncentrációja a vízben

13.2. PÉLDA

A klór korróziós hatású, 80 mg/dm3 koncentráció felett károsítja a vízvezetékeket és a szerelvényeket. a/ Határozza meg a víz Cl- ion koncentrációját csapadékos titrálással! b/ Állapítsa meg, hogy fennáll-e a korrózió veszélye! Titráljon 10 cm3 vízmintát 0,05 mol/dm3 AgNO3 oldattal! A fogyás 2 cm3. MEGOLDÁS V = 10 cm3

V(AgNO3) = 2 cm3

c(AgNO3) = 0,05 mol/dm3 = 0,05 mmol/cm3 a/ A Cl- ion koncentrációja Az AgNO3 fogyás 10 cm3 vízmintára 2 cm3

0,05 mmol/cm3 = 0,1 mmol

Ag+NO3- + Cl- = AgCl + NO31 mmol

1 mmol

169,9 mg

35,5 mg

1 mmol AgNO3 reagál 35,5 mg Cl- ionnal 0,1 mmol AgNO3 reagál m mg Cl- ionnal

A Cl- ion koncentrációja: ρ = 0,35 mg/cm3 = 355 mg/dm3 b/ A 355 mg/dm3 > 80 mg/dm3 Számítani kell a vízvezeték korróziójára.

171

Ar(Cl) = 35,5 g/mol Mr(AgNO3) = 169,9 g/mol

13.3. PÉLDA

A víz fertőtlenítése

Óránként 130 m3 vizet kell fertőtleníteni a biológiai tisztítás után (utóklórozás). A víz karbonát keménysége 18 °nk. A klór szükséges adagja 5-10 g/m3 között van, ezért 7 g klórt adagolunk m3-enként. A fertőtlenítést klórgázzal vagy nátrium-hipoklorittal végezzük. Számítsa ki a/ a szükséges klórgáz mennyiségét, g/h b/ a klóros víz elkészítéséhez szükséges víz mennyiségét, dm3/h c/ a szükséges hipoklorit mennyiségét, dm3/h az aktív klórtartalom 80 g/dm3 d/ a fertőtlenítő medence térfogatát, m3 a tartózkodási idő 15 perc MEGOLDÁS q = 130 m3/h ρ

ρ(Cl2) = 7 g/m3

k = 18 °nk

= 80 g/dm3

t=¼h

a/ A klórgáz mennyisége óránként

b/ A klóros víz mennyisége óránként

Tehát 910 g klórgázt kell 2,2 m3 vízben elnyeletni óránként. Ezt a klóros vizet kell 130 m3 vízben elkeverni. c/ A hipoklorit mennyisége A hipoklorit aktív klórtartalma: ρ = 80 g/dm3. Szükséges 910 g/h klór. Hány dm3 hipoklorit kell a fertőtlenítéshez? 1 dm3-ben van 80 g Cl2 V dm3-ben van 910 g Cl2

172

d/ A fertőtlenítő medence hasznos térfogata Óránként 130 m3 víz érkezik, 15 perc alatt ennek negyed része. Ezt kell tárolni.

A vízhozam ingadozása miatt ennél nagyobb térfogatú medencét kell megépíteni.

173

14. BIOLÓGIAI MŰVELETEK 1. Alapfogalmak, mennyiségek 2. Eleveniszapos medence 3. Csepegtetőtestes medence 4. Merülőtárcsás berendezés 5. Stabilizációs tavak 6. A felszíni vizek oldott oxigéntartalma

A biológiai műveletek során szerves vegyületeket bontunk le mikroorganizmusok segítségével.

Műveleti példák -

Szennyvíztisztítás: a szennyvizekben szuszpendált és oldott szerves anyagok lebontása

-

Biogáz gyártás: a szerves hulladékok lebontása metánra és szén-dioxidra

-

Komposzt előállítása szerves hulladékból A szennyvíztisztítás biológiai műveleteit tárgyaljuk.

14.1. ALAPFOGALMAK, MENNYISÉGEK

A szennyvizek kolloidális méretű és oldott szerves komponensét el kell bontani, mert a felszíni vizekben a víz oldott oxigén tartalmát fogyasztanák el a természetes lebomlás során. A szerves vegyületeket (fehérjéket, enzimeket, szénhidrátokat, zsírokat, stb.) baktériumok és gombák bontják le. A bomlástermékek egy részét felhasználják saját testük felépítéséhez és a szaporodáshoz. A szerves szennyeződés a baktériumok tápanyaga. A bomlástermékek másik része gáz halmazállapotú vegyületek, mint a CH4, CO2, NH3, H2S…

174

A szennyvizek szerves anyag tartalmát az 5 napos biológiai oxigénigénnyel adjuk meg.

A biológiai oxigénigény, BOI5 kifejezi, hogy a víz szerves anyag tartalma mennyi oxigént fogyaszt 5 nap alatt a természetes lebomlás során. Mértékegysége: kg oxigén/m3 víz A biológiai tisztítás hatásfokát befolyásolja a szennyvíz BOI5 terhelése (kg/m3) és az eleveniszap (élő baktériumiszap) koncentrációjának (kg/m3) aránya. Három rendszert különböztetünk meg. A nagy terhelésű részleges tisztításos rendszerben a tápanyag koncentrációja nagyobb/ mint az eleveniszap koncentrációja. Nagyobb hidraulikai terhelés esetén a tartózkodási idő lecsökken. A szerves anyag egy részének lebontásához van csak elegendő idő. A távozó szennyvíz BOI5 értéke nagy marad/ ami fontos lehet a befogadó élővizek szempontjából. A nagy terhelésű teljes tisztításos rendszerben a tápanyag koncentrációja kisebb/ mint az eleveniszap koncentrációja. A BOI5 terhelés azonban jelentős, van elegendő tápanyag a baktériumok számára, gyorsan szaporodnak. A szerves anyag lebontása megtörténik, de az iszap aktív, rothadó képes marad. A kis terhelésű teljes oxidációs rendszerben a szennyvíz szerves

anyag

tartalma

kicsi,

a

baktériumok

kevés

tápanyaghoz jutnak és saját testük anyagait is felélik.

A

szerves anyag teljes lebontása és az eleveniszap stabilizálása (rothadó képességének megszűnése) is bekövetkezik.

175

Az aerob szervezetek a szabad oxigént hasznosítják a lebontáshoz, amit elsősorban levegőztetéssel biztosítjuk. Az aerob baktériumok gyorsan szaporodnak, generációs idejük néhány óra. Ezért a lebontás is gyors, ugyancsak néhány óra. A rendszer rugalmas, jól alkalmazkodik a váratlan megnövekedett terheléshez. Az anaerob szervezetek a szerves vegyületekben kötött oxigént hasznosítják működésükhöz. Ezek a baktériumok lassabban szaporodnak, generációs idejük több nap. A lebontás is lassú, ezért több napos tartózkodási idővel kell számolni. A szennyvizek tisztításához általában aerob organizmusokat használunk.

14.1. PÉLDA

Biológiai oxigénigény

Egy településen a kommunális szennyvíz mellett ipari szennyvíz is keletkezik. A két szennyvíz mekkora szerves anyag mennyiséget szállít együtt a szennyvíztisztításra? Mekkora a szerves szennyeződés együttes koncentrációja BOI5 egységben kifejezve? A település lélekszáma: n = 15 000 fő A szennyvíz fajlagos mennyisége: qn = 0,15 m3/fő d. (Minden ember átlagosan napi 0,15 m3 szennyvizet „termel” naponta.) A fajlagos szerves anyag tartalom: mn = 100 g BOI5/fő d. (Minden ember átlagosan annyi szerves anyagot ad a szennyvízbe naponta, hogy a biológiai lebontáshoz 100 g oxigén kell.) Az ipari szennyvíz mennyisége: qi = 500 m3/d szerves szennyezettsége: ci = 1,2 kg BOI5/m3 MEGOLDÁS a/ A települési szennyvíz térfogata naponta qt = n qn = 15 000 fő 0,15 m3/fő d = 2250 m3/d A szerves anyag mennyisége naponta mt = n mn = 15 000 fő 0,1 kg BOI5/fő d = 1500 kg/d BOI5 b/ Az ipari szennyvízben a szerves anyag mennyisége mi = qi ci = 500 m3/d 1,2 kg BOI5/m3 = 600 kg/d BOI5

176

c/ A szerves szennyeződés naponta m = mt + mi = 1500 + 600 = 2100 kg/d BOI5 A biológiai lebontáshoz 2100 kg oxigén kell naponta. d/ A szerves anyag koncentrációja A szennyvizek térfogata: V = 2250 + 600 = 2750 m3/d A koncentráció

Minden m3 szennyvíz szerves szennyeződésének biológiai lebontásához 0,764 kg oxigén kell. MEGJEGYZÉS A feladatban két mennyiség szerepel: -

a szerves anyag mennyisége pl. naponta: m = 2100 kg/d BOI5 (annyi a szerves anyag a szennyvízben naponta, hogy a lebontáshoz 2100 kg oxigén kell),

-

a szerves anyag koncentrációja: c = 0,764 kg/m3 BOI5 (annyi a szerves anyag a szennyvíz minden m3-ében, hogy a lebontáshoz 0,764 kg oxigén kell).

14.2. PÉLDA

Lakos egyenérték

Egy településen a kommunális szennyvíz mellett ipari szennyvíz is keletkezhet. Számítsa ki, hogy az ipari szennyvízzel egyenértékű (azonos szerves szennyeződést tartalmazó) települési szennyvizet hány fő „állítaná elő”. A kommunális szennyvíz fajlagos szerves anyag tartalma: 54 g BOI5/fő d. Egy fő átlagosan annyi szerves anyagot juttat a települési szennyvízbe, amelynek biológiai lebontásához 54 g oxigén kell naponta. ADATOK Az ipari szennyvíz mennyisége: q = 500 m3/d szerves anyag koncentrációja: c = 200 g/m3 BOI5 Számítsa ki a lakos egyenértéket!

177

MEGOLDÁS A szerves anyag napi mennyisége: m = q c = 500 m3/d 200 g/m3 BOI5 = 100 000 g/d BOI5 A lakos egyenérték 51 g/fő d BOI5 : 1 fő = 100 000 g/d BOI5 : leé

Tehát 1852 fő hoz létre ipari szennyvízzel megegyező szerves anyag tartalmú települési szennyvizet.

14.2. ELEVENISZAPOS MEDENCE A szennyvizet egy medencébe vezetjük, ahol összekeveredik az eleveniszappal. A baktériumok szuszpendált állapotban lebegnek a vízben. Az intenzív keveredést és az oxigén ellátást levegő befúvatásával biztosítjuk. A szerves anyag lebontása után a vizet és az eleveniszapot egy ülepítőben elválasztják. Az eleveniszap egy részét visszavezetjük a medencébe. Az iszap mennyisége folyamatosan nő a baktériumok gyors szaporodása miatt. A fölöslegessé vált részt, a fölösiszapot kiemeljük a rendszerből. A fölösiszapban a baktériumok elpusztulnak, mert nem jutnak tápanyaghoz. A biológiai szennyvíztisztítás általában két összekapcsolt egységből áll: az eleveniszapos (levegőztető) medencéből és az utánülepítőből. Az iszap állapotára jellemző a Mohlman-index (iszaptérfogat-index). A Mohlman-index

Vi,30 az iszaptérfogat 1 dm3-es mérőhengerben 30 perc ülepítés után, cm3/dm3, ρl az eleveniszap összes lebegőanyag tartalma, g/dm3. A Mohlman-index megadja azt az iszaptérfogatot, amely 1 g szárazanyagot tartalmaz.

178

Az eleveniszapos medence tervezése és üzemeltetése során ki kell számítani -

a szerves szennyeződés lebontásához szükséges tartózkodási időt és a medence térfogatát (14.3. példa)

-

az aerob lebontáshoz szükséges levegő mennyiségét (14.4 példa)

-

a recirkuláltatott eleveniszap és a fölösiszap mennyiségét (14.5. példa).

A számítások kiinduló adata a szennyvízhozam (m3/h) és a szerves anyag BOI5 koncentrációja.

14.3. PÉLDA

Az eleveniszapos medence térfogata

A medence térfogatát a vízhozam és a tartózkodási idő ismeretében számíthatjuk ki. Azt a térfogatot kell meghatározni, amely a g vízhozamot (m3/h) adott t ideig (h) képes befogadni és tárolni. A szennyvíznek elegendő időt kell a medencében tartózkodni az eleveniszappal együtt, hogy a szerves anyag lebontása jelentős legyen. A tartózkodási időt befolyásolja a szennyvíz BOI5 koncentrációja, az eleveniszap koncentrációja és a lebontás fajlagos sebessége. A tartózkodási idő: h

cb és ck a be- és kilépő szennyvíz BOI5 koncentrációja, kg/m3

ρi az eleveniszap koncentrációja, kg/m3 k a lebontás sebességére jellemző tényező, m3/kg h Megadja, hogy 1 kg eleveniszap 1 óra alatt hány m3 szennyvíz szerves anyagát tudja lebontani.

179

FELADAT A szennyvízhozam: q = 20 000 m3/d Az óracsúcs tényező: 1/18 A szennyvíz szerves anyag koncentrációja: cb = 0,225 kg/m3 BOI5 A tisztított szennyvíz előírt koncentrációja: ck = 0,025 kg/m3 BOI5 Az eleveniszap koncentrációja:

= 2,5 kg/m3

A lebontás sebességére jellemző tényező: 1 m3/kg h. (Az előzetes laboratóriumi kísérletek alapján.) Számítsa ki a/ a mértékadó szennyvízhozamot, b/ a tartózkodási időt, c/ a medence térfogatát, d/ a hidraulikai, a BOI5 és az iszapterhelést! MEGOLDÁS a/ A mértékadó szennyvízhozam (A csúcs szennyvízhozam.) qcs = 20 000/18 = 1111 m3/h a csúcs időszakban b/ A tartózkodási idő

c/ A medence térfogata V = qcs t = 1111 m3/h 3,2 h = 3555,2 m3 kerekítve: V = 3560 m3 d/ Terhelések -

hidraulikai terhelés:

5,62 m3 szennyvíz érkezik a medence térfogatának 1 m3-ébe naponta. -

BOI5 terhelés:

1,264 kg oxigén kell a medence térfogatának 1 m3-ébe érkező szennyvíz szerves anyagának lebontásához naponta. -

iszapterhelés (a fajlagos BOI5 terhelés):

180

0,5 kg oxigént kell biztosítani 1 kg eleveniszap „működéséhez” naponta. A SZÁMÍTÁSOK ELLENŐRZÉSE A szerves anyag fajlagos lebontásának sebessége:

1 kg eleveniszap 0,025 kg szerves szennyeződést bont le óránként BOI5 egységben. A biológiai lebontás hatásfoka:

Az iszapterhelés:

A BOI5 terhelés:

Az ellenőrzés jó egyezést mutat a számításokkal.

14.4. PÉLDA

Az eleveniszapos medence oxigénigénye

A szerves anyag biológiai lebontásának oxigénigényét levegőztetéssel biztosítjuk. A szükséges oxigén mennyiségét az eleveniszap koncentrációja és a lebontás sebessége határozza meg. A fajlagos oxigénigény:

a szubsztrátum oxigénigényének állandója (átlagos kommunális szennyvízben

= 0,55)

az endogén légzés fajlagos sebessége, 1/d (átlagos települési szennyvízben

= 0,09/d)

181

a szerves anyag lebontásának fajlagos sebessége, kg/kg d – megadja, hogy 1 kg eleveniszap hány kg szerves anyagot bont le naponta az eleveniszap koncentrációja, kg/m3 A fajlagos oxigénigény képletével azt számítjuk ki, hogy a medence egy köbméterébe hány kg oxigént kell bevinni naponta. Az összes oxigénigényt a fajlagos oxigénigény és a medence térfogatának szorzata adja. Ha a szennyvíz NH4+ ionokat is tartalmaz, az oxigénigény megnő, mert a nitrifikáció is oxigént fogyaszt. NH4+ + 1,5 O2 + H2O = NO2- + 2 H3O+ NO2- + 0,5 O2 = NO3A nitrifikáció fajlagos oxigénigénye:

a hidraulikai terhelés, m3/m3 d és

az ammóniumion koncentrációja a be- és kilépő szennyvízben.

A fajlagos oxigénigény ismeretében kiszámíthatjuk a levegőztető berendezés oxigénbeviteli kapacitását, azt, hogy a berendezéseknek hány kg oxigént kell szállítani naponta a medence térfogatának egy köbméterébe. A szükséges oxigén beviteli kapacitás:

a szennyvíz és a tiszta víz oxigén felvételének hányadosa, OC szennyvíz/OC tiszta víz (átlagos kommunális szennyvíznél:

= 0,8)

az oxigén telítési koncentrációja, kg/m3 az oxigén koncentráció egyensúlyban, kg/m3 A képletek közelítő számításokat tesznek lehetővé egyrészt az egyszerűsítések, másrészt az érkező szennyvíz minőségének ingadozása miatt. Ezért célszerű az eredményt 1,5-szeres biztonsággal korrigálni.

182

ADATOK Az eleveniszapos medence térfogata: V = 3560 m3 Az eleveniszap koncentrációja:

2,5 kg/m3

A tápanyag lebontásának sebessége:

A hidraulikai terhelés:

= 5,62 m3/ m3 d

(Az előző feladat adatai) A belépő NH4+ koncentráció:

= 0,02 kg/ m3

A kilépő NH4+ koncentráció:

= 0,007 kg/ m3

A telítési oxigén koncentráció (20 °C-on): Az egyensúlyi oxigén koncentráció:

= 9,2 g/m3

= 1,5 g/m3

Számítsa ki az oxigénigényt és az oxigén beviteli kapacitást! MEGOLDÁS A fajlagos oxigénigény:

= (0,55 0,6 + 0,09)2,5 + 3,4 5,63(0,02 – 0,07) = = 1,05 + 0,249 = 0,3 kg O2/ m3 d Az összes oxigénigény naponta:

A fajlagos oxigén beviteli kapacitás:

Az összes oxigén beviteli kapacitás:

1,5-szeres biztonsággal számolva:

A levegőztető berendezést úgy kell méretezni, hogy naponta 10 360 kg O2-t szállítson az eleveniszapos medencébe.

183

FELADAT Számítsa ki, hogy ez hány m3 levegőt jelent légköri nyomáson! A levegő sűrűsége 1,2 kg/m3!

14.5. PÉLDA

Az iszap recirkulációja és a fölösiszap

A baktériumok elegendő tápanyag és oxigén jelenlétében gyorsan szaporodnak. Az eleveniszap egy részét az utánülepítőből visszavezetjük a levegőztető medencébe, a fölösleget kivesszük a rendszerből. A recirkulációs arány: az iszap koncentrációja a levegőztető medencében a recirkuláltatott és a fölösiszap koncentrációja, értékét a Mohlman-index ismeretében kiszámíthatjuk: kg/m3

a Mohlman-index

k a szerves anyag aránya az iszapban A

az eleveniszapnak csak a szerves részét adja meg. A recirkuláltatott és a

fölösiszap teljes szárazanyag koncentrációja nagyobb:

=

/k

A fölösiszap fajlagos mennyisége az eleveniszap (a szerves rész) koncentrációja a levegőztető medencében, kg/m3 a hidraulikai terhelés, a szerves anyag fajlagos lebontási sebessége, kg/kg a hozam konstans,

= 0,6-0,7

az endogén lebontás fajlagos sebessége, 1/d

= 0,06-0,09/d

a szennyvíz lebegőanyagának szerves része, kg/ = 0,02-0,03 kg/ = 0,1-0,2 kg/

az ülepített szennyvízben, a nyers szennyvízben

a szennyvíz lebegőanyagának szervetlen része, kg/ = 0,025-0,027 kg/ = 0,13-0,12 kg/

az ülepített szennyvízben, a nyers szennyvízben

Az összefüggéssel azt számolhatjuk ki, hogy az eleveniszapos medence 1 m3-ében hány kg fölösiszap keletkezik naponta.

184

A fölösiszap napi mennyisége:

ADATOK Az eleveniszapos medence térfogata: V = 3600 m3 = 2,5 kg/m3

Az iszap koncentrációja:

A tápanyag lebontásának sebessége: v = 0,48 kg BOI5/kg d A hidraulikai terhelés:

= 5,6 m3/m3 d

A Mohlman-index: IM = 100 dm3/kg Az iszap szerves anyag hányada: k = 0,7 Számítsa ki a recirkulált eleveniszap arányát és a fölösiszap napi mennyiségét! MEGOLDÁS A recirkuláltatott és a fölösiszap koncentrációja:

A recirkulációs arány:

A fölösiszap fajlagos mennyisége:

A fölösiszap mennyisége naponta:

14.3. CSEPEGTETŐTESTES MEDENCE A medence általában kör keresztmetszetű műtárgy. A csepegtetőtestek (a töltelék) lehet aprított lávakő, zúzott kő vagy műanyag idomok. A baktériumok a töltelék felületén vékony hártyát képeznek. A szennyvizet egy tengely körül lassan forgó lyukacsos cső permetezi a testekre. A forgó permetező a Segner-kerék elvén működik. A szennyvíz a 185

testeken lefelé csurogva nagy felületen érintkezik a baktériumfilmmel. Az oxigén ellátást a testek között felfelé áramló levegő (huzat) biztosítja. A csepegtetőtestes medencéket három csoportban soroljuk. a/ Kis terhelésű medence A BOI5 terhelés 450-750 g/m3 d. A szerves szennyeződés viszonylag kicsi, az elszaporodó baktériumoknak nincs elegendő tápanyag, részben a saját szervezetüket élik fel. b/ Nagy terhelésű medence A BOI5 terhelés 750-1100 g/m3 d. A baktériumok a bőséges tápanyag miatt gyorsan szaporodnak. A baktériumhártya vastagsága megnő, egy része leválik a műanyag felületéről és a víz magával sodorja. Ezért egy utóülepítőt kell beállítani a baktériumiszap leválasztására. A tisztított vizet általában még egyszer visszavezetjük a csepegtetőtestekre. c/ Nagy terhelésű műanyag csepegtetőtestes medence A speciálisan kialakított nagy felületű műanyag csepegtetőtestek lehetővé teszik a 3000-6000 g/m3 d BOI5 terhelést is. Ehhez a rendszerhez is kapcsolódik egy utóülepítő, amelyből a dekantált vizet visszavezetjük a csepegtetőtestekre. A medencék méretezésének kiinduló adata a napi szennyvízhozam (m3/d) és a szennyvíz szerves anyag koncentrációja (g/m3 BOI5). Ki kell számítani a medence szükséges, hasznos térfogatát, átmérőjét, és a csepegtetőtestek hasznos magasságát. A 14.1. táblázat összefoglalja a csepegtetőtestes medencék néhány üzemi adatát.

14.4. PÉLDA

A csepegtetőtestes medence méretezése

A települési szennyvíz mennyisége 200 m3 naponta. Az előülepítő után a csepegtetőtestekre érkező szennyvíz szerves anyag koncentrációja 150 g/m3 BOI5. A tisztított szennyvíz előírt koncentrációja 30 g/m3 BOI5. A hatásfok 150 - 30/150 = 0,8 (80 %). A 75-80 %-os hatásfokhoz 750-1100 g/m3 d BOI5 terhelés és 0,7-1,5 m3/m2 h felületi hidraulikai terhelés tartozik (14.1. táblázat). A medencéből távozó részben tisztított szennyvizet részlegesen visszatápláljuk a csepegtetőtestekre, a recirkuláció 100 %-os. Ezért a hidraulikai terhelés a szennyvízhozam kétszerese: wh = 4000 m3/d.

186

ADATOK q = 2000 m3/d/ cb = 150 g/m3 BOI5, ck = 30 g/m3 BOI5 A megengedhető hidraulikai terhelés: wmh = 1 m3/m2 h A megengedhető szervesanyag terhelés: wmsz = 900 g/m3 d BOI5 A MEGOLDÁS LÉPÉSEI Számítsa ki: a/ a napi szervesanyag terhelést b/ a medence térfogatát

⁄

c/ a medence felületét

⁄

d/ a medence átmérőjét

√

a/ A napi szervesanyag terhelés

b/ A medence hasznos térfogata A medence 1 m3-ére érkezhet 900 g BOI5 naponta. Hány m3 kell 300 000 g BOI5 befogadásához?

c/ A medence felülete: wh = 2 2000 m3/d = 4000 m3/d wmh = 1 m3/m2 h = 24 m3/m2 d A medence 1 m2-ére érkezhet 24 m3 szennyvíz naponta. Hány m2-re érkezhet 4000m3?

d/ A medence átmérője √

√

187

e/ A medence hasznos magassága ( amit a csepegtetőtestek kitöltenek) V = 333 m3/167 m2 = 1,99

2m

14.3. MERÜLŐTÁRCSÁS BERENDEZÉS

Egy tengelyre felerősített műanyag tárcsákból áll, amelyek lassan forgatják, és félig belemerülnek a szennyvízzel teli tartályba. A tárcsákon megtapadó baktériumhártya a szennyvízben tápanyaghoz, a levegőben oxigénhez jut. A szennyvizet egyenletesen elosztva, a tárcsák között kell átvezetni. (14.1. ábra) A berendezés kisebb települések (1500 lakosságig) szennyvizének biológiai tisztítására alkalmas. A tervezés kiinduló adata a szennyvízhozam, a belépő szennyvíz és a távozó előírt szerves anyag koncentrációja. Ki kell számítani a tárcsák szükséges felületét, számát és az egységek számát.

14.5. PÉLDA

A merülőtárcsás berendezés méretezése

A települési szennyvíz napi hozama 140 m3. A szennyvíz koncentrációja 150 g/m3 BOI5, a tisztított szennyvíz előírt koncentrációja 30 g/m3 BOI5. Az áramcsúcs tényező 1/18. Számítsa ki: a/ a biológiai tisztítás hatásfokát, b/ a napi szervesanyag terhelést, c/ a tárcsák szükséges felületét, d/ és a tárcsák számát. Egy tárcsa átmérője 3 m. ADATOK q = 140 m3/d cb = 190 g/m3 BOI5 ck = 30 g/m3 BOI5

d=3m ? A? n?

188

MEGOLDÁS a/ A biológiai tisztítás hatásfoka

b/ A szerves anyag terhelés naponta

c/ A tárcsák szükséges felülete A tárcsák szükséges felületét a csúcshozamhoz kell számolni. A csúcshozam: ⁄

⁄

⁄

A 14.2. ábra megadja az adott hatásfokhoz tartozó tárcsafelületet (A) és a szennyvízhozam (qcs) hányadosának optimális értékét. A csúcs vízhozam: m3/min! 85 %-os hatásfokhoz: ⁄

⁄ ⁄

d/ A tárcsák száma Egy 3 m átmérőjű tárcsa felülete két oldalt összesen 13 m2 (figyelembe véve a tengely által csökkentett felületet is). A tárcsák száma:

Célszerű a tárcsákat 30-40 db-ot tartalmazó egységekben elhelyezni. A tárcsák száma három egységbe rendezve:

ELLENŐRZÉS Az első lépcső tárcsáinak felületi BOI5 terhelése: ⁄

⁄

Kisebb, mint a megengedhető 120 g/m2d BOI5. 189

14.5. STABILIZÁCIÓS TAVAK

A tavas szennyvíztisztítás során a szerves anyagok természetes lebontásának folyamatát ismételjük meg jól körülhatárolt, leszűkített térben. A lebontáshoz a baktériumok tevékenységét hasznosítjuk. A szerves szennyeződés stabilizálása mindig a szerves —

szervetlen irányú folyamatot jelenti, amely részben vagy egészen

végbemehet. A lebontás termékeit a 14.2. táblázatban foglaltuk össze. A biokémiai folyamatok jellege alapján a stabilizációs tavak aerob/ anaerob és fakultatív tavak lehetnek. Aerob tavak Mélységük általában 50-60 cm. Az oxigént az algák termelik, amihez napfény kell. A tó mélységét a fény behatolási mélysége határozza meg. Anaerob tavak Mélységük minimum 2 m. A nagy szennyvíztömeg miatt a terhelésük olyan nagy, hogy a teljes térfogatban anaerob viszonyok érvényesülnek. Fakultatív tavak Mélységük 1,2-1,8 m között van. Egy felszíni aerob és egy mélységi anaerob zóna alakul ki. A stabilizációs tavak néhány jellemző üzemi adatát a 14.3. táblázat mutatja be. A tavak tervezése során ki kell számítani, hogy -

mennyi időt kell a szennyvíznek a tóban eltölteni, hogy a lebomlás bekövetkezzen,

-

mekkora térfogatú tavat kell megépíteni,

-

a tó mekkora alapterületet foglaljon el.

A feladatok két típusával találkozunk: -

előírjuk a távozó szennyvíz BOI5 koncentrációját, a lebontás hatásfokát és ki kell számítani a tó jellemző paramétereit,

-

meg kell határozni, hogy egy adott méretű tó milyen hatásfokkal működik, mekkora a kibocsátott szennyvíz BOI5 koncentrációja.

190

A számítások alapadata a szennyvízhozam (m3/d) és a szerves szennyeződés (kg/m3 BOI5). A szerves anyag lebontásának sebességét jelentős mértékben befolyásolja az időjárás: a hőmérséklet és a fényviszonyok. A számításokhoz tapasztalati képleteket alkalmazunk, amelyek jó közelítéssel adják meg a mennyiségi jellemzőket. A képleteket egy-egy feladat megoldása során mutatjuk be.

14.6. PÉLDA

Az anaerob stabilizációs tó méretezése

Egy húsfeldolgozó üzemben 900 m3 szennyvíz keletkezik naponta, amelynek szerves anyag tartalma 820 mg/dm3 BOI5. Ezt kell lecsökkenteni 300 mg/dm3 BOI5-re. A földrajzi viszonyok lehetővé teszik egy anaerob stabilizációs tó létesítését a közelben. Számítsa ki a/ a tartózkodási időt, hogy lebontás kívánt mértéke bekövetkezzen, b/ a tó szükséges térfogatát, c/ és az alapterületet, ha 2 m mélységet választunk! MEGOLDÁS a/ A tartózkodási idő és ( )

a szerves anyag be- és kilépő

koncentrációja, BOI5

k a lebontás sebességi állandója, 1/d/ amely megadja a BOI5 csökkenését 1 nap alatt. Értéke a növekvő hőmérséklettel nő, 20 °C-on 0,4/d. (14. ábra) n kísérleti úton meghatározható állandó: (

1,05.

)

b/ A tó hasznos térfogata A tónak naponta 900 m3 szennyvizet kell befogadni 12,4 napon át. V = qt = 900 m3/d 12,4 d = 11 160 m3 c/ A tó alapterülete A tó mélysége: H = 2 m. Térfogata: V = AH Alapterülete: 191

5600 m2 (0,56 ha) alapterületű, 2 m mélységű anaerob stabilizációs tavat kell létesíteni, amelyben a szennyvíz

13 napot tartózkodik a szerves szennyeződés előírt mértékű

lebontásáig. MEGJEGYZÉS A feladatban előírták, hogy a kilépő szennyvíz szerves anyag koncentrációja 300 mg/dm3 lehet. A lebontás hatásfoka:

14.7. PÉLDA

A fakultatív stabilizációs tó méretezése

Egy település szennyvizének szerves anyag tartalmát kell lecsökkenteni, mielőtt a befogadóba vezetjük. A földrajzi körülmények lehetővé teszik a szennyvíztisztító tó létesítését. Mekkora méretű tavat kell megépíteni? A lakosok száma: n = 4500 fő A szennyvíz fajlagos mennyisége: q = 0,15 m3/fő d A belépő koncentráció:

= 0,2 kg/m3 BOI5

A tó egész évben üzemel, az átlaghőmérséklet: T = 5 °C Számítsa ki a/ a fakultatív stabilizációs tó térfogatát, b/ alapterületét, ha a mélységet 1,5 m-re választjuk, c/ a szennyvíz tartózkodási idejét a tóban! MEGOLDÁS a/ A fakultatív stabilizációs tó térfogata m3 n a lakosok száma, q a fajlagos szennyvízhozam, m3/fő d/

a belépő szerves anyag

koncentráció, kg/ m3 BOI5, T az átlagos hőmérséklet: tavasztól őszig üzemelő tavaknál 15 °Ckal, egész évi üzemnél 5 °C-kal számolhatunk. A tapasztalati képlettel kiszámított térfogat 90 %-os hatásfokot biztosít. a szennyvízhozam: 4500 fő 0,15 m3/fő d = 675 m3/d

192

b/ A tó alapterülete H = 1,5 m mélységgel számolva V = AH => A = V/H = 47 250 m3/1,5 m = 31 500 m2 c/ A tartózkodási idő t = V/q = 47 250 m3/675 m3/d = 70 d MEGJEGYZÉS Mekkora a tó hatásfoka? Mekkora a kilépő szennyvízben a BOI5 koncentráció? Előírjuk, hogy a lebontás hatásfoka 85 % legyen: a kilépő szennyvízben a maradék BOI5 koncentráció: 15 %. ⁄

⁄

Ellenőrizzük, hogy teljesül-e ez a feltétel! A kilépő szennyvíz BOI5 koncentrációja: a

= 200 g/m3 BOI5

a k sebességi állandó 5 °C-on 0,1, a t tartózkodási idő 70 d

A kilépő szennyvíz számított BOI5 koncentrációja kisebb/ mint az előírt érték: a tó teljesíti az előírt hatásfokot.

14.8. FELADAT

Kétlépcsős fakultatív stabilizációs tó

A tavas szennyvíztisztítást két-három lépésben is elvégezhetjük, lépcsőzetesen kialakított két-három tóban. A szennyvíz az egyik tóból a másikba gravitációs úton jut. A kétlépcsős technológiához a tó számított térfogatát megosztjuk, és két kisebb tavat építünk. A számított tartózkodási időt is megosztjuk a két tó között. Mi az előnye a többlépcsős szennyvíztisztításnak? Induljon ki a 14.7. példa adataiból! Hogyan alakul a kilépő szennyvíz BOI5 koncentrációja és a hatásfok, ha a tó térfogatát megosztja?

193

ADATOK A belépő BOI5 koncentráció: cb = 0,2 kg/m3 = 200 g/ m3 A sebességi állandó 5 °C-on: k = 0,1 A tartózkodási idő: t = 70 d Számítsa ki a/ az első lépcsőből kilépő szennyvíz BOI5 koncentrációját: a hatásfok: b/ a második lépcsőből kilépő BOI5 koncentrációt: a hatásfok:

KÖVETKEZTETÉS A többlépcsős technológia megnöveli a tavas szennyvíztisztítás hatásfokát.

14.6. A FELSZÍNI VIZEK OLDOTT OXIGÉNTARTALMA A szennyvizekkel a felszíni vizekbe bevezetett szerves anyag lebomlik a vízben élő baktériumok közreműködésével, természetes körülmények között. A lebontáshoz szükséges oxigén nagy része a víz oldott oxigénjéből származik. A víz nagy szerves anyag koncentrációja tehát csökkenti a víz oldott oxigén tartalmát, ami veszélyezteti a vízi élőlények életfeltételeit. Ezért kell a szennyvizek szerves szennyeződéseit lebontani mesterséges körülmények között, mielőtt az élővizekbe, a befogadóba vezetjük. A feladatok két típusával találkozhatunk. - Milyen mértékben csökken le az oldott oxigén tartalom, ha adott mennyiségű szennyvizet vezetünk egy folyóba? (14.9. példa, 14.10. feladat) - Mennyi szennyvizet engedhetünk egy folyóba, hogy az oldott oxigéntartalom ne csökkenjen egy adott érték alá? (14.11. feladat)

194

14.9. PÉLDA

Az oldott oxigéntartalom csökkenése

A felszíni vizekbe vezetett szennyvíz oldott szerves anyagot szállít, amely a természetes lebomlás során a víz oldott oxigéntartalmát használja fel az oxidációhoz. Ez az élőlények pusztulásához vezethet. Ki kell számítani, hogy élővizekbe vezetett szennyvíz milyen mértékben csökkenti le az oldott oxigéntartalmat. Egy folyó vízhozama 6 m3/s, oldott oxigén koncentrációja 7,4 mg/dm3. A folyóba 1000 m3 szennyvizet vezetünk be naponta, amelyben a szerves anyag tartalom 1500 mg/dm3 BOI5. Mekkora a/ a folyó oldott oxigén koncentrációja (kg/m3) és oldott oxigén tartalma (kg/d), b/ a szerves anyag lebontásának oxigénigénye, c/ az oldott oxigén koncentrációja a lebontás után, ha az oxigénigény 80 %-át az oldott oxigén fedezi? ADATOK q = 6 m3/s = 518 400 m3/d ρ(O2) = 7,4 mg/dm3 = 7,4 g/m3= 0,0074 kg/m3 qsz = 1000 m3/d BOI5 = 1500 mg/dm3 = 1,5 g/dm3 = 1,5 kg/m3 MEGOLDÁS a/ Az oldott oxigén koncentrációja: ρ(O2) = 0,0074 kg/m3 Az oldott oxigén tartalom: m = q ρ(O2) = 518 400 m3/d 0,0074 kg/m3 = 3 836,16 kg/d b/ Az oxigénigény a lebontáshoz: 1 m3 víz szerves anyagának lebontásához kell 1,5 kg oxigén. mt = qsz BOI5 = 1 000 m3/d 1,5 kg/m3 = 1 500 kg/d c/ Az oldott oxigéntartalom a lebontás után: Az oxigénigény 80 %-a: mi(80 %) = 1 500 0,8 = 1200 kg/d Az oldott oxigéntartalom a lebontás után: mm = m - mi = 3 836,16 – 1 200 = 2 636,16 kg/d A folyó vízhozama a szennyvízzel együtt: qf = q + qsz = 518 400 + 1 000 = 519 400 m3/d

195

Az oldott oxigén koncentrációja: ⁄ ⁄

A szennyvíz bevezetésével az oldott oxigén koncentráció 7,4 mg/dm3-ről 5 mg/dm3-re csökken.

14.10. FELADAT

A ammónia oxidációja. Az oldott oxigéntartalom csökkenése

A felszíni vizekben a szerves anyagok bomlása során ammónia keletkezik, amely nitráttá oxidálódik. Ez a folyamat elfogyasztja a víz oldott oxigéntartalmának egy részét. Az oxigén koncentrációjának csökkenése veszélyes lehet a vízben élő szervezetekre. A víz ammóniatartalma 7,5 mg/dm3, az oldott oxigén koncentrációja 10,5 mg/dm3. Az ammónia oxidációjához szükséges oxigén 25 %-a az oldott oxigénből, 75 %-a a levegőből származik. Hány %-kal csökken a víz oldott oxigéntartalma? ADATOK ρ(O2) = 10,5 mg/dm3

Mr(O2) = 32 g/mol

ρ(NH3) = 7,5 mg/dm3

Mr(NH3) = 17 g/mol

NH3 + 2 O2 + H2O = HNO3 + 2 H2O 1 mmol 2 mmol 17 mg 2 32 mg MEGOLDÁS a/ 17 mg ammóniaoxidációjához kell 64 mg oxigén 7,5 mg/dm3 ammóniához kell ρ mg/dm3 oxigén ρ= b/ Ennek 25 %-ával csökken az oldott oxigéntartalom: ρ(25 %) = c/ Hány %-os a csökkenés?

196

14.11. FELADAT

A maradék oldott oxigén koncentráció

Egy folyó oldott oxigén koncentrációja a telítési érték felére csökkenhet le, hogy elegendő oxigén maradjon a vízben élő állatok számára. Meg kell határozni, hogy ha adott mennyiségű szennyvizet vezetünk a folyóba, mekkora a maradék oldott oxigén koncentrációja? A folyó vízhozama: q = 31 600 m3/h Az oldott oxigén koncentrációja: ρ(O2) = 8 mg/dm3 Az oxigén telítési koncentrációja: ρt(O2) = 9,6 mg/dm3 A szennyvíz térfogatárama: qsz = 230 m3/h A szennyvíz szerves szennyeződése: c = 160 g/m3 BOI5 A telítési koncentráció 50 %-a: 4,8 g/m3. Az oldott oxigén koncentrációja nem lehet kevesebb. -

Mekkora a folyóvíz oxigéntartalma? g/h 1 m3-ben van 8 g oldott oxigén

-

Mennyi oxigén fogy a lebontáshoz? g/h 1 m3-ben található szerves anyaghoz kell 160 g O2

-

Mennyi oldott oxigén marad a folyóvízben? g/h

-

A vízhozam a szennyvízzel együtt: m3/h

-

Az oldott oxigén koncentrációja a szerves szennyezők lebontása során: g/m3 (ρm(O2) = 6,8 g/m3) Az adott mennyiségű szennyvíz bevezethető a folyóba?

197

14.1. Ábra A biológai szennyvíztisztítás műtárgyai

a/ Eleveniszapos, levegőztetős medence

1. Előülepítő 2. Eleveniszapos medence 3. Utánóülepítő A. Belépő szennyvíz B. Tisztított szennyvíz C. Recirkuláltatott iszap D. Fölösiszap

b/ Csepegtetőtestes medence

1. Forgó permetezőkar 2. Csepegtetőtestek 3. Támasztó idomok A. Szennyvíz B. Tisztított víz C. Levegő

c/ Merülőtárcsás berendezés

A tárcsák átmérője: 2-3 m távolsága: 2 cm száma egy-egy csoportban: 30-40 db száma egy tengelyen: 90-120 db fordulatszáma:

198

14.1. Táblázat A csepegtetőtestes medencék üzemi adatai BOI5 terhelés

Hidraulikai terhelés

Hatásfok

g/m3 d

m3/m2/h

%

Kis terhelésű

450-750

0,5-1,2

80-90

Nagy terhelésű

750-1100

0,7-1,5

75-80

3000-6000

1,2-1,5

40-80

Medence

Nagy terhelésű műanyagtestes 14.2. Táblázat A lebontás termékei

aerob tavakban

anaerob tavakban

Szénhidrátok

CO2 + H2O

CH4 + CO2

Fehérjék (N)

NH3 —> NO2- —> NO3-

NH3

Szerves S

SO2--

H2S

Szerves P

PO4---

PH3

14.3. Táblázat

aerob

fakultatív

anaerob

Mélység, m

0,5-0,6

1,2-1.8

2-3

Tartózkodási idő, d

3-6

10-30

30-6

BOI5 terhelés kg/ha d

100-250

250-600

350-600

Hatásfok, %

80-95

75-85

40-60

199

15.

AZ ISZAPOK VÍZTELENÍTÉSE

1. Az iszapok tulajdonságai 2. Iszapszikkasztó ágyak 3. Gravitációs sűrítők 4. Flotációs sűrítők 5. Gépi víztelenítők

Jelentős mennyiségű iszap keletkezik a különböző környezetvédelmi és ipari technológiákban. Az iszapok víztartalma elérheti a 98-99 %-ot is. Az iszapok víztelenítésének célja -

a víztartalom, ezzel együtt a térfogat csökkentése,

-

a szállítható állapot (a földnedves konzisztencia) elérése.

Technológiai példák, amelyekben iszapok keletkeznek: -

ivóvíz előállítása felszíni vizekből,

-

szennyvizek tisztítása (szennyvíziszapok),

-

ércek, ásványok feldolgozása, pl. bauxit feltárása (vörösiszap),

-

mezőgazdasági termékek (cukorrépa, burgonya stb.) mosása, feldolgozása (cukoripar, konzervipar…)

15.1. AZ ISZAPOK TULAJDONSÁGAI Az iszapvíz háromféle kötésben létezik. a/ A pórusvíz az iszapszemcsék között található. Nem kötődik a szemcsékhez, sűrítéssel egyszerűen eltávolíthatjuk. A szárazanyag tartalom 1-2 %-ról 10-15 %-ra növelhető.

200

b/ A kapillárisvíz a szemcsék pórusait tölti fel és gyenge fizikai-kémiai kötésekkel kapcsolódik a szilárd anyaghoz. Erélyesebb víztelenítési műveletekkel (szűrés, centrifugálás…) távolíthatjuk el. A szárazanyag tartalom 55-60 %-ig növelhető. c/ A mikroorganizmusok, növényi maradékok sejtjeiben kötött víz csak a sejtek roncsolása révén távolítható el termikus (szárítás) vagy biológiai kondicionálási műveletekkel. Az iszapok térfogatának csökkenését a víztartalom csökkenésének függvényében a 15.1. ábra mutatja be. Az iszapok víztartalmának csökkenése három egymást követő szakaszban lehetséges: sűrítéssel, víztelenítéssel és szárítással. Ezekkel a műveletekkel elválasztjuk egymástól a szilárd és a folyadék fázist: a lebegőanyagot, szárazanyagot az iszapvíztől. A műveleteket következőképpen csoportosíthatjuk: 1. Sűrítés a/ gravitációs sűrítés, -

természetes úton, szikkasztó ágyakon,

-

sűrítő műtárgyakban,

b/ flotációs sűrítés. 2. Víztelenítés a/ szűrés szűrőprésekkel vagy vákuum dobszűrőkkel, b/ centrifugálás, 3. Szárítás a/ kontakt szárítás, b/ konvekciós szárítás. A víztelenítést általában megelőzi az iszapok kondicionálása. A kondicionálás célja -

a szerves anyagok bomlásának (rothadásának) megakadályozása,

-

a patogén mikroorganizmusok elpusztítása,

-

az ülepítés és a szűrés elősegítése.

a/ Fizikai kondicionálás -

Pasztőrözés (60-80 °C/ 10-15 perc)

-

Termikus kezelés (200-220 °C/ 18-20 bar) A „szétfőtt” iszap jól ülepíthető vagy szűrhető.

201

15.1. ábra Az 1 m3 térfogatú, 95 %-os nedvességtartalmú rothasztott iszap térfogatának csökkentése a nedvességtartalom elvonásával

15.2. ábra Az iszap szárazanyag-tartalma és térfogata közötti összefüggés, a görbéken levő számok a kiinduló iszap %-os szárazanyag-tartalmát jelölik

202

b/ Kémiai kondicionálás -

Koaguláló szerek adagolása: polielektrolitok, FeCl2 stb. A FeCl2 a vízben Fe(OH)2 pelyheket ad/ami elősegíti az iszapszemcsék ülepedését, szűrhetőségét.

-

Mész adagolása Az égetett mész oltása (CaO + H2O = Ca(OH)2) hőt fejleszt, fertőtlenít, gátolja a rothadást.

15.2. ISZAPSZIKKASZTÓ ÁGYAK Az iszapot egy szűrőrétegre terítjük szét. Az iszapréteg besűrűsödik, az iszapvíz egy része elpárolog ( 25 %), másik része beszivárog a talajba ( 75 %). Az iszapréteg vastagsága 0,6-0,8m.

ISZAP HOMOK 0,15 m KAVICS 0,15 m AGYAG 0,30 m

Az iszapszikkasztó ágy méretezésének kiinduló adata az iszap mennyisége (m3/d) és lebegőanyag koncentrációja (kg/m3). A besűrített iszap lebegőanyag koncentrációját és a hozzá tartozó tartózkodási időt az előzetes vizsgálatok és adatok alapján előírjuk. Ki kell számítani: -

a besűrített iszap várható térfogatát,

-

az iszapszikkasztó ágy felületét és méreteit.

15.1. PÉLDA

Iszapszikkasztó ágy méretezése

Egy település szennyvíztisztítójának iszapját iszapszikkasztó ágyon szeretnénk besűríteni. Mekkora területet kell lefoglalni a szennyvíztisztító telep közelében? ADATOK Az iszap mennyisége naponta: q = 300 m3/d/ lebegőanyag koncentrációja: besűrített iszap várható lebegőanyag koncentrációja idő után. Az iszapvízben a lebegőanyag koncentráció:

203

= 15 kg/m3. A

= 55 kg/m3, t = 180 nap tartózkodási = 0,5 kg/m3.

Számítsa ki: a/ Az iszappal naponta érkező lebegőanyag tömegét! m=q

| m3/d kg/m3 => kg/d

kg/d

b/ A naponta besűrűsödő iszap térfogatát! A lebegőanyag nagy része az iszapba, kisebb része az iszapvízbe jut: ⁄ q az iszap,

a besűrített iszap,

a besűrített iszap,

az iszapvíz térfogata naponta,

az iszapvíz koncentrációja, kg/m3.

c/ Az iszap térfogatát 180 nap alatt: V=

t m3

d/ Az iszapágy felületét, ha az iszapágy magasV = hA m3

sága h = 0,5 m

e/ Az iszapágy oldalainak hosszát, ha az iszapot A = V/A m2 négyzet alapra rakjuk le!

L=√

m

MEGOLDÁS a/ A lebegőanyag tartalom naponta: m = q = 300 m3/d 15 kg/m3 =4 500 kg/d b/ A sűrített iszap térfogata: ⁄

⁄ ⁄

⁄

⁄

c/ A sűrített iszap térfogata 180 nap alatt: V=

t = 79,8 m3/d 180 d = 14 364

d/ Az iszapágy felülete, ha a töltési magasság 0,5 m: V = hA => A = V/h = 14 364 m3/0,5 m = 28 728 m2 e/ A négyzet alapú iszapágy mérete: L=√ =√

169,4 m

Az iszapágy 170 m × 170 m alapú területet foglal el 0,5 m magasan.

204

⁄

15.3. GRAVITÁCIÓS SŰRÍTŐK A gravitációs sűrítéskor a szilárd szemcsék leülepednek és kiszorítják a szemcsék közötti térből a pórusvizet, amely a betömörödő iszap felületén gyűlik össze. A sűrítő műtárgyak kör keresztmetszetű tartályok vagy medencék. Az iszap betáplálásának és a besűrűsödött iszap és az iszapvíz elvesztésének üteme, térfogatárama határozza meg a tartózkodási időt, amely elegendő az iszap adott mértékű tömörödéséhez. A sűrítőket úgy kell méretezni, hogy minél nagyobb legyen a leürített iszap lebegőanyag koncentrációja és minél kevesebb iszapszemcsét vigyen magával az iszapvíz. A besűrűsödő iszap egyre nagyobb lebegőanyag koncentrációjú rétegekből áll. Az egyes rétegek adják le a szilárd anyagot az alattuk elhelyezkedő rétegeknek. A leadási fluxus megadja az egységnyi felületen egységnyi idő alatt leülepedő lebegőanyag tömegét: kg/ m2 h. Ha a sűrítő egységnyi felületére nagyobb lebegőanyag tömeg érkezik, mint a leadási fluxus, az iszapszemcsék nem érik el a sűrítő alját, az iszapvízzel távoznak. Ebben az esetben nagyobb felületű sűrítőt kell építeni. Meghatározhatjuk azt a felületi lebegőanyag terhelést, amely biztosítja a távozó besűrített iszap előírt lebegőanyag koncentrációját. A felületi lebegőanyag terhelés függ -

a kilépő besűrített iszap előírt és a belépő iszap lebegőanyag koncentrációjának viszonyától, és

-

az iszap fizikai tulajdonságaitól (fajtától, eredetétől), amely meghatározza az iszapszemcsék ülepedési sebességét.

A felületi lebegőanyag terhelés: ρ ρ

és

⁄

a be-és kilépő iszap lebegőanyag koncentrációja, kg/m3

Az n és K az iszapra jellemző állandók. Értéküket előzetes laboratóriumi kísérletekkel határozhatjuk meg. A

megadja, hogy a sűrítő egy négyzetméter felületére hány kg lebegőanyagot

engedhetünk naponta az iszappal, hogy elérjük az előírt kilépő lebegőanyag koncentrációt.

205

A sűrítőre érkező lebegőanyag tömege: az iszap térfogatárama, m3/h

kg/d

⁄

A szükséges szűrőfelület: m2

⁄

A sűrítő méretezésének lépései: -

laboratóriumi kísérletekkel meghatározzuk az iszap jellemzőit: a szárazanyag koncentrációt (

), az n és a K állandókat,

-

előírjuk a kilépő iszap lebegőanyag koncentrációját (

-

kiszámítjuk a/ a felületi lebegőanyag terhelést:

),

⁄

b/ az aktuális lebegőanyag terhelést: kg/d c/ a sűrítő szükséges felületét, m2 d/ a sűrítő átmérőjét, m

15.2. PÉLDA

A gravitációs sűrítő méretezése

A szennyvíztisztító eleveniszapos biológiai medencéjéből elkülönített fölösiszapot kell besűríteni. Mekkora gravitációs sűrítőt kell megépíteni? A tervezés kiinduló adata: az iszaphozam: 55 m3/d és a lebegőanyag koncentráció: 5 kg/m3. A besűrített iszap lebegőanyag koncentrációját előírjuk: 45 kg/m3. Az n és a K állandókat laboratóriumi kísérletekkel meghatározzuk. ADATOK q = 55 m3/d = 5 kg/m

n = 0,84 3

K = 55

= 45 kg/m3 a/ A felületi lebegőanyag terhelés ⁄

206

b/ Az aktuális lebegőanyag terhelés ⁄ c/ A szűrő szükséges felülete

d/ A sűrítő átmérője √

√

Tehát 6 m átmérőjű sűrítő biztosítja, hogy ha az 5 kg/m3 lebegőanyag koncentrációjú iszapból naponta 5,5 m3-t táplálunk be, az elvezetett iszap koncentrációja 45 kg/m3 lesz. MEGJEGYZÉS A tapasztalatok azt mutatják, hogy a sűrítés mértéke egy határon belül nem függ a sűrítő mélységétől: 1,5-3,5 m között a mélységet szabadon megválaszthatjuk. 15.4. FLOTÁCIÓS SŰRÍTŐK Az iszapok flotálásakor az iszapszemcséket felúsztatjuk az iszapvíz felszínére, ahol egy besűrűsödő iszapréteg keletkezik. A szemcsék felúszásának több feltétele van. a/ Víztaszító (hidrofób) jelleg. A víztaszító szemcsék felülete nem nedvesedik, ezért hajlamosak a felúszásra. A nedvesedő (hidrofil) szemcsék leülepednek. A hidrofób jelleget különböző adalékanyagokkal megnövelhetjük. b/Levegőbuborékok jelenléte. A levegőbuborékok felfelé szállnak és magukkal ragadják a nem nedvesedő szemcséket. A levegőbefúvásos megoldás: a levegőt a medence alján elhelyezett fúvókákon juttatjuk az iszapba nyomás alatt. A túlnyomásos megoldás: a recirkuláltatott iszapvizet nagy nyomáson levegővel telítjük, amely a medencében légköri nyomáson apró buborékok formájában felszabadul. A levegő/lebegőanyag optimális arányát laboratóriumi kísérletekkel határozhatjuk meg. A felszívódó iszap egy része az iszapvíz szintje felett (dv), a másik része alatta (dB) helyezkedik el. 207

Az iszapréteg vastagsága az iszapvíz felett: ρ

ő/lebegőanyag aránya

ρ a besűrített iszap előírt koncentrációja, % A flotációs sűrítő méretezésének alapja a megengedhető felületi szilárdanyag terhelés. Tapasztalati képletekkel meghatározható a sűrítő egységnyi felületére naponta táplálható szilárdanyag tömege, hogy a sűrített iszap előírt koncentrációját elérjük. Ezután az aktuális szilárdanyag terhelés ismeretében kiszámíthatjuk a sűrítő szükséges felületét és átmérőjét vagy oldalainak hosszát. A megengedhető szilárdanyag terhelés (

)

⁄

dv az iszapréteg vastagsága az iszapvíz felszínén, m ρ a besűrített iszap szilárdanyag koncentrációja, %!

15.3. PÉLDA

A flotációs sűrítő méretezése

A szennyvíztisztító telep eleveniszapos

biológiai medencéjéből fölösiszapot

választunk el. Mekkora átmérőjű kör keresztmetszetű flotációs medencét kell megépíteni? Az iszap mennyisége naponta: q = 1 000 m3/d Szárazanyag koncentrációja: ρ = 3,5 kg/m3 A besűrített iszap előírt koncentrációja: ρ = 5 % A levegő/szárazanyag arány:

= 0,025

MEGOLDÁS a/ A naponta érkező szárazanyag tömege ⁄ b/ Az iszap vastagsága c/ A megengedhető felületi szilárdanyag terhelés az 5 %-os sűrítés eléréséhez (

)

(

)

208

⁄

d/ A sűrítő szükséges felülete Ha 1 m2 felületre 25 kg szárazanyag érkezhet naponta, hány m2 kell 4 500 kg fogadására? ⁄ ⁄ e/ A sűrítő átmérője √

√

Célszerű két párhuzamosan működő egységet megépíteni 7 m átmérővel. MEGJEGYZÉS A tapasztalatok szerint a medence optimális mélysége 3,5-3,8 m. 15.5. GÉPI VÍZTELENÍTŐK A besűrített, még híg, folyékony iszap víztartalmát szűréssel vagy centrifugálással csökkentjük le. A szűréshez általában nyomószűrőket (szűrőpréseket) vagy vákuumszűrőket (vákuumdobszűrőket) alkalmazunk. Ezek „földnedves” iszaplepényt adnak. A centrifugák is lapátolható állapotú iszapot szolgáltatnak. 15.4. PÉLDA A

Iszapok víztelenítése vákuum-dobszűrővel

szennyvíztisztító

telepen

a

fölösleges

eleveniszapot

vákuum-dobszűrővel

víztelenítjük. A gyártó megadja a dobszűrők szűrési teljesítményét. Hány dobszűrőt kell beállítani a művelethez a kiválasztott típusból? Az iszap napi mennyisége 950 m3, szárazanyag tartalma 42 kg/m3. A szűrés előtt kondicionálást végzünk: a szárazanyag tartalomra számolva 2,0 % Fe3+ iont (FeClSO4 vegyületben) és 20 % Ca(OH)2-ot adagolunk. A kondicionáló szerek 80 %-a az iszap szárazanyag tartalmát növeli. Kondicionálás után az iszap szárazanyag tartalma 4,4 tömeg%. Szűrés után az iszaplepényé 22 %.

209

A vákuum-dobszűrő felülete 40 m2, szűrési teljesítménye 27 kg/m2 h, üzemideje 24 óra. ADATOK q = 950 m3/d/

= 42 kg/m3 ⁄ ⁄

⁄

ρ }

(az iszap szárazanyag tartalma) (az iszaplepény szárazanyag tartalma) 2

A = 40 m , w = 27 kg/m2 h, t = 24 h Számítsa ki a/ az iszap szárazanyag tömegét, kg/d b/ a kondicionáló szerek tömegét, kg/d c/ az iszap szárazanyag tömegét a kondicionálás után, kg/d d/ a kondicionált iszap tömegét, kg/d e/ az iszaplepény tömegét a szűrés után, kg/d f/ a szükséges szűrőfelületet, m2 és a szűrőegységek számát! MEGOLDÁS a/ Az iszap szárazanyag tartalma ⁄

ρ b/ A kondicionáló szerek mennyisége m(Fe) = 40 000 0,02 = 800 kg/d

8 000 kg/d c/ Az iszap szárazanyag tartalma kondicionálás után A kondicionáló szerek 80 %-a: 8 800 0,8

7 000 kg/d

d/ A kondicionált iszap mennyisége A szárazanyag mennyisége 47 000 kg/d/ ez 4,4 %. 4,4 % megfelel 47 000 kg-nak, 100 % megfelel 4,4 % : 47 000 kg/d = 100 % : ⁄

210

kg-nak.

e/ Az iszaplepény tömege A szárazanyag az iszaplepényben 22 %. 22 % megfelel 47 000 kg-nak, 100 % megfelel

kg-nak.

⁄ f/ A szükséges szűrőfelület A dobszűrő napi teljesítménye: szárazanyag Ha 648 kg szárazanyagot szűr ki 1 m2, akkor 47 000 kg-ot A m2

A dobszűrők száma: Egy dobszűrő felülete 40 m2, a szükséges felület 72,53 m2 .

15.1. FELADAT Induljon ki a 15.4. példa adataiból! A kondicionált iszap szárazanyag tartalma: msz = A vákuum-dobszűrő felülete: A = Az üzemidő: t = A szűrési teljesítmény: w = A/ Az iszapot víztelenítjük 2 vákuum-dobszűrővel 2 8 órás műszakban. Számítsa ki 1 dobszűrő 1 m2 felületére 1 óra alatt érkező szárazanyag terhelést! msz/2 40 16, kg/m2 h Hasonlítsa össze a szárazanyag terhelést a szűrési teljesítménnyel! Elegendő a két 8 órás műszak az iszap víztelenítéséhez? B/ Hány tartályt kell beállítani a kondicionáló szerek 30 napi készletének tárolásához? A vasionok napi mennyisége: m(Fe) = 1 m3 oldatban van 200 kg Fe3+ A Ca(OH)2 napi mennyisége: m(Ca(OH)2) = A Ca(OH)2 sűrűsége: ρ = 1100 kg/m3

211

Számítsa ki: a/ A Fe3+ tömegét 30 napra! Ez hány m3 oldatban van? Hány 30 m3-es tartály kell? b/ A Ca(OH)2 tömegét 30 napra! Ennek térfogatát a sűrűség ismeretében! Hány 10 m3-es tartály kell?

15.5. PÉLDA

Iszapok víztelenítése centrifugálással

A szennyvíztisztító üzemben a biogáz reaktorból leürített, kirothasztott iszapot centrifugálással víztelenítjük. A centrifugák kapacitását a gyártó megadja. Hány centrifugát kell beállítani a kiválasztott típusból? Az iszap mennyisége naponta 100 m3, sűrűsége 1100 kg/m3, szárazanyag koncentrációja 4 %. Az iszaphoz 100 g polielektrolitot adunk m3-enként, amely a szárazanyag tartalmat növeli. A szárazanyag 80 %-a az iszapba, 20 %-a iszapvízbe jut. A víztelenített iszap szárazanyag koncentrációja 30 %. A centrifuga kapacitása 6 m3/h, amelynek 75 %-át hasznosítjuk. Üzemidejük 8 óra. ADATOK q = 100 m3/d ρ = 1100 kg/m3

⁄ K = 6 m3/h t=8h

Számítsa ki: a/ az iszap mennyiségét naponta, b/ az iszap szárazanyag tartalmát, c/ a polielektrolit tömegét naponta, A centrifugálás után: d/ a víztelenített iszap tömegét naponta, e/ az iszapvíz tömegét naponta, f/ a centrifugák számát!

212

MEGOLDÁS a/ Az iszap tömege: ⁄

ρ b/ Az iszap szárazanyag tartalma:

⁄

ρ c/ A felhasznált polielektrolit: ρ

⁄

⁄

Centrifugálás után: d/ A víztelenített iszap tömege: -

az iszap szárazanyag tartalmának 80 %-a + a polielektrolit tömege: (4 400 0,8) + 10 = 3 530 kg/d

-

mivel ez a szárazanyag tömeg a víztelenített iszap 30 %-a, a víztelenített iszap tömege: 30 % : 3 530 kg/d

⁄

100 % : mvi kg/d e/ Az iszapvíz tömege: ⁄ ebben van 4 400 0,2 = 880 kg szárazanyag. f/ A centrifugák száma: -

a centrifuga kapacitása 8 órás műszakban K = 6 0,75 8 = 36 m3 iszap

-

100 m3 iszap centrifugálásához kell

213

16. SZÁRÍTÁS 1. A nedves anyag tulajdonságai 2. A nedves levegő tulajdonságai 3. A szárítás levegő- és hőigénye A szárítás olyan művelet, amelyben a nedves anyag nedvességtartalmát elpárologtatjuk a forráspontnál kisebb hőmérsékletre felmelegítve. A nedvességtartalom legtöbbször víz. A konvekciós szárítás során meleg levegővel melegítjük fel a vizes anyagot. Az elpárolgó vizet (vízgőzt) a levegő veszi fel és szállítja el. A kontakt szárítás során a vizes anyagot valamilyen meleg felülettel hozzuk érintkezésbe. Művelei példák: -

iszapok kiszárítása – lapálható állapot elérése,

-

szerves vagy granulált termékek kiszárítása.

16.1. A NEDVES ANYAG TULAJDONSÁGAI A nedves anyag két komponensből áll: száraz anyag + víz. A nedvességtartalom, Y, Y’ a víz tömegének és a nedves anyag vagy a száraz anyag tömegének hányadosa.

í

í á

G a nedves anyag, Gsz a száraz anyag, w a víz tömege. Az Y megadja, hogy a nedves anyag 1 kg-ja hány kg vizet tartalmaz.

214

Az Y megadja, hogy a száraz anyag 1 kg-jára hány kg víz jut. Szárítás közben a víz tömege, vele együtt a nedves anyag tömege is csökken. A száraz anyag tömege is csökken. A száraz anyag tömege állandó marad. A nedvességtartalmak átszámítása:

száraz anyagra

nedves anyagra

nedves anyagból

száraz anyagból

A számításokban egyértelműen el kell különíteni, hogy a nedvességtartalom nedves anyagra (Y) vagy száraz anyagra (Y ) vonatkozik. A száraz anyag tömege, Gsz A víztartalom tömegtörtje: Y = w/G

(kg/kg)

A száraz anyag tömegtörtje: 1 – Y = Gsz/G

(kg/kg) Gsz = G(1 –Y)

kg

w = Gsz(Y 1 – Y 2)

kg

A száraz anyag tömege a nedves anyagban: Az elpárolgó víz tömege, w w1 és w2 a víztartalom a szárítás előtt és után Az elpárolgott víz tömege: w = w1 – w2 = GszY 1 – GszY

2

16.2. A NEDVES LEVEGŐ TULAJDONSÁGAI A nedves levegő két komponensből áll: száraz levegő + vízgőz. Az abszolút nedvességtartalom, X a vízgőz tömegének (w) és a száraz levegő tömegének (L) hányadosa: Az X megadja, hogy a száraz levegő 1 kg-jára hány kg vízgőz jut.

215

A levegő meghatározott mennyiségű vízgőzt vehet fel adott hőmérsékleten. A vízgőz nagyobb mennyisége kicsapódik a levegőből. A relatív nedvességtartalom, a vízgőz parciális nyomásának (pw) és a telítési parciális nyomásnak (pt) a hányadosa az adott hőmérsékleten. Megadja, hogy a vízgőz mennyisége a telítési mennyiség hány %-a. Vízgőzzel telített levegőben

= 100 % vagy 1.

A nedves levegő fajlagos hőtartalma 1 kg száraz levegő + X kg vízgőz hőtartalma: iL: 1 kg száraz levegő hőtartalma, kJ/kg

i = iL + Xiw

iw: 1 kg vízgőz hőtartalma, kJ/kg

A levegő t - X - i diagramja (Mollier-diagram) A levegő négy állapothatározóját, a t, X,

és i összetartozó értékeit ábrázolja. Két

állapothatározó ismeretében a másik kettőt leolvashatjuk a diagramról. (16.1. ábra). A t - X - i diagram alkalmazását néhány egyszerűbb esetre a 16.1. ábra mutatja be. -

A levegő két állapothatározójának meghatározása a két másik állapothatározó ismeretében (1. és 2. példa).

-

Az állapothatározók változásának követése felmelegítéskor vagy lehűtéskor (3. példa).

-

A harmatpont meghatározása a levegő lehűtése közben (4. példa).

16.3. A SZÁRÍTÁS LEVEGŐ- ÉS HŐIGÉNYE A konvekciós szárítás során a felmelegített levegő közvetlenül érintkezik a nedves anyaggal. Az elpárolgó vizet (vízgőzt) a levegő felveszi és elszállítja.

216

1. A levegőt felmelegítjük: t0

t1

-

a nedvességtartalom (a vízgőz tömege) nem változik: X0 = X1

-

a relatív nedvességtartalom csökken,

-

a hőtartalom nő.

2. A szárítóban a levegő lehűl: t1 -

t2, t0 < t2 < t1

a hőtartalom nem változik: i1 = i2 -

a levegő lehűl: az i csökken,

-

a levegő párát vesz fel: az i nő, a két hatás kiegyenlíti egymást.

A szárítás levegőszükséglete, L (X2 –X1) kg vizet vesz fel 1 kg száraz levegő w kg vizet vesz fel L kg száraz levegő (X2 –X1) kg L kg = 1 kg w kg

kg

A szárítás nedves levegőszükséglete, Ln A kaloriferbe beszívott levegő víztartalma: X1 kg/kg a ventilátor által mozgatott nedves

Ln = L + X1L = L(1 + X1)

levegő mennyisége:

kg

A szárítás hőszükséglete, Q A levegő fajlagos hőtartalma a kaloriferben nő: (i0

i1) kJ/kg,

az Ln kg levegő felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség: az Ln kg levegő felmelegítéséhez

Q = Ln (i1 – i0)

szükséges hőmennyiség:

kJ

A víztartalom tömegmérlege A nedves anyag által leadott víz:

w = Gsz (Y1 - Y2 ) kg

A levegő által felvett víz (vízgőz): w = L (X2 - X1) kg Gsz (Y1 - Y2 ) = L (X2 - X1) A számításokhoz alkalmazható képleteket az 16.2. táblázatban foglaltuk össze.

217

218

16.1. Táblázat A t – X – i diagram alkalmazásai

1. A levegő állapothatározói

Mekkora a levegő relatív nedvességtartalma

- hőmérséklete: t = 30 °C

és fajlagos hőtartalma?

- abszolút nedvességtartalma: X = 0,02 kg/kg A t = 30 °C és az X = 0,02 kg/kg egyenes metszéspontján átfutó -

relatív nedvességtartalom görbe: = 75 %

-

fajlagos hőtartalom egyenes: i = 80 kJ/kg

2. A levegő állapothatározói:

Mekkora a levegő abszolút

- hőmérséklete: t = 30 °C

nedvességtartalma és fajlagos hőtartalma?

- relatív nedvességtartalma:

= 50 % A t = 30 °C egyenes és a

= 50 % görbe

metszéspontja: -

vetülete az X tengelyre: kijelöli az abszolút nedvességtartalmat: X = 0,016 kg/kg

-

átfutó fajlagos hőtartalom egyenes: i = 75 kJ/kg

X = 0,016 kg/kg i = kJ/kg

219

16.1. Táblázat A t – X – i diagram alkalmazásai

3. A levegő állapothatározói: t0 = 25 °C, X0 = 0,015 kg/kg 0

Hogyan változik a levegő állapota, ha 80 °C-ra felmelegítjük? Felmelegítés során nem vesz fel párát,

= 70 %, i0 = 60 kJ/kg

ezért az abszolút nedvességtartalma nem változik: X0 = X1 A relatív páratartalom csökken, mert nagyobb hőmérsékleten nagyobb a vízgőz telítési parciális nyomása. Nagyobb hőmérsékleten nagyobb a fajlagos hőtartalom. A levegő felmelegítése (hűtése) közben az X függőleges egyenes mentén t1 = 80 °C, X1 = 0,015 kg/kg 1

változik a levegő állapota.

= 5 %, i1 = 120 kJ/kg 4. A kiinduló állapot:

A harmatpont meghatározása

t = 35 °C, X = 0,01 kg/kg = 30 %, i = 49 kJ/kg

A harmatpont az a hőmérséklet, amelyre a levegőt lehűtve vízgőzzel telített lesz. (A vízgőz kicsapódik.) 1. Hűtsük le a levegőt az X = 0,01 egyenes mentén a

= 100 %

görbéig! 2. A metszésponton átfutó hőmérséklet egyenes kijelöli a harmatpontot.

th = 14 °C

220

16.2. Táblázat Az összefüggések táblázata

Anyag

Levegő

Nedvességtartalom

Relatív

%

nedvességtartalom A víz tömege A száraz anyag tömege Az elpárologtatandó víz

w = GY

kg

Gsz = G(1-Y)

kg

w = Gsz(Y1 - Y2 )

kg

leadja

w = L(X2 - X1)

kg

felveszi

Hőtartalom

i = iL +

Levegőszükséglet

kJ/kg kg

Hőszükséglet G a nedves anyag, Gsz a száraz anyag, w a víz tömege, kg L a száraz, Ln a nedves levegő tömege, kg i a levegő fajlagos hőtartalma, kJ/kg

221

Ln = L + LX1

kg

Q = Ln(i1 - i0)

kJ

16.1. PÉLDA

A nedvességtartalom

Az iszap nedvességtartalma a nedves anyag tömegének 30 %-a. Mekkora a nedvességtartalom a száraz anyagra számolva? 100 kg nedves anyagban van 30 kg víz 70 kg száraz anyag. a/ Nedvességtartalom a nedves anyagra: 1 kg nedves anyag 0,3 kg vizet tartalmaz – a nedves anyagban 30 % a víz. b/ Nedvességtartalom a száraz anyagra: 1 kg száraz anyagra 0,428 kg víz jut – a száraz anyag tömegének 42,8 %-a plusz víz. 70 kg SZA-hoz tartozik 30 kg víz 100 kg SZA-hoz tartozik Y kg víz

c/ Átszámítások

16.2. PÉLDA

Az elpárolgó víz mennyisége

Óránként 1 000 kg iszap nedvességtartalmát kell lecsökkenteni 40 %-ról 5 %-ra. Hány kg vizet kell elpárologtatni szárítás közben? MEGOLDÁS G = 1 000 kg Y1 = 40 % Y2 = 5 % Az elpárolgó víz tömege: w = w1 – w2 w1 és w2 a víz tömege a számítás előtt és után mivel w=

é w=

222

a/ A száraz anyag tömege, 100 kg-ban van 40 kg víz és 60 kg szárazanyag 1000 kg-ban van

= 600 kg szárazanyag

b/ A nedvességtartalmak,

é

/ Az elpárolgó víz w=

= 600 (0,66-0,053) = 364,2 kg

Óránként 364,2 kg vizet kell elpárologtatni.

16.3. PÉLDA

A levegő állapotának változása szárítás közben

A levegő abszolút nedvességtartalma 0,02 kg/kg száraz levegő, hőmérséklete 30 °C. A levegőt felmelegítjük 95 °C-ra a szárításhoz. A levegő relatív nedvességtartalma 70 %-nál nem lehet nagyobb a szárítás végén. Határozza meg a levegő állapotát a melegítés előtt és után, és a szárítás végén! Melegítés előtt: t0 = 30 °C, X0 = 0,02 kg/kg = 70 %, i0 = 82 kJ/kg

Melegítés után: t1 = 95 °C, X1 = 0,02 kg/kg i0 = 150 kJ/kg

Szárítás közben a levegő hőtartalma nem változik: -

hőmérséklete lehűl: csökken a hőtartalom,

-

párát vesz fel: ez megnöveli a hőtartalmat,

a két hatás kiegyenlíti egymást. Szárítás közben a levegő állapota az i0 = i2 hőtartalom egyenes mentén változik.

223

Ha a levegő relatív nedvességtartalma 70-80 %-nál nagyobb, bekövetkezhet a pára kicsapódása, „visszanedvesíti” a szárítandó anyagot. A levegő állapota a szárítás végén: i2 = i1=150 kJ/kg,

16.4. PÉLDA

= 70 %, t2= 43 °C, X2 = 0,042 kg/kg

Iszapok szárítása

Iszapot szárítunk 70 % víztartalomról 10 % víztartalomra a nedves anyagra számítva. Óránként 1000 kg terméket kell előállítani. A levegő hőmérséklete 25˚C , a relatív nedvességtartalma 50 %. A levegőt 100 ˚C -ra felmelegítjük, szárítás közben 70 ˚C -ra engedjük lehűlni. Számítsa ki: a/ az iszap nedvességtartalmát a száraz anyagra számolva, b/ a termék száraz anyag tartalmát, c/ az eltávolítandó víz mennyiségét, d/ a szárítandó nedves iszap mennyiségét, e/ a szárításhoz szükséges levegő mennyiségét, f/ a hőmérsékletet! ADATOK Y1 = 70 %

Y2 = 10 %

t0 = 25 ˚C

t1 = 100 ˚C

= 50 % t2 = 70 ˚C

A Mollier diagramból:

X0 = 0,008 kg/kg

i0 = 45 kJ/kg

X1 = 0,008 kg/kg

i1 = 120 kJ/kg

X2 = 0,02 kg/kg

i2 = 120 kJ/kg

MEGOLDÁS a/ Az iszap nedvességtartalma ⁄ ⁄

224

b/ A termék száraz anyag tartalma A termék víztartalma 10 %. 1 000 kg-ban van 100 kg víz 900 kg száraz anyag c/ Az eltávolítandó víz mennyisége A víztartalom: w1 és w2 a víz mennyisége a szárítás előtt és után ⁄ d/ A szárítandó nedves iszap mennyisége: a szárított iszap: 1 000 kg/h az eltávolítandó víz:1 999 kg/h a szárítandó nedves iszap: 1 000 + 1 999 = 2 999 kg/h e/ A szükséges száraz levegő mennyisége: X2– X1 kg vizet vesz fel 1 kg száraz levegő w kg vizet vesz fel L kg száraz levegő ⁄ ⁄

⁄

A szükséges nedves levegő mennyisége: Ln = L + X1L = 166 583(1 + 0,008) = 167 916 kg/h f/ A hőszükséglet: 1 kg levegő hőtartalmának növekedése: i1 – i0 kJ/kg Ln kg levegő hőtartalmának növekedése: Q kJ

16.5. PÉLDA

Szárítás

Óránként 1 000 kg iszapot kell megszárítani 40 %-ról 10 %-os nedvességtartalomra, a nedves anyagra számolva. A levegő hőmérséklete 15 ˚C, nedvességtartalma 0,008 kg vízgőz/kg száraz levegő. A szárításhoz 85 ˚C-ra melegítjük fel. A szárítás végén a levegő relatív nedvességtartalma 70 % lehet. 225

a/ Ábrázolja a szárítás folyamatát a t - X - i diagramon! b/ Mekkora a kezdeti és a végső nedvességtartalom a száraz anyagra számolva? c/ Mennyi vizet kell az iszapból eltávolítani? d/ Mekkora a szárítás levegő- és hőszükséglete? ADATOK G = 1 000 kg/h

Yb = 40 %

Yk = 10 %

X0 = 0,008 kg/kg

t0 = 15 ˚C

t1 = 85 ˚C

= 70 % MEGOLDÁS a/ A szárítás folyamata a t - X - i diagramon A diagramból: i0 = 35 kJ/kg i1 = 105 kJ/kg X2 = 0,027 kg/kg

b/ A nedvességtartalom száraz anyagra számolva kg víz/kg száraz anyag kg víz/kg száraz anyag

c/ Az eltávolítandó víz tömege: w = A száraz anyag tömege 1 000 kg iszapban: 100 kg-ban van 60 kg, 1 000 kg-ban van 600 kg w = 600 kg/h (0,67-0,11)kg/kg = 336 kg/h d/ A szárítás száraz levegő szükséglete ⁄ ⁄

⁄

A nedves levegő szükséglet Ln = L(1 +X1) = 17 684,2 kg/h (1+0,008) kg/kg = 17 825,7 kg/h e/ A szárítás hőszükséglete Q = Ln(i1- i0) = 17 825,7 kg/h (105 - 35) kJ/kg =1 247 799 kJ/h

226

16.6. FELADAT

Szárítás

Egy szárítóban 120 kg vizes anyagot kell megszárítani óránként. 20 % víztartalomról 4 %-ra, a nedves anyagra számolva. A szárító levegő abszolút nedvességtartalma 0,01 kg pára/kg száraz levegő, hőmérséklete 20 ˚C. A levegőt felmelegítjük 95 ˚C-ra, amely a szárítás közben 45 ˚C-ra hűl le. ADATOK G = 120 kg/h Y1= 20 % nedves anyagra (a száraz anyag 80 %) Y2= 4 % nedves anyagra (a szárítás után) X0 = 0,01 kg/kg a levegő abszolút nedvességtartalma t0 = 20˚C

t1= 95 ˚C

t2 = 45˚C

FELADAT a/ Töltse ki a táblázatot a t - X - i diagramból! X0 = 0,01 kg/kg

X1 =

X2 =

t0 = 20˚C

t1= 95 ˚C

t2 = 45˚C

i0 =

i1 =

i2 =

1

2

0

=

b/ Mennyi a száraz anyag a betáplált anyagban (kg/h)? Gsz = G(1 – Y1) c/ Mennyi a szárított anyag (kg/h)? G2 = Gsz (1 + Y2 ), Y2 = Y2/1 – Y2 (Y2 nedvességtartalom a szárítás után, száraz anyagra) d/ Mekkora a levegőszükséglet (kg/h)?

e/ Mekkora hőmennyiség kell a levegő felmelegítéséhez (kJ/h)? Q = L (i1 - i0)

227

=

MEGJEGYZÉS A megoldás másik változata: b/ A száraz anyag a betáplált nedves anyagban 100 kg nedves anyagban van 80 kg száraz anyag 120 kg nedves anyagban van Gsz kg száraz anyag c/ A szárított anyag mennyisége (kg/h): ⁄ G2 = G – w

16.7. FELADAT

Szárítás

Óránként 120 kg vizes anyagot szárítunk 25 % víztartalomról 5 %-ra, a nedves anyagra számolva. A levegő abszolút nedvességtartalma 0,01 kg vízgőz/kg száraz levegő, hőmérséklete 20 ˚C. A levegőt felmelegítjük úgy, hogy a hőtartalma 121 kJ/kg legyen. A levegő relatív páratartalma a szárítás végén 55 % lehet. a/ A t - X - i diagramról határozza meg a hiányzó állapothatározókat! X0 = 0,01

X1 = ?

X2 = ?

t0 = 20˚C

t1 = ?

t2 = ?

i0 = ?

i1 = 121 kJ/kg

i2 = ?

0

=?

1

=?

= 55 %

b/ Számítsa ki -

a száraz anyag mennyiségét a nedves anyagban, kg/h,

-

az elpárolgó víz mennyiségét, kg/h,

-

a szárított anyag mennyiségét, kg/h

-

a szárításhoz szükséges levegő mennyiségét, kg/h,

-

a szárításhoz szükséges hőmennyiséget, kJ/h!

Kövesse a 16.5. példa menetét!

228

16.8. FELADAT

Többfokozatú szárítás

Ha a nedves anyag hőre érzékeny, könnyen elbomlik, kisebb hőmérsékleten kell szárítani két vagy több fokozatban.

FL friss-, ML meleg-, HL használt levegő, G a nedves-, Gsz a száraz anyag A friss levegőt a megengedhető hőmérsékletre (t1) melegítjük fel, amely még nem károsítja a nedves anyagot. Az első szárítóból kilépő használt levegőt ismét felmelegítjük (t1= t3) és a második szárítóba vezetjük. A nedves anyag ellenáramban mozog. FELADAT Óránként 1 000 kg iszapot kell megszárítani 40 %-ról 10 %-os nedvességtartalomra a nedves anyagra számolva. A friss levegő hőmérséklete 15 ˚C, amelyet 65 ˚C-ra melegíthetjük fel. Abszolút nedvességtartalma 0,008 kg/kg. A második fokozatból kilépő levegő relatív nedvességtartalma 70 % lehet. Számítsa ki a/ a levegő állapothatározóit az első fokozat után, b/ a levegőszükségletet, c/ és a hőszükségletet! Ábrázolja a folyamatot a t - X - i diagramon! t0 = 15 ˚C X0 = 0,008 kg/kg t1 = 65 ˚C 4

= 70 %

t4 = 40 ˚C

229

Határozza meg az első fokozatból kilépő levegő állapothatározóit: t2, X2,

2 , i2 !

1. A t - X - i diagramra jelölje be a 0. és a 4. pontot! 2. Az 1. pontot a 0. ponton átmenő függőleges és a t1 izoterma metszéspontja adja. 3. A 3. pontot a 4. ponton átmenő hőtartalom egyenes és a t1 izoterma metszéspontja jelöli ki. 4. A 2. pontot a 3. pontból induló függőleges és az 1. pontból induló hőtartalom egyenes metszéspontja adja. A leolvasott értékek: t2 = 35˚C,

X2 = 0,02,

2

= 60 %,

i2 = 85 kJ/kg

FELADAT Számítsa ki a levegőszükségletet és a levegő felmelegítéséhez szükséges hőmennyiséget a 17.5. példához hasonlóan! Az egy- és kétfokozatú szárítás levegő és hő szükséglete lényegesen különbözik egymástól?

16.9. PÉLDA

A szárítási görbe. A kritikus nedvességtartalom.

Festékpépet

szárítunk

egy

szárítókamrában.

A

száraz

anyagra

számított

nedvességtartalom (Y ) a szárítási idő (t) függvényében: t, h

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Y ,%

104

84,0

63,9

43,9

32,0

21,9

14,0

8,0

5,0

3,0

1,5

Számítsa ki a szárítás sebességét:

/ t!

Ábrázolja a száradási görbét! Határozza meg a kritikus és az egyensúlyi nedvességtartalmat!

230

MEGOLDÁS a/ A szárítás sebessége:

t (h)

t=2h t=4h

/ t (%/h)

6

10

8

5,95

10

5,05

12

3,95

14

3,0

16

1,5

18

1,0

20

0,75

b/ A száradási görbe 1. A kritikus nedvességtartalomhoz tartozó száradási idő 2. Az egyensúlyi nedvességtartalomhoz tartozó száradási idő c/ A kritikus nedvességtartalom t = 6 h száradás után:Y

kr

= 43,9 %

Az egyensúlyi nedvességtartalom t = 18 h száradás után: Y

16.10. PÉLDA

kr

=3%

A szárítás időtartama

Hány óra alatt szárad meg az iszap 35 %-ról 4 %-os nedvességtartalomra egy szárítóban? A szárítás időtartama:

a kiinduló,

a végső,

a kritikus nedvességtartalom, k a szárítási állandó.

231

A FELADAT MEGOLDÁSÁNAK ALGORITMUSA 1. Határozzuk meg a szárítási görbe egy részletét az iszapból vett mintán! 2. A kísérleti adatok alapján határozzuk meg a szárítás időtartamát egy kiválasztott nedvességtartalom eléréséig, és a kritikus nedvességtartalmat! 3. Számítsuk ki a k szárítási álladót, amely az adott berendezésre és iszapra, meghatározott szárítási körülményekre vonatkozik! 4. A k ismeretében kiszámíthatjuk a szárítás időtartamát szabadon megválasztott nedvességtartalom eléréséig, minden más esetben a kísérleti szárítással azonos körülmények között. A KÍSÉRLETI ADATOK Az iszap 5 óra alatt szárad meg 35 %-ról 10 %-os nedvességtartalomra és a kritikus nedvességtartalom 14 %. A nedvességtartalmak a szárazanyagra vonatkoznak. MEGOLDÁS = 35 % = 0,35

= 35 % = 0,35

= 4 % = 0,4

= 10 % = 0,1

= 14 % = 0,14

a/ A k kiszámítása

b/ A szárítás időtartama

Az iszap 7,7 h alatt szárad meg a kísérleti szárítással azonos körülmények között.

232

17. GÁZOK PORTALANÍTÁSA 1. Fogalmak 2. Porkamrák 3. Ciklonok 4. Porszűrők

Portalanítás a szilárd/ lebegő szemcsék eltávolítása gázokból, legtöbbször levegőből. A szilárd anyag lehet valamilyen ásványi szemcse, korom, pernye stb. A művelet célja: -

az egészségre ártalmas szilárd szemcsék leválasztása a távozó véggázokból, füstgázokból, levegőből, hogy ne szennyezze meg a környezetet,

-

az értékes komponensek visszatartása a távozó gázokból a hasznosítás érdekében.

Számos olyan technológia létezik, amelyben szilárd lebegő anyagok szennyezik az elszívott levegőt: ásványok aprítása, cementgyártás, hulladékok égetése, malmok stb. 17.1. FOGALMAK, MENNYISÉGEK Porterhelés a gázban található por koncentrációja, mértékegysége: mg/m3. A porterhelés a szabadban 0,4-0,8 mg/m3 a városokban 1-2 mg/m3 poros üzemekben 400-500 mg/m3 Portalanítási fok, η megadja, hogy a berendezés a gáz portartalmának hány %-át választja le. a belépő,

233

a kilépő gázban a por tömegárama, kg/h

Ha a belépő és a kilépő gáz térfogatárama megegyezik, a tömegáramok helyett koncentrációkat is írhatunk. Frakcióhatásfok, ηF megadja, hogy a berendezés egy adott szemcsenagyság-frakcióból hány %-ot választ le. Porleválasztó berendezések: A/ száraz eljárással

B/ nedves eljárással

-

porkamrák

-

permetezett,

-

ciklonok

-

töltelékes és

-

porszűrők

-

tányéros tornyok

-

elektrofilterek

17.2. PORKAMRÁK A porkamrákba belépő gáz áramlási sebessége hirtelen lecsökken, mert megnő az áramlás keresztmetszete. Ez lehetővé teszi a porszemcsék leülepedését a gravitációs erőtér hatására. Az ülepedési sebesség: (

)

m/s

és

a szilárd anyag és a gáz sűrűsége, kg/dm3

a gáz viszkozitása, Pa s d a határszemcse átmérője, m A határszemcse átmérője az a szemcseméret, amelynél nagyobbakat a berendezés elméletileg 100 %-os hatásfokkal leválaszt, a kisebbeket az áramló gáz magával sodorja. A képlettel kiszámíthatjuk, hogy egy kiválasztott átmérőjű szemcsének (amelynek még ki kell ülepedni) mekkora az ülepedési sebessége. A képlet akkor érvényes, ha az ülepedés lamináris. Az ülepedési sebesség meghatározása után ellenőrizni kell az áramlás jellegét a Reynolds-szám kiszámításával. A Reynolds-szám: Az ülepedés lamináris, ha a Re ˂ 1

234

A porkamrában a gáz (a szemcse) v sebességgel futja be az L utat, közben a szemcse

sebességgel leülepedik. A

szemcse mozgásának két sebességvektora: a vízszintes haladási (v) és a függőleges ülepedési sebesség. A szemcse tartózkodási idejét és az ülepedési idejét kifejezhetjük a kamra méretével. A tartózkodási idő:

⁄

Az ülepedési idő:

⁄

A szemcse leülepedik, ha a tartózkodási idő hosszabb/ mint az ülepedési idő: A gyakorlati ülepedési sebesség: A gyakorlati ülepedési sebességet kiszámíthatjuk a gáz áramlási sebességéből és a kamra hosszából és melységéből. A gáz áramlási sebessége: ⁄

A határszemcse átmérője: √(

)

√(

)

Kiszámíthatjuk, hogy a porkamrában mekkora átmérőjű szemcsék ülepedtek le, ha meghatározzuk a gyakorlati ülepedési sebességet. A porkamrák méretezése, üzemeltetése során három típusú feladatot oldhatunk meg. 1. Mekkora a legkisebb leülepedő szemcse átmérője adott méretű

}

kamrában, a levegő adott térfogatárama mellet?

235

2. Mekkora lehet a levegő térfogatárama egy adott méretű }

kamrában, ha előírjuk a leülepedő szemcse átmérőjét? Mekkora a kamra teljesítménye? 3. Milyen méretű kamrát kell megépíteni, hogy a kiválasztott

}

átmérőjű szemcse kiülepedjen az előírt teljesítmény mellett? A porkamrák egyik gyakran alkalmazott típusa a Howard kamra. A Howard kamra terét lemezekkel kisebb rétegekre osztjuk, a gáz áramlásának irányával párhuzamosan. A szemcséknek csak a két lemez közötti távolságot kell megtenni leülepedés közben. A por a lemezekre ül rá. A rövidebb ülepedési idő lehetővé teszi a gáz rövidebb tartózkodását a kamrában. Kiszámíthatjuk a/ a kiülepedő porszemcse átmérőjét a gáz térfogatáramának és a kamra méretének ismeretében: m2

-

a gáz áramlásának keresztmetszete

A = BH

-

a gáz áramlásának sebessége

v = qv/A m/s

-

a gáz tartózkodási ideje

tt = L/v

-

a szemcse ülepedési ideje

tü = H/vü s

a

⁄

s

⁄

-

a szemcse ülepedési sebessége

-

a szemcse átmérője

vü = Hv/L m/s

b/ a lemezek távolságát adott átmérőjű szemcsék leválasztásához a gáz térfogatáramának és a kamra méretének ismeretében.

236

17.3. CIKLONOK

A ciklonba a poros gázt érintő irányba vezetjük be, viszonylag nagy sebességgel. A gáz körpályán és lefelé mozog a készülék palástja mentén, és a benyúló gázgyűjtő (örvénykeverő) csövön távozik. A porszemcséket a centrifugális erő kiröpíti a palástra, alul lecsúszik a kúpos alsó részbe.

A belépő gáz keringési (kerületi) sebessége: qv a belépő gáz térfogatárama, m3/s

m/s

A a belépő csonk keresztmetszete, m2 A határszemcse ülepedési sebessége: m/s

a hengerpalást irányában, a centrifugális erőtérben

A határszemcse átmérője: √

ha az ülepedési sebességet ismerjük

A határszemcse kiülepedik, ha a vü ülepedési sebesség nagyobb/ mint a részecske sebességének vr radiális összetevője. Úgy kell megválasztani az elszívás sebességét, hogy ez a feltétel teljesüljön. A ciklonban áramlási veszteségek miatt nyomásesés következik be. A nyomásesés, a belépő nyers gáz és a kilépő tisztított gáz nyomásának különbsége: A nyomásesés:

Pa

a nyomásveszteség tényező értéke 2-5 között van

237

17.4. PORSZŰRŐK A poros gázt (levegőt) ventillátorokkal szívjuk át a szűrőközegen. A porszemcsék fennakadnak a szűrőközeg pórusain. A porszűrők lehetnek -

sziták (a mikrosziták legkisebb lyukbősége kb 20 μm),

-

szövetek (a fonalak alapanyaga pamut, gyapjú, nylon, arlon stb., a szövési mód vászon, sávoly, athosz)

-

filcek (10-30 μm-es szálakból nemezelt szűrő),

-

szűrőgyertyák (porózus kerámiák, műanyagok),

-

labirintlemezek (perforált fémlemezek).

A szűrő kiválasztásánál alapvető adat a szükséges felület, a felületi gázterhelés és a felületi porterhelés. A szükséges felület, A a gáz térfogatáramának (qv) és sebességének (vg) hányadosa. m2

Megadja azt a felületet, amelyen adott térfogatú gáz egységnyi idő alatt adott sebességgel átáramolhat. Adott felületen időegység alatt átáramlott gáz térfogata függ az áramlás sebességétől és a felülettől: ⁄ A felületi gázterhelés, wg megadja a szűrő egységnyi felületére egységnyi idő alatt érkező poros gáz térfogatát. qv a gáz térfogatárama, m3/s A a szűrő felülete, m2 A felületi porterhelés, wp megadja a szűrő egységnyi felületére a szűrés időtartama alatt érkező por tömegét. a gáz porkoncentrációja, kg/ m3 t a szűrés időtartama, s

238

A szűrőközeg és a lerakódott por ellenállást fejt ki a gáz áramlásával szemben, amely nyomásesést okoz. A porréteg vastagágával csökken a nyomáskülönbség a szűrő két oldalán. Ez szab határt a szűrési időnek. A szűrési periódus időtartamát az határozza meg, hogy a nyomáscsökkenés mikor éri el a ventilátor által előállítható nyomáskülönbséget. Nyomásesés a szűrőközegben: η a gáz viszkozitása

Pa s

vg a gáz sebessége

m/s

Ksz a szűrőközeg ellenállás tényezője, amely a porszűrő fajtájától, minőségétől függ. Értékét a gyártó cég megadja. Nyomásesés a porrétegen:

Kp a por ellenállás tényezője, amely a por minőségétől és a szemcse méretétől függ. Értékét kísérletekkel határozhatjuk meg: ipari por

talkum

szénpor

d μm

˂ 20

1-4

7-50

Kp 1010

1,0-2,8

1-3

0,6-1,6

A szűrőközegben és a porrétegen bekövetkező nyomásesést kell a ventillátornak legyőzni. A porszűrők kiválasztása és üzemeltetése során ki kell számítani -

a szükséges felületet,

-

a nyomásesést, amely meghatározza a ventilátor szükséges teljesítményét,

-

a szűrési periódus időtartamát.

A porszűrők jellemző típusa a zsákos szűrő. (19.1. ábra) A zsák alakú szűrőszövetet (tömlőt) egy fém keretre feszítjük ki. A poros levegő kívülről befelé áramlik, a por a zsák külső felületén akad meg. A port szabályos időközönként el kell távolítani a zsákok felületéről belülről kifelé áramló levegővel. A fúvókán kilépő levegőt a Ventúri-cső felgyorsítja, nyomáshullám alakul ki a tömlő teljes hosszában, amely felfúvódik és a por a gyűjtőkamrába hullik.

239

PÉLDÁK, FELADATOK

17.1. PÉLDA

Poremmisszió

Hány kg port bocsát ki óránként egy malom a szabadba a poros levegőjű helyiségek légcseréje közben? Egy malomból elszívott levegő porterhelése 200 mg/m3. Az elszívó ventilátor névleges teljesítménye 12 500 m3/h. A porleválasztó hatásfoka 99,9 %. Határozza meg a szilárd anyag emisszióját! ADATOK = 200 mg/m3 = 0,2 g/m3 qv = 12 500 m3/h MEGOLDÁS A por tömegárama: = 12 500 m3/h 0,2 g/m3 = 2 500 g/h = 2,5 kg/h A leválasztott por mennyisége 99,9 %, az emisszió 0,1 %. me = 2,5 kg/h 0,1 = 0,25 kg/h A malomból 0,25 kg por távozik óránként a szűrőberendezés kürtőjén át a szabadba.

17.2. PÉLDA

Portalanítási fok

Óránként 2000 m3 poros levegőt kell portalanítani egy ciklonban. A belépő levegő porterhelése 420 mg/m3, a kilépő levegőé 125 mg/m3. Mekkora a ciklon hatásfoka? MEGOLDÁS q = 2 000 m3/h = 420 mg/m3 = 0,420 g/m3 = 125 mg/m3 = 0,125 g/m3

240

A belépő levegőben a por tömegárama:

A kilépő levegőben a por tömegárama:

A ciklon hatásfoka:

A ciklon a levegő portartalmának 70 %-át választja le. MEGJEGYZÉS A be- és kilépő levegő térfogatárama egyenlő. Ebben az esetben a koncentrációkkal is számolhatunk:

17.3. PÉLDA

Leválasztás két fokozatban

Óránként 10 000 m3 poros levegőt kell megtisztítani. A belépő levegő koncentrációja 3 g/m3. A kibocsátás 50 mg/m3 lehet. Az első fokozatban egy porkamrát alkalmazunk, amelynek a hatásfoka 40 %. Az átlagos szemcseméret 10 μm. Mekkora hatásfokkal kell működni a második fokozatnak? ADATOK q = 10 000 m3/h

⁄

MEGOLDÁS a/ Az első fokozatból kilépő levegő koncentrációja

241

b/ A második fokozat hatásfoka A második fokozatba belépő levegő koncentrációja 1 800 mg/m3.

A második fokozatba olyan porleválasztó berendezést kell választani, amely minimum 98 %-os hatásfokkal választja le a 10 μm átmérőjű szemcséket. Erre alkalmas a multiciklon.

17.4. PÉLDA

A határszemcse átmérője

Füstgázokat vezetünk el egy csatornában. Mekkora a lerakódó határszemcsék átmérője? Egy szemcse tartózkodási ideje a csatornában:

Egy szemcse ülepedési ideje:

A szemcse leülepedik, ha a tartózkodási idő hosszabb/ mint az ülepedés ideje: Az egyenlőségből meghatározhatjuk a határszemcse gyakorlati ülepedési sebességét a csatorna méreteiből (l, H) és az áramlási sebességből (v):

Ezután kiszámítjuk a lerakódó határszemcse átmérőjét. FELADAT Egy füstcsatorna hossza 15 m, magassága 2 m. A gáz lineáris sebessége 0,6 m/s, sűrűsége 0,8 kg/m3, viszkozitása 3 füstszemcsék sűrűsége 4 000 kg/m3. Mekkora a füstcsatornában leülepedő határszemcsék átmérője? MEGOLDÁS L = 15 m

= 0,8 kg/m3

H=2m

=3 242

A

= 4 000 kg/m3

v = 0,6 m/s (

)

√(

)

A gyakorlati ülepedési sebesség

A határszemcse átmérője: √(

)

√

A füstgáz áramból leülepedik a 16 μm átmérőjű szemcse és minden nagyobb átmérőjű (nehezebb) szemcse is. Ellenőrizze az ülepedés jellegét: az ülepedés lamináris.

17.5. PÉLDA

Ülepítés porkamrában

Egy porkamrában 80 mm belső átmérőjű csövön érkezik a poros levegő 5 m/s sebességgel. A téglalap alapú kamra hossza 2 500 mm szélessége 200 mm, magassága 600 mm. A levegő sűrűsége 1,29 kg/m3, viszkozitása 1,72 10-5 Pa s. A por sűrűsége 1 800 kg/m3. Számítsa ki a/ a levegő sebességét a porkamrában, b/ a levegő tartózkodási idejét a porkamrában, c/ a határszemcse gyakorlati ülepedési sebességét, d/ és a határszemcse átmérőjét. Ellenőrizze az ülepedés sebességét! MEGOLDÁS d = 80 mm = 0,08 m v1 = 5 m/s L = 2 500 mm = 2,5 m B = 200 mm = 0,2 m

H = 600 mm = 0,6 m

243

1. A levegő sebessége a kamrában

2. A levegő tartózkodási ideje a kamrában

3. A határszemcse gyakorlati ülepedési sebessége ⁄ ⁄ 4. A határszemcse átmérője

√ A porkamrában a leülepedő határszemcse átmérője 30

. Leülepedik minden ennél

nagyobb átmérőjű szemcse is. 5. Az ülepedés jellege:

17.6. PÉLDA

A porkamra méretezése

Milyen méretű porkamrát kell megépíteni, hogy a kiválasztott átmérőjű porszemcse leülepedjen a levegő adott térfogata mellett? Ki kell ülepíteni a 30

átmérőjű porszemcséket. A kamrába 86,4 m3 poros levegő

érkezik óránként. A kamra három fő mérete közül kettőt megválasztunk: a magassága 600 mm, szélessége 200 mm. Milyen hosszú kamrát kell megépíteni?

244

ADATOK d = 30

=3

m

qv = 86,4 m3/h = 0,024 m3/s H = 600 mm = 0,6m, B = 200 mm = 0,2 m = 1,2 kg/m3,

= 1,72

= 1 800 kg/m3 MEGOLDÁS Számítsa ki a/ az adott átmérőjű porszemcse (a határszemcse) ülepedési sebességét ⁄

b/ az ülepedés időtartamát, c/ a szemcse tartózkodási idejét, d/ a levegő (szemcse) áramlási sebességét a kamrában,

⁄

e/ a kamra hosszát a/ Az ülepedési sebesség:

b/ Az ülepedés időtartama: H/vü = 0,6 m/0,05 m/s = 12 s c/ A szemcse tartózkodási ideje: d/ A levegő áramlási sebessége a kamrában: ⁄

⁄

⁄

e/ A kamra hossza:

⁄

A 30 μm átmérőjű határszemcse kiülepítéséhez 0,024 m3/s térfogatáramú levegőből 2,4 m hosszú porkamra kell.

17.7. PÉLDA

Ülepítés Howard kamrában

Egy Howard kamrában 7 200 m3 füstgáz lép be óránként. A lemezek 20 járatot alakítanak ki. Egy járat hossza 6 m, szélessége 2 m, magassága 0,2 m. A füstgáz sűrűsége 1 kg/m3, viszkozitása 7,5

. A füstszemcsék sűrűsége 3 700 kg/m3. 245

Számítsa ki a/ az áramlási keresztmetszetet, b/ a füstgáz áramlási sebességét, c/ a gyakorlati ülepedési sebességet, d/ és a határszemcse átmérőjét! MEGOLDÁS q = 7 200 m3/h = 2 m3/s

= 1 kg/m3

L = 6 m, B = 2 m, h = 0,2 m,

= 7,5 = 3 700 kg/m3

z = 20 a/ Az áramlás keresztmetszetek: A = z B h = 20 2 0,2 = 8 m2 b/ A füstgáz áramlási sebessége:

c/ A gyakorlati ülepedési sebesség:

d/ A határszemcse átmérője: √(

17.8. PÉLDA

√

)

A Howard kamra lemezeinek távolsága

Egy Howard kamra hossza 4,2 m, szélessége 2,8 m, magassága 4,2 m. Óránként 1 800 m3 20 °C-os nyersgázt kell portalanítani. A gáz 425 °C-on lép be a kamrába, sűrűsége 0,5 kg/ m3, viszkozitása 3,4

az adott hőmérsékleten. A szilárd részecskék sűrűsége 4000

3

kg/ m . A porszemcsék szabálytalan alakja miatt az elméleti ülepedési sebesség felével kell számolni. Milyen távolságra kell elhelyezni a kamra lemezeit, hogy a 8 μm átmérőjű porszemcsék leülepedjenek a lemezek között? MEGOLDÁS L = 4,2 m

t1 = 20 °C = 293 K

= 0,5 kg/m3

B = 2,8 m

t2 = 425 °C = 698 K

= 3,4 246

H = 4,2 m

qv1 = 1 800 m3/h = 0,5 m3/s d = 8 μm = 8

= 4 000 kg/m3

m

Ki kell számítani a/ a gáz tartózkodási idejét a kamrában: ennyi idő van a porszemcsék leülepedésére két lemez között, b/ a porszemcsék ülepedési sebességét, c/ a szemcsék által megtett utat: út = idő sebesség. A megtett út = a lemezek távolsága. A határszemcse leülepedésének feltétele: tartózkodási idő (tt) = ülepedéi idő (tü) A tartózkodási idő

Az áramlási sebesség ⁄

⁄

A lemezek távolsága

Az ülepedési sebesség

a/ A gáz tartózkodási ideje a kamrában: A gáz térfogatárama 20 °C-on 0,5 m3/s, 425 °C-on:

⁄ A gáz áramlási sebessége a kamrában: ⁄ A gáz tartózkodási ideje a kamrában:

b/ A porszemcsék elméleti ülepedési sebessége: ( )

⁄

247

⁄

c/ A lemezek távolsága (a porszemcsék által megtett út): Az ülepedés ideje két lemez között:

Ellenőrizze az ülepedés jellegét:

17.9. PÉLDA

Ülepítés ciklonban

Egy ciklonban 5 400 m3 levegőt kell megtisztítani óránként a 30 μm jellemző méretű kristályoktól, amelyek ülepedési sebessége 0,11 m/s. A ciklon átmérője 1,2 m, a belépőcsonk 0,2 m

0,4 m. A levegő sűrűsége 1,02 kg/m3, viszkozitása 2,45

.

3

A kristályok sűrűsége 1 250 kg/m . A ciklon alkalmas az adott méretű kristályok leválasztására? Mekkora a nyomásesés a ciklonban, ha a nyomásveszteség tényező ξ = 2,5? MEGOLDÁS qv = 5 400 m3/h = 1,5 m3/s

D = 1,2 m

dk = 30 μm = 3

a = 0,4 m, b = 0,2 m

m

= 1,02 kg/m3

vü = 0,11 m/s = 1 250 kg/m3 √(

= 2,45

)

A levegő kerületi sebessége a ciklonban:

A ciklonban leülepedő határszemcse átmérője: √(

)

√

A ciklonban még leülepedik a 8,14 μm átmérőjű kristály is, ezért alkalmas a nagyobb (nehezebb), 30 μm méretű kristályok leválasztására. A nyomásesés a ciklonban:

248

17.10. PÉLDA

A porszűrő szűrési periódusa

Száraz port kell kiszűrni a levegőből szűrőszöveten. A porszemcsék átlagos átmérője 15 μm, a por koncentrációja 5 g/m3. A szűrőszövet ellenállás tényezője 8 300 leválasztott poré 2

, a

. A ventillátor maximum 5 000 Pa nyomáskülönbséget állítanak elő.

A levegő viszkozitása 18

Pa s.

Határozza meg a javasolt felületi gázterhelést a 17.2. ábra felhasználásával! Számítsa ki a szűrési periódus időtartamát! Akkor kell a szűrést befejezni és a szűrőközegből a port eltávolítani, ha a nyomásesés eléri a ventillátor által előállítható nyomáskülönbséget. ADATOK = 5 g/m3

Ksz = 8 300

d = 15 μm

η = 18

Kp = 2

MEGOLDÁS a/ A javasolt felületi gázterhelés a 16.2. ábrából wg = 118 m3/h m2 = 0,033 m3/s m2 A megfelelő áramlási sebesség: vg = 0,033 m/s b/ A nyomásesés A szűrővásznon bekövetkező nyomásesés: 8 300 A leválasztott poron bekövetkező nyomásesés:

2 A szűrési idő

249

Pa s

17.11. PÉLDA

Zsákos porszűrő méretezése

A zsákos szűrőre 10 000 m3 poros levegő érkezik óránként. A levegő porkoncentrációja 10 g/m3, sebessége 50 m/h. A szűrő megengedhető porterhelése 0,7 kg/m2. A zsákos szűrő átmérője 160 mm, hossza 3 520 mm. A szűrőszövet ellenállás tényezője 5 000

, a por ellenállás tényezője 2

.

Számítsa ki a/ a szűrő szükséges felületét, b/ a zsákok számát, c/ a nyomásesést és d/ a szűrési periódus időtartamát. ADATOK q = 10 000 m3/h

L = 3 520 mm = 3,52 m

10 g/m3 = 0,01 kg/m3

D = 160 mm = 0,16 m

wpsz = 0,7 kg/m2

Ksz = 5 000

vg = 50 m/h

Kp = 2

MEGOLDÁS a/ A szűrő szükséges felülete A térfogatáram egy adott keresztmetszeten (felületen): q = vgA ⁄ ⁄

b/ A zsákok száma Egy zsák felülete (egy henger felülete) A zsákok száma

c/ A nyomásesés Nyomásesés a szűrőszöveten: 5 000 Nyomásesés a porrétegen, ha elérjük a megengedhető porterhelést:

250

A nyomásesés A ventillátornak ezt a nyomáskülönbséget kell létrehozni. d/ A szűrési periódus A felületi porterhelés egy óra alatt: wp =

⁄

= 50 m/h

⁄

Mennyi idő alatt halmozódik fel a megengedhető porterhelés? ⁄ ⁄ A szűrőről 1,4 óránként kell a felhalmozódott port eltávolítani. 19. ábra Zsákos porszűrő

A. Poros levegő B. A tisztított levegő elszívása C. Sűrített levegő 1. Szűrőzsák 2. Tömlőmerevítő 3. Venturi-cső 4. Tömlőköteg-fal 5. Időrelé 6. Fúvóka 7. Manométer 8. Porgyűjtő kamra 9. Cellás adagoló

251

17.1. FELADAT Egy cementgyárban a levegő porterhelése 400 mg/m3. Az elszívó ventillátorok névleges teljesítménye 15 000 m3/h. A porleválasztó berendezés hatásfoka 99,9 %. Számítsa ki a/ a por leválasztóra érkező por tömegáramát (kg/h), b/ a kibocsátott por tömegét naponta, ha az üzem 24 órán át működik (me = 14,4 kg/d).

17.2. FELADAT Óránként 15 000 m3 poros levegőt kell megtisztítani egy ciklonban. A belépő levegő porterhelése 450 mg/m3, a kilépő levegőé 0,09 g/m3. A be- és a kilépő levegő térfogatárama egyenlő. Mekkora a ciklon hatásfoka? (η = 80 %)

17.3. FELADAT

A mintavétel a során poros levegőt szűrőpapíron szívjuk át egy szivattyúval. Az átszívott levegő térfogatáramát egy rotaméterrel mérjük. A mintavételt 24 órán át végezzük. Az átszívott levegő térfogatárama: qv1 = 0,6 m3/h A szűrőpapír tömege üresen: m1 = 0,0345 g mintavétel után: m2 = 0,0397 g Határozza meg a laboratórium levegőjének porterhelését! (3,61

g/ m3 = 361 μg/ m3)

17.4. FELADAT A munkahelyén néhány helyiségben por keletkezik. Az elszívott levegőből a port egy porkamrával választjuk le. Mekkora a leülepedő szemcse átmérője az adott kamrában? A kamra hossza 5 m, szélessége 2 m, magassága 3 m. A levegő térfogatárama 6 000 m3/h, sűrűsége 1,2 kg/m3, viszkozitása 1,8

Pa s. A por sűrűsége 2 500 kg/m3.

252

Számítsa ki: a/ a levegő áramlási sebességét a kamrában,

⁄

b/ a porszemcse tartózkodási idejét a kamrában,

⁄

c/ az ülepedési időt, d/ az ülepedési sebességet,

⁄

e/ a határszemcse átmérőjét (

)

17.5. FELADAT A poros munkahelyről elszívott levegőt Howard kamrában portalanítjuk. Mekkora a leülepedő határszemcse átmérője? A poros levegő térfogatárama 10 000 m3/h, sűrűsége 1 kg/m3, viszkozitása 7,5 Pa s. A por sűrűsége 3 700 kg/m3. A Howard kamrában a járatok száma 20, belső magassága egyenként 200 mm, hossza 5 m, szélessége 2 m. Számítsa ki a határszemcse ülepedési sebességét és átmérőjét! ADATOK ⁄

⁄

⁄ z = 20

⁄ H = 200 mm

L=5m

B=2m

Számítsa ki a/ az áramlási sebességet a lemezek között,

⁄

„A” a járatok keresztmetszete b/ a tartózkodási időt

⁄

c/ az ülepedési időt, d/ az ülepedési sebességet,

⁄

e/ a határszemcse átmérőjét!

253

A FELHASZNÁLT IRODALOM

1. Benedek Pál, Valkó Sándor: Víztisztítás-szennyvíztisztítás zsebkönyv Műszaki Könyvkiadó Budapest, 1990. 2. Horváth Imre: A szennyvíztisztítás és az iszapkezelés berendezései és számításai Budapesti Műszaki Egyetem, Mérnöktovábbképző intézet Budapest, 1992. 3. Környezettechnika példatár Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium Budapest, 2003. 4. Klaus Sattler: Termikus elválasztási módszerek példatára Műszaki Könyvkiadó Budapest, 1985.

Semmi sem igazán kezdet. Felhasználtam a Petrik tanárainak, Bertalan Zs., Csizmaz A., Uhlár Z., Szabó L., kollégáimnak különböző vizsgákhoz, versenyekhez készített számítási feladatainak egy részét is.

254

TARTALOMJEGYZÉK Előszó

2.

Bevezetés

4.

1. A műveleti számítások alapjai

7.

1.1. Elegyek és oldatok összetétele

7.

1.2. Térfogatáramok, tömegáramok

18.

1.3. Tömegmérlegek

21.

1.4. Hőmérlegek

23.

2. Ülepítés

25.

2.1. Fogalmak, összefüggések

26.

2.2. Homokfogók

29.

2.3. Ülepítők

36.

3. Szűrés

46.

3.1. Rácsok

47.

3.2. Sziták

52.

3.3. Nyomószűrők

56.

3.4. Vákuumszűrők

62.

3.5. Homokszűrők

67.

4. Centrifugálás

74.

4.1. Alapfogalmak, összefüggések

74.

5. Flotálás. Az olajcseppek felúsztatása

81.

5.1. Hosszanti átfolyású olajogó

82.

5.2. Lemezes olajfogó

86.

6. Folyadékok keverése

89.

6.1. Keverési index

90.

6.2. A keverő teljesítmény-felvétele

90.

6.3. Méretarányok

91.

6.4. A keverők kiválasztása

92.

6.5. Az ipari máretű keverők fordulatszáma

92.

7. Ioncsere

100.

255

7.1. Az ioncsere fogalma

101.

7.2. Az ioncserélő műgyanta kapacitása

102.

7.3. A kimerült gyantaoszlop regenerálása

103.

8. Adszorpció

108.

8.1. A gáz/szilárd rendszer fázisegyensúlya

109.

8.2. Adszorpciós entalpia

111.

8.3. Az adszorptívum és az adszorbens tömege

112.

8.4. A felszabaduló hőmennyiség

114.

8.5. Az adszorber méretezése

116.

9. Abszorpció

117.

9.1. Gázok oldhatósága folyadékokban

118.

Bunsen-féle abszorpciós együttható 9.2. Gáz/folyadékok rendszer egyensúlya

121.

Henry-törvény 10. Folyadék-folyadék extrakció

124.

10.1. Fogalmak

124.

10.2. Megoszlási hányados

127.

10.3. Extrakciós veszteség és nyereség

127.

10.4. Folyamatos extrakció

128.

10.5. Az extrakciós művelet grafikus analízise

129.

11. Semlegesítés

143.

11.1. Kémhatás: pH, pOH

143.

11.2. A savas szennyvizek semlegesítése

145.

12. Kémiai kicsapás

154.

12.1. A víz keménysége

154.

12.2. A víz lágyítása

155.

12.3. A foszfor kicsapása

156.

13. Oxidáció

168.

13.1. Klóros oxidáció

168.

13.2. Vas- és mangán eltávolítása vízből

169.

14. Biológiai műveletek

174.

14.1. Alapfogalmak, mennyiségek

174.

256

14.2. Eleveniszapos medence

178.

14.3. Csepegtetőtestes medence

185.

14.4. Merülőtárcsás berendezés

188.

14.5. Stabilizációs tavak

190.

14.6. A felszíni vizek oldott oxigéntartalma

194.

15. Az iszapok víztelenítése

200.

15.1. Az iszapok tulajdonságai

200.

15.2. Iszapszikkasztó ágyak

203.

15.3. Gravitációs sűrítők

205.

15.4. Flotációs sűrítők

207.

15.5. Gépi víztelenítők

209.

16. Szárítás

214.

16.1. A nedves anyag tulajdonságai

214.

16.2. A nedves levegő tulajdonságai

215.

16.3. A szárítás levegő- és hőigénye

216.

17. Gázok portalanítása

233.

17.1. Fogalmak, mennyiségek

233.

17.2. Porkamrák

234.

17.3. Ciklonok

237.

17.4. Porszűrők

238.

A felhasznált irodalom

254.

257