Průmyslové technologie III

Průmyslové technologie III Stroje a zařízení průmyslu

Miroslav Richter a Otakar Söhnel

2012

1

OBSAH 1. 2. 2.1 2.2 2.2.1 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 3. 3.1 3.2 3.3 4. 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 5. 6. 6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 6.4 6.5 7. 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 8. 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.2 8.2.1 8.2.2

Úvod Doprava Mechanické dopravníky tuhých látek Doprava kapalin Čerpadla Doprava a komprese plynů Kompresory Dmychadla Ventilátory Vývěvy Sklady Skladování tuhých látek Skladování kapalin Skladování plynů Drcení a mletí Rozpojování – drcení a mletí Princip rozpojování Zařízení pro rozpojování Zařízení pro hrubé drcení Zařízení pro střední a drobné drcení Zařízení pro jemné drcení a mletí Granulace Třídění Metody stanovení velikosti částic Základní metody třídění Ruční přebírka Mechanické třídění Mechanické třídiče Pneumatické třídění Hydraulické třídění Mísení a míchání Základní cíle Druhy míchání Mechanické míchání Cirkulační míchání Pneumatické míchání Čištění plynů – odprašování a odlučování kapek Fyzikální principy odlučování Gravitační síla Odstředivá síla Elektrostatická síla Difúzní jevy Koagulační jevy Filtrace Konstrukce a technické parametry odlučovačů Suché mechanické odlučovače prachu z plynů – cyklony Mokré mechanické odlučovače

2

8.2.3 Elektrostatické odlučovače 8.2.4 Textilní filtry 9. Filtrace a odstřeďování 9.1 Filtrace 9.1.1 Filtrace s příčným tokem 9.1.2 Filtrace průtočná 9.2 Odstřeďování 9.2.1 Filtrační odstředivky 9.2.2 Separační a sedimentační opdstředivky 10. Dělení složek plynné směsi (absorpce, adsorpce, membrány) 10.1 Absorpce 10.1.1 Podmínky absorpce 10.1.2 Zařízení pro absorpci 10.1.3 Základní uspořádání absorpční jednotky 10.2 Adsorpce 10.2.1 Podmínky adsorpce 10.2.2 Zařízení pro adsorpci 10.3 Dělení na membránách 10.4 Kryogenní dělení 11. Výměníky 11.1 Vedení tepla 11.2 Povrchové výměníky 11.3 Směšovací výměníky 11.4 Teplosměnná media 12. Sušení 12.1 Kinetika sušení teplem 12.2 Způsoby sušení teplem 12.3 Sušárny s přímým sušením 12.4 Sušárny s nepřímým sušením 13. Odpařování 13.1 Uspořádání odparek 13.2 Typy odparek 13.2.1 Odparky s cirkulací roztoku 13.2.2 Filmové odparky 14. Destilace a rektifikace 15. Krystalizace 15.1 Krystalizace z roztoku 15.1.1 Ochlazovací krystalizace 15.1.2 Odpařovací krystalizace 15.1.3 Vakuová krystalizace 15.2 Krystalizace z taveniny 16. Charakterizace a popis tuhých disperzních systémů 16.1 Distribuce velikosti částic 16.2 Střední veličiny distribuce 16.3 Distribuční funkce 17. Odhad ceny zařízení 18. Literatura

3

1.0 ÚVOD Skripta „Průmyslové technologie III, Stroje a zařízení průmyslu“ podávají přehled strojů a zařízení používaných v průmyslu, především v průmyslu chemickém a potravinářském, při těžbě a úpravě minerálních surovin, získávání, úpravě a čištění vod, dopravě látek tuhých, kapalných nebo plynných apod. Publikace uvádí základní chemicko-inženýrské operace, jako je filtrace krystalizace, odprašování aj. Důraz je kladen na princip funkce, konstrukci a možnosti daného zažízení. Uvedeny jsou jen základní typy aparátů a ne jejich mnohé konstrukční variace, které se však principem funkce neliší od základního typu. Tím se předložený studijní materiál odlišuje od standardních učebnic chemického inženýrství, kde hlavní pozornost je soustředěna na postupy výpočtu zařízení, na základě kterých je možno stanovit velikost tak, aby plnilo požadovanou funkci. Posluchačí FŽP, snad až na vzácné výjimky, nebudou postaveni před problém navrhnout typ a velikost konkrétního zařízení, které by vyhovělo požadovanému opatření směřujícímu k snížení zatížení životního prostředí průmyslovou činností. Od toho jsou inženýrské kanceláře sdružující profesionální konstruktéry a technology. Posluchači však musí mít představu o možnostech současné techniky, tedy co je ve skutečnosti technicky dosažitelné při zachování ekonomických parametrů dané výroby tak, aby byla udržena konkurenceschopnost průmyslu. Nejlepší a nejúčinnější opatření ekologického charakteru jsou taková, která ve svém důsledku přináší realizátorovi pozitivní efekty formou snížení výrobních nákladů, např. snížení nebo úplnou eliminaci poplatků za ukládání odpadů, znečišťování ovzduší a odpadních vod, nebo zvýšení výnosů ekonomickým zužitkováním odpadů z výroby Vžitá představa mnohých „ekologů“, že chemický průmysl vyrábí nejrůznější chemikálie pro své potěšení navzdory zdravému rozumu a znečišťování životního prostředí, je nejen mylná, ale naprosto zcestná. Chemický průmysl, jako každé odvětví podnikání, musí produkovat zisk a proto může vyrábět jen to, co nalezne uplatnění na trhu, tedy to, co konečný spotřebitel požaduje a potřebuje a za co je ochoten zaplatit. Pokud by lidstvo přestalo užívat nejrůznější desinfekční, mycí, čistící a prací prostředky, barvy, laky a nátěrové hmoty, úmělá vlákna, plasty a stavební hmoty, léky, vitamíny a nutriční připravky, oleje a pohonné hmoty, dopravní prostředky jako auta, vlaky, lodě a letadla, chladící zařízení, žárovky, výbojky, televizory, telefony, mobily, počítače atd., potom by průmysl materiály nutné k realizaci těchto potřeb přestal vyrábět a tím by přestal zatěžovat životní prostředí. Lidstvo však není ochotno se vzdát všech výše uvedených vymožeností civilizace a vrátit se o mnoho století zpět. Z toho důvodu tady průmysl je a bude a bude svou činností i nadále zatěžovat životní prostředí. Úkolem dneška a zejména budoucnosti, je omezit nepříznivý vliv průmyslové činnosti na minimum tak, aby bylo dosaženo trvale udržitelného rozvoje.

4

2. DOPRAVA Tato kapitola je zúžena na technologickou dopravu. Technologická doprava navazuje na vnější mezipodnikovou dopravu, meziobjektovou dopravu uvnitř areálů průmyslových podniků. Zajišťuje přísun surovin, polotovarů a pomocných látek z vykládacích míst do skladů a dále ze skladů do výroby. Dále zahrnuje dopravu polotovarů a pomocných látek mezi jednotlivými objekty, uvnitř objektů výroben (dílen) a mezi jednotlivými technologickými operacemi. Dále zajišťuje odsun hotových výrobků do skladů, do balících linek a na nakládací místa dopravních prostředků silničních, železničních nebo říčních. Doprava tuhých látek je technologicky nejkomplikovanější a tím i nejdražší v případě pevných sypkých surovin a materiálů, kusových zásilek, kusového materiálu a zboží baleného v krabicích nebo pytlích. S výhodou jsou v těchto případech pro uložení a dopravu využívány palety prosté nebo příhradové, kontejnery a big-bagy. Tím je docíleno snazší manipulace pomocí ručních, mechanických nebo automaticky řízených paletových vozíků a vysokozdvižných vozíků nebo zdvihacích zařízení, pro dopravu kusových zásilek bývají využívány válečkové tratě, ploché dopravní pásy, podvěsné lanové nebo řetězové dopravníky. Kontinuální doprava velkých objemů tekutin je zajišťována potrubními rozvody podzemními jsou dopravovány všechny druhy technologických vod a pitná voda, vody odpadní. Jsou vždy v nezámrzné hloubce, tj. 1,50 m pod povrchem, podzemními jsou dopravovány na velké vzdálenosti topné plyny (např. zemní plyn), ropa a motorová paliva, nadzemními na potrubních mostech je v areálech podniků dopravována např. vodní pára a parní kondenzát, technické a topné plyny, topné oleje, stlačený vzduch, meziprodukty (např. NH3, HNO3, H2SO4, H3PO4, roztoky nebo taveniny solí s doprovodným otopem aj.). Diskontinuální doprava menších objemů kapalin je zajištěna v železničních nebo automobilových cisternách, nádržových kontejnerech, demižonech, láhvích, ocelových nebo plastových sudech. Diskontinuální doprava menších množství stlačených nebo zkapalněných plynů je zajištěna v tlakových láhvích (jednotlivých nebo v kontejnerech), Dewarových nádobách, železničních nebo automobilových cisternách.

5

2.1 MECHANICKÉ DOPRAVNÍKY TUHÝCH LÁTEK 1 Pásové dopravníky – jsou používány pro horizontální a šikmou dopravu sypkých materiálů. Dopravníky jsou umístěny v ocelové konstrukci odkryté nebo zcela zakryté dle vlastností přepravovaného materiálu (prašnost, hygroskopičnost, lepivost). Pohon hnacího bubnu zajišťují elektromotory s redukcí otáček převodovou skříní, řemenicemi s klínovými řemeny nebo tzv. elektrobubny s vnitřní převodovou skříní se stálým převodem. Rychlost dopravního pásu je obvykle 1 – 2 m.s-1, šířka pásu je 500 – 2000 mm. Napínání pásů je zajištěno u krátkých pásů do délky cca 20m šroubovým posuvem vratného bubnu na konci pásového dopravníku, u delších pásů závažím na napínacím bubnu zavěšeném v napínací stanici pod konstrukcí dopravníku. Šířkou a rychlostí dopravního pásu je dán přepravní výkon. Sklon pásů musí být při šikmé dopravě cca o 10o menší, než odpovídá sypnému úhlu dopravovaného materiálu. Materiál volně leží na dopravním pásu s hladkým povrchem nebo s příčnými zarážkami. Během dopravy se nerozdrobí a méně práší. Na koncovém přesypu je dopravní pás čištěn od ulpívajícího nebo přilepeného materiálu pryžovými nebo kartáčovými stěrači.

1 4 2

3

4 5 3

Obr. 2.1 Schéma pásového dopravníku 1 - násypka materiálu, 2 – vratný a napínací buben, 3 – válečky podpírající pás, 4 – hnací buben, 5 – stěrač a výsyp materiálu

Obr. 2.2 Pásový dopravník

Dříve byly často používány i nákladní lanové dráhy. V používání zůstaly jen ve vertikálně členitém terénu, jinak byly nahrazeny převážně pásovými dopravami. 1

6

Výstavba pásových dopravníků je investičně náročná, ale provozní náklady jsou nízké, rovněž měrná spotřeba energie na dopravu (v kWh.t-1) je nízká proti dalším přepravním systémům. Obdobně jako pásové dopravníky jsou uspořádány válečkové tratě pro dopravu kusových zásilek na paletách, v bednách, kartonových obalech apod. Všechny válečky jsou poháněny řetězem. V praxi jsou používány tři základních systémů pásových dopravníků korýtkové transportéry s válečkovou tratí tvořenou dvěma nebo třemi válečky na jedné stolici, které skloněním směrem ke středu vytvoří z dopravního pásu korýtko. Stolice jsou od sebe vzdáleny cca 0,5 m. Na válečkové trati je umístěn zpravidla pryžový pás s textilní výztuží např. na bázi viskózových, polyesterových nebo polyamidových kordových vláken. Výjimečně je používána výztuž z ocelového pletiva a pásy na bázi polymerů (PVC, PP) nebo ocelové pásy (pro uhlí nebo horké substráty, např. popeloviny, cementový slínek). Korýtkové transportéry dopravují materiál jen v přímém směru na vzdálenosti desítek metrů až stovek metrů. Pokud se má směr dopravy změnit, musí se přesypem materiál nasypat na další navazující transportér vedoucí v žádaném směru. Přesypy bývají zdrojem prašnosti, proto se staví uzavřené, případně jsou odsávané do ventilačních systémů výroben vybavených odprašováním. Korýtkové transportéry jsou vhodné pro dopravu chladného materiálu s teplotou nepřesahující 100 oC, pokud jsou dopravní pásy z pryže nebo termoplastů. ploché transportéry – pás z pryže nebo termoplastů je umístěn na stolicích s jedním válečkem. Jsou vhodné pouze na velmi krátké vzdálenosti, hlavně u pásových dávkovačů. Bývají také používány jako součást pásových montážních linek ve např. strojírenství a elektrotechnice, dopravníků kusových zásilek nebo pytlů. Do skupiny plochých pásových transportérů lze zařadit pohyblivé chodníky používané v areálech letišť, výstavišť, obchodních domů aj. trubkové pásy – pryžový korýtkový transportér je po naplnění materiálem kladkami nebo válečky stočen do uzavřené trubky (hadice). Pryžový pás je plochý nebo s vylisovaným podélným zámkem po straně. Z trubkového dopravníku se materiál nerozpráší, dopravní trať může vést do oblouku bez potřeby přesypů. Na konci dopravní trasy se trubka dopravníku zpět rozvine do korýtkového dopravníku, ze kterého se materiál volně vysype na určené místo. Dopravní vzdálenosti jsou v desítkách až stovkách metrů. Šnekové dopravníky – v ocelové trubce kruhového průřezu nebo zakrytém ocelovém žlabu U-profilu je umístěna ocelové šnekovnice poháněná přes převodovou skříň elektromotorem (obr. 2.3, 2.4). Materiál je posunován šnekovnicí po dně žlabu. Šnekový dopravník bývá používán rovněž jako dávkovač – pak je krátký šnek umístěn na mechanické nebo tenzometrické váze a jeho otáčky jsou regulovatelné. Tím je měněno množství dávkovaného materiálu. Částice materiálu se ve šnekovém dopravníku vůči sobě neustále pohybují a vzájemně se odírají – materiál se do jisté míry rozmělňuje. Tím se může zvyšovat obsah prachu v dopravovaném materiálu. Dopravní vzdálenosti jsou cca do 10 m, výjimečně větší, neboť při delších vzdálenostech se musí šnekovnice zavěšovat na ložiska pro omezení průhybu hřídele.

7

Investiční náročnost je ve srovnání s pásovou dopravou vyšší, provozní náklady rovněž – větší množství energie se spotřebuje na překonání tření v dopravovaném materiálu. Výhodou je uzavřenost přepravního systému, která je důležitá pro minimalizaci ztrát a neznečištění dopravovaného materiálu. Lze takto dopravovat i horký materiál. Proto jsou šnekové dopravníky často používány v potravinářství a ve výrobách čistých materiálů, např. farmaceutickém průmyslu, výrobě čistých chemikálií apod.

3 1

2

4

5 Obr. 2.3 Schéma šnekového dopravníku 1 – elektromotor, 2 – převodová skříň, 3 - násypka materiálu, 4 – trubka nebo zakrytý žlab se šnekovnicí, 5 - výsyp materiálu

Obr. 2.4 Šnekový dopravník ( nebo dávkovač) Redlerové dopravníky – jsou tvořeny ocelovým žlabem, obvykle zakrytým (obr. 2.5). V něm se pohybuje vlečený ocelový řetěz s litinovými hrabicemi. Robustní konstrukce tato zařízení předurčuje do těžkých provozních podmínek a pro vysoké dopravní výkony. Často jsou redlery používány pro dopravu horkého materiálu s teplotou i kolem 300 oC, např. škváry. Pohon řetězu zajišťuje elektromotor s převodovou skříní. Redlerové dopravníky se běžně používají pro dopravu popelovin a škváry, lepivých materiálů (kalů) apod. Dopravní vzdálenosti nepřesahují několik desítek metrů. Řetěz s hrabicemi nebo korečky, tj. princip redleru, bývá součástí konstrukcí vyhrnovacích strojů ve skladech sypkých materiálů nebo je hlavním funkčním dílem korečkových rypadel.

8

Obr. 2.5 Redlerový dopravník a řetěz redleru s hrabicemi Vibrační dopravníky a třásadlové dopravníky - jsou tvořeny kovovým žlabem s mechanicky nebo elektromagneticky vyvozenými vibracemi (obr. 2.6). Materiál musí být nelepivý, lze ho dopravovat jak vodorovném směru tak i po mírně skloněné ploše vzhůru. Výhodou je kontakt materiálu s okolním vzduchem, což může přispět k jeho sušení. Dopravní vzdálenosti jsou omezeny několika desítkami metrů. Bývají používány v chemickém a potravinářském průmyslu, např. cukrovarech. Krátké vibrační dopravníky s celkovou délkou do 1 - 2 m bývají součástí dávkovačů materiálů do technologických zařízení, např. do drtičů a mlýnů, třídičů, rozkladných reaktorů, pecí, sušáren, chladičů rotačních nebo fluidních aj.

Obr. 2.6 Vibrační dopravník (dávkovač)

9

Plnící zařízení (dávkovače) – zajišťují rovnoměrné dávkování sypkých materiálů do dopravních linek – dopravních zařízení dříve uvedených konstrukcí. Tím brání přetěžování dopravních linek a omezují dopravní ztráty. Mají obvykle plnění shora nebo šikmo shora se spodním výsypem. Jsou používány pro odběr materiálu ze zásobníků, sil či skladů surovin a hydraulicky je uzavírají. To je důležité zejména u zásobníků pod odlučovači prachu např. typu cyklonů, filtrů a elektrostatických odlučovačů. K tomuto účelu jsou používány: Turniket – buben s otočnou hvězdicí na vodorovné hřídeli se vstupem materiálu shora a spodním výsypem (obr. 2.7). Volné prostory v hvězdici při otáčení zajišťují plynulé dávkování materiálu. Regulací otáček turniketu je měněn výkon dávkování. Turniket zároveň uzavírá prostor mezi vstupem a výstupem, čímž brání volnému vysypání materiálu a zároveň vzájemně hydraulicky odděluje prostory nad a pod turniketem.

Obr. 2.7 Turniketový podavač Šnekový dávkovač – je konstrukční obdobou šnekového dopravníku (viz dříve). Je tvořen vodorovnou ocelovou trubkou, v níž je umístěna šnekovnice. Regulací otáček šnekovnice je měněn výkon dávkování materiálu. Talířový nebo hvězdicový podavač - propeler – podavače jsou tvořeny talířem nebo hvězdicí otáčející se ve vodorné rovině. Podávají nebo vyhrnují sypký materiál od výsypu ze zásobníku nebo skladu do dopravní linky. Změnou otáček je měněn výkon podavače. Ejektor – štěrbinami definovaného průřezu je nasáván práškovitý materiál do rychle proudícího vzduchu. Změnou rychlosti proudění vzduchu je měněno množství přisávaného materiálu. Pneumatická doprava Při pneumatické dopravě je pohyb rozmělněného materiálu (často granulovaného nebo krystalického až práškovitého) v ocelovém, litinovém, skleněném i termoplastovém potrubí zprostředkován proudem vzduchu. Vzduch předává kinetickou energii částicím tuhého materiálu. Částice dopravovaného materiálu musí být pokud možno rozměrově homogenní. Jedná se o uzavřený dopravní systém, který minimalizuje ztráty do okolí rozprášením, ale také znečištění dopravovaného materiálu nečistotami z okolního ovzduší. Proto jsou

10

pneumatické dopravy často používány ve farmaceutickém, chemickém a potravinářském průmyslu a to jak ve skladovém hospodářství surovin a výrobků, tak i v technologických procesech (vykládací zařízení, sila obilnin, olejnin, mlýnské okruhy aj.). Dopravní vzdálenosti jsou od několika desítek metrů až na vzdálenosti několika set metrů i s převýšením až desítek metrů. Dopravní výkony dosahují až stovek t/hod. Jsou-li dopravovány tvrdé a abrasivní materiály, jsou používány pro výrobu potrubí či jen oblouků potrubí keramické hmoty nebo tavený čedič. Investičně a provozně je pneumatická doprava drahá. Vyšší náklady jsou vyváženy výhodami čistého dopravního systému s minimálními ztrátami často velmi drahého materiálu. V některých případech je k dopravě používán horký vzduch nebo spaliny zemního plynu. To umožňuje spojení dvou technologických operací - pneudopravy se současným sušením dopravovaného materiálu. Měrná spotřeba energie se pohybuje mezi 1 - 5 kWh/t materiálu, tj. více než u dopravy pásové. Zařízení pneumatické dopravy je možno podle fyzikálního principu rozdělit na několik druhů. Jedná se především o: fluidní pneumatickou dopravu - sem můžeme zařadit horizontální dopravu pneumatickými dopravními žlaby či fluidními dopravníky. Fluidní žlab je tvořen uzavřenou skříní čtvercového nebo obdélníkového průřezu s perforovaným dnem. Dopravní vzduch je přiváděn dnem pod vrstvu přepravovaného materiálu. Souběžně s dopravou tuhého materiálu může probíhat jeho sušení nebo chlazení dle teploty dopravního vzduchu. Mezi pneumatické systémy rovněž náleží provzdušňovací zařízení sil a jejich vykládku, pneumatická homogenizační zařízení a pneumatické separátory hrud a cizích těles. pneumatickou dopravu ve vznosu - to znamená dopravu na velké horizontální vzdálenosti a s poměrně značným převýšením, kterou můžeme dále dělit podle potřebného tlaku dopravního média na dopravu vysokotlakou, středotlakou a nízkotlakoupneumatickou dopravu speciální - např. dopravu v zátkách, dopravu těles, dopravu na vzduchovém polštáři. Jsou rozeznávány dva základní typy pneumatické dopravy ve vznosu: Podtlaková (sací) pneudoprava – celý dopravní systém pracuje za tlaku nižšího, než je tlak atmosférický. Dopravovaný materiál je nasáván sací jehlou upevněnou na volně pohyblivé vrapované hadici spojené s potrubím. Sací jehla umožňuje současné přisávání dopravního vzduchu do systému. Dopravovaný materiál je oddělován z dopravního vzduchu na odlučovačích typu sedimentačních komor, cyklónů nebo filtrů, či jejich kombinací. Jelikož uvedené konstrukční typy odlučovačů jsou schopny zachycovat s odlišnou účinností částice různé velikosti, zajišťuje systém odlučovačů pneumatické třídění dopravovaného materiálu. Tento systém spojení pneumatické dopravy a pneumatického třídění je běžný v silech obilnin a olejnin. Pohyb dopravního vzduchu v systému je zajištěn vícestupňovými radiálními ventilátory (viz dále). Podtlaková sací pneumatická doprava je v principu shodná s vysavači prachu používanými např. v domácnostech, ale také s průmyslovými vysavači používanými pro úklid vozovek, ulic, provozních hal v průmyslu, nádražích aj.

11

Přetlaková pneudoprava (tlačná - vysokotlaká, středotlaká a nízkotlaká) – dopravní systém pracuje za tlaku vyššího, než je tlak atmosférický, obvykle do 1 MPa. Rozmělněný materiál je dávkován turniketovým podavačem z násypky do potrubí, jímž proudí stlačený vzduch dodávaný kompresorem. Turniketový podavač zároveň odděluje atmosféru od tlakového systému. Vícestupňové odloučení dopravovaného materiálu z proudu vzduchu je shodné jako u dopravy sací. Kombinovaná pneumatická doprava uplatňuje oba dříve uvedené systémy. Hydraulická doprava Hydraulická doprava využívá k dopravě tuhého materiálu proudu vody ve skloněném žlabu nebo potrubí s využitím gravitační síly – samotížného toku. Suspenze také bývají čerpány odstředivými, peristaltickými nebo membránovými čerpadly za zvýšeného tlaku v potrubí. Hydraulické dopravní systémy jsou investičně i provozně drahé, ale s výhodou jsou používány tam, kde vlhkost neuškodí dopravovanému materiálu, materiál je třeba ochladit, potlačit nebo odstranit jeho prašnost, případně zápach. Hydraulická doprava může být současně technologickou operací – praním nebo tříděním materiálu. S výhodou je používána pro dopravu např. fekálií aj. tuhých odpadů kanalizačními sítěmi z území obcí do čistíren odpadních vod, dále řepy ze skládek k dalšímu zpracování v cukrovarech, škváry a popelovin z energetických výroben na odkaliště, kalů z čistíren odpadních vod do kalových jímek, uhlí a rud v úpravnách. Vertikální doprava sypkých materiálů Korečkové elevátory Korečkové elevátory zajišťují vertikální nebo šikmou dopravu sypkých materiálů směrem vzhůru (obr. 2.8). Používány jsou zejména pro materiály s nízkým sypným úhlem a dopravu materiálu do výšky až několika desítek metrů ve stísněných prostorách. Malý zastavěný prostor je velkou výhodou proti např. pásovým nebo šnekovým dopravníkům, což je cenné v uzavřených průmyslových stavebních objektech. Výhodou konstrukce elevátoru je také úplné uzavření skříně – ocelové šachty elevátoru, což potlačuje ztráty a snižuje prašnost v objektech výroben nebo skladů. Materiál je dopravován v korečcích – ocelových vaničkách (kapsách). Korečky jsou přišroubovány na dvou paralelních článkových řetězech nebo pásu (pryžovém, textilním nebo termoplastovém). Pohon je zajišťován elektromotory s převodovou skříní. 1

6 2

12

6

3

5

4 5

Obr. 2.8 Schéma a snímek korečkového elevátoru 1 – řetězové kolo spojené s pohonem (elektromotor s převodovou skříní), 2 – korečky, 3 – řetěz nebo pás, 4 – řetězové kolo napínací stanice se závažím, 5 – směr vstupu materiálu, 6 - směr výsypu materiálu

Ocelové korečkové elevátory jsou vhodné pro dopravu práškovitého nebo zrnitého sypkého a nelepivého i velmi horkého materiálu s teplotou až 300 oC. Používány jsou běžně v průmyslu stavebních hmot, chemickém a potravinářském průmyslu např. pro dopravu granulátů ze sušáren, kalcinátů nebo předchlazených cementářských slínků. Princip korečkového dopravníku je také užit v konstrukci korečkových rypadel používaných v povrchových lomech, plovoucích bagrů na čištění koryt řek nebo těžbu písku. Jsou rozeznávány následující základní typy elevátorů: rychloběžné s odstředivým vyprazdňováním korečků – materiál je z korečků vyhazován odstředivou silou směrem do výstupního skluzu materiálu, pomaluběžné s gravitačním vyprazdňováním korečků – materiál je z korečků vysypáván za horní kladkou na smyčce jen působením gravitační síly. Rychloběžné elevátory mají proti elevátorům pomaluběžným vyšší výkon při shodném zastavěném prostoru. Bývají ale poruchovější hlavně díky vyššímu opotřebení všech mechanicky namáhaných konstrukčních dílů. Skluzy a přesypy Pomocí skluzů a přesypů je zajištěn svod sypkých materiálů v technologických linkách ze zařízení umístěných ve vyšších podlažích směrem dolů. Jsou vyrobeny zpravidla z ocelového potrubí s kruhovým nebo obdélníkovým průřezem. Tyto dopravní cesty jsou obvykle odsávány ventilátory společně s technologickým zařízením. Prach je odlučován v odprašovacích zařízeních, obvykle je užita kombinace cyklonů a filtrů. Podtlakem v systému je zajištěno snížení ztrát a omezení prašnosti v prostoru výroben. Otevřené skluzy v kombinaci s plochými pásovými dopravníky jsou také používány na balené zboží, např. v papírových nebo polyetylénových pytlích či krabicích. Zajišťují rovněž dopravu z vyšších podlaží do skladů nebo k nakládacím - expedičním místům výrobků.

13

Skluzy balených výrobků bývají vyloženy deskami z termoplastů, což je výhodné pro snížení rizika poškození obalů. 2.2 DOPRAVA KAPALIN Oblast průmyslu, energetiky, dopravy, služeb, bydlení aj. se neobejdou bez zařízení na dopravu tekutin. Největší objemy tekutin na vzdálenosti desítek metrů až tisíců kilometrů jsou dopravovány zejména ve vodárenství, plynárenství, těžbě a dopravě ropy, dopravě ropných produktů, klimatizačních a ventilačních zařízení. V technologických zařízeních uvedených oborů bývají dopravovány řádově až 107 m3.hod-1 tekutin. To je spojeno se značnou spotřebou materiálů pro výrobu příslušných zařízení (potrubí, armatur a čerpadel, kompresorů, dmychadel, ventilátorů nebo jiných strojů pro dopravu tekutin) a zejména s velkou spotřebou energií pro jejich pohony. Zařízení pro dopravu tekutin, tj. plynů a kapalin, dodávají tekutinám energii pro hrazení ztrát způsobených jejich viskozitou (vnitřním třením), překonání výškových rozdílů, umožnění dopravy tekutin do prostor s vyšším tlakem, krytí místních a inerciálních ztrát v potrubních rozvodech. Vyšší příkon energie umožňuje zvýšení průtoku tekutin, tj. přepravní kapacity potrubních rozvodů. Objemové průtoky a pracovní tlaky, účinnost transformace mechanické energie v energii proudících tekutin a měrná spotřeba energie na jejich dopravu náleží k rozhodujícím parametrům zařízení pro dopravu tekutin. 2.2.1 Čerpadla V praxi je velká část kapalin s výhodou dopravována čerpadly včetně zkapalněných plynů. Ty zaujímají cca o tři řády menší objem než v plynném skupenství za normální teploty a tlaku, což je pro dopravu a skladování velmi výhodné. Z hlediska čerpací techniky jsou rozlišovány tři základní skupiny kapalin voda, neagresivní kapaliny a suspenze (např. potravinářské suroviny a výrobky), agresivní kapaliny a suspenze (např. minerální kyseliny a hydroxidy, roztoky a suspenze solí, taveniny solí a kovů), těkavé kapaliny a hořlaviny (např. motorová paliva a organická rozpouštědla, zkapalněné technické plyny). d II hV 1 hS

2 a

Obr. 2.9

c b

I Základní schéma systému dopravy kapalin s čerpadlem

14

3

1 – dolní zásobník čerpané kapaliny, 2 – čerpadlo, 3 – horní zásobník čerpané kapaliny, hS – sací výška čerpadla (zde je záporná), hV – výtlačná výška čerpadla,

H = L = lEKV I a II

hS + hV - geometrická (dopravní) výška čerpadla a + b + c + d - odpovídá geometrické délce potrubí, - tvoří zdroje místních ztrát - vstup do potrubí, 2 kolena 90o a výtok z potrubí - průřezy zvolené pro energetickou bilanci (viz dále)

Bilanci energie v systému dopravy kapaliny s čerpadlem popisuje Bernoulliho rovnice v upraveném tvaru: v12 p1 v22 p2 -------- + g hS + -------- = --------- + g hV + ------- + EZ + EČ (2.1) 2 2 1 2 V potrubí s čerpadlem je prakticky vždy turbulentní proudění, proto se korekční člen = 1,0. Indexy 1 se vztahují k průřezu I, tj. výstupu potrubí z dolní nádrže na sání čerpadla, indexy 2 se vztahují k průřezu II na výtlačném potrubí při vstupu do horní nádrže. v1 je střední rychlost proudění v sacím potrubí, v2 je rychlost proudění ve výtlačném potrubí, g je gravitační zrychlení, hS je sací výška, hV je výtlačná výška čerpadla, p1 je celkový tlak kapaliny v potrubí na sání čerpadla z dolní nádrže, p2 je tlak kapaliny v potrubí v ústí do horní nádrže, EČ je měrný příkon energie dodávaný kapalině čerpadlem, EZ je ztrátová energie v úseku potrubí mezi průřezy I a II způsobená vnitřním třením (viskozitou). Ztrátová energie je přímo úměrná ekvivalentní délce LEKV , která je součtem délek přímých úseků potrubí a všech ekvivalentních délek armatur lEKV . Do Bernouliho rovnice je potom za d dosazen průměr potrubí a za délku potrubí je dosazena ekvivalentní délka LEKV pZ v2 LEKV EZ = ------------ = ----------------(2.2) d Součinitel (koeficient) tření je závislý na charakteru proudění. Pro turbulentní oblast proudění, kdy je Re v rozmezí 105 – 108, platí rovnice Nikuradzeho 0,221 = 0,0032 + --------------Re0,25

(2.3)

Sací výška čerpadel je závislá na hustotě čerpané kapaliny, střední rychlosti proudící kapaliny, tlakových ztrátách a teplotě kapaliny. S rostoucí teplotou roste parciální tlak par kapaliny a desorbují plyny v kapalině rozpuštěné. To má za následek snížení sací výšky – kapalina v sání v krajním případě může vřít a sací potrubí je zaplněno pouze parami a desorbovanými plyny, čerpání kapaliny je tak znemožněno. Přitom dochází k jevu zvanému kavitace – tj. stav, kdy se kapalina odtrhne od např. lopatek odstředivého čerpadla nebo pístu čerpadla pístového. Účinnost čerpadla a výkon prudce klesají, v čerpadlech vznikají tlakové rázy, které mohou vážně poškodit skříň a pracovní plochy čerpadla. Kavitaci lze předejít minimalizací tlakových ztrát v sacím potrubí (volí se větší průměr sacího potrubí, než je u výtlačného potrubí), teplota čerpané kapaliny musí být pokud možno co nejnižší. Pro čerpání horkých kapalin je volena nulová či záporná sací výška - sání čerpadla je umístěno pod úrovní hladiny čerpané kapaliny. 15

Objemová čerpadla Objemová čerpadla se vyznačují tím, že nasávají do pracovního prostoru definovaný objem kapaliny. Kapalina je vytlačována z pracovního prostoru pístem nebo membránou. Sací a výtlačné potrubí je uzavíráno ventily různých konstrukcí, které brání zpětnému toku kapalin. Objemová čerpadla jsou velmi často používána pro dávkování kapalin do technologických procesů. Objem dopravované a dávkované kapaliny lze snadno měnit změnou zdvihu pístů a počtem otáček motoru pohonu. U dvou a víceválcových čerpadel je nastavením zdvihu regulovatelný poměr dávkovaných kapalin.

Obr. 2.10 Konstrukce ventilů I – kuličkový ventil – 1 – pouzdro, 2 – ventil, 3 – víko ventilové komory, II – zpětná klapka, 1 – víčko, 2 – sedlo

Pístová čerpadla Pracovním prostorem pístových čerpadel je válcová komora, v níž se pohybuje píst. Jsou rozlišována čerpadla jednočinná, kdy je kapalina nasávána přes sací ventil jen z jedné strany pístu, a čerpadla dvojčinná, kdy je čerpaná kapalina střídavě nasávána a vytlačována z obou stran pístu. Z hlediska počtu válců jsou rozlišována čerpadla jedno a víceválcová. Pokud má píst těsnící kroužky umístěny ve stěně pístu a zcela vyplňuje prostor válce, jedná se o klasické pístové čerpadlo. Pokud jsou těsnící kroužky - ucpávky umístěny pevně ve dnu válce a píst nevyplňuje celý průřez pracovní prostoru válce, jedná se o konstrukci tzv. plunžrového pístového čerpadla. Na válci jsou zpravidla kuličkové sací a výtlačné ventily. Tento typ čerpadel je vždy jednočinný. Podle počtu válců jsou opět rozlišována jedno a víceválcová plunžrová čerpadla. Písty jsou vyrobeny z oceli nebo keramiky. Tato čerpadla jsou používána pro extrémně vysoké tlaky dopravovaných kapalin - až stovky MPa. Užívána jsou pro dávkování kapalin do vysokotlakých chemických reaktorů, vysokotlaká čistící zařízení, řezání betonu, zařízení pro řezání kovů apod. Účinnost přeměny energie mechanické v energii čerpané tekutiny dosahuje u pístových čerpadel hodnot kolem 95 %, objemová účinnost, tj. objem skutečně vytlačené kapaliny proti teoretickému objemu dosahuje hodnot kolem 98 %.

16

4

4

2

3 2

1

1

Obr. 2.11 Konstrukce jedno a dvojčinného pístového čerpadla 1 – sací potrubí se sacími ventily, 2 – válec, 3 – pístní tyč s pístem a těsnícími kroužky, 4 – výtlačné ventily

Obr. 2.12 Schéma konstrukce jednoválcového plunžrového čerpadla

17

Obr. 2.13 Řez konstrukcí vysokotlakého tříválcového plunžrového čerpadla Membránová čerpadla Membránová čerpadla mají v pracovní komoře umístěnu pružnou membránu obvykle kruhového průřezu z ocelového plechu, technické pryže nebo termoplastu. Jejím průhybem je měněn objem pracovní komory a tím objem nasávané a vytlačované kapaliny. Průhyb membrány zajišťuje obvykle táhlo mechanicky vychylující membránu. Pohyb táhla zajišťuje excentr poháněný elektromotorem nebo elektromagnet. Membránová čerpadla jsou vhodná pro čerpání malých objemů čistých mechanicky neznečištěných kapalin (cca litry až stovky litrů za hodinu) pod tlakem přibližně do 0,5 MPa. Často bývají používána pro dávkování kapalin, podobně jako čerpadla pístová a plunžrová. Běžně jsou používána pro čerpání benzinu do karburátorů a vstřikovacích trysek zážehových spalovacích motorů. Materiálové provedení je podřízeno pracovnímu tlaku a chemickým vlastnostem čerpaných kapalin. Skříň pracovní komory bývá vyrobena z oceli, hliníku, ale i z termoplastů.

18

2 1

3

5 4 Obr. 2.14 Membránová čerpadla 1 – skříň pracovní komory čerpadla s membránou, 2 – kuličkový sací ventil, 3 – táhlo zajišťující průhyb membrány, 4 – kuličkový výtlačný ventil, 5 – membrána,

Odstředivá čerpadla V odstředivém čerpadle je energie čerpané kapalině dodávána oběžným kolem – kruhovým diskem s lopatkami. Lopatky na oběžném kole jsou zakřivené směrem dozadu vzhledem ke směru otáčení. Z hlediska dodávky energie kapalině je toto uspořádání nevýhodné, ale jsou podstatně nižší hydraulické ztráty v čerpadle – dosahuje se vyšší energetické účinnosti čerpadla. Oběžné kolo je umístěno na hřídeli ve spirálové skříni. Spirálová skříň má sací hrdlo umístěno axiálně v ose hřídele. Osa výtlačného hrdla je umístěna ve směru radiálním na obvodu spirálové skříně. Oběžná kola jsou konstruována jako otevřená nebo uzavřená (prostor lopatek oběžného kola je uzavřený mezikružím). Oběžné kolo – kruhový disk s prohnutými lopatkami - má běžně 1500 – 3000 ot. min-1, např. dle použitého elektromotoru pro pohon. Tím v něm vzniká odstředivá síla, která v ose hřídele vytváří podtlak a na obvodu oběžného kola naopak přetlak. Velikost odstředivé síly lze změnit průměrem oběžného kola nebo počtem jeho otáček. Lopatky odstředivého kola kapalině udílejí velké zrychlení. Tak v oběžném kole získává kapalina vysokou kinetickou energii. Na obvodu z oběžného kola kapalina vytéká do spirálové skříně, kde klesá její kinetická energie a úměrně vzrůstá energie tlaková v souladu s Bernoulliho rovnicí. Odstředivá čerpadla jsou konstruována jako jednostupňová, tj. s jedním oběžným kolem, kdy tlak ve výtlaku zpravidla nepřesahuje 1 MPa. Vícestupňová odstředivá čerpadla s několika oběžnými koly řazenými v sérii za sebou dodávají čerpané kapalině více energie a dovolují zvýšit výtlačný tlak až na desítky MPa. Průměr a výška lopatek oběžných kol rozhodují spolu s otáčkami také o objemech čerpaných kapalin. Ty se podle konstrukce oběžných kol a spirálových skříní mění v rozsahu od mililitrů až do tisíců litrů za sekundu. Prostor oběžného kola a spirálové skříně, kde je čerpaná kapalina, je od okolí oddělen. Je-li oddělen mechanicky ucpávkou z vláknitých materiálů nebo těsnícími kroužky s pružinami, pak je hovořeno u čerpadlech s ucpávkou. Je-li pracovní prostor od okolí oddělen hydraulicky 19

pomocným oběžným kolem většího průměru s delšími lopatkami, než je průměr pracovního oběžného kola, jedná se o tzv. bezucpávková čerpadla. Je-li hřídel čerpadla umístěn v horizontální rovině, jedná se o čerpadla horizontální. Je-li hřídel umístěn svisle, jedná se o čerpadla vertikální. V konstrukci oběžného kola a spirálové skříně není zásadní rozdíl, podstatný je jen způsob montáže a připojení na potrubí. Celková účinnost odstředivých čerpadel, jako součin účinnosti mechanické a hydraulické, je o 10 – 15 % nižší než u čerpadel pístových, prakticky vždy je pod 90 %. Odstředivá čerpadla mají řadu konstrukčních a praktických výhod: malý počet pohyblivých součástí náchylných k poruchovosti, jednoduchou konstrukci, snadnou montáž, opravy a demontáž, relativně snadnou vyrobitelnost všech dílů z kovů, skla, keramiky nebo termoplastů, možnost čerpání mechanicky znečištěných kapalin možnost čerpání kapalin agresivních z hlediska korozních a abrasívních účinků, nízké investiční a provozní náklady. To odstředivá čerpadla předurčuje k nejširšímu použití v technologické praxi – jsou vůbec nejrozšířenějším typem čerpadel pro dopravu vody, vodných roztoků, tavenin a kapalných ropných látek. Jsou schopna čerpat i agresivní kapaliny s obsahem mechanických nečistot. Proto jsou používána pro čerpání kapalin v průmyslu chemickém a papírenském, úpravárenství rud, těžebním průmyslu, průmyslu potravinářském, strojírenském, farmaceutickém aj., ve vodárenství a čistírnách odpadních vod aj. aplikacích. Pohon odstředivých čerpadel zajišťují nejčastěji elektromotory, spalovací motory, parní nebo spalovací turbíny.

20

Obr. Řez jednostupňovým odstředivým čerpadlemčerpadlem s uzavřeným oběžným kolem Obr. 2.15 Řez jednostupňovým odstředivým s uzavřeným oběžným kolem 1 – oběžné kolo, 2 – spirála, 3, 7, 8 – těsnící kruh, 4 – ploché těsnění, 5 – víko čerpadla, lucerna,3,7,8 9 – ložisková konzola, 10 – ložisko, víkočerpadla, ložiska,612 – 1 - oběžné kolo,62 –- spirála, - těsnící kruh, 4 - ploché těsnění, 511– –víko – lucerna, 9 – ložisková konzola, 10 – ložisko, 11 –14 víko ložiska,15, 12 –20odstřikovací kroužek, 16 13 – hřídel, odstřikovací kroužek, 13 – hřídel, – matice, - pojistná podložka, pero, 14 – matice,17, 15,20 pojistnákroužky, podložka, – pero,21 17,18 – pojistné kroužky, 19 – matice, 18 - –pojistné 19 16 – matice, – opěrný kroužek, 22 – těsnění hřídele,2123– –opěrný kroužek, 22 – těsnění hřídele, 23 – ochranné pouzdro, 24 – patka konzoly ucpávky, 25 – ochranné pouzdro, 24 – patka konzoly provazcové těsnění, 26 – ucpávkový kroužek, 27 – zahlcovaní kroužek, 28 – ucpávková příruba, Ucpávky: 25 – provazcové těsnění, 26 – ucpávkový kroužek, 27 – zahlcovaní 29 – m,echanická ucpávka, 30 28 – těsnění mechanické ucpávky, – doplňovačucpávka, oleje, 32 kroužek, – ucpávková příruba, 29 –31mechanická 30- zátka – těsnění mech. Ucpávky, 31 – doplňovač oleje, 32 - zátka

Závislost pracovní výšky odstředivého čerpadla H (m) na objemovém průtoku čerpané kapaliny V (m3.s-1) pro určitý počet otáček oběžného kola n (ot.min-1) je tzv. univerzální charakteristika čerpadla. Je využívána k volbě typu čerpadla dle potřebného objemu a tlaku čerpané kapaliny. Pro určitý typ čerpadla se křivka v případě vyšších otáček posunuje směrem nahoru k vyšším výtlačným výškám, při nižších otáčkách naopak. Její tvar se při změně otáček příliš nemění. Při návrhu vhodného typu čerpadla je nutná také znalost charakteristiky potrubí, na které bude čerpadlo připojeno. Charakteristika potrubí (4) na obr. 2.16 uvádí závislost ztrátové výšky hz na objemovém průtoku kapaliny potrubím.

21

(3) H (m)

(2) (1)

n = 1500 Hp

(4) hz

n = 1250 n = 1000

hg V (m3.s-1) Obr. 2.16. Univerzální charakteristika odstředivého čerpadla H - pracovní výška čerpadla, n - otáčky čerpadla, (1,2,3) - charakteristika čerpadla, (4) - charakteristika potrubí, hg - geometrická výška potrubí, hz - ztrátová výška potrubí

Průsečíky křivky charakteristiky potrubí a křivek charakteristiky (pracovní čáry) čerpadla určují objemový průtok a nezbytnou pracovní výšku čerpadla - Hp = hz + hg .

Obr. 2.17. Vícestupňové odstředivé čerpadlo s pohonem

22

Šneková čerpadla Princip funkce šnekového čerpadla je znám a využíván od antických dob (Archimédův šroub). Ve šnekových čerpadlech je energie čerpané kapalině předávána otáčejícím se šnekem (obr. 2.18, 2.19). Průměr šneku bývá cca 500 – 1000 mm i více. Šnek je tvořen ocelovou hřídelí s navařenou spirálou – šnekovnicí z ocelového plechu. Dopravní šnek je umístěn v otevřeném ocelovém žlabu nebo trubce se sklonem 30 - 45o. Dopravní výška šnekových čerpadel zpravidla nepřesahuje 20 m, objemový průtok může být dle konstrukce až v tisících m3.hod.-1. Hydraulická účinnost přesahuje 95 %. Je omezena přesností výroby a montáže celého čerpadla – šíří štěrbiny mezi žlabem a šnekovnicí. Energetická účinnost zpravidla nepřesahuje 90 %. Šneková čerpadla jsou určena k čerpání velkých objemů vody i silně znečištěné mechanickými nečistotami. Používána jsou pro čerpání odpadních vod z kanalizačních stok do čistíren odpadních vod, vody ze zavlažovacích kanálů na obdělávané pozemky (např. rýžoviště)‚ k odvodňování zamokřených pozemků nebo proláklin (např. z poldrů v Nizozemsku). Pohon nyní zajišťují elektromotory přes převodové skříně. Dříve se k pohonu používalo lidské síly, tažných zvířat, vodní nebo větrné energie.

Obr. 2.18 Schéma šnekového čerpadla

23

Obr. 2.19 Šneková čerpadla na ČOV Vřetenová čerpadla Vřetenová čerpadla jsou tvořena skříní kruhového nebo oválného průřezu, v níž je umístěno jedno, dvě nebo tři rotující vřetena poháněná přímo elektromotorem nebo přes převodovou skříň. Energii čerpané kapalině dodávají rotující vřetena. Jsou určitou obdobou šnekových čerpadel. Vřetena i skříň jsou vyrobeny z oceli. Konstrukce je náročná na přesnost výroby, životnost závisí hlavně na kvalitě použitých materiálů. Trubka jednovřetenových čerpadel určených k čerpání pastovitých látek nebo koncentrovaných suspenzí bývá vyložena technickou pryží těsnící prostor mezi stěnou trubky a vřetenem. Celková účinnost vřetenových čerpadel nepřesahuje 90 %. Dopravní tlaky jsou obvykle do deseti MPa, objemové průtoky bývají až v desítkách litrů za sekundu. Vřetenová čerpadla jsou určena k dopravě viskózních kapalin, např. těžkých topných olejů, ale také pastovitých látek nebo koncentrovaných jemných suspenzí relativně měkkých látek. Bývají součástí výrobních linek v chemickém, potravinářském, kosmetickém nebo farmaceutickém průmyslu. Zubová čerpadla a čerpadla s rotujícími písty Zubová čerpadla a čerpadla s rotujícími písty jsou tvořena oválnou skříní se dvěma ozubenými koly nebo dvěma tzv. rotujícími písty. Skříň je uzavřena z obou stran víky, která utěsňují pracovní prostor. Skříň a pracovní kola jsou vyrobena z oceli, v případě zubových čerpadel lze všechny díly vyrobit z termoplastů. Výroba je vždy náročná na přesnost obrobků a montáž, zejména u čerpadel s rotujícími písty. Pohon čerpadel zajišťují elektromotory přímo bez převodových skříní.

24

Celková účinnost těchto typů čerpadel se pohybuje kolem 90 %. Objemový průtok kapalin bývá na úrovni litrů za sekundu, pracovní tlak dosahuje běžně 1,0 - 1,5 MPa. Zubová čerpadla a čerpadla s rotujícími písty jsou určena pro dopravu čistých kapalin bez mechanických nečistot. Nejčastěji jsou používána v uzavřených okruzích pro dopravu mazacích, chladících, a těsnících olejů v motorech, převodových skříních pohonů, turbínách, rotačních kompresorech apod. Běžně jsou součástí mazacích okruhů spalovacích motorů všech typů., kde jsou na výtlaku čerpadel svíčkové filtry. Také jsou užívána pro čerpání topných olejů i pro čerpání vody do ostřikovačů skel a reflektorů automobilů aj. dopravních prostředků.

Obr. 2.20 Zubové čerpadlo 1 – skříň čerpadla, 2, 3 – ozubená kola, 4 – sací hrdlo, 5 – výtlačné hrdlo

Hadicová a peristaltická čerpadla Hadicová a peristaltická čerpadla jsou tvořena kruhovou skříní, kde je cca po polovině vnitřního obvodu umístěna hadice. Na centrální hřídeli jsou umístěny zpravidla dvě kladky, které hadici stlačují a tím zužují její vnitřní průřez. Pohybem kladek je kapalina před kladkami vytlačována z hadice a po uvolnění stlačení za kladkou je do hadice nasávána čerpaná kapalina. Princip čerpání je analogií peristaltickým stahům střevních stěn. Sací a výtlačná hrdla jsou vůči kruhové skříni umístěna tečně. Kruhová skříň s hrdly a čelními víky je vyrobena z kovů nebo plastů, hadice je vyrobena z technické pryže nebo měkčených plastů. Objemový průtok kapalin je v ml až litrech za minutu, výtlačný tlak nepřesahuje zpravidla 1 MPa. Hadicová a peristaltická čerpadla jsou používána pro čerpání malých objemů kapalin nebo suspenzí. Jsou vhodná pro čerpání viskózních kapalin nebo suspenzí i pastovitých látek. Často jsou používána i jako čerpadla dávkovací, hlavně u laboratorní techniky, např. kapalinových chromatografů, isotachoforetických analyzátorů aj. přístrojů. Jsou rovněž důležitou součástí mimotělních nucených krevních oběhů.

25

1

2

3

Obr.:

Hadicové (peristaltické) čerpadlo 1 – sací hrdlo, 2 – skříň s rotorem a kladkami, 3

Obr. 2.21 – výtlačné hrdlo Hadicové čerpadlo

Ostatní typy čerpadel (injektory, monžíky, trkače, mamutky) Injektory a ejektory, proudová čerpadla - jsou využívána pro čerpání kapalin zpravidla pomocí proudu dopravní tekutiny - tlakové vody nebo páry (injektory – vytlačují kapalinu, ejektory – nasávají kapalinu) proudící potrubím se zmenšeným průřezem. Ve směšovací dýze má hnací kapalina vysokou rychlost a proto má i vysokou kinetickou energii, ale velmi nízkou energii tlakovou (viz Bernoulliho rovnice). To umožňuje nasávání čerpané kapaliny do prostoru směšovací dýzy. Dopravní kapalina tak nasává čerpanou kapalinu a předává ji část své kinetické energie. Proudová čerpadla mají velkou spotřebu hnací kapaliny, jejich energetická účinnost je pouze kolem 10 %. Výtlačný tlak je závislý na tlaku hnací tekutiny a nepřesahuje většinou 0,1 MPa. Objemový průtok je v desítkách litrů za sekundu. Výhodou proudových čerpadel je jednoduchá konstrukce a nevelké nároky na čistotu čerpané kapaliny. Na sání čerpadla je ale nutné vždy instalovat sací koš, který odfiltruje hrubší nečistoty. Nevýhodou proudových čerpadel je ředění čerpané kapaliny kapalinou dopravní nebo parním kondenzátem. Injektory jsou běžně užívány v průmyslu pro zajištění cirkulace chladící vody nebo vody pro ohřev v případě použití páry. Dále jsou často používána hasiči a záchranáři pro odčerpávání vody ze zatopených prostor. Proudová čerpadla jsou rovněž používána k provzdušňování a míchání obsahu aktivačních nádrží biologických stupňů čistíren odpadních vod jako jeden z možných systému aerace. Atmosférický vzduch je nasáván hrdlem 3 proudem cirkulující čištěné vody. 2 1

4

3 Obr. 2.22 Schéma proudového čerpadla

26

5

1 – přívod hnací tekutiny, 2 – směšovací dýza, 3 – přívod nasávané kapaliny, 4 – difuzor, 5 – výtlak čerpané kapaliny

Monžíky – jsou v principu hermeticky uzavřené nádoby, do nichž je napuštěna čerpaná kapalina. Z monžíku je kapalina vytlačována stlačeným vzduchem nebo inertním plynem. Jejich užití je oprávněné v malotonážních diskontinuálních výrobách, poloprovozních nebo laboratorních podmínkách pro dopravu agresivních kapalin nebo tavenin. Výtlačný tlak a dopravní objem je limitován konstrukcí tlakové nádoby monžíku a tlakem dopravních plynů, které jsou k dispozici. Doprava kapaliny je diskontinuální – přetržitá. Energeticky je tento způsob čerpání neefektivní, jeho účinnost se pohybuje mezi 15 – 20 %. Výhodou je konstrukce bez pohyblivých částí jinak trpících korozí a abrazí čerpaných kapalin s nečistotami v nich obsaženými. 4 1

2

3

Obr. 2.23 Schéma monžíku 1 – přívod čerpané kapaliny, 2 – přívod plynu (stlačeného vzduchu), 3 – tlaková nádoba monžíku, 4 – výtlak čerpané kapaliny

Trkače2 – jsou typem čerpadel, která využívají k čerpání kapaliny energie rychle proudící kapaliny, prakticky výhradně vody. Prudkým přerušením toku se mění kinetická energie kapaliny v tlakovou – to umožňuje prudké zvýšení tlaku a vytlačení části objemu kapaliny do výtlačného potrubí. Mamutky – jsou v principu čerpadla využívající k dopravě kapalin rozdílu hydrostatického tlaku kapaliny v nádrži a kapaliny s bublinami vzduchu ve výtlačném potrubí. Směs kapaliny a bublin má významně nižší hustotu, než má čistá kapalina.

Pomocí trkače byla v Krkonoších čerpána voda z Obřího dolu na vrchol Sněžky. S výhodou bylo využito velkého spádu potrubí na straně vstupu vody do trkače. Tím byla získávána dostatečná kinetická energie, která pak umožnila překonání výškového rozdílu dosahujícího téměř 500 m. 2

27

1

2

3

Obr. 2.24 Schéma mamutky 1 – přívod tlakového vzduchu, 2 – výtlačné potrubí, 3 – směšovací komora

2.3 Doprava a komprese plynů Ve výrobních procesech se často dopravují a zpracovávají plyny za tlaků odlišných od tlaku atmosférického. Stlačené plyny bývají užívány i k pomocným účelům – míchání nebo rozstřikování kapalin, jejich přečerpávání, pohon ručního nářadí (sbíječek) apod. Během stlačování nebo expanze plynů, s ohledem na jejich stlačitelnost, dochází kromě změny tlaku také ke změně jejich objemu a teploty. Vztah mezi tlakem p (Pa), objemem V (m3) a absolutní teplotou T (K) vyjadřuje ve zjednodušeném vyjádření stavová rovnice ideálního plynu, kde n je počet molů plynu a R (J.kg-1.K-1) je univerzální plynová konstanta pV = nRT (2.1) Tato stavová rovnice vyhovuje s dobrou přesností i reálným plynům za nízkých tlaků a teplot, kdy se molekuly plynů vzájemně ovlivňují nejméně. Komprese plynů může teoreticky probíhat isotermně (za konstantní teploty, kdy je nutný odvod veškerého tepla vznikajícího kompresí) nebo adiabaticky (bez výměny tepla s okolím). Ke kompresi plynu za isotermních podmínek je nutné vynaložit mechanickou práci: p2 A = n R T ln -----------(2.2) p1

T

p1

p2

T1

S1

S2 28

S

Obr. 2.25 Isotermní komprese v diagramu T – S Množství tepla uvolněného při isotermní kompresi je úměrné součinu teploty T1 a rozdílu entropie: Q = T1 . ( S2 - S1) (2.3) Ke kompresi plynů za adiabatických podmínek je nutné vynaložit mechanickou práci: p2 ( -------- ) ( p1

kde

A = ------------ n R T - 1 je Poisonova konstanta: CP = --------CV

- 1)/

- 1

(2.4)

(2.5)

kde CP a CV je molární tepelná kapacita za konstantního tlaku a konstantního objemu. Zvýšení teploty při adiabatické kompresi je dáno rovnicí adiabaty: T2

p2 = T1 ( --------- ) ( p1

- 1)/

(2.6)

kde s indexem 1 je značen stav výchozí a s indexem 2 stav konečný. Reálná komprese probíhá za podmínek, které se více či méně blíží uvedeným podmínkám isotermním a adiabatickým – bývá hovořeno o polytropické kompresi. Polytropický exponent m v rovnici spotřeby mechanické práce pro adiabatickou kompresi nahrazuje exponent . m = ( 1 , ) . Roztřídění strojů na dopravu a kompresi plynů Podle poměru tlaků před a po kompresi jsou rozlišovány Kompresory - poměr stlačení 3,0 Dmychadla - poměr stlačení 1,1 – 3,0 Ventilátory - poměr stlačení pod 1,1 Vývěvy – tlak je snižován pod úroveň tlaku atmosférického. 2.3.1 Kompresory Obecně platí, že pro menší tlaky a velké objemy stlačených plynů jsou používány přednostně kompresory rotační, naopak pro vysoké tlaky a menší objemy stlačených plynů jsou používány kompresory pístové vícestupňové (viz dále uvedené dělení). Kompresory jsou stlačovány plyny s kompresním poměrem p2 / p1 3,0. Jejich pohon je většinou zajištěn elektromotory napájenými třífázovým střídavým elektrickým proudem, vznětovými nebo zážehovými spalovacími motory, parními turbínami, spalovacími plynovými nebo expanzními turbínami.

29

Výkon kompresorů je uváděn jako objemový průtok plynů přepočítaný na Nm3.hod-1. se současným uvedením maximálního provozního tlaku. Dle výkonnosti jsou kompresory děleny na malé s výkonem do 10 Nm3.min-1, střední s výkonem 10 - 30 Nm3.min-1 a velké s výkonem nad 30 Nm3.min-1. Výkon kompresorů je regulovatelný v úzkém rozmezí buď plynule změnou otáček pohonu nebo skokem vypínáním válců u pístových kompresorů. U turbokompresorů také bývá výkon regulován obtokem komprimovaného plynu z výtlaku do sání (bypass). Dle provozního tlaku jsou rozlišovány kompresory s provozním tlakem: do 1,0 MPa, středotlaké s provozním tlakem: 1,0 - 10 MPa, vysokotlaké s provozním tlakem: nad 10 MPa. Dle principu činnosti jsou rozlišovány kompresory pístové jednočinné nebo dvojčinné, rotační – axiální - osové (lopatkové, šroubové), - radiální (odstředivé) Podle počtu stupňů jsou rozlišovány kompresory jednostupňové – kompresní poměr 2 – 8 dvoustupňové – kompresní poměr 8 – 50 vícestupňové – kompresní poměr 50 – 1000 Podle polohy os válců jsou rozlišovány kompresory tandemové (válce jsou za sebou v jedné ose) stojaté nebo ležaté s válci do V hvězdicové protiběžné (boxer) několikastupňové s válci za sebou na jedné ose (tandemové) s rovnoběžnými osami válců (kompoundní) Pístové kompresory Pístové kompresory jsou určeny především pro menší objemy plynů (řádově 103 Nm3.h-1), ale stlačených cca na 1 až stovky MPa. Jejich konstrukce je principielně obdobou pístových čerpadel. Poháněny jsou většinou třífázovými elektromotory nebo spalovacími motory bez převodové skříně. Pístové kompresory malých výkonů jsou jednoválcové, pro větší výkony jsou konstruovány dvou a víceválcové. Válce víceválcových pístových kompresorů3 jsou konstrukčně uspořádány: v řadě, do V (úhel sklonu 60 o), s protilehlými válci (boxer), křížové (úhel sklonu 90 o), hvězdicové.

Používané konstrukce víceválcových kompresorů jsou konstrukční obdobou víceválcových spalovacích motorů. Obecně platí, že pro osvědčené konstrukce strojů a technologie jejich výroby se vždy hledají další možná uplatnění. 3

30

3

Obr. 2.26 Třístupňpvý pístový kompresor s protilehlými válci

Rotační kompresory Vícestupňové rotační axiální nebo radiální kompresory jsou používány pro kompresi technických plynů (vodíku, dusíku, vzduchu, čpavku, oxidu uhličitého) v průmyslu chemickém, petrochemickém, plynárenském na tranzitních plynovodech, ve zkapalňovacích stanicích vzduchu a jinde. Pohon rotačních radiálních a axiálních kompresorů zajišťují třífázové elektromotory, parní nebo plynové turbíny s nebo bez převodové skříně, v automobilových motorech turbíny na výfukové plyny apod. Otáčky rotorů vícestupňových radiálních i axiálních kompresorů jsou řádu 104 ot.min.-1. Radiální turbokompresory - jsou konstruovány obvykle minimálně třístupňové. Vyšším počtem stupňů a otáčkami se zvyšuje kompresní poměr. Stlačují plyny na cca 1 – 2 MPa. Jsou obvykle používány pro kompresi řádově desítek tisíc Nm3.h-1 vzduchu nebo technických plynů např. ve stanicích na dělení vzduchu, výrobnách technických plynů, syntézní směsi na výrobu čpavku, vzduchu nebo nitrózních plynů ve výrobnách kyseliny dusičné, zkapalňovacích stanicích jednotek strojního chlazení, vzduchu na sání zážehových a vznětových spalovacích motorů apod. Pohon turbokompresorů zajišťují parní nebo plynové turbíny nebo elektromotory s příkonem 102 – 104 kW. Elektromotory jsou spojeny přes převodové skříně s převodovým poměrem cca 1 : 4, tj. do rychla pro zvýšení otáček.

31

Radiální kompresory jsou součástí soustrojí na kompresi plynů výroben kyseliny dusičné. Formálně na jedné hřídeli (mezi jednotlivými stroji jsou spojky) je napojen pohon parní nebo plynovou turbínou + turbokompresor + expanzní turbína + motorgenerátor pro rozběh a výrobu elektřiny za chodu. Dále jsou radiální kompresory používány ke kompresi vzduchu na sání zážehových nebo vznětových automobilových motorů ve spojení s turbínou poháněnou výfukovými plyny, leteckých pístových zážehových motorů apod. Výkon turbokompresorů dosahuje běžně hodnot 103 – 105 Nm3.hod. Otáčky rotoru bývají v rozmezí 5.000 – 12.000 ot.min-1, špičkově u závodních automobilových motorů až 90.000 ot.min-1. Výstupní tlak z rotačních kompresorů zpravidla nepřesahuje 2 MPa.

Obr. 2.27 Sedmistupňový radiální kompresor Obr.: Sedmistupňový radiální kompresor 1 – skříň, 2 – sací hrdlo, 3 – oběžná kola rotoru, 4 – spirální skříň, 5 – výtlačné hrdlo, 6 – převaděče (difusory), 7 – vodící lopatky, 8 – hřídel, 9 – přepážky, 10 – labyrintové těsnění, 11 – odlehčující píst, 12 – odvodní trubka oleje

Axiální kompresory zajišťují stlačení plynů zpravidla do 1 MPa, ale vyšších objemů, řádově až stovek tisíc Nm3.h-1. Používány jsou jak v průmyslové praxi, tak např. pro stlačení vzduchu na vstupu do plynový spalovacích turbín používaných v energetice Axiální turbokompresory jsou součástí turbovrtulových, turbodmychadlových a tryskových leteckých motorů a plynových spalovacích turbín (viz obr. dále).

32 Obr. 2.28 Axiální kompresor (vlevo) jako součást plynové turbíny (vpravo)

Křídlové kompresory Rotor je umístěn excentricky ve válcové komoře. Lopatky zasunuté ve vyfrézovaných drážkách rotoru jsou ke stěnám komory přitlačovány odstředivou silou. Jejich pracovní tlak bývá do 0,5 MPa, pro vyšší stupně komprese je nutné vícestupňové uspořádání.

Obr. 2.29 Řez rotačním křídlovým kompresorem 1 – rotor, 2 – lopatky, 3 – válcová komora, 4 – plášť vodního chlazení, 5 – sací hrdlo, 6 – výtlačné hrdlo

Objem stlačeného plynu křídlovými kompresory je do 103 Nm3.hod.-1. Pohon zajišťují elektromotory spojené přímo s kompresorem. Výhodou je poměrně jednoduchá konstrukce a proto vysoká provozní spolehlivost. Používány jsou ke stlačování zplyněných chladiv (freonů, čpavku, uhlovodíků) při strojním chlazení menších výkonů, kde jsou předřazeny kondensátorům. Stejnou funkci plní v mrazničkách, chladničkách, chladících pultech, boxech a skříních. 2.3.2 Dmychadla Dmychadly jsou stlačovány plyny s kompresním poměrem p2 / p1 = 1,1 - 3,0. Jejich pohon je většinou zajištěn elektromotory napájenými třífázovým střídavým elektrickým proudem, výjimečně vznětovými nebo zážehovými spalovacími motory. Výkon dmychadel je v objemovém průtoku plynu přepočítaném na Nm3.hod. se současným uvedením maximálního provozního tlaku. Dle výkonnosti jsou dmychadla dělena na malá s výkonem do 10 Nm3.min-1, střední s výkonem 10 - 30 Nm3.min-1 a velká s výkonem nad 30 Nm3.min-1. Výkon dmychadel je regulovatelný výjimečně změnou otáček elektromotoru nebo škrcením průtoku plynu.

33

3

3

1

Obr.

2 2

1

2

Dmychadlo Roots 1 – sací hrdlo, 2 – výtlačné hrdlo, 3 – skříň dmychadla

Obr. 2.30 Dmychadlo 1 – sací hrdlo, 2 – výtlačné hrdlo, 3 – skříň dmychadla Dmychadla Roots bývají často používána pro kompresi vzduchu v průmyslových provozech, úpravnách vody nebo čistírnách odpadních vod aj. Jejich výroba je náročná na přesné obrobky a pečlivou montáž, které rozhodují o objemové účinnosti a výkonu. Provozně jsou velmi spolehlivá díky malému počtu pohyblivých dílů. Pracovní plochy musí být mazány minerálními tuky. Pohon zajišťují asynchronní elektromotory. V současnosti bývají nahrazována bezmaznými šroubovými dmychadly nebo kompresory, které dodávají komprimovaný plyn čistý bez zbytků maziv. Některé typy rotačních dmychadel se konstrukcí neliší od vícestupňových radiálních kompresorů. Zásadní rozdíl je pouze v otáčkách a tím dosažitelném maximálním tlaku na výtlačném hrdle. Jestliže otáčky rotorů vícestupňových radiálních kompresorů jsou řádu 104 ot.min.-1, pak otáčky dmychadel jsou o řád nižší. Pohon dmychadel a rotačních kompresorů zajišťují třífázové elektromotory s převodovou skříní, parní nebo plynové turbíny, turbíny na výfukové plyny apod. 2.3.3 Ventilátory Ventilátory jsou stlačovány a hlavně dopravovány plyny, především vzduch nebo spaliny, s kompresním poměrem p2/p1 do 1,1. Jejich pohon je většinou zajištěn elektromotory napájenými jednofázovým nebo třífázovým střídavým elektrickým proudem (dle nutného příkonu energie), v dopravních prostředcích stejnosměrným elektrickým proudem nebo spalovacími motory s převodem klínovým či ozubeným řemenem. Výkon ventilátorů je uváděn v objemovém průtoku plynu přepočítaném na Nm3.hod.-1 se současným uvedením rozdílu tlaku p mezi sacím a výtlačným hrdlem. Objemové průtoky plynů bývají 102 – 107 Nm3. h-1. Výkon ventilátorů je regulovatelný buď změnou otáček elektromotoru nebo škrcením průtoku plynu klapkami či žaluziemi, což jsou řešení častější a levnější. Z hlediska konstrukce jsou rozlišovány ventilátory osové (axiální) 34

odstředivé (radiální) jedno nebo vícestupňové Dle výtlačného tlaku jsou rozlišovány Nízkotlaké ventilátory – Δp je do 1000 Pa s otáčkami oběžného kola 500 – 900 ot.min-1. Jsou určeny pro dopravu velkých objemů plynů (až 106 Nm3.hod.-1) s nízkým přetlakem. Zpravidla se jedná o ventilátory osové (axiální) umístěné v ose potrubí nebo odstředivé (radiální) ventilátory se širokým sacím hrdlem a oběžným kolem s větším počtem úzkých hustě vedle sebe umístěných lopatek ve skříni kruhového průřezu. Jsou přednostně součástí odsávacích a klimatizačních zařízení např. výrobních provozů, kulturních zařízení a budov nebo odsávání spalovacích komor kotlů aj.

Obr. 2.26. Osový ventilátor Středotlaké ventilátory - Δp je 1000 – 4000 Pa, otáčky oběžných kol jsou 1000 – 2000 ot.min-1. Zpravidla se jedná o jednostupňové odstředivé (radiální) ventilátory. Jejich princip funkce a konstrukce je velmi podobná odstředivým čerpadlům. Oběžné kolo je užší a většího průměru s menším počtem dlouhých lopatek. Skříň je spirálová a užší s větším průměrem, než je u ventilátorů nízkotlakých. Jsou určeny pro dopravu velkých objemů plynů (až 104 Nm3.hod.-1) jako součást systémů odsávání plynů a par z výrobních zařízení – reaktorů, sušáren, chladících bubnů, odprašovacích nebo absorpčních odlučovacích systémů aj. 1

6 4

8

2

5

3

7

Obr. 2.27 Schéma axiálního rovnotlakého ventilátoru

35

1 – sací hrdlo, 2 – oběžné kolo s lopatkami, 3 – hřídel s ložisky, 4 – výtlačné hrdlo, 5 – difuzor, 6 – sací komora, 7 – stolička pro ukotvení ventilátoru, 8 – elektromotor pohonu

Vysokotlaké ventilátory – výtlačný tlak je do 10 kPa s otáčkami oběžných kol 1500 – 2000 ot.min-1. Jsou určeny pro dopravu menších objemů plynů (až 103 Nm3.hod.-1). Zpravidla se jedná o vícestupňové odstředivé (radiální) ventilátory. Oběžná kola jsou přibližně stejná jako u středotlakých radiálních odstředivých ventilátorů, ale mají vyšší počet otáček. Skříň je spirálová, v případě vícestupňových ventilátorů je plyn z výtlaku na obvodu jedné skříně přepouštěn do sání k ose oběžného kola následujícího stupně. Jsou používány v průmyslových nebo domácích vysavačích, úklidových strojích na čištění vozovek a chodníků, sací pneumatické dopravě aj. Pohon zajišťují při menších výkonech jednofázové, pro větší výkony třífázové asynchronní elektromotory.

4 2 3 1

7 5

6

Obr. 2.28 Schéma radiálního odstředivého ventilátoru 1 – sací hrdlo, 2 – oběžné kolo s lopatkami, 3 – hřídel s ložisky spojená spojkou s elektromotorem, 4 – výtlačné hrdlo, 5 – ulita oběžného kola, 6 – stolice pro ukotvení ventilátoru a pohonu, 7 - elektromotor pohonu

2.3.4 Vývěvy Vývěvami je tlak snižován pod úroveň tlaku atmosférického. V principu jsou používány následující typy vývěv: pístové vývěvy – jejich konstrukce je obdobná pístovým kompresorům, jsou rozlišovány vývěvy suché nasávající pouze plyny a mokré nasávající směs plynů a kapaliny.

36

vodokružné vývěvy olejové vývěvy rtuťové vývěvy Mimo pístových vývěv mají dříve jmenované tři typy vývěv mají podobnou konstrukci – ve válcové skříni je excentricky umístěný rotor s pevnými lopatkami u vodokružných vývěv nebo posuvnými lopatkami přitlačovanými ke stěně pracovní komory pružinou. Pracovní prostor utěsňuje příslušná kapalina - prostor mezi skříní a rotorem těsní voda u vodokružné vývěvy, olej u olejové vývěvy a rtuť u rtuťové vývěvy. 5 4

6 3

2

Obr. 2.29

1

Schéma rotační olejové vývěvy

1 – rotor s šoupátky a pružinou (směr jeho otáčení po směru hodinových ručiček), 2 – skříň vývěvy jako zásobník a odlučovač oleje, 3 – válcová komora s olejovým filmem na obvodu, 4 – sací potrubí, 5 – výfuk, 6 – olejová náplň

Do rozšiřujícího se prostoru mezi válcovým rotorem a stěnou pracovní komory je nasáván plyn. Z komory je vytlačován na opačné straně z místa, kde se prostor mezi rotorem a komorou opět zužuje. Dosažitelný podtlak je limitován teplotou a parciálním tlakem par nad těsnící kapalinou. Rtuťové vývěvy se s ohledem na jedovatost par rtuti používají jen v případech, kdy je nutné dosažení vysokého vakua. V laboratořích jsou používány olejové vývěvy, v průmyslových podmínkách jsou daleko nejčastější vývěvy vodokružné. Jsou používány k odsávání plynů, par a vzduchu např. z pásových a bubnových filtrů, vakuových odpařovacích, destilačních a rektifikačních stanic. Jejich pohon zajišťují jedno nebo třífázové elektromotory. Proudové vývěvy (ejektory) – jsou používány pro dopravu a odsávání plynů, hnacím médiem je voda, pára nebo plyny proudící vysokou rychlostí (i nad 1000 m.s-1). Princip funkce je shodný s proudovými čerpadly – opět je využíváno podtlaku vznikajícího v místě zmenšeného průřezu potrubí jímž proudí tekutina, obvykle voda. Ejektory bývají používány místo vodokružných vývěv v případech, kdy je vhodné např. brýdové páry z odparek nejen odsávat, ale zároveň stlačit a využít pro vytápění dalších stupňů odpařovací stanice. Vodní ejektory jsou běžné v laboratorní praxi na zajištění podtlaku v aparaturách a odsávání filtrátů. 1

2

3

5 4

37

6 Obr. 2.30. Schéma parního ejektoru 1 – sací hrdlo odsávaných plynů, 2 – přívod páry, 3 – parní tryska, 4 – mísící komora, 5 – difuzor, 6 – hlava ejektoru

3. SKLADY 3.1 SKLADOVÁNÍ TUHÝCH LÁTEK Konstrukce skladů pevných sypkých substrátů jsou přizpůsobeny vlastnostem a kvalitě skladovaného materiálu. Vždy záleží na zrnitosti, přípustné vlhkosti, korozívních účincích, ceně a nebezpečnosti materiálu pro okolí, resp. jeho přípustném znečištění. Jsou rozeznávány následující typy skladů sypkých surovin otevřené – extenzivní se zpevněnou plochou (betonovou, asfaltovou nebo dlážděnou) - se zpevněnou plochou a bočními stěnami (skladovací boxy) Oba typy jsou používány pro substráty, které mohou být vystaveny povětrnosti bez rizika ztrát nebo poškození. Jsou používány pro skladování např. energetického uhlí, písku, štěrku, drceného vápence, kusové síry. Materiál je naskladňován přímo ze samovýsypných vagonů a sklápěcích aut nebo vykládacími jeřáby, které zároveň umožňují vyskladnění materiálu. K vyskladnění jsou také použitelná rypadla nebo hydraulické otočné nakladače (HON), případně manuelně nebo automaticky řízené vyhrnovací stroje, propelerové podavače s pásovými dopravníky aj. zařízení. Sklady tohoto typu jsou rovněž používány pro přechodné skladování balených materiálů v polyetylénových pytlích na paletách přetažených smršťovací fólií nebo v big-bagách pro potlačení negativních atmosférických vlivů. polouzavřené zakryté – skladovací boxy jsou volně zastřešeny, aby kvalita materiálu neutrpěla za deště nebo sněhu nebo materiál nebyl odplavován dešťovou vodou. Ve s¨kladech tohoto typu je skladován např. pyrit, průmyslová sůl, palety a kontejnery s baleným zbožím, big-bagy. Naskladnění materiálu je zajištěno zavážecími pásovými dopravníky se shrnovacími vozíky či stěrači materiálu pod střešní konstrukcí. Dále je používáno vyklápění či mechanické skládání materiálu z nákladních aut nebo vagonů. Vyskladnění je obdobné jako u otevřených skladů. uzavřené sklady – mají zcela uzavřené stěny a střecha brání vlivům povětrnosti. Sklady bývají zcela uzavřené, někdy klimatizované. Obvodový plášť bývá pro volně ložené materiály ze železobetonu nebo oceli, pro balené materiály z klasického zdiva nebo panelů s tepelnou izolací. Střešní krytinu obvykle nese lehká ocelová konstrukce. Tyto sklady jsou požívány pro drahé, okolí nebezpečné nebo na změny vlhkosti či teploty citlivé hygroskopické materiály, např. surový cukr, fosfáty, průmyslové soli a hnojiva, stavební aj. hmoty v papírových pytlích. Materiál je ve skladu volně nasypán, někdy v boxech, nebo je uložen v kontejnerech, pytlích na paletách, big-bagách apod.

38

Naskladnění i vyskladnění materiálu je plně mechanizováno s manuální nebo automatickou obsluhou.

39

Obr. 3.2 Kruhový sklad průmyslového hnojiva (Lovochemie, a.s. Lovosice) 1 - napínací stanice pásové dopravy, 2 - elevátorová věž, 3 - kruhový sklad, 4 - otevřený sklad balených výrobků na paletách krytých smršťovací fólií

4

Obr. 3.3 Schéma uzavřeného parabolického skladu 1 - železobetonová střecha, 2 - naskladňovaní zařízení - pásový dopravník se shrnovacím vozíkem, 3 pojízdný vyskladňovaní redlerový dopravník, 4 - skladovaný materiál, 5 - propelerový podavač a pásová doprava

sila – jsou ocelové nebo betonové jímky s kruhovým nebo voštinovým uspořádáním plněné shora pásovou, elevátorovou nebo pneumatickou dopravou. Jímky sil mají obvykle kónická dna s vyprazdňováním spodními výsypy s propelerovými, vibračními podavači, turniketovými aj.podavači. Sila jsou běžně používána pro skladování sypkých surovin, obilnin, luštěnin, mouky, cukru, olejnin, granulovaných krmiv, cementu, vápna, mletého vápence aj. materiálů sypkých, nelepivých a nespékavých. Materiál do sil je dopravován vždy volně ložený. Expedována je dle potřeb opět volně ložený v utech, vagonech nebo lodích. Také bývá expedován balený do pytlů cca po 20 - 25 kg, žoků, big bagů (do 1000 kg) nebo až v obchodním balení - sáčcích např. po 1 kg ukládaných do krabic či balíků ve smršťovací fólii po 10 kg dále složených na paletách s celkovou hmotností do 1 t. Na paletě je materiál fixován proti poškození obalu a posunu smršťovací PE fólií. Příslušenstvím sil jsou běžně např. zařízení na pneumatické třídění a dosoušení semen, dopravní okruhy pro možnost cirkulace skladovaného materiálu, zařízení pro uvolňování případně vznikajících kleneb tlakovým vzduchem (u sil na vápno, cement, fosfáty aj. materiály).

40

1

2

3 5

1

3 1

3 4

6 1

3 1

3

Obr. 3.4 Schéma sila s balícími a expedičními linkami 1 - naskladňovaní elevátor se skluzy, 2 - skladovací prostory sila, 3 - vyskladňovaní zařízení, 4 - balící a expediční linka baleného zboží, 5 - expediční linka volně loženého zboží, 6 - expediční linka baleného zboží s paletizací

3.2 SKLADOVÁNÍ KAPALIN Skladování kapalin je v převážné většině případů zajištěno ve stojatých válcových nádržích s rovným dnem a kónickým víkem. Pro menší objemy kapalin jsou také používány ležaté válcové nádrže s hluboce klenutými víky. Vyrobeny jsou z nerezavějící oceli tř. 17 nebo konstrukční oceli tř. 11 a 12 (bez nebo s vnitřním ochranným nátěrem, kyselinovzdornou vyzdívkou, pogumováním), z litiny, polyesterových pryskyřic (skelných laminátů), termoplastů (polypropylen, PVC) aj. materiálů. Volba materiálu je závislá na korozních vlastnostech skladovaného materiálu a případně jeho hořlavosti. Součástí skladovacích zásobníků jsou obslužné lávky se zábradlím a žebříky s ochrannou klecí umožňující bezpečný přístup k uzavíracím armaturám, potrubním spojům, průlezům a

41

čistícím otvorům, pojistným ventilům, přístrojům měření a regulace aj. zařízením.

Obr. 3.5 Silo na obilí s vykládacím a nakládacím zařízením Skladovací nádrže jsou vždy umístěny na zvýšeném betonovém základu v záchytné vaně s kyselinovzdornou vyzdívkou, je-li nutná, nebo s penetračním či asfaltovým nátěrem, případně bývají vyloženy ocelovým plechem. Záchytná vana brání kontaminaci půdy, povrchových a podzemních vod a snižuje ztráty skladovaných kapalin při netěsnostech nádrží na minimum. Objem záchytné vany je předepsán ČSN – při jedné nádrži musí vana zachytit s rezervou celý její objem. Nebezpečné hořlaviny (např. benzin, motorová nafta, organická rozpouštědla) bývají skladovány v ležatých ocelových zásobnících v podzemních betonových jímkách. V případě bílého fosforu nebo sirouhlíku jsou nádrže v podzemní jímce zaplavené vodou pro potlačení rizika požáru a výbuchu par. Prostory skladovacích nádrží hořlavin jsou vybaveny čidly pro automatickou indikaci zahoření (termočidla, fotoelektrická čidla, radioizotopové indikátory dýmu) ve spojení s ústřednami a dálkovým ovládáním stabilních požárních zařízení. Potrubím stabilních požárních zařízení je rozváděn hasící prostředek do míst požáru. K hašení je používána voda

42

nebo vzduchomechanická pěna (u látek s hustotou nižších než 1,0 kg/l, nemísitelných s vodou a

Obr. 3.6 Sklad kyseliny sírové se záchytnou vanou proto plavajících na hladině vody) - do proudu vody je přidáváno pěnidlo, které je v ústí trysky mícháno s přisávaným atmosférickým vzduchem. Tím vzniká po několik desítek minut stabilní pěna bránící přístupu vzdušného kyslíku k ložisku požáru. Uvedené systémy umožňují informaci obsluh o vzniku požáru, jeho rychlou lokalizaci a uhašení. Stabilní protipožární zařízení také umožňují ochlazování stěn nádrží vodou v případě nehody v jejich blízkosti, absorpci nebezpečných plynů a par, případně vytvoření tzv. vodní clony bránící šíření požáru. Sklady hořlavin musí být min. 25 m od ostatních objektů.

43

3.3 SKLADOVÁNÍ PLYNŮ Technické plyny jsou převážně v průmyslových podmínkách skladovány Za nízkého tlaku – v plynojemech: a) s kapalinovým uzávěrem – jedná se o dvě zpola uzavřené ocelové válcové nádoby zasunuté vzájemně v sobě. Spodní nádoba s větším průměrem je z části naplněna uzavírací kapalinou, zpravidla vodou, horní nádoba menšího průměru s víkem uzavírá prostor plynojemu. Skladovaný plyn je uvnitř horní nádoby, která vlastní hmotností zajišťuje zvýšený tlak v zařízení. b) S pryžovým vakem – pryžový vak je umístěn uvnitř ocelové nádoby, např. vejčitého tvaru. Vak svým rozpínáním při plnění zajišťuje mírný přetlak v plynojemu a propojovacích potrubních rozvodech plynu. Stlačené - v ocelových tlakových láhvích, kontejnerech nebo přívěsech s tlakovými láhvemi. Toto uskladnění je vhodné pro menší objemy technických plynů (řádově desítky až tisíce Nm3) pro potřeby autogenního sváření, dodávky technických plynů v průmyslu a službách, skladování kyslíku v nemocnicích apod. Zkapalněné - v ocelových nádržích stojatých nebo ležatých s válcovým pláštěm a hluboce klenutými dny a s tepelnou izolací, případně kulových zásobnících. Provozovány jsou za atmosférického tlaku, mají-li kritickou teplotu vyšší než je max. teplota okolní atmosféry, nebo zkapalněné v ocelových kulových zásobnících s tepelnou izolací za zvýšeného tlaku. Tzv. atmosférický sklad bývá vybaven zkapalňovací stanicí, není-li zajištěn plynulý odběr odpařeného plynu. Zkapalněné technické plyny jsou skladovány výše uvedenými dvěma způsoby v průmyslových podnicích s velkou spotřebou. Takto je skladován amoniak, topné plyny (propan, butan), propen aj. Malá množství zkapalněných plynů (desítky litrů) jsou přepravována a skladována za atmosférického tlaku v Dewarových nádobách - skleněných nádobách s dvojitou stěnou uvnitř postříbřených a umístěných v plechových kontejnerech s tepelnou izolací. Běžně jsou tyto nádoby užívány v laboratořích humánní a veterinární medicíny, výzkumných ústavech a jinde. Převážně jsou užívány pro dopravu a skladování kapalného dusíku i kyslíku. . Ztužené - oxid uhličitý (suchý led) je skladován v kontejnerech s tepelnou izolací Skladovací nádrže jsou umístěny vždy na zpevněných plochách se záchytnou vanou. V případě kapalného amoniaku jsou sklady vybaveny skrápěním vodou pro možnost okamžité absorpce unikajícího čpavku ve vodě (v 1 objemu vody se zachytí více než 30 objemů plynného čpavku). Tím je předcházeno riziku zamoření okolí jedovatými parami.

44

Sklady zkapalněných plynů jsou propojeny potrubím se stáčecími místy automobilových nebo železničních cisteren pro možnost naskladnění nebo expedice zkapalněných plynů. Rozvod technických plynů zkapalněných nebo zplyněných je zajišťován v areálech průmyslových podniků potrubím umístěným na potrubních mostech.

Obr. 3.7 Kulové sklady kapalného amoniaku

4. DRCENÍ A MLETÍ Těžené tuhé nerostné suroviny zpravidla nemají vhodnou zrnitost pro technologickou ani dálkovou dopravu nebo další zpracování. Základní operací úpravárenských procesů je rozmělňování. Fyzikálně mechanickými procesy - rozmělněním s následným tříděním – je upraveno zastoupení frakcí dle velikosti částic. To zároveň vede ke zvýšení měrného povrchu materiálu, který je důležitý zejména pro urychlení rozpouštění ve vodě, roztocích minerálních kyselin nebo hydroxidů. Cílem úpravárenských procesů tuhých nerostných surovin je zlepšení jejich kvalitativních znaků významných pro zpracovatele. Jedná se hlavně o absolutní velikost částic, minimální přijatelné zastoupení žádané velikostní frakce v surovině, maximální koncentraci žádané složky v surovině, minimální obsah znečišťujících látek nebo látek komplikujících suroviny. 4.1 ROZPOJOVÁNÍ - DRCENÍ A MLETÍ

45

zpracovatelnost

Cílem rozpojování (rozmělňování) je zmenšení velikosti částic výchozích nerostných surovin na hodnoty, které jsou přijatelné pro další zpracování materiálu. Z tohoto důvodu jsou většinou vytěžené suroviny drceny v místě těžby, ještě před dopravou do úpravárenských linek. V úpravárenských linkách je zrnitost materiálu upravována dalším drcením a mletím na požadovanou velikost částic. Hrubší a jemnější frakce jsou od sebe oddělovány tříděním. Tím je zajištěna zrnitost materiálu v užším rozmezí velikosti částic žádané pro další zpracování. Zrnitost tuhých surovin je vždy stanovena technickou normou, která je součástí dodavatelských podmínek. Příslušná norma pro zrnitost stanovuje: minimální procento obsahu žádané frakce, maximální procento obsahu podsítných a nadsítných podílů. Zrnitost tuhé suroviny není důležitá pouze pro její další technologickou zpracovatelnost. Je velmi významná i pro omezení ztrát materiálu rozplachem během nakládky, vykládky a dopravy, kvalitu pracovního prostředí, volbu dopravních, manipulačních, skladovacích a technologických systémů v celé zpracovatelské lince. 4.2 PRINCIP ROZPOJOVÁNÍ V drtičích a mlýnech je materiál rozpojován (rozmělňován) v principu těmito způsoby: nárazem, roztíráním, tlakem, štěpením. V praxi jsou zpravidla uvedené způsoby drcení kombinovány. Jejich volba závisí na tvrdosti, pevnosti a křehkosti rozmělňovaného materiálu. Drcení je vždy pochod energeticky velmi náročný. Relativní změnu spotřeby energie se změnou rozmělnění vystihuje Rittingerův zákon: W1 ( s1 – 1 ) ---= -------------- , (4.1.) W2 ( s2 - 1 ) kde W je měrná spotřeba energie pro rozmělňování v kJ.kg-1 nebo kWh.kg-1 rozmělňovaného materiálu a s je stupeň rozmělnění vyjádřený jako poměr středních charakteristických průměrů částic D před rozmělňováním a d po rozmělňování: s

=

D -------d

(4.2.)

Z uvedených vztahů je patrné, že spotřeba energie je tím větší, čím je vystupující drcený materiál jemnější, resp. čím větší je jeho měrný povrch vyjádřený v m2. kg-1. Podle stupně rozmělnění jsou rozlišovány stroje na

46

hrubé drcení (předdrcení) – do průměru částic 100 mm, střední a drobné drcení – 1 – 10 mm, jemné drcení (mletí) – 0,1 – 1,0 mm, velmi jemné mletí a koloidní mletí – 0,1 mm – 5 m. Až 95 % energie se během rozmělňování přemění na teplo, pouze malá část je spotřebovávána na rozpojení částic materiálů, rozrušení drúz krystalů. Proto jsou vždy drtící a mlecí zařízení velkými spotřebiči energie. Příslušné technologie rozmělňování mají vždy vysoké náklady investiční a provozní. Rozmělňování je citlivé na čistotu a množství dávkovaného materiálu. Materiál bývá nejprve předtříděn a pak dávkován do drtičů nebo mlýnů. Pečlivě musí být magnetickými separátory (viz. dále) odstraněny kovové nečistoty, aby nedošlo k poškození konstrukčních dílů drtičů a mlýnů. Dávkování je řízeno zpravidla dle ampérického zatížení elektromotorů jejich pohonů. 4.3 ZAŘÍZENÍ PRO ROZPOJOVÁNÍ 4.3.1 Zařízení pro hrubé drcení Čelisťový drtič je často používán pro hrubé drcení minerálů. Často je použit jako první stupeň pro předrcení těžených minerálů. Během drcení v čelisťové drtiči vznikají v materiálu také praskliny, které vždy nevedou k jeho rozpojení, ale uplatní se až v dalším stupni drcení, kde se tímto uspoří část energie. Drcený materiál je rozmělňován tlakem přenášeným na materiál dvěma pracovními deskami čelistmi. Jedna čelist je pevná, druhá pohyblivá (viz. obr.4.1). Pohyblivá čelist je periodicky přitlačována k pevné čelisti pomocí mechanismu tvořeného excentrem se setrvačníkem na společném hřídeli hnaném elektromotorem s převodem klínovými řemeny, ojnicí a rozpěrnými deskami. Setrvačník akumuluje kinetickou energii v nepracovní periodě a zajišťuje rovnoměrný chod stroje během pracovní periody, kdy část své kinetické energie předává pohyblivé pracovní desce. Pracovní plochy čelistí jsou vyrobeny z tvrdé legované oceli a jsou vyměnitelné. Výhodou čelisťových drtičů je jednoduchá obsluha, malé rozměry a velký výkon (až 2000 t.h-), nevýhodou jsou silné otřesy, hlučnost, částečně přetržitý provoz drtiče a riziko ucpávání při nerovnoměrném dávkování. Měrná spotřeba energie se pohybuje mezi 2 - 4 kWh.t-1 drceného materiálu. Maximální velikost částic rozdrceného materiálu je u dolnoosého čelisťového drtiče určena šířkou dolní štěrbiny - vzdáleností mezi pevnou čelistí a dolním kloubem pohyblivé čelisti drtiče - viz obr. 4.1. Dále uvedené typy drtičů pracují nepřetržitě, ale nebývají schopny drtit hrubě kusový materiál (průměr drcených kusů ve stovkách mm). Proto bývají řazeny jako druhý stupeň drcení právě za čelisťovými drtiči. Vždy jsou konstruovány s uzavřenými mlecími komorami s odsáváním ventilátory a odprašovacím zařízením (cyklony a filtry). Tím je snížena prašnost v jejich okolí. Většinou jsou umístěny v uzavřených objektech, čímž je okolí chráněno před hlukem. Drtiče a mlýny jsou zpravidla uloženy pružně (na ocelových pružinách nebo silentblocích), aby se vibrace nepřenášely do základů a konstrukcí objektů. Drtiče a mlýny velkých výkonů jsou přišroubovány na robustním ocelovém rámu pevně ukotveném na betonovém základu oddělením od konstrukce objektu a zpevněných podlah. Jsou umísťovány prakticky výhradně v přízemí objektů.

47

1

2

3

4

Obr. 4.1 Schéma čelisťového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – pevná čelist, 3 – pohyblivá čelist, 4 – štěrbina s výstupem drceného materiálu

Pohon je zajišťován prakticky jen třífázovými třífázovými elektromotory. Pro rozběh jsou obvykle vybaveny odporovými spouštěči nebo přepínači hvězda - trojúhelník. Použití vznětových spalovacích motorů je naprosto výjimečné, jen v odlehlých lokalitách lomů. Kuželový drtič - rozmělňuje materiál tlakem a roztíráním mezi excentricky umístěným válcovým nebo kuželovým rotorem v kónické pracovní komoře (viz obr. 4.2). Výkony kuželových drtičů se pohybují řádově ve stovkách tun rozdrceného materiálu za hodinu. 1

2

3 Obr. 4.2 Schéma kuželového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – pevná kuželovitá mlecí komora, 3 – kuželovitý rotor s drážkami, 4 – štěrbina s výstupem drceného materiálu

4

4.3.2 Zařízení pro střední a drobné drcení 48

Pro střední a drobné drcení je používáno více typů strojů lišících se konstrukcí a výkonem. Válcové drtiče - drtí shora vstupující materiál roztíráním a tlakem mezi dvěma protiběžnými válci. U drtičů se otáčky obou válců vzájemně liší v desítkách procent, u mlýnů jsou otáčky obou válců shodné. Velikost rozdrceného materiálu je určena šíří štěrbiny mezi pracovními válci, kterými je drcený materiál strháván a drcen (viz. obr. 4.3, 4.4). Vlastní mlecí válce jsou hladké nebo rýhované. Jsou uloženy na hřídelích přitlačovaných k sobě vinutými pružinami. Pružiny umožňují krátkodobé odtlačení válců pro případy, kdy se do mletého materiálu dostanou velmi tvrdé cizorodé nečistoty, které by mohly poškodit pracovní plochy válců nebo další konstrukční díly drtiče. Výkony válcových drtičů a mlýnů se pohybují v desítkách až stovkách tun za hodinu dle tvrdosti mletého materiálu.

Obr. 4.3 Válcový drtič s ostnatými válci

1 6

6 2

4

3 2

2

4

5 Obr. 4.4

Schéma válcového drtiče

1 – vstup materiálu, 2 – 1. pevně uchycený válec , 3 – 2. válec přitlačovaný pružinami s nastavitelnou štěrbinou, 4 – stěrače, 5 - štěrbina s výstupem drceného materiálu, 6 - směr otáčení válců

Nárazové drtiče a mlýny 49

V principu jsou rozeznávány dvě základní konstrukce Kladivové drtiče a mlýny – rozpojují materiál nárazem rychle rotujících kladiv na volně padající materiál, nárazy materiálu vrženého kladivy na stěny pracovní komory nebo na vrstvu materiálu. Mlecí kladiva jsou na rotoru zavěšena volně na čepech - kloubech a jsou vyměnitelná. Stěny mlecí komory jsou zpravidla vyloženy vyměnitelnými deskami z legované oceli. Velikost částic rozdrceného materiálu je určena šířkou štěrbin roštů nebo velikostí ok sít na výstupu z pracovní komory (viz obr. 4.5), které jsou ve spodní části mlecí komory. Zajišťují hrubé předtřídění drceného nebo mletého materiálu. Rozmělňované částice zůstávají v pracovní komoře tak dlouho, dokud neprojdou výsypným roštem. 1 1

2 3

4

4

Obr. 4.5 Schéma kladivového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – rotor s kladivy na kloubech, 3 – rošt nebo síto, 4 – výstup drceného materiálu

Kolíkové a svorníkové mlýny (desintegrátory) – rozpojují materiál shodným mechanismem jako mlýny kladivové. Mlecím orgánem jsou rotor a víko opatřené kolíky nebo dva protiběžné rotory opatřené pevně uchycenými ocelovými kolíky. Materiál propadávající prostorem mlecí komory s rotorem je rozmělňován údery pevných nebo pohyblivých kolíků (viz. obr. 4.6). Zrnitost vystupujícího materiálu je určena rozměry štěrbin roštů nebo sít na výstupu. Některé drtiče a mlýny jsou vyprazdňovány pneumaticky - dle intenzity proudění vzduchu mlecí komorou je pneumaticky vynášen materiál s určitou maximální velikostí částic, hrubší materiál zůstává v mlecí komoře do jemnějšího rozmělnění. Tím je dosaženo pneumatického třídění materiály. Je-li použit horký vzduch nebo spaliny, může být rozmělňovaný materiál zároveň sušen. Materiál do drtičů a mlýnů bývá dávkován podavači různých konstrukcí, které brání zavalení vstupu, přetížení a poškození mechanických dílů. Provoz dávkovačů je obvykle řízen a blokován nastavitelným přípustným ampérickým zatížením elektromotorů pohonu.

50

1

2

3 Obr. 4.6 Schéma kolíkového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – rotor s kolíky a víko mlecí komory, 3 – výstup drceného materiálu přes rošt

Materiál vstupující do úderových drtičů a mlýnů musí být vždy pečlivě zbaven tvrdých cizorodých příměsí, hlavně kovů (šrouby, matky a pod.), které by mohly drtiče a mlýny těchto konstrukcí vážně poškodit. Proto jsou jim v dopravní lince předřazeny elektromagnetické separátory. Výkony těchto strojů se pohybují v desítkách až stovkách tun zpracovaného materiálu za hodinu. Kolové mlýny - rozpojují mletý materiál tlakem a roztíráním mezi obíhajícími koly a pevnou mísou s materiálem (viz. obr. 4.7 - kolový mlýn Lösch), Mlecí okruh kolových mlýnů bývá uspořádán tak, že rozemletý materiál je z mlecí komory vynášen proudem vzduchu, čímž je zároveň tříděn. Použije-li se horký vzduch, je mletý materiál zároveň sušen. 1

2

3

3 5

4

Obr. 4.7 Schéma kolového mlýnu 1 – vstup materiálu, 2 – hřídel pohonu, 3 – mlecí kola, 4 – mlecí mísa, 5 – odsávání - pneumatický výstup mletého materiálu

51

4.3.3 Zařízení pro jemné drcení a mletí Pro jemné drcení a mletí je používána celá řada různých konstrukcí drtičů a mlýnů. Materiál bývá rozpojován převážně roztíráním, ale i údery. Mletí suché, t.j. v proudu vzduchu, nebo mokré ve vodním prostředí. Tekutiny zajišťují snížení prašnosti a třídění rozmělňovaného materiálu. Válcový kulový mlýn (trubnatý mlýn) - základním konstrukčním dílem je rotující válcová nebo kuželová komora (kuželový mlýn) částečně plněná koulemi s průměrem cca do 10 cm (např. ocelovými nebo porcelánovými). Průměr vlastní mlecí komory bývá dle výkonu mlýnu cca 0,5 – 5 m. Její stěny jsou vyloženy vyměnitelnými pancéřovými deskami, které chrání stěny bubnu před mechanickým poškozením. Materiál určený k mletí je dávkován z jedné strany do mlecí komory - rotujícího bubnu. Schéma kulového mlýnu je na obr. 4.8. Otáčky mlecí komory jsou voleny tak, aby byly koule vynášeny odstředivou silou nad mletý materiál cca do 90 % vertikálního průměru bubnu. Tehdy je dráha pádu koulí nejdelší a jejich dopadová energie je největší. Přestoupí-li obvodová rychlost bubnu při tzv. kritických otáčkách nK a průměru bubnu DK určitou hodnotu, brání odstředivá síla pádu koulí a mletí ustane: nK = 0,707 (DB)-0,5 (1.3.) Pokud jsou místo koulí použity jako mlecí tělesa tyče, je hovořeno o tyčových mlýnech, kola na kyvadlech - kyvadlové mlýny (Raymond), koule uvnitř rotujících prstenců - odstředivé kulové mlýny (Fuller) nebo válce uvnitř rotujícího prstence - válcový prstencový mlýn (Kent), válec přitlačovaný ke vnitřní stěně válcové mlecí komory (Horomil). 1

2 3

Obr. 4.8 Schéma kulového mlýnu 1 – vstup materiálu, 2 – válcová mlecí komora s náplní ocelových koulí, 3 – odsávání -pneumatický výstup mletého materiálu

52

Koloidní mletí Při koloidním mletí je cílem rozpojování materiálu na částice o velikosti zlomku mikrometru. Mletím za sucha se připraví velmi jemný prášek, mletím za mokra se připraví koloidní suspenze. Principy funkce a konstrukční uspořádání jsou obdobná již uvedeným typům mlýnů odstředivých kulových, úderových nebo kuželových. Vyšší jemnosti mletí je dosahováno vysokými otáčkami, malým průměrem kuliček (v mm) a delší dobou zdržení materiálu v mlecí komoře. Prouděním tekutiny mlecí komorou je zajištěn třídění již rozemletého materiálu. Základní cíle všech moderních konstrukcí drtičů a mlýnů: snížit měrnou spotřebu energie na rozmělňování materiálu, prodloužit životnost nejzatíženějších konstrukčních dílů, zvýšit provozní spolehlivost mlecích zařízení, minimalizovat tak provozní náklady.

5. GRANULACE Granulací, ale i tabletací nebo šupinkováním je rozuměna tvorba více či méně pravidelných částic, zpravidla kuliček, válečků nebo hrudek či šupin. Obvykle je cílem vytvoření částic s definovanými rozměry, většinou v rozmezí 1 – 5 mm, v případě tablet obvykle do 10 mm. Cílem granulace je vyrobit materiál s částicemi určité velikosti, po vytřídění bez obsahu prachu nebo slepenců a hrud. Tím je zajištěna ochrana pracovního a životního prostředí během veškeré manipulace s tuhým materiálem a jeho aplikaci (např. u tuhých průmyslových hnojiv), snadné skladování, doprava a přesné dávkování (např. granuláty potravin, krmiva pro zvířata, tablety léčiv). Část systémů granulace je řazena k procesům krystalizačním. Probíhá při nich krystalizace tuhých látek z tavenin, přesycených roztoků a suspenzí krystalů nebo spojování tuhých částic krystalickými můstky. Granulace práškovitých, často ve vodě omezeně rozpustných hmot, je realizována dle obsahu vlhkosti obvykle až po přídavku vody a za přesně definovaných podmínek. Někdy jsou používána pojiva. Pojivem může být v případě anorganických materiálů např. vodní sklo, minerální oleje a vosky, v případě potravin je pojivem např. škrob, tuky, roztoky cukru aj. V první fázi procesu granulace práškovitých hmot jsou částice vzájemně spojovány do aglomerátů, v konečné fázi až do žádaných granulí. Základní podmínkou vytvoření granule je vznik vazebních sil, které částice vzájemně poutají do aglomerátů. Ty vznikají přeskupováním částic při současném působení tlaku (vnějších sil), kdy se jednotlivé částice nebo později menší aglomeráty dostanou do těsného kontaktu. Pak mohou vazební síly udržet aglomerát pohromadě.

53

Při tvorbě granulí nízké a střední pevnosti se využívá ke spojování vlhkých částic nabalování s vytvořením kapalinových můstků. Velikost jejich zakřivení udává hodnotu vnitřního kapilárního podtlaku. Pevnost těchto můstků je závislá na množství kapaliny, která se nachází mezi částicemi. Postupným nabalováním dalších částic se zvyšuje pevnost vznikajícího spojení. Vazební mechanismus je složen ze dvou vazebních sil síly vyvozené kapilárním podtlakem v kapalinovém můstku, které jsou větší, síly vyvolané povrchovým napětím kapaliny v povrchové bláně můstku. Ke vzájemnému mechanickému přemísťování částic do nejvýhodnějších poloh při vzniku aglomerátů se používají různé typy granulátorů (žlabové, bubnové, talířové). Působení vnějšího tlaku využívají peletovací, briketovací a tabletovací lisy, extrudéry a zařízení jiných konstrukcí. Při spojování částic slisováním se získávají granule vysoké pevnosti. Uvedené vazební mechanismy vyvolané přítomností vazební tekutiny by obvykle, zejména při vysušení, nemohly zaručit požadovanou pevnost granulí, resp. by došlo k jejich rozpadu. Proto jsou přidávány tekutiny - připravená jako pojivo, a nebo je předpokládán vznik a tvorba pevných můstků během sušení s následnou rekrystalizací. To je nejběžnější postup, který se v průmyslové praxi aplikuje. Pevnost takto vzniklých granulí je závislá na řadě dalších parametrů, např. na koncentraci použitého roztoku a teplotě sušení. Pro úplnost je třeba uvést, že mezi částicemi granulátu existují ještě další vazby i když mezi nimi neexistuje krystalický můstek uplatnění slabých vazeb - interakcí typu Van der Waalsových sil. Ty se však uplatňují jen u částic submikronové velikosti a při velmi malých vzdálenostech mezi částicemi - řádově 10-8 m. působení elektrostatických sil, kdy elektrostatický náboj částic vznikající zejména za sucha při jejich styku může vyvolat vznik elektrostatické přitažlivé síly. Působení těchto vazebních sil je značně závislé na vzdálenosti částic, jejich velikosti a velikosti styčné plochy. U zrnitých materiálů v přirozeném stavu se obvykle nemohou uplatnit. Stlačením za vysokého tlaku řádu desítek MPa a deformací povrchů zrn lze dosáhnout takového stavu, kdy působení těchto vazeb se uplatní natolik, že dojde k vytvoření velmi pevných aglomerátů. To je uplatněno např. při výrobě uhelných briket, tablet léčiv nebo palet z organických materiálů. Mezi procesy granulace bývá rovněž řazena tabletace. Je strojně-technologicky komplikovanější, proto je používána pro tvarování menších množství a dražších materiálů. Typická je hlavně pro výrobu léčiv a doplňků výživy. Používána je především ve farmaceutickém průmyslu, kdy je velmi důležitý obsah medikamentů v tabletě. Základní výhodou pak je přesné dávkování účinných látek. Z dříve uvedeného textu je patrné, že se během granulace uplatňuje separátně nebo souběžně několik mechanizmů vzniku tuhých částic vzájemné spojování jednotlivých malých tuhých zrn – krystalů, prachových částic nebo hrudek většími kapkami tavenin nebo nasycených roztoků do větších částic,

54

tuhnutí taveniny nebo krystalizace tuhé látky z nasyceného roztoku na povrchu relativně velkých již existujících tuhých částic, spojení vlhkých nebo lepivých částic účinkem tlaku za sucha nebo po přídavku pomocné látky - pojiva na bázi vodního skla, roztoku klihu, škrobu, KMC, čpavkové vody, sulfitového louhu aj. látek, krystalizace - ztuhnutí kapek taveniny prudkým ochlazením v proudu chladného vzduchu, rychlé odpaření kapalné fáze z kapky nasyceného roztoku v proudu horkého vzduchu nebo spalin. V principu jsou rozlišovány granulační zařízení následujících typů stříkání (prilling) tavenin nebo horkých nasycených roztoků či tavenin se suspendovanými tuhými částicemi do protiproudu chladného vzduchu, nástřik tavenin do oleje, žlabová granulace tavenin nebo horkých nasycených roztoků, bubnová granulace chladných práškovitých materiálů po zvlhčení, talířová granulace chladných práškovitých materiálů po zvlhčení, nástřik tavenin na chlazené válce nebo brodění chlazených válců v tavenině, tlaková válcová granulace chladných práškovitých materiálů na profilovaných válcích, vytlačování pod tlakem spojené s lisování pro granulaci krmiv nebo biopaliv, lisováním tablet – tabletace práškovitých materiálů, hrudkování a aglomerace.

Obr. 5.1. Briketovací lis

55

Obr. 5.2. Tabletovací lis

Obr. 5.3. Talířový granulátor

1

2

3

4

5 6 Obr. 5.4. Granulace taveniny stříkáním ve věži (prilling)

56

1 – vstup taveniny, 2 – odsávací ventilátor otepleného vzduchu, 3 – rozstřikovací odstředivka (někdy i s přívodem tlakového vzduchu), 4 – granulační věž (pracovní výška až 70 m), 5 – vstup chladného vzduchu, 6 - výsyp surového granulátu

1

3

2

4 5 6 Obr. 5.5 Vřetenový žlabový granulátor 1 – vstup taveniny, 2 – vstup recyklovaného prachu, 3 – odsávání prachu a par, 4 – jedna nebo dvě hřídele s lopatkami poháněné elektromotorem přes převodovou skříň, 5 – granulační žlab, 6 - výsyp surového granulátu

2 1

3 4

5 Obr. 5.6 Granulační buben 1 – vstup materiálu do granulace s recyklovaném prachem, 2 – nástřik pomocné kapaliny, 3 – válcový granulační buben, 4 – odsávání prachu a par, 5 - výsyp surového granulátu

Obr. 5.7 Granulátor prstencový Prstencový granulátor je stroj používaný především pro zpracování krmiv. Slouží k přeměně suroviny z přirozeného stavu, ve kterém se nachází, do granulovaného stavu stlačením 57

samotné suroviny. V současnosti se začíná hojně využívat pro výrobu pelet z dřevěných pilin, slámy, energetických rostlin apod. V případě suroviny v sypkém stavu dochází společným působením tlaku, tepla a vlhka. V případě suroviny obsahující vlhkost v původním stavu následuje po zpracování stlačením obvykle sušení a chlazení, jež zabrání znehodnocení hotového výrobku. Granulační zařízení z obrázků 5.3. až 5.6. jsou často používána pro granulaci průmyslových hnojiv typu ledků, superfosfátů a močoviny, kombinovaných a směsných hnojiv typu NP, PK nebo NPK, ale i granulovaných potravin.

Obr. 5.8 Fluidní granulátor Anhydro 1 – násyp prášku, 2 – cyklon, 3 – odvod použitého vzduchu, 4 –granulátor, 5 – odvod granulátu, 6 – sekce chlazení, 7 – sítové dno, 8 – sekce sušení, 9 – sekce zvlhčování, 10 – přívod vlhčícího prostředku

Uvedenými typy granulace je získán surový granulát. Ten musí být vysušen zpravidla na obsah vlhkosti pod 1 % H2O, chlazen a tříděn. Všechna uvedená zařízení tvoří tzv. granulační smyčku. Nadsítný podíl z třídění surového granulátu je po rozemletí a podsítný podíl bez úpravy jsou vraceny zpět před granulaci jako zpětný tok - recykl (retour). Chladné prachové částice recyklu slouží během granulace jako krystalizační zárodky, taveninu chladí a tím významně ovlivňují rychlost krystalizace a mechanismus vlastní granulace.

58

Vytříděný a vychlazený granulát pak bývá ještě povrchově upravován postřikem (stearylaminem, olejovými hydrogenáty, montánními vosky aj.) a pudrován anorganickými látkami (kaolinem, mastkem, křemelinou, vápencem aj.). Tím je potlačena spékavost granulátů, prodloužena jejich sypkost a skladovatelnost až na půl roku bez negativního vlivu na kvalitu produktu. Granulace a tabletování na válcových granulátorech nebo lisech je používáno často jako konečná úprava řady polotovarů nebo výrobků, např. přísad do sklářského kmene pro výrobu skloviny, antioxidantů pro výrobu technické pryže, krmiv, léčiv, pesticidů aj. Touto úpravou je omezena prašnost, sníženy ztráty, materiály lze lépe dávkovat, před dalším zpracování předehřívat odpadním teplem apod. Granulaci lze z uvedených důvodů považovat za proces, který se významně podílí na úspoře surovin a energií, ochraně pracovního a životního prostředí.

6. TŘÍDĚNÍ Naprostá většina tuhých přírodních surovin, ale i surovin pocházejících z obnovitelných zdrojů, je získávána přímo z přírodního prostředí těžbou nebo po těžbě, drcení, mletí a případné další úpravě je k dispozici jen ve formě polydisperzních směsí. Jako příklad lze uvést štěrkopísky, kaolin, uhlí, kamenivo a vápenec. Zastoupení částic různé velikosti ve výchozích surovinách je ale pro řadu zpracovatelských technologií nevýhodné. Proto je třídění nezbytné jako součást úpravárenských postupů. Třídění je rovněž jednou z finálních operací řady materiálních výrob. Zajišťuje vedle rozměrové homogenity produktu minimální prašnost při jakékoliv manipulaci s materiálem a tím nižší ztráty i hygienické pracovní prostředí. Polydispersní materiál je rozdělován tříděním na frakce s přibližně stejnou velikostí zrn. Rozdružováním jsou oddělovány částice směsí materiálů dle složení. Pro rozpouštění tuhých látek v jakýchkoliv kapalinách nebo při jejich chemických rozkladech v kyselinách nebo hydroxidech je nutné, aby byla výchozí surovina co nejjemnější. Rychlost rozpouštění je řízena difusními procesy. V těchto případech je žádán pro urychlení rozpouštění nebo urychlení chemické reakce materiál s vysokým měrným povrchem. Hrubší podíly je nutné oddělit tříděním, rozmělnit a opět třídit, aby mohly být zpracovány. Rozpouštění lze intenzifikovat zvýšením teploty a mícháním. Požadavek na vysoký měrný povrch platí i pro řadu výrobků, např. stavební hmoty typu páleného vápna, vápenných hydrátů, suchých omítkových směsí, sádry nebo cementů různých typů. Tyto materiály při konečném zpracování na maltu, beton aj. směsi procházejí hydratací, která je dále spojena s chemickými reakcemi a krystalizací. Řada produktů je požadována s co nejužším rozmezím částic určité velikosti pro zlepšení manipulace i zpracovatelnosti, rozlišení jejich kvality, zlepšení dávkování a snížení prašnosti (např. obiloviny rozemleté na šrot a mouku příslušné kvality, granulované potraviny, krmiva a průmyslová hnojiva, tabletovaná léčiva). Po vytřídění žádané produkční frakce je získáván nadsítný podíl, který je po rozemletí opět tříděn nebo je většinou přidáván k podsítnému podílu z třídění. Všechen materiál je pak, vracen zpět do granulace, tabletování nebo

59

hrudkování, aby mohl být přepracován na výrobek. Tím je zajištěno vyšší účinností technologických postupů dokonalejší využití výchozích surovin z přírodních zdrojů, minimalizace ztrát a odpadů příslušných výrob při současném růstu jejich efektivnosti. Analytické stanovení velikosti částic je prováděno několika metodami. Z nich pro rychlost, jednoduchost provedení a spolehlivost výsledků je nejběžnější sítová analýza. Je užívána pro kontrolu provozu např. drtících, mlecích, třídících, granulačních, tabletovacích a krystalizačních procesů, kde je velikost získávaných částic jedním z rozhodujících technologických a kvalitativních parametrů. Nejčastěji je sítováním stanoveno procentické zastoupení (hmot. %) částic v určitém rozmezí velikosti, což dále umožňuje sestrojení distribučních křivek, výpočty střední velikosti částic a měrného povrchu frakcí. Rozdělení velikosti částic (PSD) v práškovitém nebo zrnitém materiálu, částic rozptýlených v tekutině je souhrnem hodnot nebo matematických funkcí, které určují relativní zastoupení částic určité velikosti. PSD je také známý jako distribuce velikosti zrn, viz kap. 16. Pro stanovení PSD je základní podmínkou zisk representativního vzorku analyzovaného materiálu. Pro odběr vzorků jsou normované metodiky závislé na tom, odkud je materiál odebírán - např. z prostoru skladu, ložné plochy dopravního prostředku, dopravního pásu nebo vzorku z baleného zboží apod. 6.1 METODY STANOVENÍ VELIKOSTI ČÁSTIC Sítový rozbor V praxi je používán velmi často pro jeho jednoduchost a nízkou cenu laboratorního zařízení sady kruhových sít s mechanickým vibračním třídičem. Pro orientační stanovení není vyloučeno ani manuální sírování. Použitelnost metody je omezena minimální velikostí částic (cca pod 40 cm). Fotoanalýza Tzv. automatické sítování pomocí technologie analýzy obrazu - fotografického snímku vyhodnocovaného pomocí speciálního softwaru. Metoda poskytuje rychlé a dostatečně přesné výsledky i pro velmi jemné materiály s částicemi submikronové velikosti. Optické metody Touto metodou lze měřit zastoupení mikroskopických částic jejich spočítáním v rastru s danými rozměry, tj. na dané ploše obrazu. Měření je tím přesnější, čím větší počet částic se do počítání zahrne. Metoda je velmi pracná, proto je používána velmi málo. Electroresistenční metody Příkladem je čítač Coulter, který měří okamžité změny vodivosti suspenze protékající otvorem přesně definovaných rozměrů.Počet částic se získá počítáním impulsů, velikost částic se stanoví z velikosti každého pulsu.Vzorek musí být rozptýlen v kapalině, musí být v tomto médiu nerozpustný. Sedimentační techniky Jsou založeny na studiu rychlosti sedimentace částic suspendovaných v kapalině. Čas sedimentace je volen dle nejdelší doby nutné na usazení nejjemnější částice. Metoda je vhodná pro částice s velikostí pod 10 mikronů, pro submikronové částice není dostatečně

60

přesná vzhledem k účinkům Brownova pohybu. Fotometricky je vyhodnocována změna intenzity záření procházejícího kyvetou se vzorkem. Tato metoda určuje velikost částic jako funkci sedimentační rychlosti. Laserové difrakční metody Tyto metody využívají fotoelektrického vyhodnocování změn intenzity záření rozptylem paprsku laseru v prostředí s tuhými částicemi (ve vzduchu nebo v kapalině). Úhel difrakce se zvyšuje se snižující se velikostí částic. Metoda je zvláště vhodná pro měření velikosti mezi 0,1 a 3,000 μm Pokroky v sofistikovaném zpracování dat a automatizaci dovolily, aby se tato metoda stala dominantní v průmyslovém určení PSD Velkou výhodou je, že technika může pracovat kontinuálně, např. ve výrobních procesech nebo sledování emisí z průmyslových zdrojů znečištění plynů a vod. Akustická spektroskopie Metoda využívává místo světla pro vyhodnocení měření velikosti a obsahu částic ultrazvuk. Tuhé částice jsou rozptýleny v tekutině a absorbují ultrazvukové vlny. Výsledná hodnota útlumu kmitočtového spektra ultrazvuku je vstupním údajem pro výpočet rozdělení velikosti částic.Měření může být realizováno pro jakékoliv tekutiny bez ředění nebo jiné přípravy vzorku. To je velká výhoda metody. Výpočet distribuce velikosti částic je založen na teoretickém modelu, který je dobře ověřen pro až 50% objemu rozptýlených částic. Každá z uvedených metod stanovuje rozdílné velikostní charakteristiky měřeného souboru částic. 6.2 ZÁKLADNÍ METODY TŘÍDĚNÍ 6.2.1 Ruční přebírka Je vhodná a ekonomická pouze pro rozdružování relativně malých množství materiálu, zpravidla drahého nebo jinými metodami netříditelného. Nutnou podmínkou vysoké účinnost tohoto způsobu třídění je existence opticky dobře rozeznatelných znaků tříděného materiálu (barva, velikost a tvar krystalů, lesk aj.). Uplatňuje se rovněž tam, kde se dále uvedené fyzikální principy třídění nemohou uplatnit vůbec např. pro riziko poškození tříděného materiálu nebo mají malou účinnost. To platí pro třídění ovoce a zeleniny, dotřiďování chmelových hlávek – odstranění listů. Ruční přebírka je také uplatňována po svozu druhotných surovin ze separovaného sběru odpadů nebo za třídícími linkami odpadových materiálů k oddělení např. různé kvality papíru, plastů, barevných kovů apod. Ruční přebírka je často užívána jako koncová operace pro dotřídění zkoncentrovaného a předtříděného materiálu např. za úpravnickými linkami těžby polodrahokamů nebo drahokamů. Výjimečně je ruční přebírka používána i jako první stupeň třídění v případě separace zrakem spolehlivě rozeznatelných minerálů ve formě hrud nebo drúz krystalů o velikosti několika centimetrů silně rozptýlených (málo koncentrovaných) ve výchozí hornicky vytěžené rubanině. 6.2.2 Mechanické třídění

61

Mechanickým tříděním je získáván propad, t.j. částice žádané maximální velikosti prošlé sítem a nadsítný podíl, t.j. částice větší, které sítem neprošly. Nadsítný podíl, který by se jinak stal odpadem, je pro zvýšení výtěžnosti separačních procesů opět drcen nebo rozemlet a vracen do třídění. Materiál je tříděn na roštech nebo sítech s přesně definovanou velikostí otvorů. Rošty i sítoviny jsou vůči vodorovné rovině skloněny, aby se tříděný materiál lépe pohyboval po třídící ploše sítoviny. K třídění v laboratorních a provozních podmínkách jsou užívány normalizované sítoviny s přesně definovanou velikostí otvorů (ok v pletených nebo ražených sítech). Přehled nejužívanějších sítovin uvádí tabulka. 6.3 MECHANICKÉ TŘÍDIČE Třídiče bez sít - nepohyblivé nebo vibrující rošty. Tento způsob třídění je používán jen pro hrubé přetřídění materiálu před jeho dalším drcením a mletím nebo jiným zpracováním. Časté je jejich požití v úpravnických linkách lomů nebo zpracovatelských linkách např. výroben granulovaných průmyslových hnojiv. Výkon roštů je při malém úhlu sklonu nízký, při zvýšeném sklonu výkon roste, ale klesá účinnost třídění. Úhel sklonu roštů bývá v rozmezí 20 - 60o. Rošty jsou vyráběny z ocelových prutů nebo pásů na jednom nebo obou koncích vzájemně spojených (svařených). Tříděný materiál se přes skloněné nepohyblivé rošty volně sype. Jejich sklon bývá větší, než je sklon roštů pohyblivých. U pohyblivých roštů jsou vyvozovány vibrace elektromotorem s excentricky

Obr. 6.1 Třídící rošty umístěným setrvačníkem nebo elektromagnety s elektronicky řízenou frekvencí a intenzitou vibrací. Mezera mezi roštnicemi je volena dle požadované maximální velikosti částic v propadu, t.j. materiálu procházejícím roštem. 62

Bubnové sítové třídiče. Bubnové třídiče bývají používány méně často pro omezený výkon a účinnost třídění, někdy bývají součástí tzv. prvního stupně třídění (předtřídění) materiálu. Používány jsou pro třídění odpadů, kompostů apod. Rotující buben třídiče je skloněn pod úhlem 5 - 10o a je umístěn na kladkách. Poháněn je přes převodovou skříň elektromotorem. Vlastní třídící buben je kryt síťovinou nebo se jedná o trubku vyrobenou z ocelového perforovaného plechu. Z vnější strany je držen nosnou konstrukcí s věnci, na nichž se odvaluje. Buben je opatřen menšími otvory na straně vstupu materiálu a většími otvory směrem ke spodnímu výstupu. Jednotlivé odtříděné frakce jsou sváděny násypkami umístěnými pod třídícím bubnem do zásobníků nebo jsou dopravovány přímo k dalšímu zpracování. Zaklíněné částice tříděného materiálu jsou ze sítoviny odstraňovány mechanicky, např. kartáčovými, pryžovými nebo kovovými stěrači.

Obr. 6.2 Bubnový třídič Sítové třídiče vibrační a třasadlové Tyto typy třídičů jsou v průmyslové praxi nejčastější. Jsou užívány jak v úpravnictví nerostných surovin, tak v průmyslu chemickém a potravinářském. Jejich výhodou je vysoký výkon, provozní spolehlivost, vysoká účinnost třídění a nízká měrná spotřeba energie na tunu vytříděného materiálu. Účinnou součástí těchto třídičů jsou plochá síta vyrobená z perforovaného plechu (s kruhovými otvory nad cca 10 mm) nebo z pletené sítoviny vyrobené z kovových drátů případně syntetických vláken (polyamid, polyester aj.). Pletené sítoviny mají většinou čtvercová oka (sklon sítoviny v třídiči je kolem 15o) , méně často jsou používány sítoviny s obdélníkovými oky (tzv. harfové sítoviny pro sklon sít kolem 45o). Sítovina je napnuta v kovovém rámu umístěném ve skříni třídiče. Ve skříni třídiče je umístěn jeden, dva nebo více rámů se síty nad sebou, síta s největšími oky jsou nahoře. Potom jsou rozeznávány jedno, dvou nebo vícesítové třídiče. Vibrace rámu se síty jsou vyvozovány:

63

mechanicky převodovou skříní s excentrem, na němž je uložena vana se síty, mechanickými budiči pevně spojenými s rámem síta rozechvívanými elektromotorem s excentricky umístěným setrvačníkem, elektromagnetickými budiči podvěšenými pod rámem se sítovinou. Elektronicky řízenými otáčkami elektromotorů nebo elektronicky řízenou frekvencí a intenzitou vibrací elektromagnetů je měněn výkon třídiče. Periodickou změnou otáček nebo frekvence a intenzity vibrací je dosaženo samočisticího efektu síta - částice materiálu zaklíněné v ocích sítoviny jsou při krátkodobě zvýšené amplitudě a frekvenci kmitů s vysokou účinností uvolněny a provozovatelnost síta třídiče bez omezení účinnosti se tak výrazně prodlouží. Běžné jsou mechanické třídiče (obr. 6.2), kde jsou vibrace vyvozeny excentrem pohybujícím celou vanou se síty třídiče. Excentr je poháněn elektromotorem přes převodovou skříň. Samočisticího efektu je u sítových třídičů dosaženo umístěním podložného síta s většími oky a pryžovými kuličkami pod třídící síto - nepravidelný pohyb kuliček vyráží zaklíněné částice z ok třídící sítoviny. Pro malá množství tříděného materiálu je v praxi také používáno manuelní třídění na sítech. 1

2 Obr. 6.2 Schéma dvousítového vibračního třídiče 1 – vstup tříděného materiálu, 2 – výsypky vytříděného materiálu (zleva podíl podsítný, produkční a nadsítný)

Elektromagnetické třídiče Tyto třídiče slouží k oddělení feromagnetických materiálů a jejich slitin4 z tříděných směsí. Bývají součástí úpravnických linek surovin, třídících linek odpadů a dopravních linek popelovin ve spalovnách. Často jsou také umísťovány před drtící a mlecí zařízení ve výrobních linkách, aby nedošlo k poškození pracovních ploch drtičů a mlýnů, např. čelistí, kuželů, kol, kladiv a stěn mlecích komor, cizími kovovými předměty. V principu jsou používány elektromagnetické třídiče bubnové, válcové a pásové. Jejich hlavní součástí jsou elektromagnety napájené střídavým nebo stejnosměrným elektrickým proudem. 4

Feromagnetické vlastnosti vykazují prvky Fe, Co, Ni a Sm – samarium ze skupiny lanthanoidů.

64

1

3

2

4

5

6

Obr. 6.3 Bubnový elektromagnetický třídič 1 – násypka tříděného materiálu, 2 – dopravní pás, 3 – rotující buben s elektromagnety, 4 – stěrač, 5 výsyp neferomagnetického materiálu, 6 – výsyp feromagnetického materiálu

6.4 PNEUMATICKÉ TŘÍDĚNÍ Principem pneumatického třídění je např. unášení rozemletého materiálu z mlecí komory proudem vzduchu. V závislosti na rychlosti proudění vzduchu, hustotě tříděného materiálu, hmotnosti, velikosti i tvaru částic materiálu se mění dolet unášených částic v oddělovací komoře. Výhodou pneumatického třídění je vysoký výkon, relativně nízká měrná spotřeba energie, ale menší ostrost třídění. Nezbytnou součástí pneumatického třídění jsou systémy odprašování transportního vzduchu (viz dále). Pneumatické třídění je běžnou součástí moderních mlecích okruhů např. v mlýnicích surovin úpravnického, cementářského a chemického průmyslu, mlýnicích cementu a vápna, mlýnicích potravinářského a cukrovarnického průmyslu. Mlecí komora je fakticky zároveň komorou třídící. Jemnější částice mletého materiálu žádané velikosti jsou proudem vzduchu vynášeny z prostoru mlecí komory a těžší částice, dosud ještě dostatečně nerozmělněné, v něm zůstávají. V zásadě jsou používány dva základní typy pneumatických třídičů: Vzduchové průtočné třídiče Tyto třídiče využívají gravitační síly pro odloučení těžších částic z proudu vzduchu v komoře třídiče. Komora má jednu nebo více výsypek odtříděného materiálu a výstup vzduchu odnášející nejjemnější materiál. Absolutní rychlostí proudění vzduchu je řízena velikost sedimentujících nebo naopak unášených částic tříděného materiálu. Tento způsob pneumatického třídění se také nejčastěji uplatňuje u dříve uvedených mlecích okruhů. Vzduchové odstředivé třídiče Tento typ třídičů využívá odstředivé síly vyvozené kruhovým pohybem transportního vzduchu v komoře třídiče. Nejtěžší částice se v důsledku sedimentace v odstředivém poli shromažďují u stěn komory třídiče, odkud jsou odváděny samostatným výsypem. Nejjemnější částice, které se nestihnou v prostoru komory třídiče odloučit, jsou proudem vzduchu

65

odnášeny do mechanických odlučovačů prachu. Princip funkce je obdobou cyklónových odlučovačů prachu (viz. dále). 6.5 HYDRAULICKÉ TŘÍDĚNÍ Hydraulické třídění je založeno na podobných principech, jako třídění pneumatické. Polydisperzní směs tuhého rozemletého materiálu je rozmíchána ve vodě a vzniklá suspenze je rozdělena na základě rozdílné sedimentační rychlosti částic. Sedimentační rychlost je závislá hlavně na rozdílu hustoty částic tříděného materiálu a vody, tvaru a geometrických rozměrech sedimentujících částic a viskozitě suspenze (viz dále). Hydraulické třídění je vhodné pro třídění velkých množství minerálních surovin, zejména na jejich oddělení od hlušiny v úpravnických procesech. Výhodou hydraulického třídění jsou vedle vysokého výkonu a účinnosti také nízké měrné spotřeby energie a tím i nízké měrné náklady. Další výhodou je opláchnutí povrchu jednotlivých hrubších částic od nežádoucích jemnějších příměsí a nečistot. Voda je zpravidla v hydraulických třídících linkách recirkulována, aby se dále snížila její celková spotřeba a snížily se emise znečišťujících látek do povrchových vod. Pokud má být vypuštěna odpadní voda do povrchových vod, např. při odstavení úpravny a technologickém čištění před opravami, musí projít čistírnou odpadních vod (ČOV). Zde je zbavena suspendovaných částic sedimentací v kalových jímkách, usazovácích nebo dekantérech případně filtrací. Pokud se některá složka z výchozí suroviny ve vodě rozpouští, musí být odstraněna, nejčastěji srážením. V praxi byly nebo jsou využívány následující systémy hydraulického třídění: Rýžování Jedná se o nejstarší a nejjednodušší způsob hydraulického třídění dříve přednostně používaný pro získávání ryzích kovů (zlata, platiny), cenných minerálů a drahokamů (korund, zirkon, granáty, diamanty) ze zvětralých nebo rozmělněných minerálů. Ze suspenze vytěžených minerálů v rýžovací pánvi je proudem vody vyplavován materiál s nižší hustotou. Částice s nejvyšší hustotou zůstávají u dna pánve (v případě zlata nuggety nebo zlatinky). Plavící žlaby Vodní suspenze minerálů protéká plavícím žlabem s určitým objemovým průtokem kapaliny. Žlab má na dně tkaninu nebo sítovinu a přepážky tvořící samostatné sedimentační komory. V těchto komorách působením gravitační síly sedimentují částice minerálů dle jejich hustoty a velikosti zrna. Sedimentující částice žádaných minerálů jsou nepřetržitě (kontinuálně) nebo periodicky (diskontinuálně) ze sedimentačních komor žlabu odváděny k odvodnění a dalšímu zpracování. Nejjemnější kal (rmut) odtéká mimo žlab, např. na kalové pole. Plavící žlab je v principu obdobou pneumatického průtočného třídiče nebo rýžování. Jedná se o konstrukčně jednoduché, účinné, provozně spolehlivé a výkonné zařízení často v úpravnických linkách užívané.

1

66

2

3 4 Obr. 6.4 Schéma plavícího žlabu 1 – přítok suspenze, 2 – plavící žlab s přepážkami a sedimentačními komorami, 3 – výpusti sedimentů, 4 – odtok rmutu

Hydrocyklony Hydrocyklony využívají k odloučení tuhých částic odstředivé síly. Suspenze vstupuje do hydrocyklonu - vertikální válcové komory s tangenciálně (tečně) umístěným vstupním hrdlem. Rotačním pohybem suspenze v prostoru komory hydrocyklonu vzniká odstředivá síla. Jejím působením největší částice s nejvyšší hustotou sedimentují u stěny, proudem kapaliny a účinkem gravitace jsou unášeny ke kónickému dnu s výpustí, odkud jsou odváděny k odvodnění a dalšímu zpracování. Nejjemnější kal - rmut - je z prostoru hydrocyklonu odváděn koncentrickou trubkou procházející horním víkem. 2 1

1

2

3

3

Obr. 6.5 Schéma hydrocyklónu 1 – přítok suspenze, 2 – výtok rmutu, 3 – regulovaná výpust kalu

Vzhledem k zastavěnému prostoru a velikosti odstředivé síly má hydrocyklon vyšší výkon a účinnost na odloučení jemných částic než plavící žlab. Hydrocyklony jsou v principu obdobou odstředivých pneumatických třídičů. Často jsou užívány jak v úpravnických procesech, tak i k úpravě a čištění vod nebo v průmyslu pro odlučování tuhých částic ze suspenzí. Důvodem častého užití jsou nízké pořizovací i provozní náklady, vysoký výkon, provozní spolehlivost a účinnost.

67

7. MÍSENÍ, MÍCHÁNÍ A SMĚŚOVÁNÍ Míšení, míchání a směšování náleží do skupiny základních technologických operací. Běžně je používáno v laboratorní a zejména průmyslové praxi. Obvyklé je zejména v průmyslu chemickém, potravinářském, farmaceutickém, ale i sklářském a metalurgickém. Matematický popis míchání je podrobně zpracován z pohledu hydrodynamických procesů v chemickoinženýrské literatuře, z pohledu konstrukčního a materiálového provedení ve strojírenské literatuře. 7.1 ZÁKLADNÍ CÍLE Základním cílem míšení a míchání je rozptýlit v objemu základní kapaliny nejčastěji vody, případně organických rozpouštědlech, roztocích kyselin nebo hydroxidů další jednu nebo více složek, přičemž kapalina je převažující složkou příprava homogenních roztoků smícháním dvou nebo více vzájemně v sobě rozpustných kapalin, příprava emulzí z omezeně rozpustných kapalin, příprava suspenzí rozmícháním zpravidla jemně rozemleté látky v kapalině, obvykle vodě, intenzifikace rozpouštění tuhých látek v kapalině, urychlení přenosu hmoty při chemických reakcí - rozkladu tuhých látek v kyselinách nebo hydroxidech, intenzifikace výměny tepla. Na míchání úzce navazuje hnětení – homogenizace pastovitých, krémových nebo těstovitých směsí včetně přípravy malt nebo betonu. V řadě případů je vzájemně kombinováno i více z uvedených případů míchání současně. Intenzitu míchání lze významně urychlit snížením viskozity kapalné fáze zahříváním soustavy. Naopak s růstem viskozity soustavy způsobené vyšším podílem tuhých látek až do těstovité konzistence systému přechází míchání v hnětení. 7.2 DRUHY MÍCHÁNÍ 7.2.1 Mechanické míchání Mechanické míchání je obvykle realizováno ve válcových nádobách s rovným nebo hluboce klenutým dnem - míchačkách, míchaných reaktorech, krystalizátorech aj. Vlastní míchací zařízení je tvořeno míchadly různých konstrukcí (viz dále). Míchadla jsou pevně uchycena na hřídeli. Hřídel míchadla je obvykle umístěna v ose válcové nádoby, ale může být umístěna i šikmo nebo z boku. Pohon míchadla zajišťují elektromotory spojené s převodovou skříní nebo méně často převodem s klínovými řemeny či řetězem. Někdy jsou jsou v míchaných nádobách svisle na stěně umístěny 3 - 4 vlnolamy (zarážky) svislé desky, které podporují vertikální, tj. souběžně radiální a axiální proudění v nádobě

68

vyvolané míchadlem a omezují roztočení obsahu ve směru otáček míchadla. Tím se rychlost homogenizace, často spojená s výměnou tepla, významně urychlí. Rotační část - vlastní míchadlo - vyvozuje sílu axiální, tj. ve směru osy i sílu odstředivou, tj. ve směru radiálním. Ve směru osy míchadla kapalinu nasává a ve směru radiálním kapalinu vytlačuje k obvodu míchadla a tím ke stěně nádoby.

69

Obr. 7.1 Základní typy mechanických míchadel

70

D - průměr nádoby

Zarážky

dm - průměr míchadla

Výška hladiny

h - výška míchadla nade dnem

Obr. 7.2 Schéma míchané nádoby V praxi je používáno několik konstrukcí míchadel a jejich modifikací Turbínové míchadlo - může mít oběžné kolo otevřené (typ 2) nebo uzavřené. Lopatky mohou být rovné nebo zahnuté proti směru otáčení, podobně jako u oběžných kol odstředivých čerpadel. Turbinové míchadlo je umístěno v 1/3 výšky nádoby ode dna, má desítky až stovky otáček za minutu. Obvodová rychlost bývá v rozmezí 3 - 9 m.s-1. Lopatkové míchadlo - má ploché lopatky připevněné na společný hřídel objímkami. Mohou být svislé, nebo svírají s rovinou hřídele určitý úhel, např. 45o. Míchadlo je umístěno v 1/3 H - výšky hladiny kapaliny v míchané nadobě. Nevýhodou jsou nížší otáčky, řádově desítky ot/minutu (20 - 150 ot/min.). Listové míchadlo - na hřídeli je upevněna deska obdélníkového tvaru. Otáčky jsou řádově desítky ot/minutu. Míchadlo je umístěno ve výšce 10 % průměru nádoby ode dna. Vrtulové míchadlo (rychloběžné) - je tvořeno vrtulí se 2, 3 i 4 listy. Počet otáček je volen dle viskozity kapaliny v rozmezí 400 - 1500 ot/minutu. Míchadlo je umístěno v 1/3 - 1/2 výšky míchané kapaliny. Účinek vrtulového míchadla lze zlepšit umístěním vrtule do tzv. difuzoru - středu válcové trubky vložené v míchané nádobě. Tím je usměrněna cirkulace míchané kapaliny do vertikálního směru. Např. u krystalizátorů tak lze navíc dosáhnou klasifikačního efektu - větší a těžší krystaly sedimentují u dna a jsou odpouštěny mimo nádobu, zatímco jemnější krystaly zůstávají ve vznosu a dále narůstají. Kotvové míchadlo - v nárysu tvarem připomíná kotvu. Umístěno je těsně nade dnem míchané nádoby a svým obrysem sleduje profil dna. Umožňuje vyhrnování krystalů nebo stírání usazenin ze dna a stěn nádoby. Je používáno se pro velmi viskózní roztoky a suspenze, také je používáno ke hnětení těstovitých látek. Počet otáček je většinou v jednotkách ot./min. Rámové míchadlo - v nárysu má obdélníkový tvar - vznikne z lopatkového míchadla připojením svislých obdélníkových příček. Je používáno se pro viskózní roztoky a suspenze. Umístěno je u dna míchané nádoby, jedná se o pomaluběžné míchadlo - počet

71

otáček je v jednotkách ot./min. Pásové míchadlo - má tvar šroubovice - pásu o šířce cca 100 mm , který při otáčení stírá ze stěn přilepenou hmotu. Je používáno pro viskózní inkrustující roztoky a suspenze, počet otáček je v jednotkách až desítkách ot./min. Planetové míchadlo - vykonává dva pohyby - hřídel míchadla se otáčí zároveň kolem osy nádoby a kolem své osy. Diskové míchadlo - je tvořeno kruhovým diskem umístěným v ose míchané nádoby. V případě diskových extraktorů je umístěno v prostoru nádoby několik diskových míchadel zajišťujících rozptýlení vzájemně nemísitelných kapalin na drobné kapičky - cílem je významné zvětšení mezifázového povrchu důležitého pro urychlení tohoto difuzního procesu. Základní geometrické rozměry nádob a míchadel d - průměr míchadel turbínových, lopatkových, planetových, diskových a vrtulových je volen cca 33 % průměru válcové části míchané nádoby. d - průměr míchadel kotvových, rámových a pásových je 95 - 98 % průměru míchané nádoby. Výška listu turbinového a lopatkového míchadla je obvykle 20 % jeho průměru d, u listového míchadla bývá shodná s jeho průměrem. Pokud se do míchaných nádob s míchadly malých průměrů umísťují 3 - 4 vlnolamy (zarážky) - svislé desky kolmé k tečně válcového pláště nádoby - odpovídá jejich šířka 10 % průměru nádoby D. Sahají nad hladinu, takže jejich výška téměř odpovídá výšce válcové části nádoby5 H. Spotřeba energie pro míchání S využitím teorie podobnosti a modelování byly experimentálně odvozeny grafické závislosti mezi Reynoldsovým kritériem pro míchání Rem a kritériem energetickým Ф (energetickým faktorem), označovaným také jako Eulerovo kritérium pro míchání Eum : Rem

Ф

d2m n ρ = ----------------η

N = ---------------- = d 5m n3 ρ

Eum

dm - průměr míchadla (m) n - počet otáček za sekundu (ot.s-1) ρ - hustota (kg.m-3) η - dynamická viskozita ( N.s.m-2) N - příkon (W)

Pokud jsou míchány suspenze obsahující velmi tvrdé a abrazívní částice, zarážky se nepoužívají pro vysoké opotřebení materiálu stěn míchaných nádob. 5

72

Obr. 7.3 Závislost energetického kritéria Ф na Reynoldsově kritériu Rem A - B - oblast laminárního proudění B - C - oblast přechodová C - D - oblast turbulentního proudění při použití zarážek (vlnolamů) C - E - oblast turbulentního proudění bez použití zarážek (vlnolamů) S využitím dříve uvedených vztahů a parametrů odečtených z grafické závislosti lze s vysokou přesností spočítat příkon elektromotorů mechanických míchadel. Přitom je třeba brát v úvahu, že rozběhové proudy jsou 3 - 5 x větší než za ustáleného stavu - ustáleného proudění. 7.2.2 Cirkulační míchání Cirkulace pomocí čerpadla - promíchávání roztoků nebo suspenzí v nádrži je zajištěno odstředivým čerpadlem. V případě suspenzí mívá čerpadlo otevřené oběžné kolo. Kapalina je nasávána u dna nádrže a je zaváděna k hladině. V cirkulačním okruhu může být zařazen výměník tepla. Cirkulace pomocí čerpadla bývá používána i k promíchávání omezeně mísitelných kapalin, např. k přípravě emulzí. Míchací zařízení tohoto typu může pracovat kontinuálně i diskontinuálně, což je častější. Cirkulace pomocí čerpadla je používána např. v metanizačních reaktorech na zpracování kalů v ČOV nebo také krystalizátorech, viz. kap. 15. Cirkulace pomocí trysky - bývá používáno k promíchávání omezeně mísitelných kapalin, tj. k přípravě emulzí (viz dříve). Účinkem velké rychlosti kapaliny v ústí trysky dochází v nádrži k intenzívní turbulenci, která zajišťuje homogenizaci obsahu nádrže. 7.2.3 Pneumatické míchání Pneumatické míchání je zajištěno vháněním stlačeného vzduchu ke dnu nádrže s 73

promíchávanou kapalinou. Do prostoru nádrže je vzduch rozváděn perforovanými trubkami nebo rozdělovači z perforovaného plechu či porézní keramiky. Jelikož má vzduch cca o tři řády nižší hustotu než kapaliny, stoupá vzhůru a tím promíchává kapalnou fázi. Pneumatické míchání se používá pro korozívní kapaliny nebo suspenze. S výhodou je využíváno pneumatické míchání v čistírnách odpadních vod v aerobním biologickém stupni k tzv. jemnobublinové aeraci. Kromě míchání objemu nádrže se v objemu čištěné vody rozpouští vzdušný kyslík. Určitou modifikací pneumatického systému míchání je použití ejektoru. Stlačený vzduch do něhož je do trysky zaváděn vzduch nebo vzduch obohacený kyslíkem případně i čistý kyslík, který si nasává čištěnou odpadní vodu. V difuzoru se obě složky intenzivně promíchávají.

Obr. 7.4 Rozvod vzduchu perforovanými hadicemi v jemnobublinové aeraci ČOV

8. ČIŠTĚNÍ PLYNŮ – ODPRAŠOVÁNÍ A ODLUČOVÁNÍ KAPEK V technologické praxi obecně je velmi častým případem rozdělování heterogenních směsí na složky, tj. především oddělování tuhých látek z tekutin – plynů, par nebo kapalin, případně oddělování kapek kapalin od plynů nebo par. Důvodem pro realizaci těchto operací je získat čistou (-tý): tuhou látku, čistou kapalinu, čistý vzduch, technický plyn nebo páru, tuhou látku i tekutinu. Toto je požadováno ve výrobních procesech k oddělení žádané složky – polotovarů nebo výrobků ze zpracovávaných materiálů, ale také v tzv. koncových čistících technologiích

74

k oddělení znečišťující složky6. V těchto případech je přípustný obsah znečišťujících látek a tím minimální odlučivost čistících zařízení stanovena legislativou. Zákon tak stanovuje povinnosti projektantů, investorů a provozovatelů zdrojů znečištění ovzduší a vod s ohledem na jejich kapacitu, chemické složení a množství emitovaných škodlivin. Odlučování tuhých nebo kapalných částic z plynů Odlučováním tuhých nebo kapalných částic z plynů, spalin fosilních nebo recentních paliv, vzduchu do výrobních procesů nebo z výrobních procesů jsou rozuměny všechny mechanické čistící operace. Odlučovací zařízení jsou nedílnou součástí všech průmyslových zařízení, kde jsou technologické tekutiny znečištěny tuhými částicemi, případně kapkami. V naprosté většině případů je preferována možnost vrácení odloučených částic do výrobního procesu s cílem finalizace zachyceného materiálu v konečném produktu. V tomto smyslu jsou odlučovací procesy běžnou součástí tzv. čistších - maloodpadových technologií. Pokud neexistuje možnost zpracování zachycené tuhé nebo kapalné fáze v základním výrobním procesu nebo jiných výrobních procesech, pak se jedná o klasické koncové technologie čištění plynů nebo vod. 8.1 FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ODLUČOVÁNÍ 8.1.1 Gravitační síla Částice unášené např. v horizontálním směru proudem tekutiny rychlostí vh jsou zároveň vystaveny působení gravitační síly, která jim uděluje pádovou rychlost vp tg β

(s)

vh = ----------vp vh

vp

vs

vv

FO

FV (s)

FG

Odlučování tuhých nebo kapalných částic probíhá běžně v přírodním prostředí. Je součástí samočisticích mechanismů, při nichž např. částice prachu nebo kapky v ovzduší, částice kalu rozptýlené ve vodě sedimentují účinkem gravitační síly. 6

75

Obr. 8.1 Vektorový diagram V gravitačním poli působí na částici (s) gravitační síla FG, která částici uděluje pádovou rychlost vp. Proti směru gravitační síly dále působí síla odporu prostředí FO a síla vztlaková Fv. Velikost těchto sil je definována pro kulovou částici následujícími vztahy 1 FG = ms g = ----6

V rovnováze sil platí

d3

s

g

(8.1)

FO

1 = - ----8

d2

g

vp 2

(8.2)

FV

1 = - ----6

d3

g

g

(8.3)

FG - FO - FV = 0

(8.4)

Pádovou rychlost částice vp lze vyjádřit jako

vp

=

4 ds g ( s - g ) --------------------------------3 g

1/2

(8.5)

kde ds je průměr částice, g gravitační zrychlení, s hustota materiálu částice, g hustota tekutiny a koeficient obtékání částice tekutinou. Hodnota koeficientu je závislá na charakteru proudění, tj. velikosti Reynoldsova čísla (1). V laminární oblasti proudění platí pro pádovou rychlost částice rovnice vp 1 d Re = ------------(8.6) 1 2 1 vp = --------- d2 --------------- g 18

(8.7)

Velikost gravitační síly je často pro odloučení tuhých částic z proudu tekutin příliš malá a nezajišťuje vyhovující účinnost odlučování. Sedimentace submikronových částic je rušena přirozeným prouděním tekutiny, její turbulencí a difusními jevy s tepelným pohybem molekul (Brownův pohyb). Proto je využíváno dalších odlučovacích metod. 8.1.2 Odstředivá síla Je-li pro odlučování částic využita odstředivá síla, může být její silové působení na částici i řádově vyšší, než je síla gravitační. Pak lze účinek síly gravitační zanedbat, nahradit ji silou odstředivou a v rovnici (8.5) zaměnit gravitační zrychlení g součtem zrychlení odstředivého ao a zrychlení Coriolisova aC vo 2 ao = ------(8.8) 76

r aC = 2 FO

vo

1 = ms a = ----6

(8.9) d3

s

( ao + aC )

kde vo je rychlost pohybu částice po křivce o poloměru r, usazovací rychlost částice vu v odstředivém poli platí vztah vu

=

4 ds ( s - g ) vO2 --------------------------------- ( ----- + 2 3 r g

(8.10)

její úhlová rychlost. Pro

vo )

½

(8.11)

kde celkové zrychlení působící na částici je součtem zrychlení odstředivého a Coriolisova. Pokud se částice pohybuje v komoře s pohyblivými lopatkami, např. v odstředivém ventilátorovém odlučovači, uděluje ji zrychlení i tlakový gradient - časová změna relativní rychlosti částice vrel. vůči rychleji proudícímu plynu jí uděluje zrychlení ar ar

d vrel = --------d

(8.12)

Celkové zrychlení ac, které potom na částici působí, je součtem zrychlení odstředivého, Coriolisova a relativního ac = ao + aC + ar (8.13) Celkové zrychlení ac pak lze dosadit do rovnice pro usazovací rychlost částice v odstředivých ventilátorových odlučovačích. Z rovnic (8.8) a (8.11) je patrné, že odstředivá síla FO roste se čtvercem obvodové rychlosti částice vo při pohybu po kruhové dráze o poloměru r . Odstředivá síla (8.10) působí i na fiktivní částici plynu, ale v důsledku její cca o tři řády nižší hustoty je slabší, než síla působící na tuhou částici a její dráhu téměř nezakřivuje. To má za následek shromažďování tuhých částic např. při vnější stěně oblouku potrubí, při vnější straně komory s vířivým pohybem plynu, vnější stěně ulity odstředivého ventilátoru nebo odstředivého ventilátorového odlučovače apod. Tyto závěry jsou důležitéý pro konstrukci všech mechanických odlučovačů prachu využívajících odstředivé síly. 8.1.3 Elektrostatická síla V elektrostatických odlučovačích je využíváno k odloučení tuhých nebo kapalných částic z proudu plynu působením elektrostatické síly na částice s elektrickým nábojem. Elektrostatická síla F je definována pro bodové elektrické náboje ve vakuu vztahem F =

o

Q1 . Q2 ---------------r2

77

(8.14)

kde Qi jsou elektrické náboje, o je permitivita vakua r vzdálenost mezi náboji. Permitivita reálného prostředí je součinem permitivity vakua o a relativní permitivity prostředí r = o

o

.

r

= 8,859 . 10-12 C2N-1m-2

(8.15) (8.16)

Intenzita elektrického pole E je obecně definována jako podíl elektrostatické síly F a příslušného elektrického náboje Q F E = -------(8.17) Q Intenzita elektrického pole spojitě rozloženého náboje v prostoru, což je případ elektrostatických odlučovačů (viz dále), je definována vztahem 1 E = ---------4

V o

q --------- dV, r3

(8.18)

kde q je prostorová hustota náboje dQ v prostoru dV vyjádřená podílem dQ q = -------dV

(8.19)

Čištěný plyn je v prostoru elektrostatického odlučovače ionizován tzv. koronovým výbojem. Koronový výboj vzniká mezi elektrodami připojenými na zdroj stejnosměrného proudu o vysokém napětí (min. desítky kV). V elektrickém poli určité minimální kritické intenzity Ek (Vm-1) jsou ionty přirozeně přítomné v každém plynu (v důsledku ionizace krátkovlnným zářením, vysokou teplotou) urychlovány, až získají takovou kinetickou energii, že jsou schopny štěpit na ionty další původně neutrální molekuly – plyn v prostoru mezi elektrodami je dále ionizován srážkami elektricky neutrálních molekul s ionty urychlenými elektrostatickým polem. Pak mezi elektrodami začne protékat elektrický proud – vzniká tzv. korónový výboj. Rychlost pohybu iontu vi je úměrná intenzitě elektrického pole E a pohyblivosti iontu u vi = E u

(8.20)

Pohyblivost iontu je obecně funkcí absolutní teploty, převrácené hodnoty jeho hmotnosti a tlaku – pohyblivost iontu s růstem absolutní teploty stoupá a naopak s růstem jeho hmotnosti a tlaku klesá u = f ( T, 1/m, 1/P) (8.21) K2 Ek = K1 ( 1 + -------- ) (8.22) .r -1 kde Ek je kritická intenzita elektrického pole (Vm ), K1 (Vm-1) a K2 (m1/2) jsou empirické konstanty závislé na geometrii elektrod, r je poloměr drátové elektrody a je relativní hmotnost plynu To P = ----- . -------(8.23) T Po

78

Napětí U mezi dvěma body v prostoru A,B lišícími se rozdílným elektrickým potenciálem, který odpovídá intenzitě elektrického pole E, je obecně definováno vztahem B

U =

E dr ,

(8.24)

A

kde dr je vzdálenost mezi dvěma body v prostoru s rozdílným potenciálem. Kritické intenzitě elektrického pole odpovídá kritické napětí Uk (V), které je definováno vztahem a) pro trubkové odlučovače s usazovací elektrodou tvaru válce R Uk = Ek r ln -----(8.25) r kde R je poloměr trubkové usazovací elektrody (anody) a r je poloměr drátové nabíjecí elektrody (katody). b) pro komorové odlučovače s usazovací elektrodou v podobě desky 4R Uk = Ek r ln ------3r

(8.26)

kde R je vzdálenost deskové usazovací elektrody od drátové nabíjecí elektrody. V jednopolárně ionizovaném plynu částice tuhé látky nebo kapaliny adsorbují na svém povrchu ionty nebo volné elektrony a získávají tak elektrický náboj. Částice prachu nebo kapaliny s elektrickým nábojem rozptýlené v prostoru elektrostatického odlučovače vytvoří celkový prostorový náboj Qp , který je součtem prostorových nábojů Q1 a Q2 , které jsou definovány dále uvedenými vztahy Q = Q1 + Q2

(8.27)

- 1 6 Z1 ( 1 + 2 ------------ ) E -------- , r + 2 m dstř r

Q1 =

o

-6

Q2 = 1,6 . 10

6 ( 1 - Z1) ------------------m rstř

,

(8.28)

(8.29)

kde Q je celkový náboj nesený 1 kg polydisperzního prachu (C.kg-1) v elektrickém poli intenzity E s relativní permitivitou r , středním průměrem částic dstř , hustotou materiálu částic m a Z1 je podíl částic s odpovídajícím středním průměrem. Hustota prostorového náboje qnp (C m-3) je potom úměrná součinu celkového náboje 1 kg částic Q s koncentrací k (kg m-3) qnp = k . Q (8.30) qa je tzv. nasycený prostorový náboj, tj. maximální náboj, který mohu částice získat v daném elektrickém poli, za daného chemického složení systému, teplotních a tlakových podmínek. V reálných podmínkách je dosažitelný nižší prostorový náboj qSk , než je náboj nasycený. Tento náboj získají v časovém intervalu qsk

79

4

--------qnp = -------- . --------------------------qsk u qi ( 1 - --------- ) qnp o

qsk = ---------qnp

(8.31)

(8.32)

kde prostorový náboj všech ionizovaných částic qi je závislý na skutečném prostorovém náboji prachových částic qsk a je součinitel poměrného nabití částic. Na odlučované částice v elektrostatickém odlučovači potom působí současně a) elektrostatická síla FE = Q E

(8.33)

b) gravitační síla – uplatní se pouze u elektrostatických odlučovačů s vertikálním tokem plynu, kdy prodlužuje nebo zkracuje dobu setrvání částice v elektrostatickém poli. Vlastní usazovací rychlost neovlivňuje 1 FG = ms g = ----d3 s g (8.34) 6 c) síla odporu prostředí 1 FO = - ----d2 g vp2 (8.35) 8 Vektorový součet těchto sil uděluje nabitým částicím zrychlení, jehož výsledkem je usazovací rychlost vu. Pro částice větší než 1 mikron je usazovací rychlost vu vu

Q.E = ------------3 d

(8.36)

a po dosazení náboje částic a úpravě vztahu je usazovací rychlost vu vu

8,855 . 10-12 E1 E2 dstř = ----------------------------------3

(8.37)

kde E1 je intenzita el. pole, kde částice získala náboj, E2 je intenzita el. pole, kde částice právě nachází, dstř je střední průměr částice, je dynamická viskozita plynu je nabíjecí součinitel závislý na relativní permitivitě. V elektrostatickém poli nadkritické intenzity a za nadkritického napětí se usazují elektricky nabité částice na povrchu elektrody s opačným nábojem. Zpravidla mají záporný náboj a proto se usazují na uzemněné anodě - kladně nabité válcové nebo deskové usazovací elektrodě. Důvodem přednostního nabíjení částic záporným nábojem je vyšší pohyblivost volných elektronů než kladně nabitých jader molekul.

80

Pohyb iontů a volných elektronů mezi elektrodami odlučovače s rozdílným potenciálem (V) se navenek projevuje jako procházející elektrický proud. Jeho intenzita je úměrná napětí mezi elektrodami, takže platí obecný vztah: I = f(U) (8.38) což je tzv. volampérická charakteristika odlučovače. Napětí na elektrodách nesmí překročit tzv. přeskokové napětí, při kterém přejde koronový výboj v jiskrový výboj, kdy jsou elektrody fakticky zkratovány. Voltampérickou charakteristiku elektrostatického odlučovače a velikost přeskokového napětí určuje: teplota a tlak plynů působící na pohyblivost iontů, chemické složení směsi plynů a relativní permitivity složek, vlhkost plynů, konstrukce a tvar elektrod 8.1.4 Difusní jevy Pohyb submikronových částic je ovlivňován molekulární a konvektivní (turbulentní) difusí dle Fickových zákonů. Difusní procesy zpravidla zpomalují migraci částic vyvolanou účinkem odlučovacích sil. Proto zpomalují i odlučovací procesy, ať již probíhají účinkem síly gravitační, odstředivé nebo elektrostatické. 8.1.5 Koagulační jevy Koagulací je rozuměno shlukování částic zpravidla submikronové velikosti. Je výsledkem slabých interakcí mezi částicemi způsobených polaritou molekul a kapilárními silami. Koagulaci lze vyvolat působením jevů termických, sil gravitační, odstředivé nebo elektrostatické, akustickými vlnami, turbulencí – vířením apod. Koagulace má příznivý účinek na průběh odlučovacích procesů, neboť obecně je snazší odloučení větších částic – v tomto případě jejich aglomerátů, než částic menších, původní velikosti. 8.1.6 Filtrace Filtrace je založena na oddělování pevných částic na pevné porézní přepážce. V principu jsou v počátku odděleny pouze částice větší, než je průměr pórů v přepážce. Po vytvoření filtračního koláče z oddělovaného prachu nebo kalu jsou zachycovány i částice řádově menších rozměrů, než jsou rozměry pórů. Proto je filtrace nejúčinnějším odlučovacím procesem i pro částice submikronové velikosti. Přes všeobecně vysokou odlučivost filtrace je její nevýhodou vyšší tlaková ztráta pZ na filtrační přepážce a filtračním koláči při žádané vysoké odlučivosti. To má za následek vyšší spotřebu energie pro pohon ventilátorů, dmychadel, vývěv nebo kompresorů plynů a pokles průtoku tekutin úměrně se zvyšující síle filtračního koláče7

7

Totéž platí pro spotřebu energií nezbytné pro pohon čerpadel při filtraci suspenzí.

81

pZ = v (

h + R)

kde v je rychlost průtoku plynu, mezerovitost filtračního koláče, plynu, h síla filtračního koláče a R odpor filtrační přepážky.

(8.39) dynamická viskozita

Jako filtračních materiály jsou používány tkané a netkané textilie, papír, keramika, slinuté sklo (frity), slinuté kovy, polymerní membrány, kombinace uvedených materiálů. Pro zachování tlakové ztráty v přijatelných mezích, tj. cca do 1000 Pa, je nutné snížit až o tři řády rychlost průtoku plynů filtrační překážkou a filtračním koláčem. Rychlost proudění plynů v potrubích je obvykle v rozmezí 10 – 15 m.s-1, zatím co rychlost proudění filtrační přepážkou je 1 – 2 cm.s-1. To má za následek velké rozměry skříní filrů všech konstrukcí a následně vysoké investiční náklady na obestavěný prostor objektů, kde jsou filrační zařízení zabudována. 8.2 KONSTRUKCE A TECHNICKÉ PARAMETRY ODLUČOVAČŮ 8.2.1 Suché mechanické odlučovače prachu z plynů – cyklóny 8 Cyklóny - vírové odlučovače - náleží k nejužívanějším mechanickým odlučovačům využívajícím k odloučení tuhých nebo kapalných částic odstředivé síly. Jejich odlučivost je omezena cca 90 – 95 % dle parametrů prachových částic. Proto jsou v současnosti většinou používány jako první stupeň odprašování plynů. Žádný typ vírových odlučovačů není schopen splnit nyní platné emisní limity prachu! Dočištění plynu probíhá v jiných typech odlučovačů s vyšší odlučivostí. Plyn vstupující do vírového odlučovače je konstrukcí vstupu plynu uváděn do vířivého šroubovicového pohybu, který vyvolává odstředivou sílu a odloučení částic. Ty se shromažďují u stěny válcové komory vírového odlučovače. Při odlučování částic u některých vírových odlučovačů a jejich vyprazdňování spolupůsobí gravitační síla. V praxi mnohem častější je použití vírových odlučovačů – cyklónů s tečným (tangenciálním) vstupem znečištěného plynu. Jejich výhodou je konstrukční jednoduchost a proto nízká cena. Běžně jsou vyráběny z ocelového plechu, ale i plastů. Pokud jsou vyrobeny z oceli, mohou odprašovat plyny s teplotou cca do 400 oC, např. spalin z roštových kotlů. Jediným omezením je teplotní odolnost materiálu. Ocelové cyklóny s žáruvzdornou keramickou vyzdívkou jsou běžně používání k odloučení hořících částic uhlí ve fluidních kotlích s cirkulujícím fluidním ložem, kde teplota spalin dosahuje až 600 oC. Dále jsou cyklóny často používány pro odprašování odpadních plynů v průmyslu stavebních hmot, výrobnách průmyslových hnojiv, V praxi se v minulých letech používalo více typů suchých odlučovačů – usazovací komory, odstředivkové odlučovače, žaluziové odlučovače aj. Pro jednoduchost konstrukce, nízkou cenu a přiměřenou účinnost se nyní uplatňují prakticky jen vírové odlučovače typu a) – cyklóny s tečným vstupem čištěného plynu. 8

82

dřevozpracujícím a nábytkářském průmyslu, obilních silech, mlýnech a výrobnách krmných směsí jako součástí pneumatických doprav apod. Odlučivost cyklónů zpravidla dosahuje 80 – 95 % pro částice s průměrem nad 10 m při hustotě vyšší než 1000 kg.m-3 a hustotě plynu 1,0 kg.m-3. Pro částice s menším průměrem a hustotou odlučivost prudce klesá. Částice menší než 1,0 m vírové odlučovače nezachytí. Výhodou cyklonů je menší citlivost odlučivosti na změny průtoku čištěného plynu – snížený průtok sice způsobí zmenšení odstředivé síly a tím usazovací rychlosti, ale prodlouží se doba setrvání částice v odstředivém poli, čímž se pravděpodobnost odloučení naopak zvýší. Jsou rozeznávány dva základní typy vírových odlučovačů: a) cyklón s tečným vstupem plynu 2

b) cyklón osový s vestavbou (vírník). 1

1

4

3 1

3

3

2

2 Obr. 8.2 Vírové odlučovače 1 – vstup zaprášeného plynu, 2 – výstup odprášeného plynu, 3 – výsyp odloučeného prachu, 4 – pevné rozváděcí kolo

83

Usazovací rychlost částice o průměru 5 m a hustotě 1000 kg.m-3 je v gravitačním poli Země ve vzduchu 0,75 mm.s-1, v odstředivém poli cyklónu na ni působí odstředivé zrychlení i 500 g a její usazovací rychlost se zvýší na 0,375 m.s-1, tj. prakticky o 3 řády! Tlaková ztráta cyklónů se pohybuje závisle na rychlosti plynu mezi 600 – 1000 Pa, tj. cca do 100 mm vodního sloupce. Za těchto podmínek lze používat ve vzduchotechnických systémech středotlaké jednostupňové radiální nebo axiální ventilátory. Ty jsou konstrukčně jednodušší, proto spolehlivější, investičně a provozně levnější, než ventilátory vysokotlaké a vícestupňové nezbytné pro systémy s vyšší tlakovou ztrátou.

Tlaková ztráta cyklónu bývá vyjádřena vztahem p =

v2 ------2

g

(8.40)

kde je součinitel odporu, g hustota plynu a v rychlost proudění v potrubí o průměru cykĺónu, tj. zdánlivá rychlost plynu. Cyklóny jsou konstruovány pro průtoky plynu od cca 100 do 25.000 Nm3.h-1, výjimečně pro průtoky vyšší. Má-li být čištěn větší objem plynu, běžně se řadí paralelně do sestav 2, 4, 6 i více cyklónů obecně označovaných jako multicyklón. Příslušenstvím cyklónů jsou zásobníky prachu, turniketové aj. podavače na výstupu ze zásobníků a dopravníky prachu (pásové nebo šnekové) na odvod prachu zpět do výrobní technologie nebo zásobníku (kontejneru) odpadů. Pro jednoduchou kontrolu provozu cyklónů, ale i celých vzduchotechnických systémů včetně ventilátorů jsou pro místní používány skleněné U-manometry plněné vodou. Za normálního ustáleného provozu jsou tlaky (podtlaky) ve vzduchotechnických systémech konstantní. V případě poruch se např. ucpávání cyklonu projeví růstem jeho tlakové ztráty. Pro dálkové měření jsou užívány diferenční manometry s pneuelektrickými převodníky umožňujícími přenos signálu do řídících velínů. Signál je pak využitelný pro kontrolu provozu vzduchotechniky, signalizaci poruch, řízení a regulaci. Cyklóny jsou méně vhodné pro čištění plynů s vysokou relativní vlhkostí, kdy hrozí při poklesu teploty kondenzace par, vlhnutí prachu a jeho nalepování. Někdy je tento problém obcházen nepřímým otopem stěn cyklónů parním potrubím s tepelnou izolací. Rovněž odlučování hygroskopických prachů může činit potíže se zalepováním. Ve všech dříve uvedených případech je potom vhodnější použití jiného systému odlučování prachu, zejména mokré odlučovače (viz dále). Sklon k zalepování cyklónů vykazují i suché inertní prachové částice s průměrem pod 15 – 10 m i když jsou obsaženy v plynu s nízkou relativní vlhkostí. Navíc jsou tyto prachové částice cyklóny odlučovány s nízkou účinností. Proto je pak vhodnější dvoustupňové odlučování – hrubší částice s průměrem nad 15 m jsou zachyceny v 1. stupni tvořeném cyklóny a jemnější částice jsou odlučovány ve 2. stupni tvořeném např. filtry nebo elektrostatickými odlučovači (viz. dále).

84

Cyklony v současnosti v jakémkoliv konstrukčním uspořádání nejsou schopny splnit platné emisní limity polydispezního prachu. Proto jsou používány jen pro odloučení hrubších částic s velikostí cca nad 5 μm nebo bývají použity pro první stupeň odprašování. Běžně jsou cyklony součástí pneumatických doprav, kde odlučují z proudu dopravního vzduchu např. semena obilnin a olejnin. Jemnější částice – plevy, osiny, zbytky tobolek, makovic, lusků a zeminy se odlučují ve 2. stupni čištění na textilních filtrech (viz dále). 8.2.2 Mokré mechanické odlučovače 9 Sprchové věže Principem funkce sprchových věží a ostatních mokrých mechanických odlučovačů je nástřik skrápěcí kapaliny do protiproudu čištěného plynu. Částice prachu se musí setkat s kapkou skrápěcí kapaliny a musí jí být smáčena. Smáčení prachových částic je podmínkou jejich zachycení v kapalné fázi. Současně bývají sprchové věže využívány k ochlazení a vlhčení čištěných plynů, ale také k absorpci znečišťujících plynů. Sprchové věže jsou zpravidla válcové komory kruhového průřezu bez náplně, výjimečně s náplní (rošty, mříže, žaluzie aj.). Dle korozních, teplotních a tlakových poměrů jsou sprchové věže vyráběny z konstrukčních ocelí tř. 11 nebo 12 (někdy bývají vnitřní stěny pogumované nebo mají kyselinovzdornou vyzdívku), dále jsou konstruovány z nerezavějících ocelí tř. 17, plastů nebo laminátů. Do prostoru sprchových věží je zdola radiálně nebo tečně uváděn čištěný plyn. Vyčištěný plyn je odváděn axiálně horním víkem. Shora je nastřikována vypírací kapalina jednou nebo více tryskami. Trysky musí zajistit rovnoměrný rozstřik skrápěcí kapaliny do průřezu věže. Skrápěcí kapalina se shromažďuje u dna věže, které může sloužit jako předlohová nádrž. Pomocí odstředivého čerpadla je zajištěna cirkulace skrápěcí kapaliny z předlohové nádrže k rozstřikovacím tryskám. Část vznikající suspenze nebo roztoku, rozpouštějí-li se prachové částice, je z cirkulační smyčky odpouštěna a doplňuje se čerstvou skrápěcí kapalinou. Pokud je to technologicky a ekonomicky schůdné, vrací se skrápěcí kapalina se zachyceným prachem do výrobního procesu, jinak je odváděna na čistírnu odpadních vod. Toto je obecně hlavní nevýhodou mokrých mechanických odlučovačů – zajišťují dobré zachycení prachových částic, ale vznikne určitý objem skrápěcí kapaliny, která se musí zpravidla energeticky náročným postupem zpracovat nebo je odpadem. Provoz cirkulačního okruhu sprchových věží lze snadno automatizovat. První regulační smyčka zajišťuje konstantní hustotu skrápěcí kapaliny. To je výhodné pro úsporu skrápěcí kapaliny a zpracovatelnost vznikající suspenze nebo roztoku. Při vzrůstu hustoty skrápěcí kapaliny zajistí její odpouštění mimo cirkulační okruh. Druhá regulační smyčka udržuje konstantní hladinu v předlohové nádrži regulací přívodu čerstvé skrápěcí kapaliny do cirkulačního okruhu. Průměr sprchových věží je volen tak, aby proud plynu neodnášel kapky skrápěcí kapaliny. Rychlost plynu nesmí ve volném průřezu věže přesáhnout cca 1,5 m.s-1 ve věžích bez odlučovačů kapek a 2,2 m.s-1 ve věžích s žaluziovými odlučovači kapek, je-li skrápěcí V minulých letech byla vyvinuta užívána řada typů mokrých odlučovačů prachu – hladinové odlučovače, vírníky, mokré cyklony aj. Pro konstrukční složitost, vyšší cenu a omezenou účinnost byly vytlačeny v této kapitole uváděnými mokrými odlučovači. 9

85

kapalinou voda. Nižší rychlosti průtoku plynu jsou výhodné pro nízkou tlakovou ztrátu, ale vyžadují úměrně větší průměr věží pro větší průtoky plynu. Výška sprchových kolon bývá kolem 5 - 10 metrů. Sprchové věže jsou proto vždy rozměrná zařízení. Je-li skrápěcí kapalinou voda a čištěný plyn je chladný, musí být zpravidla umístěny uvnitř výroben, aby v zimě nezamrzaly. To zvyšuje jak investiční, tak i provozní náklady. V současnosti jsou používány sprchové věže pro zachycování průmyslových prachů výjimečně, mnohem častější je užití dalších typů mokrých mechanických odlučovačů.

1

2 8 3

7

4 6 5 Obr. 8.3 Sprchová věž bez výplně 1 – výstup čistého plynu, 2 – žaluziový odlučovač kapek, 3 – rozstřikovač skrápěcí kapaliny, 4 – vstup znečištěného plynu, 5 – předlohová nádrž, 6 – cirkulační čerpadlo, 7 – odpouštění koncentrované skrápěcí kapaliny, 8 – přívod čerstvé skrápěcí kapaliny

Pěnové odlučovače Pěnové odlučovače (pěnové pračky) náleží k nejúčinnějším a proto často používaným mokrým mechanickým odlučovačům. Jejich výhodou je vedle odprášení odpadních průmyslových plynů také jejich ochlazení a absorpce plynných znečišťujících složek. Toho je často využíváno v chemickém průmyslu.

86

Pěnové odlučovače jsou konstruovány jako kolony kruhového, ale častěji čtvercového průřezu se zpravidla dvěma nebo třemi patry. Pod horním víkem je vždy instalován žaluziový odlučovač kapek. Patro je tvořeno perforovaným plechem s otvory průměru kolem 5 – 7 mm nebo roštem se štěrbinami stejné šíře. Celý odlučovač je vyroben z nerezavějícího ocelového plechu (materiál tř. 17) nebo termoplastů (polypropylen). Skrápěcí kapaliny – zpravidla voda, vodné suspenze nebo vodné roztoky – jsou přiváděny na první horní patro. Rozváděcí přepadový žlab zajišťuje rovnoměrný nátok kapaliny na patro. Měrná spotřeba vody bývá 0,2 – 0,4 litru na 1 m3 čištěného plynu. Součástí odlučovače je cirkulační skrápěcí okruh s předlohovou nádrží, odstředivým čerpadlem a regulačním systémem. Základní uspořádání cirkulačního okruhu je shodné jako u sprchových věží (viz. obr. 8.3). Rychlost proudění plynu ve volném průřezu je do 2,2 m.s-1, aby se potlačil úlet kapek kapaliny z odlučovače. Rychlost proudění v otvorech patra je 5x vyšší. Na patře se proto vytváří vrstva vodní tříště o výšce l5 – 20 cm, která navenek vypadá jako pěna – odtud typové označení odlučovače. Do skrápěcí kapaliny ale není přidáváno žádné pěnidlo! V takto vytvořené pěnové vrstvě s velkým mezifázovým povrchem je vysoká pravděpodobnost střetu kapky s prachovou částicí, což je podmínkou jejího odloučení z proudu plynu a dosažení vysoké odlučivosti. Velký mezifázový povrch zajišťuje intenzívní sdílení tepla mezi plynem a skrápěcí kapalinou i difusní procesy při absorpci plynných složek ve skrápěcí kapalině. Frakční odlučivost prachu v pěnových odlučovačích je pro částice s velikostí nad 5 m kolem 95 %, pro částice nad 10 m je až 100 %. Za běžných provozních podmínek je dosahováno pro částice s velikostí nad 5 m odlučivosti na úrovni 98 – 99 %. Pro částice s velikostí kolem 1 m a menší je odlučivost nízká, většinou hluboko pod 50 %. Proto pro odlučování jemných částic nejsou pěnové odlučovače vhodné. Pěnové odlučovače také nejsou vhodné pro odlučování nerozpustných vláknitých částic prachu, které silně zanášejí otvory nebo štěrbiny pater. Někdy úlet netvoří jen prach, ale také jemné kapičky skrápěcí kapaliny, které sedimentují v nejbližším okolí výdechu komína ventilačního systému. Emise prachu pak neobtěžují širší okolí závodu. Pěnové odlučovače jsou běžně konstruovány pro průtoky plynu do 50.000 Nm3.hod.-1, ale i vyšší. Tlaková ztráta na 1 patro pěnového odlučovače je kolem 300 N.m-2, pěnový odlučovač se dvěma patry má celkovou tlakovou ztrátu asi 900 N.m-2. Pěnové odlučovače jsou s výhodou používány pro zachycování lepivých hygroskopických a ve vodě rozpustných prachových částic, např. ve výrobnách průmyslových hnojiv, ale i částic nerozpustných, pokud jsou izometrické. Nejhrubší částice prachu jsou zachycovány ve spodní kónické části pěnového odlučovače, kam je zaváděn čištěný plyn – vstupní potrubí je vždy otočeno směrem dolů. Skrápěné stěny částečně fungují jako hladinový odlučovač. Tím je předcházeno zanášení otvorů perforovaných pater nebo štěrbin roštů, zvyšuje se provozní spolehlivost. 2

6 3 5

87

1

4 Obr. 8.4 Pěnový odlučovač 1 – vstup plynu, 2 – výstup plynu, 3 – vstup skrápěcí kapaliny, 4 – výstup skrápěcí kapaliny, 5 – dvě pěnová patra, 6 – žaluziový odlučovač kapek

Konstrukční a dílenské nároky na provedení mokrých pěnových odlučovačů jsou vyšší, než je obvyklé u dále uvedených proudových odlučovačů. To se promítá do jejich vyšší pořizovací ceny při stejné kapacitě a účinnosti. Proudové odlučovače Proudové odlučovače pracují na principu nástřiku vypírací kapaliny do proudu čištěného plynu. V něm se kapalina rozptyluje na jemné kapičky. Tím je dosaženo vysoké pravděpodobnosti kontaktu kapek s prachovými částicemi, podmínky jejich odloučení. Velký mezifázový povrch je rovněž podmínkou pro intenzívní sdílení tepla a absorpci plynů během odlučování prachu. Kapky vypírací kapaliny jsou po nástřiku do proudového odlučovače řádově větší, než jsou prachové částice unášené proudem plynu. Optimální průměr kapek pro odlučovací proces je mezi 60 – 100 m. Jejich velikost je závislá na rychlosti proudění plynu a povrchovém napětí vypírací kapaliny. Se změnou rychlosti proudění plynu a změnou tlakové ztráty proudového odlučovače se mění průměr kapek. S růstem rychlosti plynu klesá průměr kapek. 1

2

2

88

3 Obr. 8.5 Proudový odlučovač Ventura 1 – vstup znečištěného plynu, 2 – trysky pro nástřik vypírací kapaliny, 3 – výstup plynu s vypírací kapalinou

V první fázi čistícího procesu je v zúženém profilu proudového odlučovače rychlost proudícího plynu nesoucího pachové částice výrazně vyšší, než je rychlost kapiček nastřikované vypírací kapaliny. Proto se kapky za plynem nesoucím prachové částice opožďují, vzájemně do sebe narážejí. Kapky jsou plynem urychlovány, získávají kinetickou energii. V další fázi se v rozšiřujícím průřezu proudového odlučovače (difuzoru) rychlost plynu s prachem snižuje pod rychlost pohybu kapek kapaliny – kapky předbíhají plyn nesoucí prach – rychlostní poměry jsou proti první fázi obrácené, ale částice prachu se s kapkami opět vzájemně srážejí. Ve třetí fázi procesu jsou za proudovým odlučovačem kapky vypírací kapaliny odděleny z proudu plynu. Odlučovač kapek pracuje na principu cyklónu s využitím odstředivé síly. Příslušenstvím proudového odlučovače je cirkulační okruh se systémem měření a regulace shodné koncepce, jako byla popsána u sprchových věží (viz. obr. 8.3) Tlaková ztráta proudových odlučovačů konstrukce Imatra Venturi (viz. obr. 8.5) včetně odlučovačů kapek se pohybuje mezi 800 – 1200 N.m-2. Jsou obvykle konstruovány pro průtoky plynu do 50.000 Nm3.hod.-1, výjimečně vyšší. Proudové odlučovače jsou s úspěchem využívány v chemickém průmyslu a spalovnách komunálních, průmyslových i nebezpečných odpadů. Často je zde kumulována funkce odprašovacího zařízení spolu s chlazením odsávaných plynů a absorpcí. Podle charakteru znečišťujících složek je jako vypíracích kapalin užíváno roztoků zředěných minerálních kyselin s nízkou tenzí par ( např. kyselina fosforečná) nebo vodných alkalických roztoků (např. NaOH, Na2CO3). Z tohoto důvodu bývají proudové odlučovače předřazeny dalším absorpčním stupňům – absorpčním kolonám s výplní, které brání před zanášením nerozpustnými látkami a čištěný plyn ochladí. Odlučivost proudových odlučovačů přesahuje 98 – 99 % i pro částice velikosti kolem 1 m. Tyto parametry je řadí k nejúčinnějších mokrým mechanickým odlučovačům prachu. Další typy mokrých mechanických odlučovačů prachu V průmyslové praxi jsou používány i další typy mokrých mechanických odlučovačů, které dosahují odlučivostí na úrovni 97 – 98 %, ale i nad 99 % pro prachové částice velikosti kolem 5 – 10 m. Jedná se o menší zařízení kompaktní konstrukce určená pro odlučování především inertních nelepivých prachových částic. V jejich konstrukci jsou kumulovány principy a konstrukční prvky cyklónových odlučovačů s tečným nebo osovým vstupem plynu, případně 89

proudových odlučovačů s průchodem plynu clonou vodních kapek, či využití nárazu proudu plynu nesoucího prachové částice na hladinu kapaliny. Dále uvedené typy odlučovačů jsou používány pro čištění menších objemů plynů, většinou pod 20.000 Nm3.hod.-1. Tlaková ztráta těchto odlučovačů se pohybuje mezi 500 - 1000 N.m-2. Jedná se o následující typy odlučovačů vírníkové odlučovače a mokré vírové odlučovače (mokré cyklóny), hladinové odlučovače, odstředivé skrubry, pračky s mechanickým rozstřikem vypírací kapaliny (obvykle vody). Uvedené typy odlučovačů jsou používány např. v ocelárnách pro čištění plynů odsávaných z kyslíkových konvertorů v ocelárnách, čištění plynů odsávaných z elektrických obloukových, odporových nebo indukčních pecí v hutích, ve slévárnách, strojírnách aj. provozech, kde je čištěn povrch kovů tryskáním proudem stlačeného vzduchu nebo pískováním. 8.2.3 Elektrostatické odlučovače Elektrostatické odlučovače (dále EO) také bývají v odborné literatuře označovány jako elektrické odlučovače nebo elektrofiltry. Celková odlučivost elektrostatických odlučovačů OC byla definována Deutschovými vztahy a) pro komorový odlučovač L.w - ---------R.v

OC = 1 - e

b) pro trubkový odlučovač

(8.41) 2.L.w

- -----------R.v

OC = 1 - e

(8.42)

kde L je délka aktivní zóny odlučovače v metrech, w je střední odlučovací rychlost částice v m.s-1, R je vzdálenost mezi nabíjecí a usazovací vysokonapěťovou elektrodou v metrech a v je rychlost proudění plynu odlučovačem v m.s-1.

o

L = -----v

(8.43)

odpovídá době zdržení částice v aktivní zóně odlučovače, tj. v prostoru mezi vysokonapěťovými elektrodami, a vztah o

R

90

= -----w odpovídá době odlučování částice S f = ------V

(8.44)

u

(8.45)

kde f je měrná usazovací plocha v s.m-1, S je plocha usazovací vysokonapěťové elektrody v m2 a V je objemový průtok plynu odlučovačem v m3. s-1 Odlučivost EO je závislá především na době zdržení nabité částice v aktivní zóně odlučovače, tj. v elektrickém poli mezi vysokonapěťovými elektrodami, velikosti elektrostatické síly, která na částice působí, velikosti částic a náboji, který získávají, koncentraci prachu a měrné usazovací ploše elektrod (viz kapitola 8.1). Průtočná rychlost plynu odlučovači je 1 – 2 m.s-1, tj. o řád nižší, než je obvyklé v potrubí vzduchotechniky. Proto jsou EO vždy zařízení velmi rozměrná, umístěná vně průmyslových objektů. Aby nedocházelo ke kondenzaci par v prostoru EO, jsou jejich skříně tepelně izolovány. Odlučivost EO dosahuje hodnot i nad 99,5 %. Tlaková ztráta těchto odlučovačů je od 500 do 1000 N.m-2. Jsou konstruovány pro průtoky čištěného plynu řádově ve statisících až milionech Nm3.hod.-1. V tomto smyslu se jedná o vůbec nejvýkonnější odlučovače prachu. Jsou použitelné i pro čištění horkých plynů s teplotami do 400o C, neboť všechny konstrukční díly jsou vyrobeny z oceli nebo keramiky (el. izolátory). Jsou napájeny stejnosměrným elektrickým proudem o napětí obvykle 40 – 80 kV. V praxi jsou používány následující typy EO v provedení suchém pro odlučování prachu, ale i provedení mokrém pro současné odlučování prachu a kapek mlhy: Vertikální trubkové odlučovače Vysokonapěťové usazovací elektrody jsou tvořeny trubkami kruhového nebo šestiúhelníkového průřezu, jejichž středem prochází nabíjecí drátová elektroda. Plyn proudí zdola nahoru. Zachycený prach je s povrchu usazovacích elektrod suchých EO odstraňován mechanicky oklepem kladívky. U mokrých EO je splachován nastřikovanou kapalinou. Nevýhodou vertikálních odlučovačů je propad oklepávaného prachu nebo zachycených kapek mlhy proudem přiváděného plynu, který ho část opět strhává s sebou do aktivního prostoru odlučovače. To zvyšuje zátěž EO a snižuje účinnost odloučení prachu. 3

4

5

91

6

Obr. 8.6 Vertikální trubkový elektrostatický odlučovač

1

2

1 – vstup plynu, 2 – výstup odloučeného prachu, 3 – výstup plynu, 4 – drátová nabíjecí elektroda (katoda), 5 – trubková usazovací elektroda (anoda), 6 – rozváděcí žaluzie

Vertikální trubkové elektrostatické odlučovače mají komplikovanou konstrukci vstupu plynu s rozváděcími žaluziemi, které musí zajistit rovnoměrné rozdělení plynu do prostoru jednotlivých trubkových elektrod – rychlost proudění plynu v každé z trubek musí být pokud možno stejná. Z tohoto důvodu a pro dříve uvedené nevýhody jsou používány spíše ojediněle. Výhodné jsou pro čištění plynů za vysokých teplot, kdy nedochází k deformacím konstrukčních dílů a tím změnám geometrie aktivního prostoru. Horizontální komorové odlučovače Vysokonapěťové usazovací elektrody jsou tvořeny deskami s prolisy - profilovanými deskami pro zvýšení jejich mechanické pevnosti. Středem mezi deskami prochází nabíjecí drátové elektrody. Plyn proudí obvykle horizontálně. Zachycený prach je s povrchu usazovacích elektrod odstraňován mechanicky oklepem kladívky. U mokrých EO je splachován nastřikovanou kapalinou. Výhodou vertikálních EO je částečné oddělení proudu plynu od směru pádu odloučeného prachu nebo kapek. To umožňuje dosažení vyšší odlučivosti a menšího měrného zatížení usazovacích elektrod. Horizontální komorové elektrostatické odlučovače jsou nejčastěji používány pro odlučování prachu z horkých průmyslových plynů o teplotě až 300 – 400 oC. Příkladem jsou např. spaliny z elektrárenských nebo teplárenských kotlů spalujících uhlí, spaliny z kotlů spaloven komunálních nebo průmyslových odpadů, předchlazené spaliny z cementářských rotačních pecí pro výpal slínku, odpadní plyny z pecí pro výpal vápence, dolomitu a magnezitu, plyny z aglomeračních linek úpraven rud apod.

1

2

92

3 4

5

5

Obr. 8.7 Horizontální komorový elektrostatický odlučovač 1 – vstup plynu, 2 – výstup plynu, 3 – deskové usazovací elektrody, 4 – drátové nabíjecí elektrody (katody), 5 – výsypy odloučeného prachu

Skříň aktivní části komorového EO je tvořena rozšířeným kanálem obdélníkového průřezu. Konstrukce komorových EO je značně rozměrná a robustní. Nosné konstrukce komorových odlučovačů a jejich součásti jsou vyrobeny z konstrukčních ocelí třídy 11 a 12. Atmosféra v komorách EO je korozívní, proto je na jejich konstrukci užíváno hliníkových slitin nebo nerezavějících ocelí třídy 17. Nabíjecí elektrody jsou vyráběny z korozně odolných žáruvzdorných materiálů typu kantalu, aby dlouhodobě odolávaly působení koronového výboje. Konstrukce skříní odlučovačů je vystavena značným silám v důsledku podtlaku uvnitř komor, působení větru na boční stěny a vrstvy sněhu na strop komor. Velká je rovněž hmotnost elektroinstalace (kabelové rozvody, kabelové lávky, keramické el. isolátory), systémů elektrod zatěžovaných usazeným prachem, mechanismů oklepu elektrod a vnější tepelné isolace z minerálních isolačních hmot (skelná vata) kryté zpravidla hliníkovým plechem. Výrazný je rovněž dynamický účinek turbulentního proudění čištěného plynu komorou odlučovače vyvolávající vibrace stěn komor, deskových i drátových elektrod. Drátové elektrody jsou zavěšeny na mřížích a napínány závažími, aby se nerozhoupaly nesmí negativně ovlivnit geometrii aktivních prostor odlučovače. Konstrukce EO je dále přizpůsobena tepelným dilatacím montáží kompenzátorů na potrubích a uložením komor na ložiscích. Vysoké nároky jsou na těsnost celého systému EO. Do odlučovačů nesmí být přisáván vzduch z okolní atmosféry nebo dešťová voda. Netěsnostmi přisávaný vzduch by rušil nekontrolovatelným prouděním proces odlučování prachu, zviřoval by již odloučený prach a navíc by značně ovlivňoval účinnost celého odsávacího systému. Chladný vzduch by také mohl způsobit kondenzaci par v EO. Kondenzující nebo dešťová voda by zkratovala elektrody a způsobila by nalepování prachu na stěny výsypek, což by vedlo k jejich ucpání. Uvedené závady by mohly způsobit vyřazení EO a tím celé technologické linky z provozu. Mimořádné nároky jsou kladeny na bezpečnost provozu EO. Důvodem jsou vysokonapěťové rozvody stejnosměrného elektrického proudu pracující s napětím až stovek kV. Za provozu a během oprav musí být konstrukcí a technicko-organizačními opatřeními zajištěna ochrana pracovníků obsluhy a údržby před úrazem elektřinou (viz. příslušné ČSN a vyhlášky ČÚBP pro vyhrazená technická zařízení). Dalším důvodem bezpečnostních opatření je riziko výbuchu. Ve spalinách je vždy vedle kyslíku v určité koncentraci přítomen oxid uhelnatý.

93

Koronový výboj může iniciovat explozi, pokud je dosaženo meze výbušnosti. Proto jsou vždy EO vybaveny kontinuálně pracujícími analyzátory CO. V případě vzestupu koncentrace CO k mezi výbušnosti je automaticky blokován přívod elektřiny na elektrody EO. 8.2.4 Textilní filtry V textilních filtrech je odlučování prachu zajištěno na filtrační přepážce. Kvalita filtrační přepážky zásadně ovlivňuje v první řadě účinnost filtrace – odlučivost filtru, ale také provozní spolehlivost, tlakovou ztrátu, opotřebení a tím životnost filtrační vložky včetně ekonomiky provozu filtrace. Kvalitu filtrační přepážky určují poréznost filtrační textilie, její síla, rozměry, typ a povrchové vlastnosti vláken, permitivita, elektrická vodivost a elektrický náboj. Dále odlučivost filtrů ovlivňují vlastnosti prachových částic – jejich velikost a tvar, hustota, dielektrická konstanta a náboj, povrchové vlastnosti a vlhkost. Odlučivost a provozní spolehlivost filtrů je rovněž závislá na hydraulických poměrech v prostoru filtru, kde se rychlost proudění plynu ve volných prostorách komory filtru pohybuje řádově v m.s-1. Rychlost proudění plynu filtrační přepážkou se pohybuje mezi 1 – 2 cm.s-1. Z uvedeného je patrné, že v prostoru filtru musí rychlost plynu klesnout o cca 3 řády proti rychlostem v potrubí. Proto jsou komory filtrů rozměrné, zaujímají velký zastavěný prostor, jsou-li umístěny uvnitř technologických objektů. Při odprašování plynů s vysokou relativní vlhkostí hrozí při výkyvu teploty kondenzace par a zalepení filtrační přepážky. Pak nepostačuje vnější otop a tepelná izolace komory filtru, ale celý filtr se umísťuje do temperovaných technologických objektů. To zvyšuje investiční, ale i provozní náklady filtračních zařízení. Odlučivost textilních filtrů přesahuje 99,9 %, filtry špičkové kvality dosahují odlučivosti 99,99 %. Tím jsou vůbec nejúčinnějšími mechanickými odlučovači prachu. Tlaková ztráta filtračních stanic se pohybuje kolem 1000 N.m2, výjimečně může být i více než dvojnásobná. Konstruovány jsou obvykle pro průtok plynu do 50.000 Nm3.hod.-1. . 3

2

5

1

94

4 Obr.8.8

Textilní filtr

1 – vstup plynu, 2 – výstup plynu, 3 – přívod tlakového vzduchu pro zpětný proplach, 4 – výsyp odloučeného prachu, 5 – koše s filtrační textilií

Dříve byly filtračním materiálem přednostně tkané textilie vyrobené z přírodních (bavlněných) nebo syntetických (polyesterových) vláken. Jimi vybavené filtry byly označovány jako filtry tkaninové (někdy bývaly textilní filtry označovány také podle tvaru filtračních vložek – jako filtry rukávové, nohavicové, pytlové či kapsové). V současnosti je častější užití netkaných textilií, proto je užitý název textilní filtry přesnější. Je nutno zdůraznit, že často je filtračním materiálem papír, keramika, slinuté kovy a kombinované materiály – netkané textilie s polopropustnými membránami z termoplastů, většinou polytetrafluóretylénu (teflonu). Pro čištění horkých plynů s teplotou kolem 250 oC, krátkodobě i vyšší teplotou, jsou používána termostabilní aramidová vlákna typu NOMEX kombinovaná s teflonem. Cena těchto filtračních materiálů bývá i několikanásobně vyšší, než je cena materiálů klasických. Je vyvážena spolehlivostí a vyšší životností. Bavlna a polyestery jsou použitelné pouze do teplot kolem 120 - 160 oC, při vyšších teplotách vlákna ztrácejí mechanickou pevnost, prodlužují se a zvětšují se póry – filtrační efekt a životnost vlákna a tím celé filtrační vložky se prudce zhoršuje. Zachycení prachové částice je teoreticky vysvětlováno spolupůsobením několika vzájemně se doplňujících mechanismů sítovací účinek – přímé zachycení částic prachu větších než je průměr pórů filtrační přepážkou nebo filtračním koláčem, impaktní účinek – zachycení prachové částice v textilii po jejím nárazu do filtrační přepážky, difusní účinek – usazení prachové částice submikronové velikosti na vláknech filtrační přepážky v důsledku Brownova pohybu, elektrostatický účinek – usazení částice prachu na povrchu textilních vláken působením elektrostatických sil, sedimentační účinek – usazení částice prachu na filtrační látce účinkem gravitační síly. Konstrukce rámů a skříně textilních filtrů s výsypkami jsou vyrobeny z ocelových profilů a plechu tř. 11 nebo 12. Při čištění plynů s korozívními účinky jsou skříně vyrobeny z nerezového plechu tř. 17. Filtrační přepážky - vložky (hadice, kapsy aj.) - jsou navlečeny na koších z ocelových drátů – musí být pečlivě svařeny a spoje obroušeny, aby se o nerovnosti neprodřela filtrační textilie. Čištěný plyn proudí z vnější strany filtrační textilie a z odloučeného prachu se na ní tvoří filtrační koláč. Z filtrační přepážky je odloučený prach odstraňován zpravidla zpětným proplachem vzduchem. Mechanický oklep, ofukování stlačeným vzduchem z vnější strany (tj. ze strany filtračního koláče) nebo ultrazvukové čištění filtrační textilie je používáno výjimečně. Zpětné proplachování vzduchem je jednodušší a provozně spolehlivější, filtrační textilie má delší životnost. Proplachovací vzduch je periodicky přiváděn potrubím s elektroventily (řízenými časovými relátky) do jednotlivých sekcí filtru – skupin filtračních 95

přepážek. U filtru zobrazeného na obr. 8.8 jsou např. vždy 2 sekce proplachovány tlakovým vzduchem a 8 sekcí filtruje. Po 1 až 2 minutách jsou proplachovány další dvě sekce. Každá sekce filtru má tedy periodu pracovní a periodu regenerační, kdy probíhá proplach. Časování pracovních a regeneračních period je závislé hlavně na koncentraci prachu v čištěném plynu a mezerovitosti tvořícího se filtračního koláče, která rozhoduje o tlakové ztrátě. Textilní filtry jsou běžně součástí technologických zařízení, např. pneumatických doprav, mlecích okruhů, pneumatického třídění, odsávání pracovních nástrojů kovo, plasty a dřevoobráběcích strojů, odloučení práškovitých hmot z technologických plynů z chladičů a sušáren. Jsou rovněž zabudovány v průmyslových vysavačích pro úklid chodníků, vozovek, průmyslových ploch, ale i ve vysavačích pro domácnosti apod. Jelikož filtrací vyčištěný vzduch je fakticky čistší, než je běžná čistota venkovního vzduchu, může být z větší části vracen zpět do klimatizovaných objektů, nebrání-li tomu jiné znečištění.

9. FILTRACE A ODSTŘEĎOVÁNÍ Filtrace se užívá k rozdělení heterogenních systémů kapalina – tuhá fáze (suspenze) a odstřeďování navíc k separaci dvou nemísitelných kapalin. 9.1 FILTRACE Suspenze dělíme podle velikosti částic tuhé fáze suspendované v kapalině na suspenze hrubé s částicemi o velikosti 100 μm a více, jemné s částicemi mezi 1 a 100 μm, zákaly s částicemi 0.1 až 1 μm, koloidní s částicemi menšími než 0.1 μm. Částice pod 1 μm již v kapalině nesedimentují, ale vykonávají chaotický tzv. Brownův pohyb, který je způsoben nárazy molekul kapaliny do tuhé částice a vzhledem k její malé hmotnosti ji udělují hybnost.. Tuhé částice se od kapaliny oddělují tím obtížněji čím menší částice obsahuje. Podle způsobu provedení rozlišujeme filtraci s příčným tokem a filtraci průtočnou.

96

Při filtraci s příčným tokem je z roztoku (suspenze) odstraňováno rozpouštědlo, jehož molekuly procházejí semipermeabilní (polopropustnou) membránou. V původním roztoku (suspenzi) tak stoupá koncentrace rozpuštěné (tuhé) látky, tzn. roztok (suspenze) se zahušťuje. Výsledkem je koncentrovaný roztok (suspenze), tzv. koncentrát a rozpouštědlo odstraněné z roztoku (suspenze) přes membránu nazýváme permeát. Při průtočné filtraci je suspenze přiváděna na porézní přepážku, která zachytí tuhou fázi a propustí kapalinu. Vytvořená vrstva tuhé fáze na porézní přepážce se nazývá filtrační koláč a prošlá kapalina filtrát. 9.1.1 Filtrace s příčným tokem Filtraci s příčným tokem rozlišujeme podle velikosti částic, které je možno z roztoku (suspenze) odstranit na mikrofiltraci, ultrafiltraci, nanofiltraci a reverzní osmózu. Jednotlivé druhy se liší jen velikostí pórů membrány. Mikrofiltrací můžeme odstranit jen nerozpuštěné částice o velikosti 0.05 až 2 μm, kapky tuku a bakterie. Při ultrafiltraci odstraníme z roztoku částice o velikosti mezi 1 nm a 0.1 μm velké organické molekuly jako bílkoviny, tuky a polysacharidy, zatímco anorganické soli, cukry, organické kyseliny a jejich soli membrána nezachytí. Nanofiltrací se odstraní téměř všechny částice přítomné v kapalině s výjimkou malých a málo nabitých anorganických iontů, jako např. Cl- nebo Na+. Membránami pro reverzní osmózu projdou jen molekuly vody a pouze nepatrné množství malých anorganických iontů. Rozhodujícím faktorem pro provedení membránové filtrace je „mechanický“ odpor membrány proti průniku molekul a tzv. osmotický tlak. V otevřené U trubici, která je rozdělena v nejnižší části polopropustnou membránou, která propouští molekuly rozpouštědla ale ne rozpuštěné patm patm patm p2 látky, naplníme levé rameno čistým rozpouštědlem a mtm pravé roztokem tak, aby hladiny v obou ramenech = byly ve stejné výši, obr. 9.1a. Na hladiny v obou ramenech působí stejný atmosférický tlak patm. Ponecháme-li systém v klidu, čisté rozpouštědlo π postupně proniká do roztoku (suspenze) a zřeďuje jej. Hladina roztoku (suspenze) pozvolna stoupá a po čase se zastaví, obr. 9.1b, tj. systém dospěje do rovnováhy. Vyšší sloupec roztoku působí větším tlakem na svou stranu membrány než jakým působí sloupec čistého rozpouštědla na opačnou stranu membrány. Tím se vyrovnává rozdíl chemických a b c potenciálů rozpouštědla na obou stranách Obr. 9.1 membrány. Rozdíl výšek hladin v ramenech U U trubice naplněná vodou a trubice tak představuje tzv. osmotický tlak, π. Čím roztokem je koncentrace roztoku vyšší, tím je osmotický tlak vyšší. Pokud chceme zabránit zřeďování roztoku, musíme na roztok v pravém rameni U trubice působit dodatečným tlakem, který je roven osmotickému tlaku. Pokud budeme na roztok působit tlakem p2 = patm + π začnou molekuly rozpouštědla z roztoku pronikat do rozpouštědla a hladina roztoku klesá. Po jisté době se opět dostaví rovnováha, obr. 9.1c. Závislost osmotického tlaku na teplotě a koncentraci roztoku je udána van´t Hoffovou rovnicí π=cRT 97

kde c je koncentrace roztoku v mol/m3, R univerzální plynová konstanta a T absolutní teplota. Membrány pro filtraci s příčným tokem jsou vyrobené z organických polymerů; sestávají buď z membrány o tloušťce 0.1 až 1 μm umístěné na podpůrné propustné porézní vrstvě z téhož polymeru, nebo velmi tenké membrány o tloušťce nepřesahující 0.1 μm vytvořené na vrstvě téhož polymeru s většími otvory a opatřené propustnou vrstvou jiného polymeru, která membráně dodává mechanickou odolnost. Velikost otvorů membrány se zmenšuje od mikrofiltrace (5 až 0.1 μm) přes ultrafiltraci (0.1 μm až 10 nm) a nanofiltraci (10 až 2 nm) až k reverzní osmóze (2 až 0.5 nm). Roztok musí být pod tlakem, jehož velikost je závislá na velikosti pórů membrány, a to 0.15 až 0.4 MPa při mikrofiltraci, 0.2 až 1.4 MPa při ultrafiltraci a až 8 MPa při reverzní osmóze. větším než osmotický, protože je třeba aby molekuly vody pronikly membránou v dostatečně krátkém čase. Perforovaná trubka

permeát

roztok

koncentr

Obr. 9.2 át Filtrační element

Nejjednodušší konstrukce filtračního elementu s příčným tokem je na obr. 9.2. Na perforované vnitřní ocelové trubce, která sbírá a sběr permeátu odvádí permeát, je membrána umístěna membrána. distanční vložka Do mezitrubkového obal prostoru je pod Obr. 9.3 tlakem uváděn roztok Membránový filtrační element (suspenze) a po zkoncentrování odváděn. K získání maximální filtrační plochy v jednom elementu jsou membrány svinuty do spirály, obr. 9.3, tak, že vždy mezi dvěma sousedními membránami je vložen list materiálu, kterým permeát odtéká do sběrné perforované ocelové trubky umístěné ve středu elementu. K vnější straně obou membrán přiléhá distanční vložka vytvářející prostor, kterým protéká roztok. Jednotka pro reverzní osmózu sestává z úpravy vody, vysokotlaké Obr. 9.4 pumpy a filtračních elementů Na Jednotka reverzní osmózy obr. 9.4 je jednotka reverzní osmózy na výrobu pitné vody z mořské vody. 9.1.2 Filtrace průtočná

98

Při průtočné filtraci se tuhá fáze ze suspenze zachytí buď v objemu (hloubková filtrace) nebo na povrchu filtrační přepážky (koláčová filtrace), kde se tvoří postupně narůstající filtrační koláč V obou případech se postupně zvyšuje odpor procházející kapalině. Hnací silou průtočné filtrace je rozdíl tlaků nad a pod filtrační přepážkou. Oddělení tuhé fáze od kapaliny ale není nikdy úplné, protože velmi malé částice projdou do filtrátu, alespoň v počátečních stadiích filtrace než se filtrační přepážka „zatáhne“ a nahromaděný filtrační koláč začne také sloužit jako další přepážka a také filtrační koláč vždy zadržuje jisté množství kapaliny. Filtrační přepážka může být sypaná (písek, piliny), textilní (filtrační plachetky o různé hustotě), keramická (porézní keramické svíčky nebo desky) nebo vláknitá (skleněná vata, buničina, filtrační papír). Během filtrace se filtrační přepážka postupně ucpává malými částicemi, vzrůstá její odpor k průchodu tekutiny a v důsledku toho během filtrace klesá její rychlost. Jakmile rychlost filtrace poklesne pod únosnou mez je třeba z filtrační přepážky promytím odstranit zadržené částice nebo ji vyměnit.

Obr. 9.5 Pískový filtr

Pískové filtry, obr. 9.5, jsou tvořeny pískovým ložem, které při průchodu kapaliny zachytí ve svém objemu přítomné větší částice tuhé fáze. Písek je nasypán na vrstvu kusového koksu umístěnou na perforovaném roštu. Hnací silou pro prostup kapaliny pískovým ložem je gravitace. Pískové lože se postupně ucpává a je třeba je pravidelně čistit protiproudním proplachováním. Odpor pískového lože však roste se zvyšujícím se počtem proplachů. Po čase je třeba lože vyměnit. Pískové filtry se užívají pro odstranění tuhých částic z Obr. 9.6 kapalin s malým obsahem tuhé fáze, jako třeba k úpravě říční Tlaková nuč vody na vodu technologickou. Nuče jsou jednoduchá zařízení s filtrační přepážkou (většinou textilní) na perforovaném roštu. Hnací silou filtrace je rozdíl tlaků nad a pod filtrační přepážkou, kterého docílíme buď snížením tlaku v prostoru sběru filtrátu (vakuové nuče) nebo zvýšením tlaku na filtrující suspenzi (tlakové nuče). Nejjednodušší vakuová nuč je nahoře otevřená nádoba s perforovaným roštem, na kterém je filtrační plachetka. Prostor pod roštem je napojen na vývěru a je v něm udržován stály podtlak. Filtračním koláčem je po ukončené filtraci prosáván vzduch k odstranění části zadržené kapaliny a poté je odstraněn ručně. Nuče mohou být vybaveny mícháním suspenze během filtrace, sušením koláče průchodem horkého vzduchu a také vyhrabováním filtračního koláče. Vakuový rotační filtr, obr. 9.7, je

Filtrační koláč

Promývání

Obr. 9.8 Funkce vakuového rotačního filtru

99

Obr.9.7 9.10 9.9 Obr. Obr. Vakuový listový filtr filtr Vakuový rotační filtr Vakuový listový

kontinuální filtrační zařízení vhodné pro suspenze obsahující 2 až 40 hm.% tuhé fáze. Zařízení je v podstatě perforovaný válec otáčející se kolem vodorovné osy, který je přibližně z jedné třetiny ponořen do žlabu s filtrovanou suspenzí. Na povrchu válce je filtrační přepážka tvořená náplavem nebo filtrační tkaninou. Uvnitř je válec rozdělen přepážkami na několik sekcí připojených v ose na rozváděcí hlavu, pomocí které se jednotlivé sekce postupně připojují na vakuum, odvod filtrátu nebo tlakový vzduch. Při průchodu válce suspenzí se na filtrační přepážce utvoří filtrační koláč. Filtrát přechází do válce odkud je odváděn. Po vystoupení ze suspenze je filtrační koláč nejprve zbaven filtrátu, potom sprchován promývací vodou a ve zbývající třetině otočky dochází k vysušování koláče prosáváním vzduchem. Odvod filtrátu může být oddělen od odvodu promývací kapaliny. Před opětovným vstoupením válce do suspenze je filtrační koláč seškrabován z filtrační přepážky. Vakuový listový filtr (Moore filtr), obr. 9.9, je využíván zejména při výrobě pigmentů pro získání tuhé fáze ze suspenze. Baterie listů z vlnitého plechu potažené filtrační tkaninou a opatřené odvodem filtrátu.zavěšená na jeřábu je ponořena do míchané suspenze. Podtlakem je nasávána suspenze a na povrchu listů se vytvoří filtrační koláč. Poté se baterie listů udržované stále v podtlaku přenese do vany s promývací vodou kde se filtrační koláč promyje. Po promytí se baterie přemístí nad třetí nádrž, zruší se podtlak a filtrační koláč se uvolní a spadne. Tlakový listový filtr (Kelly filtr) je určen pro odstranění tuhé fáze o nízké koncentraci z kapaliny. Filtrační listy jsou uvnitř duté a jsou napojeny na společné odvodní potrubí. Systém listů je umístěn na pojízdné konstrukci v horizontálně položené nádobě kam se pod tlakem kolem 0.5 MPa vhání kapalina, kterou potřebujeme zbavit tuhé fáze. Na povrchu listů se zachycuje tuhá fáze, filtrát je z vnitřku listů odváděn. Po utvoření koláče se tělo filtru otevře, celý systém filtračních listů vyjede z nádoby, filtrační koláč se odstraní, listy jsou zpět vráceny do nádoby a zahájí se opět filtrace. Některé filtry jsou konstruovány tak, že zachovávají systém filtračních listů na stejném místě, aby se nemusely odpojovat od potrubí odvádějící filtrát Obr. 9.11 a pohyblivé je tělo filtru. Vakuový listový filtr Filtrační listy nemusí být uloženy vertikálně, jako ke tomu u Kelly filtru, ale také horizontálně, viz obr. 9.11, ve vertikální nádobě.

Obr. 9.12 Jednoduchá verze svíčkového filtru a filtrační svíčky 100

Svíčkový filtr, obr. 9.12, je určen pro odstranění malých množství tuhé fáze z kapaliny. Ve vertikální nádobě jsou umístěny filtrační svíčky, což jsou děrované trubky potažené filtrační plachetkou nebo hustě omotané nití. Kapalina se čerpá pod tlakem do těla filtru. Tuhá fáze se zachytí na povrchu filtrační svíčky, zatímco filtrát je odváděn ze jejího středu. Po utvoření filtračního koláče se filtr otevře, ze svíček se odstraní filtrační koláč opláchnutím, filtr se uzavře a je znovu připraven k dalšímu použití. Čištění filtračních svíček může být také realizováno oplachem bez otevření filtru Kalolis je velmi účinné zařízení k tlakové filtraci kapalin. Podle konstrukce rozlišujeme rámový

Obr. 9.13 Rámový kalolis a komorový kalolis. Rámový kalolis je soustava rýhovaných desek obalených filtrační plachetkou a prázdných rámů, Obr. 9.14 opatřených držadly pro manipulaci a Rámový kalolis zavěšení na nosné konstrukci, viz obr. 9.13 a 9.14. Soustava střídajících se rýhovaných desek obalených plachetkami a prázdných rámů je stlačena lisem tlakem cca 15 MPa, aby zařízení těsnilo a neunikala z něj během filtrace kapalina nebo suspenze. V horní části rámů jsou otvory pro přívod suspenze, desky ve spodní části mají odvod filtrátu do společného potrubí, nebo jsou opatřeny ventily. Suspenze.se pod tlakem 0.3 až 2 MPa přivádí do rámů, rozděluje se v nich na obě strany, filtrát protéká plachetkami do desek a odvádí se jimi, zatímco na plachetkách se vytváří filtrační koláč. Po naplnění prostoru uvnitř rámů filtračním koláčem se uzavře přívod suspenze a do každé druhé desky se přivede promývací kapalina. Ta z desek prochází přes oba přiléhající rámy, kde promývá koláč, do dvou sousedních desek, odkud vytéká. Poté se rámy s deskami uvolní, vzdálí od sebe nebo sundají z nosné konstrukce a odstraní se filtrační koláč, který obvykle padá na pásový dopravník umístěný pod kalolisem.. Po očištění filtračních plachetek se desky a rámy znovu zavěsí na nosnou konstrukci a stlačí. Komorový kalolis se liší od rámového tím, že nemá rámy; je tvořen pouze deskami potaženými plachetkami, přičemž každá deska má vlastní odvod filtrátu, obr. 9.15. Desky jsou tvarovány tak, aby mezi nimi bylo místo pro filtrační koláč - komory. Suspenze i

101 Obr. 9.15 Komorový kalolis

promývací kapalina se přivádějí otvorem umístěným uprostřed desek. Některé komorové kalolisy jsou vybaveny pružnými deskami, které po ukončení promývání slisují utvořený filtrační koláč a tím jej odvodní, tj. sníží obsah zadržené vody. Horizontální pásový vakuový filtr, obr. 9.16, sestává z „nekonečného“ pásu filtrační tkaniny umístěné na podpůrném kovovém síťovaném pásu, pod nimž jsou umístěné vany napojené na odvod filtrátu a vakuum. Filtrovaná suspenze natéká na pás kontinuálně Pás se pohybuje krokově, vždy o jen o délku jedné vany. Obr. 9.16 Při posunu pásu je vždy krátce zrušeno Horizontální pásový vakuum ve vanách. Filtrační koláč, který vakuový filtr se utvoří na povrchu pásu, může být promýván a odvodněn prosáváním vzduchu. Na konci pásu je koláč seškrabován. Filtrační tkanina je očištěna promytím a vrací se zpět na začátek filtru. Pásový filtr může být uspořádán tak, aby pracoval v přetlaku. V takovém případě jsou nad filtračním pásem umístěny vany těsně přiléhající k pásu, které jsou napojeny na tlakový vzduch. 9.2 ODSTŘEĎOVÁNÍ Oddělování těžší fáze z emulze nebo suspenze lze zintenzívnit využitím odstředivé síly, která je mnohonásobně větší než gravitační síla (1000 až 20000x) a navíc je ji možno regulovat. Odstředivou sílu získáme rotací bubnu obsahujícího emulzi nebo suspenzi. Odstředivá síla Fodstř je úměrná součinu poloměru nádoby r a druhé mocniny počtu otáček n Fodstř

r n2

Účinnost oddělení tuhé fáze můžeme tedy zvyšovat jak zvětšením poloměru bubnu tak i zvýšením počtu jeho otáček. Současné zvyšování poloměru bubnu a počtu otáček je omezeno pevností konstrukčního materiálu. Hranice je někde kolem 1500 ot/min a poloměru bubnu 0.75 m. Jelikož větší vliv na zvýšení účinnosti mají otáčky bubnu, velmi účinné odstředivky mají až 40 000 ot/min při průměru bubnu kolem 40 cm, tzv. ultraodstředivky. Vlivem odstředivé síly je těžší fáze unášena ke stěnám bubnu. Pokud jsou jeho stěny souvislé, těžší fáze se hromadí na vnitřní stěně bubnu odkud je periodicky nebo nepřetržitě odstraňována. Odstředivky, ve kterých je oddělována těžší kapalná fáze z emulze se nazývají separační odstředivky, pokud je oddělována tuhá fáze ze suspenze jde o sedimentační odstředivky. Jsou-li stěny nádoby perforované, buď jako husté síto nebo perforovaný plech potažený filtrační přepážkou, které zadržují tuhou fázi a propouštějí kapalinu, jde o odstředivky filtrační., které v podstatě pracují jako velmi účinné filtry. 9.2.1 Filtrační odstředivky Hnací silou filtrace je rozdíl tlaků vytvořený odstředivou silou. Působením této síly je

102 Obr. 9.17 Bubnová filtrační odstředivka

suspenze tlačena na stěnu nádoby, kapalina prochází filtrační přepážkou do prostoru mezi pláštěm odstředivky a rotujícím bubnem, odkud je odváděna vypouštěcím hrdlem. Tuhá fáze se zachycuje na filtrační přepážce a je vlivem odstředivé síly stlačována. Bubnová filtrační odstředivka může mít buben buď zavěšený nebo umístěný na spodní tříbodové podpěře, obr. 9.17. Perforovaný, vertikálně uložený buben, pokud není konstruován z hustého síta, je vyložen filtrační plachetkou. Odstředivka pracuje buď periodicky nebo polokontinuálně. Periodicky pracující odstředivka má 5 pracovních fází. Při pomalé rychlosti otáček bubnu se napouští suspenze, kapalina prochází plachetkou do vnějšího prostoru odstředivky, ve které se otáčí buben a na plachetce dojde k vytvoření koláče. Poté se zvýší rychlost bubnu na pracovní otáčky; z filtračního koláče je odstraněn matečný roztok. Promytí koláče se realizuje nástřikem promývací kapaliny ve formě malých kapek tak, aby pokryly celou plochu koláče. Po promytí se ještě jistou dobu udržují pracovní otáčky bubnu, aby se z koláče odstranilo maximum kapaliny (vysušení koláče). Poté se sníží otáčky a filtrační koláč je vyřezán a odstraněn z bubnu. Vlhkost zadržená v koláči se pohybuje mezi 2 až 7% podle povahy materiálu. koláč

Buben odstředivky může také rotovat kolem horizontální osy, obr. 9.18. V takovém případě buben rotuje rychlostí 750 až 2500 otáček/min. Po ukončení procesu, který je v podstatě stejný jako u předchozí odstředivky, je filtrační koláč odstraněn pomocí vyřezávače. Odstředivka pracuje polokontinuálně.

suspenze

filtrát

Obr. 9.18 Odstředivka s horizontálním bubnem

Pulsující odstředivka, obr. 9.19, 9.20, je kontinuálně pracující odstředivka, která sestává ze dvou (jednostupňová) nebo více (vícestupňová) oddělených bubnů současně rotujících stejnou rychlostí kolem horizontální osy. Průměr

bubnu se pohybuje od 20 cm do 1.5 m a rychlost rotace u nejmenšího bubnu přes 3500 otáček/min až po jen 1000 otáček/min u největšího bubnu. U jednostupňové odstředivky menší buben osciluje (pulsuje) v horizontální rovině, tj. podél osy otáčení, 80 až 100x za minutu, jak je vyznačeno šipkou na obr. 9.19. Bubny jsou zhotoveny z hustého síta, které propouští filtrát a zadržuje krystaly. Obr. 9.19 Suspenze je přiváděna do Pulsující odstředivka bubnu o menším průměru distributorem, který rozdělí suspenzi rovnoměrně po celé ploše síta, kde se vytvoří filtrační koláč.

103

Obr. 9.20 Pulsující odstředivka

Největší množství kapaliny, asi 80%, se odstraní ze suspenze již v oblasti přívodu suspenze. Filtrát prochází do vnějšího prostoru odstředivky odkud je odváděn. Pohyb bubnu posouvá filtrační koláč do druhého bubnu, kde může být promyt nástřikem promývací kapaliny. Filtrát a promývací kapalina mohou být jímány odděleně. V další části bubnu se filtrační koláč odvodní. Z odstředivky filtrační koláč odchází přepadem přes okraj druhého bubnu. Odstředivka musí být periodicky promývána, aby se odstranily krystaly zachycené na sítě a aby nedocházelo k vylučování tuhé fáze z filtrátu ve vnějším prostoru odstředivky. Kontinuálně pracující odstředivka vyžaduje procesní podmínky, tj. stabilitu nátoku a koncentrace tuhé fáze v suspenzi, co nejvíce stabilní aby byly dosaženy optimální provozní podmínky a stálá kvalita produktu. Proto se před odstředivku zařazují zahušťovače suspenze, jako hydrocyklony, statické sedimentační zařízení nebo filtry a suspenze je do odstředivky dávkována speciálními dávkovači. Filtrační odstředivka se šnekovým podavačem, obr. 9.21, sestává z konického sítového bubnu ve kterém se otáčí šnekový podavač. Podavač se otáčí stejným směrem jako buben, ale menší rychlostí. Suspenze krystalů je uváděna do odstředivky distributorem k čelu bubnu. Filtrační koláč se velmi rychle utvoří a je zbaven většiny filtrátu v první části bubnu. Šnekový podavač posunuje filtrační koláč po sítě směrem k okraji bubnu. Ve střední části bubnu je filtrační koláč promyt nastřikovanou promývací kapalinou. Filtrát a promývací kapalina jsou jímány odděleně. V poslední části bubnu je koláč zbaven zadržené kapaliny a Obr. 21 přepadává přes okraj bubnu do Filtrační odstředivka se šnekovým podavačem vnějšího prostoru odstředivky a je odváděn z odstředivky. 9.2.2. Separační a sedimentační odstředivky Bubnová separační odstředivka, obr. 9.22, má souvislé stěny bubnu. Oddělovaná kapalná směs je uváděna do spodní části bubnu. Kapalina vytvoří na stěně prstenec, který se pohybuje zdola nahoru, přičemž těžší fáze zůstává na stěně bubnu a lehčí fáze vytvoří vrstvu směrem dovnitř bubnu a přetéká přes okraj bubnu do vnějšího prostoru odstředivky, odkud je odváděna. Alternativně mohou být obě fáze kontinuálně odsávány. Chceme-li získat čistou kapalinu zbavenou tuhé fáze, tuhá fáze usazující se u stěn bubnu musí pravidelně odstraňována při přerušení chodu odstředivky.

Obr. 9.22 Separační odstředivka

Sedimentační odstředivka se šnekovým podavačem sestává z horizontálně umístěného kónického bubnu rotujícího rychlostí 1200 až 8000 otáček za minutu, ve kterém je šnek rotující stejným směrem, ale s menší rychlostí než buben. Suspenze nebo emulze je do odstředivky uváděna 104

distributorem v ose rotace. Tuhá fáze se shromažďuje na vnitřní stěně bubnu a šnekem, jehož závity jsou skloněny směrem k výstupu tuhé fáze, je dopravována do kónické části bubnu odkud odchází z odstředivky. Kapalina odtéká z odstředivky na opačné straně bubnu přes hradítko, kterým se nastavuje výška hladiny kapaliny v odstředivce. Tento typ odstředivek pracuje se suspenzemi obsahující značné množství tuhé fáze. Na obr. 9.23 je sedimentační odstředivka, která odděluje tuhou fázi z kapaliny.

Obr. 9.23 Sedimentační odstředivka

Pokud tuhou fázi potřebujeme ještě odvodnit, tak konická část bubnu je perforovaná a slouží jako filtrační odstředivka.

těžší fáze

nátok

tuhá fáze

lehčí fáze Obr. 9.24 Kombinace separační a sedimentační odstředivky

Kombinovaná separační a sedimentační odstředivka se šnekovým podavačem je na obr. 9.24. Do odstředivky je uváděna emulze dvou nemísitelných kapalin obsahující také tuhou fázi. Tuhá fáze se shromažďuje na stěně bubnu a je šnekovým podavačem vynášena do 105

emulze

suspenze

kapalina

odvod kapalin

kapalina

tuhá fáze

Obr. 9.26. Disková usazovací odstředivka konické části bubnu odkud přepadá do vnějšího prostoru odstředivky a gravitací je odstraňována. Kapalina se rozdělí na těžší (znázorněno modrou barvou na obr. 9.24) a lehčí fázi (žlutá barva). Lehčí kapalná fáze odchází z odstředivky přes hradítko, zatímco těžší fáze je odsávána. Disková odstředivka se užívá na dělení emulzí (směs nemísitelných kapalin) nebo na oddělení malého množství tuhé fáze (obsah do 2%) z kapaliny. Odstředivka sestává z vertikálního rotujícího bubnu s vestavěným systémem šikmých talířů z tenkých plechů, které rotují současně s bubnem, obr. 9.26. Prostory mezi talíři slouží jako jednotlivé odstředivky a výrazně urychlují celý proces. Suspenze nebo emulze je uváděna do odstředivky v ose rotace do spodní části bubnu. Těžší fáze se shromažďuje na spodní straně výše položeného talíře a klouže po něm od osy rotace ke stěně bubnu. Lehčí fáze se pohybuje po horní straně níže položeného talíře k ose rotace odkud je kanálky vedena do odvodního potrubí odstředivky. Odstředivka na tuhou fázi může pracovat diskontinuálně, kdy je nashromážděná tuhá fáze periodicky odstraňována za přerušení chodu odstředivky, nebo kontinuálně. Pokud jsou děleny emulze, odstředivka pracuje kontinuálně. Trubková odstředivka (ultraodstředivka), obr. 9.27, je určena pro dělení suspenzí nebo oddělování velmi malých tuhých částic od kapaliny vyžadující vysokou odstředivou sílu. Toho lze dosáhnout současným zvětšováním průměru

106

Obr. 9.27 Trubková odstředivka

bubnu a jeho otáček. Mechanické napětí v tělese bubnu je úměrné čtverci obvodové rychlosti a proto současné zvětšování obou veličin je značně omezené, neboť se záhy dosáhne meze mechanické pevnosti materiálu.. Jelikož odstředivá síla roste rychleji s otáčkami než s průměrem bubnu, dosáhne se vysoké odstředivé síly vysokými otáčkami až 40 000 otáček/min při malém průměru bubnu, asi 20cm. Trubková odstředivka sestává z bubnu ve tvaru trubky rotujícího v kolem horizontální osy, pomalu se rozbíhajícího motoru a startéru. Emulze nebo suspenze je uváděna tryskou do spodní části bubnu, postupuje vzhůru a z horní části bubnu odchází. Pokud se oddělují kapaliny je odvod jednotlivých fází kontinuální; v případě suspenze tuhá fáze zůstává uvnitř bubnu a je ji nutno manuálně odstranit po zastavení odstředivky.

10. DĚLENÍ SLOŽEK PLYNNÉ SMĚSI Složku z plynné směsi můžeme izolovat pohlcením do kapaliny, ve které se rozpouští (absorpcí), zachycením na povrchu tuhé fáze (adsorpcí), destilací po zkapalnění plynné směsi nebo semipermeabilními membránami. 10.1 ABSORPCE 10.1.1 Podmínky absorpce Pohlcení plynu kapalinou je vlastně rozpouštění plynu v dané kapalině. Hnací silou tohoto děje je rozdíl parciálních tenzí dané složky v plynné směsi a nad kapalinou, ve které se rozpouští. Pokud je parciální tlak i-té složky v plynné směsi (pi(g)) pi(g) větší nežli parciální tlak složky nad kapalinou (pi(l)) při stejné teplotě, dochází k pohlcování složky kapalinou, tj. k rozpouštění (absorpci) složky. Pokud je parciální tlak i-té složky nad pi(l) kapalinou větší než v plynné směs, dochází k přechodu složky z kapaliny do plynu tj. k desorpci, viz obr. 10.1. Obr. 10.1 K přechodu složky i z jedné fáze do druhé dojde pokud je změna Hnací síla absorpce jejího chemického potenciálu při ději záporná, tj. =

po

-

před

0

Za předpokladu, že se složka chová ideálně = °i + RT ln pi(l) -

°i + RT ln pi(g) = RT ln pi(l)/pi(g)

Standardní chemický potenciál °i je pro oba stavy stejný. Aby byl 0 musí být pi(l)/pi(g) 1 a tedy pi(l) pi(g) a složka je pohlcována kapalinou. V případě pi(l) = pi(g) k absorpci složky kapalinou nedochází a systém je v rovnováze. Pokud pi(l) pi(g) dochází k opačnému ději; složka se z kapaliny desorbuje a přechází do plynné fáze. Množství absorbované složky do kapaliny je závislé na parciálním tlaku složky v plynné fázi. Čím je parciální tlak složky v plynné fázi vyšší, tím více složky se rozpouští (absorbuje) v kapalině. 107

V rovnováze se chemické potenciály rozpuštěné složky v kapalině a v plynné fázi sobě rovnají, tj. °i(l) + RT ln xi(l) = °i(g) + RT ln pi(g) kde xi(l) je molární zlomek i-té složky v kapalině. Úpravou dostaneme ln xi(l) = °i(g) - °i(l) /RT + ln pi(g) Odlogaritmováním vztahu xi(l) = exp °i(g) - °i(l) /RT . pi(g) xi = Hi . pi(g) kde Hi = exp °i(g) - °i(l) /RT je tzv. Henryho konstanta. Henryho konstanta nabývá jiné hodnoty pro každou složku plynné směsi v dané kapalině. Henryho konstanta je funkcí teploty. S rostoucí teplotou klesá hodnota Henryho konstanty a tudíž se v kapalině rozpouští (absorbuje) méně plynu. Závislost rozpustnosti plynné složky v kapalině na teplotě stanovíme derivací Henryho konstanty podle teploty za konstantního tlaku, ( Hi / T)p Jelikož

( Hi / T)p = exp

°i(g) - °i(l) /RT .( (

i

°i(g) - °i(l) /RT / T)p

/ T)p = - hi /RT2

kde hi je parciální molární entalpie, je předchozí vztah roven Protože

( Hi / T)p = exp

°i(g) - °i(l) /RT . - hi(g) + hi(l) /RT2 ¨ hi(l) - hi(g) = Hrozp

a absorpce plynné složky kapalině je exotermní proces, tj. Hrozp 0, bude ( Hi / T)p 0 neboť první člen pravé strany předcházející rovnice je vždy kladný. S rostoucí teplotou Henryho konstanta klesá a proto při stejném parciálním tlaku i-té složky v plynné směsi se rozpouští (absorbuje) pří stoupající teplotě méně složky v kapalině. Vyšší tlak plynné směsi a nižší teplota kapaliny podporují absorpci plynné složky. U desorpce je tomu naopak; vyšší teplota kapaliny a nižší tlak plynné směsi podporují desorpci. (g)

10.1.2 Zařízení pro absorpci Absorpci průmyslově realizujeme většinou v kolonách kde dochází ke styku proudu plynu s kapalinou. Podle tlaku, při kterém kolona pracuje, rozlišujeme kolony atmosférické, vakuové a tlakové. Podle druhu vestavby, na níž

(l)

(g)

(g)

(l)

(l)

(g) (l)

108 a

(l)

(l)

(g)

b

c

(g)

Obr. 10.2 Kolona (a) náplňová, (b) patrová, (c) filmová

dochází ke styku obou fází, dělíme kolony na náplňové a výplňové, patrové a filmové, viz. obr. B.2.. Náplňové a výplňové kolony mají vnitřní prostor vyplněný buď sypanou náplní nebo speciální výplní zvyšující povrch jednotky objemu kolony, po kterém stéká kapalina. Náplní mohou být volně sypané kroužky různého typu, jako např. Raschigovy nebo tvarovaná sedla, která jsou volně nasypány na roštu, obr. 10.3. Dosáhne se obvykle plochy 300 m2/m3. Na náplň je uváděna kapalina rovnoměrně po celé průřezu kolony pomocí rozdělovače (perforované desky, zkřížené žlaby, rozstřikování) a do Obr. 10.3 spodu kolony se uvádí plynná směs. Ve výplňových Raschigovy kroužky kolonách je v koloně místo volně sypaných tělisek speciálně tvarovaná výplň, která zvyšuje plochu v jednotce objemu na 500 až 1000 m2/m3. Výplně jsou složeny z různě prohýbaných plechů nebo sít upořádaných tak, aby se v objemu výplně vytvořily zalomené, vzájemně se protínající, kanálky, kterými proti sobě proudí plyn a kapalina, obr. 10.4. Účinnost kolony velmi záleží na intenzitě skrápění náplně kapalinou a rychlosti jednotlivých proudů. Při malých průtocích kapalina jen smáčí povrch náplně a vytváří povrchový film. Styk obou fází je jen velmi omezený a výměna hmoty mezi fázemi je malá. Při zvýšení průtoku je stékající kapalina brzděna plynem, zvětšuje se tloušťka filmu a vzrůstá objem kapaliny zadržené v náplni. Výměna hmoty mezi oběma fázemi vzrůstá. Při dalším zvýšení průtoku kapaliny nebo plynu dojde k zatopení celého objemu náplně kapalinou, ve které je rozptýlen plyn. Při tomto tzv. zahlcení kolony se značně zvýší mezifázové rozhraní, na kterém dochází k výměně hmoty mezi oběma fázemi. Jelikož při zahlcení se výrazně zvýší hydraulický odpor kolony, je nutno provozovat kolonu těsně pod stavem zahlcení, kdy je výměna hmoty mezi proudy dostatečně Obr. 10.4 velká a odpor kolony není přílišný. Strukturovaná výplň Patrové kolony jsou vybaveny vestavěnými patry, které se podle pohybu kapaliny dělí na patra propadová a přepadová. Konstrukce pater se liší, musí však vždy zajišťovat požadovaný pohyb proudů kapaliny a plynu a jejich dobrý a intenzivní styk. (l) Propadová patra jsou v podstatě děrované vestavby, např. síta nebo plechy s otvory, zaplňující celý průřez kolony, ve kterých stejnými otvory prochází plyn směrem vzhůru a kapalina směrem dolů, viz obr. 10.5. (g) Oba proudy se tedy stýkají Obr. 10.5 protiproudně. Kapalina je Propadová patra promíchávána průchodem plynu a dochází ke tvorbě pěny na patře. V pěně dochází k největšímu styku obou fází a k intenzivní výměně hmoty. Tento typ Obr. 10.6 Propadové patro

109

kolon je citlivý na velikost průtoku par, neboť při velkých průtocích par kapalina nemůže procházet otvory v patrech, pěna zaplní celý mezipatrový prostor a kolona se zahltí kapalinou. Přepadová patra jsou vybavena vestavbou umožňující převod kapaliny z patra na patro nezávisle na proudu plynu. Jednou z konstrukcí jsou tzv. kloboučková patra, viz. obr. 10.7 a 10.8. (g) Kapalina je z patra na patro přiváděna přepadovým zařízením, jehož stěna je ponořena do kapaliny na níže ležícím patře a tím Obr. 10.7 se zabrání průchodu plynu přes přepad. Kloboučky, které jsou Kloboučkové patro opatřeny na spodním okraji výřezy ve tvaru zubů, prochází plyn do kapaliny na patře a dochází ke styku obou fází a k výměně hmoty mezi proudy. Kloboučky musí být na patře umístěny tak, aby byl plyn rovnoměrně rozdělen po celém pracovním povrchu patra. Kapalina mezi kloboučky se intenzivně promíchává a koncentrace absorbované látky v kapalině se tím v mezikloboučkovém prostoru vyrovnává. V důsledku podélného toku kapaliny po patře se koncentrace rozpuštěné látky na patře mění. Mezi patry je tzv. separační prostor, do kterého jsou z kapaliny unášeny kapky stržené plynem. Větší kapky sedimentují vlivem gravitace, menší jsou unášeny do vyššího patra, kde se zachytí. Vstup plynu do kapaliny na patře nemusí být realizován kloboučky, ale pomocí různých vestaveb, např. u tzv. ventilových pater ventily, které se tlakem plynu otevírají, obr. 10.9. V takovém případě plyn probublává celým objemem kapaliny na patře.

Obr. 10.8 Kloboučkové patro

Obr. 10.9 Ventilové patro

Filmové kolony jsou složeny ze svazku trubek po jejichž vnitřním povrchu stéká film kapaliny a proti němu proudí plyn. Trubky jsou z vnější strany chlazeny. Filmová kolona je v podstatě trubkový výměník, ve kterém proudí uvnitř teplosměnných trubek absorpční kapalina a protiproudně plyn, jehož jednu složku chceme pohltit v kapalině. Film kapaliny se skládá ze tří vrstev; vrstva ve styku s plynem je silně 6 3 turbulentní a v ní dochází je styku obou fází a k přechodu hmoty. Pod ní je mezivrstva a vrstva přiléhající k vnitřní stěně trubky je laminární. 8 2

10.1.3 Základní uspořádání absorpční jednotky Plynná směs (1) obsahující složku A, kterou potřebujeme odstranit, vstupuje do absorpční kolony (2), kde proti ní proudí absorpční kapalina. Z hlavy kolony odchází plyn (3) zbavený složky A, která se absorbovala

110

5

1

7 4

Obr. 10.11 Uspořádání absorpční jednotky

v kapalině. Absorpční kapalina z kolony odchází přes výměník tepla (4) do hlavy desorpční kolony (5). Proti ní jdou páry kapaliny a absorbovaná složka A, která v čistém stavu opouští kolonu (6). Kapalina je v patě kolony zahřívána k usnadnění desorpce složky A. Absorpční kapalina z desorpční kolony zbavená složky A předává teplo ve výměníku (4) kapalině z absorpční kolony a potom je v chladiči (8) ochlazena před vstupem do absorpční kolony. Okruh absorpční kapaliny je tedy uzavřený a při provozu se jen doplňují ztráty absorpční kapaliny. 10.2 ADSORPCE Pod pojmem adsorpce rozumíme zachycování plynů, kapalin nebo rozpuštěných látek na povrchu tuhé fáze (adsorbentu). Adsorbovaná látka je na povrchu tuhé fáze vázána buď slabými van der Walsovými silami, tzv. fyzikální adsorpce, nebo silami podobnými chemické vazbě, tzv. chemisorpce. Adsorpce je exotermní proces při níž se uvolňuje adsorpční teplo, které je u plynů srovnatelné s kondenzačním teplem. 10.2.1 Podmínky adsorpce

T1

Fyzikální adsorpcí je možno za vhodných podmínek zachytit jakoukoliv složku plynu; jde tedy o nespecifický proces. Množství zachycené složky na jednotce povrchu objemu nebo hmotnosti adsorbentu v rovnováze (adsorpce již dále neprobíhá) za konstantní teploty vyjadřuje empirická Freudlichova adsorpční izoterma 1/n a=k.p

T2

a

T3

p

Obr. 10.12 Adsorpční izotermy T1 T2 T3

kde n je kladný exponent menší než 1 závislý na teplotě (stanovený experimentálně a pro každý adsorbent a adsorbovanou látku jiný), p parciální tlak oddělované složky plynu a konstanta k je závislá na charakteru adsorbentu i adsorbované látky. S klesající teplotou se množství zachycené složky zvyšuje, viz. obr. 10.12. Adsorbovaná složka vytváří na povrchu adsorbentu vrstvu, která není monomolekulární. Na vrstvu již adsorbovaných molekul se vážou další vrstvy složky, takže adsorbovaná látka vytváří vícemolekulární vrstvy. Při dosažení určitého tlaku začíná adsorbovaná látka v kapilárách adsorbentu kondenzovat a adsorpční izotermy dostávají tvar uvedený na obr. 10.13. Fyzikální adsorpce je vratná, tzn. adsorbovanou látku lze úplně z adsorbentu odstranit (desorbovat).

amax

a p

Obr. 10.13 Adsorpční izoterma

Pro chemisorpci odvodil Langmuir adsorpční izotermu ve tvaru a = amax K p /(1 + K.p) kde a je neadsorbované množství látky v jednotce hmotnosti (objemu, nebo povrchu) adsorbentu a amax je maximální množství látky, které může být hmotnostní (objemovou, povrchovou) jednotkou adsorbentu vázána a K je konstanta. Adsorpční izoterma předpokládá monomolekulární vrstvu adsorbované látky vázanou 111

amax

p

10.14 Langmuirova adsorpční izoterma

na povrchu adsorbentu. Při nízkých tlacích plynu je K.p « 1 a naadsorbované množství je lineární funkcí parciálního tlaku složky v plynné směsi. Při vysokých tlacích je K.p » 1 a naadsorbované množství je maximální, které může daný adsorbent pohltit a nezávisí dále na tlaku, viz. obr. 10.14. Na rozdíl od fyzikální adsorpce chemisorpce často lépe a rychleji probíhá při vyšších teplotách, kdy se adsorbuje větší množství látky. Desorbovat chemisorbovanou látku je možno jen při vysokých teplotách a není výjimkou, že se desorbuje chemická sloučenina vznikající na povrchu adsorbentu a ne adsorbovaná látka. Langumirova izoterma vychází z představy, že na povrchu adsorbentu jsou rovnoměrně rozdělena aktivní místa adsorpce. Počet molekul adsorbující se látky zachycených na povrchu za jednotku času je úměrný zlomku plochy povrchu adsorbentu, který není obsazen molekulami a parciálnímu tlaku adsorbující se složky v plynné směsi, p, N↓ = k1 p (1 - ) je zlomek plochy obsazený adsorbovanou látkou. Počet molekul opouštějící povrch adsorbentu za jednotku času je úměrný zlomku plochy obsazeného adsorbovanými molekulami N↑ = k2 kde

V rovnováze se musí oba proudy sobě rovnat a tedy -

k1 p(1 - ) = k2 a z toho = k1p / k2 + k1 p) = K.p / (1 + K.p) kde K = k1/k2. Jelikož neadsorbované množství je úměrné pokryté ploše adsorbentu a = k3. a při = 1 je naadsorbováno maximální množství látky, tj. amax = k3, nabývá předchozí rovnice tvar a = amax K p / (1 + K p) Adsorbentem je tuhá fáze s maximálním povrchem jako aktivní uhlí, zeolity, silikagel, infusoriová hlinka a.j. Částice adsorbentu musí být malé a obsahovat velké množství pórů. Pokud krychli s hladkým povrchem o hraně 1 cm a povrchu 6 cm2 rozdělíme na krychle o hraně 1μm zvětší se povrch na 6 m2. Pokud povrch není hladký, ale obsahuje póry, podstatně se zvýší měrný povrch, tj. celkový (s) (s) (g) povrch jednotkového množství ) adsorbentu. Měrný povrch 1 g (g) adsorbentu dosahuje několika set 1 (g) m2. Nasycený adsorbentu se regeneruje odstraněním adsorbované složky, tzv. desorpcí. Ta se provádí buď zahřáním, snížením celkového tlaku nebo vytěsněním adsorbované složky látkami s vyšší adsorpční schopností, které je možno po desorpci lehce z adsorbentu

(g) (g) (g) 2

(g)

(s)

a 112

b Obr. 10.15 Adsorpční kolony

(s)

c

odstranit, jako např. parou. Po desorpci se aktivita adsorbentu většinou obnoví na asi 80%. Po dalších desorpcích aktivita adsorbentu klesá, ale výrazně pomaleji. 10.2.2 Zařízení pro adsorpci Adsorpční kolony podle stavu adsorbentu dělíme na adsorbéry s nepohyblivou, pohyblivou a fluidní vrstvou. Adsorbér s nepohyblivou vrstvou je vyplněna adsorbentem uzavřeným shora i na spodu rošty, viz. obr. 10. 15a. Kolona pracuje tak dlouho, dokud nedojde k nasycení adsorbentu. Potom je třeba kolonu odpojit a adsorbovanou složku desorbovat. Při kontinuálním režimu je třeba mít dvě kolony zapojené vedle sebe; jedna kolona pracuje a druhá se desorbuje. Adsorbér s pohyblivou vrstvou, viz. obr. 10.15b je opatřena zvláštními vestavbami, viz. obr. 10.16, kterými propadává adsorbent proti proudu plynu. Plyn zbavený adsorbované složky odchází pod vrchní vestavbou. Kolona je v horní části opatřena chladičem 1, který upravuje teplotu vstupujícího adsorbentu. Ve spodní části kolony je ohřívač 2, kde se desorbuje zachycená složka a adsorbent se regeneruje. Uvolněná adsorbovaná složka proudí vzhůru proti padajícímu adsorbentu a odchází z kolony pod následující (s) vestavbou. Regenerovaný adsorbentu je pneumatickou dopravou (g) uváděn do hlavy kolony, kde se oddělí od dopravního plynu a propadává kolonou. Adsorbent neustále cirkuluje v koloně. Jako adsorbentu nejčastěji slouží granulované aktivní uhlí. Adsorbér s fluidní vrstvou, obr. 10.15c, je vybaven patry a (g) přepadovými vestavbami. Na patrech je adsorbentu ve fluidním stavu Obr. 10.16 v důsledku plynu, který prochází patry. Adsorbér ve formě granulí Vestavba kolony přepadává z patra na patro a je odváděn s paty adsorbéru. Odcházející plyn unáší částečky adsorbentu, které je nutno oddělit v cyklonu. Rychlost adsorpce je ve fluidním stavu zvýšená, zejména proto, že je možno použít menší granule adsorbentu než je tomu v adsorbérech s nepohyblivou i pohyblivou vrstvou 10.3 Dělení na membránách Složky plynné směsi se také můžou oddělovat na permeabilní membráně podle rychlosti, jakou pronikají (difundují) jejími póry. Podle rychlosti průniku membránou se plyny seskupují do řady uvedené na obr. 10.17. Rychlost průniku se zvyšuje zprava doleva. H2O ← H2,He ← H2S,CO2 ← O2 ← Ar ← CO ← N2,CH4, vyšší uhlovodíky rychlé plyny

pomalé plyny Obr. 10.17 Plyny podle rychlosti průniku membránou

Průnik plynu membránou je umožněn rozdílkem tlaku uvnitř a vně membrány. S rostoucí teplotou plynné směsi se zvyšuje rychlost difúze plynů membránou. Separační zařízení je složeno z mnoha dutých vláken o délce cca 2 m, na jejichž povrchu (vnitřním nebo vnějším) je nanesena membrána z různých polymerů, kovů, keramiky skla 113

nebo uhlíku. Podíl plochy povrchu na jednotku objemu zařízení přesahuje 5000 m2/m3. Vlákna, kterými proudí plynná směs pod tlakem až 1 MPa, jsou umístěna v uzavřené válcové nádobě. Difundující složka (složky) proniká membránou do válce, odkud je odváděna. Místo dutých vláken jsou rovněž používány duté desky v rámu, ale plocha povrchu na jednotku objemu zařízení dosahuje jen kolem 300 m2/m3. Plynná směs před vstupem do membránové jednotku je nejprve kompresorem stlačen, poté filtrován a nakonec prochází ohřívačem, kde je zahřát na provozní teplotu, které je zpravidla pod 100°C. Membránová separační zařízení jsou jednoduchá, odolná, lehká a nemají žádné pohyblivé části, takže vyžadují jen minimální údržbu. Navíc nepotřebují žádné provozní chemikálie a proto je jejich provoz levný. Tímto způsobem se získává dusík o čistotě 98% ze vzduchu. Pokud jsou zařazena dvě tato zařízená za sebou, čistota dusíku dosahuje až 99,9%. Membránami se také odstraňuje CO2 nebo sulfan ze zemního plynu, používají se při sušení plynů, čištění vodíku aj. 10.4 Kryogenní dělení Z plynné směsi, jejíž složky mají významně rozdílné body varu, je také možno oddělit výše vroucí složky kondenzací, jak je tomu např. při výrobě amoniaku, kdy ze syntézního plynu prošlého reaktorem se oddělí vzniklý amoniak a zbylý plyn jde zpět do reaktoru. Plynnou směs s blízkými body varu je možno zkapalnit a složky oddělit destilací, viz kap.14. Tímto způsobem se např. ze vzduchu odděluje kyslík, dusík, argon a další vzácné plyny.

11. VÝMĚNÍKY TEPLA Výměníky tepla jsou zařízení, ve kterých se jeden proud ohřívá a druhý ochlazuje sdílením tepla. Nezáleží přitom na konečném cíli operace, tj. zda chceme proud ochladit nebo ohřát, ani na tom, které proudy se do zařízení vstupují, zda kapalné nebo plynné a ani na to, je-li sdílení tepla doprovázeno ještě jiným dějem, jako vypařováním nebo kondenzací. Nicméně podle funkce označujeme výměníky tepla jako kondensátory, dochází-li ke zkapalnění plynné fáze, odpařovače při přeměně kapaliny v páru, chladiče nebo ohřívače, měníme-li účelově teplotu jednoho proudu. 11.1 VEDENÍ TEPLA Výměna tepla může probíhat vedením (kondukcí), prouděním (konvekcí) nebo sáláním (zářením) Při sdílení tepla vedením se tepelná energie šíří v nepohyblivé hmotě z její jedné části do druhé. Nesdílí se ale částice tělesa, které zůstávají na svém místě a pouze mění kinetickou energii při vibracích kolem rovnovážné polohy. Při sdílení tepla prouděním dochází k přenosu tepla v důsledku proudění a promíchávání různě teplých částí hmoty. Při sálání dochází k vyzařování energie zdrojem ve formě elektromagnetických vln a jejich pohlcování ozařovaným tělesem. Výměna tepla vedením se uplatňuje především v tuhých látkách. Může se také uplatnit v kapalinách a plynech, ale je vždy doprovázeno ještě výměnou tepla prouděním. Množství tepla Q převedeného plochou A za čas t při stálém teplotním spádu T na vzdálenost d (ustálené vedení tepla) je tzv. Fourierovým zákonem Q = A t T/d (11.1) kde je koeficient tepelné vodivosti. je charakteristikou materiálu; pokud je nízké je materiál tepelná izolátor a naopak při vysokém je materiál dobrý vodič tepla.

114

Zvláštní případ vedení tepla nastává na rozhrání proudící kapalina – tuhá fáze. Na povrchu tuhé fáze se vždy utvoří tenká laminární vrstva kapaliny, ve které dochází k poklesu teploty, viz. obr. 11.1 Množství tepla, které projde plochou A T1 T2 T3 T4 laminární vrstvy za čas t při rozdílu teplot T je dán vztahem 2

Q=

At T

(11.2)

kde je koeficient přestupu tepla, který je závislý na veličinách charakterizující kapalinu a charakter proudění. Nejde tedy o konstantu vlastní danému materiálu jako v případě koeficientu tepelné vodivosti. Tepelný tok q jednotlivými vrstvami musí být v ustálením režimu stejný, tedy q = Q/At =

1(T1-T2)

= (T3-T2)/d =

2(T4-T3)

(11.3)

1

Obr. 11.1 Prostup tepla

Sečtením těchto rovnic dostaneme T = T1 – T2 = q/k

(11.4)

k = (1/ 1+ /d + 1/ 2)

(11.5)

kde k je koeficient prostupu tepla

Z předchozího vyplývá, že chceme-li proud ohřát na jistou teplotu, musí být teplota topného media o určité T vyšší než je požadovaná teplota ohřívaného proudu. Obdobně to platí i pro ochlazování proudu jen s tím rozdílem, že teplota chladícího proudu musí být nižší o určité T než konečná teplota ochlazovaného proudu. Podle směru toku jednotlivých proudů rozlišujeme souproudné a protiproudé uspořádání, viz. obr. 11.2. Jak je zřejmé z obr. T 11.2 a, při souproudu je rozdíl teplot obou proudů největší na vstupu do výměníku a po jeho x x délce x se snižuje. Nejvíce je a b tedy tepelně namáhám počátek Obr. 11.2 výměníku, kde při příliš Průběh teplot ohřívaného a chladícího proudu při vysokém rozdílu teplot může (a) souproudném a (b) protiproudném uspořádání docházet k praskání z důvodu rozdílné tepelné roztažnosti kovů. Proto se v takovém případě by neměl být rozdíl teplot obou proudů větší než cca 50°C. V případě protiproudního uspořádání obr. 11.2 b, je teplotní rozdíl mezi oběma proudy po celé délce výměníku přibližně stejný a nedochází proto k tepelnému namáhání zařízení. Protiproudní uspořádání je účinnější v porovnání se souproudem a to jak při ohřívání tak i při ochlazování.

115

Na obr. 11.3 je porovnáno ohřívání proudu z teploty T1 na teplotu T2 v souproudném a protiproudném výměníku. Teplý proud A při souproudném provedení musí mít výchozí teplotu T4 zatímco při protiproudném provedení jen teplotu T3. Studený proud B je v obou případech zahřát na stejnou teplotu T2. Při protiproudném uspořádání tedy můžeme použít teplý proud o nižší teplotě pro stejné ohřátí studeného proudu a tím ušetříme energii. Obdobně je tomu při ochlazování T4 T4 teplého proudu, viz. T A A obr. 11.4. Teplý proud T B A ochlazujeme z 3 T3 teploty T4 na T3. V T2 T2 B souproudém výměníku A B musí být teplota T B studeného proudu B T1, T T1 1 x zatímco v x Obr. 11.4 Obr. 11.3 protiproudném Ochlazování teplého proudu Ohřívání studeného proudu výměníku stačí výchozí teplota studeného proudu T2, Navíc se teplý proud ochladí na nižší teplotu než je konečná teplota studeného proudu. Podle způsobu sdílení tepla rozlišujeme výměníky povrchové a směšovací. V povrchových výměnících dochází ke sdílení tepla mezi proudy prostřednictvím teplosměnného povrchu, který proudy odděluje. U směšovacích výměníků dochází ke sdílení tepla mezi proudy při jejich vzájemném smísení. 11.2 POVRCHOVÉ VÝMĚNÍKY Povrchové výměníky tepla pro proudy kapalina – kapalina nebo kapalina – plyn dělíme podle konstrukce na plášťové, spirálové, deskové, trubka v trubce, ponorné, zkrápěné a vzduchové. Plášťový výměník, obr. 11.5, se skládá z pláště, ve kterém je svazek trubek, obr. 11.6, kterými proudí kapalina, jejíž teplotu potřebujeme změnit. Stěny trubek představují teplosměnnou plochu. Trubky jsou z vnější strany topeny nebo ochlazovány teplosměnným médiem. Rozdíl teplot mezi teplosměnným médiem a proudící kapalinou nesmí být větší než asi 50°C pokud je výměník dlouhý. Při větším rozdílu by v důsledku rozdílné roztažnosti kovu pláště a trubek mohlo dojít k prasknutí uchycení (svárů) trubek v čelní Obr. 11.6 ploše výměníku. Trubkovnice plášťového Výměník se dobře výměníku 116

pára

Obr. 11.5 Plášťový výměník

čistí od eventuálních úsad na vnitřních stěnách teplosměnných trubek. Výměník může mít jakoukoliv polohu od horizontální do vertikální. Rozdílnou roztažnost pláště a trubek je možné eliminovat buď teplotním dilatačním kompenzátorem na plášti výměníku nebo trubkami ve tvaru U, obr. 11.7, které se mohou nezávisle prodlužovat při změnách teploty. Nedostatkem tohoto výměníku ve srovnání s výměníkem s rovnými trubkami je obtížné čištění vnitřku trubek a proto se používá jen pro čisté kapaliny které netvoří inkrustace. Účinnost plášťových výměníků se zvyšuje s rostoucí rychlostí a turbulencí toku kapaliny.

Obr. 11.7 Výměník s trubkami ve tvaru U Ve výměníku „trubka v trubce“, viz. obr. 11.8, dochází k výměně tepla mezi proudy A a B, které proudí v trubce a mezikruží mezi menší a větší trubkou. Lépe se dociluje protiproud a v důsledku větších rychlostí proudění je lepší převod tepla mezi oběma proudy ve srovnání s plášťovým výměníkem a je tedy účinnější. Navíc pro rychlé proudění je méně znečišťován různými úsadami. V případech, kdy přestup tepla z proudu B není dostatečný (proud B je plyn nebo viskózní kapalina), je výhodné vnější povrch vnitřní trubky opatřit žebrováním, čímž se teplosměnná plocha zvýší až 5x. Nevýhodou tohoto typu výměníků je jejich značná velikost.

B A

A B

Obr. 11.8 Výměník trubka v trubce

Spirálový výměník, obr. 11.9, vznikne stočením dvou listů do spirály tak, aby mezi jednotlivými závity vzniknul další kanál. Do jednoho se uvádí proud A a do druhého

A

B A

B

117

Obr. 11.9 Spirálový výměník

proud B. Na obr. A.8 je souproudné uspořádání, ale proudy lze vést také protiproudně. Spirálový výměník je kompaktní, má malý hydraulický odpor, dosahuje se v něm vysokých rychlostí proudů a proto i většího prostupu tepla, tedy vyšší tepelné účinnosti. Nedostatkem těchto výměníků je složitá výroba, obtížné čištění a v případě netěsnosti spojů velmi složitá oprava. Ponorné výměníky tepla jsou tvořeny několika rovinami vzájemně spojených teplosměnných trubek umístěných ve stejné horizontální rovině, obr. 11.10a, které jsou ve skříni, do níž se přivádí chladící kapalina, umístěny pod sebou, obr. 11.10b. Chlazený proud vstupuje do nejvýše chlazený proud chladící položené horizontální voda řady trubek a potom prochází svazky trubek shora dolů. Tyto výměníky se hlavně používají jako chladiče kapalin nebo a kondensátory. par. Obr. 11.10 b Jejich nedostatkem je Ponorný výměník jejich velikost, velký volný průřez pro průchod chladicí vody a tím její malá rychlost, což má za následek nízký koeficient prostupu tepla a tím i malou tepelnou účinnost výměníku. Skrápěný výměník, obr. 11.11, je tvořen několika chladicí voda řadami trubek spojených do vertikálně umístěného hada. Nad trubkami je zařízení (žlaby nebo rozprašovače), které rozvádí chladicí vodu na vnější povrch trubek. Systém trubek je volně uložen, není od okolí izolován krytem a je proto přístupný atmosféře. Voda nejen stéká po povrchu trubek, ale i se odpařuje. Vzhledem k vysokému výparnému teplu vody se malým množstvím vody odvede velké množství tepla. Obr. 11.11 Skrápěný výměník spotřebuje na odvedení stejného Skrápěný výměník množství tepla jen polovinu chladicí vody ve srovnání s plášťovým výměníkem. Skrápěný výměník se používá jako chladič i jako kondensátor. Nedostatkem těchto výměníků je jejich značná velikost, silná koroze, zanášení vnějšího povrchu trubek úsadami a omezené použití v zimních podmínkách pro vznikající námrazy na teplosměnných trubkách Deskový výměník se skládá ze sady profilovaných desek, seřazených za sebou a stažených pomocí šroubů mezi hlavní a přítlačnou deskou. Každá z profilovaných desek, která slouží jako teplosměnná plocha, je opatřena těsněním a tak je vytvořen systém dvou oddělených mezideskových prostorů – kanálů – pro průtok chlazené kapaliny a chladícího média, viz. obr. 10.12. Všechny desky jsou prolisovány tak, aby v proudícím médiu docházelo k intenzivní turbulenci, čímž se zvyšuje přestup tepla a deskové výměníky proto mají 3 až 5x vyšší účinnost než výměníky trubkové. Každá z kapalin prochází svým systémem kanálů, tvořených utěsněnými mezideskovými prostorami. Například chlazená kapalina vstupuje do levé horní příruby v pevné nosné desce a každým druhým mezideskovým prostorem protéká dolů a opouští výměník pravou dolní přírubou. Chladící médium naopak z levé dolní příruby protéká svými mezideskovými kanály nahoru a vychází levou horní přírubou. Takovéto 118

Obr. 11.12 Deskový výměník; teplosměnná profilovaná deska uspořádání zajišťuje dokonalý protiproud. Všechny desky jsou prolisovány tak, aby v proudícím médiu docházelo k intenzivní turbulenci, čímž se zvyšuje přestup tepla a deskové výměníky tepla mají 3 až 5x vyšší účinnost než výměníky trubkové. Vzduchové chladiče chladí rychlým proudem vzduchu hnaným výkonným ventilátorem do kolektoru, kde jsou umístěny žebrované trubky, kterými prochází chlazený proud, obr. 11.13. Žebrování trubek, obr. 11.14, podstatně zvětšuje teplosměnnou plochu. Kromě horizontálního uložení trubek, jak je tomu na obr. 11.13, mohou být trubky uloženy do kolektorů umístěných vertikálně, obr. 11.15 nebo i šikmo, jako je tomu u stěn stanu, obr. 11.16, čímž se výrazně Obr. 11.13 zvedne teplosměnná plocha Vzduchový chladič Obr. 11.14 vztažená na jednotku zastavěné Žebrovaná trubka plochy. Koeficient přestupu tepla ze strany vzduchu je malý. Výhodou vzduchových chladičů je skutečnost, že výrazně snižují spotřebu chladicí vody v závodě. Naproti tomu je jejich použití v letních měsících pro vysokou teplotu okolního vzduch často problematické.

Obr. 11.15 Vzdušný chladič s vertikálně uloženými trubkami

Obr. 11.16 Trubky uložené šikmo

119

Výměníky pro ochlazování nebo ohřívání proudící tuhé látky jsou vesměs horizontální. Tuhá fáze musí být volně tekoucí a nespékavá. Tuhá fáze v důsledku gravitace pomalu prochází plášťovým výměníkem s tenkými trubkami, které musí být tuhou látkou zcela zaplněné. Vně trubek je topné nebo chladící medium. Jiný typ výměníku pro tuhou fázi představuje podlouhlá hranatá vertikální skříň v níž jsou umístěny duté desky zevnitř chlazené vodou. Prostor mezi deskami musí být opět zcela zaplněn pomalu tekoucí tuhou látkou. Tento typ výměníků neprodukuje žádné prachové emise na rozdíl od výměníků fluidního typu, které pracují stejně jako fluidní dopravníky (kap. 2) nebo sušárny (kap. 12.3).

Obr. 11.17 Deskový výměník pro tuhou fázi

11.3 SMĚŠOVACÍ VÝMĚNÍKY Ve směšovacích výměnících dochází ke sdílení tepla mezi proudy při jejich přímém smíšení. Mísit lze jen takové proudy, které spolu nereagují, nemísí se a je možno je od sebe dobře oddělit jak je tomu při ochlazovací krystalizaci, kdy roztok je chlazen uváděním studené kapaliny nemísitelné s roztokem nebo plynu, viz. kap. 15. Výjimkou je míšení stejných proudů o různé teplotě, které není nutno od sebe následně oddělovat, jako např. při ohřívání vody přímou parou nebo chlazení syntézního plynu při výrobě amoniaku, kdy po průchodu katalytickým ložem se zahřeje a musíme jej ochladit na pracovní teplotu katalyzátoru smísením se studeným syntézním plynem. Za přímý výměník tepla lze také považovat fluidní dopravník tuhého materiálu, který při dopravě musí ještě materiál ochladit stykem se studeným vzduchem. 11.4 TEPLOSMĚNNÁ MEDIA Teplosměnná media dělíme na topná a chladicí media (přenašeče tepla a přenašeče chladu) podle toho mají-li proud ohřát nebo ochladit. Topná media můžou být kapaliny, vodní pára, taveniny, horký vzduch nebo spaliny podle toho, jaké teploty ohřívaného proudu je třeba docílit. Horkou vodou za normálního tlaku lze zahřívat studený proud do asi 80°C. Pokud chceme vodou zahřívat na vyšší teplotu, je třeba zvýšit tlak. Při tlaku nad 20 MPa lze vodu přehřát až na 350°C. Místo vody se pro teploty do asi 300°C při normálním tlaku používají také minerální oleje s vysokým bodem varu.

120

Běžným topným mediem je nasycená nebo přehřátá vodní pára. Nasycená vodní pára je v rovnováze s vodou o stejné teplotě. Jak je zřejmé z obr. 11.12, nasycená vodní pára při teplotách nad 100°C musí být pod tlakem vyšším než atmosférickým. Tak např. při 180°C je potřebný 3 tlak přibližně 1 MPa a při 200°C musí být nasycená pára pod tlakem kolem 3 MPa. Značnou výhodou MPa nasycené vodní páry je velký koeficient přestupu 0.1 tepla při její kondenzaci, velké kondenzační teplo a vznik využitelného kondenzátu (v podstatě destilované vody). Nevýhodou jsou nízké teploty, 200°C 100 které lze nasycenou vodní parou dosáhnout. Vodní Obr. 11.12 páru můžeme také při atmosférickém tlaku zahřát na Fázový diagram vody 200°C a tím dostaneme přehřátou vodní páru. Přehřátá pára ve výměníku nekondenzuje jako nasycená pára, má nízký koeficient přestupu tepla a rovněž nízkou měrnou tepelnou kapacitu. Proto její spotřeba je významně vyšší než spotřeba páry nasycené. Pro teploty nad 300°C se jako topná media používají taveniny anorganických nebo organických látek. Tak např. směs 40% NaNO2, 7% NaNO3 a 53% KNO3 má entalpii tuhnutí kolem 80 kJ/kg a při teplotách nad 400°C nízkou viskozitu. Nevýhodou tavenin je skutečnost, že při poruše v dodávce tepla dojde k jejich zatuhnutí v celém systému, což se obtížně odstraňuje. Pro vysoké teploty nad 1000°C se jako topná media používají spalné plyny nebo horký vzduch. Obě media mají malý koeficient přestupu tepla a malou měrnou tepelnou kapacitu, takže k ohřevu je zapotřebí jejich velké množství. Jako chladící media jsou používány kapaliny a vzduch. Pro chlazení do 30°C je užívána technologická voda odebíraná z vodních toků. Voda má vysoký koeficient přestupu tepla a je snadno dostupná.. Její použití má své nedostatky, zejména tvorbu organických úsad na teplosměnných plochách, zanášení všech nečistot z povrchových vod do technologického okruhu a proměnnou teplotu v jednotlivých ročních obdobích od asi 5°C v zimě do více jak 25°C v létě. Takto teplou vodou nelze ochladit medium na méně než asi 30°C. Jelikož technologická voda odebíraná z vodních toků se po oteplení vypouští zpět do toku, dochází k oteplování povrchových vod se všemi negativními důsledky pro toky. Proto se často utvoří v závodě uzavřený okruh vody, kde se voda po oteplení ve výměníku ochlazuje částečným odpařením v chladicích věžích. Do uzavřeného okruhu se z vnějších zdrojů doplňují jen ztráty vody vzniklé při odpařování. Pro chlazení na nižší teploty se užívají solanky, převážně solanka sodná, tj. roztok NaCl, nebo vápenná, což je roztok CaCl2. Solanky jsou ochlazeny budˇstrojně nebo odpařováním NH3 nebo jiných zkapalněných plynů (především propan a etan), pokud jsou v závodě jako plyny používány v technologii. Nevýhodou solanek je jejich agresivní působení na kovy. Vzduch je využíván jako chladicí medium ve vzduchových výměnících. Vzduchu je dostatek a nedochází k zanášení teplosměnných ploch. Nedostatkem vzduchu je nízký koeficient přestupu tepla, nízká měrná tepelná kapacita a kolísaní teploty podle geografické polohy a ročních období.

121

12. SUŠENÍ Sušení je chemicko-inženýrská operace kdy z tuhého materiálu odstraňujeme zadrženou kapalinu, většinou vodu. Odstranění kapaliny z tuhé fáze může být realizováno mechanicky (filtrací, lisováním, odstředěním), fyzikálně-chemicky (adsorpcí nebo absorpcí), tepelně (převod kapaliny do par). Kapalina je v tuhé fázi zadržována třemi způsoby a to jako volná vlhkost, tj. kapalina na povrchu tuhé fáze, která vykazuje charakteristiky, zejména tenzi par, stejné jako samotná kapalina s rovným povrchem, vázaná vlhkost, tj. kapalina zadržená v malých kónických pórech tuhé fáze má v důsledku konkávního (dovnitř prohnutého) povrchu nižší tenzi par než je tenze par nad rovným povrchem kapaliny při stejné teplotě. Tenze par kapaliny nad zakřiveným povrchem je závislá ne úhlu smáčení tuhé fáze kapalinou, adsorbovaná vlhkost, tj. molekuly kapaliny vázané na aktivních místech povrchu silami částečně chemické povahy. Tenze par kapaliny zadržované vlhkým materiálem o teplotě T je pl a tenze par téže kapaliny v okolím prostředí o stejné teplotě je pg. V rovnováze kdy nedochází k přechodu kapaliny z tuhé fáze do okolí nebo naopak, musí být chemický potenciál páry nad kapalinou zadržovanou v tuhé fázi l) roven chemickému potenciálu páry kapaliny v okolním prostředí (g), tj. (l) =

l) + RT ln pl =

(g) + RT ln pg = (g)

kde standardní chemické potenciály l) a (g) jsou si rovny, protože se jedná o stejnou kapalinu. Aby kapalina přecházela z tuhé fáze do okolí, tj. aby docházelo k sušení tuhého materiálu, musí být = (g) – l) = RT ln pg /pl < 0, tj. pl > pg Jestliže je pl < pg, kapalina z okolí přechází do tuhé fáze, tj. materiál vlhne. K sušení materiálu dochází v případě, kdy tenze par kapaliny zadržované tuhou fází je vyšší než tenze par kapaliny v okolním prostředí. V opačném případě materiál vlhne. pl

Tenze par kapaliny pl roste exponenciálně s teplotou, zatímco tenze par kapaliny v okolí pg je dána konkrétními podmínkami (např. přirozenou vlhkostí vzduchu použitého jako sušícího media). Proto při zahřátí materiálu nad určitou teplotu Tk, při níž tenze par kapaliny se vyrovná tenzi par kapaliny v okolí, dochází k přechod kapaliny formou par do okolí (sušícího media), tj. dochází k sušení materiálu, zatímco pod touto teplotou

122

vlhnutí pg

sušení

T

Tk

Obr. 12.1 Tenze par nad kapalinou jako funkce teploty

materiál nabírá vlhkost ze sušícího media, tj. dochází k vlhnutí materiálu, viz. obr. 12.1. Tepelně sušenému materiálu je třeba dodat značné množství tepla k převedení kapaliny do páry, nejméně výparné teplo, Hvýp. Sušení je energeticky velmi náročná operace a proto se snažíme co nejvíce zadržené vlhkosti odstranit jinými metodami, např. mechanicky, a jen zbytkovou vlhkost odstranit tepelně. 12.1 KINETIKA SUŠENÍ TEPLEM Vyjádřeme rychlost sušení materiálu, r, jako množství kapaliny odstraněné z jednotky hmoty vlhkého materiálu za jednotku času [(kg odstraněné kapaliny)/(kg vlhkého materiálu x čas)]. Začneme-li materiál zahřívat, po překročení kritické teploty Tk se rychlost sušení zvyšuje se stoupající teplotou (etapa I) až do doby, kdy teplota materiálu dosáhne bodu varu kapaliny Tv. Volná vlhkost na povrchu tuhé fáze se T vypařuje konstantní rychlostí (etapa II) a to II III IV I tak dlouho, dokud není veškerá přítomná volná vlhkost odstraněna, tj. rychlost sušení Tm je konstantní. Po celou dobu odpařování r volné vlhkosti se teplota materiálu nemění, protože dodané teplo se spotřebovává na Tv vypaření kapaliny. Jakmile je volná vlhkost odstraněna, dodávané teplo zvyšuje postupně teplotu materiálu a dochází k odpařování kapaliny z pórů (etapa III). Tk Jelikož se průměr pórů snižuje, snižuje se i 0 t Obr. 12.2 množství odpařené kapaliny v čase, tj. klesá Rychlost sušení jako funkce času rychlost sušení. Po odstranění kapaliny z I – zahřívání, II – odstraňování volné vlhkosti, pórů se teplota materiálu dále zvyšuje a III – odstraňování vázané vlhkosti, IV – dochází k postupnému odstraňování odstraňování adsorbované vlhkosti adsorbované vlhkosti (etapa IV). Této silně vázané vlhkosti je velmi málo a proto rychlost sušení rychle klesá téměř k nule. Konečná vlhkost materiálu je závislá na teplotě sušícího media Tm, tj. na konečné teplotě materiálu, na kterou jej může sušící medium zahřát. Průběh rychlosti sušení a teploty materiálu v čase je schematicky ukázán na obr. 12.2. Na obr. 12.3 je schematicky ukázán vývoj relativní vlhkosti materiálu, v jednotlivých etapách sušení uvedených výše je bezrozměrná veličina vyjádřená jako podíl hmotnosti kapaliny zadržené v jednotce hmotnosti zcela suchého materiálu v čase t a [kg kapaliny/kg suchého materiálu] původní hmotnosti vlhkosti v průběhu sušení. Přestože rychlost sušení v etapě IV rychle klesá k nule, viz. obr. 12.2, je konečná (rovnovážná) relativní vlhkost materiálu r, která je dána tenzí par kapaliny v sušícím mediu, dosažena jen pozvolně a za velmi dlouhou dobu.

123

1

I

II

III

IV

r

0

t

Obr. 12.3 Vývoj relativní vlhkosti materiálu v průběhu sušení teplem

12.2 ZPŮSOBY SUŠENÍ TEPLEM Sušení teplem může být realizována buď jako přímé (konvekční), kdy sušený materiál přichází do styku se sušícím mediem (plynem), nebo nepřímé (kontaktní), kdy je teplo sušenému materiálu předáváno přes teplosměnnou plochu. Oba způsoby mohou být vedeny za normálního nebo sníženého tlaku (ve vakuu). Přímé sušení může být realizováno buď z povrchu, kdy sušící medium (teplý plyn) proudí nad povrchem sušeného materiálu, viz obr. 12.4 a, nebo z objemu, kdy sušící medium prochází objemem materiálu, viz. obr. 12.4 b, který je obvykle ve fluidním stavu. plyn a páry

plyn a páry topný plyn

materiál

materiál

topný plyn

a

suchý materiál

suchý materiál

b

Obr. 12.4 Přímé sušení z povrchu (a) a z objemu (b) Při přímém sušení odchází ze zařízení značný objem plynu, který často není možno přímo vypouštět do atmosféry. Z plynu musíme většinou odstranit stržené jemné částice materiálu a pokud odstraňovaná kapalina není voda, je třeba také zkondenzovat její páry. Sušicí linka proto sestává z několika zařízení, viz obr. 12.5. materiál topný ohřívač plynu plyn

filtr

sušárna

kondenzátor

cyklon kondenzát

suchý materiál

Obr. 12.5 Uspořádání sušící linky přímého Při nepřímém sušení je materiál vesušení styku s teplosměnnou plochou, viz. obr. 12.6, na kterou může být nanesen a po dobu sušení zůstat páry nepohyblivý anebo se po ní volně pohybuje pomocí mechanických prostředků. Topným materiál mediem je většinou kapalina. Značnou suchý topné výhodou nepřímého sušení je malý objem materiál medium odplynů odcházejících ze sušárny, které většinou není třeba odprášit. Nepřímé sušení Obr. 12.6 lze také vést v podtlaku, což zintenzivňuje Nepřímé sušení 124

proces sušení. 12.3 SUŠÁRNY S PŘÍMÝM SUŠENÍM Nejjednodušším typem sušárny s přímým sušením z povrchu je komorová (lísková) sušárna, viz. obr. 12.7. Sušárna je v podstatě uzavřená a tepelně izolovaná skříň, do které se zaveze vozík s lískami naskládanými nad sebe, na kterých komín vzduch je umístěna tenká vrstva sušeného materiálu. Nad lískami nuceně cirkuluje teplý vzduch, který je ohříván parním kaloriferem (tepelný výměník vytápěný parou). Jen část vlhkého vzduchu se po 3 1 průchodu nad lískami odvádí do komína, zbytek cirkuluje dál a do zařízení se přisává nový vzduch. Množství odváděného a přisávaného vzduchu se řídí klapkami umístěnými na vstupu do komína a ve vstupním otvoru pro nasávání. Rychlost sušení je 2 řízena množstvím odváděného a přisávaného vzduchu, jeho teplotou a rychlostí proudění. Sušení je rovnoměrné, nicméně doba sušení je dlouhá. Zařízení je energeticky velmi náročné; spotřebuje průměrně 3 kg topné páry na odpaření 1 kg vody z materiálu. Komorová sušárna má sice univerzální Obr. 12.7 použití, ale je vhodná jen pro malá množství Komorová sušárna sušeného materiálu. 1 – kalorifer, 2 – vozík s lískami, 3 ventilátor

Tunelová sušárna je typem sušárny s přímým sušením z povrchu, která pracuje kontinuálně, viz. obr. 12.8. Sušený materiál vstupuje nepřetržitě v kontejnerech (misky umístěné na dopravníku nebo tažené vozíky) do sušárny, kam je buď souproudně nebo protiproudně uváděn teplý vzduch ohřívaný parním kaloriferem. Část vzduchu je odváděna do komína a ke zbytku je přisáván čerstvý vzduch zvenčí. 2

vzduch

1

3

vlhký materiál

4

Obr. 12.8 Tunelová sušárna v protiproudném uspořádání 1 – kalorifer, 2 – dmychadlo, 3 – odtah do komína, 4 - kontejnery

suchý materiál

Množství přisávaného a odváděného vzduchu je regulováno klapkami. Při souproudném uspořádání přichází nejteplejší a nejméně vodní parou nasycený vzduch do styku s nejvlhčím materiálem, zatímco u protiproudního uspořádání nejteplejší vzduch je nejprve ve styku s již vysušeným materiálem. Souproudné uspořádání má proto vyšší využití tepla ve srovnání s protiproudním uspořádáním, ale materiál je méně vysušen než při protiproudném uspořádání. Tunelová sušárna má velkou kapacitu.

125

Pásová sušárna je rovněž typem sušárny s přímým sušením z povrchu. Sestává ze 3 až 7 pod sebou umístěných pásových dopravníků pohybujících se vždy v opačném směru. Mokrý materiál je nanášen na horní dopravník tak, aby tvořil nepříliš vysokou vrstvu o stejné tloušťce. Na konci dopravníku materiál přepadá na níže položený dopravník při čemž se promíchává a obrací. Z něj opět přepadá na dopravník umístěný pod ním. Ze spodního dopravníku materiál odchází ze sušárny. Nad pásy dopravníků proudí vzduch o teplotě obvykle 80 až 150°C protiproudně vzhledem k pohybu materiálu. Zařízení se vyznačuje dlouhou dobou sušení a kontinuálním provozem. V jiné variantě má pásová sušárna jediný dopravník pohybující se ve vytápěném tunelu, kde horký vzduch proudí nad materiálem. Rotační sušárna je mírně skloněný (do 6°) válec 3 až 15 m dlouhý o průměru 1 až 3 m, který se otáčí rychlostí 1 až 8 ot/min, obr. 12.9. Sušárna může být opatřena vnitřními vestavbami, které zajišťují lepší promíchávání materiálu a v případě přímého ohřevu také intenzivnější

materiál

plyn

1

2

Obr. 12.9 Rotační sušárna vytápěná spalinami v souproudném režimu a některé možné typy vestaveb

suchý materiál

1 – spalovací komora, 2 – rotující válec

styk se sušícím mediem. Vlhký sypký nebo pastovitý materiál je vnášen do horní části sušárny v takovém množství, které náplní asi 20% objemu válce. Sušárna je vyhřívána buď přímo proudem horkého vzduchu nebo spalin (v souproudném nebo protiproudném režimu) anebo nepřímo pláštěm, jestliže nesmíme znečistit sušený materiál nebo je třeba zabránit úletu jemných částic ze sušárny v případě, že sušíme pasta, silně prášící materiál. Ze sušárny je vynášeno suspenze 0.5 až 5% materiálu formou úletů. V protiproudném režimu jsou ztráty materiálu formou úletů menší než v souproudném režimu. Sušení z objemu je realizováno v rozprašovací 2 sušárně, viz. obr. 12.10, 12.11, používané k 1 sušení past nebo k úplnému odstranění kapaliny z roztoků a suspenzí. Vzhledem ke krátké době vzduch do cyklonu styku sušené látky se sušícím mediem (většinou horký vzduch), 3 až 30 s, je toto zařízení suchý materiál vhodné zejména pro sušení termolabilních Obr. 12.10 látek. Pasta, roztok nebo suspenze se Rozprašovací sušárna v souproudu atomizérem (talíř rotující až 10000 ot/min nebo 1 – ohřívač vzduchu, 2 - atomizér trysky) rozpráší na malé částice do proudu horkého vzduchu, obr. 12.12. S klesající velikostí částic roste intenzita sušení. Proud horkého

126

vzduchu o rychlostí do 1 m/s může být veden vzhledem k částicím souproudně nebo protiproudně. Část vysušeného materiálu se shromažďuje ve formě sférických částic ve spodní části sušárny a velmi jemné částice, které jsou vynášeny sušícím mediem ze sušárny,

Obr. 12.11 Rozprašovací sušárna

Obr. 12.12 Rozprašování rotujícím talířem

se oddělí např. v cyklonu. Proudová (pneumatická) sušárna, viz obr. 12.13, suší z objemu materiálu. Sušící medium (proud horkého vzduchu) suší a současně dopravuje materiál, který musí být zrnitý, nelepivý a neabrazivní. Materiál je dávkován např. šnekovým dávkovačem do proudu plynu o rychlosti 10 až 40 m/s. Materiál je dopravován 10 až 20 m dlouhým potrubím, kde dochází k vysušení. Velké částice, které plyn neunese, padají do mlýna pod dávkovačem, kde jsou rozemlety a proudící plyn je vynese do potrubí. Suchý materiál je oddělen z proudu plynu v cyklonu. V případě, že se jemné částice materiálu v cyklonu nezachytí, je za cyklonem zařazen ještě filtr. Zdržení materiálu v proudu plynu je krátké, asi 10 s, a proto je tento typ sušárny vhodný pro termolabilní látky. Při sušení dochází ke značné degradaci materiálu, tj. ke zmenšení velikosti k ventilátoru

4

suchý materiál vlhký materiál 3

2

1

vzduch

Obr. 12.13 Proudová sušárna 127

1- ohřívač, 2 – mlýn, 3 – šnekový dávkovač, 4 - cyklon

částic v důsledku otěru a nárazů na stěny, nebo mezi sebou. Sušárna může být provozována buď v podtlaku, kdy je zamezeno prášení v netěsných spojích, nebo v přetlaku. Proudová sušárna pracuje v kontinuálním režimu. Fluidní sušárna, viz. obr. 12.14, 12.15, je k filtru zařízení, ve kterém je realizováno přímé sušení z objemu. Horký vzduch o teplotě 100 až 200°C prochází objemem vlhkého materiálu, který je kontinuálně uváděn na mírní skloněný děrovaný rošt, který může být nepohyblivý nebo může horizontálně materiál vibrovat. Vzduch je uváděn pod rošt v takovém množství, aby materiál byl ve vznosu, jeho částice se vzájemně horký vzduch nedotýkaly, ale aby nebyl unášen proudem suchý materiál plynu ze sušárny. Vzhledem k tomu, že se Obr. 12.14 částice nedotýkají, nedochází k jejich Fluidní sušárna degradaci (zmenšování velikosti) otěrem. V tomto tzv. „fluidním“ stavu se materiál chová jako vroucí kapalina, ve které se všechny částice neustále pohybují a promíchávají. Ve fluidním stavu má každá částice materiálu velmi dobrý kontakt se sušícím mediem a proto sušení probíhá rychle s tepelnou účinností vyšší než u předchozích typů sušáren. K dalšímu zvýšení tepelné účinnosti mohou být v sušárně do toku materiálu instalovány ještě teplosměnné plochy. Vlhký vzduch,který opouští sušárnu, je veden do cyklonu k odstranění stržených jemných částic a potom odchází do atmosféry. Fluidní sušárna je vhodná pro jemně až středně zrnité materiály.

Obr. 12.15 Fluidní sušárna

128

12.4 SUŠÁRNY S NEPŘÍMÝM SUŠENÍM Sušárny s nepřímým sušením (kontaktní sušárny) se používají zejména pro sušení materiálů produkovaných v malých, nebo středně velkých šaržích, které nesmí přijít do styku s horkým vzduchem nebo spalinami, nesmí se znečistit stykem s okolní atmosférou anebo nesmí uniknout do okolí ani v minimálním množství. Jde především o farmaceutické, fotochemické, zemědělské a speciální produkty. Teplo je sušenému materiálu předáváno přes teplosměnnou plochu, která může být představována buď stěnami zařízení nebo topnými elementy vloženými do zařízení, které jsou v přímém styku se sušeným materiálem. Teplosměnným mediem je většinou pára nebo topná kapalina. Nepřímé sušení je časově náročné, takže účinnost sušárny silně ovlivňuje produktivitu celého výrobního zařízení. Obr. 12.16 Kuželový sušič Nejjednodušším zařízením s nepřímým sušením je kuželový sušič, obr. 12.16, což je v postatě kuželový směšovač s vytápěnými stěnami, který je napojený na vývěvu. Otáčení sušiče kolem horizontální osy zajišťuje dobré promíchávání materiálu a jeho pravidelný kontakt s teplosměnnou plochou. Kuželový sušič je vhodný pro volně tekoucí materiály. Lopatková sušárna, viz. plnící otvor k vývěvě obr. 12.17, je nepohyblivý horizontální žlab vyhřívaný pláštěm, někdy navíc i výpusť míchadlem, ve topné kterém se medium pohybuje Obr. 12.17 lopatkové Lopatková sušárna míchadlo. Míchadlo zajišťuje účinné promíchávání materiálu a jeho dobrý kontakt s teplosměnnou plochou. Sušárna pracuje šaržovitě a je vhodná i pro hrudkovité a obtížně míchatelné materiály. Žlabová sušárna je uzavřená válcová komora opatřená speciálním spirálovým nebo šnekovým míchadlem, která je vyhřívána pláštěm a někdy i šnekem. Sušárna se speciálním spirálovým míchadlem je v podstatě totožná s krystalizátorem Swenson – Walker, obr. 12.18. Místo míchadla mohou být v sušárně šneky. Příčný řez žlabovou sušárnou se dvěma šneky je na obr. 12.16. Míchadlo se otáčí rychlostí 5 až 50 ot/min, přičemž s rostoucími otáčkami se zlepšuje přestup tepla z teplosměnné plochy 129

plnící otvor

hladina materiálu

Obr. 12.18 Řez žlabovou sušárnou se dvěma šneky

do materiálu. Žlab se plní na přibližně 60% objemu. Materiál je míchadlem převracen, roznášen po stěnách a také drcen. Sušárna může pracovat šaržovitě i kontinuálně. Žlabová sušárna je určena především pro práškovité a těstovité materiály, které mají sklon ke spékání. Talířová sušárna, viz. obr. 12.19, je velká válcová uzavřená skříň, ve které jsou umístěny talíře přímo vyhřívané parou. V sušárně je obvykle 6 až 8 talířů. Středem sušárny prochází otáčející se osa, na kterou jsou nad každým talířem upevněna ramena se škrabkami (nejsou na obr. 12.17 vyznačena), které materiál promíchávají a současně jej posunují ke kraji talíře. Materiál je na talířích střídavě posunován ke středu nebo k okraji talíře. Po horním talíři je materiál posouván k okraji, přes nějž přepadá na níže položený talíř. Na něm je materiál posunován ke středu, kde propadává na nižší talíř. Tento pohyb materiálu po talířích se opakuje až z posledního talíře materiál vypadává ze sušárny. Směr pohybu materiálu je na obr. 12.17 naznačen šipkami. Sušený materiál se v sušárně zdrží značně dlouhou dobu.

Obr. 12.19 Talířová sušárna

Vakuová sušárna, nazývaná také Nauta-mix, je uzavřená konická vertikální nádoba vyhřívaná pláštěm, viz. obr. 12.20. V nádobě se těsně u stěny pohybuje šnekové míchadlo, které může být také vyhříváno. Míchadlo vykonává kromě otáček kolem vlastní osy také planetární pohyb po obvodu nádoby. Tím je zajišťováno promíchávání materiálu, obměna materiálu ve styku s vyhřívanou stěnou a také je usnadňován odchod par kapaliny ze sušeného materiálu. V sušárně je udržován podtlak. Páry odcházející ze sušárny jdou přes filtr, kde jsou odstraněny unášené jemné částice, do 3 2 1 kondensátoru, kde jsou páry kapaliny zkondenzovány a teprve potom je zařazena vývěva. Zkondenzováním par kapaliny se výrazně sníží objem odsávaných par, čímž se vytvoří dodatečný sací efekt, který zvyšuje podtlak v sušárně a tím se snižuje požadavek na výkon vývěvy. Vysušený materiál je vypouštěn spodní výpustí. Doba sušení závisí kromě teploty a Obr. 12.20 tlaku také na rychlosti otáček Vakuová sušárna míchadla kolem své osy a 1 – elektromotor, 2 – prachový filtr, 3 - násyp rychlosti planetárního pohybu míchadla. Tato sušárna je obzvláště vhodná pro termolabilní látky neboť v podtlaku je nižší teplota sušení.

130

Válcová sušárna, obr. 12.21, je v podstatě válec vyhřívaný zevnitř, který se otáčí rychlostí 2 až 8 ot/min. Na povrch válce se z míchaného zásobníku nanáší tenká vrstva, do 1 mm, sušeného materiálu, který může být ve formě řídké nebo kašovité suspenze těstovité nebo lepivé husté kapaliny. Materiál je přitlačován k válci válečky, dokud dostatečně nevyschne, aby vytvořil neodpadávající vrstvu. Během otočky válce se materiál usuší a do zásobníku je seškrabován mechanickou škrabkou. Válcová sušárna je energeticky poměrně málo náročná a hlavně neprodukuje prachové emise.

vlhký materiál

suchý materiál

Obr. 12.21 Válcová sušárna

13. ODPAŘOVÁNÍ

Operace odpařování se používá k zahuštění roztoků, suspenzí nebo emulzí odstraněním části kapaliny nebo k regeneraci rozpouštědla. Molekuly kapaliny na sebe působí vzájemnými přitažlivými silami. Pokud se molekula vyskytuje f(N) v objemu kapaliny, síly na ni působící se vzájemně vyruší a molekula se může volně pohybovat všemi směry. Pokud je však molekula na hladině, síly působící zevnitř kapaliny jsou podstatně větší než síly působící z okolí, kde se vyskytuje jen pára kapaliny (koncentrace molekul v páře je výrazně nižší než koncentrace molekul v kapalině). Výsledkem je, že Ekin Ekrit molekuly na povrchu jsou přitahovány dovnitř kapaliny a vytváří na povrchu něco jako „gumovou Obr. 13.1 blánu“, která kapalinu nutí zaujmout co nejmenší Maxwell-Boltzmanovo rozdělení objem. Aby molekula mohla opustit kapalinu, musí se kinetické energie molekul pohybovat po dráze směřující k povrchu a současně překonat síly, které ji, jakmile dosáhne povrchu, přitahují dovnitř kapaliny. K tomu musí mít dostatečně velkou kinetickou energii Ekrit a větší. Molekuly kapaliny ale nemají stejnou kinetickou energii. Na obr.13.1 je vynesena energie molekul proti frakci molekul, f(N), které ji mají, tzv. Maxwell-Boltzmannovo rozdělení. Jen část molekul však má dostatečně velkou energii potřebnou energii k opuštění kapaliny, Ekrit. Je-li kapalina v uzavřené nádobě, ustaví se po čase dynamická rovnováha mezi molekulami opouštějícími kapalinu a přecházejícími z páry do kapaliny. V nádobě se tak při dané teplotě ustaví rovnovážný tlak (tenze) páry pi(T). Se stoupající teplotou roste energie molekul a v důsledku toho se křivka rozdělení energie molekul posouvá vpravo při zachování jejího tvaru. S růstem teploty roste množství molekul s energii vyšší než kritickou, které mohou opustit kapalinu, jelikož přitažlivé síly mezi molekulami nezávisí na teplotě. Rovnovážný tlak par je funkcí jen teploty a nezávisí na objemu jak kapaliny tak i parního prostoru nad kapalinou. Pokud z parního prostoru budeme odvádět páry, kapalina se při stálé teplotě zcela odpaří. Rychlost odpařování, vyjádřená jako hmotnost kapaliny převedená za jednotku času do par při konstantní teplotě, je funkcí velikosti povrchu kapaliny a teploty; s teploty růstem se rychlost odpařování zvyšuje, protože se zvyšuje počet molekul s energií větší než kritickou.

131

Pokud se tenze par nad kapalinou vyrovná okolnímu tlaku nastává var kapaliny. Teplotu při níž se tenze par kapaliny vyrovná okolnímu tlaku, tj. nastane var, nazýváme bodem var kapaliny. Var je charakterizován uvolňováním par v celém objemu kapaliny. Při snížení okolního tlaku z p na p1 se sníží bod varu p2 kapaliny z T na T1; při zvýšení okolního tlaku z p na p2 se bod varu zvýší, z T na T2, viz. obr. 13.2. Jelikož při p odpařování odchází molekuly s vysokou energií, celková energie kapaliny se snižuje a v důsledku p1 toho se kapalina ochlazuje. Střední kinetická energie jednoatomového plynu je T1 T T2 podle ekvipartičního principu rovna Ekin = (3/2).RT, Obr. 13.2 kde R je univerzální plynová konstanta. Obsah kinetické energie souboru molekul plynu se projeví jako jeho Závislost tenze par kapaliny na teplotě teplota; čím vyšší střední kinetická energie molekul, tím vyšší teplota plynu. Tento princip lze aplikovat i na kapalinu. Abychom během odpařování udrželi teplotu kapaliny konstantní, musíme systému dodávat tepelnou energii z okolí. Množství tepla, které je třeba kapalině z okolí dodat k převedení 1 molu (1 kg) kapaliny do páry o stejné teplotě je molární (měrná) výparná entalpie, Hvýp. S klesající teplotou kapaliny se zvyšuje výparná entalpie, tj. čím nižší teplota kapaliny, tím více tepla musíme dodat k jejímu převedení do páry, . Hvýp(T1) Hvýp(T2) jestliže T1 T2. Proč se zvyšuje Hvýp s klesající teplotou kapaliny je zřejmé z obr. 13.3. Čím větší frakce molekul f(N) má energii nižší než kritickou (čím je plocha pod křivkou omezená souřadnicemi počátku a Ekrit větší, tj. plocha pod křivkou od Ekrit doleva (vyšrafovaná oblast), tím více tepla musíme kapalině dodat, aby všechny molekuly nabyly kritickou energii a mohly kapalinu opustit (vypařit se). S klesající teplotou se MaxwellBoltzmannovo rozdělení kinetické energie molekul posunuje doleva, zatímco kritická energie molekuly k opuštění kapaliny (vypaření) se s teplotou nemění.

f(N)

T1

Ekrit

T2

Ekin

Obr. 13.3 Frakce molekul s energií nižší než kritickou

Zařízení, ve kterých se provádí odpařování, nazýváme odparkami. Odpařování můžeme vést v přetlaku, za atmosférického tlaku nebo ve vakuu. Proces vedený v přetlaku vyžaduje zařízení, které je tlakovou nádobou se všemi konstrukčními komplikacemi s tím spojenými, ale nejsou třeba vývěvy. Topná pára musí mít velký tlak, ale latentní teplo odnášené brýdovými párami je snadno využitelné. Proces za atmosférického tlaku je nejjednodušší pokud jde o konstrukci zařízení. Odpařování ve vakuu vyžaduje vývěvy a vykazuje vyšší měrnou spotřebu topné páry (množství páry nutné k odpaření 1 kg rozpouštědla), která však má nízký tlak. Protože teplota při odpařování je nižší než při odpařování v přetlaku nebo za atmosférického tlaku, tepelné ztráty do okolí jsou nejmenší. Odpařování je energeticky velmi náročný proces. Podle způsobu ohřevu dělíme odparky na zařízení s přímým ohřevem, kde nejsou teplosměnné plochy a tedy nevznikají inkrustace (tuhé

132

usazeniny na teplosměnné ploše), jsou konstrukčně jednoduché, nevyžadují časté čištění, ale jsou procesně špatně ovladatelné; s nepřímým ohřevem obsahující tepelné výměníky, což vede ke složitým konstrukcím, které jsou náchylné na tvorbu inkrustací a je proto je třeba často čistit, jsou snadno regulovatelné a brýdové páry lze snadno využít. Podle uspořádání rozlišujeme odparky jednostupňové a vícestupňové. 13.1 USPOŘÁDÁNÍ ODPAREK Jednostupňové odparky, viz. obr. 13.4, jsou brýdové páry zařízení, kde proces je většinou šaržovitý a proběhne v jednom stupni, tj. zařízení se naplní, roztok se zahustí odpařením a po roztok dosažení požadovaného stupně odstranění chladící rozpouštědla se roztok vypustí. Odpařovaný voda roztok je možno během operace do zařízení topná doplňovat tak, aby hladina v odparce zůstala pára po celou operaci ve stejné úrovni. Takové odparky mají vysokou spotřebu páry, až 1.2 kg páry na 1 kg odpařené vody, vysokou kondenzát spotřebu chladící vody (35 až 40 kg vody na 1 zahuštěný roztok kg zkondenzovaného rozpouštědla). Jsou Obr. 13.4 energeticky velmi náročné protože energii Jednostupňová odparka potřebujeme k tomu, abychom roztok uvedli k varu, dodali výparné teplo rozpouštědla, které odebereme do chladící vody při kondenzaci brýdových par, takže je ztraceno. Významné úspory tepla je možno docílit využitím latentního tepla brýdových par. 1. věta termodynamická pro nevratný děj dU < dq – pdV

(13.1)

kde U je vnitřní energie, q teplo soustavou přijaté, p tlak a V objem. Jelikož dU = cvdT , kde cv je molární tepelná kapacita při konstantním objemu, při adiabatickém ději kde dq = 0, přechází (13.1) na cv dT + p dV < 0 (13.2) Zavedením stavové rovnice ideálního plynu a vztahu R = cp – cv a následnou úpravou dostaneme cv dT/T + [(cp – cv)/cv] dV/V < 0 (13.3) Označíme-li cp/cv =

, které je vždy větší než 1, – dostaneme po integraci ln T + ( ( T V

ln V < konst < konst

Nahrazením V za p pomocí stavové rovnice dostaneme

133

(13.4) (13.5)

n

T < konst. p kde n = (

/

(13.6)

0

Stlačením brýdových par, které mají stejnou teplotu jako vřící roztok, zvýšíme jejich teplotu. Potom je můžeme použít jako topné medium místo topné páry. Brýdové páry můžeme stlačit buď mechanicky brýdové páry nebo tzv. termokompresí. Při mechanickém stlačení jsou všechny brýdové páry odcházející z 2 odparky (1) stlačeny kompresorem, dmychadlem nebo ventilátorem (2). Stlačené brýdové páry jdou do výměníku v odparce, kde předají teplo roztoku pára 1 a zkondenzují. Vzniklý kondenzát ještě předehřeje vstupující roztok v externím výměníku (3). Při tomto uspořádání musíme dodat teplo topnou parou jen na začátku procesu na zahřátí roztoku k kondenzát roztok 3 varu. Potom parou jen doplňujeme tepelné ztráty do okolí. Spotřeba energie je asi jen 10% v zahuštěný roztok porovnání s jednostupňovou odparkou bez Obr. 13.5 stlačení par. Schéma funkce jednostupňové Jednostupňová odparka s odparky s mechanickým stlačováním brýdových mechanickým stlačováním brýdových par je na obr. 13.5. Tyto odparky se užívají zejména tam, kde není k dispozici dostatek topné páry o potřebném tlaku.par Při tzv. termokompresi se brýdové páry stlačují topnou parou, jejíž tlak je třeba redukovat. topná Stlačení proběhne v ejektoru (1), 1 pára kde si vstupující topná pára chladící 3 2 voda přisává brýdové páry a směs vstupuje do výměníku v těle kondenzát odparky (2). Využije se jen část brýdových par. Zbytek brýdových zahuštěný roztok par odchází do kondensátoru (3), 4 roztok kde odpařované rozpouštědlo parní kondenzát zkapalní. Parní kondenzát a Obr. 13.6 odcházející zahuštěný roztok Jednostupňová odparka s termokompresí předehřívají v předřazeném brýdových par výměníku (4) roztok vstupující do odparky. Spotřeba energie na odpařování při termokompresi brýdových par poklesne o asi 50% v porovnání s jednostupňovou odparkou bez termokomprese. Uspořádání jednostupňové odparky s termokompresí je na obr. 13.6. Brýdové páry mohou být také stlačovány mechanicky kompresorem pokud tlak topné páry není třeba redukovat. Vícestupňové odparky sestávají z několika odparek, které jsou zařazeny do série, přičemž brýdové páry z předcházející odparky slouží jako topné medium pro odparku následující, viz obr. 13.7. Brýdové páry odcházející z odparky mají teplotu bodu varu rozpouštědla a aby mohly vytápět následující odparku, musí v ní být bod varu rozpouštědla nižší. Snížení bodu

134

varu roztoku se dosáhne brýdová pára brýdová pára brýdová pára snížením tlaku. To pára znamená, že v každé následující odparce musí být tlak nižší než v topná chladící předcházející odparce. pára voda Každý stupeň odparky je proto připojen roztok kondenzát k oddělenému zdroji zahuštěný roztok vakua. Je možné také Obr. 13.7 uspořádání, při kterém Schéma zapojení třístupňové odparky jsou tlaky v jednotlivých stupních stejné, ale brýdové páry opouštějící odparku jsou kompresorem stlačeny (termokomprese) a použity k vytápění dalšího stupně. Vícestupňové uspořádání odparek přináší nejen úsporu energie, protože topnou parou vytápíme jenom první stupeň, ale také úsporu chladící vody, protože jenom páry z posledního stupně jsou zkondenzovány chladící vodou v kondensátoru. Brýdové páry z předchozích stupňů vždy zkondenzují ve výměníku následující odparky. Průměrná úspora energie (topné páry a chladící vody) je uvedena v Tab. 13.1. U vícestupňových odparek je také možno použít termokompresi brýdových par. Obr. 13.8 Čtyřstupňová odparka Tab. 13.1 Energetická náročnost vícestupňové odparky Stupeň

1

2

3

4

5

A

1.2

0.7

0.5

0.4

0.3

B

40

20

13

8

7

A – kg topné páry nutné k odpaření 1 kg vody z roztoku; B – kg chladící vody nutné ke zkondenzování 1 kg brýdových par vody.

13.2 TYPY ODPAREK

135

Podle konstrukce dělíme odparky na odparky s přirozenou nebo nucenou cirkulací roztoku, odparky filmové a odparky se zvláštní konstrukcí, např. tzv. „flash“ odparky. 13.2.1 Odparky s cirkulací roztoku Odparky s cirkulací rozpouštědla se podle umístění výměníku tepla dělí na odparky s vnitřním a s vnějším (externím) výměníkem tepla. Cirkulace roztoku může být buď přirozená nebo nucená a nezáleží při tom, zda je výměník vnitřní nebo vnější. Při přirozené cirkulaci roztoku se roztok v dlouhých trubkách výměníku ohřívá až k varu, jeho měrná hmotnost klesá se stoupající teplotou a roztok proto proudí směrem vzhůru. Bublinky páry utvořené v roztoku při dosažení varu ještě urychlují stoupající proudění roztoku. Jakmile roztok dosáhne hladinu dojde k odloučení bublin z roztoku a ještě k dalšímu odparu rozpouštědla. Roztok se v důsledku odparu rozpouštědla ochladí, jeho měrná hmotnost vzroste a klesá ke dnu zařízení. Proudění v trubkách výměníku však není natolik rychlé, aby zabraňovalo tvorbě pevných úsad na vnitřních stěnách teplosměnných ploch, tzv. tvorbě inkrustací. Čerstvý roztok na zahuštění se přidává do cirkulačního okruhu před výměníkem tepla. Zdržení roztoku v zařízení je značně dlouhé, řádově hodiny. Vzhledem k dlouhé době styku roztoku s teplosměnnou plochou jsou odparky s přirozenou cirkulací rozpouštědla vhodné pro termostabilní systémy, které nemají sklon k tvorbě inkrustací. Odparka s brýdové páry

pára

brýdové páry

zahuštěný roztok

zahuštěný roztok zahuštěný roztok

čerstvý roztok a Přirozená cirkulace, vnitřní výměník

brýdové páry

pár a

čerstvý roztok

pára

čerstvý b roztok Přirozená cirkulace, c vnější výměník Nucená cirkulace

Obr. 13.9 Odparky s cirkulací roztoku

přirozenou cirkulací roztoku s vnitřním a vertikálním vnějším výměníkem je uvedena na obr. 13.9 a, b. Vnější výměník může mít polohu vertikální, horizontální nebo skloněnou. Odparka s nucenou cirkulací roztoku je uvedena na obr. 13.9.c. Cirkulaci roztoku zajišťuje čerpadlo. Nucená cirkulace roztoku v odparce se docílí pomocí čerpadla, které je zařazeno před vnějším výměníkem tepla. Čerpadlo nesmí rozbíjet krystaly. Na rozdíl od přirozené cirkulace 136

kapalina ve výměníku nesmí dosáhnout bodu varu, aby nevznikaly inkrustace. Toho se dosáhne zvýšeným hydrostatickým tlakem v odparce, který je vyvozován vysokým sloupcem kapaliny nad výměníkem a menším rozdílem teplot mezi teplosměnnou plochou a roztokem, kolem 3°C. Jakmile hydrostatický tlak poklesne, kapalina začne vřít. Vřící kapalina se uvádí pod hladinu v tělese odparky, kde nastává uvolnění par a další odpar z hladiny. V případě, že z roztoku nevypadává tuhá fáze, může být uváděn i nad hladinu kapaliny v zařízení. Proudění kapaliny ve výměníku musí být dostatečně Obr. 13.10 rychlé, aby bylo zabráněno tvorbě Jednostupňová odparka s nucenou cirkulací inkrustací. Odparky s nucenou cirkulací jsou vhodné i pro viskózní roztoky nebo roztoky obsahující tuhou fázi. Odparka s nucenou cirkulací je uvedena na obr. 13.9 c a 13.10. Oba typy odparek s přirozenou cirkulací roztoku můžou pracovat šaržovitě nebo kontinuálně. Při šaržovitém režimu je do odparky přiváděn nový roztok k udržení hladiny v zařízení tak dlouho, dokud není dosaženo požadovaného zkoncentrovaní roztoku. Poté se operace ukončí a roztok se jednorázově vypustí z odparky. Při kontinuální operaci se do zařízení neustále přivádí čerstvý a odvádí zkoncentrovaný roztok. brýdové páry

13.2.2 Filmové odparky Ve filmových odparkách se kapalina odpařuje z tenkého filmu utvořeného na teplosměnné ploše. Podle směru postupu filmu rozlišujeme odparky se vzlínajícím a padajícím filmem.

1

Odparka se vzlínajícím filmem, obr. 13.11, je naplněna pára kapalinou až do výše, kde v trubkách dlouhých 3 až 10 m zahuštěný nastává var kapaliny. Trubky jsou topeny párou z vnější roztok strany. Směs kapaliny a páry stoupá trubkou vzhůru, kapalina po vnitřní stěně jako tenký film a pára středem trubky. Jelikož při vzlínání filmu kapaliny dochází k dalšímu odpařování, rychlost vzestupu filmu se zrychluje. Paroplynná směs vystřikuje z trubek na deflegmátor (1), kde dochází k hrubému oddělení většiny kapaliny od páry. Zbylá část čerstvý kapaliny, která je ve formě malých kapek unášena brýdovými roztok parami, je oddělena v parním prostoru odparky působením Obr. 13.11 gravitace a stržené nejmenší kapky potom v separátoru, který Filmová odparka se je umístěn obvykle mimo odparku. Zkoncentrovaná kapalina vzlínajícím filmem může být v případě potřeby necirkulována k dalšímu zahuštění. Rozdíl teploty mezi topnou parou a vypařující se kapalinou musí být nejméně 10°C. Tento typ odparky je vhodný pro neinkrustující kapaliny, které mohou být i dosti viskózní. 137

V odparce s padajícím filmem, obr. 13.12, 13,13, je kapaliny nastřikována do hlavy odparky tak, aby byla rovnoměrně čerstvý rozdělena do všech 3 pára roztok až 10 m dlouhých trubek výměníku. Kapalina při teplotě bodu varu vytváří na vnitřní stěně trubek padající film jehož rychlost pohybu se směrem dolů zvyšuje. Během postupu filmu dochází k odpařování brýdová pára kapaliny. Pára se oddělí od kapaliny ve spodní části odparky. Kapky kapaliny stržené brýdovou zahuštěný roztok parou se oddělí v separátoru. Obr. 13.12 V případě potřeby se Odparka s padajícím může zahuštěná filmem kapalina znovu uvádět Odparka s padajícím filmem na hlavu odparky. Rozdíl teplot mezi topnou parou a vřící kapalinou nemusí být větší než 1 až 2 °C. Vzhledem k velmi krátké době styku kapaliny s teplosměnnou plochou, která je kratší než u odparek se vzlínajícím Obr. 13.13 filmem, a malému Odparka s padajícím filmem 3 brýdová rozdílu teplot mezi pára topným mediem a kapalinou, je tento typ odparky vhodný pro roztoky termolabilních látek s vyšší viskozitou, které nevytvářející čerstvý 2 inkrustace. roztok pára 1

zahuštěný roztok

Obr. 13.14 Odparka s roztíraným filmem

Odparka s roztíraným filmem, obr. 13.14, je tvořena teplosměnnou trubkou vyhřívanou z vnější strany uvnitř níž se točí rotor (1) poháněný motorem (3) a vybavený lopatkami (2), které se pohybují těsně u vnitřní stěny teplosměnné trubky a vytváří z kapaliny natékající shora film kapaliny o tloušťce 0.5 až 2 mm na vnitřní stěně trubky. Padající film kapaliny se intenzivně vypařuje v důsledku vznikajících turbulencí, které zajišťují nejen vysoký přestup tepla, ale i intenzivní výměnu kapaliny ve styku s teplosměnným povrchem. Tím je dosažena krátká a stejnoměrná doba kontaktu kapaliny s teplým povrchem. Pára stoupá středem trubky vzhůru a je odváděna z hlavy odparky do separátoru stržených kapek. Odparka vyžaduje velký rozdíl teplot mezi topným mediem a vřícím roztokem v důsledku malé teplosměnné plochy. Odparka je vhodná i pro viskózní, pěnivé nebo inkrustující roztoky. 138

„Flash“ odparka, obr. 13.15, je založena na rozstřikování přehřáté kapaliny do prostoru s nižším tlakem než je tlak nasycených par kapaliny při dané teplotě. V podtlaku nastává bouřlivý var a odpařování kapaliny. Odparka nemá žádné teplosměnné plochy a proto je vhodná pro inkrustující nebo krystalizující roztoky, které by se vylučovaly na teplosměnných plochách a zabraňovaly přestupu tepla.

brýdová pára

14. DESTILACE A REKTIFIKACE Dělení složek plynné směsi je možnoi provádět několika způsoby podle povahy a koncentrace složky oddělované ze směsi. V případě, že této složky je dostatečné množství a můžeme plynnou směs zkapalnit, rozdělíme směs destilací. Je-li oddělovaná složka směsi, na rozdíl od dalších skložek, rozpustná v nějakém rozpouštědle, je možné využít absorpce. Pokud je koncentrace oddělované složky malá, potom se využívá adsorpce na tuhém adsorbentu. Plynné složky se také dají oddělit na semipermeabilních membránách.

zahuštěný roztok

Obr. 13.15 „Flash“ odparka

Operace destilace, rektifikace slouží k oddělení kapalných složek s rozdílnými body varu z jejich směsi. Destilace je založena na částečném odpaření vícesložkové kapalné směsi, pára je oddělena od kapaliny a zkondenzována. Do par přejde vždy více těkavější složky (složky s nižším bodem varu) než méně těkavé složky (složky s vyšším bodem varu), takže kondenzát se obohacuje o těkavější složku, zatímco zbývající kapalina se obohacuje o méně těkavou složku. Destilace se provádí většinou při stálém tlaku; jde o izobarický proces. Proto s růstem koncentrace méně těkavé složky ve zbývající kapalině se zvyšuje rovnovážná tenze par nad kapalinou což vede k růstu jejího bodu varu. Proces destilace je možno názorně vysvětlit na fázovém diagramu. Izobarický fázový diagram kapalina – pára TA b dvousložkové soustavy s neomezeně mísitelnými (g) kapalinami je na obr. 14.1, kde TA a TB jsou teploty varu čisté složky A a B, křivka a a b jsou křivky varu a a rosného bodu (teplota při níž začne kondenzace páry). Pod křivkou varu je oblast existence kapaliny, nad TB křivkou rosného bodu je oblast existence páry. (l) Kapalnou směs o složení x1 zahřejeme právě k varu, kdy se odloučí první velmi malé množství páry o x3 B A x1 x2 složení x2. Pokud páru zkondenzujeme dostaneme Obr. 14.1 kapalinu o stejném složení. Při zahřátí této kapaliny Izobarický fázový diagram k bodu varu se odloučí první množství páry o složení x3. Opakujeme-li stejný postup ještě jednou, dostaneme v páře již čistou složku B. Destilace vedená výše popsaným postupem se nazývá rovnovážná destilace. Pokud bychom postupovali tak, že při kondenzaci páry vznikne jen nepatrné množství kapaliny, můžeme izolovat čistou složku A.

139

Pokud kapalná směs tvoří azeotropickou směs s maximem nebo minimem bodu varu, viz. obr. 14.2, můžeme izolovat jen jednu čistou složku nebo azeotropickou směs o složení xA chovající se jako jedinec, která přechází do par o stejném složení jako má kapalná fáze. Kterou složku je možno izolovat závisí na jaké straně od azeotropického bodu se složení výchozí směsi nalézá.

xA a

xA Obr. 14.2 b Azeotropická fázový diagram a minimem (a) a maximem (b) bodu varu

Jelikož při rovnovážné destilaci odebíráme jen nepatrné množství páry, bude výtěžek postupu v každém destilačním stupni (uvedení kapaliny do varu TA následované kondenzací odebraných par) zanedbatelný. V praxi ale potřebujeme dostatečný výtěžek procesu. Proto musíme zahřát kapalinu na vyšší teplotu, aby se vždy odloučilo dostatečné množství páry. Větší množství odloučené páry však obsahuje méně těkavější složky a proto je takovýto destilační stupeň méně účinný co do TB oddělení složek směsi, než je tomu při rovnovážné destilaci. K dosažení konečného složení destilátu x3 x3B A x1 z výchozího složení x1 je potom zapotřebí více stupňů, jmenovitě 4, viz. obr. 14.3, než při rovnovážné destilaci, Obr. 14.3 kdy stačí stupně 2, viz. obr. 14.1. Izobarický fázový diagram Destilací rozumíme částečné odpaření kapaliny následované oddělením vzniklých par a jejich následnou kondenzací, což odpovídá jednomu stupni (schodu) na fázovém diagramu. Postup kdy zkondenzované páry z předchozí destilace podrobíme další destilaci, tj. postupujeme po jednotlivých stupních ve fázovém diagramu, označujeme jako frakční destilaci. Takovýto postup je ale značně nepraktický, zdlouhavý, pracný a poskytuje malý výtěžek. Proto se v průmyslové praxi slučují tyto oddělené operace do jediné, tzv. rektifikace, kdy se páry stýkají s protiproudem kapalného destilátu a při tom dochází k jejich značnému obohacení o těkavější složku. Rektifikace se provádí v kolonách, obr. 14.4, opatřených vespodu vařákem, ve kterém je kapalná směs určená k rozdělení složek anebo se vroucí směs uvádí na některé patro kolony. V patrové koloně páry na prvním patře probublávají kapalinou jejíž teplota je nižší než teplota par, páry částečně zkondenzují a kondenzačním teplem se kapalina udržuje ve varu. Patro opouští páry obohacené o těkavější složku, zatímco kapalina se obohacuje o méně těkavou složku. Tento postup se opakuje na každém patře. Obr. 14.4 Z každého vyššího patra odcházejí páry s vyšší koncentrací Destilační kolona těkavé složky, zatímco kapalina obohacená o méně těkavou složku stéká na nižší patro. Při dostatečném počtu pater se v hlavě kolony vyskytuje již téměř čistá těkavější složka a na nejnižším patře téměř čistá méně těkavá složka. Část 140

zkondenzovaných par odcházejících z hlavy kolony se vrací zpět na nejvyšší patro kolony. Pokud by se na každém patře ustavila rovnováha, odpovídalo by složení par a kapaliny na každém patře jednomu stupni ve fázovém diagramu 14.1a proto se tento stupeň nazývá teoretickým patrem. Počet skutečných pater je vždy větší než počet teoretických pater. Ve výplňové nebo náplňové koloně se stoupající pára stýká s kapalinou stékající po náplni. Při tom dochází k částečné kondenzaci par a jejich postupnému obohacení o těkavější složku. Konstrukce kolon a jejich výplní, náplní a pater je popsána v kap. 10.1.2.

15. KRYSTALIZACE Chemicko-inženýrská operace krystalizace je používaná zejména pro izolaci produktu z roztoku nebo taveniny, odstranění nečistot (příměsí) z produktu a úpravu vlastností (zejména granulometrie) tuhé fáze. V průmyslu krystalizaci realizujeme z kapalné fáze, a to buď z roztoku nebo z taveniny.

T

nenasycený roztok s(s) s(roztok)

křivka rozpustnosti s(s) = s(roztok)

přesycený roztok s(s) s(roztok) cs

15.1 KRYSTALIZACE Z ROZTOKU

Obr. 15.1 Schematický fázový diagram tuhá fáze - kapalina

Fázový diagram tuhá fáze - kapalina je rozdělen křivkou rozpustnosti na dvě oblasti, a to na roztok nenasycený a přesycený, viz. obr.15.1, kde cs je koncentrace rozpuštěné látky v roztoku. Roztok, který obsahuje více puštěné látky než odpovídá nasycenému roztoku při dané teplotě, tj. cs cr je roztok přesycený. V nenasyceném roztoku se přidaná tuhá fáze rozpouští a zvyšuje tak jeho koncentraci. S nasyceným roztokem je přidaná tuhá fáze v rovnováze, tj. nerozpouští se a ani se rozpuštěná látka nevylučuje z roztoku. Přidáme-li do přesyceného roztoku tuhou fázi, začne se na ní vylučovat rozpuštěná látka tak dlouho, dokud není dosaženo rozpustnosti při dané teplotě, tj. dokud se koncentrace roztoku nesníží na rovnovážnou hodnotu cr. . Rozpuštěná látka se bude z roztoku vylučovat ve formě tuhé fáze jen když =

s(s)

-

s(roztok)

0

kde s(s) je chemický potenciál rozpuštěné látky v tuhém stavu a potenciál rozpuštěné látky v roztoku s = s° + RT ln cs

(15.1) s(roztok)

je chemický (15.2)

kde s° je standardní chemický potenciál rozpuštěné látky. Chemický potenciál tuhé látky je roven chemickému potenciálu rozpuštěné látky v nasyceném roztoku, tj. s(s)

=

s(nasycený

roztok) =

141

s°

+ RT ln cr

(15.3)

kde cr je koncentrace rozpuštěné látky v nasyceném roztoku. Dosazením do rov. (15.1) = Aby

s°

+ RT ln cr -

s°

+ RT ln cs = - RT ln cs /cr

(15.4)

bylo záporné, musí být poměr cs /cr nazývaný přesycení, větší než 1, tj. cs> cr.

Pro spontánní vylučování rozpuštěné látky z roztoku ve formě krystalů je však nutná jistá minimální hodnota T přesycení, tj. jistá kritická koncentrace roztoku. Proto oblast přesyceného roztoku na obr. 15.1 rozdělujeme na dvě oblasti, a to odpaření metastabilní oblast, kde cr < cs cs(krit), kde rozpuštěná ochlazení látka se z roztoku vylučuje jen na přidané tuhé fázi, ale ochlazení a odpaření nevylučuje se z roztoku spontánně. Na obr. 15.2 jde o oblast mezi křivkou rozpustnosti a čárkovanou křivkou, na cs níž je koncentrace roztoku rovna cs(krit). Obr. 15.2 Způsoby získání přesycení labilní oblast, kde cs cs(krit), kde rozpuštěná látka se z roztoku vylučuje spontánně ve formě krystalků Přesycení roztoku můžeme docílit buď ochlazením nebo odpařením rozpouštědla nebo kombinací obou procesů, viz. obr. 15.2. Podle způsobu dosažení přesycení roztoku rozlišujeme krystalizaci ochlazovací, odpařovací a vakuovou. Pokud krystalizace probíhá z taveniny můžeme přesycení získat jen ochlazováním. Zařízení, ve kterých krystalizaci realizujeme, se nazývají krystalizátory. 15.1.1 Ochlazovací krystalizace Ochlazování je v porovnání s odpařováním energeticky málo náročný proces. Je sice nutno odebrat krystalizační teplo (krystalizace je exotermní proces) a ochladit roztok. Toto teplo, které je nutno odebrat systému je však daleko menší než výparné teplo rozpouštědla, které při odpařování do systému musíme dodat. Ochlazovací krystalizace je vhodná pro látky jejichž rozpustnost se s teplotou výrazně zvyšuje, tj. které vykazují strmou křivku rozpustnosti, nebo jejichž roztoky mají výrazně zvýšený bodu varu rozpouštědla. Ochlazovací krystalizátory mohou být chlazené buď přímo (výměna tepla mezi chladicím mediem a roztokem bez teplosměnné plochy) nebo nepřímo (výměna tepla přes teplosměnnou plochu). Mezi přímo chlazené krystalizátory patří krystalizační vany. Jde o otevřené nádrže, do kterých je napuštěn roztok, kde samovolně chladne. Je to levné zařízení, které ale zabírá velkou zastavěnou plochu a má malý výkon (samovolné chlazení je pomalé a proto je doba šarže příliš dlouhá). Vznikající krystaly jsou příliš velké, nepravidelné a málo čisté, protože

142

zadržují matečný roztok ve formě inkluzí (kapky matečného roztoku uzavřené uvnitř krystalu). Krystalizátor může být také chlazen přímým stykem krystalizujícího roztoku se studenou kapalinou, viz. obr. 15.3. Chladící kapalina je do krystalizátoru uváděna rozdělovačem (trubka svinutá do kruhu a opatřená dírkami), který kapalinu rozptýlí do malých kapek po celém průřezu difuzoru. Chladící kapalina, která musí mít měrnou hustotu menší než roztok, stoupá vzhůru difuzorem a vyvozuje tak cirkulaci krystalizujícího roztoku v krystalizátoru. Chladící kapalina se shromažďuje na povrchu odkud je odčerpávána přes chladič znovu do rozdělovače. Z roztoku se vylučují poměrně velké krystaly, které klesají ke dnu a jsou shrabovány pomaloběžným míchadlem k výpusti. Krystalizátor může být provozován buď šaržovitě nebo i kontinuálně.

krystaly

Obr. 15.3 Krystalizátor chlazený nemísitelnou kapalinou

Místo chladící kapaliny lze také použít zkapalněný plyn, který s roztokem nereaguje, jako např. propan, butan, NH3. Zkapalněný plyn je uváděn do roztoku, kde se odpařuje a ochlazuje tak krystalizující roztok. Plyn odcházející z krystalizátoru je opět zkapalněn a znovu použit ke chlazení. Vznikají velmi jemné krystaly. Rotační krystalizátor je mírně skloněný rotující válec přibližně 20 m dlouhý o průměru 1 až 2 m, viz. obr. 15.4. Na vyšší straně je do válce uváděn roztok, který na vnitřní stěně rotujícího válce utvoří film. Ze spodního konce válce je proti stékajícímu roztoku vháněn chladný vzduch, takže roztok se ochlazuje a páry současně odpařuje. Válec může být opatřen vnitřními vestavbami, které narušují film a zajišťují rozstřikovaní kapaliny do prostoru roztok vzduch válce. Tím se zvýší účinnost zařízení přibližně 2x. Z krystalizátoru vytéká suspenze Obr. 15.4 suspenze krystalů jemných krystalů. Zařízení je málo Rotační krystalizátor poruchové, ale jeho nevýhodou je velký zastavěný prostor. Rotační krystalizátor pracuje kontinuálně. Kolébkový krystalizátor je mírně skloněný žlab 15 m dlouhý a 2 m široký, na jehož dně jsou rozmístěny zarážky kolmo ke směru toku roztoku.. Žlab je umístěn na kruhových segmentech, které umožňují výkyv žlabu až o 45° od svislé osy na obě strany. Roztok stéká pomalu po dně žlabu, je ochlazován okolním vzduchem a současně je rozpouštědlo odpařováno. V důsledku velmi pomalé krystalizace vznikají velké krystaly, které postupují souproudně roztok s roztokem. Kolébkové krystalizátory pracují kontinuálně, zabírají velkou zastavěnou plochu a mají malý výkon. Nejjednodušší nepřímo chlazený krystalizátor je šaržovitý míchaný krystalizátor, viz. obr. 15.5. V kruhové nádrži opatřené duplikátorem a turbinovým míchadlem je umístěn difuzor k chladící usměrnění toku suspenze. Jako difuzor může také sloužit chladící had svinutý do poměrně voda husté cívky. Míchadlo tlačí suspenzi směrem ke hladině, aby vznikající krystaly byly 143

suspenze

Obr. 15.5 Šaržovitý míchaný krystalizátor

suspendovány a neshromažďovaly se na dně krystalizátoru. Do nádrže se napustí horký roztok, který se za míchání chladí pláštěm a/nebo hadem. Pokud se medium používá technologická voda jako chladicí, lze krystalizátor ochladit na maximálně 25 – 30°C. Na chladících plochách se mohou tvořit nárůsty krystalů (inkrustace), které snižují přestup tepla. Vznikají středně velké krystaly o proměnné granulometrii. Míchaný krystalizátor s vnější cirkulací suspenze, viz. inkrustace na chladící totiž roztok proudí rychle, tvorba zcela znemožněna. roztok snadno tvořících výměníku umístěném cirkulace roztoku je míchadlem umístěným chladící nerozbíjí vzniklé voda přidává do potrubí se odtahuje a vzniklé suspenze matečného roztoku. Obr. 15.6 velké a mají jednotnou Ochlazovací krystalizátor s kontinuálně. vnější cirkulací suspenze

obr. 15.6, se užívá tehdy, kdy se ploše tvoří velmi snadno. Pokud kolem chladicí plochy dostatečně inkrustací je silně omezena až Proto se při krystalizaci látek inkrustace roztok chladí ve vně krystalizátoru. Intenzivní podporována vrtulovým v potrubí před výměníkem, které krystaly. Čerstvý roztok se před výměníkem. Část suspenze krystaly jsou separovány od Vznikající krystaly jsou středně velikost. Zařízení pracuje

Jiný typ nepřímo chlazeného krystalizátoru je Swenson – Walker krystalizátor, viz obr. 15.7. Jde o žlab ve tvaru U o délce 3 m a šířce 0.5 m. Krystalizátor je chlazen pláštěm, do kterého je uváděna chladící voda. V krystalizátoru je umístěno speciální spirálové míchadlo, které promíchává suspenzi, seškrabuje krystaly ze stěn a posunuje je k výpusti. Vznikající krystaly jsou přibližně 1 mm v průměru a se širokou (nerovnoměrnou) distribucí. Krystalizátor může pracovat s roztokem nebo taveninou šaržovitě i kontinuálně. Krystalizace při velmi nízkých teplotách, až -50°C, se provádí v chladicím krystalizátoru Votator, obr. 15.8. Zařízení sestává z několika v sérii nebo paralelně zapojených trubkových výměníků typu trubka v trubce o průměru vnitřní trubky 30 cm a asi 10 m dlouhých. Ve vnější trubce proudí chladící kapalina a ve vnitřní trubce je šnek přiléhající k vnitřní stěně, který jednak krystalizující roztok promíchává, ale hlavně ze stěn seškrabuje ulpěné krystaly a posunuje je směrem k výpusti. Suspenze v trubkách proudí pístově. Krystalizátor je vhodný i pro velmi koncentrované nebo silně viskózní suspenze. Krystalizátor zabírá malou zastavěnou plochu, je levný, pracuje roztok kontinuálně a má značný výkon. Zařízení je podobné krystalizátoru se seškrabovanými stěnami, obr. 15.18, s tím rozdílem, že neobsahuje zrací nádrž a pracuje s roztoky a Obr. 15.8 ne taveninou. Chladicí krystalizátor Votator suspenze

15.1.2 Odpařovací krystalizace Odpařovací krystalizace je vhodná pro látky 144

Obr. 15.7 Swenson-Walker krystalizátor

s plochou křivkou rozpustnosti, tj. rozpustnost se s teplotou mění jen málo, nebo pokud chceme proces vést při určité teplotě. Odpařování můžeme vést při atmosférickém nebo sníženém tlaku. Potřebné teplo do roztoku můžeme dodávat buď přímo (spalinami, vzduchem, plamenem), tzv. přímý ohřev, nebo přes teplosměnnou plochu (pláštěm, vestavěným nebo externím výměníkem), tzv. nepřímý ohřev. Krystalizátor s ponorným hořákem je zařízení s přímým ohřevem, obr. 15.9. Pod hladinou kapaliny je umístěn hořák, ve kterém je spalován plyn ve směsi se vzduchem. Tímto způsobem se využije až 90 % tepla uvolněného při spalování. Za stejný čas je možno do kapaliny uvést až 200x více tepla než přes teplosměnnou plochu. Spaliny odcházející z krystalizátoru strhují kapičky roztoku, které je nutno z par odstranit. Krystalizátor s ponorným hořákem je vhodný pro korozívní systémy nebo pro systémy s obrácenou rozpustností, tj. rozpustnost se stoupající teplotou klesá. Krystalizátor pracuje kontinuálně.

plyn

brýdové páry

roztok

hořák

suspenze

Obr. 15.9 Krystalizátor s ponorným hořákem

brýdové páry Rozprašovací krystalizátor, nazývaný také Ducon, viz. obr. 15.10, je v podstatě rozprašovací sušárna, ve které nedojde k úplnému odpaření rozpouštědla, ale jen ke vzniku suspenze. Do tělesa krystalizátoru je rozprašován horký roztok a proti němu je vháněn vzduch studený vzduch. Dojde k ochlazení a částečnému odpaření rozpouštědla a rozpuštěná látka se vyloučí ve 1 formě velmi malých krystalků. Část suspenze se odvádí jako produkt, ze kterého se oddělí krystaly a čerstvý část cirkuluje, ohřeje se ve výměníku (1), přidá se k ní suspenze roztok čerstvý roztok a je znovu uvedena do Obr. 15.10 krystalizátoru. Z Rozprašovací krystalizátor odcházejících par je třeba odstranit chladící stržené kapky a krystalky. Krystalizátor pracuje voda kontinuálně. Zastavěná plocha a rovněž zádrž roztoku v suspenze krystalizátoru je poměrně malá. Zařízení je jednoduché, investičně nenáročné a nevyžaduje složitou obsluhu. kondenzát brýdové páry roztok

Obr. 15.11 Air-lift krystalizátor

plyn

Odpar rozpouštědla z roztoku do plynu, který nereaguje s roztokem, je realizován v tzv. air-lift krystalizátoru, viz. obr.15.11. Plyn je rozptylován rozdělovačem (1) do drobných bublinek, které stoupají difuzorem a zajišťují tak kromě odpařování rozpouštědla ještě i cirkulaci suspenze difuzorem vzhůru a prostorem mezi difuzorem a vnitřní stěnou krystalizátoru dolů. Páry rozpouštědla jsou odváděny jako brýdové páry a v chladiči (2) 145

zkondenzovány. Horký čerstvý roztok je uváděn do spodní části krystalizátoru a suspenze je odebírána z hladiny krystalizátoru. Krystalizátor je vysoké (přes 15 m) a štíhlé zařízení. Krystalizátor poskytuje tuhou fázi s rovnoměrnou distribucí krystalů o velkosti cca 1 mm. Nejjednodušší odpařovací krystalizátor s nepřímým ohřevem za atmosférického tlaku je míchaný kotel vyhřívaný duplikátorem nebo topným hadem ponořeným do roztoku. Roztok se za míchání odpařuje tak dlouho, dokud nedojde k požadovanému snížení jeho objemu. Vzniklá suspenze se za míchání z kotle vypustí. Proces je šaržovitý. Tento typ krystalizátoru má velmi malou tepelnou účinnost, proces trvá dlouho a zařízení má malou kapacitu. Krystalizační odparky mohou pracovat šaržovitě nebo kontinuálně. Výměník může být zabudovaný v těle odparky (tzv. vnitřní cirkulace) nebo umístěný mimo odparku (tzv. vnější cirkulace). Cirkulace suspenze je někdy podporována míchadlem. Na obr. 15.12 je krystalizační odparka s vnitřní cirkulací suspenze. Roztok se v trubkách ohřívá a jeho měrná hmotnost klesá, trubkami výměníku stoupá do hlavy odparky kde nastane odpařování rozpouštědla. Tím se roztok ochladí, stane se těžším a klesá vnitřní středovou trubkou do spodní části krystalizátoru, kde se vzniklé krystaly, které jsou dostatečně velké, oddělí a sedimentují k výpusti. Roztok znovu proudí trubkami výměníku vzhůru a celý proces se opakuje.

brýdové páry

roztok pára

kondenzát

Jednostupňová odparka spotřebuje přibližně 1 kg páry na 1 kg odpařeného rozpouštědla a je tedy energeticky velmi náročná. Pokud je zapojeno několik odparek za sebou, kdy brýdové páry předchozí odparky slouží jako topné medium pro následující odparku, spotřeba topné páry se výrazně snižuje, viz kap. 13.

suspenze

Obr. 15.12 Krystalizační odparka

15.1.3 Vakuová krystalizace

Při vakuové krystalizaci je horký roztok uveden do vakua, kde se rozpouštědlo částečně odpaří a tím se roztok i ochladí. Přesycení je tedy vytvořeno částečným zkoncentrováním roztoku v důsledku odpařením části pára brýdové rozpouštědla ve vakuu a současným snížením jeho teploty (v páry důsledku tepla zabaveného při odpaření rozpouštědla). Jelikož systém nevyměňuje s okolím teplo (teplo se ani neodebírá roztok chlazením přes teplosměnné plochy ani nepřivádí k odpaření rozpouštědla) nazýváme vakuovou krystalizaci také adiabatickou krystalizací (při adiabatickém ději systém nevyměňuje s okolím teplo). Tento způsob krystalizace je vhodný pro látky se strmou křivkou rozpustnosti, které současně výrazně nezvyšují bodu varu roztoku ve srovnání s bodem varu čistého rozpouštědla. Jelikož míchadlo krystalizace může probíhat za nízkých teplot je tento postup vhodný pro termolabilní látky. suspenze

Vakuové krystalizátory, které se vyznačují jednoduchou konstrukcí, malými investičními náklady a snadným řízením procesu, mohou být buď šaržovité nebo kontinuální.

146

Obr. 15.13 Šaržovitý vakuový krystalizátor

Šaržovitý vakuový krystalizátor, viz. obr. 15.13, je štíhlé a vysoké zařízení s excentricky umístěným míchadlem (jedním nebo i několika) a velkým parním prostorem, tj. volným prostorem nad hladinou roztoku. Krystalizátor je napojen na vývěvu buď přímo, nebo přes kondensátor. Do krystalizátoru se uvede horký roztok a začne odtahování par vývěvou tak dlouho, dokud se jeho objem nesníží natolik, aby se vyloučilo požadované množství krystalů. V průběhu operace je možno do krystalizátoru připouštět čerstvý roztok, aby se zvýšilo množství tuhé fáze vzniklé v jedné operaci. Po ukončení operace, která trvá 6 až 8 hodin, se výsledná suspenze krystalů vypustí např. na filtr, kde je tuhá fáze oddělena od matečného roztoku. V průběhu krystalizace nejsme schopni řídit velikost vznikajících krystalů, které proto mají širokou distribuci velikosti částic. Krystaly ulpěné na vnitřním povrchu krystalizátoru se rozpustí při následující šarži po napuštění horkého roztoku, čímž se krystalizátor vyčistí. Použití tohoto typu krystalizátoru je vakuum výhodné v případech, kdy se jedná o poměrně malá množství materiálu, který je velmi citlivý na teplotu, protože pracovní teplotu krystalizace můžeme regulovat velikostí podtlaku.

roztok

suspenze

Obr. 15.14 Kontinuální vakuový krystalizátor

Kontinuální vakuový krystalizátor s externí cirkulací suspenze je zobrazen na obr. 15.14. Cirkulace celého objemu suspenze externím okruhem je umožňována vrtulovým míchadlem umístěným v externím okruhu, které nerozbíjí krystaly přítomné v suspenzi. Cirkulující suspenze, která se ve výměníku ohřeje o 2 až 6°C, je uváděna tangenciálně pod hladinu krystalizátoru. Na hladině by totiž nastal okamžitý var, který by měl za následek tvorbu velmi malých krystalků. Průměrná velikost vznikajících krystalů se pohybuje kolem 0.7 mm. Z externího okruhu se kontinuálně odebírá část suspenze jako produkt, z níž je separována tuhá fáze. Čerstvý roztok se přidává do okruhu před míchadlem, aby došlo k jeho dokonalému smíšení Brýdové páry s cirkulující suspenzí.

Vakuový kontinuální krystalizátor typu Oslo je uveden na obr. 15.15. Roztok odcházející z horní části spodní nádoby nuceně cirkuluje vnějším kruhem přes výměník, kde se roztok ohřeje o 2 až 31°C a je

suspenze

Obr. 15.15 Vakuový krystalizátor Oslo 147

or

o

uveden pod hladinu do parní hlavy krystalizátoru. V hlavě je udržován podtlak. V podtlaku roztok začne vřít a částečně se odpaří čímž se stane přesyceným. Z hlavy krystalizátoru roztok klesá dlouhou nohou, která slouží jako barometrický uzávěr, ke dnu spodní nádoby obsahující suspenzi krystalů, které jsou v důsledku stoupajícího proudu roztoku udržovány ve vznosu. Krystaly v přesyceném roztoku rostou a po dosažení jisté velikosti klesají proti stoupajícímu proudu roztoku ke dnu, kde se shromažďují a jsou odváděny z krystalizátoru na separaci. Krystalizátor typu Oslo produkuje velké krystaly s úzkou distribucí. Velikost vznikajících krystalů je možně v jistých mezích řídit Vakuový komorový krystalizátor je ležatá válcová nádoba o délce 12 m a průměru 3 m rozdělená do 5ti i více komor, viz. obr. 15.16. Každá komora je opatřena samostatným ejektorem. Podtlak je v vakuum každé následující komoře vyšší a proto i hladina roztoku nebo suspenze se zvyšuje. roztok Roztok je v každé komoře míchán buď mechanickým suspenze míchadlem nebo probubláváním vzduch vzduchu. Roztok se ve Obr. 15.16 vakuu odpařuje a Vakuový komorový krystalizátor současně ochlazuje, čímž se vytváří přesycení. Z poslední komory, kde je teplota kolem 5°C, se kontinuálně odebírá suspenze. Výsledné krystaly mají velikost pod 1 mm. 15.2 KRYSTALIZACE Z TAVENINY Složky v tuhé fázi mohou být buď zcela nemísitelné, omezeně mísitelné nebo neomezeně mísitelné. Pro zjednodušení uvažujme fázový diagram dvousložkového systému A – B jehož složky jsou v tuhé fázi zcela nemísitelné, obr. 15.15a, a neomezeně mísitelné (v celém rozsahu koncentrací tvoří tuhé roztoky), obr. X.15b. Pokud budeme v diagramu 15.17a taveninu o složení x1 ochlazovat ve směru šipky 1, při dosažení teploty T1 se začne vylučovat čistá tuhá složka A. Při dalším chlazení se stále vylučuje čistá tuhá složka A a složení taveniny se posunuje po rovnovážné křivce směrem k eutektiku. Množství taveniny, která se obohacuje na

1

TA

TA

2 TB T2

A(l) + B(l)

T1 A(s) + (l) TE

A(l) + B(l) X

T3

B(s) + (l) A(s) + B(s)

A(s) + B(s) A

x1

x2

B

A

x3

TB

B

b Obr. 15.17 Fázový diagram dvousložkové soustavy s (a) zcela nemísitelnými složkami a (b) neomezeně mísitelnými složkami. TA, TB – bod tání složky A, B; TE – eutektická teplota; A(s), B(s) – tuhá složka A, B; A(l), B(l) – kapalná složka A, B; (l) – tavenina a

148

složku B, klesá. Při dosažení eutektické teploty TE se začne vylučovat spolu se složkou A i tuhá složka B, a to tak dlouho, dokud celý systém neztuhne. Při ochlazovaní taveniny o složení x2 se při dosažení teploty T2 začne vylučovat čistá tuhá složka B, jejíž množství s klesající teplotou stoupá a složení taveniny, která se postupně obohacuje na složku A, se posunuje k eutektiku. Při dosažení eutektické teploty TE se začne vylučovat tuhá složka A spolu se složkou B tak dlouho, dokud systém neztuhne. Pokud taveninu systému s neomezeně mísitelnými složkami o složení x3, obr. 15.17b, ochladíme na teplotu T3 (bod X) vyloučí se tuhá fáze o složení udaném průsečíkem rovnoběžky s osou x vedeném z bodu T3 s křivkou ležící nalevo od bodu X (křivka tání) a taveninu o složení udaném průsečíkem této rovnoběžky s křivkou ležící napravo od bodu X (křivka tuhnutí). Vyloučená tuhá fáze se sice obohatí na složku A s vyšším bodem tání, ale obsahuje rovněž složku B, i když v menším množství než původní tavenina. Nicméně postupnými kroky, jako v případě destilace, tj. násobným částečným roztavením vyloučené tuhé fáze a oddělením vzniklé taveniny, můžeme izolovat čistou složku A. Izolace čisté složky B by probíhala částečným ztužením taveniny, oddělením tuhé fáze a opakováním tohoto postupu. Z diagramů 15.17 je zřejmé, že každá příměs snižuje bod tání čisté složky a při jejím vylučování ve formě tuhé fáze se zbývající tavenina obohacuje o druhou (nežádoucí) složku. Vylučování tuhé fáze z taveniny může probíhat buď na teplosměnné ploše, kdy ochlazujeme vrstvu vyloučených krystalů, nebo v objemu taveniny, kdy ochlazujeme celý objem taveniny (obdobně jako při krystalizaci z roztoků). Při krystalizaci na teplosměnné ploše je třeba proces rozdělit do čtyř fází, a to 1. Vznik vrstvy krystalů na teplosměnné ploše růstem z taveniny. Na povrchu vrstvy krystalů je ulpěná tavenina, která obsahuje nežádoucí druhou složku. 2. Přerušení styku krystalů s taveninou (odstranění původní taveniny z prostoru krystalizačního zařízení). 3. Částečné roztavení vzniklých krystalů a odvod vzniklé taveniny, tzv. pocení. Tento proces snižuje znečištění produktu nežádoucí složkou. 4. Roztavení krystalické vrstvy zbylé na teplosměnné ploše a odčerpání produktu ve formě taveniny. Nejjednodušší zařízení pro krystalizaci na teplosměnné ploše je statický krystalizátor, obr. 15.18, který pracuje šaržovitě. Krystalizátor je hranatá nádoba s horním hrdlem pro vstup taveniny a dolní výpustí, ve které je umístěn systém trubek, jejichž vnější povrch slouží jako teplosměnná plocha. Do nádoby se napustí tavenina a začne se chladit. Po vytvoření vrstvy krystalů na vnějším povrchu trubek se zbylá tavenina vypustí a do trubek se uvede teplé medium. Dojde k částečnému roztavení vrstvy krystalů. Vzniklá tavenina se shromažďuje na dně nádoby, odkud je po ukončení “pocení” vypuštěna. Poté se do trubek uvede natolik teplé medium, aby došlo k úplnému roztavení zbylých krystalů. Tavenina produktu se z krystalizátoru odčerpá a proces může být znovu zahájen.

149

Obr. 15.18 Statický krystalizátor Statický krystalizátor je vhodné zařízení pro získání produktu o střední nebo vyšší čistotě při malé až střední kapacitě výroby. Výhodou zařízení je (i) jeho konstrukční jednoduchost a tedy nízká investiční náročnost, (ii) neobsahuje žádné točivé prvky a tedy náklady na údržbu jsou nízké a (iii) výsledný produkt je v kapalné fázi, takže odpadá separace krystalů z taveniny buď filtrací nebo odstředěním za tepla (obě operace jsou procesně náročné, protože se musí provádět za podmínek, kdy vstupní nedojde z zatuhnutí taveniny v separačním zařízení). tavenina Krystalizaci na teplosměnné ploše lze také realizovat v krystalizátoru s padajícím filmem taveniny, viz. obr. 15.19. Krystalizátor je v podstatě vertikální trubkový výměník (3), který je chlazen (ohříván) z vnější strany trubek. Po vnitřní stěně chlazených trubek stéká film taveniny čerpané ze zásobní nádrže (1) a protéká do sběrné nádrže (5). Jakmile se na vnitřní stěně trubek utvoří dostatečně silná vrstva krystalů je čerpání taveniny přerušeno, obsah sběrné nádrže odčerpán zpět do zásobní nádrže (1) a trubky výměníku zahřáty uvedením teplého media na takovou teplotu, aby došlo k částečnému roztavení vzniklé vrstvy krystalů. Tavenina odtéká do sběrné nádrže (5). Po této fázi “pocení” je tavenina ze sběrné nádrže odčerpána na další zpracování 150

1

2

3

4

produkt nebo odpadní 5 tavenina Obr. 15.19 Krystalizátor s padajícím filmem taveniny

krystalizací do nádrže (2) nebo jako znečištěná odpadní tavenina odstraněna ze systému. Zbylá vrstva krystalů je roztavena uvedením horkého media do výměníku,vypuštěna do sběrné nádrže a odchází z krystalizátoru jako produkt. Krystalizátor s padajícím filmem taveniny má vysokou kapacitu a poskytuje produkt o střední až vysoké čistotě, která může dosáhnout až 99.9999%. Neobsahuje žádné točivé prvky, takže nároky na údržbu jsou minimální. Produkt je ve formě taveniny, takže odpadá obtížná separace produktu z taveniny. V případě, že (i) snadnému oddělení taveniny od krystalů, zejména během “pocení”, brání vysoká viskozita taveniny a/nebo (ii) produkt je požadován v krystalické formě s určitou velikostí a tvarem krystalů, musíme použít typ krystalizace, kde krystaly vznikají v objemu taveniny. Příkladem takového krystalizátoru je krystalizátor se seškrabovanými stěnami, viz. obr. 15.18. Krystalizátor je v podstatě výměník “trubka v trubce” opatřený šnekem chladící medium 2 seškrabujícím krystaly vyloučené na vnitřní 2 1 stěně chlazené trubky. Vzniklá suspenze je čerpána do zrací nádoby, kde dochází k přívod taveniny dalšímu růstu již vzniklých krystalů. výsledná suspenze Suspenze ze zrací nádrže je cirkulována do 15.20 krystalizátoru vnějším okruhem, ze kterého Krystalizátor se seškrabovanými stěnami se odebírá výsledná suspenze k separaci 1 – krystalizátor, 2 – zrací nádrž krystalů.

16. CHARAKTERIZACE A POPIS TUHÝCH DISPERZNÍCH SYSTÉMŮ Soubor tuhých částic o různé velikosti potřebujeme v praxi jednoznačně a jednoduše charakterizovat co do rozdělení velikosti částic souboru (granulometrické složení). To znamená, že musíme stanovit charakteristiky distribuce velikosti částic daného souboru. 16.1 DISTRIBUCE VELIKOSTI ČÁSTIC Soubor kulových částic rozdělíme do k skupin tak, že v každé skupině se nacházejí částice menší než horní hranice skupiny až po spodní hranici včetně jednotky a počet částic v jednotlivých skupinách sečteme, viz. Tab. 16.1. Tak např. skupina 1 2 obsahuje částice o velikosti 1 jednotky a větší, ale menší než 2. V tabulce je r střední velikost i-té skupiny, r lineární rozměr částice, Ni počet částic v i-té skupině a fi(N) = Ni/ i je zlomek celkového počtu částic vyskytujících se v dané skupině (f(N).100 je procento částic nacházejících se v dané skupině), Nad je nadsítný a Pod podsítný podíl v procentech, tj. j

j

1 - fi(N) x100 a 1

fi(N)x100 1

Nadsítný (podsítný) podíl je procento částic o velikosti větší (menší) než je dolní (horní) mez dané velikostní skupiny.

151

Tabulka 16.1 Rozdělení velikostí souboru částic Velikost r 0

Δr

ri

Ni

fi(N)

Nad

Pod

1

0.5

0

0

100

0

1

2

1

1.5

20

0.014

98.6

1.4

2

3

1

2.5

50

0.036

95.0

5

3

1

3.5

150

0.107

84.3

15.7

4

1

4.5

250

0.179

66.4

33.6

5

1

5.5

430

0.307

35.7

64.3

6

1

6.5

200

0.143

21.4

78.6

7

1

7.5

150

0.107

10.7

89.3

8

1

8.5

100

0.071

3.6

96.4

9

1

9.5

50

0.036

0

100

1400

1

Nejjednodušším způsobem prezentace distribuce (rozdělení) velikostí souboru tuhých částic je forma Y histogramu. Kdybychom však vynášeli počet částic N proti velikosti r, dostali bychom pro každý soubor s jiným počtem částic jiný histogram s rozdílnou výškou. Budeme-li však vynášet Y = fi(N)/Δr proti r viz. obr. 16.1, dostaneme pro jakkoliv velký soubor částic a libovolnou velikost skupin stejný histogram. r Plocha všech sloupců v histogramu je rovna jedné. Obr. 16.1 Spojíme-li středy sloupců histogramu dostaneme Histogram lomenou čáru, obr. 16.2. Budeme-li velikostní intervaly skupin zmenšovat, lomená čára se stále více přibližuje spojité křivce až v hraničním případě se stává spojitou, obr. 16.3., tzv. frekvenční křivkou distribuce velikosti počtu částic, kterou můžeme popsat matematickou funkcí (N,r).

(N,r)

Y

Obr. 16.2 Histogram

r Obr. 16.3 Frekvenční distribuční křivka

r

152

Součin (N,r)dr je frakce počtu částic vyskytujících se ve velikostním intervalu ‹r, r+dr›. Frakci částic o velikosti ‹r1, r2›, f(r1,r2), udává určitý integrál r2

∫ (N,r)dr = f(r1,r2)

(16.1)

r1 ∞

Plocha pod křivkou (N,r) je rovna .

∫ (N,r)dr = 1 .

(16.2)

0 100

Druhým způsobem prezentace distribuce % Nad Pod 75 velikostí částic je tzv. kumulativní distribuční křivka, w(r), a to nadsítná nebo 50 podsítná. Oba typy kumulativní distribuce velikosti částic ze souboru v tab. 16.1 jsou 25 uvedeny na obr. 16.4. Kumulativní nadsítná a podsítná distribuční křivka se protínají 0 v bodě D50 = 5.5 udávající medián frekvenční 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 distribuční křivky. Obě křivky jsou zrcadlově r Obr. 16.4 symetrické kolem kolmice k ose x vztýčené Kumulativní distribuční funkce v mediánu distribuce (čárkovaná kolmice na obr. 16.4). Derivací kumulativní distribuční křivky dostaneme frekvenční distribuční křivku. Dosud byla distribuce velikosti částic (granulometrické složení souboru částic) založena na počtu částic a jejich lineárním rozměru. Takovýto typ distribuce se dostane např. při měření velikosti částic mikroskopem. Jinými metodami, např. sítovou analýzou, dostaneme distribuci velikosti částic založenou na jejich hmotnosti G a lineárním rozměru r popsanou frekvenční křivkou distribuce hmotnosti částic, (G,r). Tato distribuce udává zlomek hmotnosti částic g(r1,r2) vyskytujících se ve velikostní skupině ‹r1, r2› r2

∫ (G,r)dr

(16.3)

r1

Plocha pod křivkou (G,r) je rovna

∞

=

∫ (G,r)dr = 1

g(r1,r2)

(16.4)

0

Vztah mezi distribuční křivkou počtu a hmotnosti částic (G,r) = r3 (N,r)

(16.5)

Každá frekvenční distribuční křivka má tři charakteristiky, a to mód, medián a aritmetický průměr, které charakterizují centrální tendenci distribuce. Mód je souřadnice maxima frekvenční distribuční křivky (velikost nejčetnějších částic souboru). Medián, označovaný jako D50, je souřadnice, která dělí plochu pod frekvenční distribuční křivkou na dvě stejné části (50% částic je větších a 50% menších než tato velikost). Aritmetický průměr, r, který prochází těžištěm plochy pod frekvenční distribuční křivkou je,v případě distribuce lineární velikosti částic součtem rozměrů všech částic děleným jejich počtem, tj. ∞ i

Niri / Ni = r nebo ∫ r (N,r)dr = r i 0 153

(16.6)

Hodnota aritmetického průměru je, na rozdíl od předchozích dvou charakteristik, ovlivněna výskytem i malého počtu částic s rozměry výrazně odlišnými od zbytku souboru. Pokud je distribuční křivka symetrická jsou hodnoty všech tří charakteristik stejné. Distribuci však nelze úplně charakterizovat jen jednou z těchto hodnot, protože nám nic neříkají o šířce distribuce, tj. o rozptylu hodnot kolem zvoleného středu. Stejné centrální charakteristiky může mít symetrická distribuce široká i úzká, viz. obr. 16.5. Šířku distribuce udává tzv. směrodatná (standardní ) odchylka definovaná jako 2

nebo 2

= (1/ Ni) (ri – r) ∞

= ∫(ri – r)

2

2

(16.7)

(N,r)dr

Obr. 16.5 Úzká a široká distribuce

(16.8)

0

16.2 STŘEDNÍ VELIČINY DISTRIBUCE Mějme soubor N = 5 kulových polydisperzních (o různé velikosti) částic o průměru r = 1, 2, 3, 4 a 5 mm. Částice mají celkovým povrchem A = 43.2 mm2, celkový objem V = 117.8 mm3 a položeny vedle sebe mají celkovou délku L = 15 mm. Tento soubor chceme nahradit souborem o stejném počtu monodisperzních (částice o stejné velikosti) kulových částic, které položeny vedle sebe mají stejnou celkovou délku jako původní soubor, viz. obr. 16.6. Průměr částic nového souboru bude r1,0 = ( ri)/N = 15/5 = 3

Obr. 16.6 Soubor 5 částic

Nový monodisperzní soubor je charakterizován hodnotami N = 5, r = 3 mm, L = 15 mm, A = 35.3 mm2 a V = 70.7 mm3. Původní soubor můžeme také nahradit monodisperzním souborem kulových částic o stejném počtu a povrchu částic jako původní soubor. Průměr částic nového souboru bude r2,0 = kA( ri2)/N 1/2 = (43.3x4/5 )1/2 = 3.32 2

kA je tvarový faktor povrchu kdy A = kA.r . Nový soubor je charakterizován N = 5, L = 16.6 mm, A = 43.2 mm2 a V = 95.8 mm3. Obdobně můžeme původní soubor nahradit monodisperzním souborem o stejném počtu a objemu částic jako má původní soubor. Průměr částic nového souboru je r3,0 = kv( (ri3)/N

1/3

= (117.8x6/5 )

1/3

= 3.56

kv je tvarový faktor objemu kdy V = kvr3. Nový soubor má N = 5, L = 17.8 mm, A = 49.8 mm2 a V = 117.8 mm3. U souboru s velkým počtem měřených částic jsou rozdíly mezi jednotlivými středními veličinami podstatně větší, než v případě výše uvedeného souboru jen 5 částic.

154

Veličiny r1,0, r2,0 a r3,0 jsou střední veličiny uvedeného souboru částic. Podle potřeby mohou být definovány další střední veličiny, jako např. pro soubor o stejném povrchu a objemu částic, r3,2, stejné délce a objemu částic, r4,3, a jiné. Z výše uvedeného je zřejmé, že jakoukoliv střední veličinu souboru můžeme vystihnout jen dvě ze čtyř charakteristik souboru částic. Hodnota střední veličiny je však vždy různá. Pokud je známa frekvenční distribuční funkce jsou jednotlivé střední veličiny podílem dvou momentů distribuční funkce rm,n = ∫rm (N,r)dr / ∫rn (N,r)dr 1/(m-n) (16.9) pro distribuci počtu částic a pro distribuci hmotnosti částic potom rm,n = ∫rm r3 (N,r) dr / ∫rn r3 (N,r) dr

1/(m-n)

(16.10)

Střední velikost částic hmotové distribuce stanovené sítováním je r4,3 = ∫r4 (N,r)dr / ∫r3 (N,r) dr

(16.11)

16.3 DISTRIBUČNÍ FUNKCE Byla navržena řada funkcí popisujících distribuci velikosti částic, zejména rozdělení binomické, normální, log-normální, Rosin-Rammlerovo a -funkce. Ve většině případů některá z těchto distribučních funkcí dostatečně dobře vystihuje skutečnou distribuci velikosti sledovaného souboru částic. Velikost částic sledovaného souboru je stanovena některou z metod, jako např. mikroskopicky, sedimentačně, z rozptylu světla, elektricky, sítováním aj. Všechny metody poskytují stejné výsledky jen v případě, že jde o soubor kulových částic, což ve velké většině případů není splněno. Čím více se tvar částic odchyluje od kulového, tím rozdílnější výsledky jednotlivé metody poskytují protože stanovují jinou charakteristiku částice. Tak např. při sedimentačním měření dostaneme průměr koule o stejné hustotě a rychlosti volného pádu jako vykazuje částice v kapalině o stejné hustotě a viskozitě, při sítování získáme šířku nejmenšího otvoru, kterým částice propadne, elektrickým měřením určíme objem koule o stejném objemu jako měřená částice zatímco z mikroskopu zjistíme střední vzdálenost mezi dvěma paralelními tečnami vedenými k půdorysu částice a mnohé další rozměry. Navíc při některých metodách stanovíme rozdělení počtu částic a při jiných hmotovou distribuci. V případě, že jde o bimodální distribuci (dvouvrcholová distribuce složená ze dvou samostatných distribucí), viz. obr. 16.7, jakou získáme např. při směšování tuhých látek, je charakterizace jednou střední veličinou nepřípustná a je třeba ji rozdělit na dvě samostatné jednovrcholové distribuce a ty charakterizovat. Stejně je třeba postupovat u vícemodálních distribucí.

155

Obr. 16.7 Bimodální distribuce

U souboru výrazně nesymetrických částic dochází k jevu, který zkresluje konečný výsledek. Tak např. při sítování částic ve tvaru podlouhlých kvádrů dochází k tomu, že některé kvádry se „postaví“ na svou základnu a projdou sítem, které jinak zadrží „položené“ částice, tj. částice orientované svou délkou v rovině síta. Ke stejnému jevu dochází i při sedimentační analýze takovýchto částic. Jeden soubor částic může být charakterizován různými středními veličinami, které mají rozdílnou hodnotu, přestože jde stále o stejný soubor. Pokud je tedy soubor částic charakterizován nějakou střední veličinou, musí být vždy přesně uvedeno o jakou střední veličinu se jedná anebo jakou metodou bylo rozdělení stanoveno. Bez tohoto přesného určení nemá informace o granulometrickém složení souboru žádnou vypovídací hodnotu a je bezcenná.

17. Odhad ceny zařízení Cenu zařízení pro určitou kapacitu výroby (o určité velikosti) lze odhadnout známe-li cenu stejného zařízení pro jinou kapacitu pomocí tzv. 0.7 mocninového zákona 0.7 Cena 2

Kapacita 2 =

Cena 1

Kapacita 1

Pokud zařízení na kapacitu 1000 t/r stojí 10 mil. Kč, potom totéž zařízení na dvojnásobnou kapacitu bude stát přibližně jen 16 mil.Kč. Exponent 0.7 se vztahuje na případ, kdy odhadujeme cenu výrobny sestávající z řady různých technologických zařízení. Pokud jde jen o odhad ceny jednotlivého zařízení, potom hodnota exponentu se mění v širokých mezích od 0.3 do 1.20 podle typu zařízení, viz tabulka 17.1 a rovněž podle výrobce. Tabulka 17.1 Exponent pro jednotlivé typy zařízení Zařízení Míchadla Směšovače Odstředivky Dopravníky pásové Dopravníky šnekové Výměníky Pumpy

Zařízení Krystalizátory Sušárny Odparky Filtry Mlýny Kompresory Nádrže

Exponent 0.30 – 0.54 0.49 – 0.78 0.68 -1.25 0.80 – 0.90 0.73 – 0.90 0.45 – 0.80 0.33 – 0.70

Exponent 0.37 – 0.63 0.22 – 0.80 0.49 – 0.70 0.44 – 0.67 0.65 – 0.85 0.38 – 0.80 0.35 – 0.70

Odhad na základě 0.7 mocninového zákona zahrnuje jen cenu zařízení, nikoliv jeho instalaci, náklady na nutné stavební úpravy, elektroinstalaci, automatizaci a další náklady vyvolané požadavky bezpečnosti práce a požární prevence. Náklady na instalaci zařízení se mohou pohybovat mezi 25 až 55 % ceny zařízení, ve výjimečných případech tvoří až 90% ceny exponentu se mění v širokých mezích od 0.3 do 1.20 podle typu zařízení, viz tabulka 17. a rovněž podle výrobce zařízení.

156

18. LITERATURA 18.1 ODBORNÁ LITERATURA A ČASOPISY Brdička R.: Základy fyzikální chemie, Přírodovědecké nakladatelství, Praha, 1952 Bűchner W. a kol.: Průmyslová anorganická chemie, SNTL Praha, 1991 Hála, Reiser: Fyzikální chemie, díl I a II, Academia Praha, 1971 Horký J.: Tvorba a ochrana životního prostředí, ČVUT Praha, 1991 Hranoš: Stroje a zařízení v chemickém průmyslu, VÚROM Ostrava Kolektiv: Malá československá encyklopedie, Akademia Praha, 1988 Kolektiv: Základní anorganický průmysl, SNTL Praha, 1968 Koller J.: Ochrana prostředí v průmyslu I, SNTL Praha, 1984 Kossacký, Surový: Chemické inženierstvo, díl I a II, Alfa Bratislava Míka V.: Chemické inženýrství, SNTL Praha, 1990 Míka V., Neužil V.: Chemické inženýrství, díl I a II, SNTL Praha Mocek K.: Současné trendy v čištění odpadních plynů, Chemické listy, 89, 564-569, (1995) Palatý J. a kol.: Základy ochrany prostředí, VŠCHT Praha, ISBN 80-7080-173-5, 1993 Palatý J., Paleček J.: Základy ekologie, VŠCHT Praha, ISBN 80-7080-144-1, 1992 Palatý a kol.: Základy ochrany prostředí, skripta, VŠCHT Praha Pilař: Chemické inženýrství I a II, SNTL Praha Pozin M.E.: Technologie minerálních solí I a II, Vydavatelství "Chemie", Leningrad, 1970 Remer S., Chai H., Chem.Engn.Progress, str. 77 (1990) Rendoš, Dohnal: Výrobní linky chemické, skripta, FS ČVUT Praha Schneider J. a kol.: Pochody a zařízení v chemickém průmyslu, SNTL Praha, 1962 Soldavini H., Wedel W.: Umweltschutz plus Wertstoffgewinnung, Chemische Industrie, Hessen (SRN), 1992 Štorch: Čištění průmyslových plynů a exhalací odlučovači, SNTL Praha Svatý F.: Technológia priemyslu, Alfa Bratislava, 1987 Vejvoda J. a kol.: Technologie ochrany ovzduší a čištění odpadních plynů, skripta, ISBN 807080-517-X, VŠCHT Praha, 2003 Vlček J., Drkal F.: Technika a životní prostředí, ČVUT Praha, 1994 Volák Z., Ryba M., Pechoč V.: Příklady chemicko-inženýrských výpočtů I/1, SNTL Praha, 1974 18.2 PROSPEKTOVÁ LITERATURA ZVVZ, a.s. Milevsko, Katalog výrobků, Milevsko (ČR), 2001 Scheuch GmbH., Ried (Rakousko), 1998 Chetra GmbH., Vysokovýkonné filtry, Mnichov (SRN), 1987 Mitop, a.s. Mimoň, Filtrační netkané textilie řady FINET a Teofit, Mimoň (ČR), 1999 Herding GmbH., Entstaubensanlagen mit dem Sinterlamellenfilter, Amberg (SRN), 1998 Turbofilter GmbH., Entstaubungstechnik, Essen (SRN), 1992 DCE LIMITED, Flue-gas cleaning, Leicester (UK), 1993 SPG/Wagner-Biro, Rauchgasentschwefelung, Graz (Rakousko), 1994 Lurgi Energie- und Umwelttechnik GmbH., ZWS-Kraftwerke, Frankfurt a.M. (SRN), 1991 Coal can be Green, Direktorate-General for Energy, Brusel (Belgie), 1992 Hoogovens Technical Services B.V., First SCR Demo-plant, Rotterdam (Holland), 1997 ABB Umwelttechnik, Fortschrittliche Technologien zur Luftreinigung, Butzbach (SRN), 2001

157

ACON Anlagenbau GmbH.: Membranschlauch-Belüftungssystem, München, SRN

158