TDA TAR MENTESÍTÉSE OPTIMÁLIS KEVERÉSI VISZONYOK A TAR OLDÓBAN I. TDA TAR DECONTAMINATION OPTIMAL CONDITIONS IN THE TAR MIXER, PART I

Anyagmérnöki Tudományok, 37. kötet, 1. szám (2012), pp. 35–41.

TDA TAR MENTESÍTÉSE – OPTIMÁLIS KEVERÉSI VISZONYOK A TAR OLDÓBAN I. TDA TAR DECONTAMINATION – OPTIMAL CONDITIONS IN THE TAR MIXER, PART I. BOKROS ISTVÁN, SIMÉNFALVI ZOLTÁN, SZEPESI GÁBOR Miskolci Egyetem, Vegyipari Gépek Tanszéke 3515 Miskolc-Egyetemváros [email protected] A TDI-gyártás során melléktermékként keletkező TDA anyag TAR tartalmának csökkentése nem csak minőségi, hanem gazdasági előnyöket is jelent. Cikkünkben célul tűzzük ki, hogy a TAR megsemmisítése során az oldó készülék működési paramétereit vizsgáljuk, meghatározzuk a feladathoz legalkalmasabb keverőtípust, a keveréshez szükséges optimális keverési időt, ami egyben a tartózkodási idő is. Kulcsszavak: TDA TAR, keverési idő, CFD. During the TDI producing process the TDA secondary product contains TAR that must be decrease and it cause quality and economical benefits. In this paper we shows some theoretical methods to choose the best type of mixer for solvint TAR in TDA, to determine the optimal mixing time which has equal the residential time. Keywords: TDA TAR, optimal mixing time, CFD. Bevezetés A TDI (touilén-diizocianát) gyártása során a TDA (touilén-diamin) egy közbenső termék, mely kb. 1% TAR (kátrány) tartalommal rendelkezik. A TDA-ból a TAR kinyerése nem pusztán minőségi- és technológiai, hanem gazdasági előnyökkel is jár, ugyanis annak égetése során keletkező hő hasznosításra kerül. A TDA TAR mentesítésének elvi kapcsolási vázlatát az 1. ábrán mutatjuk be. Az ábrán látható desztilláló oszlop fenék termékének a TAR tartalma kb. 30%, melyet a vákuumbepárló készülékben tovább dúsítunk. A dúsítás utáni tömény TAR oldatot ortotoluilén-diaminban (OTDA) feloldjuk és égetőre küldjük. Cikkünket megelőzte egy modellkísérlet, melyet a Borsodchem Zrt. Műveleti Laboratóriumában hajtottak végre, ahol a TAR-t OTDA-ban keverős készülékben való oldhatóságát vizsgálták [3]. Célunk az üzemi berendezés megtervezése a laborkísérlet eredményeit felhasználva, azt kiegészítve további kisminta kísérletekkel, melyek alapján a CFD szimuláció adta lehetőségek is alkalmazhatóak. (A CFD betűkombináció egy mozaikszót takar, mely a Computational Fluid Dynamics angol terminológia rövidítése, magyar megfelelője ,,áramlástani numerikus szimuláció”.)

36

Bokros István–Siménfalvi Zoltán–Szepesi Gábor

1. ábra. TDA TAR mentesítése Jelen cikkünkben – a téma összetettségére való tekintettel – az elvégzendő feladatok összefoglalását illetve elméleti hátterének ismertetését tűztük ki célul, melyek a későbbi méretnövelési feladat megoldását teszik lehetővé. 1. Az optimális keverési idő és fordulatszám meghatározása A keverés hatékonyságára jellemző a szükséges keverési idő ( τ k ), amely elsősorban a keverő keringtetési kapacitásától és a fordulatszámtól függ. Holmes-áramlástörőkkel felszerelt turbinakeverőre adja meg az optimális keverési időre vonatkozó összefüggést, amely a következő: 2

d n ⋅ τ k ⋅   ≈ const. D

(1)

ahol d a keverőelem, D a készülék átmérője. Zlokamik-propellerkeverőkkel végzett kísérletsorozat eredményeképpen azt tapasztalta, hogy az n ⋅ τ k függvénynek minimuma van a Re = 3 · 104 Reynolds-szám értéknél, így a következő összefüggések írhatók fel az optimális keverési idő meghatározására:

n ⋅ τ k ≈ Re 0, 7 , ha Re > 3 ⋅ 10 4 n ⋅ τ k ≈ Re

−0 , 7

, ha Re < 3 ⋅ 10

4

(2. a) (2. b)

Az egyes keverőtípusok közötti választás megkönnyítésére két új dimenzió nélküli számot vezettek be. Az egyik a keverési időre jellemző dimenzió nélküli szám:

TDA TAR mentesítése – optimális keverési viszonyok a TAT oldóban I.

τ ⋅η d n ⋅τ k ⋅ Re −1   = k2 D ⋅ρ D

37

2

(3)

A másik a hajtóteljesítményre (P) jellemző kifejezés: 2 D P⋅D⋅ρ =  η3 d

ζ ⋅ Re 3 

(4)

ahol: P : a keverés teljesítményszüksége, ρ : a kevert anyag sűrűsége, η : a kevert anyag dinamikai viszkozitása,

ζ

: ellenállástényező.

Tapasztalati adatok alapján, a technológiai folyamat igényeit elemezve a keverési feladatra háromszárnyú impeller-keverőt tartunk alkalmasnak, azonban erre a típusú keverőre a szakirodalomban nincsenek használható mérési eredmények. Két folyadék összekeverése esetén az egyes keverőtípusokat jól össze tudjuk hasonlítani, ha a hajtóteljesítményre jellemző számot ábrázoljuk a keverési időre jellemző szám függvényében. Az így kapott görbeseregből számunkra az az érdekes, hogy mely keverőtípushoz tartozó görbe fekszik egy adott intervallumban a legmélyebben. Az ábrába bejelölhető az egyes görbeszakaszokhoz tartozó Re-szám skála is. Ezáltal egy adott keverési feladatra könnyen és gyorsan meghatározható a legalkalmasabb keverőtípus és az egyéb működtetési paraméterek. Ha ismert a keverős készülék átmérője és a kevert folyadék anyagjellemzői, akkor a keverési idő (a keverőhöz kapcsolódó technológiai berendezések ezt általában determinálják) felvételével kiszámítjuk a keverési időre jellemző számot. A diagramból leolvasható: • a legkedvezőbb keverőtípus • a betartandó Re-szám (ebből meghatározható a fordulatszám is) • az ordinátaértékből kiszámítható a szükséges hajtóteljesítmény. A keverés hatásosságának további jellemzésére Danckwerts [4] a szegregáció erőssége (intensity of segregation, I) fogalmat vezette be. Folytonos üzemmódban dolgozó keverőknél ez a következő kifejezéssel számítható:

I=

Qv Q p + Qv

(5)

ahol a Qp: (pumping capacity) méréssel határozható meg az egyes keverőtípusokra [5]. Adott keverőtípus gazdaságos keverési idejét csak kisminta kísérletekkel lehet helyesen megállapítani. A kísérletek során mérni kell a szükséges keverési időket különböző fordulatszámoknál és a teljesítményszükségletet. A kísérletek eredményei alapján a méretnövelés összefüggéseit felhasználva lehet megválasztani az ipari méretű keverő legkedvezőbb működtetési paramétereit. 2. Az optimális keverési idő (tartózkodási idő) meghatározása impeller-keverő esetén Az optimális keverési idő meghatározásához kísérleti vizsgálatokat kívánunk végezni. A kísérleti mérés eredményének feldolgozása során egy dimenziómentes számok közötti

38

Bokros István–Siménfalvi Zoltán–Szepesi Gábor

empirikus összefüggést kívánunk felállítani a függő és független változók között. Ezeket a számokat a dimenzióanalízis módszerével állítjuk elő és a közöttük lévő összefüggés alapján határozzuk meg a keverési időt. A dimenzió nélküli invariánsok meghatározásához a bázisfaktoron-alapuló módszert alkalmazzuk, melyet Baloghné, Békéssy és Fáy [1] használtak először az itthoni tudományos életben. Az eljárás lényege, hogy a dimenziómátrixot úgynevezett bázisfaktorokra bontjuk, azaz olyan két mátrix szorzatára, amelynél elsőnek oszlopai, a másodiknak a sorai lineárisan függetlenek. A bázismátrixokból azután a fizikai mennyiségek báziselemei meghatározhatóak. Az általunk vizsgált folyamatot leíró fizikai jellemzők az 1. táblázatban tekinthetők meg. Megnevezés Fordulatszám Keverőelem átmérő Folyadékszint Idő Tartály átmérő Nehézségi gyorsulás

Jel n d H τ D g

Dimenzió T-1 L L T L LT-2

1. táblázat. Az általunk vizsgált fizikai jellemzők A fenti módszer a független, dimenzió nélküli számok egy rendszerét adja. Az eljárás eredménye az alábbi dimenziómentes számok:

n ⋅τ ,

d , H

H , D

n⋅d2 = Fr g

Szükséges vizsgálni, hogy a kapott dimenzió nélküli számok teljes készletet alkotnak-e. A kitevőkből képzett determináns értéke: -1, így a teljes készletre vonatkozó feltétel teljesül. A szükséges keverési idő az alábbi függvénykapcsolattal írható le:

τ = f (d , n, H , D, g )

(6)

Ezt az általános függvénykapcsolatot a dimenzióanalízis segítségével a fentiek szerint az alábbi alakra hozható: c

H d  n ⋅ τ = A ⋅ Fr b ⋅   ⋅    D D

e

(7)

Tehát a keresett optimális keverési idő értékét a (7) egyenlet alapján kívánjuk meghatározni. Az összefüggésben szereplő állandók értékeit a legkisebb négyzetek módszerével a kísérleti eredmények alapján kapjuk meg. 3. Méretnövelés A kisminta kísérletek eredményeinek felhasználása az ipari berendezés tervezésekor csak akkor hasznosítható, ha tisztában vagyunk a méretnövelés törvényszerűségeivel. Duplikatúrás készülékek esetében a legnagyobb problémát az jelenti, hogy a lezajló techno-

TDA TAR mentesítése – optimális keverési viszonyok a TAT oldóban I.

39

lógiai folyamat és a hőátadási viszonyok egyidejű hasonlóságának biztosítása nem lehetséges. Keverős készülékeknél a folyadékoldali (belső) hőátadási tényezőt – fázisváltozás nélküli hőátvitel esetén – az alábbi egyenlettel számoljuk:

η Nu = C Re Pr η f  o

m

   

p

(8)

ahol: C,m,o,p: állandók, Pr: Prandtl-szám. A kitevők értéke a legtöbb kutató szerint: m = 2/3, o = 1/3, p = 0,14 A fenti egyenlet figyelembevételével megállapítható, hogy a modellkészülék felnagyításánál milyen hőátadási tényező érhető el. E célból képezzük a Nu-számok viszonyát, feltételezve az anyagjellemzők azonosságát, azaz a modellkísérleteknél az ugyanolyan anyagok használatát. A kismintára vonatkozó változókat m index-el jelölve:

αD Nu (nd 2 ) 2 / 3 = = Nu m α m Dm (n m d m2 ) 2 / 3

(9)

Tekintettel arra, hogy a keverésnél mindig célszerű a geometriai arányokat megtartani (d~D), ezért a hőátadási tényezők viszonyára vonatkozó összefüggés:

 n  α  =  α m  n m 

2/3

 d   dm

  

1/ 3

(10)

A fordulatszám helyes megválasztásának jelentősége nemcsak a keverési hatásnál, hanem a teljesítményszükségletnél is fontos. Miután kisminta kísérletekkel már meghatároztuk a legkedvezőbb alakot, típust, fordulatszámot, következik az ipari méretű keverő fordulatszámának és más egyéb paramétereinek megválasztása. A keverés jósága, a keverési idő arányos a térfogategységre vonatkoztatott teljesítményszükséglet, tehát a hasonlóság feltétele a következő lesz:

P Pm = V Vm

(11)

P n3d 5 ρ ~ = n3d 2 ρ 3 V d

(12)

Turbulens áramláskép esetén:

A jobb áttekinthetőség érdekében a méretnövelés mértékét k-val jelölve ( k = d / d m ) az ipari méretű berendezésben a fordulatszám, a kerületi sebesség, a Re-szám, a hőátadási tényező, a térfogategységre vonatkoztatott átvihető hőmennyiség és a (7) egyenlet alapján a keverési idő a következőképpen alakul:

Bokros István–Siménfalvi Zoltán–Szepesi Gábor

40

n = k −2 / 3 n m , w = k −1 / 3 wm , Re = k 4 / 3 Re m ,

α =k

−1 / 9

Q Q = k −10 / 9 m Vm , τ = k b / 3τ m αm , V

(13)

4. Az áramlásképek vizsgálata, az energia bevitel és a folyamat eredményességét befolyásoló rendszerparaméterek meghatározása Az áramképek, keveredési minták meghatározására több lehetőség is adódik. Egyrészt kísérleti módszerekkel másrészt numerikus szimulációk végrehajtásával is eredményre juthatunk. Napjainkban jelentős mértékben elterjedt a CFD alkalmazása keverési feladatok vizsgálatára. A tervezett keverős készülék numerikus áramlástani szimulációját Tetra/SC CFD szoftver környezetben kívánjuk végrehajtani. Keverési feladatok numerikus vizsgálatánál az egyik legfontosabb alapfeladat, az alkalmazni kívánt turbulencia modell megválasztása. A jelenleg leginkább alkalmazott turbulenciamodellek: • standard k-e modell, • RNG k-e modell (átlagolt Reynolds), • RSM modell, • LES. A turbulenciamodellek közül az első kettő a kétváltozós, az RSM, hétváltozós turbulencia modell közé tartozik. Az idevonatkozó szakirodalom tanulmányozása során a vizsgált jelenség leírására az RSM illetve a LES modellek felelnek meg legjobban a kevert terek leírására. A szimulációs eredményekből meghatározható a keverés teljesítményszükséglete, illetve a köpenyfűtéssel ellátott keverős készülék hőtani szempontból is leírható. A szimuláció eredményeit következő tervezett Közleményünkben ismertetjük Összefoglalás Jelen cikkünkben rámutattunk arra, hogy a vegyiparban alkalmazott TDI-gyártás során a TDA, mint közbenső termék TAR tartalmának kinyerése nem csak minőségi, hanem anyagi előnnyel is jár. A technológiai igények és anyagtulajdonságok alapján meghatároztuk azt a keverőtípust, melyet alkalmasnak tartunk a TAR oldásának elősegítésére. Kidolgoztunk egy összefüggést az optimális keverési idő meghatározására, valamint megvizsgáltuk a méretnövelés hatását a működési paraméterekre. Az elvégzett vizsgálataink konkrét eredményeit a cikk II. részében foglaljuk össze.

Köszönetnyilvánítás A bemutatott kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

TDA TAR mentesítése – optimális keverési viszonyok a TAT oldóban I.

41

Irodalom [1] [2] [3]

[4] [5]

Szűcs Ervin: Hasónlóság és a modell, Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1972. Szepesi Gábor: Nagyméretű tartályok keverési viszonyainak vizsgálata, TDK dolgozat, 1999. Lengyel Attila, Ábrahám József, Mogyoródy Ferenc, Magyari Miklós, Fehér Tamás: MetaToluilén-Diamin (TDA)-kátrány (TAR) koncentrátum előállítása vákuum desztillációval, a koncentrátum viszkozitás hőmérséklet és koncentráció függésének modellezése, Miskolci Egyetem közleményei, Anyagmérnöki Tudományok II. sorozat, 35. kötet (27-38 oldal) Fejes Gábor: Ipari keverőberendezések, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1970. J. Broz, I. Fort, R. Sperling, S. Jambre, M. Heiser, F. Rieger: Pumping capacity of pitced blade impellers in a tall vessel with a draught tube. Acta Polytechnica Vol. 44. No. 4/2004 pp. 48-53.